CN105335478B - 构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地理空间信息领域，提供构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置，以弥补传统二维土地调查数据对城市土地空间立体调查数据语义关联构建的缺陷。所述方法包括：通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；根据确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；根据建立的逻辑模型，构建土地空间本体。本发明提供的技术方案可以在城市土地立体化利用管理、城市土地规划、资源与环境保护、区域协调和可持续发展等方面为政府部门提供决策支持，也有利于促进城市土地资源管理领域电子政务的建设和推动“智慧城市”建设长远战略目标的实现。

Description

构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置

技术领域

本发明属于地理空间信息领域，尤其涉及构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置。

背景技术

随着城市化进程的加速进行，城市土地愈来愈成为稀缺资源，城市土地的供需矛盾也日益尖锐。为了解决上述矛盾，相关部门提出了对城市土地空间的立体化利用。实践证明，土地空间立体化利用大大提高了城市土地的利用率，已成为实现城市发展转型、化解土地供需矛盾的有效途径。

为了合理组织、有效整合围绕城市土地立体化利用，当前城市土地规划和管理的相关技术部门展开了对城市土地调查数据的语义关联构建方法的研究，以期支撑未来立体化城市发展、破解资源紧缺困境、促进科学发展观引领下的全面协调发展等。例如，使用传统二维土地调查数据，构建一些语义模型。

然而，传统二维土地调查数据难以支撑城市土地空间立体化利用下的空间资源规划、利用、评价、登记等诸多土地开发建设业务环节的标准化、规范化和信息化管理，无法实现立体化利用模式下资源优化配置、动态仿真和实时预警，在技术层面严重地制约了城市土地立体化利用实践。具体表现为：无法表达立体化利用模式下空间资源的数量和形态、无法评估空间资源的潜力和适宜用途以及无法实现空间资源对于生产生活需求的安排等。

发明内容

本发明的目的在于提供构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置，以弥补传统二维土地调查数据对城市土地空间立体调查数据语义关联构建的缺陷。

本发明第一方面提供一种构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法，所述方法包括：

通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；

根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；

根据所述逻辑模型，构建土地空间本体。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型，包括：

对所述与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合；

根据所述土地空间本体概念之间的关系，建立土地空间本体的逻辑模型。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，所述空间关系包括方向、拓扑和距离，所述权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系。

结合第一方面、第一方面的第一种、第二种或第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述方法还包括：

对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义。

本发明第二方面提供一种构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置，所述装置包括：

确立模块，用于通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；

建立模块，用于根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；

构建模块，根据所述逻辑模型，构建土地空间本体。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述建立模块包括：

抽象单元，用于对所述与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合；

模型构建单元，用于根据所述土地空间本体概念之间的关系，建立土地空间本体的逻辑模型。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，所述空间关系包括方向、拓扑和距离，所述权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系。

结合第二方面、第二方面的第一种、第二种或第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述装置还包括：

提取模块，用于对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义。

从上述本发明技术方案可知，由于土地空间本体是根据确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则建立的土地空间本体的逻辑模型而构建，不同于传统的二维土地调查数据构建城市土地空间立体调查数据语义关联，因此，本发明提供的技术方案可以在城市土地立体化利用管理、城市土地规划、资源与环境保护、区域协调和可持续发展等方面为政府部门提供决策支持，也有利于促进城市土地资源管理领域电子政务的建设和推动“智慧城市”建设长远战略目标的实现，更有利于多源土地信息的分类和集成、共享，拓宽土地调查数据的应用范围和应用深度，丰富使用手段。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的结构示意图；

图4-a是本发明实施例四提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的结构示意图；

图4-b是本发明实施例五提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法，所述方法包括：通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；根据所述逻辑模型，构建土地空间本体。本发明实施例还提供相应的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置。以下分别进行详细说明。

请参阅附图1，是本发明实施例一提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法的流程示意图，主要包括以下步骤S101至步骤S103：

S101，通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则。

在本发明实施例中，除非特别声明，“土地”均指城市土地，包括住宅、商业建设用地和闲置的城市国有土地资源等，而土地空间本体用于表示国土规划领域中的各种不同对象或实体，由概念、关系、公理和实例等四元组构成，其中，“概念”(或“类”)是指土地空间本体中具有相同属性的实体的集合，土地空间本体的概念由一系列的性质和行为相同的对象组成；“关系”是指不同的概念之间某种性质的联系，在本发明实施例中，具体可以是土地空间对象间的空间关系和权属关系；“公理”是指规划国土领域中公认的规律、知识以及施加于概念和概念之间关系之上的一些规则或约束条件，以便进行地理推理，并保证本体的一致性和完整性；“实例”则是指土地空间本体中概念的具体例子，亦称为个体。

