Domain-independent Extraction of Scientific Concepts from Research Articles

We examine the novel task of domain-independent scientific concept extraction from abstracts of scholarly articles and present two contributions. First, we suggest a set of generic scientific concepts that have been identified in a systematic annotation process. This set of concepts is utilised to annotate a corpus of scientific abstracts from 10 domains of Science, Technology and Medicine at the phrasal level in a joint effort with domain experts. The resulting dataset is used in a set of benchmark experiments to (a) provide baseline performance for this task, (b) examine the transferability of concepts between domains. Second, we present two deep learning systems as baselines. In particular, we propose active learning to deal with different domains in our task. The experimental results show that (1) a substantial agreement is achievable by non-experts after consultation with domain experts, (2) the baseline system achieves a fairly high F1 score, (3) active learning enables us to nearly halve the amount of required training data.Comment: Accepted for publishing in 42nd European Conference on IR Research, ECIR 202

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

Measuring Similarity in Large-Scale Folksonomies

Social (or folksonomic) tagging has become a very popular way to describe content within Web 2.0 websites. Unlike\ud taxonomies, which overimpose a hierarchical categorisation of content, folksonomies enable end-users to freely create and choose the categories (in this case, tags) that best\ud describe some content. However, as tags are informally de-\ud fined, continually changing, and ungoverned, social tagging\ud has often been criticised for lowering, rather than increasing, the efficiency of searching, due to the number of synonyms, homonyms, polysemy, as well as the heterogeneity of\ud users and the noise they introduce. To address this issue, a\ud variety of approaches have been proposed that recommend\ud users what tags to use, both when labelling and when looking for resources. As we illustrate in this paper, real world\ud folksonomies are characterized by power law distributions\ud of tags, over which commonly used similarity metrics, including the Jaccard coefficient and the cosine similarity, fail\ud to compute. We thus propose a novel metric, specifically\ud developed to capture similarity in large-scale folksonomies,\ud that is based on a mutual reinforcement principle: that is,\ud two tags are deemed similar if they have been associated to\ud similar resources, and vice-versa two resources are deemed\ud similar if they have been labelled by similar tags. We offer an efficient realisation of this similarity metric, and assess its quality experimentally, by comparing it against cosine similarity, on three large-scale datasets, namely Bibsonomy, MovieLens and CiteULike

Resorting to Context-Aware Background Knowledge for Unveiling Semantically Related Social Media Posts

Social media networks have become a prime source for sharing news, opinions, and research accomplishments in various domains, and hundreds of millions of posts are announced daily. Given this wealth of information in social media, finding related announcements has become a relevant task, particularly in trending news (e.g., COVID-19 or lung cancer). To facilitate the search of connected posts, social networks enable users to annotate their posts, e.g., with hashtags in tweets. Albeit effective, an annotation-based search is limited because results will only include the posts that share the same annotations. This paper focuses on retrieving context-related posts based on a specific topic, and presents PINYON, a knowledge-driven framework, that retrieves associated posts effectively. PINYON implements a two-fold pipeline. First, it encodes, in a graph, a CORPUS of posts and an input post; posts are annotated with entities for existing knowledge graphs and connected based on the similarity of their entities. In a decoding phase, the encoded graph is used to discover communities of related posts. We cast this problem into the Vertex Coloring Problem, where communities of similar posts include the posts annotated with entities colored with the same colors. Built on results reported in the graph theory, PINYON implements the decoding phase guided by a heuristic-based method that determines relatedness among posts based on contextual knowledge, and efficiently groups the most similar posts in the same communities. PINYON is empirically evaluated on various datasets and compared with state-of-the-art implementations of the decoding phase. The quality of the generated communities is also analyzed based on multiple metrics. The observed outcomes indicate that PINYON accurately identifies semantically related posts in different contexts. Moreover, the reported results put in perspective the impact of known properties about the optimality of existing heuristics for vertex graph coloring and their implications on PINYON scalability

Cross-Domain information extraction from scientific articles for research knowledge graphs

Today’s scholarly communication is a document-centred process and as such, rather inefficient. Fundamental contents of research papers are not accessible by computers since they are only present in unstructured PDF files. Therefore, current research infrastructures are not able to assist scientists appropriately in their core research tasks. This thesis addresses this issue and proposes methods to automatically extract relevant information from scientific articles for Research Knowledge Graphs (RKGs) that represent scholarly knowledge structured and interlinked. First, this thesis conducts a requirements analysis for an Open Research Knowledge Graph (ORKG). We present literature-related use cases of researchers that should be supported by an ORKG-based system and their specific requirements for the underlying ontology and instance data. Based on this analysis, the identified use cases are categorised into two groups: The first group of use cases needs manual or semi-automatic approaches for knowledge graph (KG) construction since they require high correctness of the instance data. The second group requires high completeness and can tolerate noisy instance data. Thus, this group needs automatic approaches for KG population. This thesis focuses on the second group of use cases and provides contributions for machine learning tasks that aim to support them. To assess the relevance of a research paper, scientists usually skim through titles, abstracts, introductions, and conclusions. An organised presentation of the articles' essential information would make this process more time-efficient. The task of sequential sentence classification addresses this issue by classifying sentences in an article in categories like research problem, used methods, or obtained results. To address this problem, we propose a novel unified cross-domain multi-task deep learning approach that makes use of datasets from different scientific domains (e.g. biomedicine and computer graphics) and varying structures (e.g. datasets covering either only abstracts or full papers). Our approach outperforms the state of the art on full paper datasets significantly while being competitive for datasets consisting of abstracts. Moreover, our approach enables the categorisation of sentences in a domain-independent manner. Furthermore, we present the novel task of domain-independent information extraction to extract scientific concepts from research papers in a domain-independent manner. This task aims to support the use cases find related work and get recommended articles. For this purpose, we introduce a set of generic scientific concepts that are relevant over ten domains in Science, Technology, and Medicine (STM) and release an annotated dataset of 110 abstracts from these domains. Since the annotation of scientific text is costly, we suggest an active learning strategy based on a state-of-the-art deep learning approach. The proposed method enables us to nearly halve the amount of required training data. Then, we extend this domain-independent information extraction approach with the task of \textit{coreference resolution}. Coreference resolution aims to identify mentions that refer to the same concept or entity. Baseline results on our corpus with current state-of-the-art approaches for coreference resolution showed that current approaches perform poorly on scientific text. Therefore, we propose a sequential transfer learning approach that exploits annotated datasets from non-academic domains. Our experimental results demonstrate that our approach noticeably outperforms the state-of-the-art baselines. Additionally, we investigate the impact of coreference resolution on KG population. We demonstrate that coreference resolution has a small impact on the number of resulting concepts in the KG, but improved its quality significantly. Consequently, using our domain-independent information extraction approach, we populate an RKG from 55,485 abstracts of the ten investigated STM domains. We show that every domain mainly uses its own terminology and that the populated RKG contains useful concepts. Moreover, we propose a novel approach for the task of \textit{citation recommendation}. This task can help researchers improve the quality of their work by finding or recommending relevant related work. Our approach exploits RKGs that interlink research papers based on mentioned scientific concepts. Using our automatically populated RKG, we demonstrate that the combination of information from RKGs with existing state-of-the-art approaches is beneficial. Finally, we conclude the thesis and sketch possible directions of future work.Die Kommunikation von Forschungsergebnissen erfolgt heutzutage in Form von Dokumenten und ist aus verschiedenen Gründen ineffizient. Wesentliche Inhalte von Forschungsarbeiten sind für Computer nicht zugänglich, da sie in unstrukturierten PDF-Dateien verborgen sind. Daher können derzeitige Forschungsinfrastrukturen Forschende bei ihren Kernaufgaben nicht angemessen unterstützen. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Problemstellung und untersucht Methoden zur automatischen Extraktion von relevanten Informationen aus Forschungspapieren für Forschungswissensgraphen (Research Knowledge Graphs). Solche Graphen sollen wissenschaftliches Wissen maschinenlesbar strukturieren und verknüpfen. Zunächst wird eine Anforderungsanalyse für einen Open Research Knowledge Graph (ORKG) durchgeführt. Wir stellen literaturbezogene Anwendungsfälle von Forschenden vor, die durch ein ORKG-basiertes System unterstützt werden sollten, und deren spezifische Anforderungen an die zugrundeliegende Ontologie und die Instanzdaten. Darauf aufbauend werden die identifizierten Anwendungsfälle in zwei Gruppen eingeteilt: Die erste Gruppe von Anwendungsfällen benötigt manuelle oder halbautomatische Ansätze für die Konstruktion eines ORKG, da sie eine hohe Korrektheit der Instanzdaten erfordern. Die zweite Gruppe benötigt eine hohe Vollständigkeit der Instanzdaten und kann fehlerhafte Daten tolerieren. Daher erfordert diese Gruppe automatische Ansätze für die Konstruktion des ORKG. Diese Arbeit fokussiert sich auf die zweite Gruppe von Anwendungsfällen und schlägt Methoden für maschinelle Aufgabenstellungen vor, die diese Anwendungsfälle unterstützen können. Um die Relevanz eines Forschungsartikels effizient beurteilen zu können, schauen sich Forschende in der Regel die Titel, Zusammenfassungen, Einleitungen und Schlussfolgerungen an. Durch eine strukturierte Darstellung von wesentlichen Informationen des Artikels könnte dieser Prozess zeitsparender gestaltet werden. Die Aufgabenstellung der sequenziellen Satzklassifikation befasst sich mit diesem Problem, indem Sätze eines Artikels in Kategorien wie Forschungsproblem, verwendete Methoden oder erzielte Ergebnisse automatisch klassifiziert werden. In dieser Arbeit wird für diese Aufgabenstellung ein neuer vereinheitlichter Multi-Task Deep-Learning-Ansatz vorgeschlagen, der Datensätze aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen (z. B. Biomedizin und Computergrafik) mit unterschiedlichen Strukturen (z. B. Datensätze bestehend aus Zusammenfassungen oder vollständigen Artikeln) nutzt. Unser Ansatz übertrifft State-of-the-Art-Verfahren der Literatur auf Benchmark-Datensätzen bestehend aus vollständigen Forschungsartikeln. Außerdem ermöglicht unser Ansatz die Klassifizierung von Sätzen auf eine domänenunabhängige Weise. Darüber hinaus stellen wir die neue Aufgabenstellung domänenübergreifende Informationsextraktion vor. Hierbei werden, unabhängig vom behandelten wissenschaftlichen Fachgebiet, inhaltliche Konzepte aus Forschungspapieren extrahiert. Damit sollen die Anwendungsfälle Finden von verwandten Arbeiten und Empfehlung von Artikeln unterstützt werden. Zu diesem Zweck führen wir eine Reihe von generischen wissenschaftlichen Konzepten ein, die in zehn Bereichen der Wissenschaft, Technologie und Medizin (STM) relevant sind, und veröffentlichen einen annotierten Datensatz von 110 Zusammenfassungen aus diesen Bereichen. Da die Annotation wissenschaftlicher Texte aufwändig ist, kombinieren wir ein Active-Learning-Verfahren mit einem aktuellen Deep-Learning-Ansatz, um die notwendigen Trainingsdaten zu reduzieren. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es uns, die Menge der erforderlichen Trainingsdaten nahezu zu halbieren. Anschließend erweitern wir unseren domänenunabhängigen Ansatz zur Informationsextraktion um die Aufgabe der Koreferenzauflösung. Die Auflösung von Koreferenzen zielt darauf ab, Erwähnungen zu identifizieren, die sich auf dasselbe Konzept oder dieselbe Entität beziehen. Experimentelle Ergebnisse auf unserem Korpus mit aktuellen Ansätzen zur Koreferenzauflösung haben gezeigt, dass diese bei wissenschaftlichen Texten unzureichend abschneiden. Daher schlagen wir eine Transfer-Learning-Methode vor, die annotierte Datensätze aus nicht-akademischen Bereichen nutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz deutlich besser abschneidet als die bisherigen Ansätze. Darüber hinaus untersuchen wir den Einfluss der Koreferenzauflösung auf die Erstellung von Wissensgraphen. Wir zeigen, dass diese einen geringen Einfluss auf die Anzahl der resultierenden Konzepte in dem Wissensgraphen hat, aber die Qualität des Wissensgraphen deutlich verbessert. Mithilfe unseres domänenunabhängigen Ansatzes zur Informationsextraktion haben wir aus 55.485 Zusammenfassungen der zehn untersuchten STM-Domänen einen Forschungswissensgraphen erstellt. Unsere Analyse zeigt, dass jede Domäne hauptsächlich ihre eigene Terminologie verwendet und dass der erstellte Wissensgraph nützliche Konzepte enthält. Schließlich schlagen wir einen Ansatz für die Empfehlung von passenden Referenzen vor. Damit können Forschende einfacher relevante verwandte Arbeiten finden oder passende Empfehlungen erhalten. Unser Ansatz nutzt Forschungswissensgraphen, die Forschungsarbeiten mit in ihnen erwähnten wissenschaftlichen Konzepten verknüpfen. Wir zeigen, dass aktuelle Verfahren zur Empfehlung von Referenzen von zusätzlichen Informationen aus einem automatisch erstellten Wissensgraphen profitieren. Zum Schluss wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick für mögliche zukünftige Arbeiten gegeben

Investigating Citation Linkage Between Research Articles

In recent years, there has been a dramatic increase in scientific publications across the globe. To help navigate this overabundance of information, methods have been devised to find papers with related content, but they are lacking in the ability to provide specific information that a researcher may need without having to read hundreds of linked papers. The search and browsing capabilities of online domain specific scientific repositories are limited to finding a paper citing other papers, but do not point to the specific text that is being cited. Providing this capability to the research community will be beneficial in terms of the time required to acquire the amount of background information they need to undertake their research. In this thesis, we present our effort to develop a citation linkage framework for finding those sentences in a cited article that are the focus of a citation in a citing paper. This undertaking has involved the construction of datasets and corpora that are required to build models for focused information extraction, text classification and information retrieval. As the first part of this thesis, two preprocessing steps that are deemed to assist with the citation linkage task are explored: method mention extraction and rhetorical categorization of scientific discourse. In the second part of this thesis, two methodologies for achieving the citation linkage goal are investigated. Firstly, regression techniques have been used to predict the degree of similarity between citation sentences and their equivalent target sentences with medium Pearson correlation score between predicted and expected values. The resulting learning models are then used to rank sentences in the cited paper based on their predicted scores. Secondly, search engine-like retrieval techniques have been used to rank sentences in the cited paper based on the words contained in the citation sentence. Our experiments show that it is possible to find the set of sentences that a citation refers to in a cited paper with reasonable performance. Possible applications of this work include: creation of better science paper repository navigation tools, development of scientific argumentation across research articles, and multi-document summarization of science articles

A Framework to compare text annotators and its applications

Text in human languages have a low logic structure and are inherently ambiguous. For this reason, the typical approach of Information Retrieval to text documents has been based on the Bag-of-words model, in which documents are analyzed only by the occurrence of terms, discarding any possible structure. But a recently developing line of research is devoted to adding structure to unstructured text, by recognizing the topics contained in a text and annotate them. Topic annotators are systems that have the purpose of linking a natural language document to the topics that are relevant for describing the content of the document. This systems can be applied to many classic problems of Information Retrieval: the categorization of a document can be based on its topics; the clustering of a set of documents can be done using their topics to find similarities; for a search engine, it would be easier to find relevant pages if there was a way to know the topics that the query expresses and search for them in the cached web pages. In this thesis, we present a formal framework that describe the problems related to topic retrieval, the algorithms that solve those problems, and the way they can be benchmarked