（人文地理学专业论文）基于本体的异构导航数据库集成与空间信息语义服务研究.pdf

华东师范人学2 0 0 6 届博上学位论文 摘要 摘要 地理信息系统作为一种以采集、贮存、管理、分析和描述整个地球表面与地 理分布有关数据的空间信息系统，与人类生存、地区的发展和进步密切关联，目 前已经在全世界得到了广泛的应用。本体论( o n t o l o g y ) 作为一种能在语义和知 识层次上描述信息概念模型的建模工具，自被提出以来就引起了国外众多科研人 员的关注，并在计算机的许多领域得到了广泛的应用，如需求建模、知识工程、 数字图书馆、软件复用、信息检索和w e b 上异构信息的处理、语义w e b 等。目 前，随着移动g i s 和l b s 等服务应用的不断深入，如何解决异构导航数据库集 成成为研究者关注的领域，通过建立导航数据的领域本体，可以很好的实现导航 数据知识的集成、共享与复用，实现基于本体技术的导航数据互操作与和空间信 息语义服务。 本文以上海市科技发展基金重大专项，“数字城市关键技术研究予课题 空间信息移动用户应用服务系统关键技术研究”为实例，对基于本体的异构导航 数据库集成与空间信息语义服务进行了比较全面的探讨，概括起来，论文主要涉 及以下内容： 第一章采用文献综述和比较的方法，从地理学的角度，对地理信息系统与地 理信息服务，地理数据、地理空间信息与地理知识进行了详细的阐述，引出了地 理空间信息共享、导航数据库及移动g i s 空间信息服务等热点问题，提出了把 本体与地理本体的理论引入到异构导航数据库集成中，为人们的导航服务提供了 更多的信息服务，具有一定的学术价值。 第二章介绍了本体的涵义和分类、本体的语义网络、本体的描述语言、构造 本体的规则和本体在信息交换中的应用等理论研究，从地理概念、地理空间认知、 知识表达模型中的本体层次等方面，探讨了地理空间认知中的本体层次；在对本 体、地理认知、地理本体等理论基础上，描述了地理本体的涵义及概念分类体系， 认知了地理本体的空间语义关系及其表达；结合地理本体的概念与地理空间数据 类和对象的关系、面向对象数据模型与传统数据模型之间的关系，研究了地理本 体与传统地理空间数据的关系。研究表明：运用地理本体的理论和方法，使其运 用到研究地理知识、地理数据库的构建、地理空间信息服务等方面，将有很好的 实践应用价值。 第三章首先介绍了导航数据库的概念模型、逻辑模型及空间信息表达方法， 阐述了地理本体与导航数据库的关系；随着数据更新的速度不断加快和行业数据 簪系师范大学2 0 0 6 属博士学位论文 摘耍 的，“泛应用，异构海量数据的应用成为g i s 专业人士研究的热点，笔者认识到 以后的导航数据痒也将逐渐走岛异构集成的道路，本章从她理本体库的构建、导 航数据库集成设计、基于地理本体的异构数据库的集成方法、异构导航数据库集 成体系结构、本体在异构导航数据集成中的应用等方面做了深入的探讨。最后以 移动g i s 服务为例提出了上海导航数据库建设的方案。 第四章首先从空间信息本体的构建、空间信息本体领域范围的确定、空间信 息领域本体的概念、空间信息本体规则等方面详细的阐述了空间信息本体的语义 关系：同时，针对移动g i s 空间信息语义服务的关键技术及技术实现；从异构 平台间数据互操作与交换、集成共享技术、面向多信息源的数据整合集成技术、 海量空间信息数据快速检索及分层智能提取技术、基于导航数据库实现城市路网 结构的两点之间最短路径算法等方面对移动g i s 语义服务的空间信息处理与原 型进行了分析。从空间信息本体的中英文服务、时间维表达等方面对移动g i s 语义服务的语言识别及表达方法进行了分析和技术实现，从多种移动终端服务、 多通讯方式服务、m i m o 方式的地理信息服务实现和系统集成服务等方面对移动 g i s 语义服务方式进行了分析比较。笔者认为，移动g i s 的空间信息服务正集成 了地理学、语言学、本体论、计算机学科等多领域的技术和知识综合，在为人们 提供空间信息服务的同时，也推动了专业学科的发展。 第五章以上海移动q i s 服务为例，首先对上海构建移动g i s 服务平台的可 行性和必要性进行了分析，同时提出了上海空间信息移动g i s 服务平台的平台 设计、总体目标、建设框架和具体的实施原则，认为该平台应该在2 5 g 3 g 数据 通讯和增值服务技术研发、基于多语言的服务体系、基于语义网技术的智能信息 搜索等作为主要建设内容。最后结合笔者和上海市有关移动g i s 研发的成果。 对基于本体在m i d 上实现信息服务、上海导航数据库、g p r s g p s 动态定位与 指挥监控平台插件和g i sw a ps e r v i c e 等移动g i s 服务功能及实现做了详细的分 析。 第六章中总结了论文的创新之处，并对移动g i s 的发展和空间信恳语义服 务的应用前景进行了展望。 论文的贡献主要有以下几点： ( 1 ) 把本体与地理本体引入到异构导航数据库集成和移动空间信息服务领 域，以上海市导航数据库为例，构造了一个基于本体的导航数据库。并把该数据 库应用于上海市移动g i s 服务中，为地理信息系统与其他相关学科的融合做了 一次有益的探索。 ( 2 ) 把地理本体的理论应用到异构导航数据库集成中，建立了一个较为完 善的导航数据库实例，为上海市移动g i s 服务等的应用提供了数据支撑。为今 华东师范大学2 0 0 6 届博士学位论文 摘要 后建立类似的数据库提供了借鉴。 ( 3 ) 本文解决了异构导航数据库的共享和互操作问题，为移动g i s 提供更 全面的地理信息服务成为可能。对空间信息语义所涉及的关键技术进行了实践， 创建了空间信息本体的移动g i s 中英文服务，对上海市这样的国际大都市的空 间信息服务提供了很好的支持。 关键词：本体：地理本体：导航数据库；地理信息系统；移动g i s ；空间信息语 义服务 1 1 1 竺查堕蔓查堂垫! ! 堕堕主堂堡望壅垒墅! 