GB/T 40765-2021 基础地理信息本体模型

　　ICS 07 . 040 A 76

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40765—2021

　　基础地理信息本体模型

　　ontologymodelforfundamentalgeographicinformation

　　2021-10-1 1 发布 2021-10-1 1 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40765—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本标准由中华人民共和国 自然资源部提出。

　　本标准由全国地理信息标准化技术委员会(SAC/TC 230) 归 口 。

　　本标准起草单位：武汉大学、国家基础地理信息中心、中国科学院地理科学与资源研究所、浙江省测绘科学技术研究院、北京中科数遥信息技术有限公司、北京大学、天津市测绘院。

　　本标准主要起草人：朱海红、李霖、沈航、张秋义、陆锋、陈少勤、毕建涛、张志军、杜世宏、应申、翁敏、邱俊武、罗振威。

　　GB/T 40765—202 1

　　引

　　言

　　地理信息的共享与互操作一般分为数据层、语法层和语义层三个方面，其中语义层次上的信息共享尤为困难。 信息本体(以下简称“本体”)技术在实现语义分析、推理与互操作等方面提供了有效的技术方案。 目前，与地理信息相关的各个领域，甚至在相同领域的不同部门之间，都开始构建满足 自身系统要求的信息本体。 这一现实导致分布式系统中的信息难以共享，这与将信息本体与语义网技术引入本领域解决语义互操作问题的初衷相悖。 地理信息的本体模型是建立在理解地理信息领域中的概念与数据以及系统间语义异构，并实现语义共享和互操作的愿景基础之上，因此，规范地理信息本体模型，包括模型的构建原则与方法以及本体形式化表达方式等，有助于异构地理信息本体之间的整合与映射机制的构建，从而为实现语义层次上的互操作提供必要的共性技术基础，促进地理信息集成共享与互操作、扩展地理信息产业的增值领域。

　　基础地理信息作为地理信息的重要组成部分，它具有明确的范畴和规范的分类体系(GB/T 13923 《基础地理信息要素分类与代码》)，并广泛服务于各行各业，因此，本标准是基于此范畴而制定的基础地理信息语义模型规范。 本标准通过分析基础地理信息要素类型的定义、含义及关系，归纳了适用于形式化本体模型构建的本体属性(亦即概念属性)、义素、关系集合等共性技术要求，对于实现基础地理信息共享与互操作，它在语义层面支持基础地理信息概念的形式化，在语法层面支撑地理信息语义分析和推理，在数据层面帮助数据库逻辑模型和物理模型的设计。

　　基础地理信息本体模型

　　1 范围

　　本标准规定了基础地理信息在概念层次上的本体模型，包括基础地理信息本体模型的基本框架、构成元素、模型构建的准则、模型表达等。

　　本标准适用于基础地理信息语义模型的构建，一般性地理信息语义模型框架的构建可参照使用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 4880 . 1—2005 语种名称代码 第 1 部分：2 字母代码

　　GB/T 13923 基础地理信息要素分类与代码

　　GB/T 25529 地理信息分类与编码规则

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　地理信息 geographicinformation

　　与地球上位置直接或间接相关现象的信息。

　　[GB/T 33188 . 1—2016,定义 4 . 1 . 18]

　　3.2

　　基础地理信息 fundamentalgeographicinformation

　　作为统一的空间定位框架和空间分析基础的地理信息。

　　注 1 ：基础地理信息所描述的地理要素，包括水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质、地名以及空间定位基础等。

　　注 2：改写 GB/T 13923—2006,定义 2 . 1 。

　　3.3

　　概念模型 conceptualmodel

　　定义一个论域中概念的模型。

　　注 1 ：“论域”指包括任何感兴趣事物的现实或假想世界的视图。

　　注 2：改写 GB/T 33188 . 1—2016,定义 4 . 1 . 5 。

　　3.4

　　本体 ontology

　　通过含有定义和公理的基本词汇表对论域现象的形式化表达，这些定义和公理使隐含的意思更明确且可描述现象及其相互关系。

　　[GB/T 33188 . 1—2016,定义 4 . 1 . 26]

