地理空間信息智能分析研究

湯競(jìng)煌，方靖，黃繪青

（湖南省第三測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410119）

地理空間信息智能分析研究

湯競(jìng)煌*，方靖，黃繪青

（湖南省第三測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410119）

本文介紹了地理空間領(lǐng)域的基本定義，研究數(shù)據(jù)是如何形成和轉(zhuǎn)換成可直接作為決策參考的可行性信息。環(huán)境變遷、人類活動(dòng)等事件驅(qū)動(dòng)下空間信息也在動(dòng)態(tài)改變，因此從知識(shí)認(rèn)知和關(guān)系語義的角度提出了集合層次模型和語義網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)概念模型，為地理信息智能分析和應(yīng)用提供了新思路。

地理空間信息；智能分析；語義；層次模型

地理信息是各國(guó)信息資源的重要組成部分，是國(guó)家發(fā)展產(chǎn)業(yè)、穩(wěn)定社會(huì)的重要基石。21世紀(jì)起人們逐步將地理信息與其他領(lǐng)域信息相結(jié)合，地理信息應(yīng)用開始向?qū)ｍ?xiàng)化、服務(wù)化的方向轉(zhuǎn)化。2006年，地球空間信息及技術(shù)協(xié)會(huì)（GITA）和美國(guó)地理學(xué)家協(xié)會(huì)（AAG）將地理空間技術(shù)定義為對(duì)地理空間信息進(jìn)行獲取、集成、管理、分析、分配等一系列操作，以解決研究、教育、商業(yè)等領(lǐng)域特定問題的技術(shù)。地理空間的革命引起了民用GPS工具，交互式地圖和移動(dòng)定位裝置的快速發(fā)展，使各行各業(yè)的人員可以以前所未有的方式去使用，收集并理解空間信息。至此，地理空間信息不僅僅是一個(gè)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行工作的分析工具，更是通過實(shí)時(shí)地理信息來指導(dǎo)人們制定決策的技術(shù)手段。

由于人類活動(dòng)和自然環(huán)境活動(dòng)的影響，地理環(huán)境每時(shí)每刻都在變化，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)量十分龐大且存在不同的時(shí)效性，所以地理空間信息也處于永恒的動(dòng)態(tài)變化中，因此如何完成對(duì)地理空間信息的智能分析，預(yù)測(cè)地理空間信息的動(dòng)態(tài)變化成為了重中之重。

1 定義及應(yīng)用

1.1 基本定義

地理空間是地理學(xué)的核心組成部分之一，它通常表示為在地球表面的所有地理實(shí)體（包括自然物體和人工設(shè)施）形成的相對(duì)位置空間。地理空間信息是對(duì)地理實(shí)體空間幾何特性和屬性特性的描述。智能分析是提供關(guān)于人類活動(dòng)觀點(diǎn)的信息，以滿足決策者的需求。綜合來說，地理空間智能分析就是探究并分析圖像和地理空間信息，來描述、評(píng)估、直觀地闡述物理特性，及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)以形成地理相關(guān)決策準(zhǔn)備的信息挖掘方法。

從戰(zhàn)略層次、行動(dòng)層次和結(jié)果層次來說，地理空間智能分析是：

（1）一個(gè)應(yīng)用學(xué)科：發(fā)現(xiàn)、描述、理解及預(yù)測(cè)這一時(shí)空中某事件對(duì)地理實(shí)體造成的影響；

（2）一種處理過程：發(fā)現(xiàn)、收集、儲(chǔ)存、傳輸及處理數(shù)據(jù)，獲得可行性信息；

（3）一個(gè)準(zhǔn)備活動(dòng)：根據(jù)當(dāng)前的信息內(nèi)涵在一定程度上針對(duì)不同問題做出恰當(dāng)（不一定是最佳的）的決策支持。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

地理空間智能分析已應(yīng)用在軍事、商業(yè)、文化等領(lǐng)域，提供了全新的信息服務(wù)方式。

軍事領(lǐng)域［1］：結(jié)合地圖、影像情報(bào)、參戰(zhàn)各方的地理位置三方面內(nèi)容，感知和更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情景進(jìn)行可視化顯示和仿真預(yù)測(cè)。這不僅可以讓參戰(zhàn)人員身臨其境了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化，也能對(duì)即將發(fā)生的變化做好精確制導(dǎo)武器和精確綜合保障做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備；

商業(yè)領(lǐng)域［2］：整合地理空間信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，用消費(fèi)者群體特征、己方銷售歷史數(shù)據(jù)、競(jìng)爭(zhēng)方銷售歷史數(shù)據(jù)等完成業(yè)務(wù)地圖，以決定商業(yè)發(fā)展方向和保持在業(yè)界的競(jìng)爭(zhēng)力，這樣同時(shí)也節(jié)約了營(yíng)銷成本、降低商業(yè)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、提升消費(fèi)者滿意度等；

文化領(lǐng)域：利用地理空間信息，結(jié)合文化資料建立歷史文化地理數(shù)據(jù)庫，對(duì)歷史地理和文化地理信息進(jìn)行綜合分析和應(yīng)用，展示文化資源發(fā)展歷程，達(dá)到教育意義。同時(shí)也助力于保護(hù)地域性文化遺產(chǎn)如建筑群、文化遺址等。

2 地理空間數(shù)據(jù)分類和應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)來源和類型

地理空間信息是對(duì)被引用或者分析而收集的事實(shí)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的總結(jié)后得到的精確直觀的理解結(jié)果，因此地理空間數(shù)據(jù)是信息的源泉，信息可被視為是數(shù)據(jù)經(jīng)過處理的有序化數(shù)據(jù)群。

目前常見數(shù)據(jù)來源有：①文獻(xiàn)。通過收集和分析各類調(diào)查報(bào)告、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、法律法規(guī)，提供元數(shù)據(jù)；②衛(wèi)星遙感和航空遙感；③眾包（利用網(wǎng)絡(luò)資源，將地理數(shù)據(jù)采集以自由自愿的方式外包給非特定大眾獲得各種類型的地圖數(shù)據(jù)）。

根據(jù)對(duì)象的不同，地理空間數(shù)據(jù)分為以下6種類型［3，4］：

（1）元數(shù)據(jù)：指說明地理空間數(shù)據(jù)內(nèi)容 、質(zhì)量 、狀況和其他有關(guān)特征的固定式數(shù)據(jù)，用來輔助管理和使用其它類型的地理空間數(shù)據(jù)；

（2）地理數(shù)據(jù)：指揭示自然環(huán)境特性的數(shù)據(jù)，如地貌、植被、土壤、氣候以及天氣；

（3）人文數(shù)據(jù)：指記錄人類活動(dòng)的數(shù)據(jù)，如城市、街區(qū)、道路、橋梁、電力線/電纜、農(nóng)田、果園、灌溉渠、水壩、以及礦藏；

（4）地形數(shù)據(jù)：指表達(dá)地形特性的數(shù)據(jù)，如高程點(diǎn)、等高線、等值區(qū)域等；

（5）文本數(shù)據(jù)：指由人為賦予表達(dá)地理實(shí)體固有不變屬性的數(shù)據(jù)，如地域名稱、地貌名稱、河流名稱等；

（6）符號(hào)數(shù)據(jù)：指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中區(qū)分不同種自然或人文現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，如點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)、面狀符號(hào)、復(fù)合符號(hào)和注記。

2.2 數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換及與知識(shí)的關(guān)系

地理空間數(shù)據(jù)是直觀但離散的記錄，不能被直接使用，從信息論的觀點(diǎn)來看，描述信源的數(shù)據(jù)是信息和數(shù)據(jù)冗余之和，即：數(shù)據(jù)=信息+數(shù)據(jù)冗余。所以數(shù)據(jù)是能被直接存儲(chǔ)和傳輸?shù)男畔卧畔⑹歉鶕?jù)用戶需要從數(shù)據(jù)中提取的有用部分。根據(jù)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)不同，同樣的數(shù)據(jù)量可能會(huì)有不同的信息量。一般而言，數(shù)據(jù)和信息之間通過以下轉(zhuǎn)換來為各類事件提供決策支持［5］：

