一種自然災害事件領域本體建模方法

馬 雷 雷，李 宏 偉，連 世 偉，梁 汝 鵬,龔 競

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心,四川 成都 610041)

一種自然災害事件領域本體建模方法

馬 雷 雷1,2，李 宏 偉1，連 世 偉1，梁 汝 鵬1,龔 競2

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心,四川 成都 610041)

將本體概念引入自然災害事件領域，有利于該領域知識的共享和重用。從領域概念、概念屬性以及概念之間的相互關系3個方面詳細分析了自然災害事件領域知識,探討了自然災害事件領域本體的構建思路，設計了自然災害事件領域本體模型，并對其邏輯結構和形式化表達方法進行了詳細分析。最后對構建的事件本體進行了定性和定量評價。

本體；事件；自然災害；事件本體；本體評價

0 引言

我國是一個自然災害頻發的國家，地震、泥石流、旱澇等自然災害造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。當前互聯網已逐漸成為一個海量異構、實時變化的泛在數據資源倉庫，自然災害信息也廣泛存在于互聯網中，且變化更新頻率快。本體是對共享概念模型明確的形式化規范說明，其目標就是獲取領域知識并提供對該領域內知識的共同理解。通過對互聯網中的自然災害事件信息進行抽取和整理，建立災害本體知識庫，可以解決語義異構問題，對測繪地理信息應急快速響應具有重要的意義。

傳統的自然災害本體模型主要有地質災害空間本體應用模型[1]、自然災害應急物流領域本體[2]、臺風災害領域本體模型[3]、海洋災害本體模型[4]。這些本體模型可以描述該領域內的概念及其關系，但是沒有將領域概念集中，導致突發事件的概念、時間、地點、動作狀態和對象不是作為一個整體而存在，無法充分描述突發事件之間的語義關系。

事件本體是一種面向事件的知識表達方法，是一種特殊的領域本體。國外主要有ABC本體[5]、音樂本體EO[6]、簡單事件模型SEM[7]、頂級事件本體UpperEO[8]、F-事件上層本體模型F-Event[9]、面向過程的事件本體模型PoEM[10]。國內主要有劉宗田教授的面向事件的本體模型LEO[11]、基于本體的新聞事件模型NOEM[12]。針對突發事件領域，主要有基于本體的突發事件領域知識模型[13]、地質災害突發事件可視化模型[14]、顧及事件階段和動態過程的洪澇災害事件信息建模方法[15]、基于事件的大氣污染突發事件本體模型[16]、基于Geo-ontology建模原語的地震應急決策知識模型[17]、突發公共事件共性本體模型[18]以及一種任務驅動的地理空間事件本體構建方法[19]。對事件本體的研究，雖然各領域對事件理解不一致，但是一致認定事件是知識的重要組成。由于自然災害事件具有領域特殊性，一方面自然災害事件具有多種類型，另一方面每種類型之間可能還具有一定的語義關系，使得構建自然災害事件本體模型異常復雜。

為了能在語義層次上描述自然災害事件領域知識，并體現事件要素的完備性，構建了一種面向事件的自然災害事件領域本體模型。該模型充分考慮了自然災害事件描述中的時空、動作、對象及其事件之間的語義關系；對該本體模型進行了定性和定量評價，結果表明該模型能夠較好地表達自然災害事件領域知識，具有一定的實用價值。

1 相關概念與術語定義

1.1 基本概念與術語定義

為了對自然災害事件領域知識統一認識，對事件、突發公共事件、自然災害事件和自然災害事件本體進行了明確定義。

定義1 事件(Event，E)：指在某個時間和特定地點，由若干角色參與的，具有若干動作特征的一件事情，特指現實世界發生的事情[11]。

事件被定義為一個六元組結構E=(A,O,T,V,P,L)，e中的事件要素A、O、T、V、P、L分別為動作、對象、時間、環境、斷言、語言表現。

定義 2 突發公共事件(Public Emergency Event，PEE)：2007年頒布的《中華人民共和國突發事件應對法》對突發事件有了最全面最權威的定義：是指突然發生，造成或者可能造成嚴重社會危害，需要采取應急處置措施予以應對的自然災害、事故災難、公共衛生事件和社會安全事件。

