農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研發(fā)

1引言

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體是一個(gè)包含農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)的術(shù)語(yǔ)、農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)的定義和術(shù)語(yǔ)之間關(guān)系描述的系統(tǒng)1。它能夠準(zhǔn)確地表達(dá)概念及其可能的變化、概念屬性、概念之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)的管理和共享。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)的整合與共享[2]。隨著信息技術(shù)帶來(lái)科研信息化的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域科學(xué)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和積累呈爆發(fā)趨勢(shì)，以長(zhǎng)序列、體系性為特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)科學(xué)大數(shù)據(jù)已成為農(nóng)業(yè)科研發(fā)展必需的重要工具[3]。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)是科學(xué)數(shù)據(jù)的重要組成部分，是指從事農(nóng)業(yè)科技活動(dòng)產(chǎn)生的原始性和基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，以及按照不同需求系統(tǒng)加工后的數(shù)據(jù)集和相關(guān)信息，既包括農(nóng)業(yè)及相關(guān)部門長(zhǎng)期積累的大規(guī)模試驗(yàn)、調(diào)查、觀測(cè)以及探測(cè)等工作所獲得的海量科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)也包括眾多農(nóng)業(yè)科研人員在研究工作中所產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)[4]。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的基礎(chǔ)，在農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中發(fā)揮著重要作用。在數(shù)據(jù)密集型科學(xué)數(shù)據(jù)范式背景下，農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)被視為農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)觀點(diǎn)價(jià)值變現(xiàn)的基礎(chǔ)，構(gòu)成了農(nóng)業(yè)科學(xué)研究成果論證和推理的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為重要的資產(chǎn)[5]。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)體量大且復(fù)雜，如何有效管理和組織農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)成為時(shí)代課題。

本體用于描述特定領(lǐng)域內(nèi)的概念、術(shù)語(yǔ)、實(shí)體及其相互之間的關(guān)系，近年來(lái)已被引入農(nóng)業(yè)、人工智能和知識(shí)工程等領(lǐng)域[7]，農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體屬于本體中的領(lǐng)域本體，由形式化的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域概念以及概念間關(guān)系組成。利用本體技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化后形成知識(shí)組織，已經(jīng)成為提高農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)利用價(jià)值、為決策服務(wù)提供支撐的一種有效途徑，自2001年起聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）開展農(nóng)業(yè)本體服務(wù)（Agricultural Ontology Service，AOS）計(jì)劃的研究。LAUSER等[8在2002首先提出構(gòu)建核心的農(nóng)業(yè)本體。隨著本體技術(shù)的不斷發(fā)展，以及本體應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸增多，大量農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體被研究與開發(fā)，如基因本體（GeneOntology，GO）[9]、農(nóng)業(yè)活動(dòng)本體（AgricultureActivity Ontology）、作物本體（Crop Ontology）等，植物本 體（Plant ontology）、種質(zhì)本 體（GeneralGermplasmOntology）[1o]、表型和特征本體（Phenotype and TraitOntology）等，農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體在農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)的共享和一致性理解上發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[11]。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)量的增長(zhǎng)，越來(lái)越多學(xué)者在本體管理編輯方面開展相關(guān)研究，例如斯坦福大學(xué)MarkMUSEN[12]教授主導(dǎo)開發(fā)了廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的WebProtegé，為用戶提供了一個(gè)用于創(chuàng)建、編輯、管理和共享本體的協(xié)作環(huán)境；法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究所（INRA）[13]開發(fā)了AgroPortal，通過(guò)為農(nóng)業(yè)科學(xué)家、工程師和研究人員提供本體的存儲(chǔ)、編輯和發(fā)布功能，幫助推動(dòng)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用；德國(guó)的 Ontoprise[14]公司開發(fā)了OntoStudio，它提供了豐富的圖形化界面以及語(yǔ)義網(wǎng)和本體的標(biāo)準(zhǔn)支持（如OWL），使用戶能夠進(jìn)行詳細(xì)的本體設(shè)計(jì)、推理、驗(yàn)證和應(yīng)用開發(fā)。目前，這些工具大多集中在單個(gè)本體的創(chuàng)建和管理上，盡管工具也支持多個(gè)本體的管理，但在不同本體之間的語(yǔ)義兼容性和數(shù)據(jù)集成方面仍然存在困難。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大，鮮有對(duì)大批量農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體進(jìn)行本體化組織，缺少專有系統(tǒng)進(jìn)行管理，同時(shí)，現(xiàn)有工具在自動(dòng)化識(shí)別不同術(shù)語(yǔ)之間可能存在的關(guān)系方面依然具有挑戰(zhàn)性[15]。有學(xué)者提出利用 neo4j對(duì)存在不同系統(tǒng)中的本體進(jìn)行整合和利用構(gòu)建知識(shí)圖譜[1]，Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫(kù)能非常自然地處理本體復(fù)雜的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，但在處理非常龐大的數(shù)據(jù)集時(shí)可能會(huì)面臨擴(kuò)展性問(wèn)題，盡管Neo4j有針對(duì)大數(shù)據(jù)集的優(yōu)化策略和集群模式，但當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到較大規(guī)模時(shí)，依然難以保證性能[17]。

