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基于Ontology的地理信息服务研究

作　者: 李宏伟
导　师: 王家耀
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 地图制图学与地理信息工程
关键词: Geo-Ontology 语义异质概念网格土地利用领域本体本体形式化语义匹配语义相似度语义相关性 OWL OWL-S 地理信息查询服务地理信息服务组合
分类号: P208
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 823次
引　用: 35次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-14
第一章绪论:从地理信息系统到地理信息服务  14-25
  1.1 GIS发展中存在的问题剖析  14-15
  1.2 Web地理信息服务  15-21
    1.2.1 Web地理信息服务核心技术  15-18
    1.2.2 Web地理信息服务体系  18-19
    1.2.3 Web地理信息服务研究现状  19-21
  1.3 地理信息系统中研究本体论的意义  21-23
  1.4 论文主要内容和组织结构  23-24
    1.4.1 论文主要内容  23
    1.4.2 论文的组织结构  23-24
  1.5 本章小结  24-25
第二章本体论(Ontology)与地理本体  25-43
  2.1 本体论概述  25-29
    2.1.1 本体的概念和内涵  25-26
    2.1.2 典型本体  26-29
  2.2 本体层次划分  29-30
  2.3 地理本体(Geo-Ontology)与地理信息体(GIC)  30-33
    2.3.1 Geo-Ontology  30-32
    2.3.2 地理信息体(GIC-Geographic Information Community)  32-33
  2.4 本体论与地理本体研究现状  33-40
    2.4.1 国际上与地理本体相关的主要研究计划、学术会议  33-35
    2.4.2 USGIS研究计划  35-36
    2.4.3 地理本体基础理论研究进展  36-37
    2.4.4 地理本体应用研究进展  37-39
    2.4.5 地理应用本体工程实践  39-40
  2.5 本体和语义网络  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第三章地理信息服务中的语义异质  43-62
  3.1 一个语义异质实例  43-46
  3.2 地理空间认知抽象模型  46-51
    3.2.1 地理空间认知层次模型  46-47
    3.2.2 OGC的地理空间认知模型  47-50
    3.2.3 两种认知模型的比较  50-51
  3.3 地理分类与地理分类体系  51-52
  3.4 一种新的语义异质解决途径  52-61
    3.4.1 概念网格(Concept Lattice)  53-56
    3.4.2 基于概念网格的语义异质解决思路  56-57
    3.4.3 概念网格和FCA应用实例  57-61
  3.5 本章小结  61-62
第四章地理领域本体设计  62-76
  4.1 本体建模  62-63
    4.1.1 建模元语  62
    4.1.2 本体模型  62-63
    4.1.3 本体解释  63
    4.1.4 本体关系  63
  4.2 本体定义与表示中包含的语义关系  63-65
    4.2.1 类和属性的分化与它们之间的关系  63
    4.2.2 类的继承关系  63-64
    4.2.3 类间的二元关系  64
    4.2.4 谓词逻辑推理  64
    4.2.5 约束关系  64-65
  4.3 Ontology建立原则与方法  65-70
    4.3.1 Ontology建立原则  65-66
    4.3.2 Ontology建立方法  66-68
    4.3.3 地理领域本体构建步骤  68-70
  4.4 地理领域本体概念设计  70-74
    4.4.1 土地利用类型本体  71-73
    4.4.2 土地利用要素本体  73-74
    4.4.3 土地利用空间关系本体  74
  4.5 本章小结  74-76
第五章地理本体的形式化表达  76-91
  5.1 基于具体知识工程或系统的本体表达语言  76-77
  5.2 与Web相关的本体描述语言  77-85
    5.2.1 XML和XMLschema─可扩展标识语言  78-79
    5.2.2 RFD和RDF-Schema─资源描述框架和资源描述框架模式  79-82
    5.2.3 DAML+OIL─语义Web标识语言  82-83
    5.2.4 OWL─网络本体语言  83-85
  5.3 土地利用本体的OWL描述  85-90
    5.3.1 土地利用领域本体(LDO)的OWL描述  85-88
    5.3.2 土地利用本体(LDO)的Protégé表达  88-90
  5.4 本章小结  90-91
第六章基于本体的地理信息语义相似关系  91-105
  6.1 本体的相似性  91-93
  6.2 基于词语间距离的语义相似度  93-94
  6.3 基于义原的语义相似度  94-96
  6.4 结构相似度  96-99
  6.5 本体语义相似度计算应用  99-101
  6.6 地理本体相关性计算  101-104
    6.6.1 本体相关性定义  101-102
    6.6.2 本体相关性计算  102-103
    6.6.3 本体相关性计算应用  103-104
  6.7 本章小结  104-105
第七章基于本体的地理信息服务描述  105-116
  7.1 Web服务顶级知识本体──OWL-S  105-106
  7.2 基于OWL-S本体的Web服务语义描述  106-111
    7.2.1 Web服务轮廓-ServiceProfile  106-108
    7.2.2 Web服务建模-ServiceModel  108-109
    7.2.3 Web服务基点-ServiceGrounding  109-111
  7.3 应用实例──土地利用变更服务  111-115
  7.4 本章小结  115-116
第八章基于本体的地理空间数据表达与查询服务  116-127
  8.1 基于地理本体的空间数据表达方法  116-123
    8.1.1 目前GIS软件中的空间数据表达  116-118
    8.1.2 基于本体的土地利用数据分级表达方法  118-123
  8.2 基于本体的土地利用数据查询服务  123-126
    8.2.1 基于土地利用类型及其等级关系的数据查询  123
    8.2.2 基于土地利用实例及其空间关系的数据查询  123-125
    8.2.3 基于土地利用类型和实例的综合查询  125-126
  8.3 本章小结  126-127
第九章基于本体的Web地理信息服务自动组合  127-148
  9.1 基于本体的地理信息服务组合框架及实现策略  127-130
    9.1.1 基于本体的地理信息服务组合框架  127-128
    9.1.2 基于本体的地理信息服务组合实现策略  128-130
  9.2 Web服务匹配  130-133
  9.3 Web服务组合算法  133-138
    9.3.1 Web服务组合图  133-134
    9.3.2 算法实现  134-138
  9.4 应用案例研究  138-146
    9.4.1 案例1:出行线路选择  138-143
    9.4.2 案例2:土地利用信息组合查询  143-146
  9.5 本章小结  146-148
第十章结论与展望  148-151
  10.1 论文主要创新点  148-149
  10.2 进一步研究的方向  149-151
参考文献  151-162
附录  162-165
致谢  165

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