段紅偉，鄭麗娜，張 娜

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心（湖北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究院），湖北 武漢 430073）

隨著GPS技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息位置服務(wù)及其產(chǎn)業(yè)化正在飛速發(fā)展。國家測(cè)繪地理信息局在《國家地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2014～2020）》中明確指出，要大力發(fā)展地理信息服務(wù)，加快推進(jìn)地理信息與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位的融合。

定位搜索是地理信息位置服務(wù)重要的研究和應(yīng)用方向，主要面向地理實(shí)體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等地理對(duì)象，根據(jù)地理對(duì)象的名稱、地址、空間位置、時(shí)間等相關(guān)信息對(duì)其進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的搜索引擎通常是基于地名詞典和地名數(shù)據(jù)庫開展地名地址的定位搜索服務(wù)，即采用地理編碼和反地理編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間位置定位。該方法通過文本搜索與地理約束相結(jié)合的方式提供檢索服務(wù)，強(qiáng)調(diào)空間位置信息，卻忽略了事件主題信息和時(shí)間信息，時(shí)空信息與事件主題的語義關(guān)聯(lián)不足，因此只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的空間信息查詢。同時(shí)，傳統(tǒng)定位搜索的索引結(jié)構(gòu)一般采用正排索引、倒排索引或簽名文件索引，均以磁盤為介質(zhì)存儲(chǔ)索引文件，當(dāng)面對(duì)規(guī)模較大的查詢請(qǐng)求時(shí)，將產(chǎn)生大量I/O請(qǐng)求操作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能較低。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來使得地理對(duì)象的時(shí)空特性愈加明顯和重要。時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)間性和事件關(guān)聯(lián)性在定位查詢中扮演的角色也越來越重要。國家測(cè)繪地理信息局《智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)建設(shè)技術(shù)大綱（2017版）》中明確要求，傳統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)需通過添加時(shí)空標(biāo)識(shí)來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地理數(shù)據(jù)向時(shí)空數(shù)據(jù)的升級(jí)轉(zhuǎn)換，注入時(shí)間、空間和屬性“三域”標(biāo)志。因此，根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和存儲(chǔ)方式，在定位搜索中對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的空間性、時(shí)間性、事件關(guān)聯(lián)性進(jìn)行一致性表達(dá)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息的快速查詢，對(duì)于時(shí)空大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和服務(wù)具有重要意義。

語義和自然語言處理技術(shù)的發(fā)展為時(shí)空數(shù)據(jù)的定位搜索提供了一種可行的解決方案。分詞策略[1-2]、全文檢索策略[3-4]、基于規(guī)則策略[5-6]是定位搜索中進(jìn)行地址要素匹配的主要手段?？紤]到地理數(shù)據(jù)的語義特點(diǎn)，有些學(xué)者通過研究本體構(gòu)建[7-8]、本體事件推理[9-10]、語義相似度[10-12]來實(shí)現(xiàn)基于地理本體的語義地址匹配和定位搜索。本文首先分析了時(shí)空數(shù)據(jù)特征，并結(jié)合時(shí)空數(shù)據(jù)定位搜索特點(diǎn)確定了主要的時(shí)空搜索表達(dá)模式，從而明確時(shí)空定位搜索適用的主要應(yīng)用場(chǎng)景；然后根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)間、事件特性，并結(jié)合地理本體模型建立了時(shí)空數(shù)據(jù)模型；最后基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)索引的建設(shè)和原型系統(tǒng)。

1 時(shí)空數(shù)據(jù)特征和定位搜索表達(dá)

1.1 時(shí)空數(shù)據(jù)特征

在時(shí)空定位搜索中，時(shí)空數(shù)據(jù)的特征為：

1）具有名稱標(biāo)識(shí)。時(shí)空定位搜索引擎在進(jìn)行對(duì)象定位時(shí)必須依賴一個(gè)具名的定位網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)基于各類名稱標(biāo)識(shí)，因此時(shí)空對(duì)象必須是具名的，即具有名稱標(biāo)識(shí)。

2）包含點(diǎn)、線、面狀幾何類型。作為時(shí)空定位搜索引擎的處理對(duì)象，時(shí)空對(duì)象不僅包含點(diǎn)狀對(duì)象實(shí)體，同時(shí)包含線狀、面狀對(duì)象實(shí)體，這將加大定位搜索范圍，優(yōu)化查詢內(nèi)容。

3）時(shí)間特征是重要特征。時(shí)間特征是時(shí)空對(duì)象的重要信息內(nèi)容，在時(shí)空定位搜索時(shí)應(yīng)充分考慮時(shí)間特性的查詢因素。

4）時(shí)空對(duì)象的關(guān)聯(lián)性變得更加重要。時(shí)空定位搜索引擎不僅要支持地名地址、POI等顯性時(shí)空對(duì)象的查詢，還需支持與地名地址關(guān)聯(lián)的事件、案件等隱性時(shí)空對(duì)象的查詢。

5）數(shù)據(jù)源的結(jié)構(gòu)具有廣泛性。時(shí)空對(duì)象的數(shù)據(jù)源可以是shape的空間數(shù)據(jù)，也可以是數(shù)據(jù)庫，還可以是Excel格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容。時(shí)空定位搜索引擎對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，得到支持時(shí)空定位搜索的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.2 時(shí)空數(shù)據(jù)定位搜索表達(dá)

由于數(shù)據(jù)類型多樣、結(jié)構(gòu)多樣、已查詢內(nèi)容多樣，時(shí)空數(shù)據(jù)查詢時(shí)要考慮時(shí)空對(duì)象的空間信息、時(shí)間信息、關(guān)聯(lián)信息和位置屬性信息。①考慮空間信息：支持點(diǎn)、線、面空間信息的存儲(chǔ)和查詢；②考慮時(shí)間信息：支持對(duì)時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段信息的存儲(chǔ)和查詢；③考慮關(guān)聯(lián)信息：支持對(duì)關(guān)聯(lián)內(nèi)容的存儲(chǔ)和查詢；④考慮位置屬性信息：不可或缺的信息是時(shí)空對(duì)象定位搜索的關(guān)鍵元素。

時(shí)空數(shù)據(jù)的特性以及對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合的要求使得時(shí)空定位搜索在查詢內(nèi)容和表達(dá)方式上有其特定要求，具體要求見表1。

表1 時(shí)空定位搜索的查詢內(nèi)容及其表達(dá)模板

2 時(shí)空數(shù)據(jù)定位搜索對(duì)象模型

2.1 事件本體模型

本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明[13]，其目的是以通用、標(biāo)準(zhǔn)化的方式定義領(lǐng)域知識(shí)，并提供領(lǐng)域知識(shí)的共同理解。目前，本體己在智能信息集成、基于知識(shí)的系統(tǒng)、自然語言處理和信息檢索等方面獲得應(yīng)用。

事件本體[14]定義了一個(gè)事件知識(shí)模型，認(rèn)為事件應(yīng)包括一個(gè)事件、一個(gè)位置、推動(dòng)行為、影響因素和產(chǎn)生的結(jié)果。如圖1所示，把圍繞事件的實(shí)體分為6類：事件（Event）/子事件（sub_event）、代理（foaf:Agent）、因子（factor）、產(chǎn)品（producce）、空間事物（geo:SpatialThing）和時(shí)間實(shí)體（time:TemporalEntity），其中agent指起作用者（通常是人，但也可能是物，如計(jì)算機(jī)），factor指除agent外的其他參與因素（如使用的工具、抽象的起因等）。

圖1 事件本體模型

2.2 基于事件本體的時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型

為了充分利用現(xiàn)實(shí)中各類關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的時(shí)空數(shù)據(jù)，本文基于事件本體建立了時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型（圖2），指導(dǎo)數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)庫建庫。建設(shè)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫可利用D2RQ和Dump工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與本體的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而可利用Jena進(jìn)行語義推理。

時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型包括時(shí)空對(duì)象、時(shí)空實(shí)時(shí)狀態(tài)、事件和時(shí)空對(duì)象聚合。該模型能描述時(shí)空對(duì)象的一個(gè)瞬態(tài)，可對(duì)時(shí)空對(duì)象的連續(xù)變化進(jìn)行分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型

1）時(shí)空對(duì)象是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)某個(gè)時(shí)空對(duì)象序列化狀態(tài)的抽象表達(dá)，包括時(shí)空對(duì)象的靜態(tài)屬性、動(dòng)態(tài)屬性和事件機(jī)制。

2）時(shí)空實(shí)時(shí)狀態(tài)表示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，與某個(gè)地理時(shí)空對(duì)象StObject相關(guān)聯(lián)，其變化表示時(shí)空對(duì)象的某個(gè)屬性發(fā)生了變化。

3）事件包含了事件類型，各事件類型與事件源、處理事件目標(biāo)類型相關(guān)聯(lián)，包括子事件以及事件產(chǎn)生的原因和結(jié)果。

4）時(shí)空對(duì)象聚合由一系列相互作用的同類型時(shí)空對(duì)象負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)空對(duì)象（同層或不同層的）產(chǎn)生的事件。

3 時(shí)空數(shù)據(jù)定位搜索引擎設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型，本文設(shè)計(jì)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫如圖3所示?！笆录庇涗浟伺c事件有關(guān)的事件/子事件、代理、因子、結(jié)果、空間事物和時(shí)間實(shí)體；“時(shí)空狀態(tài)”記錄了時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)信息；“時(shí)空現(xiàn)勢(shì)狀態(tài)”記錄了時(shí)空數(shù)據(jù)的狀態(tài)性信息，其標(biāo)志性信息記錄在“時(shí)空標(biāo)志信息”中；“時(shí)空標(biāo)志信息”為點(diǎn)狀信息，如地名地址、POI數(shù)據(jù)；“時(shí)空對(duì)象信息”描述了時(shí)空對(duì)象的信息結(jié)構(gòu)，由時(shí)空現(xiàn)勢(shì)狀態(tài)信息、時(shí)空標(biāo)志信息和屬性信息組成；“時(shí)空元”是時(shí)空對(duì)象的元信息，包括對(duì)象類型、對(duì)象的時(shí)間范圍、空間范圍等。

