An increasing number of applications requires user interfaces that facilitate the handling of large geodata sets. Using virtual 3D city models, complex geospatial information can be communicated visually in an intuitive way. Therefore, real-time visualization of virtual 3D city models represents a key functionality for interactive exploration, presentation, analysis, and manipulation of geospatial data. This thesis concentrates on the development and implementation of concepts and techniques for real-time city model visualization. It discusses rendering algorithms as well as complementary modeling concepts and interaction techniques. Particularly, the work introduces a new real-time rendering technique to handle city models of high complexity concerning texture size and number of textures. Such models are difficult to handle by current technology, primarily due to two problems: - Limited texture memory: The amount of simultaneously usable texture data is limited by the memory of the graphics hardware. - Limited number of textures: Using several thousand different textures simultaneously causes significant performance problems due to texture switch operations during rendering. The multiresolution texture atlases approach, introduced in this thesis, overcomes both problems. During rendering, it permanently maintains a small set of textures that are sufficient for the current view and the screen resolution available. The efficiency of multiresolution texture atlases is evaluated in performance tests. To summarize, the results demonstrate that the following goals have been achieved: - Real-time rendering becomes possible for 3D scenes whose amount of texture data exceeds the main memory capacity. - Overhead due to texture switches is kept permanently low, so that the number of different textures has no significant effect on the rendering frame rate. Furthermore, this thesis introduces two new approaches for real-time city model visualization that use textures as core visualization elements: - An approach for visualization of thematic information. - An approach for illustrative visualization of 3D city models. Both techniques demonstrate that multiresolution texture atlases provide a basic functionality for the development of new applications and systems in the domain of city model visualization. / Eine zunehmende Anzahl von Anwendungen benötigt Benutzungsschnittstellen, um den Umgang mit großen Geodatenmengen zu ermöglichen. Virtuelle 3D-Stadtmodelle bieten eine Möglichkeit, komplexe raumbezogene Informationen auf intuitive Art und Weise visuell erfassbar zu machen. Echtzeit-Visualisierung virtueller Stadtmodelle bildet daher eine Grundlage für die interaktive Exploration, Präsentation, Analyse und Bearbeitung raumbezogener Daten. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung von Konzepten und Techniken für die Echtzeit-Visualisierung virtueller 3D-Stadtmodelle. Diese umfassen sowohl Rendering-Algorithmen als auch dazu komplementäre Modellierungskonzepte und Interaktionstechniken. Insbesondere wird in dieser Arbeit eine neue Echtzeit-Rendering-Technik für Stadtmodelle hoher Komplexität hinsichtlich Texturgröße und Texturanzahl vorgestellt. Solche Modelle sind durch die derzeit zur Verfügung stehende Technologie schwierig zu bewältigen, vor allem aus zwei Gründen: - Begrenzter Textur-Speicher: Die Menge an gleichzeitig nutzbaren Texturdaten ist beschränkt durch den Speicher der Grafik-Hardware. - Begrenzte Textur-Anzahl: Die gleichzeitige Verwendung mehrerer tausend Texturen verursacht erhebliche Performance-Probleme aufgrund von Textur-Umschaltungs-Operationen während des Renderings. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren, das Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten löst beide Probleme. Während der Darstellung wird dazu permanent eine kleine Textur-Menge verwaltet, die für die aktuelle Sichtperspektive und die zur Verfügung stehende Bildschirmauflösung hinreichend ist. Die Effizienz des Verfahrens wird in Performance-Tests untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die folgenden Ziele erreicht werden: - Echtzeit-Darstellung wird für Modelle möglich, deren Texturdaten-Menge die Kapazität des Hauptspeichers übersteigt. - Der Overhead durch Textur-Umschaltungs-Operationen wird permanent niedrig gehalten, so dass die Anzahl der unterschiedlichen Texturen keinen wesentlichen Einfluss auf die Bildrate der Darstellung hat. Die Arbeit stellt außerdem zwei neue Ansätze zur 3D-Stadtmodell-Visualisierung vor, in denen Texturen als zentrale Visualisierungselemente eingesetzt werden: - Ein Verfahren zur Visualisierung thematischer Informationen. - Ein Verfahren zur illustrativen Visualisierung von 3D-Stadtmodellen. Beide Ansätze zeigen, dass Rendering mit Multiresolutions-Texturatlanten eine Grundlage für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der 3D-Stadtmodell-Visualisierung bietet.

This thesis presents methods, techniques and tools for developing three-dimensional representations of tactical intelligence assessments. Techniques from GIScience are combined with crime mapping methods. The range of methods applied in this study provides spatio-temporal GIS analysis as well as 3D geovisualisation and GIS programming. The work presents methods to enhance digital three-dimensional city models with application specific thematic information. This information facilitates further geovisual analysis, for instance, estimations of urban risks exposure. Specific methods and workflows are developed to facilitate the integration of spatio-temporal crime scene analysis results into 3D tactical intelligence assessments. Analysis comprises hotspot identification with kernel-density-estimation techniques (KDE), LISA-based verification of KDE hotspots as well as geospatial hotspot area characterisation and repeat victimisation analysis. To visualise the findings of such extensive geospatial analysis, three-dimensional geovirtual environments are created. Workflows are developed to integrate analysis results into these environments and to combine them with additional geospatial data. The resulting 3D visualisations allow for an efficient communication of complex findings of geospatial crime scene analysis. / Diese Arbeit präsentiert Methoden, Techniken und Werkzeuge für die Entwicklung dreidi-mensionaler Lagebilder. Zu diesem Zweck werden Verfahren der Geoinformatik mit solchen der raumbezogenen Straftatenanalyse kombiniert. Das Spektrum der angewandten Methoden und Techniken umfasst raumzeitliche GIS-Analysen ebenso wie 3D Geovisualisierungen und GIS-Anwendungsprogrammierung. Um komplexe geovisuelle Analysen auf Basis virtueller 3D-Stadtmodelle zu ermöglichen, werden Datenbanken digitaler Stadtmodelle um anwendungsspezifische Fachinformationen ergänzt. Dies ermöglicht weiterführende Analysen, zum Beispiel zur räumlichen Verteilung urbaner Risiken. Weiterhin präsentiert die Arbeit Methoden und Verfahren zur Integration der Ergebnisse komplexer raumzeitlicher Straftatenanalysen in dreidimensionale Lagebilder. Die durchgeführten Analysen umfassen die Identifikation von Brennpunkten spezifischer Delikte mittels Techniken der Kerndichteschätzung, die Verifikation dieser Hotspots durch LISA-Statistiken, GIS-basierte räumliche Charakterisierungen von Brennpunkten sowie Analysen zur wiederholten Viktimisierung. Zur Visualisierung der Ergebnisse komplexer raumzeitlicher Analysen werden dreidimensionale geovirtuelle Umgebungen erzeugt. Um weitere raumbezogene Daten ergänzt, werden sämtliche Analyseergebnisse in diese Umgebungen integriert. Die resultierenden 3D-Visualisierungen erlauben eine effiziente Kommunikation der Ergebnisse komplexer raumbezogener Straftatenanalysen.

