摘　要: 時(shí)間關(guān)系的表示模型很多, 根據(jù)它們所采用的時(shí)間本體的基元不同可以大致分為兩類, 即以時(shí)間點(diǎn)為時(shí)間基元的表示模型和以時(shí)間段為時(shí)間基元的表示模型. 在人工智能早期的研究中, 多數(shù)的工作是以時(shí)間點(diǎn)為時(shí)間基元的, 例如狀態(tài)演算(situat ional calcu lu s) [ 8 ]、B ruce 的Ch rono s 系統(tǒng)[ 9 ]以及時(shí)間專家系統(tǒng)( t im e specialist) [ 10 ]等. 但是在后來(lái)的研究中, 以A llen 為首的許多學(xué)者認(rèn)為時(shí)間段比時(shí)間點(diǎn)更能體現(xiàn)人們常識(shí)中的時(shí)間概念.A llen 提出, 由于時(shí)間段是表示屬性(p ropert ies) 和事件(even t s) 的最好概念, 因而它應(yīng)該是唯一的時(shí)間基元. 此后, 許多學(xué)者都以此為依據(jù)建立一些模型. 也有學(xué)者提出過(guò)包含兩種基元的時(shí)間模型, 例如V ila[ 11 ]等人.

　　關(guān)鍵詞: 地理時(shí)空本體,時(shí)間本體,空間本體

　　時(shí)間與空間永遠(yuǎn)是人類永恒的話題, 也是一直困擾著各學(xué)科的少數(shù)共同概念之一. 對(duì)于地理學(xué)而言, 其所有的研究對(duì)象都與時(shí)間和空間密切相關(guān).地理信息具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)態(tài)變化特征. 地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn), 使其以地理信息世界來(lái)表達(dá)地理現(xiàn)實(shí)世界, 來(lái)真實(shí)、快速地模擬各種自然過(guò)程和思維過(guò)程. 傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)中只考慮了地物的空間特性, 忽略了其時(shí)間特性. 而在許多應(yīng)用領(lǐng)域, 這種動(dòng)態(tài)變化規(guī)律在問(wèn)題的求解過(guò)程中起著十分重要的作用. 因此, 近年來(lái)對(duì)G IS 中時(shí)態(tài)特性的研究十分活躍, 即所謂“時(shí)空系統(tǒng)”. 時(shí)空語(yǔ)義對(duì)于在建立真實(shí)世界和地理信息系統(tǒng)的聯(lián)系起極其重要的橋梁作用. 但是, 受到研究理論和技術(shù)制約, 目前對(duì)于時(shí)空G IS 的研究進(jìn)展仍十分緩慢. 隨著G IS 的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和大眾化的發(fā)展必然趨勢(shì), 對(duì)G IS 理論和技術(shù)上的創(chuàng)新也提出了更高的要求.

　　為此, 將本體論作為新的理論和方法引入時(shí)空G IS 的研究中具有十分重要的意義. 論文由于本體技術(shù)對(duì)于地理信息科學(xué)研究的重要性以及地理信息科學(xué)中時(shí)空的重要性, 地理本體必須包含一個(gè)對(duì)于世界的全面的時(shí)空觀點(diǎn), 成了地理時(shí)空本體研究的重要背景. 本文介紹了時(shí)空本體的相關(guān)概念、表示模型等, 綜述了目前時(shí)空本體的研究進(jìn)展, 并對(duì)目前研究中存在的一些問(wèn)題及發(fā)展方向進(jìn)行了探討.

　　1 時(shí)空本體的起源基礎(chǔ)

　　本體最初為哲學(xué)概念, 是指關(guān)于存在及其本體和規(guī)律的學(xué)說(shuō), 是關(guān)于世界某個(gè)方面的一個(gè)特定的分類體系. 本體論發(fā)展到后來(lái), 演變成了一種“借用”或“承諾”. 后來(lái)被引入人工智能領(lǐng)域后, 本體被認(rèn)為是共享的概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明[ 1 ]. 在地理信息領(lǐng)域, 雖然目前還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)的地理本體的概念, 但一致認(rèn)為地理本體應(yīng)該包含哲學(xué)本體和信息本體的內(nèi)涵.

