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Type: Thesis
Type of Thesis: Doctoral Thesis
Title: Incorporating uncertainty information into exploratory land cover change analysis: a geovisual analytics approach
Title in another language: Einbeziehung von Unsicherheiten in die explorative Veränderungsanalyse von Landbedeckung: ein Geovisual-Analytics-Ansatz
Authors: Kinkeldey, Christoph
Issue Date: 2015
Keywords: Unsicherheiten; Geovisualisierung; Visual Analytics; Landbedeckung; Veränderungsanalyse; uncertainty; geovisualization; visual analytics; land cover; change analysis
metadata.dc.subject.gnd: Bodenbedeckung; Visualisierung; Geoinformationssystem; Unsicherheit
Abstract: 
Im Fachgebiet der Geographischen Informationswissenschaft (GIScience) wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv Forschung betrieben, um Unsicherheiten in Geodaten zu beschreiben, zu quantifizieren und nutzbar zu machen. Praktisch einsetzbare Modelle und Methoden für diesen Zweck sind allerdings noch selten, und der vermeintliche positive Effekt, wenn Informationen zu Unsicherheiten bei räumlicher Analysen kommuniziert werden, ist noch Teil der Forschung. Die vorliegende Arbeit stellt sich diesen Herausforderungen und konzentriert sich dabei auf Veränderungsanalysen von Landbedeckung auf Basis von Fernerkundungsdaten. Es wurde gezeigt, dass bei solchen Analysen Unsicherheiten eine wichtige Rolle spielen, und dass irreführende Ergebnisse die Folge sein können, wenn diese ignoriert werden.
Das in dieser Dissertation beschriebene Projekt zielt darauf ab, ein Konzept nach dem Geovisual Analytics-(GVA)-Ansatz zu entwickeln, um Unsicherheiten bei Veränderungsanalysen zu berücksichtigen. Dieser Ansatz ermöglicht Arbeitsabläufe, die automatische Algorithmen mit interaktiven visuellen Schnittstellen vereinen, um die Stärken von maschineller Berechnung mit denen der menschlichen Interpretation zu verbinden. Die zentrale Frage dieser Arbeit ist, ob Nutzer in der Lage sind, bei Verwendung eines GVA-Tools von Unsicherheitsinformationen zu profitieren: Helfen diese beim Aufstellen von Hypothesen und beim Erlangen von Erkenntnissen während Veränderungsanalysen? Dieser Frage wird sich in folgenden Schritten gewidmet: (1) Entwicklung eines Konzepts für Veränderungsanalysen unter Einbeziehung von Unsicherheiten, (2) Erstellung einer systematischen Übersichtsarbeit zu Nutzerstudien im Bereich Unsicherheitsvisualisierung, (3) Design, Implementierung und Evaluation eines GVA-Software-Prototypen und (4) Durchführung einer Nutzerstudie mit Experten-Nutzern, welche den Prototyp einsetzen und das Konzept bewerten:
(1) Ein Konzept für die Einbeziehung von Unsicherheiten in Veränderungsanalysen der Landbedeckung wird entwickelt. Dabei sind die wichtigsten Schritte die Definition eines Unsicherheitsmaßes für Landbedeckungsveränderungen, die Auswahl, Implementierung und Evaluierung einer Technik zur Darstellung von Unsicherheiten (Noise Annotation Lines), sowie die Erstellung einer Kategorisierung von Tasks in explorativen Veränderungsanalysen. Eine Fallstudie mit realen Veränderungsdaten zur Landbedeckung demonstriert die Anwendbarkeit des Konzepts.
(2) Eine systematische Übersichtsarbeit von Nutzerstudien zur Visualisierung von Unsicherheiten dient der Auswahl einer geeigneten Visualisierungsmethode. Ergebnisse der Studien werden zusammengefasst, „Lessons Learned“ formuliert, sowie Empfehlungen für zukünftige Studien gegeben. Ein neuartiges Modell für die Kategorisierung von Visualisierungsmethoden (Uncertainty Visualization Cube, UVis3) wird vorgeschlagen, als Basis für eine systematischere Auswahl und Evaluation von Methoden zur Unsicherheitsvisualisierung in der Zukunft.
(3) Als Machbarkeitsnachweis, sowie als Grundlage für eine Expertenstudie, welche die Praktikabilität des hier entwickelten Konzepts überprüft, wird ein Software-Prototyp für die Änderungsanalyse mit Unsicherheiten (ICchange) entwickelt. Im Rahmen der Entwicklung wird eine Verbal Protocol Analysis (VPA)-Studie durchgeführt, um die Gebrauchstauglichkeit des Prototypen zu überprüfen. Die Beschreibung des task-basierten Entwicklungsansatzes für den Prototpen soll als Unterstützung dienen für Entwickler, die GVA-Tools für Veränderungsanalysen oder ähnliche Anwendungen entwickeln.
(4) In einer Studie mit drei Gruppen von Experten, die Landbedeckungsanalysen in der Praxis durchführen, wird die Praktikabilität des entwickelten Konzepts überprüft. In semi-strukturierten Gruppeninterviews wird der Software-Prototyp eingesetzt, um verschiedene, den Experten bereits vertraute Änderungsszenarien zu demonstrieren, angereichert mit Informationen über Unsicherheiten in den Ergebnissen. Generell sehen die Teilnehmer das Konzept für die Unterstützung von Änderungsanalysen als nützlich an, und eine Vielzahl potenzieller Anwendungen wird diskutiert. Barrieren für den Einsatz in der Praxis werden ebenfalls angesprochen, wie beispielweise die fehlende Unterstützung durch gängige GIS-Software, sowie Vorbehalte, Unsicherheitsinformationen an die Nutzer der Daten zu weiterzugeben. Aus den Ergebnissen der Studie und aus Erfahrungen während der Entwicklung des Prototyps werden Empfehlungen für die Umsetzung des Konzepts in die Praxis gegeben, sowie zukünftige Forschungsfragen formuliert.
Diese Doktorarbeit liefert neuartige Erkenntnisse im Hinblick auf Visualisierung von Unsicherheiten in Geodaten, sowie bezüglich der Unterstützung explorativer Analysen durch Unsicherheiten. Sie trägt dazu bei, die Kluft zwischen Theorie und Praxis zu schließen und stellt einen wichtigen Schritt dar, um Unsicherheiten für Analysen von Geodaten in der Praxis nutzbar zu machen.

During the last decades, research in the field of geographic information science (GIScience) has been conducted to describe, quantify, and utilize information about uncertainty in geodata. However, practically usable models and methods for this purpose are still rare and the supposed positive effect of communicating uncertainty during spatial analyses is still subject to research. This dissertation deals with these challenges, focusing on land cover (LC) change analysis based on remote sensing data, a field in which uncertainty plays an important role. It has been shown that when uncertainty is ignored during change analysis, misleading results can be the consequence.
The project described in this dissertation aims to establish uncertainty-aware change analysis by following a Geovisual Analytics (GVA) approach. This approach utilizes workflows that integrate automated algorithms with interactive visual interfaces to combine the strengths of computation and human reasoning. The central question of this work is if users are able to benefit from information on change uncertainty using a GVA tool: Does it help with hypotheses they make and with insights they gain during change analysis? This question is addressed in the following stages: (1) development of a concept for uncertainty-aware land cover change analysis, (2) literature review on uncertainty visualization user studies, (3) design and implementation of a GVA software prototype including a usability assessment, and (4) a user study with expert analysts who apply the prototype to analysis tasks and evaluate the concept:
(1) A concept to incorporate uncertainty into land cover change analysis is the basis of this work. Here, the most important steps include the definition of an uncertainty measure for LC change, the selection, implementation, and evaluation of a technique to portray uncertainty in LC change maps (noise annotation lines), as well as the creation of a task categorization for exploratory change analysis. A case study with real-world land cover change data demonstrates the applicability of the concept.
(2) A systematic review of uncertainty visualization user studies is a fundament for the selection of a suitable visualization technique. Findings from the studies are summarized and lessons learned, as well as recommendations for future studies in the field, are provided. This includes a novel categorization model (Uncertainty Visualization Cube, UVis3) for more systematic selection and evaluation of uncertainty visualization techniques in the future.
(3) A software prototype for uncertainty-aware change analysis (ICchange) serves as a proof-of-concept and as a vehicle for an expert user study to assess the practicability of the concept developed in this doctoral research. The prototype development includes a verbal protocol analysis (VPA) study to assess its usability. The description of the task-based development approach is intended to support developers creating GVA software tools for land cover change analysis or related fields.
(4) An expert user study assesses the practicability of the developed concept with three groups of remote sensing experts who conduct land cover change analyses in practice. In semi-structured group interviews, the software prototype is utilized to demonstrate real-world change scenarios that the experts have analyzed before, enriched by information about uncertainty in the results. The participants generally see the concept as useful for supporting change analysis and a number of potential applications are discussed. Barriers for the use in practice are addressed as well, such as user acceptance issues and the lack of support in standard GIS. The experts’ opinions about the ICchange software prototype and the noise annotation lines visualization technique were predominantly positive. From the results of the study and experience from prototype development, recommendations are given for the implementation of the concept in practice and for questions to be addressed in future research.
This dissertation provides various novel findings regarding geodata uncertainty visualization and uncertainty-aware exploratory analysis. It contributes to bridging the gap between theory and practice and represents a crucial step to come closer to the goal of making uncertainty usable in real world geodata analysis.
Subject Class (DDC): 004 Informatik
HCU-Faculty: Geodäsie und Geoinformatik 
Advisor: Schiewe, Jochen 
URN (Citation Link): urn:nbn:de:gbv:1373-opus-2481
Directlink: https://repos.hcu-hamburg.de/handle/hcu/426
Language: English
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