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地球信息科学学报 >

2014 , Vol. 16 >Issue 5: 712 - 719

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00712

位置地图情境建模与实例分析

  • 齐晓飞 , 1, * ,
  • 王光霞 1 ,
  • 崔秀飞 2 ,
  • 张兰 1
展开
  • 1. 信息工程大学地理空间信息学院,郑州 450052
  • 2. 65014部队,沈阳 110027

作者简介：齐晓飞(1985-),男,内蒙古赤峰人,博士生,研究方向为数字地图制图技术。E-mail：

收稿日期: 2013-08-13

  要求修回日期: 2013-10-17

  网络出版日期: 2014-09-04

基金资助

国家“863”计划资助项目(2013AA12A202)

收起

Case Analysis and Context Modeling of Location Map

  • QI Xiaofei , 1, * ,
  • WANG Guangxia 1 ,
  • CUI Xiufei 2 ,
  • ZHANG Lan 1
Expand
  • 1. Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China
  • 2. Troops of 65014, Shenyang 110027, China
*Corresponding author: QI Xiaofei, E-mail:

Received date: 2013-08-13

  Request revised date: 2013-10-17

  Online published: 2014-09-04

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

近年来,随着位置服务的迅速发展,位置地图作为一种新型的地图产品,相比一般地图的内容发生了明显的改变,从而拓展了位置地图的研究领域和适用范围。为此,首先,本文通过情境理论,分析了其与位置地图之间的联系,指出情境建模在位置服务特别是位置地图应用中的重要意义;然后,针对目前的情境模型在移动地图服务中存在不同情境信息之间关联度不强、情境推理难以实现的问题,重点剖析活动信息在情境建模中的重要地位,提出了活动分层的位置地图情境三层模型,研究了活动模型、行为模型和情境信息模型的研究内容及特点,并进一步分析了活动模型与不同行为、行为模型与多种情境信息之间的相互关系,利用形式化描述语言(本体)建立了位置地图情境模型的逻辑结构;最后,以用户去机场登机为例,验证了本文提出的位置地图情境建模的过程和方法。

关键词： 情境理论; 活动; 位置地图; 情境建模; 本体

本文引用格式

齐晓飞 , 王光霞 , 崔秀飞 , 张兰 . 位置地图情境建模与实例分析[J]. 地球信息科学学报, 2014 , 16(5) : 712 -719 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00712

Abstract

In recent years, with the rapid development of location-based services, significant changes have taken place on location maps which are considered as new map products in research context compared with the general map. Those changes expand location map’s research areas and scope. This paper is mainly divided into three parts. First of all, it analyzes the relationship between context theory and location map, and points out the significance of context theory in location services especially in the application of location map. Then, it develops the context model, which has two main problems in mobile services: one is that different context information is not relevant, the other is that it is difficult to realize the context inference. So we should analyze the role of activity information in context modeling according to its importance. Also it establishes the logical structure of the location map’s context model by using the formal description language “ontology”, proposing the three-layer model of location map which is based on active layer, researching the content and features of activity model, behavior model and context information model, and giving further analysis on the relationships between activity model and different behaviors as well as the relationships between behavior model and various context information. Finally, this paper gives an example about a user’s check-in behavior at the airport to validate the process and methods of location map’s context model that described above.

Key words： context theory; activity; location map; context modeling; ontology

1 引言

传统地图学认为[1]地图主要研究3个关系：实地与地图的关系;用户与地图的关系;用户与实地的关系。数字地图出现后,高俊 [1]提出地图学四面体(图1(a)),增加了数字地图与地图、数字地图与实地、数字地图与用户3个新关系,拓展了地图学的理论基础与研究范围。随着位置服务技术的迅速发展,周成虎 [2]明确了位置地图的概念,将“以感兴趣的位置为中心的地图”称之为位置地图,强调位置地图中所描述的位置信息与一般地图的区别。位置地图能够以位置为中心,将时间、位置、用户、环境等多种信息组合起来,为使用者提供感兴趣的、及时的地图服务,这是未来移动电子地图的重要发展方向之一。然而,位置地图的引入不仅使地图学四面体出现了新的分支(图1(b)),还使单独研究每一种因素对位置地图的影响变得异常困难,而且难以描述不同因素之间的相互作用,所以位置地图迫切需要一种新的理论支撑。
Fig.1 Digital map and location map

