面向本體的啟發式空間數據庫設計研究

摘要：針對空間數據庫設計存在的專業化與大眾化的矛盾，即由于地理認知不同而造成的同語異質問題，引入本體論思想，從地理認知模式出發，探討并構建了面向本體的啟發式空間數據庫設計模型。在此基礎上完成了一個實用的空間數據庫系統。實踐表明，該機制切實可行。

關鍵詞：地理認知；本體論；啟發式；數據庫設計

中圖分類號：TP311．13文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0024－03

0引言

空間數據庫的研究是地理信息科學(GIS)領域的熱點和重大前沿課題。一個好的空間數據庫，是地理信息系統成功的關鍵和保障。隨著信息技術的飛速發展，GIS的應用范圍已經涉及多個學科和多個部門。然而，不同領域、不同部門應用GIS系統時按照各自需求，采用不同的空間數據格式、不同的數據建模方法，選用不同的GIS軟件，對地理空間的認知以及地理數據的組織有很大的差異。這就形成了事實上的“信息孤島”，西方文獻也將之稱為巴別塔(Babel Tower)現象。來看下面的例子：

對道路而言，交通管理部門需要詳細了解其路面結構、通行能力、行車方式、交通設施等與交通運輸密切相關的信息；而城建部門則關注道路寬度、面積、管線埋深等與城市建設密切相關的信息。這兩個部門對道路的概念化有很大的差異，它們對于道路的表示從空間數據到屬性數據都有很大的不同。這種由于地理認知(Cognition of Geographic)不同而造成的同語異質(Homonyms)問題，導致空間數據庫的設計往往面臨兩大挑戰：①高質量的空間數據庫設計要求更加專業化的知識，以適應不同行業領域的專業要求；②空間數據的共享和互操作又要求空間數據庫更加大眾化[1]。這樣的矛盾隨著地理信息科學的發展，特別是社會和經濟發展走向一體化，以及可持續發展要求多學科多部門的協作而越來越突出。本體論思想的引入為解決這一問題提供了新的思路。

1本體論與地理認知

1．1本體論（Ontology）的基本概念

本體的概念最早來源于亞里士多德(公元前384—322年)在形而上學方面對事物存在本質的研究，后來成為哲學的研究分支。康德對本體定義為：“種種顯象（Erscheinungen），就其作為對象按照范疇的統一性而被思維而言，稱為現象(Phenomena)。但是，如果我們所設定的事物是知性的單純對象，它能夠作為此知性的單純對象被給予一個直觀——雖然不能給予一個感性的直觀，因此就是被給予一個知性的直觀——這樣的事物就被稱為本體。”[2]信息學的本體概念目前被廣泛接受的定義是1995年由Gruber提出的：本體是一個領域中共享的概念化模型的形式化和顯式的說明規范。用代數語言表示為[3]

即一個本體可由五種元素組成：實例(Instances)表示的就是對象；而類(Categories)表示的則是對象的集合；屬性(Attributes)；關系(Relations)對應于對象元組的集合；類間關系(Inter－category Relations)。類的定義一般采用框架(Frame)結構，包括類的名稱、與其他類之間關系的集合以及用自然語言對該類的描述。基本的關系有四種：Part－of、Is－of、Instances－of和Attribute－of。Part－of表示類間部分與整體的關系；Is－of表示類間的繼承關系，類似于面向對象中的父類與子類之間的關系；Instances－of表達實例與類之間的關系，類似于面向對象中的對象與類之間的關系；Attribute－of表達某個類是另一個類的屬性。

地理信息科學中的本體兼具哲學本體和信息本體的雙重含義。哲學本體突出表現在對地理目標域本身的關注，主要涉及地理概念、類別、關系和過程的研究，地理時空本體、不確定性本體、尺度本體也是哲學本體的重要體現。通過哲學本體的研究，尤其是對地理目標域中地理種類、實體類型的本體設計，其目的是產生有關地理世界結構的更好理解，為GIS的發展提供更合理的概念模型，從而避免現有的數據模型與人類空間認知機制的巨大反差。而信息本體的含義體現在通過對共享的地理概念進行明確的形式化定義，應用于地理信息共享與互操作、基于語義的地理信息集成以及地理信息服務等方面。

