Recently, an efficient resource model updating framework was proposed with the aim of improving the raw material quality control and process efficiency in any type of mining operation. This includes the integration of online-sensor measurements that are obtained during the production into the resource model. The concept has been applied in a coal mining environment with the aim of identifying local impurities in a coal seam and to improve the prediction of coal quality attributes in neighbouring blocks. The goal of this presentation is to demonstrate how the use of the resource model updating framework can provide added value for the mining industry. Both economical and environmental considerations are taken into account when the added value is investigated.

With the upsurge in the demand for high-bandwidth networked real-time applications in cost-sensitive environments, a key issue is to take advantage of developments of commodity components that offer a multiple of the throughput of classical real-time solutions. It was the starting hypothesis of this dissertation that with fine grained traffic shaping as the only means of node cooperation, it should be possible to achieve lower guaranteed delays and higher bandwidth utilization than with traditional approaches, even though Switched Ethernet does not support policing in the switches as other network architectures do. This thesis presents the application of traffic shaping to Switched Ethernet and validates the hypothesis. It shows, both theoretically and practically, how commodity Switched Ethernet technology can be used for low-latency hard real-time communication, and what operating-system support is needed for an efficient implementation.

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wide-band spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application. / Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung über die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzuständen erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und präzise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften für dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfüllen aber die hohen Ansprüche nicht in allen Betriebszuständen. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlässigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren können bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfüllen. Dabei müssen auch die beschränkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen berücksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansätze für die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits führt dies zur Konstruktion einer neuen störunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansätze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren für die verzögerungsarme Schätzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenüber kontinuierlichen Ansätzen weitgehend kompensiert werden können. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrückung starker bahnanwendungstypischer Störeinflüsse einsetzen.

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wide-band spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application. / Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung über die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzuständen erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und präzise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften für dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfüllen aber die hohen Ansprüche nicht in allen Betriebszuständen. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlässigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren können bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfüllen. Dabei müssen auch die beschränkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen berücksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansätze für die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits führt dies zur Konstruktion einer neuen störunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansätze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren für die verzögerungsarme Schätzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenüber kontinuierlichen Ansätzen weitgehend kompensiert werden können. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrückung starker bahnanwendungstypischer Störeinflüsse einsetzen.

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.:1 Hintergrund und Motivation 5 1.1 Belagsbildungen bei der Verbrennung von Braunkohlen in Dampferzeugern 5 1.2 Bildungsbedingungen von Schmelzphasen in Mehrstoffsystemen 6 1.3 Methoden zur Bewertung des Ansatzbildungspotenzials 9 1.4 Geologie des Rheinischen Braunkohlenreviers 9 1.4.1 Tektonische Vorgeschichte der Niederrheinischen Bucht 9 1.4.2 Stratigrafischer und lithologischer Überblick des Rheinischen Braunkohlenreviers 11 1.5 Lagerstätten des Rheinischen Braunkohlenreviers 14 1.5.1 Tagebau Garzweiler 14 1.5.2 Tagebau Hambach 15 1.5.3 Tagebau Inden 16 1.6 Kohlesortenkonzept des Rheinischen Braunkohlenreviers 17 2 Ziel der Arbeit 21 3 Stand von Wissenschaft und Kohle-Online-Messtechnik 22 3.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 22 3.2 Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) 23 3.3 Gammastrahlenabsorption 24 3.4 Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse 28 3.5 Eingesetzte Messtechniken im Rheinischen Revier 30 4 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.1 Revierweite Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.2 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken zur Aschegehaltsbestimmung 31 4.3 Standortspezifische Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 32 5 Arbeits- und Versuchsprogramm 33 5.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 33 5.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 36 6 Versuchsergebnisse und Diskussion 41 6.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 41 6.1.1 Vorversuche mit einer Americiumquelle (Am-241) am Teilstrom (Firma Berthold) 41 6.1.2 Gammastrahlenabsorption eines stahlarmierten Fördergurts 46 6.1.3 Anlagengeometrie der betrieblichen Versuchsanlagen 57 6.1.4 Vollständige Erfassung der Bandbelegung (Detektorgeometrie) 59 6.1.5 Auswirkungen der Elementverteilungen auf die Gammastrahlenabsorption 60 6.1.6 Fehlerbetrachtungen der Gammastrahlenabsorption und Optimierungsansätze 66 6.1.7 Probennahme-Techniken für Referenzwerte der Kalibrierung 68 6.1.8 Anlagen-Kalibrierung für unterschiedliche Aschegehalte 75 6.1.9 Anlagen-Kalibrierung bei unterschiedlichen Förderleistungen 76 6.1.10 Langzeitversuche zu Lagerstättendaten und weiteren Analysetechniken 77 6.1.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 81 6.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 83 6.2.1 Testmessungen mittels MEDINA-Anlage am Forschungszentrum Jülich (FZJ) 83 6.2.2 Simulationsrechnungen für heterogen verteilte Sandfrachten am FZJ 95 6.2.3 Testmessungen mittels Coalscan-Anlage bei der Firma Scantech (Australien) 99 6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 105 7 Schlussfolgerungen und Fazit 106 7.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 106 7.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 107 8 Ausblick 108 8.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 108 8.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 109 9 Abbildungsverzeichnis 111 10 Tabellenverzeichnis 118 11 Abkürzungsverzeichnis 120 12 Literaturverzeichnis 123 13 Anhang 126

With the upsurge in the demand for high-bandwidth networked real-time applications in cost-sensitive environments, a key issue is to take advantage of developments of commodity components that offer a multiple of the throughput of classical real-time solutions. It was the starting hypothesis of this dissertation that with fine grained traffic shaping as the only means of node cooperation, it should be possible to achieve lower guaranteed delays and higher bandwidth utilization than with traditional approaches, even though Switched Ethernet does not support policing in the switches as other network architectures do. This thesis presents the application of traffic shaping to Switched Ethernet and validates the hypothesis. It shows, both theoretically and practically, how commodity Switched Ethernet technology can be used for low-latency hard real-time communication, and what operating-system support is needed for an efficient implementation.

Sich verändernde Rahmenbedingungen des Klimawandels haben einen erheblichen Einfluss auf die Gestaltung der Erdoberfläche. Der Sachverhalt ist anhand unterschiedlicher geomorphologischer Veränderungsprozesse zu beobachten, sei es bei gravitativen Naturgefahren (Felsstürze, Hangrutschungen oder Murereignissen), der Gletscherschmelze in Hochgebirgsregionen oder der Änderungen der Küstendynamik an Sandstränden. Derartige Ereignisse werden durch immer stärker ausgeprägte, extreme Wetterbedingungen verursacht. In diesem Zusammenhang sind präventive Maßnahmen und der Schutz der Bevölkerung im Zuge eines Risikomanagements essentiell. Um mit diesen Gefahren sicher umgehen zu können, sind qualitativ hochwertige drei- und vierdimensionale (3D und 4D) Datensätze der Erdoberfläche erforderlich. Der technische Fortschritt in der Messtechnik und damit verbunden ein Paradigmenwechsel haben die Möglichkeiten in der Erfassung von räumlich als auch zeitlich verdichteten Daten erheblich verbessert. Die Weiterentwicklung von terrestrischen Laserscannern hin zu kommunikationsfähigen, programmierbaren Multisensorsystemen, eine kompakte und robuste Bauweise, hohe Messreichweiten sowie wirtschaftlich attraktive Systeme lassen einen Übergang zu permanentem terrestrischen Laserscanning (PLS) zu. Im Sinne eines adaptiven Monitorings ist PLS für die Integration in echtzeitnahe Assistenz- oder Frühwarnsysteme prädestiniert. Um die Akzeptanz eines solchen Systems zu erreichen sind jedoch transparente, nachvollziehbare Methoden und Prozesse zur Informationsgewinnung und -aufbereitung zu definieren. Ziel dieser Arbeit ist es, PLS als Methode systematisch aufzuarbeiten. Vier wesentliche Schritte entlang der Prozesskette werden identifiziert: (i) Die Datenerfassung einer einzelnen Epoche, (ii) die Bereitstellung eines redundanten Datenmanagements sowie einer sicheren Datenkommunikation zu zentralen Servern, (iii) die multitemporale Datenanalyse und (iv) die Aufbereitung, das Reporting und die Präsentation der Ergebnisse für Stakeholder. Basierend auf dieser Prozesskette ergeben sich zwei Untersuchungsschwerpunkte. Zunächst wird die qualitative Beurteilung der erfassten Punktwolken behandelt. Der Fokus liegt dabei einerseits auf dem Einfluss unterschiedlicher Registrierungsmethoden auf die multitemporalen Punktwolken und andererseits auf dem Einfluss der Atmosphäre auf die Messergebnisse. Es wird nachgewiesen, dass eine Nichtberücksichtigung dieser Einflüsse zu signifikanten Abweichungen führt, welche zu Fehlinterpretationen der abgeleiteten Informationen führen kann. Weiterhin wird gezeigt, dass es an datenbasierten Verfahren zur Berücksichtigung dieser Einflüsse fehlt. Als Grundlage für die Untersuchungen dienen umfangreiche Datensätze aus Noordwijk / Niederlande und Vals / Österreich. Der zweite Schwerpunkt befasst sich mit der Datenanalyse. Die Herausforderung besteht darin, tausende Punktwolken einzelner Messepochen analysieren zu müssen. Bitemporale Methoden sind hier nur eingeschränkt anwendbar. Die vorliegende Arbeit stellt eine zweistufige Methode vor, mit der automatisiert Informationen aus dem umfangreichen Datensatz abgeleitet werden können. Aus der vollumfänglichen 3D-Zeitserie der Szene werden zunächst relevante Merkmale auf Basis von 2D-Rasterbildern durch Clustering extrahiert. Semiautomatisch lassen sich die extrahierten Segmente klassifizieren und so maßgeblichen geomorphologischen Prozessen zuweisen. Dieser Erkenntnisgewinn über den vorliegenden Datensatz wird in einem zweiten Schritt genutzt, um die Szene räumlich zu limitieren und in den Interessensbereichen tiefergehende Analysen durchzuführen. Auf Basis der Methoden «M3C2-EP mit adaptierter Kalman-Filterung» und «4D-Änderungsobjekten» werden zwei Analysetools vorgestellt und auf den Datensatz in Vals angewendet. Die Überwachung topographischer Oberflächenveränderungen mit PLS wird zunehmen und eine große Menge an Daten erzeugen. Diese Datensätze müssen verarbeitet, analysiert und gespeichert werden. Diese Dissertation trägt zum besseren Verständnis der Methodik bei. Anwender bekommen durch die Systematisierung der Methode ein besseres Verständnis über die beeinflussenden Faktoren entlang der Prozesskette von der Datenerfassung bis hin zur Darstellung relevanter Informationen. Mit dieser Dissertation wird eine Toolbox vorgestellt, die es ermöglicht, multitemporale Punktwolken mit Hilfe von unüberwachtem maschinellem Lernen automatisiert auszuwerten und Informationen dem Nutzer zur Verfügung zu stellen. Dieser Ansatz ist einfach und hat ein hohes Potential für die automatische Analyse in zukünftigen Anwendungen.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung v 1. Einleitung 1 2. Deformationsmonitoring mittels terrestrischer Laserscanner: Aktuelle Methoden, Regulierungen und technische Aspekte 5 2.1. Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Anforderungen an ein integratives Monitoring aus der Sicht eines ganzheitlichen Risikomanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1. Aktives Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Ganzheitliches Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3. Qualitätsbeurteilung und Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . 12 2.2.4. Relevante Normen, Richtlinien und Merkblätter beim Einsatz von permanentem Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Permanentes Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5. Parameter einer permanenten Installation eines Long Range Laserscanners 24 2.5.1. Registrierung und Georeferenzierung . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.2. Geodätische Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.3. Geodätisches Monitoring mittels terrestrischer Laserscanner . . 36 2.6. Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3. Ziel und abgeleiteter Untersuchungsschwerpunkt dieser Arbeit 41 4. Konzept eines Echtzeitassistenzsystems basierend auf PLS 43 5. Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Messergebnisse von permanent installierten terrestrischen Long Range Laserscannern 47 5.1. Fallstudie I: Noordwijk / Niederlande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1.1. Beschreibung der Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.1.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1.3. Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Fallstudie II: Detektion von Corner Cube Prismen und deren Genauigkeit 58 5.2.1. Prismendetektion aus Daten eines TLS . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2.2. Genauigkeitsanalyse der Prismendetektion . . . . . . . . . . . . 59 5.3. Fallstudie III: Valsertal (Tirol) / Österreich . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1. Beschreibung des Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3.2. Geodätische Refraktion als Einfluss auf die Messergebnisse eines PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3.3. Einfluss von Registrierungsparametern auf die Messergebnisse eines PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6. Informationsextraktion aus multitemporalen Punktwolken 95 6.1. Stufe I: Segmentierung räumlich verteilter Zeitreihen auf Basis von 2DBildrastern als Methode des unüberwachten maschinellen Lernens . . . 96 6.1.1. Extraktion von Zeitreihen aus den Punktwolken . . . . . . . . . 98 6.1.2. Zeitreihensegmentierung mittels k-Means-Algorithmen . . . . . 101 6.1.3. Zeitreihensegmentierung mittels extrahierter Merkmale auf Grundlage Gaußscher Mischmodelle (GMM) . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2. Stufe II: Zeitreihenanalyse von räumlich hochauflösenden 3D-Daten . . 122 6.2.1. M3C2-EP mit adaptiver Kalman-Filterung . . . . . . . . . . . . 122 6.2.2. 4D-Änderungsobjekte (4D-OBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.2.3. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Fazit und Ausblick 135 A. Ergebnisse der Systemuntersuchung in Unna-Hemmerde (21.03.2022) 141 B. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels k-Means 145 B.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 148 B.3. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - limitierter Bereich . . . . . . 161 C. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels GMM 164 C.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 166 Literaturverzeichnis 175 Abbildungsverzeichnis 195 Abkürzungsverzeichnis 199 Tabellenverzeichnis 201 Curriculum Vitae 203 / Climate change has an important impact on the scale and frequency with which the Earths surface is changing. This can be seen in various geomorphological change processes, such as gravitational natural hazards (rockfalls, landslides or debris flows), glacier melt in high mountain regions or the quantification of coastal dynamics on sandy beaches. Such events are triggered by increasingly prominent and extreme meteorological conditions. In this context, it is essential to implement preventive measures to protect the population as part of a risk management system. To safely manage these hazards, high quality three- and four-dimensional (3D and 4D) data sets of the Earth’s surface are required. Technological advances in metrology and the associated paradigm shift have significantly improved the ability to collect spatially and temporally distributed data. Progress from terrestrial laser scanners to communication-enabled, programmable multisensor systems, compact and robust design, long range and economically competitive systems allow a transition to a permanent laser scanning (PLS). PLS enables the acquisition of data from a fixed position to a target area kilometers away at high frequency and over a long period of time. In terms of adaptive monitoring, PLS is suitable for integration into near realtime assistance or early warning systems. However, in order to achieve acceptance of these systems, transparent, reproducible methods and processes for extracting information must be defined. The aim of this thesis is to present a methodological framework for PLS. Four crucial steps along the processing chain are identifiable: (i) collecting single epoch data, (ii) providing redundant data management and secure data communication to central servers, (iii) multi-temporal data analysis and (iv) reporting and presenting results to stakeholders. Two main research topics emerge from this processing chain. First, the qualitative assessment of the acquired point clouds, which focuses on the influence of different registration methods on the multitemporal point clouds and the influence of the atmosphere on the measured data. It is shown that ignoring these influences leads to significant deviations, which in turn can result in a misinterpretation of the derived information. It is also shown that there is still a lack of data-based procedures to account for these influences. The investigations are based on extensive data sets from Noordwijk/Netherlands and Vals/Austria. The second research topic addreses data analysis. The challenge is to analyse thousands of point clouds per measurement epoch. In this case, bitemporal methods are limited in their applicability. The thesis presents a two-step method to automatically extract information from the large data set. In the first step relevant features are extracted from the full 3D time series of the scene based on 