For biomedical electronics the compatibility to the biological environment should be well-considered. Therefore this paper evaluates dispensed carbon nanotubes (CNT's) on polyimide (PI) foil for conductive tracks and electrodes for flexible, biomedical applications. A CNT based ink is investigated regarding biocompatibility, flexibility, conductivity and suitability for electrode materials with contact to artificial body fluids. The testing methods comprise bending tests with resistance monitoring, adhesion tests and the utilization of dynamic fluidic and electrical load on dispensed structures. The CNT ink showed good bending properties up to 2653 cycles with an average sheet resistance of 32.5 Ohm/sq. A demonstration of biocompatibility using the adherent cell line HFFF2 resulted negatively. No delamination or dissolving effects occurred during exposure to 0.9 % sodium chloride solution.

The integration of heterogeneous data sources is one of the main challenges within the area of data engineering. Due to the absence of an independent and universal benchmark for data-intensive integration processes, we propose a scalable benchmark, called DIPBench (Data intensive integration Process Benchmark), for evaluating the performance of integration systems. This benchmark could be used for subscription systems, like replication servers, distributed and federated DBMS or message-oriented middleware platforms like Enterprise Application Integration (EAI) servers and Extraction Transformation Loading (ETL) tools. In order to reach the mentioned universal view for integration processes, the benchmark is designed in a conceptual, process-driven way. The benchmark comprises 15 integration process types. We specify the source and target data schemas and provide a toolsuite for the initialization of the external systems, the execution of the benchmark and the monitoring of the integration system's performance. The core benchmark execution may be influenced by three scale factors. Finally, we discuss a metric unit used for evaluating the measured integration system's performance, and we illustrate our reference benchmark implementation for federated DBMS.

Im Jahr 2017 - 2018 wurden in Cottbus zwei solare Mehrfamilienhäuser (je 7 Wohneinheiten) gebaut und seit 2019 im bewohnten Zustand im Rahmen des Eversol-Projektes durch die TU Bergakademie Freiberg wissenschaftlich begleitet. Neben dem Energiekonzept (Solarthermie und Photovoltaik) war auch das Bewohnerverhalten aufgrund einer Pauschalmiete (Festpreis für Wohnen, Strom, Wärme und Kälte) von Interesse. Die im Detail untersuchten Gebäude in Cottbus erreichen die hohen planerischen solaren Deckungsgrade in der elektrischen Energieversorgung sehr gut (70 % - 77 %). Das Stromverbrauchsprofil ist vergleichbar mit Literaturwerten und weist keine Auffälligkeiten aufgrund von Pauschalmiete auf. Durch deutlichen Mehrverbrauch in der Wärmeversorgung wird der solare Wärmedeckungsgrad allerdings verfehlt (50 % - 55 %). Gründe sind hier neben einem hohen Komfortanspruch der Bewohner (hohe Raumtemperaturen) u. a. auch in einer fehlerhaften Thermostateinstellung und hohen Warmwasser-Vorlauftemperaturen zu sehen. Insgesamt weisen die Monitoringergebnisse jedoch nicht auf ein verschwenderisches Verhalten aufgrund der Pauschalmiete hin. Für zukünftige Projekte wird deutlich, dass sowohl elektrischer, als auch thermischer Speicher deutlich kleiner dimensioniert werden könnten, ohne einen großen Einfluss auf die Autarkie zu haben. Der Erfolg der Auskopplung von Strom- und Wärmeüberschüssen in das umliegende Quartier konnte nachgewiesen werden. Es besteht jedoch noch weiteres Potenzial durch eine intelligente Steuerung. Die in diesem Forschungsprojekt mit umgesetzte pauschalisierte Inklusivmiete / Pauschalmiete kann als ein wesentlicher zukünftiger Anreizfaktor für ein Umdenken im Neubau von gesetzlichen, energetischen Pflichtvorgaben hin zu ökologisch-wirtschaftlichen Lösungen, von denen Mieter wie Vermieter profitieren, angesehen werden. Die Kombination von Neubau mit Bestandsgebäuden zu einem Quartier, sowie die energetische Sanierung und Integration von regenerativen Energiequellen in Bestandsgebäude weisen ein immenses Potential in Deutschland auf und sollten zukünftig vermehrt hinsichtlich Energie und CO2-Einsparpotentialen mit einer Erarbeitung von neuen schnellen Umsetzungsstrategien untersucht werden.:Definitionen Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung und Projektablauf 2 Stand der Technik und Gesetze im Gebäude- und Quartiersbestand 2.1 Gesetzliche Vorgaben und Förderrichtlinien 2.1.1 Gebäudeenergiengesetz (GEG) 2.1.2 KfW-Förderungsrichtlinien Niedrigenergiehäuser 2.1.3 Solarpflicht 2.1.4 Gesetz zur Aufteilung der Kohlendioxidkosten (CO2KostAufG) 2.2 Gebäudebestand 2.3 Niedrigstenergiegebäude im Markt der MFH 2.3.1 Geometrische Kennzahlen und baulicher Wärmeschutz 2.3.2 Technische Ausstattung 2.3.3 Energetische Betrachtung 2.4 Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Heizwärmeverbrauch 2.5 Energetische Quartierskonzepte 2.5.1 Wärme im Quartier - 5GDHC 2.5.2 Strom im Quartier 2.5.3 Fazit und Hemmnisse von Quartierskonzepten für Wärme- und Stromeigenversorgung 2.6 Warmwasserbehandlung 2.6.1 Grundlagen solarer Nutzwassererwärmung im Mehrfamilienhaus 2.6.2 Warmwasserbereitstellung im Mehrfamilienhaus 3 Mietmodelle 3.1 Energielieferungen in Vermietungsmodellen 3.1.1 Beschreibung des Status Quo 3.1.2 Gesetzeskarte für Energiedienstleistungen 3.1.3 Mieterstrommodelle 3.1.4 Bestehende Pauschal- und Teilinklusivmieten 3.2 Neue Modelle der Pauschalmiete und Variationen 3.2.1 Varianten pauschaler Abrechnung 3.2.2 Wünschenswerte rechtliche Änderungen 3.