李?lèi)?孫坦 鮮國(guó)建,3 趙瑞雪,3 李嬌 黃永文 羅婷婷

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

農(nóng)業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系中占有重要比重，農(nóng)作物病蟲(chóng)害是制約“農(nóng)業(yè)增效、糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收”的重要災(zāi)害之一，僅常見(jiàn)病蟲(chóng)害就在1 400種以上，其爆發(fā)成災(zāi)往往直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)文指出[1]，2019年我國(guó)水稻病蟲(chóng)害將呈偏重發(fā)生態(tài)勢(shì)，發(fā)生面積11.9億畝次，其中，稻飛虱、二化螟、紋枯病偏重發(fā)生，局部大發(fā)生；稻縱卷葉螟、稻瘟病、稻曲病中等發(fā)生，局部偏重發(fā)生；穗腐病、南方水稻黑條矮縮病等病毒病、白葉枯病、細(xì)菌性基腐病等次要病蟲(chóng)在局部稻區(qū)發(fā)生呈上升態(tài)勢(shì)，需采取及時(shí)有效的防控措施，最大限度降低糧食風(fēng)險(xiǎn)。堅(jiān)持農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)，形成科學(xué)有效的方法體系是防治農(nóng)作物病蟲(chóng)害的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治體系的科學(xué)化、專(zhuān)業(yè)化對(duì)知識(shí)服務(wù)提出新的要求。同年，面對(duì)草地貪夜蛾對(duì)糧食作物造成的危害，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過(guò)明確生態(tài)學(xué)規(guī)律，確定害蟲(chóng)基因組類(lèi)型、繁殖區(qū)域，研發(fā)形成一整套針對(duì)草地貪夜蛾病蟲(chóng)害的防控技術(shù)，彰顯出強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技，健全農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治體系的重要作用。

農(nóng)作物病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)廣泛存在于農(nóng)業(yè)知識(shí)在線(xiàn)資源、農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和科學(xué)專(zhuān)著中，數(shù)據(jù)表示、組織方式等不盡相同，信息資源處于相對(duì)無(wú)序的分散狀態(tài)。隨著數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究第四范式的提出，如何整合多源異構(gòu)病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)，挖掘隱含在文本內(nèi)的知識(shí)，為農(nóng)作物病蟲(chóng)害的科學(xué)防治提供服務(wù)成為當(dāng)前重要的研究課題。

本體最初源于哲學(xué)，20世紀(jì)80年代本體的概念被引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域用來(lái)刻畫(huà)知識(shí)，包含類(lèi)、關(guān)系、公理、函數(shù)和實(shí)例5種要素[2]，是揭示領(lǐng)域概念體系的重要手段。同時(shí)，本體也是構(gòu)成知識(shí)圖譜語(yǔ)義模型的基礎(chǔ)[3]，在語(yǔ)義層面規(guī)范與約束了知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)填充，使得知識(shí)圖譜能夠大規(guī)模構(gòu)建并支撐上層應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于構(gòu)建農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體進(jìn)行知識(shí)組織與管理的研究，并將其應(yīng)用于專(zhuān)家診斷、領(lǐng)域知識(shí)管理、智能搜索、智能問(wèn)答等場(chǎng)景，進(jìn)一步發(fā)揮了本體的應(yīng)用價(jià)值：Chaudhary等[4]構(gòu)建了包含農(nóng)作物、病蟲(chóng)害、土壤、栽培過(guò)程等信息的棉花本體，并開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)咨詢(xún)服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠回答農(nóng)民查詢(xún)的領(lǐng)域知識(shí)，有助于縮小農(nóng)民和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑g的差距，為棉農(nóng)的生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)；鄭穎等[5]通過(guò)資源整合構(gòu)建了五大類(lèi)小麥病蟲(chóng)害本體，并將其應(yīng)用于問(wèn)答系統(tǒng)；Chougule等[6]提出了一種蟲(chóng)害關(guān)鍵詞提取算法構(gòu)建作物蟲(chóng)害本體，使之作為農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)的一部分；鞏如悅[7]采用基于文獻(xiàn)的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，構(gòu)建包含蘋(píng)果病蟲(chóng)害、病變部位、病變癥狀、發(fā)病時(shí)期、防治辦法等核心概念的蘋(píng)果病蟲(chóng)害本體，并將領(lǐng)域本體引入到垂直搜索引擎中，有效提升了蘋(píng)果病蟲(chóng)害信息檢索的準(zhǔn)確率。Lagos-Ortiz1等[8]提出了一個(gè)基于本體的甘蔗、水稻、大豆和可可作物蟲(chóng)害防治決策支持系統(tǒng)，為蟲(chóng)害診斷和防治提供指導(dǎo)；Chougule等[9]通過(guò)將不同形式的葡萄作物病蟲(chóng)害知識(shí)轉(zhuǎn)化為本體，并利用氣象條件與病蟲(chóng)害發(fā)生的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了葡萄酒病蟲(chóng)害管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)幫助葡萄種植者盡量減少殺蟲(chóng)劑的使用，從而降低化學(xué)藥劑對(duì)環(huán)境的副作用；丁浩宸等[10]從不同知識(shí)維度構(gòu)建了包含7個(gè)一級(jí)類(lèi)、15個(gè)二級(jí)類(lèi)的油茶本體，并基于本體構(gòu)建了油茶領(lǐng)域知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)智能搜索、智能問(wèn)答等應(yīng)用。

然而，上述研究涉及的領(lǐng)域要素相對(duì)比較單一，對(duì)于覆蓋農(nóng)作物病蟲(chóng)害全領(lǐng)域所構(gòu)建的本體較少，存在研究粒度較粗的問(wèn)題，本體概念體系的全面性、可擴(kuò)展性與泛化能力有待進(jìn)一步提升。因此，本文通過(guò)對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害全領(lǐng)域的信息資源進(jìn)行深入分析與加工處理，總結(jié)與抽象領(lǐng)域概念體系，并與科技文獻(xiàn)知識(shí)以及現(xiàn)有的知識(shí)組織體系深度融合，大幅拓展現(xiàn)有農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體中知識(shí)單元的廣度、粒度與深度，使得所構(gòu)建的領(lǐng)域本體在應(yīng)用場(chǎng)景上能夠滿(mǎn)足精準(zhǔn)問(wèn)答、精準(zhǔn)推薦等精細(xì)化多場(chǎng)景[11]的農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)知識(shí)服務(wù)需求，進(jìn)而為構(gòu)建基于多源高質(zhì)量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域知識(shí)圖譜提供語(yǔ)義框架基礎(chǔ)，以期促進(jìn)農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域的知識(shí)共享與應(yīng)用。

1 本體構(gòu)建目標(biāo)及流程

農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的構(gòu)建目標(biāo)是依照植物保護(hù)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害知識(shí)體系進(jìn)行建模，并與通用的科技文獻(xiàn)本體以及傳統(tǒng)的知識(shí)組織體系進(jìn)行深度融合，形成客觀且明確的描述規(guī)范，大幅度拓展當(dāng)前農(nóng)作物病蟲(chóng)害知識(shí)庫(kù)中知識(shí)單元的廣度、粒度與深度，在結(jié)構(gòu)化、形式化和語(yǔ)義化層面提高其描述與表達(dá)知識(shí)的能力，并通過(guò)本體描述語(yǔ)言使知識(shí)能夠被計(jì)算機(jī)理解和處理，為構(gòu)建基于多源高質(zhì)量數(shù)據(jù)的農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域知識(shí)圖譜奠定基礎(chǔ)。

構(gòu)建領(lǐng)域本體的常用方法是七步法[12]。然而，七步法沒(méi)有運(yùn)用軟件工程生命周期管理的思想，也缺少對(duì)本體質(zhì)量的評(píng)估過(guò)程，導(dǎo)致將其運(yùn)用于領(lǐng)域本體構(gòu)建會(huì)存在本體的更新迭代受限以及無(wú)法滿(mǎn)足特定領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求的問(wèn)題。因此，本文結(jié)合農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域特點(diǎn)，遵循本體構(gòu)建原則，在七步法的基礎(chǔ)上改進(jìn)構(gòu)建步驟，將本體驗(yàn)證與評(píng)估、編程語(yǔ)言描述本體及迭代優(yōu)化的環(huán)節(jié)補(bǔ)充進(jìn)領(lǐng)域本體的構(gòu)建流程中，如圖1所示。

