地质年代本体及其在语义检索中的应用

doi:10.12082/dqxxkx.2018.170328

地球信息科学学报 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (1): 17-27.doi: 10.12082/dqxxkx.2018.170328

• 地球信息科学理论与方法 • 上一篇下一篇

地质年代本体及其在语义检索中的应用

侯志伟^1,²(), 诸云强^1,^4,⁵, 高楹³, 宋佳^1,^*(), 秦承志^1,^2,⁴

1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室 ,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
3. 首都师范大学燕都学院,北京 100048
4. 江苏省地理信息协同创新中心, 南京 210023
5. 白洋淀流域生态保护与京津冀可持续发展协同创新中心,保定 071002

收稿日期:2017-07-17 修回日期:2017-10-18 出版日期:2018-01-20 发布日期:2018-01-20
通讯作者: 宋佳 E-mail:houzw@lreis.ac.cn;songj@lreis.ac.cn
作者简介:
作者简介：侯志伟(1989-),男,湖南永兴人,博士生,研究方向为地学智能建模环境和地学数据共享。E-mail: houzw@lreis.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目（41371381）;国家自然科学基金重点项目（41631177）;科技基础性工作专项（2013FY110900）;贵州省公益性基础性地质工作项目（黔国土资地环函[2014]23号）;贵州省国土资源可持续发展战略研究（黔国土资源函[2016]269号）

Geologic Time Scale Ontology and Its Applications in Semantic Retrieval

HOU Zhiwei^1,²(), ZHU Yunqiang^1,^4,⁵, GAO Ying³, SONG Jia^1,^*(), QIN Chengzhi^1,^2,⁴

1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Honours College of Capital Normal University, Beijing 100048, China
4. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
5. Baiyangdian Lake Ecological Protection and Sustainable Development of Jing-jin-ji Collaborative Innovation Center, Baoding 071002, China

Received:2017-07-17 Revised:2017-10-18 Online:2018-01-20 Published:2018-01-20
Contact: SONG Jia E-mail:houzw@lreis.ac.cn;songj@lreis.ac.cn
Supported by:
Natural Science Foundation of China, No.41371381, 41631177;National Special Program on Basic Works for Science and Technology of China, No.2013FY110900;the Public and Basic Geological Project of Guizhou Province, China, No.[2014]23;GuiZhou Welfare and Basic Geological Research Program of China, No.201423, 2016269.

摘要/Abstract

摘要：

不同国家、语言和版本的地质年代概念体系中普遍存在的语义异构问题,以及概念之间、概念与数据之间缺少语义关联等问题,阻碍了概念的准确理解和应用,难以满足数据集成、检索的应用需求。地质年代本体是解决这些问题的有效方式。但现有研究主要针对国际地质年代概念体系,其内容和表达方式不完全适用于国内的概念体系。本文提出以中国地质年代和地层概念体系为主的地质年代本体,设计了本体中各概念属性信息,尤其是时间信息的语义表达方法。在此基础上采用模块化方法相应构建了本体,并设计实现了一个本体应用原型系统,提供了以地质年代本体知识库为基础的概念查询检索功能,以及融合全文检索技术和地质年代本体的数据语义检索功能。应用案例的初步结果表明,本研究构建的地质年代本体能为用户提供表现形式多样的知识查询服务,能较好地解决地学概念与数据中存在的语义异构、关联缺失问题,更为智能、完整、准确地完成地学数据的语义检索。

关键词: 地质年代, 地层, 本体, 知识图谱, 语义检索

Abstract:

Different countries or organizations publish different versions or language editions of geologic time scales. Problems of ambiguity, such as synonymy or near-synonym and polysemy or other kinds of semantic heterogeneity arise in those geochronological concept systems, along with the lack of semantic linkage among different concepts and data, have hindered people from understanding and using those concepts accurately. Also, this caused insufficient results of integration and retrieval of geo-data for users’ requirements. The ontology of geologic time proved to be an effective solution to these problems. However, current studies focus on international geologic time scales, and their content and formalizations are not fully applicable in China. In this paper, we present a new Geologic Time Scale Ontology which mainly focuses on Chinese geochronological and stratigraphic concept systems. It describes the formalizations of attributes, especially the temporal features and relations of those concepts. It adopts a modular method to build this ontology. In addition, we propose a design of a pilot system to study the utility of this ontology as the basis of a geoscience knowledge graph in knowledge retrieval. Furthermore, we implemented an approach of semantic geo-data retrieval in the pilot system which uses a hybrid strategy of fulltext and ontology-based search. Applications of knowledge graph and geo-data retrieval based on the abilities such as temporal reasoning of Geologic Time Scale Ontology, proved that the proposed researches are effective in resolving semantic heterogeneity issues in geoscience knowledge and data. They can not only facilitate discovery of geoscience knowledge but also achieve the function of semantic data retrieval more intelligently, comprehensively and accurately for the discovery of specified and relevant data.

Key words: geological time, stratum, ontology, knowledge graph, semantic retrieval

侯志伟, 诸云强, 高楹, 宋佳, 秦承志. 地质年代本体及其在语义检索中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(1): 17-27.DOI:10.12082/dqxxkx.2018.170328

HOU Zhiwei,ZHU Yunqiang,GAO Ying,SONG Jia,QIN Chengzhi. Geologic Time Scale Ontology and Its Applications in Semantic Retrieval[J]. Journal of Geo-information Science, 2018, 20(1): 17-27.DOI:10.12082/dqxxkx.2018.170328

图/表 9

表1

图1

表2

地质年代本体模块定义"

模块名称	主要内容	主要概念类	主要属性/关系	概念实例示例
基础时间本体	时间类型、单位、方向;时间属性与关系、时间信息描述规则	时间单位,时间坐标系,百万年等	timeAfter、intAfter、intMeets、intContains	B.P.、逆时、百万年、145Ma
中国地质年代	中国地层表中确定的地质年代	宙、代、纪、世、期等	对应年代地层/对应国际地质年代	阳新世、周口店期
国际地质年代	国际地层委员会确定的地质年代	Eon、Era、Period、Epoch、Age等	对应年代地层、对应中国地质年代	Cambrian Period、Calabrian Age
全球界线层型剖面与点位	国际地层委员会确定的作为两个年代地层单位之间界线的定义和识别标准的专有标志点	按国际年代地层单位分类	地质年龄、经度、纬度、地理位置、综合图链接	Tortonian、Messinian
中国年代地层	在特定地质时间间隔内形成的岩石体。其顶底界线都是以等时面为界的	宇、界、系、统、阶等	标准RGB颜色、地质年龄、符号、岩性特征	第四系、更新统、周口店阶
国际年代地层	国际地层委员会确定的年代地层划分	Eonothem、Erathem、Series、System、Stage等	标准RGB颜色、地质年龄、符号、岩性特征	Guadalupian、Calabrian
中国岩石地层	根据地壳中岩石的特征和相互关系组织成的地层单位	群、组、段、层等	特点、正层型、分布	泰山岩群、上湖组、绒布寺冰碛层
中国事件地层	利用能在地层中留下某种印记并可被识别的较大范围分布的等时地质事件划分的对比地层	事件层、事件带、事件面及沉积事件、气候事件等	事件发生年代、事件发生区域、事件标志物	加里东运动、三叶虫首现、南极冰盖重大扩张
中国生物地层	将岩层根据地层中所含化石的特性编制成的若干地层单元	富集带、谱系带等;脊索动物门等	标准化石、包含生物种类	Claraia aurita富集带、三叶虫

