基于本体的地理信息共享与互操作

1、 基于本体的地理信息共享基于本体的地理信息共享与互操作与互操作地理信息共享与互操作地理信息共享与互操作主要内容主要内容研究背景本体的概念、分类、描述语言、构造和推理等的介绍地理本体的概念、概念分类以及地理本体的建立和研究现状等的介绍 1 研究背景 随着Internet/Intranet的发展和web的广泛使用，特别是“数字地球”研究的兴起和“国家空间数据基础设施”方案的提出，促进了GIS向着网络化、标准化、全球化和大众化方向迅速发展。但在GIS发展过程中，由于不同部门行业在信息的组织和利用基本上是在相对孤立的系统内进行的,空间数据的采集、数字化均存储在不同的数据库中,不同的单位部门按照各自需求

2、采用不同的数据建模方法,选用不同的GIS软件,从而造成了不同系统地理数据组织之间有很大差异,缺少通用的构建方法,使得地理信息和数据的共享与交互变得困难。1.1 空间信息的异构性 数据内容和数据源 空间数据模型表达机制 空间数据格式 空间参考信息 空间数据存储方式 支撑软件平台1.2 空间数据库设计中产生的异构1.3 空间信息集成共享发展的阶段 (1)文件管理模式阶段 空间信息互操作与数据共享主要通过数据格式转换来实现，存在的问题是数据格式相互封闭、空间数据在转换过程中会有信息丢失、效率很低下等，因此，无法解决空间信息共享问题。 (2)空间数据库管理模式阶段 通过把图形与属性数据同时存放于对象关

3、系数据库中或通过空间数据库引擎(SDE)来存入关系型数据库实现数据与信息的共享，由于不同的GIS软件平台所采用的数据库存储格式与空间索引方式仍然不相同，因此，也不能从根本上解决空间数据共享集成问题。 (3)元数据信息交互模式阶段 通过抽取空间数据的元数据信息，提供对空间数据的名称、来源、组织结构、适用范围等特征描述，利用空间数据元数据建立的空间信息的数据目录和数据交换中心实现对数据的发现、获取、理解，从而实现空间信息的共享集成利用，但共享仅限于语法层次，无法满足基于语义的共享集成。 (4) Ontology驱动的空间信息共享与互操作阶段 一代Web ( Semantic Web )出现了，它试

4、图在语义与知识的层次上实现互联网上资源的全面连通交互与共享，特别是Web信息或知识等资源语义级的精确表达、共享与互操作。研发支持语义环境下空间信息与知识互操作的关键机制与技术已成为必然。 现在，在语义层次上的知识与信息互操作核心技术方面，人工智能(AI )与知识工程(KE)领域的Ontology理论与技术己经成为国内外相关研究的主流，许多研究者或机构已经开始了基于Ontology的信息与知识系统集成方法(Ontology Based Information System Integration )研究，并己经取得阶段性成果;Web环境下语义层次的空间信息或知识互操作与共享研究也己经开始，并且也

5、引入了基于Ontology的GIS集成方法研究。研究实践表明，Ontology技术将对语义化 Web环境下的空间信息集成共享起到关键性作用。1.4 空间数据共享实现面临的问题一、传统的地理信息语义描述的不足 GIS主要侧重表达地理特征的几何成分，语义关系不被重视，对现实世界空间几何目标的抽象忽视了地理现象的本质特性及现象之间的内在联系，减少了信息容量; 注重空间位置描述的矢量或栅格数据组织模型，丧失了以分类属性和相互关系为基础的结构化实体所提供的丰富的分析能力。 基于专题地理分层的空间数据表达思想和单一图层内以矢量或栅格数据结构基本单元作为地理实体或现象基本建模单元的表达方式，对于复杂地理实体

6、或现象的描述及地理过程分析存在严重不足。 二、对空间知识理解差异导致语义异构 由于人们对各自领域内空间信息认知的不同，导致对同一地理现象观察描述会侧重于对象不同的切面，从而产生观点上的差异，形成语义异构。 由于现有的空间数据模型多是从计算机表达的角度出发，而不是面向真实地理环境，所以缺少对领域内空间地理实体或现象的显式定义和基础关系描述，不能在语义层次上实现数据的共享。1.5 空间信息的语义异构问题 命名异构：由于命名冲突造成的异构。 类型异构：由于采用不同的数据类型造成的异构。 概念异构：由于表示不同的领域概念造成的异构。 1.5.1 以森林防火系统为例 森林防火系统需要建立一个合成服务进行