2D raster images by clustering. The extracted segments can then be semi-automatically classified and assigned to relevant geomorphological processes. Based on this knowledge, the scene is, in the second step, spatially delimited. Deeper analyses can then be performed in areas of interest. Using the «M3C2-EP method with adapted Kalman filtering» and «4D objects-by-change», two analysis tools are presented and applied to the dataset in Vals. The monitoring of topographic surface changes with PLS will increase and generate large amounts of data. These data sets need to be processed, analysed and stored. This thesis contributes to a better understanding of the methodology. Users will gain a deeper understanding of the influencing factors along the processing chain from data acquisition to reporting of relevant information by applying the method in a systematic way. The dissertation presents a toolbox that enables automated evaluation of multitemporal point clouds using unsupervised machine learning and provides relevant information to the user. The approach is straightforward and simple and has a high potential for automated analysis in future applications.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung v 1. Einleitung 1 2. Deformationsmonitoring mittels terrestrischer Laserscanner: Aktuelle Methoden, Regulierungen und technische Aspekte 5 2.1. Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Anforderungen an ein integratives Monitoring aus der Sicht eines ganzheitlichen Risikomanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1. Aktives Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Ganzheitliches Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3. Qualitätsbeurteilung und Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . 12 2.2.4. Relevante Normen, Richtlinien und Merkblätter beim Einsatz von permanentem Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Permanentes Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5. Parameter einer permanenten Installation eines Long Range Laserscanners 24 2.5.1. Registrierung und Georeferenzierung . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.2. Geodätische Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.3. Geodätisches Monitoring mittels terrestrischer Laserscanner . . 36 2.6. Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3. Ziel und abgeleiteter Untersuchungsschwerpunkt dieser Arbeit 41 4. Konzept eines Echtzeitassistenzsystems basierend auf PLS 43 5. Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Messergebnisse von permanent installierten terrestrischen Long Range Laserscannern 47 5.1. Fallstudie I: Noordwijk / Niederlande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1.1. Beschreibung der Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.1.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1.3. Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Fallstudie II: Detektion von Corner Cube Prismen und deren Genauigkeit 58 5.2.1. Prismendetektion aus Daten eines TLS . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2.2. Genauigkeitsanalyse der Prismendetektion . . . . . . . . . . . . 59 5.3. Fallstudie III: Valsertal (Tirol) / Österreich . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1. Beschreibung des Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3.2. Geodätische Refraktion als Einfluss auf die Messergebnisse eines PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3.3. Einfluss von Registrierungsparametern auf die Messergebnisse eines PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6. Informationsextraktion aus multitemporalen Punktwolken 95 6.1. Stufe I: Segmentierung räumlich verteilter Zeitreihen auf Basis von 2DBildrastern als Methode des unüberwachten maschinellen Lernens . . . 96 6.1.1. Extraktion von Zeitreihen aus den Punktwolken . . . . . . . . . 98 6.1.2. Zeitreihensegmentierung mittels k-Means-Algorithmen . . . . . 101 6.1.3. Zeitreihensegmentierung mittels extrahierter Merkmale auf Grundlage Gaußscher Mischmodelle (GMM) . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2. Stufe II: Zeitreihenanalyse von räumlich hochauflösenden 3D-Daten . . 122 6.2.1. M3C2-EP mit adaptiver Kalman-Filterung . . . . . . . . . . . . 122 6.2.2. 4D-Änderungsobjekte (4D-OBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.2.3. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Fazit und Ausblick 135 A. Ergebnisse der Systemuntersuchung in Unna-Hemmerde (21.03.2022) 141 B. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels k-Means 145 B.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 148 B.3. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - limitierter Bereich . . . . . . 161 C. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels GMM 164 C.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 166 Literaturverzeichnis 175 Abbildungsverzeichnis 195 Abkürzungsverzeichnis 199 Tabellenverzeichnis 201 Curriculum Vitae 203