璺垒望 a b s t r a c t a sas p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e mt oc o l l e c t ，s t o r e ，m a n a g e ，a n a l y z ea n dd e s c r i b e t h ew h o l ee a r t hs u r f a c ea n dt h ed a t ar e l a t i n gt og e o g r a p h i cd i s t r i b u t i o n ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e mh a sr e l a t i o nt ot h eh u m a ne x i s t e n c ea n dr e g i o n a ld e v e l o p m e n t ， a n dh a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o na r o u n dt h ew o r l d a sac o n c e p tm o d e l i n gt o o l t o d e s c r i b ei n f o r m a t i o na n ds y s t e mi nt h eg r a m m a ra n dk n o w l e d g eg t r r a n g e m e n t ， o n t o l o g yh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o no fm a n yr e s e a r c h e r ss i n c ei t sa d v a n c e m e n t a n dh a sb e e nw i d e s p r e a di nm a n yc o m p u t e rf i e l d s ，i n c l u d i n gr e q u i r e m e n tm o d e l i n g ， k n o w l e d g ec o n s t r u c t i o n ，d i g i t a ll i b r a r y , s o f t w a r er e u s e ，i n f o r m a t i o n i n d e xa n d i s o m e r o u si n f o r m a t i o nd e a l i n go nt h ew e b ，a n dg r a m m a rw e b a tp r e e n t ，a l a n gw i t h t h ed e e pi n t os e r v i c ea p p l i c a t i o nl i k em o b i l eo l sa n dl b s ，r e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o n t oh o wt os o l v ei s o m e r o u sn a v i g a b l ed a t a b a s e ，t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h em a i nb o d y o fn a v i g a b l ed a t a b a s e ，w ec a r la c h i e v et h ei n t e g r a t i o n ，s h a r ea n dr e u s eo ft h e n a v i g a b l ed a t a b a s ek n o w l e d g e ，a n da c h i e v et h en a v i g a b l ed a t ai n t e r - o p e r a t i o na n d s e m a t i cs e r v i c eo f s p a t i a li n f o r m a t i o nb a s e do no n t o l o g yt e c h n o l o g y t h ep a p e rt a k e s ”o n ep r o j e c to f k e yt e c h n o l o g yo fd i g i t a lc i t y 一k e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ho fs p a t i a li n f o r m a t i o nm o b i l ee u s t o r n e ra p p l i c a t i o ns e r v i c e ”，o n eo fs h a n g h a i t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti m p o r t a n tp r o j e c t s 如re x a m p l e a n dc o m p a r e so n t o l o g y b a s e di s o m e r o u sn a v i g a b l ed a t a b a s ei n t e g r a t i o na n ds p a t i a li n f o r m a t i o ng r a m m a r s e r v i c e t h ep a p e ri nw h o l ec o n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： t h ef i r s tc h a p t e re x p a t i a t e sg i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns e r v i c e ，g e o g r a p h i c d a t a , g e o - s p a t i a li n f o r m a t i o na n dg e o g r a p h i ck n o w l e d g ef r o mt h ev i e w o f g e o g r a p h yw i t ht h ew a yo fs u m m a r i z i n ga n dc o m p a r i n gl i t e r a t u r e s ，w h i c hc o m e s o u t f r o mh o t s p o tq u e s t i o n so fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns h a r e ，n a v i g a b