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich der Pauschalmiete 3.3.1 Ermittlung der Eingabewerte 3.3.2 Ergebnisse aus Vermietersicht 3.3.3 Ergebnisse aus Mietersicht 3.4 Mögliche Einsatzbereiche von Pauschalmieten 3.4.1 Variation des Gebäudestandards und der Anlagennutzungsdauer 3.4.2 Variation der Fördermittel und der CO2-Steuer 3.4.3 Variation Energiepreis 3.4.4 Variation der Anzahl der Wohneinheiten 3.5 Vergleich der gemessenen Daten in Bezug auf die betrachteten Mietmodell 3.6 Vernetzung im Quartier 3.7 Fazit 4 Simulationsgestützte Analysen 4.1 Matlab/Simulink Modell von Gebäude und Quartier 4.2 Potentiale wärmeseitige Quartiersvernetzung 4.3 Potentiale stromseitige Quartiersvernetzung 4.4 Standortvergleich 4.5 Ökobilanzierung 4.6 Anlagendimensionierungen 5 Monitoring 5.1 Kenndaten und Gebäudekonzept 5.2 Installierte Messtechnik 5.3 Messwerterfassung 5.4 Wetterdaten 5.5 Speicherverluste 5.6 Kennzahlen 6 Energetische Bewertungen 6.1 Fehleranalyse und Vorschläge zur Systemoptimierung 6.1.1 Akku- und Wechselrichterausfall 6.1.2 Eigenzirkulation im ST-Kreislauf 6.1.3 Hydraulischer Abgleich der Teilfelder ST 6.1.4 Nahwärmeauskopplung 6.1.5 Thermostateinstellung und Umstellungen des Heiz- und Kühlmodus 6.1.6 Einspeisung ST-Ertrag in Speicher 6.1.7 Zirkulationsverluste und Auslegung Frischwasserstation 6.1.8 Klimatisierung Technikräume 6.2 Elektrische Energiebilanz - Gebäude und Einzelkomponenten 6.2.1 Allgemeine Energiebilanzen - Strom 6.2.2 PV-Anlagen 6.2.3 Haushaltsstromverbrauch 6.2.4 Hilfsstromverbrauch 6.2.5 Akkuspeicher 6.2.6 Quartiersvernetzung 6.3 Wärmebilanz - Gebäude und Einzelwohnungen 6.3.1 Allgemeine Energiebilanzen - Wärme 6.3.2 Einfluss Mieter und Thermostateinstellung auf Raumtemperatur und Heizwärmebedarf 6.3.3 Einfluss der Globalstrahlung auf den Heizwärmeverbrauch 6.3.4 Solarthermieanlage 6.3.5 Vergleich Solarthermie- und PV-Anlage 6.3.6 Gasbrennwerttherme und Warmwasserbereitung 6.3.7 Betrachtungen des Wärmespeichers 6.3.8 Gebäude- und Wohnraumkühlung und -heizung 6.3.9 Quartiersvernetzung 6.4 Soziologische Befragungen 6.4.1 Bewertung der Wohnungen 6.4.2 Bewertung des Energiekonzepts 6.4.3 All-Inclusive-Miete 6.4.4 Einstellung zur Mobilität 6.4.5 Selbsteinschätzung des Energieverbrauchsverhalten 6.4.6 Geräteausstattung 6.4.7 Fazit 7 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / As part of the Eversol project, two solar apartment blocks (7 units each) were built in 2017 - 2018 and were monitored since 2019 in an inhabited state as part of the Eversol project monitored scientifically by the TU Bergakademie Freiberg. Due to a flat-rate rent (fixed price for living, electricity, heating and cooling), the energy concept (solar thermal and photovoltaics) and the occupants' behaviour were of main interest. The high planned solar coverage rates for the electricity supply (70 % - 77 %) are very well achieved in the buildings analysed in detail in Cottbus. The electricity consumption profile is comparable with literature values and shows no anomalies due to flat-rate rent. However, the solar heat coverage is not achieved due to the significantly higher consumption in the heat supply (50 % - 55 %). In addition to the high comfort requirements of the occupants (high room temperatures), this is e. g. also due to incorrect thermostat settings and high hot water temperatures. On the whole, however, the monitoring results do not indicate any wasteful behaviour as a result of the flat-rate rent. For future projects, it is clear that both the electrical and thermal storage tanks could be significantly smaller without having a major impact on self-sufficiency. The success of exporting surplus electricity and heat to the surrounding neighbourhood has been proven, but there is further potential through intelligent control. The all-inclusive rent / flat-rate rent implemented in this research project can be seen as a significant future motivator for a rethinking in new buildings from legislative, mandatory energy requirements to ecological and economical solutions that benefit both tenants and landlords. Combining new buildings with existing buildings to form a quarter, as well as energy-efficient renovation and integration of renewable energy into existing buildings, has great potential in Germany and should be explored further to develope new rapid realisation strategies for the future building sector.:Definitionen Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung und Projektablauf 2 Stand der Technik und Gesetze im Gebäude- und Quartiersbestand 2.1 Gesetzliche Vorgaben und Förderrichtlinien 2.1.1 Gebäudeenergiengesetz (GEG) 2.1.2 KfW-Förderungsrichtlinien Niedrigenergiehäuser 2.1.3 Solarpflicht 2.1.4 Gesetz zur Aufteilung der Kohlendioxidkosten (CO2KostAufG) 2.2 Gebäudebestand 2.3 Niedrigstenergiegebäude im Markt der MFH 2.3.1 Geometrische Kennzahlen und baulicher Wärmeschutz 2.3.2 Technische Ausstattung 2.3.3 Energetische Betrachtung 2.4 Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Heizwärmeverbrauch 2.5 Energetische Quartierskonzepte 2.5.1 Wärme im Quartier - 5GDHC 2.5.2 Strom im Quartier 2.5.3 Fazit und Hemmnisse von Quartierskonzepten für Wärme- und Stromeigenversorgung 2.6 Warmwasserbehandlung 2.6.1 Grundlagen solarer Nutzwassererwärmung im Mehrfamilienhaus 2.6.2 Warmwasserbereitstellung im Mehrfamilienhaus 3 Mietmodelle 3.1 Energielieferungen in Vermietungsmodellen 3.1.1 Beschreibung des Status Quo 3.1.2 Gesetzeskarte für Energiedienstleistungen 3.1.3 Mieterstrommodelle 3.1.4 Bestehende Pauschal- und Teilinklusivmieten 3.2 Neue Modelle der Pauschalmiete und Variationen 3.2.1 Varianten pauschaler Abrechnung 3.2.2 Wünschenswerte rechtliche Änderungen 3.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich der Pauschalmiete 3.3.1 Ermittlung der Eingabewerte 3.3.2 Ergebnisse aus Vermietersicht 3.3.3 Ergebnisse aus Mietersicht 3.4 Mögliche Einsatzbereiche von Pauschalmieten 3.4.1 Variation des Gebäudestandards und der Anlagennutzungsdauer 3.4.2 Variation der Fördermittel und der CO2-Steuer 3.4.3 Variation Energiepreis 3.4.4 Variation der Anzahl der Wohneinheiten 3.5 Vergleich der gemessenen Daten in Bezug auf die betrachteten Mietmodell 3.6 Vernetzung im Quartier 3.7 Fazit 4 Simulationsgestützte Analysen 4.1 Matlab/Simulink Modell von Gebäude und Quartier 4.2 Potentiale wärmeseitige Quartiersvernetzung 4.3 Potentiale stromseitige Quartiersvernetzung 4.4 Standortvergleich 4.5 Ökobilanzierung 4.6 Anlagendimensionierungen 5 Monitoring 5.1 Kenndaten und Gebäudekonzept 5.2 Installierte Messtechnik 5.3 Messwerterfassung 5.4 Wetterdaten 5.5 Speicherverluste 5.6 Kennzahlen 6 Energetische Bewertungen 6.1 Fehleranalyse und Vorschläge zur Systemoptimierung 6.1.1 Akku- und Wechselrichterausfall 6.1.2 Eigenzirkulation im ST-Kreislauf 6.1.3 Hydraulischer Abgleich der Teilfelder ST 6.1.4 Nahwärmeauskopplung 6.1.5 Thermostateinstellung und Umstellungen des Heiz- und Kühlmodus 6.1.6 Einspeisung ST-Ertrag in Speicher 6.1.7 Zirkulationsverluste und Auslegung Frischwasserstation 6.1.8 Klimatisierung Technikräume 6.2 Elektrische Energiebilanz - Gebäude und Einzelkomponenten 6.2.1 Allgemeine Energiebilanzen - Strom 6.2.2 PV-Anlagen 6.2.3 Haushaltsstromverbrauch 6.2.4 Hilfsstromverbrauch 6.2.5 Akkuspeicher 6.2.6 Quartiersvernetzung 6.3 Wärmebilanz - Gebäude und Einzelwohnungen 6.3.1 Allgemeine Energiebilanzen - Wärme 6.3.2 Einfluss Mieter und Thermostateinstellung auf Raumtemperatur und Heizwärmebedarf 6.3.3 Einfluss der Globalstrahlung auf den Heizwärmeverbrauch 6.3.4 Solarthermieanlage 6.3.5 Vergleich Solarthermie- und PV-Anlage 6.3.6 Gasbrennwerttherme und Warmwasserbereitung 6.3.7 Betrachtungen des Wärmespeichers 6.3.8 Gebäude- und Wohnraumkühlung und -heizung 6.3.9 Quartiersvernetzung 6.4 Soziologische Befragungen 6.4.1 Bewertung der Wohnungen 6.4.2 Bewertung des Energiekonzepts 6.4.3 All-Inclusive-Miete 6.4.4 Einstellung zur Mobilität 6.4.5 Selbsteinschätzung des Energieverbrauchsverhalten 6.4.6 Geräteausstattung 6.4.7 Fazit 7 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang

Policy makers adopt irrigated agriculture for food security, since irrigation doubles crop production. Therefore, the development of large irrigation systems has a long history in many places worldwide. Although large-scale irrigation schemes play an important role in improving food security, many schemes, especially in Africa, do not yield the expected outcomes. This is related to poor water management, which is generally due to a lack of effective evaluation and monitoring. The objective of this study, therefore, is to propose a new methodology to assess, evaluate and monitor large-scale irrigation systems. Information on irrigation indicators is needed to enable the evaluation of irrigation performance. The evaluation is the first and the most significant step in providing information about how it is performing. After reviewing extensive literature, a list of indicators related to the performance of irrigation, rainwater supply and productivity is suggested. The irrigation efficiency indicators Relative Irrigation Supply (RIS) and Relative Water Supply (RWS) are selected. Potential rainwater supply to crops can be tested based on the Moisture Availability Index (MAI) and the Ratio of Moisture Availability (RMA). Water productivity can be assessed by Crop Yield (Y) and Water Use Efficiency (WUE). However, the central problem facing large-scale irrigation schemes is always the lack of data, which calls for the development of a new method of data