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Tesis:

Modelling and reasoning framework for the analysis of dynamic geographic phenomena

  • Autor: SIABATO VACA, Willington Libardo

  • Título: Modelling and reasoning framework for the analysis of dynamic geographic phenomena

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. EN TOPOGRAFIA, GEODESIA Y CARTOGRAFIA

  • Departamentos: INGENIERIA TOPOGRAFICA Y CARTOGRAFIA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80682/

  • Director/a 1º: CLARAMUNT, Christophe
  • Director/a 2º: MANSO CALLEJO, Miguel Ángel

  • Resumen: This dissertation proposes and develops a novel modelling and reasoning framework to analyse the evolution of dynamic geographic phenomena. This approach is oriented to environmental, urban, socio-economic, and other contexts in which geographic entities evolve through time and can be observed (e.g., wetlands and land units) or are defined as existing or having taken place (e.g., airways, contour lines, and historical events). The reasoning framework is composed of four main elements: (i) a set of formal definitions that denote the complementary timelines that reflect when changes happen and are observed (i.e., events); (ii) a set of temporal-based measures that characterise correlations between geographic phenomena along these different timelines; (iii) an integrated spatio-temporal model that supports spatio-temporal analysis with a specific emphasis on the temporal dimension; and (iv) an implementation in the R programming language that provides a set of functions to develop three interdependent proofs of concept and a case study oriented to the analysis of wetland evolution and epidemiological studies. Overall, the approach delivers an analytical temporal-based framework for identifying spatio-temporal and semantic patterns that emerge when observing, measuring, and analysing the dynamic nature of geographic phenomena. To detail the components and the process: an abstract mathematical model based on the concept of pseudosemimetric is defined. The model is inscribed in the Euclidean space (n-dimensional space R^n), considering all its properties, taking into account continuous phenomena yet applying discrete components for analysis. Furthermore, a definition of trajectory, which represents the temporal evolution of a phenomenon, and a notion of distance between trajectories, which measures the difference between phenomena, are proposed. The notion of distance is based on an innovative approach that permits the comparison of trajectories and the identification of common partial segments between them (partial similarity). This model is conceived as an analytical framework to identify possible relations and affections of dynamic geographic phenomena considering the semantic and temporal information associated with them (e.g., valid, transaction, observed, creation, and usertime, amongst others). The proposed mathematical definitions look for geographic and non-geographic dynamic correlations through partial similarity between trajectories, thus revealing which trajectories are most interrelated, and, by extension, identifying the phenomena they represent. Therefore, the primary purpose of this n-dimensional model is to discern how the analysed evolving phenomena are correlated, as well as to evaluate the way in which the evolution of different phenomena could affect each other. The model considers the object-based ontology for its definition and the analysis of the phenomena. For testing and validation purposes, and to demonstrate the flexibility and robustness of the proposed reasoning framework, two different case studies were set up, each with different temporal dimensions and parameterisations. A series of modelling scenarios in R^2, R^4 and R^5 are implemented to show the characteristics, properties, and benefits of the proposed framework. In addition to the modelling and reasoning framework, one significant contribution of this dissertation is a comprehensive survey of temporal geographical information systems (T-GIS) that documents: (i) the origins of T-GIS and the evolutive treatment of the time dimension in GIS since 1984; (ii) the development of the spatio-temporal data models and modelling trends; and (iii) an analysis of potential future trends and developments in T-GIS. As a complementary result of this survey, a dynamic, online, and thorough bibliography of temporal GIS, called TimeBliography, was implemented. RESUMEN En esta tesis se propone y desarrolla un novedoso marco de modelización y razonamiento para analizar la evolución de fenómenos geográficos dinámicos. El marco está orientado a contextos medioambientales, urbanos, socioeconómicos, entre otros, en los que entidades o fenómenos geográficos que evolucionan pueden ser observados (p. ej., humedales y unidades terrestres) o se corresponden con definiciones abstractas o eventos del pasado (p. ej., vías aéreas, curvas de nivel y acontecimientos históricos). El marco de razonamiento está compuesto por cuatro elementos principales: (i) un conjunto de definiciones formales que describen líneas temporales que muestran cuándo suceden o se observan cambios en las entidades (eventos); (ii) un conjunto de medidas basadas en tiempo que caracterizan las correlaciones entre fenómenos geográficos a lo largo de estas líneas temporales; (iii) un modelo para el análisis espaciotemporal con énfasis específico en la dimensión temporal; y (iv) una implementación en el lenguaje R que proporciona un conjunto de funciones para el desarrollo de tres pruebas de concepto orientadas a analizar la interacción de un conjunto de humedales y predios, y un estudio de caso aplicado a eventos epidemiológicos. Este enfoque ofrece un marco analítico de base predominantemente temporal que permite identificar patrones espaciotemporales y semánticos que surgen al observar, medir y analizar la naturaleza dinámica de los fenómenos geográficos. Detallando los componentes del marco: se definió un modelo matemático abstracto basado en el concepto de pseudosemimétrica. El modelo se inscribe en el espacio Euclidiano n-dimensional considerando todas sus propiedades y teniendo en cuenta fenómenos continuos, pero aplicando componentes discretos para su análisis. Además, se propuso una definición de trayectoria, que representa la evolución temporal de un fenómeno, y una noción de distancia entre trayectorias, que mide la diferencia entre los fenómenos analizados. La noción de distancia se basa en un enfoque innovador que permite comparar trayectorias e identificar segmentos parciales comunes entre ellas (similaridad parcial). Este modelo se concibe como un marco analítico para identificar posibles relaciones y afecciones de fenómenos geográficos dinámicos considerando su información semántica y temporal (p. ej., dimensiones temporales). Las definiciones matemáticas propuestas buscan correlaciones dinámicas de fenómenos geográficos y no geográficos a través de la similaridad parcial entre trayectorias, revelando cuáles están más interrelacionadas y, por extensión, identificando las relaciones entre los fenómenos que estas representan. Por lo tanto, el objetivo principal de este modelo n-dimensional es discernir cómo se correlacionan los distintos fenómenos, así como evaluar la forma en que su evolución podría afectarse mutuamente. La propuesta considera la base ontológica de objetos para su definición y para los análisis. A efectos de prueba y validación, y para demostrar la flexibilidad y solidez del marco de razonamiento propuesto, se implementaron dos diferentes casos de análisis, cada uno con diferentes dimensiones temporales y parametrizaciones. Se plantearon escenarios de modelización en R^2, R^4 y R^5 para explicar las características, propiedades y bondades del marco propuesto. Además del marco de modelización y razonamiento, una contribución significativa de esta tesis es el estudio y análisis exhaustivo de los sistemas de información geográfica temporales (SIG-T) en el que se muestra: (i) los orígenes de los SIG-T y la evolución histórica de la dimensión temporal en los SIG desde 1984; (ii) el desarrollo de los modelos de datos espaciotemporales y las tendencias de modelización; y (iii) un análisis de las posibles tendencias y desarrollos futuros en los SIG-T. Como resultado complementario de este análisis, se implementó una aplicación bibliográfica dinámica y en línea sobre los SIG temporales titulada TimeBliography.