圖1 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體構(gòu)建流程

（1）確定本體描述的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。全領(lǐng)域所包含的數(shù)據(jù)或者知識(shí)太過(guò)廣泛，即使是同一領(lǐng)域，因側(cè)重點(diǎn)不同所建立的本體也有較大差異，因此，在構(gòu)建本體之前首先需要確定本體所描述的領(lǐng)域范疇以及邊界。本文構(gòu)建的農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體的范圍覆蓋農(nóng)作物病蟲(chóng)害資源中的基礎(chǔ)知識(shí)、相關(guān)的科技文獻(xiàn)知識(shí)以及現(xiàn)有的知識(shí)組織體系，以實(shí)現(xiàn)多元化語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，解決各類(lèi)資源間的語(yǔ)義互操作問(wèn)題。

（2）基于參考的數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)本體概要模型。該階段的任務(wù)是盡可能全面地搜集領(lǐng)域內(nèi)的信息資源，以充分了解相關(guān)的知識(shí)體系，對(duì)概念進(jìn)行總結(jié)、抽象從而建立本體概要模型，形成農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的框架。本文參照的專(zhuān)業(yè)資源包括系統(tǒng)劃分并概括組織了農(nóng)業(yè)學(xué)科主題概念的《農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表》[13]、蘊(yùn)含豐富語(yǔ)義信息的病蟲(chóng)害科學(xué)專(zhuān)著《中國(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害（第三版）》[14]以及學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域相關(guān)的期刊文獻(xiàn)。

（3）定義核心類(lèi)及類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)。對(duì)本體概要模型進(jìn)行細(xì)化和補(bǔ)充，圍繞需要解決的問(wèn)題和應(yīng)用場(chǎng)景，梳理、精煉核心概念及概念類(lèi)間的層次結(jié)構(gòu)。

（4）定義核心屬性。通過(guò)定義本體類(lèi)的屬性關(guān)系，可將病蟲(chóng)害自身的特征信息，以及病蟲(chóng)害與科技文獻(xiàn)、現(xiàn)有的知識(shí)組織體系的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)引入本體模型，以完整地展現(xiàn)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的知識(shí)關(guān)聯(lián)體系。

（5）本體驗(yàn)證與評(píng)估。初步構(gòu)建領(lǐng)域本體后，為了保證其能夠充分描述農(nóng)作物病蟲(chóng)害知識(shí)體系，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，需要通過(guò)創(chuàng)建實(shí)例來(lái)驗(yàn)證本體的可用性，并從本體結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景等方面對(duì)所構(gòu)建的本體進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)本體的修正與完善。

（6）編程語(yǔ)言描述本體。驗(yàn)證與評(píng)估通過(guò)后，運(yùn)用OWL+SKOS語(yǔ)言對(duì)本體模型進(jìn)行形式化表示以增強(qiáng)本體的表達(dá)能力。

（7）本體迭代優(yōu)化。領(lǐng)域本體的構(gòu)建是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，后續(xù)出現(xiàn)的新知識(shí)經(jīng)過(guò)上述流程綜合分析后，可擴(kuò)充到農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體中，以進(jìn)一步迭代和完善本體。

2 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體構(gòu)建

圖2 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體概要模型

農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體模型的設(shè)計(jì)和構(gòu)建應(yīng)與領(lǐng)域特點(diǎn)緊密結(jié)合，且該領(lǐng)域本體模型應(yīng)具有可復(fù)用性。本節(jié)根據(jù)提出的農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的構(gòu)建流程，遵循領(lǐng)域本體獨(dú)立性、共享性特征，設(shè)計(jì)本體概要模型、定義核心類(lèi)及層次結(jié)構(gòu)、定義核心屬性、本體驗(yàn)證與評(píng)估，并使用本體開(kāi)發(fā)工具Protégé對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體進(jìn)行構(gòu)建和管理。

2.1 設(shè)計(jì)本體概要模型

本體概要模型描述了在抽象層次由概念及其間關(guān)系建立的邏輯模型，借助概要模型可以梳理本體構(gòu)建的概念范圍及核心屬性的取值范圍。本文以農(nóng)作物病蟲(chóng)害為主要研究對(duì)象，在充分參考主要數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)全面細(xì)粒度揭示病蟲(chóng)害資源的本體概要模型，使資源充分發(fā)揮價(jià)值，為進(jìn)一步本體模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

概要模型中各要素的收集，包括抽象層面自頂向下的要素列舉，及數(shù)據(jù)層面自底向上的要素總結(jié)、抽象，如枚舉《農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表》中敘詞等級(jí)體系下的相關(guān)概念、查閱文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中表的字段及每條記錄，總結(jié)并提煉《中國(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害（第三版）》等科學(xué)專(zhuān)著中隱性知識(shí)的知識(shí)單元、語(yǔ)義關(guān)系等。最終得到的農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的概要模型如圖2所示。

