中文关键词提取算法

Posted 2023-03-03 狮子座明仔

中文关键词提取算法

如何提取query或者文档的关键词？

一般有两种解决思路：

1. 有监督方法，把关键词提取问题当做分类问题，文本分词后标记各词的重要性打分，然后挑出重要的topK个词；
2. 无监督方法，使用TextRank、TFIDF等统计算法区分各词的term weight，然后按weight排序后挑出重要的topK个词。

有监督方法

有监督的关键词提取分两种做法。

特征工程方法

用一个树模型（如Xgboost）做分类模型，提取句子分词后各词的文本特征、统计特征、语言模型特征等，再把特征喂给分类模型，模型区分出各词的重要性得分，这样挑出topK个词就是提取的结果；分类模型的训练集是事先人工标注过的，每个词一个label。

特征工程可以参考：https://github.com/shibing624/pke_zh

• 文本特征：包括Query长度、Term长度，Term在Query中的偏移量，term词性、长度信息、term数目、位置信息、句法依存tag、是否数字、是否英文、是否停用词、是否专名实体、是否重要行业词、embedding模长、删词差异度、以及短语生成树得到term权重等
• 统计特征：包括PMI、IDF、TextRank值、前后词互信息、左右邻熵、独立检索占比（term单独作为query的qv/所有包含term的query的qv和）、统计概率、idf变种iqf
• 语言模型特征：整个query的语言模型概率 / 去掉该Term后的Query的语言模型概率

训练样本形如：

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重要度label共分4级：

• Super important：3级，主要包括POI核心词，比如“方特、欢乐谷”
• Required：2级，包括行政区词、品类词等，比如“北京 温泉”中“北京”和“温泉”都很重要
• Important：1级，包括品类词、门票等，比如“顺景 温泉”中“温泉”相对没有那么重要，用户搜“顺景”大部分都是温泉的需求
• Unimportant：0级，包括语气词、代词、泛需求词、停用词等

深度学习方法

比较朴素的思路是直接用深度模型做分类任务，取代人工提取特征，模型端到端产出分类预测label。
此处的深度模型可以是TextCNN、Fasttext、Transformer等，也可以是BERT预训练模型，适用于分类任务的模型都行。分类任务可以参考：https://github.com/shibing624/pytextclassifier

还有一种方法是Seq2Seq生成模型，基于query生成式给出关键词结果，或者生成句子摘要，代表性的模型有T5、Bart、Seq2Seq等。生成任务可以参考：https://github.com/shibing624/textgen

以上方法的实现可以参考我写的开源项目，此处不再赘述，本文重点介绍无监督方法。

无监督方法

无监督的关键词提取算法有：

• 统计方法
• TFIDF
• YAKE
• 图方法
• TextRank
• SingleRank
• TopicRank
• MultipartiteRank
• PositionRank
• 语义模型
• KeyBert

经验来看，TFIDF是很强的baseline，有较强普适性，基本能应付大部分关键词抽取场景，简单有效，速度很快。TextRank虽然算法复杂些，但其应用效果不比TFIDF强，而且涉及网络构建和随机游走迭代，效率极低。

TFIDF

TF-IDF是一种很简单但却很有效的方法，计算文本中的每个term会考虑两个因素。一是term本身在文档中的词频TF，另一个是倒文本频率（Inverse Document Frequency）IDF，这个指标衡量的是有多少文本包含了该term。IDF主要用来惩罚那些在很多文本中都有出现的term，往往这些term都是一些无关紧要的停用词等。

TFIDF整个核心思想就是，term在一个文档的重要程度取决于该term在该文档的频率和在其它文档的出现的次数。意思是term在该文档出现了多次，而在其他文档不常出现，那么该term很能代表该文档的含义。这种思想也是TFIDF经常用来做文本分类任务的特征提取的原因。

小结

• 优点：能够识别出独特性强的词语
• 缺点：不能识别复杂的词语关系，并且有时候会识别出不相关的关键词。效率较高，因为算法简单且只需要计算词频和逆文档频率。

YAKE

paper：A Text Feature Based Automatic Keyword Extraction Method for Single Documents

