基于Ontology的地理信息服务研究

论文将本体论思想和方法论引入到地理信息科学领域,阐述了地理本体的确切含义以及本体在地理信息科学领域的作用和意义。重点讨论了基于本体的地理信息服务的基础理论问题——语义不一致问题,借鉴概念网格和形式化概念分析方法,结合实例对解决语义不一致问题进行了深入研究;对地理领域本体进行了概念设计,提出了一个三层本体总体框架;对本体语义关系包括语义相似度、结构相似度、语义相关度等进行了全面分析,为解决地理信息Web服务匹配和发现问题奠定了基础;应用OGC推荐的基于OWL语言的Web服务本体——OWL-S,对本体的Web服务进行了语义描述;实现了一个基于本体的土地利用信息显示与查询服务原型;最后讨论了基于本体的地理信息服务组合问题;初步展示出本体在地理信息科学领域中的研究潜力和价值。 论文的主要贡献包括; 1、深入探讨了基于本体的地理信息服务的基础理论问题——语义不一致问题。从一个应用实例出发,总结出认知导致的语义异构成因包括分类的细节层次差异(分类树的深度)、不同的分类观点或强加单个继承关系、不同的概念化和分类观点等三个方面。对两种具有代表性的地理空间认知模型进行了深入剖析和比较,指出地理空间可划分为原子空间、地理概念、应用性地理概念三大类别,为基于本体的地理信息服务描述和组合奠定了基础。 尝试引入概念网格和形式化概念分析方法,解决语义不一致性问题。形式概念分析和概念格网适合于复杂概念和关系的分解、分类、分级,可以很好地表达概念或分类之间的语义关系和特性,实现地理概念或分类的语义一致性表达。 2、以土地利用领域本体为例,进行领域本体概念设计。参考Guarino本体研究层次分类,提出了一个适于土地利用领域本体应用研究需要、由项层通用本体、中间领域本体、底层应用本体构成的三层总体框架。讨论了本体建模、本体定义和表示中的语义关系和地理领域本体构建方法,用UML图对土地利用领域本体进行了描述。详细讨论了与本体相关的表达语言,特别是与Web相关的表达语言OWL。用OWL对土地利用类型本体进行了描述,并在Protégé软件中进行了本体表达。 3、论文基于地理领域本体和语义相似度方法来解决地理信息Web服务匹配和发现问题,讨论了语义相似度、结构相似度、语义相关性问题,为最终寻找和发现满足用户需求的Web地理信息服务奠定基础。从语义相似度的概念出发,讨论了基于WordNet词语间距离的语义相似度算法、基于HowNet义原的语义相似度算法、结构相似度算法,并结合土地利用领域本体给出了相似度计算的实例;与语义相似度相对应,本体之间具有相关性,他们从不同的侧面反映本体概念之间的各种复杂关系。作为领域本体的地理概念化体系,是领域专家对概念及概念体系之间关系所做的权威描述。相关性计算要解决的问题是怎样建立一种合理的机制来量化这些看似主观的相关关系,它所反映的是两个本体互相关联的程度。结合土地利用领域本体给出了相关性计算实例。 4、应用基于OWL语言的Web服务本体——OWL-S,对本体的Web服务进行了语义描述,包括Web服务轮廓、Web服务建模、Web服务基点等,重点分析了过程类型、过程本体和服务控制结构。详细地定义和描述了土地利用变更服务涉及的本体概念和所需要的基本服务,为每个过程设置输入、输出和前置条件等,利用WSDL和OWL-S进行了语义网络服务描述和表达。 5、以河南省2000年Landsat TM4、5、7波段标准假彩色合成遥感影像解译的土地利用/土地覆盖数据为例,讨论了基于本体的土地利用数据分级、分类显示方法,实现了基于本体的土地利用数据查询服务,初显GIS表达不同语义粒度(等级)地理要素、面向大众提供地理空间信息服务的优势。 6、单个的地理信息服务不足以满足用户的需求,需要将众多单个的Web Services根据应用需要进行组合,形成新的Web Services组合,才能发挥出web服务的巨大潜力。论文重点探讨了Web服务匹配问题,详细定义和描述了单向语义匹配关系;基于单项语义匹配关系,深入探讨了Web服务组合算法思路、过程和实现步骤;结合一个应用实例,用OWL-S对各原子Web服务进行了全面描述,对自动组合算法实现过程进行了推导;基于OWL-S模型描述的GIS Web Services自动搜索、匹配、发现和执行过程,总结出了本体语义描述的地理信息服务组合体系结构框架。