地理时空本体研究进展(2)
2013-05-05 18:07
导读：2 时空本体的研究进展 现实世界中时间和空间是紧密联系、不可分割的. 因而, 人们日益认识到真实世界的时空模型的重要性和必要性. 目前, 有两种建立时
2 时空本体的研究进展
现实世界中时间和空间是紧密联系、不可分割的. 因而, 人们日益认识到真实世界的时空模型的重要性和必要性. 目前, 有两种建立时空模型的思路, 其一是利用已有的时间模型和空间模型; 其二是试图重新建立统一的时空模型. 前者主要是在已有的时态模型的基础上添加对空间的支持能力; 或在已有的空间模型的基础上添加对时态的支持; 或者是将时态模型和空间模型作正交组合. 后者则将时空看作原子实体, 以此为基础建立新的时空统一模型. 两种思路各有千秋, 从实现难度看, 前者与现有研究基础结合比较紧密, 更易于实现; 而从理论角度看, 后者则更为完美. 总的说来, 目前从本体角度对时空关系进行研究仍处于探索阶段, 尚无十分成熟的理论和技术方法.
2. 1 主要研究趋向
目前孤立研究时间关系或空间关系的学者较多, 但是将二者结合起来, 并明确提出从本体角度研究时空关系的学者仍比较少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早开始在对时空数据库的基础本体的研究中提出了一个5 层的本体, 每层都应用不同的规则. 他把自然事实看作一个四维场模型, 构造公式a= f (x , y , z , t) 来表示一个只有唯一值的函数, 该公式表明只有唯一的时空世界[ 17 ]. 此外他还从语言学和认知角度研究了时空G IS 中的本体的一致性[ 18 ].
但也有学者认为时空本体并非是唯一的, 单一四维模型不能有效的表达现实世界的时空关系.B it tner[ 19 ]首先提出了建立两种时空本体, 即SNA Pon to logy (快照本体) 和SPAN on to logy (时段本体) , 前者认为永久的实体处于特定的时刻之中, 后者认为实体持续存在于完整的时间之中. 并且他提出了粒度的概念来分解空间和时间, 分别建立对应的本体论. Grenon[ 20 ]定义的时空本体在时空表示方面也区分了两种对象: 持续对象(Endu ran t) , 可以在给定时刻存在的物质、性质、关系、功能等; 连续对象(Perdu ran t) , 对应某个过程, 并不在某个给定时刻存在, 而是作为整体存在于一段时间之内.这两种对象分别对应E2本体和P2本体. 持续对象可以作为连续对象的组成部分, 参与连续对象对应的过程. 他还给出了时空本体的20 条公理. 在随后的工作中, Grenon 和Sm ith[ 21 ] 针对地理现实的动态性, 进一步提出一个好的本体应该既能表示同时发生的现实又能表示
历史事实, 针对这两个不同的任务他们提出了用当代哲学本体中的三维和四维相结合的办法来解决, 他们建立了一个包括两个成分的形式本体SNA P 和SPAN , 一个是针对地理对象, 一个针对地理过程. SNA P 处理三维实世界, 包括它们所处的空间区域以及所有的性质、功率、功能、角色以及其他从一个时刻到下一个时刻保持一致的实体. SPAN 则适于处理包括持续实体在内的过程以及这些过程发生的时空体( spat io tempo ralvo lum es). 国内也有学者[ 22 ]将其分为TSOO (时空对象本体) 和TSPO (时空过程本体) , 其观点与Grenon 观点实质相同.
中国大学排名 虽然目前对于时空本体的形式化尚未取得一致性意见, 但是有一些学者提出了自己对建立时空本体的规范性要求的看法. Galton[ 23 ] 在在回顾了地理学以及地理信息科学范围内的多种现象种类后, 确定了3 个可以全面、适当处理这些现象的时空地理本体所必要条件, 一个这样的本体必须:①提供合适的表现和操作形式以适当处理基于场和基于对象的世界视点间的丰富的相互连接的网络; ②把基于场和基于对象的模型, 以及用来处理这些模型的表现形式扩展到时间领域; ③提供一种方法来发展时空范围以及范围内存在的现象的不同模型, 尤其是对于那些诸如暴风雪、洪水、野火等似乎既表现为对象性又表现为过程性的双重性的现象.