l eg e o s p a t i a l d a t a b a s ea n dm o b i l eg i ss p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c e ，a n ds oo n i ta l s oi n t r o d u c e s r e a l i t ya n dg e o g r a p h i cr e a l i t yt h e o r i e si n t oi s o m e r o u sn a v i g a t i o nd a t a b a s et op r o v i d e m o r ei n f o r m a t i o ns e r v i c ef o rp e o p l e sn a v i g a t i o ns e r v i c e t h a th a ss o m es c i e n t i f i c v a l u e st oac e r t a i n t y t h es e c o n dc h a p t e re x p a t i a t e st h et h e o r yr e s e a r c h e so ft h em e a n i n g ，s o r i n g t ， s e m a n t i cn e t w o r k ，d i s c u s s i o nl a n g u a g e ，c o n s t r u c t i v er e g u l a t i o no fo n t o l o g y ，a n d a p p l i c a t i o ni no n t o l o g yr e i n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g t h ep a p e rd i s c u s s e so n t o l o g y l e v e lo fc o g n i t i o ni ns e v e r a l a s p e c t s ：g e o g r a p h yc o n c e p t i o n ，g e o g r a p h ys p a t i a l v 望查竖笙查兰! 塑! 旦堡主兰焦笙茎 塑翌坠堕 c o g n i t i o na n do n t o l o g yl e v e li nk n o w l e d g ee x p r e s s i o nm o d e lg e o g r a p h ys p a c e ；b a s e d o n o n t o l o g y , g e o g r a p h yc o g n i t i o n ，g e o g r a p h i co n t o l o g y t h e o r i e s ，t h i sp a p e r d e s c r i b e st h em e a n i n ga n dc o n c e p t u a lc l a s s i f ys y s t e mo fg e o g r a p h yo n t o l o g y , c o g n i z e ss p a t i a ls e m a n t i cr e l a t i o n sa n de x p r e s s i o no fg e o g r a p h yo n t o l o g y a l s o ，i t r e s e a r c h e st h er e l a t i o no fg e o g r a p h ya n dt r a d i t i o n a lg e o s p a t i a ld a t a ，c o m b i n e dw i t h t h er e l a t i o n so fg e o g r a p h yo n t o l o g y , g e o g r a p h i cs p a t i a ld a t ac l a s sa n do b j e c t ，t h e r e l a t i o no fo b j e c t - f a c i n gg e o g r a p h yd a t am o d e la n dt r a d i t i o nd a t am o d e l t h i s r e s e a r c hs h o w s ：i th a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u et oa p p l yi nr e s e a r c h i n gg e o g r a p h y k n o w l e d g e ，c o n s t r u c t i n gg e o g r a p h i cd a t a b a s e ，s p a c ei n f o r m a t i o ns e r v i c ea n d s oo n ， u s i n gt h e o r ya n dm e t h o do fg e o g r a p h i co n t o l o g y t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e sc o n c e p t u a lm o d e l ，l o g i c a lm o d e lo fn a v i g a b l e g e o - s p a t i a ld a t a b a s ea n dt h ew a yu s e d i nt h ee x p r e s s i o no fs p a t i a li n f o r m a t i o n f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o no fr e l a t i o n sb e t w e e ng e o g r a p h i co n t o l o g ya n dn a v i g a b l e g e o s p a t i a ld a t a b a s e a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i