Methods for Processing Moving Regions in Moving Objects Databases

Heinz, Florian

Moving objects database systems are specialized to store and process data with spatiotemporal attributes. A simple object type in this context is a moving point, which can represent the motion of a pedestrian, car or airplane. Another, more complex, type of object is a moving region, which is a region that changes position and shape over time. This thesis discusses various aspects for handling moving regions. One topic in this thesis is the region interpolation problem, where snapshots of regions are interpolated to moving regions. This procedure can be performed in several ways with varying results. The goal is to achieve a high quality result, which means primarily that the database model should match the corresponding real world objects as accurately as possible. Another chapter presents a new, polyhedra based, model for moving regions. This has two advantages compared to the prevailing unit based models: Complex moving regions, especially the results of binary set operations as, for instance, “union” can be represented in a much more compact way. Furthermore, operations on moving regions can be mapped into geometrical operations on polyhedra, for which robust and efficient algorithms are available. Based on this new model, operations for spatiotemporal coverage analysis of moving regions are developed. This is a set of operations to determine which regions are covered for which time intervals by a given moving region. In the light of large forest fires in the world, a method for creating moving regions from earth satellite scan data is discussed, that has several advantages over the prevailing methods. Another topic is the decomposition of moving regions into smaller and less complex entities, to improve their manageability in moving objects databases. Finally, an alternative data model for moving regions is introduced, which is optimized for rigid objects. The class of moving regions supported by that model is unable to change shape, but in return rotational movement is modeled accurately. For this new data type, useful operations like “moving point inside”, “traversed area” and more are introduced. As a part of this work, reference implementations for all these topics are distributed in form of freely available C++ libraries, which can be easily integrated into existing moving objects database systems, as, for example, the DBMS Secondo developed at the FernUniversität in Hagen.

Datenbanksysteme für bewegliche Objekte sind darauf spezialisiert, Daten mit räumlichen und zeitlichen Attributen zu speichern und zu verarbeiten. Ein einfacher Datentyp in diesem Zusammenhang ist ein beweglicher Punkt, mit dem beispielsweise die Bewegung eines Fußgängers, eines Autos oder eines Flugzeugs beschrieben werden kann. Ein weiterer, etwas komplizierterer Objekttyp ist die bewegliche Region, welche ein bewegliches und formveränderliches Gebiet abbilden kann. Ein Thema in dieser Arbeit ist das Problem, Momentaufnahmen von sich verändernden Gebieten zu beweglichen Regionen zu interpolieren. Hierbei können verschiedene Methoden zur Anwendung kommen, die zu unterschiedlichen Resultaten führen. Die Zielstellung ist, ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erreichen, das die Realität möglichst genau abbildet. Ein weiteres Kapitel stellt ein neues, polyeder-basiertes Modell für bewegliche Gebiete vor. Im Vergleich zu den bisherigen Datenmodellen hat dieses zwei Vorteile: Zum einen können komplexere bewegliche Gebiete einfacher und kompakter dargestellt werden; dies gilt insbesondere für komplexe bewegliche Regionen, die beispielsweise aus den Mengenoperationen Vereinigung, Intersektion und Differenz hervorgehen können. Weiterhin eröffnet dies die Möglichkeit, alle gängigen Operationen auf beweglichen Gebieten durch geometrische Operationen auf Polyedern zu berechnen, für die robuste, effiziente und gut getestete Algorithmen existieren. Basierend auf diesem neuen Modell werden Algorithmen zur Analyse der räumlich-zeitlichen Überdeckung von Regionen durch bewegliche Regionen entwickelt. Dies ist eine Familie von Operationen um zu ermitteln, über welche Zeitspannen hinweg Regionen durch eine bewegliche Region verdeckt werden. In Anbetracht zahlreicher Waldbrände weltweit wird eine Methode vorgestellt, um Abtastungs-Daten von Erdsatelliten in bewegliche Regionen zu konvertieren, die einige Vorteile gegenüber den vorherrschenden Interpolationsverfahren besitzt. Ein weiteres Thema ist die Dekomposition von beweglichen Regionen in kleinere Untereinheiten um die Handhabbarkeit der Objekte in Datenbanken zu verbessern. Zuletzt wird ein weiteres Datenmodell für bewegliche Gebiete vorgestellt, das auf die Modellierung von starren Objekten spezialisiert ist. Diese Klasse von beweglichen Regionen ist nicht in der Lage die Form zu ändern, jedoch können Drehbewegungen wesentlich akkurater abgebildet werden. Für diesen neuen Datentyp werden gängige Operationen wie “Moving Point Inside”, “Traversed Area” und weitere beschrieben. Als Teil dieser Arbeit wurden Referenzimplementierungen für alle Themenbereiche vorgenommen, die als C++-Bibliotheken frei verfügbar sind. Diese können auf einfache Art in bestehende Moving Objects Datenbanksysteme eingebunden werden, beispielsweise in Secondo, das an der FernUniversität in Hagen entwickelt wird.

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Heinz, Florian: Methods for Processing Moving Regions in Moving Objects Databases. Hagen 2021. FernUniversität in Hagen.

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