　　時(shí)空地理本體的研究是建立在前人對(duì)時(shí)間本體和空間本體的大量研究成果之上的. 畢業(yè)論文這里簡(jiǎn)要介紹時(shí)間本體以及空間本體的基元、屬性以及表示模型等.

　　1. 1 時(shí)間本體

　　心理學(xué)和哲學(xué)領(lǐng)域通常把時(shí)間分為3 種, 即自然時(shí)間( natu ral t im e )、習(xí)俗時(shí)間( conven t ional t im e) 和邏輯時(shí)間( logic t im e) [ 2 ]. 在人工智能領(lǐng)域,由于應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜性, 需要使時(shí)間概念更加明確. 因而時(shí)間本體的建立一般是基于時(shí)間基元( tempo ral p rim it ive) 的, 時(shí)間基元的選擇對(duì)于表示時(shí)間概念的時(shí)間模型尤其重要. 目前對(duì)于時(shí)間基元主要有兩種對(duì)立的觀點(diǎn), 即時(shí)間點(diǎn)( in stan t s o r po in t s) 和時(shí)間段(periods o r in tervals). 有些學(xué)者認(rèn)為時(shí)間基元可以同時(shí)包含二者. 此外, 也有學(xué)者并不基于純粹的時(shí)間基元建立時(shí)間本體. 例如Moen 等人便從語(yǔ)言學(xué)角度出發(fā), 研究了基于原因、結(jié)果等概念上的時(shí)間本體[ 3 ].

　　時(shí)間本體的屬性主要涉及次序、結(jié)構(gòu)和界限性等問(wèn)題. 時(shí)間的次序性問(wèn)題主要為: 時(shí)間流是線形、分支還是循環(huán)的? 時(shí)間的結(jié)構(gòu)是密集的、離散的還是連續(xù)的? 時(shí)間是有限的還是無(wú)限的? 線性時(shí)間是最普遍的模型, 而分支模型考慮了將來(lái)可能發(fā)生的多種可能性, 循環(huán)時(shí)間可以看作是線性時(shí)間的特殊形式. 密集型時(shí)間與有理數(shù)集(Q ) 同構(gòu), 離散時(shí)間與整數(shù)集(Z) 同構(gòu), 而連續(xù)時(shí)間則與實(shí)數(shù)集(R ) 同構(gòu). 時(shí)間的無(wú)限延展可以發(fā)生在連續(xù)的線性時(shí)間和循環(huán)時(shí)間中, 卻不能發(fā)展在離散的線性或分支時(shí)間里; 在時(shí)間系統(tǒng)里引入度量關(guān)系就可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)日歷系統(tǒng).

　　決定時(shí)間關(guān)系類型以及時(shí)間表現(xiàn)形式的時(shí)間約束有基于定性時(shí)間關(guān)系的和基于定量信息的, 也有將二者融合進(jìn)行約束的. 定性關(guān)系主要有A llen的時(shí)間區(qū)間代數(shù)[ 4 ]、M atu szee 等人的基于時(shí)間段端點(diǎn)的局部信息方法[ 5 ]、F rek sa 基于鄰近概念的半?yún)^(qū)間方法[ 6 ]等. 定量關(guān)系中最簡(jiǎn)單的例子是根據(jù)日期或其他準(zhǔn)確的數(shù)值形式獲得時(shí)間信息. Kau tz和L adk in[ 7 ]等人提出了把時(shí)間的定性和定量關(guān)系相結(jié)合的方法來(lái)處理不同精度時(shí)間知識(shí)的可得性.

　　1. 2 空間本體

　　對(duì)于空間本體的基元, 主要有基于點(diǎn)和基于區(qū)域兩種選擇[ 12 ]. 最初的空間數(shù)學(xué)理論中, 把點(diǎn)作為基本空間實(shí)體, 并用點(diǎn)把區(qū)域定義為點(diǎn)的集合. 在Q SR (定性空間表示) 中, 更趨向于把區(qū)域作為基本空間實(shí)體. 盡管本體的出現(xiàn)意味著為多數(shù)空間和幾何概念建立新的理論, 但是多數(shù)學(xué)者仍認(rèn)為區(qū)域是本體基元.

　　由于空間關(guān)系可以分為3 類, 即拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系和度量關(guān)系. 因而, 其表示模型可以分為拓?fù)淠Ｐ?、方向模型和度量模? 空間拓?fù)淠Ｐ陀悬c(diǎn)集拓?fù)浜蛥^(qū)域拓?fù)鋬深? 影響較大的是RCC 模型[ 13 ] , 它是以區(qū)域作為空間基元的. 方向模型研究中, 使用了點(diǎn)和區(qū)域兩種基元, 例如F rank 的“錐形法”和“投影法”[ 14 ]以及F rek sa 的“雙十字模型”[ 15 ]等都是針對(duì)點(diǎn)對(duì)象的; 而Goyal 和Egenhofer 的MBR 法則[ 16 ]依據(jù)于區(qū)域. 度量關(guān)系模型中多以點(diǎn)為空間基元, 定量度量關(guān)系通常使用歐氏距離來(lái)進(jìn)行量算, 偶爾也采用曼哈頓距離等; 而定性度量關(guān)系則常用遠(yuǎn)、近、中等等來(lái)表示距離. 在定位時(shí), 度量關(guān)系往往需要和方向關(guān)系進(jìn)行結(jié)合.

　　2 時(shí)空本體的研究進(jìn)展

　　現(xiàn)實(shí)世界中時(shí)間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的. 因而, 人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到真實(shí)世界的時(shí)空模型的重要性和必要性. 目前, 有兩種建立時(shí)空模型的思路, 其一是利用已有的時(shí)間模型和空間模型; 其二是試圖重新建立統(tǒng)一的時(shí)空模型. 前者主要是在已有的時(shí)態(tài)模型的基礎(chǔ)上添加對(duì)空間的支持能力; 或在已有的空間模型的基礎(chǔ)上添加對(duì)時(shí)態(tài)的支持; 或者是將時(shí)態(tài)模型和空間模型作正交組合. 后者則將時(shí)空看作原子實(shí)體, 以此為基礎(chǔ)建立新的時(shí)空統(tǒng)一模型. 兩種思路各有千秋, 從實(shí)現(xiàn)難度看, 前者與現(xiàn)有研究基礎(chǔ)結(jié)合比較緊密, 更易于實(shí)現(xiàn); 而從理論角度看, 后者則更為完美. 總的說(shuō)來(lái), 目前從本體角度對(duì)時(shí)空關(guān)系進(jìn)行研究仍處于探索階段, 尚無(wú)十分成熟的理論和技術(shù)方法.

　　2. 1 主要研究趨向

　　目前孤立研究時(shí)間關(guān)系或空間關(guān)系的學(xué)者較多, 但是將二者結(jié)合起來(lái), 并明確提出從本體角度研究時(shí)空關(guān)系的學(xué)者仍比較少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早開(kāi)始在對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)本體的研究中提出了一個(gè)5 層的本體, 每層都應(yīng)用不同的規(guī)則. 他把自然事實(shí)看作一個(gè)四維場(chǎng)模型, 構(gòu)造公式a= f (x , y , z , t) 來(lái)表示一個(gè)只有唯一值的函數(shù), 該公式表明只有唯一的時(shí)空世界[ 17 ]. 此外他還從語(yǔ)言學(xué)和認(rèn)知角度研究了時(shí)空G IS 中的本體的一致性[ 18 ].