模型從核心描述對(duì)象農(nóng)作物病蟲(chóng)害出發(fā)，建立病蟲(chóng)害類(lèi)，將其分為病害和蟲(chóng)害兩類(lèi)。病蟲(chóng)害類(lèi)通過(guò)對(duì)象屬性危害與農(nóng)作物類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述病蟲(chóng)害危害的農(nóng)作物；通過(guò)對(duì)象屬性發(fā)生分別與國(guó)家類(lèi)、地區(qū)類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述不同的病蟲(chóng)害發(fā)生的國(guó)家和地區(qū)；通過(guò)對(duì)象屬性影響分別與植物發(fā)育過(guò)程類(lèi)、植物生物過(guò)程類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)象屬性導(dǎo)致與植物性狀類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述病蟲(chóng)害影響農(nóng)作物的發(fā)育過(guò)程和生物過(guò)程，其產(chǎn)生葉片干枯等植物性狀，造成糧食減產(chǎn)。同時(shí)，添加了描述病蟲(chóng)害類(lèi)自身的數(shù)據(jù)屬性：防治技術(shù)、癥狀描述、造成減產(chǎn)。對(duì)于病害類(lèi)，通過(guò)對(duì)象屬性病原與微生物類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述病害存在病原微生物，氣候和地理環(huán)境的差異會(huì)使病原毒性有所不同。對(duì)于蟲(chóng)害類(lèi)，通過(guò)對(duì)象屬性是媒介與病害類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述蟲(chóng)害會(huì)成為病害傳播的媒介；通過(guò)對(duì)象屬性有捕食性天敵、有寄生性天敵分別與動(dòng)物界類(lèi)、微生物類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，描述蟲(chóng)害在動(dòng)物界及微生物中有天敵，可采用釋放蟲(chóng)害天敵的方法進(jìn)行生物防治。描述蟲(chóng)害自身的數(shù)據(jù)屬性主要有形態(tài)特征、年發(fā)生代數(shù)、遷飛路徑。

此外，將具有標(biāo)題、作者、關(guān)鍵詞等文獻(xiàn)信息屬性的科技文獻(xiàn)本體，以及知識(shí)組織領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表敘詞概念引入領(lǐng)域本體中，分別形成期刊論文類(lèi)和農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表概念類(lèi)。病蟲(chóng)害類(lèi)通過(guò)對(duì)象屬性相關(guān)的研究論文與期刊論文類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)象屬性有相同的敘詞表概念與農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表概念類(lèi)建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害領(lǐng)域資源與通用的科技文獻(xiàn)本體以及傳統(tǒng)的知識(shí)組織體系的深度融合。

2.2 定義核心類(lèi)及層次結(jié)構(gòu)

在本體中，類(lèi)（Class）用于描述具有相同屬性的一類(lèi)概念的集合，是構(gòu)成本體的重要成分，屬性（Property）和實(shí)例（Individual）都是對(duì)類(lèi)的明確和說(shuō)明。類(lèi)的上下位關(guān)系表達(dá)了類(lèi)之間的基本關(guān)系，主要根據(jù)一級(jí)類(lèi)對(duì)其他類(lèi)進(jìn)行子類(lèi)的劃分，并通過(guò)SubClassOf描述。

