PhenoVis : a visual analysis tool to phenological phenomena

Abstract

Phenology studies recurrent periodic phenomena of plants and their relationship to environmental conditions. Monitoring forest ecosystems using digital cameras allows the study of several phenological events, such as leaf expansion or leaf fall. Since phenological phenomena are cyclic, the comparative analysis of successive years is capable of identifying interesting variation on annual patterns. However, the number of images collected rapidly gets significant since the goal is to compare data from several years. Instead of performing the analysis over images, experts prefer to use derived statistics (such as average values). We propose PhenoVis, a visual analytics tool that provides insightful ways to analyze phenological data. The main idea behind PhenoVis is the Chronological Percentage Maps (CPMs), a visual mapping that offers a summary view of one year of phenological data. CPMs are highly customizable, encoding more information about the images using a pre-defined histogram, a mapping function that translates histogram values into colors, and a normalized stacked bar chart to display the results. PhenoVis supports different color encodings, visual pattern analysis over CPMs, and similarity searches that rank vegetation patterns found at various time periods. Results for datasets comprising data of up to nine consecutive years show that PhenoVis is capable of finding relevant phenological patterns along time. Fenologia estuda os fenômenos recorrentes e periódicos que ocorrem com as plantas. Estes podem vir a ser relacionados com as condições ambientais. O monitoramento de florestas, através de câmeras, permite o estudo de eventos fenológicos como o crescimento e queda de folhas. Uma vez que os fenômenos fenológicos são cíclicos, análises comparativas de anos sucessivos podem identificar variações interessantes no comportamento destes. No entanto, o número de imagens cresce rapidamente para que sejam comparadas lado a lado. PhenoVis é uma ferramenta para análise visual que apresenta formas para analisar dados fenológicos através de comparações estatísticas (preferência dos especialistas) derivadas dos valores dos pixels destas imagens. A principal ideia por trás de PhenoVis são os mapas percentuais cronológicos (CPMs), um mapeamento visual com uma visão resumida de um período de um ano de dados fenológicos. CPMs são personalizáveis e conseguem representar mais informações sobre as imagens do que um gráfico de linha comum. Isto é possível pois o processo envolve o uso de histogramas pré-definidos, um mapeamento que transforma valores em cores e um empilhamento dos mapas de percentagem que visa a criação da CPM. PhenoVis suporta diferentes codificações de cores e análises de padrão visual sobre as CPMs. Pesquisas de similaridade ranqueiam padrões parecidos encontrados nos diferentes anos. Dados de até nove anos consecutivos mostram que PhenoVis é capaz de encontrar padrões fenológicos relevantes ao longo do tempo.