基于本體的農(nóng)業(yè)知識建模研究

李貫峰

摘 要：針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在的知識表示、共享、重用等問題，將本體理念與技術(shù)引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。介紹了本體論的有關(guān)概念和理論，在關(guān)于本體已有研究的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體的基本原則、流程和方法。最后，以枸杞病蟲害知識為例構(gòu)建了領(lǐng)域本體，可為促進(jìn)枸杞病蟲害綜合防治的知識共享及重用提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)本體； 知識建模； 知識管理；農(nóng)業(yè)信息化

DOIDOI：10.11907/rjdk.162137

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0065-03

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息量不斷增加，如何合理描述、表達(dá)、組織和管理海量無序的知識資源，并有效進(jìn)行知識共享和服務(wù)是知識管理領(lǐng)域迫切需要解決的問題。本體（Ontology）作為共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明，為知識和概念提供了一個科學(xué)的組織方法。由于本體的支持，知識服務(wù)如搜索、積累和組織等效率得到極大提高，同時知識的發(fā)現(xiàn)、重用和共享變成現(xiàn)實。作為農(nóng)業(yè)信息化的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識是一種可以大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動力和生產(chǎn)效率的生產(chǎn)要素。因此，研究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的本體知識建模，構(gòu)建面向本體的農(nóng)業(yè)知識庫，完善農(nóng)業(yè)知識服務(wù)體系，是推動農(nóng)業(yè)信息化合理發(fā)展的必要措施。

為加強農(nóng)民和農(nóng)技人員對農(nóng)作物病蟲害認(rèn)識，有效指導(dǎo)病蟲害的防治工作，農(nóng)作物病蟲害知識和信息的表示與共享技術(shù)顯得尤為重要。目前已有的農(nóng)作物病蟲害知識表示方法有： 基于模糊推理的知識表示方法[1]、基于產(chǎn)生式規(guī)則表示知識[2]和基于案例推理的知識提取方法[3]等。這些傳統(tǒng)方法構(gòu)建的知識庫不僅具有很強的領(lǐng)域特性，而且在知識獲得、表達(dá)、共享和重用等方面都存在不足。隨著本體論研究在農(nóng)業(yè)信息管理領(lǐng)域的滲透，農(nóng)業(yè)病蟲害本體的研究不斷深入，如水稻病蟲草害本體[4]、蔬菜病蟲害知識庫[5]、柑橘病蟲害本體[6]、玉米病蟲害[7]等，但大多數(shù)相關(guān)研究都存在領(lǐng)域的局限性。本文借助本體理論的思想，運用本體方法組織知識，選擇枸杞病害和蟲害作為研究對象，構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的枸杞病蟲害領(lǐng)域本體庫，為枸杞病蟲害知識服務(wù)提供支持。

1 本體與農(nóng)業(yè)本體

本體論原是哲學(xué)領(lǐng)域中為研究存在而發(fā)展出來的一個概念，現(xiàn)在被用于信息科學(xué)中，其概念和內(nèi)涵也隨之改變和不斷完善。在信息科學(xué)領(lǐng)域中本體論是一種利用計算機語言和模型來進(jìn)行領(lǐng)域知識表示和組織，結(jié)合信息技術(shù)進(jìn)行知識管理、共享和服務(wù)的科學(xué)方法論。本體是通過領(lǐng)域?qū)＜业姆e極參與和通力協(xié)作而構(gòu)建的領(lǐng)域概念、關(guān)系和公理體系的集合，以計算機能理解的語言和形式描述、表示和組織知識，促進(jìn)知識重用、知識共享和知識服務(wù)[8]。農(nóng)業(yè)本體是農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)概念、概念與概念間的相互關(guān)系以機器能理解的形式化語言表示和組織農(nóng)業(yè)知識和模型。農(nóng)業(yè)本體給農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提供了統(tǒng)一的術(shù)語和概念，使得農(nóng)業(yè)知識高效可靠地獲取、共享和服務(wù)成為可能。隨著本體論研究在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲透，本體在農(nóng)業(yè)知識庫構(gòu)建、知識共享服務(wù)及智能檢索等方面具有良好的應(yīng)用前景。

2 本體構(gòu)建

2.1 本體模型

本體在結(jié)構(gòu)上包含5個基本建模原語：概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實例。概念通常也被稱為類，指任何事物，表示領(lǐng)域中具有相同屬性的對象的名詞集合，是知識領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，為知識的共建共享提供了基礎(chǔ)，概念以層次關(guān)系加以組織；關(guān)系描述概念相互之間的交互關(guān)系，如繼承關(guān)系、整體與部分的關(guān)系等；函數(shù)是一種特殊的關(guān)系；公理采取特定邏輯形式的斷言（包括規(guī)則在內(nèi)），表示任何情況下都正確的描述；實例代表元素，也就是概念中的具體例子，是整個本體的基礎(chǔ)對象。本體是知識概念化的顯式規(guī)范說明，它將知識以一種明確的、形式化的方式表示出來。本體可以表示為一個五元組O=（V，C，R，A，X），其中，V表示論域中的術(shù)語集，C表示概念集，R表示概念間的層次關(guān)系，具有自反性、無環(huán)性、有向性和傳遞性，A表示概念和關(guān)系的屬性值集合，X表示公理集，是對概念和關(guān)系屬性值的約束。

2.2 本體構(gòu)建原則

本體是一種先進(jìn)的信息資源知識組織方法，本體構(gòu)建是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前沒有統(tǒng)一的本體構(gòu)建方法和規(guī)則，Gruber提出本體構(gòu)建的5個原則，即本體的定義具備清晰性、完整性、一致性、最大單向可擴展性和最小編碼相關(guān)性[9]。對于領(lǐng)域本體的構(gòu)建，還應(yīng)遵循以下4個原則： 標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)原則、本體復(fù)用原則、協(xié)作原則和評建結(jié)合的原則。其中，標(biāo)準(zhǔn)化可以提高本體的共享性、防止和避免信息應(yīng)用相互脫節(jié)；本體復(fù)用采用多層次繼承方法，減少和避免本體的重復(fù)定義；協(xié)作原則要求眾多領(lǐng)域?qū)＜?、知識工程師和IT人員協(xié)作參本體構(gòu)建；評建結(jié)合原則要求在本體構(gòu)建過程中檢驗本體是否完整，是否滿足用戶的實際需求，需要不斷接受評估和提高。

2.3 本體構(gòu)建方法和流程

隨著本體在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了多種本體構(gòu)建方法，國內(nèi)外比較有影響的本體構(gòu)建方法有骨架法、IDEF5法、TOVE法、METHONTOLOGY法、XHEMICALS方法、SENSUS方法及七步法等[6，10]。本文借鑒本體構(gòu)建相關(guān)方法，依據(jù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識的特點，確定了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體構(gòu)建的方法，其流程如圖1所示，具體思路如下：①構(gòu)建本體之前，進(jìn)行需求分析，確定領(lǐng)域本體框架，明確領(lǐng)域本體的應(yīng)用目標(biāo)和范疇；②通過專業(yè)相關(guān)書籍、文獻(xiàn)資料、權(quán)威網(wǎng)站信息等途徑獲取領(lǐng)域知識，結(jié)合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh，對領(lǐng)域知識進(jìn)行分析、整理和歸納，得到所需領(lǐng)域的概念和關(guān)系；③對領(lǐng)域知識充分了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合需求分析，將領(lǐng)域中的主要概念和關(guān)系列舉出來，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)下，確定領(lǐng)域的核心概念和關(guān)系；④基于前面劃分的概念層次結(jié)構(gòu)，使用本體構(gòu)建工具對類、屬性和實例等本體元素進(jìn)行編碼及形式化定義，實施本體構(gòu)建；⑤本體建立后，領(lǐng)域內(nèi)概念的定義是否清楚，關(guān)系是否明確，需要運用推理工具自動判斷和檢驗，并對有邏輯錯誤的地方進(jìn)行修改，以滿足用戶的實際需求；⑥本體創(chuàng)建是一個反復(fù)迭代的過程，需要不斷優(yōu)化和完善，以便更好地適應(yīng)實際使用。

3 枸杞病蟲害本體構(gòu)建實現(xiàn)

3.1 應(yīng)用背景分析

枸杞病蟲害本體是利用計算機語言規(guī)范枸杞病蟲害的相關(guān)概念、概念間的關(guān)系，形成對枸杞病蟲害知識組織結(jié)構(gòu)的共同理解，為進(jìn)一步建立枸杞病蟲害語義Web，開展枸杞病蟲害知識服務(wù)奠定基礎(chǔ)。在枸杞病蟲害本體的支持下，對枸杞病蟲害知識的獲取、搜索和使用等相關(guān)服務(wù)的效率大為改善，實現(xiàn)真正意義上的知識重用和共享。

3.2 知識及獲取

在學(xué)習(xí)了很多相關(guān)枸杞病蟲害書籍和大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合枸杞病蟲害領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh，以寧夏地區(qū)常見的枸杞蚜蟲、枸杞紅癭蚊、枸杞癭螨等51種枸杞害蟲和根腐病、炭疽病、白粉病等15種枸杞病害為研究對象，對枸杞病蟲害領(lǐng)域知識進(jìn)行分析、整理和歸納得出核心概念集合。