2. 2 时空本体库
由于时间与空间都属于常识范畴, 是重要的常识概念, 因此, 任何重要的上层本体都必须考虑时间和空间的问题. 目前已有的时空本体库里一般是将时间本体与空间本体分开建立. 比较大型的本体库有斯坦福
大学的P ro tégé本体库[ 24 ]、CYC 上层本体库[ 25 ] , IEEE 的标准上层本体工作组开发的SUMO 本体[ 26 ]等. 其中P ro tégé本体库中涉及到时间和空间本体的有NA SA 开发的SW EET( Sem an t ic W eb fo r Earth and Environm en tal Term ino logy ) 本体系统; O GC (Open G IS Con so rt ium ) 的地理标记语言O GC 本体系统; ISO的OWL 本体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 19111: 2003)、地理信息空间地理标记参考( ISO 19112: 2003) 等.比较常用的是以语言命名的DAML 时间本体和空间本体. 也有学者尝试着对建立统一的时空本体提出了自己的构想, 如胡鹤在其博士论文中利用OWL DL 对DAML 时间本体和空间本体进行结合建立了统一的时空本体框架[ 27 ]. 此外, 还有一些小的时间本体、空间本体以及时空本体的存在.
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2. 3 研究热点
2. 3. 1时空本体建模的形式化语言与推理
F rank 认为本体需要形式化语言来描述, 并且这种语言应该具有客观的形式、明确的声明性、类型化、自动的一致性检验机制以及可执行性[ 17 ]. 研究时空本体的传统方法主要是逻辑的方法. 且使用较多的是以一阶谓词逻辑为基础, 引入其他非经典逻辑的方法. 例如,Wo lter 等人[ 28 ] (2000) 采用语义的方法, 将时态模型T 和空间模型S 结合成一个多维时空结构. 他们把时空解释成时间和空间结构的迪卡尔乘积, 并基于BRCC - 8 进行时空表示, 构造ST 0、ST 1、ST 2 这3 个时空逻辑. 对ST i 应用模态算子□、◇得到STB i, 在STB i 上添加时间区域项得到STB i+ . Wo lter[ 29 ]等人(2002) 构造了一阶时空逻辑(FO ST ) , 并指出在基于无限时间流的拓扑时态模型中, 由于时态操作符和作用于区域变量上的量词导致FO ST 的可满足问题是不可判定的, 他们将BRCC- 8 嵌入到双模态逻辑S4u 中(可判定的) , 然后再把S4u 嵌入到一阶逻辑单变量子集中(N P- 完全的) , 构造出命题时空语言(PST ) , 有关任意拓扑模型中的PST 公式可满足性问题的计算性质还有待研究. 通过在BRCC- 8 中加入区间时态逻辑(ALL - 13) 得到ARCC- 8 逻辑. ARCC- 8公式在时态拓扑模型中是N P 完全的. Bennet t 等人[ 30 ] (2002) 将命题时态逻辑PTL 和空间模态逻辑S4u 结合起来, 形成了“二维”时空逻辑PSTL.
PSTL 是否可判定, 仍然是未解决的问题, 但通过嵌入PSTL 到RCC8 空间逻辑, 能得到一些可判定的子系统. M u ller[ 31 ] (2002) 把时间和空间看成同质(homogeneity) 的, 以时空区域(时空历史) 为基本实体, 在扩展A sher 的空间逻辑公理集基础上,定义了时序关系和时空约束, 建立了一阶时空逻辑模型, 并基于该逻辑提出了有关运动的推理理论.随着更易被人和机器理解的描述逻辑(DL ) 的出现与发展, Haarslev 在ALC (D) 的基础上对描述逻辑进行了扩展. 他研究了ALCRP (D ) 理论作为地理信息系统领域的知识表示和查询操作的基础, 通过具体领域和一个角色形成谓词算子的结合, 把时间推理加入了空间和术语推理中, 克服了过去ALC(D) 只能进行概念推理或只能进行空间定性推理的局限性. 并且Haarslev 还证明了ALCRP (D ) 在具体的时空领域应用中具有明显的优势[ 32 ]. 该方法后来被Sw iss 国家基金委O FES 支助的部分欧洲Know ledgeW eb 和D IP 项目所采用.
