張 斌，李宏偉，崔鐵軍

（1.鄭州大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052；2. 天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

全息的內(nèi)涵是對(duì)客觀世界，真實(shí)現(xiàn)象的全方位表達(dá)。任何事物都不是孤立的，都可以拆分為一系列全息元，每個(gè)全息元分別反映事物不同側(cè)面的特征，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，全息元的組合體現(xiàn)了事物的本質(zhì)特征。對(duì)應(yīng)于空間認(rèn)知與地理信息服務(wù)，也需要表達(dá)與空間對(duì)象相關(guān)的全方位的信息，引入全息的概念[1-3]可以理解為三方面內(nèi)容:一是從數(shù)據(jù)表達(dá)上構(gòu)建全息地理空間數(shù)據(jù)模型；二是從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)上建立全息地理信息關(guān)聯(lián)框架；三是從地理信息服務(wù)上進(jìn)行全息地理過(guò)程重構(gòu)，建立全息地理信息服務(wù)平臺(tái)。本文主要就全息數(shù)據(jù)表達(dá)進(jìn)行論述，即地理空間數(shù)據(jù)全息本體模型的構(gòu)建。

1 模型概念框架

建立地理空間數(shù)據(jù)本體首先必須明確地理空間中所涉及到的概念、關(guān)系、規(guī)則、屬性和實(shí)例等內(nèi)容，即建模五元組，之后便可在某種特定的本體語(yǔ)言基礎(chǔ)之上，運(yùn)用本體創(chuàng)建工具得到相應(yīng)的本體模型。因此，構(gòu)建較為完整的地理空間數(shù)據(jù)本體需將相關(guān)領(lǐng)域的概念表達(dá)清楚。本文從數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和數(shù)據(jù)特征兩方面入手作為劃分依據(jù)，將地理空間數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)兩種類(lèi)型，其中空間數(shù)據(jù)就是傳統(tǒng)意義上的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的空間特征為主，也就是刻畫(huà)地理對(duì)象的空間位置和空間關(guān)系。地理數(shù)據(jù)則是一系列表達(dá)地球表面地理特征的數(shù)據(jù)，是從地理學(xué)的視角探索地球奧秘、自然環(huán)境、人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等而產(chǎn)生的文字、圖片、報(bào)表、聲音、視頻等多種媒體形式的數(shù)據(jù)，與空間數(shù)據(jù)不同，地理數(shù)據(jù)主要描述地理對(duì)象的屬性信息，包括時(shí)態(tài)信息。前者從空間數(shù)據(jù)的幾何、拓?fù)浼皩傩蕴卣魅胧?，從點(diǎn)、線、面及聚合對(duì)象等方面進(jìn)行抽象概括；后者從人類(lèi)活動(dòng)出發(fā)，劃分成自然地理數(shù)據(jù)和人文地理數(shù)據(jù)。自然地理數(shù)據(jù)表示客觀世界中存在的一些地理對(duì)象或自然現(xiàn)象，如河流、高山、雨、雪等；人文地理數(shù)據(jù)是有人類(lèi)活動(dòng)接觸的地理對(duì)象或社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，如政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)以及境界等。

在實(shí)際應(yīng)用中，空間數(shù)據(jù)往往是作為底層的可視化和空間分析數(shù)據(jù)，配合地理數(shù)據(jù)進(jìn)行某些行業(yè)的具體應(yīng)用。當(dāng)前，隨著地理信息服務(wù)行業(yè)的不斷延伸，地理數(shù)據(jù)在應(yīng)用中的比重越來(lái)越大，作用也越來(lái)越顯著。

全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型概念框架如圖1 所示，利用本體知識(shí)，自頂向下建立地理空間的概念分類(lèi)體系，從空間數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)2 個(gè)層面出發(fā)，以關(guān)系、特征、規(guī)則為指導(dǎo)，空間實(shí)體、地理對(duì)象具體形式為內(nèi)容進(jìn)行構(gòu)建，主要可分為3 個(gè)部分:空間關(guān)系模型、空間數(shù)據(jù)模型和地理數(shù)據(jù)模型。

2 空間關(guān)系本體模型

地理空間數(shù)據(jù)所獨(dú)有的特征由地理實(shí)體的位置、形狀、大小以及相互之間的方向、度量和拓?fù)潢P(guān)系組成，是地理空間數(shù)據(jù)區(qū)別與其他數(shù)據(jù)的標(biāo)志性信息[4]。

