面向珍稀瀕危古樹名木健康保護的本體構建與可視化研究

摘要 針對珍稀瀕危古樹名木產生的海量、復雜龐大卻又互不交叉且獨立存儲的相關的知識信息的問題，在語義關聯的基礎上對其進行本體化組織和有機結合十分必要。基于本體的理論和方法，對瀕危古樹名木健康保護領域資源涉及的概念應用元數據進行知識抽取和語義描述，選取概念參考模型對領域內概念進行統一組織整合，構建瀕危古樹名木健康保護本體，以期全方位揭示出領域資源的知識內容及其相互關系，在每一株古樹名木之間、古樹名木和健康保護之間建立起語義深層次關聯及可視化展示，進一步推動古樹名木健康保護知識服務。

關鍵詞 古樹名木；健康保護；本體；可視化

中圖分類號 S-058 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）21-0216-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.21.045

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study of Ontology Construction and Visualization for Health Protection of Rare and Endangered Old and Famous Trees—A Case of Beijing

LIU Qian-ning1，MA Xiao-yan1，2，XIE Fang1 et al

（1.Beijing University of Agriculture，Beijing 102206；2.National Forestry and Grassland Ancient Tree Health and Ancient Tree Culture Engineering Technology Research Center，Beijing University of Agriculture，Beijing 102206）

Abstract In view of the problem of massive，complex and huge related knowledge information produced by rare and endangered ancient and famous trees，which are not interlinked and stored independently.It is necessary to organize and combine them organically on the basis of semantic association.Based on ontology theory and method，we carried out knowledge extraction and semantic description on the metadata of concept application in the field of health protection of endangered old and famous trees，the concept reference model was selected to organize and integrate the concepts in the field，and the health protection ontology of the endangered old and famous trees was constructed，it established semantic deep-level association between each old and famous tree，old and famous tree and health protection，further promote knowledge services on the health protection of ancient and famous trees.

Key words Ancient tree；Health protection;Ontology；Visualization

基金項目 市屬高校分類發展-都市農林特色教師隊伍建設項目（110000-24T000002961733）。

作者簡介 劉乾凝（1968—），女，湖北荊州人，副研究館員，碩士，從事文獻計量學、圖書情報學研究。*通信作者：馬曉燕，教授，碩士，碩士生導師，從事古樹學科研究；解方，助理研究員，碩士，從事人力資源工作。

收稿日期 2024-05-27；修回日期 2024-06-04

古樹作為一種古老的植物樹種，是具有重要的科學、歷史和觀賞價值而又不可再生、珍稀瀕危的自然文化遺產。古樹名木健康保護資源的搜集、整理和保護研究，對于歷史文化保存和植物生態學研究等都有獨特的價值。近年來，古樹名木的保護管理工作受到中央和北京市委領導高度重視，強調“首都的古樹名木極為珍貴，要加強保護”，叮囑“古樹、鴿哨、老院落等都是北京胡同的文化符號，要保護好，留住鄉愁”，要“讓古樹活起來”。同時，北京市為了加強古樹名木的保護管理、維護古都風貌，出臺了《北京市古樹名木保護管理條例》等地方性法規。

隨著互聯網的發展，不同的用戶對搜索不同類型的古樹名木信息的興趣各有不同，如古樹繁殖專家、技術人員對古樹樹種基因、健康保護檔案、健康監測評估信息等的需求、古樹學者對基于語義的知識搜索需求、市民游客對古樹人文歷史、民俗文化等知識的關注。基于此，政、學、商各界對古樹名木健康保護領域數據的知識組織開展了大量研究工作，如地理信息管理系統［1-3］、健康狀況評估模型［4］、北京市古樹名木保護智慧管理系統、AncientTree古樹名木監測評估系統［5］、北京市園林綠化局官網、中國知網和百度學術等平臺。基于上述古樹名木知識源，很明顯這些知識源來源于不同領域且主要以傳統數據庫形式進行存儲，存在信息融合能力差、難以形成對珍稀瀕危古樹名木健康保護全方位信息的深層次開發利用與知識共享等問題。因此，由于古樹自然衰老、區域生境以及全球氣候的變化，古樹瀕危衰弱發生有可能更頻繁，多領域合作建立古樹名木健康保護本體數據庫具有必要性和迫切性。

本體（ontology）利用形式化描述對象及對象間的關系，建立一個語義級的環境，可以很好地屏蔽信息資源的多維性、異構性，從而將用戶和信息資源統一在一個虛擬的語義空間中，使計算機能夠理解信息的語義［6］。因此，基于本體知識表達、良好的概念層次和對邏輯推理的支持，可以真正實現語義級的知識服務［7］。

國內學者針對歷史文化遺產具有多維異構性的大數據特點，通過構建本體、知識庫、開放性知識圖譜，使大規模數據的可視化和關聯成為可能。本體思想應用于珍稀瀕危古樹名木健康風險分析，可以解決古樹種植資源生產、城市園林綠化、古樹健康管理、古樹生態環境領域及古樹科研領域知識難于共享和應用的難題。基于上述研究和古樹在復壯保護、環境保護等方面的多領域、多來源知識，該研究設計構建了面向健康保護的古樹本體模型（下稱“古樹本體”），目的是分析珍稀瀕危古樹名木健康保護涉及領域技術服務信息數據的結構特征，逐步構建可以融合多源異構信息知識的本體模型，對珍稀瀕危古樹名木健康保護知識源的歸納，理清思路，為構建古樹領域健康保護技術服務數據庫做準備，最終有助于促進古樹領域知識創新和傳播。鑒于此，筆者基于本體的理論和方法，對瀕危古樹名木健康保護領域資源涉及的概念應用元數據進行知識抽取和語義描述，選取概念參考模型對領域內概念進行統一組織整合，構建瀕危古樹名木健康保護本體，以期全方位揭示出領域資源的知識內容及其相互關系，在每一株古樹名木之間、古樹名木和健康保護之間建立起語義深層次關聯及可視化展示，進一步推動古樹名木健康保護知識服務。

1 相關本體實踐與研究述評

在農業領域，目前大多已有的本體庫，如農業古籍本體領域本體［8］、萬里茶道檔案領域本體模型［9］、花卉學文獻試驗性本體檢索系統［10］等均參考聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，簡稱FAO）的多語種敘詞表AGROVOC、國際農業和生物中心敘詞表與美國國家農業圖書館的敘詞表AgNIC，常用的農業敘詞表有中國農業科學院農業信息研究所編制的中國農業敘詞表（Chi-nese Agricultural Thesaurus，CAT）、FAO創建的AGROVOC（多語種農業主題詞表） 、美國國家農業圖書館創建的NALT美國國家農業圖書館敘詞表、歐盟創建和維護的 EUROVOC（歐盟農業主題詞表）等。

斯坦福大學開發的七步法是一種具有很強的邏輯性、可操作性以及可拓展性的領域本體的構建方法，常常被相關學者在建立領域本體時所采用。例如，劉麗婷等［11］應用七步法模型 ，在分析廣東省和海南省臺風氣象災害事件，抽提出林木臺風氣象災害事件的類、個體及屬性概念，進行元語言轉化的基礎上，應用Protégé本體構建軟件進行林木氣象災害事件本體框架模型構建。

針對多維異構性的領域知識難以融合，相關學者通過構建開放性知識圖譜，把復雜的知識領域通過數據挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制顯示出來，揭示知識領域的動態發展規律，使大規模數據的可視化和關聯成為可能，為相關研究提供切實的、有價值的參考。例如，田夢暉等［12］針對珍稀瀕危植物形態特征、分類等級、瀕危系數、保護措施等知識不明確的問題，設計了文本融合輕量級雙向轉換編碼表示模型（Albert）的知識抽取模型框架，實現批量抽取珍稀瀕危植物知識，從而構建珍稀瀕危植物本體和知識圖譜，完成珍稀瀕危植物知識圖譜的可視化展示；段宇鋒等［13］以BFO作為上層本體，參考KACTUS法，通過復用PO構建涵括720條實體和4 000多個實例的中文植物物種多樣性本體；張伶子等［14］針對現有農業病蟲害專家系統領域知識共享和重用困難、癥狀輸入嚴重影響準確率等問題，研究了基于領域知識、推理知識和任務知識的本體構建技術；劉桂鋒等［15］利用本體原理和本體構建工具Protégé，抽取國家農業科學數據中心的數據資源，構建可視化數據資源的關聯關系，深度揭示與可視化農業科學數據資源，實現了知識發現和數據增值，并為科學數據平臺建設提供了借鑒、參考；針對作物病蟲害數據，吳賽賽等［16］構建了一種基于深度學習的作物病蟲害知識圖譜；周樹斌等［17］通過融合詩詞文化基因與詩詞資源，利用知識圖譜技術的可視化分析，完成傳統詩詞資源微觀至基因、宏觀到時空的詩詞資源知識的關聯及可視化展示。

