（环境工程专业论文）基于面向对象遥感技术的地理本体推理研究.pdf

中文摘要 随着当前地理空间信息应用的扩展与深入，不断激增的空间信息资源导致了严重的分 布异构问题，实现空间信息资源在语义层面上的识别和组织显然是一个必然的研究趋势。 不同领域在空间数据预处理过程中，由于观察背景和视角不同，对同一地理实体往往存在 不同的命名方法，描述地理本体概念的特征属性集也存在很大的差异，无法顺利通过信息 科学中的基于概念属性推理理论进行语义互操作。为此本文提出了一种基于面向对象遥感 影像分析技术的地理本体推理机制，力图找到面向对象遥感技术和地理本体推理之间的结 合点，解决地理信息的语义集成问题。 本文首先应用面向对象遥感中的多尺度分割技术建立了影像层次等级网络体系，然后 采用相关最优分割尺度选择模型实现领域本体系统到影像层的映射，并通过研究能表达一 定语义信息的常用影像特征模型提出了一种基于多尺度分割技术，结合光谱均值、比值、 归一化植被指数等影像特征模型的尺度转换机制，根据这种尺度转换方法建立了不同影像 层问的语义特征联系。同时通过分析不同领域部门地类概念对应影像对象的特征属性建立 了基于影像特征属性的地理本体推理规则，最终基于提取的规则建立了一个推理查询试验 系统，验证了该理论方法的可行性。 本文主要进行了以下几方面创新性的研究工作： ( 1 ) 提出将面向对象遥感技术应用于地理本体推理研究中，为地理本体语义集成提供 了一种全新的思路。面向对象遥感技术作为当前遥感领域研究的热点和全新方向，以对象 作为影像处理的基本单元，能有效利用地物本身的形状、纹理、拓扑、上下文 ( 2 ) 提出利用典型影像特征结合多尺度分割技术的全新尺度转换机制，并对其进行了 验证分析。 ( 3 ) 探索了建立基于影像特征的地理本体推理规则的方法和思路。本文以农林领域的 林地和草地本体为例，从同一幅原始遥感影像的两个影像对象层分别解译提取了农林本体 的概念集，归纳分析了适合每个本体概念信息提取的影像特征集及其特征值域，并在此基 础上提取出了适合两个部门概念间进行语义推理的标准特征属性集，确定了农林部门概念 问的语义联系，建立了一个基于影像特征规则推理的地理本体查询试验系统，验证了利用 基于影像特征属性的推理规则实现语义集成的有效性。 由于时间的局限，要建立适合所有领域本体概念语义推理的规则还需要大量的实验与 进一步的研究。 关键词：地理本体，推理规则，面向对象遥感技术，面向对象尺度转换机制，影像特征 a b s t r a c t w i t ht h ea b r o a da n dd e e pa p p l i c a t i o no f g e o g r a p h i c a ls p a t i a li n f o r m a t i o n ，t h es h a r pi n c r e a s e s p a t i a li n f o r m a t i o nr e s o u r c e sr e s u l ti nh e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o ns e r i o u s l y o b v i o u s l y , i ti sa c e r t a i nr e s e a r c ht r e n dt or e a l i z es p a t i a li n f o r m a t i o nr e s o u r c e s i d e n t i f i c a t i o na n do r g a n i z a t i o n b a s e do nt h es e m a n t i cl e v e l i nt h ep r e p r o c e s s i n gc o u r s eo f s p a t i a ld a t a ，d i f f e r e n td e p a r t m e n t s a l w a y sh a v ed i v e r s en a m i n gm e t h o d sw h e nd e s c r i b i n gt h es a m eg e o g r a p h i c a le n t i t y , d u et o d i f f e r e n tb a c k g r o u n d sa n dv i e w so fa n g l e t h e r ei sa l s og r e a td i f f e r e n c ea m o n gt h ef e a t u r es e t s w h i c ha r eu s e dt od e s c r i b ec o n c e p t so fg e o o n t o l o g y , m a k i n gi td i f f i c u l tt oc o n d u c ts e m a n t i c i n t e r o p e r a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo fc o n c e p t sr e a s o n i n gi nt h ei n f o r m a t i o ns c i e n c e c o n s e q u e n t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sar e a s o n i n gm e t h o do fg e o o n t o l o g yb a s e do no b j e c t - o r i e n t e d r e m o t es e n s i n gi m a g ea n a l y s i si no r d e rt of i n dt h ec o m b i n a t i o np o i n to fb o t ho b j e c t o r i e n t e d r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g ya n d g e o o n t o l o g yr e a s o n i n gm e c h a n i s ma n dt os o l v et h es e m a n t i c i n t e g r a t i o np r o b l e mo fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em u l t i s c a l es e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fo b j e c t o r i e n t e dr e m o t es e n s i n gi s u s e dt oe s t a b l i s ha ni m a g eh i e r a r c h i c a ln e t w o r ks y s t e m f i r s t l y t h e ns o m er e l a t e do p t i m a l s e g m e n t a t i o ns c a l es e l e c t i o nm o d e l sa r es t u d i e dt of i n dt h eo p t i m a li m a g eo b je c tl a y e r sf o rt h e i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no fd i f f e r e n td e p a r t m e n t sa sw e l la sr e a l i z i n gt h em a p p i n gf r o md o m a i n g e o g r a p h i co n t o l o g ys y s t e m st ot h eo p t i m a li m a g eo b je c t l a y e r s t h i r d l y , a ni m p r o v e d o b j e c t o r i e n t e ds c a l et r a n s f o r m a t i o nm o d e li sp r o p o s e db yc o m b i n i n gm u l t i s c a l es e g m e n t a t i o n t e c h n o l o g ya n ds i m p l ei m a g ef e a t u r em o d e l si n c l u d i n gs p e c t r a lm e a nv a l u em o d e l ，s p e c t r a lr a t i o m o d e l ，n d v ii n d e xm o d ea n ds oo n b yu s i n gt h en e w l ye s t a b l i s h e dm o d e l ，t h es e m a n t i cf e a t u r e c o n n e c t i o no fd i f f e r e n ti m a g el a y e r sc a nb eb u i l tu p a tt h es a m et i m et h r o u g ha n a l y z i n gt h e f e a t u r ep r o p e r t i e so fi m a g eo b j e c t sw h i c hc o r r e s p o n dt ot h eg e o g r a p h i co n t o l o g i e s c o n c e p t so f d i v e r s ed e p a r t m e n t s ，as e to fg e o g r a p h i co n t o l o g yr e a s o n i n gf o r m u l ai sc r e a t e d e v e n t u a l l y , a r e a s o n i n ga n dq u e r y i n gt e s ts y s t e mi ss e tu pt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ea