o no fd a t au p d a t ea n dw i d ea p p l i c a t i o n o fi n d u s t r i a ld a t a ，t h ea p p l i c a t i o no fi s o m e r o u sh u g ed a t ah a sb e e nh i g h l i g h t e db yg i s s p e c i a l t y , a sh i n t st h ea u t h o rt or e a l i z et h a ti s o m e r o u si n t e g r a t i o ni sg o i n g t ob e c o m ea n e wt r e n di nt h en a v i g a b l eg e o s p a t i a ld a t a b a s ed e v e l o p m e n tp r o c e s s al o to f r e s e a r c hf i n d i n g sh a v eb e e np r e s e n t e di nt h i sc h a p t e ri nal o g i c a lr o wa sf o l l o w s ：t h e c o n s t r u c t i o no fg e o g r a p h i co n t o l o g yl i b r a r y , t h ei n t e g r a t i o nd e s i g no fn a v i g a b l e d a t a b a s e ，t h ei n t e g r a t i o nw a yo fi s o m e r o u sd a t a b a s eb a s e do ng e o g r a p h i co n t o l o g y , s y s t e m i cs t r u c t u r eo fi s o m e r o u sn a v i g a b l ed a t a b a s ei n t e g r a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f o n t o l o g yi ni n t e g r a t i o no fi s o m e r o u sn a v i g a b l ed a t a b a s e f i n a l l y , t a k i n gm o b i l eg i s s e r v i c e sf o re x a m p l e ，t h i sc h a p t e rp u tf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o no f n a v i g a b l ed a t a b a s e d e s i g n i n gp l a ni ns h a n g h a i t h ef o r t hc h a p t e rs h o w ss e m a n t i cr e l a t i o n so fs p a t i a li n f o r m a t i o no n t o l o g y s u r r o u n d i n gt h ei n t r o d u c t i o no fc o n s t r u c t i o n ，s c o p e ，c o n c e p ta n dr u l e so fs p a t i a l i n f o r m a t i o no n t o l o g ya tf i r s t p a r t t h e n ，i no r d e rt o s h o wk e yt e c h n o l o g i e sa n d a p p l i c a t i o no fs e m a n t i cs e r v i c e s ，t h i sc h a p t e ra n a l y z e ss p a t i a li n f o r m a t i o np r o c e s sa n d p r o t o t y p eo fm o b i l eg i ss e m a n t i cs e r v i c e si ns e v e r a la s p e c t s ：d a t ai n t e r - o p e r a t i o n a n de x c h a n g ei ni s o m e r o u sp l a t f o r m ，i n t e g r a t i o na n ds h a r et e c h n o l o g i e s ，d a t a i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hm u l t i r e s o u r c ed a t aa c q u i s i t i o n ，h u g es p a t i a li n f o r m a t i o n r a p i dr e s e a r c h e sa n dl a y e r e di n t e l l i g e n ta b s t r a c tt e c h n o l o g i e s ，s h b r t e s tr o u t ea l g o r i t h m b e t w e e nt w on o d e si nu r b a nr o u t en e t w o r kb a s e d0 1 3 n a v i g a b l ed a t a b a s e 。a tt h es a m e t i m e ，t h i sc h a p t e ra l s od e s e r t b e st h ea n a l y s i sa n dr e a l i z a t i o no fm o b i l eg i ss e m a n t i c v 华京师范大学2 0 0 6 届l 尊士学位论文 a b s t r a c t s e r v i c e sa n di t se x p r e s s i v em e t h o di nt h ew a yo fc h i n e s e - e n g l i s hs e r v i c e sa n dt h e e x p r e s s i o no f t i m ed i m e n s i o ni ns p a t i a li n f o r m a t i o no n t o l o g y 。a ti a s t ，c o m p a r i s o nt o t h ew a y sf o rg i ss e m a n t i cs e r v i c e sh a sb e e nd o n ei ns e v e r a la s p e c t s ：d i f f e r e n t s e r v i c e so f f e r e db ym o b i l et e r m i n a l s ，d i f f e r e n tw a y sf o rc o m m u n i c a t i o n ，r e a l i z a t i o no f g e o i n f os e r v i c e sa n ds y s t e m a t i ci n t e g r a t i o n t oc o m et oac o n c l u s i o n ，t h i sp a p e r h o l d st h ev i e wt h a tm o b i l eg i ss e r v i c e se m b o d yt h ei n t e g r a t i o no fg e o g r a p h y , l i n g u i s t i c s ，o n t o l o g ya n dc o m p u t e rs c i e n c e i ta l s oa d v a n c e st h ed e v e l o p m e n to f s p e c i a l t yw h e ni to f f e r sg e o i n f os e r v i c e s t h ef i f t hc h a p t e rt a k e ss h a n g h a im o b i l eg t ss e r v i c e sa sa ne x a m p l e ，f i r s t a n a l y z i n gi t sf e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fs h a n g h a ic o n s t r u c tm o b i l eg i ss e r v i c e p l a t f o r m ，a tt h es a m et i m e ，b r i n g i n gf o r w a r dp l a t f o r md e s i g n 、c o l l e c t i v i t yt a r g e t 、 c o n s t r u c tf r a m e 、a n dm a t e r i a la c t u a l i z ep r i n c i p l ea b o u ts h a n g h a is p a c ei n f o r m a t i o n m o b i l eg i ss e r v i c ep l a t f o r m ，c o n s i d e r i n gt h ep l a t f o r ms h o u l dt a k et h ef o l l o w i n g i t e m sa si t sp r i m a r yc o n t e n t s ，w h i c ha r e2 5 g 3 gd a t ac o m m u n i c a t i o na n di n c r e m e n t s e r v i c et e c h n o l o g yr e s e a r c h 、s e r v i c es y s t e mt h a tb a s eo nm u l t i l a n g u a g e 、f o u n do n s e m a n t i ct e c h n o l o g y sa p t i t u d ei n f o r m a t i o ns e a r c ha n ds oo n f i n a l l y , c o m b i n i n gt h e a u t h o ra n dt h ep r o d u c t i o no f s h a n g h a im o b i l eg i s ，a b o u tm o b i l eg i ss e r v i c ef u n c t i o n a n dr e a l i z a t i o nd o e sd e t a i l e da n a l y s i s ，f o re x a m p l e ，r e a l i z i n gi n f o r m a t i o ns e r v i c et h a t o n t o l o g yb a s e do nm i d 、s h a n g h a in a v i g a b l eg e o s p a t i a ld a t a b a s e 、g p r s g p s d y n a m i co r i e n t a t i o na n dc o l n r n a n ds u p e r v i s i o np l a t f o r mi n s e r t ，a n dg i sw a ps e r v i c e a n ds oo n t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h e p a p e r s i n n o v a t i o n a s p e c t s ，e x p e c t s t h e d e v e l o p m e n to fm o b i l eg i sa n dl o o k sf o r e w o r dt h ea p p l i c a t i o no fs p a c ei n f o r m a t i o n s e m a n t i cs e r