Ανάπτυξη οντολογίας για την φωτοερμηνευτική αναγνώριση των κατηγοριών Δάση και ημι-φυσικές περιοχές, Υγρότοποι και Υδάτινες επιφάνειες του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Corine Land Cover

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται μια οντολογία για την καθοδήγηση αρχάριων ερμηνευτών στην φωτοερμηνευτική αναγνώριση των κατηγοριών Δάση και ημι-φυσικές περιοχές, Υγρότοποι και Υδάτινες επιφάνειες του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Corine Land Cover. Συγκεκριμένα, το βασικό αντικείμενο της εργασίας ήταν αρχικά η συγκέντρωση της φωτοερμηνευτικής γνώσης που αφορούσε τις κατηγορίες του Corine Land Cover και στη συνέχεια η ανάπτυξη μιας οντολογίας για αυτήν, με το συντάκτη οντολογιών Protégé. Η φωτοερμηνευτική γνώση βασίστηκε στα εγχειρίδια του Corine Land Cover και στο Wiki του Εργαστηρίου Τηλεπισκόπησης του E.M.Π., το οποίο πρόσφατα μετατράπηκε σε Semantic Wiki με ειδικές επισημάνσεις για τα φωτοαναγνωριστικά χαρακτηριστικά όλων των κλάσεων του Corine Land Cover. Επίσης, έγινε μια προσπάθεια εξαγωγής ιδιαίτερων γεωγραφικών σχέσεων μεταξύ των κατηγοριών εδαφοκάλυψης του Corine Land Cover για την περιοχή της Κρήτης προκειμένου να επαληθευτούν ορισμένα στοιχεία της βάση γνώσης της οντολογίας που δημιουργήθηκε. Η οντολογία αυτή, αναπαριστά τις κατηγορίες του Corine Land Cover ως έννοιες και τα φωτοαναγνωριστικά χαρακτηριστικά για την αναγνώριση τους ως ιδιότητες των εννοιών αυτών. Έπειτα, στο περιβάλλον συντάκτη της οντολογίας ένας άπειρος φωτοερμηνευτής είναι δυνατόν να υποβάλλει ερωτήματα στο σύστημα σχετικά με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της κάλυψης εδάφους/χρήσεις γης και να επαληθεύσει την κατηγορία (1ου, 2ου ή 3ου επιπέδου) του Corine Land Cover την οποία υποδεικνύει το σύστημα. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες. Συγκεκριμένα,στην 1η ενότητα επεξηγείται ο στόχος και η δομή της παρούσας εργασίας. Στη 2η ενότητα, περιγράφονται οι βασικές έννοιες που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια. Έτσι, κάποιος με γενικές γνώσεις στους τομείς της Τηλεπισκόπησης, των Οντολογιών και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφορίων (GIS) να είναι σε θέση να κατανοήσει τη ροή της εργασίας. Περιγράφονται έννοιες, όπως η Τεχνητή Νοημοσύνη, η Αναπαράσταση Γνώσης και η Περιγραφική Λογική που αποτελούν τη βάση των οντολογιών. Επίσης, αναλύονται οι βασικές έννοιες των οντολογιών,καθώς και τα διάφορα εργαλεία ανάπτυξής τους με εκτενή αναφορά στον συντάκτη οντολογιών Protégé. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή στις Χωρικές Βάσεις Δεδομένων, στα σημαντικότερα στοιχεία της θεωρίας των φωτοερμηνετικών κλειδιών και στο τέλος αυτής ενότητας παρουσιάζονται το πρόγραμμα Corine Land Cover και τα χαρακτηριστικά του. Στην 3η ενότητα, αναλύεται διεξοδικά η μεθοδολογία για τη δημιουργία της οντολογίας στο πρόγραμμα Protégé. Αρχικά, εξετάζονται οι κατηγορίες του Corine Land Cover και η βάση γνώσης που δημιουργήθηκε. Ακολουθεί μια εισαγωγή στο Wiki του Εργαστηρίου Τηλεπισκόπησης και ο τρόπος εισαγωγής δεδομένων σε αυτό. Το κεφάλαιο συνεχίζει με έναν οδηγό για τη δημιουργία μιας οντολογίας στο πρόγραμμα Protégé και τον τρόπο υποβολής ερωτημάτων σε αυτήν (βάση γνώσης), διάφορα παραδείγματα υλοποίησης του συστήματος για συγκεκριμένες κατηγορίες κάλυψης γης και την επαλήθευση των αποτελεσμάτων αυτής της μεθόδου. Επίσης παρουσιάζονται ορισμένα συμπεράσματα από την ανάλυση της χωρικής βάσης δεδομένων των κατηγοριών του Corine Land Cover για την περιοχή της Κρήτης. Στο τέλος της εργασίας, στην 4η ενότητα, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προοπτικές της οντολογικής προσέγγισης και της βάσης γνώσης που δημιουργήθηκε.

In this thesis it is developed an ontology to assist novice interpreters in the photointerpretation of categories Forests and semi-natural areas, Wetlands and Water bodies of the European project Corine Land Cover. Specifically, the main objective of this thesis was the collection of photointerpretation knowledge concerning the Corine Land Cover categories and then develop an ontology for these with the Protégé ontology editor. The photointerpretation knowledge was based on the Corine Land Cover manuals and the Remote Sensing Wiki of the NTUA Remote Sensing Laboratory which recently became semantic wiki with special tags for the photointerpretation characteristics of all Corine Land Cover classes. Also, an effort was made to export specific geographical relationships between Corine Land Cover categories for the region of Crete so that to validate some of the elements of the ontology’s knowledge-base. This ontology represents the Corine Land Cover categories as concepts and the photointerpretation characteristics for their recognition as the properties of these concepts. Then in the editor interface of the ontology, an inexperienced photointerpreter could submit queries to the system regarding certain land-cover/land-use characteristics and evaluate the category (1st, 2nd or 3rd level) of Corine Land Cover that the system will assign. This thesis is divided in four main sections. Specifically in the 1st section the target and the structure of the present thesis are explained. Τhe 2nd section, is a description for basic concepts that are being used in the following. Thus someone with general only knowledge in Remote Sensing, Ontologies and Geographical Information Systems (GIS) will be able to understand the flow of this work. Then concepts such as Artificial Intelligence, Knowledge Representation and Description Logic that form the basis of ontologies are presented. Also discussed the basic concepts of ontologies as well as some ontology development tools with extended reference to the ontology editor Protégé. Follows a brief introduction to Spatial Databases,the main elements of the photointerpretation keys and at the end of this section the Corine Land Cover program and its components are presented. In the 3rd section, the methodology developed to create the ontology into Protégé editor is presented in detail. In the beginning of this chapter the focus is on the Corine Land Cover classes and the created knowledge base. Follows an introduction to Wiki of the NTUA Remote Sensing Laboratory, and the way to import data to it. This chapter continues with a tutorial on how to create an ontology in the Protégé ontology editor and how to make queries on this (knowledge base), various examples of the system for selected land cover classes and evaluation of the results of this method. Also the results of the spatial database analysis of the Corine Land Cover classes for the case study of Crete are presented. At the end of the thesis, in the 4th section, the conclusions and prospects of the ontological approach and the developed knowledge base are presented.