摘 要: 地理现实的动态性早已被人们所广泛接受, 目前关于时空GIS 的研究也越来越多. 本体技术的引进, 为地理时空研究提供了一条新途径. 从地理时空本体的起源基础介绍了时间本体、空间本体的基元、特性、表示模型等, 综述了目前时空本体的研究进展, 总结了目前研究中存在的一些问题并展望了未来的发展方向.
关键词: 地理时空本体; 时间本体; 空间本体
时间与空间永远是人类永恒的话题, 也是一直困扰着各学科的少数共同概念之一. 对于地理学而言, 其所有的研究对象都与时间和空间密切相关.地理信息具有区域性、多维结构特征和动态变化特征. 地理信息系统的出现, 使其以地理信息世界来表达地理现实世界, 来真实、快速地模拟各种自然过程和思维过程. 传统的地理信息系统中只考虑了地物的空间特性, 忽略了其时间特性. 而在许多应用领域, 这种动态变化规律在问题的求解过程中起着十分重要的作用. 因此, 近年来对G IS 中时态特性的研究十分活跃, 即所谓“时空系统”. 时空语义对于在建立真实世界和地理信息系统的联系起极其重要的桥梁作用. 但是, 受到研究理论和技术制约, 目前对于时空G IS 的研究进展仍十分缓慢. 随着G IS 的智能化、网络化和大众化的发展必然趋势, 对G IS 理论和技术上的创新也提出了更高的要求.
为此, 将本体论作为新的理论和方法引入时空G IS 的研究中具有十分重要的意义. 代写论文由于本体技术对于地理信息科学研究的重要性以及地理信息科学中时空的重要性, 地理本体必须包含一个对于世界的全面的时空观点, 成了地理时空本体研究的重要背景. 本文介绍了时空本体的相关概念、表示模型等, 综述了目前时空本体的研究进展, 并对目前研究中存在的一些问题及发展方向进行了探讨.
1 时空本体的起源基础
本体最初为哲学概念, 是指关于存在及其本体和规律的学说, 是关于世界某个方面的一个特定的分类体系. 本体论发展到后来, 演变成了一种“借用”或“承诺”. 后来被引入人工智能领域后, 本体被认为是共享的概念模型的明确的形式化规范说明[ 1 ]. 在地理信息领域, 虽然目前还没有达成共识的地理本体的概念, 但一致认为地理本体应该包含哲学本体和信息本体的内涵.
时空地理本体的研究是建立在前人对时间本体和空间本体的大量研究成果之上的. 代写毕业论文这里简要介绍时间本体以及空间本体的基元、属性以及表示模型等.
1. 1 时间本体
心理学和哲学领域通常把时间分为3 种, 即自然时间( natu ral t im e )、习俗时间( conven t ional t im e) 和逻辑时间( logic t im e) [ 2 ]. 在人工智能领域,由于应用领域的复杂性, 需要使时间概念更加明确. 因而时间本体的建立一般是基于时间基元( tempo ral p rim it ive) 的, 时间基元的选择对于表示时间概念的时间模型尤其重要. 目前对于时间基元主要有两种对立的观点, 即时间点( in stan t s o r po in t s) 和时间段(periods o r in tervals). 有些学者认为时间基元可以同时包含二者. 此外, 也有学者并不基于纯粹的时间基元建立时间本体. 例如Moen 等人便从语言学角度出发, 研究了基于原因、结果等概念上的时间本体[ 3 ].
时间本体的属性主要涉及次序、结构和界限性等问题. 时间的次序性问题主要为: 时间流是线形、分支还是循环的? 时间的结构是密集的、离散的还是连续的? 时间是有限的还是无限的? 线性时间是最普遍的模型, 而分支模型考虑了将来可能发生的多种可能性, 循环时间可以看作是线性时间的特殊形式. 密集型时间与有理数集(Q ) 同构, 离散时间与整数集(Z) 同构, 而连续时间则与实数集(R ) 同构. 时间的无限延展可以发生在连续的线性时间和循环时间中, 却不能发展在离散的线性或分支时间里; 在时间系统里引入度量关系就可以转化为一个日历系统.
