知识地图概念体系与可视化服务机制

郑束蕾，杨春雷，陈 涛，方 潇

1.信息工程大学，河南 郑州，450052；2.西安测绘研究所，陕西 西安，710054



知识地图概念体系与可视化服务机制

郑束蕾1，杨春雷1，陈 涛2，方 潇1

1.信息工程大学，河南 郑州，450052；2.西安测绘研究所，陕西 西安，710054

针对研究中存在缺乏个体针对性、理论总结和应用结合不够、结构推理功能不强、真实性和安全性难以保证以及缺乏量化数据及实验支持等问题，本文对知识地图的概念体系及可视化服务机制进行了研究。首先介绍了知识地图的概念体系，包括知识的定义和特征、知识分类、空间知识、知识地图等，在总结知识地图的研究现状的基础上，指出了研究中存在的不足；然后，介绍了知识地图中知识库的多源数据特性、知识可视化的研究内容及针对个性化需求的定制、推荐、推送、自适应等服务机制，提出了知识地图可视化系统中知识库、符号库和模板库的构建方法，并进行了初步实践。

知识地图；个性化；知识库；可视化；服务机制

1 引 言

人类通过人工输入、传感器输入、网络搜索等采集客观世界中的事实，并进行符号化描述时就出现了数据；而运用数据库系统、数据仓库、数据分析等数据处理技术来组织、过滤或分析而赋予数据一定含义，就获得在某一特定主题上具有意义的信息。当信息积累到一定程度，运用管理信息系统、事务处理技术、决策支持技术、信息集成技术等信息处理技术，产生出具有更高认识价值的、更为抽象和高度化的信息或进一步上升到知识的信息。他们之间的关系描述如金字塔模型，信息是数据的子集，知识是信息的子集，也是信息的延伸，渐趋向于精炼、理解、共享和重用[1]。

2 知识地图概念体系

2.1 知识的定义和特征

关于知识的概念，目前没有准确的界定，国外主要有Tiwana A.[2]，Davenport T.H.[3]，Elias M.A.[4]，Dixon N.M.[5]等观点，我国学者从认识论、本体论、经济学和信息论角度分别给出了不同的知识定义[6]。一般认为，知识描述的是万物实体与性质的是与不是[7]，是人类在实践中所积累的认识和经验的总和，是个体通过与环境相互作用后获得的信息及其组织[8]。广义理解，数据、信息、概念、规则、模式、规律和约束等是知识的表现形式。知识具有可分享、可跨时空传递、可重复、可再生、不可替代五点特征[1]。

2.2 知识分类

关于知识和知识管理的分类方法也有很多。Michael Polanyi教授于1966年提出将知识分为显性知识(Explicit Knowledge)和隐性知识(Tacit Knowledge)；1996年联合国经济与发展组织(OECD)在《以知识为基础的经济》报告中面向知识经济，将知识分为事实知识(know-what)、原理知识(know-why)、技能知识(know-how)、人际知识(know-who)四类。其中，事实知识和原理知识为显性知识，技能知识和人际知识为隐性知识[9]。国内学者顾新建[10]、仇元福[11]和董金祥[1]也主张利用类似方法对知识管理工具进行分类。另外，从人工智能的角度，杨叔子、丁洪等将知识分为叙述型知识、过程型知识和控制型知识[12]；张攀、王波等认为知识分为事实知识、规则知识、控制知识和元知识[13]，这与OEDC的提法类似。

2.3 空间知识与地理空间知识

关丽认为[14]，空间知识是由空间信息提取、挖掘出来的可供用户直接采用的知识，凡是与空间定位有关的知识体系都属于空间知识的范畴。空间知识除了一般知识所具有的地理上分布和系统异构的特征外，还具有动态性、多源性、海量性、存储格式的多样性和体系的完备性等特征。

王富强认为[15]，地理空间知识是指地图承载或者可以用地图明确表达、脱离于人脑而客观存在的具有地理定位特征的地理空间显性知识和暗示知识，是对具有地理位置特征的地理实体(现象)的客观描述，以及对其属性和空间关联关系进行地理思考和地理推理的结果。但笔者认为，以地图作为载体只是地理空间知识表达的一种形式，非地图承载的地理实体属性及空间关联关系也属于地理空间知识的范畴，如用文字描述的空间关系、用表格展示的地物属性等。

2.4 知识地图与空间知识地图

通常所说的知识地图是一种知识(既包括显性的、可编码的知识，也包括隐性知识)导航系统，并显示不同的知识存储之间重要的动态联系。它是知识管理系统的输出模块，输出的内容包括知识的来源、整合后的知识内容、知识流和知识的汇聚，比如生活中的网站黄页、电话黄页等。我们把知识地图的概念引入地图学理论研究。而本文中的知识地图是空间维度、时间维度、需求特性维度[16]的知识导航与地图设计维度、地图综合维度、专家知识维度等专业维度知识展示的地图综合体。地图知识库中的知识是知识地图的重要组成部分。