图1 数字地图与位置地图

1999年Anind K. Dey等给出了普遍认可的情境定义[3]：情境是能够用来描述实体(如人,地点或物体)情形的任何信息。按照其定义的描述,位置地图的影响因素都可以视为情境信息,以情境为桥梁,通过情境建模可以建立位置地图与多种影响因素之间的关系模型,所以位置地图的研究范围就由四面体转变成“伞”体,如图1(c)所示。情境理论是位置地图的基础理论,而情境建模则是情境理论能否在位置地图中得到合理应用的关键。Nivala [4]、Cai等 [5]已经讨论了情境理论在地图服务中的意义,但这些研究大多关注在情境信息的总结、建模原则的提取,以及单一情境信息的建模上,并没有很好地将与位置地图相关的情境信息联系起来,构建起能够反映与当前情境相关联的情境信息之间的逻辑关系,以至于难以进行下一步的推理与应用。
活动作为用户与情境交流的重要工具[6],不仅是情境信息的重要一环,而且能够通过将活动细分,更好地研究客观条件与用户行为之间的联系,有效地解决情境信息之间难以沟通和共享地难题。为此,本文从活动分层的角度出发,通过研究活动与情境建模之间的关系,尝试建立一种新的情境模型逻辑结构,并以位置地图服务中的去机场登机为例进行实验验证。

2 位置地图情境建模

情境建模是对于收集到的情境信息建立起一个通用、可扩展的模型框架进行管理,并利用统一的表述方式描述,以便其应用于程序的识别、读取和共享[7]。参考情境的定义,可看出客观世界的绝大多数对象都应该视为情境信息的一部分,使得由所有这些情境信息建立的普适情境模型难以实现,因此,目前的情境模型大多是通过选择几种最相关的情境信息来建立领域模型。
在位置服务领域,位置地图的最大特点是要随时随地满足用户的个性化需求,即用户自身的个性化(用户特征)和用户行为的个性化(用户活动)。因此,活动在位置地图乃至位置服务领域都占据着不可或缺的地位[8]。
对于活动与情境建模之间的关系,不同学者有不同的见解[9-10],但这些研究都把活动只作为情境信息的一种。Huang等 [11]通过拓展活动理论,很好地建立了活动要素与情境信息之间的映射关系。尽管该研究更偏向于理论的探索,但是它也在另一角度启发我们：情境信息是可以通过活动联系起来的。
活动理论认为 “按照从宏观到微观的顺序,活动是由动机驱动的具有自主意识的心理或生理上的行动：一个活动可能会包含一系列行为,行为是以具体目标为导向,类似于人机交互中的任务;一个行动又可细分为一系列操作,它是无意识的、自动化的,并且依赖于一定的条件”[12]。活动由于受到动机、目标和条件等因素的限制,不同细节活动受到情境信息影响的方式和方法也不相同。因此,可以通过活动分层将情境信息联系起来,使得构建一个统一的情境模型成为可能。
活动分层的情境建模基本思路是将活动从位置地图的情境信息中单独抽取出来,通过将活动分解成若干行为的方式来研究行为与不同情境信息(这时的情境信息不包括活动)之间的关联,把能够反映用户当前所处情境的各种信息聚合起来而建立的一种情境模型：(1)研究将活动分解成行为,即活动建模,它是位置地图情境建模的最顶层,主要描述某种活动与行为模型之间的关系;(2)研究行为与不同情境信息的关系,即行为建模,它是连接活动模型与情境信息模型之间的纽带,主要描述某种行为与情境信息模型之间的关系;(3)研究不同情境信息自身的建模,即情境信息建模,它是位置地图情境模型的最基本组成单元,主要描述某种情境信息自身的逻辑关系,如图2所示。
Fig.2 Activity-based three-tier model of the location map

图2 基于活动分层的位置地图三层模型

2.1 活动建模

活动模型通常理解成由一系列的行为组合构成的一种流程模型。因此,活动建模可以分为2步：(1)明确不同的位置地图使用行为;(2)研究不同行为之间的关联关系。
(1)位置地图的使用行为
依据不同的应用领域,行为的划分方式很多。按照人们对位置地图使用方式的差异,行为分为定位、导航、查询、识别和事件检查5种[13],如表1所示。
Tab.1 Different usage behaviors of the location map

