《空间知识地图建模与表达》全面系统地介绍了空间知识地图建模与表达的理论、技术、方法及应用案例。《空间知识地图建模与表达》共包括6章：第1章阐述空间知识地图的概念、研究范畴、研究内容和地位作用；第2章介绍支撑空间知识地图建模与表达的相关基础理论和技术方法；第3～5章阐述空间知识地图概念建模、数据建模和知识建模的理论和技术方法，并提出了空间知识地图认知模型、抽象描述方法和本体驱动的多重时空数据耦合数据模型；第6章阐述空间知识地图的表达方法和应用案例。

目录
丛书序
前言
第1章 绪论1
1.1 空间知识地图的提出与应用2
1.1.1 研究背景2
1.1.2 研究进展3
1.1.3 应用前景5
1.2 空间知识地图概念与特征6
1.2.1 空间与地理空间6
1.2.2 知识与空间知识14
1.2.3 知识地图与知识图谱21
1.2.4 地图与空间知识地图30
1.3 空间知识地图地位与作用34
1.3.1 空间知识地图与社会34
1.3.2 空间知识地图与地理35
1.3.3 空间知识地图与地图学35
第2章 空间知识地图建模与表达相关理论和技术38
2.1 行为地理学理论38
2.1.1 理论基础38
2.1.2 行为空间39
2.1.3 空间行为40
2.2 空间认知与信息传输理论41
2.2.1 地理空间认知41
2.2.2 地图空间认知43
2.2.3 知识地图空间认知44
2.2.4 知识地图信息传输45
2.3 地理本体与知识表示技术47
2.3.1 地理本体47
2.3.2 知识表示53
2.3.3 知识图谱59
2.3.4 知识学习63
2.4 知识可视化技术66
2.4.1 基本概念66
2.4.2 基础理论69
2.4.3 研究进展71
2.4.4 可视化方法73
第3章 空间知识地图认知模型与抽象描述79
3.1 空间知识地图制图对象79
3.1.1 空间知识地图地理空间79
3.1.2 空间知识地图知识空间80
3.1.3 空间知识地图数据空间82
3.2 空间知识地图认知模型83
3.2.1 认知基础83
3.2.2 地理空间认知模型85
3.2.3 地理知识空间认知模型87
3.2.4 空间知识地图认知模型89
3.3 空间知识地图的数学基础91
3.3.1 空间知识地图的概念抽象91
3.3.2 空间知识地图的知识空间化92
3.3.3 空间知识地图的形式化表达108
第4章 空间知识地图数据建模110
4.1 空间知识地图建模方法110
4.1.1 时空数据模型分析110
4.1.2 数据建模理念111
4.1.3 本体驱动的双层次多重时空耦合模型114
4.2 本体驱动的多重时空数据耦合数据模型的概念建模115
4.2.1 建模思路与要求116
4.2.2 地理特征的概念框架119
4.2.3 地理事件概念框架120
4.2.4 本体驱动的多重时空耦合概念模型122
4.3 本体驱动的多重时空耦合数据模型的逻辑建模124
4.3.1 建模要求124
4.3.2 基于本体的地理特征逻辑建模125
4.3.3 基于本体的地理事件逻辑建模129
4.4 本体驱动的多重时空耦合数据模型的物理建模130
4.4.1 Geodatabase体系结构131
4.4.2 Geodatabase存储机制134
4.4.3 基于Geodatabase的地理数据结构设计137
第5章 空间知识地图知识建模140
5.1 空间知识体系构建140
5.1.1 知识获取技术140
5.1.2 空间知识获取142
5.1.3 空间知识分类147
5.1.4 空间知识地图知识体系149
5.2 空间知识表示150
5.2.1 空间知识表示方法150
5.2.2 基于本体的空间知识表示151
5.2.3 基于知识图谱的空间知识表示153
5.3 空间知识存储154
5.3.1 基于本体的空间知识库构建154
5.3.2 基于图数据库的空间知识存储158
第6章 空间知识地图表达163
6.1 空间知识地图表达模型163
6.1.1 空间知识地图表达的概念163
6.1.2 空间知识地图表达的过程和要求163
