GIS协同工作应用中基于扩展语义网络的关系表达.docx

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GIS协同工作应用中基于扩展语义网络的关系表达

GIS协同工作应用中基于扩展语义网络的关系表达

摘要：

GIS协同工作应用包括主体、事件和时空对象三个基本组成部分，它们三者之间的关系是实现GIS协同工作关键技术和应用功能的基础。

在过去的研究中，虽然部分学者指出了这种关系的存在，但是并没有明确提出表达此类复杂关系的方法。

该文引入语义网络并将其进行扩展，根据现实世界中从具体到一般的抽象原则，提出了一种基于扩展语义网络的主体、事件和时空对象关系的分层表达方法。

经实验证明，该方法为GIS协同工作应用中的复杂关系建模提供了一种新途径。

关键词：

GIS，计算机协同工作，GIS协同工作，扩展语义网络，关系表达

1引言

随着计算机技术及其网络技术的迅速发展，地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）的应用环境从单机发展到网络，网络环境下的GIS（WebGIS）已成为当前的研究热点之一。

然而，随着WebGIS应用的进一步深入，人们逐渐发现只支持单人参与（或多人并发工作但工作之间的相关性不大）的GIS应用已经不能满足应用的需求，人们更需要多人的协同工作，如多指挥员的协同指挥、各级政府部门的协调和决策支持等。

在计算机领域，二十世纪八十年代提出的计算机协同工作（ComputerSupportedCooperativeWork,CSCW）（SchmidtandBannon,1992）为GIS的发展提供了新的方向。

GIS协同工作（GISbasedComputerSupportedCollaborativeWork,G-CSCW）（蒋捷，2000；JiangandChen,2002）是GIS技术和计算机协同工作技术的结合，它指地域上分散的一个群体在时空数据管理与操作的基础上，借助计算机及其网络技术，以GIS作为交流和决策媒介进行协调和协作，共同完成某项任务，GIS协同工作技术具有广泛的应用领域。

基于GIS协同工作技术的应用，简称GIS协同工作应用，不仅需要支持WebGIS应用和CSCW应用所具有的基本功能，还需提供一定的群体空间决策支持功能，这些功能的实现通常需要多人共同参与，参与者之间相互协作，并通过各自的行为协同操作各类时空数据。

在这一过程中，参与者可能位于地理上不同位置，参与者之间有复杂的协作关系，参与者与其行为之间有执行关系，参与者行为与时空对象之间有操作关系，……。

参与者、参与者行为和时空对象之间的这种复杂关系构成了GIS协同工作应用的骨架，其关键技术——访问控制机制、协作机制等均以这三者之间的关系为基础。

因此，如何对参与者、参与者行为和时空对象之间的复杂关系进行建模成了构建GIS协同工作应用的核心。

在过去的研究中，蒋捷等人从概念上指出了这种复杂关系的存在（蒋捷，2000；JiangandChen,2002），但是她并没有提出具体方法描述这种关系。

本文引入语义网络，并将其进行扩展用于GIS协同工作应用中的复杂关系建模。

本文第二节分析了GIS协同工作应用的基本组成；第三节阐述了扩展语义网络的定义，并将其用于描述G-CSCW应用中的复杂关系；第四节以GIS协同工作应用中访问控制机制的实现为例说明该方法的应用，最后是文章的结论。

2GIS协同工作应用的基本组成

就应用系统的基本组成而言，不同学者从不同角度进行了相关研究。

Maguire认为从管理的角度看GIS有四个基本组成部分：

硬件（hardware）、软件（software）、数据（data）和人件（liveware）（Maguire,1991）。

Chan认为支持协同工作的GIS由数据（data）、标准（standards）、信息技术（informationtechnology）、人员（people）及机构设置（organizationalsetting）组成（ChanandWilliamson,1997）。

蒋捷从信息处理的角度将基于GIS的协同决策过程划分为决策主体、决策行为和决策结果三个基本组成部分（CHENandJIANG,2004;蒋捷，2000）。

本文作者在蒋捷等人的工作基础上，将GIS协同工作应用划分为三个基本组成部分，即主体、事件和时空对象。

其中，主体是GIS协同工作应用中有行为能力的人或物，它可以是个人、小组、机构或外部系统等，主体是G-CSCW系统的主导者，是事件的发起者；事件是主体的行为，事件序列构成了系统工作流，一个事件的发生可以触发其它事件发生，也可以作用于时空对象；时空对象是GIS协同工作应用的数据基础。

就应用系统基本组成部分的关系建模而言，蒋捷提出了用集成的主体－事件－状态关系模型（IAESM模型）表示决策主体、决策事件和时空目标状态之间的关系，如图1所示，该方法从概念上指出了这种关系的存在，但是并没有提出具体方法说明如何表达这些关系。

事实上，GIS协同工作应用中主体、事件和时空对象的关系表达与语义网络的概念类似，语义网络的结点可定义为主体、事件和时空对象，结点之间的关系表示主体、事件和时空对象之间的关系，因此，语义网络可作为一种主体、事件和时空对象关系建模的方法。

此外，在GIS协同工作应用的不同抽象层次（如具体的某次协作过程、某类GIS协同工作应用）中均存在主体、事件和时空对象之间的关系，在表达它们三者之间的关系时需考虑到不同抽象层次的需要。

3基于扩展语义网络的分层关系表达

3.1语义网络

语义网络最初是作为联想记忆的心理模型提出的（Quillian,1968），后引入人工智能用于自然语言理解，引入数据库领域用于数据建模（陈其明，1991）。

其核心思想是用结点和弧段模拟现实世界的静态和动态特性，其中结点表示概念、事件、属性和值等，弧表示结点间的成员、聚合、组合和概括关联。

结点通过相互联系的弧链接，相近或相关的结点具有公共的语义结点，便于将一个概念和另一个概念联系在一起，将现实世界中的静态特性和动态特性联系在一起。

语义网络在描述现实世界中的各种复杂关系上具有很大优势，然而在结点上它只定义了概念、事件、属性和值四类，在弧段上只定义了成员关联、聚合关联、组合关联和概括关联四种关系，不能准确描述GIS协同工作应用中存在的主体、时空对象等概念，以及主体－主体关系、主体－事件关系、事件－事件关系、事件－时空对象等关系。

因此，我们需要对现有语义网络进行扩展。

3.2扩展语义网络的定义

与语义网络的定义类似，扩展语义网络也包括结点和弧段两个基本组件，但扩展语义网络中的结点和弧段具有更丰富的内涵。

扩展语义网络定义了五类要素：

主体、时空对象、事件、属性和值，根据抽象层次不同，主体可进一步分为主体类和主体实例，时空对象可分为时空对象类和时空对象实例，事件可分为事件类和事件实例，主体类和时空对象类均属于静态对象，可进一步抽象为概念类。

因此，扩展语义网络共包括九类结点：

概念类、主体类、主体实例、事件类、事件实例、时空对象类、时空对象实例、属性和值。

⏹概念类（Concept），即主体类和时空对象类的进一步抽象；

⏹主体（Actor），即G-CSCW应用中有行为能力的人或物。

根据抽象层次不同，主体可分为主体类（ActorClass）和主体实例（ActorInstance）；

⏹事件（Event），即主体的行为。

根据抽象层次不同，事件也可表示为事件类（EventClass）和事件实例（EventInstance）；

⏹时空对象（Spatio-temporalFeature），即主体行为的作用对象。

根据抽象层次不同，时空对象可进一步分为时空对象类（SFClass）和时空对象实例（SFInstance）；

⏹属性（Attribute），说明概念/事件的性质；

⏹值（Value），指属性的特定取值。

扩展语义网络定义了十一类弧段描述结点之间的关系，这十一类弧段是：

成员关联、聚合关联、组合关联、概念关联、协作关联、执行关联、操作关联、因果关联、顺序关联、并行关联和继承关联，其中根据协作程度不同又可将协作关联分为通信、协调、合作和协同关联。

⏹成员关联（MembershipAssociation）：

又称M关联，可用来表示主体类和主体实例之间或事件类和事件实例之间的关系，捕捉现实世界中“是……的一个成员”，或“是……的一个实例”等语义特征。

⏹聚合关联（AggregationAssociation）：

又称A关联，可用来表示主体类及其组成部分或其属性之间的关系，或复合事件及其组成事件之间的关系，聚合后原来组成部分的含义丧失，各部分共同描述新概念的含义。

⏹组合关联（CombinationAssociation）：

又称Cb关联，可表示若干概念的组合，组合后原有概念的含义并不改变。

⏹概括关联（GeneralizationAssociation）：

又称G关联，可表示概念类与概念类之间，或事件类与事件类之间的关系；

⏹协作关联（Collaborationassociation）：

又称Cx关联，可表示主体和主体之间的协作关系，根据主体之间的合作程度，可进一步将协作关系分为：

通信、协调、合作和协同关联，从通信到协同，主体之间的协作程度逐渐加强。

●通信关联（CommunicationAssociation）：

又称Cm关联，指主体之间的协作主要是进行数据/信息通信；

●协调关联（CoordinationAssociation）：

又称Cr关联，指许多主体一起工作，在工作过程中，各主体之间需要进行协调，以共同完成工作，各主体之间的工作具有相对独立性；

●合作关联（CollaborationAssociation）：

又称Cp关联，指主体与其它主体一起完成某项工作，不同主体负责某项工作的不同部分；

●协同关联（CooperationAssociation）：

又称Cl关联，指不同人一起工作以达到一个共同目标。

⏹执行关联（ExecutionAssociation）：

又称E关联，表示主体和事件之间的关联关系。

⏹操作关联（OperationAssociation）：

又称Op关联，表示事件和时空对象之间的关联关系，即说明某类事件操作什么时空对象。

⏹因果关联（ConsequenceAssociation），又称Co关联，表示事件和时空对象状态之间的关联关系，即说明某类事件作用于时空对象将产生什么样的结果（时空对象的状态）。

⏹顺序关联（SequenceAssociation）：

又称S关联，表示事件之间的顺序执行关系。

⏹并行关联（ParallelAssociation）：

又称Pa关联，表示事件之间的并行执行关系。

⏹继承关联（InheritanceAssociation）：

又称I关联，表示不同时空对象状态之间的关联关系。

扩展语义网络中定义的结点和弧段可用如图2所示的符号表示。

图2扩展语义网络的图示符号

3.3主体、事件和时空对象关系的分层表达

G-CSCW应用中主体、事件和时空对象之间的关系可用三层模型来抽象表达，如图3所示。

处于最底层的是实例模型，它描述了G-CSCW应用中某个主体与其执行的某次具体事件（如图3中的查询5411），以及该事件与其作用的时空对象之间的关系；第二层是对第一层的抽象，具体的主体、事件或时空对象抽象成适合该类G-CSCW应用的主体类、事件类（如图3中的查询是查询5411和查询5421的类）和时空对象，该层描述了它们三者之间的关系，称作类模型层；第三层是对第二层的进一步抽象，所有的关系都抽象表示为主体、事件和时空对象之间的关系，称作元模型层。

图3中，实例模型层中的“查询5411”和类模型层中的“查询”是成员关联（M关联）的关系，“查询”与元模型层中的“事件”是概括关联（G关联）的关系。

图3G-CSCW系统的分层表达模型

3.3.1～3.3.3将分别阐述如何表示G-CSCW应用的实例模型、