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农业发展到今天，已经进入了信息农业的阶段。数字农业是农业信息化的核心，也是农业信息化的具体表现形式。地理信息系统技术、遥感技术、全球定位技术、数据库技术、计算机网络技术等的迅速发展，使“3S”应用于农业信息化建设的条件已经成熟。任何农业信息都是分布在一定的地理空间中，因此农业地理信息是一切农业信息的基础。利用GIS技术构筑“数字农业”体系，其核心就是农业地理信息系统的设计。自60年代地理信息系统产生以来，GIS理论技术和应用得到蓬勃发展，在将来一段时间内，GIS将向着时态GIS、GIS智能化、GIS共享和集成化和GIS社会化和大众化的方向发展。但是GIS目前还存在很多不足，其中最重要的一个不足是GIS技术缺乏智能性和完善的推理机制。第四代GIS概念的提出，为GIS提供基于知识的时空分析和查询技术，增加了智能性和自动推理机制。GIS最重要也是最具有特色的功能就是对时空信息的分析和查询，而这种功能正是以时空推理为基础的。时空推理已经成为了地理信息系统领域中的热点研究方向。但是现有的时空推理方法基本上都是采用基于逻辑或基于代数的方法，在地理时空信息和推理规则的形式化表示方面研究得很少，缺乏时空语义的支持。因此需要对地理时空信息和推理规则进行形式化表示，为时空推理添加语义的支持，并且以此为基础来进行农业地理信息的时空查询。
地理本体概念的引入，可以将地理时空信息的语义关系和时空关系融合到地理本体中去，从而形成地理本体知识库。另一方面，语义网规则语言(Semantic Web RuleLanguage，SWRL)是语义网的研究者们为了弥补本体语言OWL的不足发展出来的，它是以OWL子语言OWL-DL与OWL-Lite以及Unary/Bibary Datalog Rule ML(RuleMarkupLanguage，规则标记语言)为基础的规则描述语言。SWRL利用高度抽象的语法表达OWL本体所叙述的知识，实现了Hom-like规则可与OWL知识库的结合。我们可以通过SWRL来表达时空推理规则。在解决了上述两个问题之后我们就可以建立时空推理的框架体系并采用Jess推理引擎来进行时空推理了，并在此基础上建立时空查询系统实现地理信息的时空查询。但在推理之前还要将基于OWL的地理本体和基于SWRL的时空推理规则解析成Jess格式的事实库与规则库。
本研究在农业地理信息系统应用需求的大背景之下，根据GIS的时态化、智能化和大众化的理论和技术发展趋势，针对当前地理本体、时空推理和时空查询等研究方面存在的不足，提出了基于地理本体和SWRL规则的农业地理信息时空推理和时空查询。围绕这条主线，本文研究了基于地理本体的农业地理信息的表达，时空推理规则的SWRL表达，构建了基于地理本体和SWRL时空推理规则的时空查询框架体系，并以数字烟草3S系统为试验背景，研制开发以烟草种植适宜区查询为基础的烟草轮作查询模块，验证了本文提出的理论技术的可行性和有效性。
一、根据农业地理信息系统的应用需求，提出了基于地理本体的农业地理信息的表达方法，以解决农业地理信息中语义异构问题，从而实现农业地理信息的共享和集成。
由于农业生产具有季节性和地域性，因此农业地理信息也具有时空特性；而且由于农业地理信息非常繁杂，涉及的部门也很多，所以农业地理信息语义异构的问题就不可避免地要产生。在时态GIS的研究中，语义关系和时空关系逐渐成为一个热点，这是因为传统的地理信息系统侧重表达地理实体或地理对象的几何成分，对语义联系的忽略大大影响了GIS的空间分析能力。随着对时空数据库和时态GIS的研究深入，地理本体表示越来越得到人们的重视。本文提出利用地理本体的强大的知识表达能力来表达农业地理信息的语义关系和时空关系，基于本体的多维农业地理信息的分类方法和描述逻辑语言OWL在Protege本体构建工具中构建了农业地理信息本体，为农业地理信息的共享和农业地理信息系统集成奠定了坚实的基础。
二、提出了用SWRL规则语言来表达农业地理信息时空推理规则的方法现有的描述逻辑语言和OWL语言能够比较完美地定义和抽象出现实世界中的概念以及概念间的各种关系，并实现以此为基础的本体知识库的可满足性推理。但是，OWL由于自身的局限性，无法对农业地理信息领域的时空关系判定与推理规则进行描述，而这种形如产生式规则的逻辑关系在实际的知识库应用中往往又是极其重要的。因此，引入一种新的能与OWL语言很好地交互的规则语言对基于地理本体的农业地理信息时空推理至关重要。SWRL语言是语义网的研究者们为了弥补OWL的不足发展出来的，它是以OWL子语言OWL-DL与OWL-Lite以及Unary/BibaryDatalogRuleML为基础的规则描述语言，SWRL利用高度抽象的语法表达OWL本体所叙述的知识，实现了Hom-like规则可与OWL知识库的结合。本文提出用SWRL来表达农业地理信息时空推理规则的方法，解决了农业地理信息时空推理中推理规则表达的核心问题。
三、提出了基于地理本体和SWRL时空推理规则的农业地理信息时空查询框架体系
时空推理和时空查询是目前GIS领域的研究热点和前沿问题，但也是难点问题，建立农业地理信息时空推理框架及基于它的时空查询系统的研究工作更是见之不多，本文在用地理本体表达农业地理信息和SWRL表达农业地理信息时空推理规则的基础上提出基于地理本体和SWRL时空推理规则的农业地理信息时空查询框架体系。在进行时空推理时，推理引擎采用的是Jess，它是整个框架的核心。在推理前，需要地理本体和SWRL时空推理规则转换成Jess格式的事实库和规则库；在推理后将得出的新事实更新原来的地理本体。在农业地理信息时空查询系统中，本文采用地理本体引导查询需求的输入界面，并将查询分为普通的时空信息查询、简单的基于语义的时空信息查询和复杂的基于语义的时空信息查询三个层次。
四、以数字烟草3S系统为试验背景，开发了基于地理本体和SWRL时空推理规则的农业地理信息时空查询模块和进行了试验。
本文试验案例的重点部分是以烟草种植适宜区查询为基础的烟草轮作规划查询模块，并对试验结果进行了对比分析，指出了基于地理本体和SWRL时空推理规则的时空查询是未来农业地理信息时空查询的发展方向。该试验案例能为烟草种植的决策和管理提供了有力的支持。在该案例中，还研究了地理本体在关系数据库中的存储技术、地理本体与关系时空数据库之间的映射、基于JessAPI的时空推理和基于SPARQL的时空查询等关键技术。