表2

图2

图3

图4

图5

图 6

图7

参考文献 39

[1]	万晓樵,王成善,吴怀春,等.从地层到地时[J].地学前缘,2014,21(2):1-7.
	[ Wan X Q, Wang C S, Wu H C, et al.From stratigraphy to Earthtime[J]. Earth Science Frontiers, 2014,21(2):1-7. ]
[2]	陈宣华,董树文,史静.地质年代学发展历史的简要回顾及前景[J].世界地质,2009,28(3):384-96. doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2009.03.019
	[ Chen X H, Dong S W, Shi J.Brief review and prospect of geochronological development[J]. Global Geology, 2009,28(3):384-96. ] doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2009.03.019
[3]	邬宽廉,左群超,邬可筠.建立地质图数据库的地质年代代码问题[J].地质通报,2008,27(7):1103-6. doi: 10.3969/j.issn.1671-2552.2008.07.025
	[ Wu K L, Zuo Q C, Wu K Y.Problems in the codes of geological ages in the process of establishment of the geological map database[J]. Geological Bulletin of China, 2008,27(7):1103-1106. ] doi: 10.3969/j.issn.1671-2552.2008.07.025
[4]	Cox S J, Richard S M.A formal model for the geologic time scale and global stratotype section and point, compatible with geospatial information transfer standards[J]. Geosphere, 2005,1(3):119-37. doi: 10.1130/GES00022.1
[5]	樊隽轩,张华,侯旭东,等.古生物学和地层学研究的定量化趋势——GBDB数字化科研平台的建设及其意义[J].古生物学报,2011,50(2):141-53.
	[ Fan J X, Zhang H, Hou X D, et al.Quantitative research trends in Palaeobiology and Stratigraph - Construction of the GeoBiodiversity Database (GBDB) using e-science technology[J]. Acta Palaeontologica Sinica, 2011,50(2):141-153]
[6]	董少春,尹宏伟,许刚.地质时间本体在异构数据检索中的应用[J].地球信息科学学报,2010,12(2):194-199.
	[ Dong S C, Yin H W, Xu G.Application of geologic time ontology in heterogeneous data searching[J]. Journal of Geo-Information Science, 2010,12(2):194-199. ]
[7]	李学军. 地学论文中常见的表达问题及解决方法和建议[J].中国科技期刊研究,2011,22(5):779-83.
	[ Li X J.Solutions and suggestions for common expression problems in geoscience papers[J]. Chinese Journal of Scientific and Technical Periodicals, 2011,22(5):779-83. ]
[8]	Ma X, Carranza E J M, Wu C, et al. A SKOS-based multilingual thesaurus of geological time scale for interoperability of online geological maps[J]. Computers & Geosciences, 2011,37(10):1602-1615. doi: 10.1016/j.cageo.2011.02.011
[9]	诸云强,孙九林.面向e-GeoScience 的地学数据共享研究进展[J].地球科学进展,2006,21(3):286-90. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2006.03.010
	[ Zhu Y Q, Sun J L.The research progress in Geo-data sharing based on e-GeoScience[J]. Advances in Earth Sciences, 2006,21(3):286-290. ] doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2006.03.010
[10]	Studer R, Benjamins V R, Fensel D.Knowledge engineering: Principles and methods[J]. Data & Knowledge Engineering, 1998,25(s1-2):161-197. doi: 10.1016/S0169-023X(97)00056-6
[11]	邓志鸿,唐世渭,张铭,等.Ontology 研究综述[J].北京大学学报(自然科学版),2002,38(5):730-738.
	[ Deng Z H, Tang S W, Zhang M, et al.Overview of ontology[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2002,38(5):730-738. ]
[12]	Ma X, Fox P.Recent progress on geologic time ontologies and considerations for future works[J]. Earth Science Informatics, 2013,6(1):31-46. doi: 10.1007/s12145-013-0110-x
[13]	Richard S M, Boisvert E, Brodaric B, et al.GeoSciML - A GML Application for Geoscience Information Interchange[J]. Philadelphia Annual Meeting, 2007:47-59. doi: 10.1007/978-3-540-72883-2_3
[14]	Ma X, Carranza E J M, Wu C, et al. Ontology-aided annotation, visualization, and generalization of geological time-scale information from online geological map services[J]. Computers & geosciences, 2012,40:107-119. doi: 10.1016/j.cageo.2011.07.018
[15]	徐增林,盛泳潘,贺丽荣,等.知识图谱技术综述[J].电子科技大学学报,2016,45(4):589-606.
	[ Xu Z L, Sheng Y P, He L R, et al.Review on techniques of knowledge graph[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2016,45(4):589-606. ]
[16]	刘峤,李杨,段宏,等.知识图谱构建技术综述[J].计算机研究与发展,2016,53(3):582-600. doi: 10.7544/issn1000-1239.2016.20148228
	[ Liu Q, Li Y, Duan H, et al.Knowledge graph construction techniques[J]. Journal of Computer Research and Development, 2016,53(3):582-600. ] doi: 10.7544/issn1000-1239.2016.20148228
[17]	Cox S J D, Richard S M. A geologic timescale ontology and service[J]. Earth Science Informatics, 2015,8(1):5-19. doi: 10.1007/s12145-014-0170-6
[18]	Perrin M, Mastella L S, Morel O, et al.Geological time formalization: an improved formal model for describing time successions and their correlation[J]. Earth Science Informatics, 2011,4(2):81-96. doi: 10.1007/s12145-011-0080-9
[19]	Raskin R G, Pan M J.Knowledge representation in the semantic web for Earth and environmental terminology (SWEET)[J]. Computers & Geosciences, 2005,31(9):1119-1125. doi: 10.1016/j.cageo.2004.12.004
