地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體的研究與應(yīng)用

王 艷 妮，劉 剛

地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體的研究與應(yīng)用

王 艷 妮1，劉 剛2

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地質(zhì)信息中心，江蘇 南京 210007;2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）計算機學(xué)院，湖北 武漢 430074）

引入了由斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的七步法，并采用OWL DL語言描述本體，利用目前成熟的且流行的本體可視化構(gòu)建工具Protégé完成地質(zhì)災(zāi)害信息領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建。基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)災(zāi)害信息處理標(biāo)準(zhǔn)、專家知識等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體。用OWL形式化描述基于多層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)本體應(yīng)用模型來實現(xiàn)三層地質(zhì)災(zāi)害本體。以具有優(yōu)勢的三峽庫區(qū)豐富地質(zhì)災(zāi)害資料為依托，以地質(zhì)災(zāi)害多源異構(gòu)空間信息集成與共享為主線，引入本體理論和GeoSciML，研究建立基于頂級、領(lǐng)域及應(yīng)用多層本體的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)語義集成和共享模型，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用集成，目標(biāo)是解決橫向各部門間的有效溝通和信息共享，以及單體災(zāi)害和群體災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急指揮和決策支持等問題。

領(lǐng)域本體;語義信息集成;地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體;地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)

0 引言

三峽庫區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域，滑坡、崩塌和泥石流是三峽庫區(qū)的主要外動力地質(zhì)現(xiàn)象，也是地質(zhì)災(zāi)害的主要類型。三峽工程的修建將對庫區(qū)整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生深刻的影響，促使地質(zhì)災(zāi)害體的穩(wěn)定性發(fā)生相應(yīng)的變化，并且在部分地區(qū)出現(xiàn)新的滑坡體。目前庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害所帶來的危害嚴(yán)重，可是來源于庫區(qū)的大量環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)卻沒有得到充分的共享。許多地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建設(shè)主要處于單機、封閉的系統(tǒng)形式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的管理、更新和使用落后于社會對信息的需求，花費巨資建立的數(shù)據(jù)庫資源難于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而變?yōu)閿?shù)量眾多的“信息孤島”［1］。

實現(xiàn)信息共享一般有4種技術(shù)方法：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法、數(shù)據(jù)集成、基于元數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的GIS互操作技術(shù)、語義共享集成技術(shù)［2］。前3種方法實現(xiàn)了語法層次的集成，第4種方法實現(xiàn)語義層次的集成，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互操作的高級發(fā)展階段。語義方法的主要特點是擴展性好、適應(yīng)動態(tài)信息源、支持語義級信息共享。地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)的異構(gòu)性、分布性、增長性和變化性決定了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化方法不適應(yīng)迅猛發(fā)展的應(yīng)用環(huán)境，所以語義方法成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成研究的重點。本體（ontology）是實現(xiàn)語義共享的良好途徑。本體既準(zhǔn)確地描述了概念含義，又描述了概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，能通過邏輯推理獲取概念之間蘊涵的關(guān)系，能夠有效地表達(dá)特定領(lǐng)域內(nèi)的通用知識，非常適合作為面向語義的數(shù)據(jù)集成中的通用語義模型。通過本體的語義集成可以克服以往數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和直接讀取共享模式的缺陷。

1 地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體

1.1 多層本體應(yīng)用模型

依照領(lǐng)域依賴程度，本體可以細(xì)分為頂級（top level）、領(lǐng)域（domain）、任務(wù)（task）和應(yīng)用（application）ontologies 4類［3，4］。1）頂級ontologies描述的是最普通的概念及概念間的關(guān)系，如空間、時間、事件、行為等，與具體的應(yīng)用無關(guān)，其他種類的ontologies都是該類ontologies的特例;2）領(lǐng)域ontologies描述的是特定領(lǐng)域（地質(zhì)災(zāi)害等）中的概念及概念間的關(guān)系;3）任務(wù)ontologies描述的是特定任務(wù)或行為中的概念及概念間的關(guān)系;4）應(yīng)用ontologies描述的是依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念及概念間的關(guān)系。領(lǐng)域本體在多層本體結(jié)構(gòu)中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。

本文設(shè)計了基于多層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)本體的應(yīng)用模型（圖1）。在該模型中，對地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)引入本體以及對本體的相關(guān)操作，以實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)的語義查詢和檢索。該模型分為地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)應(yīng)用層、本體層和數(shù)據(jù)層［5］。

圖1 基于多層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)本體應(yīng)用模型Fig.1 Multi-level ontology application model for geological hazard spatial data

