Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Algoritmi modeliranja dinamike ekosistemov z metodami matematične morfologije in teorije mrež

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
2.07.00  Tehnika  Računalništvo in informatika   

Koda Veda Področje
T120  Tehnološke vede  Sistemsko inženirstvo, računalniška tehnologija 

Koda Veda Področje
1.02  Naravoslovne vede  Računalništvo in informatika 
Ključne besede
računalništvo, dinamika ekosistemov, matematična morfologija, teorija mrež, kompleksne mreže, daljinsko zaznavanje, algoritmi, geografski informacijski sistemi.
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (14)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  37956  dr. Marko Bizjak  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2016 - 2017  40 
2.  36450  dr. Denis Horvat  Računalništvo in informatika  Mladi raziskovalec  2014 - 2017  26 
3.  37447  dr. David Jesenko  Računalništvo in informatika  Mladi raziskovalec  2015 - 2017  44 
4.  27605  dr. Milan Kobal  Gozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo  Raziskovalec  2014  350 
5.  21318  dr. Bogdan Lipuš  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  54 
6.  33709  dr. Niko Lukač  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  201 
7.  29243  dr. Domen Mongus  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  273 
8.  28150  Blaž Repnik  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  32 
9.  08638  dr. Krista Rizman Žalik  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2015 - 2017  185 
10.  10264  dr. Primož Simončič  Gozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo  Raziskovalec  2014 - 2017  702 
11.  28590  dr. Mitja Skudnik  Gozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo  Raziskovalec  2016 - 2017  353 
12.  26035  dr. Denis Špelič  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  62 
13.  22592  dr. Urša Vilhar  Gozdarstvo,  lesarstvo in papirništvo  Raziskovalec  2015 - 2017  417 
14.  06671  dr. Borut Žalik  Računalništvo in informatika  Vodja  2014 - 2017  848 
Organizacije (2)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0404  Gozdarski inštitut Slovenije  Ljubljana  5051673000  11.872 
2.  0796  Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko  Maribor  5089638003  27.403 
Povzetek
Smotrno upravljanje z okoljem predstavlja temeljni izziv, s katerim se srečuje ne samo Slovenija pač pa celotno človeštvo. Bistveno vlogo pri tem igrajo veliki ekosistemi, zlasti gozdovi, ki ključno vplivajo na kvaliteto življenja posameznega in z očitnimi družbeno-ekonomskim pomenom tudi na razvoj družbe. Zaradi velikih geografskih razsežnosti in ogromne množice njihovih neznatnih gradnikov je sistematično in celovito spremljanje razvoja takšnih ekosistemov izjemno zahtevno, do nedavnega celo nemogoče. Komaj z razvojem sodobnih tehnologij daljinskega zaznavanja, ki so revolucionarno spremenile področje zemeljskih opazovanj, se nam odpira možnost celostnega vpogleda v dinamiko njihovega delovanja. Napredni satelitski opazovalni sistemi iz programa Copernicus in sodobne tehnologije laserskega prebiranja LiDAR namreč omogočajo periodično spremljanje velikih geografskih površin z dovolj visoko ločljivostjo in natančnostjo, da lahko učinkovito razločujemo tudi tako majhne gradnike, kot so drevesa, podrast ali grmičevje. Vseeno pa ogromna količina heterogenih in kompleksnih podatkov, ki jih ti sistemu zajamejo, ostaja pomemben izziv prihodnosti, saj jih današnje programske rešitve še vedno niso zmožne sistematično in celovito obdelati. Preden lahko razvijemo celovito informacijsko okolje za učinkovito upravljanje