全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(3): 407414 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家农作物种质资源平台(2005DKA21001)和国家星火计划项目(2014GA750011)资助。
This study was supported by the National Infrastructure for Crop Germplasm Resources (2005DKA21001) and China Spark Program (2014GA750011).
通讯作者(Corresponding author): 曹永生, E-mail: caoyongsheng@caas.cn, Tel: 010-62186693
第一作者联系方式: E-mail: chenlina@cgris.org
Received(收稿日期): 2015-08-09; Accepted(接受日期): 2015-11-20; Published online(网络出版日期): 2015-12-18.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20151218.0915.010.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00407
农作物种质资源本体构建研究
陈丽娜 1,2 方 沩 1 司海平 3 曹永生 1,*
1中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 2商丘师范学院计算机与信息技术学院, 河南商丘 476000; 3河南农业大学信息与管
理科学学院, 河南郑州 450002
摘 要: 本体是一种能够有效提高农作物种质资源整合、共享和利用效率的组织方式。在分析传统本体构建方法的
基础上, 结合中国农作物种质资源自身的特点, 提出结构化数据与非结构化数据相结合的半自动化本体构建方法。该
方法首先基于面向对象的思想从关系数据库中抽取概念及其关系建立初始本体; 然后从非结构化的网站数据中提取
概念, 并利用在线字典 WordNet 和网络百科全书 Wikipedia 丰富概念的语义, 完善初始本体。使用本体构建工具
Protégé 构建了农作物种质资源本体模型。实验表明, 该方法既充分利用了数据库中的资源, 又考虑了非结构化数据
的补充作用, 减少了构建成本, 本体更加完善。探讨了本体进化的途径, 指出了本研究的优点和局限性。
关键词: 农作物种质资源; 本体; 结构化数据; 非结构化数据
Ontology Construction of Crop Germplasm Resources
CHEN Li-Na1,2, FANG Wei1, SI Hai-Ping3, and CAO Yong-Sheng1,*
1 Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Department of Computer and Information Techno-
logy, Shangqiu Normal College, Shangqiu 476000, China; 3 College of Information and Management Science, Henan Agricultural University, Zheng-
zhou 450002, China
Abstract: Ontology is an efficient organization for improving integration, sharing and use efficiency of crop germplasm resources.
On the basis of analyzing traditional ontology construction methods and characteristics of national crop germplasm resources, a
semi-automated ontology construction method combining structured data and unstructured data was proposed. The method estab-
lished initial ontology by extracting concepts and their relationship from relational database based on object-oriented approach,
then, extracted concepts from unstructured web data, and enriched the semantic of these concepts using online dictionaries such as
WordNet and online encyclopedia Wikipedia, so as to improve the initial ontology. Crop germplasm resources ontology model
was constructed using Protégé, an ontology construction tool. The experimental results showed that the method made the database
resources fully utilized, the complementary role of unstructured data considered, the cost of ontology construction reduced, and
the ontology more perfected. The paper discussed ontology evolution way, and pointed out the advantages and disadvantages of
the study.
Keywords: Crop germplasm resources; Ontology; Structured data; Unstructured data
农作物种质资源是人类生存和社会发展的基础,
是培育作物新品种、发展生物技术、促进农业发展
的基本条件, 是国民经济可持续发展的重要战略资
源[1]。农作物种质资源的拥有和开发利用程度已成
为衡量一个国家综合国力和可持续发展能力的重要
指标之一。随着国家农作物种质资源平台的建立、
运行, 并对外提供服务, 原有的基于传统关系数据
库的资源信息组织方式不能很好地描述种质资源概
念及概念间的关系。因此迫切需要新的组织方式 ,
实现对资源的进一步规范化描述, 提高资源信息共
享水平 , 满足用户对种质资源信息日益增长的需
求。本体可以更好地描述资源及其之间的关系, 它
408 作 物 学 报 第 42卷
为解决资源的组织方式提供了新途径。
本体起源于哲学领域 , 是研究“存在”的科学 ,
后来逐渐被引入到人工智能、信息科学等领域。目
前, 在许多领域都进行了有关本体的研究。在国外,
3种模式(果蝇、小鼠和酵母)基因研究小组于1998年
建立了基因本体, 它是生物信息学领域使用最广泛
的本体, 其目的是希望提供一个具有代表性的规范
化的基因和基因产物特性的术语描绘或词义解释的
工作平台, 使生物信息学研究者对基因和基因产物
的数据能统一归纳、处理、解释和共享[2]。联合国
粮农组织(FAO)的农业本体服务(AOS)项目组也于
2001年之后着手构建渔业本体、作物野生近缘植物
本体、食物安全本体等[3-4], 并取得了良好的效果。
美国的一些科研机构在国家科学基金会(NSF)的支
持下, 构建了植物本体(PO)[5]。国际生物多样性研究
中心也进行了有关作物本体的研究, 建立了作物相
关的概念词汇[6]。在我国, 中国农业科学院农业信息
研究所进行了本体在农业方面的应用研究, 构建了
花卉学领域本体模型和实验型的智能检索系统, 为
本体在图书情报领域的应用提供了范例[7]。大连海
洋大学进行了渔业本体方面的相关研究工作, 研究
了对渔业知识库更新的自动化半自动化方法[8]。四
川大学进行了农作物栽培领域本体的构建 [9], 探讨
了农作物栽培领域本体构建的过程和步骤。南京农
业大学也进行了基于本体的作物系统模拟框架的构
建研究, 将本体技术应用于作物模拟模型领域, 为
设计可重用的作物模型软件提供指导[10]。目前, 国
外已经有一些很成熟的农业本体, 并得到了实际应
用, 而国内的本体研究大都是尝试性的实验, 很少
能真正达到成熟的阶段应用。在我国, 农作物种质
资源本体还没有建立, 因此, 有必要尝试构建本体
来描述种质资源概念及其关系。
在本体构建方面, 国外有很多典型方法, 包括
骨架法、七步法、TOVE法、IDEF5法等[11], 它们为
本体构建提供了很好的方法论基础。但由于本体的
构建是面向特定的应用目的, 基于一定的专业领域
和学科背景 , 因此 , 不可能照搬某一种方法 , 通常
是根据具体的应用对某种方法改进或将几种方法结
合。国内也有一些学者进行了有关本体构建方法的
研究[12-14], 这些方法大多是在领域专家参与下手工
构建的, 工作量大, 费时费力。也有一些半自动化的
构建方法 [15-16], 但由于针对具体领域, 不适合种质
资源的特点。我国农作物种质资源已经整合了包括
粮、棉、油、蔬菜、果树等200多种作物, 40余万份
种质, 建立了近700个数据库, 建成了中国作物种质
资源信息网(CGRIS, http://www.cgris.net/)。这些海量
数据, 如果依赖领域专家手工构建, 工作量将很大。
因此, 在借鉴不同领域本体研究的基础上, 分
析不同的本体构建方法, 结合我国农作物种质资源
的特点, 提出结构化数据与非结构化数据相结合的
半自动化本体构建方法, 并尝试构建农作物种质资
源本体 , 期望通过本体来提高资源信息共享水平 ,
从而提高种质资源的利用效率。
1 材料与方法
1.1 试验材料
采用中国农作物种质资源相关数据, 包括结构
化的数据库和非结构化网站的数据。相关的数据库
包括国家作物种质库管理、青海复份库管理、国家
种质圃管理、中期库管理、农作物特性评价鉴定、
优异资源综合评价和国内外种质交换等9个子系统
的相关数据库, 数据量超过340 GB[17]。涉及农作物
种质资源普查数据、调查数据、引种数据、监测数
据、保存数据、鉴定数据、分子数据、图像数据、
利用数据等。相关的网站有国家植物种质资源平台、
中国作物种质资源信息网、农作物种植论坛、中国
蔬菜网和中国种业信息网等。其中国家植物种质资
源平台又分为农作物种质资源、多年生与无性繁殖
作物种质资源、热带作物种质资源、林木(竹藤花卉)
种质资源、药用植物种质资源、牧草种质资源和野
生植物种质资源6个子平台 , 涵盖了作物种质资源
领域包括文本、图像和视频等多种类型数据。对于
非结构化的网站数据 , 还需要利用在线词典
WordNet和网络百科全书Wikipidia中丰富的资源 ,
进行概念语义的映射。
1.2 试验方法
针对本研究提出的方法 , 将构建过程分为两
步。针对结构化数据, 采用面向对象的方法构建初
始本体; 然后半自动提取非结构化网站数据, 并利
用在线词典WordNet和网络百科全书Wikipidia进行
语义映射, 对初始本体进行完善。
1.2.1 以结构化数据构建初始本体 该步骤针对
数据库中的结构化数据, 利用面向对象方法来构建
初始本体。面向对象的方法最初是一种与结构化程
序设计相对的编程方法, 后来不仅被用在程序设计
方面, 也常被用在信息系统软件开发过程中。它将
第 3期 陈丽娜等: 农作物种质资源本体构建研究 409
现实世界的客观事物用对象抽象表示, 使用抽象、
类、继承、封装等概念来构造系统。分析我国农作
物种质资源相关数据库, 把每个数据库看作一个对
象, 从中抽象出类、子类和元素。分析发现, 类、子
类和元素之间存在明显的层次关系, 这种关系呈现
出对象的“聚合”特征。数据库中对象的属性表示了
作物的静态特征, 方法反映了作物的动态特征, 属
性和方法结合为独立的个体, 体现了对象的“封装”
特性。每个子类都继承了其父类的特征, 体现了对
象的“继承”特性。因此, 采用面向对象的方法从数据
库中抽取概念及关系来构建农作物种质资源初始本
体, 是一种简单有效的方法。
构建初始本体的面向对象的方法是, 首先从数
据库中抽象出类; 然后将类的概念映射成本体的概
念, 将类的属性映射成与本体概念对应的概念的属
性 , 将类和子类的关系映射成本体概念间的关系 ,
并根据类的约束规则建立本体概念间的约束关系 ;
最后使用本体建模工具进行本体的形式化表达(图1)。
图 1 面向对象的本体构建过程
Fig. 1 Process of ontology construction based on object-oriented
1.2.2 以非结构化数据完善初始本体 初始本体
是从关系数据库中抽取而建立的, 它基本上涵盖了
农作物种质资源的重要内容, 反映了农作物种质资
源的主要概念及概念间的关系, 但是仅仅依靠数据
库所构建的本体还不够全面。在农作物种质资源领
域的相关网站上, 还存在一些数据库中没有的其他
重要信息资源, 因此, 参考这些网站的资源(尤其是
CGRIS的资源)扩充初始本体, 可对种质资源生命周
期的全部研究对象建立关系, 可使得构建的本体更
加完善, 便于资源本体最大效能地发挥作用。
(1)概念的提取及分类: 网站涉及的数据量很大,
抽取网站数据的方法很多 , 可以对网页文档通过
DOM解析进行抽取, 也可以使用正则表达式进行抽
取[18-19]。本研究是希望获取网站的信息资源的概念
来丰富初始本体, 因此, 希望抽取能代表网站内容
和主题的概念数据。首先在Visual C++6.0环境下编
写代码, 实现网站文本数据的自动提取(图2)。
通过该方法可以自动获取网页上的文本内容 ,
为了获取文本中所包含的概念, 还需要对数据进行
以下处理, 即对中文文本进行分词处理; 然后描述
所获取文本的特征, 根据文本特征构建向量空间模
型, 计算权值, 建立文本的初始特征向量; 再进行
特征选择, 获得最终的特征词向量; 最后提取特征,
进行文本的分类。有关网页文本数据的提取分类的
图 2 获取网站文本的 C++代码
Fig. 2 C++ code of getting web text
算法很多, 本文不做重点阐述, 只是根据自动抽取
的网页内容判断概念集并分类, 得到网站数据的初
始概念集。
(2)语义映射: 通过网站抽取的概念不涉及语义,
但对本体概念及其关系的描述, 需要恰当的语义。
本体中概念的语义可以由初始概念集关联在线词典
WordNet和网络百科全书Wikipedia而得到。WordNet
是普林斯顿大学认知科学实验室开发的一部在线英
语词典 , 它将单词按照意义组成一个单词的网络 ,
具有强大的表达词汇关系的能力[20]。虽然我国已经
开发了WordNet中文版本, 但还没到实用阶段, 所以
概念关联的时候需要借助于中英文转换。Wikipedia
是基于维基技术用不同语言写成的网络百科全书 ,
其中DBpedia可以自维基百科提取数据 , 借由资源
410 作 物 学 报 第 42卷
描述框架技术创建可供查询的语义网计划, 强化维
基百科的搜寻功能, 并将其他资料集连结至维基百
科[21]。
语义映射的具体实现步骤为, 将集合中的概念
与初始本体中的概念比对, 若初始本体中不存在此
概念, 将其映射到WordNet中, 通过WordNet的词表
语义功能为每一个概念界定可能的意义。概念相似
度 2 depth[ ( , )]( , )
depth( ) depth( )
i j
i j
i j
LCA C C
S C C
C C
, 其中Ci、Cj为任
意2个概念, LCA(Ci, Cj)为Ci、Cj最近的共同祖先,
depth(Ci)表示概念Ci在本体树中的深度, 根据计算
结果选取相似度最高的概念, 得到带有初步语义的
概念集。再通过Wikipedia确定与这些概念相关的页
面集, 根据页面集中出现最频繁的术语确定与概念
最相似的Wikipedia页面, 通过该页面找到与之对应
的概念, 使用维基的词条进一步丰富概念的语义。
另外, 还可以借助Google矫正拼写错误等。通过该步
骤可以给初始概念集中的概念赋以恰当的语义。非
结构化数据的概念抽取及语义映射过程如图3所示。
得到含有语义的网站概念集之后, 可根据集合
中概念与概念、概念与属性、概念与资源的关系确
定本体中概念间的关系。其对应关系如表1所示。
图 3 概念抽取及语义映射过程示意图
Fig. 3 Diagram of concept extract and semantic mapping process
表 1 网站概念和本体概念的对应关系
Table 1 Relationship between web concept and ontology concept
网站概念的关系 Web concept relation 本体概念的关系 Ontology concept relation
上位-下位关系 Hypernym-subconception relation Kind-of关系 Kind-of relation
整体-部分关系 Whole-segment relation Part-of关系 Part-of relation
同义关系 Synonymy relation Synonymy关系 Synonymy relation
网站概念属性 Web concept attribute Attribute of关系 Attribute of relation
资源和概念的关系 Resource and concept relation Instance of关系 Instance of relation
2 结果与分析
2.1 初始本体的构建
由于本体构建是一项复杂的工程, 面对农作物
种质资源的海量数据, 需要较多的人力物力长时间
才能完成。因此, 本研究只进行本体模型的构建, 来
验证本方法的有效性。
本体的构成要素包括概念、属性、关系、公理
和约束等。根据面向对象的方法, 首先需要从数据
库中抽象出类, 并映射成本体的概念; 然后定义概
念的属性; 明确概念间的关系; 再定义概念的公理
第 3期 陈丽娜等: 农作物种质资源本体构建研究 411
和约束规则; 最后形式化表达, 可得到初始本体。
(1)自上而下抽取出基本的类, 并映射成本体的
概念。基于农作物种质资源相关数据库, 分析农作
物种质资源特征及整个生命周期的活动, 可将种质
资源本体的研究对象分为种质收集、种质保存、种
质分发、种质类型和种质属性几大类, 每一大类又
可细分为小类。种质资源按其类别不同又可分为粮
食作物、油料作物、纤维作物、蔬菜、果树及其他
类型, 粮食作物又可细分为水稻、玉米、小麦、黍
稷、大麦、谷子、高粱等, 其中小麦又可按其属名
细分为小麦属、山羊草属、冰草属、偃麦草属、大
麦属等[22]。对这些类及子类进行综合分析, 映射成
本体的概念。
(2)对于每一类, 根据该类的属性, 将其映射成
本体中概念的属性。分析数据库, 可得到作物的属
性包括基本信息、形态特征和生物学性状、品质特
性、抗逆性状、抗病性状等。基本信息又包括名称、
原产地、保存单位、属名、科名、库编号、经度和
纬度等。形态特征和生物学性状包括壳色、株高、
穗型、粒度等。品质特性包括蛋白质、淀粉、赖氨
酸含量等。对不同作物所关注的农艺性状有所不同,
比如对玉米会关注穗型 , 而对水稻则会考虑黏糯
性。同样, 对不同作物可能会产生的病虫害类型也
是不同的。
(3)抽取类的关系, 并将数据库中类的关系映射
成本体中概念的关系。根据类的关系定义概念的上
下位关系、成员关系、同义关系等。根据上述分析,
类与子类存在上下位的层次关系; 不同种类的作物
也可能存在成员关系, 比如作物按属来分, 绿豆、小
豆、豇豆、饭豆等都属于豇豆属; 另外, 作物的品种
名称和译名之间存在同义关系。
(4)根据数据库中类的约束关系定义本体概念的
约束关系。对本体的概念建立约束, 可以保证本体
概念的语法一致性、语义一致性及用户自定义的一
致性。比如作物的株高、硬度、千粒重、耐涝性、
抗寒性等都约束在一定的范围内, 这些作物的特性
不会随着对象表达方式的不同而变化。同时, 约束
关系的建立也有助于本体推理的实现。
(5)本体的形式化表达。这是利用本体建模工具
建立本体的过程。本体的建模工具很多, 包括Oiled、
WebOnto、OntoEdit、Protégé等[23]。其中Protégé是由
斯坦福大学基于Java语言开发的一款开源的本体开
发工具, 使用频率较高。
综合以上步骤, 使用Protégé4.3构建了农作物种
质资源初始本体模型, 如图4所示(只显示部分模型)。
该本体模型由结构化数据库数据抽取而得到 ,
涉及种质资源收集、保存、分发、种质分类及属性
等方面。种质资源的分类和数据库中基本保持一致。
将属性单独列出来, 是考虑到种质资源属性包括共
性和特性 , 对于共性描述部分 , 可以统一描述 , 便
于建立不同种质资源之间的关系。对于种质保存部
分, 除了描述某种质资源当前的保存位置之外, 还
图 4 初始本体模型
Fig. 4 Initial ontology model
412 作 物 学 报 第 42卷
增加了种质资源的地理和行政分布, 这便于和种质
收集中的收集地点等建立联系。以本体的方式重新
组织资源, 可将原有各相对独立数据库中的数据统
一组织, 便于建立资源概念间的关系, 有利于提高
资源信息共享的水平。
2.2 本体的完善
从农作物种质资源相关网站自动提取网站概念,
并对概念分类, 映射成本体的概念。比如对CGRIS
网站进行概念抽取, 可以抽取出种业信息、农业知
识、信息交流、优异种质、作物新品种、农业百科
知识、作物病虫害知识、作物转基因科普、作物资
源照片等概念。对这些概念归纳综合, 可以提取本
体的概念, 这些概念可以分为种业信息、农业知识、
专业名词、信息交流等大类, 种业信息又可分为优
异种质、作物新品种和种子法规子类, 农业知识又
可分为转基因科普、植物遗传资源科普、病虫害知
识、百科知识等子类。此外, 还可以提取农作物种
质资源的查询数据、图片数据和信息规范数据等。
对概念提取分类后, 进行语义映射, 给概念赋以语
义, 将得到的概念、关系及语义加入到初始本体中,
并更新概念间的关系, 最后进行形式化表达。完善
后的农作物种质资源本体模型如图5所示。
图 5 完善后的本体模型
Fig. 5 Improved ontology model
非结构化的网站数据是动态数据, 包含了原有
数据库中没有的信息 , 其中会涉及到一些新的概
念。将这些新概念补充到本体中, 可完善初始本体,
使本体的体系结构更加完整。比如种业信息中包含育
种得到的新品种, 其新特性涉及的一些新概念需要
加入到本体中, 可以对资源进行更深层次的描述。
3 讨论
3.1 农作物种质资源本体的进化
通过以上方法, 构建了农作物种质资源本体模
型, 但随着农作物种质资源工作的进展, 种质资源
概念的内容、结构、存在形式也在不断变化, 某些
术语的含义也会随之变化。农作物种质资源本体与
变化的信息资源之间的一致性就有可能遭到破坏 ,
所以需要农作物种质资源本体概念的结构、关系不
断调整、完善、改进和更新, 实现本体的进化[24]。
种质资源本体的进化主要体现在以下几方面。
(1)学科自身发展的需要。由于种质资源学科自
身的发展, 应用领域不断延伸, 产生新的学科生长
点, 学科的知识结构发生变化, 因此需要根据学科
发展需要对本体进行扩充, 使本体能体现学科发展
过程中形成的新概念。另外, 本体进化并不意味着
第 3期 陈丽娜等: 农作物种质资源本体构建研究 413
本体概念数量的积累 , 更在于本体概念质的提升 ,
所以也要删除过时的、失效的概念[24]。
(2)新技术发展的需要。随着分子生物学和基因
组学等新技术的发展, 种质资源鉴定工作过程中会
出现一些概念的新特性, 需要对其不断丰富, 使其
更加完整。
(3)新资源包含的新多样性特性。随着种质资源
收集工作的推进, 尤其是从国外引进的一些新种质,
可能会含有新的资源多样性特性。另外, 通过分子
标记等新技术进行种质创新, 会产生新作物、新品
种、新类型和新材料, 这些新概念包含了新特性, 需
要将这些新概念特性及时地补充到本体中, 对本体
进行更新。
3.2 本构建方法的优点
传统的本体构建方法, 为农作物种质资源本体
构建提供了借鉴 , 但不适合农作物种质资源的特
点。结构化数据和非结构化数据相结合的本体构建
方法与传统的本体构建方法比较, 有以下优点。
(1)从关系数据库中抽取数据建立初始本体, 准
确高效。充分利用了农作物种质资源已有数据库数
据, 减少了本体构建的工作量。利用面向对象的方
法可简单高效地从数据库中抽取概念, 并建立概念
间的关系。
(2)网站中非结构化数据的应用对初始本体起到
补充作用。概念的提取采用半自动化方法, 更加高
效。利用在线词典WordNet和网络语义资源
Wikipedia进行语义映射, 使本体的概念和语义更加
完整。
3.3 本研究的局限性
本研究只构建了种质资源本体模型, 种质资源
领域涉及的概念非常多, 后期需要完善该模型, 使
概念更加丰富。由于种质资源的特殊性, 它大部分
集中在国家及地方种质库中, 获取种质资源信息的
渠道非常有限, 有关种质资源信息的个人或者商业
网站很少, 所以本研究采用的非结构化数据来源于
农作物种质资源专业网站, 期待能有多样的种质资
源网站数据。另外, 本研究探讨了本体进化的途径,
并没有真正在模型中体现出来, 希望随着研究工作
的推进, 将本体进化的内容增加进去, 并研究合适
的本体进化机制。
4 结论
根据农作物种质资源的特点, 提出了一种半自
动化的本体构建方法, 构建了农作物种质资源本体
模型, 探讨了本体进化的途径。农作物种质资源本
体的构建为种质资源的组织提供了新方式, 本体中
丰富的语义便于知识发现, 从而提高资源的利用效
率。
本体与传统数据库相比, 有很强的表达概念语
义和获取知识的能力, 可以实现一致性检查、逻辑
推理等, 利用本体可以在差异很大的系统之间实现
交互, 实现的资源的集成共享。基于本体的数据库
访问 , 能够使用户基于统一的视图查询底层数据 ,
实现大规模数据的集成和访问。但目前真正能达到
本体和数据库高效互访的系统还很少, 这也将是我
们下一步研究的内容。
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