基于上文設(shè)計(jì)的本體概要模型進(jìn)行本體中類(lèi)及層次結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終定義了農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體包含11個(gè)一級(jí)類(lèi)、8個(gè)二級(jí)類(lèi)。同時(shí)，為了使本體的構(gòu)建、管理過(guò)程更加規(guī)范，便于后續(xù)的編程工作，本文對(duì)本體中的類(lèi)和屬性運(yùn)用英文名稱(chēng)進(jìn)行定義，并為其設(shè)置了帶有釋義的中文和英文標(biāo)簽（rdfs:label）以方便相關(guān)人員查看。本體中的核心類(lèi)具體為以下11類(lèi)。①病蟲(chóng)害類(lèi)（DiseaseAndPest）。本文研究的是農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體構(gòu)建并將其進(jìn)行形式化表示，因此在本體的構(gòu)建中以病蟲(chóng)害類(lèi)作為核心類(lèi)。病蟲(chóng)害描述為害各類(lèi)農(nóng)作物的病害和害蟲(chóng)，因此將其分為病害（Disease）和蟲(chóng)害（Pest）2個(gè)子類(lèi)。②文獻(xiàn)類(lèi)（Literature）。文獻(xiàn)的基本信息可以描述農(nóng)作物病蟲(chóng)害相關(guān)文獻(xiàn)的外部特征和內(nèi)容特征，為了將其融入領(lǐng)域本體中，創(chuàng)建了文獻(xiàn)類(lèi)并添加期刊論文（JournalArticle）子類(lèi)。③農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表概念類(lèi)（CAT）。農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表的病蟲(chóng)害敘詞概念具有上下位關(guān)系，如“塊莖病”有上位詞“莖病”和下位詞“塊莖腐病”等上下位語(yǔ)義關(guān)系。將其融入領(lǐng)域本體中并與病蟲(chóng)害類(lèi)實(shí)例建立連接，可提升所建本體的專(zhuān)業(yè)性與關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域本體與外部知識(shí)的集成、關(guān)聯(lián)與共享。④植物界類(lèi)（Plant）。根據(jù)生物分界系統(tǒng)的劃分，植物界是生物的一界。在本體中創(chuàng)建植物界一級(jí)類(lèi)，為其添加農(nóng)作物類(lèi)（Crop）子類(lèi)，描述植物界下包含的農(nóng)作物，也是病蟲(chóng)害為害的對(duì)象。⑤動(dòng)物界類(lèi)（Animal）。根據(jù)生物分界系統(tǒng)的劃分，動(dòng)物界也是生物的一界。在本體中創(chuàng)建動(dòng)物界用來(lái)描述蟲(chóng)害在動(dòng)物界的天敵。⑥植物生物過(guò)程類(lèi)（PlantBiologicalProcess）。植物生物過(guò)程描述植物發(fā)生光合作用等生物過(guò)程。⑦植物發(fā)育過(guò)程類(lèi)（PlantDevelopmentProcess）。植物發(fā)育過(guò)程描述萌芽期、幼苗期等各個(gè)植物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期。⑧植物性狀類(lèi)（PlantTraits）。植物性狀描述植物的表型特征，分為外源物刺激性狀（ExogenousStimulatingTraits）和癥狀類(lèi)型（SymptomType）2個(gè)子類(lèi)。⑨微生物類(lèi)（Microorganism）。微生物描述病害的病原微生物，分為真菌（Fungus）、細(xì)菌（Germ）、病毒（Virus）3個(gè)子類(lèi)。⑩國(guó)家類(lèi)（Nation）。其表述病蟲(chóng)害最早被發(fā)現(xiàn)的國(guó)家，以及主要分布的國(guó)家。?地區(qū)類(lèi)（Region）。其表述病蟲(chóng)害發(fā)生的地區(qū)。

此外，本文將病害類(lèi)（Disease）、蟲(chóng)害類(lèi)（Pest）、植物界類(lèi)（Plant）和動(dòng)物界類(lèi)（Animal）與SKOS概念體系中具體的概念（skos:Concept）建立等價(jià)關(guān)系（Equivalent To），形成農(nóng)作物病蟲(chóng)害核心本體與領(lǐng)域本體的結(jié)合。

2.3 定義核心屬性

類(lèi)本身不足以描述專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)體系，故有必要通過(guò)定義類(lèi)的內(nèi)部屬性信息和外部關(guān)系信息來(lái)描述概念的具體內(nèi)涵。本體中，類(lèi)的屬性用于描述類(lèi)具有的特征，其分為兩種。其中，對(duì)象屬性揭示了類(lèi)之間的語(yǔ)義關(guān)系，是在本體中進(jìn)行邏輯推理的基礎(chǔ)，決定了知識(shí)圖譜的豐富程度和應(yīng)用效果。數(shù)據(jù)屬性描述了類(lèi)自身的特點(diǎn)，通常使用具體的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行表示，不同數(shù)據(jù)屬性的取值類(lèi)型可能有所差異，一般包括文本、數(shù)值、日期等多種類(lèi)型。

