蘇玉寧， 姜　藝， 陳賀勝， 朱俊武

(1.揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000； 2.揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009； 3.揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225002)

本體(ontology)的概念起源于哲學(xué)領(lǐng)域[1]，20世紀(jì)90年代以來，本體的概念被逐步引入人工智能、圖書情報(bào)和知識(shí)工程等領(lǐng)域。由于本體通過對(duì)詞語的嚴(yán)格定義和詞之間的關(guān)系來確定詞匯的精確含義，因此用本體建立的詞匯模型可以讓機(jī)器理解Web頁面的語義，可以解決語義層次上Web信息共享和交換，因此在語義Web中，本體具有非常重要的地位。在農(nóng)業(yè)信息檢索領(lǐng)域中，由于本體可用以解決知識(shí)概念表示和知識(shí)組織體系方面的問題，因此本體概念引起了農(nóng)學(xué)界專家的高度關(guān)注。在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建成一些很成熟的領(lǐng)域本體并使其得到了實(shí)際應(yīng)用。為加快這方面的工作，我國在“十一五”計(jì)劃中，將開展以網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)信息資源組織為主的農(nóng)業(yè)本體構(gòu)建技術(shù)研究列入其中。因此，農(nóng)業(yè)本體研究是響應(yīng)國家號(hào)召，大力發(fā)展和提高我國農(nóng)業(yè)技術(shù)和服務(wù)水平的重要措施。

1　農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵詞語的獲得

1.1　關(guān)鍵詞語的來源

要建立一個(gè)農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫(或知識(shí)庫)，這樣做的目的是為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息知識(shí)Web頁面自由檢索。領(lǐng)域本體庫必須描述關(guān)鍵概念以及概念與概念之間的關(guān)系。因此，建立領(lǐng)域本體庫的首要工作是列舉出農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域中的所有關(guān)鍵概念。農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)十分龐大，為保證建立的本體庫在檢索時(shí)的查全率與查準(zhǔn)率比較理想，領(lǐng)域本體創(chuàng)建就要盡量包括本領(lǐng)域中盡可能多地概念，盡可能多的把本領(lǐng)域中一些重要概念都包括進(jìn)去，只有這樣才能建立起一個(gè)實(shí)際可用的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫。因此，本體概念的選擇至關(guān)重要。為了使本研究選擇的概念具有代表性、說服力，本研究采用的關(guān)鍵詞語均來自網(wǎng)絡(luò)中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫，這是由于科技期刊中的論文大多數(shù)為本領(lǐng)域?qū)＜业难芯砍晒麄儗?duì)本領(lǐng)域的概念比較熟悉和了解，也是本領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語的解釋者和本領(lǐng)域未來發(fā)展局勢(shì)的判定者。關(guān)鍵詞語是在中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫中檢索從1989年至2015年收錄在農(nóng)學(xué)學(xué)科，題名或關(guān)鍵字中包含油菜的論文題目。數(shù)據(jù)庫顯示共有符合條件的19 721條記錄結(jié)果，本研究摘錄論文題目中包含油菜的共11 242條記錄，作為建立農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫的分詞對(duì)象。論文題目檢索部分結(jié)果如表1所示。

選擇油菜作為檢索條件是因?yàn)楦鶕?jù)骨架法構(gòu)建本體的流程[2-3]，首先要確定本體應(yīng)用的目的和范圍。因?yàn)閯?chuàng)建本體的大小和研究領(lǐng)域的大小呈正相關(guān)關(guān)系，以期建立的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體模型的目標(biāo)大小是1萬～2萬個(gè)論文題目作為研究范圍，油菜作為關(guān)鍵檢索詞剛好滿足要求。

表1　論文題目檢索結(jié)果(部分)

1.2　關(guān)鍵詞語的處理

建立本體庫的目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上信息資源自由共享和檢索，而要實(shí)現(xiàn)這樣的目的，首先要讓機(jī)器理解人類的自然語言，只有機(jī)器理解了人類的自然語言和文字，才能使人與機(jī)器的交流成為可能。在人類的自然語言中，詞是最小的能夠獨(dú)立活動(dòng)的有意義的語言成分[4]，所以對(duì)于中文來講，將詞確定下來是理解人類自然語言的第1步。在英文的行文中，單詞之間是以空格作為自然分界符的，而中文只有句和段可以通過明顯的分界符來劃界，能夠獨(dú)立表達(dá)意義的詞沒有一個(gè)形式上的分界符。在計(jì)算機(jī)檢索中常常說到中文比英文要復(fù)雜得多、困難得多，究其根本原因就是中文要通過分詞這道難關(guān)，只有攻破了這道難關(guān)，才有望趕上并超過英文在信息領(lǐng)域的發(fā)展水平，所以中文分詞意義重大。