d v a n c e dt h e o r ya n d m e t h o d c o n c r e t e l y , t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h ef o l l o w i n gi n n o v a t i v er e s e a r c h e s ： ( 1 ) o b j e c t o r i e n t e dr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e dt or e s e a r c ht h er e a s o n i n go f g e o g r a p h i co n t o l o g yi nt h i sp a p e r , s oa st oa f f o r dac r e a t i v et h i n k i n gm e t h o d a st h er e s e a r c h h o t s p o to ft h ec u r r e n tr e m o t es e n s i n gd o m a i n ，o b je c t o r i e n t e dr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yt a k e s o b j e c ta st h eb a s i cc e l lo fi m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c hc a nm a k ef u l lu s eo ft h eg r o u n do b j e c t s s e m a n t i ci n f o r m a t i o ns u c ha s s h a p ef e a t u r e ，t e x t u r ef e a t u r e ，t o p o l o g yf e a t u r e ，c o n t e x t i n f o r m a t i o n ，s c a l ec o r r e l a t i o nf e a t u r ea n ds oo n i i ( 2 ) a ni m p r o v e ds c a l et r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m i sp u tf o r w a r db yc o m b i n i n gt h e m u l t i s c a l es e 舀n e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec l a s s i ci m a g ef e a t u r em o d e l s a n dt h em e c h a n i s m i sv a l i d a t e da n da n a l y z e db yd e t a i l e de x p e r i m e n t s 一 ( 3 ) t h em e t h o da n di d e ao fe s t a b l i s h i n gas e to fg e o o n t o l o g yr e a s o n i n gf o r m u l a b a s e do n i m a g ef e a t u r e si sr e s e a r c h e d t h i sp a p e rt a k e sa g r i c u l t u r a ls e c t o ra n df o r e s t r yd e p a r t m e n t f o r e x a m p l e f i r s t l y , t w o d o m a i ng e o g r a p h i co n t o l o g ys y s t e m so ft h e t 、o d 印a r t m e n t s a r e e s t a b l i s h e d s e c o n d l y t h ec o n c e p ts e t sa r eo b t a i n e df r o mt h eo p t i m a li m a g eo b j e c tl e v e l so f t h e t w os e c t o r s t h i r d l y , t h es h a r e df e a t u r es e tt h a tc a nr e a l i z et h es e m a n t i cr e a s o m n gb e 似e e n c o n c e p t so fd i f f e r e n td e p a r t m e n t si s a c h i e v e d a n df i n a l l yt h e s e m a n t i cr e l a t i o nb e t w e e n a g r i c u l t u r a ls e c t o ra n df