地震灾害应急管理知识图谱构建研究_贺海霞.pdf

第 42 卷第 3 期2023 年 6 月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong UniversityVol 42 No 3Jun 2023收稿日期:2023-03-01学报网址:https:/lztx cbpt cnki net基金项目:国家自然科学基金(42261076);国家自然科学基金(42061060);地理信息工程国家重点实验室/自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室联合开放基金(2022-03-03);甘肃省科技重大专项(22ZD6GA010);兰州交通大学天佑创新团队(TY202001);兰州交通大学优秀平台支持(201806)第一作者:贺海霞(1996 )，女，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向为灾害应急与知识图谱。E-mail:743738167 qq com通信作者:刘涛(1981 )，男，湖北随州人，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为空间关系理论与地图制图综合。E-mail:ltaochina foxmail com文章编号:1001-4373(2023)03-0113-11DOI:10 3969/j issn 1001-4373 2023 03 016地震灾害应急管理知识图谱构建研究贺海霞1，2，3，刘涛*1，2，3，杜萍1，2，3(1 兰州交通大学 测绘与地理信息学院，兰州730070;2 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，兰州730070;3 甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州730070)摘要:当前，地震灾害相关数据体量较大、来源众多，难以进行统一的组织与管理。以知识图谱为工具，梳理并整合了地震灾害领域的多源数据，通过“数据-信息-知识”的转换，为应急管理提供知识服务。首先，基于知识工程和灾害学理论，分析地震灾害各组成要素的概念及其关系，构建模式层。然后，抽取不同来源数据中的地震灾害知识，构建数据层，并存储在图数据库中以实现地震灾害知识图谱可视化。最后，以“5 12 汶川地震”为例，实现了知识图谱的可视化查询及分析。实验表明，所构建的知识图谱不仅能够有效管理地震相关数据，还能为灾害智能化应急服务提供支撑。关键词:地震灾害知识图谱;模式层;数据层;汶川地震中图分类号:P208文献标志码:AStudy on the Construction of Knowledge Graph ofEarthquake Disaster Emergency ManagementHE Hai-xia1，2，3，LIU Tao*1，2，3，DU Ping1，2，3(1 Faculty of Geomatics，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2 National-Local Joint Engineeringesearch Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring，Lanzhou 730070，China;3 Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring，Lanzhou 730070，China)Abstract:At present，the volume of data related to earthquake disaster events is large and the sources arenumerous，which makes it difficult to conduct unified organization and management In this paper，theknowledge graph is used as a tool to study the construction of the knowledge graph of earthquake disas-ters，so as to sort out and effectively manage the data related to earthquake disasters First of all，theknowledge engineering and disaster theory are used to sort out the elements of earthquake disasters andtheir relationships，and build a model layer Then，this paper extracted the earthquake disaster knowledgefrom different sources，built the earthquake disaster knowledge graph and stored it in the graphic databasefor visualization and query Finally，the 5 12 Wenchuan earthquake event was taken as an example forexperimental verification The experiment shows that the construction method proposed in this paper caneffectively manage the relevant data of 5 12 Wenchuan earthquake，and can provide