Jordens yta är föremål för ständiga förändringar som dynamiskt formar naturliga landskap. Globala fenomen som klimatförändringar spelar en roll, likaså kortsiktigt, lokala händelser av naturligt eller mänskligt ursprung. Forskargruppen 3D Geospatial Data Processing (3DGeo) vid Heidelbergs universitet har utvecklat en ny analysmetod för att hjälpa till att förbättra vår förståelse av processer som formar jordens yta som de som observeras i kust- eller högbergslandskap. Till skillnad från konventionella metoder som vanligtvis jämför två ögonblicksbilder av topografin, Heidelberg-metoden kan avgöra – helt automatiskt och under långa perioder – när och var ytförändringar sker och vilken typ av associerade förändringar de representerar.

Metoden, känd som spatiotemporal segmentering, utvecklades under ledning av Prof. Dr. Bernhard Hoefle, vars 3DGeo-grupp är baserad på Institute of Geography och Interdisciplinary Center for Scientific Computing (IWR) vid Heidelbergs universitet. "Genom att observera hela ytans historia, vår nya datorbaserade metod möjliggör mer flexibla tillvägagångssätt. Till skillnad från tidigare metoder, vi behöver inte längre specificera vilka individuella förändringsprocesser vi vill upptäcka eller vilka tidpunkter analysen ska inkludera, ", säger geoinformationsforskaren. "Istället, områden och hela tidsperioder under vilka liknande förändringar inträffar identifieras helt automatiskt. De enorma tredimensionella datamängderna från de automatiska lasermätningarna i landskapet avslöjar därmed olika typer av förändringar som den direkta jämförelsen av endast två mätpunkter inte gör."

Bland andra tekniker, Prof. Hoefles team använder markbaserad laserskanning (TLS) för att mäta bergs- och kustlandskap. Den genererar tredimensionella modeller av ett landskap representerade som miljarder mätpunkter i så kallade 3D-punktmoln. "Mätsystem installeras på plats och fångar terrängen i korthet, regelbundna intervall över flera månader, på så sätt genererar tredimensionella tidsserier, " förklarar Katharina Anders, en Ph.D. student i Bernhard Hoefles forskargrupp och vid IWR vid Heidelberg University. Dessa 3D-tidsserier är speciella eftersom de innehåller både de tidsmässiga och rumsliga – ergo 4-D – egenskaperna för ytförändringar, som sedan kan granskas som i en time-lapse-video.

"Spatiotemporal segmentering tillåter oss att i detalj skilja mellan olika fenomen som konventionella metoder upptäcker som en enda händelse eller ibland inte alls, " konstaterar Katharina Anders. Heidelbergs geoinformationsforskare tillämpade sin metod på en 3D-tidsserie av en kuststräcka i Nederländerna, som förvärvades varje timme under fem månader av forskare från Delft University of Technology. Dataanalysen för hela observationsperioden visade mer än 2, 000 förändringar som representerar tillfällig ackumulering eller erosion av sand som inträffade på olika platser i varierande storlek och över olika tidsperioder. I detta fall, den dynamiska transporten av sand som registrerats av mätsystemet orsakades av komplexa interaktioner av vind, vågor, och mänskligt inflytande. Som ett resultat, flera lastbilslaster med sand transporterades i genomsnitt på ett område på 100 kvadratmeter under en period av fyra veckor, utan påverkan från större stormhändelser.

Resultaten av sådana analyser ger underlag för vidare studier av specifika fenomen eller bakomliggande processer. På samma gång, den information som erhålls om ytornas dynamiska utveckling öppnar nya möjligheter för parametrisering och därmed anpassning av datorbaserade miljömodeller. "Den metod vi utvecklade ger därför ett övergripande bidrag till att förbättra vår geografiska förståelse av naturliga landskapsdynamik, ", tillägger Katharina Anders.