（管理科学与工程专业论文）基于web+service的空间信息服务描述和发现机制研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 近年来，随着各种新兴产业的发展，各行各业对空间信息的需求日益提高 w e bs e l v i c e 技术日益成熟，各大公司和组织纷纷推出了基于w e bs e t v i c e 技术的 空间信息服务。网络上存在的空间信息服务日益增多，如何根据空间信息服务的 特点对其进行有效的描述，从而使用户能够方便的发现这些服务，是充分利用空 间信息服务的关键所在 本文针对空间信息服务的描述和发现进行研究。在空间信息服务的描述方面， 在简要介绍空阃信息服务相关标准中有关服务分类方案的基础上，提出了利用语 义w e b 的知识表示语言o w l 建立空间信息服务本体的方法；借鉴o w l - s s e r v i c e p r o f i l e 对于w e b 服务的描述方法和o g cc a p a b i l i t i e s 文档关于空间信息服 务描述的方法，提出了基于扩展w s d l 的空间信息服务描述方法。在空间信息服 务的发现方面，通过对u d d i 信息模型和w e b 服务发布机制的分析，提出了与上 述描述方法相对应的u d d i 中t m o d e l 模型的扩展方法，以及基于本体的空闻信息 服务匹配算法针对上述空间信息服务的描述和发现方法，设计了基于u d d i 规 范的空间信息服务注册中心体系结构，阐明了其运行机制。结合上述体系结构提 出与之相应的原型系统具体实现方案，并结合应用实例进行了实验。 最后，在对本文的研究工作进行总结的基础上，还对后续的工作进行了探讨 和展望。 主题词：空间信息服务，w e bs e r v i c e ，u d d i ，本体 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e my e m s , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m a r yn e wi n d u s t r i e s , t h e r ei sm o r ea n dm o r e n e e do f 叩翻i a li n f o r m a t i o n w i 也t h ew e bs e r v i c e 钯d m o l o 留b e c o m e sm 破叫m a n y c o m p a n i e sa n do 皤3 n i z a t i o n sp r o v i d et h e i rw e bs e r v i b a s e d 印蒯i n f o r m a t i o n s e r v i c e s t h e r ea r em o r ea n dm o r es p 砒i a li n f o r m a t i o ns e r v i 嘟o i lt h en e t , s oh o wt o d e s c r i b et h e s e $ e 珏- v i o e 5e f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ef e a t m e so ft h e m , a n dt om a k et h e u s e rt of i n dt h es e r v i o e $ c o n v e n i e n t l yi sa k e yp r o b l e mt om a k ef u l lu s e o f t h es e r v i 3 t h et h e s i sd o e s 伦s e a r c ho nt h ed e s c r i p t i o na n dd i s c o v e r yo fs p a t i a li n f o r m a t i o n s 盯v i c 韶f o rt h ed e s c r i p t i o na s p e c t , b a s e do nt h eb f i e fi n t r o d u c t i o no fr e l a t e d s p e c i f i c a t i o n sa b o u tt h ec l a s s i f i c a t i o n sf o r t h es p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c e s , w ep r o p o s ea m e t h o do f s e t t i n gu po n t o l o g i e so fs p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c 器w i t ht h ea n a l y s i so f t h e d e s c r i p t i v em e t h o d so f o w l - ss e r v i c e p r o f d e 柚dt h eo g cc a p a b i l i t i e sd o c u m e n t s , w e p r o p o s eam e t h o df o r 矗鬟矗b i n g 印划i n f o r m a t i o ns e r v k 翳b a s e do ne x t e n d e dw s d l d ，c 瞰雎删陵f o rt h ed i s c o v e r ya s p e c t , a 伪a 啦岵t ot h ea n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o n m o d e lo fu d d ia n dt h em e c h a n i s mo fa d v e r 蜘w e bs e n ，i o e sb a s e do nw s d l d 硝如m 峨怫p r o p o s et h ee x t e n d i n gm e t h o do f t h et m o d e l 吼m c t l 聆i nu d d ir e o s a 7 越嘲 o f o n t o l o g y b a s e ds e r v i c e m a t c h i n g a c c o r d i n g t o t h e m e t h o d s a b o v c ， w ed e s i g nt h ea l l d f i t e c t u r eo ft h es e r v i c er e g i s h yf o rs p a d a li n f o r m a t i o ns e r v i c e s , a n d m a n i f e s ti t sn f f i z 姻gm e c h a n i s m t h e nw er e a l i z et h ep r o t o t y p eo f t h er e g i s t r ya n d s h o w s e v e r a lc g a m l d e st ou s ei t a tl a s t , 帆m a k eac o n c l u s i o na b o u tt h er e s e a r c ha n dg i v et h ep r o s p e c ta b o u tf u t u r e w o r k k e yw o r d s ：s p a t i a li n f o c m a t i o ns e r v i c e ，w e bs e r v i c e ，u d d ! o n t o k ，g y 第i i 页 表2 1 本体元组定义 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 8 表3 1o g c 目录服务接口实现3 6 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图i a 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 圈2 6 图z 7 图3 1 图3 2 围3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 圈3 1 0 图3 1 】 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 w e bs e r v i 体系结构 图目录 w e bs 廿v i c e 互操作协议栈一2 空间信息服务用户自定义链3 论文组织结构 r d f 数据模型 i s ( 31 9 1 1 9 服务元数据 空间信息服务本体模型 空问信息服务的分类 空间信息服务的属性定义 空间信息数据和操作分类 1 0 1 4 1 5 1 6 1 7 空问信息服务描述模式2 6 搜索引擎工作原理3 0 u d d i 的主要信息类型。 u d d i 主要信息类型之间的关系 w s d l 和u d d i 的映射关系 o c , c 目录服务实现结构 r d f 数据模型 3 2 3 3 t m o d e l 的扩展模型。 t m o d e l 模式 3 5 i d e n t i f i e r b a g t y p e 模式 c a t e g o r y b a g t y p e 模式 3 8 3 8 相似度计算实例 空间信息服务注册中心体系结构 服务发现代理结构。 4 0 4 2 4 3 4 4 4 6 4 9 原型系统u m l 图5 3 原型系统用户接口5 3 服务器页面生成过程一5 4 服务发布过程 服务发现过程 服务发布界面。 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图4 9 服务检索界面5 7 图4 1 0 服务检索结果5 8 图4 1 l 邻近度分析服务检索结果5 8 图4 1 2 地理编码服务检索结果 图4 1 3 邻近度分析服务语义提示5 9 图4 1 4 地理编码服务语义提示 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 阿贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王堂望! ! i ! ! 鲍空间焦皇避查撞鲨塑塞塑扭剑煎塞 学位论文作者签名： 叠塞数日期：上一6 年f 2 一月5 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阕；可叹将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王坠! 墅! ! i ! ! 数空闽焦：壑厦盔拦姿塑塞翌扭割婴窒 学位论文作者签名：+ 圣鱼监 日期：1 ，6 年f 2 月6 日 作者指导教师签名： 日期：2 叽，g 年忽月 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 i i 目题提出的背景 近几年来，随着各种新兴产业的发展，各行各业对空间信息的需求越来越高 空间信息系统( s p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 作为解决地理领域相关问题以及 辅助决策的工具得到了广泛的应用。w e b 服务的出现促使地理信息系统由原来的紧 耦合、集中式结构向松耦合、分布式的结构演化，并且能够支持动态集成。 w e b 服务的基础建立在h 兀e 帆，s o a p , w s d l 等开放的因特网标准之上。 这种技术允许网络上的所有系统进行交互，它们统一采用s o a p 【l j ( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c 0 1 ) 作为对象调用的通信协议，) n i l 作为标准的数据格式w s d l t 2 1 ( w e bs e r v i c ed 暇嫡p t i l a n g u a g e ) 和嘲( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n , d i s c o v e r y a n di n t e g r a t i o n ) 分别是获得当今工业界普遍支持的服务描述协议和服务发现协 议，m 。i p 则是支持最广泛的传输层协议由于建立在开放标准之上，各组织企业 不管采用何种技术所构建的系统都能够向外部提供自身的服务，从而使得相互问 的交互变得可能 w e b 服务体系结构基于三种角色一服务提供者、服务注册中心和服务请求者之 问的交互四交互涉及发布、查找和绑定操作。在典型情况下，服务提供者定义w e b 服务的服务描述并把它发布到公用的服务注册中心或者直接发布到服务请求者的 私有的本地服务注册中心服务请求者使用查找操作来从本地或者公用的服务注 册中心检索服务描述，然后使用服务描述与服务提供者进行绑定并调用w e b 服务或 同它交互。服务提供者和服务请求者只是逻辑上的角色，一个应用或者服务可以 同时充当这两种角色。如图1 1 所示，该图描述了简单的w e b 服务建立、发布以及 被其他应用查找并调用的过程。 定 图i 1w c b s e r v i 体系结构 服务提供者：从企业的角度看，这是服务的所有者。从体系结构的角度看，这 是w e b 服务的宿主平台，它接受服务访问请求，激活相应的w e b 服务，并创建应 答消息，返回给服务请求者。 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 服务请求者：从企业的角度看，这是期望某项特定功能获得满足的企业从体 系结构的角度看，这是查找服务，然后调用服务的应用程序。 服务注册中心：这是服务描述的注册中心，服务提供者在此发布他们的服务描 述。服务请求者在此查找服务，并从找到的服务描述中获得服务的绑定信息 为了支持w e b 服务在业务领域内的广泛应用，i 删，微软和其他相关组织和机 构建立了w e b 服务互操作协议栈，定义了如何在实际应用中创建w e b 服务。协议栈 由若干层组成，如图1 2 所示，每一层都以其下的各层为基础。其中，最底层是网 络层，即：h t t p ，f t p 等协议。其上一层是s o a p ，它是一个基于x m l 的消息协议， 作为所有w e b 服务之间交互的基础。在s o a p j 罢之上的w s d l 层用于服务描述，它描述 了哪些操作可以执行，它同样定义了该w e b 服务接收和发送的消息的格式。再上一 层是u d d i ，该协议描述了建立w e b 服务注册中心的标准方法，以及查询注册中心的 方法u 加i 可用于发布服务，随后，用户可以通过与u d d i 的交互进行服务发现 w s d l s 0 a p 柚“却j l o i 日$ 图1 2w e bs e r v i c 2 互操作协议栈 基于w e b 服务技术实现的空间信息服务能够提供各种空间信息处理功能。利用 这些服务，开发人员可以方便的构建特定的应用，而不需要花费巨额的投资以获 取空间数据；个体用户可以方便的获取空间信息，而不需要购买昂贵的空间信息 处理软件。空间信息服务在某些文献中称为地理服务或者空问地理信息服务，在 本文中将其统称为空间信息服务。 