綜上所述，針對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體研究大多僅針對(duì)特定的領(lǐng)域建立本體模型，且農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大，缺少專有系統(tǒng)進(jìn)行管理等突出問(wèn)題，本文以形成一體化多樣性的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)建囊括28個(gè)本體的標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)據(jù)集，搭建基于HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)，建立“數(shù)據(jù)集-數(shù)據(jù)記錄-信息實(shí)體”的映射關(guān)系機(jī)制，該系統(tǒng)支持海量數(shù)據(jù)資源高效語(yǔ)義關(guān)聯(lián)發(fā)布，以及數(shù)據(jù)自動(dòng)聚合的基礎(chǔ)，操作便利，界面直觀，為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)資源語(yǔ)義關(guān)聯(lián)發(fā)布和數(shù)據(jù)自動(dòng)聚合奠定了基礎(chǔ)。

2 農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫(kù)構(gòu)建

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫(kù)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的核心概念、屬性和關(guān)系，為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化提供了基礎(chǔ)。它構(gòu)成了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的骨架，是農(nóng)業(yè)知識(shí)表示和交流的基本單元，為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索，以及進(jìn)一步分析和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

由于要涵蓋農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)較為廣泛的領(lǐng)域與學(xué)科，在CGIAR、OBOFoundry、AgroPortal和EBI平臺(tái)收集本體數(shù)據(jù)，選取其中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中較為通用的28個(gè)本體，分別為：元數(shù)據(jù)本體、序列本體、基因本體、生化實(shí)體、蛋白質(zhì)本體、細(xì)胞本體、解剖實(shí)體本體、植物本體、環(huán)境本體、植物實(shí)驗(yàn)條件本體、農(nóng)學(xué)本體、小規(guī)模漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖本體、表型和性狀本體、特質(zhì)本體、牲畜的動(dòng)物性狀本體、食品本體、組合膳食營(yíng)養(yǎng)本體、農(nóng)業(yè)住戶調(diào)查的本體、用于生物科學(xué)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理的綜合本體、核心生態(tài)實(shí)體的本體、土壤食物網(wǎng)本體、關(guān)系本體、生物信息學(xué)Web服務(wù)本體、畜牧業(yè)環(huán)境本體、菌群表型本體、牲畜品種本體、畜產(chǎn)品性狀本體和植物脅迫本體。在農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)包含農(nóng)業(yè)、作物、基因、序列等相關(guān)本體28個(gè)，包含obo與owl兩種數(shù)據(jù)格式，如表1所示。

為提高農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的質(zhì)量，且保持一致性，制定了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括本體屬性名稱、數(shù)據(jù)類型及說(shuō)明。本體屬性具體為ontology_id（原始編碼）、name（術(shù)語(yǔ)名稱）、subset（子集）、is_obsolete（是否過(guò)時(shí)）、def（定義）、synonym（同義詞）、xref（外部參照）、comment（注釋）、alt_id（可替代術(shù)語(yǔ)）、created_by（創(chuàng)建作者）、creation_date（創(chuàng)建日期）、consider（可參考術(shù)語(yǔ)）、replaced_by（被術(shù)語(yǔ)替代）、namespace（命名空間）、namezh（中文名稱）、defzh（中文定義）、property_value（屬性值）、disjointfrom（完全不重疊術(shù)語(yǔ)）。根據(jù)制定的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一將下載的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體文件轉(zhuǎn)換為CSV格式，并對(duì)28個(gè)本體進(jìn)行新的術(shù)語(yǔ)編號(hào)。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體屬性如表2所示。

表1農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫(kù)

對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，形成多本體相互映射的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。本體關(guān)系分別是determinedby（表示一個(gè)實(shí)體的特征或狀態(tài)是由另一個(gè)實(shí)體決定的）、develops_from（表示一個(gè)實(shí)體是從另一個(gè)實(shí)體發(fā)展而來(lái)的）、has_part（表示一個(gè)實(shí)體是另一個(gè)實(shí)體的一部分）、has_quality（表示一個(gè)實(shí)體具有某種屬性）、intersection_of（表示一個(gè)實(shí)體是兩個(gè)或多個(gè)其他實(shí)體的交集）、isa（表示一個(gè)類是另一個(gè)類的子類）、negatively_regulates（表示一個(gè)實(shí)體負(fù)向調(diào)節(jié)另一個(gè)實(shí)體的行為或過(guò)程）、occurs_in（表示一個(gè)過(guò)程發(fā)生在特定的環(huán)境中）、only_in_taxon（表示一個(gè)實(shí)體僅存在于某個(gè)分類群中）、part_of（表示一個(gè)實(shí)體是另一個(gè)實(shí)體的一部分）、positively_regulates（表示一個(gè)實(shí)體正向調(diào)節(jié)另一個(gè)實(shí)體的行為或過(guò)程）、regulates（表示一個(gè)實(shí)體調(diào)節(jié)另一個(gè)實(shí)體的行為或過(guò)程，但不具體說(shuō)明是正向還是負(fù)向調(diào)節(jié)）、disjointWith（表示兩個(gè)類之間沒(méi)有交集，即它們是互斥的）和subClassOf（表示一個(gè)類是另一個(gè)類的子類，與is_a關(guān)系相同），如表3所示。最后形成一體化多樣性的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫(kù)，為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

3 農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

針對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體存在于不同的系統(tǒng)中，缺少統(tǒng)一的形式化表達(dá)，難以對(duì)其進(jìn)行整合和利用等突出問(wèn)題，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分為4層結(jié)構(gòu)，自下而上分別是數(shù)據(jù)層、管理層、功能層、以及用戶界面層，具備自動(dòng)化導(dǎo)入、自動(dòng)管理、本體內(nèi)和跨本體映射、本體網(wǎng)絡(luò)可視化四大功能。

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將包含農(nóng)業(yè)、作物、基因、序列等相關(guān)本體28個(gè)組建在一起，建立“數(shù)據(jù)集-數(shù)據(jù)記錄-信息實(shí)體”映射關(guān)系機(jī)制，具有自動(dòng)化導(dǎo)入、自動(dòng)管理、本體內(nèi)和跨本體映射、本體網(wǎng)絡(luò)可視化等四大類功能，有力提升了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體管理能力，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自動(dòng)化導(dǎo)入功能主要用于用戶上傳的本體數(shù)據(jù)，支持農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)據(jù)集構(gòu)建，上傳本體后格式自動(dòng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化并進(jìn)行術(shù)語(yǔ)編號(hào)。

自動(dòng)管理功能可對(duì)已存在的本體進(jìn)行擴(kuò)展、更新或修改。可對(duì)現(xiàn)有的本體中增加、修改以及刪除新的概念、屬性或關(guān)系。

本體內(nèi)和跨本體映射關(guān)系編輯功能：本體內(nèi)映射是指在同一本體內(nèi)部建立不同概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本體內(nèi)和跨本體映射關(guān)系編輯包括等價(jià)映射、同義映射、上下位映射、關(guān)聯(lián)映射等，通過(guò)編輯這種映射關(guān)系，可以更好地組織和利用本體中的信息。

