In spite of the existing e orts for the creation of semantic models that ensure the interoperability in the water domain, the greater part of these proposals focus on solve speci c needs, especially regarding the regulations that the geographic information has to ful l in a territory or community. To tackle this need, in this work we propose the creation of an ontology that describes the basic concepts, based on existing semantic models of the community and that incorporate the representation of water resources applied to the Ecuadorian context considering the existing regulations. The data set instantiated in the ontological model come from of di erent Ecuadorian institutions. The modeling result is an ontological network conformed by a collection of ontologies joined through relations between them. All the process involved i) the selection and execution of activities proposed by the methodology NeOn for the construction of the ontology model, ii) the implementation using the Web Ontology Language (OWL), and iii) the documentation of the ontological model. We conclude that the created ontology, named hydrOntologyEC provides a more exible platform to facilitate the interoperability of the agencies involved in the water domain.
Resumen. A pesar de los esfuerzos existentes en la creacion de modelos semanticos que aseguren la interoperabilidad en el dominio h drico, la mayor parte de estas propuestas se enfocan en solventar necesidades espec cas, especialmente en lo referente a las regulaciones que la informacion geogra ca debe cumplir para un cierto territorio o comunidad. Para abordar esta necesidad, en este trabajo proponemos la creacion de una ontolog a que describa los conceptos basicos, basados en modelos semanticos existentes en la comunidad y que incorpore la representacion de recursos h dricos aplicados al contexto ecuatoriano tomando en consideracion las regulaciones existentes. Los conjuntos de datos instanciados en el modelo ontologico provienen de diferentes instituciones ecuatorianas. El resultado del modelamiento es una red ontologica conformada por una coleccion de ontolog as unidas a traves de relaciones entre ellas. Todo el proceso involucro: i) la seleccion y ejecucion de actividades propuestas por la metodolog a NeOn para la construccion del modelo ontologico, ii) la implementacion del modelo utilizando el lenguaje OWL y iii) la documentacion del modelo ontologico. Concluimos que la ontolog a creada, denominada hydrOntologyEC proporciona una plataforma mas exible para facilitar la interoperabilidad de las agencias involucradas en el dominio h drico.
Palabras Clave: Ingenier a Ontologica, Ontolog a de Recursos H dricos, Metodolog a NeOn 1.
Es muy comun que la Informacion Geogra ca (IG) sea hoy en d a gestionada
por una variedad de agencias, quienes utilizan diferentes niveles de granularidad,
calidad y estructura para representar sus datos. Esta heterogeneidad, combinada
con las necesidades de intercambio de informacion desde diferentes actores, causa
varios problemas importantes al momento de buscar, recuperar y explotar datos
con caracter sticas similares [
La comunidad vinculada con los recursos h dricos no esta exenta de estos
desaf os, los cuales adquieren mayor importancia si se considera que la solucion
de problemas complejos en el dominio h drico tiene un enfoque
multidisciplinario [
Una de las soluciones para enfrentar estos desaf os es que la comunidad
acuerde una ontolog a que especi que y organice los conceptos relacionados al dominio
h drico. Una ontolog a es una especi cacion formal y expl cita de una
conceptualizacion compartida [
Se ha avanzado mucho hacia la representacion semantica formal de conceptos
en el dominio del agua [
El resto del documento esta organizado de la siguiente manera: La seccion \Metodolog a" discute la metodolog a utilizada para crear la ontolog a y la especi cacion de los requisitos que esta debe cumplir. La seccion \Resultados y discusion" presenta la ontolog a propuesta, denominada hydrOntologyEC, la cual permite representar el conocimiento en el dominio de la informacion geogra ca h drica ecuatoriana. Finalmente, se resume el trabajo y se discute posibles direcciones para futuras investigaciones en la seccion \Conclusiones". 2.
