Applying Wikipedia to Interactive Information Retrieval

There are many opportunities to improve the interactivity of information retrieval systems beyond the ubiquitous search box. One idea is to use knowledge bases—e.g. controlled vocabularies, classification schemes, thesauri and ontologies—to organize, describe and navigate the information space. These resources are popular in libraries and specialist collections, but have proven too expensive and narrow to be applied to everyday webscale search. Wikipedia has the potential to bring structured knowledge into more widespread use. This online, collaboratively generated encyclopaedia is one of the largest and most consulted reference works in existence. It is broader, deeper and more agile than the knowledge bases put forward to assist retrieval in the past. Rendering this resource machine-readable is a challenging task that has captured the interest of many researchers. Many see it as a key step required to break the knowledge acquisition bottleneck that crippled previous efforts. This thesis claims that the roadblock can be sidestepped: Wikipedia can be applied effectively to open-domain information retrieval with minimal natural language processing or information extraction. The key is to focus on gathering and applying human-readable rather than machine-readable knowledge. To demonstrate this claim, the thesis tackles three separate problems: extracting knowledge from Wikipedia; connecting it to textual documents; and applying it to the retrieval process. First, we demonstrate that a large thesaurus-like structure can be obtained directly from Wikipedia, and that accurate measures of semantic relatedness can be efficiently mined from it. Second, we show that Wikipedia provides the necessary features and training data for existing data mining techniques to accurately detect and disambiguate topics when they are mentioned in plain text. Third, we provide two systems and user studies that demonstrate the utility of the Wikipedia-derived knowledge base for interactive information retrieval

Entities with quantities : extraction, search, and ranking

Quantities are more than numeric values. They denote measures of the world’s entities such as heights of buildings, running times of athletes, energy efficiency of car models or energy production of power plants, all expressed in numbers with associated units. Entity-centric search and question answering (QA) are well supported by modern search engines. However, they do not work well when the queries involve quantity filters, such as searching for athletes who ran 200m under 20 seconds or companies with quarterly revenue above $2 Billion. State-of-the-art systems fail to understand the quantities, including the condition (less than, above, etc.), the unit of interest (seconds, dollar, etc.), and the context of the quantity (200m race, quarterly revenue, etc.). QA systems based on structured knowledge bases (KBs) also fail as quantities are poorly covered by state-of-the-art KBs. In this dissertation, we developed new methods to advance the state-of-the-art on quantity knowledge extraction and search.Zahlen sind mehr als nur numerische Werte. Sie beschreiben Maße von Entitäten wie die Höhe von Gebäuden, die Laufzeit von Sportlern, die Energieeffizienz von Automodellen oder die Energieerzeugung von Kraftwerken - jeweils ausgedrückt durch Zahlen mit zugehörigen Einheiten. Entitätszentriete Anfragen und direktes Question-Answering werden von Suchmaschinen häufig gut unterstützt. Sie funktionieren jedoch nicht gut, wenn die Fragen Zahlenfilter beinhalten, wie z. B. die Suche nach Sportlern, die 200m unter 20 Sekunden gelaufen sind, oder nach Unternehmen mit einem Quartalsumsatz von über 2 Milliarden US-Dollar. Selbst moderne Systeme schaffen es nicht, Quantitäten, einschließlich der genannten Bedingungen (weniger als, über, etc.), der Maßeinheiten (Sekunden, Dollar, etc.) und des Kontexts (200-Meter-Rennen, Quartalsumsatz usw.), zu verstehen. Auch QA-Systeme, die auf strukturierten Wissensbanken (“Knowledge Bases”, KBs) aufgebaut sind, versagen, da quantitative Eigenschaften von modernen KBs kaum erfasst werden. In dieser Dissertation werden neue Methoden entwickelt, um den Stand der Technik zur Wissensextraktion und -suche von Quantitäten voranzutreiben. Unsere Hauptbeiträge sind die folgenden: • Zunächst präsentieren wir Qsearch [Ho et al., 2019, Ho et al., 2020] – ein System, das mit erweiterten Fragen mit Quantitätsfiltern umgehen kann, indem es Hinweise verwendet, die sowohl in der Frage als auch in den Textquellen vorhanden sind. Qsearch umfasst zwei Hauptbeiträge. Der erste Beitrag ist ein tiefes neuronales Netzwerkmodell, das für die Extraktion quantitätszentrierter Tupel aus Textquellen entwickelt wurde. Der zweite Beitrag ist ein neuartiges Query-Matching-Modell zum Finden und zur Reihung passender Tupel. • Zweitens, um beim Vorgang heterogene Tabellen einzubinden, stellen wir QuTE [Ho et al., 2021a, Ho et al., 2021b] vor – ein System zum Extrahieren von Quantitätsinformationen aus Webquellen, insbesondere Ad-hoc Webtabellen in HTML-Seiten. Der Beitrag von QuTE umfasst eine Methode zur Verknüpfung von Quantitäts- und Entitätsspalten, für die externe Textquellen genutzt werden. Zur Beantwortung von Fragen kontextualisieren wir die extrahierten Entitäts-Quantitäts-Paare mit informativen Hinweisen aus der Tabelle und stellen eine neue Methode zur Konsolidierung und verbesserteer Reihung von Antwortkandidaten durch Inter-Fakten-Konsistenz vor. • Drittens stellen wir QL [Ho et al., 2022] vor – eine Recall-orientierte Methode zur Anreicherung von Knowledge Bases (KBs) mit quantitativen Fakten. Moderne KBs wie Wikidata oder YAGO decken viele Entitäten und ihre relevanten Informationen ab, übersehen aber oft wichtige quantitative Eigenschaften. QL ist frage-gesteuert und basiert auf iterativem Lernen mit zwei Hauptbeiträgen, um die KB-Abdeckung zu verbessern. Der erste Beitrag ist eine Methode zur Expansion von Fragen, um einen größeren Pool an Faktenkandidaten zu erfassen. Der zweite Beitrag ist eine Technik zur Selbstkonsistenz durch Berücksichtigung der Werteverteilungen von Quantitäten

