Geoscientific analysis of urban and rural environment issues with remote sensing techniques  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
123457
Type TNN
Principal investigator Szabó, Szilárd
Title in Hungarian Városi és vidéki környezeti problémák földtudományi alapú vizsgálata távérzékelési módszerekkel
Title in English Geoscientific analysis of urban and rural environment issues with remote sensing techniques
Keywords in Hungarian távérzékelés, LiDAR, hiperspektrális, változás, tájökológia
Keywords in English remote sensing, LiDAR, hyperspectral, change, landscape ecology
Discipline
Physical geography (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Geography
Panel Earth sciences 2
Department or equivalent Department of Natural Geography and Geoinformatics (University of Debrecen)
Participants Abriha-Molnár, Vanda Éva
Bertalan, László
Bertalanné Dr. Balázs, Boglárka
Burai, Péter
Kundrát-Simon, Edina
Novák, Tibor József
Pénzes, János
Szabó, Gergely
Szabó, Zsuzsanna
Tóth, Csaba Albert
Túri, Zoltán
Starting date 2018-02-01
Closing date 2022-01-31
Funding (in million HUF) 35.859
FTE (full time equivalent) 11.65
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 városok fejlődése jelentős hatással van mind a városban élő emberekre, mint pedig a városi élővilágra. A fejlődéssel együtt járó belső strukturális változások és a területi növekedés hazai viszonylatban is fontos kutatási kérdéseket vet fel. Kutatásunkban a városok környezeti hatásait vizsgáljuk a rendszerszemléletű megközelítés miatt tágabb környezetükkel együtt. Elsősorban a távérzékelés módszereit használjuk és vizsgáljuk az egyes adatforrások használhatóságát több szempont szerint. Multispektrális műholdfelvételek, hiperspektrális légifelvételek és LiDAR felmérések adatait kívánjuk felhasználni egy komplex, soktényezős feldolgozás keretében. Mind a mesterséges felszíneket, mind a természetes városi és város környéki élőhelyeket vizsgáljuk a társadalomföldrajzi háttérváltozókkal együtt. Vizsgálatainkat több különböző nagyságú/lakosságú/jelentőségű városban tervezzük elvégezni. Az egyes résztémák értékes adatbázist szolgáltatnak a városi környezet jellemzéséhez, melyek előzetes eredményeink alapján újdonságuknál fogva nemzetközi szinten is érdeklődésre tartanak számot.

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.
Céljaink több témacsoport köré rendezhetők:
- A városi mesterséges felületek mennyire azonosíthatók multi- és hiperspektrális felvételek segítségével?
- A városi zöldfelületek csak élőhelyek halmazát jelentik, vagy összefüggő élőhely-hálózatot képeznek? Van-e kapcsolat a városon kívüli zöldterületekkel? A zöldfelület-gazdálkodási tervek milyen összhangban vannak a valósággal? A kutatáshoz mind műholdfelvételeket, mint LiDAR állományokat fel kívánunk használni.
- Az ülepedő por faleveleken történő megkötését vizsgáljuk a város különböző részein, különböző fafajokon és a kérdés a távérzékelt adatok segítségével előálló zöldfelületi térkép szerepe a pontszerű eredmények extrapolációjában.
- Az élőhelyek időbeli változása modellezhető-e egy antropogén városi belső környezetben, illetve egy Tokaj környéki természetes élőhelyen?
- A városi területhasználat változásának hatása a talajok szénmegkötő képességére: a változás térbeli idősoros elemzése a városi kertek talajain keresztül.

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 városi zöldfelület az OTÉK (országos településrendezési és építési követelmények) által szabályozott, előírja a közkertek és közparkok minimális növényzeti borítottságát, ugyanakkor az előírás nem tér ki a zöldfelületi rendszer minőségi követelményeire és arra, hogy ezek a zöld foltok funkcionális rendszert alkossanak. A távérzékelés, tájökológia, tájmetria módszereivel és botanikai felmérésekkel példaértékű elemzést tervezünk elvégezni, mely a későbbi tervezéshez is segítséget nyújthat a várostervező mérnököknek. A zöldfelületek az ökológiai szerepükön túl környezetvédelmi szempontból is kiemelt jelentőségűek. A városi szállópor a nagyvárosok egyik legnagyobb levegőminőségi problémája, melynek megkötésében a fák fontos szerepet kapnak. A távérzékelés (faj szintű zöldfelület-térképezés) és a helyi vizsgálatok összekapcsolásának eredményeként a város pormegkötő kapacitása mérhető fel.
A mesterséges felületek anyaga lehet környezetszennyező, tűzveszélyes, balesetveszélyes felmérésük városgazdálkodási szempontból fontos feladat, ugyanakkor tudományos oldalról az automatikus adatszolgáltatás kihívás. Kutatási előzményeink tükrében jó eredmények érhetők el ezen anyagok osztályozásában, de még van fejlődési lehetőség.
A távérzékelés, ezen belül a hiperspektrális távérzékelés komoly lehetőségeket rejt nemcsak a felszínborítás térképezésében, hanem egyes anyagi tulajdonságok vizsgálatában is. Tanszékünkön egy spektrális index alapú osztályozást dolgoztunk ki, melyhez egy szoftverbővítményt fejlesztettünk. A kezdeti tesztek alapján ki kívánjuk terjeszteni a felszínborítás és a mesterséges felszínek osztályozása felé ezt a megközelítést. A bővítményt tovább kívánjuk fejleszteni, hatékonyabbá tenni más programnyelven (C++ és R környezetben). A képosztályozás hatékonyabbá tétele az egyes vizsgált jelenségek pontosabb megismeréséhez vezet.

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 távérzékelés (amikor nem kell fizikai kapcsolatba kerülnünk a felmérendő objektummal) számtalan lehetőséget rejt a földtudományi kutatásokhoz is. Tervezetünkben elsősorban városi környezetben tervezzük a távérzékelés-alapú vizsgálatainkat, de a várost nem szakítjuk ki környezetéből, így a külterületeket is vizsgálni kívánjuk. Elsősorban módszertani kérdéseket kívánunk feldolgozni a zöldfelületek funkcionalitásának, a tetőfedő anyagok azonosításának, tetősíkok kinyerésének és a spektrális indexek képfeldolgozásban való alkalmazhatóságának témakörében. A módszertani vizsgálatokhoz részletes terepi felmérésekre van szükség, hogy össze tudjuk vetni a távérzékelt adatokból való becslések hatékonyságát. A cél az, hogy a távérzékelés segítségével olyan adatbázisokat lehessen előállítani, melyek akár a városvezetés, akár a tervezők számára értékes lehet. Ezen adatok kinyerése azonban korántsem egyértelmű, mert mint minden modellben, itt is a valóság egyszerűsítéséről van szó, azaz az eredményt hiba terheli. Célunk az, hogy a hibát a lehető legkisebbre csökkentsük és a lehető legpontosabb eredményt szolgáltassuk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Urban development have considerable effects on both the inhabitants and the living organisms. Development means the urban sprawl and also the structural changes within the administrative border and calls into attention important research questions in an international level. Our research aims to investigate the urban environment and regarding that cities are parts of the element of a system, we involve their surroundings, too. Primarily, we intent to use remotely sensed databases and we analyze their applicability from several aspects. We apply multi- and hyperspectral images and LiDAR data combined with drone surveys in a complex and multicriterial evaluation. We investigate both the artificial surfaces (e.g. roofs) and the urban habitats as system comprised of the elements of the inner patches and the ones outside the cities. We examine three cities with different size/number of inhabitants/relative relevance in Hungary and Thailand. These topics can provide valuable database for describing the urban-related environment, which, based on the preliminary results, can be of international interest.

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.
Aims can be delineated as follows:
- Is it possible to identify the roofing materials with multi- or hyperspectral databases?
- Are green surfaces of the cities a group of habitats or do they constitute a landscape ecologically functional habitat network? Do they have connections with the habitats out of the outer parts? What is the level of reality of the green infrastructure plans regarding the quality and functionality of the existing inventory? We are planning to use both satellite imagery and LiDAR datasets for this purpose.
- Our aim is also to investigate the deposition of settling dust on leaves at different locations of the city and on different tree species while our additional question is that what is the role of the remote sensing-based maps of green surfaces in the extrapolation of point-based results?
- Can we model the landscape changes in an anthropogenic urban environment and in a natural habitat system near to Tokaj?
- Can we estimate the soil properties of laboratory analysis (e.g. CaCO3-content, humus content etc.) with spectral curves of hyperspectral data (hyperspectral images or spectrometer)? Can we accelerate and refine the mapping of soil properties with this method? What properties of artificial surfaces can be estimated with this method (e.g. road quality vs. base material of the road)?

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.
Urban green surfaces
Urban green surfaces are regulated by OTÉK (National decree on settlement development and building requirements). The decree prescribes the minimal requirements of the green surfaces for private plots and for public parks; however, it does not deal with the quality parameters of the green surface system and about the functionality of the patches. Botanical surveys combined with a landscape ecological approach (i.e. landscape metrics) would be exemplary and can provide valuable ancillary data for urban developers. Besides their ecological role green patches have great importance in terms of environmental protection as well. Urban airborne dust is one of the most harmful air-quality problem in large cities and the trees play a key role in its deposition. Combining the remote sensing (in a species level green surface mapping) and the local surveys can lead us to estimate the dust deposition potential of the city.

Classification of artificial surfaces
Materials of artificial surfaces, such as roofs, can pose environmental risk (e.g. asbestos cement panels) or can be of the issue of fire safety; thus, their cadaster would be important from the aspect of urban planning and management. However, the task itself has not a straight methodology, it is a big scientific challenge. Our preliminary results predestinate the success but there are relevant potential possibility to develop the approach.

Spectral based classification of hyperspectral data
Remote sensing, especially hyperspectral imaging have large potentials in mapping of land cover and also in the analysis of quality of materials. In or department (Department of Physical Geography and Geoinformatics (University of Debrecen), we developed a software to determine the best spectral indices fitting to a dependent variable. We would like to improve the software and make it more effective in other environments as well (C++ and R). Based on the spectral indices we can enhance the specific properties of the studied media and can improve the classification accuracy. The result can provide a potentially better representation of the spatial features than the spatial interpolation of point-based data.

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.
Remote sensing (data capture when one do not have to be in direct contact with the object of the survey) provides several scientific solutions for the geoscientific research. Our proposal focuses on the analysis of the urban environment, primarily, with remote sensing data sources. However, as cities are surrounded with their environment (natural or semi-natural), we intend to analyze their part lying outside the administrative border. We focus on methodological questions in the subject of green surfaces of the cities; identification of the roofing materials with multi and hyperspectral aerial and satellite images; extracting roof planes as potential places of solar panels from laser scanned data and aerial images captured with low cost drones; and to examine the possibilities of the application the spectral curves (of hyperspectral images and spectral curves) in the image analysis. Although we focus on methodological issues, we need detailed field work and analsis in the laboratory to compare (and verify) the accuracy of estimations from the spectral curves. The aim is to produce databases being appropriate for decision makers in the city council and for city planners derived from remotely sensed data. However, the xtraction of these type of data is not obvious due to the errors coming from the generalization of the real environment; i.e. all model contain errors. Our intent is to minimize these errors to get the most accurate results.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A vizsgálatokat végeztünk főleg városi környezetben a geoinformatikai megoldások és ezen belül a távérzékelés hasznosítására: - módszert dolgoztunk ki az azbeszttetők azonosítására, értékeltük a hiper- és multispektrális adatforrásokat; - faj szintű zöldfelületi osztályozást végeztünk Debrecen több területén hiper- és multispektrális adatokból; - vizsgáltuk az ökológiai hálózat konnektivitását; - értékeltük a tájváltozás CA-Markov modelljét és módszert dolgoztunk ki a pontosságuk vizsgálatára; értékeltük tájhasználati kategóriák számának és ezek összevonásának a hatását a modellek pontosságára; - meghatároztuk, hogy a Corine Land Cover L1 osztályai esetében a poligonok mennyiben nyerhetők ki műholdak spektrális adataival; - a zöldfelület porterhelés-indikációjához értékeltük az APTI index érzékenységét, majd meta-analízis során is értékeltük az APTI-t nemzetközi publikációk tükrében; - meghatároztuk, hogy a levelek megkötött por mennyisége hogy viszonyul a porcsapdák adataihoz; - összehasonlítottuk a leveleken megkötődött por összetételét Debrecenben és Bangkokban; - a fákra vonatkoztatott porterhelést a távérzékeléssel extrapoláltuk faj szintű osztályozással és a levélfelületi index-szel; - megállapítottuk, hogy az okostelefon-alapú zajtérképezés csak projekt-szemlélettel végezhető el, a tömeges adatbeküldés (crowd-sourcing) nem használható; - UAV-alapú talajnedvesség-térképezés során termális és multispektrális kamerával 70-80%-os pontosság érhető el.
Results in English
Studies were mainly carried out in urban environment to exploit geoinformatics solutions, including remote sensing: - we developed a method to identify asbestos sources, evaluated hyper- and multispectral data sources; - we carried out a species-level classification of green areas in several areas of Debrecen from hyper- and multispectral data; - we investigated the connectivity of the ecological network; - we evaluated CA-Markov landscape change models and developed a method to test their accuracy; we studied the impact of the number of land use categories and their aggregation on the accuracy of the models; - we determined the spectral characteristics of the polygons for the L1 classes of Corine Land Cover and evaluated them as possible reference data for other studies; - we evaluated the sensitivity of the APTI index as pollution indicator for tree-based dust load indication, a further meta-analysis was performed using international publications; - we determined the relationship of leaf-bound dust levels to dust-trap data; - we compared the metal composition of leaf-bound dust in Debrecen and Bangkok; - the dust load on trees was extrapolated by remote sensing using species-level classification and leaf area index; - we found that smartphone-based noise mapping can only be performed using project-based approaches, crowd-sourcing is not suggested. - UAV-based soil moisture mapping with thermal and multispectral cameras can achieve 70-80% accuracy.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=123457
Decision
Yes





 

List of publications

  
Abriha, Dávid; Kovács, Zoltán; Ninsawat, Sarawut; Bertalan, László; Balázs, Boglárka; Szabó, Szilárd: Identification of roofing materials with Discriminant Function Analysis and Random Forest classifiers on pan-sharpened WorldView-2 imagery – a comparison, HUNGARIAN GEOGRAPHICAL BULLETIN (2009-) 67 : 4 pp. 375-392, 2018
Abriha, Dávid; Szabó, Szilárd: Hiperspektrális távérzékelés alkalmazása tetőfedő anyagok azonosításában, In: Molnár, Vanda (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó,, 2018
Novák, Tibor; Túri, Zoltán: A városterjedés hatásainak becslése korábbi mezőgazdasági területek talajaira távérzékelt adatok alapján, In: Molnár, Vanda (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó,, 2018
Szabó, Zsuzsanna; Szabó, Szilárd: A rakamazi ártér vízborítottság rövid távú változásának nyomon követése Sentinel-2 felvételek alapján, In: Molnár, Vanda (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó,, 2018
Szabó, Loránd; Szabó, Szilárd: Csatornaszelekció hiperspektrális felvételen az osztályozási pontosság javítása érdekében, In: Molnár, Vanda (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó,, 2018
Zokvic, Ivan ; Milosevic, Dragan ; Balázs, Boglárka ; Szabó, Szilárd: From At Sensor Temperature to Land Surface Temperature: a case study of Novi Sad, Serbia, In: Molnár, Vanda (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó,, 2018
Molnár, Vanda Éva; Szabó, Szilárd; Simon, Edina: Fajmeghatározás távérzékelt adatokkal egy debreceni park példáján, In: Molnár, Vanda Éva (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában IX. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Ki, 2018
Molnár, Vanda Éva; Tóthmérész, Béla; Szabó, Szilárd; Simon, Edina: Fafajok pormegkötésének és légszennyezettségi tolerancia indexének meghatározása, In: Darvas, Béla - VIII. Ökotoxikológiai Konferencia előadás és poszter kötete Budapest, Magyarország : Magyar Ökotoxikológiai Társaság, (2018) pp. 22-23., 2018
Varga, Orsolya Gyöngyi ; Pontius, Robert Gilmore ; Singh, Sudhir Kumar ; Szabó, Szilárd: Intensity Analysis and the Figure of Merit’s components for assessment of a Cellular Automata – Markov simulation model, ECOLOGICAL INDICATORS 101 pp. 933-942., 2019
Abriha Dávid; Banka Fruzsina; Szabó Szilárd: Random Forest osztályozó algoritmus pontosságának vizsgálata tetőfedő anyagok azonosításában multispektrális adatokkal, X. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 19-24., 2019
Kinárov Krisztián; Túri Zoltán Krisztián; Gönczy Sándor: Űrfelvétel-alapú változásvizsgálatok a Beregszászi-dombságon, X. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 139-146., 2019, 2019
Molnár Vanda Éva; Simon Edina; Szabó Szilárd: Fafajok osztályozása multispektrális felvételek alapján debreceni mintaterületen, X. : Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 199-204., 2019
Szilárd, Szabó; Dávid, Abriha; Zoltán, Kovács; Sarawut, Ninsawat; László, Bertalan; Boglárka, Bertalan-Balázs: Pan-sharpening as an effective method to improve classification accuracy of roofing materials, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21 p. 1 Paper: Paper 14594, 2019
Molnár, Vanda Éva; Simon, Edina; Szabó, Loránd; Szabó, Szilárd: Species level classification of urban trees from multispectral imagery, In: Hidden Geographies : Collection of abstracts University of Ljubljana, Department of Geography, pp. 13-14., 2019
Molnár Vanda Éva; Simon Edina; Szabó Zsuzsanna; Abriha Dávid; Szabó Szilárd: Fajszintű képosztályozás WorldView-2 felvételen, Fény-Tér-Kép konferencia, Tihany, 2019. november 14-15., 2019
Varga, Orsolya Gyöngyi ; Pontius, Robert Gilmore ; Singh, Sudhir Kumar ; Szabó, Szilárd: Intensity Analysis and the Figure of Merit’s components for assessment of a Cellular Automata – Markov simulation model, ECOLOGICAL INDICATORS 101 pp. 933-942., 2019
Molnár, Vanda Éva ; Simon, Edina ; Szabó, Szilárd: Species-level classification of urban trees from WorldView-2 imagery in Debrecen, Hungary: an effective tool for planning a comprehensive green network to reduce dust pol, EUROPEAN JOURNAL OF GEOGRAPHY 11 : 2 pp. 33-46. , 14 p. (2020), 2020
Molnár, Vanda Éva ; Tőzsér, Dávid ; Szabó, Szilárd ; Tóthmérész, Béla ; Simon, Edina: Use of Leaves as Bioindicator to Assess Air Pollution Based on Composite Proxy Measure (APTI), Dust Amount and Elemental Concentration of Metals, PLANTS-BASEL 9 : 12 p. 1743 (2020), 2020
Molnár, Vanda Éva ; Simon, Edina ; Tóthmérész, Béla ✉ ; Ninsawat, Sarawut ; Szabó, Szilárd: Air pollution induced vegetation stress – The Air Pollution Tolerance Index as a quick tool for city health evaluation, ECOLOGICAL INDICATORS 113 Paper: 106234 , 8 p. (2020), 2020
Molnár, V É ; Simon, E ; Ninsawat, S ; Tóthmérész, B ; Szabó, Sz: Pollution assessment based on element concentration of tree leaves and topsoil in Ayutthaya Province, Thailand, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENVIRONMENTAL RESEARCH AND PUBLIC HEALTH 17 : 14 Paper: 5165 , 13 p. (2020), 2020
Simon, Edina ; Molnár, Vanda Éva ; Tóthmérész, Béla ; Szabó, Szilárd: Ecological Assessment of Particulate Material (PM5 and PM10) in Urban Habitats, ATMOSPHERE 11 : 6 p. 559 (2020), 2020
Varga, Orsolya Gyöngyi ; Pontius Jr, Robert Gilmore ; Szabó, Zsuzsanna ; Szabó, Szilárd: Effects of Category Aggregation on Land Change Simulation Based on Corine Land Cover Data, REMOTE SENSING 12 : 8 p. 1314 (2020), 2020
Pödör, Andrea; Szabó, Szilárd: Geo-tagged environmental noise measurement with smartphones: Accuracy and perspectives of crowdsourced mapping, ENVIRONMENT AND PLANNING B-URBAN ANALYTICS AND CITY SCIENCE, megjelenés alatt, https://doi.org/10.1177/2399808320987567, 2021
Simon Edina, Molnár Vanda, Lajtos Domonkos, Bibi Dina, Tóthmérész Béla, Szabó Szilárd: Usefulness of Tree Species as Urban Health Indicators, Plants, 10, 2797., 2021




 

Events of the project

  
2022-05-26 15:41:52
Résztvevők változása
2018-09-27 16:23:03
Résztvevők változása



Back »