Knowledge-based and data-driven approaches for geographical information access

Geographical Information Access (GeoIA) can be defined as a way of retrieving information from textual collections that includes the automatic analysis and interpretation of the geographical constraints and terms present in queries and documents. This PhD thesis presents, describes and evaluates several heterogeneous approaches for the following three GeoIA tasks: Geographical Information Retrieval (GIR), Geographical Question Answering (GeoQA), and Textual Georeferencing (TG). The GIR task deals with user queries that search over documents (e.g. ¿vineyards in California?) and the GeoQA task treats questions that retrieve answers (e.g. ¿What is the capital of France?). On the other hand, TG is the task of associate one or more georeferences (such as polygons or coordinates in a geodetic reference system) to electronic documents. Current state-of-the-art AI algorithms are not yet fully understanding the semantic meaning and the geographical constraints and terms present in queries and document collections. This thesis attempts to improve the effectiveness results of GeoIA tasks by: 1) improving the detection, understanding, and use of a part of the geographical and the thematic content of queries and documents with Toponym Recognition, Toponym Disambiguation and Natural Language Processing (NLP) techniques, and 2) combining Geographical Knowledge-Based Heuristics based on common sense with Data-Driven IR algorithms. The main contributions of this thesis to the state-of-the-art of GeoIA tasks are: 1) The presentation of 10 novel approaches for GeoIA tasks: 3 approaches for GIR, 3 for GeoQA, and 4 for Textual Georeferencing (TG). 2) The evaluation of these novel approaches in these contexts: within official evaluation benchmarks, after evaluation benchmarks with the test collections, and with other specific datasets. Most of these algorithms have been evaluated in international evaluations and some of them achieved top-ranked state-of-the-art results, including top-performing results in GIR (GeoCLEF 2007) and TG (MediaEval 2014) benchmarks. 3) The experiments reported in this PhD thesis show that the approaches can combine effectively Geographical Knowledge and NLP with Data-Driven techniques to improve the efectiveness measures of the three Geographical Information Access tasks investigated. 4) TALPGeoIR: a novel GIR approach that combines Geographical Knowledge ReRanking (GeoKR), NLP and Relevance Feedback (RF) that achieved state-of-the-art results in official GeoCLEF benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2015a). This approach has been evaluated with the full GeoCLEF corpus (100 topics) and showed that GeoKR, NLP, and RF techniques evaluated separately or in combination improve the results in MAP and R-Precision effectiveness measures of the state-of-the-art IR algorithms TF-IDF, BM25 and InL2 and show statistical significance in most of the experiments. 5) GeoTALP-QA: a scope-based GeoQA approach for Spanish and English and its evaluation with a set of questions of the Spanish geography (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Four state-of-the-art Textual Georeferencing approaches for informal and formal documents that achieved state-of-the-art results in evaluation benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2014) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).L'Accés a la Informació Geogràfica (GeoAI) pot ser definit com una forma de recuperar informació de col·lecions textuals que inclou l'anàlisi automàtic i la interpretació dels termes i restriccions geogràfiques que apareixen en consultes i documents. Aquesta tesi doctoral presenta, descriu i avalua varies aproximacions heterogènies a les seguents tasques de GeoAI: Recuperació de la Informació Geogràfica (RIG), Cerca de la Resposta Geogràfica (GeoCR), i Georeferenciament Textual (GT). La tasca de RIG tracta amb consultes d'usuari que cerquen documents (e.g. ¿vinyes a California?) i la tasca GeoCR tracta de recuperar respostes concretes a preguntes (e.g. ¿Quina és la capital de França?). D'altra banda, GT es la tasca de relacionar una o més referències geogràfiques (com polígons o coordenades en un sistema de referència geodètic) a documents electrònics. Els algoritmes de l'estat de l'art actual en Intel·ligència Artificial encara no comprenen completament el significat semàntic i els termes i les restriccions geogràfiques presents en consultes i col·leccions de documents. Aquesta tesi intenta millorar els resultats en efectivitat de les tasques de GeoAI de la seguent manera: 1) millorant la detecció, comprensió, i la utilització d'una part del contingut geogràfic i temàtic de les consultes i documents amb tècniques de reconeixement de topònims, desambiguació de topònims, i Processament del Llenguatge Natural (PLN), i 2) combinant heurístics basats en Coneixement Geogràfic i en el sentit comú humà amb algoritmes de Recuperació de la Informació basats en dades. Les principals contribucions d'aquesta tesi a l'estat de l'art de les tasques de GeoAI són: 1) La presentació de 10 noves aproximacions a les tasques de GeoAI: 3 aproximacions per RIG, 3 per GeoCR, i 4 per Georeferenciament Textual (GT). 2) L'avaluació d'aquestes noves aproximacions en aquests contexts: en el marc d'avaluacions comparatives internacionals, posteriorment a avaluacions comparatives internacionals amb les col·lections de test, i amb altres conjunts de dades específics. La majoria d'aquests algoritmes han estat avaluats en avaluacions comparatives internacionals i alguns d'ells aconseguiren alguns dels millors resultats en l'estat de l'art, com per exemple els resultats en comparatives de RIG (GeoCLEF 2007) i GT (MediaEval 2014). 3) Els experiments descrits en aquesta tesi mostren que les aproximacions poden combinar coneixement geogràfic i PLN amb tècniques basades en dades per millorar les mesures d'efectivitat en les tres tasques de l'Accés a la Informació Geogràfica investigades. 4) TALPGeoIR: una nova aproximació a la RIG que combina Re-Ranking amb Coneixement Geogràfic (GeoKR), PLN i Retroalimentació de Rellevancia (RR) que aconseguí resultats en l'estat de l'art en comparatives oficials GeoCLEF (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2015a). Aquesta aproximació ha estat avaluada amb el conjunt complert del corpus GeoCLEF (100 topics) i ha mostrat que les tècniques GeoKR, PLN i RR avaluades separadament o en combinació milloren els resultats en les mesures efectivitat MAP i R-Precision dels algoritmes de l'estat de l'art en Recuperació de la Infomació TF-IDF, BM25 i InL2 i a més mostren significació estadística en la majoria dels experiments. 5) GeoTALP-QA: una aproximació basada en l'àmbit geogràfic per espanyol i anglès i la seva avaluació amb un conjunt de preguntes de la geografía espanyola (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Quatre aproximacions per al georeferenciament de documents formals i informals que obtingueren resultats en l'estat de l'art en avaluacions comparatives (Ferrés and Rodríguez, 2014) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b)

