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Spatial and temporal resolution of sensor observations

Beobachtung ist ein Kernkonzept der Geoinformatik. Beobachtungen dienen bei Phänomenen wie Klimawandel, Massenbewegungen (z. B. Hangbewegungen) und demographischer Wandel zur Überwachung, Entwicklung von Modellen und Simulation dieser Erscheinungen. Auflösung ist eine zentrale Eigenschaft von Beobachtungen. Der Gebrauch von Beobachtungen unterschiedlicher Auflösung führt zu (potenziell) unterschiedlichen Entscheidungen, da die Auflösung der Beobachtungen das Erkennen von Strukturen während der Phase der Datenanalyse beeinflusst. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist eine entwickelte Theorie der raum- und zeitlichen Auflösung von Beobachtungen, die sowohl auf technische Sensoren (z. B. Fotoapparat) als auch auf menschliche Sensoren anwendbar ist. Die Konsistenz der Theorie wurde anhand der Sprache Haskell evaluiert, und ihre praktische Anwendbarkeit wurde unter Einsatz von Beobachtungen des Webportals Flickr illustriert.

Titel: Spatial and temporal resolution of sensor observations
Verfasser: Degbelo, Auriol GND
Gutachter: Kuhn, Werner
Organisation: FB 14: Geowissenschaften
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2014
Publikation in MIAMI: 13.03.2015
Datum der letzten Änderung: 16.03.2015
Schlagwörter: Beobachtung; Räumliche Auflösung; Zeitliche Auflösung; Ontologie; Haskell; Forschungsmethode
Fachgebiete: Informatik, Wissen, Systeme; Geowissenschaften, Geologie
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-60329345641
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-60329345641
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Inhalt:
1 Introduction 1
1.1 The Sensor Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 The need of semantics for the Sensor Web . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Sensor Plug and Play . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Observation vs measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Observation ontologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Related work to the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Requirements of the theory to be developed . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Tour of the contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Conceptual analysis of resolution 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Resolution and related notions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Proxy measures for resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 A unifying framework for resolution and related notions . . . . . 20
2.3.2 Using the framework suggested . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Accommodating variability in word usage . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Ontology development method 27
3.1 Definition of ontology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Relevance of ontology research to GIScience . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Research method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Philosophical standpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 Research method: a bird’s-eye view . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3 Design (or modelling) stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Implementation (or encoding) stage . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.5 Ontology languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.6 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.7 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 Foundational ontologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.2 Geo-ontologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Ontology design stage - resolution of single observations 47
4.1 Motivating scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Viewpoint on space and time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Identification of the terms of the ontology (Part I) . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Reuse of existing ontologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.2 Foundational ontology and ontology design language . . . . . . 53
4.3.3 Terms of the ontology: resolution of a single observation . . . . . 55
4.3.4 Examples of SRF and TRW for a single observation . . . . . . . . 59
4.3.5 Alignment to DOLCE: resolution of an observation . . . . . . . . 62
4.4 Formal specification: resolution of a sensor observation . . . . . . . . . . 62
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Ontology design stage - resolution of observation collections 71
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Identification of the terms of the ontology (Part II) . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.1 Observation collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.2 Terms of the ontology: resolution of an observation collection . . 77
5.2.3 Resolution of an observation collection: illustrative example . . . 81
5.2.4 Alignment to DOLCE: resolution of an observation collection . . 83
5.2.5 Dependency between the resolution of an observation collection
and the resolution of its member observations . . . . . . . . . . . 83
5.3 Formal specification: observation collection resolution . . . . . . . . . . . 83
5.4 Is a high value for resolution always desirable? . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6 Ontology design patterns for resolution 91
6.1 Ontology design pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Resolution of a single observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 Resolution of an observation collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4 Validation of the ontology design patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5 ODPs for resolution and the Semantic Sensor Web . . . . . . . . . . . . . 97
6.5.1 Refining the ODP for spatial data quality characterization . . . . 97
6.5.2 Mappings between the ODPs for resolution and the ODP for spatial
data quality characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7 Ontology of resolution - implementation stage 103
7.1 Ontology implementation: language and tool . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2 Implementation of the motivating scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2.1 Resolution of an observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.2.2 Resolution of an observation collection . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3 Further application scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.3.1 Retrieval of Flickr data at a certain temporal resolution . . . . . . 110
7.3.2 Expressing resolution qualitatively . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3.3 The Linked Brazilian Amazon Rainforest Data . . . . . . . . . . . 112
7.3.4 Cross-comparison of average values for air quality in Europe . . 114
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8 Conclusion 117
8.1 Novel contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2 Importance of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.2.1 Observation ontologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.2.2 Ontology development and evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.2.3 Semantic interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.3 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.4 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.4.1 Incorporation of complex arithmetic operations in OWL/SWRL . 124
8.4.2 Spatio-temporal aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.4.3 Thematic resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.4.4 Ontology design patterns for quality characterization in the SSW 126
8.4.5 The implementation-design continuum . . . . . . . . . . . . . . . 127
References 128
A Terms of the ontology 169
B Proof 171
C Location of an observation 173
D Comparing resolutions 175
E ODPs aligned to DOLCE 177
F Ontology’s summary 179