Extraction and Characterisation of Landforms from Digital Elevation Models: Fiat Parsing the Elevation Field
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EXTRACTION AND CHARACTERISATION OF LANDFORMS FROM DIGITAL ELEVATION MODELS: FIAT PARSING THE ELEVATION FIELD Dissertation zur Erlangung der naturwissenschaftlichen Doktorwürde (Dr. sc. nat.) vorgelegt der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Zürich von Ralph Straumann von Giebenach BL Promotionskomitee Prof. Dr. Robert Weibel (Vorsitz) Dr. Ross Purves (Leitung der Dissertation) Dr. Oliver Korup Zürich, 2010 Summary “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 an- swers. 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 charac- terisations 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 under- standable 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 ad- ditional 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 valley- ness 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 i 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 mor- phometric feature classification in itself seems incapable of producing an equivalent de- lineation. 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 auto- matically 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. Re- markably, 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 de- lineation. 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 lo- cation. 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 proc- ess 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 land- form taxonomy which can inform future research efforts and algorithm development. Fur- ther, the thesis suggests methods to delineate valley floors and low-gradient sediment stor- age areas as well as methods to fuzzily characterise valleys, and investigates their suit- ability 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. ii Zusammenfassung “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 ein- fach. Geomorphologie – die Disziplin, die sich mit Landformen beschäftigt – und die Geographi- sche Informationswissenschaft arbeiten an der Formalisierung solcher Begriffe bezüglich Land- formen. Formalisierung ermöglicht es Geographischen Informationssystemen (GIS), solche Be- griffe in automatisierten, objektiven Abläufen einzusetzen. Gleichzeitig kann sie – abhängig davon, welcher Landform-Begriff formalisiert wird – GIS etwas mit der menschlichen Wahrnehmung be- reichern. Längerfristig sollte dies dazu führen, dass die Benutzung von GIS einfacher wird. Kurz- fristig 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 Charakteri- sierungen von Landformen robuster gegenüber Fehlern oder Unsicherheiten im digitalen Höhen- modell, einfacher und schneller verständlich (auch für Laien) und üblicherweise qualitativ, wo- durch 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 zu- sätzlicher 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 Ab- grenzung und Charakterisierung von Landformen. Die Mehrheit der Veröffentlichungen befasst sich mit topographischen Erhebungen wie Bergen und Hügeln. Daher konzentriert sich diese Dis- sertation in ihren angewandten Teilen auf topographische Vertiefungen wie Täler und damit ver- bundene Erscheinungen. Die bereits erwähnte Taxonomie von Landformen hilft in dieser Disserta- tion dabei, semantisch sinnvolle Algorithmen zur Abgrenzen von Talböden und zur Charakterisie- rung von Talhaftigkeit zu entwickeln. Die Nützlichkeit der Algorithmen wird unabhängig vonein- ander 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 betref- fenden Region gewonnen worden ist. Die Ausdehnung der Talböden innerhalb des Untersuchungs- gebiets weist Übereinstimmungen mit den unabhängig erhobenen Daten auf. Weiter stehen die iii Klassen der sogenannten morphometric feature classification (Gipfel, Grat, Pass, Rinne, Ebene und Senke) in einer sinnvollen Beziehung zur Talboden-Abgrenzung. Gleichzeitig scheint die morpho- metric feature classification aber nicht geeignet, eigenständig eine gleichwertige Talboden-Abgren-