Modern research in the life sciences is unthinkable without computational methods for extracting, quantifying and visualising information derived from microscopy imaging data of biological samples. In the past decade, we observed a dramatic increase in available software packages for these purposes. As it is increasingly difficult to keep track of the number of available image analysis platforms, tool collections, components and emerging technologies, we provide a conservative overview of software that we use in daily routine and give insights into emerging new tools. We give guidance on which aspects to consider when choosing the platform that best suits the user's needs, including aspects such as image data type, skills of the team, infrastructure and community at the institute and availability of time and budget.

The underlying research that resulted in this doctoral dissertation was performed at the Division of Economic Geology and Petrology of the Department of Mineralogy, TU Bergakademie Freiberg between 2011 and 2014. It was the primary aim of this thesis to develop and test novel applications for the technology of ‘Automated Mineralogy’ in the field of economic geology and geometallurgy. A “Mineral Liberation Analyser” (MLA) instrument of FEI Company was used to conduct most analytical studies. This automated system is an image analysis system based on scanning electron microscopy (SEM) image acquisition and energy dispersive X-ray spectrometry which can be used to determine both quantitative mineralogical data and mineral processing-relevant parameters. The analyses can be conducted with unconsolidated and solid rocks but also with ores and products of the mineral processing and recycling industry. In consequence of a first-time broadly-based and comprehensive literature review of more than 1,700 publications related to all types of automated SEM-based image analysis systems several trends in the publication chronicle were observed. Publications related to mineral processing lead the field of automated mineralogy-related publications. However, this is with a somewhat smaller proportion than expected and with a significant decrease in share between around 2000 and 2014. The latter is caused by a gradual but continuous introduction of new areas of application for automated mineralogical analysis such as the petroleum industry, petrology or environmental sciences. Furthermore, the quantity of automated mineralogy systems over time was carefully assessed. It is shown that the market developed from many individual developments in the 1970s and 1980s, often conducted from research institutes, e.g., CSIRO and JKMRC, or universities, to a duopoly - Intellection Pty Ltd and JKTech MLA - in the 1990s and 2000s and finally to a monopoly by FEI Company since 2009. However, the number of FEI’s competitors, such as Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments, and Robertson CGG, and their competing systems are increasing since 2011. Particular focus of this study, published in three research articles in peer-reviewed international journals, was the development of suitable methodological approaches to deploy MLA to new materials and in new contexts. Data generated are then compared with data obtained by established analytical techniques to enable critical assessment and validation of the methods developed. These include both quantitative mineralogical analysis as well as methods of particle characterisation. The first scientific paper “Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas” deals with the field of mineral processing and describes the characterisation of lithium-bearing zinnwaldite mica - as potential natural resource for lithium - by MLA as well as the achievement of mineralogical association data for zinnwaldite and associated minerals. Two different approaches were studied to comminute the samples for this work, conventional comminution by crusher as well as high-voltage pulse selective fragmentation. By this study it is shown that the MLA can provide mineral data of high quality from silicate mineral resources and results very comparable to established analytical methods. Furthermore, MLA yields additional relevant information - such as particle and grain sizes as well as liberation and grade-recovery data. This