孫立志,徐洪秀(天津市測繪院,天津 300381)

基于Oracle 11g語義技術(shù)的測繪學(xué)科分類本體庫構(gòu)建

孫立志?,徐洪秀
(天津市測繪院,天津 300381)

摘 要:通過對中國圖書館分類法和中國科學(xué)院圖書館圖書分類法及測繪學(xué)敘詞表等相關(guān)資料的分析,確定本體中的類和定義類的語義關(guān)系,基于Protégé工具構(gòu)建測繪學(xué)科信息公共本體、測繪學(xué)科分類—中圖法本體及測繪學(xué)科分類—科圖法本體,在構(gòu)建的本體基礎(chǔ)上基于Oracle 11g語義技術(shù)構(gòu)建測繪學(xué)科分類本體庫,為進(jìn)一步語義檢索提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:本體；測繪學(xué)科分類本體庫；Protégé；Oracle 11g語義技術(shù)

1　引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了人們信息交流和知識(shí)共享的基礎(chǔ)平臺(tái)。測繪學(xué)作為一門古老的學(xué)科,它主要研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用,其研究的范圍非常廣,相應(yīng)的圖書館中的書籍范圍也很廣,內(nèi)容也很多。在測繪圖書資料的檢索中加入語義技術(shù),可以通過使用本體來提升計(jì)算機(jī)的理解數(shù)據(jù)的能力,從詞語所表達(dá)的語義層上來認(rèn)識(shí)和處理用戶的檢索請求,從而可以提高圖書資料檢索的查準(zhǔn)性和檢全性[1]。本體作為語義技術(shù)的基礎(chǔ),其對信息形式化的表達(dá)可以提高信息檢索的性能,因此本體庫的構(gòu)建成為語義研究的基礎(chǔ)。本體庫構(gòu)建的是否恰當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對語義檢索起到?jīng)Q定的作用[2]。

隨著語義網(wǎng)的發(fā)展,眾多公司加入到語義技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中,出現(xiàn)了一批語義產(chǎn)品。在語義網(wǎng)的眾多語義產(chǎn)品中,Oracle 11g語義技術(shù)引入了業(yè)內(nèi)第一個(gè)開放式、可伸縮且安全可靠的語義數(shù)據(jù)管理平臺(tái)[3]。TopQuadrant公司的TopBraid語義產(chǎn)品已經(jīng)與Oracle數(shù)據(jù)庫11g語義技術(shù)集成[4]。Oracle Spatial 11g作為Oracle Database 11g企業(yè)版的一部分,引入了一種高效的語義數(shù)據(jù)管理技術(shù),而這種技術(shù)在任何其他的商業(yè)或者開源的三元存儲(chǔ)領(lǐng)域都是最先進(jìn)的[5]。

2　Oracle 11g語義技術(shù)

2007年7月Oracle 11g版本正式發(fā)布,基于圖標(biāo)數(shù)據(jù)模型,可像操作其他對象關(guān)系數(shù)據(jù)類型一樣對RDF三元組進(jìn)行保存、索引及查詢。在繼承了10g版本中對RDF(Resource Description Framework,資源描述框架)語義支持的同時(shí),進(jìn)一步擴(kuò)展了其對RDFS (RDF Schema)、OWL等W3C標(biāo)準(zhǔn)的支持。其特征包括對RDF/ OWL數(shù)據(jù)和本體的支持,高效執(zhí)行大數(shù)據(jù)加載,基于OWL、RDFS和用戶定義規(guī)則的進(jìn)行推理,通過SQL用SPARQL語義圖模式對RDF/ OWL進(jìn)行查詢,支持虛擬模型,通過Jena Adapter對Java API和SPARQL的支持,用本體輔助通過SQL操作對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,提高查詢、加載和推理的工作性能,能夠處理超過10億的元組等特征。2009年9月Oracle公司發(fā)布了期待已久的Oracle 11g Release2,對于Oracle數(shù)據(jù)庫語義技術(shù)有了新的突破。在Oracle Spatial 11g Release2中語義數(shù)據(jù)庫有了新的特征,包括用虛擬私人數(shù)據(jù)庫來提供元組文字安全和標(biāo)簽安全的支持,基于流行自然語言工具為文檔建立語義索引,用一個(gè)RDF圖將管理變成表達(dá)元組,并行增加推理和優(yōu)化owl:sameAs,OWL 2 RL/ RDF規(guī)則支持,SPARQL過濾器及Union語句等特征[6]。

