（计算机应用技术专业论文）面向植物群落生长模拟的知识建模研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 面向植物群落生长模拟的知识建模研究 摘要 以计算机为手段对植物群落生长进行建模与仿真，将为探索植物生命的奥秘和植物群 落动态演替的规律带来新的契机。当前，植物生长建模的研究主要集中在图形图像仿真建 模研究上，这些建模方法注重视觉效果的真实性；从知识的角度对植物群落进行建模的研 究相对较少，植物群落的知识建模方法注重植物学和生态学知识的真实性。 本文主要根据植物学和生态学的有关知识，构建基于环境影响的植物个体生长模型、 群落的种内竞争模型和种问竞争模型，并使用本体来表示这些模型，最终实现支持植物群 落生长模拟的知识查询原型系统。 本文主要就以下几个方面展开研究： ( 1 ) 利用植物生物学的相关知识，提取个体植物生长所需要的关键生物学特征以及 这些特征之间的关系，并结合环境因素对植物生长的影响，建立基于环境影响的植物个体 生长的知识模型。 ( 2 ) 利用生态学的相关知识，分析植物与植物之间对空间和资源的竞争作用，以及 这种竞争作用与植物群落结构之间的内在联系，建立植物群落的种内竞争和种间竞争模 型。 ( 3 ) 研究基于环境影响的植物个体生长模型、群落的种内竞争和种间竞争模型的本 体表达。通过分析和归纳模型中的知识，将其表示成植物群落的概念集合、属性集合、实 例集合和植物群落生长的公理集合的形式。通过构造四个集合，完成植物群落生长本体的 描述。 ( 4 ) 本文通过对植物群落生长本体的查询，实现了支持植物群落生长模拟的知识查 询原型系统。 本文的重点，主要是构建面向植物群落生长模拟的知识模型，并采用本体对这些知识 模型进行形式化表示。面向植物群落生长模拟的知识建模研究，为后续的植物群落生长仿 真工作奠定基础。 关键词：植物群落，种内竞争，种间竞争，知识建模，本体 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo f o w l e d g em o d e l i n gf o rp l a n tc o m m u n i 毋 g r o w t hs i m u l a t i o n a b s t r a c t m o d e l i n g 孤l ds i i i l u l a t i r 培f 0 rp l 髓tc o 衄u l l i t ) ，毋o w t l lw i t l lc o m p u t e r 、析ue x p l o r et l l e m y s t e r i e so fp l 趾tl i f e 觚db 面唱a b o u ti l e 、vo p p o n u n i t i e so fp l 卸tc 0 i m m m 时s u c c e s s i o n u pt 0 n o w ，t l l ep l 觚tg r o w t l lm o d e l i i l gm a i n l yf o c u s e d 叩廿l e 伊印h i c a ls 妇u l a t i o nm o d e l i n g ，w h i c h p a y sa t t e n t i o nt 0t l l ev i 鲫ma u _ t h 训c i 何t h es t u d yo fk n o w l e 电em o d e l i i 培f o rp l a n tc o m m 1 i 哆 i s 坨l a t i v e l yl e s s ，w l l i c hp a y sm o 他a t t e i n i o nt 0 也ek 1 1 0 w l e d g em l ：t l l e n t i c i t ) ，o fb o t 锄ya n d c c o l o 黟 t i l i sp 印c rp r e s e n t san o v e la p p r o a c ht 0s i m u l a t en l ei n d i 、，i d 砌p l 锄t 毋o w t l lb 嬲e do n 衄v 讯) m n e n ti n _ f l u e i l c em o d e l ，t 1 1 ep l a n ti i l 廿a - s p e c i e sc o m p e 廿t i o nm o d e la n d l ei n t e r - s p e c i e s c o m p e t i t i o nm o ( 1 e l 孤删i n gt 0t h eb o t a n ya n de c o l o g yk 1 1 0 w l e d g e ，锄dt h e s em o d e l sa r c d e s c r i b e d 、析t l lo n t o l o 黟1 kd e s c r i p t i o ni sf m a l l y 璐c di nn 圮h o w l e d g ei 1 1 q u 岫p r o t o 咖e s y s t 锄f o r 也ep l 锄tc 0 m m u i l i 够目0 w 山s i 玎“a ：t