虛擬地理環境知識工程探析范文

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1引言

地理知識工程在地理過程模擬、預測及城市規劃等應用中發揮著極其重要的作用。一方面，對地觀測手段的持續發展與信息增值機制的缺乏致使科研領域普遍存在“數據爆炸但知識貧乏”的現象。另一方面，通過多源數據整合、共享、集成與挖掘，虛擬地理環境（VGE）技術對地理科學問題進行深度剖析和多感知表達，能為地理問題、地理規律、地理現象的模擬與預測提供相關知識和決策，近年來逐漸成為地學科研及應用的主要研究熱點[5]。與傳統GIS空間分析相比，虛擬地理環境實現了地理過程和環境的模擬分析與表達，改變了傳統的地理科學知識的表達與獲取方式，促進了地理數據、信息到知識的快速轉換，有助于緩解數據豐富與知識匱乏之間的鴻溝。因此，探討基于虛擬地理環境的地理知識工程是一個迫切而重要的科學問題。知識是一種存在復雜相互關系的結構化的、相互鏈接的、不斷增長的信息及其存在的復雜的相互關系，其增長來源于這些信息與人的交互，以及其他輔助技術對其所蘊含關系的分析或所蘊含規律的應用。地理知識是知識的概念和內涵在地理學科領域的擴展與延伸。ESRI總裁JackDangermond提出一種泛在地理知識概念，認為地理知識是描述地球系統中自然和人文環境的信息，包括數據、模型、制圖表達、地理工作流及元數據等。文獻[9]將地理知識進一步解釋為通過對地理科學領域獨特的背景、過程和結果進行解釋而得到的增值信息和知識。文獻[10]則認為地理知識是解決包括考古學、生態學等不同科研應用領域存在地理問題的有用地理信息。文獻[11]-[12]分別從空間認知、知識共享等角度圍繞地理知識展開理論和相關技術研究。總體而言，現有地理知識相關研究仍處于初步認識階段，理論和實踐還不夠系統和清晰，且絕大多數重點關注傳統GIS處理和分析領域。然而，作為新一代GIS框架方法，虛擬地理環境與傳統GIS有顯著的區別，更強調地理過程機理模型的支撐和多感知多交互的虛擬環境表達，使VGE的地理知識有著自身的特點。目前尚無針對虛擬地理環境中地理知識展開相關的研究。綜上所述，本文首先綜述國內外知識工程及地理知識工程研究現狀；然后，提出虛擬地理環境地理知識及虛擬地理環境知識工程的概念和定義，探討分析VGE地理知識區別于通用知識的典型特點，并給出2種VGE地理知識的分類方法；最后，探討和闡述未來VGE知識工程的研究和建立所需關注的重點及解決方案。

