基于本体的欧洲水利遗产信息资源组织研究

董桂君,王晓娇,苏依凡,徐绪堪

(1.河海大学外国语学院,江苏,南京 211100; 2.河海大学商学院,江苏 南京 211100;3. 常州市工业大数据挖掘与知识管理重点实验室,江苏 常州 213022)

水影响着民生福祉、民族兴旺以及国家安危。水资源作为生态环境建设的核心要素之一,不仅影响地球上每个人的生存质量,而且深刻影响整个世界的可持续发展。人们对水的重要性需有进一步认识,水不仅是人类社会赖以生存和发展所必需的资源,更是重要的文化载体,它蕴含着丰富而深刻的生态智慧与精神内涵。2022年水利部办公厅在《“十四五”水文化建设规划》中明确提出要加强水文化系统研究,加快推进水利遗产的系统保护,建立健全水文化工作体制机制。水利遗产是人类文明的遗存,具有丰富的价值,其中中国和欧洲的水利遗产在世界范围内都有一定程度上的代表性和典型性,是先辈留下的宝贵经验和财富。随着经济总量和人均水平持续提高,水利遗产在中国已成为一种新型文化现象。然而,当前水利遗产没有得到充分的保护与开发利用,人们对水利遗产的认识程度不一,水文化传播的创新程度不够,一些具有重大历史价值和现实借鉴意义的水利遗产的保护工作相对滞后于时代需求。在此背景下,如何加强水利建设遗产保护工作已引起学界的普遍关注,以“水利遗产”为主题的理论与实践研究显得尤为迫切和必要。

虽然中国治水历史悠久,但至今仍缺乏一个完整系统的水利遗产组织管理体系,这极大地限制了我国经济社会可持续发展。随着经济全球化进程的不断加快,国际交往日益密切,水利遗产作为一种重要的文化载体逐渐成为世界文化遗产中不可或缺的组成部分。因此,构建一套科学有效的水利遗产管理模式显得尤为重要。欧洲水利遗产保护管理经验丰富,其管理方面相关的研究成果能够为我国水利遗产管理与保护工作提供借鉴。因此,有必要对欧洲水利遗产资源与管理研究进行梳理。

本文基于情报学理论进行欧洲水利遗产信息资源组织研究,结合信息技术发展构建了欧洲水利遗产数字化保护信息技术方法体系,借助本体技术设计欧洲水利遗产信息资源组织过程,提出了欧洲水利遗产信息资源组织合作管理平台实现思路,以期为中欧双方共享水利遗产信息资源提供服务平台,从而为我国水利遗产系统性保护提供借鉴和参考。

1 研究现状

1.1 欧洲水利遗产研究现状

水利工程在水资源储蓄、管理和调配等方面具有重要作用,而水利遗产则是水利史工程对人类社会发展与进步所作出贡献的水文化系统遗存。然而城市化进程的加快使得欧洲水利遗产保护问题面临巨大压力,国内外学者围绕欧洲水利遗产进行了大量研究。

在水利遗产内涵方面,郑晓云[1]从欧洲水利遗产的产生历史背景、类型、现状和启示4个方面展开论述,探讨了欧洲水利遗产是如何产生并保存的,由此得出水利遗产的产生与当地自然环境、制度环境和文明进程有直接关系。Grano[2]研究了意大利马泰拉镇的古代蓄水池和水井的价值,分析了遗产的自然形态和人为形态特征。Merlos等[3]研究了西班牙水利工程项目中的水车结构,对其建造过程、文化背景和功能进行了梳理。

在欧洲水利遗产保护方面,De Beer等[4]指出《欧洲保护考古遗产公约》纳入了欧洲公认保护做法,对遗产进行就地保护并将遗产纳入空间规划政策。Blanco等[5]以马德里水利遗产为研究对象,通过GIS工具创建了精确的遗产数据库,展现水利遗产隋时间的演变过程。Valenzuela[6]基于智利桥梁高风险情况,制定新的性能指标和质量控制程序进行桥梁生命周期管理。Celia等[7]选择4个城市研究了欧洲复兴项目为动力的水遗产保护区的翻新方案。Leibundgut等[8]对欧洲灌溉遗产进行研究,表明修复灌溉遗产项目通过多功能景观管理能够促进遗产景观恢复。

