地理信息科学进展篇1

地理信息产业发展从20世纪90年代初期进入起步阶段。随着社会进步，地理信息产业不断发展，我国地理信息产业面对国际金融危机的冲击仍然保持了强劲的发展势头，“十一五”期间增幅超过300%，2011年产业总产值突破1500亿元，从业人员约80万人，从业机构超过2万家。国家测绘地理信息局推进地理信息产业的目标是到2015年年总产值超过3000亿元，到2020年年总产值达到10000亿元。1998年教育部颁布了我国新的《普通高校本科专业目录》，其中对高校本科专业行了调整，专业由原来的504个调整为294个，教育部特别增设了地理信息系统专业，这一点说明地理信息产业的特殊优势和生命力。2012年普通高等学校本科专业目录再次调整，将地理信息系统专业改名为地理信息科学专业。经各种资料的统计表明，2000年有37所院校设立了GIS专业，2003年有93个高校开设了GIS专业，2007年全国共有161所高校设置GIS专业，2012年全国共有168所高校设置地理信息科学专业[1-2]。从而促进地理信息产业不断发展壮大。

2地理信息科学专业发展面临的问题与分析

2.1教师专业素养迫切需要提高

目前状况是一些院校现有的地理信息科学专业教师是从相关学科转入地理信息科学专业的，大多数是从学校毕业又走入学校，并没有机会从事实际地理信息系统研究、开发和应用的经验[3]。而地理信息科学技术本身发展又很迅速，这使得一些教师很难胜任所承担的核心课程与专业课程教学任务。

2.2教材建设与培养目标脱节

由于软件的更新速度飞快，相应的实验教材很难跟上。据此有些人提出了要大胆尝试采用电子教材，某些部门或是软件出品单位不要只是将精力放在软件使用帮助上，也应当随之出品入门级或更高档次的电子实验教材，弥补实验教材陈旧落后更新慢的问题。理论教材内容更新滞后非常明显，与各人才培养层次与方向脱节，没有针对各个培养层次和方向的统一化、系统化的教材的建设[4]。

2.3课程体系及教学内容与社会需要脱节

各高校开办地理信息科学专业时，主要是依托已有相关专业构建课程体系，无论是学科基础课程，还是专业核心课程的设置，皆与地理信息系统专业培养目标及社会需求脱节[5]。大多是根据本校的师资和学生的素质来设置相应的课程。还有因师资不足，涉及地理信息新理论、新技术、新方法的课程不能开设，学生空间分析、地理信息系统技术二次开发与应用的能力上得不到锻炼，在工作中暴露出地理信息系统应用能力差的缺陷，直接影响到该学校地理信息科学专业人才培养的声誉[6]。

2.4专业目录名称与本学科内涵不相适应

随着形势的发展，逐渐暴露出一些问题。从地理信息科学专业分层次的培养来看，名称上存在不相称，一些专家建议，对于理科院校或从地理科学为基础发展起来的，完全可以称为地理信息科学专业，但对于工科院校或从测绘等方向发展起来的，可以改称为地理信息工程专业。笔者认为经过多年的磨合共融发展，也可能在将来二者会统一于新的名称。

2.5资金投放不足

目前，高校地理信息科学专业建设与人才培养，同样受到发展速度与投入增量不同步的影响，专业建设经费不足，仪器设备陈旧且不配套。特别是在一般本科类院校，在追求规模发展过程中，因资金不足与基础设施建设需要，对教学仪器设备与运行保障经费采取紧缩政策[7]。

2.6全国地理信息科学专业的发展没有一个统一的教育培养评价体系

对于这个专业培养的人才没有相应评价体系。尤其针对一般本院校来说，不论是以测绘为基础发展起来的，还是以地理科学为依托发展起来的地理信息科学专业，都没有真正融入到全国地理信息科学专业的大圈子里。要真正服务社会，不应靠少数顶级院校的科学进展，更多是发挥好全国各地的地理信息科学专业的教育资源，让地理信息科学的大众化教育与培养复合型人才可以落到实处，从而彰显地理视角。

3建议与发展策略

3.1地理信息科学教育应遵循应用科学的教育理念

这个专业无论是从测绘工科院校发展起来的还是从以地理学空间分析应用为主的理科发展起来的，大家都会认为本专业是理论实践相结合的学科。从现在本科生、研究生的招生就业情况来分析，本科阶段是扎实掌握基本理论的重要时期，研究生阶段可注重与实践相结合。大学本科阶段要遵循教育的基本理念，而不是一味地追寻市场，更不能成为步入社会的培训场所。大学本科教育是思想和认知善恶发育成型的阶段，让学生有能力去追求知识与真理，这是大学本科的教学核心。只有这样才能在以后的工作中具有更强的创新能力。

3.2培养空间思维的教学模式不能变

空间思维能力不只是让人知道东西南北，更多是分析和解决问题的空间维度。从另一个角度来看，地理信息科学的普及也是对全民空间思维能力的培养，比如ESRI在美国会对小孩子进行免费的地理知识讲解，使他们从小就能接触到地理空间的概念，启发了他们的空间想象力。

3.3人才培养上要在权威机构中划分出层次

从地理信息产业发展来看，地理信息科学学位教育应强化技能培训，这部分人才培养就落在一些以测绘为基础的工科院校发展起来的地理信息科学专业的培养上，突出地理信息科学技术的开发与应用。而另一类别是以地理学为基础发展起来的院校专业上应突出地学方面的应用。总之地理信息科学人才的培养既需要有能够创新思路的人才，也要培养具有扎实知识的技能型人才，这样才能共同推动地理信息科学和地理信息产业可持续发展。

3.4通过任教资格考试、技术水平认证来规范地理信息从业人员的水平

国家应有相应的政策法规来管理地理信息产业。规定必须要有相当水平的从业人员才能承接各种项目。原因就是地理信息产业的相关行业关系人类社会正常发展，如果政策法规跟不上，那么将会一片混乱。3.5为一线地理信息科学教育工作者申请教学或科研项目建立一种运行模式与保障机制笔者认为可以从政府层面上建立一种运行模式，保障地理信息科学教育工作者真正地申请到地理信息科学项目，如教育部科技司、国家测绘地理信息局、国家发改委高技术产业司等等或是中国测绘地理信息学会、中国地理信息产业协会等各级协会都可以组织建立保障机制并实施这种运行模式。

3.6分层次规范地理信息科学专业的课程体系

笔者认为，全国一流院校培养高级人才应侧重于地理信息科学技术研究的学术型人才；对于一般的工科院校来说，这个专业的课程设置应突出测绘或计算机及信息科学方面的应用，培养出具有优秀技能型人才；对具有地理学师资优势的一流综合理科院校，其专业课程设置应突出地学方面的应用，培养能够有创新思路的人才；那么对于一般的理科或职业院校，应该重点培养地理信息科学的大众化教育及具有高素质的技能型人才。