7、火灾事故的管理要求当火灾发生后能给出烟雾扩散情况的信息。假定已经建立了一个能够实现该功能的专业服务CalucatleGasDispersoinsevriee。该服务需要的输入是风速、风向、气体扩散的位置以及扩散速率方面的信息，服务的输出是指示气体扩散情况的多边形。以风向信息为例进行分析。在UDDI注册中心以天气信息作为关键字搜寻相关服务，能够找到两个服务:Globalweahtersevriee和Alprortwehateresvrcie。现在必须判断这两个服务的输出是否真正的能够从结构以及语义上满足CaleulateGasDispersionsevriee输入的需求。 经分析，可能会出现以下

8、几种类型的语义冲突问题。当Airportweathersevriee和Globalweathersevriee都能提供 风向信息，并都表示同一个领域概念，但它们采用的命名不同时，则会产生命名异构的问题。 当Airportweathersevriee和Globalweathersevriee提供风向信息时， Airportweathersevriee采用复杂类型“Direction”,而 Globalweathersevriee采用字符串类型“String”,均表示同一个领域概念，但由于采用不同的数据类型，则会产生类型异构的问题。当Airportweathersevriee和Globalweat

9、hersevriee采用相同的命名，采用的数据类型也相同，但前一个服务表示风吹来的方向，后一个服务表示风吹走的方向，由于表示不同的领域概念，则会出现概念异构的问题。 为了解决以上的语义冲突问题，实现空间数据的共享和互操作，提出了基于本体的地理信息的共享和互操作技术，通过运用本体所具有的良好概念层次结构和对逻辑推理的支持能力，以期实现空间数据的共享和各种地理服务的互操作。2 .1 本体的概念 哲学中的定义：本体是对世界上客观存在物的系统地描述，关心的是客观现实的抽象本质。 计算机领域：本体是概念化的显式说明或表示。 知识工程邻域：本体总是以某种方式与表示共享知识的知识库相关联。 人工智能领域：本

10、体是一种工程产品，由一个用于描述某种现实情况的特定术语集和一组显式定义的公理集组成。 尽管在不同的领域对本体的定义方式各不相同，但从内涵上来看，不同研究者对于本体的认识是统一的。 即本体是是领域(可以是特定领域的，也可以是更广的范围)内部不同主体(人、机器、软件系统等)之间进行交流(对一话、互操作、共享等)的一种语义基础，本体提供了一种明确定义的共识。 本体的主要作用： 本体提供了一种结构化表示领域知识的手段。本体支持对知识的重用。本体是领域知识的形式化表示。本体还支持将领域的静态知识和操作知识进行允离。本钵为人和主体之阈的沟通与交流提供了共享的基础，也方便了不同领域的系统开发人员和研究人员之

11、间的沟通与交流。2.2 本体的目标 Ontology的目标是捕获相关的领域的知识，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，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇（术语）和词汇之间相互关系的明确定义。 不同的系统描述领域的时候使用不同的概念和术语。所以很难从一个系统中提取知识运用到另一个系统中。开发可重用的Ontology以推进共享和重用是Ontology研究的一个重要目标。 2.3 本体的建模元语 本体包括五个基本的建模元语: 概念(concepts) 关系(relations) 函数(functions) 公理(axioms) 实例(instances)概念的定义一般采用框架

12、(frame) 结构，包括概念的名称，与其他概念之间关系的集合，以及用自然语言对该概念的描述。 本体描述的关系有四种:part-of :表达概念之间部分与整体的关系。kind-of :表达概念之间的继承关系，类似于面向对象中的父类与子类之间的关系。instance-of :表达概念的实例与概念之间的关系，类似于面向对象中的对象和类之间的关系。attribute-of :表达某个概念是另一个概念的属性。如“价格”是桌子的一个属性。 在实际的应用中，不一定要严格地按照上述5类元语来构造Ontology。同时概念之间的关系也不仅限于上面列出的4 种基本关系，可以根据特定领域的具体情况定义相应的关系，

