龍 雨，李 爽，李 華 瑋

(1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué)計算機學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 引言

一般采用模糊搜索技術(shù)實現(xiàn)位置語義中對象的定位[1]，但當(dāng)用戶使用包含空間關(guān)系的位置語句查詢時，往往得不到正確的檢索結(jié)果，如現(xiàn)有的高德、百度地圖等定位服務(wù)系統(tǒng)無法對“華中師范大學(xué)東校區(qū)”或“電腦城在口腔醫(yī)院西北方向200 m”進(jìn)行定位查詢。對位置的描述實際上涉及空間認(rèn)知。若參照物范圍較小，往往會忽視其輪廓，如查詢“武漢大學(xué)法學(xué)院南邊50 m的教學(xué)樓”，可將法學(xué)院視作POI點，用傳統(tǒng)方法定位。當(dāng)參照物范圍較大，且隱含目標(biāo)對象與參照物間的包含關(guān)系時，會將參照物視作面要素，如“武漢大學(xué)南邊50 m的小區(qū)”，通常理解為從武漢大學(xué)南部邊界出發(fā)、向外延伸50 m的位置；若不考慮武漢大學(xué)范圍而以幾何中心點為參考，定位結(jié)果可能落在學(xué)校內(nèi)部，不符合具體情境語義。因此，某些情境定位需綜合考慮對象幾何輪廓。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用機器學(xué)習(xí)人類語言，揭示對象間更深層次的自然關(guān)系，進(jìn)而提供符合語義情境的位置服務(wù)已成為重要研究方向。學(xué)者從語言描述層面解析空間定位問題，并通過提取潛在語義和構(gòu)建模型有效解析地址信息，提高了地址與位置的匹配精度[2-4]。另一方面，隨著網(wǎng)格計算的興起，國內(nèi)外學(xué)者將地理網(wǎng)格[5]與計算機網(wǎng)格相結(jié)合，建立了地理空間信息多級網(wǎng)格概念；通過將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理網(wǎng)格中，進(jìn)行地理信息的單元化分析[6,7]和管理[8，9]，形成空間信息與資源信息的映射，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。但現(xiàn)有的正多面體和正六邊形球面網(wǎng)格[10]在空間方位和空間位置的轉(zhuǎn)換中計算復(fù)雜，而GeoSOT網(wǎng)格嚴(yán)格遵循四叉樹遞歸剖分，通過3次擴展經(jīng)緯度空間能夠產(chǎn)生整度、整分、整秒的網(wǎng)格層次[11]，使得GeoSOT坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和空間方位計算較為簡單，同時與地圖圖幅特征能保持良好同構(gòu)性，并能夠聚合其他網(wǎng)格(Google maps、Bing等)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)共享。因此，本文針對面要素位置描述中存在方位或距離的情況，提出一種基于GeoSOT的面要素語義位置的地理網(wǎng)格定位方法，實現(xiàn)面要素語義位置到空間位置的轉(zhuǎn)換計算。

1 面要素語義位置定位方法

面要素語義位置定位是指通過已知地理位置信息和空間相對位置關(guān)系，實現(xiàn)要素區(qū)域定位或位置推理的方法。由于面要素范圍較大且形狀復(fù)雜，當(dāng)存在方位、距離等空間關(guān)系描述時，采用點要素定位法易產(chǎn)生誤差或難以辨明內(nèi)外關(guān)系。因此，本文利用九宮格劃分思想，將已知面要素劃分成具有方位屬性的小區(qū)塊，再根據(jù)語義描述的參照物和空間關(guān)系查詢、計算目標(biāo)所在位置。上述定位結(jié)果并非是對象的實際經(jīng)緯度值，故使用GeoSOT地理網(wǎng)格標(biāo)識對象可能存在的區(qū)域，具體流程如圖1所示。

圖1 方法總體流程

1.1 具有語義信息的面要素基礎(chǔ)信息庫構(gòu)建

首先采用IKAnalyzer對位置描述語句進(jìn)行分詞，提取對象的名稱或別稱；然后利用IKAnalyzer特有的正向迭代最細(xì)粒度切分算法，從詞庫中檢索詞語的最大分割詞，再層層迭代切分至最小粒度，如“中國人民銀行”的最大分割詞和最小粒度分詞分別為“中國人民銀行”“中國人民|人民銀行|中國|人民|銀行|人”；最后以名稱或別名為參數(shù)，通過請求互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)接口(如高德地圖API)得到相關(guān)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而以數(shù)據(jù)信息中的興趣點編號(ID)作為參數(shù)請求另一個接口，得到對象的邊界坐標(biāo)和更多地理信息。本文以名稱、ID和邊界坐標(biāo)為必需字段建立初始的面要素基礎(chǔ)信息庫(表1)。

表1 面要素基礎(chǔ)信息

1.2 基于九宮格的面要素分割和GeoSOT編碼

為體現(xiàn)面要素包含的空間語義，本文采用九宮格對其進(jìn)行分割。首先計算面要素的最小外包矩形(Minimum Bounding Rectangle，MBR)，通過九宮格將其細(xì)分成具有相對位置關(guān)系的9個區(qū)塊；然后分別計算、存儲區(qū)塊的GeoSOT網(wǎng)格編碼集，作為后續(xù)查詢定位方法的基礎(chǔ)。

1.2.1 全球剖分網(wǎng)格GeoSOT GeoSOT是一種基于經(jīng)緯度網(wǎng)、適用于空間信息和數(shù)據(jù)組織的全球剖分網(wǎng)格，由于劃分方便、鄰接關(guān)系簡單，可廣泛應(yīng)用于各種場景。GeoSOT同一層級網(wǎng)格間隱含了距離和方位的關(guān)系，不同層級的剖分面片對空間位置模糊性表示具有天然優(yōu)勢[12]。GeoSOT表達(dá)的地理信息具有全球性，不同區(qū)域的數(shù)據(jù)能在該網(wǎng)格框架中融合，保證整體一致性和可擴展性；同時，該網(wǎng)格能夠聚合成其他地理網(wǎng)格，具有較好的同構(gòu)性，可繼承或轉(zhuǎn)換不同網(wǎng)格的地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源整合共享。

為使剖分面片大小為整度、整分、整秒，GeoSOT以地球經(jīng)緯度空間作為第0級剖分面片(圖 2a)，每下一級面片都在上一級的基礎(chǔ)上進(jìn)行四叉劃分，第1次擴展將180°×360°地球表面空間擴為512°×512°(圖 2b)；為保證經(jīng)緯線上嚴(yán)格整型二分，進(jìn)一步對1°和1′的面片進(jìn)行擴展，即從1°等于60′擴展到64′(圖 2c)，從1′等于60″擴展到64″(圖 2d)[11,13]；最后采用64位編碼標(biāo)識剖分面片(圖 2e)。

1.2.2 面要素分割與網(wǎng)格編碼

(1)面要素分割。首先對面要素構(gòu)建最小外包矩形MBR，然后以1/3邊長在MBR各邊上建立分割點，通過組合不同分割點的經(jīng)緯度值得到九宮格區(qū)域；借助該九宮格可將面要素分解成9個子區(qū)塊，并獲取各區(qū)塊方位屬性(圖 3)，其中，wn、ws、en、es、n、w、s、e、mid分別代表西北、西南、東北、東南、北、西、南、東、中央。相對于通過GeoSOT編碼單獨計算網(wǎng)格間關(guān)系，九宮格能從整體上將網(wǎng)格集合按方位歸類；而GeoSOT網(wǎng)格采用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其方位計算取決于參照物。例如，以GeoSOT網(wǎng)格查找某對象東南邊，以C為參照可定位到A網(wǎng)格，以B為參照則無法獲得相同結(jié)果(圖4a)；九宮格劃分則能消除這種不確定性，東南方向固定為A區(qū)域(圖 4b)。

圖2 GeoSOT網(wǎng)格剖分及空間擴展[11]

圖3 面要素分割示意

圖4 GeoSOT與九宮格方位對比

(2)各區(qū)塊GeoSOT編碼集計算。根據(jù)實際應(yīng)用中面要素大小確定合適的GeoSOT層級，計算該層級面要素分割中九宮格區(qū)塊的GeoSOT編碼集并進(jìn)行存儲。存儲數(shù)據(jù)庫中，每個面要素和子區(qū)塊通過ID及方位關(guān)聯(lián)；每個子區(qū)塊具有獨立的編碼集合，網(wǎng)格的方位屬性與要素子區(qū)塊的方位一致；編碼集的并集即為該面要素的完整編碼集，具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

圖5 面要素相關(guān)數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)

1.3 顧及距離和方位等語義的面要素定位

將已有的面要素作為參照物，根據(jù)描述中的相對空間關(guān)系查找或計算目標(biāo)對象所在的GeoSOT網(wǎng)格，模糊表達(dá)定位范圍。該步驟將所有已知或未知地理范圍的對象整合到GeoSOT網(wǎng)格中，以網(wǎng)格形式進(jìn)行位置信息的存儲和表達(dá)，對原有面要素數(shù)據(jù)集進(jìn)行了擴展。具體實現(xiàn)步驟如下：首先分析定位語句，提取的語義關(guān)鍵詞可分為地理對象名稱、方位、距離3種類型，如“武漢大學(xué)西邊200 m”分詞結(jié)果為：“武漢大學(xué)|西邊|200 m”，地理對象名稱用于在數(shù)據(jù)庫中檢索位置參考物，距離和方位用于計算偏移。然后，根據(jù)方位選擇對應(yīng)區(qū)塊作為參照物，將距離轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格大小，利用GeoSOT編碼進(jìn)行計算得到目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格。由于人們對方位的認(rèn)知一般為四方向或八方向，因此對九宮格劃分產(chǎn)生的2種區(qū)塊(圖 3)，在具體位置推算時分別討論。

(1)當(dāng)方位關(guān)鍵詞為中間方位時，傾向采用八方向定位，選擇最合理區(qū)塊計算。例如，“東北邊”可理解為“東、東北、北”3種，優(yōu)先以東北區(qū)塊計算結(jié)果；當(dāng)東北區(qū)塊無地理實體時，以東和北區(qū)塊代替，此時需考慮方位補足(即東區(qū)塊向北平移，北區(qū)塊向東平移)；若這3個區(qū)塊無地理實體，便以中央?yún)^(qū)塊代替，不考慮中央是否無實體。假設(shè)定位“A對象|東北邊|200 m”，東北方向200 m約等于向東和向北同時移動141 m(200 m×sin45°)，一個20級網(wǎng)格約為64 m，近似2個網(wǎng)格大小。GeoSOT網(wǎng)格由經(jīng)度編碼與緯度編碼組合而成，在東北半球,代表經(jīng)度的整型編碼加(減)1表示向右(左)平移1個網(wǎng)格，代表緯度的整型編碼加(減)1表示向上(下)平移一個網(wǎng)格[10]，故此時通過在經(jīng)度、緯度編碼上分別加2計算得到A對象東北區(qū)塊網(wǎng)格編碼。若當(dāng)前所尋找對象在A外部，將計算結(jié)果與移動前的網(wǎng)格編碼取差集。

(2)當(dāng)方位關(guān)鍵詞為基礎(chǔ)方位時，傾向采用四方向定位，對應(yīng)的中間方位也參與計算。例如,“A對象|東邊|200 m”代表將東、東北、東南區(qū)塊向東平移3個20級網(wǎng)格大小,因此,在對應(yīng)網(wǎng)格的經(jīng)度編碼上加3，得到定位結(jié)果。

2 實驗與分析

為驗證本文方法的可行性和有效性，本研究收集武漢市內(nèi)各高校及科研院所的位置數(shù)據(jù)，包括88所大學(xué)(含民辦)和23所科研院所(具備研究生招生資格)。首先，根據(jù)院校及科研院所的名稱在高德地圖中查詢獲得對應(yīng)的ID、坐標(biāo)、邊界范圍等詳細(xì)信息，建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫SchoolDB；然后對每個院校及科研院所進(jìn)行九宮格劃分，計算各子區(qū)塊統(tǒng)一在第20層級下的GeoSOT編碼，構(gòu)建空間信息數(shù)據(jù)庫GeoSchoolDB。最后，根據(jù)語義關(guān)鍵詞進(jìn)行直接查詢或推理獲得定位結(jié)果。本實驗按照定位中語義內(nèi)容的不同主要分為兩種情境。