决定时间关系类型以及时间表现形式的时间约束有基于定性时间关系的和基于定量信息的, 也有将二者融合进行约束的. 定性关系主要有A llen的时间区间代数[ 4 ]、M atu szee 等人的基于时间段端点的局部信息方法[ 5 ]、F rek sa 基于邻近概念的半区间方法[ 6 ]等. 定量关系中最简单的例子是根据日期或其他准确的数值形式获得时间信息. Kau tz和L adk in[ 7 ]等人提出了把时间的定性和定量关系相结合的方法来处理不同精度时间知识的可得性.
时间关系的表示模型很多, 根据它们所采用的时间本体的基元不同可以大致分为两类, 即以时间点为时间基元的表示模型和以时间段为时间基元的表示模型. 在人工智能早期的研究中, 多数的工作是以时间点为时间基元的, 例如状态演算(situat ional calcu lu s) [ 8 ]、B ruce 的Ch rono s 系统[ 9 ]以及时间专家系统( t im e specialist) [ 10 ]等. 但是在后来的研究中, 以A llen 为首的许多学者认为时间段比时间点更能体现人们常识中的时间概念.A llen 提出, 由于时间段是表示属性(p ropert ies) 和事件(even t s) 的最好概念, 因而它应该是唯一的时间基元. 此后, 许多学者都以此为依据建立一些模型. 也有学者提出过包含两种基元的时间模型, 例如V ila[ 11 ]等人.
1. 2 空间本体
对于空间本体的基元, 主要有基于点和基于区域两种选择[ 12 ]. 最初的空间数学理论中, 把点作为基本空间实体, 并用点把区域定义为点的集合. 在Q SR (定性空间表示) 中, 更趋向于把区域作为基本空间实体. 尽管本体的出现意味着为多数空间和几何概念建立新的理论, 但是多数学者仍认为区域是本体基元.
除了基元问题外, 空间本体还要考虑空间的性质, 即它是同维的还是混合维的、离散的还是连续的、有限的还是无限的.代写硕士论文 这些问题引发了允许什么样的基元“计算”的问题. 即相当于逻辑理论中什么样的简单非逻辑符号在没有定义而只是被某个公理既约束条件下可以被承认. 另一个本体问题就是多维空间的建模问题, 一个方法是通过分别考虑每个维来进行空间建模, 但这种方法仍非常不完备.
由于空间关系可以分为3 类, 即拓扑关系、方位关系和度量关系. 因而, 其表示模型可以分为拓扑模型、方向模型和度量模型. 空间拓扑模型有点集拓扑和区域拓扑两类, 影响较大的是RCC 模型[ 13 ] , 它是以区域作为空间基元的. 方向模型研究中, 使用了点和区域两种基元, 例如F rank 的“锥形法”和“投影法”[ 14 ]以及F rek sa 的“双十字模型”[ 15 ]等都是针对点对象的; 而Goyal 和Egenhofer 的MBR 法则[ 16 ]依据于区域. 度量关系模型中多以点为空间基元, 定量度量关系通常使用欧氏距离来进行量算, 偶尔也采用曼哈顿距离等; 而定性度量关系则常用远、近、中等等来表示距离. 在定位时, 度量关系往往需要和方向关系进行结合.
2 时空本体的研究进展
现实世界中时间和空间是紧密联系、不可分割的. 因而, 人们日益认识到真实世界的时空模型的重要性和必要性. 目前, 有两种建立时空模型的思路, 其一是利用已有的时间模型和空间模型; 其二是试图重新建立统一的时空模型. 前者主要是在已有的时态模型的基础上添加对空间的支持能力; 或在已有的空间模型的基础上添加对时态的支持; 或者是将时态模型和空间模型作正交组合. 后者则将时空看作原子实体, 以此为基础建立新的时空统一模型. 两种思路各有千秋, 从实现难度看, 前者与现有研究基础结合比较紧密, 更易于实现; 而从理论角度看, 后者则更为完美. 总的说来, 目前从本体角度对时空关系进行研究仍处于探索阶段, 尚无十分成熟的理论和技术方法.