13、以满足应用需要。2.4 本体的分类 由于研究本体的机构和组织很多，根据本体不同方面的特性，就存在着不同的本体的分类方式。 根据本体的通用性级别进行分类：领域本体:针对特定的应用领域对领域知识的结构和内容进行抽象表示，包括各种领域知识的类型、术语和概念，并对领域知识的结构和内容加以约束，形成描述特定领域中具体知识的基础。通用或常识性的本体:针对获取关于世界的通用性知识，提供基本的观念和概念，如时间、空间、状态、事件、过程、行为、部件等。应用本体:针对特定应用领域进行知识建模的抽象定义。表示型的本体:主要描述在知识表示形式化背后的概念化，而不局限于任何特定的领域。 根据本体概念化的结构数量和类型进

14、行分类： 术语学本体:类似于词典，定义了从不同方面表示知识的术语。 信息本体:定义了数据库的记录结构，数据库模式是这类本体的一个示例。 知识建模本体:定义了知识的概念化。 根据本体刻画描述的现实世界的不同而进行的本体分类： 静态的本体:描述世界中静态方面的特征，即存在的事物、它们的属性以及它们之间的关系。 动态的本体:描述世界中不断变化的方面，典型的原语概念包括了状态、状态转换和过程描述世界。 意念型的本体:包括动机、意图、目标、信念、选择等。 社会型的本体:包括社会结构、组织结构、联盟等。2.5 本体的描述语言 本体的描述语言能够为领域模型编写清晰、形式化的概念描述。本体语言一般应满足以下要

15、求：良好定义的语法(awell一definedsyntxa)良好定义的语义(awell一definedsemnaties)有效的推理支持(effieienterasonings即port)充分的表达能力(suffieientexperssivepower)表达的方便性(eonvenieneeofexperssion) 随着对本体论的不断研究，随之也诞生了许多种本体描述语言，主要包括RDF、RDF-S、OLI、DAML、DAML+OIL、OWL、KIF、SHOE、XOL、OCML、ontolingua、CyeL、Lomo等诸多本体语言。下面将一一介绍这些本体描述语言。2.5.1 RDF(资源描述

16、框架) RDF(ResourceDescriptionFramework)是由W3C组织制定的，是W3C在xML的基础上推荐的一种标准，用于表示任何的资源信息。它是一种元数据，即“关于数据的数据(Data about data)，是关于对象数据的一种概括性、实质性的描述。 用于描述Web页面或现实世界中的一个实体对象，RDF定义了一个基本的数据模型，这个数据模型可用XML语法表示，它包括资源(Reosucres)、属性(Properties)和声明(Sattemnest)三种对象类型。 RDF的基本结构可以看作“对象-属性-值”的三元组语法形式，其中对象代表一个资源，属性代表该资源的特性，值则

17、是该资源特性的量化。 在语义的可互操作性上，RDF比XML有着显著的优势。它能很自然地用属性-值的网络关系来描述资源以及资源之间的关系。 以下代码为RDF对资源间关系的描述: Eric Miller mailto: Dr. 2.5.2 RDF Schema(RDF模式) RDF Schema是对RDF的扩展，它加入了vocabulary、sturcture和constraint。由于RDF只是为表示语义提供基础，本身并不能表示语义，因而RDFS是为了表示语义而对RDF的一个扩展。 在RDFS中，最上层的抽象根类结点是rdf:Resoucre，它又派生出两个子类rdfs:Clas

18、s和rdf:Prpoerty，任何领域的知识都可以认为是这两个子类的实例。rdfs:Class语义上代表了领域中的本体，rdf:Porperty则代表了领域中本体的属性。 RDFS加入了本体语言的基本建模要素，如：类、类继承、属性继承、领域等。通过RDFS可以表示类、槽和侧面，而通过RDF可以表示实例和事实，但是它们都无法支持公理和函数的表示，也不支持基于类包含关系以外的其他推理机制，且RDFS的表达方式有很大的局限性，对于表达丰富的语义是远远不够的，这些将有待其上层的本体层将RDFS扩展成齐全的本体建模语言。2.5.3 OIL(本体互操作语言) OIL(Ontology Interchang

19、e Language)是一种针对本体的基于互联网的表现和推理层。它是由欧盟信息社会技术委员会下的知识项目(IST-1999-1013)和IBROW(IST-1999-19005)资助建立的，也得到了更广泛的研究者的参与。 OIL的使用比较广泛，支持OIL的工具也很多，最著名的有OILEd，是一个基于OIL的本体编辑器,OntoEdit、the FaCT system等工具也都支持OIL。2.5.4 DAML描述语言 DAML(DARPA Agent Markup Language)是由国防高级研究计划局(DARPA)资助，美国许多研究机构参与研究建立的一种描述语言。其目标是开发一种语言和一组工

20、具为语义互联网提供支持。 DAML扩展了RDF，增加了更多的更复杂的类、属性等定义。它一度很流行，成为网上很多本体的描述语言，直到DAML的研究者和oIL的研究者开始合作，推出了DAML+OIL语言。2.5.5 DAML+OIL描述语言 DAML+OIL提供了很多词汇使其具有相当强的表达力。它不仅继承了RDF/RDFS的表达能力，还从描述逻辑中借鉴了很多表达方式，能够提供足够的约束条件使得其描述客观领域知识的能力大大增强。 DAML+OLI语言提供的词汇包括: 类层次和关系(class,subClassOf,disjoint With,SameClassAs) 枚举类(oneOf) 属性层次(

21、Property，subPropertyOf，samePropertyAs) 类的交、并、补(union,Intersection,Complement) 各种属性的性质，如反转属性(inverseOf)、传递属性(TransitiveProparty)等等. 属性限定类，如属性域限定(hasClass，toClass)，基数限定(cardinality)，属性值限定(hasValue). 个体实例(Individual,SameIndividual,differentIndividualFrom); 数据类型(DataType)2.5.6 OWL(网络本体语言) OWL(Web Ontolo

22、gy Language)是W3C推荐的语义互联网中本体描述语言的标准,它是从DAML十OIL发展起来的。针对不同的需求OWL有三个子语言:OWL Lite、OWL DL和OWL Full。 OWL中的三种子语言之间的关系是:每个合法的OWL Lite都是一个合法的OWL DL;每个合法的OWL DL都是一个合法的OWL Full;每个有效的OWL Lite结论都是一个有效OWL DL结论;每个有效的OWL DL结论都是一个有效的OWL Full结论。 这三种子语言与RDF的关系是:OWL Full可以看成是RDF的扩展;OWL Lite和OWL Full可以看成是一个约束化的RDF的扩展;所有

23、的OWL文档(Lite,DL,Full) 都是一个RDF文档;所有的RDF文档都是一个OWL Full文档:只有一些RDF文档是一个合法的OWL Lite和OWL DL文档。 使用时如何选择适合的子语言: 选择OWL Lite还是OWL DL主要取决于用户需要该语言在多大程度上给出了约束的可表达性. 选择OWL DL还是OWL Full主要取决于用户在多大程度上需要RDF的元模型机制(如定义类型的类型以及为类型赋予属性). 在使用OWL Full而不是OWL DL时，推理的支持不可预测，因为目前还没有完全的OWL Full的实现. OWL语言描述的本体示例: animal This class

24、 represents the animal kingdom 2.5.7 其它的本体描述语言 CycL和KFI是扩展了的一阶谓词逻辑语言. Onotlnigua和FL是基于框架的方法，两种方法都把基于框架的建模原语结合到一阶逻辑框架中. 根据以上对各种本体表示语言的介绍可知，OWL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，OWL比RDF和RDF-S等语言有更多的表达手段，因此在Web上表达机器可理解内容的能力也比这些语言强。2.6 构造本体的规则 明确性和客观性：即Ontology应该用自然语言对所定义术语给出明确的、客观的语义定义。 完全性：即所给出的定义是完

25、整的，完全能表达所描述术语的含义。 一致性：即由术语得出的推论与术语本身的含义是相容的，不会产生矛盾。 最大单调可扩展性：即向Ontology中添加通用或专用的术语时，不需要修改其已有的内容。 最小承诺：即对待建模对象给出尽可能少的约束。2.7 本体的构造 (1) Mike Uschold & King的骨架法 该方法论是爱丁堡大学人工智能研究所Michael Uschold在Enterprise Ontology，开发经验基础上总结得出的本体开发方法。 该方法构造本体的主要步骤是: 定所建领域本体的目的和使用范围. 立本体。这一过程包括三个子步骤:本体获取、本体编码和集成等.本体评估

26、。根据需求描述、能力问题等对本体以及软件环境等进行评价.文档记录。把所开发的本体及相关内容以文档形式记录下来.骨架法可以充分利用现有知识获取技术，但并没有就如何确定本体中的概念提出明确建议，这是它的不足之处。 (2) TOVE本体开发方法论 该方法论是Gruninger和Fox根据多伦多大学企业集成实验室的TOVE项目总结出来的本体开发方法。其目的是构造企业本体，包括活动、组织、资源、产品、成本和质量等部分。 TOVE方法论包括如下六个步骤： 用情景收集阶段。定义可能的应用何解决方案。 非形式化能力问题。定义约束条件，包括能解决什么问题和解决方法。 语形式化。提取非形式化的术语，然后用本体语言

