地理時空本體研究進展
摘 要: 地理現實的動態性早已被人們所廣泛接受, 目前關於時空GIS 的研究也越來越多. 本體技術的引進, 為地理時空研究提供了一條新途徑. 從地理時空本體的起源基礎介紹了時間本體、空間本體的基元、特性、表示模型等, 綜述了目前時空本體的研究進展, 總結了目前研究中存在的一些問題並展望了未來的發展方向.
關鍵詞: 地理時空本體; 時間本體; 空間本體
時間與空間永遠是人類永恆的話題, 也是一直困擾著各學科的少數共同概念之一. 對於地理學而言, 其所有的研究物件都與時間和空間密切相關.地理資訊具有區域性、多維結構特徵和動態變化特徵. 地理資訊系統的出現, 使其以地理資訊世界來表達地理現實世界, 來真實、快速地模擬各種自然過程和思維過程. 傳統的地理資訊系統中只考慮了地物的空間特性, 忽略了其時間特性. 而在許多應用領域,
這種動態變化規律在問題的求解過程中起著十分重要的作用. 因此, 近年來對G IS 中時態特性的研究十分活躍, 即所謂“時空系統”. 時空語義對於在建立真實世界和地理資訊系統的聯絡起極其重要的橋樑作用. 但是, 受到研究理論和技術制約, 目前對於時空G IS 的研究進展仍十分緩慢. 隨著G IS 的智慧化、網路化和大眾化的發展必然趨勢, 對G IS
理論和技術上的創新也提出了更高的要求.
1 時空本體的起源基礎
本體最初為哲學概念, 是指關於存在及其本體和規律的學說, 是關於世界某個方面的一個特定的分類體系. 本體論發展到後來, 演變成了一種“借用”或“承諾”. 後來被引入人工智慧領域後, 本體被認為是共享的概念模型的明確的形式化規範說明[ 1 ]. 在地理資訊領域, 雖然目前還沒有達成共識的地理本體的概念, 但一致認為地理本體應該包含哲學本體和資訊本體的內涵.
1. 1 時間本體
心理學和哲學領域通常把時間分為3 種, 即自然時間*** natu ral t im e ***、習俗時間*** conven t ional t im e*** 和邏輯時間*** logic t im e*** [ 2 ]. 在人工智慧領域,由於應用領域的複雜性, 需要使時間概念更加明確. 因而時間本體的建立一般是基於時間基元*** tempo ral p rim it ive*** 的, 時間基元的選擇對於表示時間概念的時間模型尤其重要. 目前對於時間基元主要有兩種對立的觀點, 即時間點*** in stan t s o r po in t s*** 和時間段***periods o r in tervals***. 有些學者認為時間基元可以同時包含二者. 此外, 也有學者並不基於純粹的時間基元建立時間本體. 例如Moen 等人便從語言學角度出發, 研究了基於原因、結果等概念上的時間本體[ 3 ].
時間本體的屬性主要涉及次序、結構和界限性等問題. 時間的次序性問題主要為: 時間流是線形、分支還是迴圈的? 時間的結構是密集的、離散的還是連續的? 時間是有限的還是無限的? 線性時間是最普遍的模型, 而分支模型考慮了將來可能發生的多種可能性, 迴圈時間可以看作是線性時間的特殊形式. 密集型時間與有理數集***Q *** 同構, 離散時間與整數集***Z*** 同構, 而連續時間則與實數集***R *** 同構. 時間的無限延展可以發生在連續的線性時間和迴圈時間中, 卻不能發展在離散的線性或分支時間裡; 在時間系統裡引入度量關係就可以轉化為一個日曆系統.
決定時間關係型別以及時間表現形式的時間約束有基於定性時間關係的和基於定量資訊的, 也有將二者融合進行約束的. 定性關係主要有A llen的時間區間代數[ 4 ]、M atu szee 等人的基於時間段端點的區域性資訊方法[ 5 ]、F rek sa 基於鄰近概念的半區間方法[ 6 ]等. 定量關係中最簡單的例子是根據日期或其他準確的數值形式獲得時間資訊. Kau tz和L adk in[ 7 ]等人提出了把時間的定性和定量關係相結合的方法來處理不同精度時間知識的可得性.
時間關係的表示模型很多, 根據它們所採用的時間本體的基元不同可以大致分為兩類, 即以時間點為時間基元的表示模型和以時間段為時間基元的表示模型. 在人工智慧早期的研究中, 多數的工作是以時間點為時間基元的, 例如狀態演算***situat ional calcu lu s*** [ 8 ]、B ruce 的Ch rono s 系統[ 9 ]以及時間專家系統*** t im e specialist*** [ 10 ]等. 但是在後來的研究中, 以A llen 為首的許多學者認為時間段比時間點更能體現人們常識中的時間概念.A llen 提出, 由於時間段是表示屬性***p ropert ies*** 和事件***even t s*** 的最好概念, 因而它應該是唯一的時間基元. 此後, 許多學者都以此為依據建立一些模型. 也有學者提出過包含兩種基元的時間模型, 例如V ila[ 11 ]等人.
1. 2 空間本體
對於空間本體的基元, 主要有基於點和基於區域兩種選擇[ 12 ]. 最初的空間數學理論中, 把點作為基本空間實體, 並用點把區域定義為點的集合. 在Q SR ***定性空間表示*** 中, 更趨向於把區域作為基本空間實體. 儘管本體的出現意味著為多數空間和幾何概念建立新的理論, 但是多數學者仍認為區域是本體基元.
除了基元問題外, 空間本體還要考慮空間的性質, 即它是同維的還是混合維的、離散的還是連續的、有限的還是無限的.代寫碩士論文 這些問題引發了允許什麼樣的基元“計算”的問題. 即相當於邏輯理論中什麼樣的簡單非邏輯符號在沒有定義而只是被某個公理既約束條件下可以被承認. 另一個本體問題就是多維空間的建模問題, 一個方法是通過分別考慮每個維來進行空間建模, 但這種方法仍非常不完備.
由於空間關係可以分為3 類, 即拓撲關係、方位關係和度量關係. 因而, 其表示模型可以分為拓撲模型、方向模型和度量模型. 空間拓撲模型有點集拓撲和區域拓撲兩類, 影響較大的是RCC 模型[ 13 ] , 它是以區域作為空間基元的. 方向模型研究中, 使用了點和區域兩種基元, 例如F rank 的“錐形法”和“投影法”[ 14 ]以及F rek sa 的“雙十字模型”[ 15 ]等都是針對點物件的; 而Goyal 和Egenhofer 的MBR 法則[ 16 ]依據於區域. 度量關係模型中多以點為空間基元, 定量度量關係通常使用歐氏距離來進行量算, 偶爾也採用曼哈頓距離等; 而定性度量關係則常用遠、近、中等等來表示距離. 在定位時, 度量關係往往需要和方向關係進行結合.
2 時空本體的研究進展
現實世界中時間和空間是緊密聯絡、不可分割的. 因而, 人們日益認識到真實世界的時空模型的重要性和必要性. 目前, 有兩種建立時空模型的思路, 其一是利用已有的時間模型和空間模型; 其二是試圖重新建立統一的時空模型. 前者主要是在已有的時態模型的基礎上新增對空間的支援能力; 或在已有的空間模型的基礎上新增對時態的支援; 或者是將時態模型和空間模型作正交組合. 後者則將時空看作原子實體, 以此為基礎建立新的時空統一模型. 兩種思路各有千秋, 從實現難度看, 前者與現有研究基礎結合比較緊密, 更易於實現; 而從理論角度看, 後者則更為完美. 總的說來, 目前從本體角度對時空關係進行研究仍處於探索階段, 尚無十分成熟的理論和技術方法.
2. 1 主要研究趨向
目前孤立研究時間關係或空間關係的學者較多, 但是將二者結合起來, 並明確提出從本體角度研究時空關係的學者仍比較少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早開始在對時空資料庫的基礎本體的研究中提出了一個5 層的本體, 每層都應用不同的規則. 他把自然事實看作一個四維場模型, 構造公式a= f ***x , y , z , t*** 來表示一個只有唯一值的函式, 該公式表明只有唯一的時空世界[ 17 ]. 此外他還從語言學和認知角度研究了時空G IS 中的本體的一致性[ 18 ].
