基于知识建模的空间信息处理方法

摘要

本发明公开一种基于知识建模的空间信息处理方法，该方法结合了空间信息处理工作流与语义本体技术，将空间信息处理服务与其应用领域知识进行关联，充分考虑不同领域背景下的空间信息处理工作流的动态构建、共享和重用性，提出了基于语义信息的层次网络任务模型框架，通过模型引导任务的分解和分析处理服务的执行，实现不同应用领域环境下的复杂空间信息处理流程的自适应动态构建。

说明书

技术领域

本发明属于空间信息知识领域，特别涉及一种基于知识建模的空间信息处理方法。

背景技术

随着地理空间信息科学的发展，对地理空间数据的分析已经在许多研究领域发挥着 重要作用，空间信息的相关分析也面临着越来越多样化的挑战。如何使用有限的空间信 息分析处理资源，创造出新的增值应用，成为了很有意义的研究内容。

在不同的研究领域，往往具有一些常用的工作流，这些工作流主要由有经验的专家 使用指定的软件平台进行构建。目前在空间信息领域应用也有一些软件提供了复杂工作 流的构建方式，例如ArcGIS模型构建器。然而这些工具都是从技术层面上进行工作流 的构建，没有对知识的描述和不同领域的概念，所以当跨研究领域的时候，工作流的共 享和重用性就会有很大的限制。目前为止，领域相关的空间信息工作流的构建需要同时 具有丰富的领域知识和熟练的专业技能，而这两者往往不能兼备，研究人员很难在其他 领域修改或重用现有的工作流。如何提取和管理工作流知识在地理空间相关研究领域已 经成为一个巨大的挑战。

语义Web是对现有万维网的扩充，它提供了数据和服务的语义，便于人们能够正 确理解和使用他们。现有的对工作流的语义方面的研究主要集中在服务的执行和服务的 组合，这种方法取得了一定的效果，但是却忽略了知识的共享，只有研究者本人能够熟 练使用。而且这些工作流的子进程不能够被分离和重用。为了解决上述的问题，出现了 一些对空间信息服务进行语义描述的方法。在ENVISION项目中，提出了一种语义标注 框架来将服务的功能和输入输出与领域知识关联起来。岳鹏等人提出了geo-processing 任务本体来促进用户在面向服务的空间信息系统中对需求的表达，将对服务的构建简化 到抽象层面上，隐藏了一些复杂的技术细节。然而这种任务本体同样是不涉及领域知识 的。用户在构建工作流的过程中，仍然需要对领域知识有一定程度的熟悉，了解每一个 流程在工作流中的作用，然后手动地将他们组合在一起形成可执行的工作流。如何组建 某个领域相关的工作流并没有作为一种可以被外行人掌握的知识，领域相关的空间信息 工作流的管理和重用问题仍在没有得到解决。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种关联语义和任务本体的、基于知识建 模的空间信息处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于知识建模的空间信息处理方法，包括步骤：

(1)建立任务模型本体，包含简单任务本体、抽象任务本体、复杂任务本体、任 务本体间关系以及简单任务本体和复杂任务本体的执行前提和执行效果；

(2)建立领域本体库，领域本体包括应用领域相关的概念本体及方法本体，概念 本体即应用领域概念及概念间的关系，方法本体即应用领域的特定方法；

(3)建立任务本体库，用来存储简单任务本体、抽象任务本体和复杂任务本体；

(4)建立数据资源库，用来存储当前任务下的数据表示；

(5)根据应用领域已有的空间信息处理流程在任务本体库中建立抽象任务本体， 将抽象任务本体与相关的领域本体关联，对抽象任务本体的功能和实现方式的进行语义 描述，并存入任务本体库；

(6)根据应用领域已有的空间信息处理流程在任务本体库中建立简单任务本体， 将简单任务本体与任务本体库中相关的抽象任务本体关联，对简单任务本体的功能、执 行前提、执行效果和执行方式进行语义描述，并存入任务本体库；

简单任务本体和抽象任务本体关联的条件是：简单任务本体可实现抽象任务本体 的功能且满足抽象任务本体的参数约束；

(7)根据应用领域已有的空间信息处理流程在任务本体库中建立复杂任务本体， 将复杂任务本体与任务本体库中抽象任务本体关联，对复杂任务本体的功能、分解方向、 执行前提和执行效果进行语义描述，并存入任务本体库；

复杂任务本体与任务本体库中抽象任务本体的关联情况有：

(a)复杂任务本体实现了抽象任务本体描述的功能，且满足该抽象任务本体的参 数约束，关联两者；

(b)将复杂任务本体按执行时间顺序分解为一系列的抽象任务本体序列，将复杂 任务本体与其分解的抽象任务本体序列关联；

(8)用户提供需求描述和数据描述，数据描述加入数据资源库；根据需求描述判 定需求所属应用领域，筛选与该应用领域相关的抽象任务本体；

(9)根据需求描述判定具体功能需求，从步骤(8)筛选的抽象任务本体中进一 步筛选与该具体功能需求相关的抽象任务本体；

(10)若步骤(9)筛选的抽象任务本体仅由简单任务本体实现，执行步骤(11)； 若步骤(9)筛选的抽象任务本体由复杂任务本体实现，执行步骤(12)；若步骤(9) 筛选的抽象任务本体由简单任务本体和复杂任务本体共同实现，执行步骤(13)；

(11)判定数据资源库中数据是否满足简单任务本体的执行前提，若满足，则执 行，并将执行效果记录于数据资源库中；否则，删除该简单任务本体；

(12)判定复杂任务本体的功能和分解方向是否满足需求描述和参数约束，若满 足，依次对复杂任务本体分解的抽象任务本体执行步骤(10)；否则，删除该复杂任务 本体；

(13)首先对简单任务本体执行步骤(11)；然后，对复杂任务本体执行步骤(12)。

步骤(5)中，抽象任务本体的语义描述包括关联的领域本体、参数约束和实现方 式，其中，领域本体为抽象任务本体的功能描述，参数约束根据抽象任务本体的功能进 行确定，包括时间约束、空间参考或地域范围；实现方式为具体的复杂任务本体和/或简 单任务本体。

步骤(6)中，简单任务本体的语义描述包括关联的领域本体、执行前提和执行效 果，其中，领域本体用来提供简单任务本体的功能描述和执行方式，执行前提是数据资 源库中当前数据满足该简单任务本体对数据的要求，执行效果包括向数据资源库添加新 数据、删除旧数据和更新数据。

步骤(7)中，复杂任务本体的语义描述包括关联的领域本体、执行前提、执行效 果和分解方向，其中，领域本体为复杂任务本体的功能描述，执行前提为分解方向满足 用户提供的需求描述，执行效果包括向数据资源库添加新数据、删除旧数据和更新数据， 分解方向为复杂任务本体按照执行时间顺序分解的抽象任务本体序列。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

结合了空间信息处理工作流与语义本体技术，将空间信息处理服务与其应用领域知 识进行关联，充分考虑不同领域背景下的空间信息处理工作流的动态构建、共享和重用 性，提出了基于语义信息的层次网络任务模型框架，通过模型引导任务的分解和分析处 理服务的执行，实现不同应用领域环境下的复杂空间信息处理流程的自适应动态构建。

附图说明

图1是本发明知识模型结构图；

图2是知识模型、领域本体和数据资源库之间的关系示意图；

图3是任务分解流程图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式进一步阐明本发明，仅在于说明本发明而不限制本发明。

一、空间信息处理流程知识模型

本发明知识模型基于空间信息处理流程和领域知识构建，将空间信息处理流程抽象 为简单任务、抽象任务和复杂任务三种不同任务，任务通过语义标注与领域知识相关联， 能够代表一定的领域知识，不同的任务间具有一定的关系，能实现任务的分解和重新组 合；基于任务与领域知识的关联和人工智能规划，实现空间信息处理流程的自动构建、 共享和知识重用。图1所示为空间信息处理流程知识模型结构图，表示了任务本体和领 域知识的组织关系。

任务的定义以及任务间关系如下：

抽象任务(AbstractTask)直接与领域知识相关联，表示与特定领域知识相关的任 务，主要包含概念定义、关系约束和规则约束，能够表示某一个具体的空间信息分析处 理功能以及其所属的领域约束，是一种较高层次抽象的任务，不具有具体的输入输出参 数。抽象任务可以由简单任务或者复杂任务实现。

简单任务(SimpleTask)直接与空间信息处理方法(比如一个具体的空间信息服务) 相关联，具有任务执行前提以及任务执行效果，执行前提即当前数据，执行效果即执行 后的数据变化情况。若当前的数据状态满足简单任务对数据的要求，则表示简单任务可 以执行，执行完成后数据状态会发生改变，数据状态的改变有三种：新数据的添加、旧 数据的删除和数据更新；否则简单任务不能执行。简单任务是抽象层次较低的任务，可 以作为一个抽象任务的某种具体实现方式。复杂任务(ComplexTask)是一种抽象层次 中等的任务。往上可以作为一个抽象任务的某种具体实现方式，往下可以分解为由一系 列抽象任务构成的任务流，成为任务层级网络的衔接者。一个复杂任务可以看成是可以 与其他空间信息处理子流程进行组合的空间信息处理子流程，只是这个子流程不是具体 的工作流，而是具备某种子工作流知识的抽象任务有序集，这样就能够更加灵活地实现 空间信息处理流程的分解、共享和重用。复杂任务具有任务执行前提和执行效果。与简 单任务不同的是，复杂任务的执行前提不是对数据状态进行判断，而是对其分解方向和 应用场景知识是否吻合来判定是否执行该复杂任务，若执行，则依次判定其子任务(即 抽象任务有序集中抽象任务)能否执行；否则该复杂任务不能执行。

二、任务本体知识描述

本发明中，所有的领域知识和各层任务都是用本体(RDF/OWL)来表示的。使用 本体语言能够很好地表达概念及概念间的关系，这种表述是规范的、明确的、形式化的， 可共享的，并能够被计算机识别。在任务本体关系的表示中，主要采用三元组的形式。 比如表示抽象任务A可以由简单任务B实现，简单任务B与服务C相关联，针对该关 系构建如下的资源描述框架：

定义任务taskB：

<rdf:Descriptionrdf:about＝"http://lmars.whu.edu.cn/GeoService/Task.owl#taskB">

任务taskB为简单任务：

<rdf:typerdf:resource＝"http://lmars.whu.edu.cn/GeoService/Task.owl#SimpleTask"/>

任务taskB是抽象任务taskA的一种实现方式：

<task:implementrdf:resource＝"http://lmars.whu.edu.cn/GeoService/Task.owl#taskA"/>

任务taskB具体可由服务serviceC实现：

<task:invokerdf:resource＝"http://lmars.whu.edu.cn/GeoService/Task.owl#serviceC"/>

</rdf:Description>

三、实现过程

在用户应用空间信息处理知识模型来创造新的领域相关的应用之前，要建立和完善 领域本体库和任务本体库，这些资源都是以本体的形式存储。计算机通过解析本体来获 取知识，用于空间信息处理流程的自动构建。

本发明实现过程的步骤如下：

(1)构建任务模型本体。

所构建的任务模型本体包括简单任务本体、抽象任务本体、复杂任务本体、各任务 本体间关系、简单任务本体和复杂任务本体的执行前提和执行效果。

(2)建立领域本体库(domain.owl)。

领域本体(domainontology)是领域知识的抽象，概念明确，容易形式化和共享。 例如，地球科学知识本体、数据挖掘知识本体等均为领域本体。本发明领域本体库集合 了不同应用领域的本体知识，常规使用的概念集合(如时间度量、长度量算等)、空间 信息处理相关的领域概念(如投影、坐标系等)。即，本发明领域本体库包含应用领域 相关的概念本体及方法本体，概念本体即应用领域相关概念及概念间的关系，方法本体 即应用领域的特定方法。例如，地球空间领域，有“自然灾害”概念，也有“滑坡”、“泥 石流”等具体的灾害概念，“滑坡”和“泥石流”均属于“自然灾害”，“滑坡”的发生 可能引发“泥石流”，上述概念和各概念间关系的表示即地球空间领域的概念本体。在 地球空间领域，可利用一定的方法来进行投影变换或坐标系转换，这些投影变换或坐标 系转换方法即地球空间领域的方法本体。

(3)建立任务本体库(task.owl)。

任务本体库用来存储简单任务本体、抽象任务本体和复杂任务本体。任务本体库在 对领域本体和空间信息处理知识模型进行引用之后，就能够表述与领域本体相关联的任 务(抽象任务、简单任务和复杂任务)，以及任务之间的关系，从而形成层次结构的任 务网络。

(4)建立数据资源库(dataSource.owl)。

数据资源库中数据都是当前任务下的数据表示，包括初始数据及任务执行中产生的 数据。每当进行一次数据处理后，若数据状态发生变化，数据资源库中数据就将会被新 数据记录替代，数据资源库中有数据记录添加、数据记录删除、数据记录更新三种基本 操作，足以表示数据状态的变化。

(5)在任务本体库中建立抽象任务本体。

根据应用领域已有的空间信息处理流程建立抽象任务本体，抽象任务本体直接与领 域知识关联，用来表示某具体的空间信息处理功能。将抽象任务本体和相关的领域本体 进行关联，对抽象任务本体进行语义描述并存入任务本体库。抽象任务本体的语义描述 包括关联的领域本体、参数约束和实现该抽象任务本体的复杂任务本体和/或简单任务本 体，参数约束根据抽象任务本体功能的语义描述确定。抽象任务本体功能的语义描述包 含范性的空间信息相关描述和特性的功能描述，空间信息相关描述包括时间约束、空间 参考、地域范围等，时间约束主要约束空间数据的时间范围，空间参考主要约束空间数 据的空间参考系数，地域范围主要约束空间数据的空间范围。特性的功能性描述需要建 立在特定的领域相关的本体上。比如语义描述“水文领域，获取洪水淹没区域可以有多 种方法，包括利用遥感影像提取、利用DEM提取等”，上述语义描述实际上是以本体的 形式描述在领域相关的抽象任务本体内、属于特定领域的功能性描述。如果一个抽象任 务中包含“提取洪水淹没区域”，那么通过领域功能性的约束，其任务的实现方式就可 以包含“利用遥感影像提取和利用DEM提取等”，那么在下面选择其具体实现方式的时 候，就要选择满足实现方式的复杂任务或简单任务实现。

(6)在任务本体库中建立简单任务本体。

根据应用领域已有的空间信息处理流程建立简单任务本体，简单任务本体用来表示 某具体的空间信息处理方法。具体可从已有的Web服务中抽取简单任务本体，将简单 任务本体与任务本体库中相关的抽象任务本体关联，对简单任务本体的功能、执行条件、 执行结果和执行方式进行语义描述，并存入任务本体库。简单任务本体和抽象任务本体 关联的条件是：简单任务本体实现了抽象任务本体描述的功能，且满足抽象任务本体的 参数约束，即可将该简单任务本体关联抽象任务本体，此时，简单任务本体是与其关联 的抽象任务本体的一个具体实现方式，若任务本体库中不存在能够与之关联的抽象任务 本体，则继续执行步骤(5)。