2．1Oracle 11g語義技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

Oracle數(shù)據(jù)庫11g語義技術(shù)使企業(yè)數(shù)據(jù)更靈活,其對語義數(shù)據(jù)模型的管理帶來了超越基于文件或特殊的語義數(shù)據(jù)管理方法,其優(yōu)勢如下[7,8]:

(1)成本低廉:所有語義應(yīng)用程序都可以與其他應(yīng)用程序組合并將其部署到企業(yè)級數(shù)據(jù)庫中,這樣會(huì)降低用戶使用成本;Oracle支持SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務(wù)的體系架構(gòu)),從而使用戶在進(jìn)行web開發(fā)時(shí)不需要安裝和維護(hù)桌面客戶端軟件,也不用將語義數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理在企業(yè)級數(shù)據(jù)庫外分開。

(2)風(fēng)險(xiǎn)較低:用戶可以選擇在任何服務(wù)器平臺(tái)上部署應(yīng)用程序,并使用已有的資源來管理已部署的應(yīng)用程序。由于RDF和OWL模型以及其他類型的數(shù)據(jù)可以通過Oracle 11g語義技術(shù)直接集成到Oracle數(shù)據(jù)庫企業(yè)級管理系統(tǒng),所以可以提高應(yīng)用的綜合性能、可擴(kuò)展性能及安全性能。

(3)回報(bào)較高:用戶可以通過Oracle 11g的RAC技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大數(shù)量的用戶對應(yīng)用程序的訪問,而只需通過互聯(lián)網(wǎng)不用增加任何的組織費(fèi)用。

(4)性能較好:Oracle 11g數(shù)據(jù)庫具備了數(shù)據(jù)庫行業(yè)領(lǐng)先的安全性能和可擴(kuò)展性能,Oracle Spatial 11g作為Oracle 11g企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的一部分,對于關(guān)鍵任務(wù)的語義數(shù)據(jù)模型也具備這樣的性能,其能夠管理TB級的RDF數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集的服務(wù)群體范圍從幾萬到數(shù)萬用戶。

(5)開放式結(jié)構(gòu):一些主流語義軟件工具供應(yīng)商已經(jīng)宣布對Oracle 11g數(shù)據(jù)庫的RDF/ OWL數(shù)據(jù)模型的支持,其中包括TopBraid公司[9]。此外,許多主流開源工具提供了與Oracle 11g語義技術(shù)集成的插件支持。

2．2Oracle 11g語義技術(shù)功能

Oracle數(shù)據(jù)庫語義技術(shù)作為Oracle Spatial 11g的一部分,基于RDF/ RDFS/ OWL/ SKOS標(biāo)準(zhǔn),將語義數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)引領(lǐng)到一個(gè)開放式、可伸縮的、安全可靠、高效率的對RDF和OWL數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用平臺(tái)。圖1描述了Oracle 11g的語義功能。這些語義數(shù)據(jù)庫能夠?qū)DF/ OWL數(shù)據(jù)和本體提供存儲(chǔ)、加載并且數(shù)據(jù)操作語言DML ( Data Manipulation Language),用RDFS、OWL,SKOS和用戶定義的規(guī)則進(jìn)行推理,通過SQL用SPARQL圖方式對RDF/ OWL及本體進(jìn)行查詢,并且可以用本體輔助查詢企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)[10,11]。

圖1　Oracle 11g語義功能

3　測繪學(xué)科信息公共及分類本體的構(gòu)建

通過咨詢武漢大學(xué)圖書館專家得出本體構(gòu)建所依據(jù)的參考資料,對資料進(jìn)行分析,在基于Protégé工具生成本體。

3．1本體領(lǐng)域的參考資料

中國圖書館分類法,1999年由北京圖書館出版社出版第4版,共分為5個(gè)基本部類,下分22個(gè)大類,標(biāo)記采用漢語拼音字母與阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的混合制號(hào)碼,嚴(yán)格按小數(shù)制方式排列。中國圖書館分類法通行中國內(nèi)地圖書館,幾乎全部的中學(xué)、小學(xué)、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)以及出版社都是用中國圖書館分類法。武漢大學(xué)圖書館也逐步將正在使用的其他分類方法逐步統(tǒng)一到中國圖書館分類法。本文中將此分類法簡稱為中圖法。中國科學(xué)院圖書館圖書分類法,1958年由中國科學(xué)院圖書館編寫,共分5大部25大類,標(biāo)記采用阿拉伯?dāng)?shù)字,號(hào)碼分兩部分:大類及其主要類目采用00-99的順序數(shù)字,細(xì)分類采用小數(shù)制。目前,武漢大學(xué)圖書館部分子圖書館還采用的是中國科學(xué)院圖書館圖書分類的方法進(jìn)行對圖書的劃分。本文中將此分類法簡稱為科圖法。

測繪學(xué)科敘詞表是2000年,全國測繪科技信息網(wǎng)在國家測繪局及總參測繪局的支持下,組織中國測繪科學(xué)研究院、原武漢測繪科技大學(xué)等單位的有關(guān)專家、學(xué)者編制的敘詞型檢索語言工具。該敘詞表由字順表、等級索引表、范疇分類索引表及英漢索引表四部分組成,共收錄敘詞三千余條。

3．2分析領(lǐng)域資料并基于Protégé工具生成本體

測繪學(xué)科信息公共本體以中圖法和測繪敘詞表為參考資料,測繪學(xué)科分類—中圖法本體以中圖法為參考資料,測繪學(xué)科分類—科圖法本體以科圖法為參考資料。三種本體的類分別來自于相應(yīng)分類法中的學(xué)科概念,本體的層次關(guān)系來自于相應(yīng)分類法中的概念層次關(guān)系。由于中圖法和科圖法范圍很大,本文中只選取測繪學(xué)科的部分進(jìn)行研究。

分析相關(guān)資料并咨詢圖書館專家可以得出,每種分類法概念存在著明顯的包含關(guān)系,例如:P2測繪學(xué)包含P23攝影測量與遙感;兩種分類法概念之間存在著映射關(guān)系,例如:中圖法中的P2測繪學(xué)和科圖法中的56．1測繪學(xué)存在著映射關(guān)系;在測繪學(xué)科內(nèi),學(xué)科之間也存在著各種聯(lián)系,例如:P23攝影測量與遙感與P207測量誤差與測量平差存在著聯(lián)系;通過對中圖法和科圖法分析可知,分類號(hào)是學(xué)科概念的唯一標(biāo)識(shí),可將分類號(hào)作為概念的屬性分別添加到三個(gè)本體中;敘詞對用戶搜索起到一定的指導(dǎo)作用,可以將敘詞按照學(xué)科類別添加到測繪學(xué)科信息公共本體中;敘詞的英文翻譯對用戶搜索時(shí)輸入英文關(guān)鍵字起到作用,可以將敘詞的英文翻譯按照學(xué)科類別添加到測繪學(xué)科信息公共本體中;作者和出版社信息對于語義檢索起到一定的作用,可以通過從圖書數(shù)據(jù)中抽取,推薦給用戶使用,可以將抽取得到的信息按照學(xué)科類別添加到測繪學(xué)科信息公共本體中。

本文本體的描述語言為OWL語言,所以用Protégé工具建立本體最重要的是建立好以下三部分: Individuals、Properties及Classes[12]。Individuals,個(gè)體,代表一個(gè)領(lǐng)域里面的對象,可以理解成一個(gè)類的實(shí)例(instances of classes)。在測繪學(xué)科信息公共本體中,將敘詞表作為所屬學(xué)科的實(shí)例添加到本體中,例如將“中誤差”作為“測量誤差與測量平差”學(xué)科的一個(gè)實(shí)例添加到本體中。Properties,屬性,其真正含義不和面向?qū)ο缶幊陶Z言中的屬性一樣,它的真正含義是2個(gè)個(gè)體之間的雙重聯(lián)系,例如“攝影測量與遙感”與“地理信息系統(tǒng)”學(xué)科間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以用have_relate _to表示。Classes,個(gè)體的集合,它是一系列概念的語義表達(dá),和編程語言中的類非常相似,有繼承體系,每一個(gè)學(xué)科在本體中為一個(gè)類,學(xué)科間的包含關(guān)系以“子類”表示[13],例如攝影測量與遙感為測繪學(xué)的子類。圖2為在protégé工具中生成的測繪學(xué)科分類—中圖法本體結(jié)果,從圖中左邊紅框區(qū)域可以看出本體的層次結(jié)構(gòu),其中選擇舉例的為“攝影測量學(xué)與測繪遙感”類,右面分別顯示了該類的label屬性,即中圖法分類號(hào);SuperClasses為它的父概念,此處為“測繪學(xué)”;Disjoint classes為它的兄弟概念,表示同一層次上沒有任何關(guān)系的類。

