Ontologia e Sistemas de Informação Geográfica

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1 Ontologia e Sistemas de Informação Geográfica Jugurta Lisboa Filho, Alcione de Paiva Oliveira, Odilon Correa da Silva Universidade Federal de Viçosa Departamento de Informática Viçosa, MG, Brasil CEP: jugurta@ufv.br,alcione@dpi.ufv.br,odilon.correa@gmail.com Resumo: Este artigo faz um relato sobre a pesquisa no tema Ontologia, do Grupo de Pesquisa em Sistemas de Informação, da Universidade Federal de Viçosa. Ontologia de domínio tem sido pesquisada e aplicada em projetos desenvolvidos na linha de pesquisa em Sistemas de Informação Geográfica, tendo como foco principal mecanismos de reutilização. Atualmente, tem sido investigada a utilização de ontologias: no auxílio à recuperação de dados espaciais; como forma de representação do conhecimento em aplicações móveis sensíveis ao contexto; e sobre formas de validar diagramas conceituais usando propriedades ontológicas. Finalmente, direções de pesquisa futuras são apresentadas. Palavras-chave: Ontologia, Sistemas de Informação Geográfica, Reutilização. Title: Ontology and Geographic Information Systems Abstract: This paper makes a review on the research in Ontology subject of the Information Systems Research Group at Federal University of Viçosa. Domain Ontology has been investigated and applied in projects developed in the research line of Geographic Information Systems, having as main focus reuse mechanisms. Currently, the use of Ontology has been investigated in recovery of spatial data; as form of knowledge representation in context-aware mobile applications; and on validation of conceptual diagrams by using ontological properties. Future directions of research are also presented. Keywords: Ontology. Geographic Information Systems. Reuse. 1. Introdução O grupo de pesquisa em Sistemas de Informação da Universidade Federal de Viçosa tem investigado o tema Ontologia há mais de 20 anos, desde os treinamentos de doutorado na área de representação do conhecimento, dos professores José Luís Braga (1990) e Alcione de Paiva Oliveira (1996), ambos na PUC-RJ. Mais recentemente, o uso de Ontologia passa a fazer parte de pesquisas em diversos temas como Sistemas de Informação Geográfica Móveis (SIGMóvel), Infraestrutura de dados espaciais (IDE) e Validação de diagramas conceituais. Na linha de pesquisa em Sistemas de Informação Geográfica (SIG), o uso de ontologias foi inicialmente introduzido para melhorar a reusabilidade de soluções de projeto de bancos de dados geográficos, cujo conhecimento é capturado e documentado na forma de padrões de análise [14]. Esta pesquisa teve como meta inicial a integração de padrões de análise com ontologias de domínios geográficos, a fim de melhorar a descrição das soluções propostas nos diversos padrões de análise. Posteriormente, um conjunto de padrões de análise no domínio geográfico foi revisado, aplicando-se o método OntoClean [13], um método de verificação da qualidade de diagramas UML com base em propriedades ontológicas. Um dos resultados indiretos desta pesquisa foi a pergunta Onde disponibilizar os padrões de análise e as ontologias de domínio integradas para serem reutilizadas pelos projetistas de bancos de dados geográficos?. Buscando responder esta questão teve início o projeto

2 GeoKnowhow Infra-estrutura de Conhecimento Geo-espacial enriquecida com Ontologias de Domínios e Padrões de Análise, financiado por meio do edital MCT/CNPq/CT-Info. Durante o desenvolvimento do Projeto GeoKnowhow surgiu a necessidade de implantação de uma IDE para disponibilizar dados geo-espaciais produzidos no âmbito do Projeto TerrAntar Ecossistemas Terrestres da Antártica. Um dos problemas identificados nesta IDE foi a limitação nos procedimentos de recuperação de informações, os quais eram possíveis apenas por meio de buscas de palavras-chaves sobre uma base de metadados descritivos da base geoespacial, disponível na IDE. Este problema levou a uma nova pesquisa, que está em andamento, na qual estão sendo investigados o uso de thesauros e topic maps, gerados a partir de ontologias de domínio geográficos, usando como alternativa interfaces de consultas sobre termos relacionados semanticamente e não somente casamento de padrões textuais. Por fim, mas não menos importante, ontologias de domínio têm sido usadas como mecanismo de representação de conhecimento no desenvolvimento de SIG Móveis sensíveis ao contexto. 