形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究

doi:10.3724/SP.J.1047.2016.01011

地球信息科学学报 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (8): 1011-1021.doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01011

• 地球信息科学理论与方法 • 下一篇

形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究

孙凯^1,²(), 诸云强^1,^3,^*(), 潘鹏¹, 罗侃^1,², 王东旭^1,², 侯志伟^1,²

1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
3. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023

收稿日期:2015-04-30 修回日期:2015-05-11 出版日期:2016-08-10 发布日期:2016-08-10
通讯作者: 诸云强 E-mail:sunk.14s@igsnrr.ac.cn;zhuyq@igsnrr.ac.cn
作者简介:
作者简介：孙凯(1990-),男,硕士生,山西长治人,研究方向为地学数据共享和地理信息技术与应用。E-mail:sunk.14s@igsnrr.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“基于元数据语义的地理空间数据关联方法研究”(41371381);科技基础性工作专项重点项目“科技基础性工作数据资料集成与规范化整编”(2013FY110900);国家留学基金项目(201504910358);国家科技基础条件平台-地球系统科学数据共享平台(2005DKA32300)

Research on Morphology-Ontology and Its Application in Geospatial Data Discovery

SUN Kai^1,²(), ZHU Yunqiang^1,^3,^*(), PAN Peng¹, LUO Kan^1,², WANG Dongxu^1,², HOU Zhiwei^1,²

1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

Received:2015-04-30 Revised:2015-05-11 Online:2016-08-10 Published:2016-08-10
Contact: ZHU Yunqiang E-mail:sunk.14s@igsnrr.ac.cn;zhuyq@igsnrr.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

地理空间数据语义异构是实现数据关联、数据智能推荐和精确发现的主要瓶颈。地理空间数据本体被认为是解决地理空间数据语义异构的有效方法。形态特征是地理空间数据(除时空、要素内容外)的重要特征,是地理空间数据本体的重要研究内容。本文首先在系统分析地理空间数据形态特征的基础上,提出地理空间数据形态特征的概念体系。然后,建立地理空间数据形态本体模型,提出形态信息的本体表示方法,并构建地理空间数据形态本体。最后,基于形态本体的本体库,利用Jena本体推理技术,开发地理空间数据语义检索原型系统,并将形态本体应用于国家地球系统科学数据共享平台的元数据检索中。实验结果表明,地理空间数据形态本体可以有效地解决数据形态特征的语义异构,提高数据发现的查全率和查准率。本文的研究方法和成果对解决其他领域数据的语义异构,有重要的参考意义。

关键词: 地理空间数据, 形态特征, 语义异构, 数据发现, 本体

Abstract:

The semantic heterogeneity of geospatial data is the main bottleneck for the realization of data association, the intelligent recommendation and the accurate discovery of data. Geospatial data ontology is known as an effective approach to solve the semantic heterogeneity of geospatial data. The morphological characteristic is an important feature of geospatial data besides its temporal, spatial and attribute characteristics, and it is the primary research content of geospatial data ontology. Based on the systematic analysis on the morphological characteristics of geospatial data, this paper studies and puts forward a concept system. Furthermore, this paper creates the morphology-ontology model of geospatial data, defines the ontology representation method of morphological information, and ultimately constructs the morphology-ontology. In the last part, a prototype system for the semantic retrieval of geospatial data has been programmed by taking the morphology-ontology product as the ontology library and using the Jena Java framework. The constructed morphology-ontology have been applied to the retrieval of metadata from the National Earth System Science Data Sharing Infrastructure. Verification test shows that the morphology-ontology of geospatial data can effectively solve the semantic heterogeneity existing in the morphological characteristics of geospatial data and improve the precision and recall rate of data discovery result. The research methods and results of this paper have great reference values in solving the semantic heterogeneity problems occurred in other research fields.

Key words: geospatial data, morphological characteristic, semantic heterogeneity, data discovery, ontology

孙凯, 诸云强, 潘鹏, 罗侃, 王东旭, 侯志伟. 形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(8): 1011-1021.DOI:10.3724/SP.J.1047.2016.01011

SUN Kai,ZHU Yunqiang,PAN Peng,LUO Kan,WANG Dongxu,HOU Zhiwei. Research on Morphology-Ontology and Its Application in Geospatial Data Discovery[J]. Journal of Geo-information Science, 2016, 18(8): 1011-1021.DOI:10.3724/SP.J.1047.2016.01011