z velikimi ekosistemi, se moramo tako spopasti z integracijo heterogenih podatkov zemeljskih opazovanj in implementacijo ustreznih analitičnih orodij za njihovo obdelavo ter razviti ustrezne modele njihove dinamike. Z razgradnjo podatkov zemeljskih opazovanj v njihove osnovne gradnike, njihovim zlivanjem in bogatenjem s komplementarnimi informacijami, vsebovanimi v raznolikih podatkovnih tipih, ter povezovanjem v kompleksno mrežo, bomo v predlaganem projektu razvili novo paradigmo podatkovne integracije. Razgradnjo specifičnih podatkovnih tipov in razpoznavo vsebovanih osnovnih gradnikov ekosistemov bomo osnovali na sodobnih dognanjih matematične morfologije, ki s formalizacijo aritmetike oblik omogoča napredne študije strukture vzorcev. Geometrijske lastnosti nam bodo omogočale določevanje njihovega socialnega položaja in, posledično, ugotavljanje medsebojnih vplivnosti. Te bomo predstavili s kompleksno mrežo, s čimer bomo odprli vrata razvoju številnih novih algoritmov na osnovi matematičnih in analitičnih metod, ki jih do danes še ni bilo mogoče uporabiti nad tako razsežnimi podatki. Ti algoritmi bodo izhajali predvsem iz metodoloških študij urejenosti na osnovi splošne teorije mrež ter statistično-topoloških lastnosti na osnovi teorije kompleksnih mrež. Ta temeljni preskok v snovanju algoritmov razpoznavanja vzorcev nam bo omogočil razvoj novih metod razpoznavanja kompleksnih struktur, sestavljenih iz več osnovnih gradnikov, same kompleksne mreže pa bomo lahko med seboj primerjali ter tako sistematično spremljali njihov razvoj. To pa je dejansko tudi temelj razpoznavanja interakcije med osnovnimi gradniki za izvedbo modelov dinamike velikih ekosistemov. Natančnost predlaganih primerov uporabe bomo preverili s terenskimi meritvami, medtem ko bomo potrditev koncepta izvedli z razvojem modela dinamike gozda, kjer bomo skupaj z domenskimi strokovnjaki preučili tekmovalnost med drevesi za njihov življenjski prostor in dostop do virov. Vse razvite metode bomo implementirali v obliki šibko sklopljenih storitev, s katerimi bomo razširili obstoječo platformo za obdelavo in strežbo geografskih podatkov. Nad storitvami bomo razvili uporabniško prijazno okolje, ki bo omogočalo njihovo orkestracijo in izvedbo analitičnih scenarijev na zahtevo.
Pomen za razvoj znanosti
V projektu smo razvili novo metodologijo za razpoznavo osnovnih gradnikov vegetacije z uporabo lokalno prilegajočih se ploskev. Nato smo z evolucijskim večkriterijskim algoritmom raziskovali povezovanje gradnikov v kompleksne mreže na podlagi skupnih lastnosti ali medsebojnega prepletanja. Na koncu smo z dvofaznim evolucijskim algoritmom zgradili funkcijsko predstavitev kompleksne mreže, ki omogoča domenskim strokovnjakom uporabo uveljavljenih matematičnih in statističnih orodij za študij procesov v kompleksnih mrežah. Algoritem smo aplicirali nad ekosistemom gozda/dreves ter ga uporabili za napoved razvoja posameznih dreves glede na njegove sosede, pri čemer so s svojim ekspertnim znanjem ključno vlogo odigrali strokovnjaki sodelujoče raziskovalne organizacije iz Gozdarskega inštituta Slovenije, ki so priskrbeli vhodne podatke in rezultate tudi ovrednotili. Opravljene raziskave smo objavili v prestižnih revijah s faktorjem vpliva. Po številu objavljenih člankov smo presegli zastavljene diseminacijske cilje iz projektne prijave. Članki, ki izhajajo neposredno iz projekta, so že v času trajanja projekta dobili več kot 30 čistih citatov. V sklopu projekta smo pridobili tudi ameriški patent. Prav tako smo bili nagrajeni za znanstvene dosežke (nagrada Danubius Young Scientist), kar daje raziskavi še dodatno mednarodno veljavo.
Pomen za razvoj Slovenije
Tehnologije opazovanja Zemlje prinašajo velike množine heterogenih podatkov in možnosti za najrazličnejše analize in načrtovanje, a je treba najprej razviti nove metodološke pristope in orodja. V projektu smo tako sistematično raziskali velike ekosisteme, zgradili predstavitev s kompleksno mrežo in le-to ovrednotili na ekosistemih gozdov. Le-ti pokrivajo skoraj 60 % površja Slovenije, gospodarjenje z njimi pa se srečuje z izzivi, kjer lahko pomembno vlogo odigrajo tudi izsledki našega projekta. Konkretno se njihov pomen za Slovenijo kaže v: 1. Uporabi s strani odločevalcev, lastnikov gozdov in Gozdarskega inštituta Slovenije. Slednji se edini v državi ukvarja s poglobljenimi raziskavami na področju trajnostnega gospodarjenja z gozdovi. Razvita aplikacija mu koristi npr. pri izdelavi digitalnega modela krošenj, ocen kazalnikov biotske raznolikosti, kazalnikov kroženja ogljika, ocen poškodovanosti gozda zaradi žleda, škodljivcev ali bolezni in študij vpliva gozdnogospodarskih ukrepov na mikroklimo, pa tudi pri spremljanju invazivnih tujerodnih vrst. Te študije so v oporo Ministrstvu za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano, Zavodu za gozdove Slovenije in lastnikom gozdov pri sprejemanju gozdnogospodarskih in gozdnogojitvenih načrtov ter odločitev npr. v zvezi z varstvom gozdov ali odpiranjem gozdov s prometnicami. 2. Uporabnosti za slovenska podjetja. Pričakujemo, da bo raziskava omogočala izboljšano gospodarjenje z gozdovi, kar prinaša pozitivne učinke tudi za slovensko lesno-predelovalno industrijo in energetsko rabo lesne biomase. V razvitih državah predstavlja vsakih 100 m3 predelanega lesa novo delovno mesto, medtem ko je sečnja v Sloveniji precej pod možnim posekom 6,5 mio m3, ko še ni ogrožena stabilnost gozdov in habitatov. 3. Promociji Slovenije in internacionalizaciji. Izsledke smo objavili v 8 člankih v prestižnih mednarodnih revijah, o aktualnosti in kakovosti le-teh pa priča že 31 čistih citatov. Udeležili smo se 13 mednarodnih konferenc, pridobili ameriški patent, eden od raziskovalcev pa je prejel nagrado Najboljši mladi znanstvenik Podonavja. K internacionalizaciji projektnih rezultatov pomembno prispeva vključevanje le-teh v mednarodne projekte. UM FERI je utrdila svoj položaj v Krovni evropski organizaciji za geografske informacije – EUROGI in Mednarodnem združenju za geografske informacijske sisteme – GISIG, v okviru katerih redno sodeluje na razpisih v domenah geoprostorskih podatkov in opazovanj Zemlje (H2020, ESA, InterReg), postala pa je tudi stalni partner v močnem konzorciju z inštitutom Fraunhofer in Nemško vesoljsko agencijo DLR. Ob zavedanju, da je npr. Evropska vesoljska agencija (ESA) vložila 3,5 mrd € v program Copernicus za satelitsko opazovanje Zemlje ter da gospodarstvo in raziskovalne inštitucije še niso zmožni izkoriščati vseh podatkov, se ponuja možnost, da dolgoročno postavimo Slovenijo med najbolj razvite države na tem področju. Pri tem pričakujemo, da bodo tudi izvozno usmerjena podjetja za izdelavo programske opreme, s katerimi uspešno sodelujemo (npr. XLab, d.o.o., DatCon, d.o.o., IGEA, d.o.o., Inova IT, d.o.o.), pomagala pri promociji razvitih orodij in izkoristila možnosti prodora na tuje trge. 4. Integraciji v izobraževanje. Predstavitev razvite metodologije in rabe na primeru gozdnih ekosistemov že vključujemo v študijska predmeta Principi geografskih informacijskih sistemov in Algoritmi analize masovnih podatkov v magistrskem programu Računalništva in informacijskih tehnologij na UM FERI. Pričakujemo, da bodo projektni izsledki našli mesto tudi v študijih gozdarstva in ekologije. V projektu je aktivno sodelovalo več mladih raziskovalcev in doktorskih študentov. Eden je medtem doktoriral, pridobljeno znanje in izkušnje pa izkoristil pri pridobitvi zaposlitve v podjetju za razvoj programske opreme v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Letno poročilo 2014, 2015, zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Letno poročilo 2014, 2015, zaključno poročilo
Zgodovina ogledov
Priljubljeno