时间本体及其在地学数据检索中的应用

doi:10.3724/SP.J.1047.2015.00379

地球信息科学学报 ›› 2015, Vol. 17 ›› Issue (4): 379-390.doi: 10.3724/SP.J.1047.2015.00379

• • 下一篇

时间本体及其在地学数据检索中的应用

侯志伟^1,²(), 诸云强^1,^4,^*(), 高星^1,³, 潘鹏¹, 罗侃^1,², 王东旭^1,²

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. 中国南海研究协同创新中心, 南京 210093
4. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023

收稿日期:2014-12-02 修回日期:2015-01-04 出版日期:2015-04-10 发布日期:2015-04-10
通讯作者: 诸云强 E-mail:houzw.13s@igsnrr.ac.cn;zhuyq@igsnrr.ac.cn
作者简介:
作者简介：侯志伟(1989-),男,湖南永兴人,硕士生,研究方向为地学数据共享和地理信息技术与应用。E-mail:houzw.13s@igsnrr.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“基于元数据语义的地理空间数据关联方法研究”（41371381）;科技基础性工作专项重点项目“科技基础性工作数据资料集成与规范化整编”（2013FY110900）;国家科技基础条件平台-地球系统科学数据共享平台（2005DKA32300）

Time-Ontology and its Application in Geodata Retrieval

HOU Zhiwei^1,²(), ZHU Yunqiang^1,^4,^*(), GAO Xing^1,³, PAN Peng¹, LUO Kan^1,², WANG Dongxu^1,²

1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Collaborative Innovation Center of South China Sea Studies, Nanjing 210093, China
4. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

Received:2014-12-02 Revised:2015-01-04 Online:2015-04-10 Published:2015-04-10
Contact: ZHU Yunqiang E-mail:houzw.13s@igsnrr.ac.cn;zhuyq@igsnrr.ac.cn
About author:
*The author: SHEN Jingwei, E-mail:jingweigis@163.com

摘要/Abstract

摘要：

高效、准确地获取目标数据及其关联数据,是决定大数据共享与挖掘分析能否实现的关键因素。传统的数据检索方法无法利用地学数据间的显性或隐含关系,已不能满足日益增长的对检索结果质和量的需求,而本体理论和技术的语义检索成为当前的研究热点。本文针对时间这一地学数据的本质属性,在系统研究地学数据时间概念与特征的基础上,建立了地学数据时间本体模型,并深入论述了模型中的时间关系、时间坐标系等内容,提出了时间位置和时间距离的描述函数,同时研究了二者的本体表达方式。构建了包括地质年代等在内的地学数据时间本体库,并以语义网开发框架Jena为基础,经本体解析、元数据时间信息抽取与标注等过程,将时间本体应用于地球系统科学数据共享平台的元数据检索之中。结果表明,以时间本体的地学数据语义检索查全率约为关键字方法的1倍,检索结果排序,以及关联数据推荐方面也有更好的效果,为促进地学数据共享与关联发现提供了一种有效的方法。

关键词: 地学数据, 时间本体, 语义检索, 时间特征

Abstract:

The way to obtain the target data and relevant data efficiently and accurately has been a critical factor in data sharing and data mining during the era of BigData. The retrieval techniques which are currently in use could no more meet the increasing demands on quality and quantity for retrieving data, due to the unavailable usage of explicit and implicit relations among geodata. Current researches mainly focus on semantic retrieval, which is based on the theories and technologies of ontology. Taking consideration of time, an essential attribute of geodata, this paper constructed a geodata time-ontology model founded on the researches about the concepts and characteristics of temporal geodata. In addition, this article presented information about the temporal relations and time coordinate system, analyzed the functions for time position and time distance, and studied their formalization. In the end, a time-ontology base had been built up according to the time-ontology model, and an application had been developed using Apache Jena, a free and open source Java framework for building semantic web and linked data applications. After parsing the ontologis, extracting and annotating the time expressions from the metadata, the time ontology had been further applied to the retrieval of metadata from the data sharing infrastructure of earth system science. Results of these experiments show that the semantic geodata retrieval based on time-ontology has doubled the recall ratio, and it also performs much better than traditional information retrieval methods from the perspective of linked data recommendation and result sorting, which provides an effective approach for sharing geodata and finding linked data.

Key words: geodata, time-ontology, semantic retrieval, temporal characteristics

侯志伟, 诸云强, 高星, 潘鹏, 罗侃, 王东旭. 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 Zhiwei,ZHU Yunqiang,GAO Xing,PAN Peng,LUO Kan,WANG Dongxu. 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

图/表 15

图1

表1

表2

表3

表4

表5

图2

图3

图4

表6

公历时间粒度转换序列"

时间粒度	亿年	百万年	万年	世纪	年代	年	月	日	小时	分	秒
粒度序号	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5
转换系数	$10 - 8$	$10 - 6$	$10 - 4$	$10 - 2$	$10 - 1$	1	12	365	8.76 $× 103$	5.256 $× 105$	3.1536 $× 107$