图/表 11

图1

表1

图2

表2

表3

图3

表4

图4

图5

图6

表5

参考文献 32

[1]	Yuan J, Yue P, Gong J Y, et al.A linked data approach for geospatial data provenance[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013,51(11):5105-5112. doi: 10.1109/TGRS.2013.2249523
[2]	董少春,尹宏伟,许刚.地质时间本体在异构数据检索中的应用[J].地球信息科学学报,2010,12(2):194-199.
	[ Dong S C, Yin H W, Xu G.Heterogeneous data searching based on geologic time ontology[J]. Journal of Geo-information Science, 2010,12(2):194-199. ]
[3]	Studer R, Benjamins V R, Fensel D.Knowledge engineering: principles and methods[J]. Data & Knowledge Engineering, 1998,25(1):161-197. doi: 10.1016/S0169-023X(97)00056-6
[4]	瞿裕忠,胡伟,郑东栋,等.关系数据库模式和本体间映射的研究综述[J].计算机研究与发展,2015,45(2):300-309.
	[ Qu Y Z, Hu W, Zheng D D, et al.Mapping between relational database schemas and ontologies: the state of the art[J]. Journal of Computer Research and Development, 2015,45(2):300-309. ]
[5]	Wache H, Voegele T, Visser U, et al.Ontology-based integration of information-a survey of existing approaches[C]. IJCAI-01 Workshop: Ontologies and Information Sharing, 2001:108-117.
[6]	陈建军,周成虎,王敬贵.地理本体的研究进展与分析[J].地学前缘,2006,13(3):81-90. doi: 10.3321/j.issn:1005-2321.2006.03.011
	[ ChenJ J, Zhou C H, Wang J G. Advances in the study of the geo-ontology[J]. Earth Science Frontiers, 2006,13(3):81-90. ] doi: 10.3321/j.issn:1005-2321.2006.03.011
[7]	Arpinar I B, Sheth A P, Ramakrishnan C, et al.Geospatial ontology development and semantic analytics[J]. Transactions in GIS, 2006,10(4):551-575. doi: 10.1111/j.1467-9671.2006.01012.x
[8]	Grüninger M, Ong D.Verification of time ontologies with points and intervals[C]. 2011 Eighteenth International Symposium on Temporal Representation and Reasoning (TIME), 2011:31-38.
[9]	Guo M.The application of ontology in semantic discovery for GeoData web service[J]. Communications and Network, 2013,5(3):678-680. doi: 10.4236/cn.2013.53B2121
[10]	Kuhn W.Modeling the semantics of geographic categories through conceptual integration[A]. In: Geographic Information Science[M]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2002:108-118.
[11]	Tomai E, Kavouras M.From “onto-geonoesis” to “onto-genesis”: the design of geographic ontologies[J]. Geoinformatica, 2004,8(3):285-302. doi: 10.1023/B:GEIN.0000034822.47211.4a
[12]	Vandecasteele A, Napoli A.Spatial ontologies for detecting abnormal maritime behaviour[C]. Oceans 2012 MTS/IEEE Yeosu Conference, 2012:1-7.
[13]	Liu W, Gu H, Peng C, et al.Ontology-based retrieval of geographic information[C]. IEEE 18th International Conference on Geoinformatics, 2010:1-6.
[14]	de Laborda C P, Conrad S. Relational.OWL: a data and schema representation format based on OWL[C]. Proceedings of the 2nd Asia-Pacific Conference on Conceptual Modelling, 2005,43:89-96.
[15]	Research Data Alliance. Data type registries[EB/OL]. , 2015-09-09.
[16]	李庭波,陈平留,郑德祥.基于森林资源数据结构的本体学习探索[J].西南林学院学报,2009,29(2):57-61. doi: 10.3969/j.issn.2095-1914.2009.02.014
	[ Li T B, Chen P L, Zheng D X.Ontology learning based on data structure of forest resource[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2009,29(2):57-61. ] doi: 10.3969/j.issn.2095-1914.2009.02.014
[17]	郝亚南,陈少飞,李天柱,等. 基于语义的数据格式转换[J].计算机系统应用,2005(11):40-43. doi: 10.7666/d.w025077
	[ Hao Y N, Chen S F, Li T Z, et al.Data transformation with semantics[J]. Computer Systems & Applications, 2005,11:40-43. ] doi: 10.7666/d.w025077
[18]	苏里. 基于描述逻辑的地图语义模型初步研究[J].测绘科学,2009,34(3):92-93.
	[ Su L.Study of cartographic semantics model based on description logic[J]. Science of Surveying and Mapping, 2009,34(3):92-93. ]
[19]	杨小忠,贾占军,刘士彬,等. 基于应用本体的多卫星遥感数据检索[J].遥感信息,2007(1):30-36.
	[ Yang X Z, Jia Z J, Liu S B, et al.Multi-satellites remote sensing data retrieval based on application ontology[J]. Remote Sensing Information, 2007,1:30-36. ]
[20]	金芝. 基于本体的需求自动获取[J].计算机学报,2000,23(5):486-492. doi: 10.3321/j.issn:0254-4164.2000.05.006
	[Jin Z.Ontology-based requirements elicitation[J]. Chinese Journal of Computers, 2000,23(5):486-492.] doi: 10.3321/j.issn:0254-4164.2000.05.006
[21]	王洪伟,吴家春,蒋馥.基于描述逻辑的本体模型研究[J].系统工程,2003,21(3):101-106. doi: 10.3969/j.issn.1001-4098.2003.03.021
	[ Wang H W, Wu J C, Jiang F.A study on ontology model based on description logics[J]. Systems Engineering, 2003,21(3):101-106. ] doi: 10.3969/j.issn.1001-4098.2003.03.021
[22]	Naing M M, Lim E P, Goh D H L. Ontology-based web annotation framework for hyperlink structures[C]. Proceedings of Third International Conference on Web Information Systems Engineering, 2002.
[23]	Gómez-Pérez A, Benjamins R.Overview of knowledge sharing and reuse components: ontologies and problem-solving methods[C]. IJCAI and the Scandinavian AI Societies. CEUR Workshop Proceedings, 1999.
[24]	李嘉丽,王念滨,孙玮鸿.基于UML 的本体表示方法研究[J].计算机工程,2009,35(12):41-43.
	[ Li J L, Wang N B, Sun W H.Research on UML-based ontology representation method[J]. Computer Engineering, 2009,35(12):41-43. ]
[25]	Uschold M, Gruninger M.Ontologies: principles, methods and applications[J]. The Knowledge Engineering Review, 1996,11(2):93-136. doi: 10.1017/S0269888900007797
[26]	Grüninger M, Fox M S.Methodology for the design and evaluation of ontologies[C]. Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing, 1995.
[27]	Gómez-Pérez A.Knowledge sharing and reuse[J]. Handbook of Applied Expert Systems, 1998,10:1-36.
[28]	宋佳,王卷乐,诸云强,等.基于地理空间本体的语义检索相关度研究[J].计算机工程与应用, 2011,47(5):114-117.
	[ Song J, Wang J L, Zhu Y Q, et al.Research on relevancy for semantic retrieval based on geographic spatio-ontology[J]. Computer Engineering and Applications, 2011,47(5):114-117. ]
[29]	颜端武,丁晟春,李岳蒙,等.基于语义Web和Jena插件的语义检索系统实验研究[J].情报理论与实践,2006,29(3):349-352. doi: 10.3969/j.issn.1000-7490.2006.03.027
	[ Yan D W, Ding S C, Li Y M, et al.Research on experimental system of semantic retrieval based on semantic Web and Jena plugin[J]. Information Studies: Theory & Application, 2006,29(3):349-352. ] doi: 10.3969/j.issn.1000-7490.2006.03.027
[30]	田宏,马朋云.基于Jena的城市交通领域本体推理和查询方法[J].计算机应用与软件,2011,28(8):57-59. doi: 10.3969/j.issn.1000-386X.2011.08.017
	[ Tian H, Ma P Y.A reasoning and query method for urban transportation domain ontology based on Jena[J]. Computer Applications and Software, 2011,28(8):57-59. ] doi: 10.3969/j.issn.1000-386X.2011.08.017
[31]	诸云强,宋佳,冯敏,等.地球系统科学数据共享软件研究与发展[J].中国科技资源导刊,2012(6):11-16. doi: 10.3772/j.issn.1674-1544.2012.06.003
	[ Zhu Y Q, Song J, Feng M, et al.Research and development of software of earth system science data sharing[J]. China Science & Technology Resources Review, 2012,6:11-16. ] doi: 10.3772/j.issn.1674-1544.2012.06.003
[32]	诸云强,孙九林,廖顺宝,等.地球系统科学数据共享研究与实践[J].地球信息科学学报,2010,12(1):1-8.
	[ Zhu Y Q, Sun J L, Liao S B, et al.Earth system scientific data sharing research and practice[J]. Journal of Geo-information Science, 2010,12(1):1-8. ]

类别	研究内容
外部形态	数据语言、数据格式、存储介质、数据单位、地图符号系统、数据量
内部形态	比例尺、精度、尺度、数据基准、数据类型、数据结构、字符编码

形态本体的元素	对应UML的映射元素
概念	类名
数据属性	类名+属性名
对象属性	关联关系
kind-of关系	泛化关系（类名1、类名2）
part-of关系	聚合关系（类名1、类名2）
基本语义关系	语义关系名（类名1、类名2）
形态关系	形态关系名（类名1、类名2）
方法	类名+方法( )
规则集	OCL约束条件
本体模型图	UML类图
实例	UML对象图

概念	类	概念属性	类属性
地理坐标系	gcs	地理坐标系名	gcs.n
地理坐标系	gcs	参考椭球面是	gcs.sre
参考椭球面	sre	参考椭球面名	sre.n
		椭球长半轴是	sre.sae
		椭球扁率是	sre.if
投影坐标系	pcs	投影坐标系名	pcs.n
		地理坐标系是	pcs.gcs
		投影方式是	pcs.pr
		中央经线是	pcs.cm
		原点纬线是	pcs.lo
		水平偏移量是	pcs.fe
		垂直偏移量是	pcs.fn
		比例因子是	pcs.sf
		EPSG代码是	pcs.epsg
高程系	es	高程基准面是	es.vd

本体名称	主要概念	实例（示例）	关系（示例）
数据类型本体	数据类型、数据类型分类标准	图像文件、文件类型	类型包含
数据结构本体	栅格数据结构、矢量数据结构	四叉树、双重独立编码结构
数据格式本体	数据格式	.png, .tif, .shp	格式相似、格式互逆
存储介质本体	存储介质、存储材料	硬盘、磁存储材料	存储材料为
比例尺本体	比例尺、比例尺等级	1:1 000 000, 小比例尺	比例尺大于、小于
地理坐标系本体	地理坐标系、参考椭球面	WGS84坐标系、WGS 84椭球	坐标系可变换
投影坐标系本体	投影、投影面形状	高斯克吕格投影、圆柱面	投影为、投影参数为
高程系本体	高程系	黄海高程系
语言本体	语言、语言代码	中文、英文,chi、eng	语言代码为
计量单位本体	计量单位、计量单位符号	米、平方米,m、m²	符号为、单位可换算

检索词	数据资源真值	基于关键词检索				基于形态本体检索
检索词	数据资源真值	检索结果数	检索结果相关数	查全率/（%）	查准率/（%）	检索结果数	检索结果相关数	查全率/（%）	查准率/（%）
矢量数据	256	53	40	15.63	75.47	218	218	85.16	100
图片数据	81	30	24	29.63	80.00	79	79	97.53	100
栅格数据结构	208	84	76	36.54	90.48	169	169	81.25	100
txt	285	254	237	83.16	93.31	285	285	100.00	100

形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究

Research on Morphology-Ontology and Its Application in Geospatial Data Discovery

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 32

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	刘俊楠, 刘海砚, 陈晓慧, 郭漩, 郭文月, 朱新铭, 赵清波. 面向多源地理空间数据的知识图谱构建[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(7): 1476-1486.
[2]	赵斌, 韩晶晶, 史覃覃, 吉根林, 刘信陶, 俞肇元. 语义轨迹建模与挖掘研究进展[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 842-856.
[3]	赵明伟, 金永林, 江岭, 王春, 杨灿灿, 徐燕. 多模型协同下的城郊地区DEM构建方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 389-398.
[4]	李思进, 代文, 熊礼阳, 汤国安. DEM分辨率对黄土侵蚀沟形态特征表达的不确定性分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 338-350.
[5]	贾梦姝, 张宇, 潘婷婷, 吴文周, 苏奋振. 面向互联网信息抽取的海洋环境灾害链本体构建——以台风灾害为例[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(12): 2289-2303.
[6]	刘馨蕊, 张伟峰. 基于多维多值概念格的矿山生产地学本体构建研究[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(2): 176-185.
[7]	李婷, 付雁, 季民, 孙勇, 史青松. 基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(10): 1373-1380.
[8]	侯志伟, 诸云强, 高楹, 宋佳, 秦承志. 地质年代本体及其在语义检索中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(1): 17-27.
[9]	陈祖刚, 杨雅萍. 耦合尺度的地理实体空间相关度算法的建立与应用[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(1): 37-47.
[10]	丁小辉, 张树清, 陈祥葱, 李华朋, 刘照. 时空对象行为分类与形式化表达[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(9): 1195-1200.
[11]	李威蓉, 诸云强, 宋佳, 孙凯, 杨杰. 地理空间数据来源本体及其在数据关联中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(10): 1261-1269.
[12]	王东旭, 诸云强, 潘鹏, 罗侃, 侯志伟. 地理数据空间本体构建及其在数据检索中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(4): 443-452.
[13]	侯志伟, 诸云强, 高星, 潘鹏, 罗侃, 王东旭. 时间本体及其在地学数据检索中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2015, 17(4): 379-390.
[14]	梁汝鹏, 李宏伟, 马雷雷, 李文娟. 地理信息服务语义标注原理与关键技术及应用[J]. 地球信息科学学报, 2015, 17(4): 408-415.
[15]	李灿, 朱欣焰, 呙维, 黄亮, 杨龙龙. 扩展SPARQL的室内空间语义查询研究[J]. 地球信息科学学报, 2015, 17(12): 1456-1464.