(7)在任务本体库中建立复杂任务本体。

根据应用领域已有的空间信息处理流程建立复杂任务本体，复杂任务本体为可与其 他空间信息处理子流程进行组合的空间信息处理子流程，该空间信息处理子流程为具备 某子流程知识的抽象任务本体的有序集，该抽象任务本体的有序集可实现复杂任务本体 的功能。将复杂任务本体与任务本体库中抽象任务本体进行关联，对复杂任务本体的功 能、分解方向、执行前提和执行效果进行语义描述，并存入任务本体库。若任务本体库 中不存可与复杂任务本体关联的抽象任务本体，则继续执行步骤(5)。复杂任务本体的 分解方向指，复杂任务本体按照执行时间顺序分解的一系列抽象任务本体。

复杂任务本体和抽象任务本体关联情况有：

(a)复杂任务本体实现了某抽象任务本体描述的功能，且满足该抽象任务本体的 参数约束，那么两者可以关联，其关联方式可表达为复杂任务本体是抽象任务本体的一 个实现。

(b)将复杂任务本体按执行时间顺序分解为一系列的抽象任务本体序列，该分解 过程是预先设定的，属于领域知识的一种，表示是一种分解方向。将复杂任务本体与其 分解的抽象任务本体序列关联。

在任务本体库中完善步骤(5)～(7)，形成一套层次结构的任务网络，从而完成任 务模型及知识库的构建。

(8)用户提供需求描述和数据描述，将数据描述加入数据资源库，根据需求描述 判定用户需求所属应用领域，筛选出与该应用领域关联的抽象任务本体，若筛选无结果， 则输出无或者执行步骤(5)完善任务本体库。

(9)根据当前需求描述判定用户的具体功能需求，在步骤(8)筛选的抽象任务本 体中进一步筛选与具体功能需求相关的抽象任务本体；若筛选无结果，则输出无或者执 行步骤(5)完善任务本体库。

(10)若筛选的抽象任务本体仅仅由简单任务本体实现，则执行步骤(11)；若筛 选出的抽象任务本体由复杂任务本体实现，则执行步骤(12)；若筛选出的抽象任务本 体由复杂任务本体和简单任务本体共同实现，则执行步骤(13)；若抽象任务本体没有 实现方式，则输出无，结束。

(11)判定数据资源库中的数据是否满足简单任务本体的执行前提，若满足，则执 行该简单任务，并将数据状态的变化记录在数据资源库中；否则，删除该简单任务本体。

(12)判定复杂任务本体的功能和分解方向是否满足用户需求描述和参数约束，若 满足，则依次对复杂任务分解而成的抽象任务本体执行步骤(10)；否则，删除该复杂 任务实现。

(13)若抽象任务本体的实现包含简单任务本体和复杂任务本体，则首先从简单任 务本体开始判定，执行步骤(11)；当可实现该抽象任务本体的所有简单任务本体判断 完毕，对复杂任务本体执行步骤(12)。

当所有步骤执行完毕，若无输出结果，则工作流构建失败；否则，输出可执行的空 间信息工作流。

实施例

下面以洪水淹没流程构建为例，介绍抽象任务本体、简单任务本体和复杂任务本体 的构建和实现方法。

背景：洪水淹没分析是典型的空间信息处理流程，其执行效果是提取洪水发生前后 的淹没范围。现在已有的是一些数据和一些基本的处理流程，下面示意如何通过知识建 模来构建洪水淹没分析的空间信息处理流程。

已有数据：洪水发生前和洪水发生后的时间，洪水发生的区域范围。

已有处理流程：获取遥感影像，WPS栅格计算，WCS影像服务

需要利用上述的处理流程和数据建立一个洪水淹没范围的处理流程。

首先，根据已有的处理流程建立洪水淹没范围的抽象任务本体、复杂任务本体和简 单任务本体，如下：

抽象任务本体1：洪水淹没区域提取

相关的领域本体：提取洪水淹没区域

参数约束：洪水淹没时间段；目标区域范围；空间参考；

实现方式1：复杂任务1

实现方式2：复杂任务2

复杂任务1：基于遥感影像的淹没区域提取

相关的领域本体：提取洪水淹没区域

执行前提：采用遥感影像数据

执行效果：生成洪水淹没区域

分解方向：洪水前采用可见光波段获取影像→洪水前采用近红外波段获取影像→洪 水后采用可见光波段获取影像→洪水后采用近红外波段获取影像→洪水前水面范围提 取→洪水后水面范围提取→淹没区域提取

复杂任务2：基于DEM的淹没区域提取

相关的领域本体：提取洪水淹没区域

执行前提：采用DEM地形数据

执行效果：生成洪水淹没区

分解方向：洪水前DEM获取→洪水后DEM获取→淹没区域提取

抽象任务2：水面范围提取

相关的领域本体：提取水面范围

参数约束：目标区域范围；空间参考

实现方式：简单任务1

简单任务1：基于遥感影像提取水面范围

相关的领域本体：提取水面范围

执行前提：(1)数据1，语义为可见光波段遥感影像；

(2)数据2，语义为近红外波段遥感影像；

(3)数据1和数据2空间范围、空间参考、时间一致

(4)数据格式为tif或能转换为tif

执行效果：得到数据；

数据语义为水面范围；

数据时间继承数据1、2的时间；

数据空间继承数据1、2的目标区域；

数据格式：tif影像

执行方式：WPS栅格计算

抽象任务3：淹没区域提取

相关的领域本体：提取洪水发生后的淹没区域

参数约束：目标区域范围；空间参考

实现方式：简单任务2

简单任务2：淹没区域提取

相关的领域本体：提取洪水发生后的淹没区域

执行前提：(1)洪水发生时间；

(2)目标区域：

(3)数据1，语义为水面范围；

(4)数据2，语义为水面范围；

(5)数据1和数据2空间范围包含目标区域、空间参考一致，格式可转 为tif；

(6)数据1的时间在洪水发生前的时间段内；

(7)数据2的时间在洪水发生后的时间段内；

执行效果：得到数据：

数据语义为洪水淹没区域；

数据时间为洪水发生时间；

数据空间为继承数据1、2的空间范围

数据格式为tif

执行方式：WPS栅格计算

抽象任务3：影像获取

相关的领域本体：获取遥感影像

参数约束：目标区域范围；空间参考；影像时间

实现方式：简单任务3

简单任务3：影像提取

相关的领域本体：获取遥感影像

执行前提：(1)目标区域范围

(2)影像时间

(3)波段参数

执行效果：得到数据：

数据语义为遥感影像

数据时间为影像时间

数据空间为目标区域

数据格式为tif影像

执行方式：WCS影像服务

上述领域本体即概念本体，为各任务本体的功能描述；简单任务本体中执行方式即 领域本体中的方法本体。

建立了上述层级任务之后，通过深度优先来遍历任务层级网络。根据用户需求描述， 确定任务目标是要完成抽象任务1，抽象任务1可以由复杂任务1和2来完成。但是复 杂任务2分解的子任务DEM获取没有对应的工作流来完成，所以系统会自动选择遍历 复杂任务1，根据复杂任务1分解的子任务来查找任务层级中对应的抽象任务，再遍历 抽象任务的实现，最终实现的洪水淹没区域提取的工作流为：

WCS影像获取服务(洪水前，可见光波段)→WCS影像获取服务(洪水前，近 红外波段)→WCS影像获取服务(洪水后，可见光波段)→WCS影像获取服务(洪水 后，近红外波段)→WPS栅格计算(洪水前)→WPS栅格计算(洪水后)→WPS栅格 计算(淹没区域提取)。