ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑΣ. Διδακτορική Διατριβή

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑΣ Διδακτορική Διατριβή ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΥΠΙΚΩΝ ΟΝΤΟΛΟΓΙΩΝ ΣΤΗΝ ΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΑΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΒΑΣΕΩΝ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗΣ ΓΝΩΣΗΣ Ελένη Τομαή Αθήνα, 2005 i

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί υποέργο του προγράμματος: «Ηράκλειτος: Υποτροφίες έρευνας με προτεραιότητα στην βασική έρευνα» Το Πρόγραμμα «ΗΡΑΚΛΕΙΤΟΣ» συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταμείο (75%) και από Εθνικούς Πόρους (25%). The Project HRAKLEITOS is co-funded by the European Social Fund (75%) and National Resources (25%). i

ii

...στους γονείς μου και τον Κοσμά iii

iv

Ευχαριστίες Πολλοί δικαιούνται τις ευχαριστίες μου για αυτό το μακρύ ταξίδι. Αρχίζοντας, ευχαριστώ ολόψυχα τον επιβλέποντα καθηγητή μου Μαρίνο Κάβουρα, Καθηγητή του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου της Σχολής Αγρονόμων Τοπογράφων Μηχανικών που μου εμπιστεύθηκε το συγκεκριμένο θέμα, για την συμπαράστασή του και υποστήριξή του σε όλη την διάρκεια εκπόνησης της Διδακτορικής Διατριβής. Τον ευχαριστώ επίσης για την ευκαιρία που μου έδωσε να είμαι μέλος του OntoGEO Group, της ερευνητικής ομάδας που δημιούργησε για την γεωγραφική οντολογική έρευνα. Οι ευχαριστίες μου απευθύνονται επίσης στα άλλα δύο μέλη της συμβουλευτικής επιτροπής της διατριβής, την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Βασιλική Φιλιππακοπούλου και τον Καθηγητή Τίμο Σελλή για τις πολύτιμες παρατηρήσεις τους στη διάρκεια της έρευνας. Οι ευχαριστίες μου απευθύνονται και στα υπόλοιπα μέλη της εξεταστικής επιτροπής καθηγητές Δ. Αργιαλά, Ν. Μήτρου, Β. Νάκο, και Μ. Στεφανάκη, για τον χρόνο και τα σχόλιά τους επί της παρούσας διατριβής. Θέλω επίσης να ευχαριστήσω όλα τα μέλη του OntoGEO Group, την Μαργαρίτα Κόκλα συνοδοιπόρό μου ως ένα μεγάλο βαθμό στην οντολογική έρευνα, τον Γιώργο Πανόπουλο για την πετυχημένη συμβίωση στον ίδιο χώρο του Εργαστηρίου Χαρτογραφίας για δύο και πλέον χρόνια. Επίσης την Μαρία Σπανάκη για την καλή συνεργασία που είχαμε σε εργασίες προς υποβολή αν και οι δικές μου ερευνητικές αναζητήσεις δεν ήταν κοντά στα δικά της επιστημονικά ενδιαφέροντα, και τέλος, τον Σπύρο Παπουτσή για την πολύτιμη βοήθειά του στην υλοποίηση του εργαλείου σύνταξης οντολογιών που περιγράφεται στο κεφάλαιο 8. Είμαι ευγνώμων στο Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών για την υποτροφία κατά το πρώτο έτος της διατριβής, και το Πρόγραμμα «Ηράκλειτος» του ΕΠΕΑΚΙΙ για την υποτροφία κατά το υπόλοιπο μέρος της διατριβής. Ευχαριστώ θερμά τους γονείς μου για την υποστήριξή τους όλα αυτά τα χρόνια. Ευχαριστίες επίσης στον Κοσμά Μαστοράκο, παλαιό μου καθηγητή, για την έμπνευση και ώθηση που σήμανε η παρουσία του στη ζωή μου. Θα ήθελα τέλος να δώσω τις πιο φιλικές ευχαριστίες στους Ζαφείρα Τσαγιαννίδου και Λάμπρο Ελευσινιώτη για την ενθάρρυνση και τον ενθουσιασμό που δείχνουν σε αυτό που κάνω. v

vi

Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 2.1: Τα τέσσερα βασικά και τα δευτερεύοντα είδη των οντολογιών... 18 Εικόνα 2.3 Τα συστατικά μιας οντολογίας και πως αυτά συνδέονται μεταξύ τους... 20 Εικόνα 2.4 Τα κύρια εργαλεία γεωγραφικής αναπαράστασης που χρησιμοποιεί η οντολογία και οι μεταξύ τους σχέσεις... 25 Εικόνα 2.2 Συνδυασμός θέσης και μερολογίας... 27 Εικόνα 2.2 Τα είδη των ιδιοτήτων των γεωγραφικών οντοτήτων... 31 Εικόνα 3.1 Τα μοντέλα αναπαράστασης που επιβάλλουν την ασάφεια... 36 Εικόνα 3.2 Οι περιπτώσεις ύπαρξης ασάφειας στον γεωγραφικό χώρο... 39 Εικόνα 3.3 Η ασάφεια στο WordNet και το MEGRIN... 44 Εικόνα 4.1 Σημασιολογικές ιδιότητες, σημασιολογικές σχέσεις των γεωγραφικών εννοιών... 62 Εικόνα 4.2 Οπτικοποίηση της σημασιολογικής ομοιότητας των υπό εξέταση τριών οντολογιών 69 Εικόνα 4.3 Οι τελικές ομάδες που δείχνουν τις ανομοιογένειες μεταξύ ίδιων category_types (terms) σε διαφορετικές οντολογίες... 70 Εικόνα 4.4 Ταξινόμηση A... 79 Εικόνα 4.5 Πληροφοριομορφισμός f από A στην B... 79 Εικόνα 4.6 Ένα κανάλι c μεταξύ των ταξινομήσεων A και B... 80 Εικόνα 4.7 Εφαρμογή της θεωρητικού πλαισίου της Ροής Πληροφορίας για την σημασιολογική διαλειτουργικότητα μεταξύ κοινοτήτων που χρησιμοποιούν διαφορετικές ταξινομήσεις... 81 Εικόνα 4.8 Η διαδικασία παραγωγής αντιστοιχίσεων Ροής Πληροφορίας για τους θεματικούς χάρτες... 82 Εικόνα 4.9 Πυκνότητα πληθυσμού σε περιοχές της Ευρώπης (NUTSII) το1996 (map_1)... 83 Εικόνα 4.10 Πυκνότητα πληθυσμού σε περιοχές της Ευρώπης (NUTSII) το1999 (map_2)... 83 vii

