基于本體的歐洲水利遺產信息資源組織研究

董桂君,王曉嬌,蘇依凡,徐緒堪

(1.河海大學外國語學院,江蘇,南京 211100; 2.河海大學商學院,江蘇 南京 211100;3. 常州市工業大數據挖掘與知識管理重點實驗室,江蘇 常州 213022)

水影響著民生福祉、民族興旺以及國家安危。水資源作為生態環境建設的核心要素之一,不僅影響地球上每個人的生存質量,而且深刻影響整個世界的可持續發展。人們對水的重要性需有進一步認識,水不僅是人類社會賴以生存和發展所必需的資源,更是重要的文化載體,它蘊含著豐富而深刻的生態智慧與精神內涵。2022年水利部辦公廳在《“十四五”水文化建設規劃》中明確提出要加強水文化系統研究,加快推進水利遺產的系統保護,建立健全水文化工作體制機制。水利遺產是人類文明的遺存,具有豐富的價值,其中中國和歐洲的水利遺產在世界范圍內都有一定程度上的代表性和典型性,是先輩留下的寶貴經驗和財富。隨著經濟總量和人均水平持續提高,水利遺產在中國已成為一種新型文化現象。然而,當前水利遺產沒有得到充分的保護與開發利用,人們對水利遺產的認識程度不一,水文化傳播的創新程度不夠,一些具有重大歷史價值和現實借鑒意義的水利遺產的保護工作相對滯后于時代需求。在此背景下,如何加強水利建設遺產保護工作已引起學界的普遍關注,以“水利遺產”為主題的理論與實踐研究顯得尤為迫切和必要。

雖然中國治水歷史悠久,但至今仍缺乏一個完整系統的水利遺產組織管理體系,這極大地限制了我國經濟社會可持續發展。隨著經濟全球化進程的不斷加快,國際交往日益密切,水利遺產作為一種重要的文化載體逐漸成為世界文化遺產中不可或缺的組成部分。因此,構建一套科學有效的水利遺產管理模式顯得尤為重要。歐洲水利遺產保護管理經驗豐富,其管理方面相關的研究成果能夠為我國水利遺產管理與保護工作提供借鑒。因此,有必要對歐洲水利遺產資源與管理研究進行梳理。

本文基于情報學理論進行歐洲水利遺產信息資源組織研究,結合信息技術發展構建了歐洲水利遺產數字化保護信息技術方法體系,借助本體技術設計歐洲水利遺產信息資源組織過程,提出了歐洲水利遺產信息資源組織合作管理平臺實現思路,以期為中歐雙方共享水利遺產信息資源提供服務平臺,從而為我國水利遺產系統性保護提供借鑒和參考。

1 研究現狀

1.1 歐洲水利遺產研究現狀

水利工程在水資源儲蓄、管理和調配等方面具有重要作用,而水利遺產則是水利史工程對人類社會發展與進步所作出貢獻的水文化系統遺存。然而城市化進程的加快使得歐洲水利遺產保護問題面臨巨大壓力,國內外學者圍繞歐洲水利遺產進行了大量研究。

在水利遺產內涵方面,鄭曉云[1]從歐洲水利遺產的產生歷史背景、類型、現狀和啟示4個方面展開論述,探討了歐洲水利遺產是如何產生并保存的,由此得出水利遺產的產生與當地自然環境、制度環境和文明進程有直接關系。Grano[2]研究了意大利馬泰拉鎮的古代蓄水池和水井的價值,分析了遺產的自然形態和人為形態特征。Merlos等[3]研究了西班牙水利工程項目中的水車結構,對其建造過程、文化背景和功能進行了梳理。

在歐洲水利遺產保護方面,De Beer等[4]指出《歐洲保護考古遺產公約》納入了歐洲公認保護做法,對遺產進行就地保護并將遺產納入空間規劃政策。Blanco等[5]以馬德里水利遺產為研究對象,通過GIS工具創建了精確的遺產數據庫,展現水利遺產隋時間的演變過程。Valenzuela[6]基于智利橋梁高風險情況,制定新的性能指標和質量控制程序進行橋梁生命周期管理。Celia等[7]選擇4個城市研究了歐洲復興項目為動力的水遺產保護區的翻新方案。Leibundgut等[8]對歐洲灌溉遺產進行研究,表明修復灌溉遺產項目通過多功能景觀管理能夠促進遺產景觀恢復。

1.2 信息資源組織現狀

近年來,國內外關于信息資源組織的相關研究成果較為豐富。在知識組織方面,徐緒堪等[9]研究了知識服務角度下的知識組織過程,指出知識組織應從用戶需求出發,并且分析設計了面向知識服務的知識組織過程;蔣勛等[10]梳理了大數據環境下的知識服務個性化需求,構建了領域知識需求基本結構及方法思路,設計了適用于領域知識的知識加工和組織模式;馮園園[11]研究了多領域本體與知識地圖之間的聯系,使二者能夠有機結合在一起,并構建了多領域本體語義環境中數字圖書館知識地圖。在主題領域方面,張美芳[12]從人文領域方面著手,總結出了數字人文的聲像檔案資源的組織方法,構建了完善的組織利用模型;Megondu等[13]以阿斯西河流域為例提出了水資源信息管理集成解決方案;譚曉等[14]從國內外雙視角梳理了知識發現的概況并分析了在大數據環境下知識發現所面臨的挑戰;呂紅[15]研究信息政策和法規并進行可視化分析,通過聚類分析得出了該領域內的4個研究熱點主體。在文化遺產領域,董永梅[16]基于用戶主導性等原則研究構建了非物質文化遺產資源分類體系;王蒙等[17]基于主題圖的理論方法建立了主題圖模型,并組織了非物質文化遺產信息資源,并以京劇和昆曲為例展示組織效果;周耀林等[18]結合文化遺產本體及其相關理論技術,在非遺信息資源領域設計構建了組織檢索研究框架;李雨蒙[19]以雜技類非物質文化遺產為例,構建類目復分表從橫縱兩方面對其信息資源進行分類組織;蘇日娜等[20]進一步研究了學科交叉基礎上的非遺信息資源分類過程,提出了融合組配技術的體系分類法;徐緒堪等[21-22]運用知識元語義描述模型組織對紅色文化數字資源進行知識抽取組織研究,并以水工程文化遺產數字資源為研究對象,構建了主動式組織模型。然而目前大多數成果集中于某一特定學科或者某一主題領域內。對于一個完整的數字化信息資源管理體系而言,其內部各要素間往往缺乏關聯和融合,導致信息利用率不高,甚至出現系統孤島現象。

綜上所述,國內外學者的研究成果主要集中在信息資源組織、水利遺產保護和制度管理等方面,然而從信息資源組織角度探討歐洲水利遺產的研究成果并不多。因此,對歐洲水利遺產信息資源組織和管理有待進一步深入研究。本文為了更好汲取歐洲水利遺產中的精華,對歐洲水利遺產信息資源進行組織和管理探討。

2 基于本體的歐洲水利遺產信息資源組織框架構建

本文構建了基于本體的歐洲水利遺產信息資源組織框架(圖1),搭建了歐洲水利遺產信息資源組織和合作平臺,實現了對水利遺產的快速查閱和共享,以期為我國水利遺產系統性保護和傳承提供有價值的參考。

圖1 基于本體的歐洲水利遺產信息資源組織框架

2.1 歐洲水利遺產數字化保護信息技術方法體系

為有效進行水利遺產信息資源整合以及水利遺產文化的保護和傳承,需要對水利遺產進行現代化管理,而水利遺產現代化管理需要利用目前先進的信息技術、情報學方法,例如元數據技術、本體技術、大數據與云計算、虛擬現實等。通過此類技術方法整合各類信息資源,有利于實現水利遺產管理的現代化。借助前沿的信息技術,并從信息技術角度構建歐洲水利遺產數字化保護體系,如圖2所示。

圖2 歐洲水利遺產數字化保護體系

基于水利遺產相關理論和數字孿生理論,系統分析現代技術作用于水利遺產信息資源的內涵與優勢,在虛擬環境中充分結合情報學、計算機學、文化遺產學等相關領域的技術方法及成果進行現實模擬。通過建立“虛擬-現實”交互模型,實現對水利工程實物遺存的三維展示與仿真操作;通過引入智能感知、虛擬現實(VR)、大數據可視化、人工智能等新興信息技術手段,完成水利遺產信息資源數字化。

在水利遺產的實證分析維度,研究探索適合不同類型水利遺產信息資源的數據采集、數據挖掘方法,從宏觀上提出一種面向多尺度空間場景下水利遺產空間數據獲取、存儲、處理及應用的整體解決方案。此項方案有利于科學有效地保護和傳承水利遺產,減少對水利遺產的破壞。通過科學推演對水利遺產進行虛擬修復,可為今后開展水利遺產相關保護工作提供參考。水利遺產的數字化成果,不僅為這些寶貴的文化遺產提供了永久保存的途徑,而且通過多種形式的呈現和廣泛的傳播途徑,使得更多人深入認識了水利遺產的價值,從而實現了水利遺產的有效傳承和可持續發展。

2.2 基于本體的歐洲水利文化遺產信息資源組織過程設計

以歐洲水利遺產數字化保護信息技術方法體系為基礎,梳理歐盟國家和地區的水利遺產相關情況。本文利用本體技術處理歐洲水利遺產信息,通過復用已有本體,并結合水利遺產專業領域知識,設計出基于本體的水利遺產信息資源組織與管理研究框架,如圖3所示。

圖3 水利遺產信息資源組織與管理研究框架

本文將本體理論技術應用到水利遺產信息資源領域,可在語義層有效描述水利文化遺產信息資源相關概念及其之間的關系,并降低語義錯誤的可能性。通過研究已有本體并復用,能夠高效地實現水利遺產信息資源的結構化處理,確保信息的標準化和規范化。對這些信息中的知識和其他實體信息進行清晰、一致的標準化描述,從而構建出完整的水利遺產領域本體庫。本體庫的建立,為整合和組織多源異構的水利文化遺產信息資源提供了強有力的工具。這不僅提高了信息管理的效率,還加強了信息的可靠性。此外,用戶還可以進一步分析和挖掘不同類型的水利文化遺產信息之間的內在聯系,為水利工程決策提供重要依據,最終使人們對于水利文化遺產信息有更深刻的理解與認知,促進水文化的傳承發展。

本文設計了基于本體的歐洲水利遺產信息資源組織過程,主要包括以下4個步驟:①根據水利文化遺產信息資源的特征確定水利文化遺產信息資源的分類組織原則,明確水利文化遺產信息資源的概念體系等相關知識;②參考并復用已有成熟本體,構建水利文化遺產信息資源內容特征的分類組織體系,利用上述建立的分類組織體系對所提取出來的數據對象進行規范化管理,構建水利遺產領域本體庫;③對多源異構的水利文化遺產信息資源進行結構化處理,利用國內外已有的水利文化遺產敘詞表及本體詞匯,構建領域頂層本體結構,對具體的水利文化遺產信息資源進行結構化標注與組織,探索水利文化遺產信息資源自動抽取與關聯處理的方法;④基于不同用戶對于水利遺產信息資源的需求差異,構建差異化的檢索功能,結合開發的語義檢索模型為用戶提供更為個性化的水利文化遺產信息檢索服務。

2.3 歐洲水利遺產信息資源平臺實現

當前世界的氣候災害頻發,中國和歐洲相關部門都面臨著巨大挑戰,通過搭建歐洲水利遺產信息資源組織和合作平臺,能夠為相關領域專家溝通交流提供場所?；诖似脚_,中歐雙方能夠在水利遺產相關領域展開進一步合作。

歐洲水利遺產信息組織與共享平臺在以基于本體技術的水利文化遺產信息資源組織與管理為核心內涵的基礎上搭建,其目的是實現中歐間不同類型水利遺產信息資源共享和互惠互利。該平臺將實現對各成員國水利遺產數據的統一存儲、處理、展示、查詢等功能;同時,該平臺還可根據用戶需求開展相應應用研究工作?；谠朴嬎慵夹g,該平臺能夠將水利遺產數字化工作所需的基礎設施和資源上傳云端,為中歐雙方使用者提供更便利的服務。在架構上,歐洲水利遺產信息資源平臺架構包含IaaS基礎資源層、PaaS平臺服務層、SaaS應用服務層3個部分,如圖4所示。

圖4 歐洲水利遺產信息資源平臺架構

IaaS基礎資源層為歐盟成員單位及中國有關機構提供各類水利遺產管理部門以及相關領域專家的元數據模型,該層主要具備水利遺產信息資源標準化著錄、結構化存儲、多元化檢索查詢、網絡化訪問共享等功能,有效地實現了雙方水利遺產信息資源共享。PaaS平臺服務層構建了歐洲與中國有關部門建立的公共數據網絡來實現數據共享和互操作。該服務層通過互聯網技術將雙方各方面的數據庫互聯起來,在此基礎上可向用戶提供方便的數據資料訪問接口,主要實現雙方水利遺產數字資源的調度以及管理變更相關需求。SaaS應用服務層具體功能包含水利遺產數字資源共享、水利遺產科研教育、水利遺產創新設計、水利遺產傳播推廣等。

3 實例分析

加爾橋位于法國加爾省,是一座3層的石頭拱形橋。加爾橋是羅馬帝國時期修建的高空引水渡槽,始建于公元1世紀,距今已有2000多年的歷史,世界遺產委員會評價其為技術與藝術杰作。目前,法國已經為該橋建設了專題博物館,向世界游客展示其歷史及建造工藝。同時,法國加爾省也開展了對其重要檔案信息資源以及實體文物的研究。本文以加爾橋為例,驗證歐洲水利遺產組織管理框架的可行性,并探討如何利用數字孿生技術構建一個具有沉浸式體驗感、互動化交流功能的新型智慧水利建設場景。

3.1 加爾橋水利遺產信息資源組織

3.1.1數字化三維仿真

為達到現實模擬、身臨其境的效果,通過在虛擬環境中充分結合情報學、計算機學、文化遺產學等相關領域的技術方法對加爾橋水利遺產進行數字化三維仿真。圍繞加爾橋河流水文勘測、工程場地布置、防洪安全保障措施及管理維護情況等方面內容,開展調研和測繪工作,根據實際測量結果制定相應的監測方案。針對加爾橋所處自然環境特點及其復雜多樣的地理特征,設計并搭建了基于3Dmax軟件的3D數字圖像建模平臺,模擬再現加爾橋歷史遺跡原貌,以滿足后續三維重建過程的需求。在此基礎上采用混合開發框架,將BIM技術和GIS技術相結合,創建了包括建筑本體、構筑物、景觀設施在內的完整水利遺產實景三維仿真系統。

在VR/AR技術支撐下建立“虛擬-現實”交互模型,實現了對水利工程實物遺存的三維展示與仿真操作,為人們提供了一個真實而又身臨其境的體驗環境,極大地豐富了水利文化遺產保護工作的內涵?；谖锫摼W、云計算以及移動互聯網等新一代數字技術,通過引入智能感知、大數據可視化、人工智能等新興信息技術手段,構建包含智慧化管理平臺、基礎設施及應用系統等在內的現代化水利工程信息管理系統,完成了水利遺產信息數字化。

3.1.2科學推演

在數字化三維仿真的基礎上進行科學推演,利用3D建模軟件進行復原性研究,提高工作效率及精度;采用多傳感器融合方法可有效避免誤判現象?；诖四軌驗榧訝枠虻男迯吞峁﹨⒖家罁?將研究成果應用到加爾橋工程中去,從而更好地進行保護和傳承工作。

對收集到的信息進行分類組織,通過復用已有本體確定水利工程遺產的本體。選取的4個要素分別為基本屬性、創造者、相關地點和時空范圍。水利工程遺產知識的實例基于水利工程遺產本體實例進行創建。確立水利工程遺產本體的類之后,通過給水利工程遺產知識本體添加實例,進行水利工程遺產本體庫的創建。圖5為法國加爾橋水利工程遺產知識本體實例,圖中帶有紫色菱形標記的方塊內容即為實例。

圖5 加爾橋水利工程遺產本體

3.2 加爾橋水利遺產信息資源平臺構建

基于本體技術和云計算技術構建加爾橋水利遺產信息資源組織合作管理平臺,將水利遺產信息資源上傳至云端。為了使用戶能夠有更好的服務體驗,基于云計算技術進行全球范圍內統一的異構數據互訪問,并且采用元數據管理方式建立各成員單位間水利遺產信息內容的關聯關系及相應知識庫,利用大數據對其進行知識發現與語義分析。同時利用Web Service服務框架來提供跨機構、跨部門以及多領域的分布式協同工作能力,結合地理信息系統(geographic information system,GIS),設計開發面向歐洲各個成員國的分布式水文化信息采集系統,用以完成區域范圍內水文化相關要素的快速獲取和整合。然而在信息資源平臺構建階段,目前尚未有在數字人文背景下得到廣泛認可的水利遺產元數據標準,我國需復用現有標準建立高質量的元數據標準以保障平臺的互操作性。

通過信息資源共享平臺可以實現中國和歐盟各國之間不同類型水利遺產信息的共享,并以水利遺產為主題構建了1個專題數據庫,從而推動世界范圍內水利遺產信息資源的共建共享與協同發展,有利于中歐雙方開展水利遺產科研教育活動,促進活化水利遺產使其創造新價值,進一步實現水利遺產的傳播推廣。

通過構建水利信息資源共享平臺有助于有效管理國際水利遺產信息資源,解決現有水利文化遺產信息資源相互獨立、無法互相學習借鑒的問題,基于此能夠在一定程度上提高我國水利遺產信息管理水平,同時汲取國際水利遺產信息資源管理先進做法,以指導我國水利遺產的保護傳承以及活化工作。

4 結 語

當前歐洲水利遺產信息資源的組織與管理尚未形成體系,缺乏統一標準,歐洲水利遺產信息資源難以進行有效共享。不同國家和地區文化背景、政治環境、制度政策等存在差異,其水利遺產所面臨的狀況亦存在很大差異,為了更好地從歐洲水利遺產中獲得歷史知識、經驗教訓和教育資源,本文利用本體方法設計了信息資源的組織管理過程,降低了信息資源的多源異構問題,形成歐洲水利信息資源組織與合作共享平臺,有利于對信息資源統一管理,能夠在政府層面擴大水利遺產信息保護網,盡可能實現中歐平臺的相互訪問、瀏覽鏈接,有利于不同國家和地區間相互學習借鑒,共同促進建設。從傳承者參與傳播的過程來講,需要積極適應現在受眾群體接收文化信息便捷化、個性化的發展趨勢,本文內容仍面臨較大挑戰,需要相關管理部門和學者進行進一步的探討。