Uncertain voronoi cell computation based on space decomposition

LNCS v. 9239 entitled: Advances in Spatial and Temporal Databases: 14th International Symposium, SSTD 2015 ... ProceedingsThe problem of computing Voronoi cells for spatial objects whose locations are not certain has been recently studied. In this work, we propose a new approach to compute Voronoi cells for the case of objects having rectangular uncertainty regions. Since exact computation of Voronoi cells is hard, we propose an approximate solution. The main idea of this solution is to apply hierarchical access methods for both data and object space. Our space index is used to efficiently find spatial regions which must (not) be inside a Voronoi cell. Our object index is used to efficiently identify Delauny relations, i.e., data objects which affect the shape of a Voronoi cell. We develop three algorithms to explore index structures and show that the approach that descends both index structures in parallel yields fast query processing times. Our experiments show that we are able to approximate uncertain Voronoi cells much more effectively than the state-of-the-art, and at the same time, improve run-time performance.postprin

Improving the geospatial consistency of digital libraries metadata

Consistency is an essential aspect of the quality of metadata. Inconsistent metadata records are harmful: given a themed query, the set of retrieved metadata records would contain descriptions of unrelated or irrelevant resources, and may even not contain some resources considered obvious. This is even worse when the description of the location is inconsistent. Inconsistent spatial descriptions may yield invisible or hidden geographical resources that cannot be retrieved by means of spatially themed queries. Therefore, ensuring spatial consistency should be a primary goal when reusing, sharing and developing georeferenced digital collections. We present a methodology able to detect geospatial inconsistencies in metadata collections based on the combination of spatial ranking, reverse geocoding, geographic knowledge organization systems and information-retrieval techniques. This methodology has been applied to a collection of metadata records describing maps and atlases belonging to the Library of Congress. The proposed approach was able to automatically identify inconsistent metadata records (870 out of 10,575) and propose fixes to most of them (91.5%) These results support the ability of the proposed methodology to assess the impact of spatial inconsistency in the retrievability and visibility of metadata records and improve their spatial consistency

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

Probabilistic Shortest Time Queries Over Uncertain Road Networks

In many real applications such as location-based services (LBS), map utilities, trip planning, and transportation systems, it is very useful and important to provide query services over spatial road networks. Nowadays we can easily obtain rich traffic information such as the speeds of vehicles on roads. However, due to the inaccuracy of devices or integration in consistencies, the traffic data (i.e., speeds) are often imprecise and uncertain. In this paper, we model road networks by uncertain graphs, which contain edges that are associated with probabilistic velocities. We formalize the problem of probabilistic shortest time query, and we propose time bound pruning and probabilistic bound pruning to filter out false alarms. Moreover, we design offline pre-computation to facilitate PSTQ processing

Continuous Probabilistic Nearest-Neighbor Queries for Uncertain Trajectories

This work addresses the problem of processing continuous nearest neighbor (NN) queries for moving objects trajectories when the exact position of a given object at a particular time instant is not known, but is bounded by an uncertainty region. As has already been observed in the literature, the answers to continuous NN-queries in spatio-temporal settings are time parameterized in the sense that the objects in the answer vary over time. Incorporating uncertainty in the model yields additional attributes that affect the semantics of the answer to this type of queries. In this work, we formalize the impact of uncertainty on the answers to the continuous probabilistic NN-queries, provide a compact structure for their representation and efficient algorithms for constructing that structure. We also identify syntactic constructs for several qualitative variants of continuous probabilistic NN-queries for uncertain trajectories and present efficient algorithms for their processing. 1