The ongoing process of digitization in archives is providing access to ever-increasing historical image collections. In many of these repositories, images can typically be viewed in a list or gallery view. Due to the growing number of digitized objects, this type of visualization is becoming increasingly complex. Among other things, it is difficult to determine how many photographs show a particular object and spatial information can only be communicated via metadata. Within the scope of this thesis, research is conducted on the automated determination and provision of this spatial data. Enhanced visualization options make this information more eas- ily accessible to scientists as well as citizens. Different types of visualizations can be presented in three-dimensional (3D), Virtual Reality (VR) or Augmented Reality (AR) applications. However, applications of this type require the estimation of the photographer’s point of view. In the photogrammetric context, this is referred to as estimating the interior and exterior orientation parameters of the camera. For determination of orientation parameters for single images, there are the established methods of Direct Linear Transformation (DLT) or photogrammetric space resection. Using these methods requires the assignment of measured object points to their homologue image points. This is feasible for single images, but quickly becomes impractical due to the large amount of images available in archives. Thus, for larger image collections, usually the Structure-from-Motion (SfM) method is chosen, which allows the simultaneous estimation of the interior as well as the exterior orientation of the cameras. While this method yields good results especially for sequential, contemporary image data, its application to unsorted historical photographs poses a major challenge. In the context of this work, which is mainly limited to scenarios of urban terrestrial photographs, the reasons for failure of the SfM process are identified. In contrast to sequential image collections, pairs of images from different points in time or from varying viewpoints show huge differences in terms of scene representation such as deviations in the lighting situation, building state, or seasonal changes. Since homologue image points have to be found automatically in image pairs or image sequences in the feature matching procedure of SfM, these image differences pose the most complex problem. In order to test different feature matching methods, it is necessary to use a pre-oriented historical dataset. Since such a benchmark dataset did not exist yet, eight historical image triples (corresponding to 24 image pairs) are oriented in this work by manual selection of homologue image points. This dataset allows the evaluation of frequently new published methods in feature matching. The initial methods used, which are based on algorithmic procedures for feature matching (e.g., Scale Invariant Feature Transform (SIFT)), provide satisfactory results for only few of the image pairs in this dataset. By introducing methods that use neural networks for feature detection and feature description, homologue features can be reliably found for a large fraction of image pairs in the benchmark dataset. In addition to a successful feature matching strategy, determining camera orientation requires an initial estimate of the principal distance. Hence for historical images, the principal distance cannot be directly determined as the camera information is usually lost during the process of digitizing the analog original. A possible solution to this problem is to use three vanishing points that are automatically detected in the historical image and from which the principal distance can then be determined. The combination of principal distance estimation and robust feature matching is integrated into the SfM process and allows the determination of the interior and exterior camera orientation parameters of historical images. Based on these results, a workflow is designed that allows archives to be directly connected to 3D applications. A search query in archives is usually performed using keywords, which have to be assigned to the corresponding object as metadata. Therefore, a keyword search for a specific building also results in hits on drawings, paintings, events, interior or detailed views directly connected to this building. However, for the successful application of SfM in an urban context, primarily the photographic exterior view of the building is of interest. While the images for a single building can be sorted by hand, this process is too time-consuming for multiple buildings. Therefore, in collaboration with the Competence Center for Scalable Data Services and Solutions (ScaDS), an approach is developed to filter historical photographs by image similarities. This method reliably enables the search for content-similar views via the selection of one or more query images. By linking this content-based image retrieval with the SfM approach, automatic determination of camera parameters for a large number of historical photographs is possible. The developed method represents a significant improvement over commercial and open-source SfM standard solutions. The result of this work is a complete workflow from archive to application that automatically filters images and calculates the camera parameters. The expected accuracy of a few meters for the camera position is sufficient for the presented applications in this work, but offer further potential for improvement. A connection to archives, which will automatically exchange photographs and positions via interfaces, is currently under development. This makes it possible to retrieve interior and exterior orientation parameters directly from historical photography as metadata which opens up new fields of research.:1 Introduction 1 1.1 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Historical image data and archives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structure-from-Motion for historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Selection of images and preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Feature detection, feature description and feature matching . . . . . . 6 1.3.3.1 Feature detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 Feature description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.3.3 Feature matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3.4 Geometric verification and robust estimators . . . . . . . . . 13 1.3.3.5 Joint methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.4 Initial parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.5 Bundle adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.6 Dense reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.7 Georeferencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4 Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Generation of a benchmark dataset using historical photographs for the evaluation of feature matching methods 29 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Image differences based on digitization and image medium . . . . . . . 30 2.1.2 Image differences based on different cameras and acquisition technique 31 2.1.3 Object differences based on different dates of acquisition . . . . . . . . 31 2.2 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 The image dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Comparison of different feature detection and description methods . . . . . . 35 2.4.1 Oriented FAST and Rotated BRIEF (ORB) . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.2 Maximally Stable Extremal Region Detector (MSER) . . . . . . . . . 36 2.4.3 Radiation-invariant Feature Transform (RIFT) . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.4 Feature matching and outlier removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Conclusions and future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Photogrammetry as a link between image repository and 4D applications 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 IX Contents 3.2 Multimodal access on repositories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Conventional access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Virtual access using online collections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.3 Virtual museums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Workflow and access strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.2 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Photogrammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.4 Browser access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.5 VR and AR access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4 An adapted Structure-from-Motion Workflow for the orientation of historical images 69 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2 Related Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1 Historical images for 3D reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2 Algorithmic Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.3 Feature Detection and Matching using Convolutional Neural Networks 74 4.3 Feature Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.4.1 Step 1: Data preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.2 Step 2.1: Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.3 Step 2.2: Vanishing Point Detection and Principal Distance Estimation 80 4.4.4 Step 3: Scene Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4.5 Comparison with Three Other State-of-the-Art SfM Workflows . . . . 81 4.5 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5 Fully automated pose estimation of historical images 97 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.1 Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.2 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.3 Data Preparation: Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Experiment and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.3.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.1 Layer Extraction Approach (LEA) . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.2 Attentive Deep Local Features (DELF) Approach . . . . . . 105 5.3.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.4 Camera Pose Estimation of Historical Images Using Photogrammetric Methods 110 5.4.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.4.1.1 Benchmark Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1.2 Retrieval Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.1 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.2 Geometric Verification and Camera Pose Estimation . . . . . 116 5.4.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6 Related publications 129 6.1 Photogrammetric analysis of historical image repositores for virtual reconstruction in the field of digital humanities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.2 Feature matching of historical images based on geometry of quadrilaterals . . 131 6.3 Geo-information technologies for a multimodal access on historical photographs and maps for research and communication in urban history . . . . . . . . . . 132 6.4 An automated pipeline for a browser-based, city-scale mobile 4D VR application based on historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.5 Software and content design of a browser-based mobile 4D VR application to explore historical city architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7 Synthesis 135 7.1 Summary of the developed workflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1.1 Error assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.1.2 Accuracy estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1.3 Transfer of the workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.2 Developments and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 8 Appendix 149 8.1 Setup for the feature matching evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.2 Transformation from COLMAP coordinate system to OpenGL . . . . . . . . 150 References 151 List of Figures 165 List of Tables 167 List of Abbreviations 169 / Der andauernde Prozess der Digitalisierung in Archiven ermöglicht den Zugriff auf immer größer werdende historische Bildbestände. In vielen Repositorien können die Bilder typischerweise in einer Listen- oder Gallerieansicht betrachtet werden. Aufgrund der steigenden Zahl an digitalisierten Objekten wird diese Art der Visualisierung zunehmend unübersichtlicher. Es kann u.a. nur noch schwierig bestimmt werden, wie viele Fotografien ein bestimmtes Motiv zeigen. Des Weiteren können räumliche Informationen bisher nur über Metadaten vermittelt werden. Im Rahmen der Arbeit wird an der automatisierten Ermittlung und Bereitstellung dieser räumlichen Daten geforscht. Erweiterte Visualisierungsmöglichkeiten machen diese Informationen Wissenschaftlern sowie Bürgern einfacher zugänglich. Diese Visualisierungen können u.a. in drei-dimensionalen (3D), Virtual Reality (VR) oder Augmented Reality (AR) Anwendungen präsentiert werden. Allerdings erfordern Anwendungen