基于AtomSpace的土地利用地理實體知識表達與管理

李 怡

(江西理工大學土木與測繪工程學院,342300,江西,贛州)

0 引言

全球經濟發展和人口增長導致土地資源供需矛盾加劇,高效地管理和利用土地資源成為全球難題。土地利用管理涉及的領域廣泛,需要全面了解和分析土地資源的利用情況,以支持決策和規劃,如城市規劃、環境保護等[1]。隨著信息技術的不斷發展,如何運用新技術來提高土地利用地理實體知識管理的效率和精度,也成為了學術界普遍關注的焦點[2-3]。傳統的土地利用數據通常以靜態表格或數據庫的形式存儲[4-5],這種方式雖可滿足一些簡單的查詢需求,但無法滿足對土地利用情況的深度分析和挖掘。因此,建立基于知識圖譜的土地利用地理實體知識表達和管理系統具有重要的意義。

國內外研究者致力于尋找高效精準的土地利用地理實體知識管理方法。例如,張鵬等[6]提出了基于多智能體系統和地理信息技術的土地利用規劃方法優化土地利用布局。清華大學研究人員[7]融合土地利用、人口、經濟等數據,利用大數據分析技術實現了土地利用的綜合評估和預測。Liu等[8]提出了一種基于空間智能的土地利用規劃方法,通過遺傳算法優化土地利用布局,綜合考慮了空間和屬性信息。Smith等[9]開發了一個基于Web和GIS技術的土地利用信息系統,用于土地利用規劃和管理。國際遙感與空間信息學會[10]提出了基于知識圖譜的土地利用監測方法,融合空間數據和社會經濟數據,實現土地利用情況的實時監測和預測。本文的研究目的是探究基于AtomSpace的土地利用地理實體知識表達與管理方法,以提高土地利用管理的效率和精度。

1 相關技術和概念介紹

AtomSpace是一種開源的知識表示技術,使用超圖數據結構表示知識的實體和關系。它支持知識的表示、查詢和推理,可存儲和管理任何形式的知識,同時也是一個查詢引擎和規則驅動的推理引擎。AtomSpace圖數據庫提供了14類140種的原子類型及相關操作,用于描述各種復雜信息及其關系。其中,LINK表示事實或關系,NODE代表實體、概念或屬性,META代表抽象的概念和關系。其原子類型分類見表1。

表1 原子類型分類

2 土地利用地理實體知識表達與管理數據模型研究

本文在AtomSpace中設計超圖模型,用于管理和查詢不同行業部門的土地利用知識圖譜。土地利用類型用節點表示,類型之間的關系用邊表示,節點和邊包含土地利用屬性信息。同時,通過多重分類、多粒度劃分和實體時間變化等方法,結合案例驗證,更好地描述和管理地理實體的復雜性和多樣性。

2.1 概念模型

概念模型的核心步驟包括:1)定義地理實體和屬性;2)建立實體關系;3)設計知識表達模型;4)數據查詢和分析。

2.1.1 土地利用地理實體多重分類 本文探討了土地利用地理實體多重分類方法,從農業、建筑業、旅游業和商業服務業四個行業出發,如圖1所示。

圖1 不同行業對土地利用的分類

在圖1中,部分一級地理特征和次一級地理特征在不同行業中存在交叉。例如,農業建設用地可以根據其用途分為農業和建筑業兩個行業部門等,如圖2所示。在次一級地理特征中交叉關系,如圖3所示,分別以娛樂康體用地、景區、草地、農業建設用地和交通運輸用地作為超邊,各個地理特征作為節點,更加形象地表達出了不同行業部門對土地利用地理實體劃分存在的交叉和關聯關系。

圖2 一級地理特征關系圖系

圖3 次一級地理特征關系

以上存在交叉的次一級地理特征可以描述為無向超圖,如圖4所示。無向超圖是由節點和超邊構成的一種圖形結構。與傳統的有向圖和無向圖不同,它的邊可以連接多個節點,且邊本身不具有方向性。一個無向超圖可以表示為一個三元組G=(V,E,f),其中V是節點的集合,E是超邊的集合,而f是一個將每個超邊映射到超邊覆蓋V的子集的函數。無向超圖可以用來表示地理特征的多重聯系和復雜關系,例如土地利用中不同地塊之間的空間鄰近性、土地用途之間的約束關系、土地利用和環境因素之間的影響關系等?？梢詫⑦@些地理特征以及它們之間的關系進行形式化表示,以便更好地進行分析、建模和決策。

2.1.2 土地利用地理實體多粒度劃分 多粒度土地利用的超圖,包含多個粒度和分類的節點,每個節點代表一個地理區域,而每個節點的不同粒度表示了對該區域的不同程度的細化。如圖5所示,左邊為四個行業的一級地理特征分類,右邊為次一級地理特征分類。該設計使得超圖中的節點既可作為上一級超圖的屬性節點,也可作為次一級超圖中的超邊,從而使土地利用的粒度劃分更加精細。

圖5 多粒度分類超圖

2.2 邏輯模型

2.2.1 土地利用地理實體知識表達方法 AtomSpace的表示方式是面向對象的,因此使用Atom來表示知識的不同維度。Atom是AtomSpace中的最小知識單元,具有自己的類型、屬性和關系等。通過AtomSpace,可以將地理實體知識組織成一個有結構的圖形,并使用Atom、Link和TruthValue等概念表示不同維度的知識,從而將知識整合在一起,通過圖形的形式進行分析和查詢。主要步驟為:1)定義超圖節點及屬性;2)定義邊及屬性;3)添加關系到超圖。

2.2.2 土地利用地理實體節點的表示 使用AtomSpace中原子節點來表示農業部門不同類型的地理實體。對于土地利用劃分行業節點的定義為(以農業為例):(define industry_concept(ConceptNode“農業”))。對于土地利用類別節點的定義為(以耕地類別為例):(define category_concept(ConceptNode“耕地”))。通過連接這些節點,這些節點之間的關系和屬性有益于更好地理解和分析不同領域的土地利用。

2.2.3 土地利用地理實體屬性和值的表示 本文中土地利用地理實體包括面狀和線狀兩種節點屬性,面狀屬性包括實體名稱、面積、經緯度和劃分時間,線狀屬性包括實體名稱、長度、經緯度和劃分時間。這些地理實體的屬性和值使用AtomSpace中的鏈接節點來表示,對于土地利用中地理實體節點的定義及其屬性和值的定義方式以2020年劃分的面積為50 000 m2的水田為例,代碼如圖6所示。

圖6 屬性和值表示的代碼

2.2.4 土地利用地理實體關系的表示 在AtomSpace中,根據不同行業部門對土地利用類型劃分的需要設置不同的關系類型及鏈接的屬性,如表2所示。

表2 地理實體關系定義

以上各個關系類型在AtomSpace中的表示方式如下:1)類別關系(以該水田與耕地類別的所屬關系為例);2)行業關系(以耕地類別與農業的所屬關系為例);3)相接(Touches)關系(以水田、天然草地和農村住宅為例);4)重疊(overlaps)關系(以耕地和農業建設用地為例);5)包含(contains)關系(以景區和草地為例)。各關系表示方式如圖7所示。

圖7 各關系類型代碼

2.2.5 土地利用地理實體知識管理和共享 AtomSpace提供了多種查詢方法,包括基于模式匹配的查詢方法、基于規則的查詢方法及基于語義的查詢方法等。以上查詢方法主要通過以下5種鏈接節點進行查詢:1)MeetLink和VariableNode基本查詢;2)QueryLink查詢;3)AndLink多條件查詢;4)GreaterThanLink按數值過濾查詢;5)ValueOfLink和SetValueLink考慮性能查詢值。查詢處理的執行過程如圖8所示。

圖8 查詢處理執行過程

AtomSpace提供多種管理知識的方法,包括不同的存儲、表示和查詢方法,其超圖數據結構是管理地理實體知識的主要方法,同時支持基于模式匹配、規則和語義的查詢方法。使用AtomSpace可以更好地理解土地利用情況,做出更合理決策,并實現更好的交互和合作。

3 實驗驗證分析

3.1 實驗環境和實驗設計

本實驗使用Ubuntu 20.04.5 LTS的64位操作系統,并使用Python 3.8.10、Guile 3.0.7開發語言、AtomSpace 4.1.0及AtomSpace Explorer可視化工具作為知識圖譜的構建工具。

3.2 土地利用地理實體知識表達結果

地理知識圖譜的基本思路參見圖9。主要包括三部分:地理實體知識建模、地理實體知識存儲管理及地理實體知識查詢。

圖9 地理知識圖譜構建流程

由地理知識圖譜構建的基本思路,圖10給出土地利用地理知識圖譜構建算法邏輯概要。

圖10 土地利用地理知識圖譜算法流程

土地利用地理實體知識表達的結果是以超圖的形式表達出來的,該超圖是用AtomSpace的一個開源的人工智能框架——AtomSpace Explorer來表達的。

1)空間知識表達結果。主要有相鄰(Touches)、包含(Contains)、重疊(Overlaps)和相交(Intersect),其四種拓撲關系的主要代碼如圖11所示,表達結果如圖12所示。

圖11 空間拓知識表達主要代碼

圖12 空間知識表達結果

2)時間知識表達結果。時間用一個節點表示,用TimeLink鏈接指向所屬地理實體。其主要代碼和表達結果如圖13所示。

圖13 時間知識主要代碼和表達結果

3)屬性知識表達結果。在土地利用地理實體知識表達的屬性知識中,其部分主要代碼如圖14所示,表達結果如15圖所示。

圖14 屬性知識表達主要代碼

圖15 屬性知識和類別關系與行業關系

以不同行業部門對土地利用劃分的地理實體為核心,將生成的地理知識集合存儲在AtomSpace圖數據庫中,形成一個以節點和關系互相關聯的巨大網絡,即地理知識圖譜。如圖16所示。

圖16 在AtomSpace圖數據庫中存儲的地理知識圖譜示意圖

3.3 知識推理和查詢

3.3.1 知識推理 在用AtomSpace實現土地利用知識推理的主要步驟為:1)創建土地利用知識庫;2)定義土地利用知識規則。以農業行業為例,假設有一個包含各種土地利用類型屬性和關系的土地利用地理實體知識圖譜,如農田的種植作物、耕地的土地質量等。需根據農業行業需求,推理出哪些土地適合種植哪些作物。首先將農業行業需求表述為規則,例如,定義一個規則,表示“如果土地的土地質量評分大于80,則適合種植小麥”。具體代碼如圖17所示。

圖17 知識推理的規則表示主要代碼

然后將規則應用到土地利用地理實體知識圖譜上,使用模式匹配來實現規則匹配和推理。例如,從土地利用地理實體知識圖譜中找到所有的土地節點和對應的土地質量評分,然后將這些信息和上述規則進行匹配。如匹配成功,則可得出結論:XX這些土地適合種植小麥。具體代碼如圖18所示。

圖18 知識推理執行過程主要代碼

3.3.2 知識查詢 在用AtomSpace執行土地利用知識查詢的主要步驟為:1)定義查詢模式;2)執行查詢規則。執行查詢規則會匹配查詢模式,并返回符合要求的實體和關系。以交通運輸用地為例,假設查詢土地利用地理實體知識圖譜中與交通運輸用地地理實體有關的行業等信息,需要定義的查詢模式如圖19所示。

圖19 查詢模式定義規則主要代碼

上述查詢模式中通過綁定land變量來存儲符合條件的地塊實例,并通過And操作符將多個條件進行邏輯連接。其中,Evaluation用于對原子進行謂詞邏輯判斷,Variable用于存儲匹配到的實例信息。該查詢模式的代碼和結果如圖20所示。

圖20 知識查詢代碼和結果

3.4 試驗評價與分析

AtomSpace基于土地利用地理實體知識圖譜的實際應用案例驗證,可提高地理信息的獲取效率和土地利用地理實體知識的應用價值。實驗結果表明,基于AtomSpace的土地利用地理實體知識圖譜能夠更全面地分析地理實體,并提高地理信息的獲取效率,包括地理信息的檢索和地理實體的分析。

4 結論與展望

本文提出了一種基于AtomSpace的地理實體知識表達與管理方法,能夠有效地表達和管理土地利用地理實體的空間、時間、屬性和復雜的關系信息。通過使用AtomSpace可以將土地利用地理實體及其復雜關系表示為一組可擴展的超圖知識圖譜形式,同時支持形式化的邏輯推理和知識查詢。本文將土地利用地理知識概念模型中的節點和關系映射到圖數據庫邏輯模型中的節點和關系,以解決了結構化土地利用地理知識在圖數據庫中的存儲問題。并通過實驗驗證了基于AtomSpace的土地利用地理實體知識表達與管理的準確性和可視化效果,同時,將該方法應用于土地利用地理實體知識的查詢分析和推理中,驗證了其在實際應用中的可行性和有效性。