摘要:從地理信息服務(wù)升級到地理知識服務(wù),既是一種必然的發(fā)展趨勢,也是信息爆炸困境下的迫切現(xiàn)實需求.本文辨析了地理知識服務(wù)的內(nèi)涵、其與地理信息服務(wù)的聯(lián)系與區(qū)別,以及其對形式化知識表示與智能化知識處理的要求;在分析傳統(tǒng)人工智能技術(shù)的局限性和人工智能技術(shù)新近突破性進(jìn)展的基礎(chǔ)上,指出最新發(fā)展水平的人工智能技術(shù)為發(fā)展地理知識服務(wù)所提供了令人樂觀的認(rèn)知智能基礎(chǔ);從地理知識服務(wù)的時空本質(zhì)特性的角度,指出了發(fā)展地理知識服務(wù)面臨的空間表示知識化、空間分析認(rèn)知化、知識服務(wù)情境化三方面的主要問題;進(jìn)而提出了地理知識服務(wù)的分級發(fā)展策略和推進(jìn)路徑.

　　關(guān)鍵詞:地理信息服務(wù);地理知識服務(wù);地理空間人工智能;時空知識圖譜

　　1信息爆炸呼喚智能化的地理知識服務(wù)

　　經(jīng)過將近20年的發(fā)展,地理信息服務(wù)作為地理信息技術(shù)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)計算時代的基本應(yīng)用形式,已成為全社會重要的基礎(chǔ)信息服務(wù)之一[1].地理信息服務(wù)實現(xiàn)了讓用戶通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地便捷獲取地理信息的目標(biāo),然而,面對未在已有地理信息服務(wù)中預(yù)先定義好的實際問題,現(xiàn)有地理信息技術(shù)缺乏根據(jù)情況從大量信息中自動整合相關(guān)信息,融合地理知識進(jìn)行推理,形成高價值知識性輸出以支持決策的能力,使我們面臨數(shù)據(jù)海量、信息爆炸、知識難求的局面[2].究其原因,這是因為現(xiàn)有的地理信息技術(shù)缺乏知識和認(rèn)知智能.

　　不論是整合信息,還是形成認(rèn)識、分析情況乃至決策,都需要知識和認(rèn)知智能,而這是現(xiàn)有地理信息技術(shù)所不具備的.信息爆炸使得將主要面向信息檢索的地理信息服務(wù)提升到具有一定認(rèn)知智能的地理知識服務(wù)的需求變得十分迫切.實際上,文獻(xiàn)[2—4]都曾指出由地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)向地理知識服務(wù)是必然的發(fā)展趨勢.

　　地理知識服務(wù)以知識表示與包括知識推理在內(nèi)的一定程度的認(rèn)知智能為基礎(chǔ).近10年來,人工智能技術(shù)取得了廣為人知的突破.筆者認(rèn)為,融合深度學(xué)習(xí)、語義網(wǎng)、自然語言處理3項重大人工智能突破的知識圖譜技術(shù),正在帶來知識獲取、管理與應(yīng)用及認(rèn)知智能的迅速發(fā)展,為發(fā)展地理知識服務(wù)帶來了機遇.基于這些最新進(jìn)展,本文嘗試從地理知識服務(wù)的內(nèi)涵、地理知識服務(wù)的需要及能得到什么樣的人工智能技術(shù)支撐、發(fā)展地理知識服務(wù)面臨的基本問題等角度,探討從地理信息服務(wù)到地理知識服務(wù)的智能化升級,旨在拋磚引玉,促進(jìn)地理信息智能化的研究與發(fā)展.

　　2地理知識服務(wù)的內(nèi)涵及其辨析

　　雖然地理知識服務(wù)這一術(shù)語在國內(nèi)外文獻(xiàn)中已經(jīng)提出,但它的內(nèi)涵仍需進(jìn)一步明確、辨析.特別是,對于什么是地理知識,地理知識服務(wù)是否以智能化的知識處理為前提,地理知識服務(wù)與地理信息服務(wù)的關(guān)系與區(qū)別都有待澄清.在此,筆者給出自己的理解,為后文提供概念基礎(chǔ),也供大家批評、討論.