空间知识地图是面向不同用户行为，基于用户需求模型，对空间数据、遥感影像、统计数据以及其它地理空间信息中的地理空间知识进行分析和挖掘，找出对人们地学决策具有关键作用的核心知识单元，并且是对其进行组织、管理和可视化表达，同时提供网络服务的一个智能知识系统。它为用户提供可交互、可定制的个性化主动地图服务，便于用户快速、准确地获取、重构、记忆和应用相关地理空间知识，为其空间决策行为提供知识支撑。通过构建空间知识地图，实现地理空间知识资源的规范化组织和动态组合服务[15]。

3 知识地图研究现状及问题

3.1 知识地图研究现状

不论地图是地理空间知识与客观世界事实知识的表达手段，还是规则知识与控制知识的体现者，地图中的规则与控制均表现为建立在地图感受论、地图传输论、地图认知理论等各种地图理论基础上的地图设计原则。

在地图由单一信息载体转变为知识服务工具的过程中，不论是对地图符号、色彩、分类分级、自动综合等知识研究[17],还是对用户、环境、系统、地图模板建立知识的研究，都充分体现出地图知识服务的重要性，并且各类核心知识单元以不同表达方式应用于地图服务系统中[18]。在专题地图表示方法选择的推理及色彩设计知识领域[19-21]，华一新等研究了专题地图设计知识的获取、表达与推理[22]；在自动综合知识工程领域[23-26]，郭庆胜等研究了专家知识系统中地图设计智能化、地图注记自动配置和智能化地图自动综合等方法[27]；在地图知识服务领域，余卓渊、谢超、张金禄、Chikako KUROKAWA等对基于地图用户兴趣发现及行为规则挖掘的个性化地图推荐[28，29]、基于用户认知规律的符号可视化表达控制[30]、基于色彩与用户特征关联规则知识的个性化地图色彩本体表示方法设计[31]进行了阐述。

3.2 存在问题

随着网络技术和信息技术的发展，知识地图取得了飞速发展，地图品种极大丰富，服务模式也全面跃变到以网络为基础的知识服务模式。知识地图在向各类用户拓展普适化服务的同时，还存在以下问题：

(1)知识过量但缺乏针对性。虽然地图用户淹没在庞杂的知识体系中，但却无法快速准确地获取自己所需的信息；个性化的知识支持较少。

(2)知识的理论总结和应用结合不够。不能充分利用地图专家的知识与经验，网络条件下屏幕地图可视化及数据推送的个性化规则知识积淀很少，知识的获取与处理困难，已经获得的知识仍停留在原则层面，没有实现逻辑表达与充分利用，交互界面柔性差。

(3)知识结构不一致导致知识推理功能不强。只能依据知识库中通过外部实验获取推理规则，实现一定程度上的匹配和推理。系统自动提取交互信息并进行自推理，进而生产新规则的能力不强。

(4)知识的真实性和安全性难以保证。在移动设备支持的泛在制图大环境下，每个用户都可以提供地理信息数据，分享生活周边环境的事实知识，但是其中真伪难辨，缺少有效的知识识别和过滤机制。在知识的传播分享过程中，个人隐私和信息安全是另一个值得注意的问题。

(5)个性化地图可用性评价缺乏量化数据及实验支持。当前的个性化地图服务大多没有经过实验验证及评价，系统推理结果、适应规则、适应效果的评价缺乏系统标准。并且系统没有设置自调整参数和阈值，面对不同特征的用户群体，地图服务系统的自学习、自评估、自适应能力差。

4 知识地图的特性、内容及构建方法研究

4.1 知识地图的多源特性

知识地图不仅包括时空导航，还包括地图设计知识、综合知识、专家知识等内容的展示，而这些知识是以知识库的形式进行存储。地图知识库的建立是在零散琐碎的数据规则之间寻找有机的联系，并且设置多重节点，构建基于本体和语义的知识网。知识地图兼具地图特性和空间特性，不但能够将各种知识以文字、图形、图表的形式表达，而且更注重隐性的用户个性化需求。

(1)从数据结构上看，地图知识库的多源数据可以是结构化的关系数据库数据，也可以是半结构化的文本、图形和图像数据，甚至是分布在网络上的异构型数据。

(2)从空间维度上看，地图知识来源多种多样，如不同遥感平台、不同传感器采集的不同分辨率的遥感图像数据，地图扫描矢量化数据及野外利用各种测量仪器直接测绘的数据。

(3)从时间维度上看，地图知识是时态数据，数据要保证现势性和分布式存储的要求。

(4)从需求特性维度上看，个性化地图服务的海量数据和存储格式的多样性要求提供多接口的数据访问服务。

(5)从制图专业维度上看，地图设计知识、制图综合知识、专家知识等都需要挖掘和加工处理，并且需要实验数据分析的量化支持。相较于一般信息，它更强调体系完整性和逻辑一致性。

