January 5, 2015

Research

Welcome !

This website was dedicated to research project PN-II-ID-PCE-2011-3-0499, financed by National Authority for Scientific Research, CNCS – UEFISCDI, entitled: Fundamental Surface Elements on Digital Elevation Models.

Now, we transform it to reflect the activity of Timisoara research group on GIS & Remote sensing!

Fundamental surface elements on Digital Elevation Models
PN-II-ID-PCE-2011-3-499

~To be translated soon~

1. Obiectivul principal

Obiectivul principal al acestui proiect a fost dezvoltarea unei metodologii de segmentare a modelelor digitale de elevatie in unitati fundamentale ale suprafetei. Omogenitatea acestor unitati a fost definita cu ajutorul conceptului de varianta locala, pe baza variabilelor primare ale suprafetei (altitudinea, panta, expozitia versantilor, curbura in profil si curbura in plan). Posibilele conflicte dintre derivativele de ordinul 1, respectiv 2, au fost rezolvate prin segmentarea iterativa a derivativelor, in ordine ierarhica. Procedura e bazata pe selectarea, la fiecare pas, a obiectelor care indeplinesc anumite criterii de omogenitate interna si diferenta fata de vecini. Aceste criterii sunt definite, in maniera auto-adaptiva, de un indicator complex, care ia in considerare varianta locala, impreuna cu contrastul local. Odata segmentate, obiectele primesc atribute fuzzy care descriu afinitatea acestora la omogenitatea ideala in fiecare variabila a suprafetei. Evaluarea rezultatelor procedurii s-a realizat pe baza testului ANOVA, precum si prin comparatie cu o procedura independenta de calculare a discontinuitatilor variabilelor suprafetei. Aceasta metodologie s-a realizat in cadrul unei colaborari cu Dr. Jozef Minar (Universitatea Comenius din Bratislava) si Dr. Ian S. Evans (Universitatea Durham). Pe baza acestor rezultate, un articol (autori: Dragut, Csillik, Minar si Evans) este in lucru, fiind preconizat a se trimite spre publicare la revista Geomorphology pana la mijlocul anului 2013. Rezultatele preliminare au fost prezentate sub forma de poster la wokshopul international “Objective Geomorphological Representation Models: Breaking through a New Geomorphological Mapping Frontier”, 15-19 octombrie 2012, Salerno, fiind primite cu mare interes.

Odata realizata, aceasta metodologie permite testarea ipotezei ca elementele fundamentale ale suprafetei pot fi agregate, astfel incat sa se realizeze clasificari cu scopuri multiple, pe baza modelelor semantice. Unitatile fundamentale ale suprafetei sunt concepute ca unitati generice care sintetizeaza proprietatile esentiale ale unei suprafete (asa cum este ea reprezentata pe un model digital de elevatie) astfel incat pot fi particularizate pentru clasificari si cartari in scopuri diverse. Tranzitia intre caracterul general al unitatilor obtinute si particularitatea unei aplicatii date se poate realiza prin intermediul modelelor semantice, care asigura transferul cunostintelor dintr-un domeniu in algoritmi. Testarea ipotezei aferente obiectivului principal se realizeaza prin utilizarea unitatilor fundamentale ale suprafetei ca suport in cartarea geomorfologica. La ora actuala nu exista un exemplu de model semantic valid care sa permita cartarea digitala a vreunei forme de relief. Pentru realizarea unui asemenea model e necesara analiza definirii si formalizarii matematice a unor forme specifice (in cazul de fata circurile glaciare). De asemenea, este necesara analiza comparativa a unor cartari existente, pentru a intelege care sunt problemele semantice care pot influenta o cartare si care este magnitudinea diferentelor induse. Acesta este subiectul unui articol publicat in revista Area:

Ardelean, F., Drăguţ, L., Urdea, P. and Török-Oance, M. (2013), Variations in landform definition: a quantitative assessment of differences between five maps of glacial cirques in the Ţarcu Mountains (Southern Carpathians, Romania). Area, 45: 348–357. doi: 10.1111/area.12043

Articolul analizeaza cantitativ diferentele in cartarea circurilor din Muntii Tarcu, pe baza a 5 harti geomorfologice (Krautner, 1929, Niculescu, 1990, Vuia, 2005, Mandrescu, 2006 si Ardelean, 2012). Modelele semantice utilizate au fost identificate ca sursa principala a diferentelor, in special intelegerea circurilor ca forme simple vs. complexuri glaciare, precum si ambiguitatea incadrarii circurilor glacio-nivale. Modelele semantice diferite au cauzat diferente cuprinse intre 5,4 %-61,66 % in numarul circurilor cartate sau 1,84 %-55,08 % in suprafata. In cazul hartilor elaborate pe baza unor modele semantice explicite (Mandrescu si Ardelean), diferentele scad pana la 1,27 %. Articolul trimis spre publicare este relevant pentru obiectivul principal al proiectului, subliniind importanta modelelor semantice in cartarea geomorfologica digitala. Rezultatele au fost primite cu mare interes la wokshopul international “Objective Geomorphological Representation Models: Breaking through a New Geomorphological Mapping Frontier”, 15-19 octombrie, Salerno.
Rezultatele obtinute au permis inceperea testelor pentru documentarea unei proceduri de cartare automata a circurilor glaciare pe baza unui model semantic adecvat si a unitatilor fundamentale ale suprafetei. Pe baza aceluiasi model semantic, rezultatele vor fi comparate cu procedurile existente de clasificare generica a unitatilor de relief (ex. Hammond, Topographic Position Index, clasificarea curburilor-Dikau, TopoShape, Wood, Surface Specific Points). Daca testele dau rezultate pozitive, acestea vor fi publicate (autori: Ardelean si Dragut).

2. Obiectivul derivat

Obiectivul derivat a fost explorarea performantei elementelor fundamentale ale suprafetei in optimizarea schemelor de esantionare pentru cartarea digitala a proprietatilor solurilor. Rezultatele au confirmat ipoteza ca modelele de esantionare si de regresie sunt imbunatatite prin utilizarea elementelor fundamentale ale suprafetei. Pentru realizarea acestor experimente s-au creat scripturi in programul R (http://www.r-project.org/) care automatizeaza procesul de selectie aleatorie a esantioanelor folosite in analiza statistica. Rezultatele au fost trimise spre publicare:

Dragut, L., Dornik, A. (submitted). Evaluation of land-surface segmentation as support for soil sampling. Geoderma (under review).

3. Rezultate neprevazute

Pe parcursul desfasurarii activitatii stiintifice in vederea realizarii obiectivelor proiectului, am realizat ca parti din metodologia segmentarii unitatilor fundamentale ale suprafetei ar putea aduce imbunatatiri unei metodologii dezvoltate anterior (Dragut, Tiede, Levick, 2010. ESP: a tool to estimate scale parameters for multiresolution image segmentation of remotely sensed data, International Journal of Geographical Information Science 24: 859-871). Astfel, algoritmul de ghidare obiectiva a deciziei de setare a parametrului de scara in segmentarea datelor spectrale lucreaza in prezent pe un singur strat. Pentru a integra variabilele principale ale suprafetei (altitudinea, panta, expozitia versantilor, curbura in profil si curbura in plan), a trebuit sa gasim o solutie de detectare a scarii de analiza pe baza intrarilor multiple. Aceasta solutie ar constitui o imbunatatire majora a algoritmului ESP, de mare interes pentru comunitatea utilizatorilor softului eCognition. Ca atare, am decis alocarea de resurse pentru implementarea tehnica a acestei solutii. In plus fata de inovatia amintita (operarea pe date de intrare multiple), algoritmul permite o varianta automata de detectare a scarii (impreuna cu solutia existenta de interpretare a graficului variantei locale), ceea ce va permite utilizatorilor implementarea algoritmului in automatizarea proceselor. In prezent implementarea este finalizata, in colaborare cu Dirk Tiede si Clemens Eisank de la Universitatea din Salzburg. Masterandul Ovidiu Csillik a beneficiat de o bursa CEEPUS de o luna (Noiembrie 2012) la Universitatea din Salzburg in acest scop. Articolul a fost trimis la ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing si a fost acceptat (autori: Dragut, Csillik, Tiede, Eisank).

4. Concluzii

Acest proiect a adus rezultatele stiintifice scontate, in ciuda intarzierilor in implementarea activitatilor proiectului. Pana la acest moment avem un articol cu decizie si alte patru articole in lucru. Rezultatele au fost prezentate la 5 conferinte, dintre care 4 in strainatate, fiind primite cu interes de catre comunitatea stiintifica. Directorul de proiect, Lucian Dragut, a fost membru in comitetele stiintifice a 3 dintre conferintele amintite (Slovacia, SUA si Italia) si keynote speaker la workshopul international “Objective Geomorphological Representation Models: Breaking through a New Geomorphological Mapping Frontier”, 15-19 octombrie, Salerno. Proiectul a permis consolidarea colaborarilor existente cu universitatile Durham (Ian S. Evans), Comenius (Jozef Minar), Salzburg (Dirk Tiede si Clemens Eisank) si Cranfield (Joanna Zawadzka si Thomas Mayr). Poate cel mai important rezultat al proiectului este constituirea unei echipe de cercetare de nivel international la Universitatea de Vest din Timisoara. Membrii echipei s-au dezvoltat profesional prin “training-on-the-job”, producand deja rezultate stiintifice importante, alte rezultate fiind asteptate in urmatoarele luni. Astfel, Florina Ardelean a produs primul ei articol ca prim autor intr-o revista ISI (referinta mentionata mai sus). Un alt articol ca prim autor, momentan in lucru, va duce la finalizarea tezei de doctorat la mijlocul lui 2013. Ionut Zisu, proaspat doctorand la inceputul proiectului, a beneficiat de activitatea stiintifica in cadrul proiectului pentru a-si defini tema de cercetare in cadrul doctoratului. Andrei Dornik si-a realizat teza de disertatie in cadrul proiectului; in prezent este doctorand la Universitatea de Vest din Timisoara, cu o tema care continua cercetarea inceputa in cadrul proiectului. Ovidiu Csillik este student in anul terminal in cadrul masteratului de GIS de la UVT; a avut o contributie remarcabila in implementarea tehnica a algoritmilor necesari efectuarii experimentelor. Activitatea sa in cadrul proiectului a fost hotaratoare in decizia de acordare a bursei de excelenta “Ioan Curea” a UVT pentru activitatea de cercetare si profesionala (http://www.uvt.ro/upload/pdf/burse-excelenta.19111201.pdf).