o r e s t r yd e p a r t m e n ti s c o n f i r m e da n dar e a s o n i n ga n dq u e r 3 n n gt e s t s v s t e mi sb u i l tu pw h i c ha p p r o v e st h ev a l i d i t yt or e a l i z es e m a n t i ci n t e g r a t i o no ft h er e a s o n l n g f o r m u l ab a s e do nt h ei m a g ef e a t u r ep r o p e r t i e s i i lv i r t u eo fm el i m i t e dt i m e ，m o r ee x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e sn e e dt om a k ei no r d e rt o e s t a b l i s ht h eo p t i m a lr e a s o n i n gf o r m u l ai np u r p o s eo fr e a l i z i n gt h es e m a n t i ci n t e g r a t i o no fa l l d o m a i no n t o l o g yc o n c e p t s k e yw o r d s ：g e o g r a p h i co n t o l o g y , r e a s o n i n gf o r m u l a , o b j e c t o r i e n t e dr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , o b j e c t o r i e n t e ds c a l et r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，i m a g ef e a t u r e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是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或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他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何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盘豳聋 日期： 丝芝：! 兰竺签名：! 复塑肇 日期： 丝芝：! 兰! ! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，b p 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 乌面车导师( 签 眇口p 。 武汉理r 大学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 随着全球经济的迅猛发展以及城市化进程的加快，空间信息尤其是地理空间信息的应 用不断扩展和深入，其覆盖地域、涉及领域亦不断扩大，进而导致了分布异构空间信息资 。源的不断丰富与更新，加剧了空间信息资源之间及其内部关联关系动态演化的趋势。而遥 感、g p s 等多种空间信息获取、处理技术的不断发展与更新，使得相应的空间信息资源特 征信息( 即空间信息元数据) 也不断地扩充和变化，加大了空间信息组织和管理的难度， 因而必须实现空间信息资源在语义层面上的识别和组织；同时，空间信息资源的成长性和 自治性要求语义模型只能保持动态稳定。全球信息共享进程的快速发展，使得建立开放分 布的跨地区、跨行业的网络化空间信息系统，实现用户透明使用网络上所有空间信息资源 已经成为空间信息科学发展的必然趋势，特别是对空间信息系统而言，仅仅把它们无缝地 连接起来是远远不够的。因此，在开放、动态变化的网络环境中，寻找一个可行途径，建 立相对稳定的空间信息语义描述，是对空间信息进行有效组织和管理所必须应对的挑战。 目前，用地理本体描述空间信息语义是一种主要的研究方法。本体作为共享概念模型 的明确的形式化规范说明，可以充分且准确地表达空间信息的丰富语义内涵。但是，空间 信息的管理涉及诸多部门和产业，如电子政务、城市建设、交通运输、水利、农林业、航 空、航海、公安、旅游、矿山、石油等领域。不同领域在空间数据预处理过程中，一般会 根据自身行业领域的标准、需求对原始数据进行裁剪、归纳和抽象，导致不同行业领域对 同义地理实体不仅存在不同的命名方法，而且描述地理实体概念的特征属性集也存在很大 差异，往往没有足够的交集，无法顺利通过信息科学中的基于概念推理理论进行语义互操 作，即无法解决语义异构的问题。 由此可见，为了消除语义差异，有必要建立一个最大限度描述空间对象本征特性的通 用本体系统，这个系统要尽量避免特定领域的背景和视角，其概念和属性的提取除了源于 领域规范、准则等文件，还需要从原始遥感影像中提取一些共有特征，通过这些共有特征 的判别分析，建立概念间的推理规则，实现不同领域本体间的语义互操作。