2國內外研究綜述

2.1知識工程1977年第五屆國際人工智能大會上，美國斯坦福大學計算機系教授愛德華•費根鮑姆首次提出知識工程概念，并明確指出實現智能行為的主要手段在于知識，且多數實際情況下是特定領域的知識。人工智能領域認為，知識是人們對于可重復信息間聯系的認識，是信息經過加工整理、解釋、挑選和改造而成的。知識工程是以知識為研究對象的新興學科，通過抽取具體智能系統中共同研究的基本問題作為核心，形成通用方法和理論?，F有知識工程相關研究可分為以下5類。（1）知識的管理文獻[15]圍繞知識的發現、獲取、共享及應用系統地闡述了知識的管理方法、技術和問題。文獻[16]認為傳統基于結構化知識庫的方式搜索和訪問有限，提出一種新的采用開放且低成本基于社交網的知識管理方式。文獻[17]-[18]進一步研究了基于社交挖掘的知識的獲取與管理。針對軟件開發過程中的知識，文獻[19]系統地探討了軟件工程知識的重要性、內容體系、管理方式、管理工具及支撐框架。文獻[20]從知識的規劃、創建、集成、組織、傳輸、維持以及評價等多個方面，全方位地闡述了知識管理的過程和技術。文獻[21]歸納并探討了符合知識進化內在規律的知識管理模式。文獻[22]通過采用用戶參與知識庫的組織模式，提高知識的可見度與利用率。文獻[23]探討了以知識單元為基礎和以知識關聯為基礎的2種知識組織方式，提出采用分類主題一體化、元數據及專家系統等知識組織策略。文獻[24]從知識的形式、結構和運動狀態3個角度構建了一個概念管理框架。還有部分研究從管理學角度分別提出了基于知識的組織學習、產生和傳播等過程的不同管理模型。（2）知識的表達伴隨知識系統和管理的迅速發展，知識表示的研究不僅只是單純地解決如何存儲，而同時著重關注如何建模以支持高效的知識應用。文獻[27]將知識工程方法用于復雜的醫療需求表達，設計了一種支持推理的概念圖模型表達醫療專業知識。文獻針對地圖綜合中的知識提出了分類體系及知識表達規則。針對知識管理系統的全局視圖和建模工具，典型代表研究有CommonKADS方法。還有部分研究基于本體和語義技術對領域知識進行建模，主要有DAML+OIL、OWL、UML等建模語言，以及Protégé知識建模環境等建模工具。（3）知識的共享圍繞知識傳播與共享，現有研究主要針對知識服務、知識庫組織及構建相關理論和技術展開。文獻[31]探討了一種研究模型證明知識共享的程度與知識的創新和收益間的正比關系。文獻[32]針對高校圖書館指出學科知識庫的構建應包括顯性知識、館員的隱性知識及能解決用戶特定問題的新的知識成果。通過將分散的知識資源整合封裝為一系列適應問題需求的Web服務，可屏蔽平臺、系統、語言及模型之間的差異，達到知識資源的良好共享和重用。文獻[33]從服務內容、服務對象和服務提供者和服務方式等方面討論了信息Web服務與知識Web服務的區別。文獻[34]針對當前知識庫存在的用戶交互缺乏、共享程度差、個性化空間缺乏等問題探討了知識Web服務的實現技術。（4）知識的協作通過已有知識與新的信息或知識之間的協作能演化生成新的知識。文獻[35]認為知識協作的關鍵技術包括復雜知識的表示、知識的獲取與展現、知識合并與一致性維護、知識識別、查詢與推理等。文獻[36]對現有知識流模型進行了歸納對比，提出了一種動態知識演化流的生命周期模型。文獻[37]-[40]從知識工作流的角度研究知識整合與轉化方式，涵蓋知識工作流的建模、表達、控制及協作過程。針對知識協作過程中的關鍵問題，文獻[41]提出了一定通用性的知識融合框架層次模型，對其中數據及知識對象進行了形式化定義，并為協作過程建立了系統評估和參數校正的自適應機制。（5）基于知識的平臺及應用KIM（KnowledgeandInformationManagementPlatform）是一個以語義網為模型的知識基礎設施，包含數十萬個概念和關系的信息，實現了自動化的文檔語義標注、索引和檢索[42]。文獻[43]以知識為核心設計實現了應急救援的決策支持系統。Ge-neOntology基因本體庫是以語義模型為基礎的生物基因知識庫，能提供RDF、OWL及數據庫表等多種形式的知識[44]。文獻[45]將智能對象模型、語義網與中醫學概念相結合研究，提出了基于智能對象網絡模型的三維可視化中醫知識庫。文獻[46]提出了一種知識工程管理平臺，支持知識的編碼和個性化。文獻[47]綜述了大量知識工程研究，尤其針對傳統知識工程和計算機輔助設計知識工程的相似性和區別。

2.2地理知識工程依據研究視角的不同，不同學者和組織機構對地理知識的認識也有所不同。ESRI從地理分析角度提出地理知識是收集到的描述地球上自然和人類環境的地理信息。文獻[1]從幾何空間的角度強調地理知識是基于數學規則和圖論的。Armstrong從地圖綜合角度提出地理知識包括幾何圖形知識、語義知識、過程知識和不同學科專家知識。文獻[9]從空間服務角度定義地理知識是通過解釋地理科學領域獨特的背景、過程和結果進而得到的增值信息和知識。文獻[10]則認為地理知識是解決考古學、生態學等不同科研領域中存在地理問題的綜合地理信息。地理知識工程可理解為知識工程與地理信息科學結合的交叉學科，它可為解決復雜地理科學問題提供知識支持，并為構建智能GIS系統提供技術支撐。RobertLaurini指出傳統知識工程不能表達地理知識中的數學內涵，并提出了一個地理知識工程概念框架，通過制定一系列約束規則來統一管理地理知識，該研究重點關注地理幾何對象知識的管理。文獻[11]從空間認知角度提出了地理知識的分類。文獻[9]、[12]從知識共享角度探討了地理空間知識服務的概念、特征和實現過程。部分研究從衛星傳感和衛星影像角度研究地理知識及其屬性的獲取。文獻[51]-[53]從空間數據挖掘的角度研究地理知識的發現和提取方法。文獻[54]-采用本體論研究地理知識的表達。文獻[56]利用XML定義了地理知識的表達規范。文獻[57]從地理知識的思維、推理及使用探討了地理知識的本質。文獻[58]構建了一套系統的地理知識概念集合。文獻[59]以歐洲的全球衛星導航系統為實例研究基于社交網的經濟地理知識。文獻[60]探討了GIS科學中地理知識的不確定性。文獻[61]提出將數字地球重新定義為地理知識引擎，將語義互操作認定為核心技術。為了能方便空間信息模型知識的構建，文獻[62]設計實現了空間信息服務鏈模型知識工具GeoChaining。文獻[63]實現了一個地理模型知識的共享平臺GeoSquare。文獻[64]簡化和擴展了原有知識體（BodyofKnowledge，BoK）的層次結構，清晰描述了概念之間的關系，并提出了一個地理信息科學技術知識體（GIS&TBoK）工程的計算框架。個別學者針對支持多智能體的地理過程模擬提出了一個IVGE（InformedVirtualGeo-graphicEnvironments）模型的擴展方法。綜上所述，迄今為止，國內外地理知識工程研究有限，僅有極個別研究基于虛擬地理環境展開，整體研究仍然處于起步階段。作為新一代地理信息科學方法和技術框架，虛擬地理環境具有典型的多領域、多協同、多交互、多模型及多感知特點，亟需系統而深入地研究VGE地理知識工程的特點、機理及關鍵技術，以促進虛擬地理環境中的地理知識的快速生成和轉換，緩解地理科學領域“數據豐富但知識貧乏”現象。