27、定义。式化能力问题。解决形式化表示能力问题。式化公理。设计术语定义所遵循的公理用一阶谓词逻辑表示，包括语义或解释。完备性约束。问题的解决方案必须是完备的。TOVE本体开发方法特别强调对本体的评价，它使用的评价主要基于本体的完备性理论。 (3) KACTUS方法 该方法论是Bernaras等人在Esprit TACTUS项目的支持下开发的。其主要目的是考察复杂系统中知识重用的可能性以及本体能支持的角色。KACTUS方法主要包括三个步骤： 应用说明。提供应用上下文和应用模型所需要的组件。 步设计。对现有的本体进行扩展。 本体求精。保证本体模型既相互依赖，又尽可能一致。 KACTUS方法论在本体求精

28、和结构化方面一定意义，它提出了应用驱动的本体开发思想。 (4) Methontology方法 该方法论是西班牙马德里大学的Asuncion Gomez-Perez等人提出的。它包括三个阶段： 管理阶段。包括任务的进展情况、需要的资源和质量保证等。 发阶段。包括规范说明、概念化、形式化到执行。 护阶段。包括知识获取、系统集成、评价、文档说明、配置管理等活动。 尽管不同的开发方法论在获取领域本体上有不同的思路，但希望构造“好”的本体的目标是一致的。2.8 语义 针对什么是语义，从不同角度，有许多不同的理解，主要有以下几种观点： 词的指称作为意义 该理论认为，词或词组的意义就是它们在现实世界上所指的

29、事物。 心理图像、大脑图像或思想作为意义 说话者的意图作为意义 过程语义 词汇分解学派条件真理模型情景语义学模态逻辑格语法语义网络 语义网络(semantic network)由美国心理学家M.R.Quilian于1968年在研究人类联想记忆时提出的。1977年美国触学者G.Hendrix提出了分块语义网络的思想，把语义的逻辑表示与“格语法”结合起来。 计算机领域：为了便于处理，通常认为语义可以简单地看作是数据所对应的现实世界中的事物所代表的概念的含义，以及这些含义之间的关系，是数据在某个领域上的解释和逻辑表示。 信息集成领域：认为语义就是指模式元素(例如类、属性、约束等等)的含义，如果该含义

30、(语义)能够被计算机所“理解”(指能够通过形式化系统解释、推理并判断)，那么该信息就是能够被计算机所处理的信息。2.9 基于本体的信息集成 本体具有良好的概念层次结构和对逻辑推理的支持。 通过建立各自的领域本体和基于本体的知识推理机制，对不同领域本体进行参比和映射，对这些异构系统进行集成，可以实现空间信息的集成和共享。2.10.1 本体推理 本体推理是计算机对本体知识理解的一种重要表现。使用本体的目的之一，就是想通过对本体的形式化描述，使得计算机能够理解本体所描述的知识，从而 “智能的”完成任务。 本体的推理有多方面的应用：对于本体的建立者，推理的主要作用是检测冲突，优化表达和本体融合；对于本

31、体的使用者，推理的作用主要是获得本体中的隐含的概念和关系，并运用这些隐含的概念和关系解决问题。2.10.2 本体推理的方法OWL DL的语义基于描述逻辑(Description Logics)，描述逻辑是一个知识表示语言的群体。它们专注于描述概念的语义(semantics)，因此很适合本体的推理。利用推理自动地在概念层次 (hierarchy)中分离出新的概念，同时检查规范(specifications)，消除矛盾。描述逻辑是在命题逻辑(propositional logics)和一阶谓词逻辑(First order Logic)上发展起来的。命题逻辑的概念只能作为原子命题存在，表达力明显不足

32、。而一阶谓词逻辑又由于表达力过强而导致相关的推理算法过于复杂，无法有效地控制推理时间，它们都不适合用于建立本体。描述逻辑目的就是在表达力与推理复杂度之间取得平衡。而且，描述逻辑可以较好的实施推理。2.11 本体与地理信息 地理信息具有丰富的语义内涵，它的语义内容可以通过本体充分和准确的表达出来，为基于语义的地理信息共享和互操作提供前提和保障。地理信息语义的表达实际上就是领域内共享知识的表达，而知识表达包含两层含义，首先是表达概念，然后是组织概念。表达概念是意向定义概念的过程；组织概念是明确概念间的关系，特别是带有明确继承语义的泛化-特例关系。 为了充分理解本体在地理信息中建模的作用，对Gome

