全息地理空間本體模型構建

張 斌，李宏偉，崔鐵軍

（1.鄭州大學 地球科學與技術學院，河南 鄭州 450052；2. 天津師范大學 地理與環境科學學院，天津 300387）

全息的內涵是對客觀世界，真實現象的全方位表達。任何事物都不是孤立的，都可以拆分為一系列全息元，每個全息元分別反映事物不同側面的特征，透過現象看本質，全息元的組合體現了事物的本質特征。對應于空間認知與地理信息服務，也需要表達與空間對象相關的全方位的信息，引入全息的概念[1-3]可以理解為三方面內容:一是從數據表達上構建全息地理空間數據模型；二是從數據關聯上建立全息地理信息關聯框架；三是從地理信息服務上進行全息地理過程重構，建立全息地理信息服務平臺。本文主要就全息數據表達進行論述，即地理空間數據全息本體模型的構建。

1 模型概念框架

建立地理空間數據本體首先必須明確地理空間中所涉及到的概念、關系、規則、屬性和實例等內容，即建模五元組，之后便可在某種特定的本體語言基礎之上，運用本體創建工具得到相應的本體模型。因此，構建較為完整的地理空間數據本體需將相關領域的概念表達清楚。本文從數據表現形式和數據特征兩方面入手作為劃分依據，將地理空間數據劃分為空間數據和地理數據兩種類型，其中空間數據就是傳統意義上的基礎地理信息數據，以表達地理空間數據的空間特征為主，也就是刻畫地理對象的空間位置和空間關系。地理數據則是一系列表達地球表面地理特征的數據，是從地理學的視角探索地球奧秘、自然環境、人類社會、經濟發展等而產生的文字、圖片、報表、聲音、視頻等多種媒體形式的數據，與空間數據不同，地理數據主要描述地理對象的屬性信息，包括時態信息。前者從空間數據的幾何、拓撲及屬性特征入手，從點、線、面及聚合對象等方面進行抽象概括；后者從人類活動出發，劃分成自然地理數據和人文地理數據。自然地理數據表示客觀世界中存在的一些地理對象或自然現象，如河流、高山、雨、雪等；人文地理數據是有人類活動接觸的地理對象或社會經濟現象，如政治、經濟、文化、社會以及境界等。

在實際應用中，空間數據往往是作為底層的可視化和空間分析數據，配合地理數據進行某些行業的具體應用。當前，隨著地理信息服務行業的不斷延伸，地理數據在應用中的比重越來越大，作用也越來越顯著。

全息地理空間數據本體模型概念框架如圖1 所示，利用本體知識，自頂向下建立地理空間的概念分類體系，從空間數據和地理數據2 個層面出發，以關系、特征、規則為指導，空間實體、地理對象具體形式為內容進行構建，主要可分為3 個部分:空間關系模型、空間數據模型和地理數據模型。

2 空間關系本體模型

地理空間數據所獨有的特征由地理實體的位置、形狀、大小以及相互之間的方向、度量和拓撲關系組成，是地理空間數據區別與其他數據的標志性信息[4]。

空間關系從地理空間中基本的點、線、面要素出發，對于形狀不規則的復合要素，可以利用其最小外接矩形，建立起拓撲、度量和方位3 種基本的空間關系，在拓撲空間關系中，基本的拓撲關系包括包含、關聯、鄰接和層次關系，對應于本體的形式化表達就有相離、相鄰、相交等8 種情況；方位關系有固定方位和相對方位之分，前者對方向刻畫建立起統一的參考框架，后者則根據目標點與參考點的位置不同呈現多種表達方式；度量關系包括距離關系和尺寸位置關系，利用遠、近、大、小等進行形式化表達。此外，對于空間特征的表達還有定量的數字形式和自然語言的描述形式，如“50 m”、“60 m”、“從這里沿科學大道往西第2 個路口往左再走3 紅綠燈”等[5]，這些信息結合在一起共同構成了空間關系本體概念模型，即空間關系全息元，如圖2 所示。

圖2 空間關系本體概念模型

3 空間數據本體表達

地理空間數據是對復雜地物簡化抽象的結果，有多尺度、多維、多時態等特征，這里的空間數據代表傳統意義上的基礎地理信息數據，各種類型的空間數據分別蘊含著地理實體全息空間的反映。空間數據本體模型就是在此基礎上對空間數據邏輯的一種表示，是一切空間數據存儲、管理、應用的基礎，也是地理信息服務與應用的支撐。

空間數據本體模型是關于空間數據組織的概念和方法，它反映了地理空間中地理實體的位置、分布及實體間的空間關系，從全息觀點出發，也可稱為空間數據全息元。根據人類認識地理空間由簡到繁的層次和傳統地圖數據組織和認知的模式，可將空間數據全息元劃分為空間數據多尺度全息、區域分塊全息、分層全息、對象全息和空間關系全息。

空間數據模型是用戶看到一定的地理空間內，不同詳細程度地對分布在三維空間中地理要素對象集、地理要素之間存在空間關系的總體描述，以上5 種空間數據全息元分別從不同表達粒度和認知角度刻畫了空間數據。按照全息論和本體的思想，將上述5 種空間數據全息元有機組合在一起，構成空間數據全息元，即全息空間數據本體模型，模型可分為幾何對象全息、地理要素全息（簡單、復合）、空間關系全息、可視化全息、地理要素分層全息、區域分塊全息和工作區（空間數據多尺度）全息。通過全息元間的繼承關系綜合地描述了地理空間復雜的地理實體現象及相互關系。全息空間數據本體模型框架如圖3 所示。

圖3 全息空間數據本體模型框架

1）描述空間數據需要不同比例尺、不同類型（矢量數據、DEM 數據和遙感影像數據）的空間數據，每種空間數據構成一個工作區全息元。

2）工作區全息元可以劃分為不同的數據塊全息元，以數據塊全息元為單位，進行數據錄入和存儲管理。

3）每一個數據塊全息元又可以分為多個要素層全息元。要素層全息元是空間數據進行數據采集、編輯、管理、分析、應用等的基礎單位。

4）要素層全息元由下一級別的地理要素全息元構成，地理要素全息元是地理對象和現象的基礎表示單位，包含空間信息（幾何對象）和屬性信息。幾何對象全息元是空間數據中最小的儲存單元，不體現地理對象的屬性信息，只是表達了地理對象的空間位置、分布和關系，滿足地理對象的快速顯示和查詢。幾何對象全息元附加屬性信息后構成地理要素全息元，又可分為基本要素全息元和復合要素全息元。基本要素全息元是地理對象的最小構成單位。復合要素全息元由一個以上的性質相同或相似的基本地理要素全息元有機組合而成，再利用空間關系全息，建立起幾何對象全息元、地理要素全息元相互間的空間關系，這樣就由地理空間、工作區、數據塊、要素層、地理要素、幾何對象和空間關系等全息元共同構成一個空間數據全息元。

4 地理數據本體表達

地理空間信息的表達，只有空間數據是不夠的，還需要加入與人類生產、生活息息相關的地理數據。空間數據是基礎地理信息數據，是對地理實體和現象的位置、分布和空間關系的描述。通過空間數據，我們建立起對客觀世界的描述框架，能夠進行一般的定位查詢、定性搜索和空間關系分析，但是沒有將地理學這一博大精深學科很多經典的知識融入進來，也不能滿足與社會各行業的有效結合，不能探尋自然世界深層次的地理信息，因此，作為空間數據的有效補充，我們從地理學的視角，提出地理數據的概念，其涵蓋了與地球、自然、人類、社會相關的各類型數據，主要體現地理實體和現象的地理特征，或者說屬性特征，這里的屬性更突出各專業學科、各行業、各種具體應用。地理數據同樣也是體現地理空間的全息元，包括各種自然事物和現象，與人類活動相關的物體與現象，以及人對地球、自然、社會的意識形態等，如自然資源、洪水災害、建筑物、商品運輸、對產糧區、工業區的劃分以及我國三級階梯的地形走勢等都歸于地理數據的范疇。地理數據全息元的容量是可變的，從一塊石頭延伸到宇宙太空，都是全息元的單位。地理數據全息元在相對獨立的同時，也存在著全息關聯，如水系既屬于自然資源又是生態環境的組成部分，礦產屬于自然資源但又是經濟建設信息等[6]。因此，對于地理數據的概念等級劃分就顯得很重要，地理數據概念體系一旦確定，由于數據只涉及屬性方面的語義關系的處理，因此利用本體開發工具就可以直接構建全息地理數據本體模型，即地理數據全息元。

目前，地理數據的概念體系沒有一個明確的劃分，參考其他學者的地理本體方法，本文采用層級分類的方法。從人類活動出發，結合地理學中的概念分類，在頂層劃分成自然地理全息元和人文地理全息元。前者表示客觀世界中存在的一些地理對象或自然現象，如河流、高山、雨、雪等；后者是有人類活動接觸的地理對象或社會經濟現象，如政治、經濟、文化、社會以及境界等。

前不久國家進行機構改革，成立了自然資源部，其目的就是需要對自然地理中的各種資源信息進行優化整合。此外，地理科學的學科目錄中也將自然地理與資源環境合在一起作為二級專業名稱提出，在國家地球系統科學數據共享服務平臺中也將自然資源主題單獨列出，由此可見自然資源信息的重要性，因此本文從自然資源信息角度建立自然地理概念框架。

本文在此基礎上，將人文地理全息元進一步劃分為人文社會經濟全息元、城市地理全息元和生態環境全息元等。需要注意的是，從不同觀點出發，可以得到不同的地理數據概念分類。結合自然地理全息元和人文地理全息元，全息地理數據本體概念框架如圖4所示。

圖4 全息地理數據本體概念框架

5 地理空間數據本體模型

將得到的空間數據全息元、地理數據全息元和空間關系全息元進行整合，利用Protégé 本體構建工具，設計得到全息地理空間數據本體模型，如圖5、6 所示。

圖5 全息地理空間數據本體模型

與傳統空間數據模型相比，全息地理空間數據本體模型有6 個方面的新特點:

1）屬性全息，利用本體的特性，在全息元中對屬性靈活配置，體現在兩個方面:類與屬性相分離，數據屬性與對象屬性相分離。通過在模型中添加自定義屬性項，確保地理空間數據的多主題表達，全方位的對地理空間對象的概念、類別、位置、分布、數量、質量、行為、關系、時間等特征進行描述。

2）尺度全息，利用全息的觀點，從宏觀到微觀，構建了刻畫地理空間的多級尺度全息元，從點、線、面等幾何對象全息元到各種比例尺或類型空間數據的工作區全息元，全方位表達空間特征。

3）形態全息，不同尺度下地理空間數據具有不同的結構形式，也就形成了多種形態特征，或者說全息元的組合構成了不同的地理空間數據形態，體現在屬性約束、數據行為、數據結構和數據類型等方面。

4）表達全息，利用地理學的觀點，將自然地理全息元和人文地理全息元納入地理空間數據的范圍，進一步豐富了數據模型中地理信息的表達，讓空間數據不再受限于空間數據可視化、空間分析等傳統應用領域，為跨學科、跨專業的應用分析和科學決策提供可能。

5）動態全息，在本體模型中設計了時態屬性，記錄了地理空間對象的位置、屬性等變化的動態行為信息，利用全息關聯的時間關聯規則，可以建立地理過程模型，進行知識獲取與時空模擬，提供變化預測與決策支持。

6）環境全息，構建的全息地理空間數據本體模型，支持對二三維、室內外、地上地下以及水上水下的空間對象進行描述，并且在應用上，根據此模型開發全息地理信息服務平臺支持網絡瀏覽器、PC 客戶端、移動終端等多種用戶平臺，滿足全環境條件下的定義與使用。

圖6 全息地理空間數據本體模型

6 結 語

綜上所述，以本體論、全息論為基礎，把握地理空間數據的空間和地理特征，利用空間認知、地理學、地理信息科學等理論方法，研究構建全息地理空間數據模型，能夠對空間地物的性質、分類、分級等語義特征進行精確描述，還能對空間位置、空間形態、空間分布和空間關系等空間特征進行分析，適用于地理空間認知與地理信息智能化服務領域。科學的認識從地理空間到全息空間的轉化機制，有助于推進我國地理信息科學的研究與發展，更好地為國家安全、經濟建設和創建和諧社會服務。