2. 1 主要研究趋向
目前孤立研究时间关系或空间关系的学者较多, 但是将二者结合起来, 并明确提出从本体角度研究时空关系的学者仍比较少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早开始在对时空数据库的基础本体的研究中提出了一个5 层的本体, 每层都应用不同的规则. 他把自然事实看作一个四维场模型, 构造公式a= f (x , y , z , t) 来表示一个只有唯一值的函数, 该公式表明只有唯一的时空世界[ 17 ]. 此外他还从语言学和认知角度研究了时空G IS 中的本体的一致性[ 18 ].
但也有学者认为时空本体并非是唯一的, 单一四维模型不能有效的表达现实世界的时空关系.B it tner[ 19 ]首先提出了建立两种时空本体, 即SNA Pon to logy (快照本体) 和SPAN on to logy (时段本体) , 前者认为永久的实体处于特定的时刻之中, 后者认为实体持续存在于完整的时间之中. 并且他提出了粒度的概念来分解空间和时间, 分别建立对应的本体论. Grenon[ 20 ]定义的时空本体在时空表示方面也区分了两种对象: 持续对象(Endu ran t) , 可以在给定时刻存在的物质、性质、关系、功能等; 连续对象(Perdu ran t) , 对应某个过程, 并不在某个给定时刻存在, 而是作为整体存在于一段时间之内.这两种对象分别对应E2本体和P2本体. 持续对象可以作为连续对象的组成部分, 参与连续对象对应的过程. 他还给出了时空本体的20 条公理. 在随后的工作中, Grenon 和Sm ith[ 21 ] 针对地理现实的动态性, 进一步提出一个好的本体应该既能表示同时发生的现实又能表示历史事实, 针对这两个不同的任务他们提出了用当代哲学本体中的三维和四维相结合的办法来解决, 他们建立了一个包括两个成分的形式本体SNA P 和SPAN , 一个是针对地理对象, 一个针对地理过程. SNA P 处理三维实世界, 包括它们所处的空间区域以及所有的性质、功率、功能、角色以及其他从一个时刻到下一个时刻保持一致的实体. SPAN 则适于处理包括持续实体在内的过程以及这些过程发生的时空体( spat io tempo ralvo lum es). 国内也有学者[ 22 ]将其分为TSOO (时空对象本体) 和TSPO (时空过程本体) , 其观点与Grenon 观点实质相同.
虽然目前对于时空本体的形式化尚未取得一致性意见, 但是有一些学者提出了自己对建立时空本体的规范性要求的看法. Galton[ 23 ] 在在回顾了地理学以及地理信息科学范围内的多种现象种类后, 确定了3 个可以全面、适当处理这些现象的时空地理本体所必要条件, 一个这样的本体必须:①提供合适的表现和操作形式以适当处理基于场和基于对象的世界视点间的丰富的相互连接的网络; ②把基于场和基于对象的模型, 以及用来处理这些模型的表现形式扩展到时间领域; ③提供一种方法来发展时空范围以及范围内存在的现象的不同模型, 尤其是对于那些诸如暴风雪、洪水、野火等似乎既表现为对象性又表现为过程性的双重性的现象.
2. 2 时空本体库
由于时间与空间都属于常识范畴, 是重要的常识概念, 因此, 任何重要的上层本体都必须考虑时间和空间的问题. 目前已有的时空本体库里一般是将时间本体与空间本体分开建立. 比较大型的本体库有斯坦福大学的P ro tégé本体库[ 24 ]、CYC 上层本体库[ 25 ] , IEEE 的标准上层本体工作组开发的SUMO 本体[ 26 ]等. 其中P ro tégé本体库中涉及到时间和空间本体的有NA SA 开发的SW EET( Sem an t ic W eb fo r Earth and Environm en tal Term ino logy ) 本体系统; O GC (Open G IS Con so rt ium ) 的地理标记语言O GC 本体系统; ISO的OWL 本体中包括地理信息空间框架( ISO 19107: 2003)、地理信息时间框架( ISO 19108:2002)、地理信息空间坐标参考( ISO 19111: 2003)、地理信息空间地理标记参考( ISO 19112: 2003) 等.比较常用的是以语言命名的DAML 时间本体和空间本体. 也有学者尝试着对建立统一的时空本体提出了自己的构想, 如胡鹤在其博士论文中利用OWL DL 对DAML 时间本体和空间本体进行结合建立了统一的时空本体框架[ 27 ]. 此外, 还有一些小的时间本体、空间本体以及时空本体的存在.
