Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren

Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren

Pattern mining under different conditions

New requirements and demands on pattern mining arise in modern applications, which cannot be fulfilled using conventional methods. For example, in scientific research, scientists are more interested in unknown knowledge, which usually hides in significant but not frequent patterns. However, existing itemset mining algorithms are designed for very frequent patterns. Furthermore, scientists need to repeat an experiment many times to ensure reproducibility. A series of datasets are generated at once, waiting for clustering, which can contain an unknown number of clusters with various densities and shapes. Using existing clustering algorithms is time-consuming because parameter tuning is necessary for each dataset. Many scientific datasets are extremely noisy. They contain considerably more noises than in-cluster data points. Most existing clustering algorithms can only handle noises up to a moderate level. Temporal pattern mining is also important in scientific research. Existing temporal pattern mining algorithms only consider pointbased events. However, most activities in the real-world are interval-based with a starting and an ending timestamp. This thesis developed novel pattern mining algorithms for various data mining tasks under different conditions. The first part of this thesis investigates the problem of mining less frequent itemsets in transactional datasets. In contrast to existing frequent itemset mining algorithms, this part focus on itemsets that occurred not that frequent. Algorithms NIIMiner, RaCloMiner, and LSCMiner are proposed to identify such kind of itemsets efficiently. NIIMiner utilizes the negative itemset tree to extract all patterns that occurred less than a given support threshold in a top-down depth-first manner. RaCloMiner combines existing bottom-up frequent itemset mining algorithms with a top-down itemset mining algorithm to achieve a better performance in mining less frequent patterns. LSCMiner investigates the problem of mining less frequent closed patterns. The second part of this thesis studied the problem of interval-based temporal pattern mining in the stream environment. Interval-based temporal patterns are sequential patterns in which each event is aligned with a starting and ending temporal information. The ability to handle interval-based events and stream data is lacking in existing approaches. A novel intervalbased temporal pattern mining algorithm for stream data is described in this part. The last part of this thesis studies new problems in clustering on numeric datasets. The first problem tackled in this part is shape alternation adaptivity in clustering. In applications such as scientific data analysis, scientists need to deal with a series of datasets generated from one experiment. Cluster sizes and shapes are different in those datasets. A kNN density-based clustering algorithm, kadaClus, is proposed to provide the shape alternation adaptability so that users do not need to tune parameters for each dataset. The second problem studied in this part is clustering in an extremely noisy dataset. Many real-world datasets contain considerably more noises than in-cluster data points. A novel clustering algorithm, kenClus, is proposed to identify clusters in arbitrary shapes from extremely noisy datasets. Both clustering algorithms are kNN-based, which only require one parameter k. In each part, the efficiency and effectiveness of the presented techniques are thoroughly analyzed. Intensive experiments on synthetic and real-world datasets are conducted to show the benefits of the proposed algorithms over conventional approaches