Knowledge extraction from unstructured data

Data availability is becoming more essential, considering the current growth of web-based data. The data available on the web are represented as unstructured, semi-structured, or structured data. In order to make the web-based data available for several Natural Language Processing or Data Mining tasks, the data needs to be presented as machine-readable data in a structured format. Thus, techniques for addressing the problem of capturing knowledge from unstructured data sources are needed. Knowledge extraction methods are used by the research communities to address this problem; methods that are able to capture knowledge in a natural language text and map the extracted knowledge to existing knowledge presented in knowledge graphs (KGs). These knowledge extraction methods include Named-entity recognition, Named-entity Disambiguation, Relation Recognition, and Relation Linking. This thesis addresses the problem of extracting knowledge over unstructured data and discovering patterns in the extracted knowledge. We devise a rule-based approach for entity and relation recognition and linking. The defined approach effectively maps entities and relations within a text to their resources in a target KG. Additionally, it overcomes the challenges of recognizing and linking entities and relations to a specific KG by employing devised catalogs of linguistic and domain-specific rules that state the criteria to recognize entities in a sentence of a particular language, and a deductive database that encodes knowledge in community-maintained KGs. Moreover, we define a Neuro-symbolic approach for the tasks of knowledge extraction in encyclopedic and domain-specific domains; it combines symbolic and sub-symbolic components to overcome the challenges of entity recognition and linking and the limitation of the availability of training data while maintaining the accuracy of recognizing and linking entities. Additionally, we present a context-aware framework for unveiling semantically related posts in a corpus; it is a knowledge-driven framework that retrieves associated posts effectively. We cast the problem of unveiling semantically related posts in a corpus into the Vertex Coloring Problem. We evaluate the performance of our techniques on several benchmarks related to various domains for knowledge extraction tasks. Furthermore, we apply these methods in real-world scenarios from national and international projects. The outcomes show that our techniques are able to effectively extract knowledge encoded in unstructured data and discover patterns over the extracted knowledge presented as machine-readable data. More importantly, the evaluation results provide evidence to the effectiveness of combining the reasoning capacity of the symbolic frameworks with the power of pattern recognition and classification of sub-symbolic models

