Roads are important infrastructure and are primary means of transportation. Control and maintenance of roads are substantial as the pavement surface deforms and deteriorates due to heavy load and influences of weather. Acquiring detailed information about the pavement condition is a prerequisite for proper planning of road pavement maintenance and rehabilitation. Many companies detect and localize the road pavement distresses manually, either by on-site inspection or by digitizing laser data and imagery captured by mobile mapping. The automation of road condition mapping using laser data and colour images is a challenge. Beyond that, the mapping of material properties of the road pavement surface with spectrometers has not yet been investigated. This study aims at automatic mapping of road surface condition including distress and material properties by integrating laser scanning, RGB imaging and spectrometry. All recorded data are geo-referenced by means of GNSS/ INS. Methods are developed for pavement distress detection that cope with a variety of different weather and asphalt conditions. Further objective is to analyse and map the material properties of the pavement surface using spectrometry data. No standard test data sets are available for benchmarking developments on road condition mapping. Therefore, all data have been recorded with a mobile mapping van which is set up for the purpose of this research. The concept for detecting and localizing the four main pavement distresses, i.e. ruts, potholes, cracks and patches is the following: ruts and potholes are detected using laser scanning data, cracks and patches using RGB images. For each of these pavement distresses, two or more methods are developed, implemented, compared to each other and evaluated to identify the most successful method. With respect to the material characteristics, spectrometer data of road sections are classified to indicate pavement quality. As a spectrometer registers almost a reflectivity curve in VIS, NIR and SWIR wavelength, indication of aging can be derived. After detection and localization of the pavement distresses and pavement quality classes, the road condition map is generated by overlaying all distresses and quality classes. As a preparatory step for rut and pothole detection, the road surface is extracted from mobile laser scanning data based on a height jump criterion. For the investigation on rut detection, all scanlines are processed. With an approach based on iterative 1D polynomial fitting, ruts are successfully detected. For streets with the width of 6 m to 10 m, a 6th order polynomial is found to be most suitable. By 1D cross-correlation, the centre of the rut is localized. An alternative method using local curvature shows a high sensitivity to the shape and width of a rut and is less successful. For pothole detection, the approach based on polynomial fitting generalized to two dimensions. As an alternative, a procedure using geodesic morphological reconstruction is investigated. Bivariate polynomial fitting encounters problems with overshoot at the boundary of the regions. The detection is very successful using geodesic morphology. For the detection of pavement cracks, three methods using rotation invariant kernels are investigated. Line Filter, High-pass Filter and Modified Local Binary Pattern kernels are implemented. A conceptual aspect of the procedure is to achieve a high degree of completeness. The most successful variant is the Line Filter for which the highest degree of completeness of 81.2 % is achieved. Two texture measures, the gradient magnitude and the local standard deviation are employed to detect pavement patches. As patches may differ with respect to homogeneity and may not always have a dark border with the intact pavement surface, the method using the local standard deviation is more suitable for detecting the patches. Linear discriminant analysis is utilized for asphalt pavement quality analysis and classification. Road pavement sections of ca. 4 m length are classified into two classes, namely: “Good” and “Bad” with the overall accuracy of 77.6 %. The experimental investigations show that the developed methods for automatic distress detection are very successful. By 1D polynomial fitting on laser scanlines, ruts are detected. In addition to ruts also pavement depressions like shoving can be revealed. The extraction of potholes is less demanding. As potholes appear relatively rare in the road networks of a city, the road segments which are affected by potholes are selected interactively. While crack detection by Line Filter works very well, the patch detection is more challenging as patches sometimes look very similar to the intact surface. The spectral classification of pavement sections contributes to road condition mapping as it gives hints on aging of the road pavement. / Straßen bilden die primären Transportwege für Personen und Güter und sind damit ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur. Der Aufwand für Instandhaltung und Wartung der Straßen ist erheblich, da sich die Fahrbahnoberfläche verformt und durch starke Belastung und Wettereinflüsse verschlechtert. Die Erfassung detaillierter Informationen über den Fahrbahnzustand ist Voraussetzung für eine sachgemäße Planung der Fahrbahnsanierung und -rehabilitation. Viele Unternehmen detektieren und lokalisieren die Fahrbahnschäden manuell entweder durch Vor-Ort-Inspektion oder durch Digitalisierung von Laserdaten und Bildern aus mobiler Datenerfassung. Eine Automatisierung der Straßenkartierung mit Laserdaten und Farbbildern steht noch in den Anfängen. Zudem werden bisher noch nicht die Alterungszustände der Asphaltdecke mit Hilfe der Spektrometrie bewertet. Diese Studie zielt auf den automatischen Prozess der Straßenzustandskartierung einschließlich der Straßenschäden und der Materialeigenschaften durch Integration von Laserscanning, RGB-Bilderfassung und Spektrometrie ab. Alle aufgezeichneten Daten werden mit GNSS / INS georeferenziert. Es werden Methoden für die Erkennung von Straßenschäden entwickelt, die sich an unterschiedliche Datenquellen bei unterschiedlichem Wetter- und Asphaltzustand anpassen können. Ein weiteres Ziel ist es, die Materialeigenschaften der Fahrbahnoberfläche mittels Spektrometrie-Daten zu analysieren und abzubilden. Derzeit gibt es keine standardisierten Testdatensätze für die Evaluierung von Verfahren zur Straßenzustandsbeschreibung. Deswegen wurden alle Daten, die in dieser Studie Verwendung finden, mit einem eigens für diesen Forschungszweck konfigurierten Messfahrzeug aufgezeichnet. Das Konzept für die Detektion und Lokalisierung der wichtigsten vier Arten von Straßenschäden, nämlich Spurrillen, Schlaglöcher, Risse und Flickstellen ist das folgende: Spurrillen und Schlaglöcher werden aus Laserdaten extrahiert, Risse und Flickstellen aus RGB- Bildern. Für jede dieser Straßenschäden werden mindestens zwei Methoden entwickelt, implementiert, miteinander verglichen und evaluiert um festzustellen, welche Methode die erfolgreichste ist. Im Hinblick auf die Materialeigenschaften werden Spektrometriedaten der Straßenabschnitte klassifiziert, um die Qualität des Straßenbelages zu bewerten. Da ein Spektrometer nahezu eine kontinuierliche Reflektivitätskurve im VIS-, NIR- und SWIR-Wellenlängenbereich aufzeichnet, können Merkmale der Asphaltalterung abgeleitet werden. Nach der Detektion und Lokalisierung der Straßenschäden und der Qualitätsklasse des Straßenbelages wird der übergreifende Straßenzustand mit Hilfe von Durchschlagsregeln als Kombination aller Zustandswerte und Qualitätsklassen ermittelt. In einem vorbereitenden Schritt für die Spurrillen- und Schlaglocherkennung wird die Straßenoberfläche aus mobilen Laserscanning-Daten basierend auf einem Höhensprung-Kriterium extrahiert. Für die Untersuchung zur Spurrillen-Erkennung werden alle Scanlinien verarbeitet. Mit einem Ansatz, der auf iterativer 1D-Polynomanpassung basiert, werden Spurrillen erfolgreich erkannt. Für eine Straßenbreite von 8-10m erweist sich ein Polynom sechsten Grades als am besten geeignet. Durch 1D-Kreuzkorrelation wird die Mitte der Spurrille erkannt. Eine alternative Methode, die die lokale Krümmung des Querprofils benutzt, erweist sich als empfindlich gegenüber Form und Breite einer Spurrille und ist weniger erfolgreich. Zur Schlaglocherkennung wird der Ansatz, der auf Polynomanpassung basiert, auf zwei Dimensionen verallgemeinert. Als Alternative wird eine Methode untersucht, die auf der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion beruht. Bivariate Polynomanpassung führt zu Überschwingen an den Rändern der Regionen. Die Detektion mit Hilfe der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion ist dagegen sehr erfolgreich. Zur Risserkennung werden drei Methoden untersucht, die rotationsinvariante Kerne verwenden. Linienfilter, Hochpassfilter und Lokale Binäre Muster werden implementiert. Ein Ziel des Konzeptes zur Risserkennung ist es, eine hohe Vollständigkeit zu erreichen. Die erfolgreichste Variante ist das Linienfilter, für das mit 81,2 % der höchste Grad an Vollständigkeit erzielt werden konnte. Zwei Texturmaße, nämlich der Betrag des Grauwert-Gradienten und die lokale Standardabweichung werden verwendet, um Flickstellen zu entdecken. Da Flickstellen hinsichtlich der Homogenität variieren können und nicht immer eine dunkle Grenze mit dem intakten Straßenbelag aufweisen, ist diejenige Methode, welche die lokale Standardabweichung benutzt, besser zur Erkennung von Flickstellen geeignet. Lineare Diskriminanzanalyse wird zur Analyse der Asphaltqualität und zur Klassifikation benutzt. Straßenabschnitte von ca. 4m Länge werden zwei Klassen („Gut“ und „Schlecht“) mit einer gesamten Accuracy von 77,6 % zugeordnet. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelten Methoden für die automatische Entdeckung von Straßenschäden sehr erfolgreich sind. Durch 1D Polynomanpassung an Laser-Scanlinien werden Spurrillen entdeckt. Zusätzlich zu Spurrillen werden auch Unebenheiten des Straßenbelages wie Aufschiebungen detektiert. Die Extraktion von Schlaglöchern ist weniger anspruchsvoll. Da Schlaglöcher relativ selten in den Straßennetzen von Städten auftreten, werden die Straßenabschnitte mit Schlaglöchern interaktiv ausgewählt. Während die Rissdetektion mit Linienfiltern sehr gut funktioniert, ist die Erkennung von Flickstellen eine größere Herausforderung, da Flickstellen manchmal der intakten Straßenoberfläche sehr ähnlich sehen. Die spektrale Klassifizierung der Straßenabschnitte trägt zur Straßenzustandsbewertung bei, indem sie Hinweise auf den Alterungszustand des Straßenbelages liefert.

