A Survey of Volunteered Open Geo-Knowledge Bases in the Semantic Web

Over the past decade, rapid advances in web technologies, coupled with innovative models of spatial data collection and consumption, have generated a robust growth in geo-referenced information, resulting in spatial information overload. Increasing 'geographic intelligence' in traditional text-based information retrieval has become a prominent approach to respond to this issue and to fulfill users' spatial information needs. Numerous efforts in the Semantic Geospatial Web, Volunteered Geographic Information (VGI), and the Linking Open Data initiative have converged in a constellation of open knowledge bases, freely available online. In this article, we survey these open knowledge bases, focusing on their geospatial dimension. Particular attention is devoted to the crucial issue of the quality of geo-knowledge bases, as well as of crowdsourced data. A new knowledge base, the OpenStreetMap Semantic Network, is outlined as our contribution to this area. Research directions in information integration and Geographic Information Retrieval (GIR) are then reviewed, with a critical discussion of their current limitations and future prospects

Geospatial Semantics

Geospatial semantics is a broad field that involves a variety of research areas. The term semantics refers to the meaning of things, and is in contrast with the term syntactics. Accordingly, studies on geospatial semantics usually focus on understanding the meaning of geographic entities as well as their counterparts in the cognitive and digital world, such as cognitive geographic concepts and digital gazetteers. Geospatial semantics can also facilitate the design of geographic information systems (GIS) by enhancing the interoperability of distributed systems and developing more intelligent interfaces for user interactions. During the past years, a lot of research has been conducted, approaching geospatial semantics from different perspectives, using a variety of methods, and targeting different problems. Meanwhile, the arrival of big geo data, especially the large amount of unstructured text data on the Web, and the fast development of natural language processing methods enable new research directions in geospatial semantics. This chapter, therefore, provides a systematic review on the existing geospatial semantic research. Six major research areas are identified and discussed, including semantic interoperability, digital gazetteers, geographic information retrieval, geospatial Semantic Web, place semantics, and cognitive geographic concepts.Comment: Yingjie Hu (2017). Geospatial Semantics. In Bo Huang, Thomas J. Cova, and Ming-Hsiang Tsou et al. (Eds): Comprehensive Geographic Information Systems, Elsevier. Oxford, U

Automatic reconstruction of itineraries from descriptive texts

Esta tesis se inscribe dentro del marco del proyecto PERDIDO donde los objetivos son la extracción y reconstrucción de itinerarios a partir de documentos textuales. Este trabajo se ha realizado en colaboración entre el laboratorio LIUPPA de l' Université de Pau et des Pays de l' Adour (France), el grupo de Sistemas de Información Avanzados (IAAA) de la Universidad de Zaragoza y el laboratorio COGIT de l' IGN (France). El objetivo de esta tesis es concebir un sistema automático que permita extraer, a partir de guías de viaje o descripciones de itinerarios, los desplazamientos, además de representarlos sobre un mapa. Se propone una aproximación para la representación automática de itinerarios descritos en lenguaje natural. Nuestra propuesta se divide en dos tareas principales. La primera pretende identificar y extraer de los textos describiendo itinerarios información como entidades espaciales y expresiones de desplazamiento o percepción. El objetivo de la segunda tarea es la reconstrucción del itinerario. Nuestra propuesta combina información local extraída gracias al procesamiento del lenguaje natural con datos extraídos de fuentes geográficas externas (por ejemplo, gazetteers). La etapa de anotación de informaciones espaciales se realiza mediante una aproximación que combina el etiquetado morfo-sintáctico y los patrones léxico-sintácticos (cascada de transductores) con el fin de anotar entidades nombradas espaciales y expresiones de desplazamiento y percepción. Una primera contribución a la primera tarea es la desambiguación de topónimos, que es un problema todavía mal resuelto dentro del reconocimiento de entidades nombradas (Named Entity Recognition - NER) y esencial en la recuperación de información geográfica. Se plantea un algoritmo no supervisado de georreferenciación basado en una técnica de clustering capaz de proponer una solución para desambiguar los topónimos los topónimos encontrados en recursos geográficos externos, y al mismo tiempo, la localización de topónimos no referenciados. Se propone un modelo de grafo genérico para la reconstrucción automática de itinerarios, donde cada nodo representa un lugar y cada arista representa un camino enlazando dos lugares. La originalidad de nuestro modelo es que además de tener en cuenta los elementos habituales (caminos y puntos del recorrido), permite representar otros elementos involucrados en la descripción de un itinerario, como por ejemplo los puntos de referencia visual. Se calcula de un árbol de recubrimiento mínimo a partir de un grafo ponderado para obtener automáticamente un itinerario bajo la forma de un grafo. Cada arista del grafo inicial se pondera mediante un método de análisis multicriterio que combina criterios cualitativos y cuantitativos. El valor de estos criterios se determina a partir de informaciones extraídas del texto e informaciones provenientes de recursos geográficos externos. Por ejemplo, se combinan las informaciones generadas por el procesamiento del lenguaje natural como las relaciones espaciales describiendo una orientación (ej: dirigirse hacia el sur) con las coordenadas geográficas de lugares encontrados dentro de los recursos para determinar el valor del criterio ``relación espacial''. Además, a partir de la definición del concepto de itinerario y de las informaciones utilizadas en la lengua para describir un itinerario, se ha modelado un lenguaje de anotación de información espacial adaptado a la descripción de desplazamientos, apoyándonos en las recomendaciones del consorcio TEI (Text Encoding and Interchange). Finalmente, se ha implementado y evaluado las diferentes etapas de nuestra aproximación sobre un corpus multilingüe de descripciones de senderos y excursiones (francés, español, italiano)

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

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)

GEIR: a Full-Fledged Geographically Enhanced Information Retrieval Solution

With the development of search engines (e.g. Google, Bing, Yahoo, etc.), people is ambitiously expecting higher quality and improvements of current technologies. Bringing human intelligence features to these tools, like the ability to find implicit information through semantics, is one of the must prominent research lines in Computer Science. Information semantics is a very wide concept, as wide as the human capability to interpret, in particular, the analysis of geographical semantics gives the possibility to associate information with a place. It is estimated that more than 70\% of all information in the world has some kind of geographic features \cite{Jones04}. In 2012, Ed Parsons, a GeoSpatial Technologist from Google, reported that between 30\% and 40\% of the user queries at Google search engine contain geographic references \cite{Parsons12}. This thesis addresses the field of geographic information extraction and retrieval in unstructured texts. This process includes the identification of spatial features in textual documents, the data indexing, the manipulation of the relevance of the identified geographic entities and the multi-criteria retrieval according to the thematic and geographic information. The main contributions of this work include a custom geographic knowledge base, built from the combination of GeoNames and WordNet; a Natural Language Processing and knowledge based heuristics for Toponym Recognition and Toponym Disambiguation; and a geographic relevance weighting model that supports non-spatial indexing and simple ranking combination approaches. The validity of each one of these components is supported by practical experiments that show their effectiveness in different scenarios and their alignment with state of the art solutions. In addition, it also constitutes a main contribution of this work GEIR, a general purpose GIR framework that includes the implementations of the above described components and brings the possibility of implementing new ones and test their performance within an end to end GIR system

Uncertainty handling in named entity extraction and disambiguation for informal text

Social media content represents a large portion of all textual content appearing on the Internet. These streams of user generated content (UGC) provide an opportunity and challenge for media analysts to analyze huge amount of new data and use them to infer and reason with new information. A main challenge of natural language is its ambiguity and vagueness. To automatically resolve ambiguity, the grammatical structure of sentences is used. However, when we move to informal language widely used in social media, the language becomes more ambiguous and thus more challenging for automatic understanding.\ud Information Extraction (IE) is the research field that enables the use of unstructured text in a structured way. Named Entity Extraction (NEE) is a sub task of IE that aims to locate phrases (mentions) in the text that represent names of entities such as persons, organizations or locations regardless of their type. Named Entity Disambiguation (NED) is the task of determining which correct person, place, event, etc. is referred to by a mention.\ud The goal of this paper is to provide an overview on some approaches that mimic the human way of recognition and disambiguation of named entities especially for domains that lack formal sentence structure. The proposed methods open the doors for more sophisticated applications based on users’ contributions on social media. We propose a robust combined framework for NEE and NED in semi-formal and informal text. The achieved robustness has been proven to be valid across languages and domains and to be independent of the selected extraction and disambiguation techniques. It is also shown to be robust against the informality of the used language. We have discovered a reinforcement effect and exploited it a technique that improves extraction quality by feeding back disambiguation results. We present a method of handling the uncertainty involved in extraction to improve the disambiguation results

Geocoding location expressions in Twitter messages: A preference learning method

Resolving location expressions in text to the correct physical location, also known as geocoding or grounding, is complicated by the fact that so many places around the world share the same name. Correct resolution is made even more difficult when there is little context to determine which place is intended, as in a 140-character Twitter message, or when location cues from different sources conflict, as may be the case among different metadata fields of a Twitter message. We used supervised machine learning to weigh the different fields of the Twitter message and the features of a world gazetteer to create a model that will prefer the correct gazetteer candidate to resolve the extracted expression. We evaluated our model using the F1 measure and compared it to similar algorithms. Our method achieved results higher than state-of-the-art competitors