巫建偉，陳崇成，葉曉燕，林甲祥

（1.福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心，福建 福州350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州350002）

0 引 言

土地適宜性評(píng)價(jià)用以衡量一定土地資源與利用方式的適合程度，可為因地制宜合理利用土地資源，編制土地利用計(jì)劃，協(xié)調(diào)人、地、環(huán)境關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)，是土地資源可持續(xù)發(fā)展利用的重要研究。隨著計(jì)算機(jī)和GIS技術(shù)在土地適宜性評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，逐步回歸分析法、排列成對(duì)比較法、層次分析法、加權(quán)求和法等數(shù)學(xué)模型方法被廣泛集成應(yīng)用于適宜性評(píng)價(jià)的因子權(quán)重確定及評(píng)價(jià)模型中，這使得適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性有了很大的提高，這些方法與模型是綜合利用適宜性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算的工具，是系統(tǒng)解決評(píng)價(jià)問(wèn)題的有力手段。另一方面，土地適宜性評(píng)價(jià)、土地利用規(guī)劃等領(lǐng)域的專(zhuān)家，在長(zhǎng)期的實(shí)踐工作中積累了大量的非常行之有效的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，許多學(xué)者集成知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)與GIS技術(shù)進(jìn)行土地適宜性評(píng)價(jià)空間決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建［1］，試圖對(duì)長(zhǎng)期積累的知識(shí)方法進(jìn)行有效的利用，應(yīng)用包括基于規(guī)則的知識(shí)推理［2－4］、模糊邏輯推理［5］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［6］等智能 技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)過(guò)程的自動(dòng)化進(jìn)行。土地適宜性評(píng)價(jià)的各個(gè)環(huán)節(jié)都強(qiáng)烈依賴于專(zhuān)家知識(shí)，如何有效的利用知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)，提取專(zhuān)家知識(shí)存儲(chǔ)并直接應(yīng)用于適宜性評(píng)價(jià)過(guò)程中，是適宜性評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本體是近年來(lái)知識(shí)工程研究的熱點(diǎn)。采用本體作為知識(shí)表示的方式，既能使知識(shí)具有縱向的類(lèi)屬分類(lèi)，還可以通過(guò)本體術(shù)語(yǔ)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系揭示知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，利于知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的校核與檢驗(yàn)，可以有效提高知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的共享與重用性。筆者所在研究小組對(duì)于采用本體知識(shí)庫(kù)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)有一定的研究基礎(chǔ)［7］，但已有的研究工作主要集中于土地適宜性評(píng)價(jià)本體知識(shí)推理的研究與實(shí)現(xiàn)，在知識(shí)獲取方面的研究比較欠缺。因此，本文在本體知識(shí)推理原理分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建小規(guī)模的土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)本體，重點(diǎn)分析基于Jena［8］的土地適宜性評(píng)價(jià)規(guī)則構(gòu)建方法，即本體知識(shí)庫(kù)中知識(shí)規(guī)則的獲取方式。最后，利用形成的本體知識(shí)庫(kù)，以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性評(píng)價(jià)為應(yīng)用案例，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)的自動(dòng)化進(jìn)行，從而驗(yàn)證本研究的科學(xué)性與有效性。

1 本體知識(shí)推理原理

對(duì)于本體知識(shí)推理，包含兩種類(lèi)型的推理，首先是基于本體知識(shí)本身的語(yǔ)義推理，該推理為本體基本推理功能，此外，為了滿足更高的問(wèn)題求解應(yīng)用需求，在本體之外，進(jìn)一步利用本體概念和關(guān)系進(jìn)行知識(shí)規(guī)則的組織擴(kuò)展，增加所構(gòu)建本體領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)規(guī)則，以此來(lái)提高本體的應(yīng)用能力。因此，一個(gè)具備較強(qiáng)應(yīng)用功能的本體知識(shí)庫(kù)一般包含兩大組成部分，即本體知識(shí)模型與知識(shí)規(guī)則。

本體知識(shí)模型：主要提供語(yǔ)義上的推理功能，包括本體設(shè)計(jì)時(shí)的一致性檢查、類(lèi)的可滿足性檢查、確定類(lèi)之間的包含關(guān)系、本體之間的蘊(yùn)含關(guān)系檢查，以及應(yīng)用所涉及的查詢 （例如判斷一個(gè)個(gè)體是否滿足一個(gè)查詢表達(dá)式，或者檢索滿足給定查詢表達(dá)式的所有個(gè)體），即提供支撐數(shù)據(jù)資源共享與集成的推理判斷能力；

知識(shí)規(guī)則：主要是在本體庫(kù)基礎(chǔ)之上，針對(duì)領(lǐng)域內(nèi)的特定應(yīng)用，擴(kuò)展應(yīng)用規(guī)則 （如：適宜性評(píng)價(jià)規(guī)則），利用規(guī)則庫(kù)中規(guī)則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)推理能力。