dieser Art die Schätzung des Standpunktes des Fotografen. Im photogrammetrischen Kontext spricht man dabei von der Schätzung der inneren und äußeren Orientierungsparameter der Kamera. Zur Bestimmung der Orientierungsparameter für Einzelbilder existieren die etablierten Verfahren der direkten linearen Transformation oder des photogrammetrischen Rückwärtsschnittes. Dazu muss eine Zuordnung von gemessenen Objektpunkten zu ihren homologen Bildpunkten erfolgen. Das ist für einzelne Bilder realisierbar, wird aber aufgrund der großen Menge an Bildern in Archiven schnell nicht mehr praktikabel. Für größere Bildverbände wird im photogrammetrischen Kontext somit üblicherweise das Verfahren Structure-from-Motion (SfM) gewählt, das die simultane Schätzung der inneren sowie der äußeren Orientierung der Kameras ermöglicht. Während diese Methode vor allem für sequenzielle, gegenwärtige Bildverbände gute Ergebnisse liefert, stellt die Anwendung auf unsortierten historischen Fotografien eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der Arbeit, die sich größtenteils auf Szenarien stadträumlicher terrestrischer Fotografien beschränkt, werden zuerst die Gründe für das Scheitern des SfM Prozesses identifiziert. Im Gegensatz zu sequenziellen Bildverbänden zeigen Bildpaare aus unterschiedlichen zeitlichen Epochen oder von unterschiedlichen Standpunkten enorme Differenzen hinsichtlich der Szenendarstellung. Dies können u.a. Unterschiede in der Beleuchtungssituation, des Aufnahmezeitpunktes oder Schäden am originalen analogen Medium sein. Da für die Merkmalszuordnung in SfM automatisiert homologe Bildpunkte in Bildpaaren bzw. Bildsequenzen gefunden werden müssen, stellen diese Bilddifferenzen die größte Schwierigkeit dar. Um verschiedene Verfahren der Merkmalszuordnung testen zu können, ist es notwendig einen vororientierten historischen Datensatz zu verwenden. Da solch ein Benchmark-Datensatz noch nicht existierte, werden im Rahmen der Arbeit durch manuelle Selektion homologer Bildpunkte acht historische Bildtripel (entspricht 24 Bildpaaren) orientiert, die anschließend genutzt werden, um neu publizierte Verfahren bei der Merkmalszuordnung zu evaluieren. Die ersten verwendeten Methoden, die algorithmische Verfahren zur Merkmalszuordnung nutzen (z.B. Scale Invariant Feature Transform (SIFT)), liefern nur für wenige Bildpaare des Datensatzes zufriedenstellende Ergebnisse. Erst durch die Verwendung von Verfahren, die neuronale Netze zur Merkmalsdetektion und Merkmalsbeschreibung einsetzen, können für einen großen Teil der historischen Bilder des Benchmark-Datensatzes zuverlässig homologe Bildpunkte gefunden werden. Die Bestimmung der Kameraorientierung erfordert zusätzlich zur Merkmalszuordnung eine initiale Schätzung der Kamerakonstante, die jedoch im Zuge der Digitalisierung des analogen Bildes nicht mehr direkt zu ermitteln ist. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Verwendung von drei Fluchtpunkten, die automatisiert im historischen Bild detektiert werden und aus denen dann die Kamerakonstante bestimmt werden kann. Die Kombination aus Schätzung der Kamerakonstante und robuster Merkmalszuordnung wird in den SfM Prozess integriert und erlaubt die Bestimmung der Kameraorientierung historischer Bilder. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Arbeitsablauf konzipiert, der es ermöglicht, Archive mittels dieses photogrammetrischen Verfahrens direkt an 3D-Anwendungen anzubinden. Eine Suchanfrage in Archiven erfolgt üblicherweise über Schlagworte, die dann als Metadaten dem entsprechenden Objekt zugeordnet sein müssen. Eine Suche nach einem bestimmten Gebäude generiert deshalb u.a. Treffer zu Zeichnungen, Gemälden, Veranstaltungen, Innen- oder Detailansichten. Für die erfolgreiche Anwendung von SfM im stadträumlichen Kontext interessiert jedoch v.a. die fotografische Außenansicht des Gebäudes. Während die Bilder für ein einzelnes Gebäude von Hand sortiert werden können, ist dieser Prozess für mehrere Gebäude zu zeitaufwendig. Daher wird in Zusammenarbeit mit dem Competence Center for Scalable Data Services and Solutions (ScaDS) ein Ansatz entwickelt, um historische Fotografien über Bildähnlichkeiten zu filtern. Dieser ermöglicht zuverlässig über die Auswahl eines oder mehrerer Suchbilder die Suche nach inhaltsähnlichen Ansichten. Durch die Verknüpfung der inhaltsbasierten Suche mit dem SfM Ansatz ist es möglich, automatisiert für eine große Anzahl historischer Fotografien die Kameraparameter zu bestimmen. Das entwickelte Verfahren stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu kommerziellen und open-source SfM Standardlösungen dar. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein kompletter Arbeitsablauf vom Archiv bis zur Applikation, der automatisch Bilder filtert und diese orientiert. Die zu erwartende Genauigkeit von wenigen Metern für die Kameraposition sind ausreichend für die dargestellten Anwendungen in dieser Arbeit, bieten aber weiteres Verbesserungspotential. Eine Anbindung an Archive, die über Schnittstellen automatisch Fotografien und Positionen austauschen soll, befindet sich bereits in der Entwicklung. Dadurch ist es möglich, innere und äußere Orientierungsparameter direkt von der historischen Fotografie als Metadaten abzurufen, was neue Forschungsfelder eröffnet.:1 Introduction 1 1.1 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Historical image data and archives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structure-from-Motion for historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Selection of images and preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Feature detection, feature description and feature matching . . . . . . 6 1.3.3.1 Feature detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 Feature description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.3.3 Feature matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3.4 Geometric verification and robust estimators . . . . . . . . . 13 1.3.3.5 Joint methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.4 Initial parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.5 Bundle adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.6 Dense reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.7 Georeferencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4 Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Generation of a benchmark dataset using historical photographs for the evaluation of feature matching methods 29 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Image differences based on digitization and image medium . . . . . . . 