Knowledge-based and data-driven approaches for geographical information access

Geographical Information Access (GeoIA) can be defined as a way of retrieving information from textual collections that includes the automatic analysis and interpretation of the geographical constraints and terms present in queries and documents. This PhD thesis presents, describes and evaluates several heterogeneous approaches for the following three GeoIA tasks: Geographical Information Retrieval (GIR), Geographical Question Answering (GeoQA), and Textual Georeferencing (TG). The GIR task deals with user queries that search over documents (e.g. ¿vineyards in California?) and the GeoQA task treats questions that retrieve answers (e.g. ¿What is the capital of France?). On the other hand, TG is the task of associate one or more georeferences (such as polygons or coordinates in a geodetic reference system) to electronic documents. Current state-of-the-art AI algorithms are not yet fully understanding the semantic meaning and the geographical constraints and terms present in queries and document collections. This thesis attempts to improve the effectiveness results of GeoIA tasks by: 1) improving the detection, understanding, and use of a part of the geographical and the thematic content of queries and documents with Toponym Recognition, Toponym Disambiguation and Natural Language Processing (NLP) techniques, and 2) combining Geographical Knowledge-Based Heuristics based on common sense with Data-Driven IR algorithms. The main contributions of this thesis to the state-of-the-art of GeoIA tasks are: 1) The presentation of 10 novel approaches for GeoIA tasks: 3 approaches for GIR, 3 for GeoQA, and 4 for Textual Georeferencing (TG). 2) The evaluation of these novel approaches in these contexts: within official evaluation benchmarks, after evaluation benchmarks with the test collections, and with other specific datasets. Most of these algorithms have been evaluated in international evaluations and some of them achieved top-ranked state-of-the-art results, including top-performing results in GIR (GeoCLEF 2007) and TG (MediaEval 2014) benchmarks. 3) The experiments reported in this PhD thesis show that the approaches can combine effectively Geographical Knowledge and NLP with Data-Driven techniques to improve the efectiveness measures of the three Geographical Information Access tasks investigated. 4) TALPGeoIR: a novel GIR approach that combines Geographical Knowledge ReRanking (GeoKR), NLP and Relevance Feedback (RF) that achieved state-of-the-art results in official GeoCLEF benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2015a). This approach has been evaluated with the full GeoCLEF corpus (100 topics) and showed that GeoKR, NLP, and RF techniques evaluated separately or in combination improve the results in MAP and R-Precision effectiveness measures of the state-of-the-art IR algorithms TF-IDF, BM25 and InL2 and show statistical significance in most of the experiments. 5) GeoTALP-QA: a scope-based GeoQA approach for Spanish and English and its evaluation with a set of questions of the Spanish geography (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Four state-of-the-art Textual Georeferencing approaches for informal and formal documents that achieved state-of-the-art results in evaluation benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2014) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).L'Accés a la Informació Geogràfica (GeoAI) pot ser definit com una forma de recuperar informació de col·lecions textuals que inclou l'anàlisi automàtic i