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

Analyzing complex data using domain constraints

Data-driven research approaches are becoming increasingly popular in a growing number of scientific disciplines. While a data-driven research approach can yield superior results, generating the required data can be very costly. This frequently leads to small and complex data sets, in which it is impossible to rely on volume alone to compensate for all shortcomings of the data. To counter this problem, other reliable sources of information must be incorporated. In this work, domain knowledge, as a particularly reliable type of additional information, is used to inform data-driven analysis methods. This domain knowledge is represented as constraints on the possible solutions, which the presented methods can use to inform their analysis. It focusses on spatial constraints as a particularly common type of constraint, but the proposed techniques are general enough to be applied to other types of constraints. In this thesis, new methods using domain constraints for data-driven science applications are discussed. These methods have applications in feature evaluation, route database repair, and Gaussian Mixture modeling of spatial data. The first application focuses on feature evaluation. The presented method receives two representations of the same data: one as the intended target and the other for investigation. It calculates a score indicating how much the two representations agree. A presented application uses this technique to compare a reference attribute set with different subsets to determine the importance and relevance of individual attributes. A second technique analyzes route data for constraint compliance. The presented framework allows the user to specify constraints and possible actions to modify the data. The presented method then uses these inputs to generate a version of the data, which agrees with the constraints, while otherwise reducing the impact of the modifications as much as possible. Two extensions of this schema are presented: an extension to continuously valued costs, which are minimized, and an extension to constraints involving more than one moving object. Another addressed application area is modeling of multivariate measurement data, which was measured at spatially distributed locations. The spatial information recorded with the data can be used as the basis for constraints. This thesis presents multiple approaches to building a model of this kind of data while complying with spatial constraints. The first approach is an interactive tool, which allows domain scientists to generate a model of the data, which complies with their knowledge about the data. The second is a Monte Carlo approach, which generates a large number of possible models, tests them for compliance with the constraints, and returns the best one. The final two approaches are based on the EM algorithm and use different ways of incorporating the information into their models. At the end of the thesis, two applications of the models, which have been generated in the previous chapter, are presented. The first is prediction of the origin of samples and the other is the visual representation of the extracted models on a map. These tools can be used by domain scientists to augment their tried and tested tools. The developed techniques are applied to a real-world data set collected in the archaeobiological research project FOR 1670 (Transalpine mobility and cultural transfer) of the German Science Foundation. The data set contains isotope ratio measurements of samples, which were discovered at archaeological sites in the Alps region of central Europe. Using the presented data analysis methods, the data is analyzed to answer relevant domain questions. In a first application, the attributes of the measurements are analyzed for their relative importance and their ability to predict the spatial location of samples. Another presented application is the reconstruction of potential migration routes between the investigated sites. Then spatial models are built using the presented modeling approaches. Univariate outliers are determined and used to predict locations based on the generated models. These are cross-referenced with the recorded origins. Finally, maps of the isotope distribution in the investigated regions are presented. The described methods and demonstrated analyses show that domain knowledge can be used to formulate constraints that inform the data analysis process to yield valid models from relatively small data sets and support domain scientists in their analyses.Datengetriebene Forschungsansätze werden für eine wachsende Anzahl von wissenschaftlichen Disziplinen immer wichtiger. Obwohl ein datengetriebener Forschungsansatz bessere Ergebnisse erzielen kann, kann es sehr teuer sein die notwendigen Daten zu gewinnen. Dies hat häufig zur Folge, dass kleine und komplexe Datensätze entstehen, bei denen es nicht möglich ist sich auf die Menge der Datenpunkte zu verlassen um Probleme bei der Analyse auszugleichen. Um diesem Problem zu begegnen müssen andere Informationsquellen verwendet werden. Fachwissen als eine besonders zuverlässige Quelle solcher Informationen kann herangezogen werden, um die datengetriebenen Analysemethoden zu unterstützen. Dieses Fachwissen wird ausgedrückt als Constraints (Nebenbedingungen) der möglichen Lösungen, die die vorgestellten Methoden benutzen können um ihre Analyse zu steuern. Der Fokus liegt dabei auf räumlichen Constraints als eine besonders häufige Art von Constraints, aber die vorgeschlagenen Methoden sind allgemein genug um auf andere Arte von Constraints angewendet zu werden. Es werden neue Methoden diskutiert, die Fachwissen für datengetriebene wissenschaftliche Anwendungen verwenden. Diese Methoden haben Anwendungen auf Feature-Evaluation, die Reparatur von Bewegungsdatenbanken und auf Gaussian-Mixture-Modelle von räumlichen Daten. Die erste Anwendung betrifft Feature-Evaluation. Die vorgestellte Methode erhält zwei Repräsentationen der selben Daten: eine als Zielrepräsentation und eine zur Untersuchung. Sie berechnet einen Wert, der aussagt, wie einig sich die beiden Repräsentationen sind. Eine vorgestellte Anwendung benutzt diese Technik um eine Referenzmenge von Attributen mit verschiedenen Untermengen zu vergleichen, um die Wichtigkeit und Relevanz einzelner Attribute zu bestimmen. Eine zweite Technik analysiert die Einhaltung von Constraints in Bewegungsdaten. Das präsentierte Framework erlaubt dem Benutzer Constraints zu definieren und mögliche Aktionen zur Veränderung der Daten anzuwenden. Die präsentierte Methode benutzt diese Eingaben dann um eine neue Variante der Daten zu erstellen, die die Constraints erfüllt ohne die Datenbank mehr als notwendig zu verändern. Zwei Erweiterungen dieser Grundidee werden vorgestellt: eine Erweiterung auf stetige Kostenfunktionen, die minimiert werden, und eine Erweiterung auf Bedingungen, die mehr als ein bewegliches Objekt betreffen. Ein weiteres behandeltes Anwendungsgebiet ist die Modellierung von multivariaten Messungen, die an räumlich verteilten Orten gemessen wurden. Die räumliche Information, die zusammen mit diesen Daten erhoben wurde, kann als Grundlage genutzt werden um Constraints zu formulieren. Mehrere Ansätze zum Erstellen von Modellen auf dieser Art von Daten werden vorgestellt, die räumliche Constraints einhalten. Der erste dieser Ansätze ist ein interaktives Werkzeug, das Fachwissenschaftlern dabei hilft, Modelle der Daten zu erstellen, die mit ihrem Wissen über die Daten übereinstimmen. Der zweite ist eine Monte-Carlo-Simulation, die eine große Menge möglicher Modelle erstellt, testet ob sie mit den Constraints übereinstimmen und das beste Modell zurückgeben. Zwei letzte Ansätze basieren auf dem EM-Algorithmus und benutzen verschiedene Arten diese Information in das Modell zu integrieren. Am Ende werden zwei Anwendungen der gerade vorgestellten Modelle vorgestellt. Die erste ist die Vorhersage der Herkunft von Proben und die andere ist die grafische Darstellung der erstellten Modelle auf einer Karte. Diese Werkzeuge können von Fachwissenschaftlern benutzt werden um ihre bewährten Methoden zu unterstützen. Die entwickelten Methoden werden auf einen realen Datensatz angewendet, der von dem archäo-biologischen Forschungsprojekt FOR 1670 (Transalpine Mobilität und Kulturtransfer der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhoben worden ist. Der Datensatz enthält Messungen von Isotopenverhältnissen von Proben, die in archäologischen Fundstellen in den zentraleuropäischen Alpen gefunden wurden. Die präsentierten Datenanalyse-Methoden werden verwendet um diese Daten zu analysieren und relevante Forschungsfragen zu klären. In einer ersten Anwendung werden die Attribute der Messungen analysiert um ihre relative Wichtigkeit und ihre Fähigkeit zu bewerten, die räumliche Herkunft der Proben vorherzusagen. Eine weitere vorgestellte Anwendung ist die Wiederherstellung von möglichen Migrationsrouten zwischen den untersuchten Fundstellen. Danach werden räumliche Modelle der Daten unter Verwendung der vorgestellten Methoden erstellt. Univariate Outlier werden bestimmt und ihre möglich Herkunft basierend auf der erstellten Karte wird bestimmt. Die vorhergesagte Herkunft wird mit der tatsächlichen Fundstelle verglichen. Zuletzt werden Karten der Isotopenverteilung der untersuchten Region vorgestellt. Die beschriebenen Methoden und vorgestellten Analysen zeigen, dass Fachwissen verwendet werden kann um Constraints zu formulieren, die den Datenanalyseprozess unterstützen, um gültige Modelle aus relativ kleinen Datensätzen zu erstellen und Fachwissenschaftler bei ihren Analysen zu unterstützen

Similarity processing in multi-observation data

Many real-world application domains such as sensor-monitoring systems for environmental research or medical diagnostic systems are dealing with data that is represented by multiple observations. In contrast to single-observation data, where each object is assigned to exactly one occurrence, multi-observation data is based on several occurrences that are subject to two key properties: temporal variability and uncertainty. When defining similarity between data objects, these properties play a significant role. In general, methods designed for single-observation data hardly apply for multi-observation data, as they are either not supported by the data models or do not provide sufficiently efficient or effective solutions. Prominent directions incorporating the key properties are the fields of time series, where data is created by temporally successive observations, and uncertain data, where observations are mutually exclusive. This thesis provides research contributions for similarity processing - similarity search and data mining - on time series and uncertain data. The first part of this thesis focuses on similarity processing in time series databases. A variety of similarity measures have recently been proposed that support similarity processing w.r.t. various aspects. In particular, this part deals with time series that consist of periodic occurrences of patterns. Examining an application scenario from the medical domain, a solution for activity recognition is presented. Finally, the extraction of feature vectors allows the application of spatial index structures, which support the acceleration of search and mining tasks resulting in a significant efficiency gain. As feature vectors are potentially of high dimensionality, this part introduces indexing approaches for the high-dimensional space for the full-dimensional case as well as for arbitrary subspaces. The second part of this thesis focuses on similarity processing in probabilistic databases. The presence of uncertainty is inherent in many applications dealing with data collected by sensing devices. Often, the collected information is noisy or incomplete due to measurement or transmission errors. Furthermore, data may be rendered uncertain due to privacy-preserving issues with the presence of confidential information. This creates a number of challenges in terms of effectively and efficiently querying and mining uncertain data. Existing work in this field either neglects the presence of dependencies or provides only approximate results while applying methods designed for certain data. Other approaches dealing with uncertain data are not able to provide efficient solutions. This part presents query processing approaches that outperform existing solutions of probabilistic similarity ranking. This part finally leads to the application of the introduced techniques to data mining tasks, such as the prominent problem of probabilistic frequent itemset mining.Viele Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Umweltforschung oder die medizinische Diagnostik, nutzen Systeme der Sensorüberwachung. Solche Systeme müssen oftmals in der Lage sein, mit Daten umzugehen, welche durch mehrere Beobachtungen repräsentiert werden. Im Gegensatz zu Daten mit nur einer Beobachtung (Single-Observation Data) basieren Daten aus mehreren Beobachtungen (Multi-Observation Data) auf einer Vielzahl von Beobachtungen, welche zwei Schlüsseleigenschaften unterliegen: Zeitliche Veränderlichkeit und Datenunsicherheit. Im Bereich der Ähnlichkeitssuche und im Data Mining spielen diese Eigenschaften eine wichtige Rolle. Gängige Lösungen in diesen Bereichen, die für Single-Observation Data entwickelt wurden, sind in der Regel für den Umgang mit mehreren Beobachtungen pro Objekt nicht anwendbar. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Ansätze entweder nicht mit den Datenmodellen vereinbar sind oder keine Lösungen anbieten, die den aktuellen Ansprüchen an Lösungsqualität oder Effizienz genügen. Bekannte Forschungsrichtungen, die sich mit Multi-Observation Data und deren Schlüsseleigenschaften beschäftigen, sind die Analyse von Zeitreihen und die Ähnlichkeitssuche in probabilistischen Datenbanken. Während erstere Richtung eine zeitliche Ordnung der Beobachtungen eines Objekts voraussetzt, basieren unsichere Datenobjekte auf Beobachtungen, die sich gegenseitig bedingen oder ausschließen. Diese Dissertation umfasst aktuelle Forschungsbeiträge aus den beiden genannten Bereichen, wobei Methoden zur Ähnlichkeitssuche und zur Anwendung im Data Mining vorgestellt werden. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Ähnlichkeitssuche und Data Mining in Zeitreihendatenbanken. Insbesondere werden Zeitreihen betrachtet, welche aus periodisch auftretenden Mustern bestehen. Im Kontext eines medizinischen Anwendungsszenarios wird ein Ansatz zur Aktivitätserkennung vorgestellt. Dieser erlaubt mittels Merkmalsextraktion eine effiziente Speicherung und Analyse mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen. Für den Fall hochdimensionaler Merkmalsvektoren stellt dieser Teil zwei Indexierungsmethoden zur Beschleunigung von ähnlichkeitsanfragen vor. Die erste Methode berücksichtigt alle Attribute der Merkmalsvektoren, während die zweite Methode eine Projektion der Anfrage auf eine benutzerdefinierten Unterraum des Vektorraums erlaubt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Ähnlichkeitssuche im Kontext probabilistischer Datenbanken behandelt. Daten aus Sensormessungen besitzen häufig Eigenschaften, die einer gewissen Unsicherheit unterliegen. Aufgrund von Mess- oder übertragungsfehlern sind gemessene Werte oftmals unvollständig oder mit Rauschen behaftet. In diversen Szenarien, wie beispielsweise mit persönlichen oder medizinisch vertraulichen Daten, können Daten auch nachträglich von Hand verrauscht werden, so dass eine genaue Rekonstruktion der ursprünglichen Informationen nicht möglich ist. Diese Gegebenheiten stellen Anfragetechniken und Methoden des Data Mining vor einige Herausforderungen. In bestehenden Forschungsarbeiten aus dem Bereich der unsicheren Datenbanken werden diverse Probleme oftmals nicht beachtet. Entweder wird die Präsenz von Abhängigkeiten ignoriert, oder es werden lediglich approximative Lösungen angeboten, welche die Anwendung von Methoden für sichere Daten erlaubt. Andere Ansätze berechnen genaue Lösungen, liefern die Antworten aber nicht in annehmbarer Laufzeit zurück. Dieser Teil der Arbeit präsentiert effiziente Methoden zur Beantwortung von Ähnlichkeitsanfragen, welche die Ergebnisse absteigend nach ihrer Relevanz, also eine Rangliste der Ergebnisse, zurückliefern. Die angewandten Techniken werden schließlich auf Problemstellungen im probabilistischen Data Mining übertragen, um beispielsweise das Problem des Frequent Itemset Mining unter Berücksichtigung des vollen Gehalts an Unsicherheitsinformation zu lösen

Geo-Tagged Video Management: Storage, Queries and Streaming

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH