空间信息的自然语言表达模型_杜清运

空间认知是一种能力 ， 是 从认知论的角度看 ， 对事 物 和 现 象 的 发 生 、 影 响、 因 果、 趋势进行分析 是在科学探索中启发形象思维 ， 激发 研究的基础 ， 创造性思维的引擎
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研究对象） 的空间方位研究各自从不同学科视角和 路径去共同理解空间信息 。 语言学 的研 究对象具 其结构主义观点和系统性的研究方 有的离散特征 ， 法对空间信息的结构研究提供了理论框架和 方法
语言学模型研究和自然语言领域 （ 以现代汉语作为
收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ２ １ ８ 项目来源 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ） 。 ４ １ ２ ７ １ ４ ５ ５， ４ １ ３ ７ １ ４ ２ ７
第一作者 ： 杜清运 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 。 主要从事地图语言学和地理空间信息科学研究 。Ｅ ： ｄ ｕ ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｕ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ＠ｗ ｑ ｙ 通讯作者 ： 任福 ， 博士 ， 副教授 。Ｅ ： ｍ ａ ｉ ｌ ｒ ｅ ｎ ｆ ｕ＠ｗ ｈ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
的形式 ， 自然语言同样可以表达和传输空间知 像） （ 识， Ｕ Ｃ Ｇ Ｉ Ｓ ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ｉ ｕ ｍｆ ｏ ｒｇ ｅ ｏ ｒ ａ ｈ ｉ ｃ ｙｃ ｇ ｐ ） 报 告 曾 指 出， 对于某些应用 ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ （ 如车辆导航系统 ） 的大多数用户而言 ， 听觉 （ 语音 介绍 ） 形式比地 图 具 有 处 理 更 快 和 错 误 更 少 的 优 因而更加安全 。 点， 目前 ， 在实际 Ｇ 可视化几乎成为 Ｉ Ｓ 应 用 中， 但有学者 空间信息表达和 知 识 传 播 的 主 流 手 段 ， 认为用户接受 、 解释和理解视觉信息的能力已经 接近极限 。 研 究 表 明 ， 声音比图像适合于表现高 维数据而不会使 用 户 出 现 信 息 过 载 ， 采用自然语
第３ 武 汉 大 学 学 报 · 信 息 科 学 版 ９ 卷 第 ６ 期 /kcms/doi/10.13203/j.whugis20140118.html 网络出版地址： ２ ０ １ ４年６月 Ｇ ｅ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓａ ｎ ｄＩ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆＷｕ ｈ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ： ／ 犇 犗 犐 １ ０． １ ３ ２ ０ ３ ． ｗ ｈ ｕ ｉ ｓ ２ ０ １ ４ ０ １ １ ８ ｊ ｇ
地图和自然语言分别是描述客观世界的两大符号 体系 ， 同属人类进行空间相关交流的基本 手 段
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。
人类空间经验 （ 即 空 间 信 息） 既 可 以 用 精 确、 定量 也可以用模糊 、 定性的自然语言 的地图符号表达 ， 听觉形式为语音 ， 视觉形式为文字 ） ， 前 符号表达 （ 地理学 、 地图学与地理 者的科学基础包括测绘学 、 信息科学 ， 后 者 的 科 学 基 础 是 语 言 学。语 言 学 是 一个百花齐放 、 百家争鸣的领域 ， 不同视角 、 不同层 在整个科学体系中 次的新理论和新方法层出不穷 ，
的研究实践为比影像语义约束更明确 、 语法构图更 清晰的地图的自然语言描述提供了算法思路 。 本文从语用 、 语义和句法三个视角剖析了空 间信息的空间位 置 、 属性和空间关系等特征到现 建立了空间信息的 代汉语中对等物 之 间 的 映 射 ， 最终为智能空间信息服务拓 自然语言表达模 型 ， 展新方式 。
图 １ 地图和自然语言之间的特征映射 Ｆ ｉ ． １ Ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅＭ ａ ｉ ｎ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎＭ ａ ｎ ｄＮ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌＬ ａ ｎ ｕ ａ ｅ ｇ ｐ ｐ ｇＢ ｐａ ｇ ｇ
２． １ 空间特征到方位词的映射 方位词是空间方位认知结构映射到自然语言 中的句法 结 构 标 志
］ Байду номын сангаас ０ 编码理论 ［ 。
可视化表达的地图作为空间信息交换的重要媒介 ， 但对定性的自然语言表达的研究兴趣日益增加 。 空间信息内容包括空间位置 、 空间分布 、 空间 空 间 关 系、 空 间 统 计、 空 间 关 联、 空 间 对 比、 形态 、 空间趋势 、 空间运动
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。 近年来 ， 空间信息领域的
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杜清运等 ： 空间信息的自然语言表达模型
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视觉方面 ， 使用者和地图系统的交互程度决 定地图的 使 用 性 质 ， 典型包括传输型地图（ ｃ ｏ ｍ 、解 析 型 地 图 （ ｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ａ ｓ） ａ ｎ ａ ｌ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｙ ） 、 探索型地图（ ） 、 网络地 ｍ ａ ｓ ｅ ｘ ｌ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｓ ｐ ｐ ｙｍ ｐ 图（ 、 移动网络地图（ ｗ ｅ ｂｍ ａ ｓ） ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅｍ ａ ｓ） ｐ ｐ
。每种语言都有一套能够
完整表达各种方 位 关 系 的 方 位 词 系 统 ， 都有一套 利用 能够适应于描写 各 种 空 间 关 系 的 句 法 结 构 ， 这些方位词和相 关 句 式 ， 人们可以组织各种各样 的句子对 所 感 知 到 的 认 知 空 间 世 界 图 景 加 以 描 写、 叙述 或 说 明
摘 要： 空间信息的自然语言表达是 一 个 横 跨 空 间 信 息 科 学 和 语 言 学 的 交 叉 研 究 。 以 空 间 信 息 作 为 研 究 对 立足语言学提供方法论 ， 从语用 、 语义和句法三个独 特 视 角 剖 析 其 结 构 特 征 ， 提出完整的自然语言表达模 象， 型 。 从语用视角 ， 分析可视化地图表达和自然语言表达的不同语境特征及其互补性 ； 从语义视角 ， 分别分析并 属性和空间关系等三大特征到自然语 言 中 的 方 位 词 、 词汇（ 名词或形容词） 和短语的映 建立空间信息的空间 、 之后归纳形成空间场景到句群的映射思路 ； 从语法视角， 分析并构建空间方位（ 位置、 距 离 和 方 向） 和 射关系 ， 拓扑关系的计算规则 。 关键词 ： 空间信息 ； 空间方位 ； 拓扑关系 ； 语义匹配 ； 自然语言表达 中图法分类号 ： Ｐ ２ ０ ８ 文献标志码 ： Ａ
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描述一般是相对 的 ， 其表现是要有明确的视觉参 如城市中的兴趣点 。 照对象 ， 在现代汉语中 ， 位置表达有静态和动态之分 。 静态位 置 主 要 使 用 状 态 静 态 句 （ “ 是／有 ” 字句或 “ 着” 字句 ） ， 必不 可 少 的 视 觉 参 照 对 象 是 以 “ 处所 名词 ＋ 方位词 ” 表 达， 如“ 武 汉 大 学 里 有 珞 珈 山” 、 “ 友谊广场上立着３ 等； 动态位置描述需要 Ｓ 雕塑 ” 三个 条 件 ： 源 点、 位 移 轨 迹 和 终 点， 典型的路径导 有源点 、 有终点 ” 的类别 ， 明确 航信息一般都属于 “ 使用介词 （ 如“ 从 …… 到 ……” 等） 作 为 形 式 标 志， 是显性位 移 ， 视觉参照对象是使用趋向动词（ 如 上、 下、 进、 出、 回、 起等 ） 表达 ， 如“ 从广埠屯到武汉 站， 驶过鲁巷广场 ” 等。 ２． １． ２ 方向 在Ｇ 方向通过直角坐标系或 Ｉ Ｓ 或地图学 中 ， 极坐标系表达 ， 是位置描述的进一步明确量化 ； 在 语言学中 ， 空间方 位 词 是 空 间 实 体 之 间 方 向 关 系 表达的基本词汇 ， 位置加上方向后 （ 即方位 ） ， 进一 步明确了主体相对于视觉参照对象这一客体的具
］ ７ 体系［ 。 在人工智能领域 ， 面向影像理解的自然语 ］ ］ ８ ９ 言描述［ 和空间路径 的自 然语言 描述自动 生成［
。 地图学要解决的问题基本
］ ２ 上都是思维科学问题 ［ 。 地图制作和地图阅读是
两个相反的认知 过 程 ， 分别以制图表达为媒介进
３］ 。 从 符 号 学 视 角 看， 行地理知识 的 编 码 和 解 码 ［