v i c e i nt h ep a p e r , t h ec o n t r i b u t i o n sa r e ( 1 ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo n t o l o g ya n dt h eg e o g r a p h yo n t o l o g yt oi s o m e r i s m n a v i g a t i o nd a t a b a s ei n t e g r a t i o na n dt h em o b i l es p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c ef i e l d ， c o n s t r u c tan a v i g a t i o nd a t a b a s eo fs h a n g h a ib a s e do no n t o l o g y ，a n da p p l i e dt h i s d a t a b a s ei ns h a n g h a im o b i l eg i ss e r v i c e ，t h er e s e a r c hh a sm a d eab e n e f i c i a l e x p l o r a t i o nf o rt 1 1 eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mw i t ho t h e rc o r r e l a t i o nd i s c i p l i n e f u s i o n ( 2 ) t h ep a p e ra p p l i e dt h eg e o g r a p h yo n t o l o g yt h e o r yi ni s o m e r i s mn a v i g a t i o n d a t a b a s ei n t e g r a t i o n ，e s t a b l i s h e dap e r f e c tn a v i g a t i o n d a t a b a s e ，p r o v i d e st h ed a t a s u p p o r tf o rm o b i l eg i ss e r v i c e sa p p l i c a t i o no fs h a n g h a i t h ec o n c l u s i o nw i l lb ea 华东师范人学2 0 0 6 届博上学位论文a b s t r a ( 了 r e f e r e n c ew h e nb u i l do t h e rs i m i l a rd a t a b a s e ( 3 ) t h ep a p e rg i v e sas o l u t i o no fi s o m e r i s mn a v i g a t i o nd a t a b a s es h a r i n ga n dt h e i n t e m p e m b i l i t y , a n dm a k e si tp o s s i b l ef o rm o b i l eg i st op r o v i d em o r eg e n e r a l g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns e r v i c e p r a c t i c e di nt h ea p p l y i n gk e yt e c h n o l o g yo fs e m a n t i c s p a t i a li n f o r m a t i o n ，b u i l dt h ec h i n e s e e n 【g l i s hs e r v i c e so fs p a t i a li n f o r m a t i o n o n t o l o g yu s em o b i l eg i sg i v ep o w e r f u ls u p p o r tf o rt h es p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c ef o r t h ec i t yo fs h a n g h a i ，w h i c ha sa ni n t e r n a t i o n a l m e t r o p o l i s k e yw o r d s ：o n t o l o g y ；g e o g r a p h i co n t o l o g y ；n a v i g a b l eg e o s p a t i a ld a t a b a s e ； g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；m o b i l eg i s ；s e m a n t i cs e r v i c eo f s p a t i a li n f o r m a t i o n v i i 牛彖师范入学2 0 5 6 霜礴十掌位论史 图表台录 图表目录 图1 1g i s 基本组成1 图1 - 2 地理信息系统组成演化图2 图l _ 3 地理信息服务研究框架3 图1 4 几种典型的拓扑关系5 图】5 地理空间数据在移动g i s 中的作用8 图1 6 早期的移动g i s 构成体系一1 2 图2 1 本体分类层次图一2 2 图2 - 2 现实世界的理解。2 6 图2 - 3 现实世界与地理空间世界的联系一2 7 表2 - 1 本体层次的主要特征( g u a r l n o ) 一一2 图2 - 4 基于本体的地理数据框架2 9 表2 2 地理空间概念分类3 1 图2 - 5 地理本体的概念关系图3 2 表2 - 3 地理本体的面面本体关系3 5 图2 - 6 基于投影和基于圆锥的方向模型3 6 表2 - 4 几种本体表示语言的比较3 8 图2 7 本体概念与数据模型之间的关系4 2 墨3 1 信息本体发展模式囤4 图3 - 2 导航数据库中所包含的信息一4 8 图3 - 3 导航数据库的主要内容及派生数据产品的用途4 8 图3 - 4 各娄地理信息数据库中的内容举