另外，在对原 始遥感影像进行预处理时，由于自然、经济条件的限制，获取某一区域同一时间尺度，不 同空间尺度的数据，建立数据间的关联仍是很困难的，而遥感处理分析技术中光谱、纹理、 形状等共有特征的定义，尺度转换机制的引进以及分形和多层粗糙集理论的f 1 渐成熟则为 解决该问题提供了很好的理论和实践基础。为此，本文提出了一种基于面向对象的遥感影 像分析技术的地理本体推理思想，通过借助面向对象多尺度分割技术以及影像对象的图像 特征属性建立处于不同尺度层次的领域本体概念特征集间的关联，从而实现分布异构领域 武汉理一】：人学硕十学位论文 本体系统间的语义互联，最大限度地提取出所检索的地理要素，最终实现信息的完整集成 反馈和通用本体系统的实时更新。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地理本体研究现状 本体是一个从哲学引入到信息科学进而引入到其他学科中的概念，是一种能在语义 和知识层次上描述信息系统的概念模型建模工具。建立本体的目的在于捕获领域知识， 提供对领域知识的共同理解，确定领域内共同认可的术语或词汇，并通过形式化表达机 制明确定义这些词汇或术语之间的相互关系。目前，其应用已经遍及人工智能、知识工 程、信息集成、机械工程等领域，并逐渐渗透到地理信息科学领域。 国外对本体的研究起步较早，尤其是在描述语言、信息本体构建规则、服务本体解 析中间件方面的研究己初具雏形，而本体在地理空间信息领域的应用与研究经过近几年 的快速发展，也越来越受到地理信息科学研究者的关注。 e g e n h o f e r 和m a r k ( 1 9 9 5 ) 最先将本体论引入地理信息科学领域，并将地理本体列 为常识地理学的4 7 个研究问题之首，以期为建立智能化、大众化的地理信息系统提供 基础【l 】。次年，m a r k 在美国国家地理信息与分析中心专家会议报告中，首次提出了一个 基于常识的地理本体框架【2 】。此后，m a r k 和s m i t h ( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 对地理本体基本理论 和地理目标的本体特征进行了深入研究，提出将部分一整体、拓扑、空间关系、维度等 数学理论以及认知科学和人文科学的调查、实验研究纳入地理本体基本理论体系【3 州。 其他学者如f o n s e c a ( 1 9 9 9 2 0 0 2 ) 在基于本体的地理信息集成方面做了大量的研究 工作，他采用g u a r i n o 的“本体论驱动的信息系统”理论，提出了一个本体驱动地理信 息系统( o n t o l o g y d r i v e ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，o d g i s ) 框架，重点探讨了 本体论在互操作环境下信息系统的设计和实现阶段的应用 5 - 8 1 ；k a v o u r a s 和k o k l a ( 2 0 0 1 ， 2 0 0 2 ) 用概念格的方法对不同的地理本体进行了融合研究，在地理本体的建立方面提出 了一个能有效保持具体领域概念语义信息的健壮地理本体框架i 乳1 0 l ；k u h n ( 2 0 0 2 ) 通过 对文本中对象行为的关注，提出了一种从自然语言文本中抽取地理领域本体的方法【l 。 b i t t n e r ( 2 0 0 4 ) 探讨分析了地理本体构建中的地理尺度、不确定性、模糊逻辑等等理论 问题【1 2 】。 一些组织机构如美国国家自然基金委员会( n s f ) 等也都认识到了地理本体对于地 理信息科学的重大意义。不少学者在地理本体方向进行了深入研究，如美国缅因大学的 e g e n h o f e r ( 1 9 9 9 ) 主持的“空间信息一体化的协作研究”项目以及f i n d l e r 和m a l y a n k a r ( 1 9 9 9 ) 主持的“空间知识的表达与分发”项目，都力图找到空间信息语义集成的有效 途径。进入2 1 世纪，美国大学地理信息系统联合会( u c g i s ) 也认识到了地理本体在 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 空间信息领域的研究价值，在其2 0 0 2 年研究日程中，空间本体排在十大长期研究挑战 之首。国际摄影测量与遥感协会( i s p r s ) 、欧盟等组织都相继开展了地理本体研究项目， 以期解决地理信息集成和智能查询检索问题【l 弘1 4 】。各国高校和研究机构都开展并加深了 地理本体方面的研究，也举办了许多以地理信息本体论为主题的研讨活动。其中最具代 表性的是2 0 0 2 年9 月在英国召开的地理本体专题探讨会，会议中包括f r a n k 、m a r k 、 k u h n 在内的多位知名学者对地理信息本体的概念、研究范围等关键问题进行了深入探 讨，并正式使用了g e o o n t o l o g y 一词。此后，g e o o n t o l o g y 作为地理信息本体论的一 般术语得到广泛应用。 国内在地理本体方面的研究主要集中在高校和一些研究机构。