一种顾及多领域的实景三维地理实体关系语义建模框架研究

刘俊伟，郭大海，曲冠晨，杨文雪，

王思宇，马欣蕊，朱倩

泰瑞数创科技（北京）股份有限公司，北京 100192

摘  要：实景三维地理实体语义化是构建数字中国统一三维时空基底的核心环节，对于实现信息的高效流通共享及推动行业高质量发展具有关键作用。关系语义建模是实现实体语义化的关键步骤，然而，目前关系语义建模面临着标准化程度不足、可扩展性较差和跨领域交叉应用等挑战。本文提出一种顾及多领域的实景三维地理实体关系语义建模框架，采用标准化和通用化的方法来表达与存储地理实体间的关系语义，以确保语义信息的准确性和一致性；并以社区燃气管道泄漏的应急处置应用场景为例，详细验证并阐述关系语义建模框架的应用方法，展示其在多行业领域中的兼容性和扩展性。研究表明，本文方法可有效地促进不同行业领域间地理实体语义信息的互联互通，具有一定的推广价值和应用前景，能够为相关领域的信息化建设和服务提供有力支持。

关键词：实景三维；地理实体；语义建模；语义模型体系；邻域特征

引用格式：刘俊伟, 郭大海, 曲冠晨, 杨文雪, 王思宇, 马欣蕊, 朱倩. 2025. 一种顾及多领域的实景三维地理实体关系语义建模框架研究. 时空信息学报, 32(1): 52-61

Liu J W, Guo D H, Qu G C, Yang W X, Wang S Y, Ma X R, Zhu Q. 2025. A framework of semantic modeling 3D realistic geospatial landscape model of geo-entity considering multiple fields. Journal of Spatio-temporal Information, 32(1): 52-61, doi: 10.20117/j.jsti. 202501002

1  引  言

地理实体作为实景三维的基础产品之一，是各类信息数据的有效载体（尹向军等，2024）。实体关系作为地理实体的外延特征，对于信息高效流通与充分共享至关重要（陈军等，2023）。实体间关系错综复杂，不同领域从各自需求出发，理解并构建实体关系（赵云鹏，2020）。凌朝阳等（2023）顾及自然资源管理领域的应用需要，将实体关系划分为概念、空间、属性、时间等多维语义关系；刘纪平等（2022）以互联网泛在地理信息为基础，构建地理实体间的位置关联、隶属联系等关系，形成实体关联知识。由于各领域专业背景、应用场景的不同，实体关系聚焦于特定领域，但在各行各业数智化发展的必然趋势下，信息便捷地整合与关联是当前急需攻克的问题（陈军等，2021；陈军等，2022；吴杭彬等，2024）。

2022年4月，自然资源部发布“新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件（5－7）”规范化指导语义化相关工作，各方也在不断摸索并积累经验，特别是错综交织的实体关系语义构建，已成为实体语义建模的难点（燕琴等，2023）。当前关系语义建模通过提取地理实体中的基本关系，尽量满足不同部门最大公约数实体关系的应用需求，着重考虑实体的共性关系，但忽视在不同领域间实体的交叉关联，使得关系语义建模框架缺乏扩展性（刘晰等，2023）。

因此，本文以关系语义为纽带，提出一种顾及多领域的实景三维地理实体关系语义建模框架。首先，基于地理实体的多维度特征，厘清地理实体语义模型体系；其次，充分考虑实际应用需求，细化关系类型与关系描述规则，搭建关系语义基本建模框架，并融合邻域特征索引思想，明晰实体间关系相关性，扩展语义建模框架，增强地理实体多领域互联互通性；最后，为验证方法的可行性，将上述框架结合不动产确权、应急安保等领域需求，开展以社区燃气管道泄漏的应急处置场景为例的应用验证。

2  地理实体语义建模框架

地理实体的构建和理解不仅是对实体外观的简单复制，而是需要深入刻画其在不同空间层级下的多维特征，这些特征共同构成了实体的丰富语义。地理实体之间的关系则是揭示实体与外部环境联系的关键特征（王曙，2018）。结合实景三维领域地理实体的多维度特征，厘清地理实体语义模型体系，分析地理实体语义建模框架在体系中的关键作用。

