An Evolutionary Approach to Adaptive Image Analysis for Retrieving and Long-term Monitoring Historical Land Use from Spatiotemporally Heterogeneous Map Sources

Land use changes have become a major contributor to the anthropogenic global change. The ongoing dispersion and concentration of the human species, being at their orders unprecedented, have indisputably altered Earth’s surface and atmosphere. The effects are so salient and irreversible that a new geological epoch, following the interglacial Holocene, has been announced: the Anthropocene. While its onset is by some scholars dated back to the Neolithic revolution, it is commonly referred to the late 18th century. The rapid development since the industrial revolution and its implications gave rise to an increasing awareness of the extensive anthropogenic land change and led to an urgent need for sustainable strategies for land use and land management. By preserving of landscape and settlement patterns at discrete points in time, archival geospatial data sources such as remote sensing imagery and historical geotopographic maps, in particular, could give evidence of the dynamic land use change during this crucial period. In this context, this thesis set out to explore the potentials of retrospective geoinformation for monitoring, communicating, modeling and eventually understanding the complex and gradually evolving processes of land cover and land use change. Currently, large amounts of geospatial data sources such as archival maps are being worldwide made online accessible by libraries and national mapping agencies. Despite their abundance and relevance, the usage of historical land use and land cover information in research is still often hindered by the laborious visual interpretation, limiting the temporal and spatial coverage of studies. Thus, the core of the thesis is dedicated to the computational acquisition of geoinformation from archival map sources by means of digital image analysis. Based on a comprehensive review of literature as well as the data and proposed algorithms, two major challenges for long-term retrospective information acquisition and change detection were identified: first, the diversity of geographical entity representations over space and time, and second, the uncertainty inherent to both the data source itself and its utilization for land change detection. To address the former challenge, image segmentation is considered a global non-linear optimization problem. The segmentation methods and parameters are adjusted using a metaheuristic, evolutionary approach. For preserving adaptability in high level image analysis, a hybrid model- and data-driven strategy, combining a knowledge-based and a neural net classifier, is recommended. To address the second challenge, a probabilistic object- and field-based change detection approach for modeling the positional, thematic, and temporal uncertainty adherent to both data and processing, is developed. Experimental results indicate the suitability of the methodology in support of land change monitoring. In conclusion, potentials of application and directions for further research are given

Methodik für ein Langzeitmonitoring der Siedlungsentwicklung

Der Beitrag widmet sich der automatisierten Gewinnung von historischen Flächennutzungsinformationen aus archivierten Karten. In Verbindung mit aktuellen, bereits digital vorliegenden Landnutzungsdaten wird so ein retrospektives Monitoring der Flächennutzungs- und insbesondere der Siedlungsentwicklung über lange Zeiträume möglich. Für dieses Vorhaben werden zwei grundsätzliche Herausforderungen identifiziert und anschließend Lösungsansätze vorgestellt: Erstens, die verschiedenartige kartographische Repräsentation der geographischen Realität über die Zeit sowie zweitens, die dem Ansatz immanente Unsicherheit hinsichtlich der konkreten historischen Situation, die sich sowohl aus den Datenquellen selbst und als auch aus deren Verwendung für das Landnutzungsmonitoring ergibt. Mit der Gewinnung der für große Untersuchungsgebiete bisher nicht zugänglichen, digitalen historischen Landnutzungsinformationen leistet die Methodik einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung von Strategien zur nachhaltigen Landnutzung, die ex-post Bewertung der Wirksamkeit raumplanerischer Steuerungsinstrumente sowie die geographische Theorie- und Modellbildung insgesamt

Anforderungen an innovative und praxistaugliche Methoden, Informationen und Tools für die urbane Hitzeanpassung

Methoden, Informationen und Tools verbessern die notwendige Evidenzbasis für die urbane Hitzeanpassung. Allerdings stellt sich im Kontext ihrer Entwicklung die Frage der Praxistauglichkeit und ihrer konkreten Anwendungen für die Planungspraxis. Die diversen Anforderungen und Herausforderungen der unterschiedlichen Akteure müssen daher sichtbar gemacht und diskutiert werden. Durch die städtische Verdichtung in Folge der verstärkten Innentwicklung und die daraus resultierenden konkurrierenden Flächennutzungen besteht ein zusätzlicher Bedarf, das Problem der urbanen Wärmeinseln besser zu verstehen, vorherzusagen und zu simulieren. Im Rahmen des durch den Bund geförderten Entwicklungsprojekts "KI-basierte Informationsplattform für die Lokalisierung und Simulation von Hitzeinseln für eine innovative Stadt- und Verkehrsplanung" (KLIPS) wird in einem iterativen Prozess mit den Städten Dresden und Langenfeld eine neue Informationsplattform entwickelt. Im Rahmen des Dresdner Flächennutzungssymposiums wurde durch einen Workshop dieser Prozess durch die Öffnung der Diskussion um weitere Anforderungen ergänzt. Im Beitrag werden die gewonnenen Erkenntnisse reflektiert

Analyse und Visualisierung der Siedlungsentwicklung mit SEMENTA®-CHANGE

In diesem Beitrag werden Methoden der gebäudebasierten Erfassung der Siedlungsstruktur, deren Veränderung und Visualisierung vorgestellt. Die Analyse der Siedlungsentwicklung mit SEMENTA®-CHANGE basiert auf der automatisierten Auswertung topographischer Kartenwerke verschiedenster Zeitstände im Maßstab 1:25 000. Der Verfahrensansatz leistet einen wichtigen Beitrag für die Planung, da er für große Flächen eine Verortung der Gebäude-, Siedlungsflächen- und Siedlungsstrukturentwicklung der vergangenen Jahrzehnte erlaubt und sich daraus auch wertvolle Aussagen über die Wirksamkeit von raumplanerischen Instrumenten (z. B. Verhältnis der Innen- zur Außenentwicklung) ableiten lassen. Beispielhaft werden an ausgewählten Projektergebnissen das Anwendungspotenzial sowie die Grenzen des Verfahrens diskutiert

Infrastrukturplanung mit verkehrsbezogenen Flächennutzungsindikatoren

Die Geodatendienste des IÖR-Monitors stellten bundesweit Indikatoren zur Flächennutzungsstruktur sowie der verkehrsbezogenen Infrastruktur bereit. Diese Daten können unter anderem für die Infrastrukturplanung genutzt werden. Ziel dieses Beitrages ist es, die räumliche Variabilität der aktuellen Ladestationspunkte (Electric Vehicle Charging Points: ECP) als Teil der zukünftigen Elektromobilitätsinfrastruktur bundesweit zu analysieren. Die explorative Analyse wird auf Kreisebene mithilfe eines hybriden Datensatzes, d. h. einer Kombination von offenen, amtlichen und nutzergenerierten (VGI) Datenquellen durchgeführt. Sie umfasst die Analyse der Datenqualität, die Extraktion räumlicher Muster sowie die Erstellung deskriptiver Statistiken. Die höchste Konzentration von ECP gibt es erwartungsgemäß in den Großstädten, davon am meisten in den großen Ballungsräumen. Die bivariate Korrelationsanalye zeigt, dass der Anteil Verkehrsfläche an Gebietsfläche eine robuste Prädiktorvariable des IÖR-Monitors ist. Zur Erstellung deskriptiver Statistiken, zur Extraktion räumlicher Muster und deren Darstellung in Karten und Grafiken wurden ausschließlich offene und frei verfügbare analytische Softwarewerkzeuge eingesetzt

Bundesweites Monitoring von Innenentwicklungspotenzialen – Ausgangslage und Perspektive

Der Beitrag zeigt mögliche Wege eines bundesweiten Monitorings von Innenentwicklungspotenzialen auf. Die Erfassung und das Monitoring von Innenentwicklungspotenzialen, das heißt von Baulücken, Brachflächen und Leerständen, bilden eine wichtige Grundlage für eine flächensparende Siedlungsentwicklung, einen besseren Schutz von Außenbereichen sowie Planungs- und Entscheidungsprozesse im Sinne einer „Innen-vor-Außen“-Politik. Ausgehend von einem Überblick der aktuellen Erfassungsaktivitäten in Deutschland, werden verschiedene Varianten einer bundesweiten Erfassung vorgestellt, diskutiert und ein Ansatz entwickelt, der perspektivisch ein kontinuierliches Monitoring der Innenentwicklung ermöglichen könnte. Damit würde ein entscheidendes informatorisches Instrument zur dauerhaften nachhaltigen Flächenentwicklung geschaffen

Fliessgewässertemperatur - zwei Modellansätze für zukünftige Prognosen

Seit Längerem steigt die globale Durchschnittstemperatur der Atmosphäre und führt damit auch in der Schweiz zu einem Anstieg der Gewässertemperaturen. Verlässliche längerfristige Prognosen hierfür sind in der Schweiz auf Bundesebene zum jetzigen Zeitpunkt nicht erstellbar. Nun wurden an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) zwei Modellvarianten entwickelt, um längerfristig Antworten auf Fragestellungen bezüglich Temperaturentwicklung von Fliessgewässern in der Schweiz zu ermöglichen. Parallel dazu wurde ein modulares deterministisches Modell auf der Basis des räumlich verteilten Schneedeckenmodells Alpine3D der WSL/SLF erstellt

KI-basierte Simulation des Einflusses von Flächennutzungsänderungen auf die städtische Luftqualität

Die Luftqualität hat sich in vielen europäischen Städten in den letzten Jahrzehnten verbessert. Doch auch wenn die derzeit noch gültigen gesetzlichen Grenzwerte zunehmend eingehalten werden, stellen die 2021 aktualisierten, deutlich strengeren Leitlinien der WHO zur Luftreinhaltung neue Herausforderungen dar. Neue Daten des Copernicus- Programms sowie innovative Modellierungsansätze ermöglichen hochaufgelöste Analysen der raumzeitlichen Verteilung von Luftschadstoffen. Mit Hilfe von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) können die amtlichen, jedoch nur punktuell gemessenen Luftschadstoffdaten mit aktuellen Satelliten-, Verkehrs-, Wetter- und Flächennutzungsdaten so kombiniert und analysiert werden, dass flächenhafte Prognosen der städtischen Luftqualität für die nächsten Tage möglich werden. Diese flächigen Vorhersagen können Kommunen u. a. bei der Planung von kurzfristigen Gegenmaßnahmen wie der temporären Verkehrsbeeinflussung unterstützen. Des Weiteren kann ein auf Basis von aktuellen Daten trainiertes KI-Model auf eine durch Planungsvarianten veränderte Flächennutzung angewendet werden. Damit lassen sich - ceteris paribus - vorab die Auswirkungen verschiedener Planungsvarianten auf die lokale Luftqualität simulieren. In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten und Ergebnisse derartiger KI-basierter Simulationen anhand realer Planungsbeispiele aufgezeigt

Germany’s Ecosystem Services – State of the Indicator Development for a Nationwide Assessment and Monitoring

The obligations of the EU Biodiversity Strategy 2020 are generating a need to create national maps and monitoring systems for the state of biodiversity and ecosystem services (ES) on the basis of indicators. The paper gives an overview of the ecosystem services indicators being developed for Germany in the context of ongoing research projects. Additionally, it provides the indicator specifications, which are aligned with the EU MAES framework concepts (initiative on Mapping and Assessment of Ecosystems and their Services). We illustrate aspects of data selection, calculation and negotiation procedures, results and target values in general and by way of examples. The German indicator-based approach presents measures and sums up ES in their spatial expression and temporal change and compares them with objectives. As far as possible, this is carried out according to the demand-supply concept. A prioritization of ES classes to be processed was carried out in the framework of an expert-based assessment. The results indicated that 21 of the 48 CICES classes (Common International Classification of Ecosystem Services) were most relevant for Germany in recent years. We proposed a total of 51 indicators, of which 14 indicators for 4 ES classes were accepted, implemented and published by the end of 2016. The development of ES maps and the indicator-based assessment on a national scale is a process. Consequently, the necessary further steps are shown

Novel T cell/organoid culture system allows ex vivo modeling of intestinal graft-versus-host disease

Acute graft-versus-host disease (GvHD) remains the biggest clinical challenge and prognosis-determining complication after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT). Donor T cells are acceptedly key mediators of alloreactivity against host tissues and here especially the gut. In support of previous studies, we found that the intestinal intra-epithelial lymphocyte (IEL) compartment was dynamically regulated in the course of MHC class I full mismatch allo-HSCT. However, while intestinal epithelial cell (IEC) damage endangers the integrity of the intestinal barrier and is a core signature of intestinal GvHD, the question whether and to what degree IELs are contributing to IEC dysregulation is poorly understood. To study lymphoepithelial interaction, we employed a novel ex vivo T cell/organoid co-culture model system. Here, allogeneic intra-epithelial T cells were superior in inducing IEC death compared to syngeneic IEL and allogeneic non-IEL T cells. The ability to induce IEC death was predominately confined to TCRβ+ T cells and was executed in a largely IFNγ-dependent manner. Alloreactivity required a diverse T cell receptor (TCR) repertoire since IELs genetically modified to express a TCR restricted to a single, non-endogenous antigen failed to mediate IEC pathology. Interestingly, minor histocompatibility antigen (miHA) mismatch was sufficient to elicit IEL-driven IEC damage. Finally, advanced live cell imaging analyses uncovered that alloreactive IELs patrolled smaller areas within intestinal organoids compared to syngeneic controls, indicating their unique migratory properties within allogeneic IECs. Together, we provide here experimental evidence for the utility of a co-culture system to model the cellular and molecular characteristics of the crosstalk between IELs and IEC in an allogeneic setting ex vivo. In the light of the emerging concept of dysregulated immune-epithelial homeostasis as a core aspect of intestinal GvHD, this approach represents a novel experimental system to e.g. screen therapeutic strategies for their potential to normalize T cell/IEC- interaction. Hence, analyses in pre-clinical in vivo allo-HSCT model systems may be restricted to hereby positively selected, promising approaches