其中云南师范大学在 该方面研究相对较早，在地理本体、语义网的空间信息模型的构建方面取得了一定的研 究成果，且其近期完成的课题s e m a n t i cw e b 中空间信息互操作关键技术研究经过鉴 定专家委员会评审为“国家领先”水平【l5 1 。 武汉大学在地理本体方面的研究一直不遗余力。首先是崔巍博士于2 0 0 4 年完成了 地理本体方面的一篇博士论文，他对基于本体的地理信息系统语义继承和互操作进行了 深入研究，通过分析计算机技术对空间信息语义网格体系框架构建和实现的影响，构造 了一个基于本体和轻量目录访问协议的多层网格体系结构，为实现地理信息全面共享做 出了有益的探索【16 】：此后，黄茂军( 2 0 0 5 ) 博士进行了有关地理本体的形式化表达机制 及其在地图服务中的应用研究，重点研究了基于本体的地图服务策略以及综合利用本体 和网络挖掘技术改善网络地图服务查询质量的问题【1 7 1 ；李霖和王红( 2 0 0 6 ) 探讨了基于 形式化本体的基础地理信息分类方法【婚1 ；安杨等( 2 0 0 6 ) 研究了地理本体的建模和比较 方法，并从结构和语义两方面比较分析了地理本体中的概念9 】；程刚等( 2 0 0 8 ) 介绍了 一种基于本体的服务发现组件设计方法，该方法将基于本体的元数据和基于本体的查询 结合起来，改善了基于o g c 标准的网络地理服务发现的查询效率和准确性【2 0 1 。 吉林大学的胡鹤等( 2 0 0 4 ) 在陈大有教授的指导下进行了基于本体的时空推理研究， 就时空本体的创建和服务提出了一些建设性见解【2 i 】；此后吉素红( 2 0 0 8 ) 借助地理信息 科学中的一些描述空间物体特征及关系的理论( 部分整体学，位置论和拓扑学) 探讨 了表达地理本体空间特征的有效方法，且设计了一个地理本体的应用模型，验证了地理 本体在g i s 推理及语义查询中的可行性【2 引。 此外，中科院地理所的何建邦教授( 2 0 0 3 ) 在进行资源环境信息分类编码研究时， 考虑到与地理本体进行关联【2 3 1 ；王敬贵等( 2 0 0 4 ) 研究实现了基于地理本体的海岸带及 近海数据集成平台【2 4 j ；杜云艳等( 2 0 0 8 ) 针对海湾多要素、多层次、多资源和多领域的 复杂系统，提出了基于地理本体的海湾空间数据组织方法【2 别；北京大学遥感所的孙敏博 士等对地理本体的研究进行了综述【2 引。 上述研究表明，国外特别是欧美等发达国家在地理本体方面的研究水平仍处于世界 领先地位，而国内的研究相对滞后。但总体来说，本体在地理信息领域的应用仍远落后 3 武汉理j j ：人学硕士学位论文 于其它领域，尤其是在本体服务方面的应用研究，地理本体才刚刚起步。 1 2 2 面向对象遥感技术发展现状 在遥感应用的发展历程中，影像分析的方法主要有两大类：基于像元和面向对象 【27 】1 6 。传统的基于像元的信息提取方法仅利用影像的光谱信息，很少考虑类别内部的结 构纹理以及相邻像元之问的关联关系，因而从影像上所能获取的信息相当有限，又遥感 影像中常常存在同物异谱和同谱异物的现象，所以仅靠光谱特征表达目标地物会较大地 影响信息提取精度。目前发展成熟的光谱信息统计技术如最大似然法、最小距离法、k 均值、迭代自组织数据分析等，都可以将像元归并为某一类，近年来更是发展起一系列 的经验分类器，如人工神经网络、决策树、模糊集等【2 8 1 。虽然许多学者对这些传统信息 提取方法进行了大量的研究和改进，甚至附加了一些空间信息和语义信息，在一定程度 上提高了信息提取精度，但其本质仍是基于像元的，并不能摆脱传统方法的局限性。事 实上诸如监督分类、非监督分类等传统分类方法更适合于多光谱或高光谱分辨率影像。 随着遥感影像获取技术的日益发展和革新，获取高空间分辨率影像变得越来越容易，对 于这类影像，再利用传统分类方法，就会造成分类精度的降低、数据冗余以及资源的大 量浪费。根据高空间分辨率遥感影像的特点，面向对象遥感影像分析方法应运而生。该 方法综合考虑影像的光谱、形状、大小、纹理、拓扑以及上下文关系等一系列因素，能 从影像上获取较高精度信息。随着矢量g i s 的成功，该方法可直接提供矢量成果信息， 大大减轻了遥感与g i s 数据集成的负担。该方法的关键技术即影像的分割，通过影像的 分割影像的最小单位不再是单个像元，而是一个个对象。 国外对面向对象影像分析技术研究较早，早在2 0 世纪中后期就有许多学者研究探 讨了面向对象影像分割算法以及遥感影像解译的技术【2 9 。3 2 1 。进入2 1 世纪，面向对象遥 感分析技术迅猛发展：h e l l w i c h ( 2 0 0 0 ) 等采用影像分割和知识辅助相结合的方式从高 分辨率影像上提取道路网、农业用地和居民地等信息【3 3 1 ；h o f m a n n ( 2 0 0 1 ) 等人结合影 像对象的光谱、纹理、形状、背景、高程以及专题信息对i k o n o s 影像中的建筑物、 道路进行了面向对象的提取，得到了高精度的分类结剽3 4 1 ；s a n d e ( 2 0 0 1 ) 等利用i k o n o s 数据进行洪水灾害评价，并通过影像对象的语义信息及对象之间的相互关系的描述来识 别灾害评价需考虑的诸多要素如道路、建筑物、耕地等【3 5 】；s h a c k e l f o r d 和d a v i s ( 2 0 0 3 ) 同时采用面向对象和基于像元的分类方法对城市区域多光谱影像进行分类，结果表明面 向对象分类方法分类效果更好【3 6 】；r e n a u dm a t h i e u ( 2 0 0 5 ) 等对研究区i k o n o s 影像进 行面向对象植被信息提取，分类精度得到显著提高【3 7 1 ；g a m a n y a ( 2 0 0 6 ) 等利用面向对 象分类方法对津巴布韦中心区域进行分类，得到高精度分类结果1 3 引。 