空间知识地图构建理论和方法研究
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摘要
21世纪是知识经济时代。随着数据获取技术、计算机技术和互联网技术的迅猛发展，基于网络地图资源和地图服务，人们几乎可以获取其所关注事件的海量、近实时的具有时空属性的相关信息。大众化、知识化、智能化成为地图学新的发展趋势。随着移动互联时代的到来和地图在其它领域的广泛应用，人们逐渐发现在地理信息的汪洋中竟然很难得到对于其解决问题至关重要的地理知识。地图制作正从“数据获取”向“信息深加工处理”漂移，地图应用从“信息价值”向“服务价值”转变。服务的最佳体现就是知识。目前，制图学、地理信息科学和知识可视化领域的最新技术为地理知识的获取和表达提供了可能。因此，地图制图人员试图利用自身专业知识和技能，通过地理思维、地理心像、地理推理以及空间数据挖掘和空间分析等功能，对现有信息资源进行“深加工”，为不同领域人员的地学决策问题提供空间知识支撑。在此背景下，本文从地图学的角度出发，借鉴相关领域的最新研究成果，提出了空间知识地图的基本概念，并对其构建理论和方法进行了研究。与传统地图和GIS相比，空间知识地图更加强调知识的获取、表示和可视化表达。为验证空间知识地图构建理论和方法，本文以城市旅游为例，基于Geodatabase数据库和ArcEngine10.0设计了城市旅游知识地图的一系列模型并制作了部分实验样图。论文主要工作包括以下五个方面：
1.研究了空间知识地图的研究背景、研究意义和应用前景，提出了空间知识地图的基本概念及概念模型。提出空间知识地图有广义和狭义之分，狭义空间知识地图是本文的研究重点，是将空间信息、空间数据、空间知识及其相互关联关系基于一定的数学基础反映在地图上，是空间知识的地图形式化表达。其核心问题是知识的空间化和知识的可视化。
2.研究了空间知识地图的研究对象、数学模型、理论基础和支撑技术，形成了空间知识地图的研究框架。用数学语言建立了空间知识地图的数学模型，提出空间知识地图的研究对象包括物理地理空间和客观知识空间；以语义为核心，从地理空间信息对象、地理空间信息产品、地理空间信息服务方式三个维度，分析了地图、GIS、知识地图之间的区别与联系，认为从地图到GIS再到空间知识地图呈现出向语义聚拢的趋势；在此基础上，认为空间认知理论、知识管理理论、地理本体理论、知识可视化表达理论为空间知识地图研究提供了理论基础，地理本体技术、知识获取技术、知识表示技术和知识可视化技术为空间知识地图构建提供了技术支撑；提出空间数据模建、空间知识表示、知识地图可视化表达等三个问题是空间知识地图构建过程中迫切解决的问题。
3.建立了空间知识地图的认知模型和数据模型。面向制图表达需要的基于专题地理分层思想的传统地图数据模型，不便于地理数据的分析和地理知识的获取。从地理空间和空间的基本概念入手，提出空间知识地图的认知模型；在此基础上，提出空间知识地图建模包括数据建模和知识建模两部分内容，数据建模解决了测度地理实体的地理空间数据如何在计算机存储和管理的问题，知识建模则解决反映地理实体本质特征和内在规律性的空间知识的形式化描述问题；为便于分析和获取空间数据蕴含的潜在的丰富的空间知识，以区域理论、认知范畴理论、制图抽象原则和集合理论为基础，设计了本体驱动的基于特征和事件的时空数据模型，建立了其概念模型、逻辑模型和物理模型。
4.系统研究了空间知识的来源、空间知识的获取方法和空间知识的框架，面向可视化表达形成了空间知识地图的知识体系，设计了基于本体的知识表示模型和空间知识地图知识库组织结构。在研究总结现有空间知识来源、知识获取技术和可获取的知识类型的基础上，形成了面向可视化表达的空间知识地图知识体系；基于本体技术，探讨了构建空间知识地图知识库的原则、步骤以及迫切解决的问题；采用软件系统的逆向工程思想，提出了从知识本体到数据库存储的七条映射规则，设计了空间知识地图知识库组织结构。
5.研究了空间知识地图可视化表达的主要类型和方法，设计了空间知识地图可视化表达模型，提出空间结构知识地图、语义结构知识地图和趋势演变知识地图是空间知识地图的三种基本类型。空间知识地图不仅仅是一种固化的地图产品，还可能是用户思考过程中的活跃设备或者仅为视觉思维服务的中间产品。空间知识地图可视化表达可分为基于地图形式化的事实知识表达和基于知识可视化的概念知识表达；事实知识的地图形式化表达包括点状要素、线状要素、面状要素三类基于地图的可视化表达方法，概念知识的知识可视化表达包括概念构成及其关系的表达、示意性地图表达和地理逻辑拓扑图表达三种形式；在此基础上，形成了空间知识地图的表达模型和基本类型。
The21st century is the Knowledge Economy Century. With the rapid development of dataacquisition technology, computer technology and Internet technology, people can almost get thevolumes of the real-time spatial and temporal information which are relevant with the incidentshe is being concerned about through the resources and services of the web map. The newdevelopment trends of the cartography have become popular, knowledge, intelligent. Along withthe arrival of the Mobile Internet Era and the comprehensive use of the map in other areas,people gradually find that it’s very difficult to obtain the geospatial knowledge in the ocean ofthe geospatial information, although the knowledge could help us to resolve issues. So thefocusof the map-making drifts from―the data acquisition‖to―the information processing deeply‖, andthe map application changes from―the information value‖toward―the service value‖. The bestreflection of service is the knowledge. Nowadays, the newest technologies from cartography,geoinformatic and knowledge visualization provide the possiblities of the geospatial knowledgeacquisition and representation. Therefore, the cartographers try to take advantage of their ownprofessional knowledge and skills such as geographical thinking, geographical imagines,geographical reasoning, spatial data mining, and spatial analysis and so on, in order to deeplyprocess the existing information resources and strive to seek the new breakthrough and thegrowing point of the geographic information services from the knowledge level. Its final goal isto provide geospatial knowledge service for different personnel who are facing with kinds of thegeographical decision problems. In this context, by referencing the latest research results in therelated fields, this paper suggests the basic concepts of the geospatial knowledge map and itstheoretical framework and technology system from the point of view of cartography. Bycomparing with the traditional map and GIS, The geospatial knowledge map emphasizes thegeospatial knowledge acquisition, representation and visual expression. In order to examine theabove theories and models, it designs a series of models of the city tourism knowledge map andproduces some experimental maps based on the geodatabase and ArcEngine10.0. The maincontributions are as follows:
1The dissertation studies the research background，the research significance and theapplication prospect of the geospatial knowledge map, presents its foundation concept andconcept model. It proposes that there are broad geospatial knowledge map and narrow geospatialknowledge map. The latter is the focus of this dissertation. It’s the map formal expression ofgeospatial knowledge. In Fact, It reflects geospatial data, information, knowledge and theirrelated relationships based on some mathematics foundation. Its key factors are geospatial knowledge spatialization and visualization.
2The dissertation studies the research object, the mathematical model, the basic theoriesand the support technologies of the geospatial knowledge map, forms its research framework. Itillustrates the mathematical model in the math language. Its research object includes the physicalgeographic space and the objective knowledge space. Then it analysises the common anddiffrences among map, GIS and geospatial knowledge map from the three dismensions ofgeosoatial information objects,geospatial information products and geospatial informationservice around semantic, and suggests there is the trend of gathering toward semantics. On thisbasis, it provide its foundation theories such as spatial cognition, knowledge management theory,geographic ontology and knowledge visualization, and the support technologies of geographicontology technology, knowledge acquisition, knowledge representation and knowledgevisualization.Then it presents the key problems in constructing the geospatial knowledge map,which are data modelling, knowledge representation and knowledge visualisation.
3The dissertation constructives the cognitive model and the data model of the geospatialknowledge map. The traditional map data model which is built up for map making and bases onthe thematic geography layer thought, is not convenient for analysising geospatial data andobtaining geospatial knowledge. Starting from the basic concepts of geospace and space, itproposes the cognitive model of the geospatial knowledge map. On this basis, It presents that thegeospatial knowledge map modeling includs data modeling and knowledge modeling: the datamodeling provides a solution to geospatial data storage and management in the computer whichmeasures geographical entities, the knowledge modeling solves the formal description of thegeospatial knowledge which reflects the essential characteristics and inherent regularities ongeographical entities;To obtain and access the potential geospatial knowledge contained ingeospatial data, It designs the ontology-driven spatio-temporal data model based on the Featureon the foundation of the regional theory, the cognitive category theory, the map generalizationprinciples and set theory; Then it establishes its conceptual model, logical model and physicalmodels.
4It summaries and stuies the source, the acquisition methods and the system of thegeospatial knowledge, forms the knowledge systems in the geospatial knowledge map, anddesigns the ontology-based geospatial knowledge representation model and the organizationalstructure of the knowledge base. Through concluding the existing source,the acquisitiontechnologyies and the types of the geospatial knowledge, it suggests its knowledge system facingthe map visual expression;Then it illustrates the principles, procedures, and the urgentproblems in constructing the knowledge base based on ontology technology; At last, it providesseven mapping rules from knowledge ontology to database storage in the reverse engineering thought from software system, and designs the knowledge base organizational structure.
