Reverse k Nearest Neighbor Search over Trajectories

GPS enables mobile devices to continuously provide new opportunities to improve our daily lives. For example, the data collected in applications created by Uber or Public Transport Authorities can be used to plan transportation routes, estimate capacities, and proactively identify low coverage areas. In this paper, we study a new kind of query-Reverse k Nearest Neighbor Search over Trajectories (RkNNT), which can be used for route planning and capacity estimation. Given a set of existing routes DR, a set of passenger transitions DT, and a query route Q, a RkNNT query returns all transitions that take Q as one of its k nearest travel routes. To solve the problem, we first develop an index to handle dynamic trajectory updates, so that the most up-to-date transition data are available for answering a RkNNT query. Then we introduce a filter refinement framework for processing RkNNT queries using the proposed indexes. Next, we show how to use RkNNT to solve the optimal route planning problem MaxRkNNT (MinRkNNT), which is to search for the optimal route from a start location to an end location that could attract the maximum (or minimum) number of passengers based on a pre-defined travel distance threshold. Experiments on real datasets demonstrate the efficiency and scalability of our approaches. To the best of our best knowledge, this is the first work to study the RkNNT problem for route planning.Comment: 12 page

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

Fast trajectory search for real-world applications

With the popularity of smartphones equipped with GPS, a vast amount of trajectory data are being produced from location-based services, such as Uber, Google Maps, and Foursquare. We broadly divide trajectory data into three types: 1) commuter trajectories from taxicabs and ride-sharing apps; 2) vehicle trajectories from GPS navigation apps; 3) activity trajectories from social network check-ins and travel blogs. We investigate efficient and effective search on each of the three types of trajectory data, each of which has a real-world application. In particular: 1) commuter trajectory search can serve for the transport capacity estimation and route planning; 2) vehicle trajectory search can help real-time traffic monitoring and trend analysis; 3) activity trajectory search can be used in interactive and personalized trip planning. As the most straightforward trajectory data, a commuter trajectory only contains two points: origin and destination indicating a passenger’s movement, which is valuable for transportation decision making. In this thesis, we propose a novel query RkNNT to estimate the capacity of a bus route in the transport network. Answering RkNNT is challenging due to the high amount of data from commuters. We propose efficient solutions to prune most trajectories which cannot choose a query route as their nearest one. Further, we apply RkNNT to the optimal route planning problem-MaxRkNNT. A vehicle trajectory has more points than a commuter trajectory, as it tracks the whole trace of a vehicle and can further advocate the application of traffic monitoring. We conclude the common queries over trajectory data for monitoring purposes and proposes a search engine Torch to manage and search trajectories with map matching over a road network, instead of storing raw data sampled from GPS with a high cost. Besides improving the efficiency of search, Torch also supports compression, effectiveness evaluation of various existing similarity measures, and large-scale clustering k-paths with a novel similarity measure LORS. Exploring the activity trajectory data which contains textual information can help plan personalized trips for tourists. Based on spatial indexes which we propose for commuter and vehicle trajectory data, we further develop a unified search paradigm to process various top-k queries over activity trajectory and POIs data (hotels, restaurants, and attractions, etc.) at the same time. In particular, a new point-wise similarity measure PATS and an indexing framework with a unified search paradigm are proposed