1.2 信息资源组织现状

近年来,国内外关于信息资源组织的相关研究成果较为丰富。在知识组织方面,徐绪堪等[9]研究了知识服务角度下的知识组织过程,指出知识组织应从用户需求出发,并且分析设计了面向知识服务的知识组织过程;蒋勋等[10]梳理了大数据环境下的知识服务个性化需求,构建了领域知识需求基本结构及方法思路,设计了适用于领域知识的知识加工和组织模式;冯园园[11]研究了多领域本体与知识地图之间的联系,使二者能够有机结合在一起,并构建了多领域本体语义环境中数字图书馆知识地图。在主题领域方面,张美芳[12]从人文领域方面着手,总结出了数字人文的声像档案资源的组织方法,构建了完善的组织利用模型;Megondu等[13]以阿斯西河流域为例提出了水资源信息管理集成解决方案;谭晓等[14]从国内外双视角梳理了知识发现的概况并分析了在大数据环境下知识发现所面临的挑战;吕红[15]研究信息政策和法规并进行可视化分析,通过聚类分析得出了该领域内的4个研究热点主体。在文化遗产领域,董永梅[16]基于用户主导性等原则研究构建了非物质文化遗产资源分类体系;王蒙等[17]基于主题图的理论方法建立了主题图模型,并组织了非物质文化遗产信息资源,并以京剧和昆曲为例展示组织效果;周耀林等[18]结合文化遗产本体及其相关理论技术,在非遗信息资源领域设计构建了组织检索研究框架;李雨蒙[19]以杂技类非物质文化遗产为例,构建类目复分表从横纵两方面对其信息资源进行分类组织;苏日娜等[20]进一步研究了学科交叉基础上的非遗信息资源分类过程,提出了融合组配技术的体系分类法;徐绪堪等[21-22]运用知识元语义描述模型组织对红色文化数字资源进行知识抽取组织研究,并以水工程文化遗产数字资源为研究对象,构建了主动式组织模型。然而目前大多数成果集中于某一特定学科或者某一主题领域内。对于一个完整的数字化信息资源管理体系而言,其内部各要素间往往缺乏关联和融合,导致信息利用率不高,甚至出现系统孤岛现象。

综上所述,国内外学者的研究成果主要集中在信息资源组织、水利遗产保护和制度管理等方面,然而从信息资源组织角度探讨欧洲水利遗产的研究成果并不多。因此,对欧洲水利遗产信息资源组织和管理有待进一步深入研究。本文为了更好汲取欧洲水利遗产中的精华,对欧洲水利遗产信息资源进行组织和管理探讨。

2 基于本体的欧洲水利遗产信息资源组织框架构建

本文构建了基于本体的欧洲水利遗产信息资源组织框架(图1),搭建了欧洲水利遗产信息资源组织和合作平台,实现了对水利遗产的快速查阅和共享,以期为我国水利遗产系统性保护和传承提供有价值的参考。

图1 基于本体的欧洲水利遗产信息资源组织框架

2.1 欧洲水利遗产数字化保护信息技术方法体系

为有效进行水利遗产信息资源整合以及水利遗产文化的保护和传承,需要对水利遗产进行现代化管理,而水利遗产现代化管理需要利用目前先进的信息技术、情报学方法,例如元数据技术、本体技术、大数据与云计算、虚拟现实等。通过此类技术方法整合各类信息资源,有利于实现水利遗产管理的现代化。借助前沿的信息技术,并从信息技术角度构建欧洲水利遗产数字化保护体系,如图2所示。

图2 欧洲水利遗产数字化保护体系

基于水利遗产相关理论和数字孪生理论,系统分析现代技术作用于水利遗产信息资源的内涵与优势,在虚拟环境中充分结合情报学、计算机学、文化遗产学等相关领域的技术方法及成果进行现实模拟。通过建立“虚拟-现实”交互模型,实现对水利工程实物遗存的三维展示与仿真操作;通过引入智能感知、虚拟现实(VR)、大数据可视化、人工智能等新兴信息技术手段,完成水利遗产信息资源数字化。

在水利遗产的实证分析维度,研究探索适合不同类型水利遗产信息资源的数据采集、数据挖掘方法,从宏观上提出一种面向多尺度空间场景下水利遗产空间数据获取、存储、处理及应用的整体解决方案。此项方案有利于科学有效地保护和传承水利遗产,减少对水利遗产的破坏。通过科学推演对水利遗产进行虚拟修复,可为今后开展水利遗产相关保护工作提供参考。水利遗产的数字化成果,不仅为这些宝贵的文化遗产提供了永久保存的途径,而且通过多种形式的呈现和广泛的传播途径,使得更多人深入认识了水利遗产的价值,从而实现了水利遗产的有效传承和可持续发展。

2.2 基于本体的欧洲水利文化遗产信息资源组织过程设计

以欧洲水利遗产数字化保护信息技术方法体系为基础,梳理欧盟国家和地区的水利遗产相关情况。本文利用本体技术处理欧洲水利遗产信息,通过复用已有本体,并结合水利遗产专业领域知识,设计出基于本体的水利遗产信息资源组织与管理研究框架,如图3所示。