In Electrochemical Machining (ECM), where the material removal takes place based on the anodic dissolution of the workpiece material, the working distance is one of the most important parameters. Especially in Jet Electrochemical Machining (Jet-ECM), where a micro nozzle is moved over the initial surface of the workpiece in order to apply an electrolytic free jet to produce the desired shapes, the distance between the nozzle and the workpiece becomes even more important. On the one hand a small working distance is aspired to achieve high current densities resulting in a high efficiency of the process. On the other hand the working distance needs to be large enough to avoid damages on the micro nozzle caused by electrical discharges or mechanical contact. Hence, the adjustment of the working gap is essential to realize a precise, effective and secure Jet-ECM process. The control of the gap size is done based on the data gathered before machining by surface measurement. Until now, the initial surface has been detected by electrostatic probing through moving the nozzle stepwise to the work piece surface and detect the voltage drop between the nozzle and the work piece. With this strategy, only a limited number of points can be detected within adequate time. Hence, in most cases only three points of the initial surface are detected in order to adjust the working distance according to the planar inclination of the workpiece. The coordinates of the three detected points are used to calculate the normal vector of the initial surface. In recent studies, another strategy was analysed, which is realized by dividing the surface into smaller areas and respectively calculating the normal vector of each area in order to obtain more accurate data of the initial surface. A further strategy is to use probing along the machining path of the tool and to gather the coordinates of a number of points along the path. The above mentioned methods usually do not ensure the precise control of the gap size especially for the surfaces with complex geometry with locally confined convex and concave shapes and are highly affected by the size of the probe. In this study, the application of a laser scanner is investigated for the measurement of the workpiece surface before machining to gather the required data for the adjustment of the working distance during Jet-EC machining of complicated surfaces.

Terrestrische Laserscanner finden seit einigen Jahren immer stärkere Anwendung in der Praxis und ersetzen bzw. ergänzen bisherige Messverfahren, oder es werden neue Anwendungsgebiete erschlossen. Werden die Daten eines terrestrischen Laserscanners mit photogrammetrischen Bilddaten kombiniert, ergeben sich viel versprechende Möglichkeiten, weil die Eigenschaften beider Datentypen als weitestgehend komplementär angesehen werden können: Terrestrische Laserscanner erzeugen schnell und zuverlässig dreidimensionale Repräsentationen von Objektoberflächen von einem einzigen Aufnahmestandpunkt aus, während sich zweidimensionale photogrammetrische Bilddaten durch eine sehr gute visuelle Qualität mit hohem Interpretationsgehalt und hoher lateraler Genauigkeit auszeichnen. Infolgedessen existieren bereits zahlreiche Ansätze, sowohl software- als auch hardwareseitig, in denen diese Kombination realisiert wird. Allerdings haben die Bildinformationen bisher meist nur ergänzenden Charakter, beispielsweise bei der Kolorierung von Punktwolken oder der Texturierung von aus Laserscannerdaten erzeugten Oberflächenmodellen. Die konsequente Nutzung der komplementären Eigenschaften beider Sensortypen bietet jedoch ein weitaus größeres Potenzial. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Berechnungsmethode – die integrierte Bündelblockausgleichung – entwickelt, bei dem die aus terrestrischen Laserscannerdaten und photogrammetrischen Bilddaten abgeleiteten Beobachtungen diskreter Objektpunkte gleichberechtigt Verwendung finden können. Diese Vorgehensweise hat mehrere Vorteile: durch die Nutzung der individuellen Eigenschaften beider Datentypen unterstützen sie sich gegenseitig bei der Bestimmung von 3D-Objektkoordinaten, wodurch eine höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Alle am Ausgleichungsprozess beteiligten Daten werden optimal zueinander referenziert und die verwendeten Aufnahmegeräte können simultan kalibriert werden. Wegen des (sphärischen) Gesichtsfeldes der meisten terrestrischen Laserscanner von 360° in horizontaler