Temporal Geographic Information System Maritime for maritime data ; From linear distances to real time trajectory analysis
Système d'information géographique temporelle maritime ; Des distances linéaires à l'analyse temps réel des trajectoires
Résumé
Geographic Information Systems (GIS) manage information located in geographic space. These systems have included more and more complex information over the past decade. Indeed, they can now store temporal data as well as tree-dimensional data: for example, the digital elevation model (DEM) represents relief. My research in computing science deals with those two fields and is applied to maritime domain. As far as the DEM is concerned, those works focus on DEM integration. A new approach based on landscape elements (ridges, talwegs, etc.) allows to merge land and maritime geographical datasets. This includes a process matching linear elements. It develops from several extensions of linear distance as defined by Fréchet. Those distances also provide data matching vectors that allow to merge DEMs thanks to rubber sheeting process. In the spatio-temporal GIS area, my work studies moving object trajectories and more particularly vessel displacements. For maritime navigation, GIS are key systems. Navigation, monitoring and simulation learning systems are very close to Geographic Information System. First, a new conceptual model has been introduced: the relative view, oriented to the representation of trajectories in time and space. This model is based on the human perception of time and space for mobile objects. This representation complements the traditional absolute view. Displacements of moving objects relative to a referent object are qualified in terms of relative speed and distance. With this new representation, evolutions of displacements are better understood. In the same way, a new multiagent system (MAS) is designed to simulate maritime activities. Several vessel displacements can be simulated at the same time in a maritime space. This simulator takes into account the maritime space constraints and different activities of vessels with qualitative spatial reasoning and role paradigm. Moreover, to simulate human reasoning, it integrates a decision making system based on patterns. Finally, data mining on a huge quantity of positions stored in spatio-temporal databases is carried out in order to deduce the behavior of those mobile objects. We can define spatio-temporal patterns for each cluster of trajectories of mobile objects following the same itinerary. Those works are applied to the maritime domain but can also be extended to other types of data. DEM integration processes can be useful for other DEMs with overlap area. In the same way, research on moving objects can be adapted to other kind of objects moving in an open area.
Les Systèmes d'Information Géographique (SIG) gèrent des informations complexes localisées dans un espace géographique. Durant la dernière décennie, ces systèmes ont vu l'émergence d'une part des SIG en trois dimensions et plus particulièrement des modèles numériques de terrain (MNT) et d'autre part de l'intégration de données temporelles. Les travaux de recherche en informatique présentés dans ce manuscrit s'attaquent à ces deux thématiques et sont appliqués au domaine maritime. En termes de MNT, ces recherches ont essentiellement porté sur l'intégration de MNT terrestre et maritime. Une méthode de fusion générant un MNT continu a été définie. Elle est basée sur l'appariement d'éléments caractéristiques linéaires (crêtes, talwegs, lignes de rupture de pente). Elle emploie des distances linéaires discrètes introduites par Fréchet. Ces distances fournissent des vecteurs d'appariement autorisant la fusion de MNT à l'aide d'une technique de déformation élastique. En ce qui concerne les SIG spatio-temporels, ces travaux concernent les déplacements d'objets mobiles et plus particulièrement les navires. Dans le cadre de la navigation maritime, les SIG ont une place prépondérante via les aides à la navigation, les systèmes de surveillance du trafic et les simulateurs de formation. Dans ce cadre, un nouveau modèle de représentation des déplacements, la vue relative, a été formalisé. Ce formalisme s'appuie sur la perception humaine de l'espace spatio-temporel et des objets mobiles. Cette représentation est complémentaire de la représentation absolue. Les déplacements relatifs vis-à-vis d'un objet référent sont ainsi plus facilement analysables. Les évolutions des distances et des vitesses relatives sont mieux perçues. Parallèlement, une simulation des activités de navires à l'aide de systèmes multi-agents a été conçue. Les déplacements simultanés d'un grand nombre de navires dans un environnement maritime sont ainsi simulés. Elle prend en compte les différentes activités concurrentes des objets mobiles et les contraintes géographiques. Qui plus est, elle intègre des raisonnements à base de patrons pour reproduire les raisonnements humains. Finalement, à partir des bases de données historiques des positions d'objets mobiles dans un environnement ouvert, des techniques d'extractions des trajectoires et de fouille de données spatio-temporelles ont été réalisées. Elles permettent pour chaque itinéraire et chaque type d'objets de définir des routes types spatio-temporelles et de détecter à la volée des comportements inhabituels. Ces travaux, bien qu'appliqués au domaine maritime, sont génériques. Les méthodes de fusion de MNT peuvent être appliquées à tous types de MNT ayant des zones de recouvrement. De même, les travaux de modélisation, d'analyses et de simulation sur les objets mobiles sont adaptables à tous les déplacements d'objets mobiles dans des espaces ouverts.
Mots clés
Geographic Information System (GIS)
Digital Elevation Model (DEM)
tracking systems
spatio-temporal database
Fréchet distance
Spatial and Cognitive Simulation with Multi-agent Systems
relative representation of trajectories
data matching
data merging
navigation systems
Système d'Information Géographique (SIG)
Modèle Numérique de Terrain (MNT)
objets mobiles
base de données spatio-temporelle
distance linéaire de Fréchet
simulation multi-agents cognitive
vues relatives spatio-temporelle de trajectoires
appariement et fusion de données
système de navigation.
système de navigation