1.1 Jena推理機(jī)制

Eiter在論述本體與規(guī)則結(jié)合推理的時(shí)候，將本體與規(guī)則的結(jié)合方式分為同質(zhì)法與混合法［9］。同質(zhì)法通過(guò)定義一個(gè)新的語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)則和本體的集成，以SWRL為例，它是OWL DL的擴(kuò)展，是一種獨(dú)立本體語(yǔ)言，表達(dá)能力強(qiáng)于OWL DL，由于本體與規(guī)則定義語(yǔ)言同質(zhì)同源，同質(zhì)法在本體與規(guī)則的集成方面有優(yōu)勢(shì)，但是由于規(guī)則描述語(yǔ)言是一種新的語(yǔ)言定義，為了實(shí)現(xiàn)規(guī)則推理，則需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的推理技術(shù)及推理機(jī)?；旌戏▌t是保持本體不變，以本體作為領(lǐng)域概念知識(shí)模型，并利用本體已有的概念與屬性元素，針對(duì)不同的應(yīng)用制定特定的規(guī)則。混合法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用既有的規(guī)則推理工具的語(yǔ)法進(jìn)行規(guī)則的構(gòu)造，并連接相應(yīng)的推理機(jī)進(jìn)行推理。

利用Jena推理機(jī)進(jìn)行本體知識(shí)推理，是一種典型的混合法本體與規(guī)則集成推理。Jena是一種用來(lái)構(gòu)建語(yǔ)義Web應(yīng)用的Java框架，包含一個(gè)基于規(guī)則的推理引擎。Jena推理機(jī)制總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其推理子系統(tǒng)通過(guò)ModelFactory將推理機(jī)與本體模型關(guān)聯(lián)起來(lái)。在得出推理結(jié)果之后通過(guò)該Ont／Model API對(duì)潛在InfGraph推理結(jié)果進(jìn)行訪問(wèn)查詢。使用Jena推理機(jī)進(jìn)行知識(shí)推理，就是利用推理機(jī)綁定推理規(guī)則集與包含數(shù)據(jù)集的本體模型，然后運(yùn)行推理得到推理模型，查找推理模型得出所需的推理結(jié)果。

圖1 Jena規(guī)則推理

1.2 土地適宜性評(píng)價(jià)本體知識(shí)推理

土地適宜性是指土地持續(xù)用于某種特定用途時(shí)的適宜狀況，包括適宜與否及適宜程度的高低，用以反映土地的質(zhì)量等級(jí)。土地適宜性評(píng)價(jià)用于對(duì)土地適宜性進(jìn)行研究，并做出等級(jí)評(píng)價(jià)，其實(shí)質(zhì)是分析研究土地特性或土地質(zhì)量與土地利用要求的匹配程度。如圖2所示為本研究土地適宜性評(píng)價(jià)本體知識(shí)推理原理示意圖，結(jié)合Jena推理機(jī)制，將土地質(zhì)量狀況以本體實(shí)例的形式寫(xiě)入到本體模型中，并將土地利用要求定義為評(píng)價(jià)規(guī)則，通過(guò)Jena推理機(jī)，綁定本體模型與規(guī)則集，推理得到推理模型。

圖2 土地適宜性評(píng)價(jià)本體知識(shí)推理原理

2 土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)本體

一個(gè)完整的土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)通常包含以下幾個(gè)步驟流程，首先是選擇合適的土地評(píng)價(jià)系統(tǒng)；然后是評(píng)價(jià)系統(tǒng)因素 （評(píng)價(jià)因子）的選擇與賦權(quán)；并確定所有評(píng)價(jià)因子的分級(jí)得分，即評(píng)價(jià)指標(biāo)分值；最后針對(duì)評(píng)價(jià)單元的土地要素屬性，與評(píng)價(jià)因子分級(jí)情況進(jìn)行比對(duì)，并獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)分值，最后依據(jù)一定方法，得到評(píng)價(jià)單元總的土地質(zhì)量得分，并判定相應(yīng)的適宜性等級(jí)。

圖3 土地適宜性評(píng)價(jià)本體類(lèi)與主要關(guān)系

本文所構(gòu)建的土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)本體主要目的是用于描述土地適宜性評(píng)價(jià)的具體任務(wù)流程，達(dá)到支持土地適宜性評(píng)價(jià)推理知識(shí)推理的目標(biāo)。因此相對(duì)于的本體類(lèi)與關(guān)系術(shù)語(yǔ)的抽取及確定也從適宜性評(píng)價(jià)的任務(wù)流程入手。如圖3所示為土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)本體類(lèi)及主要關(guān)系圖，覆蓋評(píng)價(jià)單元、評(píng)價(jià)系統(tǒng)、土地利用方式、土地要素 （評(píng)價(jià)因子）等幾個(gè)方面。

3 基于Jena的土地適宜性評(píng)價(jià)規(guī)則

依據(jù)Jena推理機(jī)制，本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用推理依賴于知識(shí)庫(kù)中規(guī)則的定義。Jena規(guī)則語(yǔ)法中，每一條規(guī)則都是由一系列前提、結(jié)論、規(guī)則名組成，而規(guī)則中每一個(gè)項(xiàng)均是由本體概念、屬性三元組或Jena規(guī)則內(nèi)置原語(yǔ)Builtin的調(diào)用來(lái)形成。本文涉及的評(píng)價(jià)規(guī)則以Jena規(guī)則形式進(jìn)行組織，實(shí)現(xiàn)知識(shí)存儲(chǔ)。知識(shí)庫(kù)中的適宜性評(píng)價(jià)規(guī)則主要有兩種，首先是對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行定義的評(píng)價(jià)因子權(quán)重規(guī)則；另一類(lèi)是用于實(shí)現(xiàn)推理過(guò)程中各評(píng)價(jià)單元土地質(zhì)量的分值評(píng)定的規(guī)則。下文將就這兩類(lèi)規(guī)則的獲取及其形式化方式進(jìn)行描述。

圖4 評(píng)價(jià)因子重要性賦值接口

3.1 基于AHP的評(píng)價(jià)因子權(quán)重分析

層次分析法 （AHP）能以主觀賦權(quán)的方式有效捕捉專(zhuān)家知識(shí)，是廣大研究人員進(jìn)行決策時(shí)的有力工具，其應(yīng)用遍布各不同領(lǐng)域決策過(guò)程中所涉及的最優(yōu)化選擇、沖突解決，性能優(yōu)化等工作［10］。如圖4所示為進(jìn)行基于AHP分析法的評(píng)價(jià)因子重要性賦值接口，該接口可用于進(jìn)行評(píng)價(jià)因子權(quán)重的獲取及規(guī)則的生成。具體設(shè)置各評(píng)價(jià)分子之間的重要性標(biāo)度的方法如圖4中所示，首先是主準(zhǔn)則層中氣候、土壤、地形條件重要性的標(biāo)度，并分別對(duì)這3類(lèi)評(píng)價(jià)因子次準(zhǔn)則層中每一評(píng)價(jià)因子的內(nèi)部相對(duì)重要性進(jìn)行標(biāo)度，形成判斷矩陣；提交計(jì)算后，獲取主準(zhǔn)則層中的權(quán)重，以及次準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)因子的內(nèi)部權(quán)重，即層次單排序。結(jié)合該權(quán)重結(jié)果，引用本體知識(shí)庫(kù)中相應(yīng)評(píng)價(jià)因子、屬性關(guān)系等概念術(shù)語(yǔ)，可生成對(duì)評(píng)價(jià)因子賦權(quán)的推理規(guī)則，具體實(shí)例見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)因子賦權(quán)推理規(guī)則

3.2 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)分值評(píng)定

依據(jù)土地適宜性評(píng)價(jià)流程，參評(píng)因子對(duì)于評(píng)價(jià)過(guò)程的影響主要來(lái)源于對(duì)評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)分值標(biāo)定。因此，作為評(píng)價(jià)推理主要?jiǎng)恿Φ脑u(píng)價(jià)規(guī)則需要包含因子指標(biāo)分值評(píng)定規(guī)則。我們參照傳統(tǒng)的指標(biāo)分值判定方式，以選定的評(píng)價(jià)因子為例，當(dāng)因子屬性信息反映出一定數(shù)值區(qū)間或者類(lèi)別屬性，則該因子將獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)因子得分。

如圖5所示為評(píng)價(jià)因子指標(biāo)分值評(píng)定接口，在選定評(píng)價(jià)因子后，用戶可以對(duì)評(píng)價(jià)因子的得分情況進(jìn)行定義，確定完成后，引用本體知識(shí)庫(kù)中相應(yīng)評(píng)價(jià)因子、屬性關(guān)系的概念術(shù)語(yǔ)，結(jié)合Jena Builtin原語(yǔ)可形成如表2所示的評(píng)定規(guī)則。

結(jié)合評(píng)價(jià)因子指標(biāo)分值評(píng)定規(guī)則推理結(jié)果與評(píng)價(jià)因子權(quán)重規(guī)則推理結(jié)果，可通過(guò)評(píng)價(jià)因子加權(quán)得分規(guī)則獲得評(píng)價(jià)因子的加權(quán)得分，見(jiàn)表3。