30 2.1.2 Image differences based on different cameras and acquisition technique 31 2.1.3 Object differences based on different dates of acquisition . . . . . . . . 31 2.2 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 The image dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Comparison of different feature detection and description methods . . . . . . 35 2.4.1 Oriented FAST and Rotated BRIEF (ORB) . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.2 Maximally Stable Extremal Region Detector (MSER) . . . . . . . . . 36 2.4.3 Radiation-invariant Feature Transform (RIFT) . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.4 Feature matching and outlier removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Conclusions and future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Photogrammetry as a link between image repository and 4D applications 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 IX Contents 3.2 Multimodal access on repositories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Conventional access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Virtual access using online collections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.3 Virtual museums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Workflow and access strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.2 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Photogrammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.4 Browser access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.5 VR and AR access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4 An adapted Structure-from-Motion Workflow for the orientation of historical images 69 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2 Related Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1 Historical images for 3D reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2 Algorithmic Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.3 Feature Detection and Matching using Convolutional Neural Networks 74 4.3 Feature Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.4.1 Step 1: Data preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.2 Step 2.1: Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.3 Step 2.2: Vanishing Point Detection and Principal Distance Estimation 80 4.4.4 Step 3: Scene Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4.5 Comparison with Three Other State-of-the-Art SfM Workflows . . . . 81 4.5 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5 Fully automated pose estimation of historical images 97 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.1 Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.2 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.3 Data Preparation: Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Experiment and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.3.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.1 Layer Extraction Approach (LEA) . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.2 Attentive Deep Local Features (DELF) Approach . . . . . . 105 5.3.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.4 Camera Pose Estimation of Historical Images Using Photogrammetric Methods 110 5.4.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.4.1.1 Benchmark Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1.2 Retrieval Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.1 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.2 Geometric Verification and Camera Pose Estimation . . . . . 116 5.4.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6 Related publications 129 6.1 Photogrammetric analysis of historical image repositores for virtual reconstruction in the field of digital humanities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.2 Feature matching of historical images based on geometry of quadrilaterals . . 131 6.3 Geo-information technologies for a multimodal access on historical photographs and maps for research and communication in urban history . . . . . . . . . . 132 6.4 An automated pipeline for a browser-based, city-scale mobile 4D VR application based on historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.5 Software and content design of a browser-based mobile 4D VR application to explore historical city architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7 Synthesis 135 7.1 Summary of the developed workflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1.1 Error assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.1.2 Accuracy estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1.3 Transfer of the workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.2 Developments and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 8 Appendix 149 8.1 Setup for the feature matching evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.2 Transformation from COLMAP coordinate system to OpenGL . . . . . . . . 150 References 151 List of Figures 165 List of Tables 167 List of Abbreviations 169

Im Bergbausektor werden die Themenfelder soziales und ökologisches Verantwortungsbewusstsein als auch verantwortliche Unternehmensführung, entlang der gesamten Wertschöpfungskette von mineralischen Rohstoffen innerhalb der letzten Dekade intensiv diskutiert. Verstärkt wird dies durch den steigenden Bedarf an mineralischen Rohstoffen für diverse Branchen, wie beispielsweise der High-Tech-Industrie. Hierbei besteht nachweislich in nahezu allen Abschnitten der Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs das Risiko negativer Einflüsse auf die Gesellschaft, Umwelt und die Wirtschaft. Aus diesem Grund entwickelt die DMT GmbH & Co. KG als Projektleitung, TÜV NORD CERT GmbH, beide zugehörig der TÜV NORD GROUP, und weitere Partner aus Industrie und Wissenschaft das Zertifizierungssystem CERA 4in1 – Certification of Raw Materials. Das Projekt wurde teilfinanziert von der European Institute of Innovation and Technology Raw Materials GmbH. Das Ziel des Zertifizierungssystems ist es, die komplette Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs zu umfassen und somit dazu beizutragen, eine Harmonisierung des Markts an Nachhaltigkeitsstandards zu erzielen. Um dies zu realisieren, ist das CERA 4in1 Zertifizierungssystem in vier unterschiedliche, jedoch aufeinander aufbauende, Teilstandards unterteilt. Der CERA 4in1 Performance Standard (CPS) umfasst den nachhaltigen Betrieb eines Unternehmens von den Gewinnungs- und Aufbereitungsprozessen bis hin zu Hüttenbetrieben. In den untergeordneten Implementation Details (ID)-Dokumenten, welche auch als Auditchecklisten definiert werden können, werden dabei die individuellen Gegebenheiten des zu zertifizierenden spezifischen Betriebs berücksichtigt und dienen dadurch als Implementierung der allgemeingültigen CPS-Anforderungen für den spezifischen Anwendungsfall. Der CERA 4in1 Chain of Custody (CCS) umfasst die Rückverfolgbarkeit während des Handels der jeweiligen Zwischenprodukte der einzelnen Wertschöpfungsakteure. Der CERA 4in1 Readiness Standard (CRS) umfasst die komplette Phase der Bergbauplanung und endet mit dem Beginn der Gewinnung. Diese drei Standards beziehen sich auf die vorgelagerte Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs. Der CERA 4in1 Final Product Standard (CFS) umfasst das Kennzeichnen des Endprodukts, für welches die zertifizierten mineralischen Rohstoffe und deren nachgelagerten Produkte verwertet werden. Innerhalb der Dissertation wird die Weiterentwicklung des CPS verfolgt, indem grundsätzlich das CPS-Grundgerüst inhaltlich erweitert und anschließend bewertet sowie ein Modell als Systematik dieses Standards entwickelt und validiert wird. Der Anspruch dieses Modells ist es, alle mineralischen Rohstoffe, deren Lagerstättentypen und besondere Eigenschaften in der Gewinnung bis hin zur Verhüttung, die Betriebsgrößen als auch die lokalen und regionalen Besonderheiten der Betriebsstandorte zu berücksichtigen. Abschließend wird die Effektivität und Erfolgsaussicht des CPS evaluiert. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Effektivität und Erfolgsaussichten des CPS insgesamt von bis zu sechs Parametern abhängig ist. Die „technische und wirtschaftliche Anwendbarkeit“ thematisiert unter anderem die Anwendbarkeit des CPS auf die komplexen und individuellen mineralischen Rohstoffwertschöpfungsketten. Die „internationale Anerkennung“ adressiert die Kompatibilität mit bereits bestehenden Systemen zur Harmonisierung des Angebots an Nachhaltigkeitsstandards. Die „Vertrauenswürdigkeit des Systems“ umfasst die Erlangung der Vertrauenswürdigkeit des CPS seitens diverser Interessensvertreter, während sich der Parameter „Akzeptanz des Kunden“ auf die Bereitwilligkeit der Industrie zur Zertifizierung bezieht. Der „Marktausblick“ steht für die Wirtschaftlichkeit des CPS. Abschließend gilt die „politische Unterstützung“, also die Einbindung des CPS in gesetzliche Regelungen, als optionaler Parameter, da dieser nicht als essentiell eingestuft wird.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS XVII TABELLENVERZEICHNIS XIX ABKÜRZUNGEN & AKRONYME XXIII 1 EINLEITUNG 1 1.1 Status quo 1 1.1.1 Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung 5 1.1.2 Internationale Arbeitsorganisation 5 1.1.3 Internationale Allianz für Soziale und Ökologische Akkreditierung und Kennzeichnung 6 1.2 Motivation 12 2 FORSCHUNGSSTRATEGIE 17 2.1 Fragestellung und Zielsetzung 17 2.2 Überblick der Arbeit 18 2.3 Methodik 19 3 CERA 4IN1 ZERTIFIZIERUNGSSYSTEM 22 3.1 Vorarbeiten 22 3.2 Einführung in das CERA 4in1 Zertifizierungssystem mit Schwerpunkt CERA 4in1 Performance Standard 25 3.2.1 Randbedingungen und Zielsetzung des CERA 4in1 Performance Standards 32 3.2.2 Status Quo des CERA 4in1 Performance Standards zu Beginn der Arbeit 32 3.2.3 Weiterentwicklung des CERA 4in1 Performance Standards 36 3.2.4 Bewertung des CERA 4in1 Zertifizierungssystems und des CPS-Grundgerüsts 44 4 ENTWICKLUNG EINES THEORETISCHEN MODELLS ALS SYSTEMATIK DES CERA 4IN1 PERFORMANCE STANDARDS 51 4.1 Zielsetzung des theoretischen Modells 51 4.2 Randbedingungen und Barrieren des theoretischen Modells 51 4.3 Systematik des theoretischen Modells 52 4.3.1 Datengrundlage, Status Quo der CPS-Systematik und genutzte Techniken 53 4.3.2 Identifizierung ökonomischer, ökologischer und sozialer negativer Einflüsse von mineralischen Rohstoffen innerhalb deren Wertschöpfungsketten 56 4.3.3 Entwicklung einer Systematik zur Prävention und Kontrolle der negativen Einflüsse auf die Nachhaltigkeit im Bergbau 59 4.3.4 Gängige Gewinnungs-, Aufbereitungs- bis hin zu Verhüttungsprozesse innerhalb der mineralischen Rohstoffwertschöpfung zur Entwicklung des Grundgerüsts des theoretischen Modells 63 4.3.5 Entwicklung der Systematik des theoretischen Modells 64 4.4 Zweck des theoretischen Modells 65 5 VALIDIERUNG DES THEORETISCHEN MODELLS ANHAND AUSGEWÄHLTER MINERALE 75 5.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 75 5.2 Erste theoretische Validierung 76 5.2.1 Randbedingungen und Barrieren der ersten theoretischen Validierung 77 5.2.2 Darstellung der Ergebnisse aus der ersten theoretischen Validierung 77 5.3 Problemanalyse 79 5.3.1 Aufgetretene Probleme während der ersten theoretischen Validierung 79 5.3.2 Veränderung der Eingangsparameter 80 5.4 Zweite theoretische Validierung 84 5.4.1 Randbedingungen und Barrieren der zweiten theoretischen Validierung 85 5.4.2 Darstellung der Ergebnisse aus der zweiten theoretischen Validierung 86 5.5 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 90 5.5.1 Aufgetretene Probleme während der zweiten theoretischen Validierung 90 5.5.2 Sensitivitätsanalyse 95 5.5.3 Veränderung der Eingangsparameter 96 5.5.4 Theoretische Skalierung 104 5.6 Praktische Validierung 105 5.6.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 106 5.6.2 Randbedingungen und Barrieren 109 5.6.3 Darstellung der Ergebnisse 111 5.6.4 Aufgetretene Probleme und Sensitivitätsanalyse 115 6 FINALE BEWERTUNG DES THEORETISCHEN MODELLS UND DER CPS-SYSTEMATIK 118 6.1 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.1 Gelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.2 Ungelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 119 7 FAZIT, DISKUSSION, AUSBLICK 121 7.1 Fazit 121 7.1.1 Standardentwicklung 121 7.1.2 Skalierung der Inhalte 122 7.1.3 Automatisierung der Entwicklungsschritte und Auditprozesse 123 7.1.4 Wettbewerb und Akzeptanz 124 7.1.5 Marktausblick 127 7.1.6 Abschlussbewertung 129 7.2 Diskussion 134 7.2.1 Barrieren und Randbedingungen des CPS 134 7.2.2 CPS-Implementierung 135 7.2.3 Auswirkungen 138 7.3 Ausblick 139 7.3.1 Anwendbarkeit, Anerkennung und Zertifizierungsprozess 139 7.3.2 Datenbankanwendung 140 7.3.3 CERA 4in1 Teilstandards und Administration 140 QUELLENVERZEICHNIS 143 ANHANG 155 Anhang A – Schwerpunkte Nachhaltigkeit 155 A.1 Auflistung der Nachhaltigkeitsziele der Agenda 2030 und der Kernthemen nach ISO 26000 155 Anhang B – Tabellenwerke zu Kapitel 4 156 B.1 Vorarbeiten aus Jatlaoui (2018) 156 B.2 Bestehendes umfangreiches Set an Gefahren aus Business Queensland (2019) 162 B.3 Entwicklung des ersten Entwurfs des theoretischen Modells 163 Anhang C – Tabellenwerke zu Kapitel 5 171 C.1 Validierung des theoretischen Modells 171 C.2 Übersicht der umdefinierten Ereignisse 182 C.3 Layout der Auditcheckliste für das Pilotprojekt DRK 193

Das Dresdner Brückenbausymposium fand 2023 zum mittlerweile 32. Mal statt. Mit einer konstant vierstelligen Teilnehmerzahl ist es die etablierteste Tagung rund um den Brückenbau in Deutschland. Die 13 Vorträge waren thematisch bei Neubau und Bestand, Rückbau, Historie und Richtlinienarbeit angesiedelt. Der Tagungsband enthält zudem drei Zusatzbeiträge.:Prof. Dr. Ursula M. Staudinger: Grußwort der Rektorin Prof. Dr.-Ing. Gero Marzahn: Überarbeitung der DIN 1076 – aktueller Sachstand Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Oeser, Dr. Iris Hindersmann, M.Sc. Yasser Alqasem, M.Eng. Jennifer Bednorz, M.Sc. Sonja Nieborowski, M.Sc. Sarah Windmann: Vom digitalen Zwilling zum digitalen Asset-Management Dipl.-Ing. (TH) Lutz Günther: Die Erneuerung der X-Brücke in Zittau – eine verkehrliche Besonderheit unter den Brücken Sachsens Dr. Armand Fürst, dipl. Bauing. ETH: Erhalten oder ersetzen? Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann, Peter Hatke M.Sc., Dipl.-Ing. (FH), SFI Peter Lebelt, Dr.-Ing. Susanne Friedrich: Wetterfester Baustahl im Stahl- und Verbundbrückenbau – die neue DASt-Richtlinie 007 Dr. Alfred Krill, Dipl.-Ing. Stephan Sonnabend: Fahrbahnplatten von Spannbetonkastenträgern – Nutzen einer Quervorspannung M. Sc. Felix Kaplan, Dipl. Ing. Kay Degenhardt, M. Sc. Martin Günther: Brückenerhaltung, eine Generationenaufgabe – Herausforderungen und Lösungsansätze aus Sicht des Landesbetriebs Straßenwesen Brandenburg Prof. Dipl.-Ing. Cengiz Dicleli: Herbert Schambeck (1927–2013) – Ein Großmeister des Brückenbaus o.Univ.Prof. Dr.-Ing. Johann Kollegger, Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Franz Untermarzoner, Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Michael Rath: LT-Brücke: Brückenbau mit dünnwandigen Fertigteilträgern und Fahrbahnplattenelementen Dr.-Ing. Gregor Schacht, Dr.-Ing. Alfred Krill, Dr.-Ing. Jan Lingemann: Rückbau – eine Notwendigkeit unserer Zeit. Anregungen für ein Regelwerk und Erfahrungen aus der Praxis Dipl.-Ing. Lukas Hüttig, Bernd Gericks M. Sc.: Einsatz modularer Brücken zum Wiederaufbau der Infrastruktur nach dem Jahrhunderthochwasser im Juli 2021 Michael Frey, David Hacker, Bernhard Möhrle: A96 Hochbrücke Memmingen – Durchgängiger BIM-Workflow von der Planung bis zur Bauausführung Dr. sc. techn. Hans Grassl, Jacqueline Donner M.Sc.: Mangfallbrücke Rosenheim – Realisierung einer seilverspannten Brücke im Seeton Dipl.-Ing. Enrico Baumgärtel, Max Herbers, M.Sc.: Auf den Spuren der alten Römer bis hin zu aktuellen Weltrekorden – Brückenbauexkursion 2022 Dr. Marc Zintel, Christian Linden, Prof. Dr. Ueli Angst: Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonbrücken über kostenlose Webanwendung Chronik des Brückenbaus (Zusammengestellt von Dipl.-Ing. (FH) Sabine Wellner)

In the continuous search for Hydrocarbon and Geothermal resources in the earth, wells are drilled for various purposes. Wildcat, Appraisal, Production and Injection wells are drilled for proper field development and operation. Based on the purpose and plan for the wells, trajectory and targets are defined. During drilling, continuous monitoring of trajectory, rock and fluid characteristics are required to achieve defined objectives. Measurement while Drilling (MWD) and Logging while Drilling (MWD) systems are included as part of the Bottom Hole Assembly (BHA) to perform continuous measurement and transmission of downhole data to the surface. Measured data are converted to binary form and transferred to the surface for further processing and interpretation. Several methods of data transfer are possible albeit with various pros and cons. Currently, the most widely used method of transfer still remains the Mud Pulse Telemetry (MPT) system which makes use of the mud (drilling fluid) within the system for transmission of data. The major focus of this research was to further expand the envelope in the research towards increasing data transmission rates using the mud siren, a form of mud pulse telemetry. This research includes practical investigations which was conducted within the unique Flow Loop Laboratory at the Institute of Drilling and Fluid Mining, TU Bergakademie Freiberg. Within the research, minor adjustments were made to the flow loop facility to align with realities expected on the Rig. Effects of the changes made were evaluated and presented. The pulser section of the flow loop was also redesigned and new mud sirens manufactured to allow for the practical investigation in series and parallel. The major concept for increasing data transmission rate investigated in this research is the Multifrequency Mud Siren transmission in series and parallel. Following up with previous research, simulation of the flop loop scenario using ANSYS CFX was done to allow for numerical evaluation of the multifrequency transmission concept. Simulation runs were performed with various scenarios both in series and parallel, results evaluated and analyzed thereafter. A little mention on the amplification theory was also investigated and results shown. For the practical experiments, the pulser section was redesigned to allow investigations both into the series and parallel conditions for multifrequency transmission. Various experimental flow runs were successfully performed, observations recorded, data analyzed using MATLAB and results discussed. In closing, a conceptual design that contributes towards the possible field application of the Multifrequency transmission concept was developed. The Compact Double Multifrequency Siren concept was designed to aid easier adaptation of the Multifrequency transmission concept both in series and parallel.