１ １］ 等［ 。 但空间信息并非必须要 表 现 为 地 图 （ 或图
言（ 语音形式 ） 来 表 达 空 间 知 识， 可以更好地适应 日益成为主流的具有智能 、 个性 、 小巧用户界面的 移动计算设备等 新 媒 介 ， 成为辅助空间决策的新 型服务方式 。
２ 语义匹配
从语义学（ ） 视角看 ， 空间信息的自然 ｓ ｅ ｍ ａ ｎ ｔ ｉ ｃ ｓ 语言表达的本质是一个语义翻译过程 ， 解决空间概 念在自然语言中的正确匹配并传输 ， 使双方的深层 次特征彼此映射 （ 见图１ ） 。空 间 信 息 语 义 特 征 是 凭经验或对空间现象本质的了解而分析出来 的语 是一种不依赖具体语 言环境 的语义特 征 ， 义特征 ， 包括空间特征 、 属性特征和空间 关系 特征 ， 可分别 同自然语言中的方位词 、 词汇 （ 名词 、 形 容词等 ） 和 短语建立匹配关系 。 空间场景代表 着对 空间格局 的认知 ， 其语义描述可同句群建立映射关系 。
］ ５ 处于领先学科地位［ 。 一直以来 ， 人们使用定量的
１ 语用互补
从语用 学 （ ） 视 角 看， 地图和自然 ｒ ａ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｐ ｇ 语言分别是空间 信 息 在 不 同 语 境 中 的 表 达 方 式 ， 非语言的可视化形 式 和 自 然 语 言 形 式 （ 文本或语 音） 是互相补充 、 彼 此 增 强 的， 语义都是以一种可 即用户 ） 快速识别并直接理解的自然方式来 被人 （ 表达的 ， 前者是视觉 ， 后者是听觉 。 这也符合双重
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武汉大学学报·信息科学版
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体方位 ， 使语言的 表 述 更 加 清 楚 ， 如“ 车停在武汉 大学正门口东 边 ” 。空间实体之间的方向关系与 语言中的空间方 位 词 是 一 种 精 确 到 模 糊 、 定量到 定性的映射 ， 语言中的每一个基本空间方位词都 对应着一系列语义相似但几何形态显著不同的空 如 点 和 点、 点 和 线、 点 和 面、 线 和 面、 间方 向 关 系 （ 线和线 、 面和面等 ） 。 现代汉语空 间 方 位 词 中 ， “ 东 西、 南 北、 前 后、 上下 、 左右 ” 相当 于 数 学 中 的 直 角 坐 标 系 ， 而“ 内、 外、 里、 中” 相当于数学中的极坐标系 ， 这正好构成 了人们对空间的 两 种 基 本 认 知 方 式 ， 现代汉语的 语言模式与数学模式恰好相合 。 最常用的绝对方 向是东 、 南、 西、 北 四 个 方 位 词， 在 实 际 使 用 中， 人 即东 、 西、 南、 北、 东北 、 们往往习惯于八方向描述 ， 东南 、 西南 、 西北 ， 分别代表着一定的邻域空间 ， 其 坐标原点是视觉 参 照 对 象 ， 坐标轴的方向是绝对 的， 语言中的 表 述 十 分 明 确 。 最 常 用 的 相 对 方 向 包括前 、 后、 左、 右， 其坐标原点是观察者的空间位 以面向视觉参考点的方向为 “ 前” ， 其他方向以 置， “ 前” 为基准推导 而 出 ， 语言中的表述不是十分明 确 。 两者都很 容 易 映 射 成 为 一 种 数 学 函 数 ， 通过 均具有普适性 ， 适合描述宏 空间推理可相互转换 ， 观空间或微观空间中的方向关系 。 ２． １． ３ 距离 距离描述两个空间实体之间的远近或亲疏程 度。在 Ｇ 距 离 是 单 纯 几 何 距 离， Ｉ Ｓ或 地 图 学 中， 具有较少的 语 义 约 束 条 件 。 在 语 言 学 中 ， 距离表 述是一种语义距离 ， 采用两种表达方式 ： 一是使用 “ 数词 ＋ 量词 ” 的比较精确的表述 ， 如“ 房子与湖泊 的距离约是 ５ ； 二是使用一些 表示远 近的 形 ０ ０ｍ” 如很远 、 较远 、 远、 近、 较近 、 很近等 。 这 容词表述 ， 与空间方向类似 ， 也是一种精确到模糊 、 定量到定 性的映射 。 以 上 两 种 表 述 方 式 中 ， 前者是一种直 接表述 ， 实现简单 ， 但通常人的思维对数字距离不 敏感 ， 在大脑中 仍 然 不 自 觉 地 将 其 定 性 化 或 与 已 知的空间实体做比较 ； 后者是一种间接表述 ， 将数 字距离映射为习 惯 使 用 的 汉 语 词 汇 ， 这种映射机 制（ 数学中的分段 函 数 ） 本 身 很 简 单， 比较复杂的 是临界值的确定 ， 不同文化背景的人的选择也可 能不同 ， 可以通过广泛的认知心理学试验来确定 。 ２． １． ４ 形状 形状是一个 广 为 理 解 而 又 难 以 定 义 的 概 念 。 在Ｇ 形状是空间实体所占据的空 Ｉ Ｓ 或地图学中 ， 间范围所体现出 来 的 特 点 ， 数学描述是对一条封 闭边界及其所包围区域的几何图形的概括 ， 有点 、 线、 面、 体 等 几 何 类 型 的 差 异。 从 语 言 学 的 视 角