鐘永友

(陜西理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

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本體知識庫在土地定級中的應(yīng)用研究

鐘永友

(陜西理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

城鎮(zhèn)土地定級是對城市土地利用級別進行劃分，以此來揭示城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量在不同地域的差異。在本體及知識庫理論的支持下，將本體知識引入到土地定級領(lǐng)域。根據(jù)城鎮(zhèn)土地定級的主要內(nèi)容及過程，構(gòu)建兩類土地定級本體模型，即土地定級類型本體和土地定級因素本體。在此基礎(chǔ)上，集成本體知識庫開發(fā)土地定級決策支持系統(tǒng)，并將系統(tǒng)應(yīng)用于陜西省城固縣土地定級規(guī)劃工作中。結(jié)果表明：本體知識庫技術(shù)能夠有效實現(xiàn)土地定級方法與知識的重用，提高土地定級的效率和科學(xué)性。

本體知識庫；土地定級；決策系統(tǒng)

0 前 言

城鎮(zhèn)土地定級是根據(jù)城鎮(zhèn)土地的經(jīng)濟、自然兩方面屬性及其在社會經(jīng)濟活動中的地位、作用對城鎮(zhèn)土地使用價值進行綜合分析，通過揭示城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量在不同地域的差異，評定城鎮(zhèn)土地級。土地級反映的是城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量的差異。土地定級的對象是土地利用總體規(guī)劃確定的城鎮(zhèn)建設(shè)用地范圍內(nèi)所有土地。城鎮(zhèn)以外的獨立工礦區(qū)、開發(fā)區(qū)、旅游區(qū)等用地可一同參與評定。城鎮(zhèn)土地定級一般采用因素定級方法，根據(jù)調(diào)查，收集影響土地級別的因素，進行量化分析，劃定等級。本文研究通過建立本體知識庫，為因素的選擇、判定提供參考依據(jù)。本體(Ontology)是指關(guān)于存在的客觀世界及其本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)說，是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明，是關(guān)于共享概念的協(xié)議[1]。它的應(yīng)用為信息與知識的共享、重用提供了嶄新而獨具優(yōu)越性的方法，將其引入土地定級中建立相關(guān)本體模型是一種新的嘗試方法。為土地定級信息系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理提供幫助。

1 土地定級領(lǐng)域本體的設(shè)計

本文依據(jù)城鎮(zhèn)土地定級的方法流程，收集相關(guān)資料，包括影響土地定級的自然屬性和社會經(jīng)濟屬性，構(gòu)建土地定級類型及土地定級因素本體。自然屬性包括土地所處的地理位置、土地性質(zhì)、土壤特征等。社會屬性主要包括所處區(qū)域的社會經(jīng)濟條件、土地權(quán)屬狀況等。

1.1 土地定級類型本體

土地定級類型本體主要是根據(jù)土地用途進行分類而建立的本體模型。主要對住宅用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地進行本體建模。目前在城鎮(zhèn)土地分類過程中，上述3類用地是使用較為頻繁的3類用地，因此，建立類型本體較具有代表性。本體包括5個基本的元素：類或概念、關(guān)系(屬性)、函數(shù)、公理和實例[2]。在土地定級過程，對商業(yè)用地、工業(yè)用地和住宅用地進行定級，是根據(jù)各自的用地類型進行分類，主要調(diào)查與該用地相關(guān)的資料，如交通條件、基本設(shè)施、商服繁華程度、人口密度、產(chǎn)業(yè)集聚等相關(guān)的因素，對上述各用地的影響因素進行量化計算，得到各因素的影響作用分，參照作用分應(yīng)用相關(guān)分析方法法劃分各類用地級別。由上述分析，根據(jù)Frank五層本體概念化的描述，結(jié)合土地的性質(zhì)，對土地定級類型本體，其分層概念本體如圖1所示。

圖1 土地定級類型本體

圖1中“土地”是地球上單獨存在物質(zhì)現(xiàn)實層，“城鎮(zhèn)土地”是“土地”上的一個觀察點，但對它的描述是不完整和具體的。最底層是3個用途類型的土地，是“城鎮(zhèn)土地”的一個實例對象?！巴恋亍迸c“城鎮(zhèn)土地”之間是繼承關(guān)系，“城鎮(zhèn)土地”與“各類型土地”之間是對象實例關(guān)系。

1.2 土地定級因素本體

土地定級因素本體是在分析上述3種用地因素的基礎(chǔ)上建立起來的。在進行定級過程中，最重要的是各類因素的分析比較、計算其影響作用分，以此作為定級的基礎(chǔ)。因此建立此因素本體重點在于研究各影響因素及它們之間的關(guān)系。下面以商業(yè)用地因素本體進行描述分析。

商業(yè)用地因素本體：對影響商業(yè)用地級別劃分的因素進行分析，找出各類影響因素；便于根據(jù)因素進行定級量化計算及對信息系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)處理。各因素之間的相互影響，如相斥、相容、替換等關(guān)系。定量化方法是因素影響度的計算方法、步驟及計算公式。影響因素包括繁華程度，交通條件，基本設(shè)施，人口狀況，人口密度，其他影響因素。

根據(jù)上述描述要求，刻畫各類型用地本體之間的影響因素。這些屬性和影響因素有些是從上層父類繼承而來，有些是因素本體派生而來。

1.3 本體知識庫實現(xiàn)

通過上述的描述分析，建立兩種類型的本體模型。在完成土地類型本體和因素本體概念化分析之后，采用Protégé本體編輯工具對本體進行編輯，生成土地定級領(lǐng)域本體模型。要構(gòu)建本體庫，需要將本體存儲到數(shù)據(jù)庫中，本研究采用微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫作為存儲管理本體知識庫的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。在存儲之前，需要使用本體語言描述工具，將其符號化。本研究選用OWL語言作為本體的描述語言，并應(yīng)用開發(fā)工具Jena來構(gòu)建。將用OWL語言形式化后的本體通過Jena存儲機制存儲到數(shù)據(jù)庫，形成土地定級本體知識庫，作為建立土地定級信息系統(tǒng)中處理異構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

2 本體在土地定級決策系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

處理異構(gòu)數(shù)據(jù)是本體在信息系統(tǒng)中的一個重要應(yīng)用。本文嘗試通過建立土地定級信息系統(tǒng)，應(yīng)用已建立的本體知識庫結(jié)合推理規(guī)則，來對城鎮(zhèn)土地進行等級劃分。本決策系統(tǒng)是基于規(guī)則推理[3]，結(jié)合類型本體與因素本體進行影響度分析。該決策系統(tǒng)(DSS)的模型見圖2。

圖2 決策系統(tǒng)模型

基于本體的土地定級決策系統(tǒng)以ArcGIS的ArcEngine開發(fā)組件為基礎(chǔ)，主要用于解決異構(gòu)數(shù)據(jù)，輔助進行土地分等定級的工作。該系統(tǒng)運行原理：

1) 用戶接口UI：提供3類用地類型的用戶接口，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；

2) 檢索機制：從本體知識庫中已經(jīng)建立的本體模型，匹配適合的用地類型及影響因素；

3) 規(guī)則推理：照推理規(guī)則進行初步推理。推理規(guī)則是決策系統(tǒng)中的核心功能，根據(jù)已有的經(jīng)驗建立規(guī)則庫，從而方便規(guī)則匹配；

4) 推理計算： 在規(guī)則推理的基礎(chǔ)上進行影響因素的作用分計算。為定級提供技術(shù)支撐，同時將結(jié)果返回給用戶；

5) 規(guī)則優(yōu)化：在上一步推理計算的基礎(chǔ)上進行規(guī)則優(yōu)化，淘汰舊的規(guī)則，更新新的規(guī)則至規(guī)則庫中。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)以陜西省城固縣博望鎮(zhèn)城鎮(zhèn)土地定級為案例進行驗證。

1) 3大類型用地的劃分。系統(tǒng)根據(jù)收集的資料，建立商業(yè)用地、住宅用地和工業(yè)用地的本體模型。應(yīng)用本體模型，找出各用地的因素以及它們之間的相互關(guān)系，并將本體描述存儲于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，建立本體知識庫。

2) 各類用地因素分析及相關(guān)推理。通過調(diào)查研究收集相關(guān)資料。參照類型用地劃分方式及各類用地的影響因素，對這些因素進行分析、校對，去除無關(guān)的因素。主要分析各因素之間的關(guān)系，如繼承關(guān)系、聚集關(guān)系、包含關(guān)系等。并應(yīng)用推理規(guī)則得出相關(guān)結(jié)論。如在分析商服中心服務(wù)半徑時，當知道市級中心邊緣到連片區(qū)邊緣時的距離時，則可知道市級商服功能的服務(wù)半徑。如若對商服功能影響分析時，同時受多個同級功能影響時，則取其中最市的商服功能影響作用分。

3) 因素分析計算。計算公式主要參考國標《城鎮(zhèn)土地分等定級規(guī)程》(GB/T 18507-2014)的計算流程，主要改進在于對各因素之間的影響，根據(jù)因素本體的建立來進行剔除與選用。如在定量化計算面狀因素時，面狀因素直接計算其對空間上各點的作用分，其步驟為：

對因素進行整理，計算指標值；整理過程中，就應(yīng)用了本體因素模型進行分析。在空間上對該類型用地?zé)o用的指標因素進行剔除，留下能反應(yīng)主要作用的指標因素。

作用分計算：

ei=100×(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，ei為i指標值的作用分；Xi為i指標值；Xmin為i指標值的最小值；Xmax為i指標值的最大值。

通過計算優(yōu)化將合理規(guī)則進行更新，重新寫入規(guī)則庫。

輔助劃分定級。土地定級是一個重要工作是劃分土地定級單元，它是評定和劃分土地級別的基本空間單位。劃分出的土地定級單元，可以按其所具有的土地特性值，對照因素功能分，評出各單元的因素分值和總分值，作為評定土地級別的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的應(yīng)用將對提高因子、因素計算精度和土地定級精度提供幫助。

2.3 應(yīng)用結(jié)果分析

通過分析研究，應(yīng)用模擬結(jié)果以及相關(guān)的計算，得出如下部分分析結(jié)果：

1) 城固縣城區(qū)一級地分布在縣城區(qū)最繁華地段文化路和西二環(huán)路十字為中心一帶，為縣城商服業(yè)最發(fā)達區(qū)域。其中文化路是縣城商業(yè)區(qū)位較好，交通便利的區(qū)域，南一路、民生路、東一路是近來來商業(yè)發(fā)展較快的區(qū)域。這基本反映了綜合土地定級中高級別土地級與高級商服中心相對應(yīng)的一般規(guī)律。

2) 在主要道路沿線均出現(xiàn)級別界線由高級別向低級別延伸的現(xiàn)象。在高級別地區(qū)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于目前評價區(qū)商服企業(yè)分布較為廣泛，在主要道路沿線大多形成了大小不一的商業(yè)網(wǎng)點；在低級別地區(qū)出現(xiàn)級別界沿線道路延伸的現(xiàn)象在于土地級別較低的區(qū)域受其他因素影響的程度比道路影響小，從而突出了道路的作用。

3 結(jié) 語

我國土地分等定級劃分是以縣為主導(dǎo)單位進行，由于各地的發(fā)展水平及技術(shù)水平不一致，難免出現(xiàn)各種各樣的問題，如指標因素參差不齊，為了追求簡潔，采用簡單加權(quán)平均方法，專家打分法中個人主觀因素影響過多等問題。如如今技術(shù)與經(jīng)濟快速發(fā)展階段，傳統(tǒng)方法中存在的局限性越來越明顯。將本體知識庫引入土地定級領(lǐng)域，通過調(diào)查分析建立土地用途類型本體與因素本體，以SQL Server數(shù)據(jù)庫和Jena語法規(guī)則構(gòu)建了連貫無冗余的本體知識規(guī)則庫，以此進行規(guī)則推理，完成土地定級知識庫的構(gòu)建，實現(xiàn)土地分等定級專業(yè)經(jīng)驗知識的共享與重用。

[1] Studer R, Njamins V, Fensel D. Knowledge engineering: Principles and methods[J]. Data&Knowledge Engineering, 1998, 25(1/2): 161-197.

[2] 張玉鋒. 智能信息系統(tǒng)[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2008.

[3] 王重洋, 邱炳文, 龍榮, 等. 基于本體案例推理與規(guī)則推理的土地利用空間布局研究[J]. 資源科學(xué), 2013, 35(2): 353-361.

A Research on the Application of Ontology Knowledge Base in Urban Land Grading

ZHONG Yongyou

(SchoolofMathematicsandComputerScience,ShanxiSCI-TECHUnisversity,Hanzhong,Shanxi723000,China)

Urban land grading is a division of the level of urban land use, which reveals the land quality differences in different regions. In support of the theory of ontology and knowledge base，this paper introduces ontology knowledge base into land grading．According to the main content and the process of urban land grading，the land grading types ontology and factors ontology were constructed. On this basis，land grading decision support system integrating ontology knowledge base was developed. It was applied to land grading in Chenggu County,Shaanxi provice．The application indicates that the ontology knowledge base technique can effectively realize the reuse and sharing of mothodology and knowledge in land grading to improve the efficiency and scientificity in land grading．

Ontology Konwledge Base; Land Grading; Decision System

2016-10-22

陜西理工學(xué)院校級科研基金項目(SLGKY14-21)

鐘永友(1978-)，男，江西萬載人，講師，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、信息系統(tǒng)研究與開發(fā)，手機：13689168943，E-mail：zhongyongyou@163.com

P208；TP391.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.010