YAKE（Yet Another Keyword Extractor）是一种无监督的关键词提取算法，基于词语分散性的关键词提取算法。特征提取主要考虑五个因素（去除停用词后）：

1. 是否大写：英文大写字母的term（除了每句话的开头单词）的重要程度比那些小写字母的term重要程度要大
2. 词的位置：文本越开头的部分句子的重要程度比后面的句子重要程度要大
3. 词频：一个词在文本中出现的频率越大，相对来说越重要，同时为了避免长文本词频过高的问题，会进行归一化操作
4. 上下文关系：一个词与越多不相同的词共现，该词的重要程度越低
5. 词在句中频率：一个词在越多句子中出现，相对更重要
   中文只用后4个指标来计算候选词的得分，从而筛选TopK关键词。

小结

• 优点：效率高，不需要考虑语义关系和词语位置，因此适用于大量文档的关键词提取
• 缺点：语义关系和词语位置的考虑不足，因此可能会提取到不够重要的关键词

TextRank

PageRank算法

PageRank算法通过计算网页链接的数量和质量来粗略估计网页的重要性，算法创立之初即应用在谷歌的搜索引擎中，对网页进行排名。

PageRank算法的核心思想如下：

1. 链接数量：如果一个网页被越多的其他网页链接，说明这个网页越重要，即该网页的PR值（PageRank值）会相对较高；
2. 链接质量：如果一个网页被一个越高权值的网页链接，也能表明这个网页越重要，即一个PR值很高的网页链接到一个其他网页，那么被链接到的网页的PR值会相应地因此而提高。

TextRank算法
paper：TextRank: Bringing Order into Texts

TextRank算法是一种基于图的用于关键词抽取和文档摘要的排序算法，由谷歌的网页重要性排序算法PageRank算法改进而来，它利用一篇文档内部的词语间的共现信息(语义)便可以抽取关键词，它能够从一个给定的文本中抽取出该文本的关键词、关键词组，并使用抽取式的自动文摘方法抽取出该文本的关键句。

TextRank算法的基本思想是将文档看作一个词的网络，该网络中的链接表示词与词之间的语义关系。

TextRank算法主要包括：关键词抽取、关键短语抽取、关键句抽取。

1. 关键词抽取（keyword extraction）
   关键词抽取是指从文本中抽取几个能描述该文本的词的过程。
   对关键词抽取而言，用于构建顶点集的文本单元可以是句子中的一个或多个字（词）；根据这些字之间的关系（比如：在一个框中同时出现）构建边。根据任务的需要，可以使用语法过滤器（syntactic filters）对顶点集进行优化。语法过滤器的主要作用是将某一类或者某几类词性（如名词、形容词）的词过滤出来作为顶点集。

2. 关键短语抽取（keyphrase extration）
   关键词抽取结束后，我们可以得到的N个关键词，在原始文本中相邻的关键词构成关键短语，然后分析关键词是否存在相邻的情况，最后确定哪些是关键短语。

3. 关键句抽取（sentence extraction）
   句子抽取任务主要针对的是自动摘要这个场景，将每一个sentence作为一个顶点，根据两个句子之间的内容重复程度来计算他们之间的“相似度”，以这个相似度作为联系，由于不同句子之间相似度大小不一致，在这个场景下构建的是以相似度大小作为edge权重的有权图。

小结

• 优点：能够识别出复杂的词语关系
• 缺点：复杂度较高，需要调整许多参数，而且可能误识别关键词。效率一般，因为需要建立关系图并进行多次遍历。

SingleRank

paper：CollabRank: Towards a Collaborative Approach to Single-Document Keyphrase Extraction

SingleRank是PageRank的变体，主要有两个变化：

1. 不同于PageRank，每个边都有相同的分值，SingleRank会根据窗口大小词之间的距离计算不同的边权重
2. 与TextRank不同的是，SingleRank保留所有的unigrams词，然后类似TextRank方法，滑动窗口方式计算更高的n-grams词，背后的原理是，两个分值较低的unigram，有可能产生较高分值的bi-gram。

小结

• 优点：实现简单
• 缺点：词频不能反映词的重要性，可能识别出不相关的关键词。效率较高

TopicRank

paper：TopicRank: Graph-Based Topic Ranking for Keyphrase Extraction

TopicRank把主题当做相似关键短语的簇，这些topics会根据在文档的重要性进行排序，然后选取topK个最相关的topics，每个topic选择一个最重要的关键短语来代表文档的核心关键词。

TopicRank算法的步骤如下：

1. 主题识别：主要抽取名词短语来表征文档的主题，短语中有超过25%重合的单词就考虑为相似短语，用 Hierarchical Agglomerative Clustering (HAC) algorithm进行了聚类相似的短语。
2. 图构建：这里的图中的节点是topics，边的权重，根据两个topics之间的语义关系进行分配，而语义关系的强弱根据两个主题的关键短语之间的距离公式。
3. 关键短语选择：一旦topic进行排序后，选择topK个topics，每个topic选择一个最重要的关键短语作为输出，所有topics总共产生topK个关键短语。有三个策略选择一个topic最适合的关键短语：1) 选择关键短语中最开始出现在文档的那个关键短语；2) 选择频率最高的那个关键短语；3) 选择聚焦的群簇中心的那个关键短语。

小结

• 优点：可以考虑文档中词语的语义关系，因此可以更好地提取出与文档主题相关的关键词
• 缺点：效率不高，因为需要进行大量的计算以建立主题模型

MultipartiteRank

paper：Unsupervised Keyphrase Extraction with Multipartite Graphs

MultipartiteRank是一种基于多元关系的关键词提取算法。在TopicRank的基础上，在多部分图结构中对主题信息进行编码，并将关键词候选词和主题表示在一个图中，并利用它们之间的相互加强关系来提取关键词。

小结

• 优点：可以考虑多种关系，如语义关系和词语位置，从而更好地提取关键词
• 缺点：需要大量的计算，因此效率不高

PositionRank

paper：PositionRank: An Unsupervised Approach to Keyphrase Extraction from Scholarly Documents

PositionRank也是一种基于图结构的算法，与TextRank类似，是基于PageRank的图关系计算词的得分，根据词的位置和词频来计算每个词的权重值。算法主要两个部分组成：

1. 图的构建：类似TextRank，根据POS选择关键词构建图的节点，节点的边根据窗口size共现次数来计算两个词的边的权重分值。
2. Position-Biased PageRank，会根据每个词位置的倒数计算权重，若一个词出现在文档多个位置，则分值相加。核心思想是：越在一个文档靠前的位置，权重越大，同时频率出现越高，权重也越大。假设一个词在文档的位置时第2，第5，第10，则权重分值为：1/2+1/5+1/10=0.8，再归一化。

该方法在迭代计算词权重的过程中融入了位置信息，融入方式有两种，一种是融入了该词出现的所有位置，另外一种是融入了该词出现的第一个位置。第一种融入方式效果好些。

实验结果：PositionRank优于目前一些主流的图方法和统计方法。

小结

• 优点：可以考虑文档中词语的位置，因此可以更好地提取出文档中重要的关键词
• 缺点：效率不高，因为需要考虑多个文档和词语的位置。

KeyBERT

paper：Keyword Extraction with BERT

是一种基于 Transformer 模型的关键词提取算法，利用了预训练的语言模型的能力来提取关键词。使用BERT的embedding表示层和简单余弦相似性来查找文档中与文档本身最相似的子短语。做法是：

1. 使用Sentence-BERT计算文档的embedding表示；
2. 对文档中的Ngram短语计算其embedding表示；
3. 使用余弦相似度来查找与文档最相似的单词/短语；
4. 最相似的topK个单词可以被识别为最能描述整个文档的单词，即关键短语。

实验结果：准确率最高，速度最慢。

小结

• 优点：可以考虑多种语言特征，如语义关系和词语位置，因此效果较好
• 缺点：效率较低，因为需要大量的计算以生成关键词

Reference

关键词提取（keyword extraction）技术
https://github.com/MaartenGr/KeyBERT
PositionRank等四种花式变体的算法思想与开源实现