En el campo de disen~o de ontolog as, varios grupos de investigacion han
hecho esfuerzos para facilitar el proceso de ingenier a ontologica, empleando
metodos tanto manuales como automaticos. Lectores interesados en una revision
del estado del arte sobre las metodolog as mas conocidas en el campo de la
ingenier a ontologica pueden consultar [
En este trabajo, dos aspectos fueron considerados como claves para el
proceso de seleccion de la metodolog a: la existencia de gu as claras que permitan
resolver las diferentes situaciones del modelado y la posibilidad de reutilizacion
de recursos ontologicos y no-ontologicos para reducir el esfuerzo de construir
una ontolog a desde cero. La metodolog a NeOn descrita en [
El enfoque usado comienza de niendo primero el proposito de la ontolog a y sus requisitos de disen~o. En segundo lugar, la construccion de la ontolog a se lleva a cabo usando diferentes escenarios de la metodolog a NeOn. Estos pasos son necesarios para reutilizar y especializar los conceptos usados dentro de la comunidad y determinar el metodo de presentacion de estos conceptos.
Las siguientes secciones explican detalladamente estos pasos, especialmente las fases de construccion de la ontolog a, ya que estos son sin duda los pasos mas complejos y desa antes en la creacion de una ontolog a. 2.1.
En esta actividad se establece el proposito, el alcance y los usos previstos
del modelo [
Proposito
Alcance
Tabla 1. Documento de Especi cacion de Requisitos: Secciones 1 a 5 El proposito de la construccion del modelo ontologico es proveer un modelo consensuado para la representacion de IG en el dominio h drico ecuatoriano que pueda ser usado en el proceso de con acion El modelo ontologico tiene como alcance determinar las caracter sticas propias de la IG, as como tambien la descripcion de las caracter sticas de los fenomenos en el dominio h drico; todo aplicado a nivel local para el caso ecuatoriano El modelo ontologico sera implementado en OWL y almacenado en un repositorio interno (este repositorio sera abierto a futuro).
Lenguaje de implementacion
Usuarios nales previstos Usuario 1: Especialistas del dominio h drico que intentan integrar y combinar informacion del espacio geogra co ecuatoriano.
Usuario 2: Instituciones gubernamentales ecuatorianas encargadas de la gestion de la IG, y otras instituciones encargadas de la gestion de los recursos h dricos en el Ecuador 5
Usos previstos Uso 1: Describir la IG en el dominio h drico ecuatoriano desde fuentes heterogeneas.
Uso 2: Colaborar en el proceso de con acion de IG en el dominio h drico ecuatoriano.
Uso 3: Permitir la recuperacion de la IG en el dominio h drico ecuatoriano 2.2.
El uso de preguntas de competencia es una tecnica para identi car requerimientos funcionales, que consiste en escribir preguntas en lenguaje natural, que el modelo ontologico debera ser capaz de responder. La Tabla 2, muestra una lista ordenada de los requerimientos funcionales y no funcionales.
Tabla 2. Documento de Especi cacion de Requisitos: Seccion 6 6 (a)
Requerimientos de la Ontolog a
Requerimientos no funcionales 1. El modelo ontologico debe estar basado en la normativa y estandares a nivel nacional tanto en el dominio de la IG, como en el domino h drico. 2. Los terminos y de niciones deben estar en espan~ol o en ingles con su respectiva traduccion. (b)
Requerimientos funcionales (Preguntas de Competencia) 1. Que super cie de la cuenca hidrogra ca del Amazonas ocupa el Ecuador? 2. Que subcuencas/microcuencas abarcan la cuenca hidrogra ca del Amazonas en el Ecuador? 3. Que r os existen al interior de la cuenca \x"? 4. Que localidades existen al interior de la cuenca \x"? 5. Que cantones y poblados pertenecen a una cuenca/subcuenca/microcuenca \x"? 6. Donde esta ubicada geogra camente una cuenca/subcuenca/microcuenca \x"? 7. Cuantas cuencas hidrogra cas de nivel \x" existen en el Ecuador? 8. Que provincias abarca una cuenca hidrogra ca \x"? 9. Cual es el r o principal de una cuenca hidrogra ca \x"? 10. Cual es la longitud del cauce principal de una cuenca hidrogra ca \x"? 11. Cual es el cauce mas largo de una cuenca/subcuenca/microcuenca \x"? 12. Cual es la longitud del cauce mas largo de una cuenca hidrogra ca \x"? 13. Cuales son los r os perenes de la cuenca hidrogra ca \x"? 14. Que a uentes desembocan el r o \x"? 15. Cuantas lagunas existen en la provincia \x"? por cantones o parroquias 16. Cuantas lagunas existen en el canton? 17. Cual es el area de la laguna \x"? 18. Cual es la laguna mas grande del Ecuador? 19. En que provincias estan ubicadas las lagunas mas grandes del Ecuador? 20. En donde esta ubicada geogra camente la laguna \x"? 3.
Para la creacion de la ontolog a se adopto una propuesta botttom-up, en el cual las ontolog as seleccionadas para reutilizacion son integradas para cubrir un objetivo espec co dentro de un contexto espec co.
Cuatro escenarios de la metodolog a NeOn fueron usados para crear un modelo semantico que permita representar el conocimiento en el dominio de la IG h drica ecuatoriana: escenario 1-\de la especi cacion a la implementacion", escenario 2-\reutilizacion y reingenier a de recursos no ontologicos", escenario 3-\reutilizacion de recursos ontologicos" y escenario 8-\reestructuracion de recursos ontologicos". A continuacion se describen las actividades que forman parte de estos escenarios. 3.1.
Para la construccion de la ontolog a se reutilizaron recursos no ontologicos
que han alcanzado cierto nivel de consenso. La reutilizacion de los recursos no
ontologicos involucra su reingenier a hasta convertirlos en ontolog as [
Figura 1. Actividades para la reutilizacion y reingenier a de recursos no ontologicos.
La busqueda de recursos no ontologicos se llevo a cabo principalmente sobre sitios Web de instituciones gubernamentales ecuatorianas vinculadas por una parte a la gestion de la IG, y por otra, aquellas vinculadas al dominio h drico. Entre los sitios web revisados, se resalta el sitio del Instituto Geogra co Militar (IGM)1, desde donde se obtuvieron los siguientes recursos no ontologicos: Catalogo Nacional de Objetos. Version 1.0 y Version 2.0.
Otro de los sitios Web para busqueda de informacion ecuatoriana, y el de mayor importancia en el Ecuador desde el punto de vista que provee o enlaza informacion digital ecuatoriana es el sitio web del Sistema Nacional de informacion (SNI)2. Desde el SNI, se han obtenido los siguientes recursos no ontologicos emitidos por el Consejo Nacional de Geoinformatica (CONAGE)3: Per l Ecuatoriano de Metadatos, basado en la norma ISO 19115, Pol ticas Nacionales de Informacion Geoespacial, y Terminolog a para Informacion Geogra ca basado en la Norma ISO/TS 19104:2008.
En lo que respecta a la busqueda de recursos en el dominio h drico
ecuatoriano, estos se han obtenido desde el sitio Web de la Secretar a Nacional del
Agua (SENAGUA)4 y son los siguientes:
Documento para la delimitacion y codi cacion de unidades geogra cas del
Ecuador. Metodolog a PFAFSTETTER [
A partir del material recopilado se procedio a la valoracion y seleccion de aquellos recursos relevantes que contribuyen a dar respuesta de las preguntas de competencia planteadas en la seccion 2.2. Los recursos no ontologicos seleccionados cubren dominios desde el geogra co al h drico y estan disponibles en diferentes formatos tales como: PDF o XLS.
El proceso de seleccion involucro una revision exhaustiva de la terminolog a contenida en los recursos y fundamentalmente utilizando el criterio del consenso del que gozan estos recursos a nivel nacional. As por ejemplo, el catalogo de objetos Per l Ecuatoriano de Metadatos (PEM) usa estandares internacionales de la ISO, por lo que es de uso obligado para las instituciones gubernamentales que generan IG, y para instituciones privadas que con fondos del estado generan IG.