Εικόνα 4.11 Το κανάλι: χάρτης συνολικής μεταβολής πληθυσμού ως ποσοστό επί τοις εκατό για τα έτη 1996-2000 (map_3)... 85 Εικόνα 4.12 Αντιστοιχίσεις μεταξύ των ταξινομήσεων map_1 and map_2 σε επίπεδο *ειδών 89 Εικόνα 5.1 Η ταξινομική σχέση μεταξύ των σημασιολογικών σχέσεων και ιδιοτήτων σε μια γεωγραφική οντολογία... 106 Εικόνα 6.1. Τα γλωσσολογικά στοιχεία μιας πρότασης που εκφράζουν λεκτικά την έννοια της θέσης... 135 Εικόνα 7.1 Το σχήμα ενός δένδρου αριθμών... 155 Εικόνα 7.2 Η εμφάνιση ενός στοιχείου ποιοτικού όρου στο δένδρο αριθμών... 155 Εικόνα 7.3 Δένδρα αριθμών για: all, most, some και τα επαναλαμβανόμενα μοτίβα τους (οι γραμμές ορίζουν ότι στην συγκεκριμένη κατεύθυνση τα μοτίβα των συν και πλην επαναλαμβάνονται όσο βαθιά και να προχωρήσουμε στο δέντρο)... 156 Εικόνα 7.4 Σχέσεις μεταξύ ποιοτικών όρων όπως παρουσιάζονται από το σχήμα της αντίθεσης του Horn στο [Klei98]... 160 Εικόνα 8.1 Οπτικοποίηση της γενικής οντολογίας... 173 Εικόνα 8.2 Η πρώτη σελίδα του Web geo-ontology editor and OWL generator, στην οποία ο χρήστης καλείται να δώσει το όνομα της γεωγραφικής έννοιας, τον ορισμό της και την προέλευσή του.... 177 Εικόνα 8.3 Η δεύτερη σελίδα στην οποία ο χρήστης ορίζει τις σημασιολογικές ιδιότητες της γεωγραφικής έννοιας. Επίσης του δίνεται ένα εργαλείο πληροφοριών που εξηγεί κάθε σημασιολογική ιδιότητα μαζί με ένα παράδειγμα... 178 Εικόνα 8.4 Το τρίτο βήμα της δι-επαφής στο οποίο ο χρήστης ορίζει τα σημασιολογικά ή συντακτικά μοτίβα που ορίζουν τις σημασιολογικές ιδιότητες και συμπληρώνει τιμές για αυτές... 179 Εικόνα 8.5 Η τέταρτη σελίδα στην οποία ο χρήστης ορίζει τις σημασιολογικές σχέσεις της γεωγραφικής έννοιας. Επίσης του δίνεται ένα εργαλείο πληροφοριών που εξηγεί κάθε σημασιολογική σχέση μαζί με ένα παράδειγμα... 180 viii

Εικόνα 8.6 Το πέμπτο βήμα της δι-επαφής στο οποίο ο χρήστης ορίζει τα σημασιολογικά ή συντακτικά μοτίβα που ορίζουν τις σημασιολογικές σχέσεις και συμπληρώνει τις τιμές τους... 181 Εικόνα 8.7 Η ενδιάμεση σελίδα της δι-επαφής στην οποία γίνεται γνωστό στον χρήστη το αξίωμα και η ιδιότητα της συνεπαγωγής... 182 ix

x

Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 4.1 Category_types που χρησιμοποιούνται στην προσέγγισή μας 53 Πίνακας 4.2 Παραδείγματα των σημασιολογικών ιδιοτήτων και των σχέσεων 55 Πίνακας 4.3 Προσδιορισμός της σημασιολογικής πληροφορίας για την κατηγορία λίμνη 57 Πίνακας 4.4 Προσδιορισμός της σημασιολογικής πληροφορίας για την κατηγορία τάφρος, χαντάκι 58 Πίνακας 4.5 Ιδιότητες και τιμές των εννοιών όπως προσδιορίζονται στους ορισμούς των τριών οντολογιών 59 Πίνακας 4.6 Ομοιότητα για τις έννοιες: λίμνη και (τύρφη) έλος βασισμένες στον πίνακα 5 65 Πίνακας 4.7 Πυκνότητα πληθυσμού για κάθε περιοχή του χάρτη όπως προκύπτει από το θεματικό περιεχόμενο του map_1 91 Πίνακας 4.8 Πυκνότητα πληθυσμού για κάθε περιοχή του χάρτη όπως υπολογίζεται από το θεματικό του περιεχόμενο του map_1 και την μεταβολή πληθυσμού του χάρτη map_3 92 Πίνακας 4.9 Πυκνότητα πληθυσμού για κάθε περιοχή του χάρτη όπως προκύπτει από το θεματικό περιεχόμενο του map_2 93 Πίνακας 4.10 Οι αληθείς τιμές της πυκνότητας πληθυσμού γα κάθε περιοχή. Η τρίτη στήλη δείχνει τις σχέσεις που διέπουν τα θεματικά περιεχόμενα μεταξύ των χαρτών map_1 και map_2 σε επίπεδο *συμβόλων 94 Πίνακας 4.11 Οι αντιστοιχίσεις σε επίπεδο *σημείων 95 Πίνακας 5.1 Παραδείγματα των σημασιολογικών ιδιοτήτων και σχέσεων 105 Πίνακας 7.1 Παραδείγματα ποσοτικών όρων και τα σύνολα αλήθειας τους για τον κόσμο universe E 154 Πίνακας 7.2 Οι τιμές της ομοιότητας S μεταξύ του όλα all και άλλων Ποιοτικών Όρων 159 Πίνακας 7.3 Οι τιμές των σημασιολογικών σχέσεων και ιδιοτήτων μιας γεωγραφικής έννοιας συμπεριλαμβανομένης και της ποσοτικής πληροφορίας που φέρουν οι ποιοτικοί όροι 162 Πίνακας 8.1 Η αλληλουχία των ερωτήσεων που τίθενται στον χρήστη και οι αναμενόμενες ενέργειες/ απαντήσεις αυτού 175 xi