combination of quantitative data cannot be attained with any other single analytical method. The second article “Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis” is also located in the field of mineral processing. This research article is the first published contribution on the characterisation of graphite, an important industrial mineral, by MLA respectively an automated mineralogy-related analytical method. During this study graphite feeds and concentrates were analysed. By this study it is shown that it is possible to gather statistically relevant data of graphite samples by MLA. Furthermore, the MLA results are validated by quantitative X-ray powder diffraction as well as particle size determinations by laser diffraction and sieve analysis. The third research paper “Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany” deals with the scientific field of geoscience. In this study it is shown that it is possible to obtain a significant body of novel mineralogical information by applying MLA analysis in a region previously regarded as being well-studied. The complex nature and relatively large distribution of the occurring platinum group minerals (PGM) is well illustrated by this contribution. During previous light microscopic studies and infrequent electron microprobe measurements only a handful isolated PGM grains were identified and characterised. In this investigation, using the samples of previous studies, 7 groups of PGM and 6 groups of associated tellurides as well as in total more than 1,300 mineral grains of both mineral groups were identified. Based on the data obtained, important insight regarding mineral associations, mineral paragenesis and the potential genesis of the PGM is obtained. Within this context, the value of MLA studies for petrological research focused on trace minerals is documented. MLA yields results that are both comprehensive and unbiased, thus permitting novel insight into the distribution and characteristics of trace minerals. This, in turn, is immensely useful when developing new concepts on the genesis of trace minerals, but may also give rise to the development of a novel generation of exploration tools, i.e., mineralogical vectors towards exploration akin to currently used geochemical vectors. The present dissertation shows that automated mineralogy by using a Mineral Liberation Analyser is able to deliver a unique combination of quantitative data on mineralogy and several physical attributes that are relevant for ore geology and mineral processing alike. It is in particular the automation and unbiasedness of data, as well as the availability of textural data, size and shape information for particles and mineral grains, as well as mineral association and mineral liberation data that define major advantages of MLA analyses - compared to other analytical methods. Despite the fact that results are obtained only on 2-D polished surfaces, quantitative results obtained compare well/very well to results obtained by other analytical methods. This is attributed mainly due to the fact that a very large and statistically sound number of mineral grains/particles are analysed. Similar advantages are documented when using the MLA as an efficient tool to search for and characterise trace minerals of petrological or economic significance. / Die Forschung die der vorliegenden kumulativen Dissertation (‚Publikationsdissertation‘) zugrunde liegt wurde im Zeitraum 2011-2014 am Lehrstuhl für Lagerstättenlehre und Petrologie des Institutes für Mineralogie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Das primäre Ziel dieser Arbeit war es neue Einsatzmöglichkeiten für die Technik der Automatisierten Mineralogie im Gebiet der Lagerstättenkunde und Geometallurgie zu entwickeln und zu testen. Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Studien stand die analytische Nutzung des Großgerätes „Mineral Liberation Analyser“ (MLA) der Firma FEI Company. Dieses automatisierte System ist ein Bildanalysesystem und basiert auf der Erfassung von Rasterelektronenmikroskopiebildern und energiedispersiver Röntgen-spektroskopie. Mit Hilfe der MLA-Analysetechnik lassen sich sowohl statistisch gesichert quantitative mineralogisch relevante als auch Aufbereitungsprozess-relevante Parameter ermitteln. Die Analysen können sowohl an Locker- und Festgesteinen als auch an Erzen und Produkten der Aufbereitungs- und Recyclingindustrie durchgeführt werden. Infolge einer erstmaligen, breit angelegten und umfassenden Literaturrecherche von mehr als 1.700 Publikationen im Zusammenhang mit allen Arten von automatisierten REM-basierten Bildanalysesystemen konnten verschiedene Trends in der Publikations¬historie beobachtet werden. Publikationen mit Bezug auf die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe führen das Gebiet der Automatisierte Mineralogie-bezogenen Publikationen an. Der Anteil der Aufbereitungs-bezogenen Publikationen an der Gesamtheit der relevanten Publikationen ist jedoch geringer als erwartet und zeigt eine signifikante Abnahme des prozentualen Anteils zwischen den Jahren 2000 und 2014. Letzteres wird durch eine kontinuierliche Einführung neuer Anwendungsbereiche für die automatisierte mineralogische Analyse, wie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie, der Petrologie sowie den Umweltwissenschaften verursacht. Weiterhin wurde die Anzahl der Systeme der Automatisierten Mineralogie über die Zeit sorgfältig bewertet. Es wird gezeigt, dass sich der Markt von vielen einzelnen Entwicklungen in den 1970er und 1980er Jahren, die oft von Forschungsinstituten, wie z. B. CSIRO und JKMRC, oder Universitäten ausgeführt wurden, zu einem Duopol - Intellection Pty Ltd und JKTech MLA - in den 1990er und 2000er Jahren und schließlich seit 2009 zu einem Monopol der FEI Company entwickelte. Allerdings steigt die Anzahl der FEI-Konkurrenten, wie Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments und Robertson CGG, und deren Konkurrenzsysteme seit 2011. Ein Schwerpunkt der drei von Experten begutachteten und in internationalen Fachzeitschriften publizierten Artikel dieser Studie war die Entwicklung eines geeigneten methodischen Ansatzes um die MLA-Technik für neue Materialien und in neuem Kontext zu verwenden. Die erzeugten Daten wurden mit Daten die von etablierten analytischen Techniken gewonnen wurden verglichen, um eine kritische Bewertung und Validierung der entwickelten Methoden zu ermöglichen. Dazu gehören sowohl quantitative mineralogische Analysen als auch Methoden der Partikelcharakterisierung. Der Schwerpunkt der Studie zum ersten Fachartikel „Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas“ liegt im Gebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Er beschreibt die Charakterisierung von Zinnwaldit-Glimmer - einem potentiellen Lithium-Rohstoff - durch die MLA-Technik sowie das Erringen von Mineralverwachsungsdaten für Zinnwaldit und assoziierter Minerale. Dabei wurden zwei unterschiedliche Wege der Probenzerkleinerung des Rohstoffes untersucht. Zum einen erfolgte eine konventionelle Zerkleinerung der Proben mittels Brecher und Mühle, zum anderen eine selektive Zerkleinerung durch Hoch¬spannungsimpulse. Es konnte aufgezeigt werden, dass die automatisierte Rasterelektronen¬mikroskopie-basierte Bildanalyse mittels MLA von silikatischen Rohstoffen Mineral¬informationen von hoher Güte zur Verfügung stellen kann und die Ergebnisse gut vergleichbar mit etablierten analytischen Methoden sind. Zusätzlich liefert die MLA weitere wertvolle Informationen wie zum Beispiel Partikel-/Mineralkorngrößen, Aussagen zum Mineralfreisetzungsgrad sowie Gehalt-Ausbring-Kurven des Wertstoffes. Diese Kombination von quantitativen Daten kann mit keiner anderen analytischen Einzelmethode erreicht werden. Der zweite Fachartikel „Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis“ ist ebenfalls im Fachgebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe angesiedelt. Während dieser Studie wurden Edukte und Produkte der Aufbereitung von Graphit-Erzen untersucht. Der vorliegende Artikel ist der erste in einer internationalen Fachzeitschrift publizierte Beitrag zur Charakterisierung des Industrieminerals Graphit mittels MLA-Technik bzw. einer Analysenmethode der Automatisierten Mineralogie. Mit der Studie konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, auch mit der MLA statistisch relevante Daten von Graphitproben zu erfassen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der MLA-Analysen durch quantitative Röntgenpulverdiffraktometrie sowie Partikelgrößen-bestimmungen durch Laserbeugung und Siebanalyse validiert. Der