 |
Developing LIDAR technology for quantitative mapping of wetland biodiversity and ecosystem services
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115833 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Zlinszky, András |
| Title in Hungarian |
LIDAR-alapú távérzékelési módszer kidolgozása nádasok biodiverzitásának és ökoszisztéma szolgáltatásainak kvantitatív térképezésére |
| Title in English |
Developing LIDAR technology for quantitative mapping of wetland biodiversity and ecosystem services |
| Keywords in Hungarian |
távérzékelés, LIDAR, biodiverzitás, ökoszisztéma szolgáltatások, természetvédelem, vegetációtérképezés |
| Keywords in English |
Remote Sensing, LIDAR, biodiversity, ecosystem services, conservation, vegetation mapping |
| Discipline |
| Physical geography (Council of Complex Environmental Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Earth observation technology | | Biodiversity, conservation biology and genetics, invasion biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Earth sciences 2 |
| Department or equivalent |
Balaton Limnological Institute, Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (Centre for Ecological Research) |
| Starting date |
2015-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
22.674 |
| FTE (full time equivalent) |
2.55 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projektben új eljárást fejlesztek ki nádas élőhelyek biodiverzitásának és ökoszisztéma szolgáltatási potenciáljának
térképezésére, és ezeket terepi mérésekkel kalibrálom és értékelem, kombinálva a távérzékelést és a természetvédelmi
biológiát. A módszert három magyarországi tavon, a Balatonon, a Fertőn, és a Tisza-tavon kialakított mintavételi
transzektek hálózatán fejlesztem ki és tesztelem. Korábbi LIDAR felmérések adatait használom és feleltetem meg a nádas
szerkezetét, növényzetét és kiterjését leíró változóknak. Kalibrálásra és ellenőrzésre egy hatékony és egységes terepi
protokollt dolgozok ki: a biodiverzitást az élőhely folt-diverzitása, a mintakvadrátok fajösszetétele és a növényzet térbeli
változatossága indikálja. Az egyes ökoszisztéma szolgáltatási potenciál indikátorokat közvetlen terepi mérésekkel
számszerűsítem. A vizsgált helyszínek és körülmények sokasága lehetővé teszi az összehasonlítást és a szintézist, ami
egy-egy célterület vizsgálatával nem lenne lehetséges. A projekt eredményeként a biodiverzitás és ökoszisztéma
szolgáltatási potenciál mérésének új, LIDAR-alapú módszertana kerül kidolgozásra. Az algoritmusok robusztussága, a
pontosságot befolyásoló egyes helyi körülmények részletesen kiértékelésre kerülnek. A kutatás a nádasok biodiverzitásáról
és ökoszisztéma szolgáltatási potenciáljáról is új ismereteket nyújt, és lehetővé teszi biodiverzitásban és ökoszisztéma
szolgáltatásokban különösen gazdag élőhelyek azonosítását.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A biodiverzitás és az ökoszisztéma szolgáltatások jelentősége egyértelmű mind a kutatás, mind a környezetpolitika számára,
de nehezen számszerűsíthetőek és alkalmazhatóak konkrét döntési helyzetekben. Határozott igény áll fenn
ezeknek a változóknak a részletes térképezése iránt, de ez gyakran nehézségekbe ütközik hatékony
módszerek és jól mérhető indikátorok hiányában; erre a problémára keres megoldást a projekt. Kiinduló hipotézisünk, hogy hagyományos terepi ökológiai méréseket megfelelően kombinálva LIDAR-alapú növényzet-osztályzással és a lombozat szerkezetének szintén LIDAR-alapú számszerűsítésével, lehetséges a biodiverzitás és az ökoszisztéma szolgáltatási pontenciál indikátorait térképezni. Feltevésünk szerint a kidolgozandó módszerrel készült térképek nagyságrendekkel pontosabbak és részletesebbek lesznek a korábban erre a célra használt térképeknél. A projekt során megvizsgáljuk, milyen mérési módszerekkel és milyen mennyiségű és elrendezésű mintával lehet a LIDAR-alapú számításokat kalibrálni, melyik adattermékek válnak be a biodiverzitás és az ökoszisztéma szolgáltatási potenciál indikátoraiként, és hogy milyen következményei vannak a légi felmérés és a terepi adatgyűjtés között eltelt időnek. A kutatás a távérzékelést és a természetvédelmi ökológiát közelebb hozza egymáshoz; végső terméke a hazai nagy tavak nádasainak terepi adatokkal validált biodiverzitás-és ökoszisztéma szolgáltatás-térképe lesz, továbbá egy automatizált LIDAR feldolgozási algoritmus és a hozzá kapcsolódó terepi mérési protokoll, valamint a módszer pontosságának ellenőrzése a hagyományos eljáráshoz képest is.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A wetland élőhelyek világszerte veszélyeztetettek, pedig fontos szerepük van a biodiverzitás megőrzésében és jelentős
ökoszisztéma szolgáltatásokat nyújtanak. A nádasokban a terepi munka nehézségei miatt a távérzékelés különösen is
hasznos eljárás. Ahogy azt EU-s és más nemzetközi egyezmények is alátámasztják, a biodiverzitás és az ökoszisztéma
szolgáltatások térképezése a természetvédelem és a környezetpolitika egyik legfontosabb problémája napjainkban. Ennek ellenére a természetvédelem gyakorlatában alkalmazott térképezési eljárások évekkel le vannak maradva a távérzékelés élvonalához képest. A legtöbb ilyen felmérés során kis mintahelyek eredményeit extrapolálják nagy területekre, súlyos pontatlanságokat
okozva és vitathatóvá téve ezzel az erre alapozott döntéseket. Európa és Észak-Amerika nagy részére ugyanakkor
rendelkezésre állnak LIDAR adatok regionális és országos felmérésekből, folyamatosan növekvő lefedettséggel. A LIDAR
egy olcsó és jól ismert távérzékelési eljárás, amely elsősorban a domborzatról és a növényzet térbeli szerkezetéről
szolgáltat információt. Korábbi vizsgálatok igazolták, hogy a biodiverzitás és különösen az ökoszisztéma szolgáltatások
számszerűsítésében éppen ezek a változók játszanak fontos szerepet, és hogy ezeket LIDAR segítségével pontosan és
megbízhatóan lehet mérni. A jelen munka tehát egy már létező, olcsó módszer alkalmazásának teremtené meg az alapjait a
természetvédelem egyik legfontosabb kérdésének vizsgálatára. A projekt során létrehozott élőhelytérképek, biodiverzitás és
ökoszisztéma szolgáltatási potenciál térképek a vizsgált tavak és nádasok védelméhez fontos és újszerű ismereteket
nyújtanak, magát a térképezési módszert pedig az adatfeldolgozási eljárásokkal és a terepi mérések leírásával együtt
közvetlenül alkalmazható formában elérhetővé teszem más kutatók számára is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A biodiverzitás az élőlények és élő rendszerek változatossága, amely az emberiség jelenleg legfenyegetettebb erőforrása
globális skálán. A természetes élőhelyek az ember számára olyan szolgáltatásokat nyújtanak, amelyeket csak nagyon
drágán vagy egyáltalán nem lehetne mesterséges rendszerekkel helyettesíteni: ezeket nevezzük összefoglalóan
ökoszisztéma szolgáltatásoknak. A biodiverzitás és az ökoszisztéma szolgáltatások jelentőségét mind a tudomány, mind
pedig a politika elismeri, de pontos definíciók, helyhez köthető adatok és összehasonlító kutatások hiányában még mindig
nagyon nehéz őket számszerűsíteni. A legtöbb ilyen felmérés néhány terepi mérés nagy területre való kiterjesztésén alapul
és durva felbontású élőhelytérképeket használ. Ugyanakkor a közigazgatásban egyre többet fektetnek légi távérzékeléses
felmérésekbe egy olyan eljárással, amely alkalmas lenne a biodiverzitás és az ökoszisztéma szolgáltatások részletes és
pontos térképezésére. A LIDAR (magyarul légi lézeres letapogatás) méteres vagy annál is sűrűbb rácsban méri a terep és a
növényzet magasságát. Ezzel a módszerrel a növényzet szerkezete jól számszerűsíthető, és
élőhelyek változatosságának térképezésére is ígéretesnek bizonyult az eljárás. Így ahelyett, hogy átskáláznánk kis területen
végzett méréseket, néhány méteres felbontással mindenütt a terep és a növényzet helyi tulajdonságai alapján lehet a biodiverzitást és az ökoszisztéma szolgáltatásokat térképezni. A projekt keretében nádasokon tervezem tesztelni ezt az
eljárást. Földi referencia mérésekkel kalibrálom és ellenőrzöm a módszer pontosságát, hogy nagy területen és sokféle
élőhelyen alkalmazható módszert dolgozzak ki.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
This project combines remote sensing and conservation biology, developing new methods for mapping wetland vegetation
biodiversity and ecosystem service potential, and evaluating them against direct field measurements of these indicators. The
methods will be developed and tested on a network of study sites: Lake Balaton, Lake Tisza, and Lake Fertő (Neusiedler See). Pre-existing LIDAR sensor data will be used to represent vegetation structure, extent, and taxonomy
based on spatial distribution and data attributes of the measured points. An efficient standardized field protocol will also be
developed for calibration and validation: Biodiversity will be represented by surveys of vegetation patch diversity, species
composition within study plots and variability of canopy structure. Several ecosystem service potential indicators will be
represented by direct field measurements. The wide range of sites and conditions will allow comparative and synthetic
conclusions that would not be possible from a single local study. As a result, a set of new methods for biodiversity and
ecosystem service potential mapping by LIDAR will be established, together with a good understanding of how robust these
algorithms are and how different local conditions may influence their use. The study will also deliver information on the range
of biodiversity and ecosystem services of wetlands, and allow identification of the sites and types of wetlands that are key
hotspots of biodiversity and ecosystem service potential.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The problem addressed by the project is that while mapping biodiversity and ecosystem services is essential for conservation, such maps are often inaccurate and have low resolution due to the lack of efficient quantification methods. We hypothesize that measuring biophysical variables with routine wetland ecology methods and combining this with LIDAR-based vegetation classification and canopy structure quantification can deliver maps of biodiversity and ecosystem service potential indicators. We expect these datasets to be of an order of magnitude higher resolution and significantly better accuracy than the datasets produced by the state-of-the-art "benefit transfer" approach.
The project aims to investigate what the necessary sampling methods and effort for such a study is, which LIDAR products are good proxies of field-measureable biodiversity and ecosystem service indicators, and what the implications of the time lag between field measurements and the airborne data collection are. We will investigate how the accuracy of the LIDAR-based approach (with respect to the field measurements) compares to the accuracy of datasets obtained by benefit transfer algorithms from the literature and conventionally used land cover maps.
The project aims to bridge the gap between field ecology and remote sensing, developing as a final product biodiversity and ecosystem service potential maps directly comparable to field measurements; an automatic LIDAR processing algorithm and a corresponding field protocol that is robust enough for transfer to other sites, and finally an evaluation of the accuracy our new method delivers in comparison with the conventional approach.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Wetlands are one of the most threatened ecosystems globally, and are of key importance for sustaining biodiversity and
delivering ecosystem services. Due to difficult field access to wetlands, remote sensing technology is especially useful.
Mapping and assessing biodiversity and ecosystem services is one of the great needs of conservation, management and
governance in the 21st century, and has been recognized as a key issue by EU and international policy. Nevertheless, the practice of conservation mapping is years behind the cutting edge of remote sensing technology. Most such assessments are currently little more than informed guesses: biodiversity and ecosystem services are only measured in small test plots and then extrapolated based on the area of different land cover classes. This introduces an uncertainty in most such estimates, which is hardly ever quantified against first-hand field data. Meanwhile, Europe and North America are nearly completely surveyed by regional and national
airborne LIDAR campaigns and the data coverage is still continually increasing. LIDAR is a cheap and well established
airborne remote sensing method, delivering information especially on three-dimensional vegetation and terrain structure. It
has already been proven that these parameters are important for biodiversity and ecosystem services, and that LIDAR can
measure many of them in a robust and reliable way. This study would thus enable the use of an already existing and cheap
technology to tackle the most important question of conservation and planning. The vegetation, biodiversity and ecosystem
service indicator maps output by the project will be crucial for conservation and management of the study sites, and the full
methodology including sensor data processing and field measurements will be disseminated in a form that allows direct
reproduction.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Biodiversity is the natural variability of living organisms and habitats, and is regarded as the most threatened resource of
humanity globally. In addition to hosting wildlife, natural habitats and landscapes also deliver a number of benefits to humans
which would be expensive or impossible to substitute with artificial systems: these are called ecosystem services. While the
importance of biodiversity and ecosystem services is well recognized, quantifying them is very difficult in the lack of rigorous
definitions, spatially explicit data and comparative studies. Most such assessments rely on a small set of field samples
combined with standard land cover mapping. Meanwhile, national and local governments have invested into airborne
surveys with a method that could be used for quantitative mapping of biodiversity and ecosystem services. Airborne LIDAR
(Light Detection And Ranging) measures the elevation of terrain and vegetation in a dense set of points. This tool has been
proven as an excellent basis for mapping vegetation structure, while additionally showing potential for habitat diversity
mapping. Thus, instead of extrapolating simply on the basis of land cover and area, local vegetation and terrain parameters
could be used with a resolution of up to a few meters to map biodiversity and ecosystem services. We aim to test this
method on wetlands. As a reference standard, ground measurements of key biodiversity and ecosystem service indicators
will be carried out on several major lakes. The remote sensing algorithms will be calibrated using the field measurements in
order to establish a method that is well automated and robust across a wide range of wetlands.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Jesper Erenskjold Moeslund, András Zlinszky (megosztott első szerzőség) Rasmus Ejrnaes, Ane Kirstine Brunbjerg, Peder Klith Bocher, Jens-Christian Svenning, Signe Normand: Light detection and ranging explains diversity of plants, fungi, lichens, and bryophytes across multiple habitats and large geographic extent, Ecological Applications, 2019 | | Puttonen Eetu, Briese Christian, Mandlburger Gottfried, Wieser Martin, Pfennigbauer Martin, Zlinszky András, Pfeifer Norbert: Quantification of overnight movement of birch (Betula pendula) branches and foliage with short interval terrestrial laser scanning, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 7: Paper 222., 2016 | | Zlinszky A, Deák B, Kania A, Schroiff A, Pfeifer N: Biodiversity mapping via Natura 2000 conservation status and EBV assessment using airborne laser scanning in alkali grasslands, INTERNATIONAL ARCHIVES OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING (2002-) XLI-B8: pp. 1293-1299., 2016 | | Zlinszky A, Kania A: Will it blend? Visualization and accuracy evaluation of high-resolution fuzzy vegetation maps, INTERNATIONAL ARCHIVES OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING (2002-) XLI-B2: pp. 335-342., 2016 | | Dimitris Stratoulias, Heiko Balzter, András Zlinszky, Viktor R. Tóth: A comparison of airborne hyperspectral-based classifications of emergent wetland vegetation at Lake Balaton, Hungary, International Journal of Remote Sensing, pp 5689-5715, 2018 | | Zlinszky András, Pfeifer Norbert: Ecosystem services - from assessements of estimations to quantitative, validated, high-resolution, continental-scale mapping via airborne LIDAR, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 18: Paper EGU2016-12013-1., 2016 | | Zlinszky András, Otepka Johannes, Kania Adam: Attribute-based point cloud visualization in support of 3-D classification, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 18: Paper EGU2016-11904., 2016 | | Puttonen Eetu, Briese Christian, Mandlburger Gottfried, Wieser Martin, Pfennigbauer Martin, Zlinszky András, Pfeifer Norbert: Quantification of overnight movement of birch (Betula pendula) branches and foliage with short interval terrestrial laser scanning, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 7: Paper 222. (2016), 2016 | | Puttonen Eetu, Briese Christian, Mandlburger Gottfried, Wieser Martin, Pfennigbauer Martin, Zlinszky András, Pfeifer Norbert: Quantification of overnight movement of birch (Betula pendula) branches and foliage with short interval terrestrial laser scanning, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 7: Paper 222. (2016), 2016 | | Zlinszky A, Deák B, Kania A, Schroiff A, Pfeifer N: Biodiversity mapping via Natura 2000 conservation status and ebv assessment using airborne laser scanning in alkali grasslands, INTERNATIONAL ARCHIVES OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING (2002-) XLI-B8: pp. 1293-1299., 2016 | | Zlinszky A, Kania A: Will it blend? Visualization and accuracy evaluation of high-resolution fuzzy vegetation maps, INTERNATIONAL ARCHIVES OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING (2002-) XLI-B2: pp. 335-342., 2016 | | Stratoulias Dimitris, Balzter Heiko, Zlinszky András, Tóth Viktor R: Assessment of ecophysiology of lake shore reed vegetation based on chlorophyll fluorescence, field spectroscopy and hyperspectral airborne imagery, REMOTE SENS ENVIRON 157: 72-84, 2015 | | András Zlinszky, Eva Boergens, Philipp Glira, Norbert Pfeifer: Airborne Laser Scanning for calibration and validation of inshore satellite altimetry: a proof of concept, Remote Sensing of Environment 197,35-42, 2017 | | András Zlinszky, Bence Molnár, Anders Barfod: Not all trees sleep the same - High temporal resolution terrestrial laser scanning shows differences in nocturnal plant movement, Frontiers in Plant Science, 2017 | | Alex Bush, Rahel Sollmann, Andreas Wilting, Kristine Bohmann, Beth Cole, Heiko Balzter, Christopher Martius, András Zlinszky, Sébastien Calvignac-Spencer, Christina A Cobbold, Terence P Dawson, Brent C Emerson, Simon Ferrier, M Thomas P Gilbert, Martin Herold, Laurence Jones, Fabian H Leendertz, Louise Matthews, James DA Millington, John R Olson, Otso Ovaskainen, Dave Raffaelli, Richard Reeve, Mark-Oliver Rödel, Torrey W Rodgers, Stewart Snape, Ingrid Visseren-Hamakers, Alfried P Vogler, Piran CL White, Martin J Wooster, Douglas W Yu: Connecting earth observation to high-throughput biodiversity data, Nature Ecology and Evolution 1/7, 176, 2017 | | Maha Shadaydeh, András Zlinszky, Andrea Manno-Kovács, Tamás Szirányi: Wetland mapping by fusion of airborne laser scanning and multi-temporal multispectral satellite imagery, International Journal of Remote Sensing 38,2017/23, 2017 | | Vadim Pelevin, András Zlinszky, Elizaveta Kimchenko, Tóth Viktor: Ground truth data on chlorophyll-a, chromophoric dissolved organic matter and suspended sediment concentrations in the upper water layer as obtained by LIF lidar at high, International Journal of Remote Sensing 38/7, 1967-1982, 2017 | | András Zlinszky, Peter Supan, Zsófia Koma: Near real-time qualitative monitoring of lake water chlorophyll globally using Google Earth Engine, Geophysical Research Abstracts vol. 19, p 18950, 2017 | | András Zlinszky, Katharina Prager, Zsófia Koma: A multi-sensor method for in-situ quantification of multiple biodiversity and ecosystem service indicators in wetland vegetation, Geophysical Research Abstracts 19 p. 19002, 2017 | | Szabó Eszter, Krámer Tamás, Zlinszky András: A Balaton-part árvízi elöntési térképe, Ecology of Lake Balaton / A Balaton Ökológiája 4: 42-82, 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