1.2 地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體

領(lǐng)域本體是指在一個特定的領(lǐng)域中可以重用，提供該特定領(lǐng)域的概念定義和概念之間的關(guān)系，提供該領(lǐng)域中發(fā)生的活動以及該領(lǐng)域的主要理論等，如醫(yī)學(xué)概念本體、生物學(xué)知識庫、地理本體、企業(yè)本體等［6，3］。與研究其他地學(xué)本體一樣，對地質(zhì)災(zāi)害概念的表達(dá)，也需要從語義學(xué)和邏輯學(xué)的角度入手，通過引入本體和描述邏輯構(gòu)建一套能清晰描述地質(zhì)災(zāi)害信息的形式化系統(tǒng)，并形成反映該地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)不同地質(zhì)災(zāi)害類型間的相互關(guān)系和作用的若干規(guī)則。地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體是基于本體的地質(zhì)災(zāi)害信息框架中的一個層次，在其中可定義諸如地震、崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害地質(zhì)學(xué)學(xué)科的本體概念。另一方面，要關(guān)注實際的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)集，地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體中的許多概念可能在應(yīng)用本體具有不同的名稱，并存在名稱相似而實質(zhì)不同或名稱相同而意義不同的情況。因此，同一地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)集有時會具有不同的表達(dá)方式，不同的地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域?qū)嶓w可能具有一定語義對應(yīng)關(guān)系，而本體則為地質(zhì)災(zāi)害信息語義共享搭建了一個溝通橋梁。因此，將本體引入地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，研究地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的概念及其之間的關(guān)系，以便實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域信息的集成和共享。

2 領(lǐng)域本體的基本構(gòu)建方法

2.1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分類與概念體系分析

地質(zhì)災(zāi)害的形成機理和時空演化過程復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)具有顯著的多源、多類、多量、多維、多時態(tài)和多主題特征［7，8］。目前還沒有一個公認(rèn)的災(zāi)害分類方案，這主要是因為災(zāi)害成因的復(fù)雜性、發(fā)生過程的連鎖性以及區(qū)域表現(xiàn)上的群發(fā)性，使得在分類中很難找到一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。具體到地質(zhì)災(zāi)害（尤其是三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害），在分類方面也比較混亂，甚至有時會把與地質(zhì)作用無關(guān)的一些災(zāi)害也劃入地質(zhì)災(zāi)害的范疇。筆者認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害的成因分類是主要且是常用的分類方案，對地質(zhì)災(zāi)害的分類將遵循以下原則［9，10］：1）分類的系統(tǒng)和層次要明確。任何一種地質(zhì)災(zāi)害所衍生的災(zāi)害鏈與災(zāi)害本身是從屬關(guān)系而非并列關(guān)系，如基巖和基巖風(fēng)化殼岸線的崩塌、垮落屬于海岸后退一類的地質(zhì)災(zāi)害，而不單獨作為一種災(zāi)害類型列出;2）任何一種地質(zhì)災(zāi)害都應(yīng)按其主要成因類型劃歸相應(yīng)的類中，一種地質(zhì)災(zāi)害在分類表中只能占一個位置;3）地質(zhì)災(zāi)害的動力標(biāo)志是地質(zhì)作用，非直接地質(zhì)作用的災(zāi)害不應(yīng)列入地質(zhì)災(zāi)害的分類中。

本文以滑坡為例，說明地質(zhì)災(zāi)害信息的語義表達(dá)。根據(jù)滑坡的物質(zhì)成分、空間形態(tài)、地域性、形態(tài)發(fā)展變化及其對人類的影響等，在保持其概念語義完整性的要求下，歸納出滑坡的本體屬性為：物質(zhì)性、空間性、時間性、影響性。其中“空間性”主要是指滑坡要素的區(qū)域性和空間分布，一般指各類滑坡的分布區(qū)域;“時間性”表示滑坡災(zāi)害要素的形成及發(fā)展變化，如某滑坡災(zāi)害是由原來的哪類要素轉(zhuǎn)變而來的、現(xiàn)在的狀態(tài)以及將來的轉(zhuǎn)變趨勢;“影響性”體現(xiàn)了滑坡災(zāi)害要素對人類生產(chǎn)和生活的作用，即破壞性和“建設(shè)性”，在此主要指滑坡災(zāi)害的危害性。本文以《災(zāi)害地質(zhì)學(xué)》中的地質(zhì)災(zāi)害為概念域，分析其概念語義，地質(zhì)災(zāi)害類型和組成地質(zhì)災(zāi)害的要素的語義描述見表1。