2 領域本體構建理論與方法

2.1 本體理論

源自哲學領域的本體（ontology）這一概念，原本是對客觀世界本質及其規律的抽象化，20世紀90年代以來，這個詞隨即被應用到計算機領域，起到越來越重要的作用。雖然不同研究者對本體的定義有不同的描述，但在根本上，對本體的認識是一致的，本體就是對某一研究領域應用本體論的方法進行分析、構建領域模型，是將現實世界中的某個領域抽象成一組概念和概念之間的關聯［18］，或者說本體在信息科學領域是一種模型，是對客觀存在的對象類型或概念及其相互關系的規范描述和表達［19］，并轉化為資源描述框架（resource description framework，RDF ），如Perez 等［20］認為，本體可以用于在計算機領域表示知識，包含類、關系、公理、函數和實例5種要素，能夠規范特定范圍的基本概念、屬性、概念間的關系以及屬性和關系的約束規則［21］。

2.2 本體構建方法與流程

根據上述文獻綜述，分析得出七步法最適合領域本體的構建，其成熟度也是現有本體構建方法中最好的，因此該研究在構建本體的過程中也應用了七步法的思想作為方法論構建本體模型。筆者綜合主流本體構建方法，從多個維度出發對珍稀瀕危古樹名木健康保護領域實體知識的概念、屬性、實體與實例、實例與實例之間的關系加以概括性的描述和定義。

設計古樹本體，具體步驟如下：確定本體的專業領域和范疇；考慮用現有本體的可能性；抽取古樹知識概念；構建古樹上位本體；本體類及屬性的設計；按照需要，添加實例。

3 珍稀瀕危古樹名木健康保護領域本體構建

3.1 確定本體的專業領域與范疇

古樹名木健康保護是“社會歷史-生態環境-科研管理”復雜復合系統：古樹的遺傳育種滿足經濟市場需求；古樹景觀資源的開發利用滿足人對綠色環境的需求；現有古樹的保護、撫育滿足古樹文化傳承的需要。北京市古樹名木數量最多，共有4萬多株古樹名木，樹種主要多為側柏、油松、國槐、榆樹等鄉土樹種，黃檗、青檀、流蘇、毛棶等也有分布，側柏、油松、檜柏、國槐占總數的90%以上，主要集中分布在全市的皇陵墓地、皇家園林、王府、寺廟及庭院等地，包括一級古樹6 000余株，二級古樹3.4萬余株，名木1 000余株。其中，健康古樹僅占30%，衰老或瀕危古樹已達5%，具有搶救和保護的必要性與迫切性。因此，筆者以北京市為例，構建“珍稀瀕危古樹名木健康保護”領域本體知識，該本體的覆蓋范圍為古樹名木土壤環境監測保護知識、病蟲害防治知識、古樹植物類別和繁殖知識、受損部位檢測修復知識等，涉及多方面范疇的主題，包括農業科學、植物保護、生態學、生物學等領域。

古樹本體結合上述古樹領域知識的應用領域和古樹名木健康保護信息的覆蓋范圍，構建古樹名木健康保護領域的知識概念、公理、屬性、關系、規則和過程的規范化形式化的本體模型，其目標是實現珍稀瀕危古樹名木健康保護領域知識融會、共享和重用，實現古樹名木健康保護信息的結構化和語義化組織。

3.2 古樹知識概念的抽取

本體的構建主要以北京市“珍稀瀕危古樹名木健康保護”為主題，開發一種可共享的、共同的概念集合［22］的古樹名木健康保護本體模型。為了完成古樹知識概念的抽取目標，從AncientTree古樹名木監測評估系統、北京園林綠化局的官方網站、古樹名木保護服務網等網絡渠道獲取北京地區古樹名木健康保護的簡介信息，從簡介信息中以及利用相關文獻、工具書對古樹名木健康保護領域的知識分析匯總，抽象出可以描述古樹名木健康保護的核心類和屬性信息，如事物類、事件類、參與者類、時間類、地點類、團體類等，屬性信息有樹木的樹種、名稱、樹齡、冠幅、編號、生長環境、健康等級等。最終實現由古樹名木相關概念和健康保護描述信息構成的古樹本體核心概念集。

3.2.1 結構化知識抽取。

該研究以古樹為對象，實證研究所需數據來源主要包括紙質文獻資源和網絡數字資源。首先，通過網絡數據采集的方式收集古樹資源，數據主要來源于在線《中國植物志》［23］中國知網、北京園林綠化局的官方網站、AncientTree 古樹名木監測評估系統、古樹智慧管理系統、古樹名木保護服務網。在網絡數據采集的基礎上借鑒了《中國圖書館分類法》［24］之《農業專業分類表》等權威成果，對文獻數據庫中的10 110 條古樹學文獻記錄中涉及古樹遺傳育種、古樹修復、生態環境、園林樹木等多學科數字文獻資源的整理，結合對古樹資源特征的分析、梳理，從中提煉出重要概念和關鍵術語。其次，該研究收集了有關北京古樹相關的報告和簡報、《中國植物志》［25］學術專著、保護規劃和管理條例、項目書、工作報告等紙質資料作為數據源。再次，為了滿足古樹保護利用研究需要，使計算機自身具備理解和語義判讀，采用RDF三元組語義描述框架，定義古樹本體的所有數據，從古樹實體自身到古樹數字資源記錄，確保每個記錄都可以具備語義化關聯。

3.2.2 半結構化知識抽取。

在結構化知識抽取中是以文本作為一個屬性值，但在屬性值的文本中還包含很多未挖掘到的隱藏信息，如古樹的屬性值中，還隱藏著別名、地點等實體關系信息，而抽取這些關系時屬于基于非結構化數據的知識抽取。因此，在進行知識組織之前，以三元組知識自動抽取技術對古樹文本、圖片、圖像和音頻/視頻、XML、HTML等非結構化信息進行資源預處理，以規范化的RDF三元組知識抽取形式對其進行抽取，提取出其中的語義關鍵信息。因此，通過結構化和半結構化知識抽取，本體的語義描述結構跟本體本身架構對應，古樹實體對應1條RDF數據，同時其實際對應的內容條目也均對應RDF數據，最終可以建立具備一定語義功能的關聯網絡。

3.3 定義古樹本體所有概念

該研究構建的古樹知識本體涉及大量的專業詞匯與術語，確定共同認可的領域知識本體的核心概念，其特點是多種概念形式以一種標準進行形式化聚合和定義，在共同具有的性質中體現各自的特性。例如，不同樹種之間關于健康級別的劃分標準基本一致，但每一棵樹的屬性、歷史文化、生長環境、健康狀況、修復措施具有很大不同，因此在進行古樹領域健康保護事件本體模型框架的構建時，既要考慮古樹名木健康保護類的通用性質（知識概念頂層框架），又要結合不同樹種的特性（概念實例），使構建的本體能夠充分展示古樹知識豐富的內涵和外延，以此構建古樹多維領域的知識概念體系，完整地反映古樹名木健康保護所涉及的知識內容。

3.3.1 上位本體的構建。

通過對初始語料庫進行詞典分詞和新詞發現；識別朝代、年號、事件、機構名、人名、古樹名等專有名詞；以及人工命名實體，抽取語料庫的人、事、物、時間、地點等實體，獲得古樹名木概念、事件概念、時間概念、地點概念、人物概念、機構概念。基于獲取到的概念和關鍵術語，并復用已有的與該研究情境較為符合的CIDOC-CRM［26］、DC［27］、FOAF ［28］、SHLNames［29］ 、OWL-time［30］本體的實體設計，構建古樹上位本體。最終將知識概念體系填充到古樹上位本體，最終確定了古樹名木類（gr：Ancient Tree）、事件類（gr：Event）、地點類（crm：Place）、人物類（crm：Person）、團體類（crm：Group）5個實體，實現古樹知識在不同領域的理解與共享，為形成完備的以古樹本體為核心的本體模型的構建提供依據。

3.3.2 進行類和類的層級劃分。

該研究遵循從抽象到一般，再到具體概念的3層結構的本體構建方法，抽象出具備一定通用性的最頂層的抽象概念，即古樹名木類、事件類、地點類、人物類、團體類5個核心本體；根據古樹名木健康保護本體的個性化需求，進一步將上述5種抽象概念逐漸細化，定義了21個一級子類和43個二級子類。21個一級子類分別為樹種子類、分類類別子類、名稱子類、特征子類、健康等級子類、保護級別子類、健康保護現狀子類、樹體修復事件子類、樹體檢測事件子類、生境保護事件子類、基因克隆事件子類、歷史事件子類、評估者子類、檢測者子類、管護者子類、歷史人物子類、評估單位子類、檢測單位子類、管護單位子類、地理位置、行政區劃。

3.3.2.1

古樹名木類。該研究針對珍稀瀕危古樹名木健康保護的本體構建，所以將樹種、分類類別、名稱、特征、健康等級、保護級別、健康保護現狀定義為古樹名木的一級子類；在樹種子類中，主要按照北京現存的古樹樹種進行搜集分類，即白皮松、側柏、圓柏、銀杏、油松、國槐、龍爪槐、歐椴、黃檗、青檀、楸樹、黑棗、酸棗、毛棶、流蘇等；在分類類別子類中，是按照植物物種間的親緣關系進行的物種分類，即門、綱、目、科、屬的層級結構進行分類；在名稱子類中，主要是針對植物物種命名的描述，包括俗名、拉丁名、別名；在特征子類中，主要是按照生長習性、樹齡、高度、冠幅、胸圍、地理分布、編號、文化價值、功用價值等進行劃分；其中編號由11位數字組成，分別代表省份、市、區以及具體位置的代碼，如同居民的身份證；文化價值是古樹名木的民族和地域的重要標志，銘刻著時代的印記；功用價值是古樹名木形成的獨特的旅游景觀資源經濟價值或藥用價值；在保護等級子類中，一級古樹是樹齡500年以上的樹木，二級古樹是樹齡在300～499年的樹木，名木是具有重要歷史、文化、觀賞和科學價值或具有重要紀念意義的樹木，且不受樹齡限制、不分級，如歷史文化名人等所植或詠題的樹木。在其他健康級別子類中，古樹健康狀況評價劃分選取能反映古樹健康狀況的可目測指標，包括葉片、樹枝、樹干、根系4大類，或者對各項指標打分并計算其綜合得分，健康等級分為4級：正常、衰弱、嚴重衰弱和瀕危［31］，生長正常的古樹特征描述為整體長勢良好，無病蟲害，枝繁葉茂，枝干無損傷；生長衰弱的古樹特征描述為枝葉偶有枯落，或有少量的病蟲害，樹干有部分損傷，整體長勢有衰退趨勢；瀕危古樹特征描述為整體長勢差，枯損現象多，病蟲害嚴重，樹木已經處于瀕臨死亡狀態。

3.3.2.2

事件類。為古樹名木健康保護人員在特定時間和地點對古樹的健康狀況保護、監測、評價的行為，所以將生境保護事件、基因克隆事件、樹體修復事件、樹體檢測事件、歷史傳說事件定義為事件類的一級子類。

3.3.2.3

人物類（foaf：Person）。指參與古樹健康管理與評價的重要人物，包括古樹領域專家學者、日常管理和維護人員、監測巡查人員和歷史人物。

3.3.2.4

團體類（crm：Group）。古樹健康保護檢測的機構或組織，包括國家林業（林草）局、省級園林綠化局及地方政府、土地部門、古樹保護管理機構、古樹科研機構、綠地養護相關協會和企業等。

