지리적 개념 이해를 위한 지오 온톨로지 설계 및 구현

Abstract

정보기술의 발달과 웹 기술이 발달함에 따라 기존의 키워드 기반의 검색시스템이 사용자의 정보요구를 정확하게 인식하지 못한다는 한계점을 개선하기 위해 등장한 의미기반 시스템인 시맨틱 웹(semantic web)과 이를 표현하기 위한 언어적 도구인 온톨로지(ontology)가 각광받고 있다. 뿐만 아니라 지리 수업에서 지리교과의 개념 이해는 지리교육의 출발점이며, 지리 개념은 지식전달의 매개체이고, 지리적 사고의 도구가 된다(이경한, 2007). 따라서 지리교육의 효과를 높이기 위해서는 지리적 개념의 명확한 제시와 함께 각 개념들의 계층구조 및 관련 개념들 간의 관계를 통해 학습할 수 있도록 도와줄 필요가 있다. 이를 위해 온톨로지가 개념 유형이나 범주를 구조적이고 위계적으로 분류하는 분류체계(taxonomy)의 언어로 구성되어 있기 때문에 지리적 개념의 명확한 표현을 가능하게 한다. 본 연구에서는 보다 나은 지리 학습 및 이해를 도와줄 수 있는 지리적 개념을 중심으로 구성된 온톨로지를 구축하고자 한다. 즉, 지리적 개념을 일반 웹 사이트에서 텍스트 기반으로 검색하는 것이 아니라 지리교육 또는 지리학을 전공한 전문가가 온톨로지를 구축하여 학생들 또는 지리적인 검색을 원하는 사람들에게 지리적 개념위주로 의미검색이 가능하도록 하는 것이다. 이를 위하여 지리적 개념과 개념지도에 관한 연구와 함께 지식의 표현으로서의 온톨로지의 종류 및 특징에 관련된 연구들을 조사하였으며, 온톨로지와 지오 온톨로지를 활용한 사례를 분석하였다. 이러한 연구 분석을 통하여 온톨로지 구축방법론인 METHONTOLOGY AIU(Artificial Intelligence an Universidad Politecnice)의 연구실에서 개발하였으며(Lopez et al., 1999), 소프트웨어 공학과 지식 공학 분야의 방법론에서 많은 영향을 받아 온톨로지 개발에서도 포괄적인 방법론을 제공한다. 생명주기에 따라 온톨로지 구축에 있어서 명세화, 개념화, 형식화, 통합화, 구현, 관리의 절차를 따른다. Development101 Development101방법론은 7단계로 구축 단계를 구분하고 있다. 온톨로지의 도메인과 범위를 설정하고, 기존 온톨로지의 재사용을 고려하며, 온톨로지에 있어서 중요한 명칭들을 열거하고, 클래스와 클래스 계층의 정의, 클래스의 속성을 정의, 속성 값을 정의한 뒤, 인스턴스를 생성하고 유지보수하는 단계로 정의된다. 을 수정·적용하였다. 그리고 지리적 개념 및 용어는 2009 개정 교육과정에 의한 중·고등학교 교과서 총 23종을 분석하여 전체적인 도메인 11개를 선정하고, 각 도메인별 핵심 용어 및 개념을 추출하였다. 또한, 추출한 핵심 개념을 토대로 온톨로지와 인스턴스들을 구축하였으며, 이를 시각적으로 표현하였다. 구축된 온톨로지에 대하여 전문가 집단의 인터뷰를 통하여 정확성 및 신뢰성을 검증하였고, 전체적으로 구축된 인스턴스에 대한 적격질의(SPARQL)을 통하여 정량적인 평가를 통해 객관성을 확인하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 평면적인 단어 중심의 개념구조가 아닌 지리 교과서에 나오는 지리적 개념을 직접 추출하여 상하 계층 구조 및 관련 개념에 대한 다양한 관계를 정의하여 온톨로지를 구축하였다. 또한 의미기반의 지리적 개념을 중심으로 온톨로지를 구축한 것뿐만 아니라 공간분석도 동시에 가능한 지오 온톨로지를 구축하였다. 온톨로지를 구축하는 데에 있어 기존의 온톨로지 관련 연구들을 통해 온톨로지 구축 방법론을 조사하고 분석하였고, 이를 통해 지리 교과서에서 추출한 개념 및 용어들에 적합한 온톨로지 구축 방법론인 METHONTOLOGY, Development101을 수정·적용하였다. 이 방법론을 토대로 온톨로지를 체계적으로 구축하였으며, 향후 지오 시맨틱 웹을 구축할 수 있는 기반을 마련하였다. 둘째, 2009 개정 교육과정에 의한 중고등학교 사회·지리 교과서로부터 지리적 개념을 추출하였다. 지리적 개념을 추출함에 있어서 지리적 개념들을 분류하고 분류된 개념들에 대해 실제 학생들이 수업에서 어려움을 느끼는 단원을 조사한 문헌들을 토대로 하여 지리적인 핵심개념(11개)을 추출하였다. 그리고 기존의 문헌들은 대부분 자연지리에 관한 내용이었으며, 세부적인 개념을 추출한 문헌연구는 미흡하여, 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 추출한 핵심개념 및 주요 용어들에 대해 전문가 검증을 받아 객관성과 신뢰성을 확보하였다. 이에 따라 추출한 지리적 개념들 간의 의미있는 연관관계를 맺어주고 Protégé 4.2 프로그램을 사용하여 온톨로지를 실제로 구축하였다. 또한 사례 연구로써 해안지형 단원을 중심으로 세부적인 온톨로지를 구축하였으며, 추출한 인스턴스는 참고한 교과서 11종에서 중복되는 것을 제외한 190개를 추출하여 데이터베이스화 하였고, 이들에 대한 적격질의(SPARQL)을 통해 실제 값과 비교하여 정량적인 검증을 하였다. 셋째, 온톨로지 구축 도구중 하나인 Protégé의 OntoGraf 기능을 통해 구축된 온톨로지의 전체적인 모델을 시각적으로 표현하였다. 그리고 구글어스(google earth)와 퓨전테이블(fusion table)을 활용하여 각각의 인스턴스들이 지오 시맨틱 웹으로 구현되었을 때의 모습을 프로토타입으로 구현하였다. 현재 교육과학기술부는 ‘스마트(SMART)’ 교육을 모토로 하여 이를 위해 새로운 개념의 미래형 교과서인 디지털 교과서를 지향하고 있다. 본 연구는 데이터베이스화된 인스턴스들을 실제로 어떻게 구현되는지를 시각적으로 표현하여 디지털 교과서와 더불어 스마트 교육이 지향하는 것인 흥미, 풍부한 자료, 정보기술 활용 등에 부합하도록 하였다. 본 연구는 2009 개정 교육과정에 의한 지리적 개념의 온톨로지를 모델링하고, 특히 해안지형 단원에 대해 세부적인 온톨로지를 구축하여 향후 지리 분야 또는 지리 교과서를 위한 공간분석 및 의미기반의 검색 시스템에 대한 연구의 초석이 된다는 것에 의의가 있다. 또한 많은 온톨로지 연구에서는 구축된 온톨로지의 검증을 단순한 키워드 검색 시스템과 의미기반 시스템의 비교를 통한 장점을 추출한데 비하여, 본 연구에서는 전문가 검증을 통해 구축된 온톨로지의 정확성을 확인하였으며, 적격질의를 통하여 데이터베이스화된 인스턴스들이 실제 값과 정확하게 일치하는지에 대한 정량적인 평가를 하였다. 그리고 구축된 온톨로지를 시각적으로 다양하게 표현하였는데 그 의의가 있다. 하지만 온톨로지 설계함에 있어 같은 의미의 다양한 용어를 표현하는 방법에 대해서는 더 많은 연구가 진행되어야 하며, 해안 지형에 대해 공간적인 표현을 위해서는 정확하게 나눠진 행정구역 단위가 아닌 지리적 범위를 어떻게 표현할 것인지에 대한 방법도 더 모색되어야 한다.;The Semantic Web is a retrieval system based on meanings and concepts. Innovative research has improved limitations of an existing retrieval system, based on keywords. Along with the advancing of the Semantic Web, the ontology expressing tool of the Semantic Web has been developed. This tool is the linking core to geography as it is with current technology. With the concept of geography as of present day, development of an online database of geographical knowledge can be achieved. It would be a quick and efficient method to present geographical facts and theories to today’s teachings of geographical education. To improve the teaching of geography, considerably for education, it is necessary to consider the definite concepts of geography through the inter-geographical concept relations and the hierarchical structures of geography. The objectives of this study is to improve the understanding and learning curve of geography. This can be done by enabling a retrieval system based on defining concepts of geography from the ontology phenomena constructed by experts of geography. The results of this study are summarized as following: Firstly, it has enabled for spatial analysis by constructing the Geo-Ontology for the concepts of geography as it is in the textbooks. This study was applied to METHODOLOGIES OF METHONTOLOGY and DEVELOPMENT101, and has been modified suitably to this study. It is a foundation of constructing the future Geo-Semantic Web about the concepts of geography. Secondly, this study has extracted the geographical concepts and terms from revised social studies curriculum of 2009. The core geographical concepts were extracted by referring to existing archives. Detailed ontologies were constructed with instances that focused on a unit of coastal topology. The instances that were extracted from the textbooks were built databases and verified quantitatively from the qualified inquiries (SPARQL). Additionally, taxonomic experts were consulted and verified by, for any information related to the objectivity and reliability of taxonomy with relation to the concept of geography. Finally, it was visualized as an ontology model by utilizing Google Earth, Google Fusion Table and OntoGraf. In each instance, they were expressed with visual prototypes as future faces, if to be treated as Geo-Semantic Web. The significance of this study includes it being, a primitive retrieval system for geographical and future geographical researchers, visualized variously as an ontology modeling about the coastal topology, and is credible with authentications from experts to have accuracy and reliability of Geo-Ontology.