“數(shù)字城市”中的空間本體數(shù)據(jù)庫研究.pdf

1、“數(shù)字城市”建設是我國高科技發(fā)展的重點之一，它既是加快城市現(xiàn)代化的內(nèi)在要求，也是增強城市綜合競爭力的有力工具。建設“數(shù)字城市”的實質(zhì)是建立以地理空間信息為核心的城市信息服務與共享體系，通過整合海量城市信息資源形成統(tǒng)一標準的公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并通過一體化的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)發(fā)布平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息服務。 然而，“數(shù)字城市”建設中的同語異質(zhì)(Homonyms)問題，即不同領(lǐng)域?qū)ν坏乩憩F(xiàn)象的不同地理認知(Cognition of Geo

2、graphic)問題，使得不同部門在應用城市地理信息系統(tǒng)(Urban GIS)時各取所需，采用不同的空間數(shù)據(jù)格式、不同的數(shù)據(jù)建模方法，形成了所謂“信息孤島”，即西方文獻中的“巴別塔(BabelTower)”現(xiàn)象。 “信息孤島”導致了“數(shù)字城市”建設面臨兩大挑戰(zhàn)：一方面，高質(zhì)量的城市地理信息系統(tǒng)建設要求更加專業(yè)化的知識，以適應不同行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)要求：另一方面，空間數(shù)據(jù)的共享和互操作又要求地理信息系統(tǒng)更加“大眾化”。這一矛盾隨著地理

3、信息科學的發(fā)展，特別是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展要求多學科多部門協(xié)作而越來越突出。而地理本體論的引入為解決這一問題提供了新的思路。 本論文從基礎(chǔ)理論層面到實際應用層面較為深入地探索了運用地理本體論基本思想構(gòu)建滿足“數(shù)字城市”建設需求的實際解決方案，提出了一個空間本體數(shù)據(jù)庫模型及其實現(xiàn)機制。該模型的核心思想是通過多層本體共享機制實現(xiàn)多源異構(gòu)城市信息間的語義協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。 本文的研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下： 第一，論文從本體論

4、(Ontology)體現(xiàn)物質(zhì)自身的方法邏輯和架構(gòu)這一特性著手，探討了本體論的哲學涵義、歷史沿革、形式說明、類型和作用；然后詳細研究了地理本體這一領(lǐng)域本體的特征、含義以及發(fā)展，指出了地理本體論的本質(zhì)是研究地理信息的概念模型、表達、提取、分析與互操作；是當前地理信息科學中新出現(xiàn)的一個基礎(chǔ)和熱點問題。 第二，論文從認知科學的基本概念入手，探討了人類地理認知的概念、范圍、過程和地理空間認知中的本體層次，從“數(shù)字城市”的自然地理對象(Bo

5、nafide objects)與法律地理對象(fiat objects)相互關(guān)系的角度研究了城市地理信息分類。在此基礎(chǔ)上，提出了“數(shù)字城市”中基于啟發(fā)式地理認知的地理本體構(gòu)建模式，同時遵循此模式設計了啟發(fā)式空間本體數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程，并給出了相應豹數(shù)據(jù)庫設計實例。 第三，獲取“數(shù)字城市”中某個領(lǐng)域內(nèi)信息共同體(commMRity)的一致意見及知識的共享和重用是建立地理本體的根本目的和要求，也是論文研究的重點。論文從討論本體的構(gòu)造準

6、則開始，提出了一個“數(shù)字城市”多層本體共享機制模型，該模型建筑于組份拓撲學(Mereotopology)和定位理論(location theory)兩大數(shù)學工具之上，本質(zhì)上是多源異構(gòu)城市信息間不同語義的協(xié)調(diào)機制，其核心思想是：將同一領(lǐng)域內(nèi)，在同一時間位于同一空間(定位理論的“恰好位于”原理)的地理實體按其與本領(lǐng)域的不同關(guān)系(不同的Mereotopology)，劃分為不同的層次，各本體層之間通過一定規(guī)則演繹機制檢索不同“信息孤島”中數(shù)據(jù)(

7、知識)以實現(xiàn)海量城市信息的共享和重用。論文同時研究了該模型與傳統(tǒng)n一交理論以及對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型的關(guān)系問題。 第四，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是當前建設地理信息系統(tǒng)使用的主流技術(shù)，如何將本文提出的空間數(shù)據(jù)庫模型映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之中是本文研究的重點，也是將地理本體理論模型工程化的實際需要。與傳統(tǒng)采用類XML語言表達地理本體的模式不同，本論文以實際的系統(tǒng)開發(fā)為例，研究了針對時空數(shù)據(jù)的半結(jié)構(gòu)化特征，充分利用傳統(tǒng)關(guān)系型DBMS完善的管理功能，

8、采用非第一范式時空嵌套關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對半結(jié)構(gòu)時空數(shù)據(jù)的綜合管理。在此基礎(chǔ)上，通過地圖積分的自適應函數(shù)式地圖表達技術(shù)構(gòu)建多層本體共享機制。 第五，論文以某地級城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設為例，探討了本文提出的空間數(shù)據(jù)庫模型在工程實踐中的運用問題。論文從系統(tǒng)需求分析入手，設計了系統(tǒng)基本架構(gòu)，重點研究了系統(tǒng)元數(shù)據(jù)庫建設和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)入庫問題，然后以城市旅游信息系統(tǒng)為例，研究了運用時空嵌套關(guān)系數(shù)據(jù)庫和地圖積分技術(shù)，通過空間本體數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)“

9、數(shù)字城市”中不同領(lǐng)域的信息共享和重用。驗證了本文提出的空間本體數(shù)據(jù)庫模型的有效性和實用性。 本論文的研究為本體論在“數(shù)字城市”中的應用研究探索了一條新的途徑，為解決地理本體理論和應用之間的巨大鴻溝做了有益的嘗試。論文的主要創(chuàng)新點如下： Ⅰ．本文研究了“數(shù)字城市”建設中由于地理認知不同而造成的“信息孤島”問題，在城市地理環(huán)境“自然地理對象”與“法律地理對象”分類的基礎(chǔ)上，提出了“數(shù)字城市”中基于啟發(fā)式地理認知的地理本體構(gòu)建

10、模式，并遵循此模式設計了啟發(fā)式空間本體數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程。 Ⅱ．本文研究了“數(shù)字城市”建設中海量異構(gòu)城市信息共享和重用這一核心問題，提出了一個基于組份拓撲學(MereotopoIogy)與定位理論的空間本體數(shù)據(jù)庫模型，該模型的本質(zhì)是構(gòu)建“數(shù)字城市”多層本體共享機制，用以協(xié)調(diào)多源異構(gòu)城市信息間的信息語義，實現(xiàn)海量異構(gòu)城市信息的共享和重用。 Ⅲ．本文研究了該空間本體數(shù)據(jù)庫模型的工程應用問題，創(chuàng)造性地運用非第一范式時空嵌套關(guān)系數(shù)