2.1  语义模型体系

地理实体具有鲜明的多维度特征。实景三维地理实体是通过多维动态现实世界的体结构与表观的数字化描述及表达（陈军等，2022；朱庆等，2022）。

从地理实体的内容看，地理实体具有内在与外延两个方面特征（Chen等，2018）。地理实体内在特征描述了实体自身的基本特性，如含义特征、外观特征、属性特征等（刘纪平等，2023）；外延特征表征了实体与外界发生的相互作用及影响，如关系特征等。从地理实体的描述和表达看，空间表达、属性、相互关系均会随着不同时间周期与空间尺度发生变化。为满足不同应用领域需求，地理实体通过点、线、面、体基本元素实现同一实体的不同尺度的空间几何描述及专题语义扩展。因此，在实体建设过程中，需要一种能够集成表达地理实体多维特征语义的数据模型，即地理实体语义模型。

地理实体语义模型通过建立统一的数据模型及描述语言，将分散的语义信息整合为一个整体。地理实体语义模型不仅需要捕捉和表达单个实体的多维特征，还要适应不同层级的表达需求，实现同一实体从微观到宏观层级的无缝过渡和衔接，确保信息的一致性和互操作性。地理实体语义模型包含概念层与语义层，如图1所示。

（1）概念层是地理实体语义建模的基础，采用语义建模框架定义实体的多维度特征。地理实体语义建模框架是一种用于描述和整合实体多维特征的规则结构，定义了地理实体多维特征语义的表达与存储规则。

（2）语义层建立在概念层之上，将语义建模框架中定义的规则应用于具体的数据和信息中，来集成和表达地理实体的各类特征语义。

关系语义模型是地理实体语义模型体系的重要组成部分，在描述同领域或跨领域地理实体之间的语义联系和交互作用方面发挥着关键作用。

2.2  语义建模框架

根据地理实体的内在与外延特征，在地理实体语义模型中定义语义建模框架内容（图2）。首先定义实体的含义特征，即实体分类层级规则，用于表现实体的基本类别和本质特征。含义特征为实体在不同领域的概念界定和识别提供基础，且对实体的外观、属性特征有着直接的影响。定义实体的外观特征，包括结构层级、形态类型和纹理、材质记录规则等，用于实体在三维空间中的可视化表达与呈现；定义实体的属性特征，包括属性名称、约束条件等。属性特征用于描述实体在不同应用场景中的用途、功能和价值等，但由于不同行业领域关注的焦点各异，因此属性特征的定义也会随之变化。如在城市规划领域，对于规划者而言，建筑物的用途、历史背景对城市规划和保护文化遗产具有特别的意义，比其他属性更加重要。

实体的关系特征强调了地理实体之间在某种特定条件或情况下产生的相互联系和作用机制，通过构建关系语义建模框架对关系语义进行规范化描述和组织。关系语义建模框架是语义建模框架的重要组成部分，顾及不同行业领域的特定需求，允许依据业务逻辑进行关系语义扩展，从而使得语义模型能够适应多变的应用场景，以支撑对跨领域地理实体数据的深层次的分析和理解。如在水利调度应用场景，通过精细化构建水利类实体间关系可有效用于辅助水利调度决策，对分析上游来水对大坝承压影响等应用场景至关重要。

3  顾及多领域的关系语义建模框架构建方法

顾及多领域的关系语义建模框架流程如图3所示。主要涵盖以下三个关键环节。

（1）明确关系语义建模规则。详细界定实体间可能存在的各类关系类型，确定这些关系的记录和表达规范，构建关系语义基本建模框架。该框架能够为实体关系描述提供一个结构化、标准化模板，确保语义描述的一致性与准确性。

（2）深入剖析各个领域的特定语义需求。全面掌握实体的领域分类、业务属性和关系扩展类型等。

（3）在关系语义基本建模框架的基础之上，结合领域需求，进一步增加邻域特征约束条件。具体包括定义领域索引和特征约束条件，形成能够充分顾及不同领域的关系语义建模框架，使其在多领域应用场景中发挥作用，提升语义建模的全面性与适应性。

依托已建立的关系语义建模框架，运用规范化的方式对实体的关系信息加以描述，形成关系语义模型。模型创建极大地便利了用户对关系信息的解读与运用，促进不同领域间语义的集成和互操作性，提高信息传递效率，深度挖掘出信息的潜在价值。

3.1  关系语义建模规则

3.1.1  关系类型

实体的关系类型是界定实体间在物理层面、概念层面或逻辑层面相互作用的语义边界，也是构建关系语义建模框架的基础内容。然而，由于不同领域专业背景，知识基础及应用场景等方面不同，针对实体关系的分类方式存在一定差异，目前缺乏多领域统一的标准规范。实景三维作为反映人类生产、生活和生态空间的时空基底，能够基本覆盖地理实体间产生的基础关系内容。因此，本文结合实景三维领域地理实体内在特征及对应实体数据特点，将地理实体的基本关系类型系统地分为空间关系、关联关系两大类。

（1）空间关系。空间关系是实体之间在空间上基于地理位置和几何特征所产生的相互关系。空间关系构成了地理实体间最为直观和基础的联系，可进一步分为拓扑关系、距离关系及方位关系（杜世宏等，2006）。其中，距离关系、方位关系可通过空间计算直接获取；拓扑关系为山体、雪地、地质体等边界范围与内部组成不明确的实体提供了清晰的结构界定，主要关注实体间的连接性、穿越性和包含性。以山体、山脊线和山谷为例，这些实体通常没有明确的几何边界，形状和范围会因季节及地质活动等因素发生变化；通过建立拓扑关系，可以相对完整地表达这些地理实体的空间分布和相互联系，有助于地形分析、环境监测、城市规划等多种应用。

（2）关联关系。关联关系是地理实体之间因其概念及属性特征而产生的联系。关联关系的产生并非源自实体的空间位置，而是基于实体的基本属性、功能、用途或管理需求等非空间性因素。在实景三维领域，实体的关联关系可进一步细分为组成关系、隶属关系和依赖关系三个主要类型。组成关系强调了实体的整体与部分之间的构成性联系，一个实体的存在是为了形成并维持另一个实体的完整性和功能性；隶属关系则是描述一个实体因遵循另一个实体所蕴含的社会管理权属规范而产生的从属关联关系，重点突出实体间的管理层级结构；依赖关系是一种描述实体间相互依存的关系，既可以是物理意义的，也可以是概念层面的，且一个实体的变化会对另一实体的状态或功能产生影响。

结合应用领域需求，地理实体可扩展其他关系类型，如时序关系、逻辑关系等，从而更准确地捕捉和模拟地理实体及其关系的动态变化。

3.1.2  关系描述规则

关系描述规则是关系语义建模框架的核心部分，定义了实体关系的记录与表达规则，是确保关系语义的一致性和标准化的前提。关系描述规则主要包括以下两个方面。

（1）关系描述集。在关系语义的形式化表示中，关系描述集提供了一种定性方式来表达实体间的语义联系，通常为其赋予唯一标识符，用于数据库设计、数据整合、数据交换和知识表示等场景。这不仅确保了实体关系在不同领域复杂数据集中的可区分性，同时也是关系扩展和维护的基础。

关系描述集标识符包含关系分类标识符和描述词标识符两部分。关系分类标识符用于表征实体关系类型，描述词标识符用于表征实体每类关系中的各个描述词。在跨领域或跨数据源的知识构建过程中，统一的关系描述集标识符有助于整合不同来源的数据，确保不同数据源之间的兼容性、一致性和可扩展性。

（2）关系方向。关系方向用于描述关系的有向性，不仅明确了关系中的主体和客体，还决定了实体间的连接顺序，且反映了部分关系性质，为关系语义理解和推理提供了基础。在关系语义网络中，正确的关系方向可以提高关系推理的准确性，通过指定关系的方向，可避免数据不必要的重复，减少数据冗余。关系方向的定义可以分为有指向和无指向两大类。有指向关系强调了主体到客体的单向作用，指的是从一个实体到另一个实体的单向连接；无指向关系则表达实体间关系的对称性，指的是两个实体之间的双向连接，如连通、相交等。在实际表达时，关系方向可以通过箭头或有向线段来表示，有指向关系通常表示为A→B或A←B，无指向关系通常表示为A?B。在实际应用中，选择实体间关系的方向性是有指向性还是无指向性，取决于所要建模的实体间关系的性质。关系描述规则见表1。

3.2  关系语义基本建模框架

地理实体的关系语义表达，系统地描述了真实世界中地理对象的相互作用和影响（裘江南和张斌，2012）。关系语义建模框架在语义表达中至关重要。通过建立实景三维地理实体关系语义基本建模框架，以结构化的方式描述和存储地理实体间的各种关系。

为促进地理实体关系语义在真实场景中的应用，在关系语义基本建模框架中，每一组关系语义都以三元组形式进行表达，即<主实体，关系描述集，客实体>：

式中，为三元组中的主体集合，采用对应地理实体的唯一标识id表征：

式中，为集合中的每个主体；n为地理实体总数量。R为关系语义集合，用关系描述规则中的关系描述集唯一标识id表征：

式中，为集合中的每个关系语义。为三元组中的客体集合，采用对应地理实体的唯一标识id表征：

式中，为集合中的每个客体。实景三维地理实体关系语义基本建模框架通常通过资源描述框架（resource description framework，RDF）或知识图谱等方式进行关系语义示意。

3.3  顾及邻域特征的关系语义建模框架

地理实体作为真实世界中的重要空间表达实体对象，蕴含着丰富的语义信息。在不同领域中的应用方式也有所差异，关系语义具有大量可挖掘的潜在信息。因此，为进一步提升地理实体的关系语义的预测推理能力及在不同领域中的应用扩展能力。实验通过在描述规则中新增关系领域索引，以及在基础关系语义建模框架中扩展关系触发特征条件，实现关系语义建模框架的多领域兼容。

3.3.1  顾及领域索引的关系描述

在专题应用领域，实体关系语义基本建模框架需要进行相应的扩展，即扩展相关领域的专有关系类型及对应的关系描述规则。为了实现在相应领域中的扩展知识推理，实验通过构建顾及领域索引的关系语义建模框架，建立地理实体在不同领域中与领域本体间的联系。

在地理实体关系语义基本建模框架基础上，添加关系描述领域索引：

式中，为一系列表征关系描述规则中关系语义标识符的特征索引；为某个表征关系描述规则中关系语义标识符的特征索引；为领域j；为第i个关系、j个领域的索引。

3.3.2  特征条件约束的关系描述

在不同的领域中，除扩展地理实体的关系语义类型和描述规则以外，某些地理实体关系还会根据特定时间、特定领域属性等特征条件来触发，即通过根据实际业务逻辑和需求添加相应的规则约束条件，构建基于特征条件约束的关系语义建模框架如图4所示。这些规则约束条件是对实体间关系的进一步规范，并影响实体关系产生情况。利用这种关系描述方法，可根据关系的产生条件、产生时间和消亡时间，结合时间序列分析和条件聚类分析等技术方法，实现在特定领域对关系语义的深入分析。

在地理实体关系语义基本建模框架基础上，添加关系描述触发条件索引。主要包括属性特征条件及时间特征条件：

式中，C为一个或多个关系形成的条件合集；c为合集中的多个条件；T_s为地理实体关系语义的产生时间；t_s为合集中的多个产生时间；T_E为地理实体关系语义的结束时间；t_e为合集中的多个结束时间。

4  应用示例与分析

以社区燃气管道泄漏的应急处置场景的关系语义需求为例，首先，结合不动产确权、社区管理等领域的语义信息，以关系语义基本建模框架为基础，扩展定义领域关系语义的类型与描述规则。其次，基于多领域语义模型，选取并标记所需特征因素，作为实体领域关系语义建模框架构建的特征约束条件。最后，基于框架获取对应的关系语义，为推理并挖掘多领域融合产生的关键关系语义提供基础。

4.1  扩展定义领域关系语义描述规则

在社区燃气管道泄漏的应急处置场景中，管理者需要对目标燃气泄漏管线进行精准溯源，并评估泄漏的严重程度及扩散范围，优先对受影响的重要建筑物及危险源进行抢修，以确保居民的安全和减少潜在的损害（李腾，2023）。在领域语义模型中，选取场景描述中相关的实体类型，包括房屋、层、户、管线、管点及院落等实体。基于地理实体关系语义基本建模框架，定义房屋与所在院落的隶属关系、管线与其他实体的拓扑关系（连通）；并在场景所属业务领域，扩展定义同一栋房屋实体在不同领域中的等同关系，定义管线、管点与重要建筑物间的相互作用关系，以揭示了实体之间的相互反馈机制。扩展定义救援单位院落实体与层、户实体的指向关系，以反映实体之间的业务联系。

关系描述规则见表2。其中，构建等同关系的实体，当描述词为等同时，将进行实体对齐处理，即将两个实体融合为同一实体，并取语义信息的并集记录在该实体中，避免数据冗余的同时实现跨领域实体融合。例如，在不动产确权领域中，建筑层是一种不存在空间形态的非空间实体，通过与社区管理领域的层实体构建等同关系，该实体将同时具备不动产确权与社区管理领域的属性及外观特征信息。

4.2  构建顾及邻域特征的关系语义建模框架

首先，以实景三维领域关系语义基本建模框架为基础，分别扩展构建顾及领域索引的关系语义建模框架如图5所示。其次，确定对应急决策有重要影响的属性特征因素，选择领域关键属性特征和时间特征作为领域关系语义框架的约束条件，如图6所示。例如，选取实景三维房屋实体的实体名称、空间位置作为属性约束条件；在不动产确权领域中，标记幢实体的建筑物名称、空间位置作为属性特征条件。通过提取该幢实体确权的时间段确定时间特征条件，即关系的产生与消亡时间。最后，将上述特征条件进行明确定义，并整合到实体关系语义框架中，确保在进行应急决策时，这些关键因素能够得到充分地考虑。在实际应用时，根据事件的发展和新信息的获取，对特征因素相关性进行调整，以适应不断变化的应急环境。

基于关系语义建模框架，提取并集成关系语义，利用数据挖掘和机器学习技术，从集成的数据中提取实体之间的关系。应用如基于规则或图的推理算法，以发现多领域融合中的隐含关系语义，通过专家验证或实际案例分析，验证推理出的关系语义的准确性和有效性。将验证后的关系语义反馈至框架中，不断丰富和更新关系语义库，进而提高多领域融合的语义推理能力。

5  结  论

本文分析了实景三维领域地理实体语义模型体系，优化关系语义描述与表达方法，开展了实景三维地理实体关系语义基本建模框架的研究。以关系语义为切入点，提出多领域兼容的地理实体关系语义建模方法。联合不动产确权、应急安保等领域，将上述框架应用于社区燃气管道泄漏的应急处置场景中，以地理实体特征为基础，构建多领域关系语义建模框架，结合应急场景需求，选取关键属性作为框架特征的特征条件，进一步提升语义推理能力，实现了信息的深度挖掘，可为应急工作开展提供专业性参考与决策支持。

本文方法可为解决地理实体语义多领域互联互通应用的困境提供思路，推动了地理实体信息深度挖掘，增强了地理实体建模框架的兼容性与扩展性，能够为地理实体语义化相关工作提供切实可行的参考。

由于各行业基础理论、生产、更新及成果评价等体系与标准存在一定差异。在未来的研究中，应对标行业标准与规范，建立成果评价机制，增强建模框架多领域的适用性；同时加强与物联网、大数据、语义推理、人工智能等新兴技术的融合，为建模框架的智能应用与知识服务提供基础。

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