1．2面向本體的啟發式地理認知

認知(Cognition)是指人類認識和感知其生存與生活時所經歷的各個過程的總稱，包括感受、發現、識別、想像、判斷、記憶和學習等，是信息獲取、存儲、轉換、分析和利用的過程。簡言之，認知就是人類自身心智對信息的處理過程。人腦實質上是一個比計算機更復雜、更高級的加工系統；人腦對外界的知覺、記憶、思維等一系列認識過程，可以看成是對信息的產生、接收和加工的過程。

地理空間認知，則主要是研究人類如何認識自己賴以生存的地理環境，包括位置、分布、關系、變化和規律等。人類對地理空間的認識包括地理感知、表象再現、地理記憶和地理思維四個過程。本質上說，本體反映了一個對給定領域的通用觀點，是該領域中的概念以及這些概念間關系的集合，關系反映了概念間的約束和聯系，也可以將它看成是一種特殊的概念，關系之間還可以存在新的關系。同語異質問題的產生，恰恰是由于不同領域對同一客觀實體的不同理解與應用的結果。因而對這一問題，可以采用面向應用的客觀世界本體化方案加以解決。

如前所述，本體是一個領域中共享的概念化模型的形式化和顯式的說明規范。人類對客觀世界的本體化，是通過客觀存在—直觀感知—知識認知—本體的過程，也即一個從自下而上歸納到自上而下的演繹過程，即一個啟發式的認知過程而實現[4]（圖1）。

正如對公園這一地理實體的本體化，首先是對城市中，具有較完善的設施及良好的生態環境的公共綠地這一客觀存在的直觀感知，然后是運用人類的經驗知識對其功能向全社會開放、供公眾游覽、觀賞、休憩、開展戶外科普、文體及健身活動 [5]進行啟發式認知，即形式化和顯式的說明規范，最終形成公園這一本體。

2面向本體的啟發式空間數據庫設計模型

2．1傳統E－R模型的不足[6]

E－R模型作為數據庫概念建模的一種重要方法，用來描述應用領域的客觀實體、屬性及實體間的聯系。E －R模型設計時往往需要用戶提供大量需求信息，這不僅給不熟悉領域知識設計者造成了困難，也給領域用戶需求的提供者帶來了他們認為不必要的麻煩。其根本原因在于建模工作中缺少統一的領域知識的指導。本體論使用精確的語法、語義描述了領域內通用概念及其本質聯系，某領域本體論中概念和關系描述是對該領域內在知識的準確反映[5]。運用領域知識對空間數據庫進行啟發式創建正是彌補傳統E－R模型不足的有效途徑。

2．2領域本體的啟發式創建

空間本體的創建是一個地理認知的過程，也是對地理現象啟發式的識別過程[7]。其過程如下：

過程1基本概念識別

本體首先是概念的集合。基本概念的識別是領域本體創建的基礎，它包括對領域內基本術語的聚合以及對同義詞的辨析。正如前言中的示例，交管部門與城建部門對道路本體的基本概念從空間數據到屬性數據都有很大的不同(表1、2)。

基本概念識別過程的關鍵在于概念的完整性，也即是確保領域內基本術語被識別、被包含。

過程2關系識別

本體的創建是為相關領域提供信息，而概念間關系是信息的重要組成部分。正如學者Burrough曾指出：“Truth is not always objective，but maybe a matter of opinion。”這里的“opinion”正是指概念間的關系，它們包括：

