Геоинформационное семантическое моделирование

УДК 528.9; 004.94 О.А. Андреева

ГРНТИ 28.23. 13 АО «Транспутьстрой»

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ СЕМАНТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Применение геоинформационных систем и технологий для решения прикладных задач основано на совершенствовании методов моделирования. Это определяет важную роль создания новых видов геоинформационного моделирования. Одним из неявно используемых видов моделирования является геоинформационное семантическое моделирование. Практически все инструкции работы с ГИС говорят о вводе семантики. Но в тоже время отсутствует систематика и теория семантического моделирования в геоинформатике. Данная статья направлена на уменьшении данного пробела. Статья вводит новые понятия: полное геоинформационное моделирование, геометрическое геоинформационное моделирование, геоинформационное семантическое моделирование. Статья описывает концептуальное моделирование на примере картографических преобразований. Статья показывает, что семантическое моделирование является обязательным компонентом при пространственном проектировании. Статья вводит новый формализм для геоинформационного геометрического моделирования и геоинформационного семантического моделирования.

Ключевые слова: геоинформатика, моделирование, полное геоинформационное моделирование, геоинформационное геометрическое моделирование, геоинформационное семантическое моделирование.

O.A. Andreeva

JSC Transputstroy

GEOINFORMATIONAL SEMANTIC MODELING

The use of geographic information systems and technologies for solving applied problems is based on the improvement of modeling methods. This determines the important role of creating new types of geographic information modeling. One of the implicitly used types of modeling is geoinformation semantic modeling. Almost all GIS instructions talk about introducing semantics. But at the same time, there is no systematics and theory of semantic modeling in geoinformatics. This article aims to narrow this gap. The article introduces new concepts: full geoinformation modeling, geometric geoinformation modeling, geoinformation semantic modeling. The article describes conceptual modeling using cartographic transformations as an example. The article shows that semantic modeling is an essential component in spatial design. The article introduces a new formalism for geoinformation geometric modeling and geoinformation semantic modeling.

Keywords: geoinformatics, modeling, semantics, geoinformation geometric modeling, geoinformation semantic modeling.

Введение

В геоинформатике явно выражены две технологии при построении пространственных моделей и решении пространственных задач. Первая технология - ввод метрических или геометрических параметров. Вторая технология - ввод содержательной информации или «семантики». Семантика (от греч. semantikos - обозначающий) - раздел лингвистике и семиотики, изучающий правила интерпретации знаковой системы; исследует отношения между знаками Z и отражениями A, связи между словами языка и соответствующими им понятиями, между знаками языка и их значениями [1]. Знаки Z являются формой существования мысленных образов A, последние являются значениями знаков Z. В технических науках семантикой называют содержательное моделирование [2], которое либо присваиваивает информационной модели некие значения, либо меняет их на другие. Применительно к информатике и геоинформатике семиотический анализ информационной модели (системы, процесса, объекта, технологии) выдвиает простое требование к модели. Любая информационная или геоинформационная модель должна включать кроме геометрической части три семиотические части: [3].

1. синтаксис - правила построения и критерии принадлежности к виду;

2. семантику - содержательная часть сущностии (содержание);

3. прагматику - полезность модели.

В теории информации Шеннон исключил эти вопросы из своей теории. Основываясь на работах Найквиста и Хартли, он ясно различал передаваемое сообщение и семантику

сообщения и чётко сформулировал положение о том, что семантические аспекты информации не релевантны техническим проблемам связи [4]. По существу Шеннон рассматривал связь и передачу неких информационных объектов, имеющих только определённую информационную ёмкость. Это вызвало протест среди ряда ученых и по этой причине Р. Карнап [5, 6] а затем Л. Флориди [7] стали писать теорию информациюю альтернативную от точки зрения К.Э. Шеннона. Анализ информационных и геоинформационных моделей, в отличие от измерения физических или метрических величин, имеет свою специфику. Он состоит в том, что кроме физического информационного объёма, который легко измерить количественно, они характеризуются содержательностью. Один и тотже графический образ может обозначасть разный объект. Например, прямоугольник может обозначать дом или земельный участок. Обозначение содержания графического образа в теории геоинформатики достаточно часто обозначают термином семантика [8, 9]. Семантика может быть связана либо с отдельным объектом, либо с совокупностью объектов задающих пространственный образ [10]. В первом случае объект отображают с помощью информационных единиц. во втором объект формируется как совокупность разных пространственных объектов, находящихся друг с другом в определеннвх пространственных отношениях. Общая схема сохраняется: композиция пространственных объектов с вводом семантического содержания.

Полисемия геоинформационного моделирования

Многообразие применения геоинформатики привело к тому, что геоинформационное моделирование является полисемическим понятием [11-14]. При использовании интерактивных режимов обработки информации в ГИС оно является эвристическим [15]. Геоинформационное моделирование включает пространственную, информационную и семиотическую компоненты. В аспекте пространственного моделирования оно является геометрическим и топологическим. В аспекте информационного моделирования оно является информационным [16]. В аспекте когнитивного анализа геоинформационное моделирование является семантическим. Следует подчеркнуть, что семантическое моделирование в геоинформатике пока в основном осуществляется когнитивными методами. Геоинформационное моделирование включает построение и преобразование геоинформационных моделей на основе применения геоданных [17-19]. В геоинформатике выделяют три класса пространственных объектов. Это делает удобным использование геоданных для моделирования любых пространственных объектов. В геоинформатике и структурно разделяют геометрию и семантику пространсвенных моделей. Первая группа характеристики называется также метрической, а вторая атрибутивной [20].

Геоинформационное моделирование включает геометрическое моделирование и семантическое моделирование. Геометрическое моделирование использует пространственные отношения [21-23] и пространственные геореференции [24, 25]. Геометрическое моделирование в сочетании с логикой поддерживает качественные пространственные рассуждения [26-28]. Геоинформационное моделирование включает моделирование с использованием ГИС и моделирование с использованием компьютерных программ. Семантическое моделирование используется в обеих вариантах

Формализация семантического моделирования

Семантическое моделирование можно рассматривать не только как лингвистический процесс [1], но и как моделирование в области искусственного интеллекта [29]. Оно связано с описанием предметной области с помощью семантических моделей [30] и концептов [31]. Можно выделить такие виды семантического моделирования: содержательное, причинно-следственное, когнитивное, вероятностное и ситуационное. Содержательное семантическое моделирование связано с семантической теорией информации [5, 6, 7]. Причинно-следственное семантическое моделирование позволяет выявить причинно-следственные связи между факторами и вклад факторов. Когнитивное семантическое моделирование позволяет построить четкие или нечеткие когнитивные карты [32, 33].

Вероятностное семантическое моделирование позволяет строить прогнозы с использованием методов вероятностной логики [34]. Ситуационное семантическое моделирование основано на применении модели информационной ситуации [35-37]. Она связывает объект моделирования с его ближайшим окружением, которое существенно влияет на его состояние и поведение.

Можно ввести понятие «полное геоинформационное моделирование», которое включает понятие геометрического моделирования и семантического моделирования. При полном геоинформационном моделировании пространственное явление или объект описываются с помощью

специального формального аппарата. Такое описание называют формализованным. Оно служит для представления исследуемых элементов явлений и их взаимосвязей. Для геометрического и семантического моделирования применяют разные методы описания или формализации.

Первым этапом семантического моделирования является концептуальное моделирование.

На рис.1 приведено концептуальное геометрическое моделирование на примере построения карты в конической проекции.

Эталонная модель Земли - Эталонная поверхность - Класс конических

Референц-эллипсоид конус проекций

Рис.1. Концептуальное моделирование на примере построения конической проекции

Такое концептуальное моделирование включает следующие главные этапы моделирования (проектирования):

1. Выбор эталонной модели Земли (ЭМЗ).