圖2　測繪學(xué)科分類—中圖法本體

圖3　測繪學(xué)科分類—中圖法本體層次結(jié)構(gòu)圖顯示

圖3給出了基于Protégé OWLViz插件顯示的論文中所建立的測繪學(xué)科分類—中圖法的類的層次結(jié)構(gòu)顯示,左邊區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)本體的效果顯示,但由于界面截圖大小的限制,將其縮小到可以在一個(gè)頁面進(jìn)行截圖,然后對某個(gè)小區(qū)域進(jìn)行放大得到右面的清晰結(jié)構(gòu)。其中右面的放大區(qū)域是左面的類層次結(jié)構(gòu)的一部分,即為紅框框住區(qū)域的放大顯示。

4　基于Oracle 11g語義技術(shù)構(gòu)建測繪學(xué)科分類本體庫

一個(gè)語義庫只有一個(gè)語義數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),但一個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)語義模型,每個(gè)語義模型又對應(yīng)著一個(gè)語義表,本文將構(gòu)建支持測繪圖書檢索的語義網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包括測繪學(xué)科信息公共本體(scopea)、測繪學(xué)科分類—中圖法本體(CLCA)及測繪學(xué)科分類—科圖法本體(ZLCA)模型。語義模型的構(gòu)建過程可分為創(chuàng)建存儲(chǔ)RDF數(shù)據(jù)的模型、數(shù)據(jù)規(guī)范化和將語義數(shù)據(jù)載入模型三個(gè)步驟。下面將以測繪學(xué)科分類本體(CLCA)為例子來對構(gòu)建模型的過程進(jìn)行描述。

4．1創(chuàng)建存儲(chǔ)RDF數(shù)據(jù)的模型

創(chuàng)建存儲(chǔ)RDF數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)架構(gòu)和模型,具體步驟為:①創(chuàng)建表空間,用以存儲(chǔ)語義網(wǎng)支持;

②創(chuàng)建語義數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò):SEM_APIS．CREATE_SEM_ NETWORK(tablespace_name),其中表空間名與上步驟創(chuàng)建的表空間匹配;

③創(chuàng)建表空間用于存儲(chǔ)用戶對象,創(chuàng)建臨時(shí)表空間用于存儲(chǔ)用戶臨時(shí)操作;

④創(chuàng)建用戶seruser/ seruser,并授予用戶必要的權(quán)限(create session,resource);

⑤以上一步驟創(chuàng)建的用戶連接數(shù)據(jù)庫,創(chuàng)建語義數(shù)據(jù)表service_rdf_CLC_data,用以存儲(chǔ)CLCA語義模型中的三元組數(shù)據(jù);表包括兩個(gè)字段:id number,triple sdo_rdf_triple_s;

⑥創(chuàng)建語義模型:sem _apis．create _sem _model (model _name,table _name,column _name,model _tablespace);其中model _ name即為模型名,此處為CLCA。table_name為語義數(shù)據(jù)表名稱,為上一步驟創(chuàng)建的語義數(shù)據(jù)表,column_name為表中的列名,此處為triple。

⑦重復(fù)⑤和⑥的操作分別創(chuàng)建語義數(shù)據(jù)表ZLCA_ TPL和語義模型ZLCA。

⑧重復(fù)⑤和⑥的操作分別創(chuàng)建語義數(shù)據(jù)表SCOPEA_TPL和語義模型scopea。

4．2將Protégé生成的OWL數(shù)據(jù)規(guī)范化并載入模型

采用Jena插件將基于Protégé生成的OWL數(shù)據(jù)表示成為N-Triple類型的數(shù)據(jù)。然后將語義數(shù)據(jù)載入到語義模型,在該本體導(dǎo)入語義庫時(shí),采用Oracle 11g提供的Bulk load方法導(dǎo)入。具體步驟為:

①將Jena包解壓到本地,然后設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境變量。

②Protégé建立本體后的表現(xiàn)形式為owl數(shù)據(jù),要將其轉(zhuǎn)換為三元組形式。在進(jìn)入DOS環(huán)境執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換命令,命令為rdfcopy {source}＞{ target}, source為要轉(zhuǎn)的owl數(shù)據(jù)的絕對路徑,target為轉(zhuǎn)換成三元組形式的數(shù)據(jù)的絕對路徑。