Die vorliegende Masterarbeit behandelt den Entwurf und die exemplarische Umsetzung eines Arbeitsablaufs zur Aufbereitung von georeferenziertem Microblogging Content. Als beispielhafte Datenquelle wurde Twitter herangezogen. Darauf basierend, wurden Überlegungen angestellt, welche Arbeitsschritte nötig und mit welchen Mitteln sie am besten realisiert werden können. Dabei zeigte sich, dass eine ganze Reihe von Bausteinen aus dem Bereich des Data Mining und des Text Mining für eine Pipeline bereits vorhanden sind und diese zum Teil nur noch mit den richtigen Einstellungen aneinandergereiht werden müssen. Zwar kann eine logische Reihenfolge definiert werden, aber weitere Anpassungen auf die Fragestellung und die verwendeten Daten können notwendig sein. Unterstützt wird dieser Prozess durch verschiedenen Visualisierungen mittels Histogrammen, Wortwolken und Kartendarstellungen. So kann neues Wissen entdeckt und nach und nach die Parametrisierung der Schritte gemäß den Prinzipien des Geovisual Analytics verfeinert werden. Für eine exemplarische Umsetzung wurde nach der Betrachtung verschiedener Softwareprodukte die für statistische Anwendungen optimierte Programmiersprache R ausgewählt. Abschließend wurden die Software mit Daten von Twitter und Flickr evaluiert. / This Master's Thesis deals with the conception and exemplary implementation of a workflow for georeferenced Microblogging Content. Data from Twitter is used as an example and as a starting point to think about how to build that workflow. In the field of Data Mining and Text Mining, there was found a whole range of useful software modules that already exist. Mostly, they only need to get lined up to a process pipeline using appropriate preferences. Although a logical order can be defined, further adjustments according to the research question and the data are required. The process is supported by different forms of visualizations such as histograms, tag clouds and maps. This way new knowledge can be discovered and the options for the preparation can be improved. This way of knowledge discovery is already known as Geovisual Analytics. After a review of multiple existing software tools, the programming language R is used to implement the workflow as this language is optimized for solving statistical problems. Finally, the workflow has been tested using data from Twitter and Flickr.

The work describes the processing and analysis of remote sensing time series data for a comparative assessment of changes in different tropical rainforest areas in East Africa. In order to assess the effects of the derived changes in land cover and forest fragmentation, the study made use of spatially explicit modelling approaches within a geographical information system (GIS) to extrapolate sets of biological field findings in space and time. The analysis and modelling results were visualised aiming to consider the requirements of three different user groups. In order to evaluate measures of forest conservation and to derive recommendations for an effective forest management, quantitative landscape-scale assessments of land cover changes and their influence on forest biodiversity patterns are needed. However, few remote sensing studies have accounted for all of the following aspects at the same time: (i) a dense temporal sequence of land cover change/forest fragmentation information, (ii) the coverage of several decades, (iii) the distinction between multiple forest formations and (iv) direct comparisons of different case studies. In regards to linkages of remote sensing with biological field data, no attempts are known that use time series data for quantitative statements of long-term landscape-scale biodiversity changes. The work studies three officially protected forest areas in Eastern Africa: the Kakamega-Nandi forests in western Kenya (focus area) and Mabira Forest in south-eastern Uganda as well as Budongo Forest in western Uganda (for comparison purposes). Landsat imagery of in total eight or seven dates in regular intervals from 1972/73 to 2003 was used. Making use of supervised multispectral image classification procedures, in total, 12 land cover classes (six forest formations) were distinguished for the Kakamega-Nandi forests and for Budongo Forest while for Mabira Forest ten classes could be realised. An accuracy assessment via error matrices revealed overall classification accuracies between 81% and 85%. The Kakamega-Nandi forests show a continuous decrease between 1972/73 and 2001 of 31%, Mabira Forest experienced an abrupt loss of 24% in the late 1970s/early 1980s, while Budongo Forest shows a relatively stable forest cover extent. An assessment of the spatial patterns of forest losses revealed congruence with areas of high population density while a spatially explicit forest fragmentation index indicates a strong correlation of forest fragmentation with forest management regime and forest accessibility by roads. For the Kenyan focus area, three sets of biological field abundance data on keystone species/groups were used for a quantitative assessment of the influence of long-term changes in tropical forests on landscape-scale biodiversity patterns. For this purpose, the time series was extended with another three land cover data sets derived from aerial photography (1965/67, 1948/(52)) and old topographic maps (1912/13). To predict the spatio-temporal distribution of the army ant Dorylus wilverthi and of ant-following birds, GIS operators (i.e. focal and local functions) and statistical tests (i.e. OLS or SAR regression models) were combined into a spatial modelling procedure. Abundance data on three guilds of birds differing in forest dependency were directly extrapolated to five forest cover classes as distinguished in the time series. The results predict declines in species abundances of 56% for D. wilverthi, of 58% for ant-following birds and an overall loss of 47% for the bird habitat guilds, which in all three cases greatly exceed the rate of forest loss (31%). Additional extrapolations on scenarios of deforestation and reforestation confirmed the negative ecological consequences of splitting-up contiguous forest areas but also showed the potential of mixed indigenous forest plantings. The visualisation of the analysis and modelling results produced a mixture of different outcomes. Map series and a matrix of maps both showing species distributions aim to address scientists and decision makers. The results of the land cover change analysis were synthesised in a map of land cover development types for each study