Introdução a Descoberta de Conhecimento
em Bancos de Dados Espaciais
Adaptado de material elaborado pelo
Prof. Shashi Shekhar, University of Minnesota
www.cs.umn.edu/~shekhar
Exemplo Histórico
Cólera Asiática em Londres (1855): um poço identificado como a fonte do
problema
Exemplos Modernos
Clusters de pessoas com cancer para investigar a influência do ambiente
Locais de concentração de crimes para planejar as rotas de patrulha da
polícia
Identificação de características onde certo tipo de águias fazem os ninhos
Propagação do virus do Nilo do nordeste para o sul e o oeste dos EUA
Exemplos Modernos
Aquecimento anormal de região do oceano Pacífico (El Niño) afeta
o clima
Average Monthly Temperature
(Courtsey: NASA, Prof. V. Kumar)
Global Influence of El Nino during
the Northern Hemisphere Winter
(D: Dry, W: Warm, R: Rainfall)
O que é um padrão espacial?
• O que não é um padrão?
• Aleatório, ao acaso, acidental
• O que é um padrão (pattern)?
• Um arranjo frequente, configuração, regularidade
• Uma regra, lei, método
• Uma direção ou tendência importante
• Uma irregularidade espacial importante
O que é descoberta de conhecimento em dados
espaciais?
Metáfora
Minerando pepitas de informação “escondidas” em grandes bancos de
dados
• pepitas= padrões espaciais não conhecidos, interessantes e úteis
• minerando= procurando por pepitas
Definindo Data Mining Espacial
Procura por padrões espaciais
Procura não-trivial tão automática quanto possível (reduzindo o
esforço humano)
Padrões espaciais interessantes, úteis e inesperados
(desconhecidos)
O que é data mining espacial?- 2
Busca não trivial por padrões espaciais interessantes e
desconhecidos
Busca não trivial
Grande (ex. exponencial) espaço de busca de hipóteses plausíveis
Ex. Cólera Asiática - causas plausíveis: água, alimento, ar, insetos, …;
Interessante
Útil em algum domínio de aplicação
Ex. Desativando o poço identificado => salvar vidas humanas
Inesperado
O padrão não é conhecimento comum
Pode levar a um novo entendimento do mundo
Ex. A conexão Poço - Colera levou a teoria do “germe”
O que NÃO é data mining espacial?
Consultas simples a dados espaciais
Encontre os vizinhos de Porto Alegre dados os nomes e limites de todas
as cidades
Encontre o menor caminho do RS a SP na malha de rodovias
O espaço de busca não é grande (não é exponencial)
Testar uma hipótese através de uma análise simples de dados
Ex. O território das chimpanzes femeas é menor do que o dos machos
O espaço de busca não é grande !
Padrões espaciais não interessantes ou óbvios
Muita chuva em Porto Alegre está correlacionada com muita chuva em
Canoas, dado que as duas cidades são vizinhas.
Conhecimento comum: lugares próximos tem precipitações similares
Mineração de dados não espaciais
As vendas de fraldas e cervejas são correlacionadas nas sextas-feiras
Porque estudar mineração de dados espaciais?
Novo conhecimento dos processos geográficos para questões críticas
Ex. Como está a saúde do planeta Terra?
Ex. Caracterizar os efeitos da atividade humana para o ambiente e a
ecologia
Ex. Predizer o efeito do El Niño no clima e na economia
Abordagem tradicional: gerar e testar hipóteses manualmente
Mas os dados espaciais estão crescendo rápido demais para uma análise
manual
• Imagens de satélite, trajetórias geradas por GPS, sensores em rodovias, …
Número de hipóteses geográficas possíveis é grande demais para uma
análise manual
• Grande número de objetos geográficos
• O número de relacionamentos entre os objetos cresce exponencialmente
• Ex. Encontre correlação entre eventos climáticos oceânicos e em terra firme
Data Mining Espacial pode reduzir o conjunto de hipóteses plausíveis
Data Mining Espacial: os atores
Especialista do domínio
Identifica os objetivos da descoberta e fornece os bancos de dados
espaciais
Descreve o conhecimento do domínio, p.ex. padrões bem conhecidos
Validação de novos padrões
Analista de DCBD Espaciais
Ajuda a identificar famílias de padrões e técnicas de data mining a serem
usadas
Explica a saída dos algoritmos para o especialista do domínio
Esforço conjunto
Seleção de atributos
Seleção de padrões para análise aprofundada (mais detalhada)
Escolha de métodos
Duas abordagens:
Uso de técnicas específicas para mineração de dados espaciais
Obtenção dos dados ou relacionamentos espaciais de interesse para uso
com métodos de DM clássicos
Abordagem possível:
Defina o problema: obtenha as necessidades particulares
Analise os dados usando mapas e outras técnicas de visualização
Tente usar métodos clássicos de data mining
Se não obtiver resultados satisfatórios, tente novos métodos
Avalie os métodos escolhidos rigorosamente
Famílias de padrões espaciais
• Familias usuais de padrões espaciais
• Predição de localização (location prediction): onde um certo fenômeno ocorrerá?
• Interação espacial (spatial interaction): quais subconjuntos de objetos ou
fenômenos espaciais interagem?
• Hot spots: quais localizações são não usuais?
•Nota:
• Outras famílias de padrões espaciais podem ser definidas
• Data mining espacial é um campo em desenvolvimento, que pode acomodar novas
famílias de padrões
Predição de localização
• Questões a serem respondidas:
• Onde um fenômeno vai ocorrer?
• Que eventos espaciais são previsíveis?
• Como um evento espacial pode ser predito a partir de outros eventos
espaciais?
• Equações, regras, outros métodos
• Exemplos:
• Onde um pássaro em extinção faz seus ninhos?
• Que áreas estão mais sujeitas a incêndio florestal considerando dados de
vegetação, vento, etc.?
• O que poderia ser recomendado para um viajante que está em um certo
local?
Hot spots
• Questões a serem respondidas:
• É um fenômeno espacialmente agrupado?
• Que entidade espaciais ou agrupamentos são
não usuais?
• Que entidades espaciais compartilham
características comuns?
•Exemplos:
• Regiões com alta incidência de cancer podem
ser usadas para iniciar investigação
• Locais com alta incidência de crimes podem ser
usados para planejar rotas de patrulha para a polícia
Propriedades únicas dos padrões espaciais
Os items em dados tradicionais são independentes uns dos outros,
Enquanto propriedades de localização em um mapa são frequentemente
“auto-correlacionados” (ex: ilha e recurso hídrico).
Dados tradicionais trabalham com domínios simples, p.ex. números e
símbolos,
Enquanto os tipos de dados espaciais são complexos (ex: linha, polígono)
Itens em dados tradicionais descrevem objetos discretos,
Enquanto dados espaciais são contínuos
Primeira lei da geografia [Tobler]:
Tudo está relacionado com tudo, mas coisas próximas estão mais
relacionadas que coisas distantes.
• Pessoas com background similar tendem a viver na mesma área
• Economias de regiões próximas tendem a serem similares
• Mudanças na temperatura ocorrem gradualmente no espaço (e tempo)
Mapeando técnicas para as famílias de padrões espaciais
• Visão geral
• Existem várias técnicas para encontrar padrões espaciais de uma
mesma família
• A escolha da técnica depende da seleção dos atributos, dos dados
espaciais, etc.
• Famílias de padrões espaciais x técnicas
• Predição de localização: Classificação
• Interação espacial: Correlação, Associação, Co-locations
• Hot spots: Clustering, detecção de desvios
•
Location Prediction as a classification problem
Given:
1. Spatial dataset (nest, vegetation,
water, trees, etc..)
2. Characteristics (nests close to tree,
close to water, etc)

3. A dependent class (nest)
Find: Classification model
Nest locations
Distance to open water
Objective:maximize
classification_accuracy
Constraints:
Spatial Autocorrelation exists
Vegetation durability
Water depth
Co-location
Answers:
and
find patterns from the following sample dataset
Association Rules (Agrawal 1993)
Association rule is an implication of form X  Y
Suport = #(XY) / #D, where #D is the number of rows in the dataset
Confidence : suport(XY) / suport(X)
Generate frequent itemsets
1
Tid
1
2
3
4
5
6
Itemset
A, C, D,T, W
C, D, W
A, D, T, W
A, C, D, W
A, C, D, T, W
C, D, T
k
k=3
Frequent itemsets with minsup 50%
{A}, {C}, {D}, {T}, {W}
{A,C}, {A,D}, {A,T}, {A,W}, {C,D},
{C,T}, {C,W}, {D,T}, {D,W}, {T,W}
{A,C,D}, {A,C,W}, {A,D,T}, {A,D,W},
{A,T,W}, {C,D,T}, {C,D,W}, {D,T,W}
k=4
{A,C,D,W}, {A,D,T,W}
k=1
k=2
Suport {AC} = 3/6 (50%)
2
Confidence AC = 3/4 (75%)
Extract association rules
Co-Location Patterns (Huang 2004, Yoo 2005)
Input:
Spatial dataset
Distance threshold
Minimum participation index
Method
Find neigbours
Find co-location candidates
Find frequent co-location sets
Extract co-location rules
Co-location Mining
A4
A2
C2
A1
B4
B1
C3
A3
B5
C1
B3
B2
A, B, C: Spatial Feature Types
A1, A2... Spatial Feature Instances
Edges: neighbor
Spatial Dataset
Co-location Mining
A4
A2
C2
A1
B4
C3
A3
B5
C1
B1
B3
B2
Spatial Dataset
Set of Spatial Feature Types {A, B, C}
Candidates of size k=2
Candidates of size k=1
A B C
A
B
A C
B C
Co-location
1
2
3
4
1
2
3
1
4
4
1 2
3 1
2 1
4 1
5 3
instances
1
2
3
4
5
1
2
3
Co-location Mining
A4
A2
C2
A1
B4
B1
C3
A3
B5
C1
B3
B2
Spatial Dataset
Candidates of size k=2
Candidates of size k=1
A B C
A
B
1
2
3
4
1
2
3
1 1 2 2 1
4 3 1 4 1
4 2/4 2/3 5 3
1
2
3
4
5
1
2
3
3/4 2/5
A C
B C
3/5 2/3
Co-location
instances
Participation
ratio
Co-location Mining
A4
A2
C2
A1
B4
B1
C3
A3
B5
C1
B3
B2
Spatial Dataset
Candidates of size k=2
Participation Index
Lowest index
A
B
A C
B C
Co-location
1
2
3
1
4
4
1 2
3 1
2 1
4 1
5 3
instances
2/5
2/4
3/5
Co-location Mining
A4
A2
C2
A1
B4
B1
C3
A3
B5
C1
B3
B2
Spatial Dataset
Candidates of size k=3
A
B
C
3
4
1
1/4 1/5 1/3
Co-location
instances
Participation index
Co-location Example
Cropland with Roads
Roads with Bridges
Cropland
Roads
Bridges
Outliers?
Outliers
What is an outlier?
Observations inconsistent with the rest of the dataset
Techniques for global outliers
• tests based on membership in a distribution
– [item in population] is low
• tests based on distance, nearest neighbors, etc.
What is a spacial outlier?
Observations inconsistent with their neighborhoods
A local instability or discontinuity
Outliers
Global outliers have been defined as observations of data in databases which
appear to be inconsistent with the remainder of the data in the database
(Shekhar apud Barnett 1994).
The identification of global outlier can lead to the discovery of unexpected
knowledge, and has a number of practical applications in areas such as credit card
fraud, athlete performance analysis, voting irregularity, and severe weather
prediction (SHEKHAR, 2001).
A spatial outlier is a spatially referenced object whose non-spatial attribute
values are significantly different from those of other spatially referenced
objects in its spatial neighborhood.
For example, a new house in an old neighborhood of a growing metropolitan area
is a spatial outlier based on the non-spatial attribute house age (SHEKHAR, 2003).
Tests to detect spatial outliers separate the spatial attributes from the nonspatial attributes.
Spatial attributes are used to characterize location, neighborhood, and distance.
Non-spatial attributes are used to compare a spatial referenced object to its
neighbors.
Spatial Outlier Detection: Example
Outliers - Examples
Map Production
Error identification
E.g., spatial object violation
Road leading into water
Or missing bridge
Bridge location
error
River
Road
Bridge
Summary
Patterns are opposite of random
Common spatial patterns: location prediction, outliers, hot spots,
SDM = search for unexpected interesting patterns in large spatial databases
Spatial patterns may be discovered using
Techniques like classification, associations, clustering and outlier detection
New techniques are needed for SDM due to
• Spatial Auto-correlation
• Continuity of space
References
Shekhar, S.; Huang, Y.Discovering Spatial Co-location Patterns: A Summary of Results , Proc. of 7th
International Symposium on Spatial and Temporal Databases(SSTD01), L.A., CA, July 2001
HUANG, Y.; SHEKHAR, S.; XIONG, H. Discovering Co-location Patterns from Spatial Datasets: A General
Approach. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, v.16, n.12, Dec. 2004.
SHEKHAR, S.; LU, C.-T.; ZHANG, P. Detecting graph-based spatial outliers: algorithms and applications (a
summary of results). In: ACM SIGKDD INTERNATIONAL CONFERENCE ON KNOWLEDGE
DISCOVERY AND DATA MINING, KDD, 7., 2001, San Francisco. Proceedings… ACM, 2001. p.371-376.
SHEKHAR, S., CHAWLA, S. Spatial databases: a tour. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2003.
YOO, J.S.; SHEKHAR, S; CELIK, M. A Join-less Approach for Co-location Pattern Mining: A Summary of
Results. In: IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON DATA MINING, ICDM, 5., 2005, Houston.
Proceedings… IEEE Computer Society, 2005. p.813-816.
AGRAWAL, R.; IMIELINSKI, T.; SWAMI, A. Mining association rules between sets of items in large
databases. In: ACM SIGMOD INTERNATIONAL CONFERENCE ON MANAGEMENT OF DATA, SIGMOD,
1993, Washington, D.C. Proceedings… New York: ACM Press, 1993. p. 207-216.
X. Zhang, N. Mamoulis, D. W. L. Cheung, and Y. Shou, "Fast Mining of Spatial Collocations,"
Proceedings of the 10th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data
Mining (KDD), pp. 384-393, Seattle, WA, August 2004.