Chetverikov B. Methodology of Using Remote Sensing Data and Ground Penetrating Radar in Monitoring Cultural Heritage Lands

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0524U000402

Applicant for

Specialization

  • 05.24.04 - Кадастр та моніторинг земель

18-12-2024

Specialized Academic Board

Д 26.056.09

Kyiv National University of Construction and Architecture

Essay

The dissertation addresses general theoretical aspects of studying objects of historical and cultural heritage using various remote sensing (RS) methods as well as non-invasive ground-based techniques, such as ground-penetrating radar (GPR) surveying. The research is dedicated to the comprehensive study of lands designated for historical and cultural purposes through interdisciplinary approaches, including geoinformation analysis, remote sensing (RS), and GPR surveying. The results demonstrate that integrating remote sensing and GPR data enables highly accurate delineation of heritage site boundaries and their protection zones. A conceptual model for monitoring historical and cultural lands has been developed based on the collected data. This model outlines a step-by-step process for data collection, analysis, and interpretation. The synergy of remote sensing and GPR methods is proposed to improve the reliability of data interpretation. The author has systematized various research methods, including satellite imagery, aerial photography, and LiDAR scanning. New approaches to 3D modeling of objects have been developed using aerial photography from unmanned aerial vehicles (UAVs) and airborne LiDAR scanning. The effectiveness of these methods, applied collectively, is substantiated for detailed monitoring and analysis of cultural heritage sites. The integration of data from various sources was assessed, showcasing the advantages of creating accurate 3D models and identifying potential threats to preservation. The dissertation introduces and implements an innovative conceptual model for monitoring historical and cultural lands, based on state-of-the-art remote sensing (RS) and GPR technologies. Leveraging current scientific advancements and technological innovations, a new approach to studying cultural heritage objects has been established, encompassing both surface and subsurface elements. A comprehensive method for detecting anomalies and refining object boundaries has been developed, allowing for adjustments to their protection zones. The research confirms that the synergy of RS and GPR methods provides high accuracy in data analysis and more effective preservation of cultural heritage sites. The advantages and limitations of each method, as well as their combinations, for monitoring historical and cultural lands were analyzed. The integration of data into three-dimensional models revealed potential threats and anomalies with high clarity. Key aspects for improving research technologies and ensuring efficient monitoring of historical and cultural lands were identified by the author. Particular attention in the study is given to developing general mathematical models for combining radar and GPR data. New models have been created based on advanced technologies and methodological approaches, ensuring synergy of information from diverse sources. The integration of radar and GPR data is proposed to enhance the detection of vertical displacements and characteristics of subsurface objects. The research systematizes the main mathematical approaches and technologies used for merging data from these two sources. In developing data fusion algorithms, a unified three-dimensional model was created, improving data integration and monitoring accuracy. A unique software module, 3DDEM&RADAR, was developed and implemented, enabling the combined visualization of 3D models of digital surface models and GPR data. The module comprises three functional blocks that automatically identify research areas, integrate data with varying resolutions, and generate precise 3D models. This significantly enhances the monitoring of historical and cultural objects and the accuracy of cadastral boundary adjustments for historical and cultural lands.

Research papers

1. Trevoho, I., Chetverikov, B., Babiy, L. & Malanchuk, M. (2020). Monitoring of displacements and deformations of the earth’s surface near the Stebnyk city using radar images of Sentinel-1. Geodesy and Cartography, 69.(1.), 85–96. https://doi.org/10.24425/gac.2020.131079

2. Ievsiukov, T., Chetverikov, B., Openko, І., Kovalchuk, І., Shevchenko, O., Stepchuk, Y., Tykhenko, R. & Makarov, О. (2022). Topographic and geodetic support for the development of the GIS register of Polish burials – case study on Baikove cemetery in Kyiv. Scientific Papers. Series E. Land Reclamation, Earth Observation & Surveying, Environmental Engineering, 11, 398–405.