圖5 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)分值評(píng)定接口

根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)過(guò)程，在對(duì)所有因子加權(quán)得分進(jìn)行求和后，依據(jù)所有評(píng)價(jià)因子總分值得分區(qū)間，可判定評(píng)價(jià)單元所有評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)，見(jiàn)表4為評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)判定規(guī)則。

表2 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)得分規(guī)則

表3 評(píng)價(jià)因子加權(quán)得分規(guī)則

表4 評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)判定規(guī)則

4 應(yīng)用分析

小組在前期的工作中［7］，基于Jena開(kāi)發(fā)包，采用本文第二節(jié)介紹的Jena推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)了本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。本文將以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性為評(píng)價(jià)目標(biāo)，依托小組現(xiàn)有的本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，采用上文描述中由圖4、圖5定義轉(zhuǎn)化形成的評(píng)價(jià)規(guī)則集，完成適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)用推理。

結(jié)合有關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)，在保證荔枝種植適宜性評(píng)價(jià)需求情況下，我們選取的評(píng)價(jià)因子以及相應(yīng)的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。這些數(shù)據(jù)以地圖服務(wù)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布，以供評(píng)價(jià)過(guò)程中評(píng)價(jià)因子屬性數(shù)據(jù)的查詢檢索。結(jié)合小組開(kāi)發(fā)的本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)推理功能模塊，我們進(jìn)行了基于WebGIS的適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)門(mén)戶的開(kāi)發(fā)。

如圖6所示為在門(mén)戶中進(jìn)行荔枝種植適宜性評(píng)價(jià)操縱流程。首先，用戶在基于WebGIS的系統(tǒng)界面中點(diǎn)擊所要進(jìn)行評(píng)價(jià)的區(qū)域位置，系統(tǒng)根據(jù)位置信息，利用數(shù)據(jù)查詢接口從基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)服務(wù)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置地圖要素屬性數(shù)據(jù)的查詢，界面中將給出相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)檢索結(jié)果；進(jìn)一步的依據(jù)用戶選擇的評(píng)價(jià)目標(biāo)，點(diǎn)擊評(píng)價(jià)推理，系統(tǒng)將確定并獲取相應(yīng)評(píng)價(jià)規(guī)則，調(diào)用系統(tǒng)評(píng)價(jià)推理功能模塊，完成評(píng)價(jià)推理過(guò)程，并返回相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該案例評(píng)價(jià)過(guò)程的正常執(zhí)行驗(yàn)證了本文知識(shí)庫(kù)構(gòu)建機(jī)制的有效性，門(mén)戶系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的基于位置信息的土地適宜性評(píng)價(jià)推理，方便土地適宜性評(píng)價(jià)工作者或者普通服務(wù)使用者利用手持移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)用地適宜性信息的獲取，進(jìn)而結(jié)合實(shí)地情況，進(jìn)行土地利用方式的決策判定，對(duì)于科學(xué)用地決策具有一定輔助作用。

圖6 荔枝種植適宜性評(píng)價(jià)操縱流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)本體知識(shí)庫(kù)及本體知識(shí)推理原理進(jìn)行探討，針對(duì)本體知識(shí)庫(kù)的本體知識(shí)模型與知識(shí)規(guī)則構(gòu)成，完成土地適宜性評(píng)價(jià)任務(wù)本體與適宜性評(píng)價(jià)規(guī)則的構(gòu)建。其中，本體知識(shí)庫(kù)知識(shí)規(guī)則的獲取方式是本文的研究重點(diǎn)，文中針對(duì)Jena規(guī)則語(yǔ)法，以基于AHP的評(píng)價(jià)因子權(quán)重評(píng)定方式實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)因子權(quán)重規(guī)則的定義，并以指標(biāo)分值評(píng)定的方式實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)規(guī)則的定義。文章最后，以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性評(píng)價(jià)為應(yīng)用目標(biāo)，結(jié)合本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該案例系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的基于位置信息的土地適宜性評(píng)價(jià)推理，方便土地適宜性評(píng)價(jià)工作者或者普通服務(wù)使用者利用手持移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)用地適宜性信息的獲取，從而結(jié)合實(shí)地情況，進(jìn)行土地利用方式的決策判定，對(duì)于科學(xué)用地決策具有一定輔助作用。此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)地圖服務(wù)的形式發(fā)布，將其與本文所提的靈活的知識(shí)規(guī)則構(gòu)建方式相結(jié)合，可以有效提高系統(tǒng)實(shí)用性與使用范圍，一旦評(píng)價(jià)目標(biāo)與研究區(qū)域發(fā)生改變，用戶可以重新定義知識(shí)規(guī)則來(lái)完成適宜性評(píng)價(jià)推理，該機(jī)制很好的滿足了土地適宜性評(píng)價(jià)的區(qū)域性與目標(biāo)性特征。

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