effective supportfor the management，visualization and analysis of earthquake disaster data The method proposed in this兰州交通大学学报第 42 卷paper can provide an effective reference for the organization and management of earthquake disaster relat-ed dataKey words:knowledge graph of earthquake disaster;pattern layer;data layer;Wenchuan earthquake我国地处太平洋、印度洋和亚欧三大板块的交界，地震灾害频发，而地震及其次生灾害相关信息来源广、种类多、数量大，难以实现信息共享，单纯的数据搜索及获取已无法满足当前应急管理的需求。因此，研究如何从海量多源的异构地震灾害数据中获取知识，并利用这些知识提供智能化服务应用是目前应急管理研究的一项重要内容。目前，本体和知识图谱是用于知识获取及服务的主要工具。本体是一种有效的知识建模方式，能够准确描述概念及其内在关系，还能进行逻辑推理。许多学者构建了自然灾害应急响应知识本体，如地质灾害本体1-2、地震灾害本体3、台风灾害本体4 等，并用其对具体的灾害实例进行分析。知识图谱是一种新的知识获取、存储、组织、管理及展示的手段5，通过对复杂数据进行加工处理，将其转化为形如“实体-关系-实体”或“实体-属性-属性值”的三元组，来描述事物的概念及相互关系，目前在医疗6、智能推荐系统7、智能问答8、领域研究动态分析9-10 等方面发挥着重要的作用。在自然灾害领域，谢炎宏等11 从地震灾害防治角度出发，研究了地震灾害防治知识图谱的构建方法;张航12 对泥石流数据进行分类，利用深度学习实现知识抽取与融合，建立了泥石流灾害知识图谱，并实现了一个知识检索系统;杜志强等13 围绕自然灾害事件、灾害应急任务、灾害数据、模型方法等 4 个要素，使用本体构建知识概念框架，并通过知识抽取与融合，构建了一个洪涝灾害应急知识图谱;陶坤旺等14 研究了面向一体化综合减灾的知识图谱构建流程和关键技术，探索了知识图谱在应急减灾方面的应用;Jiao等15 梳理互联网新闻文本中地震信息及其关联，构建地震知识图谱;Xu 等16 基于地理本体论与知识图谱理论，构建了地震应急响应知识图谱。总的说来，众多学者从不同角度研究了灾害知识图谱的构建，并对其应用进行了一些探究，但目前针对应急智能化服务的地震灾害知识图谱构建研究还不多。因此，本文围绕地震灾害的基础背景、致灾因子、灾情与险情等诸多要素，梳理地震灾害领域的概念及关系，并从多源异构的海量数据中获取知识，通过知识融合，构建了一个地震灾害知识图谱，并以“5 12 汶川地震”为例，实现了知识图谱的可视化查询及分析，可为智能化地震应急提供知识服务。1地震灾害知识图谱构建流程知识图谱本质上是一种语义网络，以结构化的形式表达现实中的概念及其关系，其中节点代表实体或概念，边代表实体或概念间的相互关系17-18。通用知识图谱由模式层和数据层构成:模式层是对知识的总结、归纳和提炼，构建在数据层之上，用于约束数据层;数据层通常使用形如“实体-关系-实体”或“实体-属性-属性值”的三元组来存储具体数据。地震灾害知识图谱的构建主要采用“自顶向下”和“自底向上”相结合的方法进行(如图 1 所示)。“自顶向下”是指在模式层的构建中以地震灾害为核心，对地震灾害涉及的各种概念、属性及关系进行建模，定义模式层中的层级关系、时空关系等，形成清晰明确的概念结构;“自底向上”是指构建数据层时，设计适合的知识抽取方法，从地震灾害领域的多种文献资料、新闻网站以及行业标准等多源数据中进行实体及关系的抽取，通过对齐、合并、消歧等步骤，实现概念层与数据层的关联映射，并最终以三元组形式存入 Neo4j 图数据库中，实现知识图谱的可视化表达。2知识图谱模式层构建地震灾害应急管理知识图谱模式层主要对地震灾害领域中的概念及关系进行建模。本文用一个四元组(式 1)来表达模式层，重点描述地震及其次生灾害对自然环境和人类社会产生的各种破坏性影响，以及人类为应对地震灾害而采取的各种策略和措施。E=He，Hf，Ha，Ta(1)式中:E 为地震灾害;He 为基础背景;Hf 为致灾因子，包括原生致灾因子和次生致灾因子;Ha 为灾情及险情;Ta 为应急处置。模式层构建主要根据地震灾害的特点和应急处置的实际需求，以中华人民共和国防震减灾法、国家地震应急预案 等法律法规和专业文献为依据，结合现有的分类体系，对四元组中的基础背景、致灾因子、灾情及险情、应急处置等 4 个要素进行概411第 3 期贺海霞等:地震灾害应急管理知识图谱构建研究念、属性及其关系定义。本文使用三元组来表示地震灾害知识图谱的模式层。图 1地震灾害应急管理知识图谱构建基本流程Fig 1Basic process for building knowledge graph ofearthquake disaster emergency management2 1概念建模1)基础背景基础背景是指震中及周边的地形等一些基本情况。本文依据地震灾害相关文献资料及新闻报道，将地震灾害基础背景分为六大类，并确定其相关属性信息(如表 1 所列)。2)致灾因子地震灾害致灾因子包括原生致灾因子和次生致灾因子，前者为地震灾害本身，后者则指由地震引发的泥石流、崩塌、滑坡、堰塞湖、火灾和放射性污染等次生灾害。本文依据历史地震及新闻报道中的“速报参数”，确定地震灾害的主要属性包括名称、震级、发震时刻、纬度、经度、震源深度和参考位置等。结合 GB/T 28921 2012 自然灾害分类与代码，将次生致灾因子分为 6 个二级类，其属性除通用属性(灾害发生时间、发生地点、灾害类别、灾害级别等)外，还包括与次生灾害类型密切相关的特有属性，如滑坡体的长宽厚度、滑坡体体积、泥石流体积等。致灾因子的具体分类和属性如表 2 所列。表 1基础背景分类Tab 1Basic background cl