Similarity search and mining in uncertain spatial and spatio-temporal databases

Both the current trends in technology such as smart phones, general mobile devices, stationary sensors and satellites as well as a new user mentality of utilizing this technology to voluntarily share information produce a huge flood of geo-spatial and geo-spatio-temporal data. This data flood provides a tremendous potential of discovering new and possibly useful knowledge. In addition to the fact that measurements are imprecise, due to the physical limitation of the devices, some form of interpolation is needed in-between discrete time instances. From a complementary perspective - to reduce the communication and bandwidth utilization, along with the storage requirements, often the data is subjected to a reduction, thereby eliminating some of the known/recorded values. These issues introduce the notion of uncertainty in the context of spatio-temporal data management - an aspect raising an imminent need for scalable and flexible data management. The main scope of this thesis is to develop effective and efficient techniques for similarity search and data mining in uncertain spatial and spatio-temporal data. In a plethora of research fields and industrial applications, these techniques can substantially improve decision making, minimize risk and unearth valuable insights that would otherwise remain hidden. The challenge of effectiveness in uncertain data is to correctly determine the set of possible results, each associated with the correct probability of being a result, in order to give a user a confidence about the returned results. The contrary challenge of efficiency, is to compute these result and corresponding probabilities in an efficient manner, allowing for reasonable querying and mining times, even for large uncertain databases. The paradigm used to master both challenges, is to identify a small set of equivalent classes of possible worlds, such that members of the same class can be treated as equivalent in the context of a given query predicate or data mining task. In the scope of this work, this paradigm will be formally defined, and applied to the most prominent classes of spatial queries on uncertain data, including range queries, k-nearest neighbor queries, ranking queries and reverse k-nearest neighbor queries. For this purpose, new spatial and probabilistic pruning approaches are developed to further speed up query processing. Furthermore, the proposed paradigm allows to develop the first efficient solution for the problem of frequent co-location mining on uncertain data. Special emphasis is taken on the temporal aspect of applications using modern data collection technologies. While the aforementioned techniques work well for single points of time, the prediction of query results over time remains a challenge. This thesis fills this gap by modeling an uncertain spatio-temporal object as a stochastic process, and by applying the above paradigm to efficiently query, index and mine historical spatio-temporal data.Moderne Technologien, z.B. Sattelitentechnologie und Technologie in Smart Phones, erzeugen eine Flut räumlicher Geo-Daten. Zudem ist in der Gesellschaft ein Trend zu beobachten diese erzeugten Daten freiwillig auf öffentlich zugänglichen Plattformen zur Verfügung zu stellen. Diese Datenflut hat immenses Potential, um neues und nützliches Wissen zu entdecken. Diese Daten sind jedoch grundsätzlich unsichere räumliche Daten. Die Unsicherheit ergibt sich aus mehreren Aspekten. Zum einen kommt es bei Messungen grundsätzlich zu Messungenauigkeiten, zum anderen ist zwischen diskreten Messzeitpunkten eine Interpolation nötig, die zusätzliche Unsicherheit erzeugt. Auerdem werden die Daten oft absichtlich reduziert, um Speicherplatz und Transfervolumen einzusparen, wodurch weitere Information verloren geht. Diese Unsicherheit schafft einen sofortigen Bedarf für skalierbare und flexible Methoden zur Verwaltung und Auswertung solcher Daten. Im Rahmen dieser Arbeit sollen effektive und effiziente Techniken zur Ähnlichkeitssuche und zum Data Mining bei unsicheren räumlichen und unsicheren räumlich-zeitlichen Daten erarbeitet werden. Diese Techniken liefern wertvolles Wissen, das auf verschiedenen Forschungsgebieten, als auch bei industriellen Anwendungen zur Entscheidungsfindung genutzt werden kann. Bei der Entwicklung dieser Techniken gibt es zwei Herausforderungen. Einerseits müssen die entwickelten Techniken effektiv sein, um korrekte Ergebnisse und Wahrscheinlichkeiten dieser Ergebnisse zurückzugeben. Andererseits müssen die entwickelten Techniken effizient sein, um auch in sehr großen Datenbanken Ergebnisse in annehmbarer Zeit zu liefern. Die Dissertation stellt ein neues Paradigma vor, das beide Herausforderungen meistert. Dieses Paradigma identifiziert mögliche Datenbankwelten, die bezüglich des gegebenen Anfrageprädikats äquivalent sind. Es wird formal definiert und auf die relevantesten räumlichen Anfragetypen angewendet, um effiziente Lösungen zu entwickeln. Dazu gehören Bereichanfragen, k-Nächste-Nachbarnanfragen, Rankinganfragen und Reverse k-Nächste-Nachbarnanfragen. Räumliche und probabilistische Pruningkriterien werden entwickelt, um insignifikante Ergebnisse früh auszuschlieen. Zudem wird die erste effiziente Lösung für das Problem des "Spatial Co-location Minings" auf unsicheren Daten präsentiert. Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem temporalen Aspekt moderner Geo-Daten. Während obig genannte Techniken dieser Arbeit für einzelne Zeitpunkt sehr gut funktionieren, ist die effektive und effiziente Verwaltung von unsicheren räumlich zeitlichen Daten immer noch ein weitestgehend ungelöstes Problem. Diese Dissertation löst dieses Problem, indem unsichere räumlich-zeitliche Daten durch stochastische Prozesse modeliert werden. Auf diese stochastischen Prozesse lässt sich das oben genannte Paradigma anwenden, um unsichere räumlich-zeitliche Daten effizient anzufragen, zu indexieren, und zu minen

Managing moving objects and their trajectories

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH