GI-Technologien zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL): Wissensbasen. Teil 1: Einführung: Wissensbasis und Ontologie.

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1 GI-Technologien zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL): Wissensbasen Teil 1: Einführung: Wissensbasis und Ontologie

2 Was ist eine Wissensbasis? Unterschied zur Datenbank: Datenbank: strukturiert Daten durch Tabellen und Spalten, definiert Datentypen Wissensbasis: liefert Informationen über die Bedeutung der Daten und über die (logischen) Regeln, die für sie gelten. Inferenz: Die Wissensbasis kann mittels der Regeln aus dem vorhandenen Wissen Schlüsse ziehen (= inferieren), d.h. neues Wissen generieren.

3 Komponenten der Flumagis-Wissensbasis Domain-Ontologien: Das Fachwissen über Begriffe, Methoden und Verfahrensabläufe wird in mehreren, miteinander verbundenen Ontologien formuliert. Objekt-Ontologie: Alle Objekte, die im Flumagis-Projekt eine Rolle spielen, werden in der Objekt-Ontologie klassifiziert. Datenbanken: Die Wissensbasis hat Zugriff auf die Datenbanken, in denen die Objekt-Informationen gespeichert sind. Methoden-Bibliothek: Eine Bibliothek von Java-Klassen liefert alle im Flumagis-Projekt benötigten Methoden (Auswertungen, Maßnahmen, Entwicklungen,...), die mit den entsprechenden Konzepten in den Ontologien verknüpft werden.

4 Was ist eine Ontologie? An ontology is a specification of a conceptualization: A body of formally represented knowledge is based on a conceptualization: the objects, concepts, and other entities that are assumed to exist in some area of interest and the relationships that hold among them. (Genesereth & Nilsson, 1987) Mit anderen Worten: eine Ontologie ist nicht ein Abbild der realen Objekte der realen Welt, sondern eine Spezifikation der Vorstellungen und Begriffe, die wir in unseren Köpfen über sie haben. Klassifizierungen orientieren sich demnach nicht an objektiven Gegebenheiten der realen Welt, sondern an den Erfordernissen, die sich aus unserer spezifischen Sichtweise auf die Welt ergeben. Dementsprechend gibt es (wahrscheinlich unendlich) viele Wege, in sich korrekte Ontologien der realen Welt zu erstellen. Trotzdem kann eine Ontologie fehlerhaft sein: Klassifizierungen und Relationen können in sich logisch widersprüchlich sein oder die Realität (= unsere Konzepte im Kopf) falsch interpretieren.

5 Klassen und Instanzen Klasse = Klassifizierung einer Gruppe von Objekten Instanz = Objekt (Individuum), das durch eine Klasse beschrieben wird Die Entscheidung, was Klasse und was Instanz sein soll, ist im Wesentlichen vom Kontext und der Intention abhängig. Wichtig ist, dass Instanzen immer Einzelfälle darstellen, Klassen dagegen sind Typisierungen mehrerer Instanzen.

6 Vererbung: Subklassen und Superklassen Klassen werden in eine Hierarchie eingebunden. Die obersten Etagen der Hierarchie bestehen aus den abstrakten, allgemeinen Konzepten. Jede Hierarchiestufe abwärts bedeutet einen Zuwachs an Spezifikation und Konkretisierung. Jede Klasse (mit Ausnahme der obersten) hat (mindestens) eine Superklasse, von der sie Eigenschaften erbt. Jede Klasse kann weitere Eigenschaften zugewiesen bekommen und beliebig viele Subklassen haben, die ihre Eigenschaften erben. Nur als konkret deklarierte Klassen können Instanzen haben. Beispiel: Klasse Möbel ist abstrakt, es kann keine Instanzen geben, die einfach nur Möbel sind; ihre Subklasse Tisch ist konkret und kann einzelne Tische als Instanzen haben.

7 Eigenschaften: Attribute und Relationen Klassen definieren die Eigenschaften, die sie an Subklassen wie auch an Instanzen vererben. Bei den Instanzen werden den Eigenschaften konkrete Werte zugewiesen. Attribute sind Eigenschaften, deren Werte keine weitere Spezifikation in der Ontologie erfahren (z.b. numerische Werte, Zeichenfolgen) Relationen sind Eigenschaften, die Beziehungen zu anderen Objekten (Instanzen) herstellen. Relationen können wechselseitig sein (istmuttervon istkindvon). Relationen können multiple sein (istmuttervon kann eine Relation einer Frau zu mehreren Kindern sein).