Desde los recursos no ontologicos se tomaron los esquemas y conceptos relevantes para la resolucion de las preguntas de competencia sobre la ontolog a. Estos conceptos fueron formalizados y transformados a ontolog as usando las actividades descritas en los escenarios 3 y 8 de la metodolog a NeOn (descritos en la siguiente seccion). Cada recurso aporto diferentes elementos a la ontolog a nal. Por ejemplo, desde el Catalogo Nacional de Objetos. Version 2.0 se incorporaron de niciones, categor as, subcategor as, geometr as y atributos con las que se representan los fenomenos h dricos en el Ecuador. Desde el Documento de delimitacion y codi cacion de unidades geogra cas del Ecuador se agregaron los 5 niveles de unidades hidrogra cas utilizadas o cialmente en el Ecuador.
La siguiente actividad en la creacion de la ontolog a fue la seleccion y reingenier a de recursos ontologicos que se describe a continuacion. 3.2.
El reciente incremento del numero de ontolog as disponibles en la Web hace
posible su reutilizacion, lo que se traduce en reduccion de tiempo y esfuerzo
en el proceso de construccion del modelo ontologico. Adicionalmente, la
reutilizacion de recursos ontologicos da la posibilidad de re nar el documento de
especi cacion de requerimientos de la ontolog a, a partir de axiomas o de
niciones encontradas en las ontolog as candidatas a la reutilizacion [
La Figura 2 esquematiza las actividades identi cadas para la reutilizacion y reestructuracion de recursos ontologicos de la IG en el dominio h drico ecuatoriano. Figura 2. Actividades para la reutilizacion y reestructuracion de recursos ontologicos.
Para esta actividad se buscaron ontolog as que cubran los requisitos especicados en el DERO. Para ejecutar el proceso de busqueda se utilizaron motores de recursos semanticos como Watson5 y Swoogle6. En el dominio h drico se encontraron mas de 40 resultados y en el domino geogra co mas de 100 resultados. Algunas de las ontolog as encontradas para la representacion de conocimiento en el dominio h drico fueron: surfhydrocore7, hydrontology8 o Urba-enb9. Un ejemplo de ontolog as encontradas para la representacion de la IG son: NeoGeo Geometry10, WGS84 vocabulary11, ISO 19115:200312 o GeoSPARQL13.
Las ontolog as candidatas fueron analizadas con la librer a de codigo abierto
Protege14. Esta herramienta, entre otras funcionalidades permite abrir y editar
ontolog as, ademas de soportar los lenguaje OWL15 y OWL216. En el analisis de
las ontolog as, se consideraron principalmente dos aspectos: el idioma de
representacion, considerando unicamente aquellas ontolog as en espan~ol, cumpliendo
as con el requerimiento no funcional del DERO; y el nivel de granularidad,
descartando ontolog as genericas o globales debido las di cultades que estas causan
5 http://watson.kmi.open.ac.uk
6 http://swoogle.umbc.edu/
7 https://svn.sdsc.edu/repo/WATER/CUAHSI/OntologyOwl/StarTree Current/ontology/
8 http://mayor2.dia. .upm.es/oeg-upm/ les/hydrontology/hydrOntology GeoLinkedData.owl
9 http://cui.unige.ch/isi/onto/2010/
10 http://geovocab.org/geometry
11 http://www.w3.org/2003/01/geo/
12 http://loki.cae.drexel.edu/ wbs/ontology/2004/09/iso-19115
13 http://www.opengeospatial.org/standards/geosparql
14 http://protege.stanford.edu/
15 http://www.w3.org/2001/sw/wiki/OWL
16 http://www.w3.org/TR/owl-overview/
por la tendencia a contener muchas mas de niciones que la mayor a de
aplicaciones normalmente necesitan [
De esta manera, las ontolog as que se reutilizaron para el modelo ontologico de la IG en el dominio h drico ecuatoriano fueron: HydroOntology, ISO 19115, Provenance17, y GeoSPARQL.
En las siguientes secciones se describe brevemente el proceso utilizado para la reutilizacion y/o restructuracion de las ontolog as seleccionadas.
