基于BFO构建中文植物物种多样性领域本体的研究*
段宇锋, 黄思思
华东师范大学商学院 上海 200241
段宇锋, ORCID: 0000-0002-4319-2837, E-mail: yfduan@infor.ecnu.edu.cn

作者贡献声明:段宇锋: 提出研究目标、研究思路, 设计研究方案, 论文最终版本修订; 黄思思: 实施本体构建, 论文起草。

摘要
目的建立中文植物物种多样性本体。方法以BFO作为上层本体, 参考KACTUS法, 通过复用PO构建中文植物物种多样性本体。具体过程包括对PO裁剪与合并、增加实体、添加关系、汉化术语以及填充实例等环节。结果建立涵括720条实体和4 000多个实例的中文植物物种多样性本体。并依据该本体, 使用OWL语言实现《中国植物志》中“象橘”描述知识片段的形式化表示。【局限】由于该领域缺乏完善的词典, 因而本体未能穷举实例。结论建立的本体能够较好地支持植物物种多样性知识的形式化表示。
关键词: 植物物种多样性; 领域本体; BFO; PO
中图分类号:G350 TP18
Research on Construction of Chinese Plant Species Diversity Domain Ontology Based on BFO
Duan Yufeng, Huang Sisi
Business School, East China Normal University, Shanghai 200241, China
Abstract

[Objective] Establish Chinese Plant Species Diversity Domain Ontology. [Methods] With BFO as the upper Ontology, this paper takes KACTUS method as a reference to build the Chinese Plant Species Diversity Domain Ontology by reusing PO. The specific process includes cutting and consolidation of PO, increase of entities, accretion of relations, Chinese localization of terminology and filling of instances. [Results] This paper establishes a Chinese Plant Species Diversity Domain Ontology which includes 720 entities and more than 4 000 instances. Furthermore, some knowledge fragments on description of Feronia Limonia from “Flora of China” are expressed based on the Ontology using OWL. [Limitations] The Ontology does not exhaust instances due to the lack of a perfect field dictionary. [Conclusions] The Chinese Plant Species Diversity Domain Ontology can support the formal representation of knowledge on plant species diversity.

Keyword: Plant Species Diversity; Domain Ontology; BFO; PO
1 引言

随着社会的发展, 人类的知识创新和信息生产能力越来越强, 计算机和网络的普及进一步加速了这一进程。IDC (International Data Corporation)的研究表明, 仅2009年, 人类生产的数字信息总数就多达800 PB, 而且每年还在以40%的速度增长[1]。海量信息的产生对计算机自主理解和处理能力提出了更高的要求。在这样的背景下, 本体作为重要的知识表示技术得到广泛重视。许多领域和机构都依据自身需要和特点开发了本体。

然而, 领域的知识表示是一个庞大的系统工程, 由于知识的局限性、人力、物力等因素的制约, 仅靠单一组织很难建立完善的领域本体, 需要通过集成相关本体来实现[2]。但是, 不同组织和专家开发本体时由于没有遵循一致的标准和规范, 因而对本体的复用、整合带来极大的困难。为此, 人们建立了一些顶层本体, 如通用形式化本体(General Formal Ontology, GFO)、OpenCyc/ResearchCyc、推荐顶层合并本体(Suggested Upper Merged Ontology, SUMO)[3]等。

在生物、医学领域, 基本形式化本体(Basic Formal Ontology, BFO)[4]是影响最广泛的顶层本体之一, 建于2002年, 由Volkswagen基金赞助的生命形式项目所支持。它从三维(立体空间)及四维(立体空间、时间)的角度对事物进行基本划分, 又使其归于统一框架之内, 进而分别进行后续分类, 这使其得以表征事物的静态与动态、空间与时间特征。目前。全球至少有130多个团队在应用BFO构建本体。例如, 瑞士日内瓦大学与纽约州立大学水牛城分校基于BFO构建的心理机能本体, 涵盖了心理过程、精神障碍等方面的知识[5]; Jozef Stefan研究所构建的OntoDM本体, 它希望通过应用BFO实现与其他本体的兼容性, 以最终实现跨领域推理[6]; 迈阿密大学则为了更便利地对生物检测进行分类以及对实验数据进行分析, 基于BFO建立了BioAssay Ontology(BAO)[7]。美国国家科学基金会等支持开发的植物本体(Plant Ontology, PO)[8]遵循的基本思想也是BFO, 该本体对植物组成结构及成长阶段两个方面的知识进行了多个层次的呈现, 但在植物物种特征上尚缺乏相应的描述模块, 无法充分体现植物物种多样性, 这也是本研究要解决的问题。

2 BFO概述

BFO是一个顶层本体, 其目标是服务于相关科学领域数据的集成, 以支持信息检索、分析和整合。作为顶层本体, 它并不包含具体的物理、化学、生物等特定领域的术语[9]

2.1 BFO的结构

BFO将实体从SNAP、SPAN两个视角划分成持续性实体(Continuants)和过程性实体(Occurrents)。SNAP视角呈现的是在特定瞬间里空间与存在其内的实质性实体, 包括各个部分及依赖性存在的性质属性; SANP视角则负责呈现时空及存在其内的过程或“ 时空延展区” 。两者都不能独立地完成对现实世界的全面描述, 需要相互支撑, 形成完整的体系。

持续性实体是在任何时间内以一个完整的整体而存在, 时刻保持自身恒定本质的实体。持续性实体进一步分为空间区域、独立持续性实体、非独立持续性实体。过程性实体是指在一定时间内发生、展开、发展的实体, 它不仅在空间上伸展, 还在时间上有所扩展。过程性实体分为时空区域、过程实体、时间区域。

在BFO中, 实体(Entity)的含义与“ 类” (Class)相似, 但它不仅仅是具有特定属性的独立存在物的抽象, 也包含属性本身; 实例(Instance)是客观世界中的独立存在物, 是实体的实例化。

2.2 BFO体系中的关系

科学知识体系是庞大而复杂的, 上述体系仅仅是对存在的实体进行分类和枚举, 尚未系统地反映实体间的联系。因此, 引入关系概念, 建立实体间的联系是本体的重要构成部分。BFO从两个维度建立关系:

(1) 通用的关系。包括实体间的关系、实体与实例间的关系、实例间的关系。

(2) 基于视角的关系。包括本体内关系、跨本体关系、本体间关系。

3 植物物种多样性本体的构建

生物多样性包括生态系统多样性、物种多样性和基因多样性[10]。其中, 物种是最接近生物的自然单元[11], 因此, 物种多样性是生物多样性的基础。物种多样性是指地球上所有生物物种及其各种变化的总体。这意味着物种是构成物种多样性的基本单元, 也是研究物种多样性的前提和基础[12]

植物是物种多样性研究的重要对象, 国内外生物学知识基础设施建设都将植物物种多样性知识作为重要组成部分。但令人遗憾的是, 迄今仍无成熟的本体。鉴于此, 本研究从分析《中国植物志》入手, 构建植物物种多样性本体。

3.1 确定本体构建目标

以在线《中国植物志》[13]中“ 象橘” 的描述为例, 文本内容如表1所示:

表1 《中国植物志》中“ 象橘” 的描述内容

(1) 语段1为物种的中文、拉丁名以及分类信息。

(2) 语段2为物种的发现人、命名人等信息, 与植物形态表征无关, 暂不处理。

(3) 语段3是对植株及各器官部位的特征描述, 是本研究分析的重点。语段包括①-⑥分句, 其中①描述物种的生长习性; ②描述该物种的树皮特征; ③则是对叶进行描述; ④描述花的特征; ⑤描述的是果实; ⑥表述的是花期这一与植物生长阶段相关的信息。当然, 分析仅仅停留在句子级显然是不够的。例如, 句③可进一步划分为“ 叶有小叶5-7片, ……成长叶无毛” 和“ 叶轴通常有略明显的翼叶” 两个部分。其中, 前一句描述的是叶这一复合器官中小叶的特征, 具体包括数量、叶柄状态、形状、长度、宽度、顶端形状、形态、基部形态、叶缘形态以及叶片毛状态。后一句描述的是叶这一复合器官中叶轴的特征, 可以得到叶轴部分的翼叶状态。

(4) 语段4反映物种所分布的行政区域。

(5) 语段5虽有对物种的描述, 但落脚于经济和应用价值, 暂不作为目标内容分析。

由上述分析可知, 植物物种多样性本体应涵括以下方面的知识:

(1) 物种分类知识。包括门、纲、目、科、属、种的概念, 并建立相邻分类位置概念间的关系。

(2) 物种的器官及解剖结构知识。包括植物器官和解剖结构的概念以及概念间的关系, 并建立物种与结构概念间的关系。

(3) 物种的形态特征知识。包括生长方式、形态、形状、颜色、质地的概念, 并建立物种及其器官、解剖结构与形态特征概念间的关系。

(4) 环境和地域知识。包括生境、栖息地、保护区、行政区域和环境条件的概念, 并建立物种与地域和环境概念间的关系。

3.2 选择本体构建方法

目前, 经常被提及和使用的本体构建方法有Methontology法、IDEF5法、TOVE法、骨架法、SENSUS法、KACTUS法等[14]。其中, SENSUS法和KACTUS法都是以复用本体为基本策略。SENSUS法主要面向电子信息领域, 虽然方法步骤较为细致, 但通用性略显不足。KACTUS法源于同名项目, 即“ 关于多用途复杂技术系统的知识建模” [15]

KACTUS法包括以下实施步骤:

(1) 应用说明: 提供应用的上下文和应用模型所需的组件;

(2) 相关知识本体范畴的初步设计: 搜索已存在的知识本体, 进行提炼、扩充;

(3) 知识本体的构造: 用最小关联原则来确保模型既相互依赖, 又尽可能一致, 以达到最大限度的系统同构[16]

与SENSUS法相比, KACTUS法更加理念化, 着重于知识复用这一目标, 虽然提出的步骤略显宽泛, 但却增强了适用性。因此, 本研究选取KACTUS法复用PO构建目标本体。

3.3 确定复用的本体

目前, 较有影响的植物领域本体大多以细胞或基因相关知识为内容, 只有PO较系统地囊括了植物解剖知识。而且, PO也以BFO为上层本体, 与笔者选择的顶层架构相吻合, 这是本研究选择复用PO的另一个原因。

(1) PO的实体。PO由植物解剖实体与植物结构发展阶段这两大部分组成, 含有1 691个实体项, 涉及植物解剖学结构、各个部分间的关系和植物发展阶段。

①植物解剖实体。该实体分为植物结构、形成空间的植物解剖结构和植物构成物质。

②植物结构生长阶段。该实体分为植物组织生长阶段、毛状体生长阶段、果实生长阶段、种子生长阶段、植株生长阶段、植物器官生长阶段、复合植物器官生长阶段这7个下属分类。其中, 果实生长阶段可与“ 果期” 相联系, 复合植物器官生长阶段下的花的生长阶段可与“ 花期” 相联系。

(2) PO的关系。PO中实体间的关系有adjacent_to、derives_by_manipulation_from、developmentally_preceded_ by、part_of、has_part、develops_from、has_participant、located_in、participates_in、preceded_by。从关系内容上看, 其不仅有普遍意义上的组成关系(part_of、has_part)、发展关系(develops_from), 还有针对于植物领域的特定关系(如derives_by_manipulation_from、developmentally_ preceded_by等)。从关系维度上看, 其不仅有同维度之间的关系, 还有跨维度的关系(如has_participant、participates_in), 这组关系将三维的植物结构同四维的植物生长阶段联系起来。

(3) 其他。PO中只有实体与相关关系, 没有实例。在描述方面, 除了普通的定义描述之外, 还使用了同义词这一描述, 并进一步分为狭窄同义词和精确同义词。其中, 狭窄同义词就是一般意义上的同义词, 即同一语种下表达相同含义的词汇; 而精确同义词实为对本体的语种补充, 目前PO中已有日语、西班牙语两种精确同义词。

3.4 建立植物物种多样性本体

虽然PO含有许多植物物种多样性知识体系中的基本概念, 但概念和关系仍然无法涵盖植物物种多样性知识。因此, 在PO的基础上按如下步骤建立目标本体。

(1) 对PO的裁剪与合并

PO设置了大量实体, 其囊括范围已经不仅仅是植物的结构, 对于植株的不同形态、离体培养植物器官都有所涉及, 这些是目标本体所不需要的。此外, PO的概念体系还涉及细胞领域, 对一些部位更是采用多维度识别, 如叶柄近轴端与叶柄近轴面, 这些同样没有必要涵括在目标本体中。

因此, 本研究保留PO的以下分类项(以PO整个结构中的第三层为切入点):

①植物结构下的复合植物结构的基本部分、毛状体、多组织植物结构和复合植物结构;

②形成空间的植物解剖结构;

③果实生长阶段;

④复合植物器官生长阶段下的花的生长阶段。

进而合并整理如下分类项: 将①和②合并为实体“ 植物解剖结构” ; 将③和④合并成为实体“ 植物生长阶段” 。

(2) 增加实体

PO主要揭示植物的解剖结构和结构间的关联, 并非对植株及其器官结构的特征描述。因此, 需要从以下方面增加实体:

①植物空间部位。在描述内容中存在着大量对器官结构空间部位的描述, 例如基部、顶部、背面等。虽然PO含有相关概念, 但却零散地分布于各个植物结构实体下, 大量重复(例如, 叶基部、茎基部、萼片基部等)。因此, 有必要独立建立空间部位实体。

②颜色、形状、形态、质地、生长形式、生长区域。不同植物部位具有不同属性, 如叶片上的毛状体有存在与否、质地、颜色属性, 茎有形状、形态、质地属性。但许多结构具有相同的属性实体(如颜色), 因此, 笔者从属性的角度设立上述属性实体。

③程度限定。在描述特征时常常使用表征程度的词汇, 如“ 近” 、“ 略” 等。为此, 增加程度限定实体。

④度量单位。部分属性的值是带有度量单位的数值或范围, 因此需增加此实体。

⑤植物分类体系。分类是植物物种多样性描述知识的重要内容, 因而增加该实体。

(3) 添加关系

PO本身定义了一些关系(见3.3节), 但都以反映植物结构间的组成及发展关系为目标。因此, 为了揭示特征描述知识, 需要添加两类关系:

①特征关系。特征关系用于呈现植物结构与相关特征的关联, 即表现出某特定结构所具备的某项特征的特征值, 如表2所示:

表2 特征关系

②分类关系。分类关系用于揭示植物分类知识, 即用于呈现植物分类体系中“ 门纲目科属种” 的关系, 如表3所示:

表3 分类关系

(4) 汉化术语

PO以英文为主要描述语言, 虽具备外文支持, 但仅有西班牙文和日文术语形式。本研究以建立中文植物物种多样性描述本体为目标, 此处选择对PO进行语言转化。由于PO只使用“ has_exact_synonym” 这一种属性进行多种语言的标识, 且Proté gé 无法进一步细分语言种类进行呈现, 为此, 笔者在PO中添加相应的中文术语, 并使其成为主要描述。具体方式为: 使用Proté gé , 将PO内实体的标签内容更换为相应的中文术语, 同时把英文术语作为外文术语支持保留下来。即为原本体的实体附加一条“ has_exact_synonym” 属性, 其值为原英文术语, 并为该属性添加值为“ English” 的“ has_synonym_type” 属性。以实体“ ovary wall” 为例, 转化后, 其标签内容为“ 子房壁” , 同时增加了一项值为“ ovary wall” 的“ has_exact_synonym” 属性, 该属性具有值为“ English” 的“ has_synonym_type” 属性。

(5) 填充实例

本研究构建本体不仅仅是为了揭示植物物种多样性知识体系, 还希望基于该本体进一步实现植物物种多样性知识的抽取、检索和推理。基于上述过程所形成的是表征植物物种多样性特征的属性实体, 如颜色、形状、质地等, 其中不包含具体的属性值。在缺少属性值的情况下, 将无法有效地进行植物物种多样性信息的处理。例如, 在“ 花瓣5, 白色或淡红色” 这句对于花的描述中, “ 白色” 和“ 淡红色” 是颜色的实例, 如颜色实体下不具备这两个实例, 且原句中并未明确指出这句话所表述的是花的颜色属性, 仅凭借原句无法准确地识别出上述特征。相对完善的实例体系才能支撑起后续植物物种多样性文本的分析、推理。具体填充类似于毛状体这一实体的颜色属性内便应有黄褐

色、灰褐色、褐色等实例, 即叶片上毛状体的颜色有黄褐色、灰褐色、褐色等。

由于实例的数量众多, 本研究采用批处理处理方式识别并向本体文件中填充实例。具体方式为:

①采用条件随机场(CRFs)与领域本体元素集相结合的算法识别候选实体[17];

②人工筛选候选实体, 形成实体列表;

③在依据OWL的句法规则定义实体自动添加规则的基础上, 逐行读取实体列表内容, 向本体文件中添加相应实例描述语句。譬如, 增加形状实例“ 长圆状卵形” 时向本体文件中添加如下语句:

< !-- http://www.ontology/plant-species-diversity#长圆状卵形 -->

< owl:NamedIndividual rdf:about="& psd; 长圆状卵形">

< rdf:type rdf:resource="& psd; 形状"/>

< /owl:NamedIndividual>

(6) 目标本体体系

本研究以BFO为上层本体, 采用KACTUS法复用PO, 建立的中文植物物种多样性本体含有720条实体, 4 000多个实例。其架构如图1所示:

图1 目标本体的基本架构

(注: 虚线框内的类项是为了更好地组织各个方面的信息所设置的等级项。)

①植物分类体系: 植物界的分类系统, 实体包括门、纲、目、科、属、种。

②植物解剖结构: 解剖视角下的植物的分解结构, 例如根、茎、花、花序、叶、果实等植物结构。

③植物空间部位: 植物解剖结构(叶片、茎等)的空间部位, 例如顶端、中部、下部、基部等。

④植物生长阶段: 植物在其一生中所经历的各种生长阶段, 具体为花期、果期。

⑤地域名称: 为地理区域概念, 例如亚洲中部、地中海、福建、贵州、四川等。

⑥颜色: 描述植株解剖结构色彩的概念, 例如浅绿色、灰褐色、紫红、棕褐色。

⑦形状: 描述植株解剖结构形状的概念, 例如卵圆形、长圆状、肾脏状。

⑧形态: 描述植株解剖结构形态的概念, 例如肥厚、细长、粗壮、小。

⑨质地: 描述植株解剖结构质地的概念, 例如革质、木质、纸质、膜质。

⑩生长形式: 描述植物生长形式的概念, 例如一年生、多年生、草本、藤本。

度量单位: 表示量度基准的概念, 例如厘米、毫米、米、月。

程度限定: 表示程度的概念, 例如近、较、略。

4 植物物种多样性本体的应用示例

为了检验开发的植物物种多样性本体对领域知识形式化表示的支持能力, 笔者从在线《中国植物志》鼠李科、兰科、芸香科中抽出50个物种, 以人工方式使用OWL表示物种描述内容。结果表明, 除少数语句片段外, 构建的本体能够较好地支持领域知识的形式化表示。

限于篇幅, 此处仅以表1中“ 象橘” 的描述片段“ 冬季落叶小乔木。树皮灰白色, 不裂, 刺劲直, 斜向上生。” 的实例化结果为例, 具体如下:

< owl:Class rdf:about="灰白色不裂树皮"/>

< owl:equivalentClass>

< owl:Class>

< owl:intersectionOf rdf:parseType="Collection">

< owl:Class rdf:about="树皮"/>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_color"/>

< owl:hasValue rdf:resource="灰白色"/>

< /owl:Restriction>

< owl:complementOf>

< owl:onProperty rdf:resource="has_part" />

< owl:someValuesFrom rdf:resource="裂" />

< /owl:complementOf>

< /owl:intersectionOf>

< /owl:Class>

< /owl:equivalentClass>

< /owl:Class>

< owl:Class rdf:about="劲直、斜向上生刺"/>

< owl:equivalentClass>

< owl:Class>

< owl:intersectionOf rdf:parseType="Collection">

< owl:Class rdf:about="刺"/>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_arrangement"/>

< owl:hasValue rdf:resource="劲直"/>

< /owl:Restriction>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_arrangement"/>

< owl:hasValue rdf:resource="斜向上生"/>

< /owl:Restriction>

< /owl:intersectionOf>

< /owl:Class>

< /owl:equivalentClass>

< /owl:Class>

< owl:Class rdf:about="象橘">

< owl:equivalentClass>

< owl:Class>

< owl:intersectionOf rdf:parseType="Collection">

< owl:Class rdf:about="物种"/>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_part" />

< owl:someValuesFrom rdf:resource="灰白色不裂树皮" />

< /owl:Restriction>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_part" />

< owl:someValuesFrom rdf:resource="劲直、斜向

上生刺" />

< /owl:Restriction>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_growth_form"/>

< owl:hasValue rdf:resource="落叶"/>

< /owl:Restriction>

< owl:Restriction>

< owl:onProperty rdf:resource="has_growth_form"/>

< owl:hasValue rdf:resource="小乔木"/>

< /owl:Restriction>

< /owl:intersectionOf>

< /owl:Class>

< /owl:equivalentClass>

< /owl:Class>

5 结语

本研究以BFO作为上层本体, 参考KACTUS法, 通过复用PO建立中文植物物种多样性本体。进而依据建立的本体, 从在线《中国植物志》中抽出50个物种, 以人工方式使用OWL表示物种描述内容, 验证了所建本体的有效性。

本体的开发是一个不断完善的过程。目标本体尚未经过大规模应用的检验, 还需要在实际应用的过程中不断修正和完善, 这是本研究的不足之处。

中文植物物种多样性本体的构建为中文植物物种多样性知识的形式化表示奠定了基础。目前, 本课题组基于所建本体自动抽取在线《中国植物志》中物种描述知识的研究已取得初步结果。以F值评价抽取效率, 值接近0.9。下一步工作将围绕抽取结果的OWL表示展开, 最终目标是实现中文植物物种多样性应用本体的自动构建。

(致谢: 感谢中国科学院植物研究所文献与信息中心刘凤红高级工程师、南京林业大学陈金慧教授在本体构建过程中给予的支持。)

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