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基于本体的农业知识建模研究

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  摘要:针对农业领域存在的知识表示、共享、重用等问题,将本体理念与技术引入农业领域。介绍了本体论的有关概念和理论,在关于本体已有研究的基础上,提出了构建农业领域本体的基本原则、流程和方法。最后,以枸杞病虫害知识为例构建了领域本体,可为促进枸杞病虫害综合防治的知识共享及重用提供参考。


  关键词:农业本体;知识建模;知识管理;农业信息化


  中图分类号:TP301


  文献标识码:A文章编号:1672-7800(2016)012-0065-03


  0引言


  随着信息技术的飞速发展,信息量不断增加,如何合理描述、表达、组织和管理海量无序的知识资源,并有效进行知识共享和服务是知识管理领域迫切需要解决的问题。本体(Ontology)作为共享概念模型的明确的形式化规范说明,为知识和概念提供了一个科学的组织方法。由于本体的支持,知识服务如搜索、积累和组织等效率得到极大提高,同时知识的发现、重用和共享变成现实。作为农业信息化的基础,农业领域知识是一种可以大幅度提高农业劳动力和生产效率的生产要素。因此,研究农业领域的本体知识建模,构建面向本体的农业知识库,完善农业知识服务体系,是推动农业信息化合理发展的必要措施。


  为加强农民和农技人员对农作物病虫害认识,有效指导病虫害的防治工作,农作物病虫害知识和信息的表示与共享技术显得尤为重要。目前已有的农作物病虫害知识表示方法有:基于模糊推理的知识表示方法[1]、基于产生式规则表示知识[2]和基于案例推理的知识提取方法[3]等。这些传统方法构建的知识库不仅具有很强的领域特性,而且在知识获得、表达、共享和重用等方面都存在不足。随着本体论研究在农业信息管理领域的渗透,农业病虫害本体的研究不断深入,如水稻病虫草害本体[4]、蔬菜病虫害知识库[5]、柑橘病虫害本体[6]、玉米病虫害[7]等,但大多数相关研究都存在领域的局限性。本文借助本体理论的思想,运用本体方法组织知识,选择枸杞病害和虫害作为研究对象,构建结构良好的枸杞病虫害领域本体库,为枸杞病虫害知识服务提供支持。


  1本体与农业本体


  本体论原是哲学领域中为研究存在而发展出来的一个概念,现在被用于信息科学中,其概念和内涵也随之改变和不断完善。在信息科学领域中本体论是一种利用计算机语言和模型来进行领域知识表示和组织,结合信息技术进行知识管理、共享和服务的科学方法论。本体是通过领域专家的积极参与和通力协作而构建的领域概念、关系和公理体系的集合,以计算机能理解的语言和形式描述、表示和组织知识,促进知识重用、知识共享和知识服务[8]。农业本体是农业学科领域内概念、概念与概念间的相互关系以机器能理解的形式化语言表示和组织农业知识和模型。农业本体给农业领域提供了统一的术语和概念,使得农业知识高效可靠地获取、共享和服务成为可能。随着本体论研究在农业领域的渗透,本体在农业知识库构建、知识共享服务及智能检索等方面具有良好的应用前景。


  2本体构建


  2.1本体模型


  本体在结构上包含5个基本建模原语:概念、关系、函数、公理和实例。概念通常也被称为类,指任何事物,表示领域中具有相同属性的对象的名词集合,是知识领域内的标准与规范,为知识的共建共享提供了基础,概念以层次关系加以组织;关系描述概念相互之间的交互关系,如继承关系、整体与部分的关系等;函数是一种特殊的关系;公理采取特定逻辑形式的断言(包括规则在内),表示任何情况下都正确的描述;实例代表元素,也就是概念中的具体例子,是整个本体的基础对象。本体是知识概念化的显式规范说明,它将知识以一种明确的、形式化的方式表示出来。本体可以表示为一个五元组O=(V,C,R,A,X),其中,V表示论域中的术语集,C表示概念集,R表示概念间的层次关系,具有自反性、无环性、有向性和传递性,A表示概念和关系的属性值集合,X表示公理集,是对概念和关系属性值的约束。


  2.2本体构建原则


  本体是一种先进的信息资源知识组织方法,本体构建是一项复杂的系统工程,目前没有统一的本体构建方法和规则,Gruber提出本体构建的5个原则,即本体的定义具备清晰性、完整性、一致性、最大单向可扩展性和最小编码相关性[9]。对于领域本体的构建,还应遵循以下4个原则:标准化建设原则、本体复用原则、协作原则和评建结合的原则。其中,标准化可以提高本体的共享性、防止和避免信息应用相互脱节;本体复用采用多层次继承方法,减少和避免本体的重复定义;协作原则要求众多领域专家、知识工程师和IT人员协作参本体构建;评建结合原则要求在本体构建过程中检验本体是否完整,是否满足用户的实际需求,需要不断接受评估和提高。