针对空间信息服务，许多研究机构、国际组织都推出了相关标准和规范开 放地理信息联盟( o p e ng i sc o n s o r t i u m ，简称为o g c ) 提出了o w s ( o p e n g i sw e b s e r v i c e ) ，以作为实现空间信息服务互操作的推荐标准1 4 】与这个标准相对应的 是国际标准化组织i s o ( t h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 提出的i s o1 9 1 1 9 空问信息服务规范嘲i s o1 9 1 1 9 规范和o w s 推荐标准之间的关系 是：i s o1 9 1 1 9 规范只是提供抽象的规范和模式，而o w s 标准需要定义用于具体实 现的详细规范例。 与此同时，许多公司也陆续在网络上发布了空间信息服务，其中具有代表性 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 的一类是基于位置的空间信息服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) ，该类服务具有 地理编码、位置查找和最佳路径等功能比如，e s r i 公司推出的a r c w e bs e r v i c e ， 主要提供美国街道和地址的位置服务功能微软基于n e t 技术开发出 m a p p o i n t n e t ，可以提供基于地址、兴趣点、经纬度的位置服务，位置相关背景 服务，路径选择服务，邻近搜索服务，距离计算服务等旧。在举例介绍时，本文用 到了其中的某些服务 当用户的应用需求无法通过单一的空间信息服务满足时，需要将多个空间信 息服务协调起来，通过定义空间信息服务链来完成相关的任务。服务链可以理解 为一种服务的顺序，对于每一对相邻的服务，第二个服务的发生以第一个服务的 发生为前提。根据i s o1 9 1 1 9 规范，可将服务链分为三种不同类型，即用户自定义 链，工作流管理链和聚集服判卯本文主要关注用户自定义链，如图1 3 所示，用 户需要具备要使用的服务输入输出的相关知识，用户通过目录服务检索到所需的 服务，用户负责调用服务执行，并且利用服务输入输出之间的衔接关系协调各个 服务的执行，对于非专业用户而言，由于缺乏各个服务输入输出的相关知识，合 成的服务链能否成功运行难以保证 掣竺坠 图1 3 空间信息服务用户自定义链 以网络为运行平台的空间信息服务，必然具有一种高效、灵活、动态地集成 网络中分布式的空间数据和处理功能模块的机制，以便应用系统按需动态集成， 而服务的描述和发现是实现动态集成的关键。此外，为了给用户提供服务的输入 和输出的相关知识，从而帮助不同层次的用户更加方便可靠的合成空间信息服务 链，服务的描述和发现也是十分重要的一环。 因此，为了满足上述系统动态集成以及有效合成服务链的需求，需要结合空 间信息服务自身的特点建立起一种良好的服务描述和发现机制，比如针对空间信 息服务的功能( 服务的输入和输出等) 、类别以及特定空间信息服务的本质特征 ( 服务相关的操作和数据集等) 进行描述和发现，这也正是本文研究的重点。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 本节分别从空间信息服务描述和空问信息服务发现两个角度介绍近年来有关 空间信息服务的研究现状空间信息服务描述主要关注空间信息服务接口和服务 实现的描述方法，空间信息服务发现主要关注利用服务描述在服务注册中心注册 服务，以及在服务注册中心的记录集中检索所需的服务。 1 2 空间信息服务描述研究现状 关于空问信息服务的描述方法，目前主要有基于语义网和本体技术的描述方 法和基于现有成熟规范的描述方法两种。 基于语义网和本体技术描述空间信息服务，其目的是为了实现空间信息服务 的自动发现，执行和组装，具代表性的有：武汉大学的贾文珏为了解决空间信息 服务链的组合和动态服务链的合成方案问题，引入基于本体的语义罔技术表述服 务语义，提出采用o w ls 定义和描述空问信息服务的语义信息，在o w ls ( w e b o n t o l o g y l a n g u a g ef o rs e r v i c e s ) 中引入髂d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 的服务和绑定信息描述服务的实现细节，并给出了描述w e b 地图服务的 描述实倒m ；武汉大学的安杨等提出了一种本体，它结合了已存在的各种不同的本 体标准和元数据标准来描述空间信息服务嘲。在其进一步的研究中，又提出采用“概 念层一应用层”两个层次来描述空间信息信息服务【9 l ；浙江大学的陈建杰等提出通 过o w ls 对空间信息w e b 服务能力知识进行表达，并结合土地利用空间信息服务给 出了具体的描述方法【l 州基于本体和语义网技术的描述方法灵活性比较强，并且 与现有的w e b 服务标准兼容，但是由于仍处于发展阶段，缺乏应用实践的检验，相 对不够成熟。此外，上述研究中并没有具体阐述与描述方法对应的服务注册中心 中相应的机制，距离部署和实际应用还有一定的差距。 