定義3 自然災害事件(Natural Disaster Event，NDE)：由地理事件衍生而來發生在地球上的自然災害現象，包括發生事件、救援事件和恢復重建事件三部分。針對自然災害事件的突發性、動態性及其特殊性，本文將其定義為一個四元組NDE=(T,L,A,O)，T表示事件發生的時間(時間點/時間段)，L表示事件發生的地理空間位置(地名)，A表示事件的動作(程度/觸發詞)，O表示事件的對象(即參與事件的角色，包括主體和客體)，其中T、L、A是必須的，O是可選的，在自然災害事件發生時沒有主客體的存在，但是當進入事件救援和災后恢復重建時，救援事件和重建事件被觸發，主體和客體是必須存在的。

定義4 自然災害事件領域本體(Natural Disaster Event domain Ontology，NDEO)：從地理學和地理本體的角度定義自然災害事件本體，是對自然災害事件共享概念模型明確的形式化規范說明，明確災害事件領域概念及其概念之間的關系，并能夠進行語義推理。作為一種面向自然災害事件的災害知識表示方法，自然災害事件本體符合現實世界的存在規律和人們對現實地理世界的認知規律。

1.2 本體構建方法

1.2.1 構建準則與工具 本體的構建是一個復雜的過程，目前還沒有一個公認的設計原則，但是在學術界為了研究本體還是出現了一些本體構建準則，本文參照最為經典的由Gruber 提出的5條規則進行自然災害事件本體構建，主要概括如下：1)透明性：所構建的自然災害事件本體能夠顯示說明自然災害領域概念和術語的含義，所有定義用自然語言進行說明，并用形式化的方式表達邏輯公理；2)一致性：傳統用自然語言描述的自然災害領域文檔和本體中定義的規則、公理必須保持嚴格一致；3)可擴展性：為了滿足一些特定需求，能夠支持在已有概念的基礎上再定義新的術語，對于已有的領域概念則不必修改；4)最小編碼偏好程度：對自然災害領域概念的描述采取不同的知識表達方法，不應該依賴某種特殊符號層的表示方法；5)承諾最小原則：能夠滿足自然災害領域的知識共享需求即可，盡量不約束建模對象，便于共享并按需擴展本體。

常見的本體構建工具主要有 OntoSaurus、OilEd、WebODE、OntoEdit、Ontolingua、Protégé、KAON、TopBraid Composer(TBC)。以上工具各有自己的特色和用戶群體，Protégé界面風格與Windows類似，以樹形層次目錄結構顯示本體結構，用戶可以基于Protégé構建本體概念類、屬性、關系和實例，可擴展性強，并支持語義推理功能，故選取Protégé作為自然災害事件本體的初步構建、編輯工具。

1.2.2 構建方法 常見的本體構建方法主要有骨架法、Tove法、七步法、數據挖掘和領域專家相結合的半自動構建方法、KACTUS法等。本文綜合上面幾種方法，提出了一種自然災害事件本體的六步法，具體步驟描述如下：1)確定自然災害事件本體的構建目的和范圍,目的就是明確該領域內的概念、屬性、關系，以滿足語義層次的描述，存儲災害領域事件的先驗知識，形成面向災害主題的事件分類標準體系和語義關系，實現領域知識共享和重用。2)自然災害事件本體分析,依據國家相關標準，參考領域專家意見，分析該領域的相關概念和關系。3)自然災害事件本體的描述,通過概念模型表達該領域的概念和關系。4)自然災害事件本體的檢驗,檢驗本體是否符合標準，若不復合則返回2)，直至滿足要求。5)自然災害事件本體的建立,使用OWL語言對3)中構建的本體進行形式化表達。6)創建自然災害事件本體實例,通過災害數據庫、文本數據源等進行實例庫構建。

2 自然災害事件領域知識分析

2.1 自然災害事件概念語義分類體系

概念反映事物特有屬性，是知識的基本單元。從語義的角度講，自然災害事件概念必須是該領域內公認的核心概念，表達該領域的主題信息。概念的分類可以有不同的參考標準，相同領域有可能會存在多個分類體系，為了保證語義一致性和分類的說服力，依據國家相關標準構建自然災害事件概念分類體系。依據國發[2005]11號文件，具體自然災害事件分類如圖1所示。

本文進行的概念語義分類，能夠有效避免語義異質。對于具體的災害事件類型又有不同的分類體系，從分類體系中獲取災害事件的概念層次關系。

圖1 自然災害事件概念語義分類體系

Fig.1 Natural disaster event concept semantic classification system

以地震災害為例，從地震核心概念出發，依據地震震源深淺劃分為淺源地震、中源地震和深源地震3種類型；依據震中距分為地方震、近震、遠震3種類型；依據地震震級大小劃分為極微震、微震、小地震、中級地震、大地震和特大地震6種類型。依據中文文本語言描述的特點，選取地震震級大小的分類方法對地震進一步分類，確定地震類型的概念層次關系。

2.2 自然災害事件屬性分類體系

自然災害事件屬性信息是事件專題信息的重要內容，中文文本中自然災害事件的屬性信息分類沒有特定的標準，由于災害事件屬性種類眾多，不同事件的屬性既有共性又有特性，難以界定屬性分類。本文參照《突發公共事件應對法》、《國家自然災害救助應急預案》和張春菊的屬性分類標準[20]，針對后續自然災害事件本體屬性信息設置的需求，設計了自然災害事件的屬性分類體系(表1)。其中共有屬性屬于所有自然災害共同擁有的屬性;特有屬性是針對不同自然災害類型所擁有的屬性信息，如震源、震源深度、震級、震中、震中距、烈度等是描述地震災害事件的特有屬性,潮位、潮流速度、風速、風力等是描述風暴潮災害事件的特有屬性。

2.3 自然災害事件中的語義關系分析

建立自然災害事件的首要目的就是要明確該領域內概念的知識結構和概念間的語義關系，明確描述事件概念間存在的一對一、一對多和多對多關系。結合自然災害事件信息的特點，將自然災害事件概念間語義關系主要分為分類關系和非分類關系。

表1 自然災害事件屬性分類體系

Table 1 Natural disaster event attribute classification system

代碼屬性類型備注10000災害成因2000020001200022000320004200052000620007災情信息人員受傷人員死亡人員失蹤經濟損失房屋損壞農作物損失生命線工程信息3000030001300023000330004300053000630007應急救援救援機構救援方案資金保障物質保障人力資源電力保障通信保障紅十字會/管理部門/醫院400004000140002善后處置慰問安撫賠償情況5000050001500025000350004災后恢復重建重建機構重建規劃重建力度重建保護 人員搬遷/災后修復政府/企業/其他投入力度 60000特有屬性具體自然災害事件所特有的屬性信息

分類關系(axonomic)是最基本的語義關系，具有明顯的層級特征，主要是同義關系、上下位關系。同義關系(synonymny)表達自然災害事件概念之間是相等的關系；上下位關系(hyponym/hypernymy)表達具有共同屬性的不同自然災害事件概念之間的分類關系，類似于“具體與抽象”、“個體與集體”和“子類與父類”等概念，定義了自然災害事件概念在語義上的包含關系，形成概念分類層次，例如，地震災害事件和自然災害事件屬于典型的上下位關系，“地震災害事件”is-a“自然災害事件”。

非分類關系(non-taxonomic)是自然災害事件特有的關系，主要包括因果/引發關系、順序關系、跟隨關系、并發關系、互斥關系、空間關系等。1)因果/引發關系(induce/inducedBy):表示某一自然災害事件的發生導致了另一種自然災害事件的發生，二者之間具有因果關系，前者是因，后者是果，如地震引發(誘發)海嘯，暴雨引發滑坡、泥石流等次生災害。2)順序關系(sequence):表示自然災害事件發生后，相應事件依據常識按順序發生，如災害恢復重建總在應急救援之后。3)跟隨關系(follow):表示一定時間內，某一事件發生后另一事件跟著發生，如地震事件與災害恢復重建屬于跟隨關系。4)并發關系(supervene):一定時間段內，兩種自然災害事件同時或先后發生，如雷電事件與暴雨事件屬于并發關系。5)互斥關系(mutex):兩種自然災害事件不可能同時存在，一種事件發生隱含了另一種事件不可能發生，如暴雨事件和干旱事件就是互斥關系。6)空間關系(spatial relation)：空間關系主要在地名本體中[21]表達，反映的是自然災害事件發生的空間位置間的關系，中文文本中的空間關系主要以自然語言體現，需要建立自然語言空間關系到地名本體空間關系的映射機制，從而實現地名本體中空間關系的實例化，最終用于中文文本空間關系處理。

3 面向事件的自然災害領域本體建模

3.1 自然災害事件本體模型(NDEOM)

自然災害事件本體建模旨在定義和描述與自然災害有關的概念、動作、屬性和關系。目前事件本體建模主要有兩個難點，一是概念和關系的定義，二是統一的事件本體模型構建與表達問題。通過對自然災害事件領域知識分析，可以給出自然災害事件本體模型NDEOM如圖2所示。

圖2 自然災害事件本體模型(NDEOM)

Fig.2 Natural disaster event ontology model

需要特別指出的是，自然災害事件的核心要素之一就是空間概念，它反映了事件發生的地理空間位置Location。本文將地名本體[21]作為一種地名知識的表達手段單獨列出來關聯Location，地名本體包含豐富的空間信息(地名+空間關系)，由此可見自然災害事件本體與地名本體之間是相互依存的關系。

NDEOM能夠實現自然災害事件概念、時空特征、動作、對象、屬性、關系的有效表達，為語義描述和推理奠定基礎，是進行中文文本自然災害事件信息抽取的關鍵。作為一種面向自然災害事件的災害知識表示方法，自然災害事件本體基本符合現實世界的存在規律和人們對自然災害領域知識的認知規律。

3.2 自然災害事件本體邏輯結構

自然災害事件本體的邏輯結構可以表示為：NDEO={NDEs,ND_Propertys,ND_Relations,ND_Axioms,ND_Instances}。NDEs表示自然災害事件類集合，ND_Propertys表示屬性集合，ND_Relations表示關系集合，ND_Axioms表示公理集合，ND_Instances表示實例集合。

(1)NDEs。NDEs主要包括自然災害事件基類(NDE)、自然災害類型類(NDType)、自然災害發生類(NDEHappen)、應急救援類(NDERescue)、災后恢復與重建類(NDERebuild)、動作類(Action)、對象類(Object)、時間(Time)、空間位置(Location)等。

NDE是所有事件的基類，可以理解為一條原子事件，由Time、Location、Action和Object組成，表示事件發生的時間(瞬時時間或者時間段)、地點(地名)、動作(觸發詞匯)和對象(主體和客體)；NDEHappen、NDERescue和NDERebuild 3個子事件繼承NDE；NDType依據2.1節的分類體系進行災害類型劃分。

(2)ND_Propertys。ND_Propertys主要是自然災害事件相關的數據屬性和對象屬性，屬性就有逆反、傳遞、對稱、函數式等特性，具體的屬性限制和特征將在3.3節介紹。數據屬性(DatatypeProperty)是自然災害事件概念特征數值屬性，例如人口死亡數(P_Die)、重建機構(C_Jigou)、地震事件中的震源(E_Magnitude)等；對象屬性(ObjectProperty)起到關聯作用，連接兩個類，例如NDE通過has_Location與Location關聯，說明某一自然災害事件發生的空間位置。

(3)ND_Relations。ND_Relations主要包括分類關系和非分類關系。分類關系主要包括Synonymny、hyponym/hypernymy，在本體中Synonymny以sameAs表示，hyponym/hypernymy以SubClassOf表示。非分類關系主要包括induce/induceBy、sequence、follow、supervene、mutex、spatial relation，這些關系在本體中以ObjectProperty表示，通過ObjectProperty的domain和range串聯兩個自然災害事件概念類。

非分類關系反映的是同一事件或者不同事件之間的關聯關系，有些關系能夠反映事件的動態特性，例如“地震事件發生follow 地震事件救援”，表示地震事件發生后跟隨的是地震事件救援，能夠反映事件發生后的應急行動過程；“暴雨事件 induce 泥石流事件”表示暴雨事件引發泥石流事件，能夠反映災害事件的演變過程。

(4)ND_Axioms。ND_Axioms主要包括與自然災害事件相關的公理Axiom，用來斷言自然災害事件類、事件屬性的相等、事件類不相交、實例的相等與不等，從而約束本體信息。

(5)ND_Instances。ND_Instances主要包括災害事件類的實例、對象或者個體，參考來源主要是災害數據庫和文本數據集。

3.3 自然災害事件本體語義OWL表達

為了實現計算機對自然災害事件本體模型的可讀，還需實現對模型進行形式化語義描述。OWL具有較強的語義表達和邏輯推理功能，可提供大量的建模原語，可作為上述本體表達模型的描述語言。

使用Protégé構建自然災害事件本體后會生成一個OWL格式的文件，對事件類、關系、屬性和實例都有清晰的描述，用戶可根據應用需要通過擴充進行事件的查詢和推理。本文截取以下代碼簡要說明自然災害事件本體的OWL語義描述與表達。

//聲明NDEHappen類，它是NDE的子類

// 定義對象屬性at_Time

//定義事件之間的因果關系induce

induce的作用域是NDE

//induce與induceBy是逆反關系

4 評價與分析

本體評價(Ontology Evaluation)是知識表達領域研究的熱點問題，用來評價一個本體在特定應用環境中的實用性和性能。本文遵循整體性、科學性、導向性、通用性、開放性和可行性原則，采用多策略的方法，從定性和定量兩個角度進行評價。

首先對構建的NDEOM的描述和應用能力進行評估，將NDEOM描述事件的能力從事件表示方法、結構類型、動作描述情況、時間、空間、事件關系和應用領域7個維度，與當前國內外幾種典型的事件模型描述能力進行對比分析(表2)。從表2中可以看出，NDEOM以事件類的層次結構和概念層次結構相結合的方式為主線，簡化了對事件關系的描述，明確了事件之間的非分類關系，有效克服了網球問題；NDEOM與UpperEO、LEO描述能力相當，包含的類和關系更加合理，結構相對緊湊，但是主要面向自然災害領域，并且具有一定的邏輯推理能力。

表2 NDEOM與不同事件本體表示模型的比較

Table 2 Comparison between NDEOM and different event expression models

事件本體模型事件表示方法結構類型動作描述時間空間關系應用領域ABC事件類概念層結構有有有有數字圖書館EO事件類事件層結構無有有沒有音樂SEM事件類/個體概念層結構無有有沒有通用/實例F-EventPerdurant/Occurent概念層/事件關系結構有有有有通用UpperEO事件類事件關系結構有有有有自然/人工事件PoEM事件類概念層結構有有有無通用LEO事件六元組事件關系結構有有有有通用NOEM事件類概念層結構有有有有新聞領域NDEOM事件四元組概念層/事件關系結構有有有有自然災害事件

選取模糊層次綜合評價法FAHP進行本體評價[22]，采用五級評分制，設定評語集V={好，較好，一般，較差，差}，采用1～10的打分方法對評價指標進行打分。發放調查問卷，用民意測驗方法對自然災害事件本體進行調查并實施評價，邀請的調查對象是領域本體專家、本體工程師、知識工程師和使用過該本體的相關人員，本次調查共發放問卷50份，收回48份，有效率為96%。

根據文獻[21]的模糊綜合評價法，可得本體的綜合評價向量B=(0.154，0.332，0.245，0.205，0.064)，從B中可以得出，好、較好、一般、較差和差的比例分別為15.4%、33.2%、24.5%、20.5%和0.64%。為了將模糊評語B轉化為總評分，給各級評語設定集合向量F=[100，85，70，55，40]T，得到本體的評價指數為：Z=74.605，故可得結論：構建的自然災害事件本體的總體評價介于一般和較好之間，還需不斷更新和完善。

5 結語

通過構建自然災害事件領域本體模型，存儲該領域先驗知識，形成了面向災害主題的事件分類標準體系和事件時空與屬性信息描述元數據結構，能夠揭示災害事件類型之間的語義關系。采用多策略方法，通過定性與定量兩種方式對該模型的評價表明，該模型總體評價良好，概念關系邏輯嚴密，支持邏輯推理，且具有一定的可擴展性,可用于中文文本自然災害事件時空和專題信息智能識別和提取。下一步將利用本體學習技術完善本體模型，最終實現本體的自動構建。

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A Method of Modeling Natural Disaster Event Domain Ontology

MA Lei-lei1,2,LI Hong-wei1,LIAN Shi-wei1,LIANG Ru-peng1,GONG Jing2

(1.Institute of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450052;2.Sichuan Engineering Research Center for Emergency Mapping & Disaster Reduction,Chengdu 610041,China)

This paper applies the ontology concept into the field of natural disaster events for facilitating the sharing and reusing of the knowledge with respect to this field.The natural disaster domain knowledge is in detail analyzed from the perspectives of domain concept,concept knowledge and the relationships between concepts.In specific,this paper investigates the idea of constructing an ontology for natural disaster event,designs the framework,and analyzes the logical structure and formalized expression for this ontology.The constructed ontology is evaluated in both qualitative and quantitative ways.

ontology;event;natural disaster;event ontology;ontology evaluation

2015-09-24；

2015-11-19

國家自然科學基金項目(40871183、41140012、41271392、41401463、41571394)；四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心開放基金項目(K2014B016、K2015B014)

馬雷雷(1987-),男，博士研究生,主要研究方向為地理本體與地理信息服務。E-mail:gisxiaomage@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.003

P208

A

1672-0504(2016)01-0012-06