地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究

1、分類號 密 級 U D C 編 號 地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究Research on Semantic Modeling and Inference under the Geospatial Sensor Web Environment2學(xué)位論文創(chuàng)新點本論文存在以下三個創(chuàng)新點：1、提出了一種嵌套時空譜語義特征的地理空間傳感網(wǎng)資源建?？蚣?。由于目前國內(nèi)外地理空間傳感網(wǎng)中觀測資源信息表達(dá)模型不統(tǒng)一，且缺少傳感網(wǎng)觀測資源語義元數(shù)據(jù)集的明確描述，使得觀測資源因來源不同導(dǎo)致其描述形式差別較大，甚至是在不同時期針對同一類觀測資源的描述也可能存在差異。此外，觀測資源時空譜信息的典型特征并未進(jìn)行描述和表

2、達(dá)，且部分信息存在語義沖突。因此，這種內(nèi)容描述不全面且存在語義冗余的觀測資源模型，難以滿足觀測資源的高效服務(wù)需求。本文總結(jié)并分析了現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)編碼模型和對地觀測元數(shù)據(jù)模型，依據(jù)地理空間傳感網(wǎng)的語義需求，擴(kuò)展并重利用現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)和傳感器相關(guān)的元數(shù)據(jù)描述形式，建立了基于 SMOF 的傳感器及觀測數(shù)據(jù)的資源語義描述架構(gòu)。在 SMOF 的元級理論基礎(chǔ)上定義了觀測資源的語義描述元模型構(gòu)件，包含觀測資源的語義標(biāo)簽、設(shè)備特征、觀測過程特征、語義關(guān)聯(lián)特征和時空譜語義特征信息，實現(xiàn)了地理空間傳感網(wǎng)觀測資源的統(tǒng)一描述與語義表達(dá)。它能通過觀測資源的語義對象，應(yīng)用于傳感網(wǎng)服務(wù)中。因此，本文建立的觀測資源語義建模方

3、法是實現(xiàn)地理空間傳感網(wǎng)高效管理與服務(wù)的基礎(chǔ)。2、建立了一種以觀測過程為中心的地理空間傳感網(wǎng)本體模型。目前在國內(nèi)外定義的地理空間傳感網(wǎng)本體模型中更多的是關(guān)注傳感器硬件設(shè)備的信息，對于觀測資源元數(shù)據(jù)本身的描述仍缺乏。而這種模型不適用于傳感網(wǎng)中觀測數(shù)據(jù)的語義表達(dá)。因此，本文分析了基于本體的面向語義元數(shù)據(jù)模型框架，采用傳感網(wǎng)觀測資源語義描述元模型構(gòu)件，描述傳感器與觀測過程之間的內(nèi)在關(guān)系，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)中觀測資源的本體類構(gòu)建。它能通過傳感網(wǎng)的語義服務(wù)，實現(xiàn)傳感網(wǎng)觀測資源的語義注冊。因此，本文建立的地理空間傳感網(wǎng)本體模型是實現(xiàn)地理空間傳感網(wǎng)語義注冊的基礎(chǔ)。3、提出了一種針對應(yīng)用-觀測資源時空譜語義推理方法。

4、過去，在查詢者進(jìn)行特定應(yīng)用領(lǐng)域的觀測資源檢索時，其查詢進(jìn)程通常采用關(guān)鍵字匹配實現(xiàn)。這種模式在觀測資源的元數(shù)據(jù)描述不完備時，易導(dǎo)致查詢結(jié)果的不完整，其準(zhǔn)確度不高。本文分析了地理空間中的時間、空間和波譜特征，確立了傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)的時空譜語義特征，通過挖掘應(yīng)用領(lǐng)域與觀測資源在時空譜三個方面的隱含關(guān)系，建立了應(yīng)用-觀測資源間時空譜推理規(guī)則，實現(xiàn)了面向應(yīng)用領(lǐng)域的觀測資源關(guān)聯(lián)匹配，提高了之前應(yīng)用觀測資源的效能。該應(yīng)用-觀測資源的時空譜推理規(guī)則為傳感網(wǎng)資源的高效訪問和查詢提供了保障，促進(jìn)了多源觀測資源在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的合理發(fā)現(xiàn)與使用。4地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究摘 要隨著地理空間環(huán)境的不斷變化，為

5、了適應(yīng)智慧城市中地理國情監(jiān)測的發(fā)展， 人們對于地理空間觀測資源的需求日益增加且復(fù)雜度提高，地理空間傳感網(wǎng)中的傳感器和觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多樣性，其互操作性的需求逐步提升，地理空間語義傳感網(wǎng)的發(fā)展已成為必然。為了描述傳感網(wǎng)觀測資源的語義特征，提高其資源的應(yīng)用效能與互操作性，傳感網(wǎng)資源高效管理與精確發(fā)現(xiàn)成為地理空間語義傳感網(wǎng)發(fā)展中的主要科學(xué)問題之一。地理空間傳感網(wǎng)中的觀測資源主要包括了傳感器和觀測數(shù)據(jù)及其相關(guān)的其他信息，這是地理空間數(shù)據(jù)獲取的主要來源。然而，這些觀測資源的種類不同， 觀測機理各異，在現(xiàn)有的模型描述中，傳感器和觀測數(shù)據(jù)的描述具有封閉性和孤立性。由于，缺乏同時具備傳感器和觀測數(shù)據(jù)描述信息的觀測

6、資源描述模型，無法實現(xiàn)聯(lián)合檢索，直接導(dǎo)致觀測資源的查詢檢索不全面且低效。因此，本文旨在建立以觀測過程為中心的觀測資源語義描述模型，實現(xiàn)這些異構(gòu)多源的觀測資源的管理，為觀測資源的語義注冊提供保障，是解決傳感網(wǎng)高效管理與精確發(fā)現(xiàn)這一問題的模型基礎(chǔ)。針對地理空間傳感網(wǎng)觀測資源的特點及其在面向應(yīng)用領(lǐng)域時的低效檢索的問題，本文指出了挖掘觀測資源與應(yīng)用領(lǐng)域在時空譜方面的內(nèi)在關(guān)系是解決地理空間傳感網(wǎng)中精確發(fā)現(xiàn)這一問題的一個重要手段。圍繞此研究內(nèi)容，本文從觀測資源的語義建模框架入手，從地理空間傳感網(wǎng)語義建模和推理上開展研究。首先，本文總結(jié)了現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)編碼模型和觀測元數(shù)據(jù)模型，分析了地理 空間傳感網(wǎng)觀測資源

7、的語義需求，通過擴(kuò)展并重利用現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)信息， 提出了嵌套時空譜語義特征的傳感網(wǎng)資源語義建?？蚣堋；?SMOF 理論定義了傳感器及觀測數(shù)據(jù)的資源語義描述模型架構(gòu)，建立了傳感網(wǎng)觀測資源語義描述的 元模型，確立了傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)的語義對象，為傳感網(wǎng)觀測資源的語義服 務(wù)奠定了基礎(chǔ)。其次，為了實現(xiàn)傳感網(wǎng)觀測資源的語義注冊，本文提出了以觀測過程為中心的地理空間傳感網(wǎng)本體模型，基于頂層本體建立了傳感器與觀測數(shù)據(jù)為核心類的本體模型，并詳細(xì)闡述了在觀測過程以及觀測能力等方面的觀測資源類，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)觀測資源的語義建模，改變了原有觀測資源描述不規(guī)范且描述不充分的局面，是地理空間語義傳感網(wǎng)語義注冊的

8、模型基礎(chǔ)。再次，為了實現(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域和傳感器在時空譜特征方面的有機關(guān)聯(lián)，本文提出了地理空間傳感網(wǎng)時空譜推理方法。通過定義地理空間在時間、空間和波譜方面的語義特征，明確了觀測資源元數(shù)據(jù)的時空譜屬性的語義內(nèi)涵，建立了針對地理I空間中時空譜語義和傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)的推理規(guī)則，并以此完善了已有的本體模型。由此，突破了原有傳感網(wǎng)資源檢索時關(guān)鍵字匹配的局限性，為地理空間傳感網(wǎng)資源的高效檢索提供了可行的推理方法。最后，應(yīng)用本文所提出的語義建模方法與推理規(guī)則，構(gòu)建了地理空間語義傳感網(wǎng)服務(wù)平臺框架，以土壤墑情監(jiān)測為應(yīng)用需求，選擇湖北省土壤墑情監(jiān)測的觀測資源為服務(wù)平臺的實驗資源，驗證了本文的模型與方法在傳感網(wǎng)觀測資

9、源管理與查詢服務(wù)的有效性與可行性。關(guān)鍵詞：地理空間傳感網(wǎng)、傳感器、觀測數(shù)據(jù)、語義建模、推理規(guī)則IIAbstractWith the changes of Geospatial environment, in order to adapt to the development of geospatial-national conditions montoring in Smart City, the demands of quantity and complexity of geospatial observation resources increase. The sensor and obs

10、ervation data in Geospatial Sensor Web(GSW) show diversity, and require the interoperability. Therefore, the GSW with semantics has become inevitable. In order to describe the semantics of observation resources in Sensor Web, and to improve the application performance and interoperability, the effic

11、ient management and accurate discovery are the major scientific problems under the Geospatial Semantic Sensor Web environment.The observation resources in GSW include sensors and observation data, as well as other information, which are the main source of geospatial data. However, the observation re

12、sources have different types and observation mechanisms in the existing model. It means the description of sensors and observations is closed and isolated. Due to the lack of the description model of observation data along with sensor, the associative retrieval can not be achived. It will lead to in

13、complete query and inefficient retrieval. Therefore, this paper aims to establish observationprocessing-centered semantic description model of observation resource. The model could manage the heterogeneous multi-source resource, provide the protection of semantic registion, and is the model basis of

14、 efficient management and accurate discovery.According to the characteristics of observation resources under GSW and the problems of inefficient disocovery for diverse applications, this paper points out that mining the internal relations between observation resources and applications is a major mea

15、n for achieving accurate discovery. The paper carries out the semantic modeling and inference from the research of semantic modeling framework of observation resources.Firstly, the paper starts with the summary to the existing coding model of observation data and metadata, and the analysis of semant

16、ic requirements under GSW. Through the expansing and resuing the existing observation metadata, the paper proposes semantic modeling framework of Sensor Web resources with spatiotempral- spectral semantics. Based on the SMOF semantic metamodel theory, the paper defines the semantic description model

17、 architecture for sensors and observation data, establishes the semantic metamodel and semantic objects of observation resources, which plays a basis of semantic service of observation.Secondly, in order to achieve semantic registry of observation resources, the paper presents observationprocessing-

18、centered GSW ontology. Based on the tope level ontology, the paper established the core classes of sensors and observations, the observation classes for observation process and capability. It could achieve the semantic modeling of observation resources, breaking the restrain of nonstandard and insuf

19、ficiency description. The GSW ontology is a basis model of semantic registry under GSW environment.Thirdly, in order to achieve the association of spatiotempral-spectral characteristics beween application and sensors, the paper propses spatiotempral-IIIspectral inference method of GSW. By defining t

20、he spatiotempral-spectral semantics of geospatial entity, and the semantic features of observation metadata, the inferences rules for geospatial spatiotempral-spectral semantics and observation metadata are described. Then, the rules improve the existing ontology model. Thus, when breaking the limit

21、ations of key match in discovery, the inference method lays the feasible method for efficient retrieval.Finally, this paper builds the Geospatial Semantic Sensor Web service platform framework. By using the soil moisture monitoring observation resources in Hubei Province as the experimental resource

22、s, the application of propsed semantic modeling and inferences has been examplifies. The results indicate that metadata retrieval with a spatiotemporal-spectral-enhanced method can efficiently achieve fine-grained discovery of qualified observation metadata and obtain soil moisture monitoring inform

23、ation from sensor images. In summary, the spatiotemporal-spectral semantics in the proposed method demonstrate the use of observation metadata, improving the efficiency and accuracy of EO metadata discovery.Key Words: Geospaital Sensor Web, Sensor, Observation, Semantic modeling, Inference rulesIV目錄

24、摘 要IAbstractIII1 引言11.1 研究背景11.1.1 地理空間傳感網(wǎng)11.1.2 地理空間傳感網(wǎng)的語義需求21.2 研究現(xiàn)狀41.2.1 傳感網(wǎng)資源本體模型51.2.2 傳感網(wǎng)語義推理71.2.3 傳感網(wǎng)語義注冊和查詢91.3 存在問題與研究意義91.4 研究目標(biāo)與研究內(nèi)容111.4.1 研究目標(biāo)111.4.2 研究內(nèi)容121.5 論文結(jié)構(gòu)安排122 理論基礎(chǔ)與相關(guān)技術(shù)152.1 OGC 傳感網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)模型152.1.1 觀測數(shù)據(jù)編碼模型（OM）152.1.2 對地觀測元數(shù)據(jù)模型（EOP）172.2 語義 Web 關(guān)鍵技術(shù)182.3 信息資源的語義組織與管理192.3.1 面向

25、語義的 MOF 元建模理論192.3.2 信息資源的語義建模222.3.3 信息資源模型的語義對象222.4 Web 環(huán)境下信息資源的推理技術(shù)232.5 本章小節(jié)233 嵌套時空譜特征的傳感網(wǎng)資源語義建模框架253.1 基于 SMOF 的觀測資源語義描述架構(gòu)253.1.1 SMOF 元元模型層263.1.2 面向語義的元模型層273.1.3 面向語義的模型層283.1.4 地理空間傳感網(wǎng)信息層293.2 傳感網(wǎng)觀測資源語義描述的元模型構(gòu)件293.2.1 觀測資源語義標(biāo)簽303.2.2 觀測資源設(shè)備特征323.2.3 觀測資源觀測過程特征333.2.4 觀測資源語義關(guān)聯(lián)特征393.2.5 觀測資

26、源時空譜語義特征403.3 傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)的語義對象413.3.1 元數(shù)據(jù)模型的語義對象信息413.3.2 元數(shù)據(jù)模型的語義關(guān)系443.4 本章小節(jié)45V4 以觀測過程為中心的傳感網(wǎng)本體模型464.1 基于本體的面向語義元數(shù)據(jù)模型框架464.2 傳感網(wǎng)本體模型的總體架構(gòu)464.3 本體模型采用 DOLCE 的類與屬性474.4 傳感網(wǎng)本體模型的核心部分與屬性514.5 傳感網(wǎng)本體模型的觀測資源相關(guān)的類和屬性574.5.1 Observation 觀測部分的類與屬性574.5.2 Model 模型部分624.5.3 Sensor 傳感器相關(guān)的類與屬性624.5.4 Deploy 部署部分的

27、類與屬性644.6 本章小節(jié)655 地理空間傳感網(wǎng)時空譜推理方法665.1 基于本體的推理規(guī)則形式665.2 觀測資源時空譜推理規(guī)則架構(gòu)675.3 觀測資源時間特征推理規(guī)則695.3.1 地理空間中的時間語義695.3.2 傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)時間屬性的語義705.3.3 觀測資源的時間推理規(guī)則725.4 觀測資源空間特征推理規(guī)則765.4.1 地理空間中的空間語義765.4.2 傳感網(wǎng)觀測資源元數(shù)據(jù)空間屬性的語義775.4.3 面向應(yīng)用的空間屬性推理規(guī)則785.4.4 觀測資源空間關(guān)系推理規(guī)則805.5 觀測資源波譜特征推理規(guī)則815.5.1 地理空間的地物波譜語義815.5.2 傳感網(wǎng)觀測

28、資源元數(shù)據(jù)波譜屬性的語義特征825.5.3 觀測資源的波譜類型推理規(guī)則825.5.4 面向應(yīng)用的波譜特征推理規(guī)則835.6 依據(jù)規(guī)則完善本體855.7 規(guī)則實例865.8 本章小節(jié)886 地理空間語義傳感網(wǎng)服務(wù)平臺及應(yīng)用906.1 地理空間語義傳感網(wǎng)服務(wù)平臺總體框架906.2 服務(wù)平臺模塊劃分及功能設(shè)計916.2.1 傳感網(wǎng)本體建模916.2.2 觀測資源語義注冊926.2.3 觀測資源語義推理936.2.4 觀測資源語義查詢946.2.5 觀測資源結(jié)果可視化946.3 地理空間語義傳感網(wǎng)觀測資源應(yīng)用956.3.1 實驗流程956.3.2 實驗區(qū)域和數(shù)據(jù)976.3.3 地理空間傳感網(wǎng)觀測資源語

29、義注冊996.3.4 面向土壤墑情監(jiān)測的觀測資源推理與查詢100VI6.4 地理空間語義傳感網(wǎng)服務(wù)效能分析1046.4.1 查詢結(jié)果反演準(zhǔn)確度分析1046.4.2 查詢服務(wù)準(zhǔn)確度與效率分析1086.4.3 傳感網(wǎng)本體建模和推理方法特點1106.5 本章小結(jié)1127 總結(jié)與展望1137.1 總結(jié)1137.2 展望113參考文獻(xiàn)115VII地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究1 引言1.1 研究背景1.1.1 地理空間傳感網(wǎng)現(xiàn)今許多傳感器被用于監(jiān)測地理空間中的各種對象和事件。而其獲取的觀測資源是對事物進(jìn)行觀測得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，一般由傳感器產(chǎn)生，或者由人工觀測得到。由于傳感器設(shè)備更小造價更低也更為智能，所

30、以，傳感器設(shè)備的普及使得傳感器及其觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量劇增。觀測資源普遍存在于人們的生活中，如溫度、速度、降雨量、流速、風(fēng)向、鹽度、信噪比等（陳能成等，2014）。觀測資源應(yīng)用廣泛，意義也十分重大。其應(yīng)用領(lǐng)域不僅涉及民用，還包括軍用，細(xì)至日常生活每個角落，小至每一臺智能手機，大至衛(wèi)星影像、雷達(dá)等。傳感網(wǎng)獲取的觀測資源對人們有著重要的意義，如：火災(zāi)監(jiān)測的遙感影像對災(zāi)后救援和重建起到了關(guān)鍵作用；海平面高度的觀測數(shù)據(jù)對全球氣候變化監(jiān)測起著關(guān)鍵作用；水體溫度的觀測數(shù)據(jù)對海洋和冰川的監(jiān)測也是極為重要的監(jiān)測依據(jù)；PM2.5 的觀測數(shù)據(jù)更是對人類的日常生活環(huán)境有著重要指示意義。但正因為越來越廣泛的應(yīng)用，加上傳感

31、器種類和數(shù)量都越來越多，如何在茫茫數(shù)據(jù)海洋中有效地、有針對性地高效管理和利用這些觀測資源是目前的一大難題。傳感器網(wǎng)絡(luò)（Sensor Network）和傳感網(wǎng)（Sensor Web）的理念也正是基于此產(chǎn)生的。傳感器網(wǎng)絡(luò)側(cè)重于硬件基礎(chǔ)設(shè)施，它是指在分布式環(huán)境下監(jiān)視和測量諸如溫度、聲音、速度、壓力等物理特性的傳感器組成的觀測網(wǎng)絡(luò)（Warneke et al., 2001; Michael et al.,2005; 張二鋒等，2014）。而傳感網(wǎng)由 Nature 于 2006 年提出，它是大規(guī)模在線觀測的信息基礎(chǔ)設(shè)施，是 2020 年科學(xué)計算的遠(yuǎn)景（Butler, 2006）。在傳感網(wǎng)環(huán)境下，異構(gòu)傳感

32、器的硬件和應(yīng)用之間的交流協(xié)議可以實現(xiàn)隱藏，以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式規(guī)定傳感網(wǎng)資源的發(fā)現(xiàn)和訪問以及任務(wù)、觀測和預(yù)警等服務(wù)的相關(guān)接口（Broring et al.，2011）。因此，側(cè)重于模型和服務(wù)的傳感網(wǎng)應(yīng)用較為廣泛，其發(fā)展也十分迅速。NASA 于 2008 提出了以用戶為中心的衛(wèi)星傳感網(wǎng) Sensor Web 2.0，于 2010 年提出連接在軌處理的衛(wèi)星傳感網(wǎng)Sensor Web 3G 的概念和框架（Delin et al., 2001）。加拿大 GeoICT 實驗室也提出了傳感網(wǎng)是連接所有傳感器和觀測的“全球傳感器”（Liang et al., 2005）。在傳感網(wǎng)的快速發(fā)展過程中，開放地理空間

33、信息聯(lián)盟（OGC）進(jìn)行的相關(guān)研究較為深入，它認(rèn)為傳感網(wǎng)是決策支持系統(tǒng)、過程模型、傳感器之間的橋梁，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下將實現(xiàn)傳感器、觀測和處1理過程的即插即用和觀測數(shù)據(jù)的廣泛互聯(lián)（Reed et al., 2013; 陳能成等, 2012)。為了實現(xiàn)本世紀(jì)地球“電子表皮”（Kim et al., 2011）異構(gòu)傳感器的信息共享和即時服務(wù)，OGC 制定了傳感網(wǎng)的四個信息模型和五個接口規(guī)范。隨著傳感網(wǎng)的應(yīng)用逐漸增多，并且大量的地面原位和星載遙感衛(wèi)星傳感器應(yīng)用于觀測地理空間中的各類地物和事件中，由此，地理空間傳感網(wǎng)的概念應(yīng)運而生。地理空間傳感網(wǎng)（Geospatial Sensor Web）由具備感知、計算

34、和通信能力的傳感器以及傳感器網(wǎng)絡(luò)與萬維網(wǎng) GIS 相結(jié)合面向地理空間中的資源而產(chǎn)生的信息物理基礎(chǔ)設(shè)施。地理空間傳感網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)沿用了傳感網(wǎng)的信息模型和接口規(guī)范，并且針對傳感網(wǎng)可以感知的地理空間資源的特點進(jìn)行了擴(kuò)展。1.1.2 地理空間傳感網(wǎng)的語義需求從使用者對于傳感網(wǎng)的需求出發(fā)，地理空間傳感網(wǎng)需要實現(xiàn)星載遙感和地面原位等多傳感器觀測資源的統(tǒng)一描述；需要針對瞬時突發(fā)事件和長期漸變事件，設(shè)計傳感網(wǎng)協(xié)同觀測和高效服務(wù)模式；需要為傳感器調(diào)度、觀測數(shù)據(jù)獲取、觀測數(shù)據(jù)處理和在線服務(wù)等方面提供標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口（陳能成等, 2012）。由此，OGC 提出的傳感網(wǎng)架構(gòu)，不僅制定了模型和服務(wù)上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且支持多種

35、傳感器數(shù)據(jù)在應(yīng)用領(lǐng)域的靈活融合和使用。但是，現(xiàn)有的研究難以挖掘傳感網(wǎng)觀測資源與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的隱含信息，這不利于用戶高效發(fā)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)從而快速解決問題。將語義技術(shù)應(yīng)用于地理空間傳感網(wǎng)不僅可以解決上述問題，還具有如下作用：1）解決多種數(shù)據(jù)格式的不相容性。語義技術(shù)可以提高觀測資源共享和互操作性，有助于提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式表示更準(zhǔn)確的信息，形成更合理的資源描述結(jié)構(gòu)；2）通過傳感器元數(shù)據(jù)更精確的描述進(jìn)行傳感器的合理分類。觀測資源的語義信息可以挖掘出其隱含的應(yīng)用領(lǐng)域，便于將相關(guān)的傳感器按照應(yīng)用領(lǐng)域歸類，實現(xiàn)快速高效的傳感器管理；3）傳感器位置和時間屬性的語義注釋實現(xiàn)了更準(zhǔn)確的時空數(shù)據(jù)表達(dá)；4）語義技術(shù)實現(xiàn)了從

36、傳感網(wǎng)中獲取的原始數(shù)據(jù)到高層次信息的推理，提高了觀測資源的利用率；5）增強了傳感網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的功能，有助于提供對地觀測智能決策服務(wù)。由此，將為網(wǎng)絡(luò)信息資源提升應(yīng)用效能功能的語義網(wǎng)（Semantic Web）（Berners-Lee,1998）技術(shù)融入到地理空間相關(guān)資源的監(jiān)測和管理中已成為研究熱點。主要的研究進(jìn)展包括：Egenhofer（2002）提出的地理空間語義網(wǎng)（Geospatial Semantic Web，GSW），主要用于增強地理空間中各個資源的智能發(fā)現(xiàn)能力； Sheth 等（ 2008 ） IEEE InternetComputing 期刊上首次提出了語義傳感網(wǎng)（Semantic S

37、ensor Web，SSW）的概念。從地理空間傳感網(wǎng)服務(wù)的發(fā)展方向分析，它已朝著虛擬化、智能化、普適化和主動化四個方面發(fā)展（Chen et al. 2014）。為了實現(xiàn)智能化的傳感網(wǎng)服務(wù)，采用語義技術(shù)提高其互操作性是促進(jìn)其未來發(fā)展的重要手段之一。由此，智能化地理空間傳感網(wǎng)服務(wù)的實2地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究現(xiàn)可以借助語義技術(shù)進(jìn)行傳感網(wǎng)觀測資源的形式化描述，使得觀測具有語義信息，實現(xiàn)相關(guān)資源的明確詳盡描述和一致性表達(dá)；還可以建立觀測資源的相關(guān)推理規(guī)則，這有助于資源的精確發(fā)現(xiàn)，從而實現(xiàn)地理空間傳感網(wǎng)資源的高效發(fā)現(xiàn)與匹配，達(dá)到提升傳感網(wǎng)服務(wù)互操作性的目的。地理空間傳感網(wǎng)和語義技術(shù)的結(jié)合就形成了

38、地理空間語義傳感網(wǎng)，它是為了地理空間中傳感資源的一致性表達(dá)、精確訪問與發(fā)現(xiàn)以及機器的自主理解而產(chǎn)生的熱點研究問題。它是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對地理空間中的傳感資源進(jìn)行語義注釋、管理、查詢操作的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)化信息基礎(chǔ)設(shè)施。地理空間語義傳感網(wǎng)采用語義網(wǎng)技術(shù)，通過本體模型的構(gòu)建， 可以將語義注釋加入到傳感網(wǎng)信息模型和服務(wù)接口。此外，地理空間語義傳感網(wǎng)中本體構(gòu)建和規(guī)則定義對于傳感網(wǎng)中異構(gòu)多類型傳感器數(shù)據(jù)的分析、推理和互操作性都起到了重要作用?？傊?，將地理空間傳感網(wǎng)的信息模型及服務(wù)接口與語義網(wǎng)相融合，構(gòu)成地理空間語義傳感網(wǎng)，可以進(jìn)行傳感網(wǎng)中的傳感器、數(shù)據(jù)和服務(wù)等資源隱含含義和關(guān)系的表達(dá)，有助于解決傳感網(wǎng)中由表達(dá)方

39、式造成的語義沖突，是提供傳感網(wǎng)智能化服務(wù)的基礎(chǔ)。地理空間語義傳感網(wǎng)的發(fā)展總體目標(biāo)是實現(xiàn)地理空間傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)到信息再到知識的轉(zhuǎn)化，如圖 1-1 所示，不同的發(fā)展階段，在技術(shù)支持、能力體現(xiàn)和預(yù)期效果方面均有不同的體現(xiàn)。本文將重點圍繞地理空間傳感網(wǎng)的語義建模（地理空間傳感網(wǎng)本體）及其推理進(jìn)行研究，構(gòu)建一個形成以分析成為服務(wù)的互操作地理空間傳感網(wǎng)服務(wù)，為加快地理空間傳感網(wǎng)知識的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)。預(yù)期效果 提高信息共享增強跨領(lǐng)域的合作加快知識的產(chǎn)生提供智能科學(xué)實現(xiàn)的基礎(chǔ)地理空間傳感網(wǎng)語義服務(wù)的建立地理空間傳感網(wǎng)語義服務(wù)的擴(kuò)展語義輔助服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)果的自動推理能力體現(xiàn)基于一般詞匯的發(fā)現(xiàn)和訪問語義地理空間的搜索、推

40、理和訪問基于語義引擎的搜索工具基于語義引擎的融合工具本地資源處理數(shù)據(jù)交換基本數(shù)據(jù)篩選服務(wù)數(shù)據(jù)作為服務(wù)（確認(rèn)）互操作地理空間服務(wù)分析成為服務(wù)（解譯）元數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)融合語義服務(wù)鏈（信任）技術(shù)支持 地理空間傳感網(wǎng)本體地理空間傳感網(wǎng)本體+領(lǐng)域本體具有訪問接口的地理空間傳感網(wǎng)本體可使用地理空間傳感網(wǎng)本體的推理機 RDF/OWL/OWL-S地理空間推理OWL-time數(shù)值推理概念推理數(shù)據(jù)信息知識圖 1-1 地理空間語義傳感網(wǎng)發(fā)展31.2 研究現(xiàn)狀地理空間語義傳感網(wǎng)（以下簡稱為語義傳感網(wǎng)）從 2004 年開始研究日趨成熟，尤其是近期呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，其發(fā)展歷程可概括三個階段。萌芽階段（2004-200

41、5 年）：Avancha 等（2004）將語義信息融入到傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系中；Russomanno 等（2005）提出了傳感器本體OntoSensor。在這一階段語義技術(shù)開始在傳感網(wǎng)中應(yīng)用，但尚未得到足夠重視。探索階段（2006-2008 年）：OGC 基于 O&M 模型進(jìn)行了本體的描述和表達(dá)（Probst et al., 2006）；第一屆語義傳感器網(wǎng)絡(luò)討論會議（CSIRO, 2006）討論了有關(guān)語義傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器本體的發(fā)展、語義網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)和語義數(shù)據(jù)的融合等課題；為了實現(xiàn)海洋元數(shù)據(jù)互操作，海洋元數(shù)據(jù)互操作組織（Marine Metadata Interoperability，MM

42、I）創(chuàng)建了海洋地理平臺本體（MMI, 2008）和設(shè)備本體（MMI, 2009）。Probst（2006）進(jìn)行了“觀測和測量的本體的研究；Kim 等（2008）建立了面向服務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本體。此階段研究側(cè)重于傳感器本體，但是發(fā)展方向仍不明確。發(fā)展階段（2009-至今）：第一屆語義傳感網(wǎng)國際研討會（Corcho et al., 2009）在希臘克里特島召開，語義傳感網(wǎng)正式進(jìn)入快速發(fā)展階段。研討會上主要討論了語義傳感網(wǎng)的架構(gòu)和中間件、本體、數(shù)據(jù)模型和描述語言，語義注冊和規(guī)則的應(yīng)用等課題，全面包含了語義傳感網(wǎng)的進(jìn)展和發(fā)展方向。此階段典型研究包括：Bell 等（2009）在 2009 年提出傳感器

43、語義用戶接口；Compton 等（2009a）進(jìn)行了傳感器數(shù)據(jù)語義的規(guī)范及其推理討論；Barnaghi 等（2010）描述了一個發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)的鏈接數(shù)據(jù)平臺，傳感器數(shù)據(jù)可以鏈接到語義網(wǎng)資源；Calder 等（2010）提出了一個語義驗證工具，可以觀測實時的傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)針對某一特定科學(xué)領(lǐng)域的規(guī)則推理。語義傳感器網(wǎng)絡(luò)本體開始實現(xiàn)規(guī)范化地描述。第三屆 SSN 國際會議上 Janowicz 和 Compton（2010）提出了基于觸發(fā)-傳感器-觀測本體設(shè)計模式的語義傳感器網(wǎng)絡(luò)本體；W3C（World Wide Web Consortium）（W3C,2009）語義傳感器網(wǎng)絡(luò)研究小組 2011 年發(fā)

44、布了傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)范（W3C,2010）；第二屆語義傳感網(wǎng)國際研討會（INSTICC, 2011）和 CSIRO（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation）組織的第四屆語義傳感器網(wǎng)絡(luò)研討會（CSIRO, 2011），都對語義傳感網(wǎng)發(fā)展的各個方面進(jìn)行了深入探討。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的語義技術(shù)在語義推理和語義注冊方面也有所研究（Chen et al., 2011）。2012 年 Esswein 等（2012）人提出了基于本體的用于大尺度傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量推理的方法。2012 年美國萊特州立大學(xué)的Anantharam 等（201

45、2）開發(fā)了 SemMOB，它可以通過移動設(shè)備進(jìn)行傳感器的注冊，并且實現(xiàn)傳感器觀測數(shù)據(jù)的近實時推理。這一階段的主要特征是研究方面逐漸增多，傳感網(wǎng)本體的發(fā)展方向和目標(biāo)較為明確，國內(nèi)外已十分重視語義傳感網(wǎng)的發(fā)展。綜上所述，語義傳感網(wǎng)理論研究主要包括傳感網(wǎng)資源本體的構(gòu)建、觀測數(shù)據(jù)推理和4地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究融合語義技術(shù)的傳感網(wǎng)服務(wù)的實現(xiàn)，其應(yīng)用主要集中在語義注冊和語義發(fā)現(xiàn)等方面。其中，傳感網(wǎng)資源本體主要用于概念化傳感網(wǎng)資源；傳感網(wǎng)推理規(guī)則的制定可以挖掘出隱含的傳感網(wǎng)資源的內(nèi)在關(guān)系，這兩部分是實現(xiàn)傳感網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。同時，語義注冊用于實現(xiàn)傳感網(wǎng)資源本體和推理規(guī)則的存儲；語義發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)用戶對于

46、服務(wù)需求和傳感網(wǎng)資源兩者之間的匹配，是傳感網(wǎng)具體應(yīng)用的出口。因此，以下重點介紹地理空間語義傳感網(wǎng)中這幾個部分的研究現(xiàn)狀。1.2.1 傳感網(wǎng)資源本體模型傳感網(wǎng)資源主要是指傳感器和觀測數(shù)據(jù)等資源。傳感器資源包含硬件信息和觀察目標(biāo)信息處理方法，可以提供實時或準(zhǔn)實時的信息服務(wù)；觀測數(shù)據(jù)資源與傳感器搜集的所有數(shù)據(jù)集合相關(guān)（Wang et al., 2011）。本體（Ontology）是指共享的概念模型明確的形式化規(guī)范說明（羅群等，2014），具體體現(xiàn)了四個方面的含義：概念化、明確、形式化以及共享（Gruber, 1993; 張功亮等, 2011）。傳感網(wǎng)資源本體是指通過獲取傳感網(wǎng)領(lǐng)域的信息和知識，明確其

47、對于觀測資源各個概念的共同認(rèn)可，并從形式化模式上給出這些觀測資源概念（術(shù)語）和概念間相互關(guān)系的定義（胡鶴, 2004）。地理空間傳感網(wǎng)本體的概念化是指傳感網(wǎng)中各個資源的抽象表述；明確是指傳感網(wǎng)本體模型中所使用的各個概念及其約束的定義準(zhǔn)確且不沖突；形式化是指傳感網(wǎng)本體中的觀測資源可以被計算機識別、讀取和處理；共享是本體的重要特征，表示該本體使用的概念在傳感網(wǎng)領(lǐng)域中已被認(rèn)可且形成了共識。研究傳感器網(wǎng)絡(luò)本體構(gòu)建的主要組織有 W3C，CSIRO，MMI 等。傳感器網(wǎng)絡(luò)本體的應(yīng)用領(lǐng)域和核心概念定義不同，下面分別從以傳感器為中心和以觀測數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建的典型本體進(jìn)行分析（陳能成等, 2012）。1.2.1.

48、1 以傳感器為中心的本體通常認(rèn)為傳感器是指設(shè)備或一系列儀器，它包括變換器、傳感設(shè)備和計算模塊。OGC-SensorML 標(biāo)準(zhǔn)，將傳感器定義為“可以觀測現(xiàn)象和返回觀測值的實體”。根據(jù)傳感器定義的不同，以及應(yīng)用領(lǐng)域和研究方面的不同，以傳感器中心構(gòu)建本體的描述也有所變化，這里介紹四種本體：適合于抽象概念表達(dá)的 SWAMO（Sensor Web for Autonomous Mission Operations）本體、描述海洋地理傳感器的 MMI 設(shè)備本體、應(yīng)用范圍廣主要用于水位領(lǐng)域的 CSIRO 傳感器本體和側(cè)重于傳感器測量屬性描述的 CESN（Coastal Environment Sensor

49、Network）傳感器本體。SWAMO 本體（Underbrink et al., 2008）圍繞 OGC-SWE 傳感器系統(tǒng)、自主用戶控制系統(tǒng)和互操作性最大化的三個核心理念，描述了包括傳感器平臺、SensorML 概念、SensorML 處理過程、傳感器的觀測和用戶等方面的本體。此本體優(yōu)點是傳感網(wǎng)資源的5表達(dá)十分全面，可以滿足用戶不同的應(yīng)用需求。缺點是對于傳感器本體中各個類的界定不是十分明確，在某些方面有所混淆。例如處理本體的描述在 SensorML 概念本體和SensorML 處理本體中都有所表達(dá)，但是并沒有進(jìn)行統(tǒng)一的表示或是清晰的劃分，會造成應(yīng)用過程中的不便。MMI 設(shè)備本體（MMI，2

50、009）是由海洋元數(shù)據(jù)互操作設(shè)備本體工作小組開發(fā)的，目的是為了發(fā)展海洋地理傳感器本體，幫助用戶發(fā)現(xiàn)傳感網(wǎng)中感興趣的數(shù)據(jù)。MMI 本體構(gòu)建圍繞系統(tǒng)概念，描述了與系統(tǒng)相關(guān)的類，例如傳感器、處理、能力（測量能力）和操作限制等。此本體中有關(guān)傳感器的描述不如 SWAMO 本體的詳細(xì)，僅關(guān)聯(lián)了兩種類：標(biāo)定日程安排和測量能力。但系統(tǒng)和能力概念的描述具有較好的層次架構(gòu)，可以應(yīng)用于某些特定本體。CSIRO 傳感器本體（Compton et al., 2009b）的構(gòu)建目標(biāo)是提供傳感器的語義描述， 實現(xiàn)傳感器、觀測和科學(xué)模型的描述和推理。在 CSIRO 傳感器本體構(gòu)建過程中，綜合考慮了 SensorML，O&am

51、p;M 和 OntoSensor 中傳感器的相關(guān)描述。它通過傳感器的地理位置、測量的物理屬性、地面的基礎(chǔ)設(shè)施、操作模式等類的描述及其屬性關(guān)系的定義，組成了有著明確約束關(guān)系且結(jié)構(gòu)合理的傳感器本體。優(yōu)點是合理的組成架構(gòu)和即插即用， 缺點是對于傳感器和測量屬性之間的關(guān)系描述沒有很好的表示?；?SensorML 的 CESN 傳感器本體（Bell et al., 2009）是海洋環(huán)境感知網(wǎng)工程項目為了便于沿海觀測而構(gòu)建。它融入了 MMI 和 CSIRO 的相關(guān)描述，形成了以傳感器、傳感器的物理測量及其可測量的物理屬性值為核心的傳感器本體。優(yōu)點是很好地表示了傳感器-設(shè)備-部署的層次結(jié)構(gòu)，缺點是傳感器類

52、型的表示不夠完善。1.2.1.2 以觀測/數(shù)據(jù)為中心的本體傳感網(wǎng)中的觀測是指觀測一個屬性或是現(xiàn)象的行為，其目標(biāo)是產(chǎn)生屬性的估計值， 特別地，對于某個特定事件的觀測結(jié)果是數(shù)據(jù)值（OGC-O&M）。觀測本體的構(gòu)建十分重要，它決定了觀測的屬性和類型，直接影響獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量。比較典型的本體有描述生態(tài)元數(shù)據(jù)的 SEEK_OBOE 本體；適用于異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的 Sensei O&M 本體；應(yīng)用于海洋觀測數(shù)據(jù)的表達(dá) OOSTethys 本體。SEEK_OBOE（Madin et al., 2007）錯誤!未找到引用源。應(yīng)用于 SEEK 工程，可以更好地進(jìn)行生態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與存儲、數(shù)據(jù)融合、轉(zhuǎn)化

53、與分析。采用了 OWL-DL 語言構(gòu)建其核心類的概念和屬性，通過生態(tài)元數(shù)據(jù)的語義注釋和特定域概念的擴(kuò)展，形成 OBOE 的結(jié)構(gòu)化元數(shù)據(jù)本體注釋。它將觀測看做測量類的集合，可以進(jìn)行內(nèi)部觀測關(guān)系的分類， 增加描述的健壯性，便于測量單元的自動轉(zhuǎn)化。優(yōu)點是易于擴(kuò)展，實現(xiàn)專業(yè)術(shù)語的重用性，可以進(jìn)行簡單推理，缺點是使用范圍較窄，不便應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化的本體描述和表達(dá)。薩里大學(xué) Payam Barnaghi 等構(gòu)建的 Sensei O&M 本體（Barnaghi et al., 2009）包含資6地理空間傳感網(wǎng)語義建模與推理研究源和實體模型以及域知識的表達(dá)，采用了 OGC- O&M 規(guī)范的觀測信息

54、模型和 NASA 的SWEET 本體工程的測量單元概念，詳細(xì)地描述了傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性及其相互關(guān)系。優(yōu)點是有助于 SENSEI 工程的可擴(kuò)展性、開放式服務(wù)接口和一致性語義規(guī)范的實現(xiàn)；缺點是屬性限制條件不包含 SWE 全部的概念和屬性描述。OOSTethys 本體（Bermudez et al., 2009）基于 OGC 規(guī)范進(jìn)行描述，將觀測描述成可以評估感興趣要素屬性值的處理過程，這一處理過程通過連接傳感器和平臺等設(shè)備的系統(tǒng)來表示。主要目標(biāo)是為了促進(jìn)海洋觀測及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的更新使其應(yīng)用范圍更廣泛。其優(yōu)點很好地描述了觀測模型、處理過程和系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)； 缺點是僅定義了傳感

55、網(wǎng)概念的簡單層次結(jié)構(gòu)，而對于 SWE 中其他方面的語義描述不準(zhǔn)確，沒有完善的屬性條件限制。1.2.2 傳感網(wǎng)語義推理傳感網(wǎng)的自動發(fā)現(xiàn)與匹配可以通過語義推理方法來實現(xiàn)?，F(xiàn)有的語義傳感網(wǎng)主要包括三種推理機制：OWL-DL 推理、SPARQL 查詢和邏輯編程規(guī)則（logic programming rules， LP rules）。OWL-DL 適用于進(jìn)行傳感資源分類方面的推理；SPARQL 與 DL 推理進(jìn)行結(jié)合，形成了具有查詢功能的語義推理機制；邏輯設(shè)計規(guī)則也可以與 DL 推理結(jié)合，優(yōu)點是可以通過實例的分類或添加新的實例，使得推理結(jié)果更為合理。傳感網(wǎng)語義推理主要涉及兩個方面，一是時空推理；二是主

56、題推理。其中，傳感網(wǎng)中時空推理研究主要包括應(yīng)用查詢語言實現(xiàn)時空推理定義和采用數(shù)學(xué)公式表達(dá)時空推理兩個方面，如表 1-1 所示。除此以外，還有針對地理時空信息的推理研究，如趙追等（2009）研究了基于地理本體和 SWRL 的地理時空信息，主要是從地理時空信息的時空地理關(guān)系出發(fā)進(jìn)行相關(guān)研究。表 1-1 傳感網(wǎng)時空推理方法研究類型文獻(xiàn)研究主題針對查詢語（Manolis et al.,2010）時空查詢 stSPARQL 在語義傳感網(wǎng)中的應(yīng)用言的時空關(guān)（Perry et al.,2011）由 OGC 定義了針對 RDF 數(shù)據(jù)的地理空間查詢語言系約束的定GeoSPARQL，主要包括拓?fù)鋽U(kuò)展、集合擴(kuò)展、幾何拓義與擴(kuò)展撲擴(kuò)展、RDFS 擴(kuò)展、查詢重用擴(kuò)展等方面采用數(shù)學(xué)表（Brink, 2011）設(shè)計了定性三角法，主要是針對移動傳感器監(jiān)