3.3.2.5

地點類。包括行政區劃和地理位置。

3.4 定義類的屬性

在完成古樹名木健康保護領域本體類創建后，需要對各類的屬性以及類與類之間的關系做出定義和描述，以完善類的內部數據結構，從而保證類的獨特性。對屬性規范化定義，明確概念之間的關系，從而形成直觀立體的語義關系網。屬性主要是指對象屬性（object property）與數據屬性（datatype property）。對象屬性指的是概念術語與概念術語之間的關系，主要是指類與類之間的關系、實例與實例之間的關系，具有明顯的指向性；數據屬性是指描述自身的屬性，是與RDF（XML Schema）數據類型之間的關系，數據型的值域是對屬性的取值范圍和約束條件的限定、補充和完善性說明。表1和2分別展示了基于本體的古樹數據中數據屬性和對象屬性。表1主要描述本體概念層中數據屬性的三元組實例，包括古樹名木的別稱、樹種類別、健康等級等關系，例如〈銀杏，拉丁名，Ginkgo biloba L.〉這個三元組表達的語義信息是“銀杏的學名是Ginkgo biloba L.”；

該究對象屬性關系見表2，創建并規范了對象屬性關系的定義域（domains）和取值范圍值域（ranges），明確知識抽取的邊界。定義域和值域的意義在于給關系和屬性的取值設定一定范圍的約束，比如對于 “復壯于（rejuvenated） ”這個關系來說，其主體只能是“樹種”實體，而其對象只能是“人物”實體。

通過對象屬性將古樹資源中的實體要素關聯起來，由此構建古樹資源類及層級結構，并應用Protégé進行了古樹本體模型框架的可視化展示（圖1），為后續實現古樹健康保護內部資源與外部資源關聯提供依據，為后續的語義推理和可視化提供了基本的邏輯結構。其中，古樹名木、事件、人物、團體和地點均為超類“Thing”的子類；虛線為屬性關系，展示古樹名木與其他類的對象屬性。

在當前的技術環境中，對于知識圖譜的保存，業界普遍采用了RDF三元組的存儲模型和建立在圖數據庫之上的存儲架構2種不同的技術路徑。Neo4j作為一個開源的圖數據庫管理系統，其底層利用圖結構技術來保存數據，這種數據庫技術的知識圖譜中，圖的頂點被看作是實體和概念，圖的邊則表示實體間的屬性和關系，這樣展現了知識內在聯系的可視化存儲方式，為圖形化查詢和知識推導提供了便利，并且具備良好的擴展性，大大提升了數據檢索的效率。

因此，該研究決定采用Neo4j來保存古樹相關的知識圖譜，開發環境是pycharm，利用的編程語言是python，采用Cypher存儲語句將實體與實體間的關系等進行存儲，形成古樹名木健康保護知識圖譜。通過Cypher查詢語句進行知識查詢，得到知識圖譜可視化展示（圖2），其中藍色節點為古樹名木實體，橘紅色節點為與古樹實體存在關系的實體，邊則為兩者間的關系類型。知識圖譜中交互關聯的節點為隱藏關系的推理提供了很好的知識基礎，如“九樓十八杈”與“香柏”節點之間的邊表示為“別名”，與“科類”節點之間的邊表示為“柏科”，則可推理出“香柏”與“科類”實體之間也存在“柏科”的關系。

4 古樹名木領域本體的拓展服務研究

珍稀瀕危古樹本體健康保護及可視化研究，明確了珍稀瀕危古樹名木的物種屬性及相關特征、瀕危及健康保護現狀、健康保護措施等信息，可以解決城市園林綠化、古樹樹種知識、古樹健康管理知識、古樹生態環境領域知識難于共享和應用的難題，為實現古樹名木領域智能系統開發提供技術支撐。同時，基于Neo4j的知識圖譜存儲，有利于幫助科技工作者更快地獲取相關信息和更好地整合信息，進行科研創新的數據分析和發現，拓展古樹名木保護利用研究范圍；有利于幫助古樹名木管理者提升古樹名木信息管理效率、保護利用和展示效能。今后將圍繞基于珍稀瀕危古樹名木本體及可視化研究，構建智能問答和推薦系統，加強珍稀瀕危古樹名木知識的關聯度和智能開發利用。

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