5It works over the main types and methods on the geospatial knowledge map visualization,designs its visual expression model and provides there are three kinds of the geospatialknowledge map such as geospatial structure knowledge map, semantic structure knowledge mapand evolution trends knowledge map. Geospatial knowledge map is more than just a settled mapproducts, bu also is an active device in the user's thought processing or only is a visualintermediate products on thinking. The visual expression types of the geospatial knowledge mapcan be divided into map-based formal expression of the fact knowledge and knowledge visualexpression of conceptual knowledge.The map formal expression methods of the fact knowledgeinclude point-like elements, linear elements and area-like elements visual expression based onmap. And the conceptual knowledge visualization types include the knowledge expression of theconcept composition and their relationships, the knowledge expression in a schematic map formand the knowledge expression in the geographical schematics map form. On this basis, it findsthe visual representation model and the basic types of the geospatial knowledge map.
1.研究了空间知识地图的研究背景、研究意义和应用前景，提出了空间知识地图的基本概念及概念模型。提出空间知识地图有广义和狭义之分，狭义空间知识地图是本文的研究重点，是将空间信息、空间数据、空间知识及其相互关联关系基于一定的数学基础反映在地图上，是空间知识的地图形式化表达。其核心问题是知识的空间化和知识的可视化。
2.研究了空间知识地图的研究对象、数学模型、理论基础和支撑技术，形成了空间知识地图的研究框架。用数学语言建立了空间知识地图的数学模型，提出空间知识地图的研究对象包括物理地理空间和客观知识空间；以语义为核心，从地理空间信息对象、地理空间信息产品、地理空间信息服务方式三个维度，分析了地图、GIS、知识地图之间的区别与联系，认为从地图到GIS再到空间知识地图呈现出向语义聚拢的趋势；在此基础上，认为空间认知理论、知识管理理论、地理本体理论、知识可视化表达理论为空间知识地图研究提供了理论基础，地理本体技术、知识获取技术、知识表示技术和知识可视化技术为空间知识地图构建提供了技术支撑；提出空间数据模建、空间知识表示、知识地图可视化表达等三个问题是空间知识地图构建过程中迫切解决的问题。
3.建立了空间知识地图的认知模型和数据模型。面向制图表达需要的基于专题地理分层思想的传统地图数据模型，不便于地理数据的分析和地理知识的获取。从地理空间和空间的基本概念入手，提出空间知识地图的认知模型；在此基础上，提出空间知识地图建模包括数据建模和知识建模两部分内容，数据建模解决了测度地理实体的地理空间数据如何在计算机存储和管理的问题，知识建模则解决反映地理实体本质特征和内在规律性的空间知识的形式化描述问题；为便于分析和获取空间数据蕴含的潜在的丰富的空间知识，以区域理论、认知范畴理论、制图抽象原则和集合理论为基础，设计了本体驱动的基于特征和事件的时空数据模型，建立了其概念模型、逻辑模型和物理模型。
4.系统研究了空间知识的来源、空间知识的获取方法和空间知识的框架，面向可视化表达形成了空间知识地图的知识体系，设计了基于本体的知识表示模型和空间知识地图知识库组织结构。在研究总结现有空间知识来源、知识获取技术和可获取的知识类型的基础上，形成了面向可视化表达的空间知识地图知识体系；基于本体技术，探讨了构建空间知识地图知识库的原则、步骤以及迫切解决的问题；采用软件系统的逆向工程思想，提出了从知识本体到数据库存储的七条映射规则，设计了空间知识地图知识库组织结构。
5.研究了空间知识地图可视化表达的主要类型和方法，设计了空间知识地图可视化表达模型，提出空间结构知识地图、语义结构知识地图和趋势演变知识地图是空间知识地图的三种基本类型。空间知识地图不仅仅是一种固化的地图产品，还可能是用户思考过程中的活跃设备或者仅为视觉思维服务的中间产品。空间知识地图可视化表达可分为基于地图形式化的事实知识表达和基于知识可视化的概念知识表达；事实知识的地图形式化表达包括点状要素、线状要素、面状要素三类基于地图的可视化表达方法，概念知识的知识可视化表达包括概念构成及其关系的表达、示意性地图表达和地理逻辑拓扑图表达三种形式；在此基础上，形成了空间知识地图的表达模型和基本类型。
The21st century is the Knowledge Economy Century. With the rapid development of dataacquisition technology, computer technology and Internet technology, people can almost get thevolumes of the real-time spatial and temporal information which are relevant with the incidentshe is being concerned about through the resources and services of the web map. The newdevelopment trends of the cartography have become popular, knowledge, intelligent. Along withthe arrival of the Mobile Internet Era and the comprehensive use of the map in other areas,people gradually find that it’s very difficult to obtain the geospatial knowledge in the ocean ofthe geospatial information, although the knowledge could help us to resolve issues. So thefocusof the map-making drifts from―the data acquisition‖to―the information processing deeply‖, andthe map application changes from―the information value‖toward―the service value‖. The bestreflection of service is the knowledge. Nowadays, the newest technologies from cartography,geoinformatic and knowledge visualization provide the possiblities of the geospatial knowledgeacquisition and representation. Therefore, the cartographers try to take advantage of their ownprofessional knowledge and skills such as geographical thinking, geographical imagines,geographical reasoning, spatial data mining, and spatial analysis and so on, in order to deeplyprocess the existing information resources and strive to seek the new breakthrough and thegrowing point of the geographic information services from the knowledge level. Its final goal isto provide geospatial knowledge service for different personnel who are facing with kinds of thegeographical decision problems. In this context, by referencing the latest research results in therelated fields, this paper suggests the basic concepts of the geospatial knowledge map and itstheoretical framework and technology system from the point of view of cartography. Bycomparing with the traditional map and GIS, The geospatial knowledge map emphasizes thegeospatial knowledge acquisition, representation and visual expression. In order to examine theabove theories and models, it designs a series of models of the city tourism knowledge map andproduces some experimental maps based on the geodatabase and ArcEngine10.0. The maincontributions are as follows:
1The dissertation studies the research background，the research significance and theapplication prospect of the geospatial knowledge map, presents its foundation concept andconcept model. It proposes that there are broad geospatial knowledge map and narrow geospatialknowledge map. The latter is the focus of this dissertation. It’s the map formal expression ofgeospatial knowledge. In Fact, It reflects geospatial data, information, knowledge and theirrelated relationships based on some mathematics foundation. Its key factors are geospatial knowledge spatialization and visualization.
2The dissertation studies the research object, the mathematical model, the basic theoriesand the support technologies of the geospatial knowledge map, forms its research framework. Itillustrates the mathematical model in the math language. Its research object includes the physicalgeographic space and the objective knowledge space. Then it analysises the common anddiffrences among map, GIS and geospatial knowledge map from the three dismensions ofgeosoatial information objects,geospatial information products and geospatial informationservice around semantic, and suggests there is the trend of gathering toward semantics. On thisbasis, it provide its foundation theories such as spatial cognition, knowledge management theory,geographic ontology and knowledge visualization, and the support technologies of geographicontology technology, knowledge acquisition, knowledge representation and knowledgevisualization.Then it presents the key problems in constructing the geospatial knowledge map,which are data modelling, knowledge representation and knowledge visualisation.
3The dissertation constructives the cognitive model and the data model of the geospatialknowledge map. The traditional map data model which is built up for map making and bases onthe thematic geography layer thought, is not convenient for analysising geospatial data andobtaining geospatial knowledge. Starting from the basic concepts of geospace and space, itproposes the cognitive model of the geospatial knowledge map. On this basis, It presents that thegeospatial knowledge map modeling includs data modeling and knowledge modeling: the datamodeling provides a solution to geospatial data storage and management in the computer whichmeasures geographical entities, the knowledge modeling solves the formal description of thegeospatial knowledge which reflects the essential characteristics and inherent regularities ongeographical entities;To obtain and access the potential geospatial knowledge contained ingeospatial data, It designs the ontology-driven spatio-temporal data model based on the Featureon the foundation of the regional theory, the cognitive category theory, the map generalizationprinciples and set theory; Then it establishes its conceptual model, logical model and physicalmodels.
4It summaries and stuies the source, the acquisition methods and the system of thegeospatial knowledge, forms the knowledge systems in the geospatial knowledge map, anddesigns the ontology-based geospatial knowledge representation model and the organizationalstructure of the knowledge base. Through concluding the existing source,the acquisitiontechnologyies and the types of the geospatial knowledge, it suggests its knowledge system facingthe map visual expression;Then it illustrates the principles, procedures, and the urgentproblems in constructing the knowledge base based on ontology technology; At last, it providesseven mapping rules from knowledge ontology to database storage in the reverse engineering thought from software system, and designs the knowledge base organizational structure.
5It works over the main types and methods on the geospatial knowledge map visualization,designs its visual expression model and provides there are three kinds of the geospatialknowledge map such as geospatial structure knowledge map, semantic structure knowledge mapand evolution trends knowledge map. Geospatial knowledge map is more than just a settled mapproducts, bu also is an active device in the user's thought processing or only is a visualintermediate products on thinking. The visual expression types of the geospatial knowledge mapcan be divided into map-based formal expression of the fact knowledge and knowledge visualexpression of conceptual knowledge.The map formal expression methods of the fact knowledgeinclude point-like elements, linear elements and area-like elements visual expression based onmap. And the conceptual knowledge visualization types include the knowledge expression of theconcept composition and their relationships, the knowledge expression in a schematic map formand the knowledge expression in the geographical schematics map form. On this basis, it findsthe visual representation model and the basic types of the geospatial knowledge map.
引文
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