A SPATIO-TEMPORAL GRAPH-BASED MODEL FOR THE EVOLUTION OF GEOGRAPHICAL ENTITIES
UN MODELE DE GRAPHE SPATIO-TEMPOREL POUR REPRESENTER L'EVOLUTION D'ENTITES GEOGRAPHIQUES
Résumé
Space and time are fundamental concepts needed for the analysis of the evolution of spatio-temporal entities. In order to model these evolutions, the changes and relations that modified and characterise entities must be identified. These changes are especially qualified by modifications of their position, spatial footprint, or their identity. Spatio-temporal modelling requires the development of solutions of representation which allow for the identification and study of processes involved, of theirs causes and theirs consequences. The fact that a formal representation and computing of a phenomenon leads to a simplified representation of the reality, implies that this modelling should keep the level of details available and/or aimed at for this description. Ideally, it should be possible to study a phenomenon at several levels of granularity in space and time. If numerous approaches have been proposed for the modelling of the evolution of entities in spatio-temporal phenomena, none has a structure which fully takes into account the semantics of these applications. This research proposes a spatio-temporal graph model which allows for the characterization of main properties of spatio-temporal evolution. Several concepts are distinguished, such as the notions of identity and relations, through the spatial and time dimensions. For a given time, we categorize spatial and filiation relations, and through time, temporal filiation and spatio-temporal relations. The emerging graph structures characterize the evolution of a set of spatial entities and permit to discover new properties. Graph manipulation functions are developed and applied to the spatio-temporal graph model. These functions identify generic processes (e.g. life and death of an entity) or processes linked to a specific application and its semantics. In order to combine several sources of information in a single graph, graph join functions permit the integration of several graphs in a unified representation. The properties of these graphs and the role of their entities are studied by a qualification of the different types of routes that link these entities. The consistency of the spatio-temporal graph model is verified by a constraints-checking algorithm. We make a difference between domain constraints belonging to the graph model, and semantic constraints which depend on a specific application. An extension of the modelling approach is achieved from a structure based on bigraphs, that facilitates the explicit representation of a phenomenon according to different levels of spatial granularity.
L'espace et le temps sont des concepts indissociables et nécessaires à l'analyse de l'évolution d'entités spatio-temporelles. Modéliser ces évolutions passe par la détection des changements et des relations qui modifient et caractérisent ces entités. Ces changements sont en particulier caractérisés par des modifications liées à la position, à l'empreinte spatiale de ces entités, ou même à leur identité. Une modélisation spatio-temporelle nécessite le développement de solutions de représentation qui permettent d'identifier et d'étudier les processus mis en jeu, leurs causes et leurs conséquences. Le fait que la représentation formelle et informatique d'un phénomène entraîne une description plus ou moins simplifiée de la réalité, implique qu'une telle modélisation retienne le niveau de détail disponible et/ou souhaité de cette description. Idéalement, il devrait être possible d'étudier un phénomène à plusieurs niveaux de granularité dans l'espace et dans le temps. Si de nombreux modèles et approches ont été proposés pour modéliser des évolutions d'entités au sein de phénomènes spatio-temporels, aucun ne permet de disposer d'une structure de représentation permettant de saisir complètement la sémantique de ces applications. Cette recherche propose un modèle de graphe spatio-temporel qui permet de caractériser les principales propriétés de l'évolution d'entités spatiales. Nous distinguons dans ce cadre plusieurs concepts structurants comme les notions d'identité et de relations à travers les dimensions spatiales et temporelles. Pour un temps donné, nous catégorisons les relations spatiales et de filiation et, à travers le temps, les filiations temporelles et les relations spatio-temporelles. Les structures de graphe émergeantes permettent non seulement de caractériser l'évolution d'un ensemble d'entités spatiales, mais aussi de découvrir de nouvelles propriétés. Des fonctions de manipulation de graphe sont développées et appliquées au modèle de graphe spatiotemporel. Ces fonctions identifient des processus génériques ( e.g. vie et mort d'une entité) ou liés à une application spécifique et à sa sémantique. Afin de combiner plusieurs sources d'informations au sein d'un même graphe, des fonctions de jointure permettent l'intégration de plusieurs graphes au sein d'une représentation unifiée. Les propriétés des graphes ainsi constitués et le rôle des différentes entités présentes au sein de ces graphes sont étudiés par une qualification des différents types de routes les reliant. La consistance du modèle de graphe spatio-temporel est abordée à partir d'un algorithme de vérification de contraintes. Nous faisons la différence entre les contraintes de domaine intrinsèques au modèle de graphe, et les contraintes sémantiques dépendantes d'une application en particulier. Une extension de la démarche de modélisation est réalisée à partir d'une structure basée sur les bigraphes qui permet de représenter explicitement un phénomène spatio-temporel selon plusieurs niveaux de granularité spatiale.
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