图3 水利遗产信息资源组织与管理研究框架

本文将本体理论技术应用到水利遗产信息资源领域,可在语义层有效描述水利文化遗产信息资源相关概念及其之间的关系,并降低语义错误的可能性。通过研究已有本体并复用,能够高效地实现水利遗产信息资源的结构化处理,确保信息的标准化和规范化。对这些信息中的知识和其他实体信息进行清晰、一致的标准化描述,从而构建出完整的水利遗产领域本体库。本体库的建立,为整合和组织多源异构的水利文化遗产信息资源提供了强有力的工具。这不仅提高了信息管理的效率,还加强了信息的可靠性。此外,用户还可以进一步分析和挖掘不同类型的水利文化遗产信息之间的内在联系,为水利工程决策提供重要依据,最终使人们对于水利文化遗产信息有更深刻的理解与认知,促进水文化的传承发展。

本文设计了基于本体的欧洲水利遗产信息资源组织过程,主要包括以下4个步骤:①根据水利文化遗产信息资源的特征确定水利文化遗产信息资源的分类组织原则,明确水利文化遗产信息资源的概念体系等相关知识;②参考并复用已有成熟本体,构建水利文化遗产信息资源内容特征的分类组织体系,利用上述建立的分类组织体系对所提取出来的数据对象进行规范化管理,构建水利遗产领域本体库;③对多源异构的水利文化遗产信息资源进行结构化处理,利用国内外已有的水利文化遗产叙词表及本体词汇,构建领域顶层本体结构,对具体的水利文化遗产信息资源进行结构化标注与组织,探索水利文化遗产信息资源自动抽取与关联处理的方法;④基于不同用户对于水利遗产信息资源的需求差异,构建差异化的检索功能,结合开发的语义检索模型为用户提供更为个性化的水利文化遗产信息检索服务。

2.3 欧洲水利遗产信息资源平台实现

当前世界的气候灾害频发,中国和欧洲相关部门都面临着巨大挑战,通过搭建欧洲水利遗产信息资源组织和合作平台,能够为相关领域专家沟通交流提供场所。基于此平台,中欧双方能够在水利遗产相关领域展开进一步合作。

欧洲水利遗产信息组织与共享平台在以基于本体技术的水利文化遗产信息资源组织与管理为核心内涵的基础上搭建,其目的是实现中欧间不同类型水利遗产信息资源共享和互惠互利。该平台将实现对各成员国水利遗产数据的统一存储、处理、展示、查询等功能;同时,该平台还可根据用户需求开展相应应用研究工作。基于云计算技术,该平台能够将水利遗产数字化工作所需的基础设施和资源上传云端,为中欧双方使用者提供更便利的服务。在架构上,欧洲水利遗产信息资源平台架构包含IaaS基础资源层、PaaS平台服务层、SaaS应用服务层3个部分,如图4所示。

图4 欧洲水利遗产信息资源平台架构

IaaS基础资源层为欧盟成员单位及中国有关机构提供各类水利遗产管理部门以及相关领域专家的元数据模型,该层主要具备水利遗产信息资源标准化著录、结构化存储、多元化检索查询、网络化访问共享等功能,有效地实现了双方水利遗产信息资源共享。PaaS平台服务层构建了欧洲与中国有关部门建立的公共数据网络来实现数据共享和互操作。该服务层通过互联网技术将双方各方面的数据库互联起来,在此基础上可向用户提供方便的数据资料访问接口,主要实现双方水利遗产数字资源的调度以及管理变更相关需求。SaaS应用服务层具体功能包含水利遗产数字资源共享、水利遗产科研教育、水利遗产创新设计、水利遗产传播推广等。

3 实例分析

加尔桥位于法国加尔省,是一座3层的石头拱形桥。加尔桥是罗马帝国时期修建的高空引水渡槽,始建于公元1世纪,距今已有2000多年的历史,世界遗产委员会评价其为技术与艺术杰作。目前,法国已经为该桥建设了专题博物馆,向世界游客展示其历史及建造工艺。同时,法国加尔省也开展了对其重要档案信息资源以及实体文物的研究。本文以加尔桥为例,验证欧洲水利遗产组织管理框架的可行性,并探讨如何利用数字孪生技术构建一个具有沉浸式体验感、互动化交流功能的新型智慧水利建设场景。

3.1 加尔桥水利遗产信息资源组织

3.1.1数字化三维仿真

为达到现实模拟、身临其境的效果,通过在虚拟环境中充分结合情报学、计算机学、文化遗产学等相关领域的技术方法对加尔桥水利遗产进行数字化三维仿真。围绕加尔桥河流水文勘测、工程场地布置、防洪安全保障措施及管理维护情况等方面内容,开展调研和测绘工作,根据实际测量结果制定相应的监测方案。针对加尔桥所处自然环境特点及其复杂多样的地理特征,设计并搭建了基于3Dmax软件的3D数字图像建模平台,模拟再现加尔桥历史遗迹原貌,以满足后续三维重建过程的需求。在此基础上采用混合开发框架,将BIM技术和GIS技术相结合,创建了包括建筑本体、构筑物、景观设施在内的完整水利遗产实景三维仿真系统。

在VR/AR技术支撑下建立“虚拟-现实”交互模型,实现了对水利工程实物遗存的三维展示与仿真操作,为人们提供了一个真实而又身临其境的体验环境,极大地丰富了水利文化遗产保护工作的内涵。基于物联网、云计算以及移动互联网等新一代数字技术,通过引入智能感知、大数据可视化、人工智能等新兴信息技术手段,构建包含智慧化管理平台、基础设施及应用系统等在内的现代化水利工程信息管理系统,完成了水利遗产信息数字化。

3.1.2科学推演

在数字化三维仿真的基础上进行科学推演,利用3D建模软件进行复原性研究,提高工作效率及精度;采用多传感器融合方法可有效避免误判现象。基于此能够为加尔桥的修复提供参考依据,将研究成果应用到加尔桥工程中去,从而更好地进行保护和传承工作。

对收集到的信息进行分类组织,通过复用已有本体确定水利工程遗产的本体。选取的4个要素分别为基本属性、创造者、相关地点和时空范围。水利工程遗产知识的实例基于水利工程遗产本体实例进行创建。确立水利工程遗产本体的类之后,通过给水利工程遗产知识本体添加实例,进行水利工程遗产本体库的创建。图5为法国加尔桥水利工程遗产知识本体实例,图中带有紫色菱形标记的方块内容即为实例。

图5 加尔桥水利工程遗产本体

3.2 加尔桥水利遗产信息资源平台构建

基于本体技术和云计算技术构建加尔桥水利遗产信息资源组织合作管理平台,将水利遗产信息资源上传至云端。为了使用户能够有更好的服务体验,基于云计算技术进行全球范围内统一的异构数据互访问,并且采用元数据管理方式建立各成员单位间水利遗产信息内容的关联关系及相应知识库,利用大数据对其进行知识发现与语义分析。同时利用Web Service服务框架来提供跨机构、跨部门以及多领域的分布式协同工作能力,结合地理信息系统(geographic information system,GIS),设计开发面向欧洲各个成员国的分布式水文化信息采集系统,用以完成区域范围内水文化相关要素的快速获取和整合。然而在信息资源平台构建阶段,目前尚未有在数字人文背景下得到广泛认可的水利遗产元数据标准,我国需复用现有标准建立高质量的元数据标准以保障平台的互操作性。

通过信息资源共享平台可以实现中国和欧盟各国之间不同类型水利遗产信息的共享,并以水利遗产为主题构建了1个专题数据库,从而推动世界范围内水利遗产信息资源的共建共享与协同发展,有利于中欧双方开展水利遗产科研教育活动,促进活化水利遗产使其创造新价值,进一步实现水利遗产的传播推广。

通过构建水利信息资源共享平台有助于有效管理国际水利遗产信息资源,解决现有水利文化遗产信息资源相互独立、无法互相学习借鉴的问题,基于此能够在一定程度上提高我国水利遗产信息管理水平,同时汲取国际水利遗产信息资源管理先进做法,以指导我国水利遗产的保护传承以及活化工作。

4 结 语

当前欧洲水利遗产信息资源的组织与管理尚未形成体系,缺乏统一标准,欧洲水利遗产信息资源难以进行有效共享。不同国家和地区文化背景、政治环境、制度政策等存在差异,其水利遗产所面临的状况亦存在很大差异,为了更好地从欧洲水利遗产中获得历史知识、经验教训和教育资源,本文利用本体方法设计了信息资源的组织管理过程,降低了信息资源的多源异构问题,形成欧洲水利信息资源组织与合作共享平台,有利于对信息资源统一管理,能够在政府层面扩大水利遗产信息保护网,尽可能实现中欧平台的相互访问、浏览链接,有利于不同国家和地区间相互学习借鉴,共同促进建设。从传承者参与传播的过程来讲,需要积极适应现在受众群体接收文化信息便捷化、个性化的发展趋势,本文内容仍面临较大挑战,需要相关管理部门和学者进行进一步的探讨。