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《西南交通大学》 2007年
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“数字城市”中的空间本体数据库研究

杨骏  
【摘要】: “数字城市”建设是我国高科技发展的重点之一,它既是加快城市现代化的内在要求,也是增强城市综合竞争力的有力工具。建设“数字城市”的实质是建立以地理空间信息为核心的城市信息服务与共享体系,通过整合海量城市信息资源形成统一标准的公共基础数据库,并通过一体化的数据管理、数据发布平台实现数据共享和信息服务。 然而,“数字城市”建设中的同语异质(Homonyms)问题,即不同领域对同一地理现象的不同地理认知(Cognition of Geographic)问题,使得不同部门在应用城市地理信息系统(Urban GIS)时各取所需,采用不同的空间数据格式、不同的数据建模方法,形成了所谓“信息孤岛”,即西方文献中的“巴别塔(Babel Tower)”现象。 “信息孤岛”导致了“数字城市”建设面临两大挑战:一方面,高质量的城市地理信息系统建设要求更加专业化的知识,以适应不同行业领域的专业要求;另一方面,空间数据的共享和互操作又要求地理信息系统更加“大众化”。这一矛盾随着地理信息科学的发展,特别是社会经济可持续发展要求多学科多部门协作而越来越突出。而地理本体论的引入为解决这一问题提供了新的思路。 本论文从基础理论层面到实际应用层面较为深入地探索了运用地理本体论基本思想构建满足“数字城市”建设需求的实际解决方案,提出了一个空间本体数据库模型及其实现机制。该模型的核心思想是通过多层本体共享机制实现多源异构城市信息间的语义协调和数据关联。 本文的研究内容及相关结论如下: 第一,论文从本体论(Ontology)体现物质自身的方法逻辑和架构这一特性着手,探讨了本体论的哲学涵义、历史沿革、形式说明、类型和作用;然后详细研究了地理本体这一领域本体的特征、含义以及发展,指出了地理本体论的本质是研究地理信息的概念模型、表达、提取、分析与互操作;是当前地理信息科学中新出现的一个基础和热点问题。 第二,论文从认知科学的基本概念入手,探讨了人类地理认知的概念、范围、过程和地理空间认知中的本体层次,从“数字城市”的自然地理对象(Bona fide objects)与法律地理对象(fiat objects)相互关系的角度研究了城市地理信息分类。在此基础上,提出了“数字城市”中基于启发式地理认知的地理本体构建模式,同时遵循此模式设计了启发式空间本体数据库的构建过程,并给出了相应的数据库设计实例。 第三,获取“数字城市”中某个领域内信息共同体(community)的一致意见及知识的共享和重用是建立地理本体的根本目的和要求,也是论文研究的重点。论文从讨论:本体的构造准则开始,提出了一个“数字城市”多层本体共享机制模型,该模型建筑于组份拓扑学(Mereotopology)和定位理论(location theory)两大数学工具之上,本质上是多源异构城市信息间不同语义的协调机制,其核心思想是:将同一领域内,在同一时间位于同一空间(定位理论的“恰好位于”原理)的地理实体按其与本领域的不同关系(不同的Mereotopology),划分为不同的层次,各本体层之间通过一定规则演绎机制检索不同“信息孤岛”中数据(知识)以实现海量城市信息的共享和重用。论文同时研究了该模型与传统n-交理论以及对象-关系数据库模型的关系问题。 第四,传统关系型数据库是当前建设地理信息系统使用的主流技术,如何将本文提出的空间数据库模型映射到关系型数据库之中是本文研究的重点,也是将地理本体理论模型工程化的实际需要。与传统采用类XML语言表达地理本体的模式不同,本论文以实际的系统开发为例,研究了针对时空数据的半结构化特征,充分利用传统关系型DBMS完善的管理功能,采用非第一范式时空嵌套关系数据库实现对半结构时空数据的综合管理。在此基础上,通过地图积分的自适应函数式地图表达技术构建多层本体共享机制。 第五,论文以某地级城市基础地理信息系统建设为例,探讨了本文提出的空间数据库模型在工程实践中的运用问题。论文从系统需求分析入手,设计了系统基本架构,重点研究了系统元数据库建设和多源异构数据入库问题,然后以城市旅游信息系统为例,研究了运用时空嵌套关系数据库和地图积分技术,通过空间本体数据库,实现“数字城市”中不同领域的信息共享和重用。验证了本文提出的空间本体数据库模型的有效性和实用性。 本论文的研究为本体论在“数字城市”中的应用研究探索了一条新的途径,为解决地理本体理论和应用之间的巨大鸿沟做了有益的尝试。论文的主要创新点如下: Ⅰ.本文研究了“数字城市”建设中由于地理认知不同而造成的“信息孤岛”问题,在城市地理环境“自然地理对象”与“法律地理对象”分类的基础上,提出了“数字城市”中基于启发式地理认知的地理本体构建模式,并遵循此模式设计了启发式空间本体数据库的构建过程。 Ⅱ.本文研究了“数字城市”建设中海量异构城市信息共享和重用这一核心问题,提出了一个基于组份拓扑学(Mereotopology)与定位理论的空间本体数据库模型,该模型的本质是构建“数字城市”多层本体共享机制,用以协调多源异构城市信息间的信息语义,实现海量异构城市信息的共享和重用。 Ⅲ.本文研究了该空间本体数据库模型的工程应用问题,创造性地运用非第一范式时空嵌套关系数据库和地图积分技术构建基于该模型的空间本体数据库,实现多源异构城市信息语义的协调和数据关联,并将之应用于“数字城市”建设的实际工程。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P208

【引证文献】
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【同被引文献】
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