　　2.1地理知識服務(wù)的內(nèi)涵

　　筆者把本文所展望的下一代具有認(rèn)知智能特征的地理信息技術(shù)的基本應(yīng)用形式稱為地理知識服務(wù),它以地理知識為服務(wù)內(nèi)容,以計算機中的形式化知識表示為地理知識載體,以地理空間認(rèn)知智能為智能特征,以面向情境或問題或主動或應(yīng)需地準(zhǔn)確提供地理知識為服務(wù)目標(biāo).進(jìn)一步闡釋如下.

　　2.1.1信息與知識的辨析

　　本文所提地理知識服務(wù)中的知識既包括地理信息(事實性地理知識),例如“泰山在山東省”,也包括平常意義上的概念性、規(guī)律性地理知識等,例如“沙漠中晝夜溫差很大”.本文所說的知識是知識工程意義上的知識,強調(diào)的是知識表示的形式,而非知識內(nèi)容.例如“泰山在山東省”可以說是一條信息,也可以說是一條事實性知識,它到底是信息還是知識不在于它本身,而在于它是否與其他知識有效關(guān)聯(lián)、處理它的智能主體能否利用知識的關(guān)聯(lián)進(jìn)行智能推理.

　　對人而言,可以想象,一個有地理知識的人和一個年幼無知的小孩,他們對“泰山在山東省”的這一事實的理解是不相同的.而對計算機而言,在它的內(nèi)部表示中,如果泰山在山東省這個基本事實是一條孤立的數(shù)據(jù),則它就是一條信息數(shù)據(jù),僅能基于它回答“泰山在哪個省”這樣直接的問題.而如果泰山在山東這個基本事實關(guān)聯(lián)到了“山”“泰山是一座山”“省”“山東是一個省”等概念與事實上,并且計算機還能理解到山是有一定地域規(guī)模的高出周圍地表的地形現(xiàn)象、省是一種由國家直接管轄的行政區(qū)劃等,則計算機可以在這些關(guān)聯(lián)的概念與事實上作出很多推理,則“泰山在山東省”這一基本事實就成了一條知識.因此,地理知識服務(wù)與地理信息服務(wù)的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示以及基于這種表示能做的“運算”上.地理信息服務(wù)基于結(jié)構(gòu)化的信息數(shù)據(jù)表示,其處理主要面向信息查詢或檢索;而地理知識服務(wù)基于知識表示,其處理主要面向知識推理.

　　2.1.2知識與智能的關(guān)系

　　與上述知識的界定相匹配,這里所說的地理知識服務(wù)必然要求計算機系統(tǒng)(或者更具體地說就是地理知識系統(tǒng)/地理信息系統(tǒng))具備有效處理知識的能力,即表示、理解和運用知識的能力———某種人工智能.按照現(xiàn)行文獻(xiàn)中的一般用法,筆者把這種理解、運用(例如推理)乃至發(fā)現(xiàn)新知識的智能稱為(計算機的)認(rèn)知智能,以區(qū)別于現(xiàn)行文獻(xiàn)中一般用法所提的感知智能,例如語音識別、人臉識別背后的智能.與語音識別、人臉識別等比較成熟的感知智能應(yīng)用相比,語義搜索、智能問答、聊天機器人、商品推薦等已經(jīng)出現(xiàn)的認(rèn)知智能應(yīng)用雖然還不夠成熟,但廣受業(yè)界和用戶的追捧,并被寄予厚望.因此,本文中的地理知識服務(wù)既是以地理信息的知識化、地理信息技術(shù)的智能化為前提和基礎(chǔ)的,也是作為當(dāng)代地理信息技術(shù)智能化升級的具象目標(biāo)來提的,還是作為未來智能化地理信息技術(shù)的主要應(yīng)用形式來提的,以期避免簡單地提地理信息技術(shù)智能化可能帶來的籠統(tǒng)和泛泛.

　　2.2與地理信息服務(wù)的聯(lián)系和比較

　　本文通過比較地理知識服務(wù)與傳統(tǒng)的地理信息服務(wù),進(jìn)一步澄清地理知識服務(wù)的內(nèi)涵.列出了現(xiàn)行的地理信息服務(wù)與所展望的地理知識服務(wù)的主要方面的對比.與地理信息服務(wù)相比,地理知識服務(wù)最大的不同是服務(wù)內(nèi)容,前者提供信息,后者提供知識(包括在當(dāng)前地理信息服務(wù)中以結(jié)構(gòu)化信息型數(shù)據(jù)表示的事實性知識,即平常意義上的信息).

　　從內(nèi)容來源上看,現(xiàn)行地理信息服務(wù)以空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)為主,而大數(shù)據(jù)時代的地理知識服務(wù)需要將富含地理知識的文本、地圖等考慮在內(nèi).從數(shù)據(jù)表示和處理能力上看,地理信息服務(wù)基于結(jié)構(gòu)化的信息數(shù)據(jù)表示,其處理主要面向信息查詢或檢索;而地理知識服務(wù)基于知識表示,除了語義檢索,其處理主要面向知識推理.此外,構(gòu)建這種表示的方法很關(guān)鍵.如果依靠人工方式構(gòu)建大規(guī)模知識庫,則成本很高,若成本過高,則方法不可行.專家系統(tǒng)作為上一代知識工程技術(shù)的代表,雖然有一些成功的應(yīng)用,但難以推廣的主要原因之一就在于難以構(gòu)建大規(guī)模規(guī)則知識庫[14].

　　從應(yīng)用效果上看,現(xiàn)行地理信息服務(wù)通過針對特定信息查詢設(shè)計、定制的用戶界面幫助用戶查詢地理信息,而所展望的地理知識服務(wù)根據(jù)用戶給出的相對開放、靈活的提問或指示,根據(jù)感知覺察到的情境,智能化地集成分析所涉及的知識,作出必要的推理,或應(yīng)需或主動地提供知識服務(wù).

　　為了強化地理知識服務(wù)和地理信息服務(wù)的不同,一定程度地把它們放在了對立面作比較,而實際上,通過這種可比性和類比關(guān)系,本文試圖表明地理知識服務(wù)是對地理信息服務(wù)的繼承和知識化、智能化升級.從這種升級的角度來看,筆者認(rèn)為現(xiàn)行的地理信息服務(wù)正是實現(xiàn)地理知識服務(wù)的現(xiàn)實起點.而如果暫時拋開其中的復(fù)雜性與各種困難,也可以簡單地認(rèn)為地理知識服務(wù)就是對現(xiàn)行地理信息服務(wù)在地理空間表示上的知識化、在地理空間分析上的認(rèn)知化、在應(yīng)用服務(wù)中的情境化.筆者用一個例子來說明地理信息服務(wù)與地理知識服務(wù)之間密切的聯(lián)系和看似細(xì)微實則具有根本性不同的區(qū)別.設(shè)想在新冠疫情期間,駕車到成都雙流機場迎接親友的地理信息服務(wù)場景.

　　從駕車路線的導(dǎo)航來看,現(xiàn)有的導(dǎo)航服務(wù)可以準(zhǔn)確、高效地實時導(dǎo)航,但它不能在導(dǎo)航開始前給出“到機場接機需要佩戴口罩,否則不能進(jìn)入機場迎接大廳”這一重要提示.在這個例子中,現(xiàn)行地理信息服務(wù)由于不能整合有關(guān)信息、融合知識、自動推理,因而不具備情境化的智能服務(wù)能力.實際上,這樣的智能服務(wù)需求非常普遍,包括雨季交通中對道路積水的提醒、郊野活動時對移動網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍的提醒、隧道行車時對可能存在的路面暗冰的提醒等,都需要這樣的基于知識的情境化推理智能.這些例子中,所提供的似乎仍然是地理信息服務(wù),但由于其處理需要基于知識和認(rèn)知智能來融合事實性知識(信息)和概念性知識,因此,本質(zhì)上已經(jīng)是智能化的地理知識服務(wù).

　　3地理知識服務(wù)的人工智能技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)

　　地理知識服務(wù)以計算機有效地表示和智能化地處理知識為前提和基礎(chǔ).本節(jié)結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展來分析、說明為什么說直到知識圖譜技術(shù)的新近突破,當(dāng)今發(fā)展水平的人工智能技術(shù)才為發(fā)展地理知識服務(wù)提供了讓人有理由樂觀的基礎(chǔ).首先,指出傳統(tǒng)知識工程的不足、深度學(xué)習(xí)技術(shù)突破的局限性.然后,分析新近知識圖譜技術(shù)在知識表示與推理上的發(fā)展帶來的機遇.

　　4地理知識服務(wù)的基本問題

　　上文從地理信息服務(wù)到地理知識服務(wù)升級轉(zhuǎn)換的角度,闡釋了地理知識服務(wù)的內(nèi)涵,并指出實現(xiàn)這種升級轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是引入知識表示和認(rèn)知智能,而知識圖譜技術(shù)作為大數(shù)據(jù)時代的知識工程技術(shù)取得的進(jìn)展為發(fā)展地理知識服務(wù)提供了知識表示與推理技術(shù)基礎(chǔ).然而,地理知識具有時空本質(zhì)特性,當(dāng)下常規(guī)知識圖譜將時空作為一般屬性,不能充分、精確地表示復(fù)雜時空關(guān)系,不足以充分關(guān)聯(lián)、深入挖掘地理時空大數(shù)據(jù)中蘊含的豐富地理時空知識.這種情況類似于地理信息技術(shù)發(fā)展之初,一般的關(guān)系數(shù)據(jù)模型不足以表示復(fù)雜的地理對象,不足以處理地理對象之間復(fù)雜的空間關(guān)系.后來經(jīng)過約20年(1980—2000年期間)的研究、發(fā)展,地理信息技術(shù)領(lǐng)域最終構(gòu)建出拓展了關(guān)系數(shù)據(jù)模型的地理空間關(guān)系數(shù)據(jù)模型,研制出空間數(shù)據(jù)庫引擎,支撐了當(dāng)今大規(guī)模地理信息服務(wù)的實現(xiàn).

　　類似地,針對目前知識圖譜中時空建模的上述根本性不足,筆者認(rèn)為發(fā)展地理知識服務(wù)的關(guān)鍵是要發(fā)展充分顧及時空知識表示與時空關(guān)系推理特性的時空知識圖譜技術(shù).正如當(dāng)初空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)以當(dāng)時的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ),有理由認(rèn)為待發(fā)展的時空知識圖譜技術(shù)宜以當(dāng)前的知識圖譜技術(shù)為基礎(chǔ),而擴展的關(guān)鍵是要向知識圖譜中植入時空維度,如圖2所示,發(fā)展時空型知識圖譜的理論、方法與技術(shù).為此,需要解決3個方面的主要問題.

　　5地理知識服務(wù)的分級發(fā)展和推進(jìn)路徑

　　地理知識服務(wù)是地理信息產(chǎn)業(yè)的一次智能化升級,其發(fā)展是一項長期而浩大的艱巨工程.下文就如何循序漸進(jìn)地推進(jìn)其發(fā)展,從分級發(fā)展和推進(jìn)路徑兩個方面拋出構(gòu)想.

　　5.1分級發(fā)展策略

　　前文為了強調(diào)與現(xiàn)行地理信息服務(wù)的區(qū)別和對其的升級,強化了地理知識服務(wù)的認(rèn)知智能屬性.然而,計算機的認(rèn)知智能仍在發(fā)展中,還遠(yuǎn)不成熟.而面對信息爆炸困境和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,不同智能化程度的地理知識服務(wù)有現(xiàn)實需求.因此,宜分級推進(jìn)地理知識服務(wù)的發(fā)展.下面從知識化、智能化程度的角度,嘗試給出一種地理知識服務(wù)分級.這里有意拉大級別之間的差距,以便于區(qū)分各個級別.第一級(L1)為現(xiàn)行的地理知識網(wǎng)站和地理信息服務(wù),它們未采用知識表示方法,不具備知識智能化處理能力.

　　在第二級(L2)中,引入了結(jié)構(gòu)化或向量式知識表示,強調(diào)自動構(gòu)建知識圖譜的能力和知識推理能力,設(shè)想中的典型應(yīng)用為地理知識語義搜索和智能問答.第三級(L3)強調(diào)結(jié)構(gòu)化符號知識表示與向量式知識表示的融合,以及兩種表示下知識推理的融合,在此基礎(chǔ)上形成對地理空間的理解性認(rèn)知,設(shè)想中的典型應(yīng)用為地理場景“看圖說話”、智能對話.第四級(L4)強調(diào)具備根據(jù)實際情況在較為開放的知識領(lǐng)域中自動整合知識、有針對性地提供知識服務(wù)或解釋地理現(xiàn)象,設(shè)想中的典型應(yīng)用為情境覺知的地理知識服務(wù)和人造GIS/GKS分析員,后者由文獻(xiàn)[11]提出.5.2從理論研究到規(guī)模化應(yīng)用的發(fā)展路徑從地理信息服務(wù)到地理知識服務(wù)的發(fā)展是一種根本性改造,涉及理論與方法研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)工程建設(shè)、應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化等方面.

　　理論與方法研究的基本問題在上文已經(jīng)著重闡述,主要包含表示知識化、分析認(rèn)知化、服務(wù)情境化3方面.在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上,一方面,需要研發(fā)具備時空知識表示、推理、智能交互能力的時空知識圖譜引擎;另一方面,需要研發(fā)從時空大數(shù)據(jù)自動構(gòu)建時空知識圖譜的工具.在地理知識基礎(chǔ)工程建設(shè)上,一方面,需要構(gòu)建具有廣泛適用性的基礎(chǔ)性地理時空本體,以及領(lǐng)域性、行業(yè)性地理時空本體,形成標(biāo)準(zhǔn);另一方面,需要完成地理時空知識的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn).在應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化方面,需要構(gòu)建基礎(chǔ)性大規(guī)模知識服務(wù)平臺以支撐全社會高效、經(jīng)濟的構(gòu)建知識服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng).

　　地理論文范例： 地理信息系統(tǒng)在旅游管理中的應(yīng)用

　　6總結(jié)與展望

　　本文認(rèn)為從地理信息服務(wù)升級到地理知識服務(wù)既是一種必然的發(fā)展趨勢,也是信息爆炸困境下的迫切現(xiàn)實需求,并將地理知識服務(wù)作為地理信息技術(shù)智能化升級的具象目標(biāo)、未來智能化地理信息技術(shù)的主要應(yīng)用形式.本文從由地理信息服務(wù)到地理知識服務(wù)轉(zhuǎn)換的角度,辨析了地理知識服務(wù)的內(nèi)涵;分析了人工智能技術(shù)新近突破性進(jìn)展為發(fā)展地理知識服務(wù)所提供的令人樂觀的認(rèn)知智能基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,從地理知識服務(wù)的時空本質(zhì)特性的角度,指出了發(fā)展地理知識服務(wù)在空間表示知識化、空間分析認(rèn)知化、知識服務(wù)情境化3方面面臨的主要問題,進(jìn)而提出了地理知識服務(wù)的分級發(fā)展策略和推進(jìn)路徑.智能化時代正在到來,地理信息服務(wù)的未來會或者需要怎么發(fā)展是個大問題.計算機認(rèn)知智能的研究方興未艾,技術(shù)發(fā)展日新月異.本文旨在拋磚引玉,促進(jìn)地理信息技術(shù)智能化的研究與發(fā)展.

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李德仁.從測繪學(xué)到地球空間信息智能服務(wù)科學(xué)[J].測繪學(xué)報,2017,46(10):1207G1212.LIDeren.Fromgeomaticstogeospatialservicescience[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2017,46(10):1207G1212.

　　[2]龔健雅,耿晶,吳華意.地理空間知識服務(wù)概論[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2014,39(8):883G890.GONGJianya,GENGJing,WUHuayi.Geospatialknowledgeservice:areview[J].GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity,2014,39(8):883G890.

　　[3]陸鋒,余麗,仇培元.論地理知識圖譜[J].地球信息科學(xué)學(xué)報,2017,19(6):723G734.LUFeng,YULi,QIUPeiyuan.Ongeographicknowledgegraph[J].JournalofGeoGinformationScience,2017,19(6):723G734.

　　作者：慎利1,2,徐柱1,2,李志林1,2,劉萬增3,崔秉良4