圖3 時(shí)空數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.2 時(shí)空索引結(jié)構(gòu)

為了快速定位，時(shí)空數(shù)據(jù)必須建立索引文件，并依托索引文件進(jìn)行定位搜索。由于在時(shí)空定位搜索中，需構(gòu)建的索引包括時(shí)間信息、空間信息和屬性信息，因此本文采用文件索引（四叉樹[13]、B樹[14]）和內(nèi)存索引的混合結(jié)構(gòu)來構(gòu)建索引結(jié)構(gòu)（圖4）。

3.3 基于Sorl引擎的時(shí)空擴(kuò)展

本文基于Sorl 4.6引擎，通過擴(kuò)展其索引器和檢索器來實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間、空間信息的定位搜索。

3.3.1 索引器擴(kuò)展

1）定義一個(gè)IndexWriter，將索引寫進(jìn)Sorl引擎的數(shù)據(jù)庫。

2）定義一個(gè)Document。Document 相當(dāng)于二維表中的一行數(shù)據(jù)，包含F(xiàn)ield 字段，其對(duì)應(yīng)了時(shí)間、空間和屬性信息。

3）根據(jù)索引結(jié)構(gòu)，分別對(duì)不同F(xiàn)ield字段建立索引，同時(shí)需考慮索引優(yōu)化、合并以及更新問題。

圖4 時(shí)空定位搜索的索引結(jié)構(gòu)

3.3.2 檢索器擴(kuò)展

1）定義一個(gè)新方法IndexSearch，從Index目錄讀取索引。

2）根據(jù)IndexReader 創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的檢索器Searcher，解析檢索的關(guān)鍵字，包含查詢內(nèi)容、查詢字段、分析器等。先解析時(shí)空對(duì)象類型，其決定了查詢的索引文件和范圍。

3.4 基于Jena引擎的推理

推理使用Jena推理機(jī)，通過將既定的規(guī)則以邏輯的形式進(jìn)行描述，建立推理所需的對(duì)準(zhǔn)[15]（Alignment），從而進(jìn)行邏輯推理。本文基于“is-a”和“has-a”的基礎(chǔ)邏輯，利用Jena建立的推理算法框架為：

‘關(guān)聯(lián)模型

1 Model mapingShcema=Model Factory.create Ontology Model();

2 Model orignalModel==ModelFactory.create Ontology Model();

‘關(guān)聯(lián)模型填充

3 maping Shcema.add(EventOWL);‘添加GML應(yīng)用模式轉(zhuǎn)換的地理OWL

4 maping Shcema.add(AligemtOWL);‘添加自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和手工對(duì)準(zhǔn)信息

‘原始數(shù)據(jù)模型填充

5 Instance=D2RQ(Db)‘得到數(shù)據(jù)庫實(shí)例，并轉(zhuǎn)為RDF

6 orignalModel.add(Instance);‘加載GML應(yīng)用實(shí)例準(zhǔn)換后的地理本體實(shí)例

‘推理

7 Resoner resoner=ResonerRegistry.getOWLResoner();

8 resoner=resoner.bindSchema(mapingShcema);

4 原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)界面

本文基于Sorl架構(gòu)建立了一個(gè)時(shí)空對(duì)象定位搜索引擎的原型系統(tǒng)（圖5），能對(duì)郵編、道路、地名地址等點(diǎn)、線、面進(jìn)行基本查詢、時(shí)間擴(kuò)展查詢以及事件擴(kuò)展查詢。

圖5 原型系統(tǒng)

4.2 查詢性能

本文在一臺(tái) Core? i7-3770 CPU、4G內(nèi)存的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，根據(jù)表1的查詢方式進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，使用數(shù)據(jù)包括湖北省地名地址數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和郵編數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集大小約為100萬條。在查詢耗時(shí)方面，一元要素查詢時(shí)間約為15 ms；二元要素查詢時(shí)間約為58 ms；三元要素查詢時(shí)間在130～246 ms（平均188 ms）；查準(zhǔn)率達(dá)到85%以上，查全率達(dá)到90%以上。

圖6 不同查詢的查詢耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語

本文通過定義時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象模型，建立了該模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、時(shí)空索引和引擎，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)空數(shù)據(jù)定位搜索的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方法可統(tǒng)一集成點(diǎn)、線、面各類時(shí)空數(shù)據(jù)，并建立統(tǒng)一的索引文件，是對(duì)傳統(tǒng)定位搜索的一種有效擴(kuò)展。原型系統(tǒng)測(cè)試表明，該方法查詢效率較好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文還對(duì)時(shí)空語義推理進(jìn)行了嘗試和實(shí)踐，構(gòu)建了“is-a”和“has-a”的基礎(chǔ)邏輯以及邏輯算法框架，下一步將細(xì)化時(shí)空計(jì)算邏輯，優(yōu)化時(shí)空語義推理。