Design and analysis of algorithms for similarity search based on intrinsic dimension

One of the most fundamental operations employed in data mining tasks such as classification, cluster analysis, and anomaly detection, is that of similarity search. It has been used in numerous fields of application such as multimedia, information retrieval, recommender systems and pattern recognition. Specifically, a similarity query aims to retrieve from the database the most similar objects to a query object, where the underlying similarity measure is usually expressed as a distance function. The cost of processing similarity queries has been typically assessed in terms of the representational dimension of the data involved, that is, the number of features used to represent individual data objects. It is generally the case that high representational dimension would result in a significant increase in the processing cost of similarity queries. This relation is often attributed to an amalgamation of phenomena, collectively referred to as the curse of dimensionality. However, the observed effects of dimensionality in practice may not be as severe as expected. This has led to the development of models quantifying the complexity of data in terms of some measure of the intrinsic dimensionality. The generalized expansion dimension (GED) is one of such models, which estimates the intrinsic dimension in the vicinity of a query point q through the observation of the ranks and distances of pairs of neighbors with respect to q. This dissertation is mainly concerned with the design and analysis of search algorithms, based on the GED model. In particular, three variants of similarity search problem are considered, including adaptive similarity search, flexible aggregate similarity search, and subspace similarity search. The good practical performance of the proposed algorithms demonstrates the effectiveness of dimensionality-driven design of search algorithms

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

Generalized and efficient outlier detection for spatial, temporal, and high-dimensional data mining

Knowledge Discovery in Databases (KDD) ist der Prozess, nicht-triviale Muster aus großen Datenbanken zu extrahieren, mit dem Ziel, dass diese bisher unbekannt, potentiell nützlich, statistisch fundiert und verständlich sind. Der Prozess umfasst mehrere Schritte wie die Selektion, Vorverarbeitung, Evaluierung und den Analyseschritt, der als Data-Mining bekannt ist. Eine der zentralen Aufgabenstellungen im Data-Mining ist die Ausreißererkennung, das Identifizieren von Beobachtungen, die ungewöhnlich sind und mit der Mehrzahl der Daten inkonsistent erscheinen. Solche seltene Beobachtungen können verschiedene Ursachen haben: Messfehler, ungewöhnlich starke (aber dennoch genuine) Abweichungen, beschädigte oder auch manipulierte Daten. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Verfahren zur Erkennung von Ausreißern vorgeschlagen, die sich oft nur geringfügig zu unterscheiden scheinen, aber in den Publikationen experimental als ``klar besser'' dargestellt sind. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist es, die unterschiedlichen Verfahren zusammenzuführen und in einem gemeinsamen Formalismus zu modularisieren. Damit wird einerseits die Analyse der Unterschiede vereinfacht, andererseits aber die Flexibilität der Verfahren erhöht, indem man Module hinzufügen oder ersetzen und damit die Methode an geänderte Anforderungen und Datentypen anpassen kann. Um die Vorteile der modularisierten Struktur zu zeigen, werden (i) zahlreiche bestehende Algorithmen in dem Schema formalisiert, (ii) neue Module hinzugefügt, um die Robustheit, Effizienz, statistische Aussagekraft und Nutzbarkeit der Bewertungsfunktionen zu verbessern, mit denen die existierenden Methoden kombiniert werden können, (iii) Module modifiziert, um bestehende und neue Algorithmen auf andere, oft komplexere, Datentypen anzuwenden wie geographisch annotierte Daten, Zeitreihen und hochdimensionale Räume, (iv) mehrere Methoden in ein Verfahren kombiniert, um bessere Ergebnisse zu erzielen, (v) die Skalierbarkeit auf große Datenmengen durch approximative oder exakte Indizierung verbessert. Ausgangspunkt der Arbeit ist der Algorithmus Local Outlier Factor (LOF). Er wird zunächst mit kleinen Erweiterungen modifiziert, um die Robustheit und die Nutzbarkeit der Bewertung zu verbessern. Diese Methoden werden anschließend in einem gemeinsamen Rahmen zur Erkennung lokaler Ausreißer formalisiert, um die entsprechenden Vorteile auch in anderen Algorithmen nutzen zu können. Durch Abstraktion von einem einzelnen Vektorraum zu allgemeinen Datentypen können auch räumliche und zeitliche Beziehungen analysiert werden. Die Verwendung von Unterraum- und Korrelations-basierten Nachbarschaften ermöglicht dann, einen neue Arten von Ausreißern in beliebig orientierten Projektionen zu erkennen. Verbesserungen bei den Bewertungsfunktionen erlauben es, die Bewertung mit der statistischen Intuition einer Wahrscheinlichkeit zu interpretieren und nicht nur eine Ausreißer-Rangfolge zu erstellen wie zuvor. Verbesserte Modelle generieren auch Erklärungen, warum ein Objekt als Ausreißer bewertet wurde. Anschließend werden für verschiedene Module Verbesserungen eingeführt, die unter anderem ermöglichen, die Algorithmen auf wesentlich größere Datensätze anzuwenden -- in annähernd linearer statt in quadratischer Zeit --, indem man approximative Nachbarschaften bei geringem Verlust an Präzision und Effektivität erlaubt. Des weiteren wird gezeigt, wie mehrere solcher Algorithmen mit unterschiedlichen Intuitionen gleichzeitig benutzt und die Ergebnisse in einer Methode kombiniert werden können, die dadurch unterschiedliche Arten von Ausreißern erkennen kann. Schließlich werden für reale Datensätze neue Ausreißeralgorithmen konstruiert, die auf das spezifische Problem angepasst sind. Diese neuen Methoden erlauben es, so aufschlussreiche Ergebnisse zu erhalten, die mit den bestehenden Methoden nicht erreicht werden konnten. Da sie aus den Bausteinen der modularen Struktur entwickelt wurden, ist ein direkter Bezug zu den früheren Ansätzen gegeben. Durch Verwendung der Indexstrukturen können die Algorithmen selbst auf großen Datensätzen effizient ausgeführt werden.Knowledge Discovery in Databases (KDD) is the process of extracting non-trivial patterns in large data bases, with the focus of extracting novel, potentially useful, statistically valid and understandable patterns. The process involves multiple phases including selection, preprocessing, evaluation and the analysis step which is known as Data Mining. One of the key techniques of Data Mining is outlier detection, that is the identification of observations that are unusual and seemingly inconsistent with the majority of the data set. Such rare observations can have various reasons: they can be measurement errors, unusually extreme (but valid) measurements, data corruption or even manipulated data. Over the previous years, various outlier detection algorithms have been proposed that often appear to be only slightly different than previous but ``clearly outperform'' the others in the experiments. A key focus of this thesis is to unify and modularize the various approaches into a common formalism to make the analysis of the actual differences easier, but at the same time increase the flexibility of the approaches by allowing the addition and replacement of modules to adapt the methods to different requirements and data types. To show the benefits of the modularized structure, (i) several existing algorithms are formalized within the new framework (ii) new modules are added that improve the robustness, efficiency, statistical validity and score usability and that can be combined with existing methods (iii) modules are modified to allow existing and new algorithms to run on other, often more complex data types including spatial, temporal and high-dimensional data spaces (iv) the combination of multiple algorithm instances into an ensemble method is discussed (v) the scalability to large data sets is improved using approximate as well as exact indexing. The starting point is the Local Outlier Factor (LOF) algorithm, which is extended with slight modifications to increase robustness and the usability of the produced scores. In order to get the same benefits for other methods, these methods are abstracted to a general framework for local outlier detection. By abstracting from a single vector space, other data types that involve spatial and temporal relationships can be analyzed. The use of subspace and correlation neighborhoods allows the algorithms to detect new kinds of outliers in arbitrarily oriented subspaces. Improvements in the score normalization bring back a statistic intuition of probabilities to the outlier scores that previously were only useful for ranking objects, while improved models also offer explanations of why an object was considered to be an outlier. Subsequently, for different modules found in the framework improved modules are presented that for example allow to run the same algorithms on significantly larger data sets -- in approximately linear complexity instead of quadratic complexity -- by accepting approximated neighborhoods at little loss in precision and effectiveness. Additionally, multiple algorithms with different intuitions can be run at the same time, and the results combined into an ensemble method that is able to detect outliers of different types. Finally, new outlier detection methods are constructed; customized for the specific problems of these real data sets. The new methods allow to obtain insightful results that could not be obtained with the existing methods. Since being constructed from the same building blocks, there however exists a strong and explicit connection to the previous approaches, and by using the indexing strategies introduced earlier, the algorithms can be executed efficiently even on large data sets