i o i l t h em a i l ls t u d i e so f 也i sp a p e fa r el i s t e d 嬲f o l l o 、s ： ( 1 ) 1 kk e yb i o l o 酉c a lc h a 删商s t i c so nt 1 1 ei 1 1 d i v i d u mp la n ：tg r o 、也锄d 仕屺 代l a t i o n s h i p sb 加e n t l l e s ec h 孤a c t e r i s t i c sa r ce ) 【妇c t e db yu s i i l gr e l a t e db o t a i l y b 1 0 、玑e 趣e a i l dm ei n d i 、，i d u mp l a n tg w 1b 嬲e do ne i r y i r o n 】m e n ti 1 1 l f l u e l l c e m o d e l i sb l l i hc 0 m b i l l e dw i mt l l ea l v 拍衄e n ti 玎婶a c t so np 1 枷粤o w 血 ( 2 ) t t l i sp a p 盯a n a l y z e sm ec o m p e t i t i o nb 炯7 r e e np l 锄t sf o rt 1 1 es p a c ea n dr e s o u r c e s 强dm ei n 衄函i cl i i l l 【b 舰e e n 也ec o m p e t i t i o na n d 也ep l 趾tc o l 姗u 芏l i 锣s t n 】戍u f e b uu s i i 培r e l 砌e c o l o 百c a lk n o w l e d g e ，锄dc o 埘沲1 j c t s 协ep l a n ti l l 仃a - s p e c i e s c o m p 础o nm o d e la l l d 也ei n t e 卜s p e c i e sc o m p e t i t i o nm o d e l ( 3 ) a f t e rr e s e a r c l l i n g 廿1 eo n t o l o g ye x p r e s s i o n 内r 仕屺i i l d i v i d u a lp l a n tg r o w t l lb a s e d o ne i l v i r o n m e n ti n f l u e n c em o e b e l ，t l l ep l a n ti n 廿a - s p e c i e sc o m p 甜t i o nm o d e la n d 。 i i 浙江工业大学硕士学位论文 也ei l l t e r - s p e c i e sc o m p 出t i o nm o d e l ，t b ep a p e ru s e sp l a n tc o m m u n i t i yc o n c 印t s c o l l c c t i o n ，a t t r i b u _ t e sc o l l e 嘶o n ，i i l s t a n c c sc o u e c t i o na n da ) 【i o m sc o l l e c t i o nt 0 d e s c r i b et h e m o d e l s c o m 删i n g 也ef o u rc o l l t i o 璐t 0 聪a l i z et l l ep l a n t c 0 衄u i l i t ) ，目的w mo n t o l o g y ( 4 ) t i l i sp a p e rs u c c e s s 凡l l yi m p l 锄e n t e d 也ek n o w l e d g ei n q l l i r yp 1 0 t o 咖es y s 汜m f 0 rt b ep l a mc 0 衄m _ u i l i t yg r o w t l ls i m l l l a ：t i o nb yq ：d ，i i l gt l l ep l 锄tc 锄u 1 1 i t ) ， 伊i o w m 伽由o l o g y t h i sp a p l e ri sm a i l l l yt ob m l dt h ep l 咖c 0 m m u l l i 锣g r o w t l lk n o 、v l e d g em o d e l s 觚du s e s 坨 o n t o l o g yt 0e x p r e s st h e m 啊1 ek n o w l e d g ei n q 试r y 肿够p es y s t 锄r r 也ep l a n tc 0 啪m u n i 够 g r o w t l ls i i i m l a t i o np r 0 v i d e sf o u n 删o n st 0t h ep l a n tc o m m u i l i 锣舯w ms i l l m l a t i o n 也a t 、) l r i nb e i e s e a r c b e di nm e 蠡l r t l 】r e k e yw o r d s ：p l a n tc 0 删n u n i 戗m s p e c i e sc o n 聊枷。玛i i 她r - 驴c i e sc o m p e t i t i o 玛k 1 1 0 w l e 电e m o d e l i n g ，o n _ t o l o g y 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：列新碚日期：冲扩年，工月_ 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签每夕獬季 导师签彩。筒 日期：妒售年j 1 月1 7 日 日期：矽8 年。1 月j 7 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 植物群落是植物与植物之间，植物与环境之间形成的具有一定相互关系的植物种群的 集合体。一片树林，一片草原都可以看作是一个植物群落。植物群落与人类的生存有着紧 密的联系，它不仅为人类的生产生活提供木材及其他林副产品，还可以改善环境，美化生 活。近几年来，随着计算机图形学和虚拟现实技术的发展，利用计算机对植物群落的生长 进行模拟，能够为植物群落的生长研究提供直观方便的科学研究方法，帮助研究人员更好 地认识植物生长的规律，为景观设计和林业管理提供决策支持。植物群落生长的模拟需要 结合计算图形学、植物学、生态学及系统学各学科的技术和知识，是一个很有意义的新兴 交叉研究课题。 由于植物群落包含各种不同类型的植物，植物与植物之间有着复杂的关系，植物与环 境之间也不时的产生交互，所以植物群落的生长过程非常复杂。本文试图采用知识建模的 方法，对这些复杂的关系、影响进行抽象，将植物学和生态学的相关知识进行融合，以使 建立的知识模型与真实的植物群落相似。作为国家自然科学基金项目互利植物的群落结 构特征模型及可视化研究研究的一项重要内容，本文的研究重点是通过提取植物学中有 关植物个体形态和生态的知识，构建基于环境影响的植物个体生长模型；提取种群学和生 态学中有关植物与植物之间相互竞争的知识，构建植物群落的种内竞争和种间竞争模型； 然后利用本体对知识模型进行描述；最后，实现支持植物群落生长模拟的知识查询原型系 统。本课题主要结合多学科知识在植物群落生长的知识建模方面做了研究，为植物群落生 长的虚拟仿真提供基础。 1 2 论文的研究内容 本文主要研究植物群落的知识建模和知识表示。具体来讲，主要有以下几个方面： 利用植物生物学的相关知识，提取个体植物生长所需要的关键的生物学特征以及这些 浙江工业大学硕士学位论文 特征之间的关系，并结合环境因素对植物生长的影响，建立基于环境影响的植物个体 生长的知识模型。 利用生态学中种群的相关知识，分析同种植物对空间和资源的竞争作用，以及这种竞 争作用对植物个体生长产生的影响，建立植物群落的种内竞争模型。 利用生态学中群落的相关知识，分析不同种植物对空间和资源的竞争作用，以及这种 竞争作用对植物群落演替产生的影响，建立植物群落的种间竞争模型。 研究植物个体生长知识模型和植物群落竞争知识模型的本体表示。本文通过分析这些 模型中的知识，将其归纳为植物群落的概念集合、属性集合、实例集合和植物群落生 长的公理集合。通过构造这四个集合，完成植物群落生长本体的描述。 通过对植物群落生长本体的查询，实现了支持植物群落生长模拟的知识查询原型系统。 1 3 论文的研究意义 植物作为一种生物体，其构造机理、生长过程以及与环境的交互作用相当复杂。利用 计算机对植物群落进行建模，目的是通过构造一个简单但能反映物理世界中真实群落生长 的抽象描述模型，模拟植物的生长过程、群落的动态演替，为揭示植物生长机理，发现植物 生长规律，预测植物群落结构的变化提供有用的工具。对植物群落进行计算机建模一直是 计算机领域近几年来一个热门且极富挑战性的课题【l 】。由于植物群落可视化需要在群体和 个体两个层次上展开，所以建模工作主要包括植物个体建模和植物群落建模两个方面。前 者侧重于研究单株植物组成器官的细节描述，是后者建模的基础；后者侧重于研究植株个 体间的相互影响与作用，以及相当地域范围内生态环境与植被相互作用的功能模拟。目前， 植物建模方法主要分为：形态仿真建模和生态仿真建模。前者注重仿真结果的逼真程度， 主要利用计算机图形学技术，用二维或三维图形形象地显示植物的生长过程，包括几何、光 照、纹理等一些子模型阳一。该建模方法涉及到许多图形绘制参数，用户需要反复调试这 些参数才能得到想要的结果。后者注重植物学和生态学知识的真实性，主要利用传统数学 方法( 数理统计、非线形函数、偏微分方程等) 【5 】和人工智能方法( 知识库、人工神经网 络、模糊系统、遗传算法等) 【6 ，7 】对植物的生长进行建模。该方法由于涉及大量植物学和生 态学上的专业术语和模型，使用户的理解变得困难。这两种建模方法的应用也大不相同， 形态仿真建模由于考虑仿真结果的逼真程度，可以被用于教育、娱乐、计算机辅助设计等 方面【8 】；而生态仿真建模由于结合了植物学和生态学的有关理论，常被用于农林业研究f 9 】。 