HydrOntology ha sido desarrollada por el Grupo de Ingenier a Ontologica de la Universidad Politecnica de Madrid (OEG)18. Esta ontolog a trata de cubrir la mayor parte de los conceptos del dominio h drico, contiene mas de ciento cincuenta (150) conceptos relevantes relacionados con hidrograf a (por ejemplo, r os, embalses, lagos, canales, y otros), 34 relaciones, 66 atributos y 256 axiomas. El modelo semantico hydrOntology contiene la mayor a de los conceptos del dominio h drico ecuatoriano, re ejados en el catalogo nacional de objetos geogra cos del Ecuador (recurso no ontologico reutilizado, tratado en la seccion 3.1) y cubre completamente lo requerido por las preguntas de competencia del DERO en lo referente al dominio h drico.
A partir del modelo de nido por hydrOntology, se reutilizaron los conceptos coincidentes. Sin embargo, se hizo necesario la extension de hydrOntology, particularmente, para representar el fenomeno de las cuencas hidrogra cas segun lo establecido por la normativa ecuatoriana, que de ne 5 niveles de unidades hidrogra cas.
GeoSPARQL19 es a d a de hoy un estandar del OGC, que soporta tanto la
representacion como la consulta de datos geoespaciales sobre la Web Semantica,
para esto, GeoSPARQL de ne un vocabulario para representar datos
geoespaciales y de ne una extension al lenguaje de consultas SPARQL [
Para la representacion de la geometr a de la IG ecuatoriana, se reutilizo la clase: geo:Geometry (linestring, polygon y multipolygon ) que enlaza a los fenomenos representados a traves de la propiedad hasGeometry, y para la serializacion de estas geometr as se trabajo con el formato WKT20 utilizando la propiedad hasSerializacion.
Adicional a sus clases, GeoSPARQL de ne relaciones topologicas segun los
modelos Egenhofer [
Una de las ontolog as que destaca en el proceso de descripcion de metadatos de la IG es la norma ISO19115-2003. En este trabajo se ha reutilizado esta ontolog a, debido a que el Per l Ecuatoriano de Metadatos (PEM) esta basado en esta norma y es de uso o cial en el territorio nacional.
A partir de la ontolog a ISO19115, se modelo unicamente el concepto de \escala", con la posibilidad de ampliar el modelo ontologico para representar todos los metadatos requeridos por el PEM. Este concepto esta descrito en la ontolog a ISO19115 con la propiedad\denominator " haciendo referencia al numero de denominador de la escala. Por ejemplo para la escala 1:50000 el denominador ser a 50000 por lo tanto el numero denominador es almacenado en el modelo ontologico.
La ontolog a PROV-O, constituye una recomendacion de la W3C22 que proporciona un conjunto de clases propiedades y restricciones que pueden ser utilizadas para representar e intercambiar la informacion de procedencia de la IG. Esta ontolog a tambien puede ser especializada para crear nuevas clases y propiedades para modelar informacion de procedencia desde diferentes aplicaciones y dominios. Esta ontolog a esta basada en el modelo de datos de procedencia (PROV-DM)23 generado por la misma W3C, en donde se modela informacion 20 Well Know Text (WKT) es una codi cacion estandarizada, en formato de texto para describir objetos espacio vectoriales 21 http://www.iso.org/ 22 https://www.w3.org/ 23 http://www.w3.org/TR/2013/REC-prov-dm-20130430/ acerca de entidades, actividades, personas, organizaciones responsables o involucradas en la produccion de los datos, etc.; esta informacion de procedencia puede ser usada para valorar sobre la calidad, con abilidad o integridad de los datos.
En la construccion del modelo ontologico se reutilizo el componente de PROVO que de ne los agentes responsables de generacion de la informacion. Los agentes responsables de la generacion de la informacion en la ontolog a PROV-O se sub clasi can en organizaciones, personas y agentes de software, de estos se ha reutilizado unicamente la clase que de ne la organizacion responsable: \organization". Sin embargo, es posible la reutilizacion de mas clases, pero en este trabajo se utiliza unicamente una clase como prototipo de modelo.