3VGE地理知識及VGE知識工程

3.1概念和定義與傳統GIS空間分析相比，虛擬地理環境更注重通過多源數據整合、共享、集成與信息挖掘，借助地理分析模型與多感知表達技術，實現地理問題分析、地理規律提煉、地理現象模擬與預測等[4]。通過多用戶的分布式協同交互，VGE可實現不同領域和不同形態的專業知識的融合，從而達到地理知識的創新，這不僅改變了傳統的地理知識獲取、表達和更新方式，也促進了多學科思維的碰撞，有利于產生新的知識。VGE地理知識指借助虛擬地理環境解決特定地理科學問題、解釋某類地理現象過程或提取一定地理規律相關的抽象可重復的地理相關信息，包括專家經驗知識、干預規則、模擬過程，以及計算增值結果等?；赩GE的地理知識可直接來源于書本知識或某領域專家長期積累的經驗知識，既可以是通過VGE輔助協同獲得的多學科交叉的增值知識，也可以是模擬地球自然機理過程的推導模型知識。這些地理知識既可單個應用于某個具體自然現象的場景模擬，也可通過多種知識在VGE環境中的融合演化來解釋或回答某類地球科學問題。VGE知識工程指實現基于知識的智能虛擬地理環境系統所必須的一套支撐理論、方法和技術體系。

3.2VGE地理知識的特點虛擬地理環境可利用定量分析、數值模擬及交互協同等方法實現多專家用戶的地理問題協作建模，模擬時空分布的自然地理過程，以及對地理環境變化進行再現和預測[5,66-68]。其中，在整個虛擬地理環境的過程和場景中，地理知識以不同形式呈現和介入，以特定任務為導向，逐步融合演化并最終解釋或回答科學問題。地理知識是知識在地理信息科學領域的內涵延伸，具備通用知識的抽象性、可重復及可再生等特點。同時，VGE地理知識還具備以下典型特點：（1）機理過程相關性基于VGE地理知識的主要用途是參與地理現象、時空模式及環境變化的模擬與預測，其主要內容是圍繞自然或人文地理環境相關的機理過程，如氣候變化演變規律知識。而傳統GIS分析地理知識主要用于各種地理數據的常規分析計算，該計算相對簡單，較少推理過程，地理知識內容主要是圍繞計算結果的解釋。（2）時間跨度相關性時間相關性指VGE地理知識往往與時間范圍尺度緊密相關。例如，研究政策活動對區域土地、人文、經濟等的影響，需通過連續時間區間的相關數據參與演化過程模型知識的推導，該數據時間跨度的長短直接影響演化過程模型知識的精確性。同時，不同時間跨度區間的演化過程知識也會不一樣。（3）空間跨度相關性空間相關性指VGE地理知識往往與空間范圍尺度緊密相關。虛擬地理環境常用于研究具有一定空間范圍的生態、地理或人文現象，解決這些不同科學問題相對應的地理知識也是不同空間跨度。例如，研究全球氣候變化與研究區域氣候變化所需的地理知識的跨度明顯不同。全球變化氣候變化相關地理知識不一定適用于區域氣候變化，反之亦然。（4）多學科相關性復雜的科學問題往往需要多個領域專業知識的協同解決[61]。VGE應用研究通常是復雜的地理過程相關問題，單一學科知識往往難以解決，需要多學科專業知識融合演化以產生新的針對該類科學問題的地理知識。不同地理現象或過程的研究需各種不同學科知識的參與和融合。（5）抽象層次相關性抽象層次相關性指VGE地理知識會伴隨知識抽象程度的不同而適應不同類型范圍的地理科學問題。抽象程度較高的地理知識通用性更好，能在多種地理場景間進行知識遷移。抽象程度較低的地理知識通用性較差，能解決的地理科學問題類型和領域有限。（6）多因素相關性多因素相關性指VGE地理知識通常涉及多種約束條件。地理現象、生態過程、自然人文相關地理科學問題的復雜性決定了VGE地理知識的復雜性，除了時空約束條件，解決特定地理科學問題往往需其他上下文約束，例如，歷史背景、經濟指數、地理情景、語義情景等。在同一時空上下文約束下，同一問題相關的VGE地理知識會伴隨因素條件的不同而不同。（7）不確定性VGE地理知識的不確定性包括模糊性、不可預知性和不明確性。這種不確定性決定于地理知識的內在不穩定本質，以及問題機理過程的復雜性和因素多變性。

3.3VGE地理知識的分類VGE地理知識有如下2種分類方式。（1）依據存在形式分類根據地理知識的存在形式可分為顯性地理知識和隱形地理知識。顯性VGE地理知識指可采用書面文字、圖表、數學公式、結構化文檔、算法程序等載體加以表達和描述的客觀地理知識，如自然語言描述的氣候變化規律、地理演化過程推導公式等。顯性VGE地理知識是利用符號系統加以完整表述的知識，易于保存和在不同用戶之間傳播和共享。隱性VGE地理知識指尚未被表述的地理知識，即未實現地理知識的形式化。隱形VGE地理知識是專業領域研究人員通過學習和實踐過程產生并擁有的主觀地理知識，往往參與指導專業相關研究的進行，但隱形知識難以表達、傳播及共享，主要指經驗知識。同一專業領域不同研究人員擁有不同的隱形地理知識，可能相類似或不一致，以主觀認知為載體。通過虛擬地理環境的多維感知和協同交互等方式，內在隱形地理知識也可結合顯性地理知識轉化和生成能夠解決特定地理科學問題的新的知識成果。（2）依據演化階段分類虛擬地理環境中地理知識會按照一定的演化過程進行知識的融合創新過程。根據地理知識所在的演化過程階段的不同，VGE地理知識可分為陳述型、推導型和結論型。陳述型VGE地理知識：地理知識以客觀事實、聲明或規則等形式直接參與地學問題的計算過程，主要包括輸入知識、專家經驗、干預規則等。推導型VGE地理知識：地理知識演化推導的主要過程知識，該類知識可通過陳述型地理知識的融入而實現知識的更新，主要包括面向特定地球科學問題的計算過程模型，如氣候變化模擬模型、土地利用變化模型等。該類知識一旦形成，其穩定性和重用性較好，是驅動VGE地理知識創新的主導力量。結論型VGE地理知識：地理知識經過演化推導過程后的最終結論，用于解釋具體地理現象、回答特定地球科學問題或指導行為決策，如碳排放量對全球氣候變暖的影響閾值，降雨量與某城市下水管道設計之間的定性或定量關系等。在面向不同任務的知識演化過程中，VGE地理知識所處階段可能不相同。其中，陳述型知識和結論性知識通常可互換位置，但推導型地理知識因其知識創新的主導驅動本質而相對穩定。

4VGE地理知識工程的關鍵問題

VGE地理知識工程應為實現基于知識的智能虛擬地理環境系統提供必須的支撐理論、方法和技術體系。本文認為構建VGE地理知識工程需重點研究解決以下關鍵問題：（1）VGE知識的表達與建模虛擬地理環境對VGE知識表達的研究不再只是單純的地理知識在計算機中的存儲和表示問題，而是更加關注如何依據問題需求快速正確地檢索、匹配、獲取和使用地理知識。VGE知識的表達需了解表達語言及規范問題。VGE地理知識的建模需面向特定地理科學問題關注其中地理情景、時空情景、用戶背景及多領域知識的表達與協同等。通過面向特定地理問題場景建立的VGE地理知識概念模型可用來解決一類特定上下文情景的地理科學問題。同時，VGE地理知識內在的復雜性本質決定了建模知識的難度，還需輔助知識建模的工具或平臺，降低知識構造的復雜度。另外，如何表達和使用非形式化的專家知識（即對隱性VGE知識的建模）是當前知識建模研究的挑戰問題。（2）VGE知識庫的構建和管理通過構建VGE地理知識庫，可實現地理知識的快速檢索、獲取、組織、整合、推理和共享等。VGE地理知識庫的構建需首要設計元知識模式，元知識是描述VGE地理知識的元信息，元知識模式的設計直接影響地理知識庫的存儲、檢索、推理和組織。VGE地理知識通常涉及多學科領域，如何采用統一的元知識模式描述不同學科領域相關知識是后續知識檢索及推理研究的基礎。虛擬地理環境中的推導型過程模型知識往往是多源、多尺度、異構知識的整合協同，如何統一描述、存儲和管理是難點，需研究面向地理分析與模擬過程的通用VGE地理知識模型。VGE地理知識的檢索是在構建元知識及本體關系網絡的基礎上，通過語法、語義、語境的匹配，實現面向地理過程問題求解的智能化查詢方式。該檢索需涉及本體庫建立、語義自動提取和標注、語義匹配、語義推理等。VGE知識庫是實現智能化虛擬地理環境系統的核心，知識庫的建立和管理直接影響了虛擬地理環境的智能化程度。（3）VGE知識的可視化方法體系不同專業領域、不同時空跨度、不同地理情景、不同抽象層次的VGE地理知識需采用不同的可視化表達方式，如全球氣候變化模式的模擬需要長達百年的氣候數據基于時空維度的三維動態可視化，而洪水災難預警決策支持則需超過報警閾值點的地理位置分布專題圖。同時，不同知識背景和認知習慣的用戶群體，所需的VGE地理知識、詳細程度和優先順序也不相同，即專家用戶、普通用戶和決策者對待同一地理現象問題的需求關注不相同。需針對VGE地理知識建立符合不同知識需求解決不同類型問題的知識可視化表達技術體系。另外，VGE地理知識的多因素相關性也對虛擬地理環境的可視化提出了需求，如何實現知識的多維可視化是虛擬地理環境可視化方法的挑戰。（4）VGE知識的協同機制虛擬地理環境的問題求解過程通常是多學科專業知識融合、演化及協同的過程。不同地理現象或過程的研究需各種不同學科知識的參與和融合。不同領域專家的隱形地理知識和客觀存在的顯性地理知識都會加入虛擬地理環境的問題求解過程。如何讓不同來源、不同形式、不同專業、不同類型的VGE地理知識協調有序地融合創新是提高地理知識重用性的關鍵。同時，虛擬地理環境技術在地理模型的異構性和專業性、數據模型的領域局限性和不兼容性、設備依賴性和分布式實時交互性等方面的問題也會直接影響VGE地理知識的協同。VGE地理知識的協同機制研究是智能化虛擬地理環境平臺的主要支撐技術。

5結論

作為新一代GIS框架方法，虛擬地理環境實現了地理過程和環境的多維動態模擬分析與表達，改變了傳統的地理科學知識的表達與獲取方式。利用虛擬地理環境實現地理知識快速獲取和融合是緩解當前“數據豐富但知識貧乏”現象的可行方法之一。目前，地理知識工程的相關研究仍處于初步認識階段，理論和實踐還不夠系統和清晰，且絕大多數重點關注傳統GIS處理和分析領域。然而，虛擬地理環境與傳統GIS有顯著的區別，其更強調地理過程機理模型的支撐和多感知多交互的虛擬環境表達，這使得VGE的地理知識有自身的特點。目前尚無針對虛擬地理環境中地理知識展開相關研究。本文綜述了國內外現有知識工程及地理知識工程研究現狀，并提出基于VGE的地理知識概念，認為基于VGE的地理知識工程是構建基于知識的智能虛擬地理環境系統所需的一套支撐理論、方法和技術體系。VGE地理知識除具備通用知識的抽象性、可重復及可再生等特點外，還具備機理過程相關性、時間跨度相關性、空間跨度相關性、多學科相關性、抽象層次相關性、多因素相關性及不確定性等典型特點。針對未來VGE知識工程的研究和建立，本文探討和闡述了4個亟需解決的關鍵問題，包括VGE知識的表達與建模、VGE知識庫的構建和管理、VGE知識的可視化方法體系及知識協同機制。

作者：林琿 游蘭 單位：香港中文大學太空與地球信息科學研究所 湖北大學計算機與信息工程學院 香港中文大學地理與資源管理學系 香港中文大學深圳研究院