[論文レビュー] Data Preparation in Agriculture Through Automated Semantic Annotation -- Basis for a Wide Range of Smart Services

Julian Klose, Markus Schröder+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Semantic Web and Ontologies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、RDFベースの定義を通じて多様な機械生成データ形式を標準化することにより、農業分野における自動化されたデータ準備を可能にする共同作業的で意味的なアノテーションプラットフォーム「Wikinormia」を提案する。パーサーを介して生データを空間的・時系列的・意味的グラフ表現に変換することで、SDSDプラットフォームはスマートサービスが標準化され意味的に豊かにされたデータにアクセスできるようにするとともに、農家のデータ主権を保全し、スケーラブルで相互運用可能なデジタル農業ワークフローの実現を可能にする。

ABSTRACT

Modern agricultural technology and the increasing digitalisation of such processes provide a wide range of data. However, their efficient and beneficial use suffers from legitimate concerns about data sovereignty and control, format inconsistencies and different interpretations. As a proposed solution, we present Wikinormia, a collaborative platform in which interested participants can describe and discuss their own new data formats. Once a finalized vocabulary has been created, specific parsers can semantically process the raw data into three basic representations: spatial information, time series and semantic facts (agricultural knowledge graph). Thanks to publicly accessible definitions and descriptions, developers can easily gain an overview of the concepts that are relevant to them. A variety of services will then (subject to individual access rights) be able to query their data simply via a query interface and retrieve results. We have already implemented this proposed solution in a prototype in the SDSD (Smart Data - Smart Services) project and demonstrate the benefits with a range of representative services. This provides an efficient system for the cooperative, flexible digitalisation of agricultural workflows.

研究の動機と目的

• 多様なメーカーが提供する特許的・機械固有のデータ形式による農業データの断片化の課題に対処すること。
• 遅い標準化プロセスに依存せずに、複数メーカー間での相互運用性と意味的理解を実現すること。
• 第三者のサービスと共有する際の細かく制御可能なアクセス制御を可能にすることで、農家がデータ主権を保有できること。
• 統一されたクエリインターフェースを通じて低レベルのデータフォーマットの複雑さを抽象化することで、スマート農業サービスの開発を容易にすること。
• セマンティックウェブ技術を用いて、農業分野における共同のデータフォーマット記述と意味的拡張のためのスケーラブルで拡張可能なプラットフォームを構築すること。

提案手法

• リソース記述フレームワーク（RDF）を用いて、機械可読かつ人間可読な意味的モデルとして農業データフォーマットを共同で定義するウィキ風プラットフォーム「Wikinormia」を活用する。
• Wikinormiaで定義されたスキーマに基づいて、生データ（例：JSON、XML、バイナリ）を解釈するパーサーを実装し、情報を抽出・構造化する。
• プロセス済みデータをポリゴット永続化アーキテクチャに格納する：空間データは空間インデックスを備えたMongoDBに、時系列データはスケーラビリティを考慮してCassandraに、意味的 fact はStardogの三元組ストアに格納する。
• 畑、機械、作業などの農業的エンティティを固有のURIを持つRDFリソースとしてモデル化し、空間的同一性（SameAs関係）を用いた意味的リンク付けと重複除去を可能にする。
• スマートサービスが標準化されたインターフェースを通じて構造化されたデータを照会できるようにし、生の多様なデータフォーマットへの直接アクセスを回避する。
• リアルタイムのデータインジェクションのための外部システム（例：agrirouter）と統合し、必要に応じてOpenStreetMapを活用してフィールド境界を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様でメーカー固有のソースからの農業データを、タイムリーに意味的に標準化し相互運用可能にする方法は何か？
• RQ2 動的で変化の激しい農業的文脈において、伝統的な遅い標準化プロセスに比べて、共同で運営されるコミュニティ主導のデータフォーマット記述プラットフォームは、どの程度優れているか？
• RQ3 第三者のスマートサービスが処理済み農業データを活用できるようにしつつ、データ主権と細かく制御可能なアクセス制御をどのように維持できるか？
• RQ4 意味的および空間的推論を用いて、連続的な機械記録（例：道路走行）から関連のあるフィールド作業データを自動的に分離することは可能か？
• RQ5 統一的で拡張可能なデータプラットフォームは、中小規模の提供者にとってスマート農業サービスの開発における複雑さとコストをどの程度低減できるか？

主な発見

• Wikinormiaプラットフォームは、ISOXML やNRW農業アプリケーションデータなど地域特有のフォーマットを含め、農業データフォーマットの共同的で拡張可能かつ機械処理可能な記述を成功裏に実現した。
• Wikinormiaの定義に基づくパーサーは、生データを空間的・時系列的・意味的グラフの3つの標準化されたデータモデルに自動的に変換できる。
• ポリゴットストレージアーキテクチャは、MongoDBによる空間データ、Cassandraによる時系列データ、Stardog三元組ストアによる意味的 fact の管理を効果的に行い、効率的な照会と統合を可能にした。
• 空間的重複とSameAs関係を用いた意味的重複除去により、複数のソース間でのフィールドインスタンスの一貫性が向上した。
• 時系列データ分離のプロトタイプサービスは、OpenStreetMap や既存データから得たフィールド境界を用いて、フィールド固有の作業データ（例：移動経路など）を非フィールドデータから自動的に分離することに成功し、実用的価値を示した。
• SDSDプラットフォームにより、スマートサービスは一様なインターフェースを通じて必要なデータを取得でき、生のフォーマットを直接扱う必要がなくなるため、開発者の統合の複雑さとコストが顕著に低減された。