基于本體框架的交通出行語(yǔ)義軌跡建模、標(biāo)記及數(shù)據(jù)庫(kù)研究.pdf

1、中國(guó)城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致個(gè)人活動(dòng)空間迅速膨脹，出行作為城市居民的主要活動(dòng)之一，不斷挑戰(zhàn)交通設(shè)施、能源消耗和環(huán)境承載力的極限。把握居民出行行為的特征及趨勢(shì)是交通管理和空間規(guī)劃的重要課題。全球定位系統(tǒng)(GPS)和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展使大規(guī)模移動(dòng)數(shù)據(jù)(軌跡)的實(shí)時(shí)獲取變得簡(jiǎn)單易行，而海量出行軌跡數(shù)據(jù)的分析挖掘和管理應(yīng)用成為現(xiàn)代交通服務(wù)的瓶頸。目前對(duì)軌跡數(shù)據(jù)的分析挖掘研究重點(diǎn)在于對(duì)軌跡本身的時(shí)態(tài)和空間分布特征的提取。由于缺乏與應(yīng)用語(yǔ)義的關(guān)聯(lián)，知識(shí)

2、發(fā)現(xiàn)進(jìn)展緩慢，所提取的模式也難以被特定領(lǐng)域?qū)＜宜斫?，具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面裹足不前。海量軌跡處理和語(yǔ)義標(biāo)注需要有理論基礎(chǔ)和方法開(kāi)發(fā)上較為顯著的突破，才能走出目前的困境。
　　 本文嘗試以地理本體論為基礎(chǔ)，以GPS出行軌跡為研究對(duì)象，探討集成語(yǔ)義和時(shí)空信息進(jìn)行軌跡綜合分析的方案，從理論上構(gòu)建集成時(shí)空和語(yǔ)義信息的軌跡本體框架；從方法上提供語(yǔ)義軌跡本體構(gòu)建、標(biāo)記、存儲(chǔ)和查詢過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案；從實(shí)踐上探討了與軌跡分析相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，為交

3、通管理和空間規(guī)劃提供借鑒與參考。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 第一章分析了本研究的背景和意義，并對(duì)國(guó)內(nèi)外地理本體相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述。按照研究領(lǐng)域不同，將現(xiàn)有的地理本體劃分為三類(lèi)：地理領(lǐng)域本體、地理空間本體和地理時(shí)空本體，并就本文的研究重點(diǎn)地理時(shí)空本體進(jìn)行了詳細(xì)回顧。認(rèn)為現(xiàn)有時(shí)空本體包括通用時(shí)空本體和領(lǐng)域時(shí)空本體兩類(lèi)，通用時(shí)空本體注重分類(lèi)、層次框架研究，缺乏與應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)，而領(lǐng)域時(shí)空本體注重應(yīng)用領(lǐng)域的需求，但缺乏理論的指導(dǎo)，

4、存在表達(dá)上和擴(kuò)展上的缺陷。因此，本文選擇使用“通用時(shí)空本體作為頂層本體、領(lǐng)域時(shí)空本體作為領(lǐng)域本體”作為方案構(gòu)建語(yǔ)義軌跡本體。另外，基于目前多數(shù)地理本體研究?jī)H關(guān)注模型構(gòu)建，而缺乏具體實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，本文將本體構(gòu)建后的后續(xù)實(shí)現(xiàn)也作為重要研究?jī)?nèi)容之一。
　　 第二章主要探討語(yǔ)義軌跡本體的構(gòu)建設(shè)計(jì)。首先，引入SNAP-SPAN通用時(shí)空本體框架SNAP-SPAN作為頂層本體，并在對(duì)框架主要內(nèi)容總結(jié)的基礎(chǔ)上，抽象出面向本文軌跡分析中存在的類(lèi)及類(lèi)

5、關(guān)系。其次，探討頂層本體中空間、時(shí)態(tài)和領(lǐng)域信息的表達(dá)及集成，針對(duì)本體技術(shù)僅支持二元關(guān)系表達(dá)的現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有時(shí)態(tài)信息的本體表達(dá)的各種方案進(jìn)行了對(duì)比研究，認(rèn)為4D函數(shù)模型是最為適合本文的時(shí)態(tài)表達(dá)模型。再次，使用模塊化的方式建立領(lǐng)域本體，包括通用軌跡本體、地理領(lǐng)域本體和應(yīng)用本體三個(gè)部分，并分別探討了各部分的具體內(nèi)容。最后，以個(gè)人和出租車(chē)出行為目標(biāo)應(yīng)用，建立了相關(guān)的語(yǔ)義軌跡本體。結(jié)果表明，頂層本體的引入，可以清晰表達(dá)所涉及類(lèi)之間的區(qū)別(持久對(duì)象和

6、持續(xù)對(duì)象)和聯(lián)系(空間、時(shí)態(tài)、語(yǔ)義上下文關(guān)系關(guān)聯(lián))，也可以統(tǒng)一對(duì)時(shí)態(tài)和空間對(duì)象及關(guān)系進(jìn)行抽象，再此基礎(chǔ)上具體化得到的領(lǐng)域本體，更具有可擴(kuò)展性和共享性；選用模塊化的方式進(jìn)行本體表達(dá)可以提升各部分本體的獨(dú)立性和重用性。
　　 第三章探討語(yǔ)義軌跡的標(biāo)記過(guò)程。首先，根據(jù)上一章建立的個(gè)人和出租車(chē)出行語(yǔ)義軌跡本體，歸納出這兩種典型軌跡的一般語(yǔ)義標(biāo)記過(guò)程。認(rèn)為個(gè)人出行語(yǔ)義關(guān)注活動(dòng)，標(biāo)記過(guò)程圍繞活動(dòng)信息展開(kāi)，其內(nèi)容為“數(shù)據(jù)清理→行程分割→行程方

7、式劃分→行程目的提取”，而出租車(chē)出行關(guān)注移動(dòng)，標(biāo)記過(guò)程為“行程段分割→數(shù)據(jù)清理→地圖匹配→路徑分割→速度分割”。其次，根據(jù)上述過(guò)程進(jìn)行了算法和方案設(shè)計(jì)。其中，個(gè)人出行方面，針對(duì)行程分割過(guò)程，本文提出了T-DBSCAN算法，提高了行程分割的正確率和計(jì)算速度，另外，針對(duì)軌跡相關(guān)信息自動(dòng)提取正確率低的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了“GPS出行調(diào)查地理提示交互系統(tǒng)平臺(tái)”，保證了對(duì)軌跡語(yǔ)義的獲取；出租車(chē)出行方面，針對(duì)本文“離線、采樣率低和道路數(shù)據(jù)不完整”

8、數(shù)據(jù)特征，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的地圖匹配算法，并且探討了將其轉(zhuǎn)換為語(yǔ)義軌跡的后處理過(guò)程。
　　 第四章討論語(yǔ)義軌跡本體的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施。首先，對(duì)現(xiàn)有的四種本體數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式進(jìn)行對(duì)比研究，由于垂直模式不但具有表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和本體更新操作容易、且受語(yǔ)義軟件廣泛支持，因此，以此作為本文模式存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，對(duì)語(yǔ)義軌跡本體進(jìn)行模塊化存儲(chǔ)。選擇ORACLE11g作為語(yǔ)義數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的平臺(tái)，針對(duì)軌跡數(shù)據(jù)的特點(diǎn)對(duì)其資源描述部分進(jìn)行了時(shí)空拓展，并探討了關(guān)系

9、數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)本體數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)例數(shù)據(jù)映射方案；最后，對(duì)本體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了索引操作。
　　 第五章以個(gè)人和出租車(chē)出行為例，在Oracle語(yǔ)義查詢技術(shù)框架下進(jìn)行了語(yǔ)義軌跡查詢實(shí)證分析。結(jié)果表明，本體在對(duì)語(yǔ)義信息的表達(dá)和操作上具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而在面向軌跡數(shù)據(jù)查詢中，時(shí)空和路徑序列的信息提取也非常重要，但語(yǔ)義查詢技術(shù)對(duì)該方面的支持略顯不足。為此，本文設(shè)計(jì)了基于Jena Adapter的軌跡時(shí)空及路徑查詢的擴(kuò)展方案；最后進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)例分析。結(jié)果表