[20]	Allen J F.Maintaining knowledge about temporal intervals[J]. Communications of the ACM, 1983,26(11):832-843. doi: 10.1145/182.358434
[21]	Hobbs J R, Pan F.Time Ontology in OWL. 2006, Time Ontology in OWL. 2006, .
[22]	Laxton J, Serrano J-J, Tellez-Arenas A.Geological applications using geospatial standards: An example from OneGeology-Europe and GeoSciML[J]. International Journal of Digital Earth, 2010,3(1):31-49. doi: 10.1080/17538941003636909
[23]	吴立新,徐磊,车德福.地层本体及其在大区域钻孔数据集成中的应用[J].武汉大学学报·信息科学版,2008,33(2):144-148.
	[ Wu L X, Xu L, Che D F.Stratum-Ontology and its application in bore-hole data integration[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2008,33(2):144-148. ]
[24]	熊义辉,汪新庆,李国庆.地层时空拓扑关系的计算机自动检查设计与实现[J].国土资源遥感,2016,28(1):197-202. doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.29
	[ Xiong Y H, Wang X Q, Li G Q.Design and realization of computer automatic checking of the stratigraphic spatio- temporal topological relationships[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2016,28(1):197-202. ] doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.29
[25]	全国地层委员会.中国地层表[J].地球学报,2014,35(3):附图1.
	[ National Commission on Stratigraphy of China, The Stratigraphic Chart of China ( Illustration 1)[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2014,35(3): Attached map 1. ]
[26]	Cohen K M, Finney S C, Gibbard P L, et al.The ICS International Chronostratigraphic Chart[J]. Episodes, 2013,36(3):199-204.
[27]	刘德良. 地球科学中时间段的定年问题——一种不同于地球化学的地球物理定年方法[J]. 中国科学技术大学学报,2011,41(1):1-8.
	[ Liu D L.Duration measurement in geological sciences : A geophysical approach[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2011,41(1):1-8. ]
[28]	柳成志,赵荣,赵利华.地球科学概论[M].北京:石油工业出版社,2006.
	[ Liu C Z, Zhao R, Zhao L H.Introduction to earth science[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2006. ]
[29]	王泽九,黄枝高,姚建新,等.中国地层表及说明书的特点与主要进展[J].地球学报,2014,35(3):271-276.
	[ Wang Z J, Huang Z G, Yao J X, et al.Characteristics and main progress of the stratigraphic chart of China and directions[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2014,35(3):271-276. ]
[30]	侯志伟,诸云强,高星,等.时间本体及其在地学数据检索中的应用[J].地球信息科学学报,2015,17(4):379-390. doi: 10.3724/SP.J.1047.2015.00379
	[ Hou Z W, Zhu Y Q, Gao X, et al.Time-ontology and its application in geodata retrieval[J]. Journal of Geo-information Science, 2015,17(4):379-390. ] doi: 10.3724/SP.J.1047.2015.00379
[31]	龚一鸣,张克信.地层学基础与前沿[M].武汉:中国地质大学出版社,2007.
	[ Gong Y M, Zhang K X.Basics and frontiers in stratigraphy[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2007. ]
[32]	彭善池. 全球标准层型剖面和点位(“金钉子”)和中国的“金钉子”研究[J].地学前缘,2014,21(2):8-26. doi: 10.13745/j.esf.2014.02.002
	[ Peng S C.Global standard stratotype-section and points (GSSP, "Golden Spike") and the GSSP research in China[J]. Earth Science Frontiers, 2014,21(2):8-26. ] doi: 10.13745/j.esf.2014.02.002
[33]	龚一鸣,史晓颖.关于时间、沉积与地层学的几点思考[J].地学前缘,2014,21(2):27-35. doi: 10.13745/j.esf.2014.02.003
	[ Gong Y M, Shi X Y.Thinking on time, sedimentation and stratigraphy[J]. Earth Science Frontiers, 2014,21(2):27-35. ] doi: 10.13745/j.esf.2014.02.003
[34]	李霖,朱海红,王红,等.基于形式本体的基础地理信息语义分析——以陆地水系要素为例[J].测绘学报,2008,37(2):230-235. doi: 10.3321/j.issn:1001-1595.2008.02.018
	[ Li L, Zhu H H, Wang H, et al.Semantic analyses of the fundamental geographic information based on formal ontology: Exemplifying hydrological category[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2008,37(2):230-235. ] doi: 10.3321/j.issn:1001-1595.2008.02.018
[35]	钟秀琴,刘忠,丁盘苹.基于混合推理的知识库的构建及其应用研究[J].计算机学报,2012,35(4):761-766.
	[ Zhong X Q, Liu Z, Ding P P.Construction of knowledge based on hybrid reasoning and its application[J]. Chinese Journal of Computers, 2012,35(4):761-766. ]
[36]	Noy N F, McGuinness D L. Ontology development 101: A guide to creating your first ontology[M]. Stanford knowledge systems laboratory technical report KSL-01-05 and Stanford medical informatics technical report SMI-2001-0880. 2001.
[37]	冯兰萍,朱礼军,蒋亚东.一种模块化本体构建方法研究[J].现代图书情报技术,2010,26(6):53-59.
	[ Feng L P, Zhu L J, Jiang Y D.Study on a method of building modular onotlogy[J]. New Technology of Library and Information Service, 2010,26(6):53-59. ]
[38]	冯志勇,李文杰,李晓红.本体论工程及其应用[M].北京:清华大学出版社,2007.
	[ Feng Z Y, Li W J, Li X H.Ontology engineering and its applications[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2007. ]
[39]	Lutz M, Klien E.Ontology-based retrieval of geographic information[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2006,20(3):233-260. doi: 10.1080/13658810500287107