通過(guò)參照數(shù)據(jù)源分別為核心類(lèi)填充具體實(shí)例，實(shí)例間多次出現(xiàn)的語(yǔ)義關(guān)系構(gòu)成類(lèi)的對(duì)象屬性，實(shí)例自身的共性描述構(gòu)成類(lèi)的數(shù)據(jù)屬性。最終定義了16個(gè)一級(jí)對(duì)象屬性，同時(shí)為了增強(qiáng)語(yǔ)義嚴(yán)謹(jǐn)性設(shè)置對(duì)象屬性的定義域、值域的取值范圍（見(jiàn)表1）。

表1 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的核心對(duì)象屬性

為描述類(lèi)自身的特征，在本體中為農(nóng)作物病蟲(chóng)害類(lèi)（DiseaseAndPest）、期刊論文類(lèi)（JournalArticle）和農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表概念類(lèi)（CAT）復(fù)用、定義了共計(jì)31個(gè)一級(jí)數(shù)據(jù)屬性，4個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)屬性。

對(duì)于農(nóng)作物病蟲(chóng)害類(lèi)（DiseaseAndPest），復(fù)用、定義了12個(gè)一級(jí)數(shù)據(jù)屬性、4個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)屬性，包括復(fù)用SKOS本體模型中詞法標(biāo)簽下的概念skos:prefLabel來(lái)標(biāo)識(shí)病害的名稱(chēng)和蟲(chóng)害的名稱(chēng)；skos:altLabel來(lái)標(biāo)識(shí)病害的別名和蟲(chóng)害的異名；定義了標(biāo)識(shí)符（identifier）用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)類(lèi)的實(shí)例；最早被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間（earliest time be discovered）描述每種病蟲(chóng)害最早被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間；造成減產(chǎn)（cause crop failure）描述病蟲(chóng)害會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)的數(shù)量；年發(fā)生代數(shù)（annual generation）描述蟲(chóng)害在不同環(huán)境下的年發(fā)生代數(shù)；世代及發(fā)生期（generation and emergence period）描述蟲(chóng)害的世代發(fā)生期；壽命（lifetime）描述蟲(chóng)害各代數(shù)的壽命；形態(tài)特征（morphological characteristics）描述蟲(chóng)害的體長(zhǎng)及生長(zhǎng)發(fā)育各階段的形態(tài)特征；遷飛路徑（moved way）描述蟲(chóng)害的遷飛路徑；癥狀描述（sy mptom description）是指農(nóng)作物遭遇病蟲(chóng)害后的癥狀表現(xiàn)；防治技術(shù)（control technology）描述病蟲(chóng)害的防治方法，包括農(nóng)業(yè)防治（agricultural measure）、生物防治（biological measure）、物理防治（physical measure）和藥劑防治（potion measure）4個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)屬性。

對(duì)于期刊論文類(lèi)（JournalArticle），復(fù)用、定義了17個(gè)一級(jí)數(shù)據(jù)屬性，包括復(fù)用都柏林核心元素集中的語(yǔ)種（dc:language）描述期刊論文的語(yǔ)種；定義了標(biāo)識(shí)符（gid）對(duì)期刊論文類(lèi)資源進(jìn)行唯一的標(biāo)識(shí)、標(biāo)題（title）、作者（author）、所屬機(jī)構(gòu)（affiliate institution）、摘要（abstract）、關(guān)鍵詞（keywords）、分類(lèi)號(hào)（classification）、doi碼（doi）、發(fā)表年份（year）、發(fā)表時(shí)間（create time）、期刊名稱(chēng)（journal name）、是否為核心期刊（isCore）、出版商（publisher）、期號(hào)（issue）、卷（volume）、頁(yè)碼（page）。

對(duì)于農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表概念類(lèi)（CAT），復(fù)用、定義了4個(gè)一級(jí)數(shù)據(jù)屬性，包括同樣復(fù)用了SKOS本體模型中的skos:prefLabel來(lái)標(biāo)識(shí)敘詞表中的概念名稱(chēng)，skos:altLabel標(biāo)識(shí)敘詞概念的別名，定義了敘詞概念編號(hào)（termcode）用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)敘詞概念，分類(lèi)編號(hào)（catid）描述敘詞概念所在的學(xué)科領(lǐng)域分類(lèi)。

2.4 本體驗(yàn)證與評(píng)估

本節(jié)根據(jù)病蟲(chóng)害信息資源為本體增加實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，并基于本體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)初步構(gòu)建的農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體模型進(jìn)行評(píng)估和迭代修正，以保證所建本體的規(guī)范性、專(zhuān)業(yè)性和適用性，使其能夠充分描述領(lǐng)域的概念體系，滿(mǎn)足實(shí)際的知識(shí)服務(wù)需求。

