Une algèbre pour la représentation et la manipulation spatio-temporelle et sémantique des ...

219 Pages·2016·4.05 MB·French

Une alg`ebre pour la repr´esentation et la manipulation
spatio-temporelle et s´emantique des trajectoires d’objets
mobiles
´
Donia Zheni Epouse Triki
To cite this version:
´
Donia Zheni Epouse Triki. Une alg`ebre pour la repr´esentation et la manipulation spatio-
temporelle et s´emantique des trajectoires d’objets mobiles. Informatique [cs]. Universit´e de
Tunis El Manar, 2015. Fran¸cais. <tel-01275831>
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Ecole Doctorale de Mathématiques, Informatique,
Sciences et Technologies des Matériaux
THÈSE
présentée en vue de l’obtention du
Diplôme de Docteur en Informatique
par
Donia ZHENI
(Mastère en Informatique, FST)
Une algèbre pour la représentation et la manipulation
spatio-temporelle et sémantique des trajectoires d’objets
mobiles
Soutenue le 22 Septembre 2015 devant le jury d’examen
Pr. Khaled BSAIES FST, Tunisie Président
Pr. Thomas DEVOGELE Université de Tours, France Rapporteur
Pr. Alain BOUJU Université de La Rochelle, France Rapporteur
Pr. Faouzi MOUSSA FST, Tunisie Examinateur
Pr. Henda BEN GHEZALA ENSI, Tunisie Directeur
Pr. Christophe CLARAMUNT Ecole navale, France Invité
Remerciements
Tout au long de mon parcours réalisé ces dernières années, j’ai pu bénéficier de soutiens,
de conseils et d’encouragements d’un très grand nombre de personnes auxquelles je tiens à
exprimer toute ma gratitude.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance envers les membres du jury. Pouvoir réunir pour
cette occasion des chercheurs d’un tel niveau au sein de disciplines aussi diverses est pour
moi un très grand honneur et une marque d’encouragement pour la conduite de recherches
interdisciplinaires.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance envers Madame Henda BEN GHEZALA professeur
à l’école nationale des sciences de l’informatique pour la confiance qu’elle m’a témoignée en
acceptant la direction scientifique de mes travaux. Je lui suis reconnaissante de m’avoir fait
bénéficier tout au long de ce travail de sa grande compétence, de sa rigueur intellectuelle, de
son efficacité et de ses précieux conseils.
JeremercieMonsieurAliFrihida,maîtreassistantàl’écolenationaledesingénieursdetunis,
pour son aide tout au long de ce projet.
Je tiens à remercier Mr Christophe Claramunt professeur et directeur de l’Institut de Re-
cherche de l’Ecole Navale pour le soutien et les précieux conseils qu’il n’a cessé de me prodiguer
tout au long de ce travail.
J’exprime tous mes remerciements à toutes les personnes qui de loin ou de près m’ont aidé
à parvenir au terme de ce travail et plus particulièrement Mr Rached Boussemma, Mr Sami
Faïez, Mr Saber Naceur, Madame Hajer Baazoui et tous les membres de l’unité de recherche
LTSIRS et du laboratoire RIADI.
Je me dois d’exprimer, enfin, ma profonde gratitude aux membres de ma famille qui m’ont
accordé leur aide et leur soutien au cours de ces années.
i
Dédicaces
À ma mère Lilia,
À mon père Taher,
À l’âme de mon frère Ikbel,
À mon mari Slim et mes filles Yasmine et Fatma,
À tous mes amis,
À tous ceux que j’aime...
Et à tous ceux qui veulent partager ma joie...
ii
Table des matières
Table des figures viii
Liste des tableaux xi
Introduction 1
I État de l’art 8
I Trajectoires spatio-temporelles d’objets mobiles 11
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Bases de données d’objets mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Objets mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Exemples d’applications manipulant des objets mobiles . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Applications selon la nature des objets mobiles . . . . . . . . . 16
2.2.2 Applications selon la nature de la manipulation des objets . . . 16
3 Trajectoires d’objets mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Présentation de la notion de trajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Moyens d’acquisition des données relatives à la trajectoire . . . . . . . . 18
3.3 Concepts de base des trajectoires spatio-temporelles . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.3 La sémantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Catégories de trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
iii
Table des matières
3.5 La trajectoire dans le cadre du Time Geography . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II Modélisation des trajectoires spatio-temporelles 32
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Critères d’évaluation des modèles de représentation des trajectoires . . . . . . . 33
3 Modèles de trajectoires spatio-temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Modèles de trajectoires spatio-temporelles sans apport sémantique . . . . 34
3.1.1 Modèles par approches formelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Modèles par approches non formelles . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Modèles de trajectoires spatio-temporelles avec apport sémantique . . . . 43
3.2.1 Modèles par approches formelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Modèles par approches non formelles . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II TST : un type abstrait de données pour les trajectoires spatio-
temporelles sémantiquement riches 60
IIIModèle syntaxique du TST 64
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2 Définition de notre contexte de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1 Contexte spatial et temporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.1 Propriétés spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1.2 Propriétés temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.1 Activité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.2 Déplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.3 Trajectoire spatio-temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3 Contraintes sur la trajectoire spatio-temporelle . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.1 Contraintes spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.2 Contraintes temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.3 Contraintes de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Besoins en analyse des trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1 Vérification de la cohérence de la base de données . . . . . . . . . . . . . 70
iv
Table des matières
3.2 Analyse sémantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Analyse spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Analyse temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5 Analyse spatio-temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Signature du TST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1 Sorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2 Opérations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Opérations de vérification de la cohérence de la base de données 78
4.2.2 Créateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.3 Opérations sémantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.4 Opérations spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.5 Opérations temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.6 Opérations spatio-temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
IVAlgèbre de définition et de manipulation du TST 108
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2 Domaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3 Sémantique des opérations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.1 Opérations de vérification de la cohérence de la base de données . . . . . 110
3.2 Les créateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3 Opérations sémantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.1 Opérations de comptage sémantique . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.2 Opérations de positionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3.3 Opérations de recherche sémantique . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.4 Opérations de restriction sémantique . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3.5 Opérations de projection dans le domaine sémantique . . . . . . 119
3.3.6 Opérations de similarité sémantique . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.3.7 Prédicats sémantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4 Opérations spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4.1 Opérations de projection dans le domaine spatial . . . . . . . . 121
3.4.2 Opérations de relations spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.4.3 Opérations de voisinage spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.4.4 Opérations de calcul spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.4.5 Opérations de recherche spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
v
Table des matières
3.4.6 Opérations de similarité spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.5 Opérations temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.5.1 Opérations de relations temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.5.2 Opérations de calcul des durées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.5.3 Opérations de restriction temporelle . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.5.4 Opérations de projection dans le domaine temporel . . . . . . . 132
3.5.5 Opérations de recherche temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.5.6 Opérations de similarité temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.6 Opérations spatio-temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.6.1 Opérations ensemblistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.6.2 Opérations de voisinage spatio-temporel . . . . . . . . . . . . . 138
4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
V Mise en oeuvre et expérimentation du TST 143
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2 Mise en oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.1 L’environnement PostgreSQL/PostGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.2 Architecture proposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2.3 Intégration du type TST dans PostgreSQL/PostGIS . . . . . . . . . . . . 145
2.3.1 Intégration des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.3.2 Intégration des opérations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3 Expérimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.1 Cadre expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.1.1 Cas d’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.1.2 Modèle de base de données pour l’étude de la problématique du
centre ville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2 Jeu de données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.2.1 Données benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.2.2 Processus d’épuration des données benchmark . . . . . . . . . . 155
3.3 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4 Positionnement du modèle proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Conclusion 172
A Algorithmes proposés 178
vi
Table des matières
B Données Benchmark 189
1 L’enquête Origine-Destination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2 Pré-traitement des données Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2.1 Analogie entre données benchmark initiales et données expérimentales . . 191
2.2 Chargement de la base O-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
2.3 Traitement des données temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
2.4 Traitement des données spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
2.5 Traitement des données sémantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Bibliographie 196
vii
Table des figures
I.1 Différents types de changements selon les variations de géométrie, toplogie et
attribut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.2 Typologie des changements spatio-temporels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
I.3 Types de changements selon la densité temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I.4 Exemple du chemin spatial d’un objet mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
I.5 Exemple de l’approximation par interpolation linéaire d’une trajectoire dans
un espace 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
I.6 Relations de topologie spatiales entre objets géométriques . . . . . . . . . . . 21
I.7 Relations de topologies temporelles entre intervalles . . . . . . . . . . . . . . . 24
I.8 Exemple d’une trajectoire métaphorique représentant la carrière profession-
nelle d’un individu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
I.9 Exemple d’une trajectoire géographique naïve représentant le déplacement
entre villes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.10 Exemple d’une trajectoire spatio-temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.11 Mobilité quotidienne et chaîne d’activités et déplacements . . . . . . . . . . . 27
I.12 L’idée de trajectoire spatio-temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.13 Trajectoire spatio-temporelle, prisme spatio-temporel et région de trajectoire
potentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
I.14 Les notion de bundle et de stations dans le time geography . . . . . . . . . . . 30
II.1 Représentation par tranches des valeurs d’un réel mobile et d’un point mobile 37
II.2 Diagramme de classe du projet STAU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
II.3 Types des changements des relations Objet-Réseau . . . . . . . . . . . . . . . 40
viii