Towards a unified ontology for monitoring ecosystem services：构建生态系统服务监测统一本体，助力环境监测与决策

生态系统服务（ES）在环境政策中至关重要，但相关术语繁杂阻碍其标准化监测。研究人员开发 ES 监测本体，经测试可系统组织和检索信息数据。这一成果有助于推进 ES 互操作性，为监测社会生态系统变化提供支持。

　　在全球生态环境变化的大背景下，生态系统正经历着大规模的改变，这种改变深刻影响着社会生态的动态平衡，其复杂程度超乎想象，难以预测和有效管理。生态系统服务作为生态系统对人类社会的重要贡献，如今已成为全球和国家环境政策的核心部分。然而，目前人们对生态系统服务的变化情况了解十分有限。为了更好地保护生态系统及其提供的服务，各国都在努力开发系统的监测体系，可这一过程却困难重重。

其中，最大的难题之一就是生态系统服务科学中概念的实际应用问题。由于该领域术语使用极为混乱，不同研究者对同一术语的理解和使用方式差异很大，甚至相互矛盾。这不仅使得监测变量的定义和描述变得模糊不清，还严重影响了不同监测系统结果的可比性，进而阻碍了生态系统服务监测的标准化进程。打个比方，就像在建造一座高楼时，建筑工人使用的尺子刻度各不相同，这样建出来的高楼自然难以符合标准，存在诸多隐患。在生态系统服务监测中，术语的混乱就如同这把刻度不一的尺子，成为了前进道路上的巨大障碍。

为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项旨在开发生态系统服务监测本体（Ecosystem Services Monitoring Ontology，ESM 本体）的研究。他们的目标是通过构建这个本体，实现生态系统服务相关术语的标准化，促进数据的系统整合与分析，为生态系统服务监测提供有力支持。最终，研究人员成功构建了 ESM 本体，并通过加拿大不列颠哥伦比亚省三种生态系统服务的数据对其进行测试。结果显示，该本体能够系统地组织和检索生态系统服务监测所需的信息和数据，在推进生态系统服务的互操作性方面发挥了重要作用，朝着利用自动化工具系统理解生态系统服务变化迈出了坚实的一步。这一研究成果发表在《Ecosystem Services》杂志上，为该领域的发展提供了重要的理论和实践依据。

在研究过程中，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先是文献综述法，通过广泛查阅生态系统服务科学的基础文献以及最新的监测相关文献，确定了构建本体所需的关键术语和它们之间的关系；其次是基于本体构建的标准流程，按照确定领域和关键术语、定义术语和分类法、指定关系和编码、评估和验证这四个步骤，逐步构建和完善 ESM 本体；最后利用 Protégé 这一开源的本体编辑和知识管理软件对本体进行形式化构建，并使用 Python 和相关库进行数据上传和查询验证。

下面具体来看研究结果：

• ESM 本体的构建：研究人员通过文献综述建立了生态系统服务监测的术语分类法，然后结合基础形式本体（Basic Formal Ontology，BFO）和主要的生态系统服务概念框架来组织和关联术语。在构建过程中，将术语合理分配到 BFO 的相应实体中，比如 “actor” 和 “ecosystem component” 属于 “objects”，“economic activity” 属于 “processes” 等。同时，对一些容易混淆的术语，如 “ecosystem function” 和 “ecosystem service” 进行了明确的定义和区分，将 “ecosystem function” 定义为 “ecosystem process” 的子类，而 “ecosystem service” 则被视为生态系统在为人类福祉做贡献时所扮演的角色，是一种基于文化认知的概念。
• 本体的形式化：使用 Protégé 软件对本体进行形式化构建，定义了类、对象属性、数据属性等实体来构建本体的层次结构。在构建过程中，借助 HermiT 1.3.4 推理机插件检查逻辑一致性，确保本体的准确性。最终构建的 ESM 本体包含 119 个类和 61 个关系，其中 93 个类和 2 个关系是新定义的，并且该本体能够适用于任何社会生态系统和生态系统服务的监测。
• 本体的验证：通过三种方式对本体进行测试和验证。一是收集专家的非正式反馈，对核心本体进行审查和调整；二是使用推理机检查逻辑错误；三是通过编写 25 个能力问题，使用 owlready2 Python 包对本体进行查询，检查其内部一致性和数据检索能力。经过验证，发现部分答案存在错误或部分正确的情况，研究人员对本体进行了编辑和完善，使其能够正确回答所有查询问题。
• 实施过程中的挑战：在实施过程中，研究人员也遇到了一些挑战。比如，将生态系统服务概念与 BFO 进行对齐时，需要仔细确定其在层次结构中的位置，以保证逻辑的一致性；在 Protégé 中定义类和个体时，选择何种方式并不简单，不同的定义方式会影响本体的复杂性；此外，Protégé 在处理大的数据集时存在局限性，需要借助 Python 及其相关库来更高效地完成数据上传和查询任务。

研究结论和讨论部分表明，ESM 本体为生态系统服务监测提供了一个强大的工具。它能够帮助研究人员和实践者系统地研究生态系统服务在多个维度上的变化，将实地收集的数据与本体中的类进行准确关联，并整合到模型中，从而深入分析生态系统服务的动态变化并预测未来趋势。以不列颠哥伦比亚省的鲸鱼观赏生态系统服务为例，通过 ESM 本体可以清晰地梳理出该生态系统中各个要素之间的关系，如鲸鱼种群、食物来源、人类活动以及相关的经济和文化价值等，进而能够深入分析影响该生态系统服务变化的因素，并为制定合理的政策提供依据。

此外，ESM 本体还有助于明确生态系统服务的概念，解决长期以来在科学和政策应用中存在的概念模糊问题。它基于 BFO 的实证主义世界观，使得生态系统服务的语言能够实现标准化测量，避免了以往因概念不清晰而导致的各种错误和混乱。同时，该本体还在支持互操作性和自动化方面发挥着重要作用，能够连接不同的数据集、模型和分析工具，为人工智能在生态系统服务监测中的应用提供支持，有助于各国更好地实施相关的监测框架。

然而，目前的 ESM 本体也存在一些局限性。它只是一个最小化的产品，所包含的示例和内容并不详尽，用户需要根据自身需求对其进行扩展和完善。此外，在处理治理、规范和社会行为等概念时，由于依赖 BFO，其能力受到一定限制。同时，该本体是基于西方科学范式构建的，在反映其他世界观方面存在不足。尽管如此，ESM 本体仍然是一个具有重要价值的工具，为生态系统服务监测领域的发展提供了新的思路和方法。随着研究的不断深入和领域内的广泛合作，相信 ESM 本体将不断完善，为保护生态系统和促进可持续发展做出更大的贡献。