Enhancing spatial association rule mining in geographic databases

Abstract

A técnica de mineração de regras de associação surgiu com o objetivo de encontrar conhecimento novo, útil e previamente desconhecido em bancos de dados transacionais, e uma grande quantidade de algoritmos de mineração de regras de associação tem sido proposta na última década. O maior e mais bem conhecido problema destes algoritmos é a geração de grandes quantidades de conjuntos freqüentes e regras de associação. Em bancos de dados geográficos o problema de mineração de regras de associação espacial aumenta significativamente. Além da grande quantidade de regras e padrões gerados a maioria são associações do domínio geográfico, e são bem conhecidas, normalmente explicitamente representadas no esquema do banco de dados. A maioria dos algoritmos de mineração de regras de associação não garantem a eliminação de dependências geográficas conhecidas a priori. O resultado é que as mesmas associações representadas nos esquemas do banco de dados são extraídas pelos algoritmos de mineração de regras de associação e apresentadas ao usuário. O problema de mineração de regras de associação espacial pode ser dividido em três etapas principais: extração dos relacionamentos espaciais, geração dos conjuntos freqüentes e geração das regras de associação. A primeira etapa é a mais custosa tanto em tempo de processamento quanto pelo esforço requerido do usuário. A segunda e terceira etapas têm sido consideradas o maior problema na mineração de regras de associação em bancos de dados transacionais e tem sido abordadas como dois problemas diferentes: “frequent pattern mining” e “association rule mining”. Dependências geográficas bem conhecidas aparecem nas três etapas do processo. Tendo como objetivo a eliminação dessas dependências na mineração de regras de associação espacial essa tese apresenta um framework com três novos métodos para mineração de regras de associação utilizando restrições semânticas como conhecimento a priori. O primeiro método reduz os dados de entrada do algoritmo, e dependências geográficas são eliminadas parcialmente sem que haja perda de informação. O segundo método elimina combinações de pares de objetos geográficos com dependências durante a geração dos conjuntos freqüentes. O terceiro método é uma nova abordagem para gerar conjuntos freqüentes não redundantes e sem dependências, gerando conjuntos freqüentes máximos. Esse método reduz consideravelmente o número final de conjuntos freqüentes, e como conseqüência, reduz o número de regras de associação espacial.

The association rule mining technique emerged with the objective to find novel, useful, and previously unknown associations from transactional databases, and a large amount of association rule mining algorithms have been proposed in the last decade. Their main drawback, which is a well known problem, is the generation of large amounts of frequent patterns and association rules. In geographic databases the problem of mining spatial association rules increases significantly. Besides the large amount of generated patterns and rules, many patterns are well known geographic domain associations, normally explicitly represented in geographic database schemas. The majority of existing algorithms do not warrant the elimination of all well known geographic dependences. The result is that the same associations represented in geographic database schemas are extracted by spatial association rule mining algorithms and presented to the user. The problem of mining spatial association rules from geographic databases requires at least three main steps: compute spatial relationships, generate frequent patterns, and extract association rules. The first step is the most effort demanding and time consuming task in the rule mining process, but has received little attention in the literature. The second and third steps have been considered the main problem in transactional association rule mining and have been addressed as two different problems: frequent pattern mining and association rule mining. Well known geographic dependences which generate well known patterns may appear in the three main steps of the spatial association rule mining process. Aiming to eliminate well known dependences and generate more interesting patterns, this thesis presents a framework with three main methods for mining frequent geographic patterns using knowledge constraints. Semantic knowledge is used to avoid the generation of patterns that are previously known as non-interesting. The first method reduces the input problem, and all well known dependences that can be eliminated without loosing information are removed in data preprocessing. The second method eliminates combinations of pairs of geographic objects with dependences, during the frequent set generation. A third method presents a new approach to generate non-redundant frequent sets, the maximal generalized frequent sets without dependences. This method reduces the number of frequent patterns very significantly, and by consequence, the number of association rules.