4.2 知识地图可视化内容研究

知识的可视化形式有静态的文字、表格、表单、图片等，知识地图还以地图为主要形式，附以动画等多种形式展示时间、空间等多个维度的知识。地图作为知识的一种特殊展示方法，有很多可视化表现手段。其中，地理实体几何或属性特征知识，适合采用定点符号法、统计图表法等表示；描述地物空间分类、聚类以及关联的空间关系知识，采用范围法、质底法，或拓扑地图等表示；时空演变规则可采用描述地图变化过程的视频、地图动画、地学图谱以及传统的运动符号法等表示。

知识地图可视化的研究内容包括：研究不同空间知识类型的可视化表达方式，研究空间知识地图可视化表达基本规则，制定符合用户认知特征与领域决策的知识地图导航规则和可视化模板方案，研究以知识地图为主要知识可视化形式的多元知识可视化表达技术，建立特定领域的导航模板库、符号模板库、色彩模板库、注记模板库、地图模板库，以及通过用户模型的动态相似度匹配分析实现对模板的自动调用，或通过修改系列参数实现对模板的修改和添加，并且充分利用多媒体(视频、声音、动画等)及超媒体技术拓宽其可视化表达手段，适应不同的个性化需求。

4.3 基于用户特征的个性化知识地图服务机制研究

个性化指根据用户的信息使用行为、习惯、偏好和特定需求，向用户提供满足其个性需求的信息内容和功能的一种服务[32]。个性化知识地图服务以满足用户以地图为载体的知识个性化需求为目标，实现地图服务资源的个性化、地图服务方式的个性化、地图服务内容的个性化，提高用户效率，改善用户体验，使系统能够在“适当的时机”将“适当的知识”推送给“适当的用户”。知识地图的服务机制主要有推送、推荐、定制、自适应等几种方式。

(1)定制

个性化空间知识地图中的定制服务是用户对模板中的参数进行选择，生成表单提交给系统后，由系统按照用户的个性化需求快速高效生成定制模板，以满足用户对个性化空间知识地图的使用需要。地图定制服务可以分为两种：一种是实时定制实时使用，即用户交互选择系统功能与外形后即时可用；另一种是在线定制离线制图，即用户在线定制个性化需求地图，然后由制图人员根据用户的定制需求进行离线制图，再将定制产品推送给用户使用[18]。

(2)推荐

推荐是根据对用户模型的匹配分析，将模板库中的多个地图模板推荐给用户，请用户自行选择的一种服务方式。通过对用户以往使用经验的分析，对所推荐模板进行排序，用户可以自行调整或添加模板，系统进行记录和保存。

(3)推送

推送是在对用户模型进行分析的基础上，以广告和群发的形式将用户可能需要的信息发给用户。在个性化空间知识地图的研究中，在对用户进行分析的基础上，提炼用户模型知识，与模板库中的模板动态匹配，以高相似度的匹配结果为用户提供服务。

(4)自适应

自适应是比较高级的一种服务方式。目标是机器可以自动识别、智能分析用户的情境知识和操作知识，然后由机器自动调整模板的样式，全程在后台进行，不需要人为干预。基于用户行为跟踪与数据挖掘的情景建模技术，为用户提供显性定制和隐性自适应的个性化地图服务。

5 知识地图可视化系统的设计与实现

5.1 多层结构地图知识库构建

构建地图知识服务系统的多库和多层组织结构，包括用户知识库、用户模型库、空间知识库、领域知识库、模板库、规则库、决策方案库、算法库等，利用地图研究事实-数据-信息-知识-决策之间的关系及转换机制；研究知识地图的知识链结构，分级对相互关联的空间知识进行调用和展示，并且辅以时间特性，构建时空多层网状结构，网状结构每层节点之间通过知识相互连接，通过超链接打开下一级节点，提供粒度更细的节点知识；研究知识获取、表达与管理、知识库构建及动态更新与维护技术，实现知识库的不断扩展和优化。

5.2 知识地图符号可视化体系构建

符号设计的标准不统一、不规范，导致用户对地图符号的认同感下降，难以从地图符号中提取有用的知识。我们在遵循一般性符号设计标准和用户常识性知识经验的基础上，设计出具有个性化的符号，并且开发符号编辑器对其进行管理和调用。