国内在面向对象影像分析技术方面的研究起步较迟。黄慧萍博士( 2 0 0 3 ) 在其发表 的博士论文中对面向对象影像分析技术及其相应的尺度问题进行了系统的研究，并以大 庆市城市绿地影像为例，采用多尺度分割与面向对象影像分析技术对影像进行了信息提 4 武汉理i ：人学硕士学位论文 取，验证了该方法获取信息的高精度及高效性【2 7 】：杜凤兰( 2 0 0 4 ) 等利用e c o g n i t i o n 软件，以南京市区i k o n o s 影像为实验数据，研究了利用面向对象分类方法实现地物 精确分类的方法和技巧，探讨了该方法在地物分类应用中的潜力和限制p 9 j ；丁晓英 ( 2 0 0 5 ) 以深圳铁岗水库附近地区为例，研究了面向对象技术在土地利用分类中应用的 可行性【4 0 】；曹雪( 2 0 0 6 ) 等对深圳市q u i c k b i r d 影像数据进行面向对象的分类，结果表 明分类精度相较于传统方法有了明显提高【4 1j ；孙小霞( 2 0 0 6 ) 等采用面向对象分类方法 成功提取了实验影像上的河流和道路信息，表明该方法可用于高分辨率或纹理影像的有 效分类【4 2 1 ；田新光( 2 0 0 7 ) 提出了一种目标函数法对面向对象影像分割结果质量进行评 价，以得到最优的分割结果，并对基于像元的分类法和面向对象的分类法从分类原理、 目视效果、分类精度三方面进行了系统的比较【4 3 1 。值得一提的是，e c o g n i t i o n 作为面向 对象遥感信息提取的第一个软件，已经采用了面向对象和模糊规则的处理和分析技术， 并已成功投入商业运用中。 总之，面向对象遥感技术在改进高分辨率遥感影像信息提取的精度、效率等方面都 由其显著的优势，是高分辨率影像解译分析的理想选择。 1 3 面向对象遥感技术应用于地理本体推理研究的可行性 1 3 1 本体推理技术概述 推理是指借助一定的逻辑和规则，由已知关系推导出未知关系，由给定知识获取隐含 知识的过程 4 4 1 。本体作为共享概念模型的明确的形式化规范说明【4 5 1 ，其形式化表达机制， 在计算机和领域知识间建立了一座桥梁，使得计算机能理解本体所描述的知识，从而实现 知识的智能化发现、检索、查询和转换。 描述逻辑作为地理本体理论的基础，是基于对象的形式化知识表达方法，目前作为本 体描述语言的基础被广泛应用。一个描述逻辑系统由表示概念和关系的构造集、t b o x 、 a b o x 、t b o x 和a b o x 上的推理机制四部分组成。其中，t b o x 是一个包含断言的有限集合， 主要用于声明概念之间的包含关系或引入概念的名称；a b o x 是实例断言的有限集合，用于 指明个体的属性或个体间的关系【4 6 1 。描述逻辑的推理主要包括：一致性、可满足性、包含 检测、实例检测和可判定性等。其推理功能主要集中在包含检测和可满足性上。 描述逻辑在本体推理方面的应用主要有以下两种： ( 1 ) 概念推理。主要包括两种：概念的可满足性推理，判断新引入概念是否与已有概 念一致；包含关系推理，即判断一个概念是否语义包含另一个概念； ( 2 ) 实例推理。主要包括三种：判断实例所归属的概念；检索概念的实例；判断两个 实例之间的关系以及属性关联。 其中对领域本体间概念推理的研究是实现不同领域部门语义集成，建立通用本体系统 5 武汉理j 火学硕士学位论文 的基础，也是本文关注的重点。 1 3 2 面向对象遥感技术应用于地理本体推理研究的可行性 面向对象遥感技术应用于地理本体推理研究中的可行性主要体现在以下几点： ( 1 ) 空间信息资源语义层的共享是地理本体推理研究要解决的关键问题，传统地理 本体构建时只存储了本体概念的概念属性( 主要是指来源于特定应用领域的非影像属 性) ，作为地理概念解译提取的最佳元数据，遥感影像本身具有丰富的光谱、空间信息， 而利用面向对象遥感影像相关分析技术可以有效地提取这种语义特征信息，又由于在遥 感领域这些特征不存在同名异义和同义异名的现象，从而可以为实现地理本体的语义集 成提供一种全新的理论思路； ( 2 ) 面向对象遥感影像分析的多尺度分割技术，为实现不同领域部门语义集成提供 了前提，只要相关领域部门的元数据来源于同一遥感影像( 如同一地区的农林部门) ， 通过对影像进行多尺度分割，采用最优分割尺度选择模型获取适合不同领域部门地类信 息提取的影像层，再利用面向对象尺度转换机制，即可实现不同影像层中相关地类对象 基于影像特征的语义关联； ( 3 ) 遥感影像包含丰富的光谱、形状、纹理等特征信息。这些特征往往都能表达一 定的地理信息语义，同时这些特征的获取以及模型都相当成熟，亦具有统一的标准，只 要能够获取领域间地理概念的共享特征属性集，找到不同地理概念间这种标准特征集的 关系，即可以建立基于图像特征的规则，进而实现本体概念间的语义推理。 