　　3.5

　　形式本体 formalontology

　　用形式化语言表达的，对于共享概念体系的明确而又详细的说明。

　　3.6

　　本体属性 ontologicalproperty

　　概念属性 conceptualproperty

　　能够反映概念所有可能实例并保持为常量且不随实例的外延、状态的变化而改变的属性。

　　3.7

　　语义万维网 semanticweb

　　语义 web

　　带有含义的数据 Web。

　　注：含义间的关联使数据和信息能由 自动化工具和人理解与处理。

　　[GB/T 33188 . 1—2016,定义 4 . 1 . 35]

　　3.8

　　语义模型 semanticmodel

　　构建语义万维网(3 . 7) 的形式化概念模型(3 . 3) 。

　　3.9

　　本体模型 ontologymodel

　　用形式本体来表达(地理)概念(如“河流”“等高线”等)的方法，即通过对(地理)概念进行完整、形式化地说明，向用户呈现概念的内涵。 模型内容主要包括：概念的描述、本体属性以及概念间关系。

　　3 . 10

　　义素 seme

　　对义位进行微观分析得到的语义单位。

　　注 1 ：“义位”是指具体语言中归纳出来的能够独立运用的具有独立形式标志的最小意义单位。

　　注 2：义素属于语义的微观层次，它没有对应的语言形式，不能直接观察到，只有组合起来才能形成现实的语义。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　OWL：网络本体语言(Web Ontology Language)

　　RDF：资源描述框架(Resource Description Framework)

　　RDF-S：资源描述框架模式(RDF Schema)

　　SKOS：简单知识组织系统(Simple Knowledge Organization System)

　　URI：统一资源标识符(Uniform Resource Identifier)

　　W3C：万维网络联盟(World Wide Web Consortium)

　　XML：可扩展标记语言(Extensible Markup Language)

　　5 模型基本框架

　　5 . 1 概述

　　本体模型的基本框架包括概念的文字描述、概念的本体属性和概念间关系描述，以及实例等几个部分 。其中实例是模型的可选项。

　　5 . 2 文字描述

　　概念应采用文字语言进行描述。文字描述应科学、准确、规范。概念文字描述的示例参见附录 A 的 A. 1 。

　　5 . 3 本体属性

　　概念的本体属性应准确、稳定。 根据概念不同，应采用相应的属性进行描述。 本体属性包括以下几类：

　　a) 物理属性。表示地理概念组成物质、几何形状、动态等物理特征的属性(见表 1)。

　　表 1 物理属性的类型与示例

　　b ) 因果属性。表示地理概念的形成方式。可分为天然性、成因(见表 2)。

　　表 2 因果属性的类型与示例

　　c ) 空间属性。表示地理概念的空间特征。可分为空间形态和空间关系(见表 3)。

　　表 3 空间属性的类型与示例

　　d) 时间属性。用于描述本体对象保持稳定状态的时间连续性，包括稳定性出现是“连续”或者“非连续”。可分为时间性和生命状态(见表 4) 。

　　表 4 时间属性的类型与示例

　　e ) 功能性。表示地理概念由 自然或人工赋予的功效(见表 5)。

　　表 5 功能性属性的类型与示例

　　f) 度量。表示地理概念可以用某种度量方式描述的性质(见表 6)。表 6 度量属性的类型与示例

　　5 . 4 概念间关系

　　概念间关系应作为地理信息语义的重要组成部分，用以描述不同概念之间在组成、依赖、顺序等方面的关联特征。

　　基础地理信息本体模型中的概念间关系可分为：

　　a) 分类关系。具有共同属性的不同概念之间的层次关系。可分为两种关系：

　　1) 子概念，如：河流的子概念是常年河、时令河、干涸河;

　　2) 父概念，如：国道的父概念是城际公路。

　　b) 部分-整体关系。部分在物理构造上属于整体，或部分是整体中的一小块。可分为两种关系：

　　1) 包含，如：“地下渠”包含“地下渠出水口 ”;

　　2) 是…的一部分，如：“拦水坝”是“水库”的一部分。

　　c) 依赖、附属关系。某一概念依赖或附属另一概念而存在，如：“火车站”附属于“铁路”。

　　d) 等级顺序关系。描述概念间在等级序列上存在的顺序关系。可分为三种关系：

　　1) 等级高于，如：“干渠”等级高于“支渠”，“主干道”等级高于“次干道”;

　　2) 等级低于，如：“县道”管理等级低于“国道”，“一般堤”等级低于“干堤”;

　　3) 等同，如：“直辖市”等同“省”。

　　本体模型中的概念、本体属性及概念间关系的示例参见 A. 2 。

　　5 . 5 实例

　　指概念所表示的具体对象，如：“西湖”是概念“湖泊”的一个实例。 典型实例，可作为概念认知的核心和范畴的基准。

　　6 模型构成元素

　　6 . 1 语义结构

　　本体模型的语义结构应采用三元组(或三元素)“概念+谓词+义素”(表示概念的本体属性)或“概念+谓词+另一个概念”(表示概念间的关系)。

　　6 . 2 概念

　　模型的一个概念应对应 GB/T 13923 的一个分类，概念间关系应包含其分类体系的上下位关系。

　　6 . 3 谓词

　　6 . 3 . 1 属性谓词

　　属性谓词应能准确表示某一概念具有的某种性质。 属性谓词应为概念本体属性的属性项(见 5 . 3) 。属性谓词应与义素一同使用，构成用于描述地理概念的本体属性。 即属性谓词为本体属性项，义素为本体属性值。 义素为属性谓词对应的宾语。

　　例如：“河流的物质性为水”—“物质性为水”即为概念“河流”的一个本体属性，“物质性”是属性谓

　　词(即本体属性项)，“水”是义素(即本体属性值);“烽火台的时间性为古代”—“时间性为古代”即为概念“烽火台”的一个本体属性，“时间性”是属性谓词(即本体属性项)，“古代”是义素(即本体属性值)。

　　属性谓词应与本体属性的属性项对应(见 5 . 3) 。

　　6 . 3 . 2 关联谓词

　　关联谓词应表示概念与其他概念的概念间关系。 关联谓词对应的宾语应为另一个概念。

　　例如：“国道的父概念是城际公路”—“国道”是作为主语的基本概念，“父概念”为关联谓词，“城际公路”为另一个基本概念，作为关联谓词“父概念”的宾语;“地下渠包含地下渠出水口”—“地下渠”是作为主语的基本概念，“包含”为关联谓词，“地下渠出水口”为另一个基本概念，作为关联谓词“包含”的宾语。

　　关联谓词的种类与概念间关系的类型相对应(见 5 . 4) 。

　　6 . 4 义素

　　义素应是基础地理信息本体模型中，表示地理现象性质名词性的最小单位。 义素是一种元概念，即描述概念的概念，主要来自对概念的文字定义和说明，用于描述概念的地理现象、状态、时空特征，如季节性、运输、坡度等。

　　义素与概念、属性谓词的关系见图 1 。其中“水”“槽型”“洼地”“岩溶作用”和“积水”这些属性值即为义素;这些义素分别对应“物质性”“形态”“成因”等属性谓词。 “地理概念-谓词-义素”的形式化语义模型表达了地理概念的本体属性特征。

　　图 1 义素与概念、属性谓词的关系示例

　　在本体模型的构建过程中，应依据以下四个基本准则来确定义素：

　　a) 概念可以用多种义素表示，但形式本体应定义一组数量最少的性质作为公理来表达其语义，即在保证语义完整性的前提下剔除多余的属性;

　　b) 确定概念语义的义素应反映整个概念所指所有可能对象的属性，其属性值应总保持为常量，不以外延的变化而变化，不随对象的状态变化而变化;

　　c) 每个概念可不涵盖所有的本体属性集，即某一义素是一地理概念的本体属性不需保证它是另一地理概念的本体属性;