6.1.3 空间知识地图表达模型构建165
6.2 空间知识地图表达方法167
6.2.1 地图表示方法167
6.2.2 地理空间知识的表示方法174
6.2.3 语义知识的表示方法177
6.2.4 趋势演化知识的表示方法177
6.3 空间知识地图表达案例178
6.3.1 城市旅游知识地图的表达178
6.3.2 能源贸易知识挖掘与地图表达190
主要参考文献196
彩图

第1章 绪论
　　地球是人们赖以生存的环境，是一个复杂的巨系统。人类为了更好的生产生活，需要不断观察、利用和改造周围环境。在漫长的人类进程中，时间和空间已成为界定人类文明与社会发展的两个基本维度，也是所有思想模式的重要框架（Hartshorne，1958）。空间是人类认识自然、改造自然过程中的一个永恒主题。一方面，空间作为自然的产物，是不以人的意志为转移的客观实在；另一方面，空间作为人类社会实践的产物，既影响着人们日常生产生活的方式，又受到社会生产力发展水平的制约。随着全球化、城市化进程的加快，城市经济高速发展，信息技术广泛应用，人类空间激烈重构，给人们生产生活带来巨大冲击，环境污染、交通拥堵、教育医疗资源地区差异等一系列社会经济问题随之产生。现在人类生存昀重要的事实是社会的空间差异，而不是自然界的空间差异（孙中伟等， 2014）。如何认识和解决这些空间差异，成为不同学科共同面对的时代问题。
　　长期以来，地图作为地理环境的客观描述和信息载体而存在，对人们认识周边环境发挥了不可替代的作用，被誉为“改变世界的十大地理思想之一”“地理学的第二语言”。进入 21世纪，信息通信技术（ information and communication technology，ICT）迅猛发展，传感器、智能穿戴、移动计算等设备得到广泛应用（郭仁忠和应申， 2017）；打卡、外卖、网购、旅游、导航等成为人们生活中不可或缺的地理场景或地理行为（闾国年等， 2018）。地图作为数字世界和现实世界结合的纽带，作为地理环境认知、研究和表达的有效工具，重要性日益凸显，百度、阿里、腾讯、京东、华为等科技公司纷纷涉足地图领域，地图能力甚至已成为信息巨头**的基础能力。究其原因，一方面，地图已经和浏览器、搜索引擎一起成为人们进入网络空间的工具，基于地图应用进入人们的生活场景已成为跨领域合作、跨行业应用的捷径；另一方面，极大丰富的数据源，迅猛发展的云计算、人工智能、数据挖掘、知识发现、大数据分析等新一代信息技术，为地图的深加工提供了强有力的支撑，使得借助地图这一地理环境研究工具解决人们生活中的地学问题成为可能。地图逐渐成为各行各业人员进行时空可视化表达和地学行为决策的手段和工具。
　　人类行为决策大多是在知识层面进行的。如何从知识层面辅助人们进行地理行为决策，如何实现空间知识在不同领域、不同行业的共享、重用，成为地图跨行业、多场景、智能化应用迫切需要解决的理论问题。“知识地图与一般地图的区别，知识地图的理论、方法、功能和作用”已成为新时代地图学不容回避的研究课题（王家耀， 2013）。地图产品也正向精细化、真实化、智能化方向演进。鉴于此，本书从空间知识地图的基本概念出发，围绕空间知识地图概念建模、数据建模、知识建模和表达建模开展研究，为空间知识地图设计与构建提供理论和方法指导。
　　1.1 空间知识地图的提出与应用
　　1.1.1 研究背景
　　随着移动通信技术、计算机技术、网络技术、传感技术等的迅猛发展，测绘技术逐步实现从现地测绘、航空测绘到遥感测绘再到自发地理信息（ volunteered geographic information， VGI）提供的跨越式发展。地图数据获取日益网络化、便捷化、近实时化。依托网络信息资源和地图服务，人们几乎可近实时获取其所关注地理事件的海量地理空间信息。长期以来困扰地图学发展的瓶颈——地图数据源问题迎刃而解。
　　但是，随着地理空间信息应用的日益深入，人们逐渐发现，在浩瀚的地理空间信息汪洋中，能够用来解决实际问题的“空间知识”却十分匮乏，尤其是在跨领域辅助人们进行地学决策时更是捉襟见肘。究其原因，主要有三个方面：一是很长一段时期以来，面向“地图制图”需要的空间数据，侧重于对地理实体空间结构的描述和刻画，遗弃了地理实体之间丰富的语义关系；二是随着地理空间信息技术的普及应用，不同领域人员对于同一地理环境往往根据各自的研究领域需要去生产空间数据，造成了大量的“信息孤岛”；三是从定量的空间数据到面向具体任务的地学决策往往需要“从定量数据到定性知识”的加工处理。因此，空间分析、空间数据挖掘、时空大数据分析等一系列空间知识发现技术成为地理信息科学研究的热点。地理空间信息智能化应用初露端倪，更加侧重地理空间知识的获取、组织、表达、共享和重用，以解决不同领域用户地学决策过程中日益复杂的地理空间知识需求。
　　进入21世纪，由于全球导航卫星系统（ global navigation satellite system，GNSS）、无线网络通信（Wi-Fi）、无线射频识别（ radio frequency identification，RFID）等无线导航定位技术的发展和移动智能终端的普及，基于应用程序（ application program，APP），社交网络、宗教信仰等社会人文信息以图片、文本、视频、音频等形式实现了与地理空间的有效关联。人们日常的社交动态信息成为地理空间信息的有机组成部分。 ICT时代，人们对地图的需求不再局限于认识周围环境，而是要利用地图去解决衣、食、住、行等一系列日常生活问题。地图已成为人们不可或缺的工具，进入人们生活场景的方方面面，影响到人们购物餐饮、旅游出行、休闲交际等各类日常地理行为决策。在科学技术领域，地图更是研究人员分析地理环境和表达领域知识的有效手段。人们迫切需要掌握地图认知、分析和表达地理空间的原理、方法、程序，进而叠加自身知识结构和领域背景，重新构建自身空间知识结构，以便解决自身面临的各类地学问题。
　　因此，地图制图人员试图利用自身专业知识和技能，通过地理思维、地理分析、地理推理以及空间数据挖掘等能力，对现有地理信息资源进行“深加工”，为不同领域人员的地学决策问题提供空间知识支撑。社会制图、赛博制图、认知制图、智能制图等成为地图学的研究前沿。室内地图、全息位置地图、全息地图、泛地图、机器地图、自动驾驶地图、空间知识地图、京东地图、场景地图等新概念地图层出不穷。与传统地图相比，这些地图都有明确的用户用途、典型的应用场景，虽然在数据获取、数据处理、数据分析和数据表达等方面有各自的特殊要求，但又都有显著的共同特点——都强调地图数据深加工、都侧重解决地理行为决策问题。空间知识智能化获取、可视化表达、知识化服务已成为地理科学和测绘科学的重点方向。地图应用模式已从“信息提供”向“服务提供”转变。服务的昀佳体现就是知识，丰富的地图数据源、强大的信息处理技术、强烈的智能地图应用需求，迫切要求地图学对人工智能时代地理行为决策做出回应。当前，大众化、网络化、智能化成为地图学新的发展趋势。面向行为决策的空间知识地图成为地图学的研究热点。
　　1.1.2 研究进展
　　人类的一切行为都是在特定的时空中进行的。面向繁杂多样的行为决策和瞬息万变的行为场景，人们越来越倾向于借助地图这一工具去认知、表达和决策。地图从“地理学的第二语言”“地理环境研究的工具”向“研究地理环境的工具”转变。面向不同的应用群体、应用领域、应用场景、应用需求、应用模式，地图学者借助新一代信息技术从基本概念、制图内容、信息叠加、表达形式、智能应用等多个维度对知识型地图进行了有益探索。
　　在地图基本概念方面。陈述彭（ 1998）将我国传统地学图谱的研究成果与现代技术和方法相结合，提出了地学信息图谱，认为地学信息图谱是地学图谱在信息时代的产物。地学信息图谱是由遥感、地图数据库、地理信息系统与数字地球的大量数字信息，经过图形思维与抽象概括，并以计算机多维与动态可视化技术显示地球系统及各要素和现象空间形态结构与时空变化规律的一种手段与方法（廖克， 2002）。地学信息图谱建立在对更广泛、更丰富的地理空间信息分析加工的基础之上，借助于系列图形式来描述现象、揭示机理、表达规律，形成对事物和现象更深层次的认识，既可以反映区域内各种现象的共性特征，又可以提供预测未来的多种设想和可能方案，供决策者做出判断（齐清文和池天河， 2001）。龚建华等（ 2008）则从知识可视化的角度提出了地理知识图的概念，认为地理知识图是地理知识的一种重要表达方式，是关于地理问题、地理时空分布、地理要素相互关系等的一种认知与抽象图，可用以符合人的心智表达及认知过程，有助于人的空间记忆、思维与联想等，以及提高探索与解决问题的能力。顾及知识地图具有某种不确定性与模糊性的特点，其将地理知识图分为“强知识图”（含有人的思考、抽象、概念、命题、思维与认知等方面信息多，深刻表达地理本质规律与理解，如地学信息图谱）与“弱知识图”（含有人的认知与抽象分析少，表述客观现象事实信息多，如地图）。许珺等（ 2010）在知识图谱和地学信息图谱的基础上，提出了地学知识图谱的概念。地学知识图谱将地学知识以虚拟空间坐标的形式反映在地图上，用以展示地理对象特征空间分布，揭示隐含的规律；地学知识图谱是地理知识形式化的图形表达，有一定的语义和语法特征，可进行计算；其不仅是一种知识表达和数据挖掘的手段，也是空间认知的一种方式和结果。为实现地理位置应用的飞跃，周成虎等（2011）提出了全息位置地图的概念：以位置为基础，全面反映位置本身及与位置相关的各种特征、事件或事物的数字地图。针对大数据时代缺乏承载和综合利用泛在信息的有效途径这一问题，朱欣焰等（ 2015）提出以位置为核心，通过位置来组织、描述和理解现实世界和虚拟世界中人、物体和事件之间的关系，实现多维时空动态信息的关联，进而拓展了全息位置地图概念的内涵：在泛在网环境下，以位置为纽带动态关联事物或事件的多时态、多主题、多层次、多粒度的信息，提供个性化的位置及与位置相关的智能服务平台。齐清文等（ 2018）则从全息技术的本义入手，提出全息地图是全息技术应用于地图学领域而产生的一种全新的概念、模型和产品，进而建立了“全息地图三维嵌套语义模型”。郭仁忠等（ 2018）提出， ICT时代，地图对象空间从传统的地理（自然空间）、人文（社会空间）二元空间拓展到了包括信息空间（网络信息空间）在内的地理、人文和信息三元空间，地图制图对象、展现介质、表达方式发生明显变化，进而提出泛地图是传统地图的延伸和拓展，是对地理、人文和信息三元空间的综合表达，是一种通过地图语言、形象思维、空间思维对三元空间对象进行特征分析，实现人与人、人与物、物与物之间信息获取、传递、认知等功能的广义地图表达。
　　在地图制图内容方面。为将地图广泛应用于政府机构及零售商、移动通信和网络应用服务提供商、房地产、经济等多个部门，英国皇家测量局和合作伙伴基于 OS MasterMap**版，陆续推出综合交通图层、地址图层及提供行政边界、建筑物和地面高度、土地利用及建设前的数据等新图层，并结合 9个专题的地貌图层，共同提供了一个完整的、综合的、相关联的地理框架。新图层有利于加速发展昀详细、智能化、可存取的地图数据，提供空前综合的地理信息，有利于帮助用户改进自身业务。美国一直高度重视对普通地图产品的深加工和专题地图的制作。为了实现从地图制图者向地理空间数据和应用服务提供者的转型， 2001年，美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）开始启动国家地图计划（The National Map，TNM），提出国家地图是一个由地理空间数据、地图产品及相关服务共同组成的动态系统，其用户是地理信息专家和公共地图用户。目前，国家地图计划已经发展到第三代，以空间知识为焦点，采用智能化的语义时空数据模型，基于特征和事件进行可视化表达和分析，实现基于语义网的智能知识传输。
　　在地图信息叠加方面。 2011年 3月，在日本宫城县北部发生里氏 9.0级强震后不久，美国环境系统研究所（ Environmental Systems Research Institute，ESRI）公司发布了日本地震专题地图，将 USGS等权威机构发布的地震数据、地震影响区域图，以及路透社、美国有线电视新闻网（ Cable News Ne