表1 位置地图中的不同使用行为

行为 描述
定位 使用者或某个对象的位置(一般是一个)
导航 怎样从一个位置到另一个位置
查询 使用者或相关对象的位置和信息(一般是多个)
识别 是什么?是谁
事件检查 发生了什么(交通事故,突发时间等)
情境与活动一样是一种连续的抽象,即情境和活动在任何时间、任何地点都是以一种不间断的状态持续存在的。但对位置地图来讲,地图使用者在情境或活动中的任何一点,位置地图并不需要都作出反应,因为有些情境是位置地图情境需要解决的情境,有些情境则不然。故本文将位置地图中的情境限定为定位、导航、查询、识别和事件检查5种行为所引发的情境,便于进一步的情境建模与推理。
(2)不同行为之间的联系
在客观世界中,不同行为之间并不是孤立存在的。本文为能清楚地描述不同行为之间的关系,简化活动建模的复杂性,采用面向对象的思想,将不同行为之间的关联关系分为3类：顺序关联、转移关联和循环关联。假设A1、A2、A3、A4表示4种行为,则3类关联关系如图3所示：
①当A1完成后,再执行A2,则A1与A2之间满足顺序关联。
②在执行A1的过程中,活动停止(停止是指活动不再执行)执行A1转而执行A3,则A1与A3之间满足转移关联。
③在执行A1的过程中,活动暂停(暂停是指活动由于某种因素需要临时中止,直到满足某种条件后会继续执行)执行A1(或执行A1结束后)转而执行A4,执行A4结束后(或在执行A4的过程中暂停)继续执行A1,则A1与A4之间满足循环关联。
Fig.3 Three models of the activity relationship

图3 活动模型中的3种关联关系

2.2 行为建模

与活动建模不同,行为建模是一种依据位置地图使用行为和情境信息之间的相关方式和方法而构建的一种关系模型。按照位置地图中的使用行为划分,行为建模主要分为以下5种：
(1)定位情境建模
定位与情境信息建模的意义在于情境模型能据定位信息接收者的特点,获取并确定恰当的位置信息推送形式。位置信息包括绝对和相对位置2种,绝对位置一般提供给移动终端或服务器后台,而相对位置一般提供给用户。因此,定位行为主要与设备、用户和位置3种信息有关(图4)。其中,位置信息用来提取定位结果;用户信息和设备信息用来推理派生出位置信息的表达方式。
Fig.4 Contextual information of the positioning behavior

图4 影响定位行为的情境信息

(2)导航情境建模
导航与情境信息建模的意义在于情境模型能够根据用户所处导航行为中的位置和与之相关的其他情境信息,确定位置地图情境信息的推送内容和方式。由于导航是一个过程,而不是一个点,因此,在导航的不同过程中,情境信息的影响方式是有区别的。一般认为,影响导航的情境信息有位置信息、时间信息、兴趣点信息、天气信息、交通信息和其他信息,如图5所示。其中,位置信息用来推理派生出当前的位置和导航线路;时间信息用来约束导航条件;兴趣点信息用来推理派生出用户在当前条件下可能会需要的建筑物或其他对象;交通信息用来推理派生出交通能否通行、通畅;天气信息用来推理派生出天气状况可能会对道路行驶造成的影响;其他信息用来添加目标活动对导航的作用。
Fig.5 Contextual information of the navigation behavior

图5 影响导航行为的情境信息

(3)查询情境建模
查询与情境信息建模的意义在于情境模型能据用户爱好或需求在一定范围内查找到相关的兴趣点信息。因此,查询情境主要与位置信息、兴趣点信息和用户信息有关,如图6所示。其中,位置信息用来推理派生出用户或兴趣点的位置;兴趣点信息用来推理派生出用户所感兴趣对象的属性信息;用户信息用来推理派生出用户的类型与偏好,以便判断究竟何种信息是用户的兴趣点信息。
Fig.6 Contextual information of the query behavior

图6 影响查询行为的情境信息

(4)识别情境建模
识别与情境信息建模的意义在于情境模型能据用户的倾向提取出相关兴趣点信息提供给用户。因此,识别行为主要与用户信息和兴趣点信息相关,如图7所示。其中,兴趣点信息用来推理派生出用户感兴趣对象的属性信息;用户信息用来推理派生出用户的偏好。
Fig.7 Contextual information of the recognition behavior

图7 影响识别行为的情境信息

(5)事件检查情境建模
事件检查与情境信息建模的意义在于情境模型能据用户的所处位置及时间,按照一定范围,将可能会对用户行为产生影响的事件信息提取出来并提供给用户。因此,事件检查主要与位置信息、时间信息和事件信息有关,如图8所示。其中,位置信息用来推理派生出用户和事件发生的位置,同时它还明确了事件查询的范围;时间信息主要用来推理派生出事件发生的时间和当前时间,并判断两段时间是否存在关联;事件信息主要用来推理派生出事件的类型和级别。
Fig.8 Contextual information of the checking events behavior

图8 影响事件检查行为的情境信息

2.3 情境信息建模

情境信息建模是位置地图情境建模的最底层,在该层模型中,每一种情境信息都被建立成一个与用户行为互相独立的模型,便于情境信息共享与重用的同时,也有利于其他情境信息和用户行为的添加。按照上文中提到的情境信息,本文从以下7个方面研究情境信息建模。
(1)位置信息建模
位置信息模型是位置地图数据的基础模型,它不仅包括了位置的地理坐标,还包括了位置名称、位置关联,以及位置属性。因此,位置地图中的位置信息建模更应该是一种语义位置建模[14-15]。其中,位置的物理坐标是指经纬度;位置名称与位置尺度有关,本文将位置名称的描述尺度分为城市、街道、建筑物和室内空间4级;位置关系涉及的内容很多,考虑到位置地图情境应用的实际需求,相邻、相离和包含是最常用的位置关系。
(2)时间信息建模
位置地图情境中的时间信息主要有2种表现形式[16-17]：时间点和时间段。时间点表示一个瞬时的时间,如2013年6月14日上午9:35分,它通常用来描述一个事件或行为的起止点;时间段表示一段时间的持续,如半小时、一天、一个星期,它常常被用来描述一个过程。
(3)用户信息建模
用户既是情境模型的参与者,也是情境模型的使用者,一方面用户的不同行为制约着情境信息与情境模型的关联程度,另一方面不同的情境信息也影响着用户的具体行为。用户信息建模考虑的因素主要有性别、年龄、学历、行驶速度和兴趣偏好等[18]。
(4)兴趣点信息建模
兴趣点通常是指位置地图中描述的空间对象,GIS描述空间对象的3个特征为属性特征、空间特征和时间特征,因此,本文也通过3个方面对兴趣点信息进行建模。其中,属性特征描述空间对象的功能、特点,如×××餐厅主要经营西式快餐;空间特征描述空间对象的位置,这种位置可以是物理位置(物理位置是指地球上一点在某种参考坐标系下唯一的、精确的数值描述)也可以是地理位置(位置模型可以完成位置的转换),如×××餐厅位于陇海路与嵩山路交叉口;时间特征描述空间对象的开放时间等,如×××餐厅营业时间为全天24 h。
(5)天气信息建模
位置地图情境中天气信息建模主要是为了研究不良天气可能会对道路交通造成的影响。一般认为影响交通的天气因素主要有雨、雪和雾,因此,天气信息建模也主要考虑这3方面对道路交通的影响。按照天气的恶劣程度划分,其影响分为不能通行、难以通行、减速通行和通畅通行4种。
(6)交通信息建模
交通信息建模与天气信息建模一样,主要考虑交通拥堵或突发事件对道路交通造成的影响。按照影响的严重程度,可分为不能通行、难以通行、减速通行和通畅通行4种。
(7)其他信息建模
其他信息建模是情境信息建模的补充环节,由于不同活动、不同用途考虑的情境信息差异很大,往往需根据情境模型应用的范围增加一些情境信息的描述,如机场登机情境中的机场航班信息、机场票务信息等。

2.4 位置地图的情境本体模型

情境建模方法很多,由于本体模型兼具面向对象和逻辑描述的双重优点,所以,本体模型被广泛应用于语义情境的形式化表达中来[19-20]。考虑到位置地图情境模型的3层特点,本文将情境本体也分为3类：活动本体、行为本体和通用情境信息本体。其中,活动本体描述活动包含的行为和不同行为之间的联系;行为本体描述不同行为与不同情境信息之间的关系;通用信息本体描述除活动以外的其他情境信息。假设某种活动可以分为n个行为,影响这n个行为的情境信息共有m个,令活动为A,情境信息为Q,行为与情境信息之间的关系为AQ,则基于活动分层的情境模型表示为：
Context=< A,AQ,Q >
其中,A=< A1,A2,A…,An >;AQ=< A1Q,A2Q,A…Q,AnQ >;Q=<Q1,Q 2,Q…,Qm>。图9用一张UML图描述了情境模型的逻辑结构。
Fig.9 Schematic diagram of the location map context model

图9 位置地图的情境模型示意图

3 情境建模机场登机实例分析

近年来,飞机已经成为人们日常出行的重要交通工具,与之对应的机场服务逐渐引起大家的重视。由于机场空间和机场活动的复杂性,使得如何根据用户的具体情况提供适宜的服务成为目前关注的焦点,机场情境建模呼之欲出。本文以用户去机场登机为例,试验情境建模方法。
(1)活动建模
机场登机是一种复杂活动,涉及到本文前述的全部用户行为。其中,导航行为可以分为2个部分：室内导航和室外导航。事件检查行为包括3个部分：飞机晚点情况、交通拥堵情况和天气影响状况。查询、定位和识别行为主要是根据用户需求和室内外条件等的限制获取特定兴趣点的相关信息。
为了更清晰地描述机场登机活动的逻辑结构,本文绘制了活动建模的全局图,如图10所示。其中,矩形代表机场登机活动中的用户行为,不同行为之间的联系用不同类型的线条来表示。
Fig.10 Activity structure of the airport boarding context

图10 机场登机情境中的活动结构图

(2)行为建模
由于机场登机活动涉及到5种用户行为,所以,机场登机情境模型中的行为建模也分为5类：定位与情境信息建模、导航与情境信息建模、查询与情境信息建模、识别与情境信息建模和事件检查与情境信息建模。
鉴于行为建模的复杂性,本文以导航与情境信息建模中的如何判断导航开始为例进行说明(图11)。由图11可看出,导航开始与用户信息模型中的速度、天气信息模型中的恶劣状况对速度的影响、交通信息模型中的拥堵状况对速度的影响、用户规定的行驶时间及用户的起始点的位置有关。经计算后,若用户规划时间远大于实际需要行驶时间,则导航开始延缓;若用户规划时间等于实际需要行驶时间,则导航开始;若用户规划时间小于实际需要行驶时间,则用户将不能按时到达。
Fig.11 Modeling of the navigation and contextual information (part)

图11 导航与情境信息建模(部分)

(3)情境信息建模
机场登机活动涉及到的情境信息包括位置信息、时间信息、天气信息、交通信息、用户信息、事件信息、兴趣点信息和其他信息8种。本文首先运用通用五元组结构描述这些通用情境信息本体[21],即Context_Information=(Conception,{Properties},{Axioms},{Relations},Instance)。其中,Conception 表示情境信息的概念,{Properties}表示情境信息的属性,{ Axioms }表示情境信息公理,{ Relations }表示情境信息之间的关系,Instance表示情境信息的实例。最后,利用建模工具protégé建立了用户登机活动下的机场情境信息本体模型,如图12所示。
Fig.12 Contextual information ontology model of the airport boarding context (part)

图12 机场登机情境中的情境信息本体模型(部分)

4 结束语

情境建模旨在能将客观环境与用户之间的关系描述起来,在位置服务迅速发展的今天,拓展位置地图的全方位应用,以满足用户的个性化需求。鉴于目前移动地图服务中的情境建模并没有把众多情境信息有效地组织起来,导致不同情境信息之间互相独立,难以实际应用的局面,本文通过分析活动和情境建模之间的关系,提出了一种新的位置地图情境建模方法,并采用形式化描述语言(本体),尝试建立了机场登机活动下的位置地图情境模型。但情境模型的应用离不开情境推理,因此,本文建立的机场登机情境模型还需进一步的推理验证;同时,机场登机情境涉及到的情境信息远不止文中提到的这几种,还包括移动设备、传感网络,以及存储能力等其他信息,这些将是作者下一步研究的重点。

The authors have declared that no competing interests exist.

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