acquisition that allows evaluation and monitoring. Remote Sensing (RS) technology makes it possible to retrieve data across large areas. Two different approaches via RS, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Actual Evapotranspiration (ETa), can be utilized for monitoring. The well-known Vegetation Condition Index (VCI), derived from the NDVI, is modified (MVCI) to allow a qualitative spatio-temporal assessment of irrigation efficiency. MVCI takes into account crop response to water availability, while ETa indicates whether water is used as intended. Furthermore, the assessment of the possible hydrological impact of the irrigation system should be considered in the evaluation and monitoring process. The Sudanese Gezira Scheme of 8,000 square kilometers in the Nile Basin, where performance evaluation and monitoring are absent or poorly conducted, is no exception. This research takes the large-scale irrigation of the Gezira Scheme as a case study, as it is the largest scheme, not only in the Nile Basin but also in the world, under single management. The first long-term historical evaluation of the scheme is conducted for the period 1961–2012 rather than only on a short-time scale as is the common practice. An increase in RIS and RWS values from 1.40 and 1.70 to 2.23 and 2.60, respectively, since the 1993/94 season shows decreasing irrigation efficiency. MAI and RMA for summer crops indicate a promising rainfall contribution to irrigation in July and August. The Gezira Scheme achieves low yield and WUE in comparison to many irrigation schemes of the globe. Low productivity is mainly due to poor distribution and irrigation mismanagement. This is indicated by the 15-year MVCI spatio-temporal analysis, which shows that the northern part of the scheme experiences characteristic drought during the summer crop season. Although MVCI can be considered a monitoring tool, the index does not deduct the soil water content, and water could be wasted and available in other ways (e.g. water depressions). Spatio-temporal information for ETa is required to better quantify water depletion and establish links between land use and water allocation. However, several RS models have been developed for estimating ETa. Thus, improving the understanding of performance of such models in arid climates, as well as large-scale irrigation schemes, is taken into account in this study. Four different models based on the energy balance method, the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration (METRIC™), Simplified Surface Energy Balance (SSEB) and MOD16 ET are applied in order to determine the optimal approach for obtaining ETa. Outputs from these models are compared to actual water balance (WB) estimates during the 2004/05 season at field scale. Several statistical measures are evaluated, and a score is given for each model in order to select the best-performing model. Based on ranking criteria, SSEB gives the best performance and is seen as a suitable operational ETa model for the scheme. SSEB subsequently is applied for summer and winter crop seasons for the period 2000–2014. Unfortunately, one of the limitations faced in the current research is the absence of validation data on a regional scale. Therefore, the assessment focuses on spatial distribution and trends rather than absolute values. As with the MVCI distribution, the seasonal ETa for the Gezira Scheme is higher in the southern and central parts than in the northern part. This confirms the robustness of the developed MVCI. To avoid using absolute values of ETa, the ratio of ETa from agricultural areas (ETagr) to the total evapotranspiration (ET) from the scheme (ETsum) is calculated. The ETagr/ETsum ratio shows a descending trend over recent years, indicating that the water is available but not being utilized for agricultural production. This study shows that SSEB is also useful for identifying the location of water losses on a daily basis. Around 80 channels are identified as having leakage problems for the 2013/14 crop season. Such information is very useful for reducing losses at the scheme. In addition, Rainwater Harvesting (WH) is addressed and found to be applicable as an alternative solution for accounting for rainfall in irrigation. It is seen that these management scenarios could save water and increase the overall efficiency of the scheme. It is possible to save 68 million cubic meters of water per year when the overall irrigation efficiency of the scheme is improved by only 1%. A level of efficiency of 75% is predicted from the proposed management scenarios, which could save about 2.6 billion cubic meters of water per year. In conclusion, the present study has developed an innovative method of identifying the problems of large-scale schemes as well as proposing management scenarios to enhance irrigation water management practice. Improved agricultural water management in terms of crop, water and land management can increase food production, thereby alleviating poverty and hunger in an environmentally sustainable manner.

The Professorship of Digital Signal Processing and Circuit Technology of Chemnitz University of Technology conducts research in the field of three-dimensional space measurement with optical sensors. In recent years this field has made major progress. For example innovative, active techniques such as the “structured light“-principle are able to measure even homogeneous surfaces and find its way into the consumer electronic market in terms of Microsoft’s Kinect® at the present time. Furthermore, high-resolution optical sensors establish powerful, passive stereo vision systems in the field of indoor surveillance. Thereby they induce new application domains such as security and assistance systems for domestic environments. However, the constraint field of view can be still considered as an essential characteristic of all these technologies. For instance, in order to measure a volume in size of a living space, two to three deployed 3D sensors have to be applied nowadays. This is due to the fact that the commonly utilized perspective projection principle constrains the visible area to a field of view of approximately 120°. On the contrary, novel fish-eye lenses allow the realization of omnidirectional projection models. Therewith, the visible field of view can be enlarged up to more than 180°. In combination with a 3D measurement approach, thus, the number of required sensors for entire room coverage can be reduced considerably. Motivated by the requirements of the field of indoor surveillance, the present work focuses on the combination of the established stereo vision principle and omnidirectional projection methods. The entire 3D measurement of a living space by means of one single sensor can be considered as major objective. As a starting point for this thesis chapter 1 discusses the underlying requirement, referring to various relevant fields of application. Based on this, the distinct purpose for the present work is stated. The necessary mathematical foundations of computer vision are reflected in Chapter 2 subsequently. Based on the geometry of the optical imaging process, the projection characteristics of relevant principles are discussed and a generic method for modeling fish-eye cameras is selected. Chapter 3 deals with the extraction of depth information using classical (perceptively imaging) binocular stereo vision configurations. In addition to a complete recap of the processing chain, especially occurring measurement uncertainties are investigated. In the following, Chapter 4 addresses special methods to convert different projection models. The example of mapping an omnidirectional to a perspective projection is employed, in order to develop a method for accelerating this process and, hereby, for reducing the computational load associated therewith. Any errors that occur, as well as the necessary adjustment of image resolution, are an integral part of the investigation. As a practical example, an application for person tracking is utilized in order to demonstrate to which extend the usage of “virtual views“ can increase the recognition rate for people detectors in the context of omnidirectional monitoring. Subsequently, an extensive search with respect to omnidirectional imaging stereo vision techniques is conducted in chapter 5. It turns out that the complete 3D capture of a room is achievable by the generation of a hemispherical depth map. Therefore, three cameras have to be combined in order to form a trinocular stereo vision system. As a basis for further research, a known trinocular stereo vision method is selected. Furthermore, it is hypothesized that, applying a modified geometric constellation of cameras, more precisely in the form of an equilateral triangle, and using an alternative method to determine the depth map, the performance can be increased considerably. A novel method is presented, which shall require fewer operations to calculate the distance information and which is to avoid a computational costly step for depth map fusion as necessary in the comparative method. In order to evaluate the presented approach as well as the hypotheses, a hemispherical depth map is generated in Chapter 6 by means of the new method. Simulation results, based on artificially generated 3D space information and realistic system parameters, are presented and subjected to a subsequent error estimate. A demonstrator for generating real measurement information is introduced in Chapter 7. In addition, the methods that are applied for calibrating the system intrinsically as well as extrinsically are explained. It turns out that the calibration procedure utilized cannot estimate the extrinsic parameters sufficiently. Initial measurements present a hemispherical depth map and thus con.rm the operativeness of the concept, but also identify the drawbacks of the calibration used. The current implementation of the algorithm shows almost real-time behaviour. Finally, Chapter 8 summarizes the results obtained along the studies and discusses them in the context of comparable binocular and trinocular stereo vision approaches. For example the results of the simulations carried out produced a saving of up to 30% in terms of stereo correspondence operations in comparison with a referred trinocular method. Furthermore, the concept introduced allows the avoidance of a weighted averaging step for depth map fusion based on precision values that have to be calculated costly. The achievable accuracy is still comparable for both trinocular approaches. In summary, it can be stated that, in the context of the present thesis, a measurement system has been developed, which has great potential for future application fields in industry, security in public spaces as well as home environments.

