一種面向生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的知識(shí)圖譜構(gòu)建方法

王天一，孟小亮*，張 華

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

知識(shí)圖譜是通過節(jié)點(diǎn)和有向邊的方式來表達(dá)實(shí)體、概念及其相互之間關(guān)系的大型語義網(wǎng)絡(luò)，是大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下從數(shù)據(jù)互聯(lián)邁向知識(shí)互聯(lián)服務(wù)的基礎(chǔ)[1-2]。目前，知識(shí)圖譜在很多領(lǐng)域發(fā)揮作用，而應(yīng)用知識(shí)圖譜的前提是構(gòu)建知識(shí)圖譜。地學(xué)領(lǐng)域已有學(xué)者探究面向?yàn)?zāi)害應(yīng)急響應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害鏈知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法，但所用方法未充分利用豐富的文獻(xiàn)文本資源[3]；部分信息管理領(lǐng)域?qū)W者對(duì)從文獻(xiàn)等文本資源中提取的知識(shí)進(jìn)行了研究，但通用方法對(duì)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建具有局限性[4-5]。生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，人類社會(huì)的建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境安全造成了難以估量的影響，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的治理保護(hù)顯得尤為重要[6]。生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域期刊文獻(xiàn)中的文本具有形式簡潔、知識(shí)集中、現(xiàn)勢(shì)性好等特點(diǎn)。本文選擇生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)源研究領(lǐng)域知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法具有典型性。

本文設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建方法如圖1所示，包括數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)、領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層構(gòu)建、語料庫語義標(biāo)注、知識(shí)自動(dòng)抽取與知識(shí)驗(yàn)證等部分。輸入數(shù)據(jù)源可以是文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，步驟①通過自動(dòng)抓取程序、OCR文本識(shí)別以及PDF文本抽取等方式獲取領(lǐng)域文獻(xiàn)文本數(shù)據(jù)；步驟②將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到原始語料數(shù)據(jù)庫中；步驟③～④通過統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如TextRank、TF-IDF利用無監(jiān)督關(guān)系抽取模型OPENIE抽取領(lǐng)域中關(guān)鍵的實(shí)體概念以及實(shí)體間的相關(guān)關(guān)系；步驟⑤利用領(lǐng)域知識(shí)和建模系統(tǒng)人工總結(jié)歸納、提煉得到領(lǐng)域知識(shí)圖譜的模式層，并將其作為語義標(biāo)注平臺(tái)的標(biāo)注依據(jù)；步驟⑥將模式層導(dǎo)入語義標(biāo)注工具中；步驟⑦通過語義標(biāo)注平臺(tái)從原始語料庫獲取未標(biāo)注的文本；步驟⑧人工參與標(biāo)注領(lǐng)域?qū)嶓w和關(guān)系組建語義豐富的領(lǐng)域?qū)嶓w關(guān)系語料庫；完成標(biāo)注的語料庫作為訓(xùn)練樣本，通過步驟⑨對(duì)領(lǐng)域知識(shí)自動(dòng)抽取算法進(jìn)行訓(xùn)練；訓(xùn)練完成后，將未標(biāo)注的大量文本數(shù)據(jù)通過步驟⑩輸入領(lǐng)域知識(shí)抽取算法；經(jīng)算法處理后，步驟○1得到抽取的知識(shí)三元組；步驟○12對(duì)抽取的知識(shí)三元組進(jìn)行驗(yàn)證；步驟○13將符合規(guī)定條件的知識(shí)三元組存儲(chǔ)到領(lǐng)域知識(shí)圖譜中。