本体名称	文献	主要内容	年代关系表达	概念时间值表达	应用
SWEET	Raskin等^[19]	国际地质年代	时间区间代数	“{百万年值}^[8]MYA”对象及其数值属性	建立概念关联,促进地学数据的发现与使用
Geological Time & Dating Ontology	Perrin 等^[18]	国际地质年代、地层、地质事件	OWL-Time 本体	GeochronologicBoundary 与GeochronologicInstant对象及其数值属性	地质年代及地层层序的形式化描述与关联、定年
GTS ontology	Ma等^[14]	国际地质年代、GSSP、多语言注释	gts:lowerThan等关系谓词	gts:upperBoundaryTime、gts:lowerBoundaryTime属性及其值	在线地质图地质年代信息标注、可视化
GTS ontology (isc{版本年})	Cox等^[17]	多版本国际地质年代与地层、GSSP、多语言注释	THORS本体	“{isc:Base年代}Time”对象及其数值属性	地学专家的地质年代参考系统,地质年代调查、发展参考资料

地质年代本体及其在语义检索中的应用

Geologic Time Scale Ontology and Its Applications in Semantic Retrieval

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 39

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	王志华, 杨晓梅, 周成虎. 面向遥感大数据的地学知识图谱构想[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(1): 16-28.
[2]	刘俊楠, 刘海砚, 陈晓慧, 郭漩, 郭文月, 朱新铭, 赵清波. 面向多源地理空间数据的知识图谱构建[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(7): 1476-1486.
[3]	黄娟, 陈崇成, 叶晓燕, 马腾. “民国清流”名人文化主题数据的组织和可视化方法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(5): 954-966.
[4]	赵斌, 韩晶晶, 史覃覃, 吉根林, 刘信陶, 俞肇元. 语义轨迹建模与挖掘研究进展[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 842-856.
[5]	贾梦姝, 张宇, 潘婷婷, 吴文周, 苏奋振. 面向互联网信息抽取的海洋环境灾害链本体构建——以台风灾害为例[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(12): 2289-2303.
[6]	高嘉良,余丽,仇培元,陆锋. 基于通用知识库的地理实体开放关系过滤方法[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(9): 1392-1401.
[7]	刘菊, 陈璨, 许珺. 基于众包的古琴名人时空信息采集与移动轨迹时空分析[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(6): 844-853.
[8]	刘强, 傅学庆, 黄华芳, 党海燕, 于国超, 李仁杰, 张军海. 基于LiDAR数据特征的湖相层三维地理信息提取[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(4): 489-495.
[9]	刘馨蕊, 张伟峰. 基于多维多值概念格的矿山生产地学本体构建研究[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(2): 176-185.
[10]	李婷, 付雁, 季民, 孙勇, 史青松. 基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(10): 1373-1380.
[11]	丁小辉, 张树清, 陈祥葱, 李华朋, 刘照. 时空对象行为分类与形式化表达[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(9): 1195-1200.
[12]	陆锋, 余丽, 仇培元. 论地理知识图谱[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(6): 723-734.
[13]	李威蓉, 诸云强, 宋佳, 孙凯, 杨杰. 地理空间数据来源本体及其在数据关联中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(10): 1261-1269.
[14]	孙凯, 诸云强, 潘鹏, 罗侃, 王东旭, 侯志伟. 形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(8): 1011-1021.
[15]	王东旭, 诸云强, 潘鹏, 罗侃, 侯志伟. 地理数据空间本体构建及其在数据检索中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(4): 443-452.