2. Выбор эталонной фигуры или поверхности

3. Выбор расположения эталонной фигуры относительно модели Земли (Пэф).

4. Трансформацию точек с поверхности эталонной модели земли на эталонную поверхность

(Тр1).

5. Выбор параметров трансформирования (эллипсов искажений) при переносе точек с поверхности фигуры на развертку фигуры (Птр).

6. Трансформирование (конформное преобразование) (Тр2) точек с эталонной поверхности на поверхность развертки (карту заданной проекции - КЗП).

Данная процедура называется картографическим преобразованием. В ней нет семантики, то есть содержания. Семантическое моделирование как дополнение геометрического моделирования (концептуального) приведено на рис.2.

Эталонная модель Земли - Эталонная поверхность - Класс конических

Референц-эллипсоид конус проекций

Рис.2. Семантическое моделирование на примере построения конической проекции

Различие между рисунками 1 и 2 в содержании. На рис.1 имеется схема. На рис.2 имеет содержание и наполнение схемы. Формализация концептуального геометрического моделирования приведена в выражениях (1), (2).

Тр1

Тр2

Семантическое моделирование отличается от геометрического наличием содержания. Формализация семантического моделирования приведена в выражениях (3), (4).

Тр1

Тр2

В выражениях (3) (4) появляется содержание: сод1, сод2, сод3. Для объектов А1, А2 при семантическом моделировании и построении объекта М имеет место.

В

Подобная процедура применяется, например, при внесении на карту новой информации. Данная процедура используется при геоинформационном проектировании [38], например, при выносе железнодорожной трассы в натуру.

Семантическое моделирование часто приводит к изменению атрибутов. Если геометрия не меняется, то такое семантическое моделирование называют атрибутивным моделированием. При создании нового объекта необходимо изменить его атрибуты, проанализировать семантическую информацию и изменить не актуальную.

В теории баз данных такая процедура называется обновлением базы данных. В свою очередь, она требует проведения информационного поиска. Следовательно, информационный поиск есть обязательная составляющая атрибутивного семантического моделирования.

Атрибутивные данные хранятся в базе данных ГИС. Поэтому семантическое моделирование на основе слияния атрибутов использует возможности интерфейса ГИС, в частности использование команд типа «Слияние в таблице». Слияние атрибутивных данных позволяет создавать новые пространственные объекты путем Атрибутивные данные нового объекта, полученного таким способом, вычисляются на основе процедур обобщения [38].

Заключение

Геоинформационное моделирование является важным инструментом моделирования пространственных объектов. Однако часто геоинформационным моделированием называют только геометрическое моделирование. По нашему мнению настало время ввести новые понятия: полное геоинформационное моделирование; геометрическое геоинформационное моделирование и семантическое геоинформационное моделирование. Семантическое геоинформационное моделирование может быть атрибутивным и концептуальным. Особенность концептуального моделирования в том, что оно позволяет начать моделирование на уровне концепций и детализировать модель до уровня содержания. Особенность геоинформационного семантического моделирования в возможности визуального моделирования и подключение когнитивной области к процессу анализа и ввода семантической информации. Геоинформационное семантическое моделирование тесно связано с когнитивным моделированием. Следует отметить, что геоинформационное семантическое моделирование решает задачи проектирования. Это дает возможность сочетать семантическое моделирования при создании проекта с семантическим моделирование при выносе проекта в натуру. Этим исключается семантический разрыв [40] между теорией проектирования и практической реализацией. Дополнительным преимуществом использования геоинформационного семантического моделирования при проектировании является возможность включения эвристических методов. Таким образом, геоинформационное семантическое моделирование является основой пространственного проектирования. Существует много направлений развития этого направления. В тоже время геоинформационное се-матическое моделирование требует дальнейших теоретических исследований.

