形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究

地理空间数据语义异构是实现数据关联、数据智能推荐和精确发现的主要瓶颈。地理空间数据本体被认为是解决地理空间数据语义异构的有效方法。形态特征是地理空间数据(除时空、要素内容外)的重要特征,是地理空间数据本体的重要研究内容。本文首先在系统分析地理空间数据形态特征的基础上,提出地理空间数据形态特征的概念体系。然后,建立地理空间数据形态本体模型,提出形态信息的本体表示方法,并构建地理空间数据形态本体。最后,基于形态本体的本体库,利用Jena本体推理技术,开发地理空间数据语义检索原型系统,并将形态本体应用于国家地球系统科学数据共享平台的元数据检索中。实验结果表明,地理空间数据形态本体可以有效地解决数据形态特征的语义异构,提高数据发现的查全率和查准率。本文的研究方法和成果对解决其他领域数据的语义异构,有重要的参考意义。     

地理空间数据来源本体及其在数据关联中的应用

数据来源是数据可靠性评价的重要参考因素,是地理空间数据本体的重要研究内容。本文针对来源这一重要的地理空间数据研究对象,系统地分析了地理空间数据来源的涵义,建立了地理空间数据来源本体模型,在此基础上,提出了地理空间数据来源本体的概念体系和来源本体概念间关系及其属性的形式化表达方法,并构建出地理空间数据来源本体。最后,以“科技基础性工作专项”项目数据资料为例,基于来源本体库,利用RDF从来源角度实现数据的语义关联,通过web前端框架D3.js技术实现数据与其来源信息的可视化。结果表明,基于来源本体的数据关联可以有效解决数据来源信息描述不规范的问题以及能够支持地学数据语义检索、智能推荐等应用,为促进地学数据共享和数据关联应用提供了一种新方法和新思路。     

为地理知识库构建位置本体

随着网络中各种地理相关的应用越来越多,要想解决地理空间信息语义层次上的应用问题,就需要用到地理知识库.其中本体是地理知识库的核心.地理本体是研究地珲信息科学领域内小同层次和不同应用方向上的地理空间信息概念的详细内涵和层次关系.本文为地理知识库构建了极具实用性的的位置本体,并详细阐述了基于ETL的数据知识库从资源采集,到数据集成,最后到本体构建的过程.     

基于GML的时空地理本体模型构建及应用研究

时空地理本体模型是一套描述地理时空知识的形式化说明规范,是构建时空地理本体实例的基础和参考。本文基于GML规范及时空推理理论提出了一种时空地理本体模型的框架,并详细阐述了其组成:要素模型、几何模型、空间关系模型、时态模型中类的关系和所涉及到的属性定义,并基于该本体模型给出了应用实例--行政区划本体设计和构建方法。文中所提出的时空地理本体模型,对开展面向不同应用的地理本体实例的构建和共享研究具有一定参考意义。     

地理实例数据语义一致性检查研究——以水系要素为例

为实现地理信息服务智能化的目标,构建知识地理本体数据库,需要在数据入库前,对实例数据进行语义一致性检查。本研究通过对实例数据进行语义关系分析,以水系数据为例,制定了相应的语义检查规则,并运用Arc GIS空间分析和建模工具实现相应功能。在传统数据检查的基础上增加语义层面的保证,本研究为智能化的地理信息系统应用提供数据保障。     

面向多源地理空间数据的知识图谱构建

知识图谱广泛应用于人工智能领域,基于此融合多源地理空间数据并表示地理事物的语义和时空信息,实现“数据—知识”的转换成为人们关注的热点。但现有通用知识图谱的空间知识覆盖度低且存在错误,同时基于维基百科构建的地理知识图谱存在空间关系、中文属性和坐标信息等属性缺失问题。因此本文以地理空间数据和百度百科数据的特征分析为基础,提出了以地理空间数据提取地理实体为主,百度百科补充属性信息为辅的知识图谱构建方式。① 基于GeoSparql设计模式层的地理实体、要素、几何形状和空间关系的逻辑关系;② 通过地理实体提取、实体链接和属性信息填充,在数据层实现空间知识融合;③ 结合关系型数据库和图数据库,设计空间知识存储方式;④ 在实体和关系2个方面定量分析知识图谱的构建规模。结果表明,本文构建的知识图谱中地理实体覆盖度和链接百科成功率相对较高,扩充了地理实体的概念描述信息,并将地理坐标的覆盖率提高到100%,对地理数据到地理知识的拓展具有重要意义。     

地理图斑智能计算及模式挖掘方法研究

在大数据时代,高分辨率对地观测技术实现了对地球表层地理现象和地理过程最为真实、量化、全面覆盖又快速更新的数据化记录,可为地理空间认知研究的新发展奠定时空信息聚合与挖掘计算的基准。地理图斑是影像空间映射到地理空间中对于地理实体的抽象化表达,是构建地理场景和承载地理空间各类信息进而开展模式挖掘的最小单元。本文以地理图斑为基本对象,通过分析其中视觉模拟、符号推测等几类机器学习的协同计算机制,从空间、时间与属性等维度构建了集“分区分层感知”、“时空协同反演”、“多粒度决策”三者于一体的地理图斑智能计算模型,并以在贵州息烽县、广西江州区开展的农业种植结构制图与规划决策为应用案例,探索了地理图斑分布、生长以及功能3种模式的挖掘方法,并进一步设计了动态视角下开展图斑动力模式挖掘的研究思路。     

地质年代本体及其在语义检索中的应用

不同国家、语言和版本的地质年代概念体系中普遍存在的语义异构问题,以及概念之间、概念与数据之间缺少语义关联等问题,阻碍了概念的准确理解和应用,难以满足数据集成、检索的应用需求。地质年代本体是解决这些问题的有效方式。但现有研究主要针对国际地质年代概念体系,其内容和表达方式不完全适用于国内的概念体系。本文提出以中国地质年代和地层概念体系为主的地质年代本体,设计了本体中各概念属性信息,尤其是时间信息的语义表达方法。在此基础上采用模块化方法相应构建了本体,并设计实现了一个本体应用原型系统,提供了以地质年代本体知识库为基础的概念查询检索功能,以及融合全文检索技术和地质年代本体的数据语义检索功能。应用案例的初步结果表明,本研究构建的地质年代本体能为用户提供表现形式多样的知识查询服务,能较好地解决地学概念与数据中存在的语义异构、关联缺失问题,更为智能、完整、准确地完成地学数据的语义检索。     

时间本体及其在地学数据检索中的应用

高效、准确地获取目标数据及其关联数据,是决定大数据共享与挖掘分析能否实现的关键因素。传统的数据检索方法无法利用地学数据间的显性或隐含关系,已不能满足日益增长的对检索结果质和量的需求,而本体理论和技术的语义检索成为当前的研究热点。本文针对时间这一地学数据的本质属性,在系统研究地学数据时间概念与特征的基础上,建立了地学数据时间本体模型,并深入论述了模型中的时间关系、时间坐标系等内容,提出了时间位置和时间距离的描述函数,同时研究了二者的本体表达方式。构建了包括地质年代等在内的地学数据时间本体库,并以语义网开发框架Jena为基础,经本体解析、元数据时间信息抽取与标注等过程,将时间本体应用于地球系统科学数据共享平台的元数据检索之中。结果表明,以时间本体的地学数据语义检索查全率约为关键字方法的1倍,检索结果排序,以及关联数据推荐方面也有更好的效果,为促进地学数据共享与关联发现提供了一种有效的方法。     

“地理大数据与空间智能”专刊导言

<正>在数据科学技术快速发展的时代背景下，地理大数据促进了地理科学、测绘科学和信息科学等多学科交叉的新领域的研究，为地理科学研究带来了新的方法论，也为从地学视角解决社会问题提供了一种新的思路和模式。特别是，地理大数据破解了传统知识工程的瓶颈问题，使得地理空间智能继而成为地球大数据面临的新挑战。地理空间智能以高性能计算为基础，运用人工智能与数据挖掘方法，对地理大数据中的地理空间信息进行收集、描述与评价，并对其进行挖掘、测度与利用。     

基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究

随着海洋观测技术的不断发展,人类获取的海洋数据也快速增长,由于海洋流场是整个海洋系统物质流和能量流输送的主要渠道,基于这些观测数据进行海洋流场迁移变化规律分析及可视化表达研究,对所有涉海领域均具有非常重要的意义。然而,由于海洋时空大数据集合的多源性和异构性等原因,至今尚未有令人满意的海洋流场数据集成共享和动态可视化分析工具,从而导致这些异源异构数据难以实现统一标准下的集成组织与语义共享。为了实现海洋流场语义层次上的统一描述,本文在分析了海洋流场多维特征、拓扑特征、模糊特征等基础上,基于本体论的语义构建思想,提出并构建了基于四元组O=（C,P,R,I）的本体组织基础结构,其中C表示概念集合、P表示属性集合、R表示概念间的关系集合、I表示实例集合,通过对概念、属性、关系结构的进一步定义,共同组合构成了海洋流场整体本体结构。为了给出清晰的本体语义建模过程,以海流现象局部本体构建为例,在对成因性、空间性、时间性、运动性等本体属性分析的基础上,进行了海流概念、本体属性、语义关系的描述和定义,从而为海洋流场组织提供一个规范性框架。进而借助OWL语言本体建模的优势,以地转流为例进行了其形式化表达和本体类构建。研究结果表明,基于本体的海洋流场语义分析方法能有效地解决传统海洋现象描述中的异构问题,可为海洋信息共享与集成研究提供参考。     

基于地理本体的海湾空间数据组织方法——以辽东湾为例

数字海湾的建设,面临着空间数据组织问题。本文在对基于分层和基于地理特征的空间数据组织方式及元数据技术深入分析的基础上,针对海湾多要素、多层次、多资源和多领域的复杂系统,采用地理本体的思想进行海湾的认知表达,并由此提出了基于地理本体的海湾空间数据组织方法。通过对海湾地理本体的建模,建立了更能客观反映海湾地理实体各个层次体系的概念模型,再根据海湾概念和已有的多源空间数据集之间的映射关系,重构地理本体支持下的海湾空间数据库,从而实现海湾多源空间数据的海、滩、陆一体化集成与管理。最后,以辽东湾为例,对该海湾所涉及到的多源空间数据进行了有效的组织。结果表明,利用地理本体的思想对空间数据进行组织管理,可以消除不同领域对信息理解的鸿沟,有利于数据的共享和互操作。     

关于空间数据与空间数据模型的思考--中国GIS协会理论与方法研讨会(北京,2004)总结与分析

空间数据和空间数据模型是GIS理论与方法的核心内容。本文总结中国GIS协会理论与方法研讨会(北京,2004)的成果,围绕GIS研究与发展的新动向,分析了空间数据组织、集成、质量、不确定性与数据挖掘及3维空间数据建模、空间关系与可视化等方面的理论问题与发展趋势,并思考和讨论了空间认知学与本体论在GIS理论与方法研究中的作用。     

Web环境下异构地理分析模型的标准化和形式化研究

Web环境下分布着大量的地理分析模型资源,但模型的异构性限制了对现有地理分析模型的共享和重用。本文立足于地理分析模型自身研究的需要,论述了标准化和形式化方法在异构地理分析模型共享和重用中的重要意义,分析地理分析模型元数据的研究现状,设计地理分析模型元数据的标准框架,并提出利用XMLSchema技术表达模型元数据标准框架结构的方法,从而实现了语法和结构层次上的标准化。提出知识本体的语义映射模型,即利用本体语言对地理分析模型元数据进行形式化表达,而在语义层次上将各模型元数据进行映射。最后结合地理分析模型共享门户的应用实例,研究了在该门户中实现异构地理分析模型标准化和形式化的体系架构,为Web环境下异构地理分析模型的共享和重用提供新的思路。     

地理时空大数据协同计算技术

大数据时代,地理时空数据的迅猛增长给应用理念、技术框架和服务形式带来挑战。本文在阐述地理时空大数据概念的基础上,首先分析了地理时空大数据计算面临的挑战,从数据协同、技术协同、服务协同和生产协同4个层次阐述了地理时空大数据协同计算方法;然后,根据平台化服务的需求设计了地理时空大数据协同计算框架,从遥感数据综合预处理、地理时空数据的组织与管理、地理时空大数据高效计算、地理时空大数据可视化4个方面论述了地理时空大数据协同计算实现的关键技术;最后,以遥感大数据综合处理系统作为案例说明了地理时空大数据协同计算与服务的实现方法,并对地理时空大数据的应用模式进行了展望。     

基于位置大数据的城市居住用地效率指标构建及评价研究

信息化赋能已经成为新时期国土空间规划的热点,但通过大数据整合进行国土空间利用评价研究仍有待探索。本文旨在借助腾讯位置大数据开展城市居住用地效率评价实证研究,综合运用多源地理空间数据,以居民区为评价单元构建居住用地效率指标,揭示常州市新城区不同居民区用地效率差异。结果表明：① 居民区范围内小时粒度的人口规模呈周期波动,峰值一般出现在21:00,符合城市居民昼出夜归的作息规律,且不同容积率水平的居民楼人口集聚度和规模值也存在预期性的差异;② 29个居民区按建成年份划分为1980s、1990s、2000s、2010—2015年、2015年以后共5组,各组效率指标平均值分别为1.74、2.45、2.31、0.95和0.91人/百m²,2010年之前建成的居民区明显高于2010年之后新建的,2010年以后建成的居民区低于全市2.06人/百m²的平均水平（2018年标准）;③ 效率指标值低并非完全等同于集约用地水平低,常州市新城新区开发建设的成长周期、居民对提升人居环境品质的需求,都是导致不同居民区用地效率差异的原因。研究表明,位置大数据作为高精度的人口数据源,能够客观反映居民区人口聚集的时空间特征,基于位置大数据构建的城市居住用地效率指数能够为高质量国土空间利用分析提供新途径。在我国以人为本的城市化进程中,以位置大数据为代表的新型人口数据源将在国土空间规划中发挥愈加重要的作用。     

多源地理空间数据同化的主动更新与应用分析

为提高数据更新过程中多源数据整合利用的效率和更新的自动化程度,将"数据同化"和主动数据库的思想与方法引入空间数据的更新。论述了"多源地理空间数据同化"和"主动更新"的概念、内涵和关键技术,提出了"地理事件-条件-动作"规则驱动下数据同化的地理空间数据主动更新机制。最后,将数据同化中常用的最优插值方法,应用于多源地理空间数据的合并,该方法与其他合并方法相比,能提高数据的精度;将主动更新机制应用于数据更新实践,结果表明,该机制可以提高更新的自动化程度。