塑堡三些盔堂堡主堂垡笙窒 由于本文的研究重点是对植物群落生长的规律进行探索，所以采用知识建模方法对植 物群落生长进行建模。为了避免用户直接接触植物学和生态学上的术语和模型，本文将这 些术语和模型进行抽象，建立知识模型，而这些模型对用户透明。通过提供给用户易于理 解的简单参数，然后利用构建的模型对这些简单参数进行运算处理，最终得到植物群落生 长仿真所需要的图形绘制参数，并将结果反馈给用户。植物群落生长的知识模型能够直观 的反映出植物之间的竞争作用，可以预测数年后某一特定环境下的植物群落的结构，为植 物群落的演替提供依据。植物群落生长的知识建模由于结合大量的植物学和生态学中的有 关知识，使得建立的模型更加具有科学性，为植物群落生长仿真奠定基础。 1 4 论文的技术路线和方法 本文采用的技术路线如下： 根据植物学的相关知识，提取植物个体生长过程中与仿真相关的知识，比如植株 高度、胸径、主干枝干侧枝的长度和半径等等；归纳总结这些知识之间的内在联 系；考虑具体的环境因素，比如阳光、水分、温度，把它们对植物生长的影响特 性和它们之间的行为特性进行抽象，将抽象的环境因素影响植物的生长行为，计 算植物不同器官的环境影响系数，体现环境因素对植物生长的影响。 利用生态学的有关知识，把植物之间对空间和资源的竞争作用进行抽象，将抽象 得到的竞争因子影响植物的生长行为，利用该竞争因子修正无竞争条件下植物生 长的高度、胸径等生物参数；分析竞争对植物群落结构的影响，计算竞争条件下 种群的生长情况。 选取本体作为植物群落生长的知识表示方法，利用概念、属性、实例、规则这四 个集合描述植物个体生长模型和植物群落竞争模型，并将这四个集合以o w l 文件 的方式进行存储，为支持植物群落生长模拟的知识查询原型系统提供服务。 本文在w i n d o w s 操作系统上，采用e c l i p s e 作为程序界面开发平台，结合j e n a 工具 包和本体查询语言s p a r q l ，实现支持植物群落生长模拟的知识查询原型系统。首先，将构 建的基于环境影响的植物个体生长模型和植物群落的竞争模型表示成本体，使用o w l 本体 描述语言对其进行形式化描述，并将形式化后的知识以o w l 本体文件进行存储；然后使用 j a v a 语言调用开源的j e n a 包，按照用户输入的有关植物群落生长的初始条件查询本体文 件，j e n a 包主要用来处理有关本体的查询、插入、删除等操作；最后，将查询到的结果以 浙江工业大学硕士学位论文 可视化的形式显示给用户。 1 5 论文的组织结构 本论文将组织结构分为七章，其中第三章、第四章和第五章是本论文的核心。 第一章：绪论。本章主要介绍论文的研究背景，研究内容，研究意义，技术路线和方 法，以及组织结构等。 第二章：植物建模的知识表示方法。主要介绍几种常见的知识表示方法，以及这些方 法在植物建模上的应用，比较这些知识表示方法的优缺点。 第三章：植物群落建模的本体表达方法。介绍植物群落知识建模的特点，确定采用本 体的知识表示方法对植物群落生长知识进行描述。提出针对植物群落建模的本体表示方 法。该方法通过构造植物群落的概念集、属性集、实例集和植物群落生长的公理集对植物 群落知识模型进行本体表示。 第四章：植物个体生长模型的建立及表达。主要构建了植物学知识模型和环境影响知 识模型，并使用植物群落建模的本体表示方法将两个模型进行描述。 第五章：植物群落生长模型的建立及表达。主要构建了群落的种内竞争模型、种群生 长模型和群落的种间竞争模型，并使用植物群落建模的本体表示方法将三个模型进行描 述。 第六章：植物群落知识查询原型系统的实现。主要介绍面向植物群落生长模拟的知识 查询系统的开发环境，系统结构，系统中各个模块的功能、系统结构图和各模块流程图。 第七章：结论与展望。归纳总结全文的主要研究成果和论文的创新点，并对进一步的 工作重点，研究方向以及该领域的发展趋势做了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章植物建模的知识表示方法 2 1植物建模的知识表示方法 从一般意义上讲，所谓知识表示是为描述世界所作的一组约定，是知识的符号化、形式 化或模型化。从计算机科学的角度来看，知识表示是研究计算机表示知识的可行性、有效 性的一般方法，是把人类知识表示成机器能处理的数据结构和系统控制结构的策略。知识 表示的研究既要考虑知识的表示与存储，又要考虑知识的使用。植物建模的知识表示是将 植物生长的知识进行抽象，按照某种知识表示方法对知识进行形式化描述，使之成为计算 机所能处理的数据结构。下面介绍几种常见的植物建模的知识表示方法。 2 1 1 产生式系统表示法 产生式系统( p r o d u c t i o ns y s t e m ) 是常用的知识表示方式之一。它是依据人类大脑记 忆模式中的各种知识之间的大量存在的因果关系，并以“i f - t h e n 的形式，即产生式规则 表示出来的i l o 】。在产生式系统中，知识分为两部分：用事实表示静态知识，如事物、事件 和它们之间的关系；用产生式规则表示推理过程和行为。 产生式系统由3 个部分组成，即总数据库( 或全局数据库) 、产生式规则和控制策略【1 1 j 。 各部分间的关系如图2 1 所示。产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取某 些操作形式表示的语句。产生式的i f ( 如果) 被称为条件、前项或产生式的左边。说明应 用这条规则必须满足的条件；t h e n ( 那么) 部分被称为操作、结果、后项或产生式的右边。 在产生式系统的执行过程中，如果某条规则的条件满足了，那么，这条规则就可以被应用。 产生式规则的两边可用谓词逻辑、符号和语言的形式，或用很复杂的过程语句来表示。总 数据库是产生式规则的中心，产生式规则的左边表示在启用某一个规则之前总数据库内必 须准备好的条件，执行产生式规则的操作会引起总数据库的变化。控制策略的作用是说明 下一步应该选用什么规则，也就是如何应用规则。通常从选择规则到执行操作有匹配、冲 突解决和操作三个步骤。 浙江工业人学硕十学位论文 图2 1产生式系统的主要组成 产生式系统在植物建模领域的应用主要是l 系统。1 9 6 8 年，匈牙利生物学家a r i s t i d l i n d e n l n a y e r 介绍了使用形式化语言模拟多细胞组织的生长过程，这就是随后被称为l 系 统( l s y s t e m ) 的雏形【1 2 1 。l 系统以自动机理论为基础，用字符串序列来表示细胞的状态， 通过符号序列的变化来描述人工生命的形态生成过程。从本质上讲，l 系统是一个产生式 系统，通过对植物对象生长过程的经验进行概括和抽象，创建产生式规则，根据初始状态 对描述规则进行有限次迭代，生成字符串序列来表现植物的拓扑结构。对产生的字符串进 行几何解释，就能生成非常复杂的分形图形。 加拿大c a l g a r y 大学的p r u s i n k i e w i c z 教授利用l 系统对植物虚拟仿真领域做出了杰 出的贡献【1 3 1 。他不仅对l 系统模拟植物做了深入研究，还在研究过程中对l 系统理论进行 了扩充，并针对植物虚拟仿真的特点，开发出l + c 建模语言( l + cm o d e l i n g1 a n g u a g e ) 。 以p r u s i n k i e w i c z 教授为首的工作小组，还在s g i 工作站上开发了基于u n i x 系统的虚拟 植物实验室v i r t u a ll a b o r a t o r y ( v 1 a b ) 和植物分形产生器c p f g ( p l a n ta n df r a c t a l g e n e r a t o rw i t hc o n t i n u o u sp a r 锄e t e r s ) ，以及基于w i n d 俩s 的l s t u d i o 系统。该系统 通过编译植物对应的l 文法，使用l + c 建模语割1 4 1 ，实现对不同类型植物的模拟，并且能 够用简单动画的形式表现出植物生长的过程。 浙江上业大学硕 学位论文 幽23x f r o g 模拟的枫树 叶1 同农业大学运用l 系统方法，建立了不同上壤水分条件f 小麦根系生长发育三维可 视化模型州；j j 北方工业大学c a d 中心合作，实现了理想条件下冬小麦苗期生k 的三维动 闽模拟。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 框架表示法 1 9 7 5 年，由m i n s k y 提出了框架理论，并把它作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂 行为的基础。框架表示法便是在框架理论基础上发展起来的一种结构化的知识表示方法， 现已在多种系统中得到广泛应用。框架是一种描述所论述对象属性的数据结构，在框架理 论中将其视作知识表示的一个基本单位。一个框架由若干个槽组成，每一个槽又可根据实 际情况划分为若干个侧面。一个槽用于描述所论对象某一方面的属性，一个侧面用于描述 相应属性的一个方面。槽和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧面值，槽值和侧面值可 以是另一个框架的名称【1 0 】。 在用框架表示的知识系统中，问题求解主要是通过匹配与填槽实现的。当要求解某个 问题时，首先把这个问题用一个框架表示出来，然后通过与知识库中已有的框架进行匹配， 找出一个或几个可匹配的预选框架作为初步假设，并在此初步假设的引导下收集进一步的 信息，最后用某种评价方法对预选框架进行评价，以便决定是否接受它。 框架与产生式系统相结合的知识表示方法已经成功运用到农业专家系统中，主要用来 模拟小麦、水稻、棉花等农作物的生长以及栽培管理。河南农业大学的席磊提出使用“描 述框架 定义问题域涉及的因素，使用“规则组”描述问题域内求解的问题。基于这种知 识表示技术，设计实现了农业专家系统开发工具的知识管理子系统，并给出知识管理子系 统中因素分类、知识检测、知识求精和知识发现等构件的实现方法【l 一。 2 1 3 面向对象表示法 面向对象的方法是一种比较新的方法学和世界观，他能很自然地反映和描述客观世界 本来的面目面向对象知识表示模式具有很强的表示能力，可以表示诸如各种复杂的机器、 一个企业乃至社会等非常复杂的客观事物。 