Литература

1. Лайонз Дж. Лингвистическая семантика: Введение. - М.: Языки русской культуры, 2003. 400 с.

2. Цветков В.Я. Семиотический подход к построению моделей данных в автоматизированных информационных системах // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2000. № 5. С. 142-145.

3. Цветков В.Я. Модели в информационных технологиях. - М.: МАКС Пресс, 2006. 104с.

4. Shannon C.E. A Mathematical Theory of Communication // Bell System Technical Journal 1948. vol. 27, pp. 379-423 & 623-656, July & October, 1948.

5. Carnap R. et al. An outline of a theory of semantic information. - Research Laboratory of Electronics, Technical Report. 1952. N. 247. MIT. С. 221-274.

6. Semantic Information Yehoshua Bar-Hillel and Rudolf Carnap // The British Journal for the Philosophy of Science Vol. 4, No. 14 (Aug., 1953), pp. 147-157.

7. Floridi, L., Semantic Conceptions of Information. http://plato.stanford.edu/entries/infor mation-semantic.

8. Цветков В.Я. Семантика информационных единиц // Успехи современного естествознания. 2007. № 10. С. 103-104.

9. Tsvetkov V.Yа. Semantic environment of information units // European researcher. 2014. N 6-1 (76). Р. 1059-1065.

10. Лютый А.А. Язык карты: сущность, система, функции. - 2-е изд. - М.: ГЕОС, 2002. 327 с.

11. Булгаков С.В. Особенности геоинформационного моделирования // Известия высших

учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2013. № 3. C. 77-80.

12. Розенберг И.Н. Геоинформационная модель // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 5-4. C. 675-676.

13. Савиных В.П., Цветков В.Я., Шайтура С.В. Основные положения в области геоинформационных технологий // Славянский форум. 2015. № 2 (8). с. 293-301.

14. Андреева О.А. Геоинформационное моделирование // Славянский форум. 2019. № 2 (24). С. 7-12.

15. Ожерельева Т.А. Организационное эвристическое управление // Государственный советник. 2014. № 4. С. 69-75.

16. Лотоцкий В.Л. Пространственное информационное моделирование // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 3 (15). С. 114-122.

17. Омельченко А. С. Геоданные как инновационный ресурс // Качество, инновации, образование. 2006. № 1. С. 12-14.

18. Кудж А.С. Сбор и измерение геоданных в науках о Земле // Славянский форум. 2013. № 2 (4). С. 135-139.

19. Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоданные как системный информационный ресурс // Вестник Российской Академии Наук. 2014. Т. 84. № 9. С. 826-829.

20. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.

21. Hess M. 'Spatial'relationships? Towards a reconceptualization of embedded ness // Progress in human geography. 2004. Т. 28. N. 2. С. 165-186.

22. Цветков В.Я. Виды пространственных отношений // Успехи современного естествознания. 2013. № 5. C. 138-140.

23. Ambler A.P., Popplestone R.J. Inferring the positions of bodies from specified spatial relationships // Artificial Intelligence. 1975. Т. 6. N. 2. P. 157-174.

24. Майоров А.А., Цветков В.Я. Геореференция как применение пространственных отношений в геоинформатике // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2012. № 3. С. 87-89.

25. Кулагин В.П. Геореференция в пространственных отношениях // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 5 (17). С. 80-86.

26. Clements D.H., Battista M.T. Geometry and spatial reasoning //Handbook of research on mathematics teaching and learning. 1992. С. 420-464.

27. Freksa C. Qualitative spatial reasoning //Cognitive and linguistic aspects of geographic space. - Springer, Dordrecht, 1991. Р. 361-372.

28. Wallgrün, J.O. Exploiting qualitative spatial reasoning for topological adjustment of spatial data. In Proceedings of the 20th International Conference on Advances in Geographic Information Systems pp. 2012. November. Р. 229-238.

29. Массель Л.В., Массель А.Г., Иванов Р.А. Когнитивная графика и семантическое моделирование для геопространственных решений в энергетике // Устойчивое развитие территорий: картографо-геоинформационное обеспечение: труды. 2015. С. 496-502.

30. Господинов С.Г. Семантическое дерево в информационном поле // Славянский форум. 2018. № 3 (21). С. 73-79

31. Майоров А.А. Концептосфера и инфосфера // Российский технологический журнал. 2014. № 4 (5). С. 1-17.

32. Eden C. On the nature of cognitive maps // Journal of management studies. 1992. Т. 29. N. 3. P. 261-265.

33. Цветков В.Я. Сельманова Н.Н. Когнитивная карта как инструмент оценки недвижимости // Науки о земле. 2018. № 1. C. 70-80.

34. Господинов С.Г. Вероятностно логический анализ // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2019. № 1. С. 3-8.

35. Tsvetkov V.Ya. Information Situation and Information Position as a Management Tool // European researcher. 2012. N. 12-1 (36). P. 2166-2170.

36. Tsvetkov V^. Dichotomic Assessment of Information Situations and Information Superiority // European researcher. 2014. N. 11-1 (86). P. 1901-1909.

37. Ожерельева Т.А. Информационная ситуация как инструмент управления // Славянский форум. 2016. № 4(14). С. 176-181.

38. Андреева О.А., Дышленко С.Г. Геоинформационное проектирование трехмерных

объектов // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2019. № 1. С. 39-46.

39. Андреева О.А. Геоинформационное моделирование при проектировании линейных объектов // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2019. № 1. С. 30-39.

40. Чехарин Е.Е. Когнитивное моделирование как метод устранения семантического разрыва // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 1 (13). С. 103-

Сведения об авторе

Ольга Александровна Андреева

Зам. гендиректора АО «Транспутьстрой» Россия, Москва

Эл. почта: andreeva_olga@inbox.ru

Information about author

O.A. Andreeva

Deputy General Director JSC Transputstroy Moscow, Russia

Email: Email: andreeva_olga@inbox.ru

УДК 519.7, 004.8 А.В. Буравцев

ГРНТИ 36.01.26 МИРЭА

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Пространственные системы сопровождают человека всю его жизнь. Однако их исследование как специальных систем проводится мало. Исследуют пространственное знание, Пространственные системы чаще всего являются источниками пространственного знания. Пространственные системы делят на естественные и искусственные системы. Естественные пространственные системы существуют на земле и в космосе. К таким системам относятся наземные объекты: реки, горы, озера, моря и океаны. Естественные пространственные системы изображают на пространственных моделях - географических картах. К естественным пространственным системам относятся планеты солнечной системы и малые небесные тела. Искусственные пространственные системы создает человек. Это дома, гидросооружения, объекты всех видов транспорта, дороги и прочее. Для пространственных систем возможны разные систематики и классификации. Важным свойством пространственных систем являются метрики и форма. Логика и системный анализ служит основой для исследования пространственных систем. Причем в области пространственных систем используют специальный вид логики пространственную логику. Статья исследует пространственные системы и вводит ряд новых понятий. Статья вводит новые понятия: морфологические пространственные системы, координационные пространственные системы, взаимность пространственных систем. Ключевые слова: анализ, системный анализ, пространственный анализ, системы, пространственные системы, метрики, морфологические пространственные системы, координационные пространственные системы, взаимность пространственных систем, дискретные потоки.

A.V. Buravtsev

MIREA

SPATIAL SYSTEMS

Spatial systems accompany a person throughout his life. However, their study as special systems is conducted little. Explore spatial knowledge. Spatial systems are most often sources of spatial knowledge. Spatial systems are divided into natural systems and artificial systems. Natural spatial systems exist on earth and in space. Such systems include terrestrial objects: rivers, mountains, lakes, seas and oceans.