摘要:從地理信息服務(wù)升級(jí)到地理知識(shí)服務(wù),既是一種必然的發(fā)展趨勢(shì),也是信息爆炸困境下的迫切現(xiàn)實(shí)需求.本文辨析了地理知識(shí)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(duì)形式化知識(shí)表示與智能化知識(shí)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(shí)服務(wù)所提供了令人樂(lè)觀的認(rèn)知智能基礎(chǔ);從地理知識(shí)服務(wù)的時(shí)空本質(zhì)特性的角度,指出了發(fā)展地理知識(shí)服務(wù)面臨的空間表示知識(shí)化、空間分析認(rèn)知化、知識(shí)服務(wù)情境化三方面的主要問(wèn)題;進(jìn)而提出了地理知識(shí)服務(wù)的分級(jí)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(shí)服務(wù);地理空間人工智能;時(shí)空知識(shí)圖譜

　　1信息爆炸呼喚智能化的地理知識(shí)服務(wù)

　　經(jīng)過(guò)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(jì)算時(shí)代的基本應(yīng)用形式,已成為全社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息服務(wù)之一[1].地理信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)了讓用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地便捷獲取地理信息的目標(biāo),然而,面對(duì)未在已有地理信息服務(wù)中預(yù)先定義好的實(shí)際問(wèn)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(dòng)整合相關(guān)信息,融合地理知識(shí)進(jìn)行推理,形成高價(jià)值知識(shí)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(shí)難求的局面[2].究其原因,這是因?yàn)楝F(xiàn)有的地理信息技術(shù)缺乏知識(shí)和認(rèn)知智能.

　　不論是整合信息,還是形成認(rèn)識(shí)、分析情況乃至決策,都需要知識(shí)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(shí)服務(wù)的需求變得十分迫切.實(shí)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(shí)服務(wù)是必然的發(fā)展趨勢(shì).

　　地理知識(shí)服務(wù)以知識(shí)表示與包括知識(shí)推理在內(nèi)的一定程度的認(rèn)知智能為基礎(chǔ).近10年來(lái),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(yǔ)義網(wǎng)、自然語(yǔ)言處理3項(xiàng)重大人工智能突破的知識(shí)圖譜技術(shù),正在帶來(lái)知識(shí)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(shí)服務(wù)帶來(lái)了機(jī)遇.基于這些最新進(jìn)展,本文嘗試從地理知識(shí)服務(wù)的內(nèi)涵、地理知識(shí)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(shí)服務(wù)面臨的基本問(wèn)題等角度,探討從地理信息服務(wù)到地理知識(shí)服務(wù)的智能化升級(jí),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(shí)服務(wù)的內(nèi)涵及其辨析

　　雖然地理知識(shí)服務(wù)這一術(shù)語(yǔ)在國(guó)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(duì)于什么是地理知識(shí),地理知識(shí)服務(wù)是否以智能化的知識(shí)處理為前提,地理知識(shí)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(píng)、討論.

　　2.1地理知識(shí)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(shí)服務(wù),它以地理知識(shí)為服務(wù)內(nèi)容,以計(jì)算機(jī)中的形式化知識(shí)表示為地理知識(shí)載體,以地理空間認(rèn)知智能為智能特征,以面向情境或問(wèn)題或主動(dòng)或應(yīng)需地準(zhǔn)確提供地理知識(shí)為服務(wù)目標(biāo).進(jìn)一步闡釋如下.

　　2.1.1信息與知識(shí)的辨析

　　本文所提地理知識(shí)服務(wù)中的知識(shí)既包括地理信息(事實(shí)性地理知識(shí)),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(shí)等,例如“沙漠中晝夜溫差很大”.本文所說(shuō)的知識(shí)是知識(shí)工程意義上的知識(shí),強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)表示的形式,而非知識(shí)內(nèi)容.例如“泰山在山東省”可以說(shuō)是一條信息,也可以說(shuō)是一條事實(shí)性知識(shí),它到底是信息還是知識(shí)不在于它本身,而在于它是否與其他知識(shí)有效關(guān)聯(lián)、處理它的智能主體能否利用知識(shí)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行智能推理.

　　對(duì)人而言,可以想象,一個(gè)有地理知識(shí)的人和一個(gè)年幼無(wú)知的小孩,他們對(duì)“泰山在山東省”的這一事實(shí)的理解是不相同的.而對(duì)計(jì)算機(jī)而言,在它的內(nèi)部表示中,如果泰山在山東省這個(gè)基本事實(shí)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(gè)省”這樣直接的問(wèn)題.而如果泰山在山東這個(gè)基本事實(shí)關(guān)聯(lián)到了“山”“泰山是一座山”“省”“山東是一個(gè)省”等概念與事實(shí)上,并且計(jì)算機(jī)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(guó)家直接管轄的行政區(qū)劃等,則計(jì)算機(jī)可以在這些關(guān)聯(lián)的概念與事實(shí)上作出很多推理,則“泰山在山東省”這一基本事實(shí)就成了一條知識(shí).因此,地理知識(shí)服務(wù)與地理信息服務(wù)的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示以及基于這種表示能做的“運(yùn)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(shí)服務(wù)基于知識(shí)表示,其處理主要面向知識(shí)推理.

　　2.1.2知識(shí)與智能的關(guān)系

　　與上述知識(shí)的界定相匹配,這里所說(shuō)的地理知識(shí)服務(wù)必然要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(或者更具體地說(shuō)就是地理知識(shí)系統(tǒng)/地理信息系統(tǒng))具備有效處理知識(shí)的能力,即表示、理解和運(yùn)用知識(shí)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(yùn)用(例如推理)乃至發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的智能稱為(計(jì)算機(jī)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(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別背后的智能.與語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別等比較成熟的感知智能應(yīng)用相比,語(yǔ)義搜索、智能問(wèn)答、聊天機(jī)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(shí)服務(wù)既是以地理信息的知識(shí)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(jí)的具象目標(biāo)來(lái)提的,還是作為未來(lái)智能化地理信息技術(shù)的主要應(yīng)用形式來(lái)提的,以期避免簡(jiǎn)單地提地理信息技術(shù)智能化可能帶來(lái)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(guò)比較地理知識(shí)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(shí)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(shí)服務(wù)的主要方面的對(duì)比.與地理信息服務(wù)相比,地理知識(shí)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(shí)(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(shí)性知識(shí),即平常意義上的信息).

　　從內(nèi)容來(lái)源上看,現(xiàn)行地理信息服務(wù)以空間數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)為主,而大數(shù)據(jù)時(shí)代的地理知識(shí)服務(wù)需要將富含地理知識(shí)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(shí)服務(wù)基于知識(shí)表示,除了語(yǔ)義檢索,其處理主要面向知識(shí)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(shí)庫(kù),則成本很高,若成本過(guò)高,則方法不可行.專家系統(tǒng)作為上一代知識(shí)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(shí)庫(kù)[14].

　　從應(yīng)用效果上看,現(xiàn)行地理信息服務(wù)通過(guò)針對(duì)特定信息查詢?cè)O(shè)計(jì)、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(shí)服務(wù)根據(jù)用戶給出的相對(duì)開(kāi)放、靈活的提問(wèn)或指示,根據(jù)感知覺(jué)察到的情境,智能化地集成分析所涉及的知識(shí),作出必要的推理,或應(yīng)需或主動(dòng)地提供知識(shí)服務(wù).

　　為了強(qiáng)化地理知識(shí)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(duì)立面作比較,而實(shí)際上,通過(guò)這種可比性和類比關(guān)系,本文試圖表明地理知識(shí)服務(wù)是對(duì)地理信息服務(wù)的繼承和知識(shí)化、智能化升級(jí).從這種升級(jí)的角度來(lái)看,筆者認(rèn)為現(xiàn)行的地理信息服務(wù)正是實(shí)現(xiàn)地理知識(shí)服務(wù)的現(xiàn)實(shí)起點(diǎn).而如果暫時(shí)拋開(kāi)其中的復(fù)雜性與各種困難,也可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為地理知識(shí)服務(wù)就是對(duì)現(xiàn)行地理信息服務(wù)在地理空間表示上的知識(shí)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(gè)例子來(lái)說(shuō)明地理信息服務(wù)與地理知識(shí)服務(wù)之間密切的聯(lián)系和看似細(xì)微實(shí)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(jī)場(chǎng)迎接親友的地理信息服務(wù)場(chǎng)景.

　　從駕車路線的導(dǎo)航來(lái)看,現(xiàn)有的導(dǎo)航服務(wù)可以準(zhǔn)確、高效地實(shí)時(shí)導(dǎo)航,但它不能在導(dǎo)航開(kāi)始前給出“到機(jī)場(chǎng)接機(jī)需要佩戴口罩,否則不能進(jìn)入機(jī)場(chǎng)迎接大廳”這一重要提示.在這個(gè)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(shí)、自動(dòng)推理,因而不具備情境化的智能服務(wù)能力.實(shí)際上,這樣的智能服務(wù)需求非常普遍,包括雨季交通中對(duì)道路積水的提醒、郊野活動(dòng)時(shí)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍的提醒、隧道行車時(shí)對(duì)可能存在的路面暗冰的提醒等,都需要這樣的基于知識(shí)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(shí)和認(rèn)知智能來(lái)融合事實(shí)性知識(shí)(信息)和概念性知識(shí),因此,本質(zhì)上已經(jīng)是智能化的地理知識(shí)服務(wù).

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

　　地理知識(shí)服務(wù)以計(jì)算機(jī)有效地表示和智能化地處理知識(shí)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(lái)分析、說(shuō)明為什么說(shuō)直到知識(shí)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(shí)服務(wù)提供了讓人有理由樂(lè)觀的基礎(chǔ).首先,指出傳統(tǒng)知識(shí)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(shí)圖譜技術(shù)在知識(shí)表示與推理上的發(fā)展帶來(lái)的機(jī)遇.

　　4地理知識(shí)服務(wù)的基本問(wèn)題

　　上文從地理信息服務(wù)到地理知識(shí)服務(wù)升級(jí)轉(zhuǎn)換的角度,闡釋了地理知識(shí)服務(wù)的內(nèi)涵,并指出實(shí)現(xiàn)這種升級(jí)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是引入知識(shí)表示和認(rèn)知智能,而知識(shí)圖譜技術(shù)作為大數(shù)據(jù)時(shí)代的知識(shí)工程技術(shù)取得的進(jìn)展為發(fā)展地理知識(shí)服務(wù)提供了知識(shí)表示與推理技術(shù)基礎(chǔ).然而,地理知識(shí)具有時(shí)空本質(zhì)特性,當(dāng)下常規(guī)知識(shí)圖譜將時(shí)空作為一般屬性,不能充分、精確地表示復(fù)雜時(shí)空關(guān)系,不足以充分關(guān)聯(lián)、深入挖掘地理時(shí)空大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富地理時(shí)空知識(shí).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(duì)象,不足以處理地理對(duì)象之間復(fù)雜的空間關(guān)系.后來(lái)經(jīng)過(guò)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(kù)引擎,支撐了當(dāng)今大規(guī)模地理信息服務(wù)的實(shí)現(xiàn).

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

　　5地理知識(shí)服務(wù)的分級(jí)發(fā)展和推進(jìn)路徑

　　地理知識(shí)服務(wù)是地理信息產(chǎn)業(yè)的一次智能化升級(jí),其發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)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(jí)發(fā)展和推進(jìn)路徑兩個(gè)方面拋出構(gòu)想.

　　5.1分級(jí)發(fā)展策略

　　前文為了強(qiáng)調(diào)與現(xiàn)行地理信息服務(wù)的區(qū)別和對(duì)其的升級(jí),強(qiáng)化了地理知識(shí)服務(wù)的認(rèn)知智能屬性.然而,計(jì)算機(jī)的認(rèn)知智能仍在發(fā)展中,還遠(yuǎn)不成熟.而面對(duì)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(shí)服務(wù)有現(xiàn)實(shí)需求.因此,宜分級(jí)推進(jìn)地理知識(shí)服務(wù)的發(fā)展.下面從知識(shí)化、智能化程度的角度,嘗試給出一種地理知識(shí)服務(wù)分級(jí).這里有意拉大級(jí)別之間的差距,以便于區(qū)分各個(gè)級(jí)別.第一級(jí)(L1)為現(xiàn)行的地理知識(shí)網(wǎng)站和地理信息服務(wù),它們未采用知識(shí)表示方法,不具備知識(shí)智能化處理能力.

　　在第二級(jí)(L2)中,引入了結(jié)構(gòu)化或向量式知識(shí)表示,強(qiáng)調(diào)自動(dòng)構(gòu)建知識(shí)圖譜的能力和知識(shí)推理能力,設(shè)想中的典型應(yīng)用為地理知識(shí)語(yǔ)義搜索和智能問(wèn)答.第三級(jí)(L3)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化符號(hào)知識(shí)表示與向量式知識(shí)表示的融合,以及兩種表示下知識(shí)推理的融合,在此基礎(chǔ)上形成對(duì)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(chǎng)景“看圖說(shuō)話”、智能對(duì)話.第四級(jí)(L4)強(qiáng)調(diào)具備根據(jù)實(shí)際情況在較為開(kāi)放的知識(shí)領(lǐng)域中自動(dòng)整合知識(shí)、有針對(duì)性地提供知識(shí)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(jué)知的地理知識(shí)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(shí)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(wèn)題在上文已經(jīng)著重闡述,主要包含表示知識(shí)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(shí)空知識(shí)表示、推理、智能交互能力的時(shí)空知識(shí)圖譜引擎;另一方面,需要研發(fā)從時(shí)空大數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建時(shí)空知識(shí)圖譜的工具.在地理知識(shí)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(shí)空本體,以及領(lǐng)域性、行業(yè)性地理時(shí)空本體,形成標(biāo)準(zhǔn);另一方面,需要完成地理時(shí)空知識(shí)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(shí)服務(wù)平臺(tái)以支撐全社會(huì)高效、經(jīng)濟(jì)的構(gòu)建知識(shí)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(jí)到地理知識(shí)服務(wù)既是一種必然的發(fā)展趨勢(shì),也是信息爆炸困境下的迫切現(xiàn)實(shí)需求,并將地理知識(shí)服務(wù)作為地理信息技術(shù)智能化升級(jí)的具象目標(biāo)、未來(lái)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(shí)服務(wù)轉(zhuǎn)換的角度,辨析了地理知識(shí)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(shí)服務(wù)所提供的令人樂(lè)觀的認(rèn)知智能基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,從地理知識(shí)服務(wù)的時(shí)空本質(zhì)特性的角度,指出了發(fā)展地理知識(shí)服務(wù)在空間表示知識(shí)化、空間分析認(rèn)知化、知識(shí)服務(wù)情境化3方面面臨的主要問(wèn)題,進(jìn)而提出了地理知識(shí)服務(wù)的分級(jí)發(fā)展策略和推進(jìn)路徑.智能化時(shí)代正在到來(lái),地理信息服務(wù)的未來(lái)會(huì)或者需要怎么發(fā)展是個(gè)大問(wèn)題.計(jì)算機(jī)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.

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　　作者：慎利1,2,徐柱1,2,李志林1,2,劉萬(wàn)增3,崔秉良4