空間關(guān)系從地理空間中基本的點(diǎn)、線、面要素出發(fā)，對(duì)于形狀不規(guī)則的復(fù)合要素，可以利用其最小外接矩形，建立起拓?fù)洹⒍攘亢头轿? 種基本的空間關(guān)系，在拓?fù)淇臻g關(guān)系中，基本的拓?fù)潢P(guān)系包括包含、關(guān)聯(lián)、鄰接和層次關(guān)系，對(duì)應(yīng)于本體的形式化表達(dá)就有相離、相鄰、相交等8 種情況；方位關(guān)系有固定方位和相對(duì)方位之分，前者對(duì)方向刻畫(huà)建立起統(tǒng)一的參考框架，后者則根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與參考點(diǎn)的位置不同呈現(xiàn)多種表達(dá)方式；度量關(guān)系包括距離關(guān)系和尺寸位置關(guān)系，利用遠(yuǎn)、近、大、小等進(jìn)行形式化表達(dá)。此外，對(duì)于空間特征的表達(dá)還有定量的數(shù)字形式和自然語(yǔ)言的描述形式，如“50 m”、“60 m”、“從這里沿科學(xué)大道往西第2 個(gè)路口往左再走3 紅綠燈”等[5]，這些信息結(jié)合在一起共同構(gòu)成了空間關(guān)系本體概念模型，即空間關(guān)系全息元，如圖2 所示。

圖2 空間關(guān)系本體概念模型

3 空間數(shù)據(jù)本體表達(dá)

地理空間數(shù)據(jù)是對(duì)復(fù)雜地物簡(jiǎn)化抽象的結(jié)果，有多尺度、多維、多時(shí)態(tài)等特征，這里的空間數(shù)據(jù)代表傳統(tǒng)意義上的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，各種類(lèi)型的空間數(shù)據(jù)分別蘊(yùn)含著地理實(shí)體全息空間的反映?？臻g數(shù)據(jù)本體模型就是在此基礎(chǔ)上對(duì)空間數(shù)據(jù)邏輯的一種表示，是一切空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是地理信息服務(wù)與應(yīng)用的支撐。

空間數(shù)據(jù)本體模型是關(guān)于空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，它反映了地理空間中地理實(shí)體的位置、分布及實(shí)體間的空間關(guān)系，從全息觀點(diǎn)出發(fā)，也可稱(chēng)為空間數(shù)據(jù)全息元。根據(jù)人類(lèi)認(rèn)識(shí)地理空間由簡(jiǎn)到繁的層次和傳統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)組織和認(rèn)知的模式，可將空間數(shù)據(jù)全息元?jiǎng)澐譃榭臻g數(shù)據(jù)多尺度全息、區(qū)域分塊全息、分層全息、對(duì)象全息和空間關(guān)系全息。

空間數(shù)據(jù)模型是用戶看到一定的地理空間內(nèi)，不同詳細(xì)程度地對(duì)分布在三維空間中地理要素對(duì)象集、地理要素之間存在空間關(guān)系的總體描述，以上5 種空間數(shù)據(jù)全息元分別從不同表達(dá)粒度和認(rèn)知角度刻畫(huà)了空間數(shù)據(jù)。按照全息論和本體的思想，將上述5 種空間數(shù)據(jù)全息元有機(jī)組合在一起，構(gòu)成空間數(shù)據(jù)全息元，即全息空間數(shù)據(jù)本體模型，模型可分為幾何對(duì)象全息、地理要素全息（簡(jiǎn)單、復(fù)合）、空間關(guān)系全息、可視化全息、地理要素分層全息、區(qū)域分塊全息和工作區(qū)（空間數(shù)據(jù)多尺度）全息。通過(guò)全息元間的繼承關(guān)系綜合地描述了地理空間復(fù)雜的地理實(shí)體現(xiàn)象及相互關(guān)系。全息空間數(shù)據(jù)本體模型框架如圖3 所示。

圖3 全息空間數(shù)據(jù)本體模型框架

1）描述空間數(shù)據(jù)需要不同比例尺、不同類(lèi)型（矢量數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)）的空間數(shù)據(jù)，每種空間數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)工作區(qū)全息元。

2）工作區(qū)全息元可以劃分為不同的數(shù)據(jù)塊全息元，以數(shù)據(jù)塊全息元為單位，進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和存儲(chǔ)管理。

3）每一個(gè)數(shù)據(jù)塊全息元又可以分為多個(gè)要素層全息元。要素層全息元是空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、編輯、管理、分析、應(yīng)用等的基礎(chǔ)單位。