通過對地質(zhì)災(zāi)害概念語義的形式化分析，可以確定本體內(nèi)的概念及概念間的語義關(guān)系，這為地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體的建立提供了“清晰定義術(shù)語和具有一致性”的前提。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害信息層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述信息分類的原則和地質(zhì)災(zāi)害信息的分類方法，并參照《中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DZ0238－2004）地質(zhì)災(zāi)害分類分級（試行）》和《中華人民共和國國土資源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DZ－2000）地質(zhì)災(zāi)害分類分級》以及文獻［11］中地質(zhì)災(zāi)害類型的概念和本質(zhì)含義對地質(zhì)災(zāi)害進行科學(xué)分類。對建立的地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域共享詞匯庫信息進行分類，把地質(zhì)災(zāi)害按照災(zāi)類、災(zāi)種、子災(zāi)害三級層次進行劃分或歸類。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體的構(gòu)建技術(shù)路線

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的七步法，是目前用于領(lǐng)域本體的構(gòu)建基本方法之一，具體開發(fā)過程包括：1）確定知識本體的專業(yè)領(lǐng)域和范疇;2）考查復(fù)用現(xiàn)有知識本體的可能性;3）列出知識本體中的重要術(shù)語;4）定義類和類的等級體系;5）定義類的屬性;6）定義屬性的分面;7）創(chuàng)建實例。

表1 地質(zhì)災(zāi)害概念語義Table 1 Semantic conception of geological hazard

按照“七步法”的思想，地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體的技術(shù)實現(xiàn)路線包括：1）依據(jù)有關(guān)行業(yè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)災(zāi)害信息處理標(biāo)準(zhǔn)和專家知識建立地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體框架結(jié)構(gòu)。2）基于多層本體結(jié)構(gòu)，設(shè)計地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)本體應(yīng)用模型，建立地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)本體，基于OWL實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)本體形式化表達(dá);本體構(gòu)建、管理和查詢訪問的過程采用 Protégé3.4.4工具進行本體的創(chuàng)建與管理維護。3）基于本體查詢模式和基于描述邏輯的本體推理，建立本體語義的查詢框架，設(shè)計地質(zhì)災(zāi)害空間信息共享傳播模型;提供全局的本體驅(qū)動接口模式，實現(xiàn)各部應(yīng)用系統(tǒng)或模塊對空間數(shù)據(jù)的語義查詢和檢索。

3 地質(zhì)災(zāi)害信息領(lǐng)域本體形式化表達(dá)與分析

地質(zhì)災(zāi)害信息的形式化描述就是選用合適的本體描述語言對建立的領(lǐng)域本體進行形式化描述，最重要的是對地質(zhì)災(zāi)害信息領(lǐng)域的概念、子概念、屬性及其各自具有的特性進行準(zhǔn)確的定義，以提供比自然語言更嚴(yán)格的本體模型，增強機器的可讀性，便于本體模型自動進行邏輯推理及檢驗。

本文采用OWL DL語言描述本體。利用目前成熟且流行的本體可視化構(gòu)建工具——斯坦福大學(xué)的Stanford Medical Informatics開發(fā)的一個開放源碼的本體編輯器Protégé，完成地質(zhì)災(zāi)害信息領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建，以便實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息本體的共享和重用。Protégé可以將其所構(gòu)建的本體利用多種形式的文本格式表示，在Protégé中將本體以owl格式保存，即保存為Geologicaldisasters.owl文件。

經(jīng)過多個版本的實驗，發(fā)現(xiàn)Protégé4.0版本不很穩(wěn)定，而Protégé3.4是3系列中最成熟的版本，因此，本文選用 Protégé3.4.4作為地質(zhì)災(zāi)害信息本體庫的構(gòu)建工具。本體結(jié)構(gòu)以樹形的層次目錄結(jié)構(gòu)顯示，用戶可以通過選擇相應(yīng)的節(jié)點來增加或編輯類、子類、屬性、實例等，使用戶在概念層次上設(shè)計領(lǐng)域模型，所以構(gòu)建本體建模者不需要深究具體的本體表示語言的語法。

針對地質(zhì)災(zāi)害成因復(fù)雜、信息包容量大、災(zāi)害種類復(fù)雜的特點，并考慮了領(lǐng)域知識處理的方便性、可共享性、擴展性，將上述地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域信息概念抽取為地質(zhì)災(zāi)害、基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文氣象、社會經(jīng)濟等幾大類基本信息，用Protégé3.4.4構(gòu)建了一個體系完整、應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與防治領(lǐng)域的地質(zhì)災(zāi)害本體信息庫。圖2是Protégé3.4.4對 Geologicaldisasters本體的類進行操作的界面，在此界面中，主要針對地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體中的類進行編輯，如增加類、修改類和刪除類等操作。類的樹狀結(jié)構(gòu)圖位于左側(cè)，清晰地表達(dá)了本體中類的層次結(jié)構(gòu)。

對Geologicaldisasters本體的屬性關(guān)系進行操作界面中，主要對本體中類的屬性（包括對象屬性和數(shù)據(jù)屬性的描述）進行各種編輯：增加屬性、修改屬性和刪除屬性等。