2. 3 研究热点
2. 3. 1时空本体建模的形式化语言与推理
F rank 认为本体需要形式化语言来描述, 并且这种语言应该具有客观的形式、明确的声明性、类型化、自动的一致性检验机制以及可执行性[ 17 ]. 研究时空本体的传统方法主要是逻辑的方法. 且使用较多的是以一阶谓词逻辑为基础, 引入其他非经典逻辑的方法. 例如,Wo lter 等人[ 28 ] (2000) 采用语义的方法, 将时态模型T 和空间模型S 结合成一个多维时空结构. 他们把时空解释成时间和空间结构的迪卡尔乘积, 并基于BRCC - 8 进行时空表示, 构造ST 0、ST 1、ST 2 这3 个时空逻辑. 对ST i 应用模态算子□、◇得到STB i, 在STB i 上添加时间区域项得到STB i+ . Wo lter[ 29 ]等人(2002) 构造了一阶时空逻辑(FO ST ) , 并指出在基于无限时间流的拓扑时态模型中, 由于时态操作符和作用于区域变量上的量词导致FO ST 的可满足问题是不可判定的, 他们将BRCC- 8 嵌入到双模态逻辑S4u 中(可判定的) , 然后再把S4u 嵌入到一阶逻辑单变量子集中(N P- 完全的) , 构造出命题时空语言(PST ) , 有关任意拓扑模型中的PST 公式可满足性问题的计算性质还有待研究. 通过在BRCC- 8 中加入区间时态逻辑(ALL - 13) 得到ARCC- 8 逻辑. ARCC- 8公式在时态拓扑模型中是N P 完全的. Bennet t 等人[ 30 ] (2002) 将命题时态逻辑PTL 和空间模态逻辑S4u 结合起来, 形成了“二维”时空逻辑PSTL.
PSTL 是否可判定, 仍然是未解决的问题, 但通过嵌入PSTL 到RCC8 空间逻辑, 能得到一些可判定的子系统. M u ller[ 31 ] (2002) 把时间和空间看成同质(homogeneity) 的, 以时空区域(时空历史) 为基本实体, 在扩展A sher 的空间逻辑公理集基础上,定义了时序关系和时空约束, 建立了一阶时空逻辑模型, 并基于该逻辑提出了有关运动的推理理论.随着更易被人和机器理解的描述逻辑(DL ) 的出现与发展, Haarslev 在ALC (D) 的基础上对描述逻辑进行了扩展. 他研究了ALCRP (D ) 理论作为地理信息系统领域的知识表示和查询操作的基础, 通过具体领域和一个角色形成谓词算子的结合, 把时间推理加入了空间和术语推理中, 克服了过去ALC(D) 只能进行概念推理或只能进行空间定性推理的局限性. 并且Haarslev 还证明了ALCRP (D ) 在具体的时空领域应用中具有明显的优势[ 32 ]. 该方法后来被Sw iss 国家基金委O FES 支助的部分欧洲Know ledgeW eb 和D IP 项目所采用.
