Um Método para Determinar a Equivalência Semântica entre Esquemas GML

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1 Um Métoo ara Determinar a Equivalência Semântica entre Esquemas GML Angelo Augusto Frozza 1,2, Ronalo os Santos Mello 2 1 Deartamento e Ciências Exatas e Tecnológicas Universiae o Planalto Catarinense (UNIPLAC) Caixa Postal Lages SC Brasil 2 Deartamento e Informática e e Estatística Universiae Feeral e Santa Catarina (UFSC) Caixa Postal Florianóolis SC Brasil Abstract. One of the ifficulties face by Geograhic Information Systems (GIS) is exchanging information among istinct systems. The Geograhy Marku Language (GML) secifies a set of rules for geograhic information transort an storage. However, ifferent GIS can use ifferent GML schemas, generating interoerability roblems at the semantic level. This aer rooses a semi-automatic metho for etermining semantic equivalence among heterogeneous GML schemas for the urban registration omain, using an ontology as a semantic reference. Resumo. Uma as ificulaes enfrentaas or Sistemas e Informações Geográficas (SIG) é a troca e informações entre sistemas istintos. A Geograhy Marku Language (GML) efine um conjunto e regras ara o transorte e armazenamento e informação geográfica. Porém, SIGs iferentes oem usar esquemas GML iferentes, gerano roblemas e interoerabiliae em nível semântico. Este trabalho roõe um métoo semi-automático ara eterminar a equivalência semântica entre esquemas GML heterogêneos no omínio e caastro urbano, usano uma ontologia como uma referência semântica. 1. Introução A comlexiae e a riqueza os moelos e aos geográficos encontraos em Sistemas e Informações Geográficas (SIGs) roorcionam iferentes formas ara reresentar a realiae geográfica. A amliação e a iversificação o uso e SIGs nas organizações gerou a necessiae e intercâmbio e informações georeferenciaas entre fontes autônomas e heterogêneas [Zhang et al. 2004]. A troca e informações entre SIGs heterogêneos aresenta incomatibiliaes nos níveis sintático e semântico. O nível sintático refere-se ao esquema utilizao em caa sistema ara armazenamento e ocumentação os aos. A resolução e conflitos neste nível baseia-se na conversão sintática ireta e formatos e exortação e imortação.

2 Toavia, a simles transferência e re-formatação e aos e um sistema ara outro não garante que os aos tenham significao ara o novo usuário. A interoerabiliae entre SIGs requer uma interretação semântica ara exlicar a corresonência os conceitos entre iferentes sistemas [Câmara et al. 1999]. Soluções visano à interoerabiliae semântica entre SIGs aontam como tenência o uso e arões como a Geograhy Marku Language (GML) [OGC 2003]. O objetivo a GML é oferecer um conjunto e construções básicas, incluino o moelo e features geográficas e uma coleção e meta-classes e objetos geográficos, com os quais um usuário oe estruturar e escrever seus aos georeferenciaos. Aesar os avanços encontraos na versão atual a GML (3.1.1), a reresentação semântica aina é limitaa. Para solucionar esse roblema, oe-se associar alguma escrição ontológica aos esquemas GML ara romover a interoerabiliae semântica entre SIGs. A OWL (Web Ontology Language) é a esecificação mais recente o W3C (Worl Wie Web Consortium) ara reresentação e ontologias e é comatível com a arquitetura a Web em geral e a Web Semântica em articular [OWL 2006]. Este artigo aresenta um métoo ara a eterminação semi-automatizaa e equivalências semânticas entre esquemas GML istintos, usano uma ontologia como base e conhecimento comum. Sua contribuição encontra-se no aoio ao esenvolvimento e softwares que ossibilitem a troca e informações entre bases e aos geográficos, garantino a semântica os aos. Como estuo e caso, utiliza-se o omínio e caastro urbano, escolhio or ser ouco exlorao em trabalhos relacionaos e elo grane otencial e alicação rática. Trabalhos relacionaos [Brauner, Casanova e Lucena 2004; Morocho, Pérez- Vial e Saltor 2003] aboram a interoerabiliae semântica entre SIGs em ambientes fortemente acolaos, com ênfase na transformação e consultas. Diferente estes, este trabalho enfatiza a integração e aos geográficos em um omínio e alicação esecífico, consierano que as fontes e aos não estão interligaas, mas oem, regularmente, realizar trocas e aos geográficos ara atualização e uma base comum. Este artigo está organizao a seguinte forma: a seção 2 roõe o métoo ara eterminação e equivalências semânticas entre esquemas GML. As seções 3 a 5 escrevem em etalhes as três artes o métoo: ré-rocessamento, eterminação e equivalências e catalogação o maeamento, resectivamente. A seção 6 aresenta as consierações finais. 2. O Métoo e Determinação e Equivalência Semântica O métoo roosto (Figura 1) escobre equivalências semânticas entre ois esquemas GML istintos: um reresentano os aos e um SIG rincial (GML rincial ou GML ) e outro reresentano os aos imortaos e um seguno SIG (GML imortao ou GML ). Os conceitos geográficos consieraos elo métoo são reresentaos or uma ontologia (Aênice), que é também utilizaa na eterminação as equivalências semânticas. A atualização a ontologia a artir e conceitos novos será trataa em trabalhos futuros.