dritte Fachartikel „Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany“ ist im Gegensatz zu den ersten beiden Artikeln im Gebiet der Geowissenschaften angesiedelt. In dieser Studie wird gezeigt, dass es möglich ist mittels MLA-Analyse eine signifikante Anzahl neuer Daten von einem eigentlich schon gut untersuchten Arbeitsgebiet zu gewinnen. So konnte erst mit der MLA die komplexe Natur und relativ große Verbreitung der auftretenden Platingruppenelement-führenden Minerale (PGM) geklärt werden. Während früherer lichtmikroskopischer Analysen und einzelner Elektronenstrahlmikrosonden-Messungen konnten nur eine Handvoll weniger, isolierter PGM-Körner nachgewiesen und halbquantitativ charakterisiert werden. In der vorliegenden Studie konnten nun, an den von früheren Studien übernommenen Proben, 7 PGM-Gruppen und 6 assoziierte Telluridmineral-Gruppen mit insgesamt mehr als 1.300 Mineralkörnern beider Mineralgruppen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten wurden wichtige Erkenntnisse in Bezug auf Mineralassoziationen, Mineralparagenese und zur möglichen Genese der PGM erreicht. In diesem Zusammenhang wurde der Wert der MLA-Studien für petrologische Forschung mit dem Fokus auf Spurenminerale dokumentiert. Die MLA liefert Ergebnisse, die sowohl umfassend und unvoreingenommen sind, wodurch neue Einblicke in die Verteilung und Charakteristika der Spurenminerale erlaubt werden. Dies wiederum ist ungemein nützlich für die Entwicklung neuer Konzepte zur Genese von Spurenmineralen, kann aber auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Explorationswerkzeugen führen, wie zum Beispiel mineralogische Vektoren zur Rohstofferkundung ähnlich wie derzeit verwendete geochemische Vektoren. Mit der vorliegenden Dissertationsschrift wird aufgezeigt, dass Automatisierte Mineralogie mittels Mineral Liberation Analyser eine einzigartige Kombination an quantitativen Daten zur Mineralogie und verschiedene physikalische Attribute, relevant sowohl für die Lagerstättenforschung als auch für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, liefern kann. Im Vergleich zu anderen etablierten analytischen Methoden sind es insbesondere die Automatisierung und Unvoreingenommenheit der Daten sowie die Verfügbarkeit von Gefügedaten, Größen- und Forminformationen für Partikel und Mineralkörner, Daten zu Mineralassoziationen und Mineralfreisetzungen welche die großen Vorteile der MLA-Analysen definieren. Trotz der Tatsache, dass die Ergebnisse nur von polierten 2-D Oberflächen erhalten werden, lassen sich die quantitativen Ergebnisse gut/sehr gut mit Ergebnissen anderer Analysemethoden vergleichen. Dies kann vor allem der Tatsache zugeschrieben werden, dass eine sehr große und statistisch solide Anzahl von Mineralkörnern/Partikeln analysiert wird. Ähnliche Vorteile sind bei der Verwendung der MLA als effizientes Werkzeug für die Suche und Charakterisierung von Spurenmineralen von petrologischer oder wirtschaftlicher Bedeutung dokumentiert.

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This thesis analyses the highly structured and densely populated farmland surrounding Kakamega Forest (western Kenya) in a spatially-explicit manner. The interdisciplinary approach combines methodologies and technologies from different scientific disciplines: remote sensing with OBIA, GIS and spatially explicit modelling (geomatics and geographic science) with socio-economic as well as agro-economic considerations (human and social sciences) as well as cartographic science. Furthermore, the research is related to conservation biology (biological sciences). Based on an in-situ ground truthing and visual image interpretation, very high spatial resolution QuickBird satellite imagery covering 466 km² of farmland was analysed using the concept of object-based image analysis (OBIA). In an integrative workflow, statistical analysis and expert knowledge were combined to develop a sophisticated rule set. The classification result distinguishing 15 LULC classes was used alongside with temporally extrapolated and spatially re-distributed population data as well as socio-/agro-economic factors in order to create a spatially-explicit typology of the farmland and to model scenarios of rural livelihoods. The farmland typology distinguishes ten types of farmland: 3 