On trip planning queries in spatial databases

In this paper we discuss a new type of query in Spatial Databases, called Trip Planning Query (TPQ). Given a set of points P in space, where each point belongs to a category, and given two points s and e, TPQ asks for the best trip that starts at s, passes through exactly one point from each category, and ends at e. An example of a TPQ is when a user wants to visit a set of different places and at the same time minimize the total travelling cost, e.g. what is the shortest travelling plan for me to visit an automobile shop, a CVS pharmacy outlet, and a Best Buy shop along my trip from A to B? The trip planning query is an extension of the well-known TSP problem and therefore is NP-hard. The difficulty of this query lies in the existence of multiple choices for each category. In this paper, we first study fast approximation algorithms for the trip planning query in a metric space, assuming that the data set fits in main memory, and give the theory analysis of their approximation bounds. Then, the trip planning query is examined for data sets that do not fit in main memory and must be stored on disk. For the disk-resident data, we consider two cases. In one case, we assume that the points are located in Euclidean space and indexed with an Rtree. In the other case, we consider the problem of points that lie on the edges of a spatial network (e.g. road network) and the distance between two points is defined using the shortest distance over the network. Finally, we give an experimental evaluation of the proposed algorithms using synthetic data sets generated on real road networks

On trip planning queries in spatial databases

In this paper we discuss a new type of query in Spatial Databases, called Trip Planning Query (TPQ). Given a set of points P in space, where each point belongs to a category, and given two points s and e, TPQ asks for the best trip that starts at s, passes through exactly one point from each category, and ends at e. An example of a TPQ is when a user wants to visit a set of different places and at the same time minimize the total travelling cost, e.g. what is the shortest travelling plan for me to visit an automobile shop, a CVS pharmacy outlet, and a Best Buy shop along my trip from A to B? The trip planning query is an extension of the well-known TSP problem and therefore is NP-hard. The difficulty of this query lies in the existence of multiple choices for each category. In this paper, we first study fast approximation algorithms for the trip planning query in a metric space, assuming that the data set fits in main memory, and give the theory analysis of their approximation bounds. Then, the trip planning query is examined for data sets that do not fit in main memory and must be stored on disk. For the disk-resident data, we consider two cases. In one case, we assume that the points are located in Euclidean space and indexed with an Rtree. In the other case, we consider the problem of points that lie on the edges of a spatial network (e.g. road network) and the distance between two points is defined using the shortest distance over the network. Finally, we give an experimental evaluation of the proposed algorithms using synthetic data sets generated on real road networks

Searching and mining in enriched geo-spatial data

The emergence of new data collection mechanisms in geo-spatial applications paired with a heightened tendency of users to volunteer information provides an ever-increasing flow of data of high volume, complex nature, and often associated with inherent uncertainty. Such mechanisms include crowdsourcing, automated knowledge inference, tracking, and social media data repositories. Such data bearing additional information from multiple sources like probability distributions, text or numerical attributes, social context, or multimedia content can be called multi-enriched. Searching and mining this abundance of information holds many challenges, if all of the data's potential is to be released. This thesis addresses several major issues arising in that field, namely path queries using multi-enriched data, trend mining in social media data, and handling uncertainty in geo-spatial data. In all cases, the developed methods have made significant contributions and have appeared in or were accepted into various renowned international peer-reviewed venues. A common use of geo-spatial data is path queries in road networks where traditional methods optimise results based on absolute and ofttimes singular metrics, i.e., finding the shortest paths based on distance or the best trade-off between distance and travel time. Integrating additional aspects like qualitative or social data by enriching the data model with knowledge derived from sources as mentioned above allows for queries that can be issued to fit a broader scope of needs or preferences. This thesis presents two implementations of incorporating multi-enriched data into road networks. In one case, a range of qualitative data sources is evaluated to gain knowledge about user preferences which is subsequently matched with locations represented in a road network and integrated into its components. Several methods are presented for highly customisable path queries that incorporate a wide spectrum of data. In a second case, a framework is described for resource distribution with reappearance in road networks to serve one or more clients, resulting in paths that provide maximum gain based on a probabilistic evaluation of available resources. Applications for this include finding parking spots. Social media trends are an emerging research area giving insight in user sentiment and important topics. Such trends consist of bursts of messages concerning a certain topic within a time frame, significantly deviating from the average appearance frequency of the same topic. By investigating the dissemination of such trends in space and time, this thesis presents methods to classify trend archetypes to predict future dissemination of a trend. Processing and querying uncertain data is particularly demanding given the additional knowledge required to yield results with probabilistic guarantees. Since such knowledge is not always available and queries are not easily scaled to larger datasets due to the #P-complete nature of the problem, many existing approaches reduce the data to a deterministic representation of its underlying model to eliminate uncertainty. However, data uncertainty can also provide valuable insight into the nature of the data that cannot be represented in a deterministic manner. This thesis presents techniques for clustering uncertain data as well as query processing, that take the additional information from uncertainty models into account while preserving scalability using a sampling-based approach, while previous approaches could only provide one of the two. The given solutions enable the application of various existing clustering techniques or query types to a framework that manages the uncertainty.Das Erscheinen neuer Methoden zur Datenerhebung in räumlichen Applikationen gepaart mit einer erhöhten Bereitschaft der Nutzer, Daten über sich preiszugeben, generiert einen stetig steigenden Fluss von Daten in großer Menge, komplexer Natur, und oft gepaart mit inhärenter Unsicherheit. Beispiele für solche Mechanismen sind Crowdsourcing, automatisierte Wissensinferenz, Tracking, und Daten aus sozialen Medien. Derartige Daten, angereichert mit mit zusätzlichen Informationen aus verschiedenen Quellen wie Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Text- oder numerische Attribute, sozialem Kontext, oder Multimediainhalten, werden als multi-enriched bezeichnet. Suche und Datamining in dieser weiten Datenmenge hält viele Herausforderungen bereit, wenn das gesamte Potenzial der Daten genutzt werden soll. Diese Arbeit geht auf mehrere große Fragestellungen in diesem Feld ein, insbesondere Pfadanfragen in multi-enriched Daten, Trend-mining in Daten aus sozialen Netzwerken, und die Beherrschung von Unsicherheit in räumlichen Daten. In all diesen Fällen haben die entwickelten Methoden signifikante Forschungsbeiträge geleistet und wurden veröffentlicht oder angenommen zu diversen renommierten internationalen, von Experten begutachteten Konferenzen und Journals. Ein gängiges Anwendungsgebiet räumlicher Daten sind Pfadanfragen in Straßennetzwerken, wo traditionelle Methoden die Resultate anhand absoluter und oft auch singulärer Maße optimieren, d.h., der kürzeste Pfad in Bezug auf die Distanz oder der beste Kompromiss zwischen Distanz und Reisezeit. Durch die Integration zusätzlicher Aspekte wie qualitativer Daten oder Daten aus sozialen Netzwerken als Anreicherung des Datenmodells mit aus diesen Quellen abgeleitetem Wissen werden Anfragen möglich, die ein breiteres Spektrum an Anforderungen oder Präferenzen erfüllen. Diese Arbeit präsentiert zwei Ansätze, solche multi-enriched Daten in Straßennetze einzufügen. Zum einen wird eine Reihe qualitativer Datenquellen ausgewertet, um Wissen über Nutzerpräferenzen zu generieren, welches darauf mit Örtlichkeiten im Straßennetz abgeglichen und in das Netz integriert wird. Diverse Methoden werden präsentiert, die stark personalisierbare Pfadanfragen ermöglichen, die ein weites Spektrum an Daten mit einbeziehen. Im zweiten Fall wird ein Framework präsentiert, das eine Ressourcenverteilung im Straßennetzwerk modelliert, bei der einmal verbrauchte Ressourcen erneut auftauchen können. Resultierende Pfade ergeben einen maximalen Ertrag basieren auf einer probabilistischen Evaluation der verfügbaren Ressourcen. Eine Anwendung ist die Suche nach Parkplätzen. Trends in sozialen Medien sind ein entstehendes Forscchungsgebiet, das Einblicke in Benutzerverhalten und wichtige Themen zulässt. Solche Trends bestehen aus großen Mengen an Nachrichten zu einem bestimmten Thema innerhalb eines Zeitfensters, so dass die Auftrittsfrequenz signifikant über den durchschnittlichen Level liegt. Durch die Untersuchung der Fortpflanzung solcher Trends in Raum und Zeit präsentiert diese Arbeit Methoden, um Trends nach Archetypen zu klassifizieren und ihren zukünftigen Weg vorherzusagen. Die Anfragebearbeitung und Datamining in unsicheren Daten ist besonders herausfordernd, insbesondere im Hinblick auf das notwendige Zusatzwissen, um Resultate mit probabilistischen Garantien zu erzielen. Solches Wissen ist nicht immer verfügbar und Anfragen lassen sich aufgrund der \P-Vollständigkeit des Problems nicht ohne Weiteres auf größere Datensätze skalieren. Dennoch kann Datenunsicherheit wertvollen Einblick in die Struktur der Daten liefern, der mit deterministischen Methoden nicht erreichbar wäre. Diese Arbeit präsentiert Techniken zum Clustering unsicherer Daten sowie zur Anfragebearbeitung, die die Zusatzinformation aus dem Unsicherheitsmodell in Betracht ziehen, jedoch gleichzeitig die Skalierbarkeit des Ansatzes auf große Datenmengen sicherstellen

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