其中的具象化是對(duì)事件的深層解讀，需要以事件為導(dǎo)向、地理空間知識(shí)為基準(zhǔn)進(jìn)行。地理空間知識(shí)是人們從測(cè)繪活動(dòng)中得到的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，是可直接用于指導(dǎo)的綜合信息。例如控制工程測(cè)量時(shí)，對(duì)于較大測(cè)區(qū)，通常先用GPS或?qū)Ь€網(wǎng)進(jìn)行三等或四等控制測(cè)量，而后布設(shè)二級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)；對(duì)于小測(cè)區(qū)，通常直接布設(shè)二級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)，作為首級(jí)控制。總的來說地理空間知識(shí)是多條信息的深度挖掘綜合體，也是收集新的地理空間數(shù)據(jù)的效用框架。

圖1 數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換過程Fig.1 Data-information transformation

圖2 數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)間關(guān)系Fig.2 The relationship among data，information and knowledge

2.3 地理空間信息的基本要素

本文中的智能分析，指的是使信息變得更易理解、分享和預(yù)測(cè)，即在不需要實(shí)地測(cè)繪前提下也能解讀到地理實(shí)體的變化狀態(tài)，獲知實(shí)體特征屬性，讓人們?cè)诔霎?dāng)前知識(shí)的情況下，利用數(shù)據(jù)來擴(kuò)充對(duì)事件的見解。

對(duì)于地理實(shí)體而言，地理空間信息是由地理空間（Geo-spatial，主要刻畫了實(shí)體的空間位置、空間分布和空間相關(guān)性）和地理時(shí)間（Geotemporal，主要刻畫了實(shí)體的存在時(shí)間、變化時(shí)間和時(shí)間序列相關(guān)性）度量的二維信息。因?yàn)榈乩韺?shí)體的特征都是人們自我認(rèn)識(shí)中現(xiàn)實(shí)世界的折射，為了更好地刻畫地理實(shí)體，Usery［6］提出從空間、專題和時(shí)間三個(gè)維度以及屬性和關(guān)系兩個(gè)方面來描述地理特征；魏海平［7］則指出任何地理實(shí)體都具有空間、時(shí)間和屬性的基本特征，可從對(duì)時(shí)空的不同需求上決定以哪一項(xiàng)作為主線（表1）。

表1 地理實(shí)體特征的空間、時(shí)間、屬性間關(guān)系Table 1 The relationship among space，time and attribute of geographic entity characteristics

2.4 地理空間信息建模

從表1中可得知在時(shí)間變量和空間變量共同影響下的地理實(shí)體的初始信息，這些信息是數(shù)據(jù)直接通過空間—屬性關(guān)系（拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系）、時(shí)間—屬性間關(guān)系（在…前、在…間，在…后）獲得的，而決策事件需要地理領(lǐng)域知識(shí)（結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性）和地理空間信息的綜合運(yùn)用，為實(shí)現(xiàn)智能分析，需要重點(diǎn)關(guān)注非結(jié)構(gòu)性知識(shí)對(duì)地理實(shí)體特征的影響。本文中使用語義網(wǎng)絡(luò)來理解和感知非結(jié)構(gòu)性地理知識(shí)［8］：

語義網(wǎng)絡(luò)是一種用實(shí)體及其語義關(guān)系來表達(dá)知識(shí)的有向網(wǎng)，由節(jié)點(diǎn)和弧線組成，節(jié)點(diǎn)代表實(shí)體，如各類事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件、動(dòng)作等，弧線代表語義關(guān)系，即弧線連接的兩個(gè)實(shí)體間的語義描述。語義網(wǎng)的機(jī)構(gòu)類似于人類的知識(shí)存儲(chǔ)和聯(lián)想，可以使用自然語言從現(xiàn)有知識(shí)和當(dāng)前信息中獲得新知識(shí)。本文中設(shè)定事件節(jié)點(diǎn)和實(shí)體節(jié)點(diǎn)，用語義來表達(dá)事件和實(shí)體、實(shí)體和實(shí)體之間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系詳見表2。

表2 事件—實(shí)體與多實(shí)體間關(guān)系的語義描述Table 2 Semantic descriptions of event-entity relationship and multiple-entity relationship

語義描述雖然能體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)間空間和時(shí)間關(guān)系，但是對(duì)邏輯推導(dǎo)方向的表達(dá)仍有不足，對(duì)地理空間知識(shí)的利用也有所欠缺，易造成對(duì)實(shí)體特征變化狀態(tài)的混亂分析，以致分析進(jìn)程死鎖。因此可以對(duì)地理空間知識(shí)進(jìn)行分類重組，和地理空間數(shù)據(jù)一起形成以下四層層次結(jié)構(gòu)，提高分析效率：

（1）事件層次：［事件|過程，事件參數(shù)（發(fā)生原因，事件走向，發(fā)生概率，事件發(fā)生時(shí)間）］

（2）過程層次：［過程|過程參數(shù)（過程階段（1，2，3…n），階段與事件發(fā)生時(shí)間的差值）］

（3）實(shí)體層次：［實(shí)體|實(shí)體參數(shù)（實(shí)體特征，階段1/2/…n中變化的實(shí)體特征）］

（4）數(shù)據(jù)層次：［參數(shù)—取值/值域］

綜上所述，將語義網(wǎng)絡(luò)和層次模型相結(jié)合，得到表達(dá)基于事件影響的地理實(shí)體變化的概念模型，如圖3所示：

圖3 地理空間信息的層次—事件語義網(wǎng)絡(luò)概念模型Fig3 Hierarchy-event semantic network conceptual model of geospatial information

如此，事件級(jí)和數(shù)據(jù)級(jí)之間可以進(jìn)行循環(huán)推導(dǎo)，驗(yàn)證事件對(duì)地理實(shí)體的特征屬性影響結(jié)果，完成智能分析。

3 結(jié)束語

地理空間是一個(gè)整體，為獲得所需信息，需要將地理空間內(nèi)的地理實(shí)體和環(huán)境間的絕對(duì)空間關(guān)系、實(shí)體之間的相對(duì)空間關(guān)系做出分析。但許多的分析著重于實(shí)體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)，使得空間關(guān)系僅僅表達(dá)了實(shí)體的靜態(tài)關(guān)聯(lián)。本文從地理空間信息的本質(zhì)著手，總結(jié)了數(shù)據(jù)—信息的轉(zhuǎn)換流程，以及它們與知識(shí)之間的關(guān)系。然后從地理實(shí)體特征的時(shí)間、空間和屬性三要素間關(guān)系指出利用語義描述可以有效地表達(dá)非結(jié)構(gòu)性地理空間知識(shí)，結(jié)合層次模型的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)處理數(shù)據(jù)、分解信息和形成可反饋事件的概念模型，利用基于空間和時(shí)間的數(shù)據(jù)來改變地理空間信息隱秘性，預(yù)測(cè)地理實(shí)體的變化態(tài)勢(shì)達(dá)到智能分析的最終目的。

為了避免數(shù)據(jù)重復(fù)、劃分信息重要級(jí)別，還應(yīng)該在事件—實(shí)體變化聯(lián)系的時(shí)效性方面進(jìn)行研究，此外空間關(guān)系獨(dú)立性也是未來研究重點(diǎn)。

/References

［1］ 劉妍，趙新國(guó)，韋韜.美國(guó)地理空間情報(bào)作戰(zhàn)英勇及啟示［J］.裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（24）:129.

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［3］ 趙汗青，郭剛.地理空間信息元數(shù)據(jù)模型［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004（z1）:19-23.

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［5］ Ilkka Tuomi.The Future of Knowledge Management［J］.Lifelong Learning in Europe（LLinE），2002，7（2）:69-79.

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Research On Geospatial Information Intelligent Analysis

Tang Jinghuang，F(xiàn)ang Jing，Huang Huiqing
（The Third Institute of Surveying and Mapping of Hunan，Changsha Hunan 410119）

This paper introduces some basic definitions in the field of geographic space.We study the formation of spatial data and its transformation to the decision-making reference information.Spatial information changes dynamically due to environmental transition and human activity.In that case，we propose a conceptual model from the aspect of knowledge cognition and relation semantics.By integrating the advantages of hierarchical model and semantic web，this model provides a new idea for intelligent analysis and application of geographical information.

geospatial information； intelligent analysis； semantics； hierarchical model

P208

A

1672-5603（2016）02-84-5

*第一作者簡(jiǎn)介 湯競(jìng)煌，男，1979年生，高級(jí)工程師，主要從事國(guó)土測(cè)繪地理信息技術(shù)研究工作。E-mail: 598902787@qq.com

2016-2-17；改回日期：2016-5-10。