地理信息模型资源标准化共享框架，本文主要内容关键词为：地理信息论文,框架论文,模型论文,资源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
地理信息系统(GIS)是为了解决资源与环境等全球性问题而发展起来的技术与产业，已经广泛用于科学调查、军事、资源管理和发展规划等领域(刘亚彬，刘大有，2000)。经过理论研究(GI-Science)和技术探索(GI-System)，GIS已经进入产业成熟期，其服务应用(GI-Service)已扩展到交通、物流等众多领域。数学模型和数值模拟是通过概念、经验、统计回归、机理分析等对所研究问题进行现状评估、趋势预测或过程反演的手段与方法(马胜男，2006)。地理信息建模与模拟不仅是地理空间相关科学研究工作的基础手段，更是推动GIS技术进步与产业发展的关键驱动力(范泽孟，岳天祥，2004)。运用数学方法和模型进行定量分析一直是地理科学，特别是计量地理学的重要研究手段。国内外研究者已建立的基于空间信息和时空演变的数学模型数以万计，很大程度上表达、模拟了地理信息各相关领域的现象、机制、模式与规律。
然而，目前模型的研究与应用一方面存在资源的分散性，以及基于Web环境的资源采集的时效性，资源共享存在困难；另一方面由于建模方法、模型类型和模拟因子的多样性，模型资源存在异构现象，即同一模拟对象不同模型(例如反距离(IDW)插值、样条(Spline)插值和克里格(Kriging)插值模型)、同一模型不同模拟对象(例如曲面模型在人口分布、降雨分布、气温分布等领域的应用)、同一模拟因子(例如温度)在不同模型中的不同表达(T，t，Temp等)，导致模型资源难以规范描述，资源重用难度较大。研究者指出语义互操作是实现地理信息模型资源共享与重用的关键(安杨，边馥苓，关佶红，2006)。为通过标准化手段实现模型资源的系统管理和集成共享，需要利用构建目录体系的方法，确定模型资源的分类体系、元数据和编码体系(邓洁霖，2005)。本文将从地理信息模型的分解、描述、分类体系和本体构建等方面，探讨地理信息模型资源共享的标准化框架。
2 模型分解
数学模型并非简单的信息资源，而是对客观世界的抽象和对知识的数学表达。由于地理信息环境和客体具有高度复杂性，为表达、模拟这些复杂对象及其发展规律的数学模型具有空间性、动态性、多元性、复杂性和综合性等突出特点(王桥，吴纪桃，1997)。虽然地理信息系统理论上具有强大的空间分析功能，但模型资源的异构性(杨慧，盛业华，温永宁等，2008)和复杂度(于海龙，邬伦，谢刚生等，2006)却制约了空间分析功能的发挥(宫辉力，李京，陈秀万等)。同时，现有模型资源往往是由不同研究者在不同时间、不同的研究背景下开发出来的，难以满足模型集成与共享对模型狭义数据类型匹配(specific data type matching)和广义数据类型匹配(generalized data type matching)的要求(亓常松，2008)。为此，必须在地理信息领域引入模型管理技术。
模型管理技术经历了3个发展阶段(陈文伟，2000)，即程序文件系统阶段、模型软件包阶段、模型管理系统阶段(Model Management System，MMS)和集成建模环境(Integration Modelling Environment，IME)。国内研究者利用模型库系统在生态系统评估、城市人口预测、地质找矿、地质灾害评估、海洋渔业预测模拟、水资源评估管理、农业、森林和土壤资源评估、气候模拟等领域取得了一系列探索性进展(范泽孟，岳天祥，2004)，在模型库系统(Model Base System，MBS)(于雷易，边馥苓，于林易，2003)、模型资源共享平台(唐中实，饶顺斌，谢喆等，2008)、模型管理系统(黄梯云，李一军，周宽久，1998)或模型网(亓常松，2008)等问题上展开了深入研究。
模型表达(或者称为模型的表示方法)是实现模型资源管理的基础。模型表达又具体到模型粒度分解和模型之间的层次关系(江南，张利红，张亚军，2008)，二者的组合决定了模型资源库构建和模型集成的可行性。结构建模、逻辑建模和图建模是目前模型表达的三个主要流派(唐锡晋，2001)。结构建模是一种基于图论的标准描述模板，允许用户在不同的抽象层面上以图形、文本或代数形式察看模型(聂培尧，1993)。逻辑建模是人工智能和数学规划的一种结合，主要是应用一阶逻辑表达模型知识(黄梯云，李一军，周宽久，1998)。图建模(graph grammars)则将模型比喻为图，从而提供了一种形象化的模型表达方式(唐锡晋，2001)。
根据地理信息领域科研工作对模型集成和综合模拟的普遍需求，本研究借鉴结构建模方法研究模型的分解和集成，以模型因子为模型粒度基本单元，将模型层次划分为综合模型、复合模型、单一模型、模型模块、模型因子等5个层次(图1)。在这5个层次上对模型资源的描述方法、分类与编码等标准化要素进行规范，为实现模型资源共享与复用提供基础。(1)综合模型，面向综合的地理信息现象的系统级模型，往往由跨学科的综合模型、复合模型和单一模型共同构成，借助计算机技术实现各个构成模型间的关联关系，比如气候与经济的动态综合模型(DICE)、农产品及贸易政策分析国际模型(IMPACT)、全球性水资源评估与诊断模型(WaterGAP)、全球环境综合评估模型(IMAGE)等；(2)复合模型，面向专业的地理信息问题的模型，以单一模型为构成单元，比如农业经济模型(AEM)、土地覆盖模型(LCM)、土地利用排放模型(LUEM)、海洋碳模型(OCM)等；(3)单一模型，面向具体的地理信息问题的模型，以模型模块和模型因子为构成单元，比如生态系统的空间分布模型、两种种植方式的光合潜力计算模型等；(4)模型模块，针对具体概念的模型，以模型因子为构成单元，比如受光量、光合效率、水稻生育期的太阳辐射等；(5)模型因子，可定量采集、测度或计算的模拟参数，比如日照时数、作物间作产量、温室内净辐射、空气密度、顶层土壤厚度等。
图1 模型的分解与集成
3 模型描述信息
杨慧，盛业华，温永宁等(2008)认为地理信息模型具有系统、结构、语法和语义等4方面的异构性：(1)系统级异构性指模型资源物理分布的分散性；(2)结构级异构性指模型资源数据结构、接口和模式上的差异性；(3)语法级异构性指模型资源数据类型、格式的差异性；(4)语义级异构性指模型中术语和参量的差异性。为解决异构性给模型资源共享造成的限制，提出了异构模型资源→模型元数据→模型知识本体→模型资源应用的逻辑映射关系。王桥，吴纪桃(1997)认为模型资源标准化管理应构建模型字典，其中模型描述信息主要包括：(1)模型名、模型号、作者、入库时间；(2)模型功能、模型使用条件、适用范围；(3)模型含义、使用方法；(4)模型参数说明(参数名称、类型、数目、格式、含义等)；(5)模型程序特征(数据格式、执行码文件名、编译系统等)；(6)模型使用次数累计；(7)相关模型及方法。
借鉴XML/XML-S、RDF/RDF-S、OWL/OWL-S等现有资源描述技术、描述语言和标准，地理信息模型资源描述方面亟待规范的内容包括地理信息模型描述的术语与定义、基本原理与方法约定、地理信息模型描述顶层模型、模型概要描述(ModelProfile)(名称、作者、日期等)、模型框架描述(ModelArchitecture)(对象、数学方法)、模型模块描述(ModelComponent)(模块组成、涵义解释、模块间关系)、模型因子描述(ModelParameter)(因子组成、名称与符号、定义)、模型接口描述(ModelInterface)(实现方法说明、输入与输出因子要求等)、模型质量描述(ModelQuality)(模型精度、处理能力等)、模型扩展描述(ModelExpand)(模型应用、改进、复用等)(图2)。
图2 模型描述参考模型
4 模型分类与编码体系
地理信息模型集成与共享要求模型资源管理实现分类注册和唯一标识。数学模型的分类依据主要包括模型的数学结构、模拟对象与问题的性质、模型的解的特征、模型算法应用的基本关系、模型对系统的描述与评价等5个方面(杨浩，2002)。目前国内外学者建立的模型分类体系见表1中的a、b、c列。于海龙，邬伦，谢刚生等(2006)对应用模型分类方法进行系统化，利用基于领域分类、定量/定性分类、空间/非空间分类和技术条件分类的逐级递进，逐步细分模型资源。
通过比较分析采集到的模型资源，借鉴国内研究者的分类方法，本文以表1.c(岳天祥主编，2003)为案例，提出按模型资源学科领域进行分类的分类编码方法(图3)；并对建模数学方法进行了分类，提出按建模数学方法进行分类编码的示例(表1.d)。
5 模型本体与本体库
地理本体是地理信息科学(GI-Science)近10年来新兴的重要研究领域。陈建军，周成虎，王敬贵(2006)认为地理本体就是把地理科学领域的知识、信息和数据抽象成具有共识的对象(或实体)，按照一定的关系组成体系，并且进行概念化处理和明确定义，最终给出形式化表达。多数GIS领域的地理本体研究直接使用了本体在信息科学中的含义。黄茂军，杜清运，吴运超等(2004)认为地理信息科学中的本体兼具哲学本体和信息本体的双重含义，地理本体区别于其他领域本体之处在于地理数据描述的实体具有空间特性，因此地理本体除包含物理实体，还包含与物理实体相对应的空间实体。黄茂军，杜清运，杜晓初(2005)认为现阶段地理本体研究没有考虑地理本体的空间特性；指出OWL中包括part-of、kind-of、instance-of、attribute-of等在内的关系类型和建模原理不足以表示地理本体的空间特性和空间关系；并指出可以借助部分-整体学(partonomy)、位置理论(location theory)和拓扑学(topology)等3个理论工具建立地理本体。
从1990年开始，国际上已经启动了一系列地理本体研究计划，构建了一些较为成熟的地理本体和本体库。美国国家科学基金会(NSF)先后资助了空间知识的本体等级体系(1995)、地理类型的本体调查(1999)、数字政府：地理空间知识本体(1999)、数字政府：地理空间知识的表示与分发(2000)、空间思考与推理(2003)、IGERT：地理信息科学综合培训计划(2003)等研究(陈建军，周成虎，王敬贵，2006)。目前比较大型的本体库有Stanford大学的Protégé本体库、CYC上层本体库、IEEE标准上层本体工作组开发的SUMO本体等；其中，Protégé本体库中涉及时间和空间本体的有NASA开发的SWEET(Semantic Web for Earth and Environmental Terminology,SWEET)本体系统，OGC(Open GIS Consortium)的地理标记语言OGC本体系统以及ISO的OWL本体，其中包括地理信息空间框架(ISO 19107：2003)、地理信息时间框架(ISO 19108：2002)、地理信息空间坐标参考(ISO 191 11：2003)、地理信息空间地理标记参考(ISO 19112：2003)等(闵敏，谭传凤，蒋玲等，2006)。
在参考国内外已建立的地理本体和相关本体的基础上，本文在地理本体、数据本体和数学本体的下层，提出构建地理信息模型领域本体(Geomodel_Ontology)(图4)的框架，由概念(Conception)、关系(Relation)、函数(Function)、公理(Axiom)和实例(Instance)5个元素构成。相应的，可以具体表示为：Geomodel_Ontology=(Geomodel Concept Definition，Geomodel_Relation_Definition，Geomodel_Function Definition，Geomodel_Instance_Definition，Geomodel Axiom_Definiton)
图3 模型资源分类与编码方法框架及示例
图4 地理信息模型本体构建框架
其中，Geomodel_Ontology是地理信息模型领域本体；Geomodel_Concept Definition是地理信息模型概念或类的定义；Geomodel_Relation＿Definition 是地理信息模型关系的定义，表示地理信息模型概念或类间的相互关系；Geomodel_Function_Definition是地理信息模型函数的定义，表示地理信息模型间的函数关系；Geomodel_Instance Definition是地理信息模型实例的定义；Geomodel_Axiom_Definition是地理信息模型公理的定义，是概念和关系间定义的推理规则。
6 问题与建议
面对GIS产业的多业态发展，国内外GIS研究者认为传统的地理信息资源共享仅局限在语法层面上，无法直接对地理信息语义进行索引、检索和推理(虞为，曹加恒，陈俊鹏，2006)。为此，研究者们一方面利用元数据探索对资源的规范化管理与表达(苏理宏，黄裕霞，柯正谊，2000；毕建涛，吴洪桥，曹彦荣等，2002；薛安，马蔼乃，倪晋仁，2002)，另一方面借鉴Web服务(Web Service)、面向服务的架构(SOA)、本体论(Ontology)、智能代理(Agent)技术等方面的研究成果(景东升，吴斐，2005；苏里，朱庆伟，陈宜金等，2007)，对空间信息资源和地理信息服务在对等(P2P)计算、网格(GRID)计算、语义网(Semantic Web，SW)等新技术环境下的共享与互操作方法进行探索(陈建杰，杨树锋，李长江，2006)，提出了地理空间语义网(虞为，曹加恒，陈俊鹏，2006)和基于本体的地理信息与服务资源共享方法(黄茂军，杜清运，杜晓初，2005)，为GIS与新一代互联网环境的紧密融合提供了新思路。
在思考地理信息标准化和地理本体构建的同时，地理信息模型本体的构建对GIS产业的规范化发展也具有重要意义。作为建模与模拟领域的领域本体，地理信息模型本体概念或类(Geomodel＿Concept_Definition)可以从国内外已建立的成熟本体中引用或继承相关定义。地理信息模型本体的语义关系(Geomodel_Relation_Defintion)不仅包括常见的空间关系(拓扑、度量和方位)和非空间关系(概念、属性、时间、功能)等，还应包括模型资源间引用、集成、复用等引用映射关系。地理信息模型资源的因子、模块、模型、复合模型和综合模型间的函数关系(Geomodel_Function_Definition)是一类特殊的相互映射关系，需参考数学本体中的数学方法本体定义地理信息模型的函数集。概念与关系间的规则(Geomodel_Axiom_Definition)主要用于推理，并用于判断某些本体关系中值域的有效性。在已构建的地理本体中定义了诸如allValuesFrom、some ValuesFrom、has Value、cardinality、minCardinality、maxCardinality等一系列规则(李雪瑞，赵冬青，2006)，但仍需考虑地理信息模型本体的特殊性，抽取并定义适用的共性的推理规则。本体实例的定义(Geomodel_Instance＿Definition)对于地理信息模型本体的最终实现具有实践意义，可以在完成本体构建框架的基础上，采用Wiki平台的模式，实现本体实例自组织式的建设。