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Visualization and Analysis Techniques for Urban Microclimate Data Sets

  • This dissertation focuses on the visualization of urban microclimate data sets, which describe the atmospheric impact of individual urban features. The application and adaptation of visualization and analysis concepts to enhance the insight into observational data sets used this specialized area are explored, motivated through application problems encountered during active involvement in urban microclimate research at the Arizona State University in Tempe, Arizona. Besides two smaller projects dealing with the analysis of thermographs recorded with a hand-held device and visualization techniques used for building performance simulation results, the main focus of the work described in this document is the development of a prototypic tool for the visualization and analysis of mobile transect measurements. This observation technique involves a sensor platform mounted to a vehicle, which is then used to traverse a heterogeneous neighborhood to investigate the relationships between urban form and microclimate. The resulting data sets are among the most complex modes of in-situ observations due to their spatio-temporal dependence, their multivariate nature, but also due to the various error sources associated with moving platform observations. The prototype enables urban climate researchers to preprocess their data, to explore a single transect in detail, and to aggregate observations from multiple traverses conducted over diverse routes for a visual delineation of climatic microenvironments. Extending traditional analysis methods, the suggested visualization tool provides techniques to relate the measured attributes to each other and to the surrounding land cover structure. In addition to that, an improved method for sensor lag correction is described, which shows the potential to increase the spatial resolution of measurements conducted with slow air temperature sensors. In summary, the interdisciplinary approach followed in this thesis triggers contributions to geospatial visualization and visual analytics, as well as to urban climatology. The solutions developed in the course of this dissertation are meant to support domain experts in their research tasks, providing means to gain a qualitative overview over their specific data sets and to detect patterns, which can then be further analyzed using domain-specific tools and methods.
  • Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Visualisierungsmethoden für Datensätze, die das städtische Mikroklima und damit den Einfluss einzelner städtebaulicher Objekte auf die Atmosphäre beschreiben. Motiviert durch die aktive Mitarbeit an Projekten zum städtischen Mikroklima an der Arizona State University in Tempe, Arizona, wird untersucht, wie Visualisierungs- und Analysekonzepte für diesen speziellen Anwendungsbereich genutzt werden können, um den Erkenntnisgewinn aus typischen Messdaten zu fördern. Neben zwei kleineren Projekten, die sich mit der Analyse von mit tragbaren Wärmebildkameras aufgenommenen Infrarotbildern und mit der Visualisierung von Daten aus Gebäudesimulationen beschäftigen, liegt der Hauptfokus dieser Dissertation auf der Entwicklung eines prototypischen Tools für die Visualisierung und Analyse von mobilen Transekt-Messungen. Bei dieser Messmethode wird eine Sensorplattform entlang einer Route durch eine heterogene Nachbarschaft bewegt, um die räumliche Variabilität gemessener Attribute und deren Abhängigkeit von der umliegenden baulichen Form zu untersuchen. Die so gewonnenen Datensätze sind sehr komplex, da sie multivariat, fehlerbehaftet und stark an Raum und Zeit gebunden sind. Die prototypische Software befähigt Stadtklimatologen dazu, die Daten aufzubereiten, eine einzelne Messfahrt im Detail zu erkunden, und die Beobachtungen von mehreren Fahrten über verschiedene Routen zu aggregieren, um die visuelle Abgrenzung klimatischer Mikrobiome zu erleichtern. Das Tool erweitert traditionelle Analysemethoden durch Techniken, die einerseits Beziehungen zwischen den gemessenen Attributen aufdecken und die andererseits eine Verknüpfung zwischen den Messungen und ihrem räumlichen Kontext herstellen. Darüber hinaus wird eine verbesserte Methode für die Bereinigung der aufgenommenen Daten von Sensorträgheitseffekten beschrieben, die die räumliche Auflösung von Lufttemperaturmessungen, die mit einem langsamen Sensor aufgenommen wurden, erhöhen kann. Der interdisziplinäre Ansatz, der mit der vorliegenden Dissertation verfolgt wird, trägt sowohl zum Themenfeld der Geovisualisierung als auch zum Forschungsfeld der Stadtklimatologie bei. Die Lösungen, die im Laufe dieser Dissertation entwickelt wurden, sollen Stadtklimatologen einen qualitativ-visuellen Überblick über ihre speziellen Datensätze verschaffen, der dann mithilfe von bereichsspezifischen Analysekonzepten weiter verfeinert werden kann.

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Metadaten
Author:Kathrin Häb
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-41718
Advisor:Hans Hagen, Ariane Middel, Gerik Scheuermann
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2015/09/11
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2015/07/17
Date of the Publication (Server):2015/09/14
Number of page:V, 160
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Informatik
CCS-Classification (computer science):J. Computer Applications
DDC-Cassification:0 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft / 004 Informatik
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 30.07.2015