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Extraction and characterisation of landforms from digital elevation models : fiat parsing the elevation field


Straumann, Ralph. Extraction and characterisation of landforms from digital elevation models : fiat parsing the elevation field. 2010, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

“What is a valley?” and “where is the valley?”. These questions may appear a little clumsy, since they are not often asked to us explicitly; everybody just ‘knows’ and ‘sees’ the answers. However, the matter is not so straightforward in geography and its sub-disciplines. Geomorphology – the science of study and characterisation of landforms – and geographic information science deal with formalisations of such terms. Formalisation enables GIS to handle such landform terms in automated, objective workflows while bringing – depending upon the landform term at hand – a degree of human perception into such systems. In the long run incorporation of such naïve geographic knowledge into, and the ability to handle vernacular terms with, GIS could facilitate interaction with users. In the short run characterisations of landforms are of practical interest in, for instance, descriptions of places or the contents of georeferenced images or documents. Compared to traditional, quantitative terrain parameters delineations or characterisations of landforms are less sensitive to errors or uncertainties in the underlying digital elevation model, more easily and readily understandable by human beings and they are essentially qualitative, which makes them more apt to capture the fuzziness of landform phenomena. Before developing landform characterisation methods this thesis posits an emphasis on in-depth investigation of the semantics of landform terms (something which is not done often) as a requirement. Through a thorough analysis of six geographic standards and additional geomorphology-related reference works and subsequent reconciliation of terms and conceptual hierarchies a tentative taxonomy of landforms is devised. This can be seen as an inventory of landform-related terminology and categories which future approaches at landform characterisation can be built upon. Regarding delineation and characterisation methods, a bias is found in the literature in that it almost exclusively focuses on topographic eminences such as mountains and hills. Thus in the applied parts, the thesis deals with topographic depressions such as valleys and related features. The derived landform taxonomy allows the development of semantically informed algorithms for the delineation of valley floors and the characterisation of valleyness in this thesis. The usefulness of the algorithms for delineating valley floors and for characterisation of valleyness is assessed independently. First, a case study compares the delineated valley floors to naïve geographic knowledge gained from a crowd-sourced online reference work, topographic maps and authorities in the region. The extent of the valley floors in the study area appears to share common features with the independent data. Further, the classes (peaks, ridges, passes, channels, plains and pits) of what is termed morphometric feature classification interact sensibly with the valley floor delineation. At the same time the morphometric feature classification in itself seems incapable of producing an equivalent delineation. Subsequently, the valley floor delineation algorithm is employed in a geomorphologic case study to derive low-gradient sediment storage areas in valleys in the European Alps. Comparison with independent empirical data suggests a very good agreement of the automatically derived extent of sediment storage areas (R2 = 0.98, n = 13). Making use of a relationship gained from literature, the volumes of the sediment bodies are assessed. Remarkably, the size-frequency relationships of both sediment storage areas and volumes follow power-law distributions over several orders of magnitude with large valleys storing a disproportionately high volume of alpine sediment. A third case study aims at characterising valleys. To this end three fuzzy valleyness measures are developed which are based to a varying degree on the above valley floor delineation. Since the valleyness measures are developed to mimic the human perception and appreciation of the landform in question, their validity is, consequentially, assessed in a human-subject experiment involving a questionnaire survey. In the survey participants are confronted with georeferenced images and assess the valleyness of the photographer’s location. Analyses show that the human assessment of valleyness is related to the algorithmic measures and the correlations yield statistically significant results (R2 = 0.35–0.37, n = 100). Accounting for a suspected confounding factor in some of the images and weighing the stimuli according to the associated uncertainty in the human judgment process further increase the goodness of fit of the relations (R2 = 0.50–0.55, n = 83). The contributions of this thesis are diverse. Practically, the thesis offers a tentative landform taxonomy which can inform future research efforts and algorithm development. Further, the thesis suggests methods to delineate valley floors and low-gradient sediment storage areas as well as methods to fuzzily characterise valleys, and investigates their suitability in comparing them to independent data. On a theoretical level, the three case studies demonstrate ways how to better incorporate semantic knowledge into geomorphometric algorithms. Additionally, a research methodology for ‘human-centred’, semantically rich characterisations of landforms is suggested, which importantly incorporates the assessment of an algorithm’s results by contrasting them to the subjective judgment of a large group of human subjects – which, to the author’s best knowledge, was done in this thesis for the first time.