xii

Πίνακας Περιεχομένων ΣΥΝΟΨΗ 1 ABSTRACT 3 1 ΕΙΣΑΓΩΓH 5 1.1 Η Συμβολή της Διατριβής 7 1.2 Τα Κεφάλαια της Διατριβής 9 2 ΠΕΡΙ ΟΝΤΟΛΟΓΙΩΝ 13 2.1 Ορισμός της Φιλοσοφικής και της Υπολογιστικής Οντολογίας 13 2.2 Διαφορές μεταξύ «Φιλοσοφικής» και «Υπολογιστικής» Οντολογίας 14 2.3 Σκοπός της Οντολογίας 15 2.4 Βασικές Αρχές Οντολογικού Σχεδιασμού 15 2.4.1 Τα είδη των υφισταμένων οντολογιών 17 2.4.2 Χρησιμότητα των οντολογιών στις βάσεις δεδομένων 19 2.4.3 Στοιχεία των οντολογιών 19 2.5 Η Γεωγραφική Οντολογική Έρευνα έως Σήμερα 22 2.5.1 Τα βήματα που έχουν επιτευχθεί 22 2.5.2 Οι ελλείψεις του υφιστάμενου οντολογικού σχεδιασμού 24 2.6 Οντολογικά Εργαλεία για την Γεωγραφική Αναπαράσταση 24 2.6.1 Μερολογία 25 2.6.2 Θέση 26 2.6.3 Τοπολογία 27 2.7 Σύνταξη Γεωγραφικής Οντολογίας Γενικές Κατευθύνσεις 28 2.7.1 Μια αφελής προσέγγιση των ιδιοτήτων των γεωγραφικών εννοιών 30 xiii

2.7.2 Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των γεωγραφικών αντικειμένων 32 3 ΑΣΑΦΕΙΑ 35 3.1 Ορισμός της Ασάφειας 35 3.1.1 Είδη ασάφειας 35 3.1.2 Το παράδοξο του σωρίτη 36 3.1.3 Βασικές έννοιες 38 3.2 Πρακτικά Θέματα για την Γεωγραφική Ασάφεια 38 3.2.1 Περιοχές με ασαφή όρια 39 Υπερεκτίμηση (supervaluation): μια σύντομη παρουσίαση 39 3.2.2 Ασαφείς Κατηγορίες 41 Δομή τυπικότητας και γνωσιακή κατηγοριοποίηση 41 Πώς μειώνεται η ασάφεια των προτύπων κατηγοριών 42 Η ασάφεια και οι γεωγραφικές κατηγορίες 43 3.2.3 Ασαφή Κατηγορούμενα 44 3.2.4 Ασαφείς Γλωσσικοί Όροι 45 3.3 Ανάγκη για Σημασιολογική Προσέγγιση 46 3.4 Οι Διαστάσεις της Μελλοντικής Έρευνας και η Μοντελοποίηση της Ασάφειας στην Παρούσα Διατριβή 48 4 ΕΥΡΕΣΗ ΣΗΜΑΣΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΟΜΟΙΟΤΗΤΑΣ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΟΝΤΟΛΟΓΙΩΝ 51 4.1 Περίληψη 51 4.2 Σύγκριση Κατηγοριών Υφιστάμενων Οντολογιών 51 4.2.1 Οι οντολογίες που χρησιμοποιήθηκαν στην εφαρμογή 52 4.2.2 Αναλυτική παρουσίαση της μεθόδου 54 4.2.3 Ευρήματα οντολογική ανάλυση 62 4.2.4 Προσδιορισμός και απεικόνιση της σημασιολογικής ομοιότητας 64 4.2.5 Ερμηνεία των αποτελεσμάτων 69 xiv

4.3 Δημιουργία Συνδέσεων μεταξύ Ταξινομήσεων με Χρήση της Θεωρίας Κατάστασης: Η Περίπτωση των Θεματικών Χαρτών 71 4.3.1 Περίληψη 71 4.3.2 Η αξία των χαρτών 72 Περιεχόμενη πληροφορία 73 Θεματικοί χάρτες 73 4.3.3 Προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο 74 Θεωρία Κατάστασης 75 Ροή Πληροφορίας (Information Flow) 77 Σημασιολογική διαλειτουργικότητα 80 4.3.4 Θεματικοί Χάρτες και η Ροή Πληροφορίας 81 Εφαρμογή της Θεωρίας Κατάστασης στους θεματικούς χάρτες 85 Διαδικασία αντιστοίχισης 88 Αποτίμηση της μεθοδολογίας 96 4.4 Συμπεράσματα 97 5 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΘΕΜΑΤΙΚΩΝ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΟΝΤΟΛΟΓΙΩΝ 99 5.1 Περίληψη 99 5.2 Γεωγραφικές Οντότητες 99 5.3 Σχέσεις 101 5.3.1 Η ύπαρξη και η υπόσταση των σημασιολογικών ιδιοτήτων, σημασιολογικών σχέσεων 101 5.3.2 Σημασιολογικές ιδιότητες 102 5.3.3 Σημασιολογικές σχέσεις 104 5.3.4 Σχέσεις άλλου τύπου 106 5.4 Τα Αξιώματα σε μια Γεωγραφική Οντολογία 106 5.5 Το Λεξικό 108 5.6 Συνολική Θεώρηση 109 5.7 Ένα Πλαίσιο Τυποποίησης 110 xv

5.7.1 Ορισμοί 110 5.7.2 Τυποποίηση των σχέσεων 111 5.8 Το Πλαίσιο και οι Θεματικές Οντολογίες 113 5.8.1 Το πλαίσιο σε άλλα επιστημονικά πεδία 114 5.8.2 Προτεινόμενη μεθοδολογία 114 Μια θεωρία όλων των πιθανών κόσμων 115 Υποθέσεις για τις διαστάσεις 116 5.8.3 Ορίζοντας το πλαίσιο για μια γεωγραφική έννοια 116 Ορίζοντας τον προσδιοριστή τιμής για μια γεωγραφική έννοια 118 5.8.4 Πράξεις μεταξύ Προσδιοριστών 119 Ένωση (Union) 120 Τομή (Intersection) 120 Ισότητα (Equality) Διαφορά (Difference) 121 Υποσύνολο (Subset) 122 5.9 Σύνδεση με Οντολογίες Ανώτατου Επιπέδου 123 5.10 Συμπεράσματα και Μελλοντική Εργασία 123 6 ΓΕΩ-ΧΩΡΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΟΛΟΓΙΑ ΣΕ ΓΡΑΠΤΕΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΣ 125 6.1 Περίληψη 125 6.2 Εισαγωγή 125 6.3 Η Ανάλυση 127 6.3.1 Περιγραφή της θέσης 128 Χωρικά Πλαίσια Αναφοράς στην φυσική γλώσσα 128 Τοπολογία 132 Συζήτηση για την γλωσσολογική έκφραση της θέσης 134 Διαφορές της γλωσσολογικής έκφρασης της θέσης στους ορισμούς και το ελεύθερο κείμενο 135 6.3.2 Περιγραφή της Κίνησης 137 «Κίνηση» των γεωγραφικών αντικειμένων 137 Εκφράζοντας γεγονότα κίνησης στον χώρο 138 6.3.3 Η χρήση περιγραφικής και μεταφορικής γλώσσας 139 xvi

6.4 Αποτίμηση των Ευρημάτων 140 6.4.1 Σημασιολογία της θέσης και της κίνησης 140 6.4.2 Αντίληψη και περιγραφική/ μεταφορική γλώσσα 141 6.4.3 Χωρικές περιγραφές και απόκτηση γνώσης 141 6.5 Συμπεράσματα και Μελλοντικές Τάσεις 142 7 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΣΑΦΕΙΑΣ 143 7.1 Εισαγωγή 143 7.2 Οι Ποσοτικοί Όροι 143 7.2.1 Οι ορισμοί και οι ποιοτικοί γλωσσολογικοί όροι 144 7.2.2 Υποστηρίζοντας την χρήση ορισμών 145 7.2.3 Ποιοτικοί γλωσσολογικοί όροι 146 7.3 Οι Γεωγραφικές Κατηγοριοποιήσεις που χρησιμοποιήθήκαν στην Ανάλυση 148 7.3.1 Χαρακτηριστικά των υπό εξέταση οντολογιών 149 7.3.2 Οι ποσοτικοί όροι στους ορισμούς 149 7.3.3 Η σημασιολογία των σημασιολογικών σχέσεων και ιδιοτήτων όταν υφίσταται ένας ποσοτικός όρος 152 7.4 Μοντελοποίηση των Ποσοτικών Όρων 152 7.4.1 Σχηματική αναπαράσταση των ποσοτικών όρων: το δέντρο των αριθμών 153 7.4.2 Μετατροπή των δέντρων σε σειρές και εύρεση του μεγέθους αυτών 156 7.4.3 Ομοιότητα μεταξύ ποσοτικών όρων 158 7.5 Το Κέρδος της Μοντελοποίησης των Ποσοτικών Όρων 161 7.6 Συμπεράσματα και Μελλοντική Έρευνα 163 8 ΑΠΟ ΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ 165 8.1 Περίληψη 165 8.2 Εισαγωγή 165 8.3 Η Διαδικασία Υλοποίησης 166 xvii

8.4 Υλοποιώντας τις Απαιτήσεις του Γεωγραφικού Οντολογικού Σχεδιασμού ή αλλιώς η «Γενική Οντολογία» 166 8.4.1 Η επιλογή της γλώσσας οντολογίας 166 8.4.2 Τα είδη της OWL 168 8.4.3 Η γενική οντολογία 169 8.5 Το Εργαλείο Σύνταξης της Οντολογίας στο Δια-δίκτυο 174 8.5.1 Η δι-επαφή και ο σχεδιασμός της 174 8.5.2 Τα ζητήματα του οντολογικού σχεδιασμού 182 8.6 Μελλοντική Ανάπτυξη 183 9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 185 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 189 ΓΛΩΣΣΑΡΙ/ GLOSSARY 205 xviii

