基于本体和SWRL的空间关系推理的设计与实现

形式化的空间关系推理是空间推理的一个核心部分，是实现任何空间数据处理方法的一个前提，是空间专家系统和地理信息系统的一个必要组成部分，是空间数据挖掘中的一个重要的辅助工具。其在设施选址、路径查找、地图标记和疾病分布等有关决策支持的活动中有着重要的应用。 本体原本是西方分析哲学中研究实体存在和存在本质的理论。后来，本体作为一种知识表示工具被引入到了计算机科学领域。目前，本体作为处理知识共享的工具，在人工智能领域，计算机语言学，地理信息科学，数据库理论以及语义Web等领域中获得了广泛的研究和应用。 在空间关系推理方面，构建空间关系推理中的本体知识表示不仅有利于实现空问关系知识的共享和重用，而且有利于推理的实现。尤其是利用基于描述逻辑的本体形式化模型来表示本体知识还可以弥补现有知识表示的不足。但由于目前关于基于本体的空间关系推理大都集中于对空间关系推理中的本体知识表示的研究，而对如何形式化本体知识，以及基于本体的空间关系的形式化自动推理方法却研究较少，基于本体的空间关系推理方法比较缺乏。因此，本文在分析现有空间关系推理理论和本体及其相关技术的基础上，针对空间关系的本体表示，主要研究基于本体的空间关系推理方法。研究内容如下： ①地理信息系统是空间关系推理的一个重要应用领域，为使空间关系推理中的通用核心本体SRC-Ontology(空间关系表示核心本体)也能在地理信息系统中使用，本文对其进行了扩展与改进，以便能将该本体及基于该本体构建的空间关系推理用于实际的地理信息系统中，实现从已有的地理空间信息中获取空间关系信息。 ②设计基于本体和SWRL的空间关系推理的总体方案，该推理方案主要包括两个部分的推理，一个是本体的推理，一个是基于SWILL的推理。其中本体推理的主要目的是使我们建立的本体有更好的层次结构，同时确保由本体产生的定义和概念相互间没有冲突；而基于SWRL的推理主要用于实现本体知识同推理规则知识相结合产生的推理。 ③以改进和扩展后的SRC-Ontology为基础，利用OWL DL本体语言建立空间关系推理中的本体知识库，使用基于描述逻辑的Racer推理系统对建立的本体知识库进行一致性检测和冲突检测，确保所建立的本体库的一致性和正确性。OWL DL是W3C推荐的本体描述语言标准OWL语言的子语言，是一种基于描述逻辑的本体描述语言。利用OWL DL描述的本体知识不仅能很好的实现知识的共享和重用，而且能很好的使用描述逻辑的推理机制，进行本体推理。 ④基于对SWRL语言在规则表示方面的研究，本文提出利用protégé提供的JavaAPIs将空间关系推理中使用的基本算法以用户自定义的BuiltIn方式添加到SWRL语言中，对SWRL进行扩展，以便建立基于本体的空间关系推理规则的SWRL表达。 ⑤鉴于目前的推理系统都不能直接处NOWL表示的知识和SWRL定义的规则，本文通过SWRLJessTab对本体知识和SWRL规则进行格式转换，将OWL本体知识和SWRL规则分别转化为Jess格式的知识和规则，以便利用Jess规则引擎来进行推理。 最后，基于前面提出的方法，本文以西安市旅游数据为试验数据，实现基于本体和SWRL的空间关系推理的原型系统。实验表明，基于本体和SWRL的空间关系推理方法作为一种基于本体的空间关系推理方法，不仅能实现空间关系知识的共享和重用，解决现有空间关系推理方法中知识表示的不足，而且能实现推理规则知识的共享和重用，大大减小空间关系推理系统的构造复杂性。