Linked Data Supported Information Retrieval

Um Inhalte im World Wide Web ausfindig zu machen, sind Suchmaschienen nicht mehr wegzudenken. Semantic Web und Linked Data Technologien ermöglichen ein detaillierteres und eindeutiges Strukturieren der Inhalte und erlauben vollkommen neue Herangehensweisen an die Lösung von Information Retrieval Problemen. Diese Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten, wie Information Retrieval Anwendungen von der Einbeziehung von Linked Data profitieren können. Neue Methoden der computer-gestützten semantischen Textanalyse, semantischen Suche, Informationspriorisierung und -visualisierung werden vorgestellt und umfassend evaluiert. Dabei werden Linked Data Ressourcen und ihre Beziehungen in die Verfahren integriert, um eine Steigerung der Effektivität der Verfahren bzw. ihrer Benutzerfreundlichkeit zu erzielen. Zunächst wird eine Einführung in die Grundlagen des Information Retrieval und Linked Data gegeben. Anschließend werden neue manuelle und automatisierte Verfahren zum semantischen Annotieren von Dokumenten durch deren Verknüpfung mit Linked Data Ressourcen vorgestellt (Entity Linking). Eine umfassende Evaluation der Verfahren wird durchgeführt und das zu Grunde liegende Evaluationssystem umfangreich verbessert. Aufbauend auf den Annotationsverfahren werden zwei neue Retrievalmodelle zur semantischen Suche vorgestellt und evaluiert. Die Verfahren basieren auf dem generalisierten Vektorraummodell und beziehen die semantische Ähnlichkeit anhand von taxonomie-basierten Beziehungen der Linked Data Ressourcen in Dokumenten und Suchanfragen in die Berechnung der Suchergebnisrangfolge ein. Mit dem Ziel die Berechnung von semantischer Ähnlichkeit weiter zu verfeinern, wird ein Verfahren zur Priorisierung von Linked Data Ressourcen vorgestellt und evaluiert. Darauf aufbauend werden Visualisierungstechniken aufgezeigt mit dem Ziel, die Explorierbarkeit und Navigierbarkeit innerhalb eines semantisch annotierten Dokumentenkorpus zu verbessern. Hierfür werden zwei Anwendungen präsentiert. Zum einen eine Linked Data basierte explorative Erweiterung als Ergänzung zu einer traditionellen schlüsselwort-basierten Suchmaschine, zum anderen ein Linked Data basiertes Empfehlungssystem

Where are you talking about? Advances and Challenges of Geographic Analysis of Text with Application to Disease Monitoring

The Natural Language Processing task we focus on in this thesis is Geoparsing. Geoparsing is the process of extraction and grounding of toponyms (place names). Consider this sentence: "The victims of the Spanish earthquake off the coast of Malaga were of American and Mexican origin." Four toponyms will be extracted (called Geotagging) and grounded to their geographic coordinates (called Toponym Resolution). However, our research goes further than any previous work by showing how to distinguish the literal place(s) of the event (Spain, Malaga) from other linguistic types/uses such as nationalities (Mexican, American), improving downstream task accuracy. We consolidate and extend the Standard Evaluation Framework, discuss key research problems, then present concrete solutions in order to advance each stage of geoparsing. For geotagging, as well as training a SOTA neural Location-NER tagger, we simplify Metonymy Resolution with a novel minimalist feature extraction combined with an LSTM-based classifier, matching SOTA results. For toponym resolution, we deploy the latest deep learning methods to achieve SOTA performance by augmenting neural models with hitherto unused geographic features called Map Vectors. With each research project, we provide high-quality datasets and system prototypes, further building resources in this field. We then show how these geoparsing advances coupled with our proposed Intra-Document Analysis can be used to associate news articles with locations in order to monitor the spread of public health threats. To this end, we evaluate our research contributions with production data from a real-time downstream application to improve geolocation of news events for disease monitoring. The data was made available to us by the Joint Research Centre (JRC), which operates one such system called MediSys that processes incoming news articles in order to monitor threats to public health and make these available to a variety of governmental, business and non-profit organisations. We also discuss steps towards an end-to-end, automated news monitoring system and make actionable recommendations for future work. In summary, the thesis aims are twofold: (1) Generate original geoparsing research aimed at advancing each stage of the pipeline by addressing pertinent challenges with concrete solutions and actionable proposals. (2) Demonstrate how this research can be applied to news event monitoring to increase the efficacy of existing biosurveillance systems, e.g. European Commission’s MediSys.I was generously funded by DREAM CDT, which was funded by NERC of UKRI

Grounding event references in news

Events are frequently discussed in natural language, and their accurate identification is central to language understanding. Yet they are diverse and complex in ontology and reference; computational processing hence proves challenging. News provides a shared basis for communication by reporting events. We perform several studies into news event reference. One annotation study characterises each news report in terms of its update and topic events, but finds that topic is better consider through explicit references to background events. In this context, we propose the event linking task which—analogous to named entity linking or disambiguation—models the grounding of references to notable events. It defines the disambiguation of an event reference as a link to the archival article that first reports it. When two references are linked to the same article, they need not be references to the same event. Event linking hopes to provide an intuitive approximation to coreference, erring on the side of over-generation in contrast with the literature. The task is also distinguished in considering event references from multiple perspectives over time. We diagnostically evaluate the task by first linking references to past, newsworthy events in news and opinion pieces to an archive of the Sydney Morning Herald. The intensive annotation results in only a small corpus of 229 distinct links. However, we observe that a number of hyperlinks targeting online news correspond to event links. We thus acquire two large corpora of hyperlinks at very low cost. From these we learn weights for temporal and term overlap features in a retrieval system. These noisy data lead to significant performance gains over a bag-of-words baseline. While our initial system can accurately predict many event links, most will require deep linguistic processing for their disambiguation

Unsupervised quantification of entity consistency between photos and text in real-world news

Das World Wide Web und die sozialen Medien übernehmen im heutigen Informationszeitalter eine wichtige Rolle für die Vermittlung von Nachrichten und Informationen. In der Regel werden verschiedene Modalitäten im Sinne der Informationskodierung wie beispielsweise Fotos und Text verwendet, um Nachrichten effektiver zu vermitteln oder Aufmerksamkeit zu erregen. Kommunikations- und Sprachwissenschaftler erforschen das komplexe Zusammenspiel zwischen Modalitäten seit Jahrzehnten und haben unter Anderem untersucht, wie durch die Kombination der Modalitäten zusätzliche Informationen oder eine neue Bedeutungsebene entstehen können. Die Anzahl gemeinsamer Konzepte oder Entitäten (beispielsweise Personen, Orte und Ereignisse) zwischen Fotos und Text stellen einen wichtigen Aspekt für die Bewertung der Gesamtaussage und Bedeutung eines multimodalen Artikels dar. Automatisierte Ansätze zur Quantifizierung von Bild-Text-Beziehungen können für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden. Sie ermöglichen beispielsweise eine effiziente Exploration von Nachrichten, erleichtern die semantische Suche von Multimedia-Inhalten in (Web)-Archiven oder unterstützen menschliche Analysten bei der Evaluierung der Glaubwürdigkeit von Nachrichten. Allerdings gibt es bislang nur wenige Ansätze, die sich mit der Quantifizierung von Beziehungen zwischen Fotos und Text beschäftigen. Diese Ansätze berücksichtigen jedoch nicht explizit die intermodalen Beziehungen von Entitäten, welche eine wichtige Rolle in Nachrichten darstellen, oder basieren auf überwachten multimodalen Deep-Learning-Techniken. Diese überwachten Lernverfahren können ausschließlich die intermodalen Beziehungen von Entitäten detektieren, die in annotierten Trainingsdaten enthalten sind. Um diese Forschungslücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein unüberwachter Ansatz zur Quantifizierung der intermodalen Konsistenz von Entitäten zwischen Fotos und Text in realen multimodalen Nachrichtenartikeln vorgestellt. Im ersten Teil dieser Arbeit werden neuartige Verfahren auf Basis von Deep Learning zur Extrahierung von Informationen aus Fotos vorgestellt, um Ereignisse (Events), Orte, Zeitangaben und Personen automatisch zu erkennen. Diese Verfahren bilden eine wichtige Voraussetzung, um die Beziehungen von Entitäten zwischen Bild und Text zu bewerten. Zunächst wird ein Ansatz zur Ereignisklassifizierung präsentiert, der neuartige Optimierungsfunktionen und Gewichtungsschemata nutzt um Ontologie-Informationen aus einer Wissensdatenbank in ein Deep-Learning-Verfahren zu integrieren. Das Training erfolgt anhand eines neu vorgestellten Datensatzes, der 570.540 Fotos und eine Ontologie mit 148 Ereignistypen enthält. Der Ansatz übertrifft die Ergebnisse von Referenzsystemen die keine strukturierten Ontologie-Informationen verwenden. Weiterhin wird ein DeepLearning-Ansatz zur Schätzung des Aufnahmeortes von Fotos vorgeschlagen, der Kontextinformationen über die Umgebung (Innen-, Stadt-, oder Naturaufnahme) und von Erdpartitionen unterschiedlicher Granularität verwendet. Die vorgeschlagene Lösung übertrifft die bisher besten Ergebnisse von aktuellen Forschungsarbeiten, obwohl diese deutlich mehr Fotos zum Training verwenden. Darüber hinaus stellen wir den ersten Datensatz zur Schätzung des Aufnahmejahres von Fotos vor, der mehr als eine Million Bilder aus den Jahren 1930 bis 1999 umfasst. Dieser Datensatz wird für das Training von zwei Deep-Learning-Ansätzen zur Schätzung des Aufnahmejahres verwendet, welche die Aufgabe als Klassifizierungs- und Regressionsproblem behandeln. Beide Ansätze erzielen sehr gute Ergebnisse und übertreffen Annotationen von menschlichen Probanden. Schließlich wird ein neuartiger Ansatz zur Identifizierung von Personen des öffentlichen Lebens und ihres gemeinsamen Auftretens in Nachrichtenfotos aus der digitalen Bibliothek Internet Archiv präsentiert. Der Ansatz ermöglicht es unstrukturierte Webdaten aus dem Internet Archiv mit Metadaten, beispielsweise zur semantischen Suche, zu erweitern. Experimentelle Ergebnisse haben die Effektivität des zugrundeliegenden Deep-Learning-Ansatzes zur Personenerkennung bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein unüberwachtes System zur Quantifizierung von BildText-Beziehungen in realen Nachrichten vorgestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren liefert es automatisch neuartige Maße der intermodalen Konsistenz für verschiedene Entitätstypen (Personen, Orte und Ereignisse) sowie den Gesamtkontext. Das System ist nicht auf vordefinierte Datensätze angewiesen, und kann daher mit der Vielzahl und Diversität von Entitäten und Themen in Nachrichten umgehen. Zur Extrahierung von Entitäten aus dem Text werden geeignete Methoden der natürlichen Sprachverarbeitung eingesetzt. Examplarbilder für diese Entitäten werden automatisch aus dem Internet beschafft. Die vorgeschlagenen Methoden zur Informationsextraktion aus Fotos werden auf die Nachrichten- und heruntergeladenen Exemplarbilder angewendet, um die intermodale Konsistenz von Entitäten zu quantifizieren. Es werden zwei Aufgaben untersucht um die Qualität des vorgeschlagenen Ansatzes in realen Anwendungen zu bewerten. Experimentelle Ergebnisse für die Dokumentverifikation und die Beschaffung von Nachrichten mit geringer (potenzielle Fehlinformation) oder hoher multimodalen Konsistenz zeigen den Nutzen und das Potenzial des Ansatzes zur Unterstützung menschlicher Analysten bei der Untersuchung von Nachrichten.In today’s information age, the World Wide Web and social media are important sources for news and information. Different modalities (in the sense of information encoding) such as photos and text are typically used to communicate news more effectively or to attract attention. Communication scientists, linguists, and semioticians have studied the complex interplay between modalities for decades and investigated, e.g., how their combination can carry additional information or add a new level of meaning. The number of shared concepts or entities (e.g., persons, locations, and events) between photos and text is an important aspect to evaluate the overall message and meaning of an article. Computational models for the quantification of image-text relations can enable many applications. For example, they allow for more efficient exploration of news, facilitate semantic search and multimedia retrieval in large (web) archives, or assist human assessors in evaluating news for credibility. To date, only a few approaches have been suggested that quantify relations between photos and text. However, they either do not explicitly consider the cross-modal relations of entities – which are important in the news – or rely on supervised deep learning approaches that can only detect the cross-modal presence of entities covered in the labeled training data. To address this research gap, this thesis proposes an unsupervised approach that can quantify entity consistency between photos and text in multimodal real-world news articles. The first part of this thesis presents novel approaches based on deep learning for information extraction from photos to recognize events, locations, dates, and persons. These approaches are an important prerequisite to measure the cross-modal presence of entities in text and photos. First, an ontology-driven event classification approach that leverages new loss functions and weighting schemes is presented. It is trained on a novel dataset of 570,540 photos and an ontology with 148 event types. The proposed system outperforms approaches that do not use structured ontology information. Second, a novel deep learning approach for geolocation estimation is proposed that uses additional contextual information on the environmental setting (indoor, urban, natural) and from earth partitions of different granularity. The proposed solution outperforms state-of-the-art approaches, which are trained with significantly more photos. Third, we introduce the first large-scale dataset for date estimation with more than one million photos taken between 1930 and 1999, along with two deep learning approaches that treat date estimation as a classification and regression problem. Both approaches achieve very good results that are superior to human annotations. Finally, a novel approach is presented that identifies public persons and their co-occurrences in news photos extracted from the Internet Archive, which collects time-versioned snapshots of web pages that are rarely enriched with metadata relevant to multimedia retrieval. Experimental results confirm the effectiveness of the deep learning approach for person identification. The second part of this thesis introduces an unsupervised approach capable of quantifying image-text relations in real-world news. Unlike related work, the proposed solution automatically provides novel measures of cross-modal consistency for different entity types (persons, locations, and events) as well as the overall context. The approach does not rely on any predefined datasets to cope with the large amount and diversity of entities and topics covered in the news. State-of-the-art tools for natural language processing are applied to extract named entities from the text. Example photos for these entities are automatically crawled from the Web. The proposed methods for information extraction from photos are applied to both news images and example photos to quantify the cross-modal consistency of entities. Two tasks are introduced to assess the quality of the proposed approach in real-world applications. Experimental results for document verification and retrieval of news with either low (potential misinformation) or high cross-modal similarities demonstrate the feasibility of the approach and its potential to support human assessors to study news