33、s J 1995年为计算机表示建立自然领域、逻辑领域、表示领域和实现领域四个领域进行扩展，在其中增加了一个识别邻域。 自然领域是真实的世界，包括了将在计算机中建模的真实世界的对象和现象。 识别领域捕捉人们对于自然领域的感知，感知诸如河流、土壤等概念。 逻辑领域包括对于对象和现象的形式化的定义，主要是地理对象的形式化的概念。 表示领域对在逻辑领域中的元素，例如对象和域限定了其有限的符号描述。 实现领域将表示领域中的元素映射成用计算机语言实现的数据结构，即用数据结构来实现前一领域的概念，包括矢量和栅格几何对象。3.1 地理本体（ Geo-Ontology ） 地理本体:是把有关地理科学领域的知识、

34、信息和数据抽象成由一个个具有共识的对象(或实体) ,并按照一定的关系而组成的体系,同时进行概念化处理和明确的定义,最后以形式化表达的理论与方法。 地理本体是一种领域本体,是有效解决异构空间信息获取、描述、表达以及重用的理论技术体系。通过研究空间信息的语义表达、共享和服务描述和组合，为空间信息提供具有计算机可以理解的语义，从而满足智能体对Web上异构、分布信息的检索和访问，实现网上信息资源在语义层上的全方位互联，并在此基础上，为实现更高层的、基于知识的智能应用奠定基础。3.2 地理本体应用的意义 为异构空间信息的共享提供了理论依据。利用本体技术理论获取、描述、表达资源环境空间信息领域的知识，提供

35、对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇(术语)和词汇间相互关系的明确定义。 促进来自于不同领域的研究人员之间的交流、软件主体间的通信和互操作、异构数据源的集成等。实现不同个人、部门之间对资源环境空间信息知识的共同理解。 为空间信息集成与共享、空间数据挖掘、空间服务互操作的问题提供了一条可行之路。使地理信息系统更加全面和深入地与各行各业的信息系统有机地融合为一个整体，极大地促进了地理信息系统的社会化和普及。3.3 基于本体的地理信息语义共享3.4 地理本体的概念分类 (1) 概念分类理论 通过分析什么是概念、概念的特性、概念之间的关系以及概念的

36、分类，从分类关系所涉及的参数性质入手，提出的一套用于指导概念分类的可行理论。 Guarino认为概念之间的差别不仅体现在概念的定义上，同时也体现在概念的某些特性上。根据这些特性，他归纳出概念的元特性。元特性是指有关特性的特性，概念的基本元特性包括：持久特性、非持久特性、反持久特性、半持久特性、载体标识特性、支持标识特性、外部依赖特性等。 概念分类理论力求明确表示概念的复杂语义以及概念、概念的属性、变量及约束规则之间的关系，主要包括重要领域的分类、特例、事物之间的关系、事物的属性、事物的功能和事物之间的约束规则等，因此，概念分类可以从概念的基本元特性出发，以分类学中基本层次关系作为概念分类的骨架

37、，在分类时附加概念之间的关系、属性及事物之闻的约束规则等。(2) 分类的基本方法 分类的基本方法有线分类法和面分类法。 线分类法:也称为层级分类法，是将分类对象按所选定的若干个属性或特征，作为分类的划分基础，逐次地分成相应的若干个层级的类目，并排成一个有层次的，逐级展开的分类体系。 面分类法:是把给定的分类对象依据其本身固有的各种属性分成相互之间没有隶属关系的面，每个面中都包含了一组类目。 实践证明线分类法和面分类法各有其优、缺点。在资源环境信息分类实践中，高层的定性信息(大类、小类)分类适合使用线分类法，定量属性往往处于类别的较低层次，适合应用面分类法。(3) 地理本体的概念类别及其表达由于

