Räumliche Informationen, insbesondere qualitativer Natur, sind ein wesentlicher
Bestandteil menschlichen Wissens. Ihre Repräsentation in Wissensbasen und ihre
Zugänglichmachung für maschinelle Inferenzmechanismen im Zuge der Entwicklung eines semantischen Webs stellen einen aktuellen Forschungsschwerpunkt im Bereich des Daten-, Informations- und Wissensmanagements dar. Zur Repräsentation von räumlichen Informationen gibt es eine Reihe von Ansätzen, die auch das Schließen auf diesen erlauben. Zur Darstellung (mereo)topologischer Relationen hat sich der Region Connection Calculus als gut geeignet erwiesen, dessen formale Repräsentation mit
Beschreibungslogik räumliches Schließen ermöglicht.
Gleichzeitig hat die Arbeit an der Entwicklung eines semantischen Web zu Quasi-
Standards hinsichtlich der Repräsentation semantischer Inhalte mit Hilfe von Web-
Ontologie-Sprachen (OWL) geführte. Allerdings gibt es bisher erst wenige Vorschläge zur
Verwendung von OWL bzw. deren logikbasierter Ausprägung (OWL-DL), um die
räumlichen Relationen des RCC-8 auszudrücken.
Die Modellierung räumlicher Zusammenhänge, deren formale Repräsentation und das
Schließen über ihnen, sowie das diesbezügliche Potential von RCC-8 bei dessen
Transformation in die Web-Ontologie-Sprache OWL und der Nutzung vorhandener
Inferenzmaschinen wie Pellet, sollen in dieser Arbeit untersucht werden.
Es soll also eine Übersicht über bestehende Standards, Theorien, Werkzeuge und
Bibliotheken zur Repräsentation qualitativen räumlichen Wissens gegeben und ein
Werkzeug entwickelt und dokumentiert werden, welches der Erstellung bzw. Erweiterung
von Ontologien mit über die RCC-8-Relationen dargestellten qualitativen räumlichen
Beziehungen, speziell der Transformation der RCC8-Relationen in Axiome der OWL-DL,
dient.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1Motivation
1.2 Gliederung
2 Semantisches Web
2.1 Wissensrepräsentation
2.2 Formalisierung des Wissens
3 semantic web Standards
3.1 XML
3.2 RDF+RDFS
3.3 SPARQL
3.4 Ontologiesprachen
4 description logics
4.1 Basiselemente von DL's
4.2 Wissensrepräsentation in DL
4.3 reasoning in DL-Systemen
5 OWL
6 räumlich-geographisches Wissen
6.1 Repräsentation räumlich-geographisches Wissen
6.1.1 Repräsentation zeitlich-räumlicher Phänomene
6.1.2 Kategorisierung räumlichen Wissens
Typologie des Raumes
Räumliches Wissen
Räumliche Relationen
Räumlich-geographische Modelle
6.1.3 Datenmodelle: SDTS und GDF
7 Räumliches Schließen
7.1 qualitatives räumliches Schließen
7.2 Ansätze für qualitatives räumliches Schließen
7.2.1 Topologie
7.2.2 Orientierung
7.2.3 Distanz
8 Der Region Connection Calculus
8.1 RCC-8
9 Transformation von RCC-8 in OWL
9.1 RCC-8 und DL
9.2 OWL1.1
9.3 RCC-8 und OWL-DL/OWL 1.1
10 vorhandene Schnittstellen und tools
10.1 Jena
10.1.1 Architektur
10.2 Pellet
10.2.1 features
10.2.2 Architektur
10.3 Protégé
11 TranSTopOWL
11.1 Anforderungsbeschreibung
11.2 Umsetzung
11.2.1 RCCModel
11.2.2 OntReasoner
11.2.3 SPARQL
11.3 Auswertung
11.4 Bedienungsanleitung
11.4.1Installation
11.4.2 Übersicht
Hinzufügen von RCC8-Relationen
Reasoner
Verlassen und Speichern
SPARQL
12 Fazit und Ausblick
13 verwandte Arbeiten
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Experimentierplattform zur Transformation und zum automatischen Schließen über topologischen Relationen gemäß des RCC-8-Kalküls innerhalb der Web-Ontologie-Sprache OWL-DL. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie räumliches Wissen qualitativer Natur, das für menschliches Denken essenziell ist, formal in das semantische Web integriert werden kann, um von Inferenzmaschinen automatisiert verarbeitet zu werden.
- Methoden zur Wissensrepräsentation und Formalisierung mittels Ontologien (RDF, RDFS, OWL).
- Grundlagen des qualitativen räumlichen Schließens und des Region Connection Calculus (RCC-8).
- Theoretische Untersuchung der Transformation von RCC-8-Relationen in Axiome der OWL-DL.
- Implementierung der Experimentierplattform TranSTopOWL unter Nutzung von Jena und Pellet.
- Bewertung der Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit von Reasonern bei der Verarbeitung räumlicher Relationen.
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation
Die Repräsentation und das Erschließen räumlich-geographischen Wissens stellen einen der wichtigsten Aspekte "vernünftigen", der menschlichen Logik nahen, Schließens dar.
Diese besondere Stellung räumlicher Zusammenhänge ergibt sich aus der Bedeutung, die Raum (und Zeit) im und für das menschliche Denken besitzen. Das menschliche Leben findet in Raum und Zeit statt. Jedes physische Objekt befindet sich irgendwo in Raum und Zeit, besitzt Ort, Form, Größe...[56]
Der Mensch operiert ständig und wie selbstverständlich mit räumlichem Wissen: Ein Auto, das in einen Tunnel fährt, befindet sich eine Zeitlang im Tunnel und kann mit großer Sicherheit am anderen Ende erwartet werden. Die nächste Bushaltestelle ist hier rechts lang kurz nach dem Bäcker. Gib mir die Vase, die auf dem Tisch steht! Ich möchte, daß du bei den Sechs Kiefern nachforschst und dich dann bis zu Eules Haus vorarbeitest...Dann treffe ich dich also in etwa einer Stunde bei Eule...
Ständig wird räumliches Wissen angewandt, modifiziert, kommuniziert, dient als Basis für das Erschließen unbekannter Fakten.
Man kann also davon ausgehen, das jedes System, welches intelligentes Verhalten nachbilden oder simulieren soll, über Möglichkeiten verfügen muß, räumliche Fakten, Relationen, Gegebenheiten wahrzunehmen, zu repräsentieren, darüber Schlüsse zu ziehen und zu kommunizieren.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Einleitende Darstellung der Bedeutung von räumlichem Wissen und die Motivation zur Integration in das semantische Web.
2 Semantisches Web: Grundlagen der Wissensrepräsentation und der Formalisierung von Daten mittels Ontologien.
3 semantic web Standards: Übersicht über die maßgeblichen Standards wie XML, RDF, RDFS und SPARQL für das semantische Web.
4 description logics: Einführung in die Beschreibungslogiken als formale Grundlage für modellbasierte Wissensrepräsentation und Schlussfolgerungen.
5 OWL: Vorstellung der Web-Ontologie-Sprache OWL und ihrer verschiedenen Dialekte zur Strukturierung von Wissen.
6 räumlich-geographisches Wissen: Diskussion der Repräsentation und Kategorisierung von räumlichem Wissen sowie gängiger Datenmodelle wie SDTS und GDF.
7 Räumliches Schließen: Überblick über Ansätze zum automatischen Schließen über räumliche Informationen, inklusive Topologie, Orientierung und Distanz.
8 Der Region Connection Calculus: Detaillierte Darstellung des RCC-8-Kalküls zur formalen Behandlung topologischer Beziehungen.
9 Transformation von RCC-8 in OWL: Theoretische Untersuchung, wie topologische Relationen in die Logik von OWL-DL überführt werden können.
10 vorhandene Schnittstellen und tools: Vorstellung der technischen Werkzeuge Jena, Pellet und Protégé zur Implementierung und Nutzung von Ontologien.
11 TranSTopOWL: Dokumentation der erstellten Experimentierplattform, ihrer Funktionalität und Bedienung für die Transformation und das Schließen über räumliche Relationen.
12 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der Arbeit und Ausblick auf zukünftige Erweiterungen und Anwendungsszenarien.
Schlüsselwörter
Semantisches Web, Wissensrepräsentation, Ontologien, OWL-DL, RCC-8, Räumliches Schließen, Topologische Relationen, Inferenzmaschinen, Reasoning, Jena, Pellet, TranSTopOWL, Geo-Information, Constraint Satisfaction Problem, Wissensmanagement
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es grundsätzlich in dieser wissenschaftlichen Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Repräsentation von qualitativem räumlichen Wissen innerhalb des semantischen Webs und der Entwicklung eines Werkzeugs zur automatisierten Verarbeitung dieser Informationen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Im Zentrum stehen die Methoden der Wissensrepräsentation, speziell OWL-DL, und die Anwendung topologischer Berechnungen mittels des Region Connection Calculus (RCC-8).
Was ist das primäre Ziel oder die zentrale Forschungsfrage der Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung einer Experimentierplattform namens TranSTopOWL, die es ermöglicht, topologische Beziehungen zwischen Regionen in OWL-DL zu transformieren und mittels Inferenzmaschinen (Reasonern) logische Schlüsse daraus zu ziehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf einen logikbasierten Ansatz unter Verwendung von Beschreibungslogiken und Tableaux-Algorithmen, um die Konsistenz und logische Herleitbarkeit räumlicher Relationen zu garantieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Ontologie-Sprachen, eine detaillierte Einführung in den RCC-8-Kalkül, die Analyse der Transformation von topologischen in beschreibungslogische Axiome sowie die praktische Implementierung eines Java-basierten Prototyps.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren diese Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Semantisches Web, RCC-8, OWL-DL, Räumliches Schließen, Jena, Pellet und Ontologien.
Welche Rolle spielt der Region Connection Calculus (RCC-8) in der TranSTopOWL-Plattform?
RCC-8 dient als zugrunde liegendes formales System, dessen acht Basisrelationen mittels TranSTopOWL in OWL-DL-Konzepte übersetzt werden, um die topologischen Eigenschaften der Regionen für den Reasoner verarbeitbar zu machen.
Warum wird für diese Arbeit OWL-DL und nicht eine einfachere Web-Ontologie-Sprache gewählt?
OWL-DL bietet die notwendige Ausdrucksstärke zur formalen Modellierung bei gleichzeitiger Wahrung der Entscheidbarkeit für automatische Inferenzprozesse, was bei OWL Full nicht gewährleistet wäre.
Welche technischen Werkzeuge nutzt der Autor für die Implementierung?
Für die Entwicklung der Plattform TranSTopOWL werden das Java-Framework Jena zur Manipulation von Ontologien und die Inferenzmaschine Pellet für das reasoning genutzt.
Was zeigt die Auswertung der Experimentierplattform bezüglich der Performance?
Tests haben gezeigt, dass die Plattform die gewünschten logischen Ergebnisse liefert, jedoch bei großen Datensätzen auf Speicherengpässe (Java Heap Space) stoßen kann, was eine sorgfältige Konfiguration der Java Virtual Machine erfordert.
- Citar trabajo
- Stefan Köpke (Autor), 2007, Qualitatives Räumliches Schließen - Repräsentation qualitativ-räumlichen Wissens im semantischen Web mittels topologischer Beziehungen zwischen Regionen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/90186