　　d) 不同概念的本体属性的值的组合，应能反映出某个相应的概念，并能区别不同的概念，不产生二义性。

　　本体模型中的义素示例参见附录 B。

　　6 . 5 实例

　　作为概念所表示的具体对象，某类地理要素的所有实例给出了此要素所指概念的外延，如：“湖泊”要素类的数据库组成了“湖泊”概念的外延。

　　实例是本体模型的可选项，通过 URI来指向某个或某些实例。

　　7 模型构建准则

　　7 . 1 构建本体模型的基本准则

　　构建基础地理信息本体模型应依据以下基本准则：

　　a) 无歧义性。基础地理信息本体应明确无歧义的表达所定义术语的内涵。

　　b) 客观性。所定义的要素类型应来自地理信息领域或实际的表达需求，且该要素类型的定义应独立于这个需求。

　　c) 一致性。基础地理信息本体的表达与实现应保证前后一致，由其推断出的要素类型定义应与其自定义的要素类型定义相一致。

　　d) 可扩展性。在不改变已构建好的本体中的原有定义的前提下，应以其中存在的词汇为基础定义新的术语。

　　e) 最小编码偏差。基础地理信息本体应处于知识的层次，其表示形式的选择不应只考虑表示上或实现上的方便，地理信息本体的编码偏差应控制在尽可能小的范围内。

　　f) 最小本体承诺。基础地理信息本体在提供必需的共享知识的条件下，宜有最小的本体承诺。即其应对所表达的对象产生尽可能少的推断，而让共享者按照他们的 自身需求去进行专门化和实例化。

　　g) 概念名称命名标准化。在构建概念时宜使用标准术语。

　　7 . 2 概念的层次划分

　　本体模型中概念间的层次除按照 GB/T 13923 中的分类层次外，还可按一定的原则进行上下位层次划分。 划分的原则如下：

　　a ) 由某一个上位类划分出的下位类的总范围应与该上位类的范围相同;

　　b) 当某一个上位类划分成若干个下位类时，应选择同一种划分视角;

　　c) 分类应从高位向低位依次进行，不应有跳跃;

　　d) 各概念赋予唯一标识时，该唯一标识宜作为该概念的一项本体属性存在，概念代码编码方式宜符合 GB/T 13923 和 GB/T 25529 ;

　　e) 概念名称应符合 GB/T 13923 和 GB/T 25529 的要求，所定义的概念与以上标准中有相对应的，应使用以上标准中的概念名称。

　　8 模型表达

　　8 . 1 概述

　　本体模型的表达应使用形式化语言分别对概念、谓词和义素，根据基础地理信息本体模型的结构和内容进行表达。 本体模型的表达主要包括：概念框架的表达、概念文字描述的表达、谓词的表达、义素的表达、概念间关系的表达、实例的表达等。

　　根据地理信息语义描述特点，其本体模型宜使用 OWL语言和 SKOS语言。 其中，本体模型的概念框架宜使用 OWL语言;概念的文字描述宜使用 SKOS 语言;概念、谓词和义素三元组宜使用 OWL 语言 。SKOS语言和 OWL语言的规则和使用方法参见 ISO 19150-2 : 2015 的相关说明。

　　8 . 2 概念框架的表达

　　基础地理信息本体模型是对各基本概念的语义表达。 本体模型的表达以概念框架的表达为基础。概念框架的表达宜使用 OWL语言。 概念的文字描述，概念相关的谓词、义素、实例等本体模型构成元素和语义关系都在其概念框架之下。 概念框架的表达形式如下：

　　其中：“Concept C”代表概念的 URI。概念框架下包含了该概念的文字描述(使用 SKOS 语言)和

　　本体模型构成元素、语义关系(使用 OWL语言，由相关的谓词、义素、实例等元素组成)。

　　8 . 3 概念文字描述的表达

　　本体模型中概念的文字描述包括概念的名称，及其使用各种语言对于概念的描述文本。 概念的文字描述使用 SKOS语言的表达形式如下：

　　其中：

　　“Concept C”代表概念的 URI。(例如，地理概念“河流”的一个 URI 可以为“http://www. carto- lab1995.cn/cfgio#河流”。)

　　“Language L”代表概念名称所使用语言的代码，使用语言的相关代码应符合 GB/T 4880. 1—2005的规定。例如简体中文的代码为“zh-cn”。

　　“Name N”代表相应语言的概念名称。例如“河流”。

　　“Definition D”代表相应语言的对于概念的描述文本。例如“水流在槽形洼地内的流动产生的 自然

　　地理形态。”

　　8 . 4 谓词的表达

　　8 . 4 . 1 属性谓词的表达

　　本体模型中，属性谓词宜以 OWL语言中 owl: DatatypeProperty 的形式表达，形式如下：

　　其中：

　　“Predicate P”代表所定义的属性谓词。例如“物质性”“时间性”等。

　　“Domain Do”代表所定义的属性谓词的定义域。属性谓词的定义域应为全部概念或其子集。“Do- main Do”所在的行是可选要素，默认为全部概念。

　　“Range R”代表所定义的属性谓词的值域。“Range R”所在的行是可选要素。属性谓词的值域默认为"http://www.w3.org/2001/XMLSchema# string"。

　　属性谓词 的 建 立 应 在 各 概 念 的 概 念 框 架 之 外。 在 概 念 框 架 中，属 性 谓 词 被 调 用 作 为 谓 语

　　(predicate) ,并跟随相应的义素作为宾语(object)。属性谓词更详细的建立和使用示例参见附录 C。

　　8 . 4 . 2 关联谓词的表达

　　本体模型中，关联谓词宜以 OWL语言中 owl: ObjectProperty 的形式表达，形式如下：

　　其中：

　　“Predicate P”代表所定义的关联谓词。例如“包含”“附属于”等。

　　“Domain Do”代表所定义的关联谓词的定义域。关联谓词的定义域应为全部基本概念或其子集。 “Domain Do”所在的行是可选要素，默认为全部概念。

　　“Range R”代表所定义的关联谓词的值域。“Range R”所在的行是可选要素。关联谓词的值域默

　　认为全部概念。

　　关联谓词 的 建 立 应 在 各 概 念 的 概 念 框 架 之 外。 在 概 念 框 架 中，关 联 谓 词 被 调 用 作 为 谓 语

　　(predicate) ,并跟随相应的概念作为宾语(object)。关联谓词更详细的建立和使用示例参见附录 C。

　　8 . 5 义素的表达

　　义素(如“槽形”“人工”等)一般为字符串格式，并在概念框架下与属性谓词一同使用，构成用于描述地理概念的本体属性。 义素的表达形式如下：

　　其中：

　　“Concept C”代表概念的 URI。

　　“Predicate P”代表一个属性谓词，见 8.4.1 的表述。

　　“Sememe S”代表谓词“Predicate P”对应的义素。例如“河流的空间形态为槽型”这一语义中， “Concept C”为“河流”的 URI,“Predicate P”为“空间形态”，“Sememe S”为“槽型”。

　　8 . 6 概念间关系的表达

　　概念间关系可通过关联谓词来表达，如下所示：

　　其中：

　　“Concept C1”代表概念(主语)的 URI。

　　“Predicate P”代表一个关联谓词，见 8.4.2 的表述。

　　“Concept C2”代表概念(宾语)的 URI。例如“火车站附属于铁路”这一语义中，“Concept C1”为“火车站”的 URI,“Predicate P”为“附属于”，“Concept C2”为“铁路”的 URI。

　　8 . 7 实例的表达

　　本体模型中的实例为一个 URI 资源。在概念框架下，实例与表达“概念-实例”关系的 owl: Object- Property“#hasInstance”连用，形式如下：

　　其中：

　　“Concept C”代表概念的 URI。

　　“Instance I”代表概念的一个实例。例如“长江”是“河流”的一个实例。

　　本体模型更详细的实施示例参见附录 C。

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　概念的文字描述、本体属性、概念间关系示例

　　本附录给出了基础地理信息的部分概念及其文字描述、本体属性和概念间关系示例。 其中 A. 1 为概念的文字描述示例，A. 2 为概念的本体属性、概念间关系示例。 本附录中示例概念的来源主要为 GB/T 13923 中的中类地理要素;为保证示例的充分，附录中也包含了部分小类和子类要素。 概念的分类代码均按照 GB/T 13923 的规定。

　　A.1 概念的文字描述示例

　　基础地理信息本体模型中，概念的文字描述示例见表 A. 1 。

　　表 A.1 概念的文字描述示例

　　表 A.1(续)

　　表 A.1(续)

　　表 A.1(续)

　　A.2 概念的本体属性、概念间关系示例

　　基础地理信息本体模型中，概念的本体属性和概念间关系示例见表 A. 2 。

　　表 A.2 概念的本体属性、概念间关系示例

　　表 A.2(续)

　　表 A.2(续)

　　表 A.2(续)

　　表 A.2(续)

　　表 A.2(续)

　　GB/T 40765—202 1

　　附 录 B

　　(资料性附录)义 素 示 例

　　本附录给出了基础地理信息本体模型中的部分义素示例。 如表 B. 1,给出了本体模型中的属性谓词及其所对应的义素示例。

　　表 B.1 属性谓词及义素示例

　　GB/T 40765—202 1

　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　概念的本体模型实现示例

　　本附录给出了基础地理信息概念在本体模型中的实现示例，如图 C. 1 。该示例实现了“河流”和“渠首”两个基础地理信息概念本体模型。 每一个地理概念的本体模型包括其概念框架、文字描述、由谓词、义素、实例组成的本体属性和语义关系等(见第 7 章)。 在实现本体模型之前，首先需要引用所需的OWL、SKOS语言的命名空间，参见 ISO 19150-2 : 2015 附录 D。

　　图 C.1 概念的本体模型实现示例

　　图 C.1(续)

　　图 C.1(续)

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 13923—2006 基础地理信息要素分类与代码

　　[2] GB/T 20257(所有部分) 国家基本比例尺地图图式

　　[3] GB/T 20258(所有部分) 基础地理信息要素数据字典

　　[4] GB/T 21740—2008 基础地理信息城市数据库建设规范

　　[5] GB/T 33188 . 1—2016 地理信息 参考模型 第 1 部分：基础(ISO 19101-1:2014, IDT)

　　[6] ISO/TS 19150-1 : 2012 地理信息 本体 第 1 部分：框架(Geographic information—Ontol- ogy—Part 1 : Framework)

　　[7] ISO 19150-2 : 2015 地 理 信 息 本 体 第 2 部 分：网 络 本 体 语 言 (OWL) 开 发 规 则[Geographic information—Ontology—Part 2 : Rules for developing ontologies in the Web Ontology Language (OWL)]

　　[8] W3C OWL, Web Ontology Language(OWL) .W3C Recommendation(11 December 2012)

　　[9] 王红，李霖，朱海红.国家基础地理信息本体关键问题研究.科学出版社，2011 .

　　[10] 李霖，朱海红，王红，李德仁.基于形式本体的基础地理信息语义分析— 以陆地水系要素类为例[J ] . 测绘学报，2008 ( 2 ) : 230-235 .

　　[11] 地理学词典编辑委员会.地理学词典[M] . 上海：辞书出版社，1983 .

　　[12] 孙九林.国土资源信息分类体系与评价指标[M] . 北京：中国科学技术出版社，1992 .

　　[13] 夏征农.辞海[M] . 第 6 版.上海：上海辞书出版社，2010 .

　　[14] 谭见安.地理辞典[M] . 北京：化学工业出版社，2008 .

　　[15] 熊武一，周家法，卓名信，厉新光，徐继昌等.军事大辞海 · 下[M] . 北京：长城出版社，2000 .

　　[16] 邓绶林.地学辞典[M] . 石家庄：河北教育出版社，1992 .

　　[17] 孙跃东.实用英汉汉英土木工程词汇与术语[M] . 北京：人民交通出版社，2005 .