A Data-driven, High-performance and Intelligent CyberInfrastructure to Advance Spatial Sciences

abstract: In the field of Geographic Information Science (GIScience), we have witnessed the unprecedented data deluge brought about by the rapid advancement of high-resolution data observing technologies. For example, with the advancement of Earth Observation (EO) technologies, a massive amount of EO data including remote sensing data and other sensor observation data about earthquake, climate, ocean, hydrology, volcano, glacier, etc., are being collected on a daily basis by a wide range of organizations. In addition to the observation data, human-generated data including microblogs, photos, consumption records, evaluations, unstructured webpages and other Volunteered Geographical Information (VGI) are incessantly generated and shared on the Internet. Meanwhile, the emerging cyberinfrastructure rapidly increases our capacity for handling such massive data with regard to data collection and management, data integration and interoperability, data transmission and visualization, high-performance computing, etc. Cyberinfrastructure (CI) consists of computing systems, data storage systems, advanced instruments and data repositories, visualization environments, and people, all linked together by software and high-performance networks to improve research productivity and enable breakthroughs that are not otherwise possible. The Geospatial CI (GCI, or CyberGIS), as the synthesis of CI and GIScience has inherent advantages in enabling computationally intensive spatial analysis and modeling (SAM) and collaborative geospatial problem solving and decision making. This dissertation is dedicated to addressing several critical issues and improving the performance of existing methodologies and systems in the field of CyberGIS. My dissertation will include three parts: The first part is focused on developing methodologies to help public researchers find appropriate open geo-spatial datasets from millions of records provided by thousands of organizations scattered around the world efficiently and effectively. Machine learning and semantic search methods will be utilized in this research. The second part develops an interoperable and replicable geoprocessing service by synthesizing the high-performance computing (HPC) environment, the core spatial statistic/analysis algorithms from the widely adopted open source python package – Python Spatial Analysis Library (PySAL), and rich datasets acquired from the first research. The third part is dedicated to studying optimization strategies for feature data transmission and visualization. This study is intended for solving the performance issue in large feature data transmission through the Internet and visualization on the client (browser) side. Taken together, the three parts constitute an endeavor towards the methodological improvement and implementation practice of the data-driven, high-performance and intelligent CI to advance spatial sciences.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Geography 201

Scalable Architecture for Integrated Batch and Streaming Analysis of Big Data

Thesis (Ph.D.) - Indiana University, Computer Sciences, 2015As Big Data processing problems evolve, many modern applications demonstrate special characteristics. Data exists in the form of both large historical datasets and high-speed real-time streams, and many analysis pipelines require integrated parallel batch processing and stream processing. Despite the large size of the whole dataset, most analyses focus on specific subsets according to certain criteria. Correspondingly, integrated support for efficient queries and post- query analysis is required. To address the system-level requirements brought by such characteristics, this dissertation proposes a scalable architecture for integrated queries, batch analysis, and streaming analysis of Big Data in the cloud. We verify its effectiveness using a representative application domain - social media data analysis - and tackle related research challenges emerging from each module of the architecture by integrating and extending multiple state-of-the-art Big Data storage and processing systems. In the storage layer, we reveal that existing text indexing techniques do not work well for the unique queries of social data, which put constraints on both textual content and social context. To address this issue, we propose a flexible indexing framework over NoSQL databases to support fully customizable index structures, which can embed necessary social context information for efficient queries. The batch analysis module demonstrates that analysis workflows consist of multiple algorithms with different computation and communication patterns, which are suitable for different processing frameworks. To achieve efficient workflows, we build an integrated analysis stack based on YARN, and make novel use of customized indices in developing sophisticated analysis algorithms. In the streaming analysis module, the high-dimensional data representation of social media streams poses special challenges to the problem of parallel stream clustering. Due to the sparsity of the high-dimensional data, traditional synchronization method becomes expensive and severely impacts the scalability of the algorithm. Therefore, we design a novel strategy that broadcasts the incremental changes rather than the whole centroids of the clusters to achieve scalable parallel stream clustering algorithms. Performance tests using real applications show that our solutions for parallel data loading/indexing, queries, analysis tasks, and stream clustering all significantly outperform implementations using current state-of-the-art technologies

Search improvement within the geospatial web in the context of spatial data infrastructures

El trabajo desarrollado en esta tesis doctoral demuestra que es posible mejorar la búsqueda en el contexto de las Infraestructuras de Datos Espaciales mediante la aplicación de técnicas y buenas prácticas de otras comunidades científicas, especialmente de las comunidades de la Web y de la Web Semántica (por ejemplo, Linked Data). El uso de las descripciones semánticas y las aproximaciones basadas en el contenido publicado por la comunidad geoespacial pueden ayudar en la búsqueda de información sobre los fenómenos geográficos, y en la búsqueda de recursos geoespaciales en general. El trabajo comienza con un análisis de una aproximación para mejorar la búsqueda de las entidades geoespaciales desde la perspectiva de geocodificación tradicional. La arquitectura de geocodificación compuesta propuesta en este trabajo asegura una mejora de los resultados de geocodificación gracias a la utilización de diferentes proveedores de información geográfica. En este enfoque, el uso de patrones estructurales de diseño y ontologías en esta aproximación permite una arquitectura avanzada en términos de extensibilidad, flexibilidad y adaptabilidad. Además, una arquitectura basada en la selección de servicio de geocodificación permite el desarrollo de una metodología de la georreferenciación de diversos tipos de información geográfica (por ejemplo, direcciones o puntos de interés). A continuación, se presentan dos aplicaciones representativas que requieren una caracterización semántica adicional de los recursos geoespaciales. El enfoque propuesto en este trabajo utiliza contenidos basados en heurísticas para el muestreo de un conjunto de recursos geopesaciales. La primera parte se dedica a la idea de la abstracción de un fenómeno geográfico de su definición espacial. La investigación muestra que las buenas prácticas de la Web Semántica se puede reutilizar en el ámbito de una Infraestructura de Datos Espaciales para describir los servicios geoespaciales estandarizados por Open Geospatial Consortium por medio de geoidentificadores (es decir, por medio de las entidades de una ontología geográfica). La segunda parte de este capítulo desglosa la aquitectura y componentes de un servicio de geoprocesamiento para la identificación automática de ortoimágenes ofrecidas a través de un servicio estándar de publicación de mapas (es decir, los servicios que siguen la especificación OGC Web Map Service). Como resultado de este trabajo se ha propuesto un método para la identificación de los mapas ofrecidos por un Web Map Service que son ortoimágenes. A continuación, el trabajo se dedica al análisis de cuestiones relacionadas con la creación de los metadatos de recursos de la Web en el contexto del dominio geográfico. Este trabajo propone una arquitectura para la generación automática de conocimiento geográfico de los recursos Web. Ha sido necesario desarrollar un método para la estimación de la cobertura geográfica de las páginas Web. Las heurísticas propuestas están basadas en el contenido publicado por os proveedores de información geográfica. El prototipo desarrollado es capaz de generar metadatos. El modelo generado contiene el conjunto mínimo recomendado de elementos requeridos por un catálogo que sigue especificación OGC Catalogue Service for the Web, el estandar recomendado por deiferentes Infraestructuras de Datos Espaciales (por ejemplo, the Infrastructure for Spatial Information in the European Community (INSPIRE)). Además, este estudio determina algunas características de la Web Geoespacial actual. En primer lugar, ofrece algunas características del mercado de los proveedores de los recursos Web de la información geográfica. Este estudio revela algunas prácticas de la comunidad geoespacial en la producción de metadatos de las páginas Web, en particular, la falta de metadatos geográficos. Todo lo anterior es la base del estudio de la cuestión del apoyo a los usuarios no expertos en la búsqueda de recursos de la Web Geoespacial. El motor de búsqueda dedicado a la Web Geoespacial propuesto en este trabajo es capaz de usar como base un motor de búsqueda existente. Por otro lado, da soporte a la búsqueda exploratoria de los recursos geoespaciales descubiertos en la Web. El experimento sobre la precisión y la recuperación ha demostrado que el prototipo desarrollado en este trabajo es al menos tan bueno como el motor de búsqueda remoto. Un estudio dedicado a la utilidad del sistema indica que incluso los no expertos pueden realizar una tarea de búsqueda con resultados satisfactorios

A integração de media sociais nas organizações de gestão de destinos: proposta de um modelo orientador para a utilização de media sociais nas atividades de comunicação com os turistas

Doutoramento em Informação e Comunicação em Plataformas DigitaisSendo o turismo um dos setores económicos onde a informação desempenha um papel fundamental, é, também, um dos mais afetados com a chegada da nova realidade que são os media sociais. Atualmente, devido à utilização generalizada de aplicações da Web 2.0 e, sobretudo, devido ao crescimento exponencial da utilização de aplicações de media sociais, verifica-se que esta utilização está a provocar alterações significativas na promoção dos destinos turísticos, com uma estratégia clara destes passarem a utilizar os conteúdos gerados pelos utilizadores na Internet. Perante este novo paradigma, as Organizações de Gestão de Destinos, como organizações dinâmicas cujo objetivo é a promoção dos destinos turísticos, têm que se adaptar de forma a enquadrar esta nova realidade. O presente trabalho pretende, pois, analisar a forma como as Organizações de Gestão de Destinos portuguesas utilizam a Internet, e em particular as aplicações da Web 2.0/media sociais nas suas estratégias de comunicação. Assim, pretende-se fazer uma análise da situação atual em que se encontram as Organizações de Gestão de Destinos Portuguesas, na utilização deste tipo de aplicações para, a partir daí, se desenvolver uma proposta de modelo orientador para a utilização de media sociais nas atividades de comunicação com os turistas, que permita explorar ao máximo este enorme potencial. Como resultado desta investigação, espera-se contribuir para uma melhor compreensão de como as Organizações de Gestão de Destinos Portuguesas devem usar as aplicações de media sociais nas suas estratégias de comunicação por aplicação da proposta de modelo desenvolvida.Tourism as an economic sector where information plays a key role is therefore one of the most affected by the arrival of the new reality that are social media. Currently, the widespread use of Web 2.0 applications and especially, due to the exponential growth of social networking platforms, are causing remarkable changes in the promotion of tourism destinations, with a clear strategy for them to switch to the use of user generated content in Internet. Given this new paradigm, the Destination Management Organizations, as dynamic organizations whose goal is the promotion of tourist destinations have to adapt in order to fit this new reality. The current work wants to analyze how the Portuguese Destination Management Organizations working in the tourism area uses the Internet and in particular the applications of Web 2.0/social media in their communication strategies. Thus, it is intended to analyze the current state in which the Destination Management Organizations are in the usage of this kind of applications, and after that, develop a proposal of model for the usage of social media in the communication activities with the tourists, that will make possible to explore this enormous potential. As a result of this research, it is expected to contribute to a better understanding of how the Portuguese Destination Management Organizations should use the social media applications in their communication strategies through the application of the proposal of model developed