  2.3本体构建方法和流程


  随着本体在各领域的广泛应用,出现了多种本体构建方法,国内外比较有影响的本体构建方法有骨架法、IDEF5法、TOVE法、METHONTOLOGY法、XHEMICALS方法、SENSUS方法及七步法等[6,10]。本文借鉴本体构建相关方法,依据农业领域知识的特点,确定了农业领域本体构建的方法,其流程如图1所示,具体思路如下:①构建本体之前,进行需求分析,确定领域本体框架,明确领域本体的应用目标和范畴;②通过专业相关书籍、文献资料、权威网站信息等途径获取领域知识,结合农业领域专家建议,对领域知识进行分析、整理和归纳,得到所需领域的概念和关系;③对领域知识充分了解的基础上,结合需求分析,将领域中的主要概念和关系列举出来,在农业领域专家指导下,确定领域的核心概念和关系;④基于前面划分的概念层次结构,使用本体构建工具对类、属性和实例等本体元素进行编码及形式化定义,实施本体构建;⑤本体建立后,领域内概念的定义是否清楚,关系是否明确,需要运用推理工具自动判断和检验,并对有逻辑错误的地方进行修改,以满足用户的实际需求;⑥本体创建是一个反复迭代的过程,需要不断优化和完善,以便更好地适应实际使用。3枸杞病虫害本体构建实现


  3.1应用背景分析


  枸杞病虫害本体是利用计算机语言规范枸杞病虫害的相关概念、概念间的关系,形成对枸杞病虫害知识组织结构的共同理解,为进一步建立枸杞病虫害语义Web,开展枸杞病虫害知识服务奠定基础。在枸杞病虫害本体的支持下,对枸杞病虫害知识的获取、搜索和使用等相关服务的效率大为改善,实现真正意义上的知识重用和共享。


  3.2知识及获取


  在学习了很多相关枸杞病虫害书籍和大量文献资料的基础上,结合枸杞病虫害领域专家建议,以宁夏地区常见的枸杞蚜虫、枸杞红瘿蚊、枸杞瘿螨等51种枸杞害虫和根腐病、炭疽病、白粉病等15种枸杞病害为研究对象,对枸杞病虫害领域知识进行分析、整理和归纳得出核心概念集合。


  3.3本体知识建模


  由于枸杞病虫害领域复杂的领域间关系,在本体构建过程中以枸杞为核心,综合考虑与其相关的枸杞病害类型、枸杞虫害、虫害体征、症状、危害部位、发生发展规律、病原、防治方法等要素,通过描述其领域中的类(概念)、属性关系和实例(个体),构建完整的枸杞病虫害本体。


  3.3.1本体类结构及层次模型建立


  构建本体类层次结构模型是构建领域本体过程中非常重要的任务。首先将枸杞病虫害本体分为5个一级类,分别是枸杞病害(Disease)、枸杞虫害(Pets)、危害部位(Part)、危害症状(Symptom)和防治方法(Prevention)。然后依据枸杞病虫害的知识体系结构内容,对概念作进一步细分。在Protégé环境中,将下位概念逐一添加到一级子类中,形成如图2所示的本体类层次结构。


  3.3.2本体属性关系定义


  定义本体属性是确定一个类内部以及类之间关系的过程,通过定义本体属性来建立概念间的关系是实现知识推理的基础。属性描述的是一个二元关系,Protégé中提供了3种类型的属性关系,即对象属性(Objectproperties)描述的是两个概念的实例间的关系,数据属性(Dataproperties)指某个类属于某一个数据类型,注释性属性(AnnotationProperties)是对概念属性的注释。在Protégé中定义属性时除了包括属性名称、描述信息、数据类型的定义外,还要确定定义域、值域、顶级属性、子属性、逆属性等约束信息。


  通过分析整理,枸杞病虫害领域本体中所定义的主要对象属性如表1所示。比如,对象属性cause,定义域为枸杞病害,值域为病因,表示枸杞叶片病害由某病因引起,而病因是枸杞疾病的根源,因此它们之间的关系是caused-by,这就是逆属性关系。类似的方法可以定义数据属性和注释性属性。使用Addsubproperty即可构建子属性,形成树状层次结构。


  3.3.3本体实例添加


  本体属性关系确定之后,就要进一步为类添加实例。类是实例的抽象归类和表示,实例是类的具体表现,一个类可以赋予多个实例,形成实例集。每个实例继承类中的特性,用属性值描述实例的特征。如“枸杞虫害”类中包含了很多害虫的实例,对于其中的“蝽类”就包含了7种虫害。在Protégé中选择individuals选项可以在相应的类中添加实例,同时为实例添加相关的属性及属性值。例如在类“蛾类”中添加枸杞蛀果蛾、枸杞卷梢蛾、枸杞鞘蛾、枸杞绢蛾和枸杞黑绢蛾5个具体实例,在每个具体的实例中可以添加它的属性内容。


  3.3.4枸杞病虫害本体知识库


  根据上述构建步骤,将枸杞病虫害作为研究对象,以诊断和防治为研究目标,抽取领域中的重要概念、属性及实例,构建了一个体系完善的枸杞病虫害本体库。构建好的枸杞病虫害本体的类结构如图3所示,共计37个本体


  类,基本涵盖了实际生产中主要的枸杞病虫害种类。本体中有7个数据属性和12个一级对象属性用于描述枸杞病虫害的基本信息,还包括51个害虫实例,15个病害的实例和其它本体类的实例。


  4结语


  本体以科学知识组织的方式实现了知识间逻辑关系的形式化定义。本文在农业本体模型形式化定义、构建原则、构建流程和方法分析的基础上,以枸杞病虫害领域的相关知识为例,运用本体开发工具建立了枸杞病虫害知识本体,构建了枸杞病虫害知识库,为促进枸杞病虫害防治知识应用和共享奠定了基础,为下一步利用知识库进行本体检索和推理等提供了参考,同时为其它领域本体构建提供了借鉴。作者: 李贯峰,本文来自《农业知识》杂志

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