本體網(wǎng)絡(luò)可視化功能是一種將本體中的概念、屬性和關(guān)系以圖形化的方式展示出來(lái)的技術(shù)。該系統(tǒng)采用節(jié)點(diǎn)鏈接圖可視化，這種可視化是本體可視化最常用的方式，該方式不僅有助于用戶直觀地理解本體的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，還能夠幫助檢測(cè)本體中的潛在問(wèn)題，如冗余、不一致性等。

3.2農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理引擎

以HugeGraph作為管理引擎，形成以HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的“HugeGraph-Server+HugeGraph-Loader+HugeGraph-Hubble+Gremlin查詢語(yǔ)言\"農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘引擎。圖2為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理引擎示意圖。

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理引擎搭建基于HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，支持多數(shù)據(jù)源、多格式導(dǎo)入，且操作便利，界面直觀。

HugeGraph 圖數(shù)據(jù)庫(kù)由HugeGraph-Server、Hugegraph-Loader、HugeGraph-Hubble、Gremlin查詢語(yǔ)言四部分搭載而成。

HugeGraph-Server在初始化啟動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)揮功能。HugeGraph項(xiàng)目的核心部分，包含Core、Backend、API 等子模塊。Linux環(huán)境、安裝JDK-1.8、使用Ubuntu20.04。hugegraph.properties 配置為 RocksDB后端存儲(chǔ)方式。

HugeGraph-Loader是基于HugeGraph-Client的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具，將普通文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形的頂點(diǎn)和邊并插入圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中，支持多數(shù)據(jù)源、多格式導(dǎo)入。

HugeGraph-Hubble是可視化展現(xiàn)的開發(fā)類輔助

工具：創(chuàng)建圖模型、進(jìn)行Gremlin分析、數(shù)據(jù)加載等操作。它展現(xiàn)直觀、操作便利。

Gremlin查詢語(yǔ)言是圖數(shù)據(jù)庫(kù)最主流的查詢語(yǔ)言。

3.3農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作機(jī)制

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作機(jī)制為自上而下本體解析、本體存儲(chǔ)、本體推理和數(shù)據(jù)聚合四部分，支撐跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)聚合以及數(shù)據(jù)自動(dòng)化導(dǎo)入。圖3為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作機(jī)制。

本體解析：將農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)據(jù)集中的28個(gè)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體文件提取三元組，并進(jìn)行術(shù)語(yǔ)id的重新編號(hào)，得到點(diǎn)urrent、obsolete兩種點(diǎn)類型數(shù)據(jù)文件與按關(guān)系類型分類邊類型數(shù)據(jù)文件，對(duì)文件進(jìn)行基于共現(xiàn)關(guān)系的屬性關(guān)系列名篩選。

本體儲(chǔ)存：本體解析得到的點(diǎn)類型數(shù)據(jù)文件與邊類型數(shù)據(jù)文件進(jìn)行本體映射。編寫struct點(diǎn)邊映射文件與編寫schema圖模型文件，將得到的文件導(dǎo)入圖數(shù)據(jù)中。普通文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形的頂點(diǎn)和邊并插入圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中。

本體推理：將HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，分為生物學(xué)本體關(guān)系推理和分級(jí)證據(jù)的跨關(guān)系推理兩部分。

數(shù)據(jù)聚合：將經(jīng)過(guò)推理的本體數(shù)據(jù)進(jìn)行跨領(lǐng)域、跨學(xué)科數(shù)據(jù)聚合。

3.4系統(tǒng)運(yùn)行界面

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以HugeGraph作為管理引擎，形成以HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的自動(dòng)化導(dǎo)入、自動(dòng)管理、本體內(nèi)和跨本體映射、本體網(wǎng)絡(luò)可視化等功能。該系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘平臺(tái)的子系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘平臺(tái)做自動(dòng)數(shù)據(jù)聚合提供支撐。

該系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)、配置JDK-1.8和ubuntu20.04。hugegraph.properties 配置為 RocksDB后端存儲(chǔ)方式。

3.4.1 本體管理

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)收錄了與農(nóng)業(yè)相關(guān)的多個(gè)本體，建立與農(nóng)業(yè)密切相關(guān)的農(nóng)業(yè)通用時(shí)間本體和農(nóng)業(yè)通用空間本體，在多本體一體化數(shù)據(jù)引擎的支持下，結(jié)合具體的農(nóng)業(yè)知識(shí)本體或生物學(xué)本體進(jìn)行從時(shí)間、空間和生物學(xué)特征的全息概念描述。