38、地理概念构成多样，具有不同的粒度，且地理概念所代表的地理实体的空间特征具有模糊性，因此地理概念分类是一个复杂的问题，一般采用层级分类是一个比较可行的方法。根据地理概念的构成属性把其分为自然地理实体概念和人文地理实体概念。 根据地理空间感念分类方法，采用OWL对地理本体进行定义，其部分代码如下: /人文地理实体类(HumanGeoEntity)定义 rdfs:subClassop /建筑(Building)定义 3.5 地理本体的空间关系 地理本体包含多种空间关系，如拓扑、方向、距离等。拓扑关系是空间关系中最重要的基本关系。(1) 拓扑关系:用来描述空间实体之间相邻、包含和相交的关系。 拓扑是研

39、究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。空间关系主要关注地理实体的连接、包含、相邻和相离关系。拓扑空间中空间对象的性质和相互关系比较复杂，拓扑空间中的基本对象有弧、环、面和点等，不同对象间有多种的拓扑关系类型。 空间拓扑关系描述有三种方法:基于点集的四交模型、基于点集的九交模型和基于维数扩展到九交模型。(2) 方向关系:是描述空间实体之间在空间上的排列次序。 针对点对象，Andrew Frank提出了“基于圆锥”和“基于投影”两种方向划分方法。Roop和Egenthofer提出了一种3 X3的“方向关系矩阵”表示方法。(3) 距离关系:用于描述空间实体之间的距离等关系。距离关系的表示分为

40、绝对距离和相对距离关系。绝对距离关系直接表示两个空间对象之间的距离，相对距离关系通过与第3个对象的比较，间接表示两个对象间的距离。3.6 地理本体的语义关系 语义关系比较复杂，也更难以进行定义。不同类型的语义关系称为“语义场型”，语义场型分为四种类型:分类场型、分元场型、概念相关场型、功能相关场型。分类场型:分类关系是形成概念体系的一种基本关系。分类场型中处于同一义场的各个义位都是同一类的事物等。分类场型一般是多层次的。在语义场中，上一层的义位称为上位，下一层的义位称为下位。分类场型的上下义位之间是领属关系，即上位表示义场的领域，下位表示该领域中的分类，下位可以继承上位的基本义素。分元场型：又

41、称为构件关系，是一种空间的部分一整体关系，以组合和聚合等形式构成。构件场型中任何下位都是其上位的一个构件，即上位是整体，下位表示整体的一个构件。概念相关场型：概念相关指两个实体的概念间的语义关系，例如相似概念、相反概念等，主要包括对立场型和同义场型。同一层次的义位称为平位。同一概念的若干义位变体称为同位。对立场型是由平位之间韵关系决定的，即平位之间是一种对立关系。功能相关场型:功能相关是把具有相关作用的两个实体顺序联系起来的一种关系，可用于描述一个地理过程所涉及的两种概念关系。最常见的是有序场型。有序场型中处于同一场型的所有平位都是有序的。3.7 地理本体的形式化语言表达 尽管地理本体在本质上

42、是独立于任何一种具体的表示语 言，但必须选择一种形式化的语言去描述它。本体的表示语言有十几种，可分为传统的本体表示语言和用于网络环境下的本体标记语言两大类。 传统的本体语言主要有Ontolingua、KIF、Loom、OKBC (Open Knowledge Base Connectivity)、OCML(Operational Conceptual Modelling Language)和FLogic等. 本体标记语言主要有SHOE(Simple HTML Ontology Extensions)、RDF、RDFS、OWL+OIL和OWL等。3.8 几种地理本体语言的比较语言名称语言名称特点

43、XML结构化文档的表层语法，对文档没有任何语义约束。XML Schema用来确定XML文档的结构。而不能用来确定元素的具体含义以及元素之间的语义联系。能用一种层次的方式组织元素，不过这种层次并不包含语义信息，而仅仅是提供了一种语法来复用一些简单的结构以构造更复杂的结构。因此通过XML Schema描述的数据缺乏语义信息。RDF对象(或者资源)以及它们之间关系的数据模型，为数据模型提供了简单的语义，这些数据模型能够用XML语法进行表达。RDF可以看作元数据层，RDF的数据模型提供了一个抽象的概念框架来描述元数据。RDF Schema在RDF的基础上提供了更多建模原语，倒如，提供类(Class)的

44、定义。也提供定义特性之间关系的机制。RDF Schema就是作为RDF的数据定义模型而出现的，在RDF Schema中所有的类和特性本身也被定义为资源，使得能够更加有效地利用资源。OWL在RDF和RDFS基础上，通过增加更多建模原语来描述特性、类以及它们之间的关系，并针对特性提供了更加丰富的类型定义和属性描述。OWL采用面向对象的方式来描述领域知识即通过类和属性来描述对象。并诵讨公坤桌橘抹汶牡樊和属件的特征和关系。3.9 地理本体概念与地理信息数据模型的关地理本体概念与地理信息数据模型的关系系 本体的概念是人们对地理世界的抽象认识，表达了地理世界的语义信息，而面向对象技术中的类、对象以及地理信

45、息系统现行的数据模型则是计算机世界中地理信息系统设计思想的表现形式，有必要研究它们之间的关系，保证人们对地理世界的抽象认识准确和完整地映射到计算机世界。地理本体概念与面向对象技术的关系本体概念与面向对象技术中类的联系1. 本体概念与面向对象技术中类的概念是密切地联系在一起的。本体概念系统是人们对地理世界的认识，是人类对客观世界的抽象。本体概念通过面向对象技术被映射到计算机的比特世界，表现为一个描述人们对地理世界认识的类库。 本体概念和面向对象技术的类分别是现实地理世界分别在人类思维和计算机软件系统中的表达，是同一客观世界分别在人类思维和计算机世界的映射。 本体的概念与面向对象技术的有机结合，可

46、以实现以下两个目的：首先，在建立特定领域的地理信息系统的过程中，本体系统可以充当面向对象开发工具的标准，对所有的类和对象提供语义约束，并把本体概念以面向对象技术的类库形式表现出来，对地理信息系统的建立起到了共同模型的作用，使地理信息系统的开发者和使用者共同拥有一个相同的真实世界的模型；其次，在不同领域的地理信息系统的集成和互操作过程中，不同领域的本体系统借助各自的类库进行交流。本体概念与面向对象技术中类和对象的区别本体是一种知识交流复用的思想，是异构系统知识的抽象，是系统集成的工具。类和对象可以用来体现本体思想，也可以实现构件编码。在系统的分析和设计阶段，当类和对象表达的是地理实体的内涵和外延

47、时，它们与本体概念和地理实体是等价的，是一个问题在两个不同阶段一系统设计和实现过程的不同的表达方式。当类和对象仅仅为了软件复用，描述的一组数据和对该数据的操作时(如输入输出类，或一个算法类)，则本体概念与这种类和对象之间没有可比性。面向对象数据模型与传统数据模型之间的关系在传统的地理信息系统数据模型中将基于对象的模型用矢量结构表达，而将基于场的模型用栅格结构表达。而在基于本体的地理空间中，可以将对象和连续场这两种看似对立的数据模型统一在面向对象的数据模型中。在基于本体的地理数据模型中起着核心作用的是本体概念与类，对象与矢量模型和栅格模型之间的映射关系，提供上述映射关系，建立了本体概念与矢量和栅

48、格模型之间的联系。3.10 地理本体建模 本体的开发和建模到目前为止还没有统一的标准，基本是开发者直接用自身熟悉的方式和方法构建本体。本体开发方法论的发展历史从时间上来看还是比较短的。 目前比较典型的构造地理本体的方法有以下几种： 针对企业建模过程的Uschold和King方法; 基于开发面向商业过程和行为模型的Gruninger和Fox方法; 用于研究复杂系统中知识重用的可行性和Ontology在其中的作用的Berneras方法; 用于在知识层上构造Ontology的METHONTOLOGY方法; 用于自然语言处理的SENSUS方法。3.11 五种地理本体构造方法的比较3.12 地理本体的构

49、建流程图3.13 地理本体建模工具 Protege是由斯坦福大学的医学情报学研究组(Stanford Medical Informatics ) 开发的一个开放源码的本体编辑器，它是用Java编写的。本体结构以树形的层次目录结构显示，用户可以通过点击相应的项日来增加或编辑类、子类、属性、实例等，使用户在概念层次上设计领域模型，所以本体工程师不需要了解具体的本体表示语言。 Jena是由HP公司开发的一个Java开发工具包。Jena本体解析器包括三部分，对RDF的解析、对RDQL的查询支持和对OWL的解析。Jena提供了很多接口来访问和处理RDF。3.14 国外地理本体论的研究现状 1999年Egenhofer主持的“空间信息一体化的协作研究”项目，集中研究空间与地理数据库的语义互操作; 1999年Findler和Malyankar主持的“空间知识的表达与分发”项目，研究建立沿海实体(如海岸线、潮汐面等)的本体论; 1999年Mark和