Auf dem Gebiet der Gerätesteuerung existieren zahlreiche Insellösungen, die den Anspruch nach generischer Eignung nicht erfüllen. In besonderer Weise defizitär ist der Mangel an ganzheitlichen, offenen Frameworks, bei denen die Autokonfiguration, die Gerätezuordenbarkeit vor Ort, die Geräteüberwachbarkeit, die Inter-Gerätekommunikation und die Automatisierbarkeit von Abläufen Berücksichtigung finden. Vor diesem Hintergrund öffnet die Arbeit mit einer Bestandsaufnahme von Technologien, die Einzelanforderungen der generischen Gerätesteuerung erfüllen. Sie bilden im weiteren Verlauf das potentielle Architekturfundament. Der Betrachtungsrahmen wird hierbei soweit ausgedehnt, dass relevante Verfahrensschritte vom Geräteanschluss bis zur automatisierten Generierung von User Interfaces abgedeckt sind. Unter Rückgriff auf ausgewählte Technologien wird ein zweigliedriger Ansatz vorgestellt, der ein sehr breites Spektrum potentieller Steuergeräte unterstützt und gleichzeitig technologieoffen im Hinblick auf die Autogenerierung von User Interfaces ist. Höchstmögliche Funktionalität wird durch die Beschreibungssprache Device XML (DevXML) erreicht, deren Entwicklung einen Schwerpunkt der Arbeit darstellte. In Anlehnung an die etablierte Petrinetztheorie werden Abhängigkeiten zwischen Zuständen und Funktionen formal beschrieben. Das Sprachvokabular von DevXML ermöglicht hierauf aufbauend Regeldefinitionen mit dem Ziel der Ablaufautomatisierung. Das entworfene Framework wurde anhand von insgesamt elf praktischen Beispielen wie z.B. einem Schalter, einem Heizungsmodul, einem Multimeter bis hin zu virtuellen Geräten erfolgreich verifiziert.

This thesis analyses ice-rich mountain permafrost with regard to its genesis, distribution, deformation and interaction with other environmental factors. The processes influencing ground ice formation in ice-rich and ice-poor mountain permafrost are highlighted. Factors influencing the presence of ice-rich permafrost are identified and their individual or combined effect on frozen ground is determined. Based on these findings, a new permafrost distribution map of Switzerland was created, which specifies permafrost temperature and ice contents and considers rock glacier creep paths. The deformation of rock glaciers is investigated with newly developed monitoring systems and concepts. This enables a better understanding of the processes leading to rock glacier acceleration at different time scales.

Abstract Critical Infrastructures (CIs) are an integral part of our society and economy. Services like electricity supply or telecommunication services are expected to be available at all times and a service failure may have catastrophic consequences for society or economy. Current CI protection strategies are from a time when CIs or CI sectors could be operated more or less self-sufficient and interconnections among CIs or CI sectors, which may lead to cascading service failures to other CIs or CI sectors, where not as omnipresent as today. In this PhD thesis, a cross-sector CI model for on-line risk monitoring of CI services, called CI security model, is presented. The model allows to monitor a CI service risk and to notify services that depend on it of possible risks in order to reduce and mitigate possible cascading failures. The model estimates CI service risk by observing the CI service state as measured by base measurements (e.g. sensor or software states) within the CI service components and by observing the experienced service risk of CI services it depends on (CI service dependencies). CI service risk is estimated in a probabilistic way using a Bayesian network based approach. Furthermore, the model allows CI service risk prediction in the short-term, mid-term and long-term future, given a current CI service risk and it allows to model interdependencies (a CI service risk that loops back to the originating service via dependencies), a special case that is difficult to model using Bayesian networks. The representation of a CI as a CI security model requires analysis. In this PhD thesis, a CI analysis method based on the PROTOS-MATINE dependency analysis methodology is presented in order to analyse CIs and represent them as CI services, CI service dependencies and base measurements. Additional research presented in this PhD thesis is related to a study of assurance indicators able to perform an on-line evaluation of the correctness of risk estimates within a CI service, as well as for risk estimates received from dependencies. A tool that supports all steps of establishing a CI security model was implemented during this PhD research. The research on the CI security model and the assurance indicators was validated based on a case study and the initial results suggest its applicability to CI environments. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa esitellään läpileikkausmalli kriittisten infrastruktuurien jatkuvaan käytön riskimallinnukseen. Tämän mallin avulla voidaan tiedottaa toisistaan riippuvaisia palveluita mahdollisista vaaroista, ja siten pysäyttää tai hidastaa toisiinsa vaikuttavat ja kumuloituvat vikaantumiset. Malli analysoi kriittisen infrastruktuurin palveluriskiä tutkimalla kriittisen infrastruktuuripalvelun tilan, joka on mitattu perusmittauksella (esimerkiksi anturi- tai ohjelmistotiloina) kriittisen infrastruktuurin palvelukomponenttien välillä ja tarkkailemalla koetun kriittisen infrastruktuurin palveluriskiä, joista palvelut riippuvat (kriittisen infrastruktuurin palveluriippuvuudet). Kriittisen infrastruktuurin palveluriski arvioidaan todennäköisyyden avulla käyttämällä Bayes-verkkoja. Lisäksi malli mahdollistaa tulevien riskien ennustamisen lyhyellä, keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, ja mahdollistaa niiden keskinäisten riippuvuuksien mallintamisen, joka on yleensä vaikea esittää Bayes-verkoissa. Kriittisen infrastruktuurin esittäminen kriittisen infrastruktuurin tietoturvamallina edellyttää analyysiä. Tässä väitöskirjassa esitellään kriittisen infrastruktuurin analyysimenetelmä, joka perustuu PROTOS-MATINE -riippuvuusanalyysimetodologiaan. Kriittiset infrastruktuurit esitetään kriittisen infrastruktuurin palveluina, palvelujen keskinäisinä riippuvuuksina ja perusmittauksina. Lisäksi tutkitaan varmuusindikaattoreita, joilla voidaan tutkia suoraan toiminnassa olevan kriittisen infrastruktuuripalvelun riskianalyysin oikeellisuutta, kuin myös riskiarvioita riippuvuuksista. Tutkimuksessa laadittiin työkalu, joka tukee kriittisen infrastruktuurin tietoturvamallin toteuttamisen kaikkia vaiheita. Kriittisen infrastruktuurin tietoturvamalli ja varmuusindikaattorien oikeellisuus vahvistettiin konseptitutkimuksella, ja alustavat tulokset osoittavat menetelmän toimivuuden. / Kurzfassung In dieser Doktorarbeit wird ein Sektorübergreifendes Modell für die kontinuierliche Risikoabschätzung von kritische Infrastrukturen im laufenden Betrieb vorgestellt. Das Modell erlaubt es, Dienstleistungen, die in Abhängigkeit einer anderen Dienstleistung stehen, über mögliche Gefahren zu informieren und damit die Gefahr des Übergriffs von Risiken in andere Teile zu stoppen oder zu minimieren. Mit dem Modell können Gefahren in einer Dienstleistung anhand der Überwachung von kontinuierlichen Messungen (zum Beispiel Sensoren oder Softwarestatus) sowie der Überwachung von Gefahren in Dienstleistungen, die eine Abhängigkeit darstellen, analysiert werden. Die Abschätzung von Gefahren erfolgt probabilistisch mittels eines Bayessches Netzwerks. Zusätzlich erlaubt dieses Modell die Voraussage von zukünftigen Risiken in der kurzfristigen, mittelfristigen und langfristigen Zukunft und es erlaubt die Modellierung von gegenseitigen Abhängigkeiten, die im Allgemeinen schwer mit Bayesschen Netzwerken darzustellen sind. Um eine kritische Infrastruktur als ein solches Modell darzustellen, muss eine Analyse der kritischen Infrastruktur durchgeführt werden. In dieser Doktorarbeit wird diese Analyse durch die PROTOS-MATINE Methode zur Analyse von Abhängigkeiten unterstützt. Zusätzlich zu dem vorgestellten Modell wird in dieser Doktorarbeit eine Studie über Indikatoren, die das Vertrauen in die Genauigkeit einer Risikoabschätzung evaluieren können, vorgestellt. Die Studie beschäftigt sich sowohl mit der Evaluierung von Risikoabschätzungen innerhalb von Dienstleistungen als auch mit der Evaluierung von Risikoabschätzungen, die von Dienstleistungen erhalten wurden, die eine Abhängigkeiten darstellen. Eine Software, die alle Aspekte der Erstellung des vorgestellten Modells unterstützt, wurde entwickelt. Sowohl das präsentierte Modell zur Abschätzung von Risiken in kritischen Infrastrukturen als auch die Indikatoren zur Uberprüfung der Risikoabschätzungen wurden anhand einer Machbarkeitsstudie validiert. Erste Ergebnisse suggerieren die Anwendbarkeit dieser Konzepte auf kritische Infrastrukturen.

Policy makers adopt irrigated agriculture for food security, since irrigation doubles crop production. Therefore, the development of large irrigation systems has a long history in many places worldwide. Although large-scale irrigation schemes play an important role in improving food security, many schemes, especially in Africa, do not yield the expected outcomes. This is related to poor water management, which is generally due to a lack of effective evaluation and monitoring. The objective of this study, therefore, is to propose a new methodology to assess, evaluate and monitor large-scale irrigation systems. Information on irrigation indicators is needed to enable the evaluation of irrigation performance. The evaluation is the first and the most significant step in providing information about how it is performing. After reviewing extensive literature, a list of indicators related to the performance of irrigation, rainwater supply and productivity is suggested. The irrigation efficiency indicators Relative Irrigation Supply (RIS) and Relative Water Supply (RWS) are selected. Potential rainwater supply to crops can be tested based on the Moisture Availability Index (MAI) and the Ratio of Moisture Availability (RMA). Water productivity can be assessed by Crop Yield (Y) and Water Use Efficiency (WUE). However, the central problem facing large-scale irrigation schemes is always the lack of data, which calls for the development of a new method of data acquisition that allows evaluation and monitoring. Remote Sensing (RS) technology makes it possible to retrieve data across large areas. Two different approaches via RS, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Actual Evapotranspiration (ETa), can be utilized for monitoring. The well-known Vegetation Condition Index (VCI), derived from the NDVI, is modified (MVCI) to allow a qualitative spatio-temporal assessment of irrigation efficiency. MVCI takes into account crop response to water availability, while ETa indicates whether water is used as intended. Furthermore, the assessment of the possible hydrological impact of the irrigation system should be considered in the evaluation and monitoring process. The Sudanese Gezira Scheme of 8,000 square kilometers in the Nile Basin, where performance evaluation and monitoring are absent or poorly conducted, is no exception. This research takes the large-scale irrigation of the Gezira Scheme as a case study, as it is the largest scheme, not only in the Nile Basin but also in the world, under single management. The first long-term historical evaluation of the scheme is conducted for the period 1961–2012 rather than only on a short-time scale as is the common practice. An increase in RIS and RWS values from 1.40 and 1.70 to 2.23 and 2.60, respectively, since the 1993/94 season shows decreasing irrigation efficiency. MAI and RMA for summer crops indicate a promising rainfall contribution to irrigation in July and August. The Gezira Scheme achieves low yield and WUE in comparison to many irrigation schemes of the globe. Low productivity is mainly due to poor distribution and irrigation mismanagement. This is indicated by the 15-year MVCI spatio-temporal analysis, which shows that the northern part of the scheme experiences characteristic drought during the summer crop season. Although MVCI can be considered a monitoring tool, the index does not deduct the soil water content, and water could be wasted and available in other ways (e.g. water depressions). Spatio-temporal information for ETa is required to better quantify water depletion and establish links between land use and water allocation. However, several RS models have been developed for estimating ETa. Thus, improving the understanding of performance of such models in arid climates, as well as large-scale irrigation schemes, is taken into account in this study. Four different models based on the energy balance method, the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration (METRIC™), Simplified Surface Energy Balance (SSEB) and MOD16 ET are applied in order to determine the optimal approach for obtaining ETa. Outputs from these models are compared to actual water balance (WB) estimates during the 2004/05 season at field scale. Several statistical measures are evaluated, and a score is given for each model in order to select the best-performing model. Based on ranking criteria, SSEB gives the best performance and is seen as a suitable operational ETa model for the scheme. SSEB subsequently is applied for summer and winter crop seasons for the period 2000–2014. Unfortunately, one of the limitations faced in the current research is the absence of validation data on a regional scale. Therefore, the assessment focuses on spatial distribution and trends rather than absolute values. As with the MVCI distribution, the seasonal ETa for the Gezira Scheme is higher in the southern and central parts than in the northern part. This confirms the robustness of the developed MVCI. To avoid using absolute values of ETa, the ratio of ETa from agricultural areas (ETagr) to the total evapotranspiration (ET) from the scheme (ETsum) is calculated. The ETagr/ETsum ratio shows a descending trend over recent years, indicating that the water is available but not being utilized for agricultural production. This study shows that SSEB is also useful for identifying the location of water losses on a daily basis. Around 80 channels are identified as having leakage problems for the 2013/14 crop season. Such information is very useful for reducing losses at the scheme. In addition, Rainwater Harvesting (WH) is addressed and found to be applicable as an alternative solution for accounting for rainfall in irrigation. It is seen that these management scenarios could save water and increase the overall efficiency of the scheme. It is possible to save 68 million cubic meters of water per year when the overall irrigation efficiency of the scheme is improved by only 1%. A level of efficiency of 75% is predicted from the proposed management scenarios, which could save about 2.6 billion cubic meters of water per year. In conclusion, the present study has developed an innovative method of identifying the problems of large-scale schemes as well as proposing management scenarios to enhance irrigation water management practice. Improved agricultural water management in terms of crop, water and land management can increase food production, thereby alleviating poverty and hunger in an environmentally sustainable manner.

Auf dem Gebiet der Gerätesteuerung existieren zahlreiche Insellösungen, die den Anspruch nach generischer Eignung nicht erfüllen. In besonderer Weise defizitär ist der Mangel an ganzheitlichen, offenen Frameworks, bei denen die Autokonfiguration, die Gerätezuordenbarkeit vor Ort, die Geräteüberwachbarkeit, die Inter-Gerätekommunikation und die Automatisierbarkeit von Abläufen Berücksichtigung finden. Vor diesem Hintergrund öffnet die Arbeit mit einer Bestandsaufnahme von Technologien, die Einzelanforderungen der generischen Gerätesteuerung erfüllen. Sie bilden im weiteren Verlauf das potentielle Architekturfundament. Der Betrachtungsrahmen wird hierbei soweit ausgedehnt, dass relevante Verfahrensschritte vom Geräteanschluss bis zur automatisierten Generierung von User Interfaces abgedeckt sind. Unter Rückgriff auf ausgewählte Technologien wird ein zweigliedriger Ansatz vorgestellt, der ein sehr breites Spektrum potentieller Steuergeräte unterstützt und gleichzeitig technologieoffen im Hinblick auf die Autogenerierung von User Interfaces ist. Höchstmögliche Funktionalität wird durch die Beschreibungssprache Device XML (DevXML) erreicht, deren Entwicklung einen Schwerpunkt der Arbeit darstellte. In Anlehnung an die etablierte Petrinetztheorie werden Abhängigkeiten zwischen Zuständen und Funktionen formal beschrieben. Das Sprachvokabular von DevXML ermöglicht hierauf aufbauend Regeldefinitionen mit dem Ziel der Ablaufautomatisierung. Das entworfene Framework wurde anhand von insgesamt elf praktischen Beispielen wie z.B. einem Schalter, einem Heizungsmodul, einem Multimeter bis hin zu virtuellen Geräten erfolgreich verifiziert.