圖1 文獻(xiàn)驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建方法技術(shù)流程圖

1 自動(dòng)化語料內(nèi)容數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)源的質(zhì)量將對(duì)研究結(jié)果造成很大影響，文獻(xiàn)文本數(shù)據(jù)規(guī)范、客觀、可信。本文選取的數(shù)據(jù)來源于《生態(tài)學(xué)報(bào)》《環(huán)境科學(xué)》等專業(yè)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中文期刊，均從收錄期刊的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫或期刊官網(wǎng)中獲取。由于這些文本數(shù)據(jù)具有較規(guī)則的數(shù)據(jù)形式和特定的Dom結(jié)構(gòu)，因此可通過分析頁面要素的特點(diǎn)和規(guī)律，編寫抓取程序?qū)ξ恼碌臉?biāo)題、作者、關(guān)鍵詞、摘要以及全文內(nèi)容等信息進(jìn)行自動(dòng)獲取。本文共獲取2014—2020年見刊的5 000多篇文獻(xiàn)約2 000萬字的語料內(nèi)容數(shù)據(jù)。

2 利用機(jī)器學(xué)習(xí)的圖譜模式層構(gòu)建

模式層構(gòu)建是構(gòu)建知識(shí)圖譜的核心內(nèi)容[7]，模式層構(gòu)建即構(gòu)建本體模型。本體模型的構(gòu)建包括手工構(gòu)建和自動(dòng)構(gòu)建等方法[8]，首先需明確概念、關(guān)系等內(nèi)容，然后便可在某種本體語言的基礎(chǔ)上進(jìn)行本體建模[9]。傳統(tǒng)構(gòu)建方法幾乎完全需要領(lǐng)域?qū)＜覐恼Z料文獻(xiàn)中人工提煉，而自動(dòng)構(gòu)建方法可快速建立本體模型，但與人們的認(rèn)知習(xí)慣有所差距[10]。因此，本文首先利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)從大量生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域文獻(xiàn)文本中自動(dòng)抽取領(lǐng)域關(guān)鍵詞和領(lǐng)域關(guān)系，再人工從語義層面分析抽取結(jié)果，然后通過建模語言歸納出領(lǐng)域知識(shí)圖譜的模式層，最終以構(gòu)建的模式層為指導(dǎo)建立領(lǐng)域語料庫。

2.1 領(lǐng)域關(guān)鍵詞和領(lǐng)域關(guān)系抽取

關(guān)鍵詞可集中反映相關(guān)領(lǐng)域的特征，本文利用TF-IDF與TextRank算法，并融合詞頻統(tǒng)計(jì)的方式自動(dòng)挖掘生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)鍵詞。TF-IDF算法兼顧了詞頻特征和逆文本頻率指數(shù)，TextRank算法利用圖的思想在提取時(shí)顧及了語義信息。在使用Python中文分詞庫jieba的基礎(chǔ)上，利用各方法抽取領(lǐng)域關(guān)鍵詞。為保證領(lǐng)域關(guān)鍵詞抽取結(jié)果的可靠性，根據(jù)各方法的提取能力定權(quán)，加權(quán)計(jì)算綜合重要性指標(biāo)。I綜合為綜合重要性指標(biāo)，I詞頻、ITF-IDF、ITextRank分別為歸一化后的詞頻、TF-IDF值和TextRank值。利用式（1）得到1 500個(gè)關(guān)鍵詞語及其重要級(jí)。為了可視化分析和直觀展示抽取結(jié)果，本文制作了領(lǐng)域關(guān)鍵詞云圖（圖2），可以看出，“污染”、“群落”、“生物”、“環(huán)境”等詞語是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中的關(guān)鍵概念，但“土壤”、“碳”等一些詞語是要素實(shí)例，還存在一些高頻詞匯與生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)性不高，如“評(píng)價(jià)”、“可能”、“說明”等。

圖2 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)鍵詞云圖

I綜合=0.2I詞頻+0.4ITF-IDF+0.4ITextRank（1）

關(guān)系是指實(shí)體或概念間的聯(lián)系，是知識(shí)圖譜模式層的核心要素。本文首先對(duì)文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分句處理，然后通過OPENIE工具（來源于Stanford CoreNLP自然語言處理工具包）進(jìn)行無監(jiān)督開放信息抽取，最終提煉出135 971條關(guān)系三元組。人工篩除含義不明的關(guān)系后，統(tǒng)計(jì)關(guān)系出現(xiàn)的頻次，歸納得到具有生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域含義的關(guān)系，如表1所示。

