摘　要: 地理現(xiàn)實的動態(tài)性早已被人們所廣泛接受, 目前關(guān)于時空GIS 的研究也越來越多. 本體技術(shù)的引進, 為地理時空研究提供了一條新途徑. 從地理時空本體的起源基礎(chǔ)介紹了時間本體、空間本體的基元、特性、表示模型等, 綜述了目前時空本體的研究進展, 總結(jié)了目前研究中存在的一些問題并展望了未來的發(fā)展方向.
關(guān)鍵詞: 地理時空本體; 時間本體; 空間本體
時間與空間永遠是人類永恒的話題, 也是一直困擾著各學(xué)科的少數(shù)共同概念之一. 對于地理學(xué)而言, 其所有的研究對象都與時間和空間密切相關(guān).地理信息具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)變化特征. 地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn), 使其以地理信息世界來表達地理現(xiàn)實世界, 來真實、快速地模擬各種自然過程和思維過程. 傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)中只考慮了地物的空間特性, 忽略了其時間特性. 而在許多應(yīng)用領(lǐng)域, 這種動態(tài)變化規(guī)律在問題的求解過程中起著十分重要的作用. 因此, 近年來對G IS 中時態(tài)特性的研究十分活躍, 即所謂“時空系統(tǒng)”. 時空語義對于在建立真實世界和地理信息系統(tǒng)的聯(lián)系起極其重要的橋梁作用. 但是, 受到研究理論和技術(shù)制約, 目前對于時空G IS 的研究進展仍十分緩慢. 隨著G IS 的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和大眾化的發(fā)展必然趨勢, 對G IS 理論和技術(shù)上的創(chuàng)新也提出了更高的要求.
為此, 將本體論作為新的理論和方法引入時空G IS 的研究中具有十分重要的意義. 代寫論文由于本體技術(shù)對于地理信息科學(xué)研究的重要性以及地理信息科學(xué)中時空的重要性, 地理本體必須包含一個對于世界的全面的時空觀點, 成了地理時空本體研究的重要背景. 本文介紹了時空本體的相關(guān)概念、表示模型等, 綜述了目前時空本體的研究進展, 并對目前研究中存在的一些問題及發(fā)展方向進行了探討.
1 時空本體的起源基礎(chǔ)
本體最初為哲學(xué)概念, 是指關(guān)于存在及其本體和規(guī)律的學(xué)說, 是關(guān)于世界某個方面的一個特定的分類體系. 本體論發(fā)展到后來, 演變成了一種“借用”或“承諾”. 后來被引入人工智能領(lǐng)域后, 本體被認為是共享的概念模型的明確的形式化規(guī)范說明[ 1 ]. 在地理信息領(lǐng)域, 雖然目前還沒有達成共識的地理本體的概念, 但一致認為地理本體應(yīng)該包含哲學(xué)本體和信息本體的內(nèi)涵.
時空地理本體的研究是建立在前人對時間本體和空間本體的大量研究成果之上的. 代寫畢業(yè)論文這里簡要介紹時間本體以及空間本體的基元、屬性以及表示模型等.
1. 1 時間本體
心理學(xué)和哲學(xué)領(lǐng)域通常把時間分為3 種, 即自然時間( natu ral t im e )、習(xí)俗時間( conven t ional t im e) 和邏輯時間( logic t im e) [ 2 ]. 在人工智能領(lǐng)域,由于應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜性, 需要使時間概念更加明確. 因而時間本體的建立一般是基于時間基元( tempo ral p rim it ive) 的, 時間基元的選擇對于表示時間概念的時間模型尤其重要. 目前對于時間基元主要有兩種對立的觀點, 即時間點( in stan t s o r po in t s) 和時間段(periods o r in tervals). 有些學(xué)者認為時間基元可以同時包含二者. 此外, 也有學(xué)者并不基于純粹的時間基元建立時間本體. 例如Moen 等人便從語言學(xué)角度出發(fā), 研究了基于原因、結(jié)果等概念上的時間本體[ 3 ].
時間本體的屬性主要涉及次序、結(jié)構(gòu)和界限性等問題. 時間的次序性問題主要為: 時間流是線形、分支還是循環(huán)的? 時間的結(jié)構(gòu)是密集的、離散的還是連續(xù)的? 時間是有限的還是無限的? 線性時間是最普遍的模型, 而分支模型考慮了將來可能發(fā)生的多種可能性, 循環(huán)時間可以看作是線性時間的特殊形式. 密集型時間與有理數(shù)集(Q ) 同構(gòu), 離散時間與整數(shù)集(Z) 同構(gòu), 而連續(xù)時間則與實數(shù)集(R ) 同構(gòu). 時間的無限延展可以發(fā)生在連續(xù)的線性時間和循環(huán)時間中, 卻不能發(fā)展在離散的線性或分支時間里; 在時間系統(tǒng)里引入度量關(guān)系就可以轉(zhuǎn)化為一個日歷系統(tǒng).
決定時間關(guān)系類型以及時間表現(xiàn)形式的時間約束有基于定性時間關(guān)系的和基于定量信息的, 也有將二者融合進行約束的. 定性關(guān)系主要有A llen的時間區(qū)間代數(shù)[ 4 ]、M atu szee 等人的基于時間段端點的局部信息方法[ 5 ]、F rek sa 基于鄰近概念的半?yún)^(qū)間方法[ 6 ]等. 定量關(guān)系中最簡單的例子是根據(jù)日期或其他準確的數(shù)值形式獲得時間信息. Kau tz和L adk in[ 7 ]等人提出了把時間的定性和定量關(guān)系相結(jié)合的方法來處理不同精度時間知識的可得性.
時間關(guān)系的表示模型很多, 根據(jù)它們所采用的時間本體的基元不同可以大致分為兩類, 即以時間點為時間基元的表示模型和以時間段為時間基元的表示模型. 在人工智能早期的研究中, 多數(shù)的工作是以時間點為時間基元的, 例如狀態(tài)演算(situat ional calcu lu s) [ 8 ]、B ruce 的Ch rono s 系統(tǒng)[ 9 ]以及時間專家系統(tǒng)( t im e specialist) [ 10 ]等. 但是在后來的研究中, 以A llen 為首的許多學(xué)者認為時間段比時間點更能體現(xiàn)人們常識中的時間概念.A llen 提出, 由于時間段是表示屬性(p ropert ies) 和事件(even t s) 的最好概念, 因而它應(yīng)該是唯一的時間基元. 此后, 許多學(xué)者都以此為依據(jù)建立一些模型. 也有學(xué)者提出過包含兩種基元的時間模型, 例如V ila[ 11 ]等人.
1. 2 空間本體
對于空間本體的基元, 主要有基于點和基于區(qū)域兩種選擇[ 12 ]. 最初的空間數(shù)學(xué)理論中, 把點作為基本空間實體, 并用點把區(qū)域定義為點的集合. 在Q SR (定性空間表示) 中, 更趨向于把區(qū)域作為基本空間實體. 盡管本體的出現(xiàn)意味著為多數(shù)空間和幾何概念建立新的理論, 但是多數(shù)學(xué)者仍認為區(qū)域是本體基元.
除了基元問題外, 空間本體還要考慮空間的性質(zhì), 即它是同維的還是混合維的、離散的還是連續(xù)的、有限的還是無限的.代寫碩士論文 這些問題引發(fā)了允許什么樣的基元“計算”的問題. 即相當于邏輯理論中什么樣的簡單非邏輯符號在沒有定義而只是被某個公理既約束條件下可以被承認. 另一個本體問題就是多維空間的建模問題, 一個方法是通過分別考慮每個維來進行空間建模, 但這種方法仍非常不完備.