本文首先采用问卷调查法和眼动实验法，设计一系列地图符号实验；通过多种地图学认知实验方法，研究用户对符号的辨识感受效果，具体包括：地图符号辨识度实验、多组地图符号的优先次序排序实验、地图符号可用性评价实验等。通过统计分析的方法，确定影响因子及其权重，提炼出一般性的地图符号设计知识以及个性化用户模型与符号设计间的匹配知识，建立个性化地图符号体系。按照知识库中的知识规则和用户聚类模型，设计符号编辑器，建立符号库，对设计的个性化符号进行科学管理。符号编辑器具有修改、保存、添加、删除、移动、排序等功能，既能实现对已有符号的管理，又能充当用户根据自身需要修改地图符号的工具平台，实现个性化推荐设计功能。具体包括：符号库模块、符号元数据库模块、符号知识库模块等。具体方法参见文献[33]、[34]。

5.3 知识地图模板库的参数化构建

个性化空间知识地图具有底图要素、专题要素、整饰要素和时空要素等基本要素。通过对这些要素进行组合及参数化设置，进行模板设计。

本文依据多模式空间知识地图服务的模板设计方案和规则知识，建立基于参数化模板技术的个性化地图可视化的控制策略；针对不同的可视化方法，制作支持实现快速可视化的模板库，包括：符号模板库、色彩模板库、注记模板库等；根据空间知识的组织特征，制作知识地图导航模板库，包括：概念图模板、流程式模板、分类式模板等；根据用户参数选择后形成的方案，制作相应的地图可视化模板。通过动态用户模型的相似度匹配分析，实现对模板的自动调用。当模板库中的模板不能满足用户的个性化需求时，通过修改系列参数，实现对模板修改和添加。

5.4 个性化知识地图系统开发实践

本文面向定制与自适应相结合的服务方式，基于agent技术，研制了个性化空间知识地图服务原型系统。

系统基本模块包括：用户信息获取模块、空间知识分析模块、定制服务模块、自适应服务模块、知识库模块。为用户提供基本操作功能及标注、修改、上传、下载等地图交互功能；设计决策分析工具，充分利用空间知识及相关算法，提供基于知识的决策支持功能；提供本站及互联网平台内相关知识的搜索引擎或超链接，访问其他分布式数据库，设立用户交流与反馈平台。基于用户模型、可视化模板和规则等知识，采用Ajax技术，构建系统的多Agent框架，实现空间知识地图的个性化服务。

界面Agent是用户与系统交互的接口，实现用户定制界面，包括用户基本信息、需求信息等，用户通过界面Agent向系统提交需求，同时通过鼠标、键盘等的跟踪，系统自动获得用户与系统交互信息，存储并进行数据的自动挖掘，更新用户模型并推送给用户个性化的知识地图。

推理与匹配Agent采用提出的改进的用户模型匹配算法，实现用户模型的智能匹配，在用户的动态交互过程中实现基于自适应规则的知识推理。

空间知识分析Agent结合领域知识，通过一定的算法，对用户需求的空间数据进行分析，获得决策知识。

地图可视化Agent将决策知识依据可视化规则以适当的知识地图形式提供给用户。知识搜索Agent实现用户在网络上进行需求内容的搜索。

交流与评价Agent实现用户对系统提供的知识地图的个性化修改，或直接向系统上传个性化地图，系统具有存储和共享功能，用户可以发表评论，系统具有鼓励用户发表建设性评论的机制，使空间知识地图服务不断完善。

6 结 论

本文总结了知识地图研究现状，分析了目前存在的主要问题，归纳了个性化空间知识地图的概念和理论体系，介绍了知识库的多源数据特性、知识地图中知识可视化的研究内容及针对个性化需求的知识地图定制、推荐、推送、自适应等服务机制；同时，提出了知识库、符号库和模板库的构建方法，并进行了初步实践，希望能为类似研究提供借鉴。

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Conception System of Knowledge Map and Visualization Service Mechanism

Zheng Shulei1, Yang Chunlei1, Chen Tao2, Fang Xiao1

1.Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710000

In connection with the lack of individual, combination of theory and application, also the difficulty to ensure the authenticity and safety, lack of quantitative data and experimental support in research, the paper studies the concept system of knowledge map and related visualization services mechanism. First, the authors introduce the concept system of knowledge map including the definition and characteristics of knowledge, the classification of knowledge, spatial knowledge and knowledge map, etc. Based on the research status of knowledge map, the authors point out the deficiency in research. Then the paper introduces the multi-source characteristics of knowledge database in knowledge map and the research of knowledge map visualization and service mechanism to meet the individual requirements. Finally, the authors propose the construct methods of the knowledge database, symbols database and templates database in the map visualization, and make an elementary practice.

knowledge map； personalized； knowledge database； visualization； services mechanism

2014-12-23。

国家自然科学基金资助项目(41171353)，国家863计划资助项目(2012AA12A404)，信息工程大学测绘学院学科基础理论研究基金资助项目(T1103)。

郑束蕾(1980—)，女，博士研究生，主要从事地理空间认知与地学可视化方面的研究。

P223

A