楊耀明， 湯曉安， 周 莉， 韓興宇

(1.國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2.海軍裝備研究院 北京 100032)

基于本體的地理空間對(duì)象多尺度模型

楊耀明1，2， 湯曉安1， 周 莉2， 韓興宇2

(1.國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2.海軍裝備研究院 北京 100032)

隨著地理信息科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)多類型目標(biāo)跨尺度空間表達(dá)的需求越來越大，而現(xiàn)有的多尺度模型大多屬于領(lǐng)域建模，適用范圍有限，需要針對(duì)通用的地理空間對(duì)象多尺度模型開展研究.基于本體理論對(duì)地理空間對(duì)象的多尺度特性進(jìn)行分析，總結(jié)了3類多尺度綜合算子；從概念、邏輯和物理3個(gè)層次設(shè)計(jì)了地理空間對(duì)象多尺度模型，探討了基本概念、推理邏輯和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多尺度模型的尺度綜合推理過程.該模型充分考慮了多尺度的本體特性，與具體的對(duì)象類型、表達(dá)方式和綜合方法無關(guān)，同時(shí)支持本體工具的形式化表達(dá)，具有較高的通用性和實(shí)用價(jià)值.

地理空間對(duì)象； 多尺度模型； 本體； 尺度綜合

0 引言

隨著觀測(cè)手段的提高以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，多時(shí)空尺度的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，為地理科學(xué)帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：若尺度問題得不到有效解決，必將影響地球科學(xué)研究的下一步發(fā)展[1].面對(duì)復(fù)合地理空間的多尺度表達(dá)問題，需要構(gòu)建合理普適的地理空間對(duì)象尺度模型.文獻(xiàn)[2-5]分別針對(duì)態(tài)勢(shì)目標(biāo)、不確定性空間數(shù)據(jù)、矢量河網(wǎng)目標(biāo)、城市空間數(shù)據(jù)庫以及城市道路格網(wǎng)等提出了相應(yīng)的多尺度模型及變換可視化方法.然而普遍存在3方面的問題：尺度模型通用性較低、擴(kuò)展性差；尺度模型沒有考慮不同類型目標(biāo)在尺度變換過程中的空間關(guān)系維護(hù)操作；尺度模型實(shí)用化程度不高，尚無法構(gòu)建能應(yīng)用于實(shí)踐的數(shù)據(jù)庫.

為解決地理空間集成環(huán)境構(gòu)建中尺度模型的通用性和實(shí)用性的問題，實(shí)現(xiàn)多類型空間對(duì)象的自適應(yīng)尺度變換，本文基于本體理論，結(jié)合地理空間對(duì)象的本質(zhì)特征，構(gòu)建了一個(gè)與對(duì)象尺度變換具體算法弱相關(guān)的模型，以驅(qū)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)多類型地理空間對(duì)象的多尺度自適應(yīng)變換.

1 地理空間對(duì)象多尺度本體分析

1.1 多尺度模型的本體內(nèi)涵與綜合過程分析

哲學(xué)概念“本體”被文獻(xiàn)[6]引入信息科學(xué)并定義為“本體是對(duì)公認(rèn)的概念模型進(jìn)行的明確并形式化的規(guī)范說明”.文獻(xiàn)[7-9]在此基礎(chǔ)上提出了基于本體的地理空間理論、模型及框架，并應(yīng)用到軍事地理信息[10]等領(lǐng)域.多尺度模型是對(duì)地理現(xiàn)實(shí)多尺度描述的抽象，是地理本體模型的擴(kuò)展延伸，因此可以借助本體論思想，挖掘地理空間對(duì)象多尺度綜合的本質(zhì)內(nèi)涵，建立多尺度抽象表達(dá)和綜合的本體框架，以統(tǒng)一的視圖表述對(duì)象的多尺度關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)綜合.

多尺度綜合主要包含兩類過程：模型綜合與圖形綜合[11].前者是依據(jù)新的用戶視點(diǎn)操作數(shù)據(jù)庫，舍掉次要的地物目標(biāo)，以更加簡(jiǎn)化、概括的方式描述空間表達(dá)的新模型.后者是在圖形語言產(chǎn)生視覺沖突時(shí)，對(duì)點(diǎn)線面等幾何目標(biāo)實(shí)施化簡(jiǎn)綜合處理的可視化表達(dá)過程[12].然而二者并不獨(dú)立，模型綜合是數(shù)據(jù)先導(dǎo)，圖形綜合是表達(dá)結(jié)果，二者交替貫穿于尺度綜合的整個(gè)過程.因此將二者看作一個(gè)整體來對(duì)待，即多尺度綜合的領(lǐng)域概念知識(shí)，這樣有利于構(gòu)造更具一般性意義的尺度模型.

1.2 多尺度綜合算子

根據(jù)綜合對(duì)象的不同以及綜合操作對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的影響差異，將多尺度綜合算法劃分為3類操作.

定義1 多尺度變換操作M算子：根據(jù)同一對(duì)象的不同尺度特征，動(dòng)態(tài)改變部分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型和幾何表現(xiàn)的尺度上卷和下推.該過程中對(duì)象要素內(nèi)涵沒有發(fā)生變化.此操作算子用符號(hào)∑M表示.典型操作如數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)、夸大等.

定義2 多尺度聚合與分解操作A算子：將多個(gè)對(duì)象聚合成一個(gè)對(duì)象，或?qū)⒁粋€(gè)對(duì)象分解成多個(gè)對(duì)象.該過程中目標(biāo)要素、數(shù)據(jù)內(nèi)容、幾何表現(xiàn)和空間關(guān)系都發(fā)生了變化.此操作算子用∑A表示.典型操作包括選取、合并、關(guān)聯(lián)等.

定義3 多尺度空間關(guān)系維護(hù)操作S算子：在多尺度變換和聚合分解過程中，維護(hù)不同目標(biāo)之間的位置、拓?fù)浜头较虻瓤臻g關(guān)系，僅改變對(duì)象的幾何表現(xiàn)，其要素內(nèi)涵和數(shù)據(jù)模型沒有發(fā)生改變.此操作算子用算子符號(hào)∑S表示.典型操作包括關(guān)系處理、拼接、移位等.

2 地理空間對(duì)象多尺度本體模型

根據(jù)Studer的本體定義[6]，本體模型應(yīng)該包含概念、邏輯和物理3個(gè)層次的模型.

2.1 地理空間對(duì)象多尺度概念模型

根據(jù)Perez[13]對(duì)本體概念建模的基本原理要求，從5個(gè)方面進(jìn)行闡述.

1) 概念

尺度層級(jí)：指當(dāng)前地理空間對(duì)象所處的尺度級(jí)別，即分辨率和空間范圍.

對(duì)象目標(biāo)：指研究的地理空間對(duì)象.

空間特征：表征地理空間對(duì)象的位置、圖元構(gòu)造、空間關(guān)系等空間屬性.

幾何特征：表征地理空間對(duì)象的幾何圖元構(gòu)造和類型.

空間關(guān)系：表征地理空間對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系及距離關(guān)系等.

語義特征：表征地理空間對(duì)象語義關(guān)系和屬性.

尺度變換方法：表征地理空間對(duì)象在尺度變化過程中其特征發(fā)生改變的策略和方法.

概念之間的關(guān)系如圖1所示.其余6個(gè)概念是對(duì)象目標(biāo)概念的主要屬性，它們之間是屬性關(guān)系；幾何特征和空間關(guān)系是空間特征的組成部分，它們之間是部分和整體關(guān)系；而語義特征和空間特征又是尺度變換方法的處理對(duì)象.

圖1 多尺度本體模型概念間的關(guān)系Fig.1 Relations between the concepts of the multi-scale ontology model

3) 函數(shù)

多尺度概念模型有3類函數(shù)，如圖2所示.虛線表示概念間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；實(shí)線箭頭表示概念間的函數(shù)映射方向.圖2a表示同一對(duì)象在不同尺度下特征之間的函數(shù)關(guān)系.圖2b表示同一尺度下不同對(duì)象合成一個(gè)對(duì)象的函數(shù)關(guān)系.圖2c表示了同一尺度下不同對(duì)象之間的空間維護(hù)函數(shù)關(guān)系，其中，*指變換后目標(biāo)的特征發(fā)生了改變.

圖2 多尺度本體模型函數(shù)關(guān)系Fig.2 Functions of the multi-scale ontology model

4) 公理

描述尺度本體模型中各概念、關(guān)系的約束條件和推理關(guān)系.約束公理明確地表述概念的值域和概念間的語義關(guān)系.推理公理是關(guān)于關(guān)系之間的推理?xiàng)l件，包括關(guān)系間的可逆性、傳遞性等的描述.

5) 實(shí)例

實(shí)例是對(duì)概念、關(guān)系、函數(shù)以及公理應(yīng)用的具體和明確的描述.

2.2 地理空間對(duì)象多尺度邏輯模型

對(duì)于某一目標(biāo)對(duì)象O，其多尺度邏輯模型可表達(dá)為三元組公式

1.試驗(yàn)品種。試驗(yàn)種豬為洋二元長(zhǎng)白或約長(zhǎng)種母豬（LY或YL），其中初產(chǎn)母豬2 256窩，經(jīng)產(chǎn)母豬2 616窩；公豬為杜洛克或長(zhǎng)白、約克外種豬。

O=〈D,K,R〉，

(1)

其中：D表示對(duì)象的特征數(shù)據(jù)集合(對(duì)應(yīng)于幾何、空間和屬性特征)；K為綜合算子集合(對(duì)應(yīng)于尺度變換方法)；R為數(shù)據(jù)-算子的關(guān)系集合(對(duì)應(yīng)于函數(shù)關(guān)系，也可稱為多尺度綜合關(guān)系集合).

設(shè)λ為尺度標(biāo)量，用于標(biāo)定數(shù)據(jù)的尺度層級(jí).數(shù)據(jù)集合見公式(2)，其中：dλi|O表示對(duì)象O在關(guān)鍵尺度λi上的特征數(shù)據(jù).不同尺度下dλi|O之間的層次結(jié)構(gòu)沒有特定的格式，可針對(duì)不同的應(yīng)用和目標(biāo)對(duì)象類型，按照不同的方式來存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)，具備極大的靈活性.多尺度綜合算子集合為公式(3)所示，包含了對(duì)象O進(jìn)行多尺度綜合時(shí)涉及的所有綜合算子.公式(4)為數(shù)據(jù)與算子的關(guān)系集合，描述了對(duì)象O在多尺度綜合時(shí)算子∑i|O和被操作數(shù)據(jù)dλi|O以及與其他對(duì)象O′之間的關(guān)系.

D={dλi|Oi=0,1,…,n},

(2)

K={∑i|Oi=0,1,…,n}={∑M}∪{∑A}∪{∑S},

(3)

R={ri|Oi=0,1,…,n}={RM}∪{RA}∪{RS}.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 地理空間對(duì)象多尺度物理模型

艾廷華歸納了4種面向多尺度表達(dá)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)方式[14]，然而其主要面向同一類型目標(biāo)數(shù)據(jù)且只考慮了Morphing一種尺度變換方法，沒有涉及目標(biāo)聚合以及多種尺度綜合方法并存的情況.

結(jié)合多尺度邏輯模型，本文認(rèn)為多尺度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)應(yīng)該以“關(guān)鍵尺度與綜合關(guān)系”型為主.數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該存儲(chǔ)目標(biāo)在關(guān)鍵尺度下的對(duì)象特征數(shù)據(jù)D以及關(guān)鍵尺度上的數(shù)據(jù)-算子關(guān)系集合R.而多尺度綜合算子集合K則作為通用的處理方法，以知識(shí)庫的形式存在.關(guān)鍵尺度的含義是指在對(duì)象目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)發(fā)生根本變化時(shí)的尺度層級(jí).例如，道路目標(biāo)在尺度變小的過程中，在某一比例尺λ由原來的條帶形狀變?yōu)榫€狀，幾何特征發(fā)生了根本變化，則該比例尺λ為關(guān)鍵尺度.該尺度下幾何特征發(fā)生變化前后的數(shù)據(jù)應(yīng)該保存在數(shù)據(jù)庫中.

由以上分析和定義可知，針對(duì)在特定尺度λ下的目標(biāo)O，可根據(jù)其所在的關(guān)鍵尺度區(qū)間[λi-1,λi)(λ∈[λi-1,λi))，查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)與算子關(guān)系ri|O，從知識(shí)庫中確定所采用的多尺度綜合算子∑i|O，并獲取可能涉及的其他空間目標(biāo)的數(shù)據(jù)dλ|Ok，推導(dǎo)出目標(biāo)O的數(shù)據(jù)dλi|O.

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文采用本體構(gòu)建軟件Protégé4.3和推理插件FaCT++驗(yàn)證多尺度本體模型的有效性.為聚焦推理過程，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕绢惪s減為對(duì)象目標(biāo)(objects)、目標(biāo)數(shù)據(jù)(data)、尺度變換方法(operator)、尺度層級(jí)(scalar)和多尺度綜合關(guān)系(relation).

3.1 實(shí)驗(yàn)1 同一目標(biāo)不同尺度間的函數(shù)關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證公式(6)，設(shè)定的類屬性主要包括尺度層級(jí)關(guān)系、變換綜合關(guān)系、等價(jià)關(guān)系等.設(shè)置實(shí)例：目標(biāo)存在從尺度s1到s2的變換綜合關(guān)系r12，其變換方法為k12.該目標(biāo)待驗(yàn)證數(shù)據(jù)dx存在尺度sx∈(s1,s2)，其綜合關(guān)系為rx，對(duì)應(yīng)的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R12，其充要條件為“使用綜合算子k12且變換起始尺度層級(jí)≥s1且變換目標(biāo)尺度層級(jí)≤s2”.建立同級(jí)子類RX，充要條件為“目標(biāo)尺度層級(jí)在(s1,s2)范圍內(nèi)”.利用推理機(jī)可以得到r12∈R12和rx∈RX，進(jìn)一步設(shè)定RX?R12，可以得到kx≡k12.由此可驗(yàn)證公式(6)，同一目標(biāo)可以根據(jù)其尺度范圍，結(jié)合相應(yīng)的變換綜合關(guān)系和綜合算子，實(shí)現(xiàn)由關(guān)鍵尺度向任意尺度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

3.2 實(shí)驗(yàn)2 多目標(biāo)形成唯一目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證公式(7)，設(shè)置實(shí)例：目標(biāo)o1～o4在關(guān)鍵尺度s存在變換綜合關(guān)系r，聚合生成目標(biāo)oo，其變換方法為k.目標(biāo)ox待驗(yàn)證數(shù)據(jù)dx在尺度s的綜合關(guān)系為rx，對(duì)應(yīng)的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R，其充要條件為“使用綜合算子k且綜合變換輸入目標(biāo)∈{o1,o2,o3,o4}且綜合變換輸出目標(biāo)為oo”.建立同級(jí)子類RInfer，其充要條件為“綜合變換輸入目標(biāo)∈{o1,o2,o3,o4}且關(guān)鍵尺度為s”.利用推理機(jī)可以得到r∈R和rx∈RInfer，進(jìn)一步設(shè)定RInfer?R，可以得到kx≡k.由此可驗(yàn)證公式(7)，若存在關(guān)鍵尺度多個(gè)目標(biāo)的聚合綜合關(guān)系，則對(duì)于其中任意聚合目標(biāo)數(shù)據(jù)都能夠得到相應(yīng)的綜合算子，從而進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)聚合轉(zhuǎn)換.

3.3 實(shí)驗(yàn)3 多目標(biāo)空間關(guān)系維護(hù)的函數(shù)關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證公式(8)，設(shè)置相關(guān)實(shí)例：目標(biāo)o1～o4在關(guān)鍵尺度s存在變換綜合關(guān)系r1～r4，利用變換方法k1～k4，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)d1i～d4i到d1o～d4o的轉(zhuǎn)換.目標(biāo)ox待驗(yàn)證數(shù)據(jù)dxi在尺度s的綜合關(guān)系為rx，對(duì)應(yīng)的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R，其充要條件為“變換綜合關(guān)系∈{r1,r2,r3,r4}”.建立同級(jí)子類RInfer，其充要條件為“綜合變換輸入目標(biāo)∈{o1,o2,o3,o4}且關(guān)鍵尺度為s”.在operator類下建立子類O，其充要條件為“綜合算子∈{k1,k2,k3,k4}且關(guān)聯(lián)的變換綜合關(guān)系∈R”.利用推理機(jī)可以得到r1～r4∈R和rx∈RInfer，進(jìn)一步設(shè)定RInfer?R，可以得到kx∈O，由此可驗(yàn)證公式(8).若存在關(guān)鍵尺度多個(gè)目標(biāo)的空間維護(hù)關(guān)系，則對(duì)于其中任意目標(biāo)數(shù)據(jù)都能夠得到相應(yīng)的綜合算子，從而進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)空間關(guān)系的維護(hù).

4 總結(jié)

本文在分析現(xiàn)有尺度模型利弊的基礎(chǔ)上，結(jié)合本體理論對(duì)地理空間對(duì)象多尺度特性進(jìn)行分析，從概念、邏輯和物理3個(gè)層次設(shè)計(jì)地理空間對(duì)象多尺度模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多尺度模型的推理過程.本文提出的地理空間對(duì)象多尺度模型充分考慮了多尺度的本體特性，與具體的對(duì)象類型、表達(dá)方式和綜合方法無關(guān)，并可以通過本體工具實(shí)現(xiàn)形式化表達(dá)，具有較高的通用性和實(shí)用價(jià)值.下一步將在多尺度自適應(yīng)變換算法以及三維空間對(duì)象多尺度可視化方面開展研究.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

An Ontology-based Multi-scale Model of Geospatial Objects

YANG Yaoming1,2， TANG Xiao’an1， ZHOU Li2， HAN Xingyu2

(1.CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China; 2.NavalAcademyofArmament,Beijing100032,China)

There are much more requests for cross-scale spatial expression of multiple types of targets with the development of geographic information science. However, the existing geospatial scale models mostly belong to special domains with limited application scopes. Therefore it is urgent for the research of common geospatial multi-scale models. The multi-scale characteristics and the integration process of geospatial objects were analyzed based on ontology, as well as three types of integrating operators. A geospatial multi-scale model was designed from conceptual, logical and physical levels, accordingly with the discussion of the basic concepts, reasoning logic and database design. The scale integration reasoning process of the multi-scale model was verified by experiments at last. The ontology-based multi-scale model of geospatial objects took into account the main characteristics of multi-scale and was independent of the specific object type, expression and integration methods, while supporting formal expression by ontology software. The model was of high versatility and practical value.

geospatial objects； multi-scale model； ontology； scale integration

2016-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61502519)．

楊耀明(1982—)，男，江西贛州人，博士研究生，主要從事圖形與圖像處理技術(shù)研究，E-mail:jamesclarke@qq.com；通信作者：湯曉安(1968—)，男，安徽淮南人，教授，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)、信息系統(tǒng)集成研究，E-mail:xatang@nudt.edu.cn．

P208

A

1671-6841(2017)03-0074-05

10.13705/j.issn.1671-6841.2016332