2. 3. 2时空本体的粒度问题 粒度是构成完整的空间和时间数据所必需的, 粒度问题是影响时空不确定性的关键因素. 大量的应用要求事实以及其时空背景一起存储, 这就需要根据合适的粒度来表示. 并且, G IS 中时空数据可以用不同的粒度来记录和查询. 因此需要在不同粒度之间进行转化与合并. 目前已经有许多学者分别研究了时间粒度和空间粒度的问题. Bet t in i[ 33 ] 等人提出了形式化表示的时间粒度——日历代数(Calendar A lgeb ra) , 并把它应用到时间数据库、时间CSP、时间数据挖掘等领域. 他将时间划分为日历法中的年、月、日、小时、分钟等不同粒度. Wo rboys[ 34 ]等则研究了空间的粒度问题. B it tner (2000) 采用了一个基于粗糙集理论的时间或空间粒度理论, 提出用大致位置的方法来表示近似空间区域[ 35 ] 或时间段[ 36 ]. Stell[ 37 ](2003) 对时空粒度的定性外延进行了研究. 但是这些工作都没有形式化理论来解决时空信息的多时空粒度问题. B it tner 的理论只适合解决单一的时间或空间问题, 而Stell 只进行了描述, 没有给出明确定义和操作. Sm ith 和B rogaard[ 38 ] 于2002 年在对L ew is 提出的个体与个体和的部分- 整体关系的分类进行总结的基础上提出了粒度划分(granu lar part it ion). 该方法以集理论和部分- 整体理论为其理论基础, 可作为形式化本体的工具和人类认知表现结构. 随后Sm ith 和B it tner 又提出了粒度划分的形式化理论[ 39 ] , 并针对时空本体SNA P和SPAN 提出了粒度时空本体SNA P 和SPAN [ 40 ].国内也有部分学者提出了自己的观点, 王生生等人[ 41 ]提出了一个对于时空数据模型通用的支持多粒度和不确定性时空粒度的理论. 他主要是使用了时间粒度和空间粒度的乘积空间来表示时空粒度.也有人[ 22 ]提出了用于G IS 整合的时空语义粒度,即时空对象粒度本体与时空过程粒度本体, 二者都可以根据粗糙程度进一步细分为良性粒度和粗糙粒度.
2. 3. 3时空本体的应用 由于时空问题普遍存在于各领域中, 因而时空本体的研究对于解决不同时空表示系统之间的交互、集成、共享、重用等有着重要的意义. 代写医学论文 目前, 时空本体已经引起了生物信息化、G IS、常识库建造以及语义W eb 领域学者的广泛关注, 并且在一些应用领域已有一些实证研究. 但是,目前对于地理时空本体的应用研究仍然处于探索阶段, 主要用于时空推理方面, 例如, Kaupp inen 和Hyv nen 等[ 42 ]建立20 世纪到2004 年的芬兰的时间区域本体, 他们使用了本体的时间序列模型来进行推理以解决与历史相关的数据库中的信息查询问题, 该方法成功的表示了芬兰历史地理区域随时间演变的过程.
3 结论与展望
总的来说, 目前对于时空地理本体的研究, 仍然处于起步阶段, 因而很多研究领域都存在亟待解决的问题.
(1) 地理时空本体基元的选择. 不同基元的选择受人们对时空现象认知的影响, 反过来, 基元的选择对于时空本体的形式化表示至关重要, 以不同基元为基础的时空本体会影响人们对世界的进一步认知以及知识的交流. 目前对于时空本体基元的选择仍未有统一看法.
(2) 地理时空本体的形式化表示以及时空本体的建立. 目前对时空本体采用的形式化工具多是基于一阶谓词逻辑的基础上的, 而使用描述逻辑定义时空本体的工作仍较少. 因此应该进一步研究时空本体的形式化方法, 建立良性的形式化时空本体, 使得所建立的时空本体更适合于人们对时空常识的理解. 此外, 如何在建立的时空本体之间进行转化, 尤其是如何在以不同基元为基础的时空本体之间进行转化与无缝结合也是个值得探索的问题.
(3) 地理时空本体粒度的研究. 粒度的变化影响人们对地理时空的认识, 不同粒度下, 人们认知的时空范围大小与层次有所不同. 如何选择适合人们不同视点需求并且易于在G IS 中表达的粒度是值得进一步研究的课题.
(4) 地理时空本体与实际应用. 时空本体是可应用于各学科领域的顶级本体, 因此, 可以表达地理学领域与时空相关的一切地理现象. 但是, 目前对于地理时空本体的实际应用研究尚不多, 代写工作总结 仍然处于探索阶段. 因而, 应该积极探索地理时空本体的广泛应用领域, 并建立与具体应用领域相关的推理规则, 推理模型等, 以解决领域中的实际问题.
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