area, respectively. These maps are designed mainly for scientists. Additional maps of change, limited to a single class of forest cover and to three dates were generated to ensure an easy-to-grasp communication of the major forest changes to decision makers. Additionally, an easy-to-handle visualisation tool to be used by scientists, decision makers and local people was developed. For the future, an extension of this study towards a more complete assessment including more species/groups and also ecosystem functions and services would be desirable. Combining a framework for land cover simulation with a framework for running empirical extrapolation models in an automated manner could ideally result in a GIS-based, integrated forest ecosystem assessment tool to be used as regional spatial decision support system. / Die Arbeit beschreibt die Prozessierung und Analyse von Fernerkundungs-Zeitreihendaten für eine vergleichende Abschätzung von Veränderungen verschiedener tropischer Waldökosysteme Ostafrikas. Um Effekte der Veränderungen bzgl. Landbedeckung und Waldfragmentierung auf Biodiversitätsmuster abzuschätzen, wurden verschiedene räumlich explizite Modellierungssätze innerhalb eines geographischen Informationssystems (GIS) zur räumlichen und zeitlichen Extrapolation biologischer Felderhebungsdaten benutzt. Die Visualisierung der Analyse- und Modellierungsergebnisse erfolgte unter Berücksichtigung der Bedürfnisse von drei verschiedenen Nutzergruppen. Um Waldschutzmaßnahmen zu evaluieren und Empfehlungen für ein effektives Waldmanagement abzuleiten, sind quantitative Abschätzungen von Landbedeckungsveränderungen sowie von deren Einfluss auf tropische Waldbiodiversitätsmuster nötig. Wenige fernerkundungsbasierte Studien haben jedoch bislang alle der folgenden Faktoren berücksichtigt: (i) Informationen zu Veränderungen von Landbedeckung und Waldfragmentierung in dichter zeitlicher Sequenz, (ii) die Abdeckung mehrerer Jahrzehnte, (iii) die Unterscheidung zwischen mehreren Waldformationen, und (iv) direkte Vergleiche von unterschiedlichen Fallstudien. Hinsichtlich Verknüpfungen von Fernerkundung mit biologischen Felddaten sind bisher keine Studien bekannt, die Zeitreihendaten für quantitative Aussagen zu Langzeitveränderungen von Biodiversität auf Landschaftsebene verwenden. Die Arbeit untersucht drei offiziell geschützte Gebiete: die Kakamega-Nandi forests in Westkenia (Hauptuntersuchungsgebiet) sowie Mabira Forest in Südost-Uganda und Budongo Forest in West-Uganda (zu Vergleichszwecken). Es wurden Landsat-Daten für insgesamt acht bzw. sieben Zeitpunkte zwischen 1972/73 und 2003 in ungefähr gleichen Abständen erworben. Mit Hilfe von überwachten, multispektralen Klassifizierungsverfahren wurden für die Kakamega-Nandi forests und Budongo Forest jeweils 12 Landbedeckungsklassen (sechs Waldformationen) und für Mabira Forest zehn Klassen unterschieden. Eine Genauigkeitsprüfung mit Hilfe von Fehlermatrizen ergab Gesamtklassifizierungsgenauigkeiten zwischen 81% und 85%. Die Kakamega-Nandi forests sind durch eine kontinuierliche Waldabnahme von 31% zwischen 1972/73 und 2001 gekennzeichnet, Mabira Forest zeigt einen abrupten Waldverlust von 24% in den späten 1970ern/frühen 1980ern, während die Ergebnisse für Budongo Forest eine relativ stabile Waldbedeckung ausweisen. Während eine Abschätzung der räumlichen Muster von Waldverlusten eine hohe Deckungsgleichheit mit Gebieten hoher Bevölkerungsdichte ergab, deutet die Anwendung eines räumlich expliziten Waldfragmentierungsindexes auf eine starke Korrelation von Waldfragmentierung mit der Art von Waldmanagement sowie mit der Erreichbarkeit von Wald über Straßen hin. Um den Einfluss von Langzeit-Landbedeckungsveränderungen auf Biodiversitätsmuster auf Landschaftsebene für das kenianische Hauptuntersuchungsgebiet quantitativ abzuschätzen wurden drei Datensätze mit biologischen Felderhebungen zur Abundanz von Schlüsselarten/-gruppen verwendet. Zu diesem Zweck wurde die Zeitreihe zunächst um drei weitere Landbedeckungs-Datensätze ergänzt, die aus Luftbildern (1965/67, 1948/(52)) bzw. alten topographischen Karten (1912/13) gewonnen wurden. Zur Vorhersage der raum-zeitlichen Verteilung der Treiberameise Dorylus wilverthi wurden GIS-Operatoren und statistische Tests (OLS bzw. SAR Regressionsmodelle) in einem räumlichen Modellierungsablauf kombiniert. Abundanzdaten von drei sich hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von Wald unterscheidenden Vogelgilden wurden direkt auf fünf Waldbedeckungsklassen hochgerechnet, die in der Zeitreihe unterschieden werden konnten. Die Ergebnisse prognostizieren Abundanzabnahmen von 56% für D. wilverthi, von 58% für Ameisen-folgende Vögel und einen Gesamtverlust von 47% für die Vogelgilden, was in allen drei Fällen eine deutliche Überschreitung der Waldverlustrate von 31% darstellt. Zusätzliche Extrapolationen basierend auf Szenarien bestätigten die negativen ökologischen Konsequenzen der Zerteilung zusammenhängender Waldflächen bzw. zeigten andererseits das Potential von Aufforstungen mit einheimischen Arten auf. Die Visualisierung der Analyse- bzw. Modellierungsergebnisse führte zu unterschiedlichen Darstellungen: mit einer Reihe von nebeneinander positionierten Einzelkarten sowie einer Matrix von Einzelkarten, die jeweils Artenverteilungen zeigen, sollen Wissenschaftler und Entscheidungsträger angesprochen werden. Aus den Ergebnissen der Landbedeckungsanalyse für die drei Untersuchungsgebiete wurden Landbedeckungsveränderungstypen generiert und jeweils in einer synthetischen Karte dargestellt, die hauptsächlich für Wissenschaftler gedacht sind. Um die wesentlichen Waldveränderungen auch auf einfache Weise zu den Entscheidungsträgern zu kommunizieren, wurden zusätzliche Karten erstellt, die nur eine aggregierte Klasse „Waldbedeckung“ zeigen und jeweils auf drei Zeitschritte der Zeitreihen begrenzt sind. Zusätzlich wurde ein leicht zu bedienendes Visualisierungstool entwickelt, das für Wissenschaftler, Entscheidungsträger und die lokale Bevölkerung gedacht ist. Für die Zukunft wäre eine umfassendere Abschätzung unter Berücksichtigung zusätzlicher Arten/-gruppen sowie auch Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen wünschenswert. Die Verknüpfung einer Applikation zur Landbedeckungsmodellierung mit einer Applikation zur Ausführung von empirischen Extrapolationsmodellen (in stärkerem Maße automatisiert als in dieser Arbeit) könnte im Idealfall in ein GIS-basiertes Tool zur integrativen Bewertung von Waldökosystemen münden, das dann als räumliches Entscheidungsunterstützungssystem verwendet werden könnte.

