可降低和评价不确定性影响的可拓时空关联规则挖掘方法研究

Uncertainties of spatio-temporal objects over dimensions (e.g. spatial, temporal and thematic attributes.) in the real world always greatly impact the mining results of spatio-temporal association rules. According to existing literatures, limited researches have focused on the association rule mining through uncertain spatio-temporal objects, explorations in spatio-temporal data modeling considering uncertainties, as well as in the corresponding data mining methods and quantitative evaluation strategies, are still in shortage. In view of the above problems, this research introduces Extenics theory which can realize a unified representation of uncertainties. Aiming at describing complex spatio-temporal objects, multi-dimensional extension sets with hierarchical structure and corresponding association functions are built in a new model called ESDM (Extenics-based Spatio-temporal Data Model). Based on ESDM, a method system for extenics-based spatio-temporal association rule mining is presented, questions about data normalization, mining on spatio-temporal basic-element characteristic itemset and uncertainty evaluation are studied in detail. This method system has a high capability of quantifying and lowering the impacts of uncertainties, which is crucial to improve the performance of spatio-temporal association rule mining. Using ecological environment dataset of Zhejiang coastal containing complex uncertainties as target dataset, this research would try to find the most affective spatial, temporal and environmental factors on Zhejiang coastal and the potential extenics-based spatio-temporal association rule among them. This research aims to find a new spatio-temporal association rule mining method system to obtain more reasonable rules while considering uncertainties of spatio-temporal objects based on Extenics theory.

现实世界中时空对象在空间、时间和专题属性等维度上存在的不确定性会对时空关联规则挖掘的结果造成很大影响。目前的国内外研究中，考虑不确定性的时空关联规则挖掘方法研究非常有限，尚未形成涵盖时空对象不确定性表达、降低不确定性对时空关联规则挖掘影响及规则不确定性评价等问题的理论和方法体系。针对上述难题，本研究引入在不确定问题上具备形式化表征能力的可拓学理论，构建一套可定量化表达时空对象“空间-时间-专题属性”不确定性的可拓时空数据模型；基于该模型研究涵盖时空数据规范化、规则挖掘、可拓传导度评价的可拓时空关联规则挖掘方法，有效降低及评价不确定性对时空关联规则挖掘的影响；最后以具有明显不确定性特征的浙江省近岸海域生态环境时空数据为基础，探寻影响浙江省近岸海域生态环境的主要时空、环境要素及其之间的潜在可拓时空关联规则。本项目旨在利用可拓学这一数学理论体系，探索更合理的时空关联规则获取方法并验证其可靠性。

随着时空大数据时代的来临，时空关联规则挖掘方法研究逐渐成为近年来数据挖掘及地理信息系统（GIS）领域的热门研究课题，准确合理的时空关联规则可为人们提供高价值的时空知识。然而在现实世界中时空对象往往在空间、时间和专题属性等维度上存在各种不确定性，这些不确定性对时空关联规则挖掘的结果会造成很大影响。针对上述问题，本研究围绕时空对象往往存在不确定性这一现实情况，引入在不确定性问题上具备形式化表征能力的可拓学理论，提出了一套包含可拓时空数据模型、可拓时空关联规则挖掘方法和分布式高效挖掘技术框架在内的完整理论、方法和技术体系，本文的研究内容和取得成果具体如下：.（1）针对现实世界中时空对象往往在空间维、时间维和专题属性维三方面存在不确定性这一客观事实，引入可拓学理论，以多维多层时空可拓集及相应的多维时空关联函数为核心，构建了统一表征时空对象在“空间-时间-专题属性”维度上不确定性的可拓时空数据模型，实现了复杂时空对象及其不确定性的形式化、定量化描述。.（2）基于可拓时空数据模型给出了可拓时空关联规则的形式化定义，重点研究了数据规范化、频繁时空基元特征项集挖掘、可拓时空关联规则生成及不确定性评价等问题，提出了完整的、考虑不确定性的可拓时空关联规则挖掘方法体系，并以浙江省地理国情普查数据库中的真实海洋时空数据集为例进行了分析验证。.（3）以浙江省近岸海洋环境要素分析评价为典型应用示范，验证了本文所提出研究方法的可行性和有效性。.经过三年的深入研究，提出一套可形式化表达时空对象多个维度不确定性，且能够有效降低和定量化评价不确定性对规则的影响可拓时空关联规则挖掘方法，能够高效挖掘出更合理、准确的可拓时空关联规则，从而为科研人员、政府部门等提供更有效的时空知识和决策依据。本研究取得了较好的效果，培养研究生3名，获得软件著作权3个，授权国家发明专利1项，发表高质量论文5篇，相关省部级奖励1项。