Reverse Nearest Neighbor Heat Maps: A Tool for Influence Exploration

We study the problem of constructing a reverse nearest neighbor (RNN) heat map by finding the RNN set of every point in a two-dimensional space. Based on the RNN set of a point, we obtain a quantitative influence (i.e., heat) for the point. The heat map provides a global view on the influence distribution in the space, and hence supports exploratory analyses in many applications such as marketing and resource management. To construct such a heat map, we first reduce it to a problem called Region Coloring (RC), which divides the space into disjoint regions within which all the points have the same RNN set. We then propose a novel algorithm named CREST that efficiently solves the RC problem by labeling each region with the heat value of its containing points. In CREST, we propose innovative techniques to avoid processing expensive RNN queries and greatly reduce the number of region labeling operations. We perform detailed analyses on the complexity of CREST and lower bounds of the RC problem, and prove that CREST is asymptotically optimal in the worst case. Extensive experiments with both real and synthetic data sets demonstrate that CREST outperforms alternative algorithms by several orders of magnitude.Comment: Accepted to appear in ICDE 201

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

Location- and keyword-based querying of geo-textual data: a survey

With the broad adoption of mobile devices, notably smartphones, keyword-based search for content has seen increasing use by mobile users, who are often interested in content related to their geographical location. We have also witnessed a proliferation of geo-textual content that encompasses both textual and geographical information. Examples include geo-tagged microblog posts, yellow pages, and web pages related to entities with physical locations. Over the past decade, substantial research has been conducted on integrating location into keyword-based querying of geo-textual content in settings where the underlying data is assumed to be either relatively static or is assumed to stream into a system that maintains a set of continuous queries. This paper offers a survey of both the research problems studied and the solutions proposed in these two settings. As such, it aims to offer the reader a first understanding of key concepts and techniques, and it serves as an “index” for researchers who are interested in exploring the concepts and techniques underlying proposed solutions to the querying of geo-textual data.Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)Ministry of Education (MOE)Nanyang Technological UniversityThis research was supported in part by MOE Tier-2 Grant MOE2019-T2-2-181, MOE Tier-1 Grant RG114/19, an NTU ACE Grant, and the Singtel Cognitive and Artificial Intelligence Lab for Enterprises (SCALE@NTU), which is a collaboration between Singapore Telecommunications Limited (Singtel) and Nanyang Technological University (NTU) that is funded by the Singapore Government through the Industry Alignment Fund Industry Collaboration Projects Grant, and by the Innovation Fund Denmark centre, DIREC

Reverse Nearest Neighbors Search in High Dimensions using Locality-Sensitive Hashing

We investigate the problem of finding reverse nearest neighbors efficiently. Although provably good solutions exist for this problem in low or fixed dimensions, to this date the methods proposed in high dimensions are mostly heuristic. We introduce a method that is both provably correct and efficient in all dimensions, based on a reduction of the problem to one instance of \e-nearest neighbor search plus a controlled number of instances of {\em exhaustive $r$-\pleb}, a variant of {\em Point Location among Equal Balls} where all the $r$-balls centered at the data points that contain the query point are sought for, not just one. The former problem has been extensively studied and elegantly solved in high dimensions using Locality-Sensitive Hashing (LSH) techniques. By contrast, the latter problem has a complexity that is still not fully understood. We revisit the analysis of the LSH scheme for exhaustive $r$-\pleb using a somewhat refined notion of locality-sensitive family of hash function, which brings out a meaningful output-sensitive term in the complexity of the problem. Our analysis, combined with a non-isometric lifting of the data, enables us to answer exhaustive $r$-\pleb queries (and down the road reverse nearest neighbors queries) efficiently. Along the way, we obtain a simple algorithm for answering exact nearest neighbor queries, whose complexity is parametrized by some {\em condition number} measuring the inherent difficulty of a given instance of the problem.Nous étudions le problème de la recherche efficace de plus proches voisins inverses en grandes dimensions. Étant donné un nuage de points $P$ et un paramètre \e, notre objectif est de pré-traiter le nuage $P$ de telle sorte à pouvoir trouver rapidement l'ensemble des plus proches voisins inverses d'un point de requête $q$ quelconque, plus éventuellement un petit nombre de faux positifs qui sont proches d'être des plus proches voisins inverses de $q$. Alors que des solutions efficaces et prouvées existent pour ce problème en dimensions petites ou fixées, à ce jour les méthodes proposées en grandes dimensions sont essentiellement heuristiques. Nous proposons une méthode à la fois efficace et prouvée en toutes dimensions, basée sur une réduction du problème à un petit nombre d'instances des problèmes classiques de recherche de plus proche voisin approché et de recherche exhaustive de voisins à distance $r$ fixée. La complexité intrinsèque de ce dernier problème reste peu connue. Nous proposons une nouvelle analyse du comportement de certaines techniques de hachage sensibles à la localisation (LSH) sur ce problème, qui met en évidence une borne dépendant de la taille de la sortie, et qui, combinée à un relèvement non-isométrique des points en dimension plus grande, permet de résoudre le problème de la recherche de plus proches voisins inverses efficacement, via la réduction citée précédemment. Dans la foulée nous proposons également une méthode pour effectuer des recherches de plus proches voisins exacts, dont la complexité est paramétrée par un indice de {\em conditionnement} mesurant la difficulté intrinsèque d'une instance particulière du problème

Group Reverse Nearest Neighbor Search using Modified Skip Graph

The reverse nearest neighbor search is used for spatial queries. The reverse nearest neighbor search, the object in high dimensional space has a certain region where all objects inside the region will think of query object as their nearest neighbor. The existing methods for reverse nearest neighbor search are limited to the single query point, which is inefficient for the high dimensional spatial databases etc. Therefore, in this paper we proposed a group reverse nearest neighbor search which can find multiple query objects in a specific region. In this paper we proposed method for group reverse nearest neighbor queries using modified skip graph

Reverse spatial visual top-k query

With the wide application of mobile Internet techniques an location-based services (LBS), massive multimedia data with geo-tags has been generated and collected. In this paper, we investigate a novel type of spatial query problem, named reverse spatial visual top- $k$ query (RSVQ k ) that aims to retrieve a set of geo-images that have the query as one of the most relevant geo-images in both geographical proximity and visual similarity. Existing approaches for reverse top- $k$ queries are not suitable to address this problem because they cannot effectively process unstructured data, such as image. To this end, firstly we propose the definition of RSVQ k problem and introduce the similarity measurement. A novel hybrid index, named VR 2 -Tree is designed, which is a combination of visual representation of geo-image and R-Tree. Besides, an extension of VR 2 -Tree, called CVR 2 -Tree is introduced and then we discuss the calculation of lower/upper bound, and then propose the optimization technique via CVR 2 -Tree for further pruning. In addition, a search algorithm named RSVQ k algorithm is developed to support the efficient RSVQ k query. Comprehensive experiments are conducted on four geo-image datasets, and the results illustrate that our approach can address the RSVQ k problem effectively and efficiently