由于空間關(guān)系可以分為3 類, 即拓撲關(guān)系、方位關(guān)系和度量關(guān)系. 因而, 其表示模型可以分為拓撲模型、方向模型和度量模型. 空間拓撲模型有點集拓撲和區(qū)域拓撲兩類, 影響較大的是RCC 模型[ 13 ] , 它是以區(qū)域作為空間基元的. 方向模型研究中, 使用了點和區(qū)域兩種基元, 例如F rank 的“錐形法”和“投影法”[ 14 ]以及F rek sa 的“雙十字模型”[ 15 ]等都是針對點對象的; 而Goyal 和Egenhofer 的MBR 法則[ 16 ]依據(jù)于區(qū)域. 度量關(guān)系模型中多以點為空間基元, 定量度量關(guān)系通常使用歐氏距離來進行量算, 偶爾也采用曼哈頓距離等; 而定性度量關(guān)系則常用遠、近、中等等來表示距離. 在定位時, 度量關(guān)系往往需要和方向關(guān)系進行結(jié)合.
2 時空本體的研究進展
現(xiàn)實世界中時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的. 因而, 人們?nèi)找嬲J識到真實世界的時空模型的重要性和必要性. 目前, 有兩種建立時空模型的思路, 其一是利用已有的時間模型和空間模型; 其二是試圖重新建立統(tǒng)一的時空模型. 前者主要是在已有的時態(tài)模型的基礎(chǔ)上添加對空間的支持能力; 或在已有的空間模型的基礎(chǔ)上添加對時態(tài)的支持; 或者是將時態(tài)模型和空間模型作正交組合. 后者則將時空看作原子實體, 以此為基礎(chǔ)建立新的時空統(tǒng)一模型. 兩種思路各有千秋, 從實現(xiàn)難度看, 前者與現(xiàn)有研究基礎(chǔ)結(jié)合比較緊密, 更易于實現(xiàn); 而從理論角度看, 后者則更為完美. 總的說來, 目前從本體角度對時空關(guān)系進行研究仍處于探索階段, 尚無十分成熟的理論和技術(shù)方法.
2. 1 主要研究趨向
目前孤立研究時間關(guān)系或空間關(guān)系的學(xué)者較多, 但是將二者結(jié)合起來, 并明確提出從本體角度研究時空關(guān)系的學(xué)者仍比較少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早開始在對時空數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)本體的研究中提出了一個5 層的本體, 每層都應(yīng)用不同的規(guī)則. 他把自然事實看作一個四維場模型, 構(gòu)造公式a= f (x , y , z , t) 來表示一個只有唯一值的函數(shù), 該公式表明只有唯一的時空世界[ 17 ]. 此外他還從語言學(xué)和認知角度研究了時空G IS 中的本體的一致性[ 18 ].
但也有學(xué)者認為時空本體并非是唯一的, 單一四維模型不能有效的表達現(xiàn)實世界的時空關(guān)系.B it tner[ 19 ]首先提出了建立兩種時空本體, 即SNA Pon to logy (快照本體) 和SPAN on to logy (時段本體) , 前者認為永久的實體處于特定的時刻之中, 后者認為實體持續(xù)存在于完整的時間之中. 并且他提出了粒度的概念來分解空間和時間, 分別建立對應(yīng)的本體論. Grenon[ 20 ]定義的時空本體在時空表示方面也區(qū)分了兩種對象: 持續(xù)對象(Endu ran t) , 可以在給定時刻存在的物質(zhì)、性質(zhì)、關(guān)系、功能等; 連續(xù)對象(Perdu ran t) , 對應(yīng)某個過程, 并不在某個給定時刻存在, 而是作為整體存在于一段時間之內(nèi).這兩種對象分別對應(yīng)E2本體和P2本體. 持續(xù)對象可以作為連續(xù)對象的組成部分, 參與連續(xù)對象對應(yīng)的過程. 他還給出了時空本體的20 條公理. 在隨后的工作中, Grenon 和Sm ith[ 21 ] 針對地理現(xiàn)實的動態(tài)性, 進一步提出一個好的本體應(yīng)該既能表示同時發(fā)生的現(xiàn)實又能表示歷史事實, 針對這兩個不同的任務(wù)他們提出了用當代哲學(xué)本體中的三維和四維相結(jié)合的辦法來解決, 他們建立了一個包括兩個成分的形式本體SNA P 和SPAN , 一個是針對地理對象, 一個針對地理過程. SNA P 處理三維實世界, 包括它們所處的空間區(qū)域以及所有的性質(zhì)、功率、功能、角色以及其他從一個時刻到下一個時刻保持一致的實體. SPAN 則適于處理包括持續(xù)實體在內(nèi)的過程以及這些過程發(fā)生的時空體( spat io tempo ralvo lum es). 國內(nèi)也有學(xué)者[ 22 ]將其分為TSOO (時空對象本體) 和TSPO (時空過程本體) , 其觀點與Grenon 觀點實質(zhì)相同.
雖然目前對于時空本體的形式化尚未取得一致性意見, 但是有一些學(xué)者提出了自己對建立時空本體的規(guī)范性要求的看法. Galton[ 23 ] 在在回顧了地理學(xué)以及地理信息科學(xué)范圍內(nèi)的多種現(xiàn)象種類后, 確定了3 個可以全面、適當處理這些現(xiàn)象的時空地理本體所必要條件, 一個這樣的本體必須:①提供合適的表現(xiàn)和操作形式以適當處理基于場和基于對象的世界視點間的豐富的相互連接的網(wǎng)絡(luò); ②把基于場和基于對象的模型, 以及用來處理這些模型的表現(xiàn)形式擴展到時間領(lǐng)域; ③提供一種方法來發(fā)展時空范圍以及范圍內(nèi)存在的現(xiàn)象的不同模型, 尤其是對于那些諸如暴風(fēng)雪、洪水、野火等似乎既表現(xiàn)為對象性又表現(xiàn)為過程性的雙重性的現(xiàn)象.
2. 2 時空本體庫
由于時間與空間都屬于常識范疇, 是重要的常識概念, 因此, 任何重要的上層本體都必須考慮時間和空間的問題. 目前已有的時空本體庫里一般是將時間本體與空間本體分開建立. 比較大型的本體庫有斯坦福大學(xué)的P ro tégé本體庫[ 24 ]、CYC 上層本體庫[ 25 ] , IEEE 的標準上層本體工作組開發(fā)的SUMO 本體[ 26 ]等. 其中P ro tégé本體庫中涉及到時間和空間本體的有NA SA 開發(fā)的SW EET( Sem an t ic W eb fo r Earth and Environm en tal Term ino logy ) 本體系統(tǒng); O GC (Open G IS Con so rt ium ) 的地理標記語言O(shè) GC 本體系統(tǒng); ISO的OWL 本體中包括地理信息空間框架( ISO 19107: 2003)、地理信息時間框架( ISO 19108:2002)、地理信息空間坐標參考( ISO 19111: 2003)、地理信息空間地理標記參考( ISO 19112: 2003) 等.比較常用的是以語言命名的DAML 時間本體和空間本體. 也有學(xué)者嘗試著對建立統(tǒng)一的時空本體提出了自己的構(gòu)想, 如胡鶴在其博士論文中利用OWL DL 對DAML 時間本體和空間本體進行結(jié)合建立了統(tǒng)一的時空本體框架[ 27 ]. 此外, 還有一些小的時間本體、空間本體以及時空本體的存在.
2. 3 研究熱點
2. 3. 1時空本體建模的形式化語言與推理　
F rank 認為本體需要形式化語言來描述, 并且這種語言應(yīng)該具有客觀的形式、明確的聲明性、類型化、自動的一致性檢驗機制以及可執(zhí)行性[ 17 ]. 研究時空本體的傳統(tǒng)方法主要是邏輯的方法. 且使用較多的是以一階謂詞邏輯為基礎(chǔ), 引入其他非經(jīng)典邏輯的方法. 例如,Wo lter 等人[ 28 ] (2000) 采用語義的方法, 將時態(tài)模型T 和空間模型S 結(jié)合成一個多維時空結(jié)構(gòu). 他們把時空解釋成時間和空間結(jié)構(gòu)的迪卡爾乘積, 并基于BRCC - 8 進行時空表示, 構(gòu)造ST 0、ST 1、ST 2 這3 個時空邏輯. 對ST i 應(yīng)用模態(tài)算子□、◇得到STB i, 在STB i 上添加時間區(qū)域項得到STB i+ . Wo lter[ 29 ]等人(2002) 構(gòu)造了一階時空邏輯(FO ST ) , 并指出在基于無限時間流的拓撲時態(tài)模型中, 由于時態(tài)操作符和作用于區(qū)域變量上的量詞導(dǎo)致FO ST 的可滿足問題是不可判定的, 他們將BRCC- 8 嵌入到雙模態(tài)邏輯S4u 中(可判定的) , 然后再把S4u 嵌入到一階邏輯單變量子集中(N P- 完全的) , 構(gòu)造出命題時空語言(PST ) , 有關(guān)任意拓撲模型中的PST 公式可滿足性問題的計算性質(zhì)還有待研究. 通過在BRCC- 8 中加入?yún)^(qū)間時態(tài)邏輯(ALL - 13) 得到ARCC- 8 邏輯. ARCC- 8公式在時態(tài)拓撲模型中是N P 完全的. Bennet t 等人[ 30 ] (2002) 將命題時態(tài)邏輯PTL 和空間模態(tài)邏輯S4u 結(jié)合起來, 形成了“二維”時空邏輯PSTL.
PSTL 是否可判定, 仍然是未解決的問題, 但通過嵌入PSTL 到RCC8 空間邏輯, 能得到一些可判定的子系統(tǒng). M u ller[ 31 ] (2002) 把時間和空間看成同質(zhì)(homogeneity) 的, 以時空區(qū)域(時空歷史) 為基本實體, 在擴展A sher 的空間邏輯公理集基礎(chǔ)上,定義了時序關(guān)系和時空約束, 建立了一階時空邏輯模型, 并基于該邏輯提出了有關(guān)運動的推理理論.隨著更易被人和機器理解的描述邏輯(DL ) 的出現(xiàn)與發(fā)展, Haarslev 在ALC (D) 的基礎(chǔ)上對描述邏輯進行了擴展. 他研究了ALCRP (D ) 理論作為地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的知識表示和查詢操作的基礎(chǔ), 通過具體領(lǐng)域和一個角色形成謂詞算子的結(jié)合, 把時間推理加入了空間和術(shù)語推理中, 克服了過去ALC(D) 只能進行概念推理或只能進行空間定性推理的局限性. 并且Haarslev 還證明了ALCRP (D ) 在具體的時空領(lǐng)域應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢[ 32 ]. 該方法后來被Sw iss 國家基金委O FES 支助的部分歐洲Know ledgeW eb 和D IP 項目所采用.

2. 3. 2時空本體的粒度問題　粒度是構(gòu)成完整的空間和時間數(shù)據(jù)所必需的, 粒度問題是影響時空不確定性的關(guān)鍵因素. 大量的應(yīng)用要求事實以及其時空背景一起存儲, 這就需要根據(jù)合適的粒度來表示. 并且, G IS 中時空數(shù)據(jù)可以用不同的粒度來記錄和查詢. 因此需要在不同粒度之間進行轉(zhuǎn)化與合并. 目前已經(jīng)有許多學(xué)者分別研究了時間粒度和空間粒度的問題. Bet t in i[ 33 ] 等人提出了形式化表示的時間粒度——日歷代數(shù)(Calendar A lgeb ra) , 并把它應(yīng)用到時間數(shù)據(jù)庫、時間CSP、時間數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域. 他將時間劃分為日歷法中的年、月、日、小時、分鐘等不同粒度. Wo rboys[ 34 ]等則研究了空間的粒度問題. B it tner (2000) 采用了一個基于粗糙集理論的時間或空間粒度理論, 提出用大致位置的方法來表示近似空間區(qū)域[ 35 ] 或時間段[ 36 ]. Stell[ 37 ](2003) 對時空粒度的定性外延進行了研究. 但是這些工作都沒有形式化理論來解決時空信息的多時空粒度問題. B it tner 的理論只適合解決單一的時間或空間問題, 而Stell 只進行了描述, 沒有給出明確定義和操作. Sm ith 和B rogaard[ 38 ] 于2002 年在對L ew is 提出的個體與個體和的部分- 整體關(guān)系的分類進行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了粒度劃分(granu lar part it ion). 該方法以集理論和部分- 整體理論為其理論基礎(chǔ), 可作為形式化本體的工具和人類認知表現(xiàn)結(jié)構(gòu). 隨后Sm ith 和B it tner 又提出了粒度劃分的形式化理論[ 39 ] , 并針對時空本體SNA P和SPAN 提出了粒度時空本體SNA P 和SPAN [ 40 ].國內(nèi)也有部分學(xué)者提出了自己的觀點, 王生生等人[ 41 ]提出了一個對于時空數(shù)據(jù)模型通用的支持多粒度和不確定性時空粒度的理論. 他主要是使用了時間粒度和空間粒度的乘積空間來表示時空粒度.也有人[ 22 ]提出了用于G IS 整合的時空語義粒度,即時空對象粒度本體與時空過程粒度本體, 二者都可以根據(jù)粗糙程度進一步細分為良性粒度和粗糙粒度.
2. 3. 3時空本體的應(yīng)用　由于時空問題普遍存在于各領(lǐng)域中, 因而時空本體的研究對于解決不同時空表示系統(tǒng)之間的交互、集成、共享、重用等有著重要的意義. 代寫醫(yī)學(xué)論文 目前, 時空本體已經(jīng)引起了生物信息化、G IS、常識庫建造以及語義W eb 領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注, 并且在一些應(yīng)用領(lǐng)域已有一些實證研究. 但是,目前對于地理時空本體的應(yīng)用研究仍然處于探索階段, 主要用于時空推理方面, 例如, Kaupp inen 和Hyv nen 等[ 42 ]建立20 世紀到2004 年的芬蘭的時間區(qū)域本體, 他們使用了本體的時間序列模型來進行推理以解決與歷史相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中的信息查詢問題, 該方法成功的表示了芬蘭歷史地理區(qū)域隨時間演變的過程.
3 結(jié)論與展望
總的來說, 目前對于時空地理本體的研究, 仍然處于起步階段, 因而很多研究領(lǐng)域都存在亟待解決的問題.
(1) 地理時空本體基元的選擇. 不同基元的選擇受人們對時空現(xiàn)象認知的影響, 反過來, 基元的選擇對于時空本體的形式化表示至關(guān)重要, 以不同基元為基礎(chǔ)的時空本體會影響人們對世界的進一步認知以及知識的交流. 目前對于時空本體基元的選擇仍未有統(tǒng)一看法.
(2) 地理時空本體的形式化表示以及時空本體的建立. 目前對時空本體采用的形式化工具多是基于一階謂詞邏輯的基礎(chǔ)上的, 而使用描述邏輯定義時空本體的工作仍較少. 因此應(yīng)該進一步研究時空本體的形式化方法, 建立良性的形式化時空本體, 使得所建立的時空本體更適合于人們對時空常識的理解. 此外, 如何在建立的時空本體之間進行轉(zhuǎn)化, 尤其是如何在以不同基元為基礎(chǔ)的時空本體之間進行轉(zhuǎn)化與無縫結(jié)合也是個值得探索的問題.
(3) 地理時空本體粒度的研究. 粒度的變化影響人們對地理時空的認識, 不同粒度下, 人們認知的時空范圍大小與層次有所不同. 如何選擇適合人們不同視點需求并且易于在G IS 中表達的粒度是值得進一步研究的課題.
(4) 地理時空本體與實際應(yīng)用. 時空本體是可應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域的頂級本體, 因此, 可以表達地理學(xué)領(lǐng)域與時空相關(guān)的一切地理現(xiàn)象. 但是, 目前對于地理時空本體的實際應(yīng)用研究尚不多, 代寫工作總結(jié) 仍然處于探索階段. 因而, 應(yīng)該積極探索地理時空本體的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域, 并建立與具體應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的推理規(guī)則, 推理模型等, 以解決領(lǐng)域中的實際問題.

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