3.3 本體知識建模

由于枸杞病蟲害領(lǐng)域復(fù)雜的領(lǐng)域間關(guān)系，在本體構(gòu)建過程中以枸杞為核心，綜合考慮與其相關(guān)的枸杞病害類型、枸杞蟲害、蟲害體征、癥狀、危害部位、發(fā)生發(fā)展規(guī)律、病原、防治方法等要素，通過描述其領(lǐng)域中的類（概念）、屬性關(guān)系和實例（個體），構(gòu)建完整的枸杞病蟲害本體。

3.3.1 本體類結(jié)構(gòu)及層次模型建立

構(gòu)建本體類層次結(jié)構(gòu)模型是構(gòu)建領(lǐng)域本體過程中非常重要的任務(wù)。首先將枸杞病蟲害本體分為5個一級類，分別是枸杞病害（Disease）、枸杞蟲害（Pets）、危害部位（Part）、危害癥狀（Symptom）和防治方法（Prevention）。然后依據(jù)枸杞病蟲害的知識體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，對概念作進(jìn)一步細(xì)分。在Protégé環(huán)境中，將下位概念逐一添加到一級子類中，形成如圖2所示的本體類層次結(jié)構(gòu)。

3.3.2 本體屬性關(guān)系定義

定義本體屬性是確定一個類內(nèi)部以及類之間關(guān)系的過程，通過定義本體屬性來建立概念間的關(guān)系是實現(xiàn)知識推理的基礎(chǔ)。屬性描述的是一個二元關(guān)系，Protégé中提供了3種類型的屬性關(guān)系，即對象屬性（Object properties）描述的是兩個概念的實例間的關(guān)系，數(shù)據(jù)屬性（Data properties） 指某個類屬于某一個數(shù)據(jù)類型，注釋性屬性（Annotation Properties） 是對概念屬性的注釋。在Protégé中定義屬性時除了包括屬性名稱、描述信息、數(shù)據(jù)類型的定義外，還要確定定義域、值域、頂級屬性、子屬性、逆屬性等約束信息。

通過分析整理，枸杞病蟲害領(lǐng)域本體中所定義的主要對象屬性如表1所示。比如，對象屬性cause，定義域為枸杞病害，值域為病因，表示枸杞葉片病害由某病因引起，而病因是枸杞疾病的根源，因此它們之間的關(guān)系是caused-by，這就是逆屬性關(guān)系。類似的方法可以定義數(shù)據(jù)屬性和注釋性屬性。使用Addsubproperty即可構(gòu)建子屬性，形成樹狀層次結(jié)構(gòu)。

3.3.3 本體實例添加

本體屬性關(guān)系確定之后，就要進(jìn)一步為類添加實例。類是實例的抽象歸類和表示，實例是類的具體表現(xiàn)，一個類可以賦予多個實例，形成實例集。每個實例繼承類中的特性，用屬性值描述實例的特征。如“枸杞蟲害”類中包含了很多害蟲的實例，對于其中的“蝽類”就包含了7種蟲害。在Protégé中選擇individuals選項可以在相應(yīng)的類中添加實例，同時為實例添加相關(guān)的屬性及屬性值。例如在類“蛾類”中添加枸杞蛀果蛾、枸杞卷梢蛾、枸杞鞘蛾、枸杞絹蛾和枸杞黑絹蛾5個具體實例，在每個具體的實例中可以添加它的屬性內(nèi)容。

3.3.4 枸杞病蟲害本體知識庫

根據(jù)上述構(gòu)建步驟，將枸杞病蟲害作為研究對象，以診斷和防治為研究目標(biāo)，抽取領(lǐng)域中的重要概念、屬性及實例，構(gòu)建了一個體系完善的枸杞病蟲害本體庫。構(gòu)建好的枸杞病蟲害本體的類結(jié)構(gòu)如圖3所示，共計37個本體

類，基本涵蓋了實際生產(chǎn)中主要的枸杞病蟲害種類。本體中有7個數(shù)據(jù)屬性和12個一級對象屬性用于描述枸杞病蟲害的基本信息，還包括51個害蟲實例，15個病害的實例和其它本體類的實例。

4 結(jié)語

本體以科學(xué)知識組織的方式實現(xiàn)了知識間邏輯關(guān)系的形式化定義。本文在農(nóng)業(yè)本體模型形式化定義、構(gòu)建原則、構(gòu)建流程和方法分析的基礎(chǔ)上，以枸杞病蟲害領(lǐng)域的相關(guān)知識為例，運用本體開發(fā)工具建立了枸杞病蟲害知識本體，構(gòu)建了枸杞病蟲害知識庫，為促進(jìn)枸杞病蟲害防治知識應(yīng)用和共享奠定了基礎(chǔ)，為下一步利用知識庫進(jìn)行本體檢索和推理等提供了參考，同時為其它領(lǐng)域本體構(gòu)建提供了借鑒。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）