圖2 Protégé3.4.4對 Geologicaldisasters本體的類進行操作的界面Fig.2 Interface of the class operating of geological disasters ontology in Protégé3.4.4

圖3為部分地質(zhì)災(zāi)害信息的OWL Viz類層次關(guān)系，其中斜坡災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個子類，崩塌、滑坡、泥石流又是斜坡地質(zhì)災(zāi)害的3個子類，巖體滑坡和土體滑坡為滑坡災(zāi)害的2個子類。地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體中類的實例的部分代碼如下：

圖3 部分地質(zhì)災(zāi)害信息的OWL Viz類層次關(guān)系Fig.3 OWL Viz class hierarchy of part of the geological disaster information

4 結(jié)論

針對地質(zhì)災(zāi)害信息語義共享問題，本文研究了基于本體的語義信息共享模型和形式化表達(dá)方法。以具有優(yōu)勢的三峽庫區(qū)豐富地質(zhì)災(zāi)害資料為依托，以地質(zhì)災(zāi)害多源異構(gòu)空間信息集成與共享為主線，研究建立基于頂級、領(lǐng)域及應(yīng)用多層本體的地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)語義集成和共享模型。實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用集成，目標(biāo)是解決橫向各部門之間的有效溝通和信息共享，以及單體災(zāi)害和群體災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急指揮和決策支持等問題。

提出了基于頂級、領(lǐng)域及應(yīng)用多層本體的地質(zhì)災(zāi)害異構(gòu)空間信息集成模型及其形式化表達(dá)方法，這有別于傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)字典、元數(shù)據(jù)等集成方法，能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)的語義集成，為系統(tǒng)各級應(yīng)用提供更加完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施。提出了基于組件的本體驅(qū)動接口設(shè)計，該接口基于本體語義的查詢框架和地質(zhì)災(zāi)害空間信息共享傳播模型，實現(xiàn)各部應(yīng)用模塊對空間數(shù)據(jù)的語義查詢和檢索，是實現(xiàn)語義集成和共享的技術(shù)途徑。

在構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域共享語匯庫的過程中，如何有效組織地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的知識片斷（概念、屬性、關(guān)系）是整個過程主要關(guān)心的問題，這將關(guān)系到能否簡潔且準(zhǔn)確地構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體。通過對地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域知識的分析和表達(dá)，在得到的地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域術(shù)語集合中，可能存在如下情況：有些相同的概念和術(shù)語在含義上存在重疊，或者不同的概念和術(shù)語在含義上也可能存在重疊、包含甚至交叉等關(guān)系，或者某個術(shù)語的屬性無法確定。因此，需要在今后概念分類體系建立的步驟中，逐步的篩選這些術(shù)語，并隨著地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域本體建立的推進，對原有的術(shù)語進行完善（修改、添加和刪除）。

感謝中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）吳沖龍教授、劉剛教授的悉心指導(dǎo)以及在理論和方法上提供的幫助！

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Research and Application of Geological Hazard Domain Ontology

WANG Yan－ni1，LIU Gang2
（1.GeologicalInformationTechnologyCentre，EastChinaMineralExplorationandDevelopmentBureau，Nanjing210007;2.FacultyofComputerScienceandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences（Wuhan），Wuhan430074，China）

Seven-step method developed by Department of Medicine in Stanford University is introduced to establish geo-hazard domain ontology，and OWL DL is applied to describe the domain ontology in this paper.Protégéis developed by Stanford University，which is a mature and popular visual ontology building tools，is used in the establishment，management and inquiry access of the geological hazard information ontology.On the basis of related standards such as industry professional standard，geological hazard information processing standard and expert knowledge，geo-hazard domain ontology can be set up.According to the multi-level structure，geological hazard spatial data ontology application model is designed to implement the three level of geological hazard ontology with formalized representation by using OWL.Based on the abundant geological hazard data of Three Gorges Area in China，taking the multi-source heterogeneous geological hazard spatial information integration and sharing for the main line，the introduction of the ontology theory and GeoSciML for the new technical means，geological hazard ontology is applied to realize data and application integration and resolve the problem of decision making when single hazard or group hazards occur.Ontology is used to carry out semantic sharing model to improve interoperability capacity of geological hazard information system.

domain ontology;semantic data integration;geological hazard domain ontology;geological hazard information system

P208

A

1672－0504（2011）06－0036－05

2011－07- 08;

2011－09－08

教育部科技研究重點項目（109107）;中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（CUG090109）

王艷妮（1984－），女，從事領(lǐng)域本體研究、數(shù)字礦山及三維地質(zhì)建模方面的工作。E－mail：yanniemail＠163.com