und bis zu 180° in vertikaler Richtung bietet sich die Kombination mit Rotationszeilen-Panoramakameras oder Kameras mit Fisheye-Objektiv an, weil diese im Vergleich zu zentralperspektiven Kameras deutlich größere Winkelbereiche in einer Aufnahme abbilden können. Grundlage für die gemeinsame Auswertung terrestrischer Laserscanner- und photogrammetrischer Bilddaten ist die strenge geometrische Modellierung der Aufnahmegeräte. Deshalb wurde für terrestrische Laserscanner und verschiedene Kameratypen ein geometrisches Modell, bestehend aus einem Grundmodell und Zusatzparametern zur Kompensation von Restsystematiken, entwickelt und verifiziert. Insbesondere bei der Entwicklung des geometrischen Modells für Laserscanner wurden verschiedene in der Literatur beschriebene Ansätze berücksichtigt. Dabei wurde auch auf von Theodoliten und Tachymetern bekannte Korrekturmodelle zurückgegriffen. Besondere Bedeutung innerhalb der gemeinsamen Auswertung hat die Festlegung des stochastischen Modells. Weil verschiedene Typen von Beobachtungen mit unterschiedlichen zugrunde liegenden geometrischen Modellen und unterschiedlichen stochastischen Eigenschaften gemeinsam ausgeglichen werden, muss den Daten ein entsprechendes Gewicht zugeordnet werden. Bei ungünstiger Gewichtung der Beobachtungen können die Ausgleichungsergebnisse negativ beeinflusst werden. Deshalb wurde die integrierte Bündelblockausgleichung um das Verfahren der Varianzkomponentenschätzung erweitert, mit dem optimale Beobachtungsgewichte automatisch bestimmt werden können. Erst dadurch wird es möglich, das Potenzial der Kombination terrestrischer Laserscanner- und photogrammetrischer Bilddaten vollständig auszuschöpfen. Zur Berechnung der integrierten Bündelblockausgleichung wurde eine Software entwickelt, mit der vielfältige Varianten der algorithmischen Kombination der Datentypen realisiert werden können. Es wurden zahlreiche Laserscannerdaten, Panoramabilddaten, Fisheye-Bilddaten und zentralperspektive Bilddaten in mehreren Testumgebungen aufgenommen und unter Anwendung der entwickelten Software prozessiert. Dabei wurden verschiedene Berechnungsvarianten detailliert analysiert und damit die Vorteile und Einschränkungen der vorgestellten Methode demonstriert. Ein Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Geologie veranschaulicht das Potenzial des Algorithmus in der Praxis. / The use of terrestrial laser scanning has grown in popularity in recent years, and replaces and complements previous measuring methods, as well as opening new fields of application. If data from terrestrial laser scanners are combined with photogrammetric image data, this yields promising possibilities, as the properties of both types of data can be considered mainly complementary: terrestrial laser scanners produce fast and reliable three-dimensional representations of object surfaces from only one position, while two-dimensional photogrammetric image data are characterised by a high visual quality, ease of interpretation, and high lateral accuracy. Consequently there are numerous approaches existing, both hardware- and software-based, where this combination is realised. However, in most approaches, the image data are only used to add additional characteristics, such as colouring point clouds or texturing object surfaces generated from laser scanner data. A thorough exploitation of the complementary characteristics of both types of sensors provides much more potential. For this reason a calculation method – the integrated bundle adjustment – was developed within this thesis, where the observations of discrete object points derived from terrestrial laser scanner data and photogrammetric image data are utilised equally. This approach has several advantages: using the individual characteristics of both types of data they mutually strengthen each other in terms of 3D object coordinate determination, so that a higher accuracy can be achieved; all involved data sets are optimally co-registered; and each instrument is simultaneously calibrated. Due to the (spherical) field of view of most terrestrial laser scanners of 360° in the horizontal direction and up to 180° in the vertical direction, the integration with rotating line panoramic cameras or cameras with fisheye lenses is very appropriate, as they have a wider field of view compared to central perspective cameras. The basis for the combined processing of terrestrial laser scanner and photogrammetric image data