Design and Implementation of an Object-Oriented Space-Time GIS Data Model

Geographic data are closely related to both spatial and temporal domains. Geographic information systems (GIS) can capture, manage, analyze, and display spatial data. However, they are not suitable for handling temporal data. Rapid developments of data collection and location-aware technologies stimulate the interests of obtaining useful information from the historical data. Researchers have been working to build various spatio-temporal data models to support spatio-temporal query. Nevertheless, the existing models exhibit weaknesses in various aspects. For instance, the snapshot model is plagued with data redundancy and the event-based spatio-temporal data model (ESTDM) is limited to raster dataset. This study reviews existing spatio-temporal data models in order to design an object-oriented space-time GIS data model that makes additional contributions to processing spatio-temporal data. A binary large object (BLOB) data type, labeled Space-Time BLOB, is added to ArcGIS geodatabase data model to store instantiated space-time objects. A Space-Time BLOB is associated with an array that contains the spatial and temporal information for an object at different time points and time intervals. This study also implements a space-time GIS prototype system, along with a set of spatio-temporal query functions, based on the proposed space-time GIS data model

From Social Data Mining to Forecasting Socio-Economic Crisis

Socio-economic data mining has a great potential in terms of gaining a better understanding of problems that our economy and society are facing, such as financial instability, shortages of resources, or conflicts. Without large-scale data mining, progress in these areas seems hard or impossible. Therefore, a suitable, distributed data mining infrastructure and research centers should be built in Europe. It also appears appropriate to build a network of Crisis Observatories. They can be imagined as laboratories devoted to the gathering and processing of enormous volumes of data on both natural systems such as the Earth and its ecosystem, as well as on human techno-socio-economic systems, so as to gain early warnings of impending events. Reality mining provides the chance to adapt more quickly and more accurately to changing situations. Further opportunities arise by individually customized services, which however should be provided in a privacy-respecting way. This requires the development of novel ICT (such as a self- organizing Web), but most likely new legal regulations and suitable institutions as well. As long as such regulations are lacking on a world-wide scale, it is in the public interest that scientists explore what can be done with the huge data available. Big data do have the potential to change or even threaten democratic societies. The same applies to sudden and large-scale failures of ICT systems. Therefore, dealing with data must be done with a large degree of responsibility and care. Self-interests of individuals, companies or institutions have limits, where the public interest is affected, and public interest is not a sufficient justification to violate human rights of individuals. Privacy is a high good, as confidentiality is, and damaging it would have serious side effects for society.Comment: 65 pages, 1 figure, Visioneer White Paper, see http://www.visioneer.ethz.c

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

Efficient processing of similarity queries with applications

Today, a myriad of data sources, from the Internet to business operations to scientific instruments, produce large and different types of data. Many application scenarios, e.g., marketing analysis, sensor networks, and medical and biological applications, call for identifying and processing similarities in big data. As a result, it is imperative to develop new similarity query processing approaches and systems that scale from low dimensional data to high dimensional data, from single machine to clusters of hundreds of machines, and from disk-based to memory-based processing. This dissertation introduces and studies several similarity-aware query operators, analyzes and optimizes their performance. The first contribution of this dissertation is an SQL-based Similarity Group-by operator (SGB, for short) that extends the semantics of the standard SQL Group-by operator to group data with similar but not necessarily equal values. We realize these SGB operators by extending the Standard SQL Group-by and introduce two new SGB operators for multi-dimensional data. We implement and test the new SGB operators and their algorithms inside an open-source centralized database server (PostgreSQL). In the second contribution of this dissertation, we study how to efficiently process Hamming-distance-based similarity queries (Hamming-distance select and Hamming-distance join) that are crucial to many applications. We introduce a new index, termed the HA-Index, that speeds up distance comparisons and eliminates redundancies when performing the two flavors of Hamming distance range queries (namely, the selects and joins). In the third and last contribution of this dissertation, we develop a system for similarity query processing and optimization in an in-memory and distributed setup for big spatial data. We propose a query scheduler and a distributed query optimizer that use a new cost model to optimize the cost of similarity query processing in this in-memory distributed setup. The scheduler and query optimizer generates query execution plans that minimize the effect of query skew. The query scheduler employs new spatial indexing techniques based on bloom filters to forward queries to the appropriate local sites. The proposed query processing and optimization techniques are prototyped inside Spark, a distributed main-memory computation system

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