本體管理模塊中，可對(duì)已存在的28個(gè)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體文件進(jìn)行分類，分為農(nóng)業(yè)實(shí)體類本體、生物信息類本體、農(nóng)業(yè)性狀表型類本體，可按照分類進(jìn)行查找，或利用左上方查找框內(nèi)，進(jìn)行精準(zhǔn)查找。本體管理模塊中可對(duì)已存在的28個(gè)農(nóng)業(yè)本體文件，鏈接到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)站，如圖4所示。

本體管理模塊可大規(guī)模多格式導(dǎo)入農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體。對(duì)系統(tǒng)中已存在的本體進(jìn)行編輯，有力提升了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體管理能力，如圖5和6所示。

3.4.2 本體可視化

本體可視化模塊基于HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)，采用節(jié)點(diǎn)鏈接圖可視化，功能全面，性能穩(wěn)定，在語(yǔ)義關(guān)系映射、同步加載與聯(lián)合檢索方面具有自己的特色。

該系統(tǒng)可對(duì)本體進(jìn)行本體可視化、可查看對(duì)應(yīng)本體內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系和對(duì)應(yīng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，包括對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)、所屬農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體編號(hào)、本體類型、修改時(shí)間、本體概念等，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改，如圖7所示。

列表/圖像化切換可查看對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息，例如序號(hào)、ontologyld、名稱和中文簡(jiǎn)介如圖8所示。

3.5系統(tǒng)的性能與特色

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體可視化，可查看系統(tǒng)內(nèi)全部本體的相互關(guān)系與詳細(xì)信息，可將新的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體加入全部本體可視化中，如圖9所示。

以HugeGraph作為管理引擎，形成以HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的“HugeGraph-Server+HugeGraph-Loader+HugeGraph-Hubble+Gremlin查詢語(yǔ)言\"農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘引擎。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4層自上而下的工作機(jī)制，分別為本體解析、本體存儲(chǔ)、本體推理和數(shù)據(jù)聚合四部分。

農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有以下四點(diǎn)性能與特色。

（1）該系統(tǒng)集成農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體28個(gè)，術(shù)語(yǔ)167887條，覆蓋了包含農(nóng)業(yè)、作物、基因、序列等領(lǐng)域，形成了較為完整的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索，以及進(jìn)一步分析和應(yīng)用提供了重要支撐。

（2）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)格式的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換以及自動(dòng)導(dǎo)入圖數(shù)據(jù)庫(kù)，支持大規(guī)模、多格式以及跨領(lǐng)域農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的導(dǎo)入，用戶可將上傳的本體數(shù)據(jù)格式自動(dòng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化并進(jìn)行術(shù)語(yǔ)編號(hào)，并支持農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)據(jù)集構(gòu)建。為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的存儲(chǔ)與共享提供了更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的工具。

（3）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)28個(gè)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的可視化，包括本體內(nèi)和跨本體映射關(guān)系功能，包括等價(jià)映射、同義映射、上下位映射、關(guān)聯(lián)映射等，用戶可以通過(guò)編輯這種映射關(guān)系，可以更好地組織和利用本體中的信息，該功能可幫助用戶對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)隱藏的知識(shí)、模式和趨勢(shì)。

（4）該系統(tǒng)基于HugeGraph圖數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的“HugeGraph-Server+HugeGraph-Loader+HugeGraph-Hubble+Gremlin查詢語(yǔ)言”農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘引擎，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化導(dǎo)入、自動(dòng)管理、本體內(nèi)和跨本體映射、本體網(wǎng)絡(luò)可視化等功能，并且操作便利，界面直觀。

4結(jié)論與展望

針對(duì)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體研究大多僅針對(duì)特定的領(lǐng)域建立本體模型，且農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大，缺少專有系統(tǒng)進(jìn)行管理等突出問(wèn)題，本研究有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成在農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘平臺(tái)上。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)包含農(nóng)業(yè)、作物、基因、序列在內(nèi)的相關(guān)本體組建在一起，建立“數(shù)據(jù)集-數(shù)據(jù)記錄-信息實(shí)體”映射關(guān)系機(jī)制，該系統(tǒng)具備具有自動(dòng)化導(dǎo)入、自動(dòng)管理、本體內(nèi)和跨本體映射、本體網(wǎng)絡(luò)可視化等四大類功能，有力提升了農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體管理能力，支撐海量數(shù)據(jù)資源高效語(yǔ)義關(guān)聯(lián)發(fā)布，以及數(shù)據(jù)自動(dòng)聚合的基礎(chǔ)，形成農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)典型應(yīng)用案例。

在未來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的發(fā)展，我們將繼續(xù)豐富數(shù)據(jù)類型，集成更多的具有代表性的農(nóng)業(yè)大領(lǐng)域本體，讓構(gòu)建的系統(tǒng)具備更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。下一步我們將利用農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析挖掘系統(tǒng)研發(fā)的科學(xué)數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析核心框架、典型挖掘算法工具和專用挖掘工具等，開發(fā)基于AI的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體數(shù)據(jù)自動(dòng)聚合以及農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體智能化推理等功能[18]，加速本體關(guān)系的構(gòu)建和發(fā)現(xiàn)速度[19]，為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以及農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體建立，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的最大價(jià)值。

隨著農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體管理發(fā)展?jié)摿薮螅酝苿?dòng)農(nóng)業(yè)信息的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體存儲(chǔ)管理等為目標(biāo)，通過(guò)分析農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將成為農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體科學(xué)研究的助推劑，以解決農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體領(lǐng)域“數(shù)據(jù)量大，缺乏專一系統(tǒng)管理”的痛點(diǎn)難點(diǎn)，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體的價(jià)值，形成農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)典型應(yīng)用案例。引領(lǐng)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體智能化、規(guī)范化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]QIAN P，MENG X X，ZHENGYL，et al.Preliminary study on agricultural ontology services in China. Agriculture Network Information，2009，8：5-8.

[2] ZHENG YL，HE Q Y，QIAN P，et al.Construction of the ontology-based agricultural knowledgemanagementsystem.Journal ofIntegrative Agriculture，2012，11（5）：700-709. doi：10.1016/S2095- 3119（12）60059-8.

[3] 龍科.放眼未來(lái)?yè)屨嫁r(nóng)業(yè)科學(xué)大數(shù)據(jù)高地- -國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)總 中心側(cè)記.農(nóng)村工作通訊，2020（2）：34-35.

[4] 苗羽，張志娟，王楓.我國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)現(xiàn)狀及問(wèn)題研究.農(nóng)業(yè)經(jīng) 濟(jì)，2024（4）：27-28.

[5] 陸麗娜，尹麗紅，于嘯，等.基于區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)溯源模型構(gòu)建 研究.情報(bào)科學(xué)，2024：1-13[2024-11-10].

[6] 楊倩.基于本體的農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)可視化研究.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)， 2022.

[7] 趙波，陶躍華.本體論及本體論在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用.云南師 范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（6）：5-7.

[8]LAUSER B，WILDEMANN T， KATZ S，et al.A Comprehensive framework forbuilding multilingual domain ontologies： Creatinga prototype biosecurity ontology.Dublin Core Conference，2002： 31- 41. DOI：10.555/1344614.1344626.

[9]GO CONSORTIUM.The Gene Ontology（GO） database and informatics resource.Nucleic Acids Research， 2004，32（s1）：D258-61. DOI：10.1093/nar/gkh036.

[10] 陳麗娜，方為，司海平，等.農(nóng)作物種質(zhì)資源本體構(gòu)建研究.作物學(xué) 報(bào)，2016，42（3）：407-414.

[11]楊陽(yáng).農(nóng)業(yè)本體知識(shí)云綜合方法研究.合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[12] HORRIDGE M， GONCALVES R S， NYULAS CI， et al. Webprotege： A cloud-based ontology editor//Companion Proceedings of the 2019 World Wide Web Conference.2019：686-689.DOI：10.1145/3308560. 3317707.

[13]JONQUET C，TOULET A，ARNAUD E，et al.AgroPortal：A vocabulary and ontology repository for agronomy.Computersand ElectronicsinAgriculture，2018（144）：126-143.DOI：10.1016/j. compag. 2017.10.012.

