農(nóng)林學(xué)類論文-地理本體的研究進(jìn)展與分析.doc

農(nóng)林學(xué)類論文-地理本體的研究進(jìn)展與分析摘要:地理本體是地理信息科學(xué)中的一個(gè)新興的和正在發(fā)展的研究領(lǐng)域,從提出至今僅有10年的歷史。代寫論文因此,有重點(diǎn)系統(tǒng)分析地理本體研究的發(fā)展歷程與進(jìn)展,對(duì)中國在此方面的研究定位具有重要意義。文章在深入分析科學(xué)領(lǐng)域本體的定義基礎(chǔ)上,進(jìn)行了地理本體定義,探討了地理本體的研究意義,列舉了國際上與地理本體相關(guān)的主要計(jì)劃與學(xué)術(shù)會(huì)議,詳細(xì)剖析了當(dāng)前國內(nèi)外的地理本體理論研究與應(yīng)用方面取得的進(jìn)展。地理本體研究已成為國際GIS領(lǐng)域一個(gè)重要的新興研究方向并得到了蓬勃發(fā)展,而國內(nèi)在這方面的研究才剛剛開始,只有少數(shù)學(xué)者開展了一些探索性的思考和研究。因此,中國應(yīng)緊跟國際地理本體的研究動(dòng)態(tài),積極開展我國自己的地理本體理論、方法和應(yīng)用研究。關(guān)鍵詞:本體論；地理本體；語義；語義互操作；信息共享人類世界幾千年的文明歷程,創(chuàng)造了一個(gè)十分龐大、豐富的客觀知識(shí)世界,波普爾稱之為第三世界(World3)1。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,知識(shí)共享、重用的需求,迫使人們對(duì)人類所共同擁有的知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行本體重建和網(wǎng)絡(luò)共享,及計(jì)算機(jī)協(xié)助整合。地理知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)是客觀知識(shí)世界的重要組成部分,因此地理本體研究是本體重建重要的基礎(chǔ)之一。本體論研究不僅是方法與工具,也是一種科學(xué)思想與理論。地理本體是地理信息科學(xué)的一個(gè)新興的研究方向,對(duì)其的發(fā)展進(jìn)行綜合分析,為其進(jìn)一步向前發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。本文從本體論出發(fā),著重分析地理本體重建的發(fā)展及研究現(xiàn)狀,提出今后的研究重點(diǎn)與建議。1本體論研究概況Ontology原本是一個(gè)哲學(xué)基本問題,指關(guān)于存在及其本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)說,后被用于研究實(shí)體存在性和實(shí)體存在的本質(zhì)等方面的通用理論。計(jì)算機(jī)界借用這個(gè)理論,把現(xiàn)實(shí)世界中某個(gè)領(lǐng)域抽象或概括成一組概念及概念間的關(guān)系,構(gòu)造出這個(gè)領(lǐng)域的本體。在近年來,Ontology不但在哲學(xué)領(lǐng)域2,而且在自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域中備受關(guān)注,正逐步成為這些研究領(lǐng)域共同關(guān)注的一個(gè)核心問題3-5。Ontology在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域興起的最主要原因是,語義互聯(lián)網(wǎng)、語義建模和語義集成需要Ontolo-gy作為支持發(fā)展的基礎(chǔ)理論。雖然Ontology的出現(xiàn)頻率較高,其中文相對(duì)應(yīng)的詞卻很不統(tǒng)一,國內(nèi)許多學(xué)者就Ontology的一詞的譯法和意義進(jìn)行了深入的探討,比較公認(rèn)的譯法是ontology為“本體”和Ontology為“本體論”6-10。本文中采用本體論與本體的譯法。哲學(xué)中的本體論與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的本體論之間有著非常緊密的聯(lián)系。哲學(xué)本體論是科學(xué)本體論的基礎(chǔ),哲學(xué)本體論對(duì)科學(xué)本體論具有重要的指導(dǎo)意義。筆者認(rèn)為:本體論可分為哲學(xué)本體論與領(lǐng)域本體論。本文在此不對(duì)哲學(xué)本體論做深入分析,重點(diǎn)是地理信息的領(lǐng)域本體,即地理本體論。一個(gè)最基本的概念達(dá)成共識(shí),對(duì)于相互交流和深入研究非常重要。由于本體論在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中是一個(gè)新事物,研究人員在其定義與涵義的理解方面還存在差異。代寫畢業(yè)論文據(jù)有關(guān)學(xué)者分析,Ontology在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域最早出現(xiàn)于1984年,明確提出且進(jìn)行定義是在1991年7,11,從此對(duì)Ontology的定義日漸豐富12-23(見表1),但基本上是大同小異,不存在本質(zhì)方面的區(qū)別和爭(zhēng)議。筆者根據(jù)研究人員的不同定義進(jìn)行分析后,認(rèn)為作為一個(gè)思想、理論和方法,它的概念包括四個(gè)主要方面:概念化,客觀世界的現(xiàn)象的抽象模型,把領(lǐng)域的知識(shí)抽象為一個(gè)個(gè)確定的對(duì)象；明確的定義,對(duì)每一個(gè)對(duì)象的概念及它們之間聯(lián)系都進(jìn)行合理地定義；形式化,需對(duì)概念及它們之間關(guān)系進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述且要達(dá)到計(jì)算機(jī)可讀的水平；共享,本體中反映的知識(shí)是其使用者(包括該領(lǐng)域的專家和一般用戶)共同認(rèn)可的。上述定義表明,由客觀世界某一領(lǐng)域的事物或現(xiàn)象的本質(zhì)(即本體)到人們對(duì)這些事物或現(xiàn)象的本質(zhì)通過認(rèn)識(shí)活動(dòng)所形成的認(rèn)識(shí)結(jié)果(即概念體系),再從概念體系到人們用特定的符號(hào)系統(tǒng)或語言將某一概念體系做出明確的、形式化的表示或表達(dá),總共涉及了三個(gè)層面的東西。因?yàn)檫@三者之間具有聯(lián)系,應(yīng)該具有一致性或統(tǒng)一性,可以統(tǒng)稱為“本體”6。本體論思想被應(yīng)用到科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域時(shí),就是要把現(xiàn)有的知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)采用面向?qū)ο蟮男问竭€原成一個(gè)合理的語義體系,使計(jì)算機(jī)能夠處理,使人們能夠共享。地理本體是一個(gè)特殊領(lǐng)域本體,它具有一般領(lǐng)域本體的基本共性,也有其獨(dú)特之處。表1本體的各種定義12-23Table1Definitionsofontology作者(時(shí)間)本體的定義Neches等(1991)本體是組成主題領(lǐng)域的詞匯表的基本術(shù)語及其關(guān)系,以及結(jié)合這些術(shù)語和關(guān)系來定義詞匯表外延的規(guī)則Gruber(1993)本體是概念化的明確規(guī)范說明Guarino等(1995)本體是概念化的、明確的、部分的說明/一種邏輯語言的模型Uschold(1996)本體是概念化的、明確說明和顯式表達(dá)Borst(1997)本體是共享的、概念模型的與形式化的規(guī)范說明Swartout(1997)本體是一個(gè)為描述某個(gè)領(lǐng)域,而按繼承關(guān)系組織起來作為一個(gè)知識(shí)庫的骨架的一系列術(shù)語Studer(1998)本體是共享的、概念化的、顯式的與形式化的規(guī)范說明Fensel(2000)本體是對(duì)一個(gè)特定領(lǐng)域中的重要概念共享的形式化描述NoyF.N.(2001)本體是對(duì)某個(gè)領(lǐng)域中的概念的形式化的明確表示,每個(gè)概念的特性描述Fonseca(2001)本體是以某一觀點(diǎn)用詳細(xì)明確的詞匯表描述實(shí)體、概念、特性和相關(guān)功能了概念的各個(gè)方面及其約束的特征和屬性的理論Starla(2003)本體必須包括所使用術(shù)語的規(guī)范說明、決定這些術(shù)語含義的協(xié)議、以及術(shù)語之間的聯(lián)系,來表達(dá)概念2地理本體論的定義與研究意義2.1地理本體的定義地理本體就是把有關(guān)地理科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)、信息和數(shù)據(jù)抽象成由一個(gè)個(gè)具有共識(shí)的對(duì)象(或?qū)嶓w),代寫碩士論文并按照一定的關(guān)系而組成的體系,同時(shí)進(jìn)行概念化處理和明確的定義,最后以形式化表達(dá)的理論與方法。2.2地理本體的研究意義地理本體在地理信息科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,其重要性已在許多方面得于表現(xiàn),如知識(shí)工程、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和集成、信息檢索與獲取、軟件工程等,實(shí)現(xiàn)世界范圍的知識(shí)級(jí)信息集成。地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)各種系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的建設(shè),進(jìn)行了大量的數(shù)字生產(chǎn),隨著高性能網(wǎng)絡(luò)普及,信息共享與互操作變得越來越重要。因此,必須由原來的數(shù)據(jù)建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)與地理本體建設(shè)并重。地理本體的研究可以為以下幾個(gè)主要方面提供重要的理論與方法支撐:(1)語義互聯(lián)網(wǎng):語義互聯(lián)網(wǎng)提出后發(fā)現(xiàn)必須定義好底層的領(lǐng)域本體才可能順利構(gòu)造出語義互聯(lián)網(wǎng)。語義互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)就是本體,為使計(jì)算機(jī)能夠理解,必須用形式化的本體來定義互聯(lián)網(wǎng)資源中的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的意義。地理信息資源作為語義互聯(lián)網(wǎng)的重要資源,如何融入語義互聯(lián)網(wǎng)是地理信息科學(xué)的重要課題。地理本體的抽象與構(gòu)建是其重要基礎(chǔ)。怎樣讓地理數(shù)據(jù)與信息在全球信息網(wǎng)格上運(yùn)行,地理空間數(shù)據(jù)定義共享和互操作需要借助本體數(shù)據(jù)庫思想建立一個(gè)統(tǒng)一的語義網(wǎng)絡(luò),來描述同一個(gè)客體在不同專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫中的語義描述及其轉(zhuǎn)換10。(2)地理信息系統(tǒng)之間的語義互操作:實(shí)現(xiàn)地理信息資源共享與互操作是地理信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。從信息觀點(diǎn)看,為了實(shí)現(xiàn)互操作,兩個(gè)系統(tǒng)必須是信息模型可互操作,為了實(shí)現(xiàn)信息模型互操作,兩個(gè)系統(tǒng)必須在語法上和語義上可互操作。語法互操作是指兩個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)和被處理的信息使用相同的結(jié)構(gòu),這個(gè)問題已基本解決。語義互操作是指兩系統(tǒng)對(duì)其中流動(dòng)和被處理的信息有相同的語義理解24。語義互操作問題才開始引起研究人員的重視,是今后的研究重點(diǎn)。(3)知識(shí)級(jí)地理信息共享與知識(shí)重用:隨著大量地理知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)的豐富和GIS與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)信息、數(shù)據(jù)和知識(shí)的共享是完全可能的。由于主體(人)對(duì)客觀地理事物的認(rèn)識(shí)存在較大差異,經(jīng)常造成可能共有,但不能真正的共享與重用。例如對(duì)土地覆蓋分類數(shù)據(jù),不同國際組織、不同國家、不同部門和不同群體等具有不同的認(rèn)識(shí),并按照各自的認(rèn)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)和信息提取,造成相互之間的交流與實(shí)質(zhì)性共享和重用非常困難25,為此國際上也召開專題協(xié)調(diào)會(huì)議26。因此,在某些地理領(lǐng)域抽象一個(gè)合理和共識(shí)性地理本體是非常重要的,同時(shí)建立不同認(rèn)識(shí)之間的語義映射機(jī)制也是非常必要的。(4)地球科學(xué)中語義建模:在對(duì)地球系統(tǒng)的過程進(jìn)行建模時(shí),需要ontology的輔助使得不同領(lǐng)域的模型能夠互相交互、重用和共享。在描述這些過程時(shí),需要將過程的行為、時(shí)空特性與其他過程的關(guān)系等等描述出來。這些過程描述的集合構(gòu)成一個(gè)過程庫,稱為模擬框架的基礎(chǔ)。在地球系統(tǒng)建模中使用和表達(dá)語義將增強(qiáng)人們對(duì)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究和考察的能力,語義網(wǎng)為我們描述的各種解決方法提供平臺(tái)和模型以及模型結(jié)果的使用帶來新的有趣的途徑27。3地理本體的研究現(xiàn)狀從20世紀(jì)90年代末開始,本體概念及其思想引起了地理信息科學(xué)研究者的注意,許多國際學(xué)術(shù)組織和研究機(jī)構(gòu)開展了一系列相關(guān)研究計(jì)劃,地理信息科學(xué)界的許多國際學(xué)術(shù)會(huì)議也設(shè)立了與本體相關(guān)的討論主題。在地理本體基礎(chǔ)理論研究方面,主要對(duì)地理本體理論構(gòu)成、地理本體的人文調(diào)查與實(shí)驗(yàn)研究、地理本體的信息學(xué)研究,代寫醫(yī)學(xué)論文特別是地理本體的形式化描述語言和工具及本體創(chuàng)建和集成方法等方面進(jìn)行了廣泛而深刻的思索與探討,并將地理本體理論與方法研究成果應(yīng)用于地理信息集成、地理信息檢索、道路尋找和智能體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境研究等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。下面首先簡(jiǎn)要介紹國際上開展的一些地理本體研究計(jì)劃及召開的一些相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議,然后從基礎(chǔ)理論和應(yīng)用兩個(gè)方面介紹地理本體的研究進(jìn)展。3.1國際上與地理本體相關(guān)的主要研究計(jì)劃與學(xué)術(shù)會(huì)議(1)國際上主要的地理本體研究計(jì)劃:科研人員針對(duì)某一個(gè)科學(xué)問題進(jìn)行深入研究經(jīng)常是通過有計(jì)劃和目標(biāo)的研究計(jì)劃與項(xiàng)目,同時(shí)也反映出此科學(xué)問題得到科研人員的重視和具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。地理本體的計(jì)劃主要集中在美國,也逐漸在歐洲得到重視(表2)。(2)地理本體相關(guān)的主要國際學(xué)術(shù)會(huì)議:在國際信息科學(xué)領(lǐng)域會(huì)議中,特別是空間信息與地理信息科學(xué)的會(huì)議,開設(shè)地理本體或時(shí)空本體的討論專題(表3),代寫職稱論文表現(xiàn)為關(guān)注地理本體的科研人員越來越多和需要交流的科學(xué)問題很多,這也表明此學(xué)科正在發(fā)展。3.2地理本體基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展地理本體基礎(chǔ)理論研究主要探討地理本體理論構(gòu)成及地理本體的構(gòu)建方法等方面,代寫英語論文即從科學(xué)理論的視角來看,地理本體理論應(yīng)包括哪些基礎(chǔ)理論、需要應(yīng)用哪些科學(xué)工具、存在哪些地理本體的構(gòu)建方法。由于認(rèn)知科學(xué)現(xiàn)有的以桌面空間現(xiàn)象為基礎(chǔ)的分類理論并不適合于地理對(duì)象,必須發(fā)展新的地理空間本體基礎(chǔ)理論28。因此,有些學(xué)者就地理本體基礎(chǔ)理論構(gòu)成問題提出了一些建議。Smith和Mark認(rèn)為,針對(duì)地理對(duì)象的復(fù)雜性及由許多部分組成的特征,地理本體理論必須包括部分2整體理論(Mereology)；針對(duì)地理對(duì)象具有邊界且地理對(duì)象之間存在相接、相離、相交以及封閉和開放等拓?fù)涮卣?地理本體理論也必須包括拓?fù)鋵W(xué)理論；由于常規(guī)拓?fù)鋵W(xué)可能不能解決一些復(fù)雜的地理邊界現(xiàn)象,地理本體還應(yīng)包括純拓?fù)淅碚?Me-reotopology)；此外,地理本體研究必須說明地理對(duì)象的維度以及各種空間關(guān)系,也需要幾何學(xué)作為其基礎(chǔ)理論之一；除了上述數(shù)學(xué)理論外,由于許多地理對(duì)象的分類和地理現(xiàn)象的存在與人類的認(rèn)知行為、語言和文化相關(guān),地理本體理論也應(yīng)該將認(rèn)知科學(xué)和人文科學(xué)的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究納入到其基礎(chǔ)理論體系中28。為了便于在部分2整體理論基礎(chǔ)上研究地理實(shí)體與該實(shí)體所處空間區(qū)域的關(guān)系,除了部分2整體理論和拓?fù)鋵W(xué)理論工具外,地理本體理論還應(yīng)包括一般空間定位理論(Ageneraltheoryofspatiallocation)這種地理表達(dá)工具29。而有的學(xué)者則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)地理本體應(yīng)在內(nèi)涵上定義并用形式化語言以計(jì)算機(jī)可以理解的方式表示拓?fù)淅碚?、部?整體理論、識(shí)別理論、分類理論和依賴?yán)碚?Theoryofdependence),只有基于上述理論發(fā)展起來的地理本體才有助于建立語義上更加一致的地理空間信息模型30。由此可見,地理本體基礎(chǔ)理論構(gòu)成應(yīng)包括地理信息科學(xué)中相關(guān)的理論工具,如拓?fù)鋵W(xué)理論、部分2整體理論、幾何學(xué)和純拓?fù)淅碚摰葦?shù)學(xué)工具,以及地理哲學(xué)、地理分類理論、地理認(rèn)知科學(xué)或認(rèn)知心理學(xué)、人類學(xué)和語言學(xué)等諸多學(xué)科。表2國際上主要的地理本體研究計(jì)劃Table2Majoroversearesearchprojectsongeo-ontology計(jì)劃名稱資助機(jī)構(gòu)空間知識(shí)的本體等級(jí)體系(1995)美國國家科學(xué)基金會(huì)(下稱:NSF)地理類型的本體調(diào)查(1999)NSFNSF2CNPq地理空間信息集成合作研究(1999)NSF與巴西國家空間研究所(INPE)數(shù)字政府:地理空間知識(shí)本體(1999)NSF的“數(shù)字政府”項(xiàng)目數(shù)字政府:地理空間知識(shí)的表示與分發(fā)(2000)NSF的“數(shù)字政府”項(xiàng)目空間思考與推理(2003)NSFIGERT:地理信息科學(xué)綜合培訓(xùn)計(jì)劃(2003)NSF地理本體研究組ONTOGEO希臘雅典國家技術(shù)大學(xué)鄉(xiāng)村與測(cè)量工程學(xué)院語義互操作實(shí)驗(yàn)室(MUSIL)德國Munster大學(xué)地理信息科學(xué)研究表3國際上地理本體相關(guān)的主要學(xué)術(shù)會(huì)議Table3Majorinternationalconferencesongeo-ontology時(shí)間會(huì)議名稱1998年第一屆國際形式