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

　　關鍵詞: 地理時空本體,時間本體,空間本體

　　時間與空間永遠是人類永恒的話題, 也是一直困擾著各學科的少數共同概念之一. 對于地理學而言, 其所有的研究對象都與時間和空間密切相關.地理信息具有區域性、多維結構特征和動態變化特征. 地理信息系統的出現, 使其以地理信息世界來表達地理現實世界, 來真實、快速地模擬各種自然過程和思維過程. 傳統的地理信息系統中只考慮了地物的空間特性, 忽略了其時間特性. 而在許多應用領域, 這種動態變化規律在問題的求解過程中起著十分重要的作用. 因此, 近年來對G IS 中時態特性的研究十分活躍, 即所謂“時空系統”. 時空語義對于在建立真實世界和地理信息系統的聯系起極其重要的橋梁作用. 但是, 受到研究理論和技術制約, 目前對于時空G IS 的研究進展仍十分緩慢. 隨著G IS 的智能化、網絡化和大眾化的發展必然趨勢, 對G IS 理論和技術上的創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空G IS 的研究中具有十分重要的意義. 論文由于本體技術對于地理信息科學研究的重要性以及地理信息科學中時空的重要性, 地理本體必須包含一個對于世界的全面的時空觀點, 成了地理時空本體研究的重要背景. 本文介紹了時空本體的相關概念、表示模型等, 綜述了目前時空本體的研究進展, 并對目前研究中存在的一些問題及發展方向進行了探討.

　　1 時空本體的起源基礎

　　本體最初為哲學概念, 是指關于存在及其本體和規律的學說, 是關于世界某個方面的一個特定的分類體系. 本體論發展到后來, 演變成了一種“借用”或“承諾”. 后來被引入人工智能領域后, 本體被認為是共享的概念模型的明確的形式化規范說明[ 1 ]. 在地理信息領域, 雖然目前還沒有達成共識的地理本體的概念, 但一致認為地理本體應該包含哲學本體和信息本體的內涵.

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

　　1. 1 時間本體

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

　　時間本體的屬性主要涉及次序、結構和界限性等問題. 時間的次序性問題主要為: 時間流是線形、分支還是循環的? 時間的結構是密集的、離散的還是連續的? 時間是有限的還是無限的? 線性時間是最普遍的模型, 而分支模型考慮了將來可能發生的多種可能性, 循環時間可以看作是線性時間的特殊形式. 密集型時間與有理數集(Q ) 同構, 離散時間與整數集(Z) 同構, 而連續時間則與實數集(R ) 同構. 時間的無限延展可以發生在連續的線性時間和循環時間中, 卻不能發展在離散的線性或分支時間里; 在時間系統里引入度量關系就可以轉化為一個日歷系統.

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

　　1. 2 空間本體

　　對于空間本體的基元, 主要有基于點和基于區域兩種選擇[ 12 ]. 最初的空間數學理論中, 把點作為基本空間實體, 并用點把區域定義為點的集合. 在Q SR (定性空間表示) 中, 更趨向于把區域作為基本空間實體. 盡管本體的出現意味著為多數空間和幾何概念建立新的理論, 但是多數學者仍認為區域是本體基元.

　　由于空間關系可以分為3 類, 即拓撲關系、方位關系和度量關系. 因而, 其表示模型可以分為拓撲模型、方向模型和度量模型. 空間拓撲模型有點集拓撲和區域拓撲兩類, 影響較大的是RCC 模型[ 13 ] , 它是以區域作為空間基元的. 方向模型研究中, 使用了點和區域兩種基元, 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 ]等都是針對點對象的; 而Goyal 和Egenhofer 的MBR 法則[ 16 ]依據于區域. 度量關系模型中多以點為空間基元, 定量度量關系通常使用歐氏距離來進行量算, 偶爾也采用曼哈頓距離等; 而定性度量關系則常用遠、近、中等等來表示距離. 在定位時, 度量關系往往需要和方向關系進行結合.

　　2 時空本體的研究進展

　　現實世界中時間和空間是緊密聯系、不可分割的. 因而, 人們日益認識到真實世界的時空模型的重要性和必要性. 目前, 有兩種建立時空模型的思路, 其一是利用已有的時間模型和空間模型; 其二是試圖重新建立統一的時空模型. 前者主要是在已有的時態模型的基礎上添加對空間的支持能力; 或在已有的空間模型的基礎上添加對時態的支持; 或者是將時態模型和空間模型作正交組合. 后者則將時空看作原子實體, 以此為基礎建立新的時空統一模型. 兩種思路各有千秋, 從實現難度看, 前者與現有研究基礎結合比較緊密, 更易于實現; 而從理論角度看, 后者則更為完美. 總的說來, 目前從本體角度對時空關系進行研究仍處于探索階段, 尚無十分成熟的理論和技術方法.

　　2. 1 主要研究趨向

　　目前孤立研究時間關系或空間關系的學者較多, 但是將二者結合起來, 并明確提出從本體角度研究時空關系的學者仍比較少, 主要有A UF rank, B it tner T , P ierre Grenon 等. F rank 最早開始在對時空數據庫的基礎本體的研究中提出了一個5 層的本體, 每層都應用不同的規則. 他把自然事實看作一個四維場模型, 構造公式a= f (x , y , z , t) 來表示一個只有唯一值的函數, 該公式表明只有唯一的時空世界[ 17 ]. 此外他還從語言學和認知角度研究了時空G IS 中的本體的一致性[ 18 ].