1 4 研究内容、技术路线及结构安排 1 4 1 研究目标与内容 由于遥感影像数据在描述空问信息上具有典型优势，目前发展较为成熟且相对先进的 面向对象多尺度分割技术为不同行业部门影像解析提供了最佳提取尺度，而尺度转换技术 可作为不同行业部门间数据的共享和互操作的有效手段，所以本文将面向对象遥感技术引 入地理本体构建、领域本体推理以及不同地理信息系统集成和互操作研究中，通过对原始 遥感影像数据光谱、形状、纹理、拓扑以及上下文关系等特征的分析，以及对多尺度分 割技术和尺度转换技术在地理本体概念推理中地位作用的研究，拟建立一套有效的基于 面向对象遥感技术的地理本体语义层集成和互操作的推理规则和方法。并以此为基础， 构建面向用户层的地理信息查询服务系统。本文研究内容具体包含以下三个方面： 其一，地理本体的构建。传统本体构建只提取了地理本体概念属性，本文在构建领域 本体时增加遥感影像解译提取的通用图像特征属性，并存储特征属性的值域，以辅助地理 本体的语义判别； 6 武汉理i ：人学硕七学位论文 其二，领域本体推理规则的提取。由于传统领域本体概念只存储概念属性，不同领域 本体概念的概念属性往往存在同名异义或同义异名现象，因而仅仅通过比较概念属性集进 行概念间的语义推理将导致查询检索的相关地理信息不够完备，本文在基于概念属性推理 规则研究的基础上，利用遥感影像分析技术归纳出影像解译的地理本体图像特征属性之间 的关联关系，建立一套囊括概念和图像特征属性的领域本体推理规则，以实现不同领域本 体之间的语义互操作； 其三，地理信息语义查询服务框架的构建。领域本体的构建以及推理规则的研究最终 是为了实现地理信息基于语义的共享。为此，本文以农业部门和林业部门的草地、林地两 个领域本体为例，先根据已知的语义关系，构建一个通用本体系统，再在其基础上建立一 个面向用户的地理信息服务查询系统，实现地理信息的有效实时更新与查询。 1 4 2 研究方法与技术路线 为了解决不同地理团体信息共享的语义异构问题，本文将遥感技术引入地理本体研究 中。作为一种全新的尝试，本文采用理论与实验相结合的方式对该全新思想进行验证研究。 具体技术路线见图1 1 。 1 根据地理本体构建理论，参照一些领域规范文件，采用领域专家和数据挖掘技术相 结合的方式构建领域地理本体系统。并利用逻辑推理( 包括产生式规则推理、再分类推理、 专家分析等) 建立本体系统之间显示的语义关系。此时建立的领域本体只存储了相关概念 属性，以及概念属性之间的语义关联。 2 利用面向对象遥感影像解译分析技术建立领域本体系统中存在隐式联系的概念之 间的语义互联。具体来说包含以下几方面： 1 ) 对不同领域本体系统描述概念的同一遥感影像元数据进行几何校正、光谱增强等 预处理； 2 ) 利用e c o g n i t i o n 软件中多尺度分割技术构造出不同分割尺度下的影像对象层，并根 据对象、对象层之间存在的拓扑关系，构建出一个与地表实体相似的、层次分明、结构清 晰的影像层次等级网络体系； 3 ) 利用面向对象最优分割尺度选择方法( 均值方差法、最大面积法、目标函数法等) 寻找最适合不同领域本体系统进行各自信息提取的影像对象层，研究并建立影像对象与该 两个领域地理本体系统概念之间的对应关系，构建一个与领域本体系统存在映射关系的遥 感影像层次等级网络体系： 4 ) 提取不同尺度层本体概念的图像特征，主要包括光谱、形状、纹理、自定义特征 等。根据距离矩阵模型以及相关性分析分别提取适合不同尺度层概念的最优图像特征集； 5 ) 根据提取的本体概念图像特征集及其值域，对前面建立的领域本体进行重定义优 化，除已有的概念属性集外，增加提取的图像特征及其值域约束； 6 ) 根据优化的地理本体，探索不同领域部门对应的影像对象之间的语义关系，进而 7 武汉理i ：凡学硕b 学化论文 推导出该两个地理本体概念之问的语义联系和推理规则。 3 构建地理信息服务查询框架。针对已经建立语义互联的领域本体系统，建立一套本 体代数模型，描述不旧领域奉体系统的集成，即构建集成本体系统并利用s q ls e r v e r 数 挺库存储领域本体。冉结合构建的规则，基于a r c g i ss e r v e r 、a s e n e t 、c # n e t 平台， 采用b s 模式构建一个地理本体查询试验系统，验证基于面向对象遥感技术所建立推理规 则的有效可行性。 罔1 1 技术路线图 固1抄11妙 武汉理下大学硕十学位论文 1 4 3 全文组织与结构 针对本文的研究内容，论文的组织结构如下： 第一章，引言。介绍本文的研究背景和意义，概括了现有地理本体推理机制，分析了 面向对象遥感分析技术应用于地理本体推理的可行性，并概括了本文的主要研究内容和方 法。 第二章，地理本体基本理论。简述了地理本体的构建、表达、语义关系。分析了规则 推理的原理和优势，并以农林领域的林地和草地为例，描述了领域本体的构建方法。最后 重点提出了基于面向对象遥感技术的地理本体推理机制。 第三章，面向对象遥感影像分析技术概述。从对象生成和信息提取两方面概述了面向 对象影像分析技术，详细介绍了面向对象多尺度分割技术的概念、原理，概述了两种常用 的面向对象影像分类方法。 第四章，面向对象尺度选择模型和尺度转换机制研究。对目前较主流的最优分割尺度 模型进行了归纳比较，详细介绍了常用的影像特征，并提出将部分影像特征与多尺度分