4）要素層全息元由下一級(jí)別的地理要素全息元構(gòu)成，地理要素全息元是地理對(duì)象和現(xiàn)象的基礎(chǔ)表示單位，包含空間信息（幾何對(duì)象）和屬性信息。幾何對(duì)象全息元是空間數(shù)據(jù)中最小的儲(chǔ)存單元，不體現(xiàn)地理對(duì)象的屬性信息，只是表達(dá)了地理對(duì)象的空間位置、分布和關(guān)系，滿足地理對(duì)象的快速顯示和查詢。幾何對(duì)象全息元附加屬性信息后構(gòu)成地理要素全息元，又可分為基本要素全息元和復(fù)合要素全息元。基本要素全息元是地理對(duì)象的最小構(gòu)成單位。復(fù)合要素全息元由一個(gè)以上的性質(zhì)相同或相似的基本地理要素全息元有機(jī)組合而成，再利用空間關(guān)系全息，建立起幾何對(duì)象全息元、地理要素全息元相互間的空間關(guān)系，這樣就由地理空間、工作區(qū)、數(shù)據(jù)塊、要素層、地理要素、幾何對(duì)象和空間關(guān)系等全息元共同構(gòu)成一個(gè)空間數(shù)據(jù)全息元。

4 地理數(shù)據(jù)本體表達(dá)

地理空間信息的表達(dá)，只有空間數(shù)據(jù)是不夠的，還需要加入與人類(lèi)生產(chǎn)、生活息息相關(guān)的地理數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，是對(duì)地理實(shí)體和現(xiàn)象的位置、分布和空間關(guān)系的描述。通過(guò)空間數(shù)據(jù)，我們建立起對(duì)客觀世界的描述框架，能夠進(jìn)行一般的定位查詢、定性搜索和空間關(guān)系分析，但是沒(méi)有將地理學(xué)這一博大精深學(xué)科很多經(jīng)典的知識(shí)融入進(jìn)來(lái)，也不能滿足與社會(huì)各行業(yè)的有效結(jié)合，不能探尋自然世界深層次的地理信息，因此，作為空間數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)充，我們從地理學(xué)的視角，提出地理數(shù)據(jù)的概念，其涵蓋了與地球、自然、人類(lèi)、社會(huì)相關(guān)的各類(lèi)型數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)地理實(shí)體和現(xiàn)象的地理特征，或者說(shuō)屬性特征，這里的屬性更突出各專(zhuān)業(yè)學(xué)科、各行業(yè)、各種具體應(yīng)用。地理數(shù)據(jù)同樣也是體現(xiàn)地理空間的全息元，包括各種自然事物和現(xiàn)象，與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)的物體與現(xiàn)象，以及人對(duì)地球、自然、社會(huì)的意識(shí)形態(tài)等，如自然資源、洪水災(zāi)害、建筑物、商品運(yùn)輸、對(duì)產(chǎn)糧區(qū)、工業(yè)區(qū)的劃分以及我國(guó)三級(jí)階梯的地形走勢(shì)等都?xì)w于地理數(shù)據(jù)的范疇。地理數(shù)據(jù)全息元的容量是可變的，從一塊石頭延伸到宇宙太空，都是全息元的單位。地理數(shù)據(jù)全息元在相對(duì)獨(dú)立的同時(shí)，也存在著全息關(guān)聯(lián)，如水系既屬于自然資源又是生態(tài)環(huán)境的組成部分，礦產(chǎn)屬于自然資源但又是經(jīng)濟(jì)建設(shè)信息等[6]。因此，對(duì)于地理數(shù)據(jù)的概念等級(jí)劃分就顯得很重要，地理數(shù)據(jù)概念體系一旦確定，由于數(shù)據(jù)只涉及屬性方面的語(yǔ)義關(guān)系的處理，因此利用本體開(kāi)發(fā)工具就可以直接構(gòu)建全息地理數(shù)據(jù)本體模型，即地理數(shù)據(jù)全息元。

目前，地理數(shù)據(jù)的概念體系沒(méi)有一個(gè)明確的劃分，參考其他學(xué)者的地理本體方法，本文采用層級(jí)分類(lèi)的方法。從人類(lèi)活動(dòng)出發(fā)，結(jié)合地理學(xué)中的概念分類(lèi)，在頂層劃分成自然地理全息元和人文地理全息元。前者表示客觀世界中存在的一些地理對(duì)象或自然現(xiàn)象，如河流、高山、雨、雪等；后者是有人類(lèi)活動(dòng)接觸的地理對(duì)象或社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，如政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)以及境界等。

前不久國(guó)家進(jìn)行機(jī)構(gòu)改革，成立了自然資源部，其目的就是需要對(duì)自然地理中的各種資源信息進(jìn)行優(yōu)化整合。此外，地理科學(xué)的學(xué)科目錄中也將自然地理與資源環(huán)境合在一起作為二級(jí)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)提出，在國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中也將自然資源主題單獨(dú)列出，由此可見(jiàn)自然資源信息的重要性，因此本文從自然資源信息角度建立自然地理概念框架。

本文在此基礎(chǔ)上，將人文地理全息元進(jìn)一步劃分為人文社會(huì)經(jīng)濟(jì)全息元、城市地理全息元和生態(tài)環(huán)境全息元等。需要注意的是，從不同觀點(diǎn)出發(fā)，可以得到不同的地理數(shù)據(jù)概念分類(lèi)。結(jié)合自然地理全息元和人文地理全息元，全息地理數(shù)據(jù)本體概念框架如圖4所示。

圖4 全息地理數(shù)據(jù)本體概念框架

5 地理空間數(shù)據(jù)本體模型

將得到的空間數(shù)據(jù)全息元、地理數(shù)據(jù)全息元和空間關(guān)系全息元進(jìn)行整合，利用Protégé 本體構(gòu)建工具，設(shè)計(jì)得到全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型，如圖5、6 所示。

圖5 全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型

與傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型相比，全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型有6 個(gè)方面的新特點(diǎn):

1）屬性全息，利用本體的特性，在全息元中對(duì)屬性靈活配置，體現(xiàn)在兩個(gè)方面:類(lèi)與屬性相分離，數(shù)據(jù)屬性與對(duì)象屬性相分離。通過(guò)在模型中添加自定義屬性項(xiàng)，確保地理空間數(shù)據(jù)的多主題表達(dá)，全方位的對(duì)地理空間對(duì)象的概念、類(lèi)別、位置、分布、數(shù)量、質(zhì)量、行為、關(guān)系、時(shí)間等特征進(jìn)行描述。

2）尺度全息，利用全息的觀點(diǎn)，從宏觀到微觀，構(gòu)建了刻畫(huà)地理空間的多級(jí)尺度全息元，從點(diǎn)、線、面等幾何對(duì)象全息元到各種比例尺或類(lèi)型空間數(shù)據(jù)的工作區(qū)全息元，全方位表達(dá)空間特征。

3）形態(tài)全息，不同尺度下地理空間數(shù)據(jù)具有不同的結(jié)構(gòu)形式，也就形成了多種形態(tài)特征，或者說(shuō)全息元的組合構(gòu)成了不同的地理空間數(shù)據(jù)形態(tài)，體現(xiàn)在屬性約束、數(shù)據(jù)行為、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類(lèi)型等方面。

4）表達(dá)全息，利用地理學(xué)的觀點(diǎn)，將自然地理全息元和人文地理全息元納入地理空間數(shù)據(jù)的范圍，進(jìn)一步豐富了數(shù)據(jù)模型中地理信息的表達(dá)，讓空間數(shù)據(jù)不再受限于空間數(shù)據(jù)可視化、空間分析等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，為跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用分析和科學(xué)決策提供可能。

5）動(dòng)態(tài)全息，在本體模型中設(shè)計(jì)了時(shí)態(tài)屬性，記錄了地理空間對(duì)象的位置、屬性等變化的動(dòng)態(tài)行為信息，利用全息關(guān)聯(lián)的時(shí)間關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以建立地理過(guò)程模型，進(jìn)行知識(shí)獲取與時(shí)空模擬，提供變化預(yù)測(cè)與決策支持。

6）環(huán)境全息，構(gòu)建的全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型，支持對(duì)二三維、室內(nèi)外、地上地下以及水上水下的空間對(duì)象進(jìn)行描述，并且在應(yīng)用上，根據(jù)此模型開(kāi)發(fā)全息地理信息服務(wù)平臺(tái)支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、PC 客戶端、移動(dòng)終端等多種用戶平臺(tái)，滿足全環(huán)境條件下的定義與使用。

圖6 全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，以本體論、全息論為基礎(chǔ)，把握地理空間數(shù)據(jù)的空間和地理特征，利用空間認(rèn)知、地理學(xué)、地理信息科學(xué)等理論方法，研究構(gòu)建全息地理空間數(shù)據(jù)模型，能夠?qū)臻g地物的性質(zhì)、分類(lèi)、分級(jí)等語(yǔ)義特征進(jìn)行精確描述，還能對(duì)空間位置、空間形態(tài)、空間分布和空間關(guān)系等空間特征進(jìn)行分析，適用于地理空間認(rèn)知與地理信息智能化服務(wù)領(lǐng)域?？茖W(xué)的認(rèn)識(shí)從地理空間到全息空間的轉(zhuǎn)化機(jī)制，有助于推進(jìn)我國(guó)地理信息科學(xué)的研究與發(fā)展，更好地為國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和創(chuàng)建和諧社會(huì)服務(wù)。