圖3 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體實(shí)例示意

農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體為病蟲(chóng)害相關(guān)的信息資源提供了一套語(yǔ)義表示框架，可對(duì)多來(lái)源、多載體的專(zhuān)業(yè)資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的知識(shí)描述。白葉枯病是我國(guó)水稻生產(chǎn)中的“三大病害”之一，嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[15]。選取水稻白葉枯病這一典型實(shí)例對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體模型進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，采用的主要數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害（第三版）》中水稻白葉枯病相關(guān)的文本數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)涉及的知識(shí)面廣，知識(shí)單元類(lèi)別多樣，詳細(xì)介紹了水稻白葉枯病的分布和危害、癥狀、病原、防治技術(shù)等信息。圖3為對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體進(jìn)行實(shí)例填充后的示意，展示了以“水稻白葉枯病”為核心的農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，說(shuō)明了水稻白葉枯病相關(guān)的研究論文，該論文的作者、所屬機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞、分類(lèi)號(hào)、期刊名稱(chēng)、發(fā)表年份、發(fā)表時(shí)間、頁(yè)碼、期號(hào)等外部特征和內(nèi)容特征信息，水稻白葉枯病與農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表相同的概念，該敘詞概念含有唯一標(biāo)識(shí)編號(hào)、分類(lèi)編號(hào)，水稻白葉枯病的病原、癥狀類(lèi)型、發(fā)生的國(guó)家和地區(qū)、危害對(duì)象，影響光合作用、養(yǎng)分輸送等植物生物過(guò)程，導(dǎo)致葉片干枯等外源物刺激性狀，及水稻白葉枯病自身的別名、農(nóng)業(yè)防治措施等屬性特征。由此可驗(yàn)證，農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體實(shí)現(xiàn)了多種資源的整合與關(guān)聯(lián)，為下一步基于多源數(shù)據(jù)構(gòu)建領(lǐng)域知識(shí)圖譜提供語(yǔ)義基礎(chǔ)。

本體的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)一般包括清晰性、一致性、完善性和可擴(kuò)展性[16]。清晰性指所定義的類(lèi)和屬性是明確的，不存在歧義；一致性指類(lèi)間的關(guān)系在邏輯上是一致的；完善性指所定義的領(lǐng)域內(nèi)類(lèi)和屬性是完整的，可以用于描述主要參考數(shù)據(jù)源中的知識(shí)體系；可擴(kuò)展性指當(dāng)農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)新的概念時(shí)，本體可規(guī)?；?cái)U(kuò)展。筆者邀請(qǐng)植物保護(hù)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)本體進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)過(guò)討論，專(zhuān)家認(rèn)為農(nóng)作物病蟲(chóng)害科學(xué)著作描述了病蟲(chóng)害的各方面信息，卻缺乏病蟲(chóng)害領(lǐng)域概念體系間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表僅使用“用、代、屬、分、族參”描述敘詞概念的層級(jí)關(guān)系，科技文獻(xiàn)本體同樣缺乏對(duì)于病蟲(chóng)害的清晰針對(duì)性描述。因此，總的來(lái)說(shuō)，本文構(gòu)建的領(lǐng)域本體相較于單一資源包含了較為完整的農(nóng)作物病蟲(chóng)害概念體系，類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)及屬性可以清晰、有邏輯、細(xì)粒度地揭示水稻白葉枯病的相關(guān)知識(shí)以及知識(shí)間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，通過(guò)迭代優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)本體的擴(kuò)充與優(yōu)化。因此，本文所構(gòu)建領(lǐng)域本體符合上述評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)通過(guò)填充水稻病蟲(chóng)害實(shí)例驗(yàn)證了本體的有效性，可適用于大規(guī)模的農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體構(gòu)建，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化知識(shí)服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

3 農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的形式化表示

本體的描述語(yǔ)言可以使本體的表示更加形式化，并且可以使其被計(jì)算機(jī)所理解和處理。其中，OWL語(yǔ)言具有較好的語(yǔ)義表達(dá)能力，病害、蟲(chóng)害的名稱(chēng)可以作為SKOS[17]詞表中概念（skos:Concept）下的實(shí)例進(jìn)行聲明，概念在傳統(tǒng)的知識(shí)組織體系中也大量存在，運(yùn)用SKOS語(yǔ)言可以繼承其中的知識(shí)，形成領(lǐng)域概念體系，以提高與敘詞表等知識(shí)組織體系的共享和互操作，因此本文釆用OWL+SKOS語(yǔ)言對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害領(lǐng)域本體進(jìn)行形式化的表示，具體如下。