ΣΥΝΟΨΗ Η παρούσα εργασία εισάγει ένα μεθοδολογικό πλαίσιο σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών από μηδενική βάση, για την επίτευξη της διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών βάσεων γεωγραφικής γνώσης. Η ανάγκη για σημασιολογική διαλειτουργικότητα είναι πρωτεύον ζήτημα της οντολογικής έρευνας λόγω της πληθώρας των πηγών γεωγραφικής γνώσης και πληροφορίας και των τρόπων που αυτές δομούνται, τεκμηριώνονται και τυποποιούνται. Η οντολογική ανάλυση που ακολουθήθηκε στην παρούσα διατριβή κινήθηκε στον άξονα της Κατανόησης Φυσικής Γλώσσας για να εξάγει σημασιολογική πληροφορία των αντικειμένων του γεωγραφικού χώρου έτσι ώστε η κατάταξή τους σε κατηγόριες και η μεταξύ τους διαφοροποίηση να μπορούν να αποδώσουν σωστά και σαφώς το νόημά τους, τις μεταξύ τους σχέσεις και συνεπώς να μεταφέρουν την σημασιολογική τους υπόσταση. Στο ευρύτερο πλαίσιο έρευνας της παρούσης, ακολουθήθηκαν δύο ξεχωριστές μέθοδοι εύρεσης σημασιολογικής ομοιότητας μεταξύ υφιστάμενων οντολογιών και ταξινομήσεων για να καταδειχθεί ακόμα περισσότερο, μέσω των δυσκολιών που παρουσιάζονται, η ανάγκη σύνταξης νέων οντολογιών με στόχο την επίτευξη της διαλειτουργικότητας. Επιπλέον, στα πλαίσια της παρούσης έγινε ιδιαίτερη αναφορά στο πρόβλημα της ασάφειας που παρουσιάζουν τα αντικείμενα του χώρου. Συγκεκριμένα δε, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία μοντελοποίησης της γλωσσολογικής ασάφειας που επιβάλλει η χρήση ποιοτικών γλωσσικών όρων κατά τον ορισμό των γεωγραφικών αντικειμένων. Η μεθοδολογία εφαρμόζει υφιστάμενες θεωρίες από τον τομέα της Γλωσσολογίας και μεθόδους της Υπολογιστικής Γλωσσολογίας, για να μετατρέψει την ποιοτική πληροφορία των ασαφών γλωσσικών όρων σε ποσοτική και άρα να αποφανθεί κατά πόσο αυτοί μεταβάλλουν τις ιδιότητες των γεωγραφικών εννοιών. Τέλος, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα εργαλείο σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών για το δια-δίκτυο βασισμένο στις αρχές τους γεωγραφικού οντολογικού σχεδιασμού που εισήγαγε η διατριβή. 1

2

ABSTRACT The present work introduces a methodological framework of generating new geographic ontologies, for the achievement of interoperability between different databases of geographic knowledge. The need for semantic interoperability is a key issue of ontological research because of the plethora of sources of geographic knowledge and information and the ways that these are structured, documented and formalized. The ontological analysis that was followed in the present Thesis comprises in Natural Language Understanding in order to extract semantic information of geo-spatial objects so their classification in categories and differentiation among them can attribute properly and explicitly their meaning, their interrelations and consequently convey their semantic essence. In the wider frame of the current research, two distinct methods of assessing semantic similarity have been followed between existing ontologies and classifications in order to more intensely show, via the difficulties of such an endeavor, the need of generating new ontologies with the purpose of achieving interoperability. Moreover, we make particular reference to the issue of vagueness and ambiguity that spatial objects present. More specifically, a methodology has been developed for modeling the linguistic vagueness that the use of qualitative linguistic terms imposes. The methodology applies existing theories from the field of Linguistics and methods of Computational Linguistics, in order to change the qualitative information of vague linguistic terms into quantitative and hence to assert how much these alter the attributes of geographic significances. Finally, an internet-based editing tool of geographic ontologies has been designed and implemented based on the guiding principles for generating new geographic ontologies that have been introduced herein. 3

4

1 ΕΙΣΑΓΩΓH Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να προσφέρει κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό τυποποιημένων γεωγραφικών οντολογιών. Οι οντολογίες αποτελούν βασικό εργαλείο οργάνωσης και τεκμηρίωσης της γνώσης, αποτελούν δηλαδή μέρος του ευρύτερου γνωστικού πεδίου της Αναπαράστασης Γνώσης [Sowa00]. Οι οντολογίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα από διάφορες κοινότητες και για πλήθος εφαρμογών, με στόχο την τεκμηρίωση της γνώσης με τρόπο φορμαλιστικό και όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικό. Όμως συχνά, κατά την μεταφορά γνώσης μεταξύ διαφόρων κοινοτήτων χρηστών ή μεταξύ διαφορετικών βάσεων δεδομένων/ γνώσης, παρουσιάζεται το φαινόμενο της αδυναμίας διαλειτουργικότητας μεταξύ αυτών των διαφορετικών οντολογιών. Το πρόβλημα έγκειται όχι τόσο στην πληθώρα των διαθέσιμων οντολογιών αλλά στο ότι αυτές συνήθως συντάσσονται χωρίς ένα σαφώς τυποποιημένο πλαίσιο, ή ότι πολλές πτυχές/ ιδιαιτερότητες του φαινομένου που εξετάζουν δεν έχουν ληφθεί υπόψη. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα εργασία ζητά να ορίσει έναν τρόπο σύνταξης, από μηδενική βάση, γεωγραφικών οντολογιών ώστε αυτές να πληρούν τις προϋποθέσεις για διαλειτουργικότητα των βάσεων γεωγραφικών δεδομένων, αποτελεί δε αντικείμενο της Επιστήμης της Γεωγραφικής Πληροφορίας (Geographic Information Science). Τα επίπεδα ετερογένειας που παρουσιάζουν τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών είναι η συντακτική, η σχηματική και η σημασιολογική ετερογένεια [Bish 98]. Για μεν τα δύο πρώτα επίπεδα, έχουν γίνει σημαντικά βήματα επίλυσης σε ότι αφορά την μεταφορά και ανταλλαγή δεδομένων σε τεχνικό επίπεδο, ενώ στο υψηλότερο επίπεδο, το σημασιολογικό, ακόμα ο στόχος της επίτευξης του στόχου της διαλειτουργικότητας παραμένει ανοιχτός και για τον λόγο αυτό αποτελεί καίριο ζήτημα της Επιστήμης της Γεωγραφικής Πληροφορίας. 5

Εισαγωγή Πρωτεύον μέλημα του οντολογικού σχεδιασμού είναι η κατηγοριοποίηση των δεδομένων με σκοπό τον καλύτερο και πιο οικονομικό σχεδιασμό των βάσεων δεδομένων. Η μεθοδολογία που προτείνεται εδώ, προσεγγίζει το θέμα μέσα από δύο άξονες. 1. Εξετάζεται η έννοια της ταυτότητας των γεωγραφικών οντοτήτων. Στο στάδιο αυτό αναζητούνται οι ιδιότητες κάθε γεωγραφικού αντικειμένου και γίνεται προσπάθεια καθορισμού εκείνων που διαφοροποιούν τα αντικείμενα μεταξύ τους. Ως ιδιότητες νοούνται τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των γεωγραφικών οντοτήτων τα οποία περιλαμβάνουν μορφολογικά, λειτουργικά, ποιοτικά, δομικά κλπ. χαρακτηριστικά. Ως μέθοδος προσδιορισμού αυτών των ιδιοτήτων έχει επιλεγεί η επεξεργασία φυσικής γλώσσας η οποία αποδίδει στα αντικείμενα ιδιότητες μέσω της γλωσσολογικής διερεύνησης και ανάλυσης των ορισμών που τα συνοδεύουν. 2. Δευτερευόντως η έρευνα επικεντρώνεται στην έννοια της ασάφειας την οποία παρουσιάζουν τα γεωγραφικά αντικείμενα. Από την βιβλιογραφία προκύπτει ότι η ασάφεια συναντάται σε τρία επίπεδα: το πραγματικό, το γνωσιακό, το γλωσσολογικό. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την επίλυση των δύο τελευταίων επιπέδων ασάφειας, γιατί το αν όντως υπάρχει ασάφεια στον φυσικό κόσμο είναι ένα πεδίο ανοιχτής συζήτησης και προβληματισμού ακόμα για τους φιλόσοφους. Απώτερος στόχος είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εμφανίζεται η ασάφεια και τελικά η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την αποφυγή της ασάφειας όταν αναπτύσσονται νέες γεωγραφικές οντολογίες από μηδενική βάση. Η ανάλυση και αξιολόγηση των παραπάνω ευρημάτων θα οδηγήσει στην πρόταση ενός μοντέλου τυποποίησης διαχωρισμού των γεωγραφικών αντικειμένων σε κατηγορίες που είναι και η ραχοκοκαλιά μιας οντολογίας. Εξήγηση πρέπει να δοθεί εδώ για τους όρους κατηγόρια και έννοια, για να γίνει κατανοητή η διαφοροποίησή τους. Category, a collection of things sharing a common attribute [WNet03] Κατηγορία, μια συλλογή αντικειμένων που μοιράζονται μια ιδιότητα Ενώ, 1. Concept, an abstract or general idea inferred or derived from specific instances [WNet03] 6

Εισαγωγή Έννοια, μια αφηρημένη ή γενική ιδέα που έχει προκύψει από συγκεκριμένα παραδείγματα 2. Concept is a mental representation of a class or individual and deals with what is being represented and how that information is typically used during the categorization (E. Smith στο [MUS05]). Έννοια είναι μια νοητική αναπαράσταση μιας κατηγορίας ή ενός αντικειμένου και ασχολείται με αυτό που αναπαρίσταται και πώς η πληροφορία χρησιμοποιείται κατά την κατηγοριοποίηση. Είναι εμφανές από τους ορισμούς ότι οι όροι είναι κοντινοί και αλληλοσυμπληρούμενοι. Όταν μιλάμε για θέματα υλοποίησης οντολογίας μιλάμε κυρίως για κατηγορίες που περιέχουν περιπτώσεις, ενώ όταν ενδιαφέρει η σημασιολογία και η σημασία τότε κάνουμε λόγο για έννοιες. Επίσης κατά την εφαρμογή της γνωσιοεπιστήμης στην διαδικασία κατηγοριοποίησης (γνωσιακή κατηγοριοποίηση), μπορεί να θεωρηθεί ότι οι όροι είναι ισοδύναμοι. Πρέπει επίσης, στο σημείο αυτό να γίνει σαφές ότι η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη σύνταξη οντολογιών από την πλευρά της επίλυσης σημασιολογικών ζητημάτων, τα οποία για το γεωγραφικό χώρο είναι ακόμα ανοικτά προς συζήτηση. Η παρούσα διατριβή διαφοροποιείται από την προσέγγιση που παρουσιάζεται στο [Κοκλ05] στο γεγονός ότι το πρόβλημα της παρούσης είναι η σύνταξη μιας γεωγραφικής οντολογίας από την αρχή και η διερεύνηση των αρχών του οντολογικού σχεδιασμού που θα επιτρέπουν, διευκολύνουν τη σημασιολογική διαλειτουργικότητα. Ενώ στην προαναφερθείσα διατριβή κύριος στόχος ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την σημασιολογική ολοκλήρωση υφιστάμενων γεωγραφικών οντολογιών. Επιπλέον, εδώ γίνεται αναφορά σε θέματα υλοποίησης μιας γεωγραφικής οντολογίας σε περιβάλλον ηλεκτρονικού υπολογιστή. Βεβαίως περαιτέρω ζητήματα υπολογιστικών γλωσσών οντολογιών, και συγκριτική ανάλυση σε ό,τι αφορά τα διαθέσιμα κελύφη ή τις πλατφόρμες υλοποίησής τους, αποτελούν στόχο μελλοντικής ενδελεχούς διερεύνησης. 1.1 Η Συμβολή της Διατριβής Τα κύρια σημεία συμβολής της διατριβής στην οντολογική έρευνα και τον οντολογικό σχεδιασμό είναι: 7

Εισαγωγή 1. Πρόταση μιας μεθοδολογίας σύνταξης μίας τυποποιημένης γεωγραφικής οντολογίας που κατηγοριοποιεί τα αντικείμενα/ έννοιες του γεωγραφικού χώρου, τεκμηριώνει την υπόστασή τους μέσω των ιδιοτήτων που τους προσδίδει, και ορίζει αξιώματα που διασφαλίζουν την ουσία των αντικειμένων/ εννοιών. Οι προτεινόμενες κατευθυντήριες γραμμές σύνταξης οντολογιών, κάνουν χρήση μεθόδων κατανόησης φυσικής γλώσσας, για την εξόρυξη σημασιολογικής πληροφορίας για τα αντικείμενα/ έννοιες από τους ορισμούς τους. 2. Ακολούθως, υλοποιείται αυτή η μεθοδολογία με την γλώσσα οντολογίας OWL, και παρουσιάζεται ένα εργαλείο χτισίματος γεωγραφικών οντολογιών για το δια-δίκτυο. Η προσέγγιση αυτή αντλεί από το θεωρητικό πλαίσιο σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών που εισάγει η παρούσα, το οποίο χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί μια «γενική οντολογία» του γεωγραφικού οντολογικού σχεδιασμού. Με βάση αυτό το μεθοδολογικό πλαίσιο, παρουσιάζεται το εργαλείο σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών στο δια-δίκτυο. Το εργαλείο αυτό επιτρέπει στους χρήστες να χτίσουν τη δική τους γεωγραφική οντολογία, να ελέγξουν την δομή της, να δώσουν τιμές στις ιδιότητες των γεωγραφικών εννοιών, και να αποθηκεύουν τοπικά την οντολογία στην γλώσσα OWL DL. 3. Σε ό,τι αφορά την μελέτη και επίλυση επιμέρους θεωρητικών ζητημάτων, η παρούσα διατριβή, εστιάζεται στο ζήτημα της ασάφειας που παρουσιάζουν τα γεωγραφικά αντικείμενα λόγω κυρίως αδυναμιών της φυσικής γλώσσας που τα εκφράζει. Προτείνεται ένα πλαίσιο μοντελοποίησης της ασάφειας που επιβάλλουν οι ποιοτικοί όροι που υπάρχουν στους ορισμούς των γεωγραφικών αντικειμένων/ εννοιών, και επηρεάζουν τη σημασιολογία των ιδιοτήτων τους. 4. Επίσης παρουσιάζεται μια προσπάθεια εξόρυξης σημασιολογικής πληροφορίας για τον γεωγραφικό χώρο από την ανάλυση ελεύθερου κειμένου, για την διερεύνηση της διαφοροποίησης της σημασιολογίας που προκύπτει από την ανάλυση των ορισμών. Η ανάλυση κατέδειξε την εξέχουσα θέση που κατέχουν η έννοια της θέσης και της κίνησης στις γραπτές περιγραφές του γεωγραφικού χώρου. Επίσης, η μελέτη τους συνέβαλε στην διερεύνηση της σημασιολογικής τυπολογίας της χωρικής γλώσσας. 8

Εισαγωγή 5. Στο περιθώριο ανάπτυξης της μεθοδολογίας σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών πραγματοποιήθηκαν δύο προσπάθειες εύρεσης σημασιολογικής ομοιότητας μεταξύ γεωγραφικών οντολογιών. Η πρώτη περίπτωση αφορά την σύγκριση γεωγραφικών εννοιών μέσω των ορισμών τους που υπάρχουν σε υφιστάμενες γεωγραφικές οντολογίες. Ο βαθμός ομοιότητας στην περίπτωση αυτή, καθορίζεται μέσω ενός μέτρου ομοιότητας. H δεύτερη περίπτωση αφορά στην σύγκριση των θεματικών περιεχομένων χαρτών μέσω της θεωρίας της Ροής Πληροφορίας. Οι προσπάθειες αυτές καταδεικνύουν την ανάγκη για σημασιολογική διαλειτουργικότητα, ενώ τα ευρήματά τους χρησιμοποιήθηκαν ως όχημα για την ανάπτυξη της μεθοδολογίας σύνταξης οντολογιών. 1.2 Τα Κεφάλαια της Διατριβής Η δομή της διατριβής έχει ως ακολούθως. Στο κεφάλαιο 2 παρατίθενται οι άξονες της μέχρι τώρα οντολογικής έρευνας. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στις βασικές απαιτήσεις του οντολογικού σχεδιασμού, παρουσιάζεται η υφιστάμενη κατάσταση της οντολογικής έρευνας σε ό,τι αφορά την επιστημονική περιοχή της γεωγραφικής πληροφορίας και τα ζητήματα που έχουν απασχολήσει τους επιστήμονες ως προς τη σύνταξη γεωγραφικών οντολογιών, ενώ γίνεται λόγος για τις ιδιαιτερότητες των γεωγραφικών αντικειμένων/ εννοιών. Το κεφάλαιο 3 καταπιάνεται με το θεωρητικό ζήτημα της ασάφειας. Παρουσιάζονται τα είδη αυτής όπως απαντώνται στον γεωγραφικό χώρο, οι τρόποι που αυτά επηρεάζουν τις ιδιότητες των γεωγραφικών εννοιών, και οι μέχρι τώρα προτάσεις για τον περιορισμό του φαινομένου. Το κεφαλαίο 4 παρουσιάζει δύο προσπάθειες εύρεσης σημασιολογικής ομοιότητας μεταξύ γεωγραφικών οντολογιών. Η πρώτη περίπτωση αφορά στην σύγκριση γεωγραφικών εννοιών, μέσω των ορισμών τους, που υπάρχουν σε υφιστάμενες γεωγραφικές οντολογίες, η δεύτερη περίπτωση αφορά στην σύγκριση των θεματικών περιεχομένων χαρτών. Στην πρώτη προσπάθεια, η σύγκριση γίνεται στο επίπεδο της έντασης των συγκρινόμενων εννοιών, ενώ στην δεύτερη προσπάθεια, η σύγκριση εκτείνεται και στο επίπεδο της έκτασης των συγκρινόμενων εννοιών. Και οι δύο 9

Εισαγωγή προσεγγίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποκάλυψη των ετερογενειών που υπάρχουν μεταξύ των συγκρινόμενων οντολογιών, η τελική επιλογή συνιστάται κατά περίπτωση. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται η προτεινόμενη μεθοδολογία σύνταξης μίας γεωγραφικής οντολογίας από μηδενική βάση. Αναγνωρίζονται τα συστατικά στοιχεία μίας γεωγραφικής οντολογίας και προτείνονται τρόποι καθορισμού αυτών. Η μεθοδολογία κάνει ευρεία χρήση των αρχών κατανόησης φυσικής γλώσσας για να εντοπίσει τις σημασιολογικές ιδιότητες και σχέσεις των γεωγραφικών εννοιών. Προτείνονται επίσης κάποια παραδείγματα αξιωμάτων που διέπουν τις έννοιες και ιδιότητες μιας γεωγραφικής οντολογίας και διασφαλίζουν την πληρότητα της. Παρουσιάζεται ακόμα, μια προσέγγιση τυποποίησης του πλαισίου μίας γεωγραφικής οντολογίας με την χρήση διαστάσεων (μια ήδη υφιστάμενη μεθοδολογία για ημι-δομημένα δεδομένα) και γίνεται προσπάθεια ένταξης των εννοιών αυτής της μεθοδολογίας στις κατευθύνσεις του οντολογικού σχεδιασμού που προτείνεται με την παρούσα. Το κεφάλαιο 6 αφορά στην εξόρυξη σημασιολογίας από ελεύθερο κείμενο. Συγκεκριμένα, γίνεται πάλι χρήση των αρχών κατανόησης φυσικής γλώσσας για τη διερεύνηση βασικών εννοιών της χωρικής γλώσσας, της ειδικής, δηλαδή, γλώσσας που χρησιμοποιείται κατά την περιγραφή του γεωγραφικού χώρου. Η έρευνα αποκαλύπτει την πληθώρα των γλωσσικών μορφών που χρησιμοποιούνται για την έκφραση της θέσης και της κίνησης, γεγονός που κάνει δύσκολο τον καθορισμό σημασιολογικής τυπολογίας των γεωγραφικών εννοιών. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται το προτεινόμενο πλαίσιο μοντελοποίησης της ασάφειας που επιβάλλεται από την ύπαρξη ποιοτικών όρων στους ορισμούς των γεωγραφικών εννοιών. Το πλαίσιο αφορά στην μετατροπή της ποιοτικής πληροφορίας που φέρουν οι συγκεκριμένοι όροι, σε ποσοτική για να προσδιοριστεί πόσο επηρεάζουν τη σημασιολογία των ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, η μεθοδολογία κάνει χρήση της θεωρίας των γενικευμένων ποιοτικών όρων, του δένδρου των αριθμών, και των σημασιολογικών αυτόματων για την κατανόηση και μοντελοποίηση της γλωσσολογικής ασάφειας των ποιοτικών όρων. 10

Εισαγωγή Το κεφάλαιο 8, παρουσιάζεται το εργαλείο χτισίματος γεωγραφικών οντολογιών για το δια-δίκτυο (web-based ontology editor). Η προσέγγιση αυτή αντλεί από το θεωρητικό πλαίσιο σύνταξης γεωγραφικών οντολογιών που προτάθηκε στο κεφάλαιο 5. Αρχικά δημιουργείται μια «γενική οντολογία» του γεωγραφικού οντολογικού σχεδιασμού. Μετά με βάση αυτήν την γενική οντολογία, υλοποιείται το εργαλείο σύνταξης μιας γεωγραφικής οντολογίας και το οποίο διαθέτει λειτουργίες όπως να μπορεί να ελέγχει την διαδικασία χτισίματος μέσω αξιωμάτων, να προσδίδει τιμές στις ιδιότητες των γεωγραφικών εννοιών και να αποθηκεύει τοπικά την οντολογία στην γλώσσα OWL DL. Κλείνοντας, το κεφάλαιο 9 αποτελεί μια ανακεφαλαίωση των κυρίων σημείων της διατριβής, που αντανακλούν και τη συμβολή της στην γεωγραφική οντολογική έρευνα, και αναφέρει μελλοντικά βήματα της έρευνας. 11