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知识图谱学习笔记（1）

發布時間：2023/11/27 生活经验 40 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了知识图谱学习笔记（1）小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

知識圖譜學習筆記第一部分，包含RDF介紹，以及Jena RDF API使用

知識圖譜的基石：RDF

RDF(Resource Description Framework)，即資源描述框架，其本質是一個數據模型（Data Model）。它提供了一個統一的標準，用于描述實體/資源。簡單來說，就是表示事物的一種方法和手段。

RDF序列化方法

RDF序列化的方式主要有：RDF/XML，N-Triples，Turtle，RDFa，JSON-LD等幾種。

RDF/XML，顧名思義，就是用XML的格式來表示RDF數據
N-Triples，即用多個三元組來表示RDF數據集，是最直觀的表示方法。在文件中，每一行表示一個三元組，方便機器解析和處理。開放領域知識圖譜DBpedia通常是用這種格式來發布數據的。
Turtle, ['t?tl] 應該是使用得最多的一種RDF序列化方式了。它比RDF/XML緊湊，且可讀性比N-Triples好。
RDFa,即“The Resource Description Framework in Attributes”，是HTML5的一個擴展，在不改變任何顯示效果的情況下，讓網站構建者能夠在頁面中標記實體，像人物、地點、時間、評論等等
JSON-LD，即“JSON for Linking Data”，用鍵值對的方式來存儲RDF數據

Example1 N-Triples:

<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/chineseName> "羅納爾多·路易斯·納薩里奧·德·利馬"^^string.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/career> "足球運動員"^^string.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/fullName> "Ronaldo Luís Nazário de Lima"^^string.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/birthDate> "1976-09-18"^^date.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/height> "180"^^int.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/weight> "98"^^int.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/nationality> "巴西"^^string.
<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/hasBirthPlace> <http://www.kg.com/place/10086>.
<http://www.kg.com/place/10086> <http://www.kg.com/ontology/address> "里約熱內盧"^^string.
<http://www.kg.com/place/10086> <http://www.kg.com/ontology/coordinate> "-22.908333, -43.196389"^^string.

Example2 Turtle:

@prefix person: <http://www.kg.com/person/> .
@prefix place: <http://www.kg.com/place/> .
@prefix : <http://www.kg.com/ontology/> .person:1 :chineseName "羅納爾多·路易斯·納薩里奧·德·利馬"^^string.
person:1 :career "足球運動員"^^string.
person:1 :fullName "Ronaldo Luís Nazário de Lima"^^string.
person:1 :birthDate "1976-09-18"^^date.
person:1 :height "180"^^int. 
person:1 :weight "98"^^int.
person:1 :nationality "巴西"^^string. 
person:1 :hasBirthPlace place:10086.
place:10086 :address "里約熱內盧"^^string.
place:10086 :coordinate "-22.908333, -43.196389"^^string.

RDF的表達能力

RDF的表達能力有限，無法區分類和對象，也無法定義和描述類的關系/屬性。RDF是對具體事物的描述，缺乏抽象能力，無法對同一個類別的事物進行定義和描述。就以羅納爾多這個知識圖為例，RDF能夠表達羅納爾多和里約熱內盧這兩個實體具有哪些屬性，以及它們之間的關系。但如果我們想定義羅納爾多是人，里約熱內盧是地點，并且人具有哪些屬性，地點具有哪些屬性，人和地點之間存在哪些關系，這個時候RDF就表示無能為力了。

RDFS/OWL

RDFS/OWL本質上是一些預定義詞匯（vocabulary）構成的集合，用于對RDF進行類似的類定義及其屬性的定義。

RDFS/OWL序列化方式和RDF沒什么不同，其實在表現形式上，它們就是RDF。其常用的方式主要是RDF/XML，Turtle。另外，通常我們用小寫開頭的單詞或詞組來表示屬性，大寫開頭的表示類。數據屬性（data property，實體和literal字面量的關系）通常由名詞組成，而對象數據（object property，實體和實體之間的關系）通常由動詞（has，is之類的）加名詞組成。剩下的部分符合駝峰命名法。

輕量級的模式語言——RDFS

RDFS，即“Resource Description Framework Schema”，是最基礎的模式語言。還是以羅納爾多知識圖為例，我們在概念、抽象層面對RDF數據進行定義。下面的RDFS定義了人和地點這兩個類，及每個類包含的屬性。

@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .
@prefix rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix : <http://www.kg.com/ontology/> .### 這里我們用詞匯rdfs:Class定義了“人”和“地點”這兩個類。
:Person rdf:type rdfs:Class.
:Place rdf:type rdfs:Class.### rdfs當中不區分數據屬性和對象屬性，詞匯rdf:Property定義了屬性，即RDF的“邊”。:chineseName rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:career rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:fullName rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:birthDate rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:date .:height rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:int .:weight rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:int .:nationality rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:hasBirthPlace rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Person;rdfs:range :Place .:address rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Place;rdfs:range xsd:string .:coordinate rdf:type rdf:Property;rdfs:domain :Place;rdfs:range xsd:string .

RDFS幾個比較重要，常用的詞匯：

rdfs:Class. 用于定義類
rdfs:domain. 用于表示該屬性屬于哪個類別
rdfs:range. 用于描述該屬性的取值類型
rdfs:subClassOf. 用于描述該類的父類
rdfs:subProperty. 用于描述該屬性的父屬性

Data層是我們用RDF對羅納爾多知識圖的具體描述，Vocabulary是我們自己定義的一些詞匯（類別，屬性），RDF(S)則是預定義詞匯。從下到上是一個具體到抽象的過程。圖中我們用紅色圓角矩形表示類，綠色字體表示rdf:type，rdfs:domain，rdfs:range三種預定義詞匯，虛線表示rdf:type這種所屬關系。

RDFS的擴展——OWL

RDFS本質上是RDF詞匯的一個擴展。后來人們發現RDFS的表達能力還是相當有限，因此提出了OWL。我們也可以把OWL當做是RDFS的一個擴展，其添加了額外的預定義詞匯。

OWL，即“Web Ontology Language”，語義網技術棧的核心之一。OWL有兩個主要的功能：

提供快速、靈活的數據建模能力。
高效的自動推理。

用OWL對羅納爾多知識圖進行語義層的描述：

@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .
@prefix rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix : <http://www.kg.com/ontology/> .
@prefix owl: <http://www.w3.org/2002/07/owl#> .### 這里我們用詞匯owl:Class定義了“人”和“地點”這兩個類。
:Person rdf:type owl:Class.
:Place rdf:type owl:Class.### owl區分數據屬性和對象屬性（對象屬性表示實體和實體之間的關系）。詞匯owl:DatatypeProperty定義了數據屬性，owl:ObjectProperty定義了對象屬性。
:chineseName rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:career rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:fullName rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:birthDate rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:date .:height rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:int .:weight rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:int .:nationality rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range xsd:string .:hasBirthPlace rdf:type owl:ObjectProperty;rdfs:domain :Person;rdfs:range :Place .:address rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Place;rdfs:range xsd:string .:coordinate rdf:type owl:DatatypeProperty;rdfs:domain :Place;rdfs:range xsd:string .

schema層的描述語言換為OWL后，層次圖表示為：

owl區分數據屬性和對象屬性（對象屬性表示實體和實體之間的關系）。詞匯owl:DatatypeProperty定義了數據屬性，owl:ObjectProperty定義了對象屬性。

上圖中，數據屬性用青色表示，對象屬性由藍色表示。

描述屬性特征的詞匯

owl:TransitiveProperty. 表示該屬性具有傳遞性質。例如，我們定義“位于”是具有傳遞性的屬性，若A位于B，B位于C，那么A肯定位于C。
owl:SymmetricProperty. 表示該屬性具有對稱性。例如，我們定義“認識”是具有對稱性的屬性，若A認識B，那么B肯定認識A。
owl:FunctionalProperty. 表示該屬性取值的唯一性。例如，我們定義“母親”是具有唯一性的屬性，若A的母親是B，在其他地方我們得知A的母親是C，那么B和C指的是同一個人。
owl:inverseOf. 定義某個屬性的相反關系。例如，定義“父母”的相反關系是“子女”，若A是B的父母，那么B肯定是A的子女。

本體映射詞匯（Ontology Mapping）

owl:equivalentClass. 表示某個類和另一個類是相同的。
owl:equivalentProperty. 表示某個屬性和另一個屬性是相同的。
owl:sameAs. 表示兩個實體是同一個實體。

