Visual exploration to support the identification of relevant attributes in time-varying multivariate data

• Main Author: Aurea Rossy Soriano Vargas
• Other Authors: Maria Cristina Ferreira de Oliveira
• Language: English
• Published: Universidade de São Paulo 2018
• Subjects: Análise de espaço de atributos; Análise visual; Dados multivariados e variantes no tempo; Seleção visual de atributos; Visualização exploratória de dados; Exploratory data visualization; Feature space analysis; Time-varying multivariate data; Visual analytics; Visual feature selection
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-23102018-115029/

Ionospheric scintillation is a rapid variation in the amplitude and/or phase of radio signals traveling through the ionosphere. This spatial and time-varying phenomenon is of interest because its occurrence may affect the reception quality of satellite signals. Specialized receivers at strategic regions can track multiple variables related to the phenomenon, generating a database of historical observations on the regional behavior of ionospheric scintillation. The analysis of such data is very challenging, since it consists of time-varying measurements of many variables which are heterogeneous in nature and with possibly many missing values, recorded over extensive time periods. There is a need to introduce alternative intuitive strategies that contribute to experts acquiring further knowledge from the ionospheric scintillation data. Such challenges motivated a study on the applicability of visualization techniques to support tasks of identification of relevant attributes in the study of the behavior of phenomena described by multiple time-varying variables, of which the ionospheric scintillation is a good example. In particular, this thesis introduces a visual analytics framework, named TV-MV Analytics, that supports exploratory tasks on time-varying multivariate data and was developed following the requirements of experts on ionospheric scintillation from the Faculty of Science and Technology of UNESP at Presidente Prudente, Brazil. TV-MV Analytics provides an interactive visual exploration loop to analysts inspecting the behavior of multiple variables at different temporal scales, through temporal representations associated with clustering and multidimensional projection techniques. Analysts can also assess how different feature sub-spaces contribute to characterizing a certain behavior, where they may direct the analysis process and include their domain knowledge in the exploratory analysis. We also illustrate the application of TV-MV Analytics on multivariate time-varying data sets from three alternative application domains. Experimental results indicate the proposed solutions show good potential on assisting time-varying multivariate data mining tasks, since it reduces the effort required from experts to gain deeper insight into the historical behavior of the variables describing a phenomenon or domain. === A cintilação ionosférica é uma variação rápida na amplitude e/ou na fase dos sinais de rádio que viajam através da ionosfera. Este fenômeno espacial e variante no tempo é de grande interesse, pois pode afetar a qualidade de recepção dos sinais de satélite. Receptores especializados em regiões estratégicas podem rastrear múltiplas variáveis relacionadas ao fenômeno, gerando um banco de dados de observações históricas sobre o comportamento regional da cintilação. O estudo do comportamento da cintilação é desafiador, uma vez que requer a análise extensiva de dados multivariados e variantes no tempo, coletados por longos períodos. Medições são registradas continuamente, e são de natureza heterogênea, compreendendo múltiplas variáveis de diferentes categorias e possivelmente com muitos valores faltantes. Portanto, existe a necessidade de introduzir estratégias alternativas, eficientes e intuitivas, que contribuam para a adquisição de conhecimento, a partir dos dados, por especialistas que estudam a cintilação ionosférica. Tais desafios motivaram o estudo da aplicabilidade de técnicas de visualização para apoiar tarefas de identificação de atributos relevantes no estudo do comportamento de fenômenos ou domínios que envolvem múltiplas variáveis, como a cintilação. Em particular, esta tese introduz um arcabouço visual, o qual foi denominado TV-MV Analytics, que apoia tarefas de análise exploratória sobre dados multivariados e variáveis no tempo, inspirado em requisitos de especialistas no estudo da cintilação, vinculados à Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP de Presidente Prudente, Brasil. O TV-MV Analytics fornece aos analistas um ciclo de interativo de exploração que apoia a inspeção do comportamento temporal de múltiplas variáveis, em diferentes escalas temporais, por meio de representações visuais temporais associadas a técnicas de agrupamento e de projeção multidimensional. Também permite avaliar como diferentes sub-espaços de atributos caracterizam um determinado comportamento, podendo direcionar o processo de análise e inserir seu conhecimento do domínio no processo de análise exploratória. As funcionalidades do TV-MV Analytics também são ilustradas em dados variantes no tempo oriundos de outros três domínios de aplicação. Os resultados experimentais indicaram que as soluções propostas têm bom potencial em tarefas de mineração de dados multivariados e variantes no tempo, uma vez que reduz o esforço e contribui para os especialistas obterem informações detalhadas sobre o comportamento histórico das variáveis que descrevem um determinado fenômeno ou domínio.