La reutilizacion de PROV-O, como parte del modelo ontologico esta justi cado debido a que la IG se integra desde diferentes fuentes y en este contexto el conocimiento de la procedencia de las fuentes se torna importante para la valoracion por parte del usuario sobre la con abilidad de la IG consultada.
El modelo ontologico resultante de la reutilizacion de las ontolog as GeoSPARQL, Prov-O, ISO19115 y la reestructuracion de hydrOntology para la representacion de la IG en el dominio h drico ecuatoriano, es el que se muestra en forma de metamodelo en la Figura3.
En la ontolog a resultante se crearon 5 clases, dependientes de la clase principal \Cuenca Hidrogra ca" de hydrOntology, segun la subdivision para las unidades hidrogra cas ecuatorianas. Estas nuevas clases corresponden a los 5 niveles de unidades hidrogra cas del Ecuador segun la metodolog a Pfafstetter. En lo que se re ere a las propiedades de los objetos \Object Properties ", en hydrOntology, estan implementadas una serie de propiedades que permiten modelar la informacion de forma detallada, indicando la relacion que existe entre objetos como: R os, Lagunas, Cuencas, Lagos, etc.; ejemplos de estas propiedades son: \parte de", \desagua en", \esta en" , etc., de aqu que, a traves de estas relaciones se podr a indicar por ejemplo que: el r o x desagua en el lago y . Adicional a estas propiedades, se implementaron dos nuevas propiedades que son: \contiene a" y \pertenece a". Estas dos nuevas propiedades permiten relacionar las unidades hidrogra cas segun sus niveles de clasi cacion, de la siguiente manera: Una cuenca de nivel 1 contiene a una cuenca de nivel 2.
Una cuenca de nivel 2 contiene a una cuenca de nivel 3, as sucesivamente. Una cuenca de nivel 5 pertenece a una cuenca de nivel 4 Una cuenca de nivel 4 pertenece a una cuenca de nivel 3, as sucesivamente.
Finalmente, se decidio implementar nuevas propiedades de super cie y per metro exclusivas para la clase \Cuenca Hidrogra ca", porque las propiedades existentes de super cie y per metro de hydrOntology presentaron un error en la fase de evaluacion de la extension realizada sobre hydrOntology. A esta extension, enriquecimiento y especializacion de hydrOntology se le denomino hydrOntologyEC . En resumen para llegar a hydrOntologyEC fue necesario:
Figura 3. Metamodelo ontologico de la IG en el dominio h drico ecuatoriano. Agregar las clases: Nivel 1, Nivel 2, Nivel 3, Nivel 4, Nivel 5 que representan los niveles de las cuencas hidrogra cas ecuatorianas y son subclases de la clase \Cuenca Hidrogra ca".
Agregar las propiedades: \super cie cuenca", \nombre cuenca" y \permetro cuenca" cuyo dominio es \Cuenca Hidrogra ca".
Establecer y agregar las propiedades \contiene a" y \pertenece a" para relacionar a los objetos de Cuencas Hidrogra cas.
La principal contribucion de este trabajo consiste en la creacion de un modelo semantico que permita representar el conocimiento en el dominio de la informacion geogra ca h drica ecuatoriana. Tanto la de nicion de los requisitos del modelo ontologico como su construccion tomaron como base las gu as propuestas en la metodologa NeOn. Diferentes recursos ontologicos y no ontologicos relacionados al dominio fueron considerados para crear un modelo comprensible y extensible.
La ontolog a resultante esta de nida como una red de ontolog as que conjugan el dominio h drico (ontolog a: hydrOntologyEC), la IG (geo-ontolog a: GeoSPARQL), la procedencia de las fuentes (ontolog a: Prov-O), y los metadatos de la informacion representada (ontolog a: ISO19115). Con el modelo ontologico construido es posible modelar el conocimiento a nivel local y alcanzar este conocimiento compartido, permitiendo ademas, integrar multiples enfoques del disen~o de la IG en el dominio h drico ecuatoriano.
Como trabajo futuro se espera ejecutar diferentes pruebas a la ontolog a propuesta. Particularmente, se busca medir la usabilidad y la calidad de la modelacion.