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|title=Abordagem para Aquisição de Conhecimento Visual e Refinamento de Ontologias
para domínios visuais
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==Abordagem para Aquisição de Conhecimento Visual e Refinamento de Ontologias
para domínios visuais==
https://ceur-ws.org/Vol-938/ontobras-most2012_paper25.pdf
Abordagem para aquisição de conhecimento visual e
refinamento de ontologias para domı́nios visuais∗
Joel Luis Carbonera1 , Mara Abel1 , Claiton M. S. Scherer2 , Ariane K. Bernardes2
1
Instituto de Informática – Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)
Porto Alegre – RS – Brasil
2
Instituto de Geociências – Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)
Porto Alegre – RS – Brasil
{jlcarbonera,marabel}@inf.ufrgs.br, {claiton.scherer,ariane.kravczyk}@ufrgs.br
Abstract. Em domı́nios visuais como a Medicina, a Meteorologia e a Geologia,
as tarefas são realizadas através de uma aplicação intensiva do conhecimento
visual dos especialistas. A natureza tácita do conhecimento visual impõe mui-
tos desafios para Ciência da Computação em termos de aquisição, modelagem,
representação e raciocı́nio. Neste trabalho será apresentada uma abordagem
para aquisição de conhecimento visual e refinamento de ontologias em domı́nios
visuais. Esta abordagem foi elaborada no contexto do projeto Obaitá, durante
o processo de refinamento de uma ontologia de domı́nio para a Estratigrafia
Sedimentar.
1. Introdução
Domı́nios visuais são aqueles em que a resolução de problema inicia com um processo de
casamento de padrões visuais, no qual são capturadas informações que serão utilizadas
para suportar processos de inferência adicionais, em que são estabelecidas interpretações
em um nı́vel mais abstrato. Assim, domı́nios visuais são fortemente baseados na aplicação
de conhecimento visual, que é o conjunto de modelos mentais que suportam o processo de
raciocı́nio sobre informação relacionada ao arranjo espacial e outros aspectos visuais das
entidades de domı́nio [Lorenzatti et al. 2009, Carbonera et al. 2011]. Estas caracterı́sticas
dos domı́nios visuais levantam muitos desafios para a Ciência da Computação, devido à
natureza tácita do conhecimento visual.
Este trabalho insere-se no contexto do projeto Obaitá [Lorenzatti et al. 2009,
Carbonera et al. 2011, Torres et al. 2011], desenvolvido pelo grupo BDI (grupo de ban-
cos de dados inteligentes da UFRGS). Este projeto tem como objetivo a investigação de
abordagens integradas para aquisição, modelagem, representação e raciocı́nio sobre co-
nhecimento visual. Esta investigação tem sido conduzida no domı́nio da Estratigrafia
Sedimentar. Espera-se que este projeto tenha como um dos seus resultados uma ontologia
de domı́nio para Estratigrafia Sedimentar, que viabilize a construção de diversos sistemas
baseados em conhecimento, que operem sobre uma mesma conceitualização do domı́nio.
Nesta fase do projeto, partimos de uma ontologia de domı́nio em desenvolvimento
[Lorenzatti et al. 2009], e investigamos como esta ontologia deveria ser refinada para
∗
As bolsas de estudo deste projeto foram financiadas pelo programa PETROBRAS PFRH 17. Outros
materiais foram fornecidos pela ENDEEPER Knowledge Systems)
236
atender às demandas levantadas pela tarefa de interpretação dos processos deposicionais.
Com isso, nosso foco imediato é o refinamento da ontologia para atender às demandas
de sistemas baseados em conhecimento que viabilizem a descrição visual dos objetos de
domı́nio (em função da conceitualização utilizada pela comunidade)[Abel et al. 2012] e
permitam a realização computacional da tarefa de interpretação visual de processos de-
posicionais geradores das fácies sedimentares inspecionadas [Carbonera et al. 2011]. É
importante salientar que nesta abordagem buscamos realizar processamento de descrições
simbólicas de feições visuais, de modo que o foco não é o processamento de dados visuais
brutos (como imagens). Assim, assumimos que os usuários dos sistemas realizam o pro-
cesso de abstração das feições visuais percebidas em representações simbólicas, ajustadas
à ontologia de domı́nio.
A tarefa de interpretação de processos deposicionais depende do conhecimento
das feições visuais de interesse e do conhecimento inferencial que possibilita que o es-
pecialista estabeleça a relação entre tais feições visuais (tomadas como evidências) e a
interpretação correspondente. Uma vez que uma parcela considerável deste conhecimento
visual é conhecimento tácito [Polanyi 1966], há uma resistência por parte dos expecialis-
tas em verbalizá-lo. Disto, segue-se que parte do conhecimento sequer é representado
pela terminologia do domı́nio. Ou seja, parte dos fenômenos do domı́nio, presentes na
conceitualização, podem não ter representações linguı́sticas. Com isso, as técnicas tra-
dicionais para aquisição de conhecimento disponı́veis na literatura (como card sorting,
entrevistas estruturadas e não estruturadas, observação, limitação de informações, etc)
não se mostram adequadas para realizar a aquisição de conhecimento visual [Abel 2001].
Este cenário motivou o desenvolvimento de uma abordagem de aquisição de conheci-
mento ajustada às necessidades deste projeto. Assumindo que a ontologia de domı́nio
deve capturar o conhecimento necessário e suficiente para suportar a realização das tare-
fas de domı́nio, consideramos que a realização desta tarefa de interpretação pode oferecer
uma boa ferramenta para avaliação da ontologia em desenvolvimento e, consequente-
mente, para revelar parcelas do conhecimento necessário faltante na ontologia em seu
estado atual. Desta forma, utilizamos o próprio raciocı́nio especialista como uma ferra-
menta para atingir estes objetivos.
Na seção 2 será apresentado o domı́nio da Estratigrafia Sedimentar e seus prin-
cipais objetos. Na seção 3 apresentaremos a nossa abordagem de aquisição de conheci-
mento visual e refinamento de ontologias. Na seção 4, apresentaremos um caso de uso
desta abordagem o domı́nio. Na seção 5, apresentaremos algumas considerações finais.
2. Estratigrafia Sedimentar
A Estratigrafia Sedimentar é uma sub-área da Geologia que estuda as camadas que
compõem a Terra e busca determinar a história da sua formação. Para alcançar este
objetivo, o estudo inicia com a descrição visual de corpos de rocha. Estes, podem ser
testemunhos de sondagem, que são cilindros de rocha retirados da subsuperfı́cie terrestre
por perfuração; ou afloramentos, que são exposições rochosas em superfı́cie. A descrição
destes corpos envolve discretizá-los em fácies sedimentares e descrever as caracterı́ticas
visuais (atributo visual e valor) relevantes de cada uma delas. A fácies sedimentar é uma
dada porção de um corpo de rocha, visualmente distinguı́vel das porções adjacentes. No
domı́nio, assume-se que cada fácies observada é o resultado de um determinado processo
deposicional, que é um evento que envolve a interação complexa entre forças naturais e
237
sedimentos. A partir da informação visual contida na descrição de cada fácies o espe-
cialista oferece uma interpretação de um possı́vel processo deposicional responsável por
gerá-la. Em passos subsequentes, estes processos deposicionais interpretados são utiliza-
dos para reconstruir a história geológica que resultou na formação geológica analisada.
3. Abordagem para aquisição de conhecimento visual e refinamento de
ontologias para domı́nios visuais
A abordagem aqui proposta foi sugerida por duas constatações:
• Uma análise de casos (descrições visuais de fácies associadas à interpretação do
processo deposicional gerador correspondente) disponı́veis na literatura revelou
informações visuais que não poderiam ser descritas com base na ontologia em
foco, em seu atual estágio de desenvolvimento. Isto sugeriu que a ontologia não
oferecia uma representação suficiente da conceitualização do domı́nio.
• Quando o especialista observa diretamente uma fácies in loco, ele tem à disposição
todo o conhecimento visual que potencialmente pode ser obtido a respeito da
fácies. Isto permite que ele realize a interpretação do processo deposicional for-
mador da fácies, do modo mais adequado possı́vel. Por outro lado, quando dele-
gamos a tarefa de interpretação para um procedimento computacional, os únicos
recursos disponı́veis para processamento são as descrições simbólicas das feições
visuais da fácies, oferecidas pelo geólogo, representadas computacionalmente de
acordo com a ontologia de domı́nio.
