A qualitative approach to the identification, visualisation and interpretation of repetitive motion patterns in groups of moving point objects

Discovering repetitive patterns is important in a wide range of research areas, such as bioinformatics and human movement analysis. This study puts forward a new methodology to identify, visualise and interpret repetitive motion patterns in groups of Moving Point Objects (MPOs). The methodology consists of three steps. First, motion patterns are qualitatively described using the Qualitative Trajectory Calculus (QTC). Second, a similarity analysis is conducted to compare motion patterns and identify repetitive patterns. Third, repetitive motion patterns are represented and interpreted in a continuous triangular model. As an illustration of the usefulness of combining these hitherto separated methods, a specific movement case is examined: Samba dance, a rhythmical dance will? many repetitive movements. The results show that the presented methodology is able to successfully identify, visualize and interpret the contained repetitive motions

Geospatial Narratives and their Spatio-Temporal Dynamics: Commonsense Reasoning for High-level Analyses in Geographic Information Systems

The modelling, analysis, and visualisation of dynamic geospatial phenomena has been identified as a key developmental challenge for next-generation Geographic Information Systems (GIS). In this context, the envisaged paradigmatic extensions to contemporary foundational GIS technology raises fundamental questions concerning the ontological, formal representational, and (analytical) computational methods that would underlie their spatial information theoretic underpinnings. We present the conceptual overview and architecture for the development of high-level semantic and qualitative analytical capabilities for dynamic geospatial domains. Building on formal methods in the areas of commonsense reasoning, qualitative reasoning, spatial and temporal representation and reasoning, reasoning about actions and change, and computational models of narrative, we identify concrete theoretical and practical challenges that accrue in the context of formal reasoning about `space, events, actions, and change'. With this as a basis, and within the backdrop of an illustrated scenario involving the spatio-temporal dynamics of urban narratives, we address specific problems and solutions techniques chiefly involving `qualitative abstraction', `data integration and spatial consistency', and `practical geospatial abduction'. From a broad topical viewpoint, we propose that next-generation dynamic GIS technology demands a transdisciplinary scientific perspective that brings together Geography, Artificial Intelligence, and Cognitive Science. Keywords: artificial intelligence; cognitive systems; human-computer interaction; geographic information systems; spatio-temporal dynamics; computational models of narrative; geospatial analysis; geospatial modelling; ontology; qualitative spatial modelling and reasoning; spatial assistance systemsComment: ISPRS International Journal of Geo-Information (ISSN 2220-9964); Special Issue on: Geospatial Monitoring and Modelling of Environmental Change}. IJGI. Editor: Duccio Rocchini. (pre-print of article in press

A survey of qualitative spatial representations

Representation and reasoning with qualitative spatial relations is an important problem in artificial intelligence and has wide applications in the fields of geographic information system, computer vision, autonomous robot navigation, natural language understanding, spatial databases and so on. The reasons for this interest in using qualitative spatial relations include cognitive comprehensibility, efficiency and computational facility. This paper summarizes progress in qualitative spatial representation by describing key calculi representing different types of spatial relationships. The paper concludes with a discussion of current research and glimpse of future work

Multi-Paradigm Reasoning for Access to Heterogeneous GIS

Accessing and querying geographical data in a uniform way has become easier in recent years. Emerging standards like WFS turn the web into a geospatial web services enabled place. Mediation architectures like VirGIS overcome syntactical and semantical heterogeneity between several distributed sources. On mobile devices, however, this kind of solution is not suitable, due to limitations, mostly regarding bandwidth, computation power, and available storage space. The aim of this paper is to present a solution for providing powerful reasoning mechanisms accessible from mobile applications and involving data from several heterogeneous sources. By adapting contents to time and location, mobile web information systems can not only increase the value and suitability of the service itself, but can substantially reduce the amount of data delivered to users. Because many problems pertain to infrastructures and transportation in general and to way finding in particular, one cornerstone of the architecture is higher level reasoning on graph networks with the Multi-Paradigm Location Language MPLL. A mediation architecture is used as a “graph provider” in order to transfer the load of computation to the best suited component – graph construction and transformation for example being heavy on resources. Reasoning in general can be conducted either near the “source” or near the end user, depending on the specific use case. The concepts underlying the proposal described in this paper are illustrated by a typical and concrete scenario for web applications

A qualitative calculus for moving point objects constrained by networks

Continu bewegende objecten vormen een belangrijk studieobject in een groot aantal domeinen. Enkele voorbeelden zijn: een bioloog die het verplaatsinggedrag van een kudde dieren wil bestuderen, een verkeersplanner die de bewegingen van auto’s wil volgen en een sportwetenschapper die de onderlinge interacties van voetballers tijdens een wedstrijd wil analyseren. Vanuit geometrisch standpunt, concentreren de meeste toepassingen zich op de positionele beweging van het voorwerp zelf waardoor bewegende objecten meestal tot punten worden vereenvoudigd. De recente evoluties in diverse plaatsbepalingstechnieken (GPS, GSM, ...) laten toe grote hoeveelheden dergelijke bewegende puntobjecten op te meten en op te slaan. Er is al heel wat onderzoek verricht in het genereren, indexeren, en modelleren en bevragen van bewegende objecten in tijdruimtelijke databanken. Redeneren over de relaties tussen bewegende puntobjecten echter vormt nog maar sinds kort het voorwerp van onderzoek, vooral het redeneren binnen een kwalitatief kader. Nieuwe technieken binnen informatiesystemen, zoals Geografische Informatiesystemen (GIS), zouden echter veel meer kwalitatieve methodes moeten hanteren. Aangezien mensen verkiezen te communiceren in kwalitatieve termen, zouden dergelijke systemen dichter komen bij de manier waarop informatie wordt meegedeeld. Wat GIS betreft, passen deze ideeën volledig binnen het onderzoeksdomein van de Naïeve Geografie (Naive Geography). Door hun populariteit, wordt een GIS niet alleen meer door domeinspecialisten gebruikt (b.v. Google Earth, systemen voor autonavigatie). Het gebruik van kwalitatieve methodes binnen informatiesystemen zou de toegankelijkheid moeten verzekeren voor een brede waaier gebruikers. Aangezien redeneren over bewegingen een belangrijk onderdeel vormt van het alledaagse menselijke kennisvermogen, is er een duidelijke behoefte om een kwalitatieve ‘bewegingscalculus’ te ontwikkelen. In het domein van kwalitatief ruimtelijk redeneren is Mereotopologie het meest onderzochte studiegebied. Volgens het 9-Intersectie Model (9-Intersection Model) echter zijn er slechts twee triviale topologische relaties tussen twee puntobjecten: de objecten zijn ofwel co-incident ofwel disjunct. Aangezien bewegende objecten in de realiteit meestal niet samenvallen, en topologische modellen geen verder onderscheid kunnen maken tussen disjuncte objecten, zijn deze calculi in het geval van bewegende puntobjecten niet expressief genoeg. Een typisch voorbeeld is het geval waar twee vliegtuigen zich in een gescheiden relatie bevinden. Het is noodzakelijk om te weten of deze beide vliegtuigen in deze relatie kunnen blijven, zoniet kunnen de gevolgen catastrofaal zijn. De Kwalitatieve Traject Calculus (Qualitative Trajectory Calculus: QTC), geïntroduceerd door Van de Weghe, is op dit vlak expressiever. QTC beschrijft en redeneert over kwalitatieve relaties tussen disjuncte continu bewegende puntobjecten. In Van de Weghe, worden twee soorten QTC geïntroduceerd. De basiscalculus (QTC-Basic: QTCB) beschrijft de onderlinge relaties tussen bewegende puntobjecten met behulp van afstandsvergelijkingen, terwijl QTC-Dubbel Kruis (QTC-Double Cross: QTCC) de relaties beschrijft via een referentieframe bestaande uit drie referentielijnen in de vorm van een dubbel kruis. Moreira et al. maken een onderscheid tussen twee soorten bewegende objecten: voorwerpen die in de vrije ruimte kunnen bewegen (b.v. een vogel die door de lucht vliegt) en voorwerpen die in hun bewegingsvrijheid beperkt worden (b.v. een trein kan enkel op het spoorwegnetwerk bewegen). Een groot aantal bewegingen worden duidelijk begrensd door een netwerk (binnenschepen kunnen enkel varen op kanalen en sommige rivieren, auto’s rijden op straatnetwerken, enz.). Daarom is de hoofddoelstelling van dit proefschrift het uitbreiden van de QTC theorie naar objecten die enkel op netwerken kunnen bewegen. Met andere woorden, het doel is een kwalitatieve calculus op te stellen die het mogelijk maakt om relaties tussen bewegende puntobjecten die enkel op netwerken kunnen bewegen te beschrijven en te onderzoeken: De Kwalitative Traject Caculus op Netwerken (QTCN). Een tweede doelstelling bestaat erin om een eerste aanzet te geven tot de taalkundige en cognitieve bruikbaarheid en geschiktheid van QTC

A Qualitative Representation of Spatial Scenes in R2 with Regions and Lines

Regions and lines are common geographic abstractions for geographic objects. Collections of regions, lines, and other representations of spatial objects form a spatial scene, along with their relations. For instance, the states of Maine and New Hampshire can be represented by a pair of regions and related based on their topological properties. These two states are adjacent (i.e., they meet along their shared boundary), whereas Maine and Florida are not adjacent (i.e., they are disjoint). A detailed model for qualitatively describing spatial scenes should capture the essential properties of a configuration such that a description of the represented objects and their relations can be generated. Such a description should then be able to reproduce a scene in a way that preserves all topological relationships, but without regards to metric details. Coarse approaches to qualitative spatial reasoning may underspecify certain relations. For example, if two objects meet, it is unclear if they meet along an edge, at a single point, or multiple times along their boundaries. Where the boundaries of spatial objects converge, this is called a spatial intersection. This thesis develops a model for spatial scene descriptions primarily through sequences of detailed spatial intersections and object containment, capturing how complex spatial objects relate. With a theory of complex spatial scenes developed, a tool that will automatically generate a formal description of a spatial scene is prototyped, enabling the described objects to be analyzed. The strengths and weaknesses of the provided model will be discussed relative to other models of spatial scene description, along with further refinements

Mining geo-referenced databases: a way to improve decision-making

Knowledge discovery in databases is a process that aims at the discovery of associations within data sets. The analysis of geo-referenced data demands a particular approach in this process. This chapter presents a new approach to the process of knowledge discovery, in which qualitative geographic identifiers give the positional aspects of geographic data. Those identifiers are manipulated using qualitative reasoning principles, which allows for the inference of new spatial relations required for the data mining step of the knowledge discovery process. The efficacy and usefulness of the implemented system — PADRÃO — has been tested with a bank dataset. The results obtained support that traditional knowledge discovery systems, developed for relational databases and not having semantic knowledge linked to spatial data, can be used in the process of knowledge discovery in geo-referenced databases, since some of this semantic knowledge and the principles of qualitative spatial reasoning are available as spatial domain knowledge