CN115840857A - 一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，属于社交网络分析技术领域。本发明包括以下步骤：提取轨迹驻留点，联合地理实体数据建立空间场所信息索引，从而赋予轨迹场所及事件信息；依据路网信息，将轨迹拟合到路网不同路段，实现轨迹的降噪及路网索引，将轨迹相似度计算转为路网路段相似度查询；同时使用驻留点地理信息相似度和轨迹路网相似度联合构建轨迹相关性模型；使用无监督的图神经网络挖掘轨迹深层关联；本发明增加驻留点地理实体信息关联度，引入路网信息对轨迹进行平滑降噪，去除冗余信息，同时将轨迹间的距离计算转化为路网关系查询，加快检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，属于社交网络分析技术领域。
背景技术
随着互联网技术以及移动终端技术的高速发展，各类社交平台得到蓬勃发展，这也为犯罪分子提供了便利，犯罪团伙往往通过各种社交平台与通信手段进行沟通，进行有组织，有计划的犯罪行动。在实际案件侦破任务中，为了侦破暴力、恐怖等有预谋的犯罪案件，通常根据某个犯罪嫌疑人的信息，进一步挖掘他在社交网络中所属的犯罪团伙，这一过程需要消耗大量的人力物力。
随着GPS定位系统、5G等先进前沿信息技术的飞速发展，通常能够获取每一个犯罪分子的多类型时空轨迹数据，大体可以分为三类：（1）基于GPS定位的轨迹数据，如飞机、车辆、船舶、手机等。（2）基于感知设备的轨迹数据，如人脸识别、车牌识别、酒店入住、网吧上网等。（3）基于社交网络的轨迹数据，犯罪分子在社交网络中的发文、打卡、签到等行为都记录了相应的位置信息。然而，目前多数方法不能对犯罪分子的时空轨迹与社交关系网络进行有效建模，未能有效挖掘犯罪团伙分工作案的行为之间的隐性关系，导致最终构建的关系网络在节点分类、关系预测的准确性不高。因此，如何基于多元时空轨迹对犯罪群体进行有效建模，分析作案人员与犯罪团伙间的关系，挖掘并推断其作案的行为之间的隐性关系，是目前亟待解决的科学问题。
发明内容
本发明提供了一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，以用于解决当前基于轨迹的群体行为挖掘方法无法有效利用地理实体信息，只能提取空间上的轨迹重合关系等现象；本发明增加驻留点地理实体信息关联度，引入路网信息对轨迹进行平滑降噪，去除冗余信息，同时将轨迹间的距离计算转化为路网关系查询，提升检测效率。
本发明的技术方案是：一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，提取轨迹驻留点，联合地理实体数据建立空间场所信息索引，从而赋予轨迹场所及事件信息；依据路网信息，将轨迹拟合到路网不同路段，实现轨迹的降噪及路网索引，将轨迹相似度计算转为路网路段相似度查询；同时使用驻留点地理信息相似度和轨迹路网相似度联合构建轨迹相关性模型；使用无监督的图神经网络挖掘轨迹深层关联；所述方法的具体步骤如下：
步骤S1：驻留点检测，将轨迹建模为：
其中，x、y是空间坐标，t是当前点的时刻。
设置最大驻留半径R，按时序将轨迹中的点分别设置为锚点，向后遍历，寻找连续的s个与锚点距离小于最大驻留半径的点，公式如下：
其中，/>
为锚点，/>
是轨迹中锚点后序的点。
当连续s个点与锚点构成驻留点后，将该驻留点记作
，其中空间坐标为驻留点序列内的所有点的空间几何中心坐标，t 1 为驻留起始时间，t s 为驻留终止时间，并将P s+1 作为下一个锚点继续搜索至轨迹终点。
步骤S2：驻留点轨迹替换，使用识别出的SP替换其中的所有驻留点，将轨迹替换为形如
的新轨迹序列表示；/>
为轨迹第一个点，
为轨迹中由P 2 ……P s 构成的驻留点，P s+1 为驻留点后的第一个点，/>
为轨迹中的第二个驻留点，/>
为轨迹的最后一个点，此处P与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。
步骤S3：驻留点和地点的关联，查询路网信息以及地理实体数据，将驻留点与地理实体数据建立空间索引，获取驻留点相关地理实体属性，作为该轨迹的重要特征点以及事件判断依据。
步骤S4： 驻留点地理信息相似性度量，依据上一步骤中查询到的驻留点地理实体属性，度量不同路径之间驻留点的相同地理实体的重合度，驻留点的真实地理实体相关度，以及相同场所的轨迹经过时间之间的重合率，由此衡量轨迹驻留点地理信息相似度，构建邻接矩阵
。
步骤S5：基于路网信息的轨迹平滑降噪，根据单向距离，计算轨迹到路网的距离，选取最近路径，将轨迹拟合到最近邻路网上。
步骤S6： 轨迹分段处理，依据路网信息，将轨迹按照路网关键节点（例如红绿灯、环岛、高速出入口、收费站、转弯等）拆分，并提取轨迹经过路段起止点时的时刻信息，将轨迹模型转化为时间维度模型，将轨迹的不同时间段索引到固定路段和不同驻留点即
其中Path代表轨迹中拟合到路网后，单端的平直轨迹及其时间信息，其中Path n代表第n条轨迹，SP m代表第m个驻留点；此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。
步骤S7：轨迹时空相似性度量，根据路网信息查询轨迹之间每一段的路径相关性PAdis，由此衡量轨迹路网路径相似度邻接矩阵
；
步骤S8：时空轨迹关系图构建，根据步骤4与步骤7获取的邻接矩阵，以及步骤6中对轨迹的重构，对场景中所有轨迹构建图结构，以每条轨迹作为图中的一个节点，轨迹重构
作为节点特征，此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。节点间相似性度量
，其中α和β分别为两个权重，用来衡量迹驻留点地理信息相似度邻接矩阵/>
与轨迹路网路径相似度邻接矩阵/>
的权重，当驻留点地理信息相似度和轨迹路网路径相似度关注度相同时，α和β都取值0.5，从而实现联合使用轨迹时间空间信息，与路网、地理实体信息的联合轨迹相似度建模。
步骤S9：时空轨迹聚类，将构成的图输入无监督的图神经网络，实现轨迹间深层关联信息的挖掘，从而实现轨迹间的聚类，完成群体行为分析及团伙行为识别。
优选的，在步骤S4中衡量轨迹驻留点地理信息相似度具体方法为：构建邻接矩阵
，其中
其中，tr表示轨迹，tr i 表示第i条轨迹，tr j 表示第j条轨迹，SPn为第n个驻留点，SPm为第m个驻留点，
为SPn与SPm之间的时间重合度权重，dis表示地点间相关性，/>
表示驻留点SPn与SPm的地理信息相似性。
优选的，在步骤S5中，根据路网信息，拟合待处理轨迹到最近邻路网上，其过程可以表示为
其中，
表示路网/>
中的第i条道路轨迹；Tr表示轨迹，p为轨迹中的点。
优选的，在步骤S7中轨迹路网路径相似度邻接矩阵
，计算方法为：
其中，
为Path i 与Path j 之间的时间重合度权重，
为第i条路径Path i ，与第j条路径Path j 的路径相似度。
本发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比，主要解决了当前基于轨迹的群体行为挖掘方法无法有效利用地理实体信息，只能提取空间上的轨迹重合关系等现象，通过将驻留点索引到实际地图的地理实体，增加驻留点地理实体信息关联度，引入路网信息对轨迹进行平滑降噪，通过使用路网信息替换轨迹，去除冗余信息，将杂乱的轨迹转化为固定的路网路径，同时将轨迹间的距离计算转化为路网关系查询，使用查询操作代替复杂的计算。
附图说明
图1是本发明总流程图。
实施方式
实施例
如附图所示，一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤S1：驻留点检测，将轨迹建模为：
其中，x、y是空间坐标，t是当前点的时刻；
设置最大驻留半径R，按时序将轨迹中的点分别设置为锚点，向后遍历，寻找连续的s个与锚点距离小于最大驻留半径的点，公式如下：
其中，
为锚点，/>
是轨迹中锚点后序的点；
当连续s个点与锚点构成驻留点后，将该驻留点记作
，其中空间坐标为驻留点序列内的所有点的空间几何中心坐标，t 1 为驻留起始时间，t s 为驻留终止时间，并将P s+1 作为下一个锚点继续搜索至轨迹终点，例如以P 1为第一个锚点，设置最大驻留半径R=500m，若P 1与P 2间的距离dis(P 1, P 2)<500m，则认定P 2在驻留点内，继续计算P 1与P 3的距离dis(P 1, P 3)，若dis(P 1, P 3)<500m, 则认定P 3在驻留点内，继续计算P 1与P 4的距离dis(P 1, P 4)，以此类推，直到P 1与P n的距离dis(P 1, P n)<500m，且P 1与P n+1的距离dis(P 1, P n+1)>500m，则认定P n+1不在驻留点内，且{P 1 ,P 2 ,P 3…… P n}构成一个驻留点；如此操作可以将目标在小范围内的复杂活动轨迹简化为一个驻留点，使用一个点代替一段轨迹，并保留时间信息，大幅度简化轨迹。
步骤S2：驻留点轨迹替换，使用识别出的SP替换其中的所有驻留点，将轨迹替换为形如
的新轨迹序列表示；/>
为轨迹第一个点，
为轨迹中由P 2 ……P s 构成的驻留点，P s+1 为驻留点后的第一个点，/>
为轨迹中的第二个驻留点，/>
为轨迹的最后一个点，此处P与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。
步骤S3：驻留点和地点的关联，查询路网信息以及地理实体数据，将驻留点与地理实体数据建立空间索引，获取驻留点相关地理实体属性，作为该轨迹的重要特征点以及事件判断依据，目标在某处驻留，代表该目标在驻留处有过重点活动，通过查询驻留点的地理实体数据，可以判断目标的活动性质；例如轨迹驻留点处在学校范围内，则将教育相关属性列入轨迹特征中，则目标可能身份为教师、学生、家长等的概率更大。
步骤S4： 驻留点地理信息相似性度量，依据上一步骤中查询到的驻留点地理实体属性，度量不同路径之间驻留点的相同地理实体的重合度，驻留点的真实地理实体相关度，以及相同场所的轨迹经过时间之间的重合率，由此衡量轨迹驻留点地理信息相似度，构建邻接矩阵
，其中：
其中，tr表示轨迹，tr i 表示第i条轨迹，tr j 表示第j条轨迹，SPn为第n个驻留点，SPm为第m个驻留点，
为SPn与SPm之间的时间重合度权重，dis表示地点间相关性，/>
表示驻留点SPn与SPm的地理信息相似性；例如SPn与SPm均在同一处场所内，则/>
为1，代表两处地理信息完全相同，SPn在场所内停留时间为9:00~18:00，SPm在场所内停留时间为10:00~19:00，则两个驻留点的时间重合度
为0.8。
步骤S5：基于路网信息的轨迹平滑降噪，根据单向距离，计算轨迹到路网的距离，选取最近路径，将轨迹拟合到最近邻路网上，其过程可以表示为
其中，
表示路网/>
中的第i条道路轨迹；Tr表示轨迹，p为轨迹中的点，通过计算轨迹中的一系列点到路网路径上的距离，寻找差异最小的路网路径，并使用对应的路网路径替换复杂的轨迹，保留时间信息，大幅度简化轨迹。
步骤S6： 轨迹分段处理，依据路网信息，将轨迹按照路网转弯等关键节点拆分，并提取轨迹经过路段起止点时的时刻信息，将轨迹模型转化为时间维度模型，将轨迹的不同时间段索引到固定路段和不同驻留点即
其中Path代表轨迹中拟合到路网后，单端的平直轨迹及其时间信息，其中Path n代表第n条轨迹，SP m代表第m个驻留点；此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。
步骤S7：轨迹时空相似性度量，根据路网信息查询轨迹之间每一段的路径相关性PAdis，由此衡量轨迹路网路径相似度邻接矩阵
，计算方法为：
其中，
为Path i 与Path j 之间的时间重合度权重，
为第i条路径Path i ，与第j条路径Path j 的路径相似度，其中
的计算类似于步骤S4中/>
的计算，由于轨迹路网路径是由固定的路网信息组成，故其轨迹间的相似度PAdis可由路网信息中直接查询得出，从而简化了轨迹间相似度的计算。
步骤S8：时空轨迹关系图构建，根据步骤4与步骤7获取的邻接矩阵，以及步骤6中对轨迹的重构，对场景中所有轨迹构建图结构，以每条轨迹作为图中的一个节点，轨迹重构
作为节点特征，此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列，公式中展示的仅为一种情况的举例。节点间相似性度量
，其中α和β分别为两个权重，用来衡量迹驻留点地理信息相似度邻接矩阵/>
与轨迹路网路径相似度邻接矩阵/>
的权重，当驻留点地理信息相似度和轨迹路网路径相似度关注度相同时，α和β都取值0.5，从而实现联合使用轨迹时间空间信息，与路网、地理实体信息的联合轨迹相似度建模；
步骤S9：时空轨迹聚类，将构成的图输入无监督的图神经网络，实现轨迹间深层关联信息的挖掘，从而实现轨迹间的聚类，完成群体行为分析及团伙行为识别。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤S1：驻留点检测，将轨迹建模为：
其中，x、y是空间坐标，t是当前点的时刻；
设置最大驻留半径R，按时序将轨迹中的点分别设置为锚点，向后遍历，寻找连续的s个与锚点距离小于最大驻留半径的点，公式如下：
其中，
为锚点，
是轨迹中锚点后序的点；
当连续s个点与锚点构成驻留点后，将该驻留点记作
，其中空间坐标为驻留点序列内的所有点的空间几何中心坐标，t 1 为驻留起始时间，t s 为驻留终止时间，并将P s+1 作为下一个锚点继续搜索至轨迹终点；
步骤S2：驻留点轨迹替换，使用识别出的SP替换其中的所有驻留点，将轨迹替换为形如
的新轨迹序列表示；
为轨迹第一个点，
为轨迹中由P 2 ……P s 构成的驻留点,
为驻留点后的第一个点,
为轨迹中的第二个驻留点，
为轨迹的最后一个点，此处P与SP的顺序按照时间顺序排列；
步骤S3：驻留点和地点的关联，查询路网信息以及地理实体数据，将驻留点与地理实体数据建立空间索引，获取驻留点相关地理实体属性，作为该轨迹的重要特征点以及事件判断依据；
步骤S4： 驻留点地理信息相似性度量，依据上一步骤中查询到的驻留点地理实体属性，度量不同路径之间驻留点的相同地理实体的重合度，驻留点的真实地理实体相关度，以及相同场所的轨迹经过时间之间的重合率，由此衡量轨迹驻留点地理信息相似度，构建邻接矩阵
；
步骤S5：基于路网信息的轨迹平滑降噪，根据单向距离，计算轨迹到路网的距离，选取最近路径，将轨迹拟合到最近邻路网上；
步骤S6： 轨迹分段处理，依据路网信息，将轨迹按照路网关键节点拆分，并提取轨迹经过路段起止点时的时刻信息，将轨迹模型转化为时间维度模型，将轨迹的不同时间段索引到固定路段和不同驻留点即：
其中Path代表轨迹中拟合到路网后，单端的平直轨迹及其时间信息，其中Path n代表第n条轨迹，SP m代表第m个驻留点；此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列；
步骤S7：轨迹时空相似性度量，根据路网信息查询轨迹之间每一段的路径相关性PAdis，由此衡量轨迹路网路径相似度邻接矩阵
；
步骤S8：时空轨迹关系图构建，根据步骤S4与步骤S7获取的邻接矩阵，以及步骤S6中对轨迹的重构，对场景中所有轨迹构建图结构，以每条轨迹作为图中的一个节点，轨迹重构
作为节点特征，此处Path与SP的顺序按照时间顺序排列，节点间相似性度量
，其中α和β分别为两个权重，用来衡量迹驻留点地理信息相似度邻接矩阵
与轨迹路网路径相似度邻接矩阵
的权重，当驻留点地理信息相似度和轨迹路网路径相似度关注度相同时，α和β都取值0.5；
步骤S9：时空轨迹聚类，将构成的图输入无监督的图神经网络，实现轨迹间深层关联信息的挖掘，从而实现轨迹间的聚类，完成群体行为分析及团伙行为识别。
2.根据权利要求1所述的联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，其特征在于：在步骤S4中衡量轨迹驻留点地理信息相似度具体方法为：构建邻接矩阵
，其中
其中，tr表示轨迹，tr i 表示第i条轨迹，tr j 表示第j条轨迹，SPn为第n个驻留点，SPm为第m个驻留点，
为SPn与SPm之间的时间重合度权重，dis表示地点间相关性，
表示驻留点SPn与SPm的地理信息相似性。
3.根据权利要求2所述的联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，其特征在于，在步骤S5中，根据路网信息，拟合待处理轨迹到最近邻路网上，其过程可以表示为
其中，
表示路网
中的第i条道路轨迹；Tr表示轨迹，p为轨迹中的点。
4.根据权利要求3所述的联合多元时空轨迹的群体行为模式挖掘方法，其特征在于，在步骤S7中轨迹路网路径相似度邻接矩阵
，计算方法为：
其中，
为Path i 与Path j 之间的时间重合度权重，
为第i条路径Path i ，与第j条路径Path j 的路径相似度。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115840857B (zh) | 2023-05-09 |
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