In recent years emotion-related applications like smartphone apps that document and analyse the emotions of the user, have become very popular. But research also can deal with human emotions in a very technology-driven approach. Thus space-related emotions are of interest as well which can be visualised cartographically and can be captured in different ways. The research project of this dissertation deals with the extraction of georeferenced emotions from the written language in the metadata of Flickr and Panoramio photos, thus from user-generated content, as well as with their modelling and visualisation. Motivation is the integration of an emotional component into location-based services for tourism since only factual information is considered thus far although places have an emotional impact. The metadata of those user-generated photos contain descriptions of the place that is depicted within the respective picture. The words used have affective connotations which are determined with the help of emotional word lists. The emotion that is associated with the particular word in the word list is described on the basis of the two dimensions ‘valence’ and ‘arousal’. Together with the coordinates of the respective photo, the extracted emotion forms a georeferenced emotion. The algorithm that was developed for the extraction of these emotions applies different approaches from the field of computer linguistics and considers grammatical special cases like the amplification or negation of words. The algorithm was applied to a dataset of Flickr and Panoramio photos of Dresden (Germany). The results are an emotional characterisation of space which makes it possible to assess and investigate specific features of georeferenced emotions. These features are especially related to the temporal dependence and the temporal reference of emotions on one hand; on the other hand collectively and individually perceived emotions have to be distinguished. As a consequence, a place does not necessarily have to be connected with merely one emotion but possibly also with several. The analysis was carried out with the help of different cartographic visualisations. The temporal occurrence of georeferenced emotions was examined detailed. Hence the dissertation focuses on fundamental research into the extraction of space-related emotions from georeferenced user-generated content as well as their visualisation. However as an outlook, further research questions and core themes are identified which arose during the investigations. This shows that this subject is far from being exhausted. / In den letzten Jahren sind emotionsbezogene Anwendungen, wie Apps, die die Emotionen des Nutzers dokumentieren und analysieren, sehr populär geworden. Ebenfalls in der Forschung sind Emotionen in einem sehr technologiegetriebenen Ansatz ein Thema. So auch ortsbezogene Emotionen, die sich somit kartographisch darstellen lassen und auf verschiedene Art und Weisen gewonnen werden können. Das Forschungsvorhaben der Dissertation befasst sich mit der Extraktion von georeferenzierten Emotionen aus geschriebener Sprache unter Verwendung von Metadaten verorteter Flickr- und Panoramio-Fotos, d.h. aus nutzergenerierten Inhalten, sowie deren Modellierung und Visualisierung. Motivation hierfür ist die Einbindung einer emotionalen Komponente in ortsbasierte touristische Dienste, da diese bisher nur faktische Informationen berücksichtigen, obwohl Orte durchaus eine emotionale Wirkung haben. Die Metadaten dieser nutzergenerierten Inhalte stellen Beschreibungen des auf dem Foto festgehaltenen Ortes dar. Die dafür verwendeten Wörter besitzen affektive Konnotationen, welche mit Hilfe emotionaler Wortlisten ermittelt werden. Die Emotion, die mit dem jeweiligen Wort in der Wortliste assoziiert wird, wird anhand der zwei Dimensionen Valenz und Erregung beschrieben. Die extrahierten Emotionen bilden zusammen mit der geographischen Koordinate des jeweiligen Fotos eine georeferenzierte Emotion. Der zur Extraktion dieser Emotionen entwickelte Algorithmus bringt verschiedene Ansätze aus dem Bereich der Computerlinguistik zum Einsatz und berücksichtigt ebenso grammatikalische Sonderfälle, wie Intensivierung oder Negation von Wörtern. Der Algorithmus wurde auf einen Datensatz von Flickr- und Panoramio-Fotos von Dresden angewendet. Die Ergebnisse stellen eine emotionale Raumcharakterisierung dar und ermöglichen es, spezifische Eigenschaften verorteter Emotionen festzustellen und zu untersuchen. Diese Eigenschaften beziehen sich sowohl auf die zeitliche Abhängigkeit und den zeitlichen Bezug von Emotionen, als auch darauf, dass zwischen kollektiv und individuell wahrgenommenen Emotionen unterschieden werden muss. Das bedeutet, dass ein Ort nicht nur mit einer Emotion verbunden sein muss, sondern möglicherweise auch mit mehreren. Die Auswertung erfolgte mithilfe verschiedener kartographischer Visualisierungen. Eingehender wurde das zeitliche Auftreten der ortsbezogenen Emotionen untersucht. Der Fokus der Dissertation liegt somit auf der Grundlagenforschung zur Extraktion verorteter Emotionen aus georeferenzierten nutzergenerierten Inhalten sowie deren Visualisierung. Im Ausblick werden jedoch weitere Fragestellungen und Schwerpunkte genannt, die sich im Laufe der Untersuchungen ergeben haben, womit gezeigt wird, dass dieses Forschungsgebiet bei Weitem noch nicht ausgeschöpft ist.

In recent years emotion-related applications like smartphone apps that document and analyse the emotions of the user, have become very popular. But research also can deal with human emotions in a very technology-driven approach. Thus space-related emotions are of interest as well which can be visualised cartographically and can be captured in different ways. The research project of this dissertation deals with the extraction of georeferenced emotions from the written language in the metadata of Flickr and Panoramio photos, thus from user-generated content, as well as with their modelling and visualisation. Motivation is the integration of an emotional component into location-based services for tourism since only factual information is considered thus far although places have an emotional impact. The metadata of those user-generated photos contain descriptions of the place that is depicted within the respective picture. The words used have affective connotations which are determined with the help of emotional word lists. The emotion that is associated with the particular word in the word list is described on the basis of the two dimensions ‘valence’ and ‘arousal’. Together with the coordinates of the respective photo, the extracted emotion forms a georeferenced emotion. The algorithm that was developed for the extraction of these emotions applies different approaches from the field of computer linguistics and considers grammatical special cases like the amplification or negation of words. The algorithm was applied to a dataset of Flickr and Panoramio photos of Dresden (Germany). The results are an emotional characterisation of space which makes it possible to assess and investigate specific features of georeferenced emotions. These features are especially related to the temporal dependence and the temporal reference of emotions on one hand; on the other hand collectively and individually perceived emotions have to be distinguished. As a consequence, a place does not necessarily have to be connected with merely one emotion but possibly also with several. The analysis was carried out with the help of different cartographic visualisations. The temporal occurrence of georeferenced emotions was examined detailed. Hence the dissertation focuses on fundamental research into the extraction of space-related emotions from georeferenced user-generated content as well as their visualisation. However as an outlook, further research questions and core themes are identified which arose during the investigations. This shows that this subject is far from being exhausted.:Statement of Authorship I Acknowledgements II Abstract III Zusammenfassung V Table of Contents VII List of Figures XI List of Tables XIV List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Research Questions 3 1.3 Thesis Structure 4 1.4 Underlying Publications 4 2 State of the Art 6 2.1 Emotions 6 2.1.1 Definitions and Terms 6 2.1.2 Emotion Theories 7 2.1.2.1 James-Lange Theory 9 2.1.2.2 Two-Factor Theory 9 2.1.3 Structuring Emotions 9 2.1.3.1 Dimensional Approaches 10 2.1.3.2 Basic Emotions 11 2.1.3.3 Empirical Similarity Categories 12 2.1.4 Acquisition of Emotions 14 2.1.4.1 Verbal Procedures 14 2.1.4.2 Non-Verbal Procedures 14 2.1.5 Relation between Emotions and Places 15 2.1.6 Emotions in Language 17 2.1.7 Affect Analysis and Sentiment Analysis 20 2.2 User-Generated Content 22 2.2.1 Definition and Characterisation 22 2.2.2 Advantages and Disadvantages 23 2.2.3 Tagging 24 2.2.4 Inaccuracies 28 2.2.5 Flickr and Panoramio 29 2.2.5.1 Flickr 30 2.2.5.2 Panoramio 31 2.3 Related Work on Georeferenced Emotions 32 2.3.1 Emotional Data Resulting from Biometric Measurements 33 2.3.1.1 Bio Mapping 33 2.3.1.2 EmBaGIS 34 2.3.1.3 Ein emotionales Kiezportrait 35 2.3.2 Emotional Data Resulting from Empirical Surveys 35 2.3.2.1 EmoMap 35 2.3.2.2 WiMo 36 2.3.2.3 ECDESUP 37 2.3.2.4 Map of World Happiness 38 2.3.2.5 Emotional Study of Yeongsan River Basin 39 2.3.3 Emotional Data Resulting from User-Generated Content 40 2.3.3.1 Emography 40 2.3.3.2 Twittermood 40 2.3.3.3 Tweetbeat 42 2.3.3.4 Beautiful picture of an ugly place 42 2.3.4 Visualisation in the Related Work 43 3 Methods 45 3.1 Approach for Extracting Georeferenced Emotions from the Metadata of Flickr and Panoramio Photos 45 3.2 Implemented Algorithm 45 3.3 Grammatical Special Cases 47 3.3.1 Degree Words 48 3.3.2 Negation 52 3.3.2.1 Syntactic Negation in English Language 55 3.3.2.2 Syntactic Negation in German Language 57 3.3.3 Modification of Words Affected by Grammatical Special Cases 60 4 Visualisation and Analysis of Extracted Georeferenced Emotions 62 4.1 Data Basis 62 4.2 Density Maps 67 4.3 Inverse Distance Weight 71 4.4 3D Visualisation 73 4.5 Choropleth Mapping 74 4.6 Point Symbols 78 4.7 Impact of Considering Grammatical Special Cases 80 5 Investigation in Temporal Aspects 85 5.1 Annually Occurrence of Emotions 85 5.2 Periodic Events 87 5.3 Single Events 91 5.4 Dependence of Georeferenced Emotions on Different Periods of Time 93 5.4.1 Seasons 95 5.4.2 Months 96 5.4.3 Weekdays 98 5.4.4 Times of Day 99 5.5 Potentials and Limits of Temporal Analyses 99 6 Discussion 100 6.1 Evaluation 100 6.2 Weaknesses and Problems 102 7 Conclusions and Outlook 105 7.1 Answers to the Research Questions 105 7.2 Outlook and Future Work 107 8 Bibliography 112 Appendices XVI / In den letzten Jahren sind emotionsbezogene Anwendungen, wie Apps, die die Emotionen des Nutzers dokumentieren und analysieren, sehr populär geworden. Ebenfalls in der Forschung sind Emotionen in einem sehr technologiegetriebenen Ansatz ein Thema. So auch ortsbezogene Emotionen, die sich somit kartographisch darstellen lassen und auf verschiedene Art und Weisen gewonnen werden können. Das Forschungsvorhaben der Dissertation befasst sich mit der Extraktion von georeferenzierten Emotionen aus geschriebener Sprache unter Verwendung von Metadaten verorteter Flickr- und Panoramio-Fotos, d.h. aus nutzergenerierten Inhalten, sowie deren Modellierung und Visualisierung. Motivation hierfür ist die Einbindung einer emotionalen Komponente in ortsbasierte touristische Dienste, da diese bisher nur faktische Informationen berücksichtigen, obwohl Orte durchaus eine emotionale Wirkung haben. Die Metadaten dieser nutzergenerierten Inhalte stellen Beschreibungen des auf dem Foto festgehaltenen Ortes dar. Die dafür verwendeten Wörter besitzen affektive Konnotationen, welche mit Hilfe emotionaler Wortlisten ermittelt werden. Die Emotion, die mit dem jeweiligen Wort in der Wortliste assoziiert wird, wird anhand der zwei Dimensionen Valenz und Erregung beschrieben. Die extrahierten Emotionen bilden zusammen mit der geographischen Koordinate des jeweiligen Fotos eine georeferenzierte Emotion. Der zur Extraktion dieser Emotionen entwickelte Algorithmus bringt verschiedene Ansätze aus dem Bereich der Computerlinguistik zum Einsatz und berücksichtigt ebenso grammatikalische Sonderfälle, wie Intensivierung oder Negation von Wörtern. Der Algorithmus wurde auf einen Datensatz von Flickr- und Panoramio-Fotos von Dresden angewendet. Die Ergebnisse stellen eine emotionale Raumcharakterisierung dar und ermöglichen es, spezifische Eigenschaften verorteter Emotionen festzustellen und zu untersuchen. Diese Eigenschaften beziehen sich sowohl auf die zeitliche Abhängigkeit und den zeitlichen Bezug von Emotionen, als auch darauf, dass zwischen kollektiv und individuell wahrgenommenen Emotionen unterschieden werden muss. Das bedeutet, dass ein Ort nicht nur mit einer Emotion verbunden sein muss, sondern möglicherweise auch mit mehreren. Die Auswertung erfolgte mithilfe verschiedener kartographischer Visualisierungen. Eingehender wurde das zeitliche Auftreten der ortsbezogenen Emotionen untersucht. Der Fokus der Dissertation liegt somit auf der Grundlagenforschung zur Extraktion verorteter Emotionen aus georeferenzierten nutzergenerierten Inhalten sowie deren Visualisierung. Im Ausblick werden jedoch weitere Fragestellungen und Schwerpunkte genannt, die sich im Laufe der Untersuchungen ergeben haben, womit gezeigt wird, dass dieses Forschungsgebiet bei Weitem noch nicht ausgeschöpft ist.:Statement of Authorship I Acknowledgements II Abstract III Zusammenfassung V Table of Contents VII List of Figures XI List of Tables XIV List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Research Questions 3 1.3 Thesis Structure 4 1.4 Underlying Publications 4 2 State of the Art 6 2.1 Emotions 6 2.1.1 Definitions and Terms 6 2.1.2 Emotion Theories 7 2.1.2.1 James-Lange Theory 9 2.1.2.2 Two-Factor Theory 9 2.1.3 Structuring Emotions 9 2.1.3.1 Dimensional Approaches 10 2.1.3.2 Basic Emotions 11 2.1.3.3 Empirical Similarity Categories 12 2.1.4 Acquisition of Emotions 14 2.1.4.1 Verbal Procedures 14 2.1.4.2 Non-Verbal Procedures 14 2.1.5 Relation between Emotions and Places 15 2.1.6 Emotions in Language 17 2.1.7 Affect Analysis and Sentiment Analysis 20 2.2 User-Generated Content 22 2.2.1 Definition and Characterisation 22 2.2.2 Advantages and Disadvantages 23 2.2.3 Tagging 24 2.2.4 Inaccuracies 28 2.2.5 Flickr and Panoramio 29 2.2.5.1 Flickr 30 2.2.5.2 Panoramio 31 2.3 Related Work on Georeferenced Emotions 32 2.3.1 Emotional Data Resulting from Biometric Measurements 33 2.3.1.1 Bio Mapping 33 2.3.1.2 EmBaGIS 34 2.3.1.3 Ein emotionales Kiezportrait 35 2.3.2 Emotional Data Resulting from Empirical Surveys 35 2.3.2.1 EmoMap 35 2.3.2.2 WiMo 36 2.3.2.3 ECDESUP 37 2.3.2.4 Map of World Happiness 38 2.3.2.5 Emotional Study of Yeongsan River Basin 39 2.3.3 Emotional Data Resulting from User-Generated Content 40 2.3.3.1 Emography 40 2.3.3.2 Twittermood 40 2.3.3.3 Tweetbeat 42 2.3.3.4 Beautiful picture of an ugly place 42 2.3.4 Visualisation in the Related Work 43 3 Methods 45 3.1 Approach for Extracting Georeferenced Emotions from the Metadata of Flickr and Panoramio Photos 45 3.2 Implemented Algorithm 45 3.3 Grammatical Special Cases 47 3.3.1 Degree Words 48 3.3.2 Negation 52 3.3.2.1 Syntactic Negation in English Language 55 3.3.2.2 Syntactic Negation in German Language 57 3.3.3 Modification of Words Affected by Grammatical Special Cases 60 4 Visualisation and Analysis of Extracted Georeferenced Emotions 62 4.1 Data Basis 62 4.2 Density Maps 67 4.3 Inverse Distance Weight 71 4.4 3D Visualisation 73 4.5 Choropleth Mapping 74 4.6 Point Symbols 78 4.7 Impact of Considering Grammatical Special Cases 80 5 Investigation in Temporal Aspects 85 5.1 Annually Occurrence of Emotions 85 5.2 Periodic Events 87 5.3 Single Events 91 5.4 Dependence of Georeferenced Emotions on Different Periods of Time 93 5.4.1 Seasons 95 5.4.2 Months 96 5.4.3 Weekdays 98 5.4.4 Times of Day 99 5.5 Potentials and Limits of Temporal Analyses 99 6 Discussion 100 6.1 Evaluation 100 6.2 Weaknesses and Problems 102 7 Conclusions and Outlook 105 7.1 Answers to the Research Questions 105 7.2 Outlook and Future Work 107 8 Bibliography 112 Appendices XVI

Die vorliegende Masterarbeit behandelt den Entwurf und die exemplarische Umsetzung eines Arbeitsablaufs zur Aufbereitung von georeferenziertem Microblogging Content. Als beispielhafte Datenquelle wurde Twitter herangezogen. Darauf basierend, wurden Überlegungen angestellt, welche Arbeitsschritte nötig und mit welchen Mitteln sie am besten realisiert werden können. Dabei zeigte sich, dass eine ganze Reihe von Bausteinen aus dem Bereich des Data Mining und des Text Mining für eine Pipeline bereits vorhanden sind und diese zum Teil nur noch mit den richtigen Einstellungen aneinandergereiht werden müssen. Zwar kann eine logische Reihenfolge definiert werden, aber weitere Anpassungen auf die Fragestellung und die verwendeten Daten können notwendig sein. Unterstützt wird dieser Prozess durch verschiedenen Visualisierungen mittels Histogrammen, Wortwolken und Kartendarstellungen. So kann neues Wissen entdeckt und nach und nach die Parametrisierung der Schritte gemäß den Prinzipien des Geovisual Analytics verfeinert werden. Für eine exemplarische Umsetzung wurde nach der Betrachtung verschiedener Softwareprodukte die für statistische Anwendungen optimierte Programmiersprache R ausgewählt. Abschließend wurden die Software mit Daten von Twitter und Flickr evaluiert. / This Master's Thesis deals with the conception and exemplary implementation of a workflow for georeferenced Microblogging Content. Data from Twitter is used as an example and as a starting point to think about how to build that workflow. In the field of Data Mining and Text Mining, there was found a whole range of useful software modules that already exist. Mostly, they only need to get lined up to a process pipeline using appropriate preferences. Although a logical order can be defined, further adjustments according to the research question and the data are required. The process is supported by different forms of visualizations such as histograms, tag clouds and maps. This way new knowledge can be discovered and the options for the preparation can be improved. This way of knowledge discovery is already known as Geovisual Analytics. After a review of multiple existing software tools, the programming language R is used to implement the workflow as this language is optimized for solving statistical problems. Finally, the workflow has been tested using data from Twitter and Flickr.

The work describes the processing and analysis of remote sensing time series data for a comparative assessment of changes in different tropical rainforest areas in East Africa. In order to assess the effects of the derived changes in land cover and forest fragmentation, the study made use of spatially explicit modelling approaches within a geographical information system (GIS) to extrapolate sets of biological field findings in space and time. The analysis and modelling results were visualised aiming to consider the requirements of three different user groups. In order to evaluate measures of forest conservation and to derive recommendations for an effective forest management, quantitative landscape-scale assessments of land cover changes and their influence on forest biodiversity patterns are needed. However, few remote sensing studies have accounted for all of the following aspects at the same time: (i) a dense temporal sequence of land cover change/forest fragmentation information, (ii) the coverage of several decades, (iii) the distinction between multiple forest formations and (iv) direct comparisons of different case studies. In regards to linkages of remote sensing with biological field data, no attempts are known that use time series data for quantitative statements of long-term landscape-scale biodiversity changes. The work studies three officially protected forest areas in Eastern Africa: the Kakamega-Nandi forests in western Kenya (focus area) and Mabira Forest in south-eastern Uganda as well as Budongo Forest in western Uganda (for comparison purposes). Landsat imagery of in total eight or seven dates in regular intervals from 1972/73 to 2003 was used. Making use of supervised multispectral image classification procedures, in total, 12 land cover classes (six forest formations) were distinguished for the Kakamega-Nandi forests and for Budongo Forest while for Mabira Forest ten classes could be realised. An accuracy assessment via error matrices revealed overall classification accuracies between 81% and 85%. The Kakamega-Nandi forests show a continuous decrease between 1972/73 and 2001 of 31%, Mabira Forest experienced an abrupt loss of 24% in the late 1970s/early 1980s, while Budongo Forest shows a relatively stable forest cover extent. An assessment of the spatial patterns of forest losses revealed congruence with areas of high population density while a spatially explicit forest fragmentation index indicates a strong correlation of forest fragmentation with forest management regime and forest accessibility by roads. For the Kenyan focus area, three sets of biological field abundance data on keystone species/groups were used for a quantitative assessment of the influence of long-term changes in tropical forests on landscape-scale biodiversity patterns. For this purpose, the time series was extended with another three land cover data sets derived from aerial photography (1965/67, 1948/(52)) and old topographic maps (1912/13). To predict the spatio-temporal distribution of the army ant Dorylus wilverthi and of ant-following birds, GIS operators (i.e. focal and local functions) and statistical tests (i.e. OLS or SAR regression models) were combined into a spatial modelling procedure. Abundance data on three guilds of birds differing in forest dependency were directly extrapolated to five forest cover classes as distinguished in the time series. The results predict declines in species abundances of 56% for D. wilverthi, of 58% for ant-following birds and an overall loss of 47% for the bird habitat guilds, which in all three cases greatly exceed the rate of forest loss (31%). Additional extrapolations on scenarios of deforestation and reforestation confirmed the negative ecological consequences of splitting-up contiguous forest areas but also showed the potential of mixed indigenous forest plantings. The visualisation of the analysis and modelling results produced a mixture of different outcomes. Map series and a matrix of maps both showing species distributions aim to address scientists and decision makers. The results of the land cover change analysis were synthesised in a map of land cover development types for each study area, respectively. These maps are designed mainly for scientists. Additional maps of change, limited to a single class of forest cover and to three dates were generated to ensure an easy-to-grasp communication of the major forest changes to decision makers. Additionally, an easy-to-handle visualisation tool to be used by scientists, decision makers and local people was developed. For the future, an extension of this study towards a more complete assessment including more species/groups and also ecosystem functions and services would be desirable. Combining a framework for land cover simulation with a framework for running empirical extrapolation models in an automated manner could ideally result in a GIS-based, integrated forest ecosystem assessment tool to be used as regional spatial decision support system. / Die Arbeit beschreibt die Prozessierung und Analyse von Fernerkundungs-Zeitreihendaten für eine vergleichende Abschätzung von Veränderungen verschiedener tropischer Waldökosysteme Ostafrikas. Um Effekte der Veränderungen bzgl. Landbedeckung und Waldfragmentierung auf Biodiversitätsmuster abzuschätzen, wurden verschiedene räumlich explizite Modellierungssätze innerhalb eines geographischen Informationssystems (GIS) zur räumlichen und zeitlichen Extrapolation biologischer Felderhebungsdaten benutzt. Die Visualisierung der Analyse- und Modellierungsergebnisse erfolgte unter Berücksichtigung der Bedürfnisse von drei verschiedenen Nutzergruppen. Um Waldschutzmaßnahmen zu evaluieren und Empfehlungen für ein effektives Waldmanagement abzuleiten, sind quantitative Abschätzungen von Landbedeckungsveränderungen sowie von deren Einfluss auf tropische Waldbiodiversitätsmuster nötig. Wenige fernerkundungsbasierte Studien haben jedoch bislang alle der folgenden Faktoren berücksichtigt: (i) Informationen zu Veränderungen von Landbedeckung und Waldfragmentierung in dichter zeitlicher Sequenz, (ii) die Abdeckung mehrerer Jahrzehnte, (iii) die Unterscheidung zwischen mehreren Waldformationen, und (iv) direkte Vergleiche von unterschiedlichen Fallstudien. Hinsichtlich Verknüpfungen von Fernerkundung mit biologischen Felddaten sind bisher keine Studien bekannt, die Zeitreihendaten für quantitative Aussagen zu Langzeitveränderungen von Biodiversität auf Landschaftsebene verwenden. Die Arbeit untersucht drei offiziell geschützte Gebiete: die Kakamega-Nandi forests in Westkenia (Hauptuntersuchungsgebiet) sowie Mabira Forest in Südost-Uganda und Budongo Forest in West-Uganda (zu Vergleichszwecken). Es wurden Landsat-Daten für insgesamt acht bzw. sieben Zeitpunkte zwischen 1972/73 und 2003 in ungefähr gleichen Abständen erworben. Mit Hilfe von überwachten, multispektralen Klassifizierungsverfahren wurden für die Kakamega-Nandi forests und Budongo Forest jeweils 12 Landbedeckungsklassen (sechs Waldformationen) und für Mabira Forest zehn Klassen unterschieden. Eine Genauigkeitsprüfung mit Hilfe von Fehlermatrizen ergab Gesamtklassifizierungsgenauigkeiten zwischen 81% und 85%. Die Kakamega-Nandi forests sind durch eine kontinuierliche Waldabnahme von 31% zwischen 1972/73 und 2001 gekennzeichnet, Mabira Forest zeigt einen abrupten Waldverlust von 24% in den späten 1970ern/frühen 1980ern, während die Ergebnisse für Budongo Forest eine relativ stabile Waldbedeckung ausweisen. Während eine Abschätzung der räumlichen Muster von Waldverlusten eine hohe Deckungsgleichheit mit Gebieten hoher Bevölkerungsdichte ergab, deutet die Anwendung eines räumlich expliziten Waldfragmentierungsindexes auf eine starke Korrelation von Waldfragmentierung mit der Art von Waldmanagement sowie mit der Erreichbarkeit von Wald über Straßen hin. Um den Einfluss von Langzeit-Landbedeckungsveränderungen auf Biodiversitätsmuster auf Landschaftsebene für das kenianische Hauptuntersuchungsgebiet quantitativ abzuschätzen wurden drei Datensätze mit biologischen Felderhebungen zur Abundanz von Schlüsselarten/-gruppen verwendet. Zu diesem Zweck wurde die Zeitreihe zunächst um drei weitere Landbedeckungs-Datensätze ergänzt, die aus Luftbildern (1965/67, 1948/(52)) bzw. alten topographischen Karten (1912/13) gewonnen wurden. Zur Vorhersage der raum-zeitlichen Verteilung der Treiberameise Dorylus wilverthi wurden GIS-Operatoren und statistische Tests (OLS bzw. SAR Regressionsmodelle) in einem räumlichen Modellierungsablauf kombiniert. Abundanzdaten von drei sich hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von Wald unterscheidenden Vogelgilden wurden direkt auf fünf Waldbedeckungsklassen hochgerechnet, die in der Zeitreihe unterschieden werden konnten. Die Ergebnisse prognostizieren Abundanzabnahmen von 56% für D. wilverthi, von 58% für Ameisen-folgende Vögel und einen Gesamtverlust von 47% für die Vogelgilden, was in allen drei Fällen eine deutliche Überschreitung der Waldverlustrate von 31% darstellt. Zusätzliche Extrapolationen basierend auf Szenarien bestätigten die negativen ökologischen Konsequenzen der Zerteilung zusammenhängender Waldflächen bzw. zeigten andererseits das Potential von Aufforstungen mit einheimischen Arten auf. Die Visualisierung der Analyse- bzw. Modellierungsergebnisse führte zu unterschiedlichen Darstellungen: mit einer Reihe von nebeneinander positionierten Einzelkarten sowie einer Matrix von Einzelkarten, die jeweils Artenverteilungen zeigen, sollen Wissenschaftler und Entscheidungsträger angesprochen werden. Aus den Ergebnissen der Landbedeckungsanalyse für die drei Untersuchungsgebiete wurden Landbedeckungsveränderungstypen generiert und jeweils in einer synthetischen Karte dargestellt, die hauptsächlich für Wissenschaftler gedacht sind. Um die wesentlichen Waldveränderungen auch auf einfache Weise zu den Entscheidungsträgern zu kommunizieren, wurden zusätzliche Karten erstellt, die nur eine aggregierte Klasse „Waldbedeckung“ zeigen und jeweils auf drei Zeitschritte der Zeitreihen begrenzt sind. Zusätzlich wurde ein leicht zu bedienendes Visualisierungstool entwickelt, das für Wissenschaftler, Entscheidungsträger und die lokale Bevölkerung gedacht ist. Für die Zukunft wäre eine umfassendere Abschätzung unter Berücksichtigung zusätzlicher Arten/-gruppen sowie auch Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen wünschenswert. Die Verknüpfung einer Applikation zur Landbedeckungsmodellierung mit einer Applikation zur Ausführung von empirischen Extrapolationsmodellen (in stärkerem Maße automatisiert als in dieser Arbeit) könnte im Idealfall in ein GIS-basiertes Tool zur integrativen Bewertung von Waldökosystemen münden, das dann als räumliches Entscheidungsunterstützungssystem verwendet werden könnte.