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制的的漢語詞法分析系統(tǒng)(institute of computing technology，Chinese lexical analysis system，簡稱ICTCLAS)[5]可以進(jìn)行中文分詞、詞性標(biāo)注、命名實(shí)體識(shí)別、新詞識(shí)別，同時(shí)支持用戶詞典、繁體中文，支持漢字內(nèi)碼擴(kuò)展規(guī)范(Chinese internal code specification，簡稱GBK)、UTF-8(8-bit unicode transformation format)、UTF-7(7-bit unicode transformation format)、統(tǒng)一碼(unicode)等多種編碼格式，是目前應(yīng)用范圍較廣且最受歡迎的漢語分詞系統(tǒng)。正是基于它的上述優(yōu)點(diǎn)，本研究采用ICTCLAS作為分詞工具，按以下3步確定農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵詞語。

首先，對(duì)在中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫中檢索到的與油菜有關(guān)的11 242條論文題目利用漢語詞法分析系統(tǒng)進(jìn)行分詞操作。分詞的部分結(jié)果如圖1所示。

其次，為了便于處理，對(duì)分詞所得的所有詞語詞性作簡單化處理。即將所有一類詞性下面分的二類和三類詞性統(tǒng)一都按一類詞性處理，例如名詞分為1個(gè)一類，6個(gè)二類，5個(gè)三類，分類如下：

n 名詞

nr 人名

nr1 漢語姓氏

nr2 漢語名字

nrj 日語人名

nrf 音譯人名

ns 地名

nsf 音譯地名

nt 機(jī)構(gòu)團(tuán)體名

nz 其他專名

nl 名詞性慣用語

ng 名詞性語素

以上名詞分詞詞性在本研究詞頻統(tǒng)計(jì)中均按一類名詞詞性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即n名詞。動(dòng)詞有1個(gè)一類，9個(gè)二類，分類如下：

v 動(dòng)詞

vd 副動(dòng)詞

vn 名動(dòng)詞

vshi 動(dòng)詞“是”

vyou 動(dòng)詞“有”

vf 趨向動(dòng)詞

vx 形式動(dòng)詞

vi 不及物動(dòng)詞(內(nèi)動(dòng)詞)

vl 動(dòng)詞性慣用語

vg 動(dòng)詞性語素

以上動(dòng)詞分詞所得詞性在本研究詞頻統(tǒng)計(jì)中均按一類動(dòng)詞詞性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即v動(dòng)詞。其他詞性作同樣處理，不再一一說明。

傳統(tǒng)的分詞算法[6]分為三大類：基于統(tǒng)計(jì)的方法、基于詞典匹配的方法和基于語義理解的方法。本研究對(duì)分詞所得的關(guān)鍵詞語是基于統(tǒng)計(jì)的方法確定的，分詞所得詞語部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

最后，特殊詞語的處理。對(duì)所有分詞詞語中除了根據(jù)詞頻統(tǒng)計(jì)外，例如數(shù)字、度量單位、英文和一些不能獨(dú)立表示確定概念的單字詞語即使符合篩選條件(詞頻≥3)也作為非關(guān)鍵詞，不作概念分析和定義。對(duì)可以表達(dá)確定概念，而不在農(nóng)業(yè)科學(xué)分類中的詞語不作歸類。對(duì)詞頻≥3的 2 651 個(gè)詞語的詞性按照上述規(guī)則簡單化處理后除去一些無用詞語，共得到1 524個(gè)關(guān)鍵詞語，作為要定義和分析的詞語對(duì)象。

表2　分詞所得詞語詞頻部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2　農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域分類體系選定和建立

2.1　農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域分類體系的選定

目前，本體創(chuàng)建還沒有一個(gè)統(tǒng)一的方法論作為指導(dǎo)，創(chuàng)建本體還處于一個(gè)無序狀態(tài)之中，而要建立一個(gè)相對(duì)完整的領(lǐng)域本體，不但要提取和捕獲這個(gè)領(lǐng)域中大量的概念，還要對(duì)這些概念進(jìn)行語義沖突和二義性處理，這些既單調(diào)又乏味的工作必須有領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c才能較好的實(shí)現(xiàn)，而許多領(lǐng)域本體研究人員并非本領(lǐng)域?qū)＜?，這一直是領(lǐng)域本體研究中難于突破的一個(gè)問題，尋找一個(gè)被本領(lǐng)域大多數(shù)專家認(rèn)可的分類體系成為當(dāng)前的主要任務(wù)。由權(quán)威機(jī)構(gòu)審定通過的敘詞表首先進(jìn)入人們的視線。

2.1.1敘詞表敘詞表就是將文獻(xiàn)、標(biāo)引人員或用戶的自然語言轉(zhuǎn)換成規(guī)范化語言的一種術(shù)語控制工具，是概括各門或某一學(xué)科領(lǐng)域并由語義相關(guān)、簇性相關(guān)的術(shù)語組成的可以不斷補(bǔ)充的規(guī)范化詞表[7-8](GB 13190—1991《漢語敘詞表編制》)。敘詞表和本體的相似之處在于它們都是用來描述和組織特定學(xué)科知識(shí)的，都包含詞間關(guān)系、類間關(guān)系和概念之間關(guān)系等，所以，研究從傳統(tǒng)敘詞表向本體論轉(zhuǎn)化的方法，一直是各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

國內(nèi)對(duì)敘詞表轉(zhuǎn)化的研究正處于熱點(diǎn)階段，目前已轉(zhuǎn)化為本體原型的主要有《國防科學(xué)技術(shù)敘詞表》和《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表》的一部分。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技文獻(xiàn)信息中心的常春博士基于《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表》的“作物大類”，構(gòu)建了一個(gè)有關(guān)食物安全的本體原型。

敘詞表是一種規(guī)范的科學(xué)語言，其術(shù)語組織結(jié)構(gòu)單一、語義關(guān)系明確。但敘詞表只是一個(gè)詞匯庫，不是知識(shí)庫，另外敘詞表結(jié)構(gòu)保守，不能經(jīng)常進(jìn)行修訂，缺乏新興學(xué)科、邊緣學(xué)科的代表術(shù)語，難以及時(shí)反映學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，面對(duì)快速發(fā)展變革的社會(huì)和快速更迭的信息技術(shù)，敘詞表有些力不從心。

2.1.2中圖法[9]除了敘詞表向本體庫轉(zhuǎn)化以外，將中圖法轉(zhuǎn)化為本體庫也是研究的一個(gè)方向。由于本體創(chuàng)建首先要對(duì)本領(lǐng)域主要概念進(jìn)行分類、定義和細(xì)化，而編制分類法工作量巨大，且也不易被大多數(shù)人接受，所以在傳統(tǒng)分類法基礎(chǔ)上改造原有分類體系為大多數(shù)研究者所采取，目前，基于中圖法的分類體系主要有以下幾類。

(1)郭書普提出的分類方案將行業(yè)和信息屬性相結(jié)合，農(nóng)業(yè)信息行業(yè)在這個(gè)分類中被簡化為4個(gè)門類，分別為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、林業(yè)及其他行業(yè)，下設(shè)10個(gè)大類，59個(gè)子類；農(nóng)業(yè)信息屬性被分為7個(gè)大類，分別是農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)信息、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料信息、農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)信息、農(nóng)業(yè)地理信息、農(nóng)業(yè)空間信息和農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)與人才，下設(shè)140個(gè)類目，類目下可以細(xì)分類目[10]。

(2)駱浩文等的線分法主要面向種養(yǎng)業(yè)，將農(nóng)業(yè)科學(xué)信息分為5個(gè)等級(jí)，4個(gè)大類，10個(gè)中類，71個(gè)小類，966個(gè)細(xì)類和11個(gè)屬性類，分類采用中圖法及9位編碼法，共分5個(gè)層次，第1層次用英文字母表示，與大類的代碼相對(duì)應(yīng)，其他4層采用01～99表示，各碼位代表相應(yīng)的類別，并以此為基礎(chǔ)編制了省級(jí)DB/T 344—2006《種養(yǎng)業(yè)信息分類與代碼》的地方標(biāo)準(zhǔn)[11]。

(3)魏清鳳等依據(jù)中圖法改造農(nóng)業(yè)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科類目編碼方法時(shí)提出適合網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)信息分類編碼方法，這種編碼方法將農(nóng)業(yè)科學(xué)信息分為4級(jí)，信息編碼采用4個(gè)碼段，“S”為碼段中分類首號(hào)，這是延續(xù)中圖法的編碼規(guī)則，碼段2表示信息媒體類型，碼段3為8位分類號(hào)(由4級(jí)各2位類號(hào)組成)，碼段4為記錄序號(hào)[12]。

以上基于敘詞表和中圖法的農(nóng)業(yè)科學(xué)分類法為研究農(nóng)業(yè)科學(xué)分類編碼標(biāo)準(zhǔn)提供了理論基礎(chǔ)，也是對(duì)這種編碼的可行性進(jìn)行的初次嘗試，但由于農(nóng)業(yè)科學(xué)自身季節(jié)性和地域性特點(diǎn)比較強(qiáng)，基于敘詞表和中圖法的分類法所分割的類別知識(shí)零散，使它對(duì)農(nóng)業(yè)問題的表現(xiàn)力不強(qiáng)，不能涵蓋所有農(nóng)業(yè)過程中所涉及的問題，同時(shí)，這2種方法雖然被業(yè)界人員所熟知，但對(duì)業(yè)外人員來說，還是專業(yè)性太強(qiáng)，對(duì)使用能力較低的農(nóng)業(yè)人員來說，這種分類法與農(nóng)業(yè)實(shí)際需求結(jié)合還有一段距離。為了改變分類法面臨的這種狀況，須要根據(jù)農(nóng)業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和所服務(wù)的人員對(duì)象特點(diǎn)，構(gòu)建相適應(yīng)的分類體系。

2.2　農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域分類體系的建立

概念分類層次是將領(lǐng)域概念進(jìn)行分類組織，對(duì)概念進(jìn)行分類是為了便于用這些概念描述所要建立的本體領(lǐng)域中概念之間的類屬關(guān)系，并將領(lǐng)域中的具體概念模塊化。傳統(tǒng)建立分類概念的層次結(jié)構(gòu)[13]有3種方法：自底向上法、自頂向下法和綜合法。本研究中的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫構(gòu)建采用綜合法，具體構(gòu)建過程：首先，采用中圖分類方法和概念分類——自頂向下法建立農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域分類體系第1層、第2層和第3層，借鑒《中國圖書館分類法》(第5版)建立的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域分類體系基本框架有9個(gè)一級(jí)類，75個(gè)二級(jí)類，439個(gè)三級(jí)類，其中第1層如表3所示。

其次，在所建立的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域體系第1層(即9個(gè)一級(jí)類)的基礎(chǔ)上，按照中圖法分類規(guī)則建立領(lǐng)域體系第2層。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域體系建立過程中，分類采用中圖法，即9位編碼法，共分3個(gè)層次，第1層用英文字母“S”加數(shù)字1～9表示，即S1，S2，S3，…，S9；第2層在前面大類的基礎(chǔ)上再按數(shù)字 1～9編碼，第2層編碼與第1層大類的代碼相對(duì)應(yīng)，即S11，S12，S13，…，S19；第3層依次類推，即S111，S112，S113，…，S119，各碼位代表相應(yīng)的類別。基于中圖法并利用Protégé軟件建立起的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域前3層部分體系框架如圖2所示。

表3　中圖法建立的農(nóng)業(yè)科學(xué)9個(gè)一級(jí)類

3　利用Protégé[14-15]創(chuàng)建和生成農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)庫

3.1　農(nóng)業(yè)科學(xué)分類法轉(zhuǎn)化成農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)庫

采用自底向上法對(duì)本研究選定的1 524個(gè)關(guān)鍵詞語逐一分析，進(jìn)行概念的定義，然后將這些細(xì)化的概念逐層組織在高一級(jí)的概念之下，形成一個(gè)等級(jí)層次結(jié)構(gòu)。然后，使用本體描述語言可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語言(extensible markup language，簡稱XML)來描述農(nóng)業(yè)詳表中的詞語及詞間關(guān)系，從而將農(nóng)業(yè)科學(xué)分類法向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體庫轉(zhuǎn)化，由于Protégé軟件在構(gòu)建本體庫時(shí)，分類關(guān)鍵詞語中不能有特殊符號(hào)，因此，在農(nóng)業(yè)科學(xué)分類法轉(zhuǎn)化成農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫時(shí)遵循的原則是將符號(hào)“()”轉(zhuǎn)化為“或”，符號(hào)“、”轉(zhuǎn)化為“和”，英文字母翻譯為中文詞語，例如“3S”翻譯為“遙感”等。

為了保證所建立的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體概念的明確性(explicit)，即本體所使用的概念及在這些概念之上的約束都有明確的定義，沒有二義性，對(duì)中圖法分類中概念重復(fù)的地方以首次定義概念為準(zhǔn)，即如果同一概念在幾個(gè)大類中均有出現(xiàn)，以第一次出現(xiàn)為準(zhǔn)，以后出現(xiàn)的這一概念均列入已出現(xiàn)的這一大類之中，不再另行定義概念。為了簡化對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體的建立，對(duì)中圖法4層以上概念不再細(xì)化，統(tǒng)一列入最近上層一類，即第3層。如果有些分類詞語位于層次較低，深度達(dá)10層以上，則采用逐層回推的方式，最終將此概念或術(shù)語回推到第3層。建立的農(nóng)業(yè)本體領(lǐng)域庫如圖3所示。

3.2　農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體構(gòu)建的分析與改進(jìn)

本研究建立的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫是為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)檢索作的基礎(chǔ)性研究。在基于中圖法建立農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫的構(gòu)架過程中，還有許多工作要做，尤其是細(xì)化本體領(lǐng)域概念工作，由于時(shí)間和人力有限，對(duì)基于中圖法的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體細(xì)化比較粗糙，而要建立真正實(shí)用可行的農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域本體庫需要農(nóng)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c，這樣才能夠從整體上對(duì)本領(lǐng)域有一個(gè)正確把握，也會(huì)使建立的領(lǐng)域本體庫范圍大小更加合乎整個(gè)學(xué)科未來的發(fā)展趨勢(shì)。本研究對(duì)分詞所得概念分析相對(duì)偏少，這是由于分詞的詞語相對(duì)于整個(gè)農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域來說分布比較分散，要正確劃分分詞所得詞語在本領(lǐng)域所處的位置，而又完全依靠人工來做，幾乎是不可能完成的事情。如果能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)歸類或大多計(jì)算機(jī)歸類、人員輔助歸類，工作量才會(huì)下降。

4　結(jié)束語

本研究介紹的基于中圖法構(gòu)建農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)庫的方法是半自動(dòng)構(gòu)建方法。借用已有的中圖分類方法可以獲得領(lǐng)域知識(shí)以及概念關(guān)系，使本體構(gòu)建有一個(gè)很好的起點(diǎn)。目前，很少有現(xiàn)存的不經(jīng)修改就能被復(fù)用的本體。本體的創(chuàng)建是個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程[16]，目前還沒有一個(gè)完整的工程化、系統(tǒng)化的方法來支持創(chuàng)建本體，為了使創(chuàng)建的本體能夠?qū)崿F(xiàn)有效利用，大多領(lǐng)域本體在創(chuàng)建時(shí)都邀請(qǐng)本領(lǐng)域?qū)＜覅⑴c?，F(xiàn)存在的通用、大規(guī)模本體很少，大多本體只是針對(duì)具體應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)建。在領(lǐng)域本體的實(shí)際應(yīng)用中，不同領(lǐng)域本體之間常常須要進(jìn)行映射、擴(kuò)充與合并處理，以及根據(jù)具體需要從一個(gè)比較大的領(lǐng)域本體中提取滿足要求的小領(lǐng)域本體。這些都對(duì)建立領(lǐng)域本體提出了比較高的要求。此外，知識(shí)的快速老化，要求對(duì)先前構(gòu)造的本體快速作出相應(yīng)的增加和刪除，以保持本體與現(xiàn)實(shí)存在知識(shí)的一致性，這都是在本體研究中所面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題。

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