但也有學者認為時空本體並非是唯一的, 單一四維模型不能有效的表達現實世界的時空關係.B it tner[ 19 ]首先提出了建立兩種時空本體, 即SNA Pon to logy ***快照本體*** 和SPAN on to logy ***時段本體*** , 前者認為永久的實體處於特定的時刻之中, 後者認為實體持續存在於完整的時間之中. 並且他提出了粒度的概念來分解空間和時間, 分別建立對應的本體論. Grenon[ 20 ]定義的時空本體在時空表示方面也區分了兩種物件: 持續物件***Endu ran t*** , 可以在給定時刻存在的物質、性質、關係、功能等; 連續物件***Perdu ran t*** , 對應某個過程, 並不在某個給定時刻存在, 而是作為整體存在於一段時間之內.這兩種物件分別對應E2本體和P2本體. 持續物件可以作為連續物件的組成部分, 參與連續物件對應的過程. 他還給出了時空本體的20 條公理. 在隨後的工作中, Grenon 和Sm ith[ 21 ] 針對地理現實的動態性, 進一步提出一個好的本體應該既能表示同時發生的現實又能表示歷史事實, 針對這兩個不同的任務他們提出了用當代哲學本體中的三維和四維相結合的辦法來解決, 他們建立了一個包括兩個成分的形式本體SNA P 和SPAN , 一個是針對地理物件, 一個針對地理過程. SNA P 處理三維實世界, 包括它們所處的空間區域以及所有的性質、功率、功能、角色以及其他從一個時刻到下一個時刻保持一致的實體. SPAN 則適於處理包括持續實體在內的過程以及這些過程發生的時空體*** spat io tempo ralvo lum es***. 國內也有學者[ 22 ]將其分為TSOO ***時空物件本體*** 和TSPO ***時空過程本體*** , 其觀點與Grenon 觀點實質相同.
雖然目前對於時空本體的形式化尚未取得一致性意見, 但是有一些學者提出了自己對建立時空本體的規範性要求的看法. Galton[ 23 ] 在在回顧了地理學以及地理資訊科學範圍內的多種現象種類後, 確定了3 個可以全面、適當處理這些現象的時空地理本體所必要條件, 一個這樣的本體必須:①提供合適的表現和操作形式以適當處理基於場和基於物件的世界視點間的豐富的相互連線的網路; ②把基於場和基於物件的模型, 以及用來處理這些模型的表現形式擴充套件到時間領域; ③提供一種方法來發展時空範圍以及範圍內存在的現象的不同模型, 尤其是對於那些諸如暴風雪、洪水、野火等似乎既表現為物件性又表現為過程性的雙重性的現象.
2. 2 時空本體庫
由於時間與空間都屬於常識範疇, 是重要的常識概念, 因此, 任何重要的上層本體都必須考慮時間和空間的問題. 目前已有的時空本體庫裡一般是將時間本體與空間本體分開建立. 比較大型的本體庫有斯坦福大學的P ro tégé本體庫[ 24 ]、CYC 上層本體庫[ 25 ] , IEEE 的標準上層本體工作組開發的SUMO 本體[ 26 ]等. 其中P ro tégé本體庫中涉及到時間和空間本體的有NA SA 開發的SW EET*** Sem an t ic W eb fo r Earth and Environm en tal Term ino logy *** 本體系統; O GC ***Open G IS Con so rt ium *** 的地理標記語言O GC 本體系統; ISO的OWL 本體中包括地理資訊空間框架*** ISO 19107: 2003***、地理資訊時間框架*** ISO 19108:2002***、地理資訊空間座標參考*** ISO 19111: 2003***、地理資訊空間地理標記參考*** ISO 19112: 2003*** 等.比較常用的是以語言命名的DAML 時間本體和空間本體. 也有學者嘗試著對建立統一的時空本體提出了自己的構想, 如胡鶴在其博士論文中利用OWL DL 對DAML 時間本體和空間本體進行結合建立了統一的時空本體框架[ 27 ]. 此外, 還有一些小的時間本體、空間本體以及時空本體的存在.
2. 3 研究熱點
2. 3. 1時空本體建模的形式化語言與推理
F rank 認為本體需要形式化語言來描述, 並且這種語言應該具有客觀的形式、明確的宣告性、型別化、自動的一致性檢驗機制以及可執行性[ 17 ]. 研究時空本體的傳統方法主要是邏輯的方法. 且使用較多的是以一階謂詞邏輯為基礎, 引入其他非經典邏輯的方法. 例如,Wo lter 等人[ 28 ] ***2000*** 採用語義的方法, 將時態模型T 和空間模型S 結合成一個多維時空結構. 他們把時空解釋成時間和空間結構的迪卡爾乘積, 並基於BRCC - 8 進行時空表示, 構造ST 0、ST 1、ST 2 這3 個時空邏輯. 對ST i 應用模態運算元□、◇得到STB i, 在STB i 上新增時間區域項得到STB i+ . Wo lter[ 29 ]等人***2002*** 構造了一階時空邏輯***FO ST *** , 並指出在基於無限時間流的拓撲時態模型中, 由於時態操作符和作用於區域變數上的量詞導致FO ST 的可滿足問題是不可判定的, 他們將BRCC- 8 嵌入到雙模態邏輯S4u 中***可判定的*** , 然後再把S4u 嵌入到一階邏輯單變數子集中***N P- 完全的*** , 構造出命題時空語言***PST *** , 有關任意拓撲模型中的PST 公式可滿足性問題的計算性質還有待研究. 通過在BRCC- 8 中加入區間時態邏輯***ALL - 13*** 得到ARCC- 8 邏輯. ARCC- 8公式在時態拓撲模型中是N P 完全的. Bennet t 等人[ 30 ] ***2002*** 將命題時態邏輯PTL 和空間模態邏輯S4u 結合起來, 形成了“二維”時空邏輯PSTL.
PSTL 是否可判定, 仍然是未解決的問題, 但通過嵌入PSTL 到RCC8 空間邏輯, 能得到一些可判定的子系統. M u ller[ 31 ] ***2002*** 把時間和空間看成同質***homogeneity*** 的, 以時空區域***時空歷史*** 為基本實體, 在擴充套件A sher 的空間邏輯公理集基礎上,定義了時序關係和時空約束, 建立了一階時空邏輯模型, 並基於該邏輯提出了有關運動的推理理論.隨著更易被人和機器理解的描述邏輯***DL *** 的出現與發展, Haarslev 在ALC ***D*** 的基礎上對描述邏輯進行了擴充套件. 他研究了ALCRP ***D *** 理論作為地理資訊系統領域的知識表示和查詢操作的基礎, 通過具體領域和一個角色形成謂詞運算元的結合, 把時間推理加入了空間和術語推理中, 克服了過去ALC***D*** 只能進行概念推理或只能進行空間定性推理的侷限性. 並且Haarslev 還證明了ALCRP ***D *** 在具體的時空領域應用中具有明顯的優勢[ 32 ]. 該方法後來被Sw iss 國家基金委O FES 支助的部分歐洲Know ledgeW eb 和D IP 專案所採用.
2. 3. 2時空本體的粒度問題 粒度是構成完整的空間和時間資料所必需的, 粒度問題是影響時空不確定性的關鍵因素. 大量的應用要求事實以及其時空背景一起儲存, 這就需要根據合適的粒度來表示. 並且, G IS 中時空資料可以用不同的粒度來記錄和查詢. 因此需要在不同粒度之間進行轉化與合併. 目前已經有許多學者分別研究了時間粒度和空間粒度的問題. Bet t in i[ 33 ]
等人提出了形式化表示的時間粒度——日曆代數***Calendar A lgeb ra*** , 並把它應用到時間資料庫、時間CSP、時間資料探勘等領域. 他將時間劃分為日曆法中的年、月、日、小時、分鐘等不同粒度. Wo rboys[ 34 ]等則研究了空間的粒度問題. B it tner ***2000*** 採用了一個基於粗糙集理論的時間或空間粒度理論, 提出用大致位置的方法來表示近似空間區域[
35 ] 或時間段[ 36 ]. Stell[ 37 ]***2003*** 對時空粒度的定性外延進行了研究. 但是這些工作都沒有形式化理論來解決時空資訊的多時空粒度問題. B it tner 的理論只適合解決單一的時間或空間問題, 而Stell 只進行了描述, 沒有給出明確定義和操作. Sm ith 和B rogaard[ 38 ] 於2002 年在對L ew is
提出的個體與個體和的部分- 整體關係的分類進行總結的基礎上提出了粒度劃分***granu lar part it ion***. 該方法以集理論和部分- 整體理論為其理論基礎, 可作為形式化本體的工具和人類認知表現結構. 隨後Sm ith 和B it tner 又提出了粒度劃分的形式化理論[ 39 ] , 並針對時空本體SNA P和SPAN 提出了粒度時空本體SNA P 和SPAN [ 40
].國內也有部分學者提出了自己的觀點, 王生生等人[ 41 ]提出了一個對於時空資料模型通用的支援多粒度和不確定性時空粒度的理論. 他主要是使用了時間粒度和空間粒度的乘積空間來表示時空粒度.也有人[ 22 ]提出了用於G IS 整合的時空語義粒度,即時空物件粒度本體與時空過程粒度本體, 二者都可以根據粗糙程度進一步細分為良性粒度和粗糙粒度.
2. 3. 3時空本體的應用 由於時空問題普遍存在於各領域中, 因而時空本體的研究對於解決不同時空表示系統之間的互動、整合、共享、重用等有著重要的意義. 代寫醫學論文 目前, 時空本體已經引起了生物資訊化、G IS、常識庫建造以及語義W eb 領域學者的廣泛關注, 並且在一些應用領域已有一些實證研究. 但是,目前對於地理時空本體的應用研究仍然處於探索階段, 主要用於時空推理方面,
例如, Kaupp inen 和Hyv nen 等[ 42 ]建立20 世紀到2004 年的芬蘭的時間區域本體, 他們使用了本體的時間序列模型來進行推理以解決與歷史相關的資料庫中的資訊查詢問題, 該方法成功的表示了芬蘭歷史地理區域隨時間演變的過程.
3 結論與展望
總的來說, 目前對於時空地理本體的研究, 仍然處於起步階段, 因而很多研究領域都存在亟待解決的問題.
***1*** 地理時空本體基元的選擇. 不同基元的選擇受人們對時空現象認知的影響, 反過來, 基元的選擇對於時空本體的形式化表示至關重要, 以不同基元為基礎的時空本體會影響人們對世界的進一步認知以及知識的交流. 目前對於時空本體基元的選擇仍未有統一看法.
***2*** 地理時空本體的形式化表示以及時空本體的建立. 目前對時空本體採用的形式化工具多是基於一階謂詞邏輯的基礎上的, 而使用描述邏輯定義時空本體的工作仍較少. 因此應該進一步研究時空本體的形式化方法, 建立良性的形式化時空本體, 使得所建立的時空本體更適合於人們對時空常識的理解. 此外, 如何在建立的時空本體之間進行轉化,
尤其是如何在以不同基元為基礎的時空本體之間進行轉化與無縫結合也是個值得探索的問題.
***3*** 地理時空本體粒度的研究. 粒度的變化影響人們對地理時空的認識, 不同粒度下, 人們認知的時空範圍大小與層次有所不同. 如何選擇適合人們不同視點需求並且易於在G IS 中表達的粒度是值得進一步研究的課題.
***4*** 地理時空本體與實際應用. 時空本體是可應用於各學科領域的頂級本體, 因此, 可以表達地理學領域與時空相關的一切地理現象. 但是, 目前對於地理時空本體的實際應用研究尚不多, 代寫工作總結 仍然處於探索階段. 因而, 應該積極探索地理時空本體的廣泛應用領域, 並建立與具體應用領域相關的推理規則, 推理模型等, 以解決領域中的實際問題.
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