全息地理空间本体模型构建

张 斌，李宏伟，崔铁军

（1.郑州大学 地球科学与技术学院，河南 郑州 450052；2. 天津师范大学 地理与环境科学学院，天津 300387）

全息的内涵是对客观世界，真实现象的全方位表达。任何事物都不是孤立的，都可以拆分为一系列全息元，每个全息元分别反映事物不同侧面的特征，透过现象看本质，全息元的组合体现了事物的本质特征。对应于空间认知与地理信息服务，也需要表达与空间对象相关的全方位的信息，引入全息的概念[1-3]可以理解为三方面内容:一是从数据表达上构建全息地理空间数据模型；二是从数据关联上建立全息地理信息关联框架；三是从地理信息服务上进行全息地理过程重构，建立全息地理信息服务平台。本文主要就全息数据表达进行论述，即地理空间数据全息本体模型的构建。

1 模型概念框架

建立地理空间数据本体首先必须明确地理空间中所涉及到的概念、关系、规则、属性和实例等内容，即建模五元组，之后便可在某种特定的本体语言基础之上，运用本体创建工具得到相应的本体模型。因此，构建较为完整的地理空间数据本体需将相关领域的概念表达清楚。本文从数据表现形式和数据特征两方面入手作为划分依据，将地理空间数据划分为空间数据和地理数据两种类型，其中空间数据就是传统意义上的基础地理信息数据，以表达地理空间数据的空间特征为主，也就是刻画地理对象的空间位置和空间关系。地理数据则是一系列表达地球表面地理特征的数据，是从地理学的视角探索地球奥秘、自然环境、人类社会、经济发展等而产生的文字、图片、报表、声音、视频等多种媒体形式的数据，与空间数据不同，地理数据主要描述地理对象的属性信息，包括时态信息。前者从空间数据的几何、拓扑及属性特征入手，从点、线、面及聚合对象等方面进行抽象概括；后者从人类活动出发，划分成自然地理数据和人文地理数据。自然地理数据表示客观世界中存在的一些地理对象或自然现象，如河流、高山、雨、雪等；人文地理数据是有人类活动接触的地理对象或社会经济现象，如政治、经济、文化、社会以及境界等。

在实际应用中，空间数据往往是作为底层的可视化和空间分析数据，配合地理数据进行某些行业的具体应用。当前，随着地理信息服务行业的不断延伸，地理数据在应用中的比重越来越大，作用也越来越显著。

全息地理空间数据本体模型概念框架如图1 所示，利用本体知识，自顶向下建立地理空间的概念分类体系，从空间数据和地理数据2 个层面出发，以关系、特征、规则为指导，空间实体、地理对象具体形式为内容进行构建，主要可分为3 个部分:空间关系模型、空间数据模型和地理数据模型。

2 空间关系本体模型

地理空间数据所独有的特征由地理实体的位置、形状、大小以及相互之间的方向、度量和拓扑关系组成，是地理空间数据区别与其他数据的标志性信息[4]。

空间关系从地理空间中基本的点、线、面要素出发，对于形状不规则的复合要素，可以利用其最小外接矩形，建立起拓扑、度量和方位3 种基本的空间关系，在拓扑空间关系中，基本的拓扑关系包括包含、关联、邻接和层次关系，对应于本体的形式化表达就有相离、相邻、相交等8 种情况；方位关系有固定方位和相对方位之分，前者对方向刻画建立起统一的参考框架，后者则根据目标点与参考点的位置不同呈现多种表达方式；度量关系包括距离关系和尺寸位置关系，利用远、近、大、小等进行形式化表达。此外，对于空间特征的表达还有定量的数字形式和自然语言的描述形式，如“50 m”、“60 m”、“从这里沿科学大道往西第2 个路口往左再走3 红绿灯”等[5]，这些信息结合在一起共同构成了空间关系本体概念模型，即空间关系全息元，如图2 所示。

图2 空间关系本体概念模型

3 空间数据本体表达

地理空间数据是对复杂地物简化抽象的结果，有多尺度、多维、多时态等特征，这里的空间数据代表传统意义上的基础地理信息数据，各种类型的空间数据分别蕴含着地理实体全息空间的反映。空间数据本体模型就是在此基础上对空间数据逻辑的一种表示，是一切空间数据存储、管理、应用的基础，也是地理信息服务与应用的支撑。

空间数据本体模型是关于空间数据组织的概念和方法，它反映了地理空间中地理实体的位置、分布及实体间的空间关系，从全息观点出发，也可称为空间数据全息元。根据人类认识地理空间由简到繁的层次和传统地图数据组织和认知的模式，可将空间数据全息元划分为空间数据多尺度全息、区域分块全息、分层全息、对象全息和空间关系全息。

空间数据模型是用户看到一定的地理空间内，不同详细程度地对分布在三维空间中地理要素对象集、地理要素之间存在空间关系的总体描述，以上5 种空间数据全息元分别从不同表达粒度和认知角度刻画了空间数据。按照全息论和本体的思想，将上述5 种空间数据全息元有机组合在一起，构成空间数据全息元，即全息空间数据本体模型，模型可分为几何对象全息、地理要素全息（简单、复合）、空间关系全息、可视化全息、地理要素分层全息、区域分块全息和工作区（空间数据多尺度）全息。通过全息元间的继承关系综合地描述了地理空间复杂的地理实体现象及相互关系。全息空间数据本体模型框架如图3 所示。

图3 全息空间数据本体模型框架

1）描述空间数据需要不同比例尺、不同类型（矢量数据、DEM 数据和遥感影像数据）的空间数据，每种空间数据构成一个工作区全息元。

2）工作区全息元可以划分为不同的数据块全息元，以数据块全息元为单位，进行数据录入和存储管理。

3）每一个数据块全息元又可以分为多个要素层全息元。要素层全息元是空间数据进行数据采集、编辑、管理、分析、应用等的基础单位。

4）要素层全息元由下一级别的地理要素全息元构成，地理要素全息元是地理对象和现象的基础表示单位，包含空间信息（几何对象）和属性信息。几何对象全息元是空间数据中最小的储存单元，不体现地理对象的属性信息，只是表达了地理对象的空间位置、分布和关系，满足地理对象的快速显示和查询。几何对象全息元附加属性信息后构成地理要素全息元，又可分为基本要素全息元和复合要素全息元。基本要素全息元是地理对象的最小构成单位。复合要素全息元由一个以上的性质相同或相似的基本地理要素全息元有机组合而成，再利用空间关系全息，建立起几何对象全息元、地理要素全息元相互间的空间关系，这样就由地理空间、工作区、数据块、要素层、地理要素、几何对象和空间关系等全息元共同构成一个空间数据全息元。

4 地理数据本体表达

地理空间信息的表达，只有空间数据是不够的，还需要加入与人类生产、生活息息相关的地理数据。空间数据是基础地理信息数据，是对地理实体和现象的位置、分布和空间关系的描述。通过空间数据，我们建立起对客观世界的描述框架，能够进行一般的定位查询、定性搜索和空间关系分析，但是没有将地理学这一博大精深学科很多经典的知识融入进来，也不能满足与社会各行业的有效结合，不能探寻自然世界深层次的地理信息，因此，作为空间数据的有效补充，我们从地理学的视角，提出地理数据的概念，其涵盖了与地球、自然、人类、社会相关的各类型数据，主要体现地理实体和现象的地理特征，或者说属性特征，这里的属性更突出各专业学科、各行业、各种具体应用。地理数据同样也是体现地理空间的全息元，包括各种自然事物和现象，与人类活动相关的物体与现象，以及人对地球、自然、社会的意识形态等，如自然资源、洪水灾害、建筑物、商品运输、对产粮区、工业区的划分以及我国三级阶梯的地形走势等都归于地理数据的范畴。地理数据全息元的容量是可变的，从一块石头延伸到宇宙太空，都是全息元的单位。地理数据全息元在相对独立的同时，也存在着全息关联，如水系既属于自然资源又是生态环境的组成部分，矿产属于自然资源但又是经济建设信息等[6]。因此，对于地理数据的概念等级划分就显得很重要，地理数据概念体系一旦确定，由于数据只涉及属性方面的语义关系的处理，因此利用本体开发工具就可以直接构建全息地理数据本体模型，即地理数据全息元。

目前，地理数据的概念体系没有一个明确的划分，参考其他学者的地理本体方法，本文采用层级分类的方法。从人类活动出发，结合地理学中的概念分类，在顶层划分成自然地理全息元和人文地理全息元。前者表示客观世界中存在的一些地理对象或自然现象，如河流、高山、雨、雪等；后者是有人类活动接触的地理对象或社会经济现象，如政治、经济、文化、社会以及境界等。

前不久国家进行机构改革，成立了自然资源部，其目的就是需要对自然地理中的各种资源信息进行优化整合。此外，地理科学的学科目录中也将自然地理与资源环境合在一起作为二级专业名称提出，在国家地球系统科学数据共享服务平台中也将自然资源主题单独列出，由此可见自然资源信息的重要性，因此本文从自然资源信息角度建立自然地理概念框架。

本文在此基础上，将人文地理全息元进一步划分为人文社会经济全息元、城市地理全息元和生态环境全息元等。需要注意的是，从不同观点出发，可以得到不同的地理数据概念分类。结合自然地理全息元和人文地理全息元，全息地理数据本体概念框架如图4所示。

图4 全息地理数据本体概念框架

5 地理空间数据本体模型

将得到的空间数据全息元、地理数据全息元和空间关系全息元进行整合，利用Protégé 本体构建工具，设计得到全息地理空间数据本体模型，如图5、6 所示。

图5 全息地理空间数据本体模型

与传统空间数据模型相比，全息地理空间数据本体模型有6 个方面的新特点:

1）属性全息，利用本体的特性，在全息元中对属性灵活配置，体现在两个方面:类与属性相分离，数据属性与对象属性相分离。通过在模型中添加自定义属性项，确保地理空间数据的多主题表达，全方位的对地理空间对象的概念、类别、位置、分布、数量、质量、行为、关系、时间等特征进行描述。

2）尺度全息，利用全息的观点，从宏观到微观，构建了刻画地理空间的多级尺度全息元，从点、线、面等几何对象全息元到各种比例尺或类型空间数据的工作区全息元，全方位表达空间特征。

3）形态全息，不同尺度下地理空间数据具有不同的结构形式，也就形成了多种形态特征，或者说全息元的组合构成了不同的地理空间数据形态，体现在属性约束、数据行为、数据结构和数据类型等方面。

4）表达全息，利用地理学的观点，将自然地理全息元和人文地理全息元纳入地理空间数据的范围，进一步丰富了数据模型中地理信息的表达，让空间数据不再受限于空间数据可视化、空间分析等传统应用领域，为跨学科、跨专业的应用分析和科学决策提供可能。

5）动态全息，在本体模型中设计了时态属性，记录了地理空间对象的位置、属性等变化的动态行为信息，利用全息关联的时间关联规则，可以建立地理过程模型，进行知识获取与时空模拟，提供变化预测与决策支持。

6）环境全息，构建的全息地理空间数据本体模型，支持对二三维、室内外、地上地下以及水上水下的空间对象进行描述，并且在应用上，根据此模型开发全息地理信息服务平台支持网络浏览器、PC 客户端、移动终端等多种用户平台，满足全环境条件下的定义与使用。

图6 全息地理空间数据本体模型

6 结 语

综上所述，以本体论、全息论为基础，把握地理空间数据的空间和地理特征，利用空间认知、地理学、地理信息科学等理论方法，研究构建全息地理空间数据模型，能够对空间地物的性质、分类、分级等语义特征进行精确描述，还能对空间位置、空间形态、空间分布和空间关系等空间特征进行分析，适用于地理空间认知与地理信息智能化服务领域。科学的认识从地理空间到全息空间的转化机制，有助于推进我国地理信息科学的研究与发展，更好地为国家安全、经济建设和创建和谐社会服务。