表1 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)系抽取與篩選結(jié)果

2.2 領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層建立

UMLS是一種工具化、集成化、跨領(lǐng)域的語言系統(tǒng)[11]。本文將UMLS的頂層概念（圖3）與提取的領(lǐng)域關(guān)鍵詞和關(guān)系相結(jié)合，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜的模式層。

圖3 UMLS頂層概念

參照UMLS體系，將領(lǐng)域知識(shí)體系在頂層概念中分為概念實(shí)體、物理實(shí)體、現(xiàn)象過程和活動(dòng)4個(gè)實(shí)體，含義分別為人類主觀認(rèn)知的實(shí)體，客觀存在的實(shí)體，唯物的、無意識(shí)的自然現(xiàn)象，計(jì)劃性的、可歸因的人類行為。通過對(duì)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)鍵詞和關(guān)系的歸類，歸納得到生態(tài)環(huán)境實(shí)體列表與關(guān)系列表（表2、3）。

表2 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嶓w列表

表3 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)系列表

生態(tài)環(huán)境的核心是環(huán)境要素和生物體。人類活動(dòng)造成的損害與生態(tài)治理過程中的分析都不斷影響著生態(tài)環(huán)境[12]。沿此思路，本文將知識(shí)圖譜模式層歸納為生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)環(huán)境主體、生態(tài)功能現(xiàn)象過程、人類活動(dòng)、分析方法五大要素。UMLS頂層概念將實(shí)體間關(guān)系分為上下位關(guān)系和相關(guān)關(guān)系，其中相關(guān)關(guān)系涵蓋環(huán)境實(shí)體間、屬性實(shí)體間、環(huán)境與屬性實(shí)體間的關(guān)系，環(huán)境實(shí)體間的關(guān)系又包含相關(guān)關(guān)系、概念關(guān)系、等價(jià)關(guān)系等。整合上述生態(tài)環(huán)境實(shí)體與關(guān)系，得到生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層，如圖4所示。

圖4 生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層

2.3 領(lǐng)域語料庫建立

建立語料庫是自動(dòng)抽取知識(shí)的先決條件。目前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域還沒有公開可查詢的語義標(biāo)注集，且諸多語義標(biāo)注軟件在用戶體驗(yàn)上不能滿足需求。語義標(biāo)注應(yīng)從知識(shí)圖譜的模式層出發(fā)，包含實(shí)體和關(guān)系的標(biāo)注。關(guān)系表達(dá)為三元組(E1,R,E2)，R表征實(shí)體E1和E2的關(guān)系。本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了語義標(biāo)注軟件工具，主界面如圖5所示。語義標(biāo)注流程為：①標(biāo)注實(shí)體，標(biāo)注人員在選定文字后，選擇實(shí)體類型與空間信息，點(diǎn)擊標(biāo)注按鈕即可完成實(shí)體標(biāo)注；②標(biāo)注關(guān)系，先在實(shí)體列表上設(shè)置頭實(shí)體和尾實(shí)體，再設(shè)置關(guān)系類型點(diǎn)擊標(biāo)注關(guān)系按鈕即可標(biāo)注一條關(guān)系。本文共標(biāo)注了40萬字的語料，其中實(shí)體類別標(biāo)簽2.2萬條，關(guān)系類別標(biāo)簽1.1萬條。

圖5 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的語義標(biāo)注軟件工具

3 領(lǐng)域知識(shí)圖譜自動(dòng)化構(gòu)建

在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，已有學(xué)者針對(duì)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域命名實(shí)體識(shí)別進(jìn)行了研究，如蔣翔[13]等基于BiLSTM-IDCNN-CRF模型進(jìn)行了生態(tài)治理技術(shù)領(lǐng)域命名實(shí)體識(shí)別。本文采用BERT-BiGRU-CRF模型進(jìn)行生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嶓w提取，并討論了最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；采用Transformer[14]特征提取網(wǎng)絡(luò)對(duì)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嶓w之間的關(guān)系進(jìn)行抽?。焕眯ｒ?yàn)次數(shù)和來源指數(shù)對(duì)抽取的知識(shí)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證，從而自動(dòng)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜。

3.1 實(shí)體信息自動(dòng)抽取

在構(gòu)建的語料庫的基礎(chǔ)上，通過程序生成訓(xùn)練樣本，實(shí)體利用程序轉(zhuǎn)換并輸出參考BIO方案的標(biāo)注結(jié)果，標(biāo)記數(shù)據(jù)以60%、20%、20%的比例隨機(jī)用于訓(xùn)練、驗(yàn)證和最終測(cè)試。BERT[15]是應(yīng)用廣泛的詞向量編碼模型，幾乎替代了以Word2vec[16]為主流的詞向量編碼模型，在許多自然語言處理任務(wù)中精度更高；對(duì)于長序列文本處理，GRU[17]比LSTM[18]模型所需的訓(xùn)練樣本更少，CRF[19]（條件隨機(jī)場(chǎng)）是序列化標(biāo)注算法。本文利用樣本訓(xùn)練BERT-BiGRU-CRF模型并測(cè)試，相關(guān)文獻(xiàn)指出模型學(xué)習(xí)率與BatchSize比值越大泛化性越好[20]，以此為指導(dǎo)權(quán)衡訓(xùn)練時(shí)間，最終調(diào)整Batch-Size為4、學(xué)習(xí)率為1e-5時(shí)，平均準(zhǔn)確率為88.64%、平均召回率為88.90%，各類的識(shí)別準(zhǔn)確率在85%～99%之間。

3.2 實(shí)體概念間關(guān)系自動(dòng)抽取

本文利用Transformer網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)系抽取?；谠摼W(wǎng)絡(luò)的編碼器組件，將數(shù)據(jù)輸入到Transformer網(wǎng)絡(luò)的Encoder中，多頭注意力機(jī)制將從語句中提取重要信息，然后將注意力層的輸出與輸入進(jìn)行合并和正則化。為充分抽取不同特征等級(jí)的句子信息，此處借鑒ResNet網(wǎng)絡(luò)的方法，將Transformer的結(jié)果拼接并傳送給全連接層輸出分類結(jié)果。經(jīng)試驗(yàn)得到，學(xué)習(xí)率為1e-4、BatchSize為16時(shí)，取得最優(yōu)的平均準(zhǔn)確率（97.25%）。

3.3 知識(shí)驗(yàn)證與知識(shí)圖譜存儲(chǔ)

生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嶓w和關(guān)系自動(dòng)抽取完畢后，得到了數(shù)目龐大的領(lǐng)域?qū)嶓w和關(guān)系構(gòu)成的三元組，即知識(shí)圖譜的知識(shí)單元。這些通過深度學(xué)習(xí)算法抽取的知識(shí)單元并非完全可靠，不能直接構(gòu)建知識(shí)圖譜，需先將其暫存在Elasticsearch數(shù)據(jù)庫中，再利用知識(shí)質(zhì)量驗(yàn)證算法過濾篩選得到可靠的知識(shí)，最終將驗(yàn)證后的知識(shí)數(shù)據(jù)同步到Neo4j數(shù)據(jù)庫。

知識(shí)來源是衡量知識(shí)置信度的重要指標(biāo)。本文設(shè)置Q為來源指數(shù)（指數(shù)越高表明知識(shí)越可信），圖譜知識(shí)來源包括人工標(biāo)注文獻(xiàn)文本、模型識(shí)別文獻(xiàn)文本、模型識(shí)別其他文本等，模型的訓(xùn)練樣本是經(jīng)人工標(biāo)注的文獻(xiàn)文本，且基于最大似然的思想，認(rèn)為文獻(xiàn)文本數(shù)據(jù)、人工標(biāo)注數(shù)據(jù)相對(duì)于其他來源的數(shù)據(jù)可信度更高，綜上得出式（2）。