sugarcane types (covering 48% of the area), 3 tea types (30%), 2 transitional types (15%), 1 steep terrain type (2%), and 1 central type (5%). The scenarios consider different developments of possible future yields and prices for the main agricultural products sugarcane, tea, and maize. Out of all farmland types, the ‘marginal sugarcane type’ is best prepared to cope with future problems. Besides a comparably low population density, a high share of land under cultivation of food crops coupled with a moderate cultivation of cash crops is characteristic for this type. As part of the research conducted, several novel methodologies were introduced. These include a new conceptual framework for categorizing parameter optimization studies, the area fitness rate (AFR) as a novel discrepancy measure, the technique of ‘classification-based nearest neighbour classification’ for classes which are difficult to separate from others, and a novel approach for accessing the accuracy of OBIA classifications. Finally, this thesis makes a number of recommendations and elaborates promising starting points for further scientific research. / Die vorliegende Arbeit untersucht räumlich-expliziten das stark strukturierte und dicht besiedelte Agrarland um den Kakamega Wald (Westkenia). Dabei kombiniert der interdisziplinäre Ansatz Methoden und Technologien verschiedener Wissenschaftsbereiche: die Fernerkundung mit der objekt-basierten Bildanalyse (OBIA), GIS und die räumlich-explizite Modellierung (Geoinformatik und Geographie) mit sozio- und agro-ökonomische Aspekten (Human- und Sozialwissenschaft) sowie der Kartographie. Zudem steht die Arbeit in Bezug zum Schutz der biologischen Vielfalt (Biologie). Ausgehend von einer Referenzdatenerfassung vor Ort und einer visuellen Bildinterpretation wurden räumlich sehr hochauflösende QuickBird-Satellitenbilddaten, die 466 km² des Agrarlandes abdecken, mit Hilfe von OBIA ausgewertet. In einem integrativen Ansatz wurden dabei statistische Verfahren und Expertenwissen kombiniert, um einen ausgefeilten Regelsatz zur Klassifizierung zu erzeugen. Das Klassifizierungsergebnis unterscheidet 15 Klassen der Landnutzung bzw. -bedeckung; zusammen mit zeitlich extrapolierten und räumlich neu verteilten Bevölkerungsdaten sowie sozio- und agro-ökonomischen Faktoren ermöglichte es, eine räumlich-explizite Typologie des Agrarlandes zu erstellen und Szenarien zum ländlichen Auskommen zu modellieren. Die Agrarlandtypologie unterscheidet zehn Landtypen: 3 Zuckerrohr-dominierte Typen (48% des Gebietes), 3 Tee-dominierte Typen (30%), 2 Übergangstypen (15%), 1 Typ steilen Geländes (2%) und 1 zentralen Typ (5%). Die Szenarien betrachten mögliche zukünftige Entwicklungen der Erträge und Preise der Hauptanbauarten Zuckerrohr, Tee und Mais. Von allen Agrarlandtypen ist der „marginal Zuckerrohr-dominierte Typ“ am besten gerüstet, um zukünftigen Problemen zu begegnen. Bezeichnend für diesen Typ sind – neben einer vergleichsweise geringen Bevölkerungsdichte – ein hoher Anteil an Nahrungsmittelanbau zusammen mit einem gemäßigten Anbau von exportorientierten Agrarprodukten. Als Teil der Forschungsarbeit werden verschiedene neuartige Methoden vorgestellt, u.a. ein neuer konzeptioneller Rahmen für das Kategorisieren von Studien zur Parameteroptimierung, die „area fitness rate“ (AFR) als neue Messgröße für Flächendiskrepanzen, die klassifikations-basierte Nächster-Nachbar Klassifizierung sowie ein Ansatz zum Bestimmen der Güte von OBIA-Klassifizierungen. Schließlich gibt die Arbeit eine Reihe von Empfehlungen und bietet vielversprechende Ausgangspunkte für weiterführende wissenschaftliche Forschungen.

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.

Der Bestand an analysierbaren, digitalen Daten vergangener Zeitstände zur Siedungsflächenausdehnung, die für eine kleinräumige Analyse der Siedlungsdynamik notwendig sind, steht in einem klaren Widerspruch zu seiner Nachfrage. Topographische Karten im Maßstab 1:25 000 enthalten implizit Grundrissinformationen zu den Elementarobjekten der Siedlungsstruktur – Baublock, Straße und Gebäude – und stellen dafür eine geeignete Datenquelle dar. Das hier vorgestellte automatisierte Verfahren zeigt, wie diese Information für Baublöcke mittels Methoden der digitalen Bildanalyse explizit verfügbar gemacht werden kann.

This thesis analyses the highly structured and densely populated farmland surrounding Kakamega Forest (western Kenya) in a spatially-explicit manner. The interdisciplinary approach combines methodologies and technologies from different scientific disciplines: remote sensing with OBIA, GIS and spatially explicit modelling (geomatics and geographic science) with socio-economic as well as agro-economic considerations (human and social sciences) as well as cartographic science. Furthermore, the research is related to conservation biology (biological sciences). Based on an in-situ ground truthing and visual image interpretation, very high spatial resolution QuickBird satellite imagery covering 466 km² of farmland was analysed using the concept of object-based image analysis (OBIA). In an integrative workflow, statistical analysis and expert knowledge were combined to develop a sophisticated rule set. The classification result distinguishing 15 LULC classes was used alongside with temporally extrapolated and spatially re-distributed population data as well as socio-/agro-economic factors in order to create a spatially-explicit typology of the farmland and to model scenarios of rural livelihoods. The farmland typology distinguishes ten types of farmland: 3 sugarcane types (covering 48% of the area), 3 tea types (30%), 2 transitional types (15%), 1 steep terrain type (2%), and 1 central type (5%). The scenarios consider different developments of possible future yields and prices for the main agricultural products sugarcane, tea, and maize. Out of all farmland types, the ‘marginal sugarcane type’ is best prepared to cope with future problems. Besides a comparably low population density, a high share of land under cultivation of food crops coupled with a moderate cultivation of cash crops is characteristic for this type. As part of the research conducted, several novel methodologies were introduced. These include a new conceptual framework for categorizing parameter optimization studies, the area fitness rate (AFR) as a novel discrepancy measure, the technique of ‘classification-based nearest neighbour classification’ for classes which are difficult to separate from others, and a novel approach for accessing the accuracy of OBIA classifications. Finally, this thesis makes a number of recommendations and elaborates promising starting points for further scientific research.:1. Introduction 2. Geodata and reference data 3. Object-based image analysis (OBIA) 4. Optimization of segmentation parameters 5. Feature selection and threshold determination 6. OBIA classification: rule set development and realisation 7. Classification results 8. Spatial farmland typology 9. Spatially explicit planning scenarios of rural livelihoods 10. Discussion / Die vorliegende Arbeit untersucht räumlich-expliziten das stark strukturierte und dicht besiedelte Agrarland um den Kakamega Wald (Westkenia). Dabei kombiniert der interdisziplinäre Ansatz Methoden und Technologien verschiedener Wissenschaftsbereiche: die Fernerkundung mit der objekt-basierten Bildanalyse (OBIA), GIS und die räumlich-explizite Modellierung (Geoinformatik und Geographie) mit sozio- und agro-ökonomische Aspekten (Human- und Sozialwissenschaft) sowie der Kartographie. Zudem steht die Arbeit in Bezug zum Schutz der biologischen Vielfalt (Biologie). Ausgehend von einer Referenzdatenerfassung vor Ort und einer visuellen Bildinterpretation wurden räumlich sehr hochauflösende QuickBird-Satellitenbilddaten, die 466 km² des Agrarlandes abdecken, mit Hilfe von OBIA ausgewertet. In einem integrativen Ansatz wurden dabei statistische Verfahren und Expertenwissen kombiniert, um einen ausgefeilten Regelsatz zur Klassifizierung zu erzeugen. Das Klassifizierungsergebnis unterscheidet 15 Klassen der Landnutzung bzw. -bedeckung; zusammen mit zeitlich extrapolierten und räumlich neu verteilten Bevölkerungsdaten sowie sozio- und agro-ökonomischen Faktoren ermöglichte es, eine räumlich-explizite Typologie des Agrarlandes zu erstellen und Szenarien zum ländlichen Auskommen zu modellieren. Die Agrarlandtypologie unterscheidet zehn Landtypen: 3 Zuckerrohr-dominierte Typen (48% des Gebietes), 3 Tee-dominierte Typen (30%), 2 Übergangstypen (15%), 1 Typ steilen Geländes (2%) und 1 zentralen Typ (5%). Die Szenarien betrachten mögliche zukünftige Entwicklungen der Erträge und Preise der Hauptanbauarten Zuckerrohr, Tee und Mais. Von allen Agrarlandtypen ist der „marginal Zuckerrohr-dominierte Typ“ am besten gerüstet, um zukünftigen Problemen zu begegnen. Bezeichnend für diesen Typ sind – neben einer vergleichsweise geringen Bevölkerungsdichte – ein hoher Anteil an Nahrungsmittelanbau zusammen mit einem gemäßigten Anbau von exportorientierten Agrarprodukten. Als Teil der Forschungsarbeit werden verschiedene neuartige Methoden vorgestellt, u.a. ein neuer konzeptioneller Rahmen für das Kategorisieren von Studien zur Parameteroptimierung, die „area fitness rate“ (AFR) als neue Messgröße für Flächendiskrepanzen, die klassifikations-basierte Nächster-Nachbar Klassifizierung sowie ein Ansatz zum Bestimmen der Güte von OBIA-Klassifizierungen. Schließlich gibt die Arbeit eine Reihe von Empfehlungen und bietet vielversprechende Ausgangspunkte für weiterführende wissenschaftliche Forschungen.:1. Introduction 2. Geodata and reference data 3. Object-based image analysis (OBIA) 4. Optimization of segmentation parameters 5. Feature selection and threshold determination 6. OBIA classification: rule set development and realisation 7. Classification results 8. Spatial farmland typology 9. Spatially explicit planning scenarios of rural livelihoods 10. Discussion

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.

Dünne Silizium- und Germaniumdioxidfilme auf Ru(0001)-Kristallen werden hinsichtlich dynamischer Prozesse untersucht. Zwischen Oxidfilm und Substrat befinden sich Sauerstoffatome, die eine ent-scheidende Rolle in diesen Systemen spielen. Zunächst werden diese Sauerstofflagen auf Ru(0001) mittels Hochgeschwindigkeits-Rastertunnelmikroskopie (STM) analysiert. Daraufhin wird die GeO2-Monolage auf Ru(0001) bei hohen Bildraten mit einer selbstentwickelten halbautomatischen Netz-werkdetektion untersucht. Schließlich wird die SiO2-Bilage auf Ru(0001) mit konventionellen sowie mit schnellen STM-Messungen bei Raumtemperatur und bei 600 K abgebildet. Um schnelle Messungen bei hohen Temperaturen zu realisieren, wird ein Hochgeschwindigkeits-STM konstruiert, welches bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden kann. Unkon-ventionelle Spiralgeometrien ermöglichen verzerrungsfreie Bilder in weniger als 10 ms aufzunehmen. Die adsorbierten Sauerstofflagen werden erstmals bei hohen Bildraten untersucht. Die experimen-tellen Ergebnisse werden durch extern durchgeführte Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen ergänzt. In den auf Ru(0001) bei Raumtemperatur stabilen Sauerstofflagen O(2×2), O(2×1) und 3O(2×2) werden dynamische Prozesse beobachtet. Die Besetzung des Zwischenzustandes entlang des Diffusionspfades und schnelle "Umklapp"-Prozesse eindimensionaler Linien werden auf atomarer Ebene aufgelöst. Komplexe Domänengrenzen in der GeO2-Monolage auf Ru(0001) werden mit Hochgeschwindigkeits-STM abgebildet. Die Messungen an der SiO2-Bilage auf Ru(0001) zeigen dynamische Änderungen des Abbildungskontrasts, die mit den mobilen Sauertsoffatomen an der Grenzfläche zusammenhängen können. Messungen bei hohen Temperaturen zeigen dynamische Kontraständerungen von mesoskopischen Strukturen. Diese Messungen stellen die ersten schnellen Hochtemperatur-STM-Aufnahmen des Siliziumdioxidfilms dar und bilden die Grundlage für künftige Studien zu dynamischen Veränderungen in dünnen Oxidschichtsystemen. / Dynamics related to thin silicon- and germanium dioxide films that are grown on Ru(0001) crystals are investigated. Between the film and the metal support oxygen species are present that play a crucial role for these film systems. First, these oxygen adlayers on Ru(0001) are analyzed by high-speed scan-ning tunneling microscopy (STM) with the focus on dynamic processes. In a next step, the monolayer of germanium dioxide (germania) supported on Ru(0001) is studied at elevated frame rates and with a self-designed semi-automated network detection. Finally, the bilayer of silicon dioxide (silica) on Ru(0001) is studied by conventional and by high-speed STM both at room temperature and at 600 K. To realize fast STM measurements at elevated temperatures, a high-speed STM is designed that can operate at variable temperatures. Images are acquired in less than 10 ms with unconventional spiral scan patterns. The dynamics in oxygen adlayers are investigated for the first time at elevated frame rates. Experimental results are supported by density functional theory (DFT) calculations performed externally. Dynamic events are observed in the oxygen adlayers that are stable on Ru(0001) at room temperature, namely O(2×2), O(2×1), and 3O(2×2). The occupation of an intermediate state along the oxygen diffusion pathway and fast "flipping" events of atomic one-dimensional stripe patterns are observed. On the germania monolayer on Ru(0001), complex domain boundary structures are resolved with high-speed STM. In high-speed scans on the silica bilayer on Ru(0001), dynamic changes of the imaging contrast are observed that may relate to the mobile species in the oxygen interfacial layer. Measurements at elevated temperature reveal dynamic contrast changes of mesoscopic features. These measurements constitute the first high-speed STM scans on the silica film at elevated temperatures and form the basis for future studies with the focus on dynamic processes in thin oxide film systems.

Das Wurzelwachstum von Winterweizen wurde erfasst und modelliert, um teilflächenspezifisches Boden- und Düngemanagement zu verbessern. Die Variation von Wurzellängendichten im Feld wurde über zwei Vegetationsperioden hinweg an zwei unterschiedlichen Standorten in Ostdeutschland untersucht. Zur Auswertungserleichterung der hohen Anzahl an Wurzelproben, wurde eine halbautomatische Methode zur Bildanalyse von Wurzeln entwickelt. Der Einfluss von Änderungen bezüglich Bodenwasserstatus und Bodendichte bzw. Durchdringungswiderstand auf das Wurzelwachstum wurde untersucht. Die erhobenen Felddaten dienten gleichzeitig dazu, die Bodenwasser- und Wurzelwachstumsberechnung des Modells CERES-Wheat zu validieren. Das Modell simulierte die unterschiedlichen Bodeneigenschaften sowie die Wurzellängendichten und Bodenwassergehalte nur unzureichend. Der Effekt von Änderungen der Niederschlagsmengen auf die Simulationen von Wurzellängendichten und Bodenwassergehalten wurde anhand einer Unsicherheitsanalyse getestet und war extrem gering. Des Weiteren wurde eine Methode für praktische Zwecke entwickelt, mit der die Generierung von räumlich hoch aufgelösten Bodeninformationen unter Verwendung limitierter Eingangsdaten möglich ist. Die Modellkalkulationen basieren auf der Dempster-Shafer-Theorie. Anhand von multitemporal und multimodal erfassten Bodenleitfähigkeitsdaten, die Eingangsdaten für den Modellansatz sind, wurden Bodentypen und Texturklassen bestimmt. Das Modell generiert eine digitale Bodenkarte, die flächenhafte Informationen über Bodentypen und Bodeneigenschaften enthält. Die Validation der Bodenkarte mit zusätzlich erhobenen Bodeninformationen ergab gute bis sehr gute Ergebnisse. / Winter wheat root growth was measured and modelled to improve site-specific soil and fertilizer management in commercial wheat fields. Field variations in root length densities were analysed at two contrasting sites in East-Germany during two vegetation seasons. A semi-automated root analysing method was developed to facilitate analyses of large numbers of samples. Influences of variations in soil water states, bulk densities and penetration resistances on spatial distributions of roots were quantified. Differences in soil characteristics were large between the two sites and affected root growth considerably. The same field data was used for validating the soil moisture and root growth calculations of the widely applied growth model CERES-Wheat. Simulations of root length densities, soil physical properties and soil water contents were inadequate. The effects of changes of rainfall variabilities on simulated root length densities and soil water contents were tested by uncertainty analysis but were negligible low. A methodology for generating soil information for practical management purposes at a high degree of spatial resolution using limited input information was developed. The corresponding model calculations were carried out based on the Dempster and Shafer theorem. Soil types and texture classes were determined with multimodally and multitemporally captured data of soil electrical conductivities which are required input data of the new model approach. The model generates a digital map with extensive information of spatial variations in soil properties. The validation of the generated soil map with soil data from independent measurements yielded close correlation between measured and calculated values.