[14] WEITEN M. Ontostudio？ as a ontology enginering environment. In Semantic Knowledge Management： Integrating Ontology Management， Knowledge Discovery，and Human Language Technologies.Berlin， Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2009：51-60.DOI：10.1007/ 978-3-540-88845-1.

[15] 彭秀媛.農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)共享模式與技術(shù)系統(tǒng)研究.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科 學(xué)院，2018.

[16]劉桂鋒，楊倩，劉瓊.農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)集的本體構(gòu)建與可視化研究- 以“棉花病害防治”領(lǐng)域?yàn)槔?情報(bào)雜志，2022，41（9）：143-149+175.

[17] CHEN Y， XING X. Constructing dynamic knowledge graph based on ontology modeling and neo4j graph database//2022 5th International Conferenceon Artificial Intelligence andBig Data （ICAIBD）， Chengdu， China，2022：522-525.doi： 10.1109/ICAIBD55127.2022. 9820199.

[18]SANJU S，KRITHIKHA，VELAMMAL B. Innovative agricultural ontology construction using NLP methodologies and graph neural network.Engineering Science and Technology，an International Journal，2024，52：101675.DOI：10.1016/j.jestch.2024.101675.

[19] KASENCHAK B，LEHNERT A， LOH G Use case： ontologies and RDF-star for knowledge management/The Semantic Web： ESWC 2021Satellievents：Virtalvent.pringerInteatioalPublishing， 2021，RevisedSelected Papers18：254-260.DOI：10.1007/ 978-3-030-80418-3_38.

引用格式：陳曉靜，趙曉燕，賀子康，林佳，李佳樂(lè)，申家煒，樊景超，閆桑，王健，張建華，周國(guó)民.農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)本體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研發(fā)[J].農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)學(xué)報(bào)，2025，7（2）：201-212. DOI： 10.19788/j.issn.2096-6369.000083.

CITATION：CHENiaJing，ZHAOiaYan，HEKang，LIJia，LaLe，HEJaWeiFAgChaoYhen，WANGJianZHua ZHOUGuoMin.ResearchandDevelopmentofAgricultural ScienceDataOntologyNetwork System[J].JourmalofAgriculturalBig Data，2025，7（2）：201-212. DOI： 10.19788/j.issn.2096-6369.000083.

Abstract：Theconstructionofagriculturalsciencedataontologynetwork isanimportantpartofagriculturalsciencedataanalysis andmining.Itcanintegratedatasateredindifferentdatabasesanddierentformatscorelateandintegatedatafrodierent fields toformamorecomprehensivedata pol，supportautomaticanalysisandmningofcross-domainand interdiscipliarydata anddiscoverhiddenknowledge，patesandtrends.Inthispaper，adatabaseof28agriculturalsciencedataotologiesrelatedto agriculture，osgsndqenesisostructed，teoageadardoficulturalieedatatologsflatedte agriculturalscienedata ontologynetwork basedonthe HugeGraph graph database isbuilt，the mappingrelationshipmechanismof \"dataset-datacord-iformationentity\"isestablished，andthetchnicalframeworkfriculturalsienceataontologyetwork system is designed.The systemrealizes the functions of automaticimport，automaticmanagementandontologynetwork visualization，breaksthroughtheoutstandingproblemssuchastheargeumberofagiculturalontologies，thelargeamountofdata andthelackof proprietarysystems for management，and developsanagricultural scientificdataontologynetwork systemthat integrates four majorfunctions，such aslarge-scale muli-format agricultural scienificdataontologyimport，ontology managemnt， ontologyandcross-ontologymappingrelationshipediting，andontologynetwork visualization，whichefectivelyimprovsthe managementabilityofagriculturalsientificdata ontology.Itsupportstheeficientsemanticassociationandreleaseofmasivedata resourcesandteutomaticaggregationofross-domaianditerdisiplinarydatahichlastefoundationforoieaalyisd mining of agricultural scientific data.

Keywords：agriculturalsciencedata;agriculturalsciencedataontologylibrary；agriculturalsciencedataontologynetwork; agricultural science data ontology network system; ontology network visualization