T為校驗(yàn)次數(shù)，是指同一個(gè)知識(shí)三元組被嘗試插入知識(shí)圖譜多次，其中來源指數(shù)不小于現(xiàn)有圖譜中該三元組來源指數(shù)的次數(shù)。當(dāng)某知識(shí)校驗(yàn)次數(shù)大于閾值，可將該知識(shí)視為正確。知識(shí)三元組需經(jīng)過Q、T指數(shù)的考核才能錄入圖譜數(shù)據(jù)庫，知識(shí)更新的流程為：當(dāng)知識(shí)圖譜中插入新的知識(shí)三元組時(shí)，首先從知識(shí)圖譜中查詢是否具有頭尾實(shí)體相似的三元組，若無，則該三元組是新知識(shí)，設(shè)置知識(shí)來源后插入知識(shí)圖譜；若有，如果關(guān)系相同，判斷來源是否更加權(quán)威，更新現(xiàn)有相似知識(shí)三元組的來源指數(shù)和校驗(yàn)次數(shù)，如果關(guān)系不同，則比較知識(shí)三元組置信水平，倘若圖譜中知識(shí)三元組校驗(yàn)次數(shù)超過閾值，則認(rèn)為知識(shí)正確，倘若校驗(yàn)次數(shù)不及閾值，則比較知識(shí)來源的權(quán)威性，新增知識(shí)權(quán)威性較高則插入，反之則丟棄，否則比較模型識(shí)別的置信度，新知識(shí)置信度較高則插入知識(shí)，隨后更新Q、T指數(shù)，如圖6所示。

圖6 知識(shí)驗(yàn)證流程圖

本文通過上述步驟自動(dòng)構(gòu)建知識(shí)圖譜，并將部分結(jié)果做可視化處理，結(jié)果如圖7所示，通過認(rèn)證次數(shù)確定知識(shí)節(jié)點(diǎn)的符號(hào)大小，不同節(jié)點(diǎn)顏色表示不同類別的知識(shí)節(jié)點(diǎn)，知識(shí)節(jié)點(diǎn)的名稱通過文本顯示。

圖7 部分知識(shí)圖譜可視化

4 結(jié)語

當(dāng)前海量生態(tài)環(huán)境文獻(xiàn)文本中蘊(yùn)含了豐富的非結(jié)構(gòu)化領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，這些數(shù)據(jù)可被用于構(gòu)建知識(shí)圖譜。本文提出了一種生態(tài)環(huán)境文獻(xiàn)文本驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建方法。該方法以生態(tài)環(huán)境類期刊文獻(xiàn)文本為數(shù)據(jù)源，通過構(gòu)建生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)模型，標(biāo)注生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域語料庫，并基于深度學(xué)習(xí)方法抽取生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域信息，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜的自動(dòng)化構(gòu)建。

1）本文共獲取5 000余篇生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域文獻(xiàn)，共計(jì)2 000萬余字，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法抽取保留了重要性指數(shù)前1 000的詞組和關(guān)系，再從抽取結(jié)果中總結(jié)歸納構(gòu)建生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層。

2）從領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層出發(fā)，分析了標(biāo)注過程的需求，自主開發(fā)了語義標(biāo)注工具，并利用該工具識(shí)別語料40萬字，完成了2.2萬條實(shí)體與1.1萬條關(guān)系的語義標(biāo)注工作。

3）本文進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域信息抽取算法的訓(xùn)練與調(diào)優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BERT-BiLSTM-CRF模 型 在BatchSize(4)、Learningrate（3e-5）時(shí)效 果 較好、效率較高，抽取總體精度為89.09%，召回率為88.60%，F(xiàn)1值為88.85；Transformer模型在Batch-Size（16）、Learningrate（1e-4）時(shí)效果最好，抽取總體精度為96.27%，召回率為97.33%，F(xiàn)1值為96.80%。抽取數(shù)據(jù)經(jīng)過本文提出的知識(shí)驗(yàn)證算法篩選后存儲(chǔ)到知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)庫中，最終得到29 490條知識(shí)三元組。

本文還可在以下兩個(gè)方面進(jìn)一步開展工作：①語義標(biāo)注時(shí)，在選取文本契合度方面可進(jìn)一步利用專家知識(shí)，并研究提高標(biāo)注效率的方法；②本文使用的實(shí)體提取和關(guān)系提取模型仍為通用模型，可進(jìn)一步對(duì)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嶓w提取和關(guān)系提取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。