3. Chetverikov B., Różycki S., Malitskyy A. & Babiy L. (2024). Application of Orthophoto Maps Created from UAV Aerial Images for Monitoring Historical and Cultural Heritage Lands. Journal of Environmental & Earth Sciences, 6(2), 144–163. https://doi.org/10.30564/jees.v6i2.6360

4. Chetverikov, B., Hlotov, V. & Bakuła, K. (2024). Clarification of the Boundaries of Lands of Historical and Cultural Heritage and Determination of Their Protection Zones by Remote Sensing Methods. Land, 13(7), 923. https://doi.org/10.3390/land13070923

5. Chetverikov, B., Babiy, L., Oryński, S. & Różycki, S. (2024). Methods for Designating Protective Zones of Historical and Cultural Purpose Using Non-Invasive Methods—Two Case Studies for Ukraine and Poland. Remote Sensing, 16(13), 2330. https://doi.org/10.3390/rs16132330

6. Chetverikov B, Hlotov V & Bakuła K. (2024). Development of a Software Module for Studying Historical and Cultural Heritage Objects Using Non-Invasive Research Data. Heritage, 7(8), 4131-4148. https://doi.org/10.3390/heritage7080194

7. Четверіков Б. В. & Процик М. Т. (2023). Розроблення макета та основних функцій програмного модуля візуалізації результатів обробки геопросторових даних . Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва : збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК, 2 (46), 106–112.

8. Четверіков Б.В., Бондар К.М., Хоменко Р.В., Діденко С.В. & Шейхет М.Г. (2017). Визначення розташування історичних об'єктів за допомогою фотограмметричного методу та методів наземних неруйнівних досліджень. Геодезія, картографія і аерофотознімання, 85, 94-103.

9. Chetverikov B., Lompas O., Protsyk M. & Teteruk D. (2019) Estimation aссuracy of orthotransformation of space images applying satellite Pleiades-1 for GNSS surveying. Геодезія, картографія та аерофотознімання, 89, 36-43

10. Chetverikov B.V., Babiy L.V., Protsyk M.T. & Ilkiv T.J. (2019). Error estimation of DEM of orthotransformation of aerial images obtained from UAVs on the mountainous local site in the village Shidnytsya. Геодезія, картографія та аерофотознімання, 90, 65-73.

11. Четверіков Б. В., Хінціцький О. В. & Калинич І. Методика картографування об’єктів історико-культурної спадщини засобами ГІС-технологій з використанням архівних картографічних та аероматеріалів. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва : збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК, 1(41), 97–103.

12. Четверіков Б. В., Ванчура Р. Б. & Смолій К. Б. (2022). Методика визначення планового положення інфраструктури зруйнованого Звенигородського замку. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва : збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК, 1(43), 71–77.

13. Четверіков Б., Бабій Л., Кузик З., Заяць І. & Процик М. (2022). Дослідження цифрових моделей рельєфу нерухомих об’єктів історико-культурної спадщини, створених за різні роки. Геодезія, картографія і аерофотознімання, 96, 65–76.

14. Четверіков Б. (2023). Застосування методів радіолокаційної інтерферометрії та георадарного знімання для моніторингу земель історико-культурного призначення. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва : збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК, 1(45).

15. Chetverikov B. & Babiy L. (2016). Determination of boundaries of ancient burial places using the archived aerial and cartographic materials. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, І(31), 111-114.

16. Четверіков Б., Михайлюк В. & Согор А. (2017). Технологія створення цифрової моделі місцевості на прикладі Сирецького району м.Києва з використанням архівних даних. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, І(33), 116-119.

Четверіков Б. (2017). Методика визначення перенесення меж Нового єврейського кладовища у Львові за допомогою геоінформаційних систем. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, ІІ(34), 98-101.

18. Четверіков Б. (2018). Методика визначення меж зруйнованого старого некрополя у м.Броди за допомогою ГІС-технологій. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, І(35), 169-172.

19. Четверіков Б. В., Шейхет М. Г. & Грицюк Т. Ю. (2021). Визначення меж некрополів і меморіалів дистанційними та наземними неінвазивними методами: колективна монографія. Львів: Видавництво Львівської політехніки, 128c.

20. Четверіков Б. В. (2021). Визначення історичної території юдейського кладовища в м. Бердичів у контексті сучасної містозабудови засобами ГІС-технологій. Простір в історичних дослідженнях, №2, 118–123.

Similar theses