“Was ist ein Tal?” und “wo ist das Tal?“. Diese Fragen können einem seltsam erscheinen, da sie kaum je so explizit gestellt werden. Jede und jeder ‘weiss’ beziehungsweise ‘sieht’ die Antworten darauf. Jedoch ist die Sachlage innerhalb der Geographie und ihren Unterdisziplinen nicht so einfach. Geomorphologie – die Disziplin, die sich mit Landformen beschäftigt – und die Geographische Informationswissenschaft arbeiten an der Formalisierung solcher Begriffe bezüglich Landformen. Formalisierung ermöglicht es Geographischen Informationssystemen (GIS), solche Begriffe in automatisierten, objektiven Abläufen einzusetzen. Gleichzeitig kann sie – abhängig davon, welcher Landform-Begriff formalisiert wird – GIS etwas mit der menschlichen Wahrnehmung bereichern. Längerfristig sollte dies dazu führen, dass die Benutzung von GIS einfacher wird. Kurzfristig sind Formalisierungen und Charakterisierungen von Landformen beispielsweise interessant für Beschreibungen von Orten oder von Inhalten von georeferenzierten Bildern oder Dokumenten. Verglichen mit traditionellen, quantitativen Terrainparametern sind Abgrenzungen oder Charakterisierungen von Landformen robuster gegenüber Fehlern oder Unsicherheiten im digitalen Höhenmodell, einfacher und schneller verständlich (auch für Laien) und üblicherweise qualitativ, wodurch sie sich besser zur Erfassung der Unschärfe von Landform-Phänomenen eignen. Diese Dissertation betont die Notwendigkeit eingehender Analysen der Semantik von Landform-Begriffen vor der Entwicklung von Methoden zur Abgrenzung oder Charakterisierung (dies wird nur selten so gehandhabt). Durch eine umfassende Analyse sechs geographischer Standards und zusätzlicher geomorphologischer Referenzliteratur und anschliessender Integration und Abgleichung von Begriffen und konzeptuellen Hierarchien wird eine Taxonomie von Landformen entwickelt. Letztere kann als Inventur der Terminologie im Bereich von Landformen verstanden werden und zukünftige Ansätze der Charakterisierung von Landformen können darauf aufgebaut werden. In der Literatur findet sich ein Ungleichgewicht im thematischen Fokus von Arbeiten über Abgrenzung und Charakterisierung von Landformen. Die Mehrheit der Veröffentlichungen befasst sich mit topographischen Erhebungen wie Bergen und Hügeln. Daher konzentriert sich diese Dissertation in ihren angewandten Teilen auf topographische Vertiefungen wie Täler und damit verbundene Erscheinungen. Die bereits erwähnte Taxonomie von Landformen hilft in dieser Dissertation dabei, semantisch sinnvolle Algorithmen zur Abgrenzen von Talböden und zur Charakterisierung von Talhaftigkeit zu entwickeln. Die Nützlichkeit der Algorithmen wird unabhängig voneinander überprüft und bewertet. Eine erste Fallstudie vergleicht automatisch abgegrenzte Talböden mit sogenanntem naiven geographischen Wissen, welches aus einer gemeinschaftlich erstellten und nachgeführten Online-Enzyklopädie, aus topographischen Karten und von Behörden in der betreffenden Region gewonnen worden ist. Die Ausdehnung der Talböden innerhalb des Untersuchungsgebiets weist Übereinstimmungen mit den unabhängig erhobenen Daten auf. Weiter stehen die Klassen der sogenannten morphometric feature classification (Gipfel, Grat, Pass, Rinne, Ebene und Senke) in einer sinnvollen Beziehung zur Talboden-Abgrenzung. Gleichzeitig scheint die morphometric feature classification aber nicht geeignet, eigenständig eine gleichwertige Talboden-Abgrenzung vorzunehmen. Die Talboden-Abgrenzung wird anschliessend in einer zweiten, geomorphologischen Fallstudie verwendet, um flach gelagerte Sedimentspeicherflächen in den europäischen Alpen zu kartieren. Der Vergleich mit unabhängigen, empirisch erhobenen Daten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung (R2 = 0.98, n = 13). Mithilfe einer empirischen Beziehung aus der Literatur können auch die Volumina der Sedimentspeicher abgeschätzt werden. Bemerkenswerterweise, folgen die Häufigkeitsdichten sowohl der Volumina als auch der Flächen über einige Grössenordnungen hinweg einem Potenzgesetz. Dabei speichern die grossen Alpentäler, flächen- und volumenmässig, einen deutlich überproportionalen Anteil an Sedimenten. Eine dritte Fallstudie beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Tälern. Zu diesem Zweck werden drei unscharfe Masse für Talhaftigkeit entwickelt. Diese basieren zu einem unterschiedlichen Grad auf der obengenannten Talboden-Abgrenzung. Da die Masse für Talhaftigkeit mit dem Ziel entworfen werden, die menschliche Wahrnehmung und Einschätzung der Landform nachzuahmen, wird deren Güte konsequenterweise in einer Befragung überprüft. In diesem Experiment werden Teilnehmerinnen und Teilnehmer mit georeferenzierten Fotografien konfrontiert und müssen die Talhaftigkeit des Aufnahmestandorts einschätzen. Die Analysen zeigen, dass die Einschätzung der Talhaftigkeit mit den Resultaten der Algorithmen in statistisch signifikanten Beziehungen stehen (R2 = 0.35–0.37, n = 100). Die Berücksichtigung eines mutmasslichen Störfaktors und die Gewichtung der Stimuli gemäss der assoziierten Unsicherheit verstärken diese Beziehungen noch deutlich (R2 = 0.50–0.55, n = 83). Die Beiträge zur Forschung der vorliegenden Dissertation sind vielfältig. Auf der praktischen Seite bietet die Dissertation die Taxonomie von Landformen, die für zukünftige Forschungsprojekte und Algorithmenentwicklung zur Unterstützung beigezogen werden kann. Weiter werden Methoden zur Abgrenzung von Talböden und flach gelagerter Sedimentkörper sowie zur unscharfen Charakterisierung von Tälern eingeführt und deren Gültigkeit im Vergleich mit unabhängigen Daten überprüft. Auf der theoretischen Ebene demonstrieren drei Fallstudien Ansätze, semantisches Wissen besser in geomorphometrischen Algorithmen zu nutzen. Zusätzlich wird eine Untersuchungsmethodik für ‚menschen-nahe’, semantisch reichhaltige Charakterisierungen von Landformen vorgestellt. Diese umfasst die Bewertung der Resultate von Algorithmen anhand der subjektiven Einschätzungen von Teilnehmerinnen und Teilnehmern einer Befragung. Eine solche Methodik wird in dieser Dissertation – gemäss dem Wissen des Autors – zum ersten Mal überhaupt verfolgt.

Abstract

“What is a valley?” and “where is the valley?”. These questions may appear a little clumsy, since they are not often asked to us explicitly; everybody just ‘knows’ and ‘sees’ the answers. However, the matter is not so straightforward in geography and its sub-disciplines. Geomorphology – the science of study and characterisation of landforms – and geographic information science deal with formalisations of such terms. Formalisation enables GIS to handle such landform terms in automated, objective workflows while bringing – depending upon the landform term at hand – a degree of human perception into such systems. In the long run incorporation of such naïve geographic knowledge into, and the ability to handle vernacular terms with, GIS could facilitate interaction with users. In the short run characterisations of landforms are of practical interest in, for instance, descriptions of places or the contents of georeferenced images or documents. Compared to traditional, quantitative terrain parameters delineations or characterisations of landforms are less sensitive to errors or uncertainties in the underlying digital elevation model, more easily and readily understandable by human beings and they are essentially qualitative, which makes them more apt to capture the fuzziness of landform phenomena. Before developing landform characterisation methods this thesis posits an emphasis on in-depth investigation of the semantics of landform terms (something which is not done often) as a requirement. Through a thorough analysis of six geographic standards and additional geomorphology-related reference works and subsequent reconciliation of terms and conceptual hierarchies a tentative taxonomy of landforms is devised. This can be seen as an inventory of landform-related terminology and categories which future approaches at landform characterisation can be built upon. Regarding delineation and characterisation methods, a bias is found in the literature in that it almost exclusively focuses on topographic eminences such as mountains and hills. Thus in the applied parts, the thesis deals with topographic depressions such as valleys and related features. The derived landform taxonomy allows the development of semantically informed algorithms for the delineation of valley floors and the characterisation of valleyness in this thesis. The usefulness of the algorithms for delineating valley floors and for characterisation of valleyness is assessed independently. First, a case study compares the delineated valley floors to naïve geographic knowledge gained from a crowd-sourced online reference work, topographic maps and authorities in the region. The extent of the valley floors in the study area appears to share common features with the independent data. Further, the classes (peaks, ridges, passes, channels, plains and pits) of what is termed morphometric feature classification interact sensibly with the valley floor delineation. At the same time the morphometric feature classification in itself seems incapable of producing an equivalent delineation. Subsequently, the valley floor delineation algorithm is employed in a geomorphologic case study to derive low-gradient sediment storage areas in valleys in the European Alps. Comparison with independent empirical data suggests a very good agreement of the automatically derived extent of sediment storage areas (R2 = 0.98, n = 13). Making use of a relationship gained from literature, the volumes of the sediment bodies are assessed. Remarkably, the size-frequency relationships of both sediment storage areas and volumes follow power-law distributions over several orders of magnitude with large valleys storing a disproportionately high volume of alpine sediment. A third case study aims at characterising valleys. To this end three fuzzy valleyness measures are developed which are based to a varying degree on the above valley floor delineation. Since the valleyness measures are developed to mimic the human perception and appreciation of the landform in question, their validity is, consequentially, assessed in a human-subject experiment involving a questionnaire survey. In the survey participants are confronted with georeferenced images and assess the valleyness of the photographer’s location. Analyses show that the human assessment of valleyness is related to the algorithmic measures and the correlations yield statistically significant results (R2 = 0.35–0.37, n = 100). Accounting for a suspected confounding factor in some of the images and weighing the stimuli according to the associated uncertainty in the human judgment process further increase the goodness of fit of the relations (R2 = 0.50–0.55, n = 83). The contributions of this thesis are diverse. Practically, the thesis offers a tentative landform taxonomy which can inform future research efforts and algorithm development. Further, the thesis suggests methods to delineate valley floors and low-gradient sediment storage areas as well as methods to fuzzily characterise valleys, and investigates their suitability in comparing them to independent data. On a theoretical level, the three case studies demonstrate ways how to better incorporate semantic knowledge into geomorphometric algorithms. Additionally, a research methodology for ‘human-centred’, semantically rich characterisations of landforms is suggested, which importantly incorporates the assessment of an algorithm’s results by contrasting them to the subjective judgment of a large group of human subjects – which, to the author’s best knowledge, was done in this thesis for the first time.

“Was ist ein Tal?” und “wo ist das Tal?“. Diese Fragen können einem seltsam erscheinen, da sie kaum je so explizit gestellt werden. Jede und jeder ‘weiss’ beziehungsweise ‘sieht’ die Antworten darauf. Jedoch ist die Sachlage innerhalb der Geographie und ihren Unterdisziplinen nicht so einfach. Geomorphologie – die Disziplin, die sich mit Landformen beschäftigt – und die Geographische Informationswissenschaft arbeiten an der Formalisierung solcher Begriffe bezüglich Landformen. Formalisierung ermöglicht es Geographischen Informationssystemen (GIS), solche Begriffe in automatisierten, objektiven Abläufen einzusetzen. Gleichzeitig kann sie – abhängig davon, welcher Landform-Begriff formalisiert wird – GIS etwas mit der menschlichen Wahrnehmung bereichern. Längerfristig sollte dies dazu führen, dass die Benutzung von GIS einfacher wird. Kurzfristig sind Formalisierungen und Charakterisierungen von Landformen beispielsweise interessant für Beschreibungen von Orten oder von Inhalten von georeferenzierten Bildern oder Dokumenten. Verglichen mit traditionellen, quantitativen Terrainparametern sind Abgrenzungen oder Charakterisierungen von Landformen robuster gegenüber Fehlern oder Unsicherheiten im digitalen Höhenmodell, einfacher und schneller verständlich (auch für Laien) und üblicherweise qualitativ, wodurch sie sich besser zur Erfassung der Unschärfe von Landform-Phänomenen eignen. Diese Dissertation betont die Notwendigkeit eingehender Analysen der Semantik von Landform-Begriffen vor der Entwicklung von Methoden zur Abgrenzung oder Charakterisierung (dies wird nur selten so gehandhabt). Durch eine umfassende Analyse sechs geographischer Standards und zusätzlicher geomorphologischer Referenzliteratur und anschliessender Integration und Abgleichung von Begriffen und konzeptuellen Hierarchien wird eine Taxonomie von Landformen entwickelt. Letztere kann als Inventur der Terminologie im Bereich von Landformen verstanden werden und zukünftige Ansätze der Charakterisierung von Landformen können darauf aufgebaut werden. In der Literatur findet sich ein Ungleichgewicht im thematischen Fokus von Arbeiten über Abgrenzung und Charakterisierung von Landformen. Die Mehrheit der Veröffentlichungen befasst sich mit topographischen Erhebungen wie Bergen und Hügeln. Daher konzentriert sich diese Dissertation in ihren angewandten Teilen auf topographische Vertiefungen wie Täler und damit verbundene Erscheinungen. Die bereits erwähnte Taxonomie von Landformen hilft in dieser Dissertation dabei, semantisch sinnvolle Algorithmen zur Abgrenzen von Talböden und zur Charakterisierung von Talhaftigkeit zu entwickeln. Die Nützlichkeit der Algorithmen wird unabhängig voneinander überprüft und bewertet. Eine erste Fallstudie vergleicht automatisch abgegrenzte Talböden mit sogenanntem naiven geographischen Wissen, welches aus einer gemeinschaftlich erstellten und nachgeführten Online-Enzyklopädie, aus topographischen Karten und von Behörden in der betreffenden Region gewonnen worden ist. Die Ausdehnung der Talböden innerhalb des Untersuchungsgebiets weist Übereinstimmungen mit den unabhängig erhobenen Daten auf. Weiter stehen die Klassen der sogenannten morphometric feature classification (Gipfel, Grat, Pass, Rinne, Ebene und Senke) in einer sinnvollen Beziehung zur Talboden-Abgrenzung. Gleichzeitig scheint die morphometric feature classification aber nicht geeignet, eigenständig eine gleichwertige Talboden-Abgrenzung vorzunehmen. Die Talboden-Abgrenzung wird anschliessend in einer zweiten, geomorphologischen Fallstudie verwendet, um flach gelagerte Sedimentspeicherflächen in den europäischen Alpen zu kartieren. Der Vergleich mit unabhängigen, empirisch erhobenen Daten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung (R2 = 0.98, n = 13). Mithilfe einer empirischen Beziehung aus der Literatur können auch die Volumina der Sedimentspeicher abgeschätzt werden. Bemerkenswerterweise, folgen die Häufigkeitsdichten sowohl der Volumina als auch der Flächen über einige Grössenordnungen hinweg einem Potenzgesetz. Dabei speichern die grossen Alpentäler, flächen- und volumenmässig, einen deutlich überproportionalen Anteil an Sedimenten. Eine dritte Fallstudie beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Tälern. Zu diesem Zweck werden drei unscharfe Masse für Talhaftigkeit entwickelt. Diese basieren zu einem unterschiedlichen Grad auf der obengenannten Talboden-Abgrenzung. Da die Masse für Talhaftigkeit mit dem Ziel entworfen werden, die menschliche Wahrnehmung und Einschätzung der Landform nachzuahmen, wird deren Güte konsequenterweise in einer Befragung überprüft. In diesem Experiment werden Teilnehmerinnen und Teilnehmer mit georeferenzierten Fotografien konfrontiert und müssen die Talhaftigkeit des Aufnahmestandorts einschätzen. Die Analysen zeigen, dass die Einschätzung der Talhaftigkeit mit den Resultaten der Algorithmen in statistisch signifikanten Beziehungen stehen (R2 = 0.35–0.37, n = 100). Die Berücksichtigung eines mutmasslichen Störfaktors und die Gewichtung der Stimuli gemäss der assoziierten Unsicherheit verstärken diese Beziehungen noch deutlich (R2 = 0.50–0.55, n = 83). Die Beiträge zur Forschung der vorliegenden Dissertation sind vielfältig. Auf der praktischen Seite bietet die Dissertation die Taxonomie von Landformen, die für zukünftige Forschungsprojekte und Algorithmenentwicklung zur Unterstützung beigezogen werden kann. Weiter werden Methoden zur Abgrenzung von Talböden und flach gelagerter Sedimentkörper sowie zur unscharfen Charakterisierung von Tälern eingeführt und deren Gültigkeit im Vergleich mit unabhängigen Daten überprüft. Auf der theoretischen Ebene demonstrieren drei Fallstudien Ansätze, semantisches Wissen besser in geomorphometrischen Algorithmen zu nutzen. Zusätzlich wird eine Untersuchungsmethodik für ‚menschen-nahe’, semantisch reichhaltige Charakterisierungen von Landformen vorgestellt. Diese umfasst die Bewertung der Resultate von Algorithmen anhand der subjektiven Einschätzungen von Teilnehmerinnen und Teilnehmern einer Befragung. Eine solche Methodik wird in dieser Dissertation – gemäss dem Wissen des Autors – zum ersten Mal überhaupt verfolgt.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Weibel Robert, Purves Ross, Korup Oliver
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2010
Deposited On:31 May 2019 08:52
Last Modified:07 Apr 2020 07:16
Number of Pages:287
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006160620&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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Language: English
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