2. Trabalhos em andamento Os temas de pesquisa com ontologias, desenvolvidos pelos membros do grupo de pesquisa em Sistemas de Informação da UFV, podem ser divididos em quatro grupos, os quais estão descritos a seguir: Tema-1: Uso de propriedades ontológicas para verificação da qualidade de soluções de modelagem conceitual de banco de dados geográficos, por meio de padrões de análise. O método VERONTO (VERificação ONTOlógica), desenvolvido pela mestranda Maria Lúcia [13] foi empregado na dissertação de mestrado do estudante Evaldo Oliveira, como forma de melhorar a qualidade das soluções apresentadas para os problemas de modelagem conceitual de bancos de dados geográficos, no domínio de aplicações de gestão urbana. Esta pesquisa teve como resultado os trabalhos [7,8,9 e 11]. Tema-2: Usando topic maps para recuperação de metadados em IDEs Ontologias capturam o conhecimento semântico existente em diversos domínios. Uma informação importante que pode ser extraída de uma ontologia é a relação existente entre objetos do domínio. Desta forma, pode-se extrair topic maps a partir de ontologias, os quais permitem que um usuário de uma IDE possa recuperar metadados a partir de relações semânticas. Assim, um dos trabalhos de mestrado em andamento visa o desenvolvimento de mecanismos de buscas em IDEs, a partir de topic maps. Esta pesquisa já gerou alguns resultados parciais, publicados nos artigos [4 e 12]. Tema-3: Uso de ontologias de domínio como mecanismo de representação de conhecimento no desenvolvimento de SIG Móveis sensíveis ao contexto A grande oferta de dados geo-espaciais e a disponibilidade cada vez maior de dispositivos com capacidade de mobilidade deu origem aos chamados SIG Móveis. Para resolver problemas de capacidade física, presentes na maioria desses dispositivos, bem como melhorar seu desempenho, tem-se buscado integrar as características de sistemas SIG Móveis com técnicas empregadas na área de sistemas sensíveis ao contexto. Os resultados estão publicados nas referências [1,3,5 e 10]. Tema-4: Validação de diagramas conceituais Neste tema, tem sido investigados métodos para verificação de diagramas conceituais, tendo como base propriedades ontológicas. Uma das técnicas usa meta-propriedades de rigidez, dependência e identidade, na validação de modelos conceituais especificados por meio de diagramas de classes UML. Os resultados produziram as seguintes publicações [2, 6 e 13].

3 3. Contribuições esperadas Nestes trabalhos foram apresentadas algumas questões importantes para melhorar a reutilização do conhecimento geo-espacial gerado pela comunidade científica. Este desafio não será fácil, pois, além de reunir competências de várias disciplinas, tem-se que produzir mecanismos que sejam influenciados por ontologias na descoberta, verificação e validação de dados, modelos e processos que possam contribuir no compartilhamento e reuso nesse contexto. As pesquisas realizadas pelo grupo estão fortemente inseridas em dois dos grandes desafios propostos durante o Seminário Grandes Desafios da Computação no Brasil: , organizado pela Sociedade Brasileira de Computação. Os desafios tratam do acesso universal do cidadão brasileiro ao conhecimento, citando que a Tecnologia da Informação revolucionou a comunicação entre pessoas e sua forma de trabalho. Por fim, é citado que um dos grandes problemas técnicos e científicos a ser abordado para fazer frente a estes desafios é o estudo de infraestruturas adaptáveis e inteligentes para o processamento distribuído de informações. Portanto, analisando os trabalhos desenvolvidos pelo grupo, frente aos desafios descritos anteriormente, percebe-se claramente que os resultados desta pesquisa poderão contribuir com os problemas de pesquisa identificados, com isso atendendo a sociedade em geral. 