A partir destas constatações, consideramos a hipótese de que submeter o espe-
cialista às mesmas limitações impostas à máquina quando ela realizaria esta mesma
tarefa, permitira avaliar a ontologia, bem como revelar uma parcela importante da
conceitualização do domı́nio que eventualmente não estaria contemplada por ela. Tendo
isto em mente, concebemos uma abordagem para aquisição de conhecimento visual e
refinamento de ontologias de domı́nio guiada por resolução de problemas em contex-
tos de informações limitadas. Em termos gerais, esta abordagem utiliza o raciocı́nio de
resolução de problemas realizado pelo especialista como um meio indireto para avaliar a
suficiência da conceitualização representada na ontologia, oportunizando a identificação
de lacunas de conceitualização e a posterior eliciação desta conceitualização junto ao es-
pecialista. Na Figura 1 a abordagem é representada de forma esquemática. Parte-se de um
conjunto de casos selecionados da literatura (a) resultante de um processo de seleção de
casos, previamente realizado. Para cada caso (b), realiza-se a tradução (3) da descrição
visual do objeto (não estruturada) (b) para uma versão estruturada (c) (5), em função da
ontologia de domı́nio (d). É importante salientar que este processo de tradução pode não
preservar toda a informação da descrição original, uma vez que a ontologia de domı́nio
pode não suportar parte da conceitualização necessária. A descrição estruturada (c) é sub-
metida então ao especialista (f), para que ele realize a interpretação (4) desta informação.
Neste ponto, interpretação refere-se ao processo de raciocı́nio utilizado pelo especialista
para resolver o problema em foco. O produto desta etapa é uma interpretação do espe-
cialista (e), realizada a partir das informações limitadas em (c). A seguir, identifica-se
(5) a interpretação do caso (g), a partir do caso descrito de forma não estruturada (b).
Então, verifica-se a correspondência (6) entre a interpretação do especialista (e) e a
interpretação original (g). No caso de haver correspondência, o processo termina. No
caso de não haver correspondência, há uma chance da discordância ter ocorrido devido
238
a uma insuficiência da ontologia em representar uma parcela da conceitualização, invia-
bilizando a estruturação de informações relevantes contidas no registro original. Por esta
razão, busca-se identificar (7) conhecimento faltante (h) na ontologia de domı́nio (d). Isto
pode ser feito perguntando-se ao especialista que tipo de informação seria necessária para
suportar a interpretação original; ou apresentando a descrição original ao especialista, de
modo que ele possa identificar algum conceito necessário para ajustar informaçoes que
estão na descrição original, mas que não foram mantidos na descrição estruturada (devido
a uma possı́vel deficiência da ontologia). No caso de algum conhecimento faltante (h) ser
identificado, ocorre o refinamento (8) da ontologia, através da incorporação deste novos
conhecimento. O resultado do processo, ao fim da etapa (8), é uma ontologia de domı́nio
refinada, em relação ao seu estágio inicial.
Figura 1. Representação esquemática da abordagem proposta
4. Aplicação da abordagem
Para realizar uma sessão de aplicação da abordagem com o especialista, primeiramente fo-
ram selecionados casos disponı́veis na literatura, cada qual constituı́do por uma descrição
das feições visuais de uma fácies sedimentar e de uma interpretação destas feições. Um
exemplo de descrição selecionada da literatura é apresentado na Tabela 1, tal como ela
está publicada (de forma não estruturada). Em um segundo passo, esta descrição foi
traduzida para uma versão estruturada, usando os termos previstos pela ontologia em de-
senvolvimento, com o auxı́lio de dois geólogos em formação que conheciam a ontologia.
Na Tabela 2 apresenta-se a versão estruturada. Neste estágio do desenvolvimento da onto-
logia, a versão traduzida contemplava apenas as informações que poderiam ser descritas
com o atributo “Moda” e a “Estrutura Sedimentar”, as demais informações da descrição
foram consideradas “Observações adicionais”, umas vez que não puderam ser descritas
estruturadamente pela ontologia. Além destas informações, a Tabela 2 também apresenta
a interpretação oferecida pela literatura, na coluna “Interpretação referencial”, enquanto
na coluna “Interpretação do especialista” é apresentada a interpretação que o especia-
lista realizou, sem ter acesso às informações descritas na coluna “Observações adicio-
nais”. Na fase de verificação de correspondência, constatou-se uma diferença sutil entre
239
as interpretações. Na fase de verificação de conhecimento faltante, as informações rotu-
ladas como “Observações adicionais” foram reveladas para o especialista, que constatou
a relevância das informações não estruturadas para suportar a interpretação original (do
caso selecionado). Dentre essas informações, a informação “Cascalho sustentado pelos
clastos” revelou o atributo “Suporte de fábrica”, do qual “Suportado por clastos” é um dos
seus valores; enquanto a informação “clastos comumente imbricados” revelou o atributo
“Orientação de Fábrica”, do qual “Imbricado” é um dos valores. Uma vez revelados os
atributos, o especialista listou outros valores possı́veis para ambos. Com isso, realizamos
o refinamento da ontologia, considerando estes dois novos atributos, e os seus respectivos
valores possı́veis. A Tabela 3 apresenta a mesma descrição de fácies, a partir da ontologia
revisada. Comparando as Tabelas 1, 2 e 3, é possı́vel notar que as informações tornam-se
cada vez mais estruturadas ao longo das etapas, como consequência do refinamento da
ontologia, através da incorporação de novos atributos e valores.
Descrição Interpretação
Cascalhos sustentados pelos clastos, com estratificação hori- Barras longitudinais; depósitos re-
zontal pouco definida e clastos comumente imbricados siduais
Tabela 1. Exemplo de descrição de fácies encontrada na literatura. Descrição
não estruturada
Moda Estrutura Observações adicionais Interpretação Interpretação do es-
Sedimentar referencial pecialista
Cascalho Estratificação Cascalho sustentado pelos Barras longitu- Corrente trativa
horizontal clastos, clastos comumente dinais movendo cascalho,
imbricados, estratificação provavelmente barras
horizontal pouco definida longitudinais
Tabela 2. Exemplo de descrição de fácies submetida ao especialista. Estruturada
de acordo com a ontologia em desenvolvimento
Moda Estrutura Sedimentar Suporte de Fábrica Orientação de Fábrica
Cascalho Estratificação horizontal Suportado por clastos Imbricada
Tabela 3. Exemplo de descrição de fácies estruturada a partir da ontologia revi-
sada, com dois novos atributos para o conceito de fácies sedimentar
A utilização desta abordagem permitiu a identificação de 21 novos atributos com
62 novos valores. A comparação entre as versões da ontologia, antes e depois da aplicação
desta técnica, fogem ao escopo deste trabalho, mas é apresentada em [Carbonera 2012];
5. Conclusão
Neste artigo apresentamos uma abordagem para aquisição de conhecimento visual e refi-
namento de ontologias para domı́nios visuais, bem como a aplicação desta abordagem no
domı́nio da Estratigrafia Sedimentar. Esta abordagem apresentou bons resultados no que
diz respeito à eliciação de novos atributos visuais descritivos. Este tipo de conhecimento
é de fundamental importância em domı́nios visuais, visto que a tomada de decisão é for-
temente dependente de caracterização visual qualificada dos objetos de domı́nio. Esta
abordagem contribui para a aquisição de conhecimento e refinamento de ontologias por-
que, em geral, as abordagens disponı́veis na literatura preocupa-nse com identificação
240
de outros tipos de conhecimento (conceitos, relações, taxonomias, etc), sem focar-se na
identificação de atributos. Assim, a utilização desta abordagem em conjunto com outras,
pode promover a aquisição de um espectro mais amplo de tipos de conhecimento.
A abordagem ainda não foi adequadamente formalizada, uma vez que ainda pre-
cisa ser aplicada em outros domı́nios visuais, com o intuito de verificar sua generalidade.
É possivel que esta abordagem mostre-se adequada também em domı́nios não visuais. A
verificação destes aspectos é um dos objetivos que pretendemos alcançar em trabalhos
futuros. A abordagem apresentada pode ser considerada um resultado parcial do pro-
jeto Obaitá. É importante também salientar que a aplicação da abordagem pode revelar
conceitos que não têm representação na terminologia do domı́nio, de modo que pode-se
gerar termos que não são conhecidos pela grande comunidade da Geologia. No entanto,
consideramos isto um aspecto positivo, no sentido de que pode-se revelar porções do
conhecimento que ainda são difı́ceis de comunicar no domı́nio e sugerir termos que as
representem. Estes termos revelados devem ser compreendidos como propostas, que de-
vem ser avaliadas pela comunidade. O próximo passo natural é submeter a ontologia
elaborada com a ajuda desta abordagem para a grande comunidade da geologia discuti-la
em um processo de negociação de significados e construção colaborativa de ontologias
[Torres et al. 2011].
Referências
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and Scherer, C. (2012). Lithologic logs in the tablet through ontology-based facies
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Carbonera, J. L. (2012). Raciocı́nio sobre conhecimento visual: Um estudo em estratigra-
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Carbonera, J. L., Abel, M., Scherer, C. M. S., and Bernardes, A. K. (2011). Reasoning
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Lorenzatti, A., Abel, M., Nunes, B. R., and Scherer, C. M. S. (2009). Ontology for
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Polanyi, M. (1966). The tacit dimension. Anchor Day Books, New York.
Torres, G. M., Lorenzatti, A., Rey, V., da Rocha, R. P., and Abel, M. (2011). Collabo-
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