基于现有规范标准描述空间信息服务，典型的有w s d l 和o g cc a p a b i l i t i e s 文 档。其中，w s d l 是w e b 服务的标准描述语言，具有普遍的意义，得到了广泛的应用。 o g cc a p a b i l i t i e s 文档是o g c 用以描述o w s ( o p e n g i sw e bs e r v i c e ) 架构中规定的 空间信息服务的标准文档，具有很强的专业性和针对性。采用规范描述空间信息 服务的好处是实现简单，有大量的应用实例，经受了实践的考验。而其缺点是不 够灵活，并且对服务的描述缺乏足够的语义信息的支持，难以帮助用户有效的合 成服务链。 如何从空间信息服务的功能特性以及领域特点来综合考虑空间信息服务的描 述，并且做到尽可能的简单、有效、从而能够协助用户合成服务链，需要进一步 的研究。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 2 - 2 空间信息服务发现研究现状 关于空间信息服务的注册与发现，从服务注册中心的角度来看，目前主要有 三类应用于空间信息服务领域的注册中心，以下分别加以介绍 1 9 9 4 年，n s d i ( u sn a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r u s t r u c t u r e ) 正式在美国政 府和非政府部门之间提供直接协调地理空间数据收集和管理等活动为了节约经 费，加强政府和非政府部门关于数据收集、数字化和数据处理等事务的合作至关 重要。其中一项主要目标是建立一个虚拟空间数据机制，旨在实施目前和将来关 于促进数据收集和数字化合作的策略，为此提出了。数据交换中心 ( c l e a r i n g h o u s e ) 概念，它是集中式服务系统，用来建立元数据收集和发布等操 作，以便高效地获取空间信剧1 1 l 。c l e a r i n g h o u s e 的基本途径是通过一套共同的术 语集，帮助用户确定存在什么数据、哪些数据适合用户应用、以及获取这些数据 的条件等。自从1 9 9 6 年空间。数据交换中心”开始在美国操作以来，已经广泛用 于美国和其他国家的数字化空问信息获取、发现和发布等服务，促进了用户之间 的交流和数据开发者之间的合作，消除了大批冗余的数据集。数据交换中心目前 只是局限在空间信息应用领域，具有很强的专业性和针对性。 0 6 c 在其规范中提出了目录与注册服务，用于存储空间数据和空间服务，可以 基于x 虬技, 和m r p d 议实现，作为互联网环境下的分布式元数据共享框架平台。 利用目录与注册服务，不同的数据提供者可以顺利地将自己的系统接入到一个分 布管理、统一发布的共享体系当中，用户不再面对一个个孤立的系统，而是在整 个共享网络中寻找符合需求的数据【惦1 3 1 。与数据交换中心一样，目前目录与注册 服务只是局限于空间信息领域的应用，比较适合专业用户使用。 ， u d d i 是统一描述，发现和集成的规范，定义t w e b 服务的发布与发现的方法1 1 4 1 5 ou d d i 最初应用于电子商务，是为了建立一个全球化的、平台无关的、开放式的 架构，使得企业之间能够发现彼此，定义企业问如何通过互联网交互，以及使用 一个全球性的商务注册中心，以共享信息。与o g c 的目录服务和注册服务不同的是， u d d i 不仅局限于某个专业领域，而是面向整个w e b 服务世界，因此被广泛接受 随着基于w e bs e r v i c e 的空间信息服务的不断普及，如何将针对空间信息服务 的描述在u d d i 中建立起相应的机制，使得基于u d d i 可以实现空间信息服务的快速 查询和定位，并且提供丰富的查询定位方式，还需要进一步的研究。 1 3 本文研究的主要内容 针对上述研究现状，在空间信息服务的描述方面，有必要在两种描述方式中 进行权衡，既要考虑服务语义方面描述的需求( 服务的类别、服务的输入和输出 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 等) ，又要结合空间信息服务的特点( 服务相关的数据集、操作等) ，引入服务 的功能性描述和服务的标识性描述，便于用户迅速的发现和定位服务，有效的合 成服务链；同时，也需要立足于现有的标准，做到尽可能的简单可靠。 在空问信息服务的发现方面，u i ) d i 是一个商业注册中心，它是面向整个- e b 服 务世界的为了扩大u d d i 在空间信息服务领域的应用范围，基于上述空间信息服 务的描述机制，在u d d i 信息模型中扩展与之相应的结构，将这些空间信息服务注 册到u d d i 注册中心，从而便于配套的进行服务注册以及帮助用户高效的发现服务， 将会是一个很好的选择 本文正是从上述两个方面出发，对空间信息服务的摇述和发现机制进行了尝 试性的研究，研究涉及的内容包括； 研究基于o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 本体的空间信息服务的表达方法，以 建立空问信息服务本体库。 分析比较语义w e b 领域关于w e b 服务的描述方法和0 c c 3 t 于空闻信息服务的描述 方法，并指出这两种方案在空间信息服务描述方面的可取之处。然后，提出基 于扩展髂d l 的空间信息服务描述方法。 针对上述描述方法，结合u d d i 的信息模型t m o d e l ，提出相应的t m o d e l 扩展方法， 以及基于本体的空问信息服务匹配算法，以支持基于u d d i 的空间信息服务的注 册和检索。 基于上述思想建立空间信息服务注册中心的体系结构，通过建立原型系统，验 证该设计思想的有效性。 1 4 论文内容组织结构 论文内容的组织结构如图1 4 所示： 图1 4 论文组织结构 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 首先，在绪论中介绍了问题提出的背景，指出实现应用系统的动态集成以及 协助用户合成空间信息服务链的关键是空间信息服务的描述和发现。为了实现绪 论中提出的上述目标，分别从第二章空间信息服务的语义描述和第三章 空间信息服务的发现机制两个方面研究空间信息服务注册中心实现的主要理论基 础。第四章结合第二章和第三章提出的方法，设计了空间信息服务注册中心的体 系结构，简化实现了原型系统，并结合应用实例阐述了空间信息服务注册中心的 应用。最后，第五章对本文的工作进行总结，并展望了下一步的工作。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章空间信息服务的语义描述 本章主要针对空间信息服务的语义描述进行研究，从而为在u d d i 服务注册中 心发布空间信息服务以及协助用户有效的进行服务发现并合成服务链提供保障。 本章首先介绍本体的概念和本体语言，通过分析i s o1 9 1 1 9 规范，提出了基于 本体语言o w l 表示的空间信息服务本体，为原型系统中建立空间信息服务本体库 以及对空问信息服务的语义发现提供支持；然后，介绍w s d l 对于w e b 服务的描述， 在结合和借鉴现有的语义w e b 服务描述以及o g c 关于空间信息服务的描述的基础 上，提出了基于扩展w s d l 的空间信息服务描述，该方法既能够针对空间信息服务 的特点进行描述，又能够为用户合成空间信息服务链提供辅助手段。 2 1 1 本体的概念 2 1 本体 在哲学界，本体是表述哲学理论的术语，是指关于存在及其本质和规律的学 说，是对物质存在不依赖任何语言的系统解释。在知识工程中本体的概念与哲学 上本体的定义是不同的，明确它的定义经历了一个过程。首先，在1 9 9 1 年，n e c h e s 等人指出。一个本体定义了组成主题领域的词汇的基本术语和关系，以及用于组 合术语和关系以定义词汇的外延的规则”。这个定义仅给出了知识工程中的本体的 一个基本指南，即：要建立一个本体，首先要识别所面对领域的基本术语和这些 术语之间的关系，然后要识别组合这些术语和关系的规则，并提供这些术语和关 系的定义1 9 9 3 年g r u b c f 迸一步指出。本体是概念化( c o n c e p t u a l i z a 虹o n ) 的一个显式 的规格说明。这个定义后来成为人们经常引用的定义，它们有一个共同的特 点，即特别强调了给出形式解释的可能性。 围绕上述本体定义，已经存在多种本体元组定义方式，如表2 1 所示： 表2 1 本体元组定义 ( g l l t f a ) ( c ，a 。，r ，a 1 ，h ，x ) ( c c ，k o t s r ( c r ，h c , r c l a o ) 文献【1 7 】 文献【1 8 】 文献【l9 】 文献【2 0 】 定于概幺定义 定义定义定义 定义概念的无定义 定义无定义无定义 属性 定义关系定义多元关系定义二兀关系定义二元关系定义二元关系 定义函数定义，是概念序列无定义定义，是关系到 定义。是关系到 到概念的映射两个概念的映两个概念的映射 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 射。也称为 s i g n a t u r e 定义实倒 定义无定义无定义无定义 定义概龛无定义定义 定义定义 继承关系 定义关系无定义 无定义定义无定义 继承关系 定义关系的无定义 定义无定义无定义 属性 定义公理 定义定义无定义定义 其中，文献 1 7 j 是早在1 9 9 3 年介绍o n t o l i n g u a 系统时就已经提出的一种知识 表示形式文献【1 8 】提出了一种基于本体的标注网页超链接的系统框架在o w a ( o n t o k , g y - b a s e dw e b 锄枷，基于本体的w e b 标注) 框架中，本体作为一种 领域知识起蓟了一种格w e b 上语义相关的数据重新组织的作用文m 1 9 1 介绍了 在实现k a o n ( k a r l m 虹o m l o 盯n 锄冀棚娃) 时定义的本体形式化描述方式 首先提出了一种本体的共同表达形式，也称本体核心表达，之后对这种形式进行 了不同的扩展这种本体的定义方式与所用逻辑语言无关，可用于f - l o g i c ，同时 被q 曲b - 曲玎以及o n t o e d i t 等系统实现文献【2 0 】的本体模型在研究语义w e b 中 统一知识建模方法时提出通过表2 1 可以看到，目前已有的本体元组定义中共 有的( 或大多数包含的) 元素为概念、关系、函数、概念的继承关系、公理的定 义 2 1 2 本体语言 用户采用本体描述语言能够为领域模型编写清晰、形式化的概念描述。本体 描述语言的研究工作非常活跃，诞生了许多种本体描述语言，比如r d f 和r d f s ， o i l , d a m e ，d a m l + o i l ，o w l , k i f 9s h o e ，x o l ，o c m l ，o n t o l i n g u a , c y c l , l o o m ，以下主要针对r d f 和r d f s 以及o w l 进行详细介绍。 2 1 2 1r d f 和r d f s r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 作为w 3 c 标准的资源描述框架，为基 于元数据的语义表示提供了基础【2 1 ，2 2 1 。r d f 为在w e b 上应用系统问进行机器可理解 信息的交换提供了互操作能力。为了描述机器可处理的数据的语义，r d f 定义了一 个基本的数据模型，这个数据模型可用) 咖。语法表示，包含三种对象类型： 资源( r e s o u r c e s ) ：一个资源可以是一个完整或部分的网页，也可以是它们的 一个集合；或者是不用直接通过w e b 访问的任意对象( 比如一本书) 。通常，资 源用u r i 来命名。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 属性( p r o p e r t i e s ) ：与资源相联系的属性，由属性类型确定，描述资源的特定 方面、特性或关系等。属性类型有相应的值，每个属性都有特定的含义、限定 允许的值，它能描述的资源类型以及与其他属性的关系 声明( s t a t e m e n t s ) ：由一个特定资源、资源的属性、资源的属性值构成的三元 组。针对同一资源的所有属性的声明被称为关于这个资源的描述 r d f 的基本结构可以看作对象一属性一值的三元组语法形式，为了陈述e s r i r o u t e f i n d e r 服务由e s r i 公司提供，公司名为e s r i ，u r l 为 r w e s r i c o m ，采用r d f 语句可以将其表示为： 图2 1r d f 数据模型 其中。h t t p ：a r c w e b e s r i c o m s e r v i c e s v l r o u t e f i n d e r ”是主语， 是谓词，其值为a r c w e b e s r i c o m 与此相似， 和 是谓 词，相应的值分别为“e s r i ”和。w - e s r i c o m r d fs c h e m a ( r d f s ) 用于定义r d f 的词汇集口1 ，碣它提供了定义特定领域的属 性和资源的类别的机制。r d fs c h e m a 以一种类型层次组织词汇，提供了检验陈述 的有效性的约束机制。在r d f s 中，最上层的抽象根类结点是r d f ：r e s o u r c e ，它又 派生出两个子类r d f s ：c l a s s 和r d f ：p r o p e r t y ，任何领域的知识都可以认为是这两 个子类的实例。r d f s ：c l a s s 语义上代表了领域中的本体，r d f ：p r o p e r t y 则代表了 领域中本体的属性。在r d f s 规范中，特别定义了r d f s ：s u b c l a s s o f 作为r d f ：c l a s s 的实例来表示r d f s ：c l a s s 的实例属性。这样，就可以定义不同本体之间类的从属 关系，从而建立知识表达中最基本的本体语义层次结构。这种机制非常便于定义 分类模式。对于上述例子，采用r d f s 的r d f s ：s u b c l a s s o f 可以用来验证e s r i 是一种 类型的公司。 2 1 2 2o w l o w l 是w 3 c 提出的一种本体描述语言，源自于d a m l + o i l ( d a r p am a r k u p 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 l a n g u a g e + o i li n f e r e n c el a n g u a g e ) ，保持了d a m l + o i l 的框架和大多数语法、 语义特征，同时针对不同的应用范围( 不同的表示能力和计算能力) 做了扩充和限 制，形成了三个子语言：o w lf u l l ，o i ld l 和o w ll i t e r 三个子语言的限制由少 到多，其表达能力依次下降，但可计算性( 结论可由计算机通过计算自动得出) 依 次增强田，硐与衄f s 类似，o w l 具有定义类，关系、以及个体的描述能力，并且允 许表达关系的约束和公理。 假定用户提出如下请求“一个邻近度分析服务是空问处理服务的子类，使用 s q l 选择操作”，o w l 可以以类定义的形式表达这个请求。进一步，可以加入一个公 理：。所需的邻近度分析服务是一个数据库应用”公理是一个断言，可用来验证 数据模型。使用o w l 语言可以将上述请求表述为： o w l 可被用来明确表示词汇表中术语的含义以及术语间的关系。在表达含义和 语义方面，o w l 比x m l ，r d f 和r d f - s 等语言有更多的表达手段，因删e w e b 上表达机 器可理解内容的能力也比这些语言强。所以在本文中，空间信息服务本体的建立 采用的是o w l 表示语言。 2 2 空间信息服务的本体描述 2 2 1i s o1 9 1 1 9 空间信息服务规范 2 2 1 1 概述 国际标准化组织i s o 的地理信息地球信息科学委员会( t c 2 1 1 ) 负责制定与 地理空间信息有关的标准，主要是数字地理信息和地球信息科学。目的是对地球 上直接或间接与地理位置有关的物体和现象建立结构化和可实现共享的标准，为 不同的用户、不同的系统之间的地理信息的表现，查询，处理，分析，共享，管 第l l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 理和传输方法提供实现标准。 在空间信息服务方面，该组织提出了空问信息服务标准草案i s o1 9 1 1 9 。该规 范基于i s o 的开放分布式处理参考模型，从企业的视角、计算的视角、信息的视角、 工程的视角和技术的视角等多个角度来阐述空间信息服务规范对空间信息服务 的体系结构、服务元数据、服务分类、服务链，服务链的分类等定义了抽象的规 范和模式，为迸一步定义详细的规范奠定了基础，以下详细介绍规范中与本文相 关的关于服务分类体系的内容。 2 2 1 2 服务分类体系 规范在信息视角中建立了空间信息服务分类体系。分类体系中包含各种服务 类型的名称以及服务类型的定义，要求任何采用该国际标准的系统，必须使用此 空间信息服务分类体系组织服务，并且规定具体的服务应当属于并且只能属于一 个类型，除非它能完成一个以上类型的服务四 为了与i s o1 9 1 0 1 定义的空间信息扩展开放式系统环境( e 0 s e ) 模型保持一致， i s o1 9 1 1 9 定义了六种信息技术服务类型，用于描述空间信息服务的分类阁 人机交互服务：管理用户界面、图形、多媒体、综合文档表示的服务 模型信息管理服务：用于管理元数据、概念模式和数据集的开发、操纵、存 贮的服务 - r 作流任务服务：该服务用于支持具体的任务或与工作有关的人类活动。这 些服务支持资源的使用和产品开发，可能包括由不同的人员完成的一系列活动 或步骤。 处理服务：该服务用于完成涉及大量数据的大规模计算。处理服务不提供数据 的长期存贮或在网络上进行数据传输处理服务包含四个子类别，即空间处理 服务，专题处理服务，时相处理服务和元数据服务。 通讯服务；在通讯网络上对数据进行编码和传输的服务。 系统管理服务：对系统组件、应用程序和网络进行管理的服务，这里的服务还 包括账号和用户访问权限管理。 在给出上述分类体系的基础上，i s o1 9 1 1 9 给出了一些空间信息服务的范例。 人机交互服务：包括目录浏览器、地理信息浏览器、地理信息浏览器一动画、 地理信息浏览器一镶嵌、地理信息浏览器一透视、地理信息浏览器一影象、地理 信息电子表格浏览器、服务编辑器、链定义编辑器、工作流制定管理器、地理 要素编辑器、地理要素符号编辑器、要素综合编辑器，地理数据一结构浏览器 等。 模型信息管理服务：包括要素访问服务、地图访问服务、授盖访问服务、覆 盖访问服务一传感器、传感器描述服务、产品访问服务、要素类型服务、目录 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 服务、注册服务、地名词典服务、订购处理服务、委托服务等 工作流任务服务：包括链定义服务、工作流执行服务、预定服务等。 处理服务：包括坐标变换服务、坐标转换服务、覆盖次量转换服务、影像坐标 变换服务、纠正服务、正射纠正服务、传感器几何模型校正服务、影像几何模 型变换服务、子集服务、邻近度分析服务、地理编码服务等 通讯服务：包括编码服务、传输服务、地理信息压缩服务、地理信息格式转换 服务、消息服务、远程文件和可执行程序管理等口。 系统管理服务：对系统组件、应用程序和网络进行管理的服务，这里的服务还 包括账号和用户访问权限管理。 针对这些服务类型和服务范例，o g c 定义了与之对应的服务类型代码，采用 非零的四位十六进制数字( 范围从0 0 0 0 至6 0 0 0 ) 表示f 4 】 i s o1 9 1 1 9 规范定义的空间信息服务分类体系为分布式地理信息系统的建设提 供了分类框架和指导原则。i s o1 9 1 1 9 定义的分类法面向分布式地理信息系统，它 从建立应用系统的需求出发考虑服务分类，指导抽象逻辑分类到分层物理实现之 间的映射。 2 2 1 3 服务元数据 i s o1 9 1 1 9 规范中提供的服务元数据的内容如图2 2 所示四，服务元数据主要包 括s v _ s e r v i c e i d e n t i f i c a t i o n 、s v _ o p e r a t i o n m e t a d a t a 、s vp a r a m e t e