3 Ontologia e omínio Esquema GML Entraa wraer wraer (a) Passo 1... (b) Determinação e equivalências (b) (a)... Processamento Passo 2 Definição e maeamentos OWL GML GML Saía Figura 1. Métoo e eterminação e equivalência semântica entre esquemas GML. A execução o métoo segue ois assos: 1. Determinação a equivalência semântica entre o GML imortao e a ontologia e omínio; 2. Definição e catalogação o maeamento as equivalências entre o GML imortao e o GML rincial. Certos elementos e um esquema GML imortao são maeaos ara certos elementos e um esquema GML rincial. Duas entraas são analisaas: uma ontologia e omínio e um esquema GML imortao qualquer. O esquema GML rincial não faz arte a entraa, ois se assume que o métoo é alicao no ambiente o SIG rincial e que um maeamento entre os conceitos a ontologia e os conceitos equivalentes o esquema GML rincial já foi efinio. Este maeamento révio garante a semântica os conceitos o esquema GML rincial. Dois elementos e esquemas GML istintos são itos semanticamente corresonentes quano ossuem um eterminao grau e similariae. Este grau é eterminao or métricas que consieram a semelhança entre os ientificaores os elementos, seus atributos e seus relacionamentos. As métricas e similariae alicaas elo métoo são uma aatação as métricas encontraas em Dorneles et al. (2004): Métricas ara Valores Atômicos (MAV): alicaas a aos simles (elemento simles b na Figura 1), como strings. São eenentes o omínio a alicação, ou seja, consieram as características os aos a alicação;

4 Métricas ara Valores Comlexos (MCV): alicaas à estrutura os aos (elemento comlexo a na Figura 1). Poem ser istintamente alicaas a conjuntos (tulas) ou coleções e valores. Este conjunto e métricas foi escolhio or aresentar uma taxonomia aequaa ao tratamento e aos XML. No caso, um elemento XML é tratao como uma árvore, consierano que oe ser atômico ou comlexo. Elementos atômicos contêm valores únicos, como uma caeia e caracteres, uma ata etc. Elementos comlexos corresonem a estruturas formaas or outros elementos, atômicos ou comlexos. Uma vez eterminaas as equivalências semânticas entre a ontologia e o esquema GML imortao, o métoo retorna como saía uma tabela e maeamento na qual elementos o esquema GML imortao corresonem semanticamente a elementos no esquema GML rincial. O núcleo o métoo efine corresonências entre conceitos a OWL e a GML (Tabela 1). Nestas corresonências, os conceitos associaos ossuem a mesma intenção em ambas as linguagens. Tabela 1: Maeamento entre conceitos a OWL e a GML. OWL GML Classe Prorieaes Associações Esecialização Elemento Elemento (siml es ou comlexo) e atributos Relacionamentos e hierarquia Deri vação e tios 3 Pré-rocessamento os Daos e Entraa Tanto a ontologia quanto o esquema GML imortao evem ser trauzios em um formato canônico ara facilitar a tarefa e eterminação as equivalências. Como ambas são estruturas XML, utilizam-se estruturas e aos em árvore como formato canônico e reresentação. Os wraers inicaos na Figura 1 são resonsáveis ela geração as árvores canônicas (Figura 2). Um exemlo e ativiae e wraing ara a ontologia é mostrao a seguir. Os aos na ontologia estão organizaos em: (a) efinição e classe - consiera-se o nome a classe; (b) rorieaes a classe - oem reresentar atributos simles (strings, números etc.) ou comlexos (formaos or outros atributos) e relacionamentos. Além isso, atributos e relacionamentos oem receber um ou mais valores; (c) instâncias e objetos - usaas ara formar um icionário e sinônimos. Na árvore canônica, a escrição a ontologia organiza-se hierarquicamente, ou seja, as rorieaes e uma classe C i (atributos e relacionamentos) são reresentaas como noos filhos e C i. Assim, as classes resentes na ontologia reresentam noos na árvore canônica e as rorieaes e caa classe tornam-se noos folha. Além os atributos, os relacionamentos entre classes também são consieraos no cálculo o grau e similariae.

5 OWL O1 Atributo Relacionamento Elemento comlexo GML G1 O2 O3 O4 O5 G2 G3 G4 O1 = Lote O2 = enereco (string) O3 = numeroquarteirao (integer) O4 = ehparte ( Quarteirao, atômico) O5 = ossuireresentacao ( reresentacaogeografica, multivalorao) G1 = LoteArea G2 = enereco (string) G3 = Quara (integer) G4 = ehparte ( QuaraCTM, atômico) Figura 2. Exemlo e árvore canônica ara um elemento OWL e ara um elemento GML. De forma semelhante, uma árvore canônica é geraa ara o esquema GML imortao. Nesta árvore, caa elemento efinio no esquema torna-se um noo na árvore, com noos folha reresentano seus atributos e relacionamentos. 4 Determinação o Grau e Similariae Uma vez geraas as reresentações canônicas, efinem-se graus e similariae entre noos a árvore GML e noos a árvore a ontologia. Um noo a árvore GML oe encontrar equivalência com mais e um noo na árvore a ontologia. Portanto, é necessário estimar um grau e similariae através e um valor numérico que ossa variar entre 0 e 1, e forma a facilitar a etermin ação o melhor caniato a similar. A eterminação a similariae é fortemente baseaa em uma aboragem lingüística [Rahm e Bernstein 2001], ou seja, ela etermina a equivalência através a igualae ou similariae o texto, consiera no aina a estrutura os elementos. O rocessamento inicia ela isonibilização e uma lista e sinônimos associaos a caa classe a ontologia, no formato [SINÔNIMO, CLASSE, IDIOMA] (Tabela 2). Os sinônimos comlementam a ontologia, ientificano variações conhecias na enominação e caa termo. Esta lista e sinônimos é obtia e instâncias a classe Dicionario resente na ontologia, mas oeria estar armazenaa em um banco e aos. Otou-se or mantê-la na ontologia e forma a centralizar em um único local too o conhecimento sobre os conceitos no omínio a alicação.

6 Lote P a rc e l Quara Tabela 2. Exemlo a lista e sinônimos. S IN Ô N IM O Quarteirão C L A S S E Lote Lote Quarteirão Quarteirão ID IO M A O ientificaor e caa noo reresentativo e um elemento GML (or exemlo, o nome Quara ) é rimeiramente testao or igualae contra a lista e sinônimos. Caso um ou mais sinônimos corresonentes sejam encontraos (or exemlo, Lote = Lote ), alica-se uma métrica e similariae e estruturas (MCV) em caa resultao ositivo, a fim e se efinir o grau e similariae entre os noos. Caso contrário, faz-se nova esquisa na lista e sinônimos, agora alicano uma métrica e similariae entre nomes (MAV) (or exemlo, QuaraCTM = Quara ). Caso o grau e similariae atinja um valor aceitável efinio elo usuário, alica-se a métrica e similariae e estruturas. A oção or fazer rimeiro um teste or igualae contra a lista e sinônimos visa ar mais agiliae ao métoo, uma vez que este teste é mais ráio o que o uso e métricas. Diversas métricas e similariae entre strings são encontraas na literatura, como a métrica e Jaro, a istância e Levenshtein e a istância e Hamming. No métoo roosto, otou-se or usar a métrica Jaro Winkler [Chaman 2006]. Esta métrica estene a métrica e Jaro, incluino uma correção o valor final a comaração, e forma a evitar que strings iferentes aenas na arte final tenham uma istância grane entre elas. Ela se mostra interessante ara o foco este trabalho, uma vez que consiera o conceito e refixo na comaração as strings. Tais situações ocorrem com freqüência em esecializações e objetos geográficos, como, or exemlo, QuaraCTM, QuaraProjetaa, QuaraReal, LoteTributavel e LoteCTM. A Tabela 3 mostra um exemlo a alicação a métrica Jaro Winkler, comarano os resultaos obtios (graus e similariae) com a istância e Levenshtein. A métrica Jaro Winkler é alicaa em métricas MAV mais abrangentes, que consieram também a equivalência entre o tio e ao e ois atributos seno comaraos. Estas métricas são aresentaas na seqüência. Tabela 3. Comaração o resultao as métricas Jaro Winkler e Levensthein. Ontologia Quara Lote Lote GML imortao QuaraCTM LoteCTM LoteTributavel 0,9556 0,9143 0,8571 t en t t Jaro Winkler Levenshtein 0,6667 0,5714 0,2857 Pela natureza os aos maniulaos, a eterminação a similariae e estruturas (elementos comlexos) necessita aatar aenas uma métrica e similariae e tulas. Isto se justifica elo fato e que a efinição e um elemento comlexo e um esquema GML é comosto ela ientificação (nome) o elemento e suas rorieaes (atributos e relacionamentos), como uma tula e uma tabela relacional.