la interpretació dels termes i restriccions geogràfiques que apareixen en consultes i documents. Aquesta tesi doctoral presenta, descriu i avalua varies aproximacions heterogènies a les seguents tasques de GeoAI: Recuperació de la Informació Geogràfica (RIG), Cerca de la Resposta Geogràfica (GeoCR), i Georeferenciament Textual (GT). La tasca de RIG tracta amb consultes d'usuari que cerquen documents (e.g. ¿vinyes a California?) i la tasca GeoCR tracta de recuperar respostes concretes a preguntes (e.g. ¿Quina és la capital de França?). D'altra banda, GT es la tasca de relacionar una o més referències geogràfiques (com polígons o coordenades en un sistema de referència geodètic) a documents electrònics. Els algoritmes de l'estat de l'art actual en Intel·ligència Artificial encara no comprenen completament el significat semàntic i els termes i les restriccions geogràfiques presents en consultes i col·leccions de documents. Aquesta tesi intenta millorar els resultats en efectivitat de les tasques de GeoAI de la seguent manera: 1) millorant la detecció, comprensió, i la utilització d'una part del contingut geogràfic i temàtic de les consultes i documents amb tècniques de reconeixement de topònims, desambiguació de topònims, i Processament del Llenguatge Natural (PLN), i 2) combinant heurístics basats en Coneixement Geogràfic i en el sentit comú humà amb algoritmes de Recuperació de la Informació basats en dades. Les principals contribucions d'aquesta tesi a l'estat de l'art de les tasques de GeoAI són: 1) La presentació de 10 noves aproximacions a les tasques de GeoAI: 3 aproximacions per RIG, 3 per GeoCR, i 4 per Georeferenciament Textual (GT). 2) L'avaluació d'aquestes noves aproximacions en aquests contexts: en el marc d'avaluacions comparatives internacionals, posteriorment a avaluacions comparatives internacionals amb les col·lections de test, i amb altres conjunts de dades específics. La majoria d'aquests algoritmes han estat avaluats en avaluacions comparatives internacionals i alguns d'ells aconseguiren alguns dels millors resultats en l'estat de l'art, com per exemple els resultats en comparatives de RIG (GeoCLEF 2007) i GT (MediaEval 2014). 3) Els experiments descrits en aquesta tesi mostren que les aproximacions poden combinar coneixement geogràfic i PLN amb tècniques basades en dades per millorar les mesures d'efectivitat en les tres tasques de l'Accés a la Informació Geogràfica investigades. 4) TALPGeoIR: una nova aproximació a la RIG que combina Re-Ranking amb Coneixement Geogràfic (GeoKR), PLN i Retroalimentació de Rellevancia (RR) que aconseguí resultats en l'estat de l'art en comparatives oficials GeoCLEF (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2015a). Aquesta aproximació ha estat avaluada amb el conjunt complert del corpus GeoCLEF (100 topics) i ha mostrat que les tècniques GeoKR, PLN i RR avaluades separadament o en combinació milloren els resultats en les mesures efectivitat MAP i R-Precision dels algoritmes de l'estat de l'art en Recuperació de la Infomació TF-IDF, BM25 i InL2 i a més mostren significació estadística en la majoria dels experiments. 5) GeoTALP-QA: una aproximació basada en l'àmbit geogràfic per espanyol i anglès i la seva avaluació amb un conjunt de preguntes de la geografía espanyola (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Quatre aproximacions per al georeferenciament de documents formals i informals que obtingueren resultats en l'estat de l'art en avaluacions comparatives (Ferrés and Rodríguez, 2014) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).Postprint (published version

The effectiveness of a computer-supported intervention targeting phonological recoding and orthographic processing for children with word reading impairment

This research designed, developed, trialled, and evaluated a reading intervention targeting phonological recoding and orthographic processing for children with persistent reading impairment. Eight otherwise typically developing Year 2 participants with reading delay despite previous intervention, were randomly assigned to two groups in a single subject multiple-treatment cross-over design study. The results of group and individual analyses indicated that all participants made significant gains on measures of nonword reading with trends for gains in word reading

Bootstrapping named entity resources for adaptive question answering systems

Los Sistemas de Búsqueda de Respuestas (SBR) amplían las capacidades de un buscador de información tradicional con la capacidad de encontrar respuestas precisas a las preguntas del usuario. El objetivo principal es facilitar el acceso a la información y disminuir el tiempo y el esfuerzo que el usuario debe emplear para encontrar una información concreta en una lista de documentos relevantes. En esta investigación se han abordado dos trabajos relacionados con los SBR. La primera parte presenta una arquitectura para SBR en castellano basada en la combinación y adaptación de diferentes técnicas de Recuperación y de Extracción de Información. Esta arquitectura está integrada por tres módulos principales que incluyen el análisis de la pregunta, la recuperación de pasajes relevantes y la extracción y selección de respuestas. En ella se ha prestado especial atención al tratamiento de las Entidades Nombradas puesto que, con frecuencia, son el tema de las preguntas o son buenas candidatas como respuestas. La propuesta se ha encarnado en el SBR del grupo MIRACLE que ha sido evaluado de forma independiente durante varias ediciones en la tarea compartida CLEF@QA, parte del foro de evaluación competitiva Cross-Language Evaluation Forum (CLEF). Se describen aquí las participaciones y los resultados obtenidos entre 2004 y 2007. El SBR de MIRACLE ha obtenido resultados moderados en el desempeño de la tarea con tasas de respuestas correctas entre el 20% y el 30%. Entre los resultados obtenidos destacan los de la tarea principal de 2005 y la tarea piloto de Búsqueda de Respuestas en tiempo real de 2006, RealTimeQA. Esta última tarea, además de requerir respuestas correctas incluía el tiempo de respuesta como un factor adicional en la evaluación. Estos resultados respaldan la validez de la arquitectura propuesta como una alternativa viable para los SBR sobre colecciones textuales y también corrobora resultados similares para el inglés y otras lenguas. Por otro lado, el análisis de los resultados a lo largo de las diferentes ediciones de CLEF así como la comparación con otros SBR apunta nuevos problemas y retos. Según nuestra experiencia, los sistemas de QA son más complicados de adaptar a otros dominios y lenguas que los sistemas de Recuperación de Información. Este problema viene heredado del uso de herramientas complejas de análisis de lenguaje como analizadores morfológicos, sintácticos y semánticos. Entre estos últimos se cuentan las herramientas para el Reconocimiento y Clasificación de Entidades Nombradas (NERC en inglés) así como para la Detección y Clasificación de Relaciones (RDC en inglés). Debido a la di cultad de adaptación del SBR a distintos dominios y colecciones, en la segunda parte de esta tesis se investiga una propuesta diferente basada en la adquisición de conocimiento mediante métodos de aprendizaje ligeramente supervisado. El objetivo de esta investigación es adquirir recursos semánticos útiles para las tareas de NERC y RDC usando colecciones de textos no anotados. Además, se trata de eliminar la dependencia de herramientas de análisis lingüístico con el fin de facilitar que las técnicas sean portables a diferentes dominios e idiomas. En primer lugar, se ha realizado un estudio de diferentes algoritmos para NERC y RDC de forma semisupervisada a partir de unos pocos ejemplos (bootstrapping). Este trabajo propone primero una arquitectura común y compara diferentes funciones que se han usado en la evaluación y selección de resultados intermedios, tanto instancias como patrones. La principal propuesta es un nuevo algoritmo que permite la adquisición simultánea e iterativa de instancias y patrones asociados a una relación. Incluye también la posibilidad de adquirir varias relaciones de forma simultánea y mediante el uso de la hipótesis de exclusividad obtener mejores resultados. Como característica distintiva el algoritmo explora la colección de textos con una estrategia basada en indización, que permite adquirir conocimiento de grandes colecciones. La estrategia de selección de candidatos y la evaluación se basan en la construcción de un grafo de instancias y patrones, que justifica nuestro método para la selección de candidatos. Este procedimiento es semejante al frente de exploración de una araña web y permite encontrar las instancias más parecidas a las semillas con las evidencias disponibles. Este algoritmo se ha implementado en el sistema SPINDEL y para su evaluación se ha comenzado con el caso concreto de la adquisición de recursos para las clases de Entidades Nombradas más comunes, Persona, Lugar y Organización. El objetivo es adquirir nombres asociados a cada una de las categorías así como patrones contextuales que permitan detectar menciones asociadas a una clase. Se presentan resultados para la adquisición de dos idiomas distintos, castellano e inglés, y para el castellano, en dos dominios diferentes, noticias y textos de una enciclopedia colaborativa, Wikipedia. En ambos casos el uso de herramientas de análisis lingüístico se ha limitado de acuerdo con el objetivo de avanzar hacia la independencia de idioma. Las listas adquiridas mediante bootstrapping parten de menos de 40 semillas por clase y obtienen del orden de 30.000 instancias de calidad variable. Además se obtienen listas de patrones indicativos asociados a cada clase de entidad. La evaluación indirecta confirma la utilidad de ambos recursos en la clasificación de Entidades Nombradas usando un enfoque simple basado únicamente en diccionarios. La mejor configuración obtiene para la clasificación en castellano una medida F de 67,17 y para inglés de 55,99. Además se confirma la utilidad de los patrones adquiridos que en ambos casos ayudan a mejorar la cobertura. El módulo requiere menor esfuerzo de desarrollo que los enfoques supervisados, si incluimos la necesidad de anotación, aunque su rendimiento es inferior por el momento. En definitiva, esta investigación constituye un primer paso hacia el desarrollo de aplicaciones semánticas como los SBR que requieran menos esfuerzo de adaptación a un dominio o lenguaje nuevo.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Question Answering (QA) systems add new capabilities to traditional search engines with the ability to find precise answers to user questions. Their objective is to enable easier information access by reducing the time and effort that the user requires to find a concrete information among a list of relevant documents. In this thesis we have carried out two works related with QA systems. The first part introduces an architecture for QA systems for Spanish which is based on the combination and adaptation of different techniques from Information Retrieval (IR) and Information Extraction (IE). This architecture is composed by three modules that include question analysis, relevant passage retrieval and answer extraction and selection. The appropriate processing of Named Entities (NE) has received special attention because of their importance as question themes and candidate answers. The proposed architecture has been implemented as part of the MIRACLE QA system. This system has taken part in independent evaluations like the CLEF@QA track in the Cross-Language Evaluation Forum (CLEF). Results from 2004 to 2007 campaigns as well as the details and the evolution of the system have been described in deep. The MIRACLE QA system has obtained moderate performance with a first answer accuracy ranging between 20% and 30%. Nevertheless, it is important to highlight the results obtained in the 2005 main QA task and the RealTimeQA pilot task in 2006. The last one included response time as an important additional variable of the evaluation. These results back the proposed architecture as an option for QA from textual collection and confirm similar findings obtained for English and other languages. On the other hand, the analysis of the results along evaluation campaigns and the comparison with other QA systems point problems with current systems and new challenges. According to our experience, it is more dificult to tailor QA systems to different domains and languages than IR systems. The problem is inherited by the use of complex language analysis tools like POS taggers, parsers and other semantic analyzers, like NE Recognition and Classification (NERC) and Relation Detection and Characterization (RDC) tools. The second part of this thesis tackles this problem and proposes a different approach to adapting QA systems for di erent languages and collections. The proposal focuses on acquiring knowledge for the semantic analyzers based on lightly supervised approaches. The goal is to obtain useful resources that help to perform NERC or RDC using as few annotated resources as possible. Besides, we try to avoid dependencies from other language analysis tools with the purpose that these methods apply to different languages and domains. First of all, we have study previous work on building NERC and RDC modules with few supervision, particularly bootstrapping methods. We propose a common framework for different bootstrapping systems that help to unify different evaluation functions for intermediate results. The main proposal is a new algorithm that is able to simultaneously acquire instances and patterns associated to a relation of interest. It also uses mutual exclusion among relations to reduce concept drift and achieve better results. A distinctive characteristic is that it uses a query based exploration strategy of the text collection which enables their use for larger collections. Candidate selection and evaluation are based on incrementally building a graph of instances and patterns which also justifies our evaluation function. The discovery approach is analogous to the front of exploration in a web crawler and it is able to find the most similar instances to the available seeds. This algorithm has been implemented in the SPINDEL system. We have selected for evaluation the task of acquiring resources for the most common NE classes, Person, Location and Organization. The objective is to acquire name instances that belong to any of the classes as well as contextual patterns that help to detect mentions of NE that belong to that class. We present results for the acquisition of resources from raw text from two different languages, Spanish and English. We also performed experiments for Spanish in two different collections, news and texts from a collaborative encyclopedia, Wikipedia. Both cases are tackled with limited language analysis tools and resources. With an initial list of 40 instance seeds, the bootstrapping process is able to acquire large name lists containing up to 30.000 instances with a variable quality. Besides, large lists of indicative patterns are obtained too. Our indirect evaluation confirms the utility of both resources to classify NE using a simple dictionary recognition approach. Best results for Spanish obtained a F-score of 67,17 and for English this value is 55,99. The module requires much less development effort than annotation for supervised algorithms although the performance is not in pair yet. This research is a first step towards the development of semantic applications like QA for a new language or domain with no annotated corpora that requires less adaptation effort

TALP at WePS-3 2010

In this paper we present our system and experiments at the Third Web People Search Workshop (WePS-3) task for clustering web people search documents in English. In our experiments we used a simple approach with three algorithms: Lingo, Hierachical Agglomerative Clustering (HAC), and a 2-step HAC algorithm. We also present the results and initial conclusions in the context of the WePS-3 Task 1 for clustering. We obtained best results with HAC and 2-step HAC algorithms

TALP at WePS-3 2010

Abstract. In this paper we present our system and experiments at the Third Web People Search Workshop (WePS-3) task for clustering web people search documents in English. In our experiments we used a simple approach with three algorithms: Lingo, Hierachical Agglomerative Clustering (HAC), and a 2-step HAC algorithm. We also present the results and initial conclusions in the context of the WePS-3 Task 1 for clustering. We obtained best results with HAC and 2-step HAC algorithms.