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v List of Abbreviations vi List of Symbols viii Table of Contents x 1. Introduction 1 2. Literature Review and Fundamentals 5 2.1. Historical perspective 5 2.1.1. Introduction 5 2.1.2. Mud Pulse Telemetry 6 2.1.3. Telemetry drill pipe 7 2.1.4. Electromagnetic telemetry 7 2.1.5. Acoustic Telemetry 8 2.2. Mud Pulse Telemetry devices 9 2.2.1. Positive Pulser 9 2.2.2. Negative Pulser 10 2.2.3. Mud Siren 11 2.2.4. Oscillating Shear Valve 12 2.3. Modulation Techniques for Data Transmission 13 2.3.1. Baseband Transmission 13 2.3.2. Passband Transmission 15 2.4. Signal Transformation and Processing 16 2.4.1. Fourier Transformation 17 2.4.2. Short time Fourier Transformation 17 2.4.3. Continuous Wavelet Transformation 18 2.5. Summary of Previous Research Work on the Flowloop 19 3. Flowloop setup and current changes 21 3.1. Description of Flowloop 21 3.1.1. General overview of Flowloop 21 3.1.2. Pulser Prototypes 25 3.2. Improvement in Flow Loop Set-Up 28 3.2.1. Pump Change Justification 28 3.2.2. Pump replacement 35 3.2.3. Analysis of Pump Replacement 36 4. ANSYS Modelling and Simulation of the Multi Frequency Mud Siren in Series and Parallel 47 4.1. Basics of Numerical simulation with ANSYS CFX 48 4.2. Mesh Generation and Quality 51 4.3. Modelling 53 4.4. CFX-Pre Set-up and Post view 54 4.5. Flow Simulation Results in Series and Parallel 57 5. Laboratory Investigation on the Multi-Frequency Mud Siren Concept 64 5.1. Experiment Background and setup 64 5.2. Laboratory Practical Results and Analysis 68 5.2.1. Series Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 69 5.2.2. Series Transmission Test 2: Double Siren, Multi Frequency 72 5.2.3. Series Transmission Test 3: Double Siren, Multi Frequency Data String Transmission 75 5.2.4. Parallel Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 79 5.2.5. Parallel transmission test 2: Double siren, multi frequency 82 5.2.6. Parallel transmission test 3: Double siren, multi frequency Data String Transmission 84 6. Discussion on the Multi-Frequency Mud Siren Simulation and Practical Results 89 6.1. Result Discussion 89 6.2. Challenges and Sources of Errors 93 7. Outlook 100 7.1 Future Work (Compact Multifrequency Mud Siren) 100 7.2 Recommendations 106 8. Conclusion 107 9. References 111 10. List of Figures 114 11. List of Tables 120 12. Appendix 121

In dieser Dissertation wird eine allgemeine zweiskalige Homogenisierungsmethode für große Deformationen entwickelt, welche die Trägheitskräfte der Mikroskala konsistent berücksichtigt. Die energetische Skalenkopplung der Methode basiert auf der erweiterten Hill-Mandel Bedingung für Makrohomogenität. Darüber hinaus wird die kinematische Skalenkopplung diskutiert und eine Volumenintegrals-Verschiebungsbedingung aufgezeigt, die eine allgemeine dynamische Betrachtung ermöglicht. Um einen effizienten Algorithmus zu gewährleisten, werden vier makroskopischen Tangenten-Module in geschlossener Form hergeleitet. Es werden zwei Rechenbeispiele genutzt, um allgemeine Eigenschaften der Methode zu analysieren. Dazu gehören das makroskopische Konvergenzverhalten und die Übereinstimmung mit einskaligen Referenzsimulationen. Des Weiteren wird der Einfluss der Verschiebungsbedingung und die Wahl der Einheitszelle als representatives Volumenelement auf die Antwort der Makroskale untersucht. Der Fokus der Arbeit wird im Anschluss auf die Modellierung hochduktiler Betone (Engl.: Strain-Hardening Cementitious Composites – SHCC) unter Stoßbelastung gelegt. Zunächst wird anhand von experimentellen Daten ein vereinfachtes Materialmodell kalibriert, welches das homogenisierte Faserauszugsverhalten repräsentiert. Danach wird dieses Faserauszugsmodell auf der Mikroskale eingesetzt und mit der vorgestellten Homogenisierungsmethode untersucht. Schließlich wird ein Split-Hopkinson-Bar Zugversuch numerisch repliziert. Dieser wird verwendet um die Funktionaltät der Methode aufzuzeigen, wie dynamische Effekte des Materials und der Struktur untersucht werden können. / A general numerical two-scale homogenization method for large strains is developed, which consistently takes into account inertia forces at the microscale. The energetic scale coupling of the framework is based on the extended Hill-Mandel condition of macro-homogeneity. Furthermore, kinematic scale links are discussed and a volume integral displacement constraint is proposed. To enable an efficient algorithm, closed form formulations of four macroscopic tangent moduli are derived. These consistently include the microscale inertia effects as well as the proposed displacement constraint. Two numerical examples are presented, a layered microstructure and a locally resonant material. These examples are used to analyze general properties of the presented framework, namely the macroscopic convergence behavior and the overall match with single-scale reference calculations. In addition, both the displacement constraint and the choice of unit cell as representative volume element are studied with respect to their influence on the macroscopic response. Subsequently, the thesis focuses on the modeling of strain-hardening cementitious composites under impact loading. First, a simplified material model representing the homogenized fiber pullout behavior is calibrated using experimental data. Then, this fiber pullout model is used at the microscale and studied using the proposed dynamic homogenization framework. Finally, a split Hopkinson bar tension test is numerically replicated and used to showcase the ability of the framework to thoroughly study the dynamic effects of the material and structure.

Exploitation of difficult potash deposits requires the adaption of mining procedures to the specific local situation. Based on geomechanical models describing the expected rock mechanic behavior the mining procedure is planned and realized. Both mining surveying results and validation of geomechanical models are essential for a safe mining process. The text gives an overview about the current state of mining survey techniques and the procedure to ensure a successful Sylvinite mining process. The interaction of geomechanical prognosis, adapted mining techniques and proactive mining survey support the safe exploitation of difficult potash deposits. / Für die Gewinnung von Kalisalzen in anspruchsvollen Lagerstättenbereichen müssen vorhandene Abbauverfahren an die lokalen Verhältnisse angepasst werden. Auf der Grundlage standortspezifisch entwickelter, geomechanischer Modellvorstellungen zur Vorhersage des Gebirgsverhaltens wird der Abbau geplant und durchgeführt. Vorbereitende und begleitende messtechnische Beobachtungen ermöglichen die Validierung und ggf. erforderliche Anpassung der Modelle und schaffen so die Voraussetzung für einen sicheren Abbau. Der Beitrag soll einen Überblick über den aktuellen Stand der im Werk Werra eingesetzten Messtechnik geben sowie das gesamte Vorgehen am Beispiel eines erfolgreich durchgeführten Sylvinitabbaus in drei Phasen vorstellen. Das dargestellte Zusammenwirken von geomechanischer Prognose, Abbauanpassung und messtechnischer Beobachtung erlaubt die Durchführung eines sicheren Abbaus bei der Gewinnung anspruchsvoller Lagerstättenbereiche.

Die Grundwasserstände unterliegen in den Gebieten des Braunkohlenbergbaus permanenter, bergbaulich bedingter Veränderung. Im Einflussbereich der aktiven Braunkohlentagebaue überwiegen sinkende - im Bereich der ehemaligen Tagebaubereiche nach Einstellung der Wasserhaltungsmaßnahmen dagegen steigende Grundwasserstände. Der Grundwasserwiederanstieg im Verantwortungsbereich der LMBV mbH ist schon weit vorangeschritten aber noch nicht überall abgeschlossen. Im Zuge der Auswertung von regelmäßig durchgeführten Präzisionsnivellements wurden in den gewachsenen Randbereichen der in Flutung befindlichen Tagebauseen Hebungen festgestellt, die in ihrer räumlichen Ausdehnung und dem Betrag mit den Ergebnissen der Beobachtungen der Grundwasserstände korrelieren. Rückblickend werden die Zusammenhänge zwischen Grundwasserwiederanstieg und Hebungen des gewachsenen Bodens anhand von Beispielen von bereits gefluteten Tagebauseen aus dem Mitteldeutschen Braunkohlenrevier betrachtet. Die festgestellten Hebungen vollziehen sich längerfristig über mehrere Jahre. Die Hebungsbeträge erreichen maximale Werte von einigen Zentimetern - erreichen aber nicht die Beträge der früheren sümpfungsbedingten Senkungen. Schädliche Auswirkungen auf Bauwerke durch grundwasserwiederanstiegsbedingte Hebungen waren nicht zu erwarten und sind auch nicht eingetreten. / Water tables in lignite mining areas are characterized by a permanent mining-related variation. In the sphere of influence of the active lignite mines preponderates decreasing – in reach of the abandoned lignite mining areas in contrast increasing water tables. The groundwater resurgence within the areas of responsibility of LMBV mbH is widely pro-ceeded but yet not completed in all areas. In the course of the evaluation of regularly conducted precision levellings uplifts were detected in the natural boundary areas of post-mining lakes still in flooding progress. These uplifts correlate in their regional/areal dimension and magnitude with the results of the water tables. The coherence between groundwater resurgence and the uplifts will be examined retrospectively based on examples of flooded post-mining lakes from the mining area around the cities of Leipzig and Halle. The observed elevation take place over some years. The elevation amount reaches maximum values of a few centimeters, but doesn’t reach the amount of the former drainage caused subsidence. Adverse effects on buildings by groundwater resurgence caused elevation were not expected and didn’t occur so far.

Das Risswerk in analoger Form erfüllt die Anforderungen der Markscheider-Bergverordnung, wird jedoch immer weniger den betrieblichen und behördlichen Bedürfnissen gerecht. Die digitale Verfügbarkeit und Aktualität der Dokumentationen sowie der Daten bestimmen zunehmend die betrieblichen Prozesse für Planungen und Genehmigungen. Bei der Mitteldeutschen Braunkohlengesellschaft mbH wurde deshalb ein GIS-System etabliert, welches den Anforderungen nach Markscheider-Bergverordnung gerecht wird und darüber hinaus den Ansprüchen einer modernen, flexiblen und digitalen Betriebsführung genügt. / The German Risswerk (mine mapping) in analog form complies with the requirements of the Markscheider-Bergverordnung (a special German regulation for mining ordiance). Yet, it decreasingly meets the operational and administrative needs. The operational proceedings for planning and approvals are increasingly determined and defined by the digital availability and timeliness of the documentation and data. Therefore, MIBRAG has established a GIS system which not only complies with the Markscheider-Bergverordnung but also meets the demands of a flexible, up to date, and digital operational management.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung unter Tage ist eine in der bergbautechnischen Praxis häufig gestellte Aufgabe. Die derzeit gebräuchlichen Verfahren basieren überwiegend auf zahlreichen relativen Messungen zwischen Festpunkten an der Erdoberfläche und dem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein im geodätischen Sinn absolutes Verfahren. Die Punktbestimmung erfolgt direkt mit Hilfe der Festpunkte über Tage und dem unbekannten Punkt unter Tage. Relative Messungen zu benachbarten Punkten sind nicht notwendig. Die Grundlage des Verfahrens bildet die zeitliche Erfassung transienter elektromagnetischer Felder an einem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Die Quellen dieser Felder sind gleichstromdurchflossene Drahtschleifen an der Erdoberfläche, die näherungsweise magnetische Dipole darstellen. Nach Abschalten des Stromes zerfällt das statische Magnetfeld und induziert elektrische Ströme in der leitfähigen Erde. Das transiente Magnetfeld wird unter Tage an einem Punkt für verschiedene Senderpositionen aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus werden letztlich die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes bestimmt. / Three-dimensional positioning in mines and caves is a common challenge. The methods currently used are based on numerous relative measurements. The method presented here is an absolute procedure in a geodesic sense. The coordinates of the unknown point are directly calculated using the surface points and the point underground. Relative measurements to neighboring points are not necessary. The localization procedure is based on recording transient electromagnetic fields under-ground. They are generated at the surface using direct-current carrying wire loops, which approximately represent magnetic dipoles. After shutoff the static magnetic field decays and induces electric currents in the conductive Earth. The transient electromagnetic field is recorded at an unknown point in the subsurface for different source positions. Finally, the three-dimensional coordinates of this point are reconstructed using an inversion algorithm.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Entfernungsmessung terrestrischer Long-Range Laserscanner. Für diese Studie wurden dem Institut für Markscheidewesen und Geodäsie dankenswerter Weise von der Firma RIEGL ein Laserscanner VZ-4000 zur Verfügung gestellt. In diesem Beitrag werden der Versuchsaufbau erläutert und erste Ergebnisse des Soll-Ist-Vergleiches gezeigt. Die unterschiedlichen Einflussgrößen, wie Temperatur und Luftdruck, die bei Messungen auf große Entfernungen eine Rolle spielen, werden angesprochen. / This paper deals with actual researches for measuring distances of terrestrial long-range Laser scanners. The Institute for Mine Surveying and Geodesy had a laser scanner VZ-4000 by the company RIEGL easy and unconventional provided. The paper presents the experimental setup and the results of the target-actual comparison. Several influences, for example temperature and atmospheric pressure, are considered for long-range measurements.