Optimization techniques for descriptive-logical reasoning systems in the field of geo-data (GeoDL)

Das Vorhaben untersucht Optimierungstechniken für terminologische und räumlichgeographische Schlussfolgerungsverfahren im Kontext von Ontologie-basierten Informationssystemen. Beschreibungslogiken bilden hierfür eine wesentliche Grundlage, müssen allerdings durch andere Repräsentationstechniken ergänzt werden. Die natürlich erscheinende Definition von räumlichen Relationen mit Hilfe von Prädikaten aus einer konkreten Domäne wurde in [Lutz et al., 1997, Haarslev et al., 1998] als im Allgemeinen zu ausdrucksstark, d.h. unentscheidbar nachgewiesen. Da auch bekannt ist, dass eine integrierte Kopplung von Beschreibungslogiken und Relationenalgebren wie z.B. RCC zu einer unentscheidbaren Logik führt (siehe die Arbeiten [Wessel, 2001, Lutz und Wolter, 2006]), wurden verschiedene neue Kopplungsmöglichkeiten für terminologisches und räumlich-geographisches Wissen vorgeschlagen (siehe z.B. [Kutz et al., 2004, Wessel und Möller, 2007, Lutz und Milicic, 2007]). In diesem Antrag für das Projekt GeoDL werden die Vorschläge aus [Wessel und Möller, 2007, Lutz und Milicic, 2007] methodisch verbunden und in systematischer Weise ergänzt. Für den Ansatz aus [Lutz und Milicic, 2007] (ω-zulässige konkrete Domänen) werden Optimierungstechniken entwickelt, die es gestatten, die dort vorgestellten theoretischen Techniken in tableau-basierte beschreibungslogische Schlussfolgerungssysteme zu integrieren, um auf der Ebene des intensionalen, terminologischen Schließens auch räumliche Aspekte in großen Ontologien zu berücksichtigen. Gestärkt durch diese Art von ausdrucksstarke Ontologien, wird der Ansatz aus [Wessel und Möller, 2007] (mehrschichtige Repräsentation mit Kopplung der Formalismen in der Anfragesprache) um Anfrageübersetzungstechniken ergänzt, die es gestatten, optimierte Anfrageevaluierungspläne für eine Sekundärspeicher-gestützte Anfragebeantwortung, etwa in einem GIS, unter Berücksichtigung von Ontologien zu bestimmen.

In dem Projekt GeoDL wurde die Logik GDL-Lite entworfen, so dass eine noch ausdrucksstarke Kopplung zwischen DL-Lite und dem Region-Connection-Kalkül (RCC) zur geo-thematischen Modellierung von Daten bereitgestellt wird und die Beantwortung von (konjunktiven) Abox-Anfragen bzgl. GDL-Lite-Ontologien durch PL-Umschreibung realisiert werden kann, so dass eine Transformation von Anfragen bzgl. GDL-Lite-Ontologien auf SQL-Anfragen möglich ist. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass bereits für Logiken mit leicht stärkeren Kopplungen zwischen DL-Lite mit dem Region-Connection-Kalkül die Eigenschaft der SQL-Reduzierbarkeit verlorengeht. Die prototypische Implementierung von GDL-Lite hat belegt, dass die entstehenden SQL-Anfragen für GDL-Lite-Anfragen aus Anwendungen durchaus direkt durch Datenbanksysteme mit GIS-Erweiterung bearbeitet werden können. Zusammenfassend und auf übergeordneter Ebene lassen sind die GeoDL-Resultate zur Ausdrucksstärke bei Beibehaltung der PL-Umschreibbarkeit deuten zur Motivation von Systemarchitekturen. Sollen räumlich-thematische Beschreibungen etwa in einer Situationserkennungsanwendung, z.B. in einem strombasierten Kontext, verarbeitet werden, so wird deutlich, warum etwas – datengetrieben – im Strom der Beschreibungen explizit gemacht werden sollte. Nur bei Explizitmachung bestimmter Bechreibung ist PL-Umschreibung und damit eine nach heutiger Erkenntnis skalierbare Verarbeitung gegeben, zu dem Preis, dass die Logik zur Axiomatisierung der Anwendungswelt keine (expliziten oder impliziten) Disjunktionen beinhalten sollte. Gleiche Überlegungen wie für RCC gelten für Zeitintervall-basierte Repräsentationsformen mit (qualitativen) Allen-Relationen. Die Wahl der Repräsentationsformen und Verfahren ist weit weniger vom Bauchgefühl der Entwickler abhängig, wie in vielen Anwendungen üblich. Durch GeoDL wurden auch Leitprinzipien entwickelt, die für die Gestaltung einer Systemarchitektur eine praktisch-komplexitätstheoretische Grundlage motivieren. Die in dem Projekt untersuchte Nach-von-Relation sowie auch die topologischen Relationen der RCC-Relationen lassen sich auch nicht-räumlich deuten (etwa: partonomisch im ersten Falle oder als konzeptuelle Nähe, Überlappung usw. im zweiten) Es ergeben sich also vielfältige neue Möglichkeiten, die Projektergebnisse für die Modellierung von Anwendungswelten auch über räumlich-thematische Belange hinaus zu nutzen.