③以上面創(chuàng)建語義模型步驟中創(chuàng)建的用戶來連接數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建臨時(shí)表Staging table,包括的字段為RDF $ STC_sub RDF $ STC_pred RDF $ STC_obj RDF $ STC _sub_ext RDF $ STC_pred_ext RDF $ STC_obj_ext RDF $ STC_canon_ext;

④授予mdsys對語義數(shù)據(jù)表service_rdf_CLC_data的插入權(quán)限,此外,授予mdsys對stable表的選擇、更新權(quán)限;

⑤用sqlloader將n-triple數(shù)據(jù)載入到臨時(shí)表中,進(jìn)入DOS環(huán)境執(zhí)行相應(yīng)的命令,命令為sqlldr userid= seruser/ seruser control=E: df_demosulkload．ctl data =e:all．nt direct =true skip =0 load =1000000 discardmax=0 bad=d0．bad discard =d0．rej log =d0．log errors =10000000;其中userid即為創(chuàng)建語義模型的用戶名及密碼,data為要載入到語義模型中的三元組數(shù)據(jù)。

⑥將數(shù)據(jù)從臨時(shí)表載入到語義模型。用SEM_APIS．BULK_LOAD_FROM_STAGING_TABLE(model_ name,table_owner,table_name);,其中model_name即為語義模型名稱,table_owner為創(chuàng)建語義數(shù)據(jù)表的用戶,table_name為語義數(shù)據(jù)表的名稱。

⑦重復(fù)②～⑥步驟,將測繪學(xué)科分類—科圖法本體數(shù)據(jù)規(guī)范化并載入到語義數(shù)據(jù)模型中。

⑧重復(fù)②～⑥步驟,將測繪學(xué)科信息公共本體數(shù)據(jù)規(guī)范化并載入到語義數(shù)據(jù)模型中。

4．3顯示構(gòu)建成果

采用上述方法,論文中共構(gòu)建3個(gè)語義網(wǎng)模型scopea、CLCA、ZLCA,分別是測繪學(xué)科信息公共本體、測繪學(xué)科分類—中圖法本體、測繪學(xué)科分類—科圖法本體。已創(chuàng)建的測繪學(xué)科本體庫結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只能構(gòu)建一個(gè)語義網(wǎng),這里Sem_Net-Work表示已構(gòu)建的支持測繪圖書檢索的語義網(wǎng)。語義網(wǎng)里有三個(gè)語義網(wǎng)模型,每個(gè)語義網(wǎng)模型對應(yīng)著一個(gè)語義數(shù)據(jù)表。scopea模型對應(yīng)著SCOPEA_TPL語義數(shù)據(jù)表,SCOPEA_NS為命名空間表。CLCA模型對應(yīng)著SERVICE_RDF_CLCA_DATA語義數(shù)據(jù)表,CLCA _NS為命名空間表。ZLCA模型對應(yīng)著ZLCA_TPL語義數(shù)據(jù)表,ZLCA_NS為命名空間表。

圖4　測繪學(xué)科本體庫構(gòu)建示意圖

5　結(jié) 語

本文通過對測繪學(xué)科分類領(lǐng)域資料的分析,介紹測繪學(xué)科本體庫的構(gòu)建方法,并在此基礎(chǔ)上基于Oracle 11g語義技術(shù)構(gòu)建測繪學(xué)科本體庫,為測繪圖書語義檢索研究提供基礎(chǔ),且該本體庫的構(gòu)建方法可以為其他方面構(gòu)建本體庫提供參考借鑒。

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The Construction of Surveying and Mapping Science Classification Ontology Based on Oracle 11g Semantic Technology

Sun Lizhi,Xu Hongxiu
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

Abstract:Through the analysis of China Library Classification and Classification China Academy Library and the surveying and mapping science thesaurus and other related information,determine the ontology classes and define the semantic relations of ontology classes,build surveying and mapping science information public ontology,surveying and mapping science classification- China Library Classification ontology,surveying and mapping science classification- Classification China Academy Library ontology based on the Protégétools,build surveying and mapping science classification ontology used the construction ontologybased on oracle 11g semantic technology,which provides the basis for further semantic retrieval．

Key words:ontology;surveying and mapping science classification ontology ; protégé;oracle 11g semantic technology

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-11-05中圖分類號(hào):P20,P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—05—13

作者簡介:孫立志(1986—),男,工程師,碩士,主要從事WebGIS開發(fā)等技術(shù)工作。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40971243)