（1）基本概念間的關系。概念間基本關系，如分類關系(Is－of)、組份關系(Part－of)；同義詞間關系；概念間其他關系。

（2）本體間的關系。這一關系包括本體與本體之間、本體與子本體之間的關系，如交通管理本體與城市建設本體、交通管理領域內道路子本體與公共設施子本體等。

過程3基本約束條件的識別

概念間的約束條件表達的是本體語義(Semantics)。它包括以下四種類型：①必要性約束。概念A的出現，必須以概念B的出現為前提，如交通設施必須要有道路的出現。②時間約束。若干概念/關系間的時序。③包含約束。概念間的相互包含關系，即概念A與概念B互為必要性約束。④排斥約束。概念間的相互排斥關系，即概念A出現，則概念B必不出現。

過程4領域知識的識別

本體應用的最終目的是形成領域知識。領域知識的識別主要是領域約束條件的識別。例如交通管理領域的路網子本體，依賴于領域內道路、拓撲等概念的共同約束。

2．3面向本體的啟發式空間數據庫設計模型

建模是數據庫成功應用的關鍵，數據庫模型是從抽象的角度來設計數據庫，不包含數據的存儲細節，通常用圖形或可視化工具來建立。數據庫模型用合理的概念和一種直觀的方式來幫助用戶理解和描述數據庫的內容，用可視化方法幫助提高系統設計和維護的過程。

面向本體的空間數據庫設計的要點在于按領域本體(如交通管理領域)知識由空間元數據庫中萃取(Abstract)本體空間信息(圖2)，也就是在數據庫設計過程中運用領域本體知識對空間信息的啟發式再認知的過程。

建立本體時主要遵循以下幾個原則：定義和描述應用領域知識、沒有語義模糊、重用(Reuse)領域知識、在用戶和工具中分享知識結構及含義。

3設計實例

筆者在參與某市“城市基礎地理信息系統”建設中，出現了這樣的問題：面對城市測繪部門提供的統一大比例尺地形元數據，要求其他的社會經濟信息分別搭載其上，而城市其他部門的基礎信息標準不統一、形式和內容也存在較大差異，相應領域的空間數據庫設計要求同樣千差萬別，也即前述專業化與大眾化的矛盾，為此，在系統數據庫設計中運用了面向本體的相關原理，通過啟發的方式設計了面向各專業領域本體的城市基礎地理信息系統數據庫。

以交通管理領域為例，其啟發過程如下：

(1)基本概念識別。遵循相關部門的技術規范[8～10]作為領域知識庫對其基本概念進行識別，得到交通管理本體的基本概念集：

交通管理本體 ≡ {路名、路向、道路拓撲、道路設計通行能力、實際通行能力、……}

(2)關系識別。例如，在交通管理領域內，以線實體為目標的路網子本體，其應用重點即知識要點在于道路拓撲概念的建立；以點實體為目標的交通設施子本體，其知識要點在于設施定位及其管理功能。領域規則通過規則對照表(表3)輸入系統，并據此在空間元數據庫中萃取相關空間信息。其界面如圖3所示。

(3)基本約束條件的識別。如交通設施必須要有道路的出現；同一路網中不能有重復的拓撲節點，即重復的路口等。

(4)領域知識的識別。路網子本體依賴于領域內道路、拓撲等概念的共同約束……。系統實現如圖4、5所示。

4結束語

本體思想的引入，大大豐富了空間信息的表達和理解，統一概念使知識共享成為可能。它有助于實現海量空間信息及知識的共享，其在地理信息系統綜合應用上是非常有意義的。采用基于人類認知方式構建面向本體的啟發式空間數據庫設計模型，經實踐證明，其機制切實可行，并在實際工作中得到了很好的應用。

目前的系統學習機制，即啟發方式尚處在人機交互模式，人工干預多，今后一個研究方向應該是基于自適應方式的機器主動學習，對空間信息更準確、更有效的萃取。系統應建立面向更大范圍、更多部門應用領域的本體，實現真正意義的數據共享及互操作。 

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[8]GB/T17734－1999，公路信息分類與代碼[S].

[9]GB/T 11708－1989，公路橋梁命名編號和編碼規則[S].

[10]GB 917.1～917.2－2000，公路路線標志規則[S].

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”