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Semantic Web Grundlagen und RDF
Markus Luczak-Rösch
Freie Universität BerlinInstitut für InformatikNetzbasierte Informationssysteme
Lego-Beispiel und Folien adaptiert von Magnus Niemann
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2AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
XLink – erweiterte Links
• beschreiben eine Menge von Ressourcen zusammen mit ihrer Link-Struktur (Netzwerk)
• Resourcen existieren unabhängig von Links
• extra Linking-Elemente definieren Beziehungen
erlaubt many-to-many-Beziehungen
• werden von keinem Browser unterstützt
• stoßen bisher auf wenig Akzeptanz
• mögliche Alternative:
RDF (Ressource Description Framework)
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3
• natürliche Sprache
• Mehrdeutigkeit
Warum reicht XML generell nicht aus?
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
<Buch>Dieses Buch</Buch> hat den Titel <Titel>Semantic Web Grundlagen</Titel>
<foo>Dieses Buch</foo> hat den Titel <bar>Semantic Web Grundlagen</bar>
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4AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Apple
<Apple>
<Pear>
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5AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Syntax/Semantik/Pragmatik
• Syntax – die Art und Weise, wie Worte in einem Satz zusammengesetzt wurden.
• Semantik – Informationen, die in diesem Sinne kodiert wurden.
• Pragmatik – Implikationen aus den Informationen in einem Kontext.
Quelle: http://www.web2open.org/presentations/OASIS_SOA_Adobe_Semantics.pdf
Na das war ja jetzt ganz toll!
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6
Daten im heutigen Web
• unstrukturierter Text
• keine Unterstützung für Maschinenverarbeitung
• Data mining benötigt NLP
• keine/kaum Metadatenstandards
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7
Information Retrival im heutigen Web
• Keyword-basiert
• hoher recall, geringe precision
http://upload.wikimedia.org/math/9/b/5/9b5a523e5d9c366caf75ed1ea1767b1c.png
http://upload.wikimedia.org/math/b/4/3/b43cb2dbb709c4932e8dd8b9b0c491fe.png
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8AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Bildersuche: „Apache“
Maschinen fehlt dieser Kontext aus Begriffen und Zusammenhängen
Kontext muss Maschinen zusätzlich bereitgestellt werden
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9AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Semantic Web
“The Semantic Web is an
extension of the current web in which information is given well-defined meaning, better
enabling computers and people to work in
cooperation.“ Foto: W3C
Berners-Lee, Hendler, and Lassila, 2001. Foto: Homepage
Foto: Homepage
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10AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Vision von Berners-Lee
Webinhalte und ihre Vernetzung werden für Maschinen verständlich.
Auch komplexe Anfragen können ans Web gestellt werden.
Beispiel: Finde alle Fußballspieler, die bei einem Verein spielen, der ein Stadion mit mehr als 40.000 Plätzen hat und die in einem Land mit mehr als 10 Millionen Einwohnern geboren wurden.
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11
Das Semantic Web
• eine Erweiterung des existierenden Web
+ Metadaten
+ Ontologien
+ Reasoning
+ intelligente Agenten
____________________
= Semantic Web
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12
Metadaten
• Daten über Daten
• beschreiben Inhalt
• im besten Fall maschinenverarbeitbar
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Data_ST.jpg
Autor
Titel
Datum
…
Spezies: Android
Größe:…
Inhalt
Metadaten
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13AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Nutzbarkeit von Metadaten durch Ontologien
Damit Metadaten nutzbar sind
muss der Informationsanbieter sich so ausdrücken, dass Informationsnutzer ihn verstehen
muss der Informationsnachfrager so fragen, dass er etwas finden kann
Gemeinsame Benutzung von Konzepten
Gemeinsame Sprache
Ontologie zur Definition einer gemeinsamen Sprache
Es gibt Konzepte, die wir mit „Bank“ und „Sparkasse“benennen
Es gibt ein Konzept, das wir „Geldinstitut“ nennen und das die Konzepte „Bank“ und „Sparkasse“ umfasst
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14AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Semantic Web Stack (W3C, 2000)
Quelle: http://www.w3.org/2000/Talks/1206-xml2k-tbl/slide10-0.html
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15AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Basis
Unicode
jedes Zeichen eigene Nummer (system-,programm- und spracheunabhängig)
Unicode-Codierung – Zeichensätze für fast jede natürliche Sprache
URI – Uniform Resource Identifier
eindeutige Identifikation einer Quelle/Ressource jedes belibiege Objekt verfügt über einen URI
Mechnismus um Daten verteilt repräsentieren zu können
URLs – Untergruppe von URIs
Sytax vom W3C standardisiert
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16AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Erster Schritt zum Semantic Web
XML + Namensräume + XML-Schema
hierarchisch strukturierte, medienneutrale Daten
Vokabular kann mit XML-Schema definiert werden
Bedeutung des Vokabulars kann mit Namensräumen festgelegt werden
XML-Daten können mit XLink verlinkt werden: Links können Namen, aber keinen Namensraum haben
maschinenverarbeitbare verlinkte Daten,
Links jedoch nicht maschinenverarbeitbar
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17AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Zweiter Schritt zum Semantic Web
RDF + Namensräume + RDF-Schema
Web als Menge vernetzter Ressourcen
Vokabular für Beziehungen kann mit RDF-Schema definiert werden
Bedeutung des Vokabulars wird mit Namensräumen festgelegt
RDF Modell bietet eine syntaxunabhängige Darstellung
maschinenverabeitbares
Netzwerk von Beziehungen
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18AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Resource Description Framework
RDF – W3C Recommendation seit 1999
verschiedene Versionen:
- kompakt und lesbar
- für maschinelle Verarbeitung
Tripel setzen bel. Web-Ressourcen URI-s und URI-o miteinander in Beziehung:
<URI-s, URI-p, URI-o>
URI-s steht zu URI-o in der Beziehung URI-p
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19AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
RDF
RDF Statement – die kleinste Informationseinheit, die ein Fakt darstellt
Beispiel:
This presentation was created by Markus Luczak-Rösch
Subject (Ressource): This presentation Predicate (Property): creator
Object (Wert): Markus Luczak-Rösch
RDF benutzt URIs :
• Subject: http://blog.ag-nbi.de/wp-content/uploads/2011/05/09_SemWeb2011.pdf
• Predicate: http://purl.org/dc/elements/1.1/creator
• Object: http://www.markus-luczak.de/
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20
http://purl.org/dc/elements/1.1/creatordc:creatorhttp://purl.org/dc/elements/1.1/creator
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
RDF Model
foaf:mail
foaf:name
Malgorzata Mochol
foaf:knows
rdf:type
foaf:Person
foaf:name
Markus Luczak-Rösch
LiteralSubjekt
Prädikat
Objekt
Blank Node
rdf:type
http://www.markus-luczak.de/
http://blog..../09_SemWeb2011.pdf
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21
Rssourcen
• Jedes vorstellbare “Ding”
• z.B.: Autos, Obst, Musik,
• Jede Ressource wird über eine URI benannt
http://www.markus-luczak.de/#me
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22
Properties (=Prädikate)
• beschreiben Relationen zwischen Ressourcen
• haben ebenfalls eine URI
dc:creator
http://purl.org/dc/elements/1.1/creator
Namespace
Prefix
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23
Blank nodes
• anonyme Ressource oder auch bnode
• zulässig nur als Subjekt oder Objekt
• keine URI sondern lokale ID
ex :Tim foaf:knows _:b1
_:b1 foaf:birthDate 01.04
_:b1 foaf:homepage example.org
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Literale
• Werte
• keine Ressource keine URI
• Plaintext oder XML schema types
• Language Labels: @en, @de, @fr
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25
Klassen
• Klassen + Relationen = Ontologien
• sogenannte Instanzen von diesen Klassen spezifiziert man mittels RDF:TYPE
• Ex:Markus rdf:type foaf:person
foaf:Agent
foaf:Person
Ex:Markus
rdfs:subClassOf
rdf:type
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26
RDFS (RDF Schema)
• Erweiterung des RDF-Vokabulars um
• Subklassenbeziehungen zu beschreiben
• Domain und Range Eigenschaften einzuschränken
• Datentypen zu verwenden
foaf:Personfoaf:Person
Ex:Markusfoaf:knows
b:Hannes
Domain Range
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27
RDF Serialisierung
• RDF/XML
• Turtle
• N-Triples
• Atom
• Others
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28AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Vergleich der Datenmodelle
XML RDF
<p:person>
<p:name/>
<p:email>[email protected]</p:email>
<p:email>[email protected]</p:email>
</p:person>
X rdf:type p:person
X p:has_name “Klaus Mann”
X p:has_email [email protected]
X p:has_primary_ID [email protected]
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29AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Vergleich der Datenmodelle
XML RDF
Datenmodell hierarchisches Modell Netzwerkmodell
Was wird dargestellt?
einzelner Baum:
benannte Knoten
unbeschriftete, aber geordneteKanten
möglicherweise unendlichviele gerichtete Multi-Graphen:
benannte Knoten
benannte Kanten
Knoten = Name
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30AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Vergleich der Schema-Sprachen
XML Schema RDF Schema / OWL
Abstraktions-ebene
~ Datenbankschema ~ ER-Diagramm
Prinzip nur zulässig, was explizit erlaubt: Closed World Assumption (CWA)
alles zulässig, was Randbedingungen erfüllen kann: Open World Assumption (OWA)
Validierung bzgl. Schema
möglich nicht möglich
Berechnungs-komplexität
polynomial RDF Schema: NP-vollständig
explizit erlaubt
nicht zulässig
Randbedingungen nicht erfüllbar
zulässigCWA: OWA:
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31AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Technologien des Semantic Web
Ontologien
Vokabulare
Begriffsbeziehungen (Unterklasse, Untereigenschaft, Wertebereiche, ..., selbstdefinierte)
Sprache für Web-Ontologien:
OWL – Web Ontology Language
Erweiterte Beschreibungsmöglichkeiten
In unterschiedlichen Komplexitäten (OWL-Lite, OWL-DL, OWL-Full)
mittlerweile OWL 2 mit feinerer Unterscheidung der Komplexität
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32
Eine Domäne
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33
Domain Ontology
FarbeForm
Eigenschaft
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34
PersonenDing
Agent
Tier Pflanze Juristische
PersonNatürliche
Person
Totes
Ding
Noch eine Domain Ontology
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35
Vertrag
Notarieller
Kaufvertrag
UR
0815/2009
Max
Muster
Muster
GmbH
Natürliche
Person
Juristische
Person
Flurstück
234/34Grundstück
Ein Fall – Instanzen und Konzepte
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36AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Technologien des Semantic Web
Regelsprachen
bilden die Grundlage für das logischeschließen auf Basis semantischer Daten
früher SWRL (echte Regelsprache für OWL)als Teil des Layer Cakes
heute RIF als ein Austauschformatzwischen unterschiedlichen Regelsystemen
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37
Inferenz
• Alle Menschen sind sterblich
• Sokrates ist ein Mensch
Sokrates ist sterblich
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
foaf:Agent
foaf:Person
Ex:Markus
rdfs:subClassOf
rdf:type
rdf:type
Einfache RDF(S)-Inferenz
ex:Markus rdf:type ex:Nichtraucher
ex:Markus rdf:type ex:Raucher
mit RDF(S) nicht möglich festzustellen
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38
Inferenz (cont.)
• Klassenäquivalenz
• Unterklassenbeziehung
• Klassendisjunktheit
• Globale Konsistenz
• Klassenkonsistenz
• Instanzüberprüfung
• Klasseninstanzen
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
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39AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Technologien des Semantic Web
Anfragesprache SPARQL
Dient zur Abfrage von Instanzdaten ineiner RDF-Datenbank
„Gib mir alle Menschen, die vor 1900 in Berlin geboren wurden“
SELECT ?name ?birth ?death ?personWHERE {?person dbpedia2:birthPlace <http://dbpedia.org/resource/Berlin> .?person dbo:birthDate ?birth .?person foaf:name ?name .?person dbo:deathDate ?deathFILTER (?birth < "1900-01-01"^^xsd:date) .}ORDER BY ?name
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40
SPARQL
• Graph Pattern als Anfragemuster
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
SELECT DISTINCT ?player {
?s foaf:page ?player.
?s rdf:type <http://dbpedia.org/ontology/SoccerPlayer> .
?s dbpedia2:position ?position .
?s <http://dbpedia.org/property/clubs> ?club .
?club <http://dbpedia.org/ontology/capacity> ?cap .
?s <http://dbpedia.org/ontology/birthPlace> ?place .
?place ?population ?pop.
OPTIONAL {?s <http://dbpedia.org/ontology/number> ?tricot.}
Filter (?population in (<http://dbpedia.org/property/populationEstimate>, <http://dbpedia.org/property/populationCensus>, <http://dbpedia.org/property/statPop> ))
Filter (xsd:int(?pop) >10000000 ) .
Filter (xsd:int(?cap) <40000 ) .
Filter (?position = "Goalkeeper"@en || ?position = <http://dbpedia.org/resource/Goalkeeper_%28association_football%29> || ?position = <http://dbpedia.org/resource/Goalkeeper_%28football%29>)
} Limit 1000
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41
SPARQL Ergebnis
• Bindings und NICHT RDF!
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
<sparql xmlns=http://www.w3.org/2005/sparql-results#xmlns:xsi=http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instancexsi:schemaLocation=http://www.w3.org/2001/sw/DataAccess/rf1/result2.xsd><head>
<variable name="player"/> </head> <results distinct="false" ordered="true">
<result><binding name="player">
<uri>http://en.wikipedia.org/wiki/Petar_Radenkovi%C4%87</uri>
</binding>
</result>
<result> <binding name="player">
<uri>http://en.wikipedia.org/wiki/Michal_Vorel</uri>
</binding>
</result>
…
</results>
</sparql>
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42AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Weitere Technologien des Semantic Web
Logik
Semantik auf logischer Basis
Ableitungsregeln
Proof
Konsistenz
Ableitung (Inferenz)
Trust
Immer noch in der Forschung
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Semantic Web Beispiel
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44AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Beispiel: e-Recruitment Szenario
Organisatorisch:
Stellenanbieter nutzen gemeinsames kontrolliertes Vokabular für die Annotierung von Stellenangeboten
Stellensuchende nutzen gleiches Vokabular für Stellengesuche/Bewerberprofile
Technisch:
Einfache Annotation Reichere Annotation Ersatz
von Freitext durch RDF
Stelleangebote direkt auf der Web-Seite des Unternehmens
Semantische Suchmaschinen :
sammeln Informationen
Vergleich auf Basis von semantischen Informationen (Semantic Matching)
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45AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Einfache Annotation
Mit RDF und Bezug auf gemeinsames Vokabular (z.B. abgeleitet von HR-XML)
Suchmaschinen können so Stellenangebote identifizieren
<html>
<head>
<rdf:RDF xmlns:rdf="…#" xmlns:jpp="…#">
<jpp:JobPositionPosting
rdf:about="http://www.example.org/jp1.html"/>
</rdf:RDF>
</head>
<body>
…Job posting in free text…
</body>
</html>
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46AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Reichere Annotation
<html>
<head>
<rdf:RDF xmlns:rdf="…#" xmlns:jpp="…#“ xmlns:skills="…#">
<jpp:JobPositionPosting
rdf:about="http://www.example.org/jp1.html"/>
<jpp:requiredCompetence>
<skills:Java>
<skills:hasCompetenceLevel rdf:resource="…#expert"/>
</skills:Java>
</jpp:requiredCompetence>
</rdf:RDF>
</head>
<body>
… Job posting in free text …
</body>
</html>
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47AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Ersatz von Freitext durch RDF
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<rdf:RDF xmlns:rdf="…#" xmlns:jpp="…#" xmlns:skills="…#">
<jpp:JobPositionPosting rdf:about="#JobPositionPostingId-inf-44">
<jpp:hasHiringOrganisation>
<org:Organisation>
<org:name>Freie Universität Berlin</org:name>
</org:Organisation>
</jpp:hasHiringOrganisation>...
<jpp:requiredCompetence>
<skills:Java>
<skills:hasCompetenceLevel rdf:resource="…#expert"/>
</skills:Java>
</jpp:requiredCompetence>...
</jpp:JobPositionPosting>...
</rdf:RDF>
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48AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Semantic Web: Die Realität
XML
XML heute omnipräsent, wenn auch nicht immer sichtbar
RDF
HTML-Seiten und XML-Dokumente werden erstellt, aber noch nicht so viel RDF
neue HTML-Versionen integrieren RDF als sogenanntes RDFa
Jedes HTML-Element kann dann RDF-Meta-Informationen haben
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49AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
3 Levels von Markup im Web
XML
RDF/S,
OWL
HTML
formales Wissen
informales Wissen
semi-formales Wissen
Kontent
Struktur
Form
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Linked Open Data
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
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51
Das Web
• …schuf einige gute Bekannte:
• REST-Prinzipien
• Web Browser
• Page Rank
• …
HTML
HTML
HTML
Hyperlinks
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52
Probleme?
• Social Networks
• Web APIs
• Apps
Data Silos
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53
Web of Data (Linked Data Web)
Das Semantic Web?
RDF
RDF
RDF
RDF Links
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54
Linked Data Prinzipien
1.URIs als Namen für (alle) “Dinge”
2.HTTP URIs damit man im Web auf diese Namen zugreifen kann
3.Wenn eine URI aufgerufen wird sollen sinnvolle Informationen entsprechend der Standards (RDF, SPARQL) geliefert werden
4.Setze Links zu anderen URIs, damit Nutzer mehr “Dinge” finden können
• http://dbpedia.org/resource/Berlin
• http://dbpedia.org/page/Berlinhttp://dbpedia.org/data/Berlin
• yago-res:Berlin Sowl:sameAs P
dbpedia:Berlin O
http://www.w3.org/DesignIssues/LinkedData.html
Content Negotiation
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55
Die Linked Data Cloud
AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
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56AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Suche Label „Kate Busch“
Finde Links
Aggregiere Informationen
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57
Was ist möglich?
• Finde alle Fußballspieler, die bei einem Verein spielen, der ein Stadion mit mehr als 40.000 Plätzen hat und die in einem Land mit mehr als 10 Millionen Einwohnern geboren wurden.
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58AG Netzbasierte Informationssysteme http://www.ag-nbi.de
Wie geht es weiter?
heutige Vorlesung
Semantic Web Grundlagen
RDF
Linked Data
Vorlesung morgen
Advanced Markup
HTML 5
RDFa
Microformats
Internationalisierung
SVG
…
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