情境1：在參照物內(nèi)部的定位。若定位“華中師范大學(xué)西北區(qū)”，隱含的語義是“華中師范大學(xué)內(nèi)部”，由于華中師范大學(xué)作為院校類型的面要素已進(jìn)行了劃分，可直接查詢，其在第20層級下的GeoSOT網(wǎng)格集合如圖6a所示；若定位“華中師范大學(xué)西區(qū)”，結(jié)果如圖6b所示，西區(qū)塊可能性最高(深色網(wǎng)格)，西北和西南次之(淺色網(wǎng)格)。此種情境下，若需匹配到具體對象，對比邊界經(jīng)緯度進(jìn)行查詢，網(wǎng)格編碼的查詢效率更高；若無需匹配對象，采用網(wǎng)格保證數(shù)據(jù)存儲格式具有統(tǒng)一性，為更復(fù)雜的情境定位(類似情境2)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖6 華中師范大學(xué)部分網(wǎng)格集合

情境2：在參照物外部的定位。若定位“水生所27號宿舍位于水生所東邊50 m”，需提取關(guān)鍵詞“27號宿舍|水生所|東|50 m”。首先在GeoSchoolDB數(shù)據(jù)庫中檢索得到“水生所-東區(qū)塊”的網(wǎng)格集合(表 2)；根據(jù)GeoSOT各級面片大小，一個20級網(wǎng)格(約64 m)最接近需求距離(50 m)，故在經(jīng)度方向編碼上加1后得到目標(biāo)網(wǎng)格編碼。由于宿舍在水生所外部，對網(wǎng)格取差集得到圖7中灰色部分網(wǎng)格。

表2 水生所東區(qū)塊GeoSOT編碼集

圖7 水生所東邊50 m網(wǎng)格查詢結(jié)果

通過高德地圖的坐標(biāo)拾取工具進(jìn)行驗證。獲得水生所27號宿舍的經(jīng)緯度坐標(biāo)約為(114.358012°E，30.544629°N)，計算出網(wǎng)格編碼為G001132230-210101-21310，與圖7中深色網(wǎng)格編碼一致，證明實驗對該語句的定位查詢有效，而使用高德地圖則無法直接對水生所27號樓定位(圖8黑框處)。

圖8 高德查詢27號宿舍結(jié)果

3 結(jié)論

對具有語義位置的空間定位認(rèn)知取決于語義描述中對象自身的空間范圍大小：當(dāng)對象空間范圍較小時，根據(jù)對象幾何中心點或其邊界輪廓進(jìn)行定位的結(jié)果相差不大；當(dāng)對象空間范圍較大時，其定位結(jié)果相差較大，此時更傾向于以對象的邊界輪廓為參照物進(jìn)行距離方位描述。因此，對于在空間范圍較大區(qū)域(如學(xué)校、景區(qū)、居民區(qū)等)內(nèi)部或附近的定位，將對象視作面要素進(jìn)行位置計算，比傳統(tǒng)使用POI定位更符合空間認(rèn)知。故本文根據(jù)面對象的特征，采用九宮格劃分和語義分析，構(gòu)建了一種允許包含距離和方位描述的面要素語義位置定位方法：利用九宮格預(yù)先劃分方位，根據(jù)空間語義信息進(jìn)行未知對象的定位計算，最后以GeoSOT網(wǎng)格表達(dá)目標(biāo)所在區(qū)域。實驗證明，當(dāng)存在距離、方位或包含關(guān)系描述時，本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)以范圍較大對象為參照物的語義位置定位，結(jié)果更符合人們的空間認(rèn)知習(xí)慣；同時，通過將面要素對象和定位推理出的區(qū)域轉(zhuǎn)換為GeoSOT網(wǎng)格編碼，既實現(xiàn)了對象位置信息的存儲表達(dá)，也為后續(xù)以網(wǎng)格為單元的大數(shù)據(jù)分析研究提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但本文方法仍有待改進(jìn)：部分面要素形狀特殊，導(dǎo)致九宮格切割出的部分區(qū)域無地理意義；切割后的區(qū)域內(nèi)部碎片化，影響位置推理結(jié)果的準(zhǔn)確性等。后續(xù)研究將考慮對形狀特殊的面要素進(jìn)行優(yōu)化處理，以加強本方法的適用性。