地理信息科学进展篇2

近年来，环境信息科学(EnvironmentalInformationS。iences，或EnvironmentalInformaties，或Enviromatics)作为一门新兴的交叉学科得到了快速的发展，早期单一的工程方向“环境信息化”正在发展成为一门多学科理论交叉、多技术手段集成的新兴学科领域〔。国际环境信息科学学会(InternationalSocietyfo;EnvironmentalInformationSeienees，ISEIS)作为这一领域的学术组织，致力于发展信息技术在环境领域的应用，提供环境信息系统研究领域的多学科交叉，以促进环境信息系统研究领域的国际交流。国内在环境信息科学的一些主要论题包括环境信息系统、环境遥感、环境模型、环境可视化、环境信息处理等方面都开展了一些研究工作。20世纪90年代以来，环境信息化发展迅速，特别是从上至下的各级政府主管部门环境信息系统的建设极大地推动了这一工作的进展，环境地理信息系统则已成为实现环境信息化的主要途径。地理信息系统在环境领域的应用，正在从初期的信息管理、环境专题制图发展到Gls与环境模型集成陈、3S技术集成的多媒体环境系统、基于Gls的环境污染扩散模拟基于GIS的环境治理决策支持系统等。遥感技术在环境科学与工程领域有着广泛应用，一些主要领域包括大气污染遥感、水环境遥感、固体废弃物遥感监测、城市热岛效应与热环境监测、植被遥感、景观格局遥感监测、海洋环境监测等。环境建模与模拟一直是环境工程研究的重要内容，一方面，各种数学模型、物理模型、统计模型在环境信息科学中得到大量应用，另一方面，基于环境过程机理的计算机模拟模型、元胞自动机(CA)模型、智能体(Agent)模型等也在环境领域受到重视。数据挖掘与知识发现是从海量数据库中挖掘和提取对决策分析有用的、先前未知的隐含模式和规则的过程，笔者在1999年即面向环境信息化与数据挖掘技术的发展，试图将二者结合，提出“环境数据库中的知识发现”并进行了初步研究。可视化是表达和传输环境信息有效的形式，通过三维可视化、三维模拟实现环境现象、过程的真实感表达，能够更加逼真地传输环境信息。近年来，虚拟现实技术在环境科学与工程领域的应用中受到了研究人员的重视卿。“虚拟地理环境”是虚拟现实技术支持下地球科学研究的创新平台，依托这一平台，能够进行环境科学与工程相关的理论研究、技术开发、工程实践、模拟决策等活动。针对环境信息技术集成应用的趋势，聂庆华提出了“数字环境”的概念，数字环境是环境信息化的过程和结果，是三维显示的数字虚拟环境，包括环境信息数字化、环境信息传输网络化、环境分析模型化和环境空间决策的智能化、环境过程和管理可视化。尽管国内目前在环境信息科学各个分支方向的研究非常活跃，但缺乏整体性、系统性的认识和探讨。本文在分析环境信息科学研究进展的基础上，基于环境信息流和信息分析处理构建了环境信息科学的体系结构，并以煤矿区环境监测治理与管理为例，全面分析了环境信息科学理论、方法与技术的应用，以期促进环境信息科学研究及其在构建和谐社会、推进可持续发展中的应用。

2环境信息科学的体系结构及其在煤矿区的应用

2.1环境信息科学的体系结构尽管环境信息科学的概念提出已有近20年的时间，但从目前国内外研究的现状来看，对于环境信息科学的概念、学科体系还缺乏明显的定义。已有的一些环境信息科学研究计划中界定的范畴也不尽相同。因此，从促进环境信息科学研究的视角出发，首先需要对环境信息科学的体系结构进行界定。HuangGH等川提出的环境信息科学的构成要素及相互之间的关系，这是当前引用较多的环境信息科学体系结构。，环境信息科学是多学科集成的领域。传感器综合技术和通信技术的发展使得大尺度地面采样技术成为可能，处理不同特征、尺度和复杂性问题的模型综合成为新的挑战，包括不同模拟、优化、评价模型以及相关信息技术与平台的合并，不同技术输人与输出之间的联接，社会经济因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基础上，HuangGH等提出基于环境信息科学研究的环境决策支持系统计算机系统，USGS的研究报告’)中，将环境信息科学定义为:环境信息科学是为加强对不同复杂程度的环境现象的理解，并提出新的认识的，集成物理、生物学、计算机和信息科学的多学科方法的研发、试验和应用的学科。不同定义都强调环境信息科学的多学科交叉、以信息技术为支持、解决复杂环境问题的特点。Huang等川的观点显然更强调以遥感、地理信息系统和GPS技术为基础的空间信息技术与环境科学和工程的交叉，而USGS的定义则重点强调了现代计算技术、人工智能等在环境领域的应用，特别是USGS在其未来环境信息科学发展规划中重点强调了计算智能等技术的应用。基于以上观点以及国内外研究的进展，结合我们的研究实践与认识，以环境信息流和环境信息处理分析为主线，可以构建环境信息科学的体系结构环境信息科学的理论基础来源于面向环境科学与工程领域需求的多学科理论交叉，技术支持在于面向环境信息流的多技术手段集成，最终通过不同学科领域方法模型的综合，实现环境科学与工程各个阶段、各个过程的目标和任务。因此，需要从多学科理论交叉与多技术手段集成的角度推进环境信息科学研究。

2.2环境信息科学在煤矿区综合应用的研究从一定意义上来讲，环境信息科学并不是一门独立存在的新兴学科，而是诸多学科的交叉和集成。不同学科在研究过程中，特别是遥感与地理信息系统应用、资源环境规划与城乡管理、环境影响评价、信息科学、计算机技术等领域都从不同的角度开展着与环境信息科学密切相关的内容，这些学科的研究成果是促进环境信息科学发展的基础和关键。换言之，以前进行的研究工作往往是从环境信息科学的开展的相关论题研究，其重点还在于不同学科方向，但已经构成了环境信息科学研究的基础层。为了促进环境信息科学的研究，需要改变从外部到内部的“包围型”研究模式，努力推进从核心到的“拓展型”发展模式，即从环境信息流出发，组织和集成相关学科的研究，特别是在不同学科交叉链接的关键论题上开展深入研究，以便形成适应环境信息科学体系与研究需求的理论方法体系和应用技术系统。煤矿区作为1种以资源开采为驱动力发展起来的特殊地理区域，由于煤炭资源开采(以下仅涉及地下开采矿区)破坏上覆岩层原始应力状态，导致地下水流失、地面塌陷，进而引发土壤污染、水土流失，矿山排研形成的研石山压占大量土地，堆积物导致严重大气污染和土壤损害，甚至引发各种地质灾害。因此，煤炭区是1种典型的由于矿山开采导致的景观破坏、环境污染、生态退化的复杂区域，煤矿区的环境问题具有明显的复杂性。目前，对于煤矿区生态环境主要的研究视角包括:(l)从煤矿开采损害角度出发研究开采沉陷与地表变形预计、监测与治理;(2)从煤矿区土地资源管理角度出发研究煤矿区土地利用/覆盖变化与生态响应;(3)从煤矿区地质环境角度出发研究矿区地质环境评价与地质灾害预防，(4)从煤矿区水资源环境角度出发研究矿井水害、水污染与水资源调控;(5)从景观格局生态学角度出发研究煤矿区景观格局;(6)从地理环境演变角度出发研究煤矿区地理环境演变与模拟;(7)从遥感与GIS应用角度出发研究矿区资源环境遥感与信息系统;(8)从大气污染角度出发研究煤矿区大气污染评价与控制;(9)从经济学角度出发研究煤矿区环境经济评价;(10)从管理学与可持续发展角度出发研究煤矿区环境规划、环境管理与可持续发展决策;等等。对以上不同视角的研究进行综合分析，可以看出多主题、多要素的时空环境信息是其中的关键，任何视角的研究都需要充分的信息和数据的支持、需要环境信息和背景信息的集成、需要计算机信息系统和分析工具的支持、需要环境知识和其它领域知识的交叉和集成。因此，从环境信息科学的角度出发，可以集成现有的研究工作，充分应用相关学科已有研究成果，通过成果整合与集成，在推进环境信息科学研究的同时，也进一步推动相关领域的研究。实现整合的关键在于不同研究视角之间的关联关系构建、链接边界选择、信息传输反馈、系统相互作用。按照该研究框架，煤矿区环境信息科学的重点在于多学科研究的交叉点，主要包括:(l)基于采矿环境影响机理的模型建立、参数获取;(2)各种环境模型的建立、参数提取与模型验证(面向环境系统分析的环境评价、污染扩散、环境演变模型和面向环境管理决策的规划模型、优化配置、动态演变模型以及环境保护治理与生态重建方案设计);(3)面向环境监测的遥感信息源选择与图像处理、环境信息提取与分析，以及组织、集成与管理多种环境相关信息的数据库设计与建立;(4)环境信息系统、地理信息系统平台下的模型解算与解释、分析结果可视化与应用;(5)集成信息、模型、数据库、系统、知识的环境决策支持系统(专家系统)构建。(6)资源一环境一人类一计算机系统中的信息流与信息应用。

3结语

地理信息科学进展篇3

摘 要：科学技术的发展和人才需求的变化对地理信息科学专业人才培养模式的创新提出了新的要求。秉承南京大学人才培养的优良传统，与时俱进，走过了“专题地图编制与地图集设计-计算机地图制图-地理信息系统与遥感-地理信息科学”的拔尖创新人才培养道路，形成了南京大学地理信息科学专业人才培养的鲜明特色，为国家和社会输送了大量高端地理信息科学人才。

关键词：地理信息科学；拔尖创新人才；培养模式

地理信息科学是集地理科学、测绘学、遥感学、空间科学、环境科学、计算机科学等学科为一体的新兴学科，已经深入到社会经济生活的各个领域。特别是进入新世纪以来，随着嵌入式软件、云计算、大数据、导航定位与位置服务、数字地球、智慧城市等技术的不断发展，已促使地理信息科学向着集成化、产业化和社会化方向迈进，而且与办公自动化、虚拟现实等多种技术相结合，构成了综合的信息技术。大数据时代的地理信息科学应用已经渗透到国土资源、水利、农业、林业、城市规划、环保、交通等多个国民经济部门，并成为国家空间信息基础设施和智慧城市建设的关键技术和重要组成部分[1]。

随着地理信息科学技术与产业的高速发展，对相应人才的需求与日俱增，地理信息科学教育事业也进入了蓬勃发展期。人才培养是地理信息科学发展的前提和基础，高等院校则是培养高水平地理信息科学人才的摇篮。为了全面贯彻落实国家教育规划纲要（2010-2020 年）和人才发展规划纲要（2010-2020 年），促进高等教育面向社会需求培养高素质、高技能人才，全面提高地理信息科学人才培养质量，造就一批创新能力强、适应快速经济社会发展需求的理论创新和高端应用人才，地理信息科学专业面临着如何培养拔尖创新人才这一重要命题[2]。

南京大学地理信息科学学科由原地图学专业发展而来。地图学专业是在陈述彭院士的支持下，李海晨教授于1957年创办的，是当时国内综合性大学中唯一的地图学专业。最早招收的地图学专业学生是从1956年入学的地理系学生中选出的，1961年向国家输送了第一批五年制本科毕业生。1972年地图学教研室开始主攻地图制图自动化，1974年招收2届制图自动化方向的学生，开创了国内高等院校计算机地图制图教学与科研的先河。由于计算机技术的普及与应用，后来在学生培养方向上兼顾了传统地图编制与计算机辅助制图两个方面。1974年，我国首幅全要素计算机地图诞生于南京大学。在教材建设方面，李海晨教授编著的《专题地图与地图集编制》于1984年获全国优秀测绘教材二等奖，被全国大多数高校采用。

20世纪80年代后期，地图学随着遥感技术和信息科学的迅速发展日益表现出数字信息处理的时代特征。1989年黄杏元教授撰写的《地理信息系统概论》一书出版，这是我国第一部地理信息系统教科书，在全国有较大的反响，被广泛采用，推动了地理信息科学教育与人才培养的发展，在我国地理信息科学发展史上具有重要意义[3]，该书1995年获全国优秀测绘教材一等奖。自学科创办到20世纪末，南京大学地理信息科学教学科研团队先后承担了多项国家、省部级科研项目，取得了一大批科研成果，1987年荣获国家科技进步二等奖，1992年荣获国家教委科技进步三等奖。科研反哺教学，有力促进了地理信息科学专业的人才培养。

教育部先后将“地图学”专业更名为“地理信息系统”、“地理信息科学”，南京大学的本科生人才培养也随着专业的更名而与时俱进，不断摸索人才培养的创新模式。

一、师资队伍

地理信息科学专业旨在培养掌握地理信息获取、处理、分析和应用的基本理论、知识和技能，具有从事地理信息系统设计、开发、应用以及编制各类地图的专门人才[4]。所以，在确定地理信息科学专业人才培养方案时，要结合学科特点，并满足现代社会对这类复合型专门人才的特定需求。地理信息科学是高新技术、边缘科学，而且理论方法发展速度快，软件更新换代频繁，要想办好这个专业，需要有十分雄厚的师资队伍。南大地理信息科学专业实施的是拔尖人才培养战略，长期以来每年本科招生人数控制在20～30人之间，具有少而精的特点。

在师资队伍建设方面，一方面强调“国际化”，直接从海外名校引进高素质的国际化人才，或者促进本土教师的国际名校学术交流，要求至少有1年的海外留学经历，使南京大学地理信息科学专业的人才培养与国际接轨。另一方面强调“符号化”，注重“学者”、“长江学者”、“国家杰出青年基金获得者”、“教学名师”、“教育部新世纪人才”、江苏省“333高层次人才培养工程”学术带头人等高层次教学科研人员的成长。

由于采取了这些措施，因此许多优秀的海外学者陆续加入南大地理信息科学教学科研团队，壮大了学科力量。目前教师队伍中80%以上有海外留学经历或者直接从海外引进。拥有学者1人，创业人才2人，长江学者讲座教授、加拿大皇家科学院院士1人，高等学校教学名师奖获得者1人，3名教师荣获全国高校地理信息系统创新人物奖。尤其是在加拿大皇家科学院院士陈镜明教授的带领下，建设了“碳循环陆气协同遥感”教育部创新团队和“全球变化遥感”江苏省创新团队，进一步壮大了师资队伍的实力。这些教师专业背景各不相同，优势互补，与“地理信息科学”这个新兴边缘学科的特点比较吻合，形成了强大的师资队伍阵容，有利于地理信息科学专业拔尖创新人才的培养。

二、课程体系

南京大学地理信息科学专业的课程体系在继承传统的基础上，借鉴国内外名校的课程设置[5-7]，达到洋为中用、兼收并蓄的目的，每四年进行一次课程体系的改革，不断完善优化。

在课程体系设置的过程中遵循四个原则：一是为学生积淀雄厚的外语、计算机和数理基础；二是要使学生有扎实的地理学基础；三是要培养学生的地理信息科学专业兴趣、爱好，并激发求知与探索欲望；四是促进学生对专业知识及其基本技能的掌握，培养发散思维，开阔知识视野，同时对就业和进一步深造要有一定的导向作用。目前形成了公共必修课、专业基础课、专业课和专业选修课四个层次的课程体系。

开设的公共必修课有高等数学、大学英语、C语言程序设计等。专业基础课包括人文地理、自然地理、测量学、地图学、地理信息系统概论、遥感概论、地理学实习等。开设的专业课有数据库原理、地理信息系统设计与实现、遥感图像处理、卫星导航定位原理、数字摄影测量、数字高程模型、地图设计与编制、地理建模、地理信息技术、虚拟地理环境、地理信息科学专题讲座、地理信息系统实习、遥感实习、测量实习等。专业选修课有数据结构、计算机图形学、空间数据库、模式识别与人工智能、地理信息系统二次开发、城市规划CAD、地理科学知识讲座、土地利用规划、环境规划与评价等。

在人才培养的过程中，为不断提高课程质量，始终注重教材建设。近十年来先后主编教材十余部，如《GIS设计与实现》、《地理信息系统概论（第三版）》、《地图投影》、《3S技术集成》、《遥感数字图像处理》等。而且比较注重教材的质量，《GIS设计与实现》2005年荣获全国优秀测绘教材三等奖，并列入“十二五”国家规划教材。

在专业课的建设过程中，努力实现专业主干课程的突破，以建设精品课程为目标。地图学课程建设与实践、GIS设计课程建设与创新分别获省级教学成果二等奖。“GIS设计”课程于2007年入选国家精品课程。

三、实验与实践教学

地理信息科学是实践性很强的学科。多年以来，南京大学形成了基础学科与技术科学结合、理论教育与技能训练结合的特色，确立了课程实验、野外实践和综合实习“三位一体”的实验实践教学体系[8]。树立了以“学生为本、以提高实践创新能力为目标”的实验教学理念，并落实到教学改革与创新人才培养的全程之中。

我们建设有江苏省高等院校地理与海洋科学实验教学中心，拥有地理信息系统、遥感、测量与制图、3S技术综合应用等与地理信息科学实验教学密切相关的教学实验室，有先进的地图制图（绘图系统）、测量（徕卡GPS、激光雷达测量系统等）、遥感（ASD光谱仪等）等硬件设备，同时拥有ArcGIS、SuperMap、ERDAS、ENVI、GAMMA、VirtuoZo等通用软件。良好的实验教学设施保障了地理信息科学专业课程实验教学的实施。南京大学建设有庐山地理学野外实习基地，为地理信息科学专业自然地理（包括地质、地貌、水文地理、气象气候、土壤地理、植物地理等）、地图、遥感、测量等课程的野外实践教学提供了有力的支持。综合实习安排在大三的暑假至大四第一学期的前两个月。目的是让学生真实参与实习单位的具体工作，利用所学的专业知识提升实践能力。目前南京大学已与中科院南京地理与湖泊研究所、中国测绘科学研究院等多家单位合作，建立实习基地，共同培养高水平专业人才。

四、科研训练

大学生的科研能力训练和创新能力培养是本科教学的核心任务之一[9]。南京大学建设有卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室和地理信息技术江苏省重点实验室，软硬件设备齐全，研究开发技术手段先进。近几年先后承担了“863计划”、“973计划”等多项重点项目、自然科学基金等部级纵向科研课题数十项，获得部级、省部级科技奖励多次。良好的科研条件促进了各项教学任务的圆满完成，教学与科研形成了良性互动。

在国家自然科学基金委员会人才培养项目的资助下，专门开展了本科生科研训练。同时学生也可以在老师的指导下申请国家、江苏省或南京大学的本科生科研创新项目，开展前沿科学研究。从大二起，学生就可以选择指导教师，参与指导教师承担的科研任务，申请使用重点实验室的软硬件设备，进行科研训练。从大四的第二学期开始进行毕业论文设计，选题都要依托指导教师的科研项目，要经过开题、中期进展报告、论文答辩等环节，历时四个月。毕业论文的撰写是一次完整的科研训练，对地理信息科学专业创新人才的培养来说是一个非常关键的环节。同时积极支持并资助本科生跨出国门参加国际学术会议，展示自己的科研成果，较早地与国际同行交流，了解地理信息科学的最新国际动态。这既开阔了学生的知识视野与眼界，也有利于地理信息科学专业人才培养的国际接轨。目前，南京大学的地理信息科学学科已发展成为具有较大影响的人才培养与科学研究基地之一。

2006至2012年，本科生在校就读期间以第一作者在国内外学术刊物上发表科研论文40余篇。1名本科生获得Geoinformatics2007最佳学生论文奖，获得中国GIS协会2007ESRI杯大学生GIS软件开发竞赛二等奖1次。有二十几名本科毕业生赴美国普林斯顿大学、哥伦比亚大学、波士顿大学、加拿大多伦多大学、德国斯图加特大学等国外著名高校继续深造。特别是2008届的毕业生，有6位同学获得全额奖学金赴美国、荷兰的国际名校攻读博士学位。南京大学地理信息科学专业的毕业生不仅有深厚的理论功底，同时在地图设计与编制、地理信息系统数据库建设与软件开发、遥感图像处理与专题信息提取、测量工程等方面实践动手能力也比较强，因此毕业生也颇受用人单位的欢迎，一次就业率都在100%。

随着大数据与智慧城市时代的到来，地图学、地理信息系统、遥感对地观测与导航定位技术已渗透到经济社会发展的各个领域。新的形势赋予新的使命，南京大学地理信息科学专业将不断探索拔尖创新人才的培养模式，为国家和社会输送更多的地理信息科学高端人才。

参考文献：

[1] 王家耀. 地理信息系统的发展与发展中的地理信息系统[J].中国工程科学，2009，11（2）：10-16.

[2] 李德仁. 发展我国GIS高等教育的思考[J]. 测绘科学，2003，28（4）：4-5.

[3] 黄杏元，汤勤. 地理信息系统概论[M]. 北京：高等教育出版社，1989.

[4] 边馥苓. 我国高等GIS教育：问题，创新与发展[J]. 地理信息世界，2007（2）：4-8.

[5] 李志林. 海外大学地理信息系统（GIS）专业课程设置[J].地理信息世界，2003，1（4）：35-40.

[6] 邬伦，刘瑜，毛善军. GIS专业本科教学探讨——北京大学教学实例[J]. 地理信息世界，2004，2（2）：27-30.

[7] 宁津生. 从测绘学科发展看GIS专业的学科建设[J]. 测绘科学，2003，28（4）：1-3.

[8] 王颖，鹿化煜，胡文瑄等. 加强地球系统科学教育 培养一流地学人才[J]. 中国大学教学，2009（8）：11-13.

地理信息科学进展篇4

我国自己的地理本体理论、方法和应用研究。

关键词:本体论;地理本体;语义;语义互操作;信息共享

人类世界几千年的文明历程,创造了一个十分庞大、丰富的客观知识世界,波普尔称之为第三世界(World3)[1]。随着科学技术的发展,知识共享、重用的需求,迫使人们对人类所共同拥有的知识、信息与数据进行本体重建和网络共享,及计算机协助整合。地理知识、信息与数据是客观知识世界的重要组成部分,因此地理本体研究是本体重建重要的基础之一。本体论研究不仅是方法与工具,也是一种科学思想与理论。

地理本体是地理信息科学的一个新兴的研究方向,对其的发展进行综合分析,为其进一步向前发展打下良好基础。本文从本体论出发,着重分析地理本体重建的发展及研究现状,提出今后的研究重点与建议。

1本体论研究概况

Ontology原本是一个哲学基本问题,指关于存在及其本质和规律的学说,后被用于研究实体存在性和实体存在的本质等方面的通用理论。计算机界借用这个理论,把现实世界中某个领域抽象或概括成一组概念及概念间的关系,构造出这个领域的本体。在近年来,Ontology不但在哲学领域[2],而且在自然科学与工程技术领域中备受关注,正逐步成为这些研究领域共同关注的一个核心问题[3-5]。

Ontology在科学技术领域兴起的最主要原因是,语义互联网、语义建模和语义集成需要Ontolo-gy作为支持发展的基础理论。

虽然Ontology的出现频率较高,其中文相对应的词却很不统一,国内许多学者就Ontology的一词的译法和意义进行了深入的探讨,比较公认的译法是ontology为“本体”和Ontology为“本体论”[6-10]。本文中采用本体论与本体的译法。

哲学中的本体论与现代科学技术中的本体论之间有着非常紧密的联系。哲学本体论是科学本体论的基础,哲学本体论对科学本体论具有重要的指导意义。笔者认为:本体论可分为哲学本体论与领域本体论。本文在此不对哲学本体论做深入分析,重点是地理信息的领域本体,即地理本体论。

一个最基本的概念达成共识,对于相互交流和深入研究非常重要。由于本体论在科学技术领域中是一个新事物,研究人员在其定义与涵义的理解方面还存在差异。毕业论文据有关学者分析,Ontology在科学与技术领域最早出现于1984年,明确提出且进行定义是在1991年[7,11],从此对Ontology的定义日渐丰富[12-23](见表1),但基本上是大同小异,不存在本质方面的区别和争议。笔者根据研究人员的不同定义进行分析后,认为作为一个思想、理论和方法,它的概念包括四个主要方面:①概念化,客观世界的现象的抽象模型,把领域的知识抽象为一个个确定的对象;②明确的定义,对每一个对象的概念及它们之间联系都进行合理地定义;③形式化,需对概念及它们之间关系进行精确的数学描述且要达到计算机可读的水平;④共享,本体中反映的知识是其使用者(包括该领域的专家和一般用户)共同认可的。

上述定义表明,由客观世界某一领域的事物或现象的本质(即本体)到人们对这些事物或现象的本质通过认识活动所形成的认识结果(即概念体系),再从概念体系到人们用特定的符号系统或语言将某一概念体系做出明确的、形式化的表示或表达,总共涉及了三个层面的东西。因为这三者之间具有联系,应该具有一致性或统一性,可以统称为“本体”[6]。

本体论思想被应用到科学技术领域时,就是要把现有的知识、信息与数据采用面向对象的形式还原成一个合理的语义体系,使计算机能够处理,使人们能够共享。地理本体是一个特殊领域本体,它具有一般领域本体的基本共性,也有其独特之处。

表1本体的各种定义[12-23]

Table1Definitionsofontology

作者(时间)本体的定义

Neches等(1991)本体是组成主题领域的词汇表的基本术语及其关系,以及结合这些术语和关系来定义词汇表外延的规则

Gruber(1993)本体是概念化的明确规范说明

Guarino等(1995)本体是概念化的、明确的、部分的说明/一种逻辑语言的模型

Uschold(1996)本体是概念化的、明确说明和显式表达

Borst(1997)本体是共享的、概念模型的与形式化的规范说明

Swartout(1997)本体是一个为描述某个领域,而按继承关系组织起来作为一个知识库的骨架的一系列术语

Studer(1998)本体是共享的、概念化的、显式的与形式化的规范说明

Fensel(2000)本体是对一个特定领域中的重要概念共享的形式化描述

NoyF.N.(2001)本体是对某个领域中的概念的形式化的明确表示,每个概念的特性描述

Fonseca(2001)本体是以某一观点用详细明确的词汇表描述实体、概念、特性和相关功能了概念的各个方面及其约束的特征和属性的理论

Starla(2003)本体必须包括所使用术语的规范说明、决定这些术语含义的协议、以及术语之间的联系,来表达概念

2地理本体论的定义与研究意义

2.1地理本体的定义

地理本体就是把有关地理科学领域的知识、信息和数据抽象成由一个个具有共识的对象(或实体),硕士论文并按照一定的关系而组成的体系,同时进行概念化处理和明确的定义,最后以形式化表达的理论与方法。

2.2地理本体的研究意义

地理本体在地理信息科学领域受到广泛关注,其重要性已在许多方面得于表现,如知识工程、数据库设计和集成、信息检索与获取、软件工程等,实现世界范围的知识级信息集成。地理信息系统技术的发展,推动各种系统与数据库的建设,进行了大量的数字生产,随着高性能网络普及,信息共享与互操作变得越来越重要。因此,必须由原来的数据建设转变为数据与地理本体建设并重。

地理本体的研究可以为以下几个主要方面提供重要的理论与方法支撑:

(1)语义互联网:语义互联网提出后发现必须定义好底层的领域本体才可能顺利构造出语义互联网。语义互联网的基础就是本体,为使计算机能够理解,必须用形式化的本体来定义互联网资源中的数据和元数据的意义。地理信息资源作为语义互联网的重要资源,如何融入语义互联网是地理信息科学的重要课题。地理本体的抽象与构建是其重要基础。怎样让地理数据与信息在全球信息网格上运行,地理空间数据定义共享和互操作需要借助本体数据库思想建立一个统一的语义网络,来描述同一个客体在不同专业空间数据库中的语义描述及其转换[10]。

(2)地理信息系统之间的语义互操作:实现地理信息资源共享与互操作是地理信息技术发展的一个重要方向。从信息观点看,为了实现互操作,两个系统必须是信息模型可互操作,为了实现信息模型互操作,两个系统必须在语法上和语义上可互操作。语法互操作是指两个系统流动和被处理的信息使用相同的结构,这个问题已基本解决。语义互操作是指两系统对其中流动和被处理的信息有相同的语义理解[24]。语义互操作问题才开始引起研究人员的重视,是今后的研究重点。

(3)知识级地理信息共享与知识重用:随着大量地理知识、信息与数据的丰富和GIS与互联网技术发展,实现信息、数据和知识的共享是完全可能的。由于主体(人)对客观地理事物的认识存在较大差异,经常造成可能共有,但不能真正的共享与重用。例如对土地覆盖分类数据,不同国际组织、不同国家、不同部门和不同群体等具有不同的认识,并按照各自的认识进行数据生产和信息提取,造成相互之间的交流与实质性共享和重用非常困难[25],为此国际上也召开专题协调会议[26]。因此,在某些地理领域抽象一个合理和共识性地理本体是非常重要的,同时建立不同认识之间的语义映射机制也是非常必要的。

(4)地球科学中语义建模:在对地球系统的过程进行建模时,需要ontology的辅助使得不同领域的模型能够互相交互、重用和共享。在描述这些过程时,需要将过程的行为、时空特性与其他过程的关系等等描述出来。这些过程描述的集合构成一个过程库,称为模拟框架的基础。在地球系统建模中使用和表达语义将增强人们对环境系统进行科学研究和考察的能力,语义网为我们描述的各种解决方法提供平台和模型以及模型结果的使用带来新的有趣的途径[27]。

3地理本体的研究现状

从20世纪90年代末开始,本体概念及其思想引起了地理信息科学研究者的注意,许多国际学术组织和研究机构开展了一系列相关研究计划,地理信息科学界的许多国际学术会议也设立了与本体相关的讨论主题。

在地理本体基础理论研究方面,主要对地理本体理论构成、地理本体的人文调查与实验研究、地理本体的信息学研究,医学论文特别是地理本体的形式化描述语言和工具及本体创建和集成方法等方面进行了广泛而深刻的思索与探讨,并将地理本体理论与方法研究成果应用于地理信息集成、地理信息检索、道路寻找和智能体系统设计与开发、社会及生态环境研究等多个应用领域。下面首先简要介绍国际上开展的一些地理本体研究计划及召开的一些相关学术会议,然后从基础理论和应用两个方面介绍地理本体的研究进展。

3.1国际上与地理本体相关的主要研究计划与学术会议

(1)国际上主要的地理本体研究计划:科研人员针对某一个科学问题进行深入研究经常是通过有计划和目标的研究计划与项目,同时也反映出此科学问题得到科研人员的重视和具有重要的学术价值。地理本体的计划主要集中在美国,也逐渐在欧洲得到重视(表2)。

(2)地理本体相关的主要国际学术会议:在国际信息科学领域会议中,特别是空间信息与地理信息科学的会议,开设地理本体或时空本体的讨论专题(表3),职称论文表现为关注地理本体的科研人员越来越多和需要交流的科学问题很多,这也表明此学科正在发展。

3.2地理本体基础理论研究进展

地理本体基础理论研究主要探讨地理本体理论构成及地理本体的构建方法等方面,英语论文即从科学理论的视角来看,地理本体理论应包括哪些基础理论、需要应用哪些科学工具、存在哪些地理本体的构建方法。

由于认知科学现有的以桌面空间现象为基础的分类理论并不适合于地理对象,必须发展新的地理空间本体基础理论[28]。因此,有些学者就地理本体基础理论构成问题提出了一些建议。

Smith和Mark认为,针对地理对象的复杂性及由许多部分组成的特征,地理本体理论必须包括部分2整体理论(Mereology);针对地理对象具有边界且地理对象之间存在相接、相离、相交以及封闭和开放等拓扑特征,地理本体理论也必须包括拓扑学理论;由于常规拓扑学可能不能解决一些复杂的地理边界现象,地理本体还应包括纯拓扑理论(Me-reotopology);此外,地理本体研究必须说明地理对象的维度以及各种空间关系,也需要几何学作为其基础理论之一;除了上述数学理论外,由于许多地理对象的分类和地理现象的存在与人类的认知行为、语言和文化相关,地理本体理论也应该将认知科学和人文科学的调查和实验研究纳入到其基础理论体系中[28]。为了便于在部分2整体理论基础上研究地理实体与该实体所处空间区域的关系,除了部分2整体理论和拓扑学理论工具外,地理本体理论还应包括一般空间定位理论(Ageneraltheoryofspatiallocation)这种地理表达工具[29]。而有的学者则进一步强调地理本体应在内涵上定义并用形式化语言以计算机可以理解的方式表示拓扑理论、部分2整体理论、识别理论、分类理论和依赖理论(Theoryofdependence),只有基于上述理论发展起来的地理本体才有助于建立语义上更加一致的地理空间信息模型[30]。由此可见,地理本体基础理论构成应包括地理信息科学中相关的理论工具,如拓扑学理论、部分2整体理论、几何学和纯拓扑理论等数学工具,以及地理哲学、地理分类理论、地理认知科学或认知心理学、人类学和语言学等诸多学科。

表2国际上主要的地理本体研究计划

Table2Majoroversearesearchprojectsongeo-ontology

计划名称资助机构

空间知识的本体等级体系(1995)美国国家科学基金会(下称:NSF)

地理类型的本体调查(1999)NSF

NSF2CNPq地理空间信息集成合作研究(1999)NSF与巴西国家空间研究所(INPE)

数字政府:地理空间知识本体(1999)NSF的“数字政府”项目

数字政府:地理空间知识的表示与分发(2000)NSF的“数字政府”项目

空间思考与推理(2003)NSF

IGERT:地理信息科学综合培训计划(2003)NSF

地理本体研究组ONTOGEO希腊雅典国家技术大学乡村与测量工程学院

语义互操作实验室(MUSIL)德国Munster大学地理信息科学研究

表3国际上地理本体相关的主要学术会议

Table3Majorinternationalconferencesongeo-ontology

时间会议名称

1998年第一届国际形式化信息系统本体会议(FOISp98)

1998年第八届空间数据处理国际研讨会(SDHp98)

1999年“场本体(TheOntologyofFields)”的专家会议

1999年国际空间信息理论大会(COSITp99)

2000年第一届国际地理信息科学大会(GIScience2000)

2001年国际空间信息理论大会(COSIT2001)

2002年第二届国际地理信息科学大会(GIScience2002)

2002年由英国陆军测量局与利兹大学联合组织“地理本体论研讨会(WorkshoponGeo-On-tology)”

2003年国际空间信息理论大会(COSIT2003)

2004年第三届国际地理信息科学大会(GIScience2004)

2005年时空建模、空间推理、空间分析、数据挖掘与融合国际会议(STMp05)

地理本体构造方法研究目前有三个主要研究方向,即本体论研究方向、人文调查与实验研究方向和信息学研究方向。这三个研究方向的研究方法和侧重的研究内容各不相同,是地理本体理论相互补充、相互约束的三个方面,而不是相互对立和排斥的[31]。

(1)地理本体论研究:留学生论文地理本体论研究主要从哲学角度探讨地理本体的构成方法方面的研究,即试图在不同尺度和粒度层次上建立构成地理空间领域的各种对象、过程和关系等的所有类型,并形成等级体系。这种研究方法目前主要包括两个方面:与领域科学家进行交流,以设计建立各个领域内所有实体的种类;发展组织这些实体种类,例如部分2整体关系和粒度等的形式化方法。

第一方面的研究很难综述,但很显然地理科学领域已经建立了很多分类系统和标准,如地貌学中各种地貌的分类系统等。但这些分类系统的合理性和科学性评价方面的研究还相对滞后。Chrisman批评了那种发展大一统的地理本体的做法,认为应该保留对现实世界的不同看法,发展可以集成并转换各种分类系统以及解决这些不同分类系统之间语义异质性的科学方法可能是一个比较合理的研究方向[32]。

实体类型的组织目前主要采用各种等级结构进行。树状结构是目前组织实体类型的主流方法,其特点是各种实体类型根据其一般性程度被划分到某个一般性层次上,而且每个类型只有一个父类但可以有多个子类,这种本体的典型代表就是Word-Net。Kuhn从认知科学中的概念集成思想出发探讨了地理类型的语义建模,揭示了像WordNet这种以树状结构或概念等级组织的本体的优势和缺陷,认为其优点在于可以基于概念之间的距离来度量它们之间语义的相似性,而其缺陷一方面表现在这种本体只具有单一的继承关系,另一方面表现在这种结构不能抓住概念之间的某些关系,如概念的功能关系,而以代数视图为基础的Haskell语言被证明是改进这些缺陷和构建本体的有力工具[33]。此外,形式化概念分析方法及概念格允许多态继承,克服了树状结构的固有缺陷,也是组织本体的有力工具[34-35]。

(2)地理本体的人文调查和实验研究:地理本体的人文调查和实验研究主要采用心理学或认知科学的调查和实验检验方法,研究普通人群对基本地理概念的理解,或参考朴素地理学或民间地理学研究成果,从中抽取地理本体,为地理本体的建立提供经验和实验基础。

Smith和Mark等在此方面进行了的一系列实验研究工作。他们认为并假设地理对象不仅仅位于空间中,而且在本质上与空间相连,从空间继承了其结构特征,地理类型也往往是与大小或尺度相关的,而且地理事物或事物类型可能与个人或文化差异有关。为了验证这种假设,他们设计了一系列实验,包括:为某些地理类型抽取类型范本的实验;类型实例及其属性和组成部分实验;边界本质问题实验;术语定义实验。这些实验都以人为实验对象,通过问卷调查及调查结果的统计分析来研究地理概念的认知方面,从而为地理本体建立经验基础。这些实验数据揭示了这样一个事实:地理科学家和普通人群对于术语“地理”和“地理的”的涵义的理解存在很大的差别,因此地理科学家实际上研究的并不是民间普通人群概念中的地理现象[36-38]。他们的系列实验仍在进行中,并希望通过在不同地区、不同文化和不同语言背景下分别进行实验,以验证这些差异是否会明显影响人们对基本地理概念及其本体的理解。在澳大利亚一个部落土著语言中的景观元素类型与英语比较研究之后发现,这两个系统间在基本层次上就存在本质差异,表明地区和语言文化背景差异确实会对人们头脑中的基本地理概念及其本体产生明显影响[39]。

(3)地理本体的信息学研究:地理本体的信息学研究采用信息科学的标准研究模式,研究地理本体的描述、获取、比较和集成方法以及有关的形式化表达工具,以实现互操作和跨系统转换及地理信息(数据)的集成与检索。

本体集成和形式化研究是人机智能等计算机领域的本体研究中的一个重要研究内容,目前已经发展了许多本体形式化语言和方法。概括而言,目前本体形式化语言主要有两大类,即基于框架的表示语言和描述逻辑,经典的基于框架的表示语言包括Ontolingua、OKBC等;描述逻辑在人机智能特别是知识工程领域广为应用,已经发展了多种基于描述逻辑的本体表示语言,如LOOM、OIL等。

在对比分析各种本体定义语言在定义地理信息本体方面的优缺点的基础上,Mota等认为这些工具各有特点,相对而言Ontolingua的功能比较强,但也无法完成对行为的合理定义和声明,而且也不可能完整定义一般的推理过程,因此应扩展Ontolin-gua以便可以完整地定义地理信息本体[40]。Visser等对形式化本体及其在地理信息处理中的应用作了一个简洁综述,对各种本体语言的形式化程度进行了比较,包括描述层次的XML到一阶谓词逻辑层次的概念建模语言CML以及更复杂、形式化程度更高的知识交换格式KIF等,并简单介绍了一种基于语义的智能信息检索构架[41]。目前,地学领域已经认识到,虽然计算机领域的一般信息本体研究已发展了许多本体形式化语言和方法,但这些形式化工具并不能完整地定义地理本体,必须扩展现有语言和方法或发展新的能满足地理本体需要的形式化工具。为此,已有一些学者就地理本体语言和工具方面提出了一些建议[42-43]。

地理本体并不是无源之水,地理学研究已经形成了许多文本形式的地理领域本体,如各种分类体系及地理空间概念模型等。因此,可以发展从自然语言文本中抽取生成地理本体的方法,以便充分利用地理学现有的研究成果。Kuhn提出了一种从自然语言文本中抽取地理领域本体的方法,该方法主要关注文本中的对象行为,并以从德国交通代码文本中抽取汽车导航领域本体为例说明了这种方法的可行性[44]。

不同的信息领域对相同地理现实具有不同的观点,因此存在许多不同的分类系统。相同领域中这些不同的分类系统和标准之间是互补的,不同的分类系统表达了同一领域的不同方面,可以在一个顶级本体的框架下,应用形式化概念分析方法,将这些分类系统与顶级本体进行集成和融合,从而产生集成的概念格,这样一方面既可以保持各个分类系统的独立性,更重要的是又可以产生比较完整的领域本体,实现不同分类系统之间的转换和互操作。基于这种思想,Kokla等以CYC顶级本体、WordNet和SDTS(USGS的空间数据转换标准)本体中的“河流”概念为例,应用形式化概念分析方法,通过语义因子分解和建立概念格(Conceptlattice)这两个步骤,得到了集成的概念格,验证了这种方法的有效性[45]。Kavouras等应用形式化概念分析和概念格形式化表达地理类型及集成不同地理本体的具体方法[46]。此外,也有学者提出了基于相似性的本体集成方法[47248]。

3.3地理本体应用研究进展

目前地理本体的应用研究主要集中在以下四个方面:工作总结(1)地理信息(数据)集成;(2)地理信息(数据集)发现与检索;(3)道路寻找(Wayfinding)系统研究;(4)其他应用研究。

本体作为共享概念模型建模的有力工具,在解决不同数据源之间语义异质性、互操作和集成方面的潜在优势已得到了学术界的广泛重视。在计算机学界,本体方法已经广泛应用于数据集成特别是模式和语义集成方面,有关这方面的研究进展可以参考相关文献[49-51]。

不同地理信息(数据)的集成是近年来地理信息科学研究的一个主要内容,作为共享地理概念模型或地理认知模型的形式化说明,地理本体为地理数据提供了形式化语义说明,对于解决地理数据的语义异质性和实现语义层次上的互操作具有很大的潜在优势,通过地理本体可以在集成地理数据时将数据的语义也集成过来。由于地理本体的这种优势,在GIS领域,已经有一些学者开始探讨基于本体的空间数据集成框架和方法。

Fonseca提出了一种基于本体的地理信息集成框架[52]。在这种集成框架中,地理信息的集成是通过集成不同地理信息源相应的底层本体实现的,因此是一种多本体方法。与一般模型相比,综合了等级和角色的模型具有集成更多信息的潜力。在这种框架中,地理本体使用等级和角色来表达,等级的使用不仅可有效表达心智模型中有关现实世界的等级结构,还提供了信息集成所需的概化和特化机制并实现知识共享和重用,而角色的使用不仅有效表达了地理实体的不同特征以避免多态继承问题,还在不同细节层次之间以及不同领域本体网络之间架起

了一座沟通的桥梁,由于本体的这些特征,地理信息集成可以在不同详细层次上进行。因此,这种综合了等级和角色的本体集成框架可以实现基于地理信息内涵的、多层次的、高集成度的地理信息集成。

Uitermark研究了一种基于本体的地理数据集成方法[53]。他认为,地理数据集成概念框架包括两个组成部分:一个领域本体和一系列调查规则。其中领域本体包含一系列共享概念,根据这些概念可以发现对应的对象实例,而调查规定每个数据集的采集规则,说明了从真实地理世界到地理数据集的转换过程,因此不同地理数据集的相应对象实例必须与不同的调查规则集一致。不同地理数据集之间通过特化2泛化等级结构或分类体系(Taxonomy)和部分2整体结构(Partonomy)两种抽象机制相联结,利用这两种抽象机制,可以模拟所谓参考模型中的对象类的语义关系,并认为不同数据集的对象类之间的语义相似性有三种类型,即等价对象类、具有子类2父类关系的对象类和具有部分2整体关系的对象类。最后以GBKN和TOP10vector两个地形数据集为例展示这种集成方法的实施方法及其有效性。

地理信息的查询与检索是地理信息集成与应用的前提条件。GIS中数据的查询和检索是一项重要的功能,但由于用户认知和概念世界中的概念与系统模型中的概念之间存在语义异质性,用户查询出来的数据往往并不是他们真正需要的。通过建立包含部分2整体、重叠和相交等空间关系的地理本体并将之用于查询请求和数据库之间的词汇匹配可以解决这种语义异质性,从而实现各种空间查询和属性查询[54]。此外,网络技术的发展已使地理信息发现

与服务成为GIS研究的一个热点,可以利用地理本体建立智能地理信息发现和查询系统以及地理信息服务系统[55]。

道路寻找系统研究也是国际地理信息科学领域的一个热门研究问题,许多国际学术会议上都有这个方面的会议主题,如GIScience2000、GI-Science2002、COSIT2003等。Raubal认为,本体论和认识论是智能体系统的基础,只有基于合理本体基础上的智能体系统才可能合理地模拟智能体的行为,因此需要发展从人们对道路寻找经验的描述中抽取本体,以便为基于智能体的道路寻找系统提供所需的本体基础,并将道路寻找模拟过程中需要的本体分为介质、本质和界面三个部分,最后以机场环境为例说明了这种系统的实现方法[56]。也有学者从旅行者的视角研究了道路寻找系统所需的本体,分析和比较了城市区域道路寻找系统中交通系统设计者视角中的本体和旅行者视角中的本体的差别,认为后者是前者的子集,即旅行者从一个出发点到达一个终点寻找道路所需的本体可以从交通系统设计本体中抽取[57]。

GIS已经在许多领域和行业中得到了广泛应用,而这些应用都涉及到概念建模和语义问题,因此都需要地理本体为其应用提供服务。除了上述地理信息集成、地理信息发现和查询检索及道路寻找系统方面的应用外,地理本体的应用还包括许多其他方面,地理本体研究已在社会科学、生态学、土地利用、环境等领域得到了初步应用。例如,公共卫生领域基于本体的晚期肾病网络GIS决策支持系统SIGNE研究[58]、多尺度生态系统分类等级体系的形式化和本体研究[59]、土地覆盖与利用分类体系的本体集成研究[60]等。随着地理本体理论与方法的不断完善,这些应用研究将得到进一步的蓬勃发展。

4结语

地理数据、信息和知识的在信息时代得到前所未有的广泛使用,但由于它们中的许多是基于主体认识的,致使产生了“可共享不可共用”的问题。地理本体作为一种思想、理论和方法,现在科学与技术条件下,可以为解决此问题提供一种途径。

地理本体研究涉及面非常广。它不仅仅要考虑本领域的科学研究和与专业人员,也要考虑地理数据、信息、知识的普通用户。它不仅在理论上要有合理性与完整性,更要能够在计算机与互联网上实现。地理本体研究应是一个系统工程,必须进行广泛的交流与合作,并进行有规划的分工与合作。

地理本体的相关研究受到更多研究人员的关注,但在许多基本问题上没有达成共识和取得实质性的进展,例如在构建地理本体的方法上存在较大的差异,因此研究人员还有相当多需要研究的问题。

地理本体研究已成为国际地理信息科学领域一个重要的新兴研究方向并得到了蓬勃发展,而国内在这方面的研究才刚刚开始,只有少数学者开展了一些探索性的思考和研究[3,9-10,61-68],并且主要是基于信息学的本体研究模式。因此,我国应紧跟国际地理本体的研究动态,积极开展我国自己的地理本体理论、方法和应用研究。研究过程必须考虑到中国的民族、文化、语言、空间认知的特点。最关键的是,构建的地理本体能广大用户接受与应用,地理本体为语义互操作、语义互联网以及地球系统的语义建模等都提供支持。

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