S102，根据经由步骤S101确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型。

在本发明实施例中，根据经由步骤S101确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型可由如下步骤S1021和步骤S1022实现：

S1021，对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合。

若要构建土地空间本体的概念集合，则应该对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象。在本发明实施例中，对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，也即对领域知识的抽象表示，包括发现领域内的概念、概念的继承层次、潜在的关系和公理等。需要说明的是，建立土地空间本体的逻辑模型，其大部分工作都集中在对领域知识的抽象表示上，这是因为土地对象不同于其他地理对象，其他地理对象是物理空间对象，而土地对象除了具有物理空间对象，还具有权属空间对象。权属空间对象的空间范围一般比物理空间对象的空间范围要大。物理空间对象间的关系，包括拓扑关系、度量关系、方向关系。权属空间对象间的关系是由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系，例如地役权、地上权和空中权等。权属空间对象作为权属关系的客体与权属关系主体(权利人)之间的关系。土地空间由不同种类的空间对象构成，而每个空间对象又可以映射为计算机世界中的一个对象，每个对象都具有物理空间信息、权属空间信息、时间信息以及与其他对象的拓扑、语义关系等。土地空间本体结构是按层次方式组织的，概念(或类)之间存在同义和蕴含关系。因此，在地理信息领域最重要的概念是要素、地理范围和空间关系。

在本发明实施例中，对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合具体可以是：发现领域内的概念、概念的继承层次、潜在的关系和公理，从而建立土地空间对象的概念集合。更进一步地，土地空间本体的概念集合可以参考《ISO19152—土地管理领域模型》、《ISO19107—地理信息空间模式》及三维城市模型国际标准CityGML等地理信息领域公认的国际化标准的基础上确定。土地空间本体面向城市土地空间立体化利用，将与土地空间对象相关的知识、信息和数据抽象成一个个具有共识的地理对象(或实体)，并按照一定的逻辑关系组成体系，同时进行概念化处理和明确的定义，然后以形式化的方式进行表达，最终服务于城市土地空间立体化利用管理、评价和辅助决策。

S1022，根据土地空间本体概念之间的关系，建立土地空间本体的逻辑模型。

具体地，可以根据土地空间本体概念之间的关系，将这些土地空间本体概念组织起来，分出层次，从而建立土地空间本体的逻辑模型。

在本发明实施例中，土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间，其中，分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，按地理行政区划划分包括国家、省、市、区、网格、宗地等类型，分别以相应的行政区划代码进行表示，而按地物进行划分包括建筑物、构筑物、基础设施网络等类型，每个类型又可以继续向下细分，例如，基础设施网络可以分为地面道路、地上高架和地下管网等子类型，不同的子类型有不同的地理编码；不同的土地对象要映射到相应的几何对象中，几何对象主要包括点、面、线和体四种类型，宗地可以用二维面表达，也可以用三维体表达，建筑物、构筑物用B-rep方式构建成的三维体表达；空间关系包括方向、拓扑和距离，其中，方向可以分为准确和混合等两种方式，准确的方向还按方向继续细分，例如东、西、南、北，混合的方向可以划分为东南、西南、东北、西北等，拓扑主要包括包含、邻接、穿越、关联等类型，距离包括定性、定量等两种方式，定性有近、远、接近等类型，定量主要指欧氏几何距离；权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系，例如地役权、地上权和空中权等，权属空间作为权属关系的客体与权属关系主体(权利人)之间的关系；时间主要指公历格式，一般用年、月、日表示。

S103，根据经由步骤S102建立的土地空间本体的逻辑模型，构建土地空间本体。

具体地，利用开源的本体编辑器Protégé以及网络本体语言(Web OntologyLanguage，OWL)，同时借助部分-整体学(Mereology)、位置理论(Location Theory)、拓扑学(Topology)理论和空间分析、计算几何等技术研究，进行本体编码及其形式化表达，同时弥补OWL在描述空间关系方面的不足，面向多种信息源，从而以半自动化的方法构建面向城市土地空间立体化利用的土地空间本体。

需要说明的是，在上述本发明实施例中，构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法还包括对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义，从而由此建立的各个独立的、异构的地理空间信息库可以通过共同的概念模型进行匹配，最终较好地解决空间信息的异构及其互操作问题。

从上述附图1示例的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法可知，由于土地空间本体是根据确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则建立的土地空间本体的逻辑模型而构建，不同于传统的二维土地调查数据构建城市土地空间立体调查数据语义关联，因此，本发明提供的技术方案可以在城市土地立体化利用管理、城市土地规划、资源与环境保护、区域协调和可持续发展等方面为政府部门提供决策支持，也有利于促进城市土地资源管理领域电子政务的建设和推动“智慧城市”建设长远战略目标的实现，更有利于多源土地信息的分类和集成、共享，拓宽土地调查数据的应用范围和应用深度，丰富使用手段。

请参阅附图2，是本发明实施例二提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的结构示意图。为了便于说明，附图2仅示出了与本发明实施例相关的部分。附图2示例的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置包括确立模块201、建立模块202和构建模块203，其中：

确立模块201，用于通过提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则。

在本发明实施例中，土地空间本体用于表示国土规划领域中的各种不同对象或实体，由概念、关系、公理和实例等四元组构成，其中，“概念”(或“类”)是指土地空间本体中具有相同属性的实体的集合，土地空间本体的概念由一系列的性质和行为相同的对象组成；“关系”是指不同的概念之间某种性质的联系，在本发明实施例中，具体可以是土地空间对象间的空间关系和权属关系；“公理”是指规划国土领域中公认的规律、知识以及施加于概念和概念之间关系之上的一些规则或约束条件，以便进行地理推理，并保证本体的一致性和完整性；“实例”则是指土地空间本体中概念的具体例子，亦称为个体。

建立模块202，用于根据确立模块201确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型。

构建模块203，根据建立模块202建立的逻辑模型，构建土地空间本体。

具体地，构建模块203利用开源的本体编辑器Protégé以及网络本体语言(WebOntology Language，OWL)，同时借助部分-整体学(Mereology)、位置理论(LocationTheory)、拓扑学(Topology)理论和空间分析、计算几何等技术研究，进行本体编码及其形式化表达，同时弥补OWL在描述空间关系方面的不足，面向多种信息源，从而以半自动化的方法构建面向城市土地空间立体化利用的土地空间本体。

需要说明的是，以上附图2示例的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的实施方式中，各功能模块的划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。而且，实际应用中，本实施例中的相应的功能模块可以是由相应的硬件实现，也可以由相应的硬件执行相应的软件完成，例如，前述的建立模块，可以是具有执行前述根据确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型的硬件，例如建立器，也可以是能够执行相应计算机程序从而完成前述功能的一般处理器或者其他硬件设备；再如前述的构建模块，可以是执行根据建立模块(或建立器)建立的逻辑模型，构建土地空间本体的硬件，例如构建器，也可以是能够执行相应计算机程序从而完成前述功能的一般处理器或者其他硬件设备(本说明书提供的各个实施例都可应用上述描述原则)。

附图2示例的建立模块202可以包括抽象单元301和模型构建单元302，如附图3所示本发明实施例三提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置，其中：

抽象单元301，用于对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合。

若建立模块202要构建土地空间本体的概念集合，则抽象单元301应该对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象。在本发明实施例中，抽象单元301对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，也即对领域知识的抽象表示，包括发现领域内的概念、概念的继承层次、潜在的关系和公理等。需要说明的是，建立模块202建立土地空间本体的逻辑模型，其大部分工作都集中在对领域知识的抽象表示上，这是因为土地对象不同于其他地理对象，其他地理对象是物理空间对象，而土地对象除了具有物理空间对象，还具有权属空间对象。权属空间对象的空间范围一般比物理空间对象的空间范围要大。物理空间对象间的关系，包括拓扑关系、度量关系、方向关系。权属空间对象间的关系是由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系，例如地役权、地上权和空中权等。权属空间对象作为权属关系的客体与权属关系主体(权利人)之间的关系。土地空间由不同种类的空间对象构成，而每个空间对象又可以映射为计算机世界中的一个对象，每个对象都具有物理空间信息、权属空间信息、时间信息以及与其他对象的拓扑、语义关系等。土地空间本体结构是按层次方式组织的，概念(或类)之间存在同义和蕴含关系。因此，在地理信息领域最重要的概念是要素、地理范围和空间关系。

在本发明实施例中，抽象单元301对与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合具体可以是：发现领域内的概念、概念的继承层次、潜在的关系和公理，从而建立土地空间对象的概念集合。更进一步地，土地空间本体的概念集合可以参考《ISO19152—土地管理领域模型》、《ISO19107—地理信息空间模式》及三维城市模型国际标准CityGML等地理信息领域公认的国际化标准的基础上确定。土地空间本体面向城市土地空间立体化利用，将与土地空间对象相关的知识、信息和数据抽象成一个个具有共识的地理对象(或实体)，并按照一定的逻辑关系组成体系，同时进行概念化处理和明确的定义，然后以形式化的方式进行表达，最终服务于城市土地空间立体化利用管理、评价和辅助决策。

模型构建单元302，用于根据土地空间本体概念之间的关系，建立土地空间本体的逻辑模型。

具体地，模型构建单元302可以根据土地空间本体概念之间的关系，将这些土地空间本体概念组织起来，分出层次，从而建立土地空间本体的逻辑模型。

在附图3示例的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置中，土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间，其中，分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，按地理行政区划划分包括国家、省、市、区、网格、宗地等类型，分别以相应的行政区划代码进行表示，而按地物进行划分包括建筑物、构筑物、基础设施网络等类型，每个类型又可以继续向下细分，例如，基础设施网络可以分为地面道路、地上高架和地下管网等子类型，不同的子类型有不同的地理编码；不同的土地对象要映射到相应的几何对象中，几何对象主要包括点、面、线和体四种类型，宗地可以用二维面表达，也可以用三维体表达，建筑物、构筑物用B-rep方式构建成的三维体表达；空间关系包括方向、拓扑和距离，其中，方向可以分为准确和混合等两种方式，准确的方向还按方向继续细分，例如东、西、南、北，混合的方向可以划分为东南、西南、东北、西北等，拓扑主要包括包含、邻接、穿越、关联等类型，距离包括定性、定量等两种方式，定性有近、远、接近等类型，定量主要指欧氏几何距离；权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系，例如地役权、地上权和空中权等，权属空间作为权属关系的客体与权属关系主体(权利人)之间的关系；时间主要指公历格式，一般用年、月、日表示。

附图2或附图3示例的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置可以包括提取模块401，如附图4-a或附图4-b所示本发明实施例四提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的装置。提取模块401用于对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义，从而由此建立的各个独立的、异构的地理空间信息库可以通过共同的概念模型进行匹配，最终较好地解决空间信息的异构及其互操作问题。

需要说明的是，上述装置各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的构建城市土地空间立体调查数据语义关联的方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种构建城市土地立体空间调查数据语义关联的方法，其特征在于，所述方法包括：

提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；

根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；

根据所述逻辑模型、本体编辑器及网络本体语言，构建土地空间本体；

所述根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型，包括：

对所述与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合；

根据所述土地空间本体概念之间的关系对所述土地空间本体概念进行组织与划分层次操作，建立土地空间本体的逻辑模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，所述空间关系包括方向、拓扑和距离，所述权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系。

4.如权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义。

5.一种构建城市土地立体空间调查数据语义关联的装置，其特征在于，所述装置包括：

确立模块，用于提取与土地立体空间相关的知识、信息和数据，确立土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则；

建立模块，用于根据所述确立的土地空间本体的概念集合、组成关系和构建规则，建立土地空间本体的逻辑模型；

构建模块，用于根据所述逻辑模型、本体编辑器及网络本体语言，构建土地空间本体；

所述建立模块包括：抽象单元，用于对所述与土地立体空间相关的知识、信息和数据进行抽象，以构建土地空间本体的概念集合；

模型构建单元，用于根据所述土地空间本体概念之间的关系对所述土地空间本体概念进行组织与划分层次操作，建立土地空间本体的逻辑模型。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述土地空间本体的逻辑模型包括分类、几何空间和空间关系、权属空间和权属关系以及时间。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分类包括按地理行政区划划分或按地物进行划分，所述空间关系包括方向、拓扑和距离，所述权属关系包括由土地权利而产生的两个或多个权属空间对象之间的权利关系。

8.如权利要求5至7任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

提取模块，用于对土地空间信息概念化，提取土地空间信息的语义。