面向农业图书资源语义挖掘的主题模型应用设计研究
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信息管理与信息学
面向农业图书资源语义挖掘的主题模型应用设计研究
龚 浩。崔运鹏△,钱 平(中国农业科学院农业信息研究所)
摘要:文章分析了目前图书资源语义挖掘的自然语言处理现状,比较其中较为主流的主题模型和自然语言处
理技术,如LSI、pLSI、LDA及NLTK等的衍进状况,尝试应用模块设计选择。初步阐释和设计了小型的面向某
科研机构农业图书资源分类挖掘的主题模型,并给出了相应的评价指标。
关键词:自然语言处理;农业图书资源;图书分类;语义挖掘;主题模型
中图分类号:G253;G254.3 文献标志码:B 文章编号:1005--8214(2018)03—0o46—06
Research on Application Design of Theme Model for Semantic Mining of Agricultural
Book Resources
Gong Hao,Cui Yun—peng,Qian Ping
Abstract:This article analyzes the current status of natural language processing in the semantic mining of book resources,com—
pares the mainstream topic models and natural language processing technologies such as LSI,pLSI,LDA and NLTK,and vies to
apply module design selection.A small topic model for the classification and mining of agricultural book resources in a certain scientific research institution is explained and designed,and the corresponding evaluation indexes are given.
Keywords:Natural Language Processing;Agricultural Book Resources;Book Classification;Semantic Mining;Topic Model
1 引言
2l世纪第二个十年即将走完,文献计量三大定
律依然发挥其重要的计量指导作用。布拉德福定律是
由英国著名文献学者B.C.Bradford于20世纪30年
代率先提出的描述文献分散规律的经验定律。其文字
表述为:如果将科技期刊按其刊载某学科专业论文进
行统计并以递减顺序排列,那么可以把期刊分为专门
面对这个学科的核心区、相关区和非相关区。各个区
的文章数量相等,此时核心区、相关区和非相关区期 刊数量成1:n:nz的关系。_l 洛特卡定律是由美国学者
A.J.洛特卡在20世纪20年代率先提出的描述科学生
产率的经验规律,又称“倒数平方定律”。_2 它描述
的是科学工作者人数与其所著论文之间的关系:写两
篇论文的作者数量约为写一篇论文的作者数量的1/4;
写三篇论文的作者数量约为写一篇论文作者数量的 1/9;写N篇论文的作者数量约为写一篇论文作者数
量的1/n ……,而写一篇论文作者的数量约占所有作 者数量的60%,该定律被认为是第一次揭示了作者与 数量之间的关系。1932年,哈佛大学的语言学专家齐
普夫在研究英文单词出现的频率时,发现如果把单 词出现的频率按降序排列,则每个单词出现的频率
与它的名次的常数次幂存在简单的反比关系,这种 分布就称为齐普夫定律,[3 它表明在英语单词中,只
有极少数的词被经常使用,而绝大多数词很少被使
用。实际上,包括汉语在内的许多国家的语言都有这
种特点。_4 这个定律后来在很多领域得到了同样的验 证,包括网站的访问数量、城镇的大小和每个国家公
司的数量。各类图书资源增长依旧符合文献三大定
律,呈指数增长趋势,时至今日,传统的分类已经无
法满足其处理任务,就像农科院农业图书馆这样的传
统图书馆,如何结合现代的物联网技术、适应现代数
字化要求的问题丞待解决。
2农业图书资源分类的机遇与挑战
数字化的要求已经日益广泛,各高校以及科研院
[基金项目]本文系中国农业科学院科技创新工程(项目编号:CAAS—ASTIP一2016一AII)支持。 △通信作者:崔运鹏,cuiyunpeng@caas.
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所纷纷投入巨额资金来建设数字图书馆,以应对学者
以及科研人员对于扩张性增卡的电子资源的需求。 1999年物联网概念提出时,各互联网跨国巨头企业
就开始倡导全球互联,以IBM为代表的互联网科技公
司提出了“智慧地球”。这一概念由IBM的CEO彭明
盛提出,“智慧地球”指的是将传感器嵌入或者装备 到电网、铁路、桥梁、公路、家庭设备、移动设备
和航空器等物体上,形成所谓的“物联网”,目的在
于实现全球物体和信息的共联与交互。以中国农业
科学院为例,每年国家农业部以及研究生院投入几 百万甚至上千万的资金,力图打造面向农业科研人
员的数字图书馆,尽管目前还在艰难建设中,但各
院所对农业图书馆电子资源的建设积极支持,其效
益有待进一步提升。因此,为加紧数字图书馆的建
设,院所构建数据共享平台,并采购物联网设备,利
用RFID射频技术对原有文献资源进行数据收集,¨5] 然而利用物联网技术,必然对传统的图书分类编码技
术提出新的要求。过去图书管理人员按照《中国图书
馆分类法》或者《中国科学院图书馆分类法》,对图
书文献进行必要的编码,如今图书以在线出版为主,
且符合大数据的四大特征。借鉴人工智能进行文献分 类,是开发面向农业图书资源语义挖掘自然语言处理
系统面临的新挑战。
3语义挖掘的主题模型衍变
在自然语言处理方面,主要有两种思路:①传
统的语言学处理流派认为,语义理论和逻辑符号理
论可以指导计算机进行学习并处理自然语言;②基
于统计学的概率论流派,他们认为计算机可以从文 档集和文本语料等训练数据集中学习自然语言处理。
自20世纪8O年代各学者针对自然语言处理提出自
己的观点以来,其发展热度至今未见减弱,其中
Deerwester等人提出的LSI,[6]Hofmann等人提出的 pLSI,[7 Darid Blei等人提出的LDA模型【8 应用较
为广泛。
s.Deerwester等研究了信息检索中用户检索词序
列与文档词序列匹配时存在的基本问题,他们提出借
助文档内部隐含的高阶“语义结构”提高检索的查准
率。先将文档表示成向量空间模型,使用词频一倒文 档频率TF—IDF将文档集表示成以文档为行、单词为
列的矩阵,再利用奇异值分解(SVD)方法进行降维,
SVD基本公式:N=U∑V ,此时u和V是正交矩阵,
UtU=vlV:1,∑是对角矩阵,包含N的奇异值。_1]从
绘制类似于词频向量的高维词向量空间,转而向低维 潜在语义空间转变。最终的目标是在语义空间中,找 到词与词、词与文档、文档与文档之间的邻域的语义
关系。他们以MED语料库实验证明,利用LSI去除不
相关文档后,文档维度越高检索匹配效果越好,冗余
度减少后数据压缩量越有优势。但作者也承认目前概
念模型很难解决一词多义现象,其次方法论基础有待
进一步完善;SVD方法在概率统计学上存在高斯噪声 假设的可疑性,而这导致很难在可数的文本变量中验
证其结果准确性的问题。LSI的基本思路是从绘制类
似于词频向量的高维词向量空间,向低维潜在语义空
间转变,最终的目标是在语义空间中,找到词与词、
词与文档、文档与文档之间的邻域的语义关系。它存 在如下缺点:首先,方法论基础有待进一步完善;其
次,SVD方法在概率统计学上存在高斯噪声假设的可
疑性;最后,LSA所具有的概念模型很难解决一词多 义现象。
由此,T.Hofmann提出引入概率统计推断的pLSI,
针对同样的文档检索匹配问题,pLSI旨在改进LSI模
型最终结果缺乏概率解释的问题,它继承了LSI的自 动文档索引、文档降维和构建语义空间的优点的同
时,利用潜在的层次模型提供概率混合组成分解,以 似然函数的最优化作为结果,配合退火EM算法适应
模型拟合,提供了检索匹配结果在统计推断上更加合
理的方法。 作者分别以LOB语料库、MED文档作
为测试数据,[6-9]以复杂度为测量指标,对比评价了 LSI和pLSI,发现pLSI模型的匹配准确率更高。存在
的缺点如下:①模型中的参数数量会随着文本语料
的增长而增长,这会引起过度拟合的问题;②如何
分配训练文档以外的文档概率不甚明确。pLSI的启示
主要有以下两点:①它有效消除了一词多义的语义 分歧问题;②它通过把具有相同主题的词聚类以揭
示主题的相似性来解决同义词的问题。文档信息检索
的重要应用模型就是VSM(向量空间模型),使用的
方法是TF—IDF。它存在的缺点如下:①模型中的参 数数量会随着文本语料的增长而增长,这会引起过度
拟合的问题;②如何分配训练文档以外的文档概率
不甚明确。
图1 pLSI概率图
随着主题模型的发展,研究人员发现了pLSI中存
在的问题,并逐步开始改进,其间产生了很多优秀的
算法模型,其中以Blei的博士论文提出的LDA模型
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最为优异。LDA是一个三层贝叶斯模型,可用于分 类、新颖性检测、总结、相似性和相关性判断。[3]适
合于文档建模、文档分类和协同过滤等领域,Blei认
为Hofmann的pLSI没有解决文档间层次的概率模型的 问题,他基于词包假设,即词在文档中的顺序对文档
检索没有影响,【】o]在LDA文章中使用了变分法近似 估计_l1 和EM算法推断经典的贝叶斯参数。[12,13]基
于经典的Finetti定理,_l 可以发现文档内部混合分布
的统计结构,更好地解决文档建模、文档分类和协同
过滤等问题。Ll5 在文档建模方面,测试语料库选择的
是TREC AP语料库,测试指标是对比平滑混合一元
模型和pLSA模型复杂度,结果显示LDA复杂度最
低,模型表现最好。l1 ]在文档分类方面,测试文档是 路透社新闻语料,指标是精确度和复杂度,依然显示
LDA模型表现最好。[1 LDA的基本思路是:文档群
由随机潜在主题构成,而主题是由其中的词项分布来
组成。LDA认为文档d是从语料D中这样生成的:① 选择N~泊松分布(毒);②选择0~狄利克雷分布
( );③对于每一个词w ,Wn>选择主题z ~多项
式分布(P),w >从P( ,l z b)选择w
值得提醒的是LDA模型区别于一般的狄里克雷多 项聚类模型,狄里克雷多项聚类模型的文档一般是单
主题,而LDA模型的文档可以是多主题的。LDA比 相关潜在模型优势之一就是它对于原先没有见过的文
档也能提供较好的推理程序。它存在的劣势在于它的
基础词包假设允许多个词从同一个主题产生,同时这
些词又可以分配到不同的主题。为了解决这个问题, 我们需要扩展基础的LDA模型,释放词包假设,允许