8 Wie erstellt man eine Ontologie? Grundsätzliche Regeln 1: Die Beziehung Klasse Superklasse sollte immer eine Relation der Art (Klasse) ist ein(e) (Superklasse) ( isa -Beziehung) sein. Beispiel: Eine Eiche ist ein Baum. (wobei Baum eine Superklasse der Klasse Eiche ist) Es sollte mit der Klassifizierung immer eine wesentliche Charakterisierung einhergehen, nicht eine Beschreibung anhand einer oberflächlichen Eigenschaft. Beispiel: Charakterart ist keine Art...sondern nur eine Rolle, die eine Art in bestimmten Zusammenhängen spielen kann. Instanzen haben zu der Klasse, der sie angehören, die gleiche ist ein(e) -Beziehung.

9 Wie erstellt man eine Ontologie? Grundsätzliche Regeln 2: Attribute lassen sich als (Klasse) hat (Attribut) ausdrücken. Beispiel: Ein Baum hat eine Höhe. Relationen lassen sich als Rollen umschreiben, die eine Instanz für eine andere spielt. Beispiel: Ein Baum spielt für einen Borkenkäfer die Rolle des Nahrungslieferanten. (Für Instanzen der Klasse Borkenkäfer spielen Instanzen der Klasse Baum die Rolle ist Nahrungslieferant von ; die umgekehrte Beziehung ist (Baum) wird angeknabbert von (Käfer).) Die Relationen gelten zwischen Instanzen, werden aber für die Klasse spezifiziert.

10 Wie erstellt man eine Ontologie? Folgende Fragen sollten geklärt werden: 1. Welches sind die relevanten Begriffe in der Domain? 2. Wie sind die Beziehungen der Begriffe zueinander? 3. Welche Begriffe bezeichnen Klassen, welche sind Eigenschaften? 4. Gibt es abstrakte Konzepte (Superklassen), von der sich konkrete Begriffe ableiten lassen? (Hierarchisierung) 5. Welche Eigenschaften beschreiben welche Klassen? 6. Welche Relationen bestehen zwischen den Instanzen?

11 Ein Beispiel: Domäne: Pflanzensoziologe Begriffe: Assoziation, Pflanzenart, Charakterart, Deckungsgrad, Biotoptyp, Biotop, Vegetationsaufnahme, Vegetationseinheit Relationen: hat Charakterarten, kommt vor in, gehört zu, hat Pflanzenarten, hat Deckungsgrade, hat Kontaktgesellschaft

12 Ein weiteres Beispiel: Was ist Quercus robur?

13 Ein weiteres Beispiel: Was ist Quercus robur? Mögliche Antworten: ein Baum! eine Baumart! ein Artname!

14 Was ist Quercus robur? Mögliche Klassifizierungen: Klasse: Belebtes Objekt Klasse: Pflanze Klasse: Baum Klasse: Quercus robur» Instanz: ein Baum-Individuum

15 Was ist Quercus robur? Mögliche Klassifizierungen: Klasse: Sippe Klasse: Species» Instanz: Quercus robur

16 Was ist Quercus robur? Mögliche Klassifizierungen: Klasse: Blütenpflanze Klasse: Zweikeimblättler Klasse: Buchenverwandte (Fam. Fagaceae) Klasse: Eiche (Gen. Quercus)» Instanz: Quercus robur

17 Was ist Quercus robur? Mögliche Klassifizierungen: Klasse: Taxon Klasse: Species-Name» Instanz: Quercus robur

18 Arbeiten mit Protégé 2000 Erstellen von Ontologien Aufbau von Wissensbasen Darstellung von Relationen Inferenzen

19 Arbeiten mit Protégé 2000 Semester-Aufgabe: Erstellen einer Ontologie: Gewässerstrukturgüte Parametrisierung, Bewertung, Defizitfeststellung, Maßnahmenherleitung

20 Links / Literatur / Material Protégé 2000: