農(nóng)業(yè)本體中信息關(guān)聯(lián)挖掘及映射技術(shù)*

趙嫦花，米春橋

(1.懷化學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418000)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息知識的關(guān)聯(lián)性影響本體知識庫內(nèi)容的可視化程度.規(guī)范本體的關(guān)鍵是如何正確地處理知識領(lǐng)域的相關(guān)概念，但由于對同一概念會有不同理解和定義[1]，因此只有統(tǒng)一概念才能實(shí)現(xiàn)本體在不同領(lǐng)域的應(yīng)用.應(yīng)用于語義網(wǎng)的自動化信息處理可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與人之間的互通.本體可用建模語言來表示，用存儲它的狀態(tài)和行為的類來表示概念.UML類圖與本體的結(jié)構(gòu)相似，但UML類圖只提供領(lǐng)域類結(jié)構(gòu)和層次的靜態(tài)視圖，類層次只定義超類與內(nèi)部類的關(guān)系.一張類圖的所有特征和原則都能應(yīng)用于本體建模[2].農(nóng)業(yè)傳感器終端采集的數(shù)據(jù)量大且多樣化，如果不建立統(tǒng)一的概念標(biāo)準(zhǔn)，就會嚴(yán)重影響有用信息的挖掘.在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有UML類圖，只要充分利用這些類圖實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)本體的擴(kuò)展，就能迅速有效地建立本體庫，并基于本體庫實(shí)現(xiàn)語義應(yīng)用.筆者利用Protege平臺通過類圖實(shí)現(xiàn)本體的可視化描述和擴(kuò)展，并通過概念化模型豐富已有的本體，實(shí)現(xiàn)本體之間的聯(lián)系.

1 相關(guān)研究

Protege平臺是構(gòu)建本體的環(huán)境，通過定義插件使得本體構(gòu)建變得更加簡單.可視化本體可以通過屬性顯示本體結(jié)構(gòu)圖，但是這些圖不能在類圖中顯示，需要下載Grahpviz等可視化軟件支持類與類之間的關(guān)聯(lián)有專門的命名規(guī)則，在視圖中對信息的描述與UML類屬性相似.本研究也采用類似的方法為類設(shè)置屬性和行為，通過Grahpviz軟件在OntoViz中將類關(guān)聯(lián)起來[3].所有本體的對象包括類、實(shí)例、屬性、匿名類、對象之間的關(guān)系等，都是OWLAPI的擴(kuò)展.OWL2UML是一個(gè)提供基于本體的UML圖表視圖的插件，由于這個(gè)插件使用OWLAPI，只能在老版的Protege中運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)所有類圖的可視化，也不能解決本體的重用問題，但仍能滿足一般用戶的需求.Protege提供了不同的插件來支持本體模型的可視化，但不支持UML.

有關(guān)研究[4-10]表明，UML到OWL語法層上的轉(zhuǎn)換是可以實(shí)現(xiàn)的，但核心問題是如何實(shí)現(xiàn)自動遵循規(guī)則的可視化轉(zhuǎn)換.筆者將利用UML實(shí)現(xiàn)互操作本體模型，即實(shí)現(xiàn)抽象層面的語法規(guī)則到可視化應(yīng)用層面的映射.

2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體概念規(guī)范化

構(gòu)建農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體不是一個(gè)簡單的過程，需要有理解農(nóng)業(yè)領(lǐng)域概念的人或群體.在本體構(gòu)建過程中，盡管通過努力可以使得概念標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，但還是會存在誤差.這是因?yàn)椋环矫嫱粚ο笥胁煌拿?，單個(gè)通用本體不能完全地表示某個(gè)特定領(lǐng)域；另一方面是存在多義性，同一個(gè)對象在不同情境下意義也可能完全不同.例如，農(nóng)業(yè)本體中的蟲害作為一個(gè)類，可以用Bug，Insect，Pest，Worm這4個(gè)詞，術(shù)語的不一致導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)信息搜索過程中系統(tǒng)通常會找到一些無用的信息，浪費(fèi)了大量的時(shí)間.因此，需要對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域制定一套統(tǒng)一的術(shù)語，用于處理相關(guān)問題或根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置同義關(guān)系.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域代表數(shù)據(jù)的概念，在很多情況下用諸如UML這樣標(biāo)準(zhǔn)化的語言來存儲，這促使人們尋求將UML轉(zhuǎn)換成本體的方法.UML模型中存儲的數(shù)據(jù)遵循預(yù)先統(tǒng)一定義的格式，與本體存儲數(shù)據(jù)有相似的結(jié)構(gòu)，這為UML到OWL的轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ).在概念初始化定義階段對其進(jìn)行層級結(jié)構(gòu)劃分，不同術(shù)語間的關(guān)系就很容易被定義.良好的領(lǐng)域概念結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性可促進(jìn)對領(lǐng)域概念的理解，這也是本體要解決的根本問題.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中類、實(shí)例、屬性和關(guān)系這4個(gè)基本要素構(gòu)成了本體的結(jié)構(gòu).對比分析OWL類和UML類這2個(gè)實(shí)體集以增加新的實(shí)體及其關(guān)聯(lián)，通過映射來判斷這2個(gè)實(shí)體名稱是否相同，若相同則不增加到本體庫中，反之則增加，從而實(shí)現(xiàn)可視化的本體擴(kuò)展及信息關(guān)聯(lián)挖掘.

3 本體與UML組件關(guān)聯(lián)分析

本體定義了一套概念及相互關(guān)系，類圖代表定義關(guān)系的類集.雖然OWL和UML有不同的作用對象(UML用于建模，OWL用于表征知識)且采用不同的結(jié)構(gòu)，但是兩者也有許多相同的元素可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如表1所示.從表1可以看出，基于這些共同的特征，能通過類圖的概念在Protege平臺中對本體進(jìn)行擴(kuò)展.Protege平臺提供了足夠的插件來支持可視化本體，也提供了大量的庫來支持OWL.

表1 本體(OWL)及UML語言成分之間的關(guān)聯(lián)

4 UML與OWL模型映射

4.1 XSLT

圖1 使用XSLT轉(zhuǎn)換UMLFig. 1 Transformation of UML Through XSLT

擴(kuò)展樣式表轉(zhuǎn)換語言(eXtensible Stylesheet Language Transformations，XSLT)是一種用于將XML文檔轉(zhuǎn)換成任意文本的描述語言.轉(zhuǎn)換過程通過XSLT處理器來實(shí)現(xiàn)，如Xalan-Java.由于XSLT自帶轉(zhuǎn)換規(guī)則，因此只需在處理器中輸入2種原文件和模式就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換.UML是類圖，OWL是本體，都基于XML格式，因此將UML模型轉(zhuǎn)換為本體模型需用到XSLT，這為利用Protege插件OWLAx實(shí)現(xiàn)UML到OWL的轉(zhuǎn)換提供了擴(kuò)展框架.具體轉(zhuǎn)換步驟如圖1所示.

4.2 定義共同的實(shí)體集

由于UML和OWL有共同的模型元素，因此可以對這2個(gè)對象集進(jìn)行比較.先創(chuàng)建一個(gè)能同時(shí)與2個(gè)模型互操作的對象集，對象以實(shí)體進(jìn)行存儲.不管是UML或OWL類，實(shí)體都是一個(gè)類的通用術(shù)語.為了使類具有2個(gè)模型的共同特征，需要在2個(gè)模型中預(yù)先定義共同屬性.前面提到了UML和OWL的所有共同元素，包括基本的類、屬性、關(guān)系、關(guān)聯(lián)和子類等.筆者為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)建的一個(gè)共同實(shí)體里，有已定義好的屬性和結(jié)構(gòu).每一個(gè)實(shí)體都有由類名產(chǎn)生的標(biāo)識符、屬性集和關(guān)系集，由UML和OWL映射到共同的對象中.具體映射過程如圖2所示.在這個(gè)過程中，只需將UML和OWL模型生成2個(gè)實(shí)體集，每一個(gè)集合對應(yīng)一個(gè)模型，就能統(tǒng)一模型的格式，為后續(xù)的關(guān)聯(lián)與映射作準(zhǔn)備.

圖2 映射UML和OWL類到共同的對象Fig. 2 Mapping of UML and OWL onto Common Entities

5 模型可視化映射前期準(zhǔn)備

在Protege中要想看到完整的UML模型，必須先對UML模型進(jìn)行處理和比較.比較的目的是找出相同的實(shí)體，并利用實(shí)體擴(kuò)展模型，通過OWLAx實(shí)現(xiàn)UML模型到OWL模型的連接.在基于UML模型的本體模型擴(kuò)展豐富之前，進(jìn)行如下操作：?x,x∈SUML∧x?SOWL.其中：SUML={E,R}，模型由實(shí)體E和關(guān)系R組成；SOWL={E′,R′}，模型由實(shí)體E′和關(guān)系R′組成.若滿足這個(gè)條件且至少有1個(gè)實(shí)體的相同名字既在OWL模型又在UML模型中，則通過關(guān)系檢測可以擴(kuò)展本體模型；若2個(gè)模型沒有關(guān)聯(lián)的元素則無法對本體進(jìn)行擴(kuò)展.因此，E和E′集必須是相交集.

模型擴(kuò)展基于以下幾點(diǎn)：

(1)找出所有實(shí)體集中的相同名字，存放在一個(gè)用于實(shí)體間比較的集合中.

(2)判斷從UML模型中創(chuàng)建的包含關(guān)系或?qū)傩缘膶?shí)體，是否包含在與本體模型相似的實(shí)體中.

(3)確定這些關(guān)系或?qū)傩阅茇S富實(shí)體后，將這些不同的屬性和關(guān)系存入一個(gè)擴(kuò)展實(shí)體中.這些實(shí)體與UML模型一樣，包含了名字、屬性或關(guān)系.

(4)對這些實(shí)體進(jìn)行逐步轉(zhuǎn)換和相似度計(jì)算，為本體模型獲得一個(gè)擴(kuò)展關(guān)系-屬性集，所有的擴(kuò)展選項(xiàng)在類圖中都是可視的.

(5)由用戶確定這些新信息是否要應(yīng)用于本體擴(kuò)展.

實(shí)現(xiàn)UML模型到本體模型的可視化映射，只要不斷地增加所有的屬性，就可以創(chuàng)建一個(gè)基于UML類圖的新本體.用戶能夠選擇是否需要添加實(shí)體的特征或?qū)傩?，或者沿用原來已存在但在本體中沒有定義的關(guān)系，避免在本體中重新定義.通過阻止添加無關(guān)聯(lián)的實(shí)體到本體模型中，可以減少錯(cuò)誤模型的概率，同時(shí)也保證實(shí)體之間的關(guān)聯(lián).

6 模型可視化映射實(shí)例

6.1 添加新類

以武陵山片區(qū)農(nóng)業(yè)本體(wlspq:FeatureOfInterest)構(gòu)建為例，利用OWLAx實(shí)現(xiàn)由UML到OWL的映射過程.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，所添加的新類能豐富本體的聯(lián)系.如圖3所示，添加Layer，Medium和Precipitaton后利用OWLAx能實(shí)現(xiàn)UML到OWL的無縫連接.如圖4所示，將UML新類成功地添加到對應(yīng)的關(guān)聯(lián)中，OWLAx相應(yīng)地增加了rdfs:subClassOf，這為到本體的映射提供了關(guān)系描述.圖3中粗線框表示在UML中新增的類.

圖3 UML中新增類Fig. 3 New Classes in UML

圖4 通過UML類圖在OWLAx中增加類、屬性或關(guān)系Fig. 4 Addition of Classes,Attributes and Associations Through UML Class Diagram

6.2 添加屬性和關(guān)系

圖5 通過UML生成本體截圖Fig. 5 Generation of Ontologies Through UML

從圖3可以看到UML類圖中wlspq:FeatureOfInterest的包含屬性，實(shí)體屬性位于UML類層的中部.利用OWLAx實(shí)現(xiàn)UML靜態(tài)類圖到OWL的轉(zhuǎn)換，達(dá)到了擴(kuò)展本體屬性的目的.圖4中的hasname是通過UML類圖在OWLAx中增加的屬性和關(guān)系.圖5示出從UML到生成OWL本體的過程，即從可視化視圖到本體的映射.

筆者還進(jìn)行了功能實(shí)驗(yàn).為了創(chuàng)建一個(gè)基于UML類圖的新本體，要不斷地增加所有的類、屬性或關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中，如果本體中已經(jīng)存在某個(gè)屬性、類或關(guān)系，例如本體中一開始存在Wind，通過UML在OntoAx中增加這個(gè)類就會提示“此類已經(jīng)存在”的錯(cuò)誤信息.對于沒有的類，如Pests和Surface，就可以順利地添加到本體中.同樣，通過UML和OWL的所有共同元素的關(guān)聯(lián)來判斷屬性或關(guān)系是否已經(jīng)存在，從而確定是否需要添加.阻止添加無關(guān)聯(lián)的實(shí)體到本體模型中，減少了錯(cuò)誤率，也確保了實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)，對本體進(jìn)行了可視化的擴(kuò)展.整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是要證明，通過對2個(gè)不同模型進(jìn)行比較能否豐富本體模型.所有實(shí)驗(yàn)都在Protege中進(jìn)行，用戶可以添加新類的屬性或關(guān)系，也可以添加與本體擴(kuò)展無關(guān)的新實(shí)體.所有的執(zhí)行結(jié)果都由用戶評估判斷，由用戶決定哪些是需要的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過UML不僅可以在擴(kuò)展本體的同時(shí)阻止無關(guān)聯(lián)實(shí)體的添加，還可以對普通實(shí)體進(jìn)行新特性的挖掘.

7 結(jié)語

基于一般模型特征利用UML對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體進(jìn)行擴(kuò)展，利用UML和OWL的關(guān)聯(lián)解釋了模型中各自的意義、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及每一種語言的基本要素和相互關(guān)系.通過比較發(fā)現(xiàn)了UML和OWL的相似特性，這使得兩者具有可比性.以武陵山片區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境為例，在檢測了所需要的UML結(jié)構(gòu)和要處理的內(nèi)容后，對模型進(jìn)行操作，將UML轉(zhuǎn)換成OWL，并在Protege中利用OWLAx對UML和OWL實(shí)現(xiàn)可視化.農(nóng)業(yè)本體在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)系更復(fù)雜、需求更多.本研究只解決了基本模塊，作了簡單的關(guān)系挖掘，完成從UML模型到本體模型的映射.接下來，將實(shí)現(xiàn)批量的UML到OWL文件映射，發(fā)掘更多的關(guān)系，提高映射的效率.

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