4. Experiência e perfil do grupo A linha de pesquisa em Sistemas de Informação Geográfica, na qual tem sido pesquisado o tema Ontologias de Domínios, é composta por vários docentes do Departamento de Informática da UFV e estudantes de mestrado e de graduação em Ciência da Computação. Os pesquisadores que têm contribuído mais diretamente com o tema Ontologia nesta linha de pesquisa são: Dr. Jugurta Lisboa Filho tem como área de interesse Bancos de dados geográficos, Reutilização, IDEs e SIG Móveis. Dr. Alcione de Paiva Oliveira tem como área de interesse Sistemas Multiagentes e Ontologias. Além destes pesquisadores, os seguintes estudantes desenvolveram ou estão desenvolvendo suas dissertações de mestrado junto ao PPGCC da UFV: Odilon Corrêa da Silva. Uso de Tesauro e Topic Map na recuperação de Metadados em Infraestruturas de Dados Espaciais: um estudo de caso do Ecossistema Antártico. Em andamento. Thiago Silva Miranda. Integração de ontologias de domínios em infraestruturas de dados espaciais. Em andamento. Ms. Anderson Resende Lamas. Uma arquitetura para o desenvolvimento de Sistemas de Informação Geográfica Móveis Sensíveis ao Contexto Ms. Evaldo de Oliveira da Silva. Integração de padrões de análise e ontologias de domínio: um estudo de caso no domínio de gestão urbana Ms. Deisymar Botega Tavares. Procedimento de analise para a validação de diagrama de classes de domínio baseado em analise ontológica Ms. Maria Lúcia Bento Villela. Validação de Diagramas de Classe por meio de Propriedades Ontológicas

4 5. Direções de pesquisa Uma das principais questões de pesquisa que vem sendo investigada pelo nosso grupo, diz respeito à busca por mecanismos de reutilização de conhecimento. Este tem sido o tema fundamental dos diversos projetos de pesquisa para os quais se tem obtido apoio das agências de fomento. Reutilização na área de Sistemas de Informação Geográfica tem grande relevância por resultar em grandes economias de recursos humanos, financeiros e de tempo. Mecanismos que possibilitam a reutilização do conhecimento como, por exemplo, padrões de análise, modelos de domínio e ontologias, podem trazer grandes economias em aplicações geográficas. Além da reutilização natural de dados geo-espaciais, a partir de IDEs, é possível reutilizar estruturas de bancos de dados geográficos. As IDEs estão deixando de ser apenas servidores de dados espaciais para se transformarem em grandes servidores de dados e serviços geo-espaciais. Acredita-se que a incorporação de conhecimento semântico nas IDEs atuais irão transformar estes sistemas em novas Infraestruturas de Conhecimento Geoespacial (ICG). O reuso de conhecimento normalmente está relacionado a um determinado tema (domínio) geográfico já estudado e a soluções já testadas e validadas de modelagem de bancos de dados dentro deste mesmo domínio. Nossa meta é permitir que um usuário, ao acessar uma ICG buscando obter apenas dados geo-espaciais encontre, além dos dados desejados, uma base de conhecimento semântico e um conjunto de soluções de modelagem de banco de dados dos fenômenos geográficos representados por esses dados. Se esta meta for atingida, um usuário/projetista de uma aplicação de SIG, ao buscar um conjunto de dados, por exemplo, sobre os logradouros de um município descobrirá que os dados sobre logradouros estão normalmente relacionados com os dados sobre lotes urbanos, ou ainda, que existe uma estrutura em grafo sobre a qual um algoritmo de melhor caminho possa ser usado. Desta forma, além do conjunto de dados espaciais sobre logradouros, outras coleções úteis de dados poderão ser reutilizadas. Uma IDE tem como importantes usuários, equipes de técnicos vinculados a órgãos federais e estaduais, além de prefeituras e empresas privadas, que trabalham diretamente com o desenvolvimento de aplicações que utilizam plataformas de SIG. Com a popularização de aplicações baseadas em informações geo-espaciais, como o Google Earth, Google Maps, NASA World Wind, dentre outras, a tendência é que o cidadão comum passe a utilizar cotidianamente sistemas que processem dados geo-espaciais. Desta forma, fica cada vez mais evidente que um usuário, em busca de um dado geo-espacial, necessita conhecimento muito além do formato do dado que está sendo obtido. Ontologias e padrões de análise terão um papel fundamental neste novo cenário. Agradecimentos Os autores agradecem à Fapemig e ao CNPq/MCT/CT-INFO pelo apoio obtido. 6. Bibliografia 1. LAMAS, A. R.; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P.; BOTELHO JR, R. M. A. A mobile geographic information system managing context-aware information based on ontologies. Ubiquitous Computing and Communication Journal, Volume: Managing Data with Mobile Devices (MDMD), p.1-10, TAVARES, D. B.; OLIVEIRA, A. P.; BRAGA, J. L.; LISBOA FILHO, J. Analysis procedure for validation of the domain class diagrams based on ontological analysis. To appear in: Int. WORKSHOP ON METAMODELS, ONTOLOGIES, SEMANTIC TECHNOLOGIES AND INFORMATION SYSTEMS FOR THE SEMANTIC WEB (MOST-ONISW/ER 2009), 2009, Gramado-RS, Brasil. Proceedings... Berlin: Springer LNCS, 2009.

5 3. LAMAS, A. R; LISBOA FILHO, J.; BOTELHO JR., R. M. A.; OLIVEIRA, A. P. Providing Context-Aware Information in a Mobile Geographical Information. In: JOINT WORKSHOP ON ADVANCED TECHNOLOGIES AND TECHNIQUES FOR ENTERPRISE INFORMATION SYSTEMS. In conjunction with ICEIS`2009, 1., 2009, Milão, Itália. Proceedings... Milão: INSTICC/ACM-SIGMIS, p SILVA, O. C.; LISBOA FILHO, J. Uso de Tesauro e Topic Map na recuperação de Metadados em Infraestruturas de Dados Espaciais: um estudo de caso do Ecossistema Antártico. Aceito para publicação no WTDBD WORKSHOP DE TESES E DISSERTAÇÕES EM BANCOS DE DADOS (WTDBD/SBBD2009) 8, 2009, Fortaleza. Anais... Fortaleza: SBC, LAMAS, A. R; LISBOA FILHO, J.; BOTELHO JR., R. M. A.; OLIVEIRA, A. P. Uma arquitetura para o desenvolvimento de sistemas de informação geográfica móveis sensíveis ao contexto. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO (SBSI), 5, 2009, Brasília. Anais... Brasília: UnB/SBC, p TAVARES, D. B.; OLIVEIRA, A. P.; BRAGA, J. L.; LISBOA FILHO, J. Validação de Diagrama de Classes por meio da Técnica OntoCon. In: CONGRESO LATINOAMERICANO DE INFORMÁTICA (CLEI), 35., 2008, Santa Fé, Argentina. Proceedings... Santa Fé: CLEI, p SILVA, E. O.; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P.; GONÇALVES, G. S. Improving analysis patterns in the geographic domain using ontological meta-properties. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ENTERPRISE INFORMATION SYSTEMS (ICEIS), 10., 2008, Barcelona, Espanha. Proceedings Barcelona, p SILVA, E. O.; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P. Revisando padrões de análise para bancos de dados geográficos com meta-propriedades ontológicas. In: WORKSHOP ON ONTOLOGIES AND METAMODELS IN SOFTWARE AND DATA ENGINEERING (WOMSDE-SBES), 3, 2008, Campinas. Anais... Campinas: SBC, p SILVA, E. O.; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P. Uso de meta-propriedades ontológicas na reestruturação de padrões de análise no domínio geográfico. In: SEMINÁRIO DE PESQUISA EM ONTOLOGIA NO BRASIL, 2008, Niterói. Anais... Niterói: UFF, p LAMAS, A. R; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P.; LOPES, A. M. Sistemas de informação geográfica móveis orientados ao contexto: uma abordagem baseada em ontologias de domínios. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO (SBSI), 4, 2008, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: UNIRIO, p SILVA, E. O.; LISBOA FILHO, J.; OLIVEIRA, A. P. PatternOnto - Uma proposta metodológica para a integração de padrões de análise e ontologias de domínio. In: WORKSHOP DE TESES E DISSERTAÇÕES EM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO (WTDSI/SBSI 2008), 4, 2008, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: UNIRIO, p SILVA, O. C.; LISBOA FILHO, J.; BOTELHO JR., R. M. A. Uma infra-estrutura de conhecimento geoespacial para compartilhamento de dados e metadados sobre o ecossistema antártico. In: CONGRESSO DE TECNOLOGIAS PARA GESTÃO DE DADOS E METADADOS DO CONE SUL (CONGED), 6, 2008, Curitiba. Anais... Curitiba: UFPR, VILLELA, M. L. B. ; OLIVEIRA, A. P. ; BRAGA, J. L.. Modelagem Ontológica no Apoio à Modelagem Conceitual. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE SOFTWARE, 2004, Brasília. Anais... SBC, p LISBOA FILHO, J. ; IOCHPE, C. ; BORGES, Karla A V. Analysis patterns for GIS data schema reuse on urban management applications. CLEI Electronic Journal, on-line, v. 5, n. 2, p. 1-15, 2002.