Spatial graphs are particular graphs for which the nodes are localized in space (e.g., public transport network, molecules, branching biological structures). In this work, we consider the problem of spatial graph reduction, that aims to find a smaller spatial graph (i.e., with less nodes) with the same overall structure as the initial one. In this context, performing the graph reduction while preserving the main topological features of the initial graph is particularly relevant, due to the additional spatial information. Thus, we propose a topological spatial graph coarsening approach based on a new framework that finds a trade-off between the graph reduction and the preservation of the topological characteristics. The coarsening is realized by collapsing short edges. In order to capture the topological information required to calibrate the reduction level, we adapt the construction of classical topological descriptors made for point clouds (the so-called persistent diagrams) to spatial graphs. This construction relies on the introduction of a new filtration called triangle-aware graph filtration. Our coarsening approach is parameter-free and we prove that it is equivariant under rotations, translations and scaling of the initial spatial graph. We evaluate the performances of our method on synthetic and real spatial graphs, and show that it significantly reduces the graph sizes while preserving the relevant topological information.


翻译:空间图是一种特殊类型的图,其节点在空间中具有定位(例如公共交通网络、分子、分支生物结构)。在本研究中,我们考虑空间图约简问题,其目标在于找到一个规模更小(即节点更少)但整体结构与原图相同的空间图。在此背景下,由于空间信息的引入,在保持原图主要拓扑特征的同时进行图约简显得尤为重要。因此,我们提出一种基于新框架的拓扑空间图粗化方法,该方法在图约简与拓扑特征保持之间寻求平衡。粗化过程通过合并短边实现。为获取校准约简层级所需的拓扑信息,我们将针对点云构建的经典拓扑描述子(即持续同调图)的构造方法适配至空间图。该构造依赖于一种称为三角形感知图滤过的新滤过结构的引入。我们的粗化方法无需参数设置,并证明其在初始空间图的旋转、平移和缩放变换下具有等变性。我们在合成与真实空间图上评估了本方法的性能,结果表明该方法能在保持相关拓扑信息的同时显著减小图的规模。

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