Knowledge-based and data-driven approaches for geographical information access Daniel Ferrés Domènech ADVERTIMENT La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del repositori institucional UPCommons (http://upcommons.upc.edu/tesis) i el repositori cooperatiu TDX ( http://www.tdx.cat/ ) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei UPCommons o TDX. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a UPCommons (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA La consulta de esta tesis queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso: La difusión de esta tesis por medio del repositorio institucional UPCommons (http://upcommons.upc.edu/tesis) y el repositorio cooperativo TDR (http://www.tdx.cat/?locale- attribute=es) ha sido autorizada por los titulares de los derechos de propiedad intelectual únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro ni su difusión y puesta a disposición desde un sitio ajeno al servicio UPCommons No se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a UPCommons (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al resumen de presentación de la tesis como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes de la tesis es obligado indicar el nombre de la persona autora. WARNING On having consulted this thesis you’re accepting the following use conditions: Spreading this thesis by the institutional repository UPCommons (http://upcommons.upc.edu/tesis) and the cooperative repository TDX (http://www.tdx.cat/?locale- attribute=en) has been authorized by the titular of the intellectual property rights only for private uses placed in investigation and teaching activities. Reproduction with lucrative aims is not authorized neither its spreading nor availability from a site foreign to the UPCommons service. Introducing its content in a window or frame foreign to the UPCommons service is not authorized (framing). These rights affect to the presentation summary of the thesis as well as to its contents. In the using or citation of parts of the thesis it’s obliged to indicate the name of the author. Knowledge-Based and Data-Driven Approaches for Geographical Information Access Ph.D. Thesis This thesis is presented for the degree of Doctor of the Universitat Politècnica de Catalunya by Daniel Ferrés Domènech advisor Dr. Horacio Rodríguez Hontoria Ph.D. Program in Artificial Intelligence Department of Computer Science Universitat Politècnica de Catalunya September 2017 Abstract Geographical Information Access (GeoIA) can be defined as a way of retrieving informa- tion 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 Answer- ing (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 col- lections. 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 the- matic content of queries and documents with Toponym Recognition, Toponym Disambigua- tion 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 Re- Ranking (GeoKR), NLP and Relevance Feedback (RF) that achieved state-of-the-art results in official GeoCLEF benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2008a; Mandl et al., 2008) and pos- terior 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 effec- tiveness 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 eval- uation with a set of questions of the Spanish geography (Ferrés and Rodríguez, 2006a). 6) Four state-of-the-art Textual Georeferencing approaches for informal and formal doc- uments that achieved state-of-the-art results in evaluation benchmarks (Ferrés and Ro- dríguez, 2014) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2011a; Ferrés and Ro- dríguez, 2015b). Resum L’Accés a la Informació Geogràfica (GeoAI) pot ser definit com una forma de recuperar in- formació 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 pre- senta, 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 re- spostes 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 l’utilització d’una part del con- tingut 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 heuristics 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 combi- nar 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 Coneix- ement Geogràfic (GeoKR), PLN i Retroalimentació de Rellevancia (RR) que aconseguí re- sultats en l’estat de l’art en comparatives oficials GeoCLEF (Ferrés and Rodríguez, 2008a; 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 a GeoCR per espanyol i anglès i la seva avaluació amb un conjunt de preguntes de la geografía espanyola (Ferrés and Rodríguez, 2006a). 6) Quatre aproximacions per al georeferenciament de documents formals i informals que obtingueren resultats en l’estat de l’art en avaluacions comparatives internacionals (Ferrés and Rodríguez, 2014) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2011a; Ferrés and Rodríguez, 2015b).