表6

图5

图6

表7

图7

图8

参考文献 37

[1]	王卷乐,林海,冉盈盈,等.面向数据共享的地球系统科学数据分类探讨[J].地球科学进展,2014,29(2):265-274.
[2]	Lutz M,Klien E.Ontology-based retrieval of geographic information[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2006,20(3): 233-260.
[3]	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):286-290.
[4]	Studer R, Benjamins V R,Fensel D.Knowledge engineering: principles and methods[J]. Data & knowledge engineering, 1998,25(1): 161-197.
[5]	Kiryakov A, Popov B, Ognyanoff D, et al.Semantic annotation,indexing,and retrieval[C]. In: Sycara K,Mylopoulos J (eds). The Semantic Web-ISWC 2003. Berlin: Springer, 2003: 484-499.
[6]	Klien E, Lutz M,Kuhn W.Ontology-based discovery of geographic information services——An application in disaster management[J]. Computers,environment and urban systems, 2006,30(1):102-123.
[7]	虞为,曹加恒,陈俊鹏.基于本体的地理信息查询和排序[J].计算机工程,2007,33(21):157-159.
[8]	宋佳. 基于地理本体时空特征的全文语义检索研究.博士学位论文[D].北京:中国科学院研究生院,2008.
[9]	宋佳,王卷乐,诸云强,等.基于地理空间本体的语义检索相关度研究[J].计算机工程与应用,2011,47(5):114-117.
[10]	Gui Z,Yang C,Xia J,et al.A performance,semantic and service quality-enhanced distributed search engine for improving geospatial resource discovery[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2013,27(6): 1109-1132.
[11]	Guo M W.The application of ontology in semantic discovery for GeoData web service[J]. Communications and Network, 2013,5: 678.
[12]	Wang Z,Xu C.The research of web information retrieval based on temporal information[C]. Proceedings of the 2012 National Conference on Information Technology and Computer Science, 2012.
[13]	Alonso O,Gertz M,Baeza-Yates R.On the value of temporal information in information retrieval[C]. Proceedings of the ACM SIGIR Forum, 2007.
[14]	Fernández-López M,Gómez-Pérez A,Suárez-Figueroa M C. Methodological guidelines for reusing general ontologies[J]. Data & Knowledge Engineering, 2013,86: 242-275.
[15]	Zhang C,Cao C,Sui Y,et al.A Chinese time ontology for the Semantic Web[J]. Knowledge-Based Systems, 2011,24(7): 1057-1074.
[16]	Hobbs J R, Ferguson G, Allen J, et al. A daml ontology of time[EB/OL]. , 2002-08-30.
[17]	Hobbs J.Toward an ontology of time for the semantic web[C]. Proceedings of the Workshop on Annotation Standards for Temporal Information in Natural Language,Third International Conference on Language Resources and Evaluation, 2002.
[18]	W3C. Time Ontology in OWL[EB/OL]. , 2006-09-27.
[19]	Pan F,Hobbs J R.Time in owl-s[C]. Proceedings of the AAAI-04 Spring Symposium on Semantic Web Services, 2004.
[20]	Stanford University KSL. KSL-Time[DB/OL]. , 2008-01-22.
[21]	HP Labs. Time Ontology in KIF[DB/OL]. , 1994.
[22]	Cycorp. Times and dates in Cyc[DB/OL]. , 2002.
[23]	Fikes R,Zhou Q.A reusable time ontology[C]. Proceedings of the AAAI-2002 Workshop on Ontologies and the Semantic Web, 2002.
[24]	成斌,陈跃新.基于Ontology的汉语时间语义分析[J].计算机与现代化,2005(6):109-112.
[25]	Allen J F.Maintaining knowledge about temporal intervals[J]. Communications of the ACM, 1983,26(11): 832-843.
[26]	Pan F.An ontology of temporal concepts for the semantic web and natural language[D]. Los Angeles: University of Southern California, 2007.
[27]	胡鹤. 本体方法及其时空推理应用研究[D].长春:吉林大学,2004.
[28]	吴孟泉. 基于本体驱动多源异构时空数据的农业地理信息分类与查询研究[D].北京:中国科学院研究生院,2007.
[29]	吴信才,曹志月.时态GIS的基本概念,功能及实现方法[J].地球科学:中国地质大学学报,2002,27(3):241-245.
[30]	Zhang F C,Zhou Z H,Xu X,et al.A bizarre Jurassic maniraptoran from China with elongate ribbon-like feathers[J]. Nature, 2008,455(23):1105-1108.
[31]	李军,周成虎.地学数据特征分析[J].地理科学,1999,19(2):158-162.
[32]	葛全胜,郑景云,郝志新,等.过去2000 年中国气候变化的若干重要特征[J].中国科学:地球科学,2012,42(6):934-942.
[33]	Gómez-Pérez A,Benjamins R.Overview of knowledge sharing and reuse components: Ontologies and problem-solving methods[C]. IJCAI and the Scandinavian AI Societies, CEUR Workshop Proceedings, 1999.
[34]	Hebeler J.Web 3. 0 与 Semantic Web 编程[M].北京:清华大学出版社,2010.
[35]	甘健侯,姜跃,夏幼明.本体方法及其应用[M].北京:科学出版社,2011.
[36]	诸云强,宋佳,冯敏,等. 地球系统科学数据共享软件研究与发展[J].中国科技资源导刊,2012(6):11-16.
[37]	郑业鲁,何绮云,钱平,等. 基于本体的农业知识管理系统构建方法[J].中国科学:信息科学,2010(40):196-204.

时间实体	时间关系
时间实体	相接	相离	相交	相等	包含
时间点-时间点		√		√
时间点-时间段	√	√	√		√
时间段-时间段	√	√	√	√	√
复合时间实体	√	√	√	√	√

关系谓词	英文	逆关系	继承父关系	表达式
早于	Before	晚于	相离	Before(T₁º, T₂º)
晚于	After	早于	相离	After(T₂º, T₁º)
在...之间	Between	-	相离	Between (T₁º, T₂º, T₃º)

关系谓词	英文	逆关系	继承父关系	表达式
早于	intBefore	晚于	相离	intBefore(T₁,T₂)
晚于	intAfter	早于	相离	intAfter(T_2, T₁)
包含	intContains	在…期间	包含	intContains(T₁,T₂)
在…期间	intDuring	包含	包含	intDuring (T_2, T₁)
结束于	intFinishs	以…结束	包含	intFinishs(T₁,T₂)
以…结束	intFinishedBy	结束	包含	intFinishedBy(T_2, T₁)
相接	intMeets	被相接	相接	intMeets(T₁,T₂)
被相接	intMetBy	相接	相接	intMetBy(T_2, T₁)
相交	intOverlaps	被相交	相交	intOverlaps (T₁,T₂)
被相交	intOverlapedBy	相交	相交	intOverlapedBy(T_2, T₁)
开始于	intStarts	以…开始	包含	intStarts(T₁,T₂)
以…开始	intStartedBy	开始	包含	intStartedBy(T_2, T₁)
不相交	intNonOverlap	—	相离	intNonOverlap(T₁,T₂)
相等	intEquals	—	相等	intEquals(T₁,T₂)

关系谓词	英文	逆关系	继承父关系	表达式
包含	insIntContains	在…之内	包含	insIntContains (T, t)
在…之内	insIntInside	包含	包含	insIntInside (t, T)
开始时间	timeStarts	结束时间	包含	timeStarts(t₁, T)
结束时间	timeFinishs	开始时间	包含	timeFinishs(t₂, T)

本体名称	主要概念	主要实例	主要属性	主要关系
基本时间概念本体	时间实体、时间方向、时间状态、历法、纪年	正向、完成态、阳历、公历纪年	时间波动频率、时间周期、时间分辨率、时间单位序列	有时间波动性描述、时间分辨率为
日历时间本体	年、月、日、星期等	1年、1月、1日、星期一等	时间单位、值	包含、相接、早于、晚于
钟表时间本体	时、分、秒等	0时,1分,1秒等	时间单位、值	包含、相接、早于、晚于
节气本体	节气	春分、夏至、秋分、冬至等	黄经度数、农事活动	日期为、黄经度数为
时间单位本体	时间单位、单位符号	百万年、世纪、年、月等	符号、下级换算系数	有下级单位
地质年代本体	宙、代、纪、世、期	元古宙、元古代、侏罗纪	开始时间、地质年龄	有地质年龄
年代地层本体	宇、界、系、统、阶	元古宇、元古界、侏罗系	岩层特征	有典型化石
年号本体	年号	贞观、康熙	帝王、开始时间	属于
历史朝代本体	历史朝代	秦朝、唐朝	都城、建立时间	有都城、建立时间为
时区与标准时间本体	时区、标准时间	东八区、北京时间	偏移小时数、偏移方向、中央经线	偏移小时数为、使用国家
节日纪念日本体	节日、纪念日	春节、“九一八”纪念日	日期	日期为、是否法定假日
重要历史事件本体	历史事件	西安事变	日期、主要人物	发生时间、代表人物

时间本体及其在地学数据检索中的应用

Time-Ontology and its Application in Geodata 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 15

参考文献 37

相关文章 6

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	刘亚溪, 宋辞, 刘起勇, 张知新, 王席, 马佳, 陈晓, 裴韬. 重庆市新型冠状病毒肺炎流行时空特征及其与人群活动性的关系[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(2): 222-235.
[2]	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.
[3]	方志祥, 于冲, 张韬, 冯明翔, 倪雅倩. 手机用户上网时段的混合Markov预测方法[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(8): 1019-1025.
[4]	王卷乐, 游松财, 谢传节, 诸云强. 面向Web的地学数据共享服务平台架构设计[J]. 地球信息科学学报, 2004, 6(4): 62-65.
[5]	杜云艳, 周成虎, 邵全琴, 苏奋振, 史忠植, 叶施仁. 案例推理的地学应用背景和方法[J]. 地球信息科学学报, 2002, 4(1): 98-103.
[6]	龚建华. 地学三维可视化[J]. 地球信息科学学报, 1996, 0(2): 34-37.