RDFS,OWL推理的推理機（reasoner）

RDFS同樣支持推理，由于缺乏豐富的表達能力，推理能力也不強。舉個例子，我們用RDFS定義人和動物兩個類，另外，定義人是動物的一個子類。此時推理機能夠推斷出一個實體若是人，那么它也是動物。OWL當然支持這種基本的推理，除此之外，憑借其強大的表達能力，我們能進行更有實際意義的推理。想象一個場景，我們有一個龐大數據庫存儲人物的親屬關系。里面很多關系都是單向的，比如，其只保存了A的父親（母親）是B，但B的子女字段里面沒有A，可以推理得到B的子女A。

。

RDF查詢語言SPARQL

SPARQL即SPARQL Protocol and RDF Query Language的遞歸縮寫，專門用于訪問和操作RDF數據，是語義網的核心技術之一。W3C的RDF數據存取小組（RDF Data Access Working Group, RDAWG）對其進行了標準化。在2008年，SPARQL 1.0成為W3C官方所推薦的標準。2013年發布了SPARQL 1.1。相對第一個版本，其支持RDF圖的更新，提供更強大的查詢，比如：子查詢、聚合操作（像我們常用的count）等等。

由兩個部分組成：協議和查詢語言。

查詢語言很好理解，就像SQL用于查詢關系數據庫中的數據，XQuery用于查詢XML數據，SPARQL用于查詢RDF數據。
協議是指我們可以通過HTTP協議在客戶端和SPARQL服務器（SPARQL endpoint）之間傳輸查詢和結果，這也是和其他查詢語言最大的區別。

一個SPARQL查詢本質上是一個帶有變量的RDF圖，以我們之前提到的羅納爾多RDF數據為例：

<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/chineseName> "羅納爾多·路易斯·納薩里奧·德·利馬"^^string.

查詢SPARQL

<http://www.kg.com/person/1> <http://www.kg.com/ontology/chineseName> ?x.

SPARQL查詢是基于圖匹配的思想。我們把上述的查詢與RDF圖進行匹配，找到符合該匹配模式的所有子圖，最后得到變量的值。就上面這個例子而言，在RDF圖中找到匹配的子圖后，將"羅納爾多·路易斯·納薩里奧·德·利馬"和“?x”綁定，我們就得到最后的結果。簡而言之，SPARQL查詢分為三個步驟：

構建查詢圖模式，表現形式就是帶有變量的RDF。
匹配，匹配到符合指定圖模式的子圖。
綁定，將結果綁定到查詢圖模式對應的變量上。

舉例

如何查詢所有數據

PREFIX : <http://www.kgdemo.com#>
PREFIX rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#>
PREFIX owl: <http://www.w3.org/2002/07/owl#>
PREFIX xsd: <XML Schema>
PREFIX vocab: <http://localhost:2020/resource/vocab/>
PREFIX rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#>
PREFIX map: <http://localhost:2020/resource/#>
PREFIX db: <http://localhost:2020/resource/>SELECT * WHERE {?s ?p ?o
}

SPARQL的部分關鍵詞：

SELECT，指定我們要查詢的變量。在這里我們查詢所有的變量，用*代替。
WHERE，指定我們要查詢的圖模式。含義上和SQL的WHERE沒有區別。
FROM，指定查詢的RDF數據集。我們這里只有一個圖，因此省去了FROM關鍵詞。 PREFIX，用于IRI的縮寫。

“周星馳出演了哪些電影”：

PREFIX : <http://www.kgdemo.com#>
PREFIX rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#>
PREFIX owl: <http://www.w3.org/2002/07/owl#>
PREFIX xsd: <XML Schema>
PREFIX vocab: <http://localhost:2020/resource/vocab/>
PREFIX rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#>
PREFIX map: <http://localhost:2020/resource/#>
PREFIX db: <http://localhost:2020/resource/>SELECT ?n WHERE {?s rdf:type :Person.?s :personName '周星馳'.?s :hasActedIn ?o.?o :movieTitle ?n
}

使用Jena 構建知識圖譜

Jena是Apache基金會旗下的開源Java框架，用于構建Semantic Web 和 Linked Data 應用。

下面簡要的介紹下API，要使用jena，可以下載jar包或者使用maven（推薦），建議測試時下面的都加上：

    <dependency><groupId>org.apache.jena</groupId><artifactId>apache-jena-libs</artifactId><type>pom</type><version>3.7.0</version></dependency><dependency><groupId>org.apache.jena</groupId><artifactId>jena-sdb</artifactId><version>3.7.0</version></dependency><dependency><groupId>org.apache.jena</groupId><artifactId>jena-base</artifactId><version>3.7.0</version></dependency><dependency><groupId>org.apache.jena</groupId><artifactId>jena-fuseki-embedded</artifactId><version>3.7.0</version> <!-- Set the version --></dependency><!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.jena/jena-arq --><dependency><groupId>org.apache.jena</groupId><artifactId>jena-arq</artifactId><version>3.7.0</version></dependency>

Jena RDF API

首先，三元組（triple）組成的圖稱之為Model，這個圖里的Node可以是resources(實體）、literals（文本）或者blank nodes。

一個三元組，在jena里稱之為Statement，一個 statement 包含三部分：:

the subject ：實體
the predicate ：屬性
the object ：值

創建Model

// URI 定義
static String personURI    = "http://somewhere/JohnSmith";
static String fullName     = "John Smith";// 創建一個空模型（KG)
Model model = ModelFactory.createDefaultModel();// 創建一個resource（一個subject)
Resource johnSmith = model.createResource(personURI);// 添加屬性，這里的value是一個literals（文本）johnSmith.addProperty(VCARD.FN, fullName);

當然，你還可以使用鏈式API,為resource添加多個Property

// create the resource
//   and add the properties cascading style
Resource johnSmith= model.createResource(personURI).addProperty(VCARD.FN, fullName).addProperty(VCARD.N,model.createResource().addProperty(VCARD.Given, givenName).addProperty(VCARD.Family, familyName));

遍歷Model

使用model.listStatements遍歷statements，返回一個迭代器，使用hasNext判斷是否還有數據，通過getSubject，getPredicate，getObject 獲取三元組信息。

// list the statements in the Model
StmtIterator iter = model.listStatements();// print out the predicate, subject and object of each statement
while (iter.hasNext()) {Statement stmt      = iter.nextStatement();  // get next statementResource  subject   = stmt.getSubject();     // get the subjectProperty  predicate = stmt.getPredicate();   // get the predicateRDFNode   object    = stmt.getObject();      // get the objectSystem.out.print(subject.toString());System.out.print(" " + predicate.toString() + " ");if (object instanceof Resource) {System.out.print(object.toString());} else {// object is a literalSystem.out.print(" \"" + object.toString() + "\"");}System.out.println(" .");
}

運行結果：

http://somewhere/JohnSmith http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#N 80aeb72e-ef9c-4879-807d-62daf3c13b72 .
http://somewhere/JohnSmith http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#FN  "John Smith" .
80aeb72e-ef9c-4879-807d-62daf3c13b72 http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Family  "Smith" .
80aeb72e-ef9c-4879-807d-62daf3c13b72 http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Given  "John" .

保存為 RDF文件

可以使用model.write方便的把Model保存為rdf文件，write默認保存為XML格式

// now write the model in XML form to a file
model.write(System.out);

<rdf:RDFxmlns:rdf='http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#'xmlns:vcard='http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#'><rdf:Description rdf:about='http://somewhere/JohnSmith'><vcard:FN>John Smith</vcard:FN><vcard:N rdf:nodeID="A0"/></rdf:Description><rdf:Description rdf:nodeID="A0"><vcard:Given>John</vcard:Given><vcard:Family>Smith</vcard:Family></rdf:Description>
</rdf:RDF>

write還提供重載版本write( OutputStream out, String lang )，lang可以為"RDF/XML-ABBREV", "N-TRIPLE", "TURTLE", (and "TTL") and "N3"
我們來保存為常見的TURTLE：

model.write(System.out, "TURTLE");

結果：

<http://somewhere/JohnSmith><http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#FN>"John Smith" ;<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#N>[ <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Family>"Smith" ;<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Given>"John"] .

jena還提供prefix功能，我們可以指定prefix來簡化turtle,下面的代碼將指定prefix，并保存到文件1.rdf里：

    model.setNsPrefix( "vCard", "http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#" );model.setNsPrefix( "rdf", "http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#" );try {model.write(new FileOutputStream("1.rdf"),"TURTLE");} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();}

結果：

@prefix rdf:   <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix vCard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#> .<http://somewhere/JohnSmith>vCard:FN  "John Smith" ;vCard:N   [ vCard:Family  "Smith" ;vCard:Given   "John"] .

讀取rdf

Mode的read(Reader reader, String base)方法，提供讀取RDF文件的功能：

    static final String inputFileName  = "1.rdf";public static void main (String args[]) {// create an empty modelModel model = ModelFactory.createDefaultModel();InputStream in = FileManager.get().open( inputFileName );if (in == null) {throw new IllegalArgumentException( "File: " + inputFileName + " not found");}// read the RDF/XML filemodel.read(in, "","TURTLE");// write it to standard outmodel.write(System.out);            }

注意，read的時候，默認是讀取XML，如果是其他格式，需要指定lang。

從模型讀取Resouce

一個resouce都有一個唯一的URI，我們可以通過URI來獲取對應的Resouce：
函數原型：

    /**Return a Resource instance with the given URI in this model. <i>This methodbehaves identically to <code>createResource(String)</code></i> and exists aslegacy: createResource is now capable of, and allowed to, reuse existing objects.<p>Subsequent operations on the returned object may modify this model.@return a resource instance@param uri the URI of the resource*/Resource getResource(String uri) ;

獲取到Resouce后，通過getRequiredProperty獲取屬性，如果一個屬性包含多個值，可以使用listProperties獲取。

 static final String inputFileName = "1.rdf";static final String johnSmithURI = "http://somewhere/JohnSmith";public static void main (String args[]) {// create an empty modelModel model = ModelFactory.createDefaultModel();// use the FileManager to find the input fileInputStream in = FileManager.get().open(inputFileName);if (in == null) {throw new IllegalArgumentException( "File: " + inputFileName + " not found");}// read the RDF/XML filemodel.read(new InputStreamReader(in), "");// retrieve the Adam Smith vcard resource from the modelResource vcard = model.getResource(johnSmithURI);// retrieve the value of the N propertyResource name = (Resource) vcard.getRequiredProperty(VCARD.N).getObject();// retrieve the given name propertyString fullName = vcard.getRequiredProperty(VCARD.FN).getString();// add two nick name properties to vcardvcard.addProperty(VCARD.NICKNAME, "Smithy").addProperty(VCARD.NICKNAME, "Adman");// set up the outputSystem.out.println("The nicknames of \"" + fullName + "\" are:");// list the nicknamesStmtIterator iter = vcard.listProperties(VCARD.NICKNAME);while (iter.hasNext()) {System.out.println("    " + iter.nextStatement().getObject().toString());}try {model.write(new FileOutputStream("1.rdf"));} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}

查詢模型

可以通過listResourcesWithProperty查詢包含Property的數據：

    ResIterator iter = model.listResourcesWithProperty(VCARD.FN);if (iter.hasNext()) {System.out.println("The database contains vcards for:");while (iter.hasNext()) {System.out.println("  " + iter.nextResource().getRequiredProperty(VCARD.FN).getString() );}} else {System.out.println("No vcards were found in the database");}

通過listStatements(SimpleSelector)查詢Statement：

        // select all the resources with a VCARD.FN property// whose value ends with "Smith"StmtIterator iter = model.listStatements(new SimpleSelector(null, VCARD.FN, (RDFNode) null) {@Overridepublic boolean selects(Statement s) {return s.getString().endsWith("Smith");}});if (iter.hasNext()) {System.out.println("The database contains vcards for:");while (iter.hasNext()) {System.out.println("  " + iter.nextStatement().getString());}} else {System.out.println("No Smith's were found in the database");}

模型合并

可以通過union合并兩個模型：

合并后：

來源

知識圖譜基礎之RDF，RDFS與OWL

作者：Jadepeng
出處：jqpeng的技術記事本--http://www.cnblogs.com/xiaoqi
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轉載于:https://www.cnblogs.com/xiaoqi/p/kg-study-part-1.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的知识图谱学习笔记（1）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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