is the strict geometric modelling of the recording instruments. Therefore geometric models, consisting of a basic model and additional parameters for the compensation of systematic errors, was developed and verified for terrestrial laser scanners and different types of cameras. Regarding the geometric laser scanner model, different approaches described in the literature were considered, as well as applying correction models known from theodolites and total stations. A particular consideration within the combined processing is the definition of the stochastic model. Since different types of observations with different underlying geometric models and different stochastic properties have to be adjusted simultaneously, adequate weights have to be assigned to the measurements. An unfavourable weighting can have a negative influence on the adjustment results. Therefore a variance component estimation procedure was implemented in the integrated bundle adjustment, which allows for an automatic determination of optimal observation weights. Hence, it becomes possible to exploit the potential of the combination of terrestrial laser scanner and photogrammetric image data completely. For the calculation of the integrated bundle adjustment, software was developed allowing various algorithmic configurations of the different data types to be applied. Numerous laser scanner, panoramic image, fisheye image and central perspective image data were recorded in different test fields and processed using the developed software. Several calculation alternatives were analysed, demonstrating the advantages and limitations of the presented method. An application example from the field of geology illustrates the potential of the algorithm in practice.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Bewegungsvektorfeldern von Gletschern aus monokularen Bildsequenzen. Diese stellen eine wertvolle Grundlage für glaziologische Analysen des Bewegungsverhaltens von Gletschern dar. Im Rahmen der Arbeit wurden Bildsequenzmessungen an fünf schnellfließenden Gletschern im Bereich der Diskobucht in Westgrönland durchgeführt. Insbesondere erfolgte die Aufnahme von Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscannerdaten am Jakobshavn Isbræ, einem der schnellsten und produktivsten Gletscher Grönlands. Diese Messungen bilden die Datengrundlage der Arbeit. Es werden Messkonzepte zur Aufnahme der entsprechenden Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans bereitgestellt sowie Methoden entwickelt, um die Auswertung dieser Daten nach dem Prinzip der monoskopischen Bildsequenzanalyse zu ermöglichen. Die Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans werden von einem festen Standpunkt aus aufgenommen. Die Ableitung von Bewegungsvektorfeldern erfolgt dann durch eine automatische Zuordnung von Grauwertmustern in den Bildsequenzen bzw. durch die Zuordnung von 3D-Punktmustern in den multi-temporalen Laserscannerdaten. Bestehende Punktzuordnungsmethoden werden einerseits an die besonderen Eigenschaften der Gletscherdaten angepasst, andererseits werden geeignete Methoden zur Lösung von Detailproblemen neu entwickelt. Die Methodik der Bildsequenzanalyse wird dabei vor allem hinsichtlich ihrer Robustheit – beispielsweise gegenüber durch Schattenwurf verursachten Störungen im Bild – optimiert und es werden Bewegungseffekte in den Bildsequenzen korrigiert, die durch die Eigenbewegung der Kamera verursacht werden. Bei der Entwicklung der Methodik zur Analyse multitemporaler Laserscannerdaten werden vor allem Effekte berücksichtigt, die durch das sequenzielle Aufnahmeprinzip eines Scanners auftreten. Auf Basis der entwickelten und implementierten Methodik erfolgt die Auswertung der aufgenommenen Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans. Das Ergebnis der monoskopischen Bildsequenzauswertung ist ein dichtes Raster an Bewegungskurven für jede Bildsequenz. Die einzelnen Translationen der Bewegungskurven können mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern bis zu einem Dezimeter bestimmt werden. Die Auswertung der Laserscannerdaten liefert räumlich hochaufgelöste digitale Geländemodelle der Gletscheroberfläche sowie ein dichtes Raster von 3D-Bewegungsvektoren, deren Genauigkeit im Dezimeterbereich liegt. Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass sich die aus monokularen Bildsequenzen abgeleiteten Bewegungsvektorfelder zur Bestimmung frontnaher Geschwindigkeitsfelder mit hoher räumlicