GIS协同工作应用中基于扩展语义网络的关系表达.docx

1、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

2、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（Geographic Information System, GIS）的应用环境从单机发展到网络，网络环境下的GIS（Web GIS）已成为当前的研究热点之一。然而，随着Web GIS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（Computer Supported Cooperative Work, CSCW）（Schmidt and

3、Bannon, 1992）为GIS的发展提供了新的方向。GIS协同工作（GIS based Computer Supported Collaborative Work, G-CSCW）（蒋捷，2000；Jiang and Chen, 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Web GIS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

4、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；Jiang and Chen, 2002），

5、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。2 GIS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）。Cha

6、n认为支持协同工作的GIS由数据（data）、标准（standards）、信息技术（information technology）、人员（people）及机构设置（organizational setting）组成（Chan and Williamson, 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（CHEN and JIANG, 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

7、、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

8、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

9、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

10、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（Actor Class）和主体实例（Actor Instance）； 事件（Eve

11、nt），即主体的行为。根据抽象层次不同，事件也可表示为事件类（Event Class）和事件实例（Event Instance）； 时空对象（Spatio-temporal Feature），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（SF Class）和时空对象实例（SF Instance）； 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

12、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（Membership Association）：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（Aggregation Association）：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（Combination Association）：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

13、（Generalization Association）：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（Collaboration association）：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（Communication Association）：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（Coordination Association）：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

14、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（Collaboration Association）：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（Cooperation Association）：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（Execution Association ）：又称E关联，表示主体和事件之间的关联关系。 操作关联（Operation Association）：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（Consequence Ass

15、ociation），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（Sequence Association）：又称S关联，表示事件之间的顺序执行关系。 并行关联（Parallel Association）：又称Pa关联，表示事件之间的并行执行关系。 继承关联（Inheritance Association）：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

16、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3 G-CSCW系统的分层表达模型3.3.13.3.3将分别阐述如何表示G-CSCW应用的实例模型、