7 A rincial métrica ara eterminar a similariae e estruturas se resume, neste trabalho, à aatação a métrica e similariae e tulas roosta or Dorneles et al. (2004): one: tulesim( ε, ε ) = ε : um noo no conjunto P; ε : um noo no conjunto D; i ε. η = ε. η i j ( sim( ε, ε )) j max( m, n) n e m: número e filhos e ε e ε, resectivamente; P: conjunto e noos e elementos resentes na árvore o esquema GML; D: conjunto e noos e classe resentes na árvore a ontologia. Através a métrica tulesim() é feita a navegação ela estrutura os elementos j as árvores a ontologia e o esquema GML. Caa noo ε filho e ε é comarao i j i com um noo ε filho e ε, com o mesmo nome ( ε.η = ε.η) e o mesmo contexto. A função max() retorna o maior número e filhos entre ε e ε. A aatação a métrica, comentaa acima, leva em conta que um atributo oe ser simles ou comlexo e que relacionamentos são trataos como atributos comlexos. No caso e atributo comlexo, a métrica é alicaa e uma forma bottom-u, ou seja, arte o último nível a árvore canônica o elemento GML, ara os níveis sueriores. Desta forma, um atributo comlexo em um nível suerior é tratao como um atributo atômico, ois seu grau e similariae foi resolvio em uma iter ação révia. Além isso, ara comarar um noo filho e um elemento GML com um noo filho a árvore a ontologia, foi necessário efinir neste trabalho uas métricas MAV aicionais, conforme o tio e noo encontrao: Métrica ara atributos simles: comara nome os atributos (métrica Jaro Winkler) e seus tios e aos (análise e comatibiliae): attrsim( one: ε. η, ε sim(. η) = ε. nome, ε ε : noo filho o elemento a árvore GML; ε : noo filho o elemento a árvore OWL; nome: ientificaor o noo filho; tio: tio e ao o noo filho. 2. nome) + sim( ε. tio, ε. tio)

8 Métrica ara relacionamentos: comara nome os relacionamentos (métrica Jaro Winkler) e igualae e carinaliae (1:1 atômico; 1:n - multivalorao): relsim( ε. η, ε sim(. η) = ε. nome, ε. nome) + sim( 2 ε. car, ε. car) one: car: carinaliae o noo filho. Exemlificano, alicou-se as métricas tulesim(), attrsim() e relsim(), aos elementos Lote e LoteArea a Figura 2. Primeiro, calcularam-se as similariaes entre atributos atômicos: sim2 = attrsim(g2, O2) = 1 sim3 = attrsim(g3, O3) = 0,78 Posteriormente, calcularam-se as similariaes entre relacionamentos: sim4 = relsim(g4, O4) = 0,89 sim5 = relsim(g5, --) = 0 Com os resultaos anteriores, calculou-se o grau e similariae final entre os ois elementos: sim1 = tulesim() = (1 + 0,78 + 0,89 + 0) / 4 = 0,67 O valor obtio ara a métrica tulesim() alicaa ao exemlo, oe ser consierao insuficiente ara efinir automaticamente os ois elementos como equivalentes. Neste caso, a intervenção o usuário é necessária no rocesso e avaliação. 5 Catalogação o Maeamento Uma vez ientificaa a similariae entre noos classe e noos elemento nas árvores canônicas os esquemas OWL e GML, o asso final é armazenar este maeamento, em uas tabelas e um banco e aos relacional: A rimeira mantém informações a reseito os esquemas GML imortaos (metaaos), como ientificação o forneceor o esquema, URL, resonsável, versão o esquema, iioma entre outros; A seguna mantém as corresonências roriamente itas. Parte-se o rincíio e que ara caa elemento o esquema GML rincial oe haver um conceito equivalente na ontologia. Assim, são acrescentaas uas novas colunas na tabela ara caa esquema GML imortao: uma conteno o elemento maeao e outra conteno o grau e similariae com o conceito na ontologia. A Tabela 4 aresenta um exemlo esta catalogação.

9 Tabela 4. Tabela e armazenamento e maeamentos. Conceitos GML rincial Similariae GML Sim. GML Ontologia GML rincial imortao 1 imortao 1... Quara Quara 1 QuaraCTM 0,96... Lote LoteProjetao 0,86 LoteCTM Consierações Finais Consierano que a troca e aos geográficos acontece rincialmente entre omínios que ossuem afiniae entre si, um ao geográfico é mais bem efinio semanticamente em um omínio esecífico o que ela generalização e omínios. Este artigo roõe uma solução ara o roblema a interoerabiliae semântica entre esquemas GML no contexto o caastro urbano. Esta solução revê a eterminação e equivalências e forma semi-automática, usano conhecimento reresentao como uma ontologia. O métoo é semi-automático ois não escarta a intervenção o usuário quano um elemento GML oe ser relacionao a vários conceitos a ontologia ou ara valiar equivalências eterminaas automaticamente. Trabalhos relacionaos reocuam-se em trauzir consultas executaas em ambientes heterogêneos fortemente interligaos. Este trabalho revê um outro cenário: municíios e equeno orte, cujos aos geográficos estão isoníveis em iversas instituições, como refeituras e comanhias e água e esgoto. Neste cenário, consierase que, isolaamente, estas instituições não teriam conições técnico-financeiras e isonibilizar seus aos. Entretanto, em conjunto, oeriam romover um intercâmbio e aos através e um mecanismo que ientifique as semelhanças entre eles. Desta forma, é ossível socializar os aos geográficos urbanos e esenvolver novos serviços à comuniae em geral. Trabalhos futuros revêem a amliação o escoo aborao, esteneno o métoo roosto ara resolver a interoerabiliae e esquemas GML ara outros omínios; a esecificação e um ambiente ara consulta a aos remotos, com base nas equivalências; e a integração e instâncias e aos. Referências Bibliográficas Brauner, D. F.; Casanova, M. A.; Lucena, C. J. P. Geo-Object Catalogs to enable Geograhic Databases Interoerability. In: GEOINFO, 6., 2004, Camos o Jorão. Anais... São José os Camos: INPE, Câmara, G. et al. A. Interoerability In Practice: Problems in Semantic C onversion from Current Technology to OenGIS. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTEROPERABLE OPEARTING SYSTEMS, 2., Proceings... Zurich, Chaman, J. Sam s Strings Metrics. Disonível em: <htt://www.cs.shef.ac.uk/~sam/stringmetrics.html>. Acessao em: 25 mai Dorneles, C. F. et al. Measuring Similarity between Collection of Values. In: ACM INTERNATIONAL WORKSHOP ON WEB INFORMATION AND DATA MANAGEMENT, 6., Proceeings... Washington: ACM,

10 Morocho, V.; Pérez-Vial, L.; Saltor, F. Semantic Integration on Satial Databases: SIT- SD rototye. In: JORNADAS DE INGENIERÍA DEL SOFTWARE Y BASES DE DATOS, 8. Proceeings Alicante: OGC. Geograhy Marku Language (GML) Imlementation Secification 3.0. Oen GIS Consortium, OWL. Web Ontology Language. Disonível em: <htt://www.w3.org/2004/owl/>. Acessao em: 16 jul Rahm, E.; Bernstein, P. A. A survey of aroaches to automatic schema matching. The VLDB Journal, n. 10, 2001, Sringer-Verlag Zhang, J. et al. Geograhic Information Integration an Publishing Base on GML an SVG. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTER AND INFORMATION TECHNOLOGY, 4., Proceeings... Wuhan: IEEE Comuter Society,

11 Aênice Ontologia e omínio criaa no Protégé.

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