（1）類(lèi)的OWL+SKOS表示。農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體中的類(lèi)用OWL中的類(lèi)Class進(jìn)行表示，類(lèi)間的層次關(guān)系用subClassOf來(lái)體現(xiàn)。如創(chuàng)建病蟲(chóng)害類(lèi)（DiseaseAnd Pest）的子類(lèi)蟲(chóng)害（Pest），設(shè)置其中文標(biāo)簽為“蟲(chóng)害”，英文標(biāo)簽為“Pest”，同時(shí)用skos:Concept將其定義為領(lǐng)域內(nèi)的一類(lèi)概念，OWL+SKOS代碼如下。

Pest

蟲(chóng)害

（2）對(duì)象屬性的OWL表示。對(duì)象屬性即Object Property，對(duì)象屬性用于創(chuàng)建類(lèi)之間的關(guān)系。如創(chuàng)建對(duì)象屬性影響（affect）并設(shè)置其定義域?yàn)椴『︻?lèi)（Disease），值域?yàn)橹参锷镞^(guò)程類(lèi)（PlantBiologicalProcess），英文標(biāo)簽為“affect”，中文標(biāo)簽為“影響”，OWL代碼如下。

affect

影響

（3）數(shù)據(jù)屬性的OWL表示。數(shù)據(jù)屬性即Datatype Property，數(shù)據(jù)屬性可以為實(shí)體賦予一個(gè)具體的屬性值。如建立在數(shù)據(jù)屬性防治技術(shù)（control technology）下的子數(shù)據(jù)屬性藥劑防治（potion measure），并設(shè)置其英文標(biāo)簽為“potion measure”，中文標(biāo)簽為“藥劑防治”O(jiān)WL代碼如下。

上述基于OWL+SKOS的農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體形式化表示，通過(guò)將語(yǔ)義信息存儲(chǔ)為結(jié)構(gòu)化的形式化代碼，實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域知識(shí)從計(jì)算機(jī)可讀向計(jì)算機(jī)可理解、可推理發(fā)展，為農(nóng)作物病蟲(chóng)害語(yǔ)義共享與互操作、語(yǔ)義推理和語(yǔ)義檢索提供支撐。

potion measure

藥劑防治

4 總結(jié)與展望

中國(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害種類(lèi)繁多，每年因病蟲(chóng)害導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。本體建模是有效揭示農(nóng)作物病蟲(chóng)害概念體系的重要手段。本文針對(duì)農(nóng)業(yè)植物保護(hù)領(lǐng)域的特點(diǎn)提出了農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體的構(gòu)建目標(biāo)與構(gòu)建流程，詳細(xì)介紹了本體構(gòu)建流程中的各個(gè)步驟。完成了本體概要模型設(shè)計(jì)，運(yùn)用Protégé工具完成了核心類(lèi)及屬性的定義，并將領(lǐng)域本體與通用的科技文獻(xiàn)本體及現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)科學(xué)敘詞表敘詞概念進(jìn)行深度融合，以水稻白葉枯病實(shí)例開(kāi)展了本體的驗(yàn)證與評(píng)估，最后基于本體描述語(yǔ)言對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體進(jìn)行了形式化表示，以期為農(nóng)業(yè)植物保護(hù)領(lǐng)域提供可復(fù)用的本體構(gòu)建流程以及規(guī)范化的語(yǔ)義表示模型，促進(jìn)領(lǐng)域知識(shí)與外部知識(shí)的深度融合與共享，提升知識(shí)的利用效率。

知識(shí)圖譜是人工智能的重要組成部分，也是機(jī)器實(shí)現(xiàn)認(rèn)知智能的基石。未來(lái)，在應(yīng)用層面，基于本文所構(gòu)建的面向多源數(shù)據(jù)深度融合的農(nóng)作物病蟲(chóng)害本體，可結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建中的實(shí)體識(shí)別、關(guān)系抽取、屬性抽取等場(chǎng)景，進(jìn)而支撐病蟲(chóng)害輔助分析、決策支持、知識(shí)推理、智能問(wèn)答等應(yīng)用。