用面向对象的类或对象表示知识的方法，都可以称为面向对象的知识表示 ( o 场e c t o d e n t c d & 1 0 w l e d g er 印r e s e n t a r t i o n ，简称o o u 面向对象的知识表示是以对象为中 心组织知识库系统结构，对象( o 巧e c t ) 是面向对象知识表示方法的主体，是知识库的基本单 元。一个对象应包括问题的描述框架、知识和基于知识的处理能力。简而言之： 对象= 问题描述框架+ 知识+ 知识处理方法 面向对象方法中另一重要概念是对象类( 叫e c tc l a s s ) 。将具有相同结构、操作、并遵 守相同约束规则的对象聚集成一组，这组对象的抽象就称为对象类。对象类中的一个具体 r 浙江t 业大学硕士学位论文 对象成为对象实例。每个对象类都定义了一组所谓的“方法 ，它们实际上可视为允许作 用于该类对象上的各种操作。对象类实现了数据与操作的封装【l 硼。面向对象的知识表示方 法的主要特征为模块性、继承性、封装性、多态性和易维护性。 面向对象的知识表示方法在农业专家系统中也有应用。云南农业大学的彭琳通过将面 向对象和产生式相结合的知识表示方法，以甜玉米病虫害诊断专家系统的知识表示为例， 详细介绍了面向对象知识表示的专家系统的具体实现方法【1 9 1 。 2 1 4 本体表示法 本体的概念最初起源于哲学领域，在哲学中把本体定义为“对世界上客观存在物的系 统的描述，即存在论 【2 0 】。近十几年来，本体的相关研究日益成熟，也远远超过了哲学领 域的范畴，与信息技术、知识工程及人工智能都有着密切关系。在本体的众多定义中，最 著名并被引用得最为广泛的是在1 9 9 3 年由g r u b e r 提出的，他采用概念化的形式定义 结构，把本体解释成“共享概念化的明确的形式化规范刀，其中d 是领域，r 是d 中相关的关 系集合，因此该定义能够很好的表现出本体的本质特性【2 l 】。 本体论是通过交互各方( 人或程序) 对特定领域内共用的词汇、术语以及其上的分类建 立一致的认可和理解的基础上，进行知识的共享和重用的思想【2 0 】。运用本体论可以： ( 1 ) 本体可以在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射，以 实现不同系统之间的互操作和继承。 ( 2 ) 从功能上来讲，本体和数据库有些相似。但是本体比数据库表达的知识丰富得 多。首先，定义本体的语言，在词法和语义上都比数据库所能表示的信息丰富得多；其次， 本体提供的是一个领域严谨丰富的理论，而不单单是一个存放数据的结构；最后，数据库 仅是定义了某个特定领域的数据信息，不能共享和复用，而本体是自然描述某个领域的概 念、概念的属性及其概念之间的诶关系，因此可以方便的共享和复用。 ( 3 ) 本体是领域内重要实体、属性、过程及其相互关系形式化描述的基础。这种形 式化的描述可成为软件系统中可重用和共享的组件。 ( 4 ) 本体可以为知识库的构建提供一个基本的结构。以描述对象的类型而言：有简 单事实及抽象概念，这些可以描述成一个本体的静态实体部分，它们主要描述的是事物或 概念的各个组成部分以及这些组成部分之间的静态联系；本体也可以描述事物或概念的运 动和变化。应用本体，知识库就可以运用这类结构去表达现实世界中浩如烟海的知识和常 堑兰三些盔堂堡主堂垡笙窒 识。 ( 5 ) 对于知识管理系统来说，本体就是一个正式的词汇表i 本体可以将对象知识的 概念和相互间的关系进行较为精确的定义。在这样一系列概念的支持下进行知识搜索、知 识积累、知识共享的效率将大大提高，真正意义上的知识重用和知识共享也能成为现实。 ( 6 ) 本体适合表示抽象的描述。而企业模型是人们对企业或者企业的某些模型的抽 象描述，因此在企业逻辑建模中，本体的使用可以帮助我们清楚地理解企业特定领域的相 关元素、关系和概念，让知识表达更加准确便捷，帮助人们进行更好的企业决策。 目前，本体技术在很多领域得到应用。国内比较有影响的是中科院数学所陆汝钤研究 员领导的常识知识的实用性研究瞄 2 3 】，常识知识的实用性研究的主要目的是建立一个大规 模的常识知识库p a n g u ，并探讨利用常识知识来解决一些实际问题( 如，机器翻译和自然 语言理解等) 。由中科院计算技术研究所曹存根研究员主持的大规模知识系统( n k i ) 的 研究也有深远的意义【2 4 2 5 ，2 6 期。n k i 是一个庞大的、可共享的知识群体，为科研、教学、科 普和知识服务提供有效的基础。另外，浙江大学人工智能研究所开发出了一些基于领域本 体的医疗信息管理系统【2 8 ，2 9 】。 本体在植物知识建模领域的应用还处于初级阶段。由u s d ac r e e s 和u s d aa r s 支持的p o c ( p 1 a n to n t o l o g yc o n s o r t i u m ) 项目主要从植物结构和植物的生长与发育阶段两个方面 完成了对植物本体库的构建f 3 0 3 1 3 2 】。p o c 所构建的植物本体概念清楚，关系明朗，有助于用 户对植物知识进行查询，但是将p o c 所构建的植物本体直接应用于植物仿真领域还存在着 问题，比如p o c 构建的本体库所提供的植物概念和属性很难直接作为植物的仿真参数。 2 2 知识表示方法的比较和分析 ( 1 ) 产生式系统 产生式系统的优点在于：知识表达自然、易于解释和模块化；可以表示不精确、不完 全的知识；产生式都由条件与操作两部分组成，格式统一，易于设计、控制和知识的一致 性、完整性检测。 主要的缺点有：需要通过与领域专家的交互来提取相应知识，所以知识的获取成为了 系统的瓶颈；当缺少一个或数个条件时，无法得出相应的合理结论；规则库一般都比较庞 大，推理的效率不高，求解复杂问题时容易引起“组合爆炸 ；不能表示具有结构性的知 识。 基于产生式系统的l 系统，在植物建模领域就出现了模型获得比较困难的问题。植物 浙江工业大学硕士学位论文 的形态千变万化，十分复杂，描述一棵简单植物都需要若干条产生式，所以描述复杂的植 物时需要用到许多产生式，而且难以理解。 ( 2 ) 框架表示法 框架表示法的优点在于：它是一种经过组织的结构化知识表示方法，适合于表示类型 的概念、事件和行为；框架中的附加过程使得描述性知识和过程性知识紧密地融合在一起， 有机地形成一个一体化系统；框架之间可以形成层次的或更复杂的关系，组成一种框架网 络，代表整块的知识结构，可以来用表示复杂的知识内容。 其缺点有：框架结构本身还没有形成完整的理论体系，框架、槽和侧面等各知识表示 单位缺乏清晰的语义；继承在框架系统中起了极其重要的作用，但多重继承有可能产生多 义性，如何解决继承过程中概念属性的歧义，目前还没有一种统一的方法；基于框架理论 的通用知识语言己经开发出若干种，它们与产生式系统比较，其通用性更高。但是建立知 识库的负担也随之增加，对于给定的问题，要用框架系统来形式化领域知识比较困难。 ( 3 ) 面向对象表示法 面向对象表示法具有以下优点： “继承 带来了天然的层次性和结构性。对象能封装复杂的行为，使具体细节对该 层知识使用保持透明，从而降低问题描述和计算推理的复杂度；通过继承可以减少 知识表达上的冗余，知识库的修改、增加、删减以及使用和维护都十分方便；对一 个知识单元进行修改不会影响其它单元。 对象本身的定义产生了良好的兼容性和灵活性，它可以是数据，也可以是方法；可 以是事实，也可以是过程；可以是一个框架，也可以是一个语义子网络。 用几何语言来描述的话，面向对象的抽象机制实际上是将对象看成了客观世界及 其映射系统的分形元，因而事物都可以由这些分形元堆垒而成。分形的特征首先是 不断的细分，这和知识结构的不断扩展是一致的。其次是“比例自相似性”，使得 我们有可能“从简单的原则衍生出复杂的系统”。 ( 4 ) 本体表示法 本体的目标是捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共 同认可的词汇，并从不同的形式化模式上提供给这些词汇和词汇之间相互关系的明确定 义。这正是前面三种方法所缺乏的清晰语义的描述。利用本体来描述知识，既可以定义标 准的术语和约束，也可以清晰的表示知识之间的关联。而且本体映射机制也解决了异构性 的问题，对系统的扩展有很大帮助。正是由于这些优点，目前，本体的研究成为知识建模 ( 知识工程) 研究的潮流。 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要介绍了常见的几种知识表示方法，并介绍了这些知识表示方法在植物建模领 域的应用。通过对植物建模的知识表示方法进行分析和比较，为下文确定植物群落建模的 知识表示方法奠定了基础。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章植物群落建模的本体表达方法 3 1植物群落知识建模概述 3 1 1 植物群落概况 为了实现在计算机上对植物群落的生长进行模拟，建立具有科学依据的植物群落知识 模型是极为重要的，也是必须的。 首先，植物群落中的植物个体模型应该符合植物学方面知识。因为植物群落与景观设 计不同，在保证植物具有一定真实感的基础上，还应该能够表达出植物在植物学方面的特 性，例如植物在若干年后胸径、树高、冠幅等的变化。从植物群落的特性出发，还应该反 映出一段时期植物群落内部的变化，例如植物的死亡、密度变化等。 其次，植物群落中的植物模型也应该能够和环境交互。以往的植物建模一般都是静态 的，而植物群落生长是一个动态的过程，植物不仅随着时间的变化而生长发育，而且还应 体现出周边环境对植物生长的影响，根据植物生长地点的不同环境，对植物生长进行修正。 再次，植物群落中植物之间的种内竞争和种问竞争应该符合生态学方面的知识。植物 群落中包含多种植物类型，乔木、灌木、地衣等等，他们各自生长的同时也会对其他植物 产生影响，这种影响体现在对同种资源的竞争上。竞争的结果将会使得群落结构发生变化。 3 1 2 植物群落知识建模的特点 正如上节所述，由于植物群落构成的复杂性，植物群落知识建模研究将是一项具有挑 战性的工作。分析植物在共享生长空间和资源时表现出的相互作用，植物群落的知识建模 将有以下特点： ( 1 ) 真实性 植物群落知识建模的基本要求之一，就是实现的效果必须和自然中的真实植物群落保 持应有的相似度。模型的细节程度越高，其相似度也必然越高。所以，知识建模方法必须 能够表现出植物群落的一定的细节程度，不能够用简单的几条知识表示植物群落复杂的生 长过程。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 科学性 植物群落将来主要面向植物群落演替、发展等领域。这就要求植物群落的知识必须具 备一定的科学性，这样仿真出来的植物群落才有逼真的可能。同时，植物群落的动态生长 过程也受到自然法则的约束。所以，知识建模方法必须融入植物学和生态学的相关知识， 在保证真实性的基础上，体现出科学性。 ( 3 ) 开放性 植物群落的知识建模方法必须是开放的，而不是封闭的，为后期添加更多的知识和功 能提供基础。 3 2 植物群落知识表示方法的确定 通过上一章中对植物建模的知识表示方法进行分析与比较，结合植物群落知识建模的 特点，本文确定采用基于本体的知识表示方法对植物群落知识进行形式化描述。 3 3 植物群落建模的本体表示方法 由于植物群落的概念众多，植物与环境的关联密切，植物之间的交互复杂多变，所以 采用本体描述植物群落生长的模型，能够清晰的表达各种概念，建立概念之间的关联，使 得植物群落的仿真更具科学性。 针对不同的应用环境和任务，建立知识本体的方法也各不相同。植物群落生长本体的 建立也必须在深入理解植物学和生态学领域知识的基础上进行。 传统植物学领域包括大量的术语，它们是建立植物群落本体的基础，在工程之初，作 为本体知识的来源，这些词汇表可以看作最初、最原始的也是用户最易理解的概念。但这 些词汇表中概念之间的关联关系极度缺乏，几乎不存在其它的语义关联，而且这些词汇并 不能直接用于仿真，因此必须对概念知识间关联关系进行反复的研究和提炼，使之可以提 供群落仿真时所需要的知识。通过在开发过程中不断摸索，以寻求“最佳”的知识分类。 因此，只有不断重复评价一重建一再评价的过程才能保证得到一个能被植物群落生长仿真 所认可的本体表达，本体的构造模型如图3 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 1 本体构造模型 本文将植物群落建模的本体表示做如下形式化定义【2 0 】：p o ： p c ，p a 6 ，p i ，p x ) ，其中， p 0 ( p l a n to n t o l o g y ) 表示植物本体，p c 表示植物相关知识的概念集合，p a c 表示在概念 集合p c 上的属性集合，p i 表示植物个体和植物群落的实例集合，p x 表示植物生长的公理 集合。下面对这四个集合的构造过程分别进行阐述。 3 3 1概念集 本文将植物群落概念集合划分为4 个子集合，分别是植物概念集合、种群概念集合、 群落概念集合以及环境概念集合。每个概念集合又由若干子概念集合构成。植物概念集合 由植物生态特性集合和植物形态特性集合构成；种群概念集合由种内竞争集合和种群整体 特性集合构成；群落概念集合由种间竞争集合和群落整体特性集合构成；环境概念集合由 阳光集合、水分集合、土壤集合、温度集合和季节集合构成。通过将概念集合不断的细分， 就可以将植物群落的知识进行分类。本文将这些概念集合表示成类，将子概念集合表示为 子类。那么，整个植物群落本体中类的层次结构图如图3 2 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 图3 2 植物群落本体中类的层次结构图 生态特性类：植物对环境的需求称为该植物的生态特性，生态特性类主要描述不同种 类的植物对环境的不同要求。例如，马尾松的生态特性是喜光、喜温，适生于年均温 1 3 2 2 ，年降水量8 0 0 一1 8 0 0 m m 的环境条件。 形态特性类：植物的外观表现。不同的植物形态各不相同，主要体现在拓扑结构 和几何结构两个方面。 种内竞争类：同种植物对空间和资源的竞争。该类对应种内竞争模型，主要有影响圈 面积和个体间的距离等属性，通过属性的设置，结合模型中的规则就能体现出种内竞争的 过程。 种群整体特性类：主要描述整个种群所体现出来的特性，例如，出生率、死亡率、密 度等。 种间竞争类：种群和种群之间对空间和资源的竞争，该类主要对应第三章中种间竞争 模型。 、 浙江工业大学硕士学位论文 群落整体特性类：主要描述群落演替过程中所表现出来的特性，例如，优势种，多样 性，盖度等。 定义类只是为植物群落知识的表达提供一个架构，但为了能从各个方面描述类的细节 特性，接下来还需要构建类的属性集合。 3 3 2 属性集 属性主要用来描述类的特性。仅仅依靠类不能提供足够的信息来描述事物的细节特 征，结合属性的定义才能使知识进一步细化。因此在定义类及其层次后，就应该描述概念 的内部结构，即类的属性。子类可以继承或覆盖父类的属性，也可以有自己特有的属性。 属性可以分为数值属性和对象属性两种。数值属性用来描述类的某个特征值，通过定义数 值属性对知识进行进一步的细化，本文用p a _ p c ，d ) 进行形式化描述，其中，p c 代表属 性p a 所属的类，d 表示属性p a 的具体数值。例如，颜色= 叶子，绿色) ，表示叶子的颜色 为绿色；对象属性用来描述特定类与特定类之间的某种关系，将植物群落的概念进行规范 关联，可以使植物群落知识系统化与层次化，形成一个网状的信息表示结构。本文用 p a = p c ，p c ) 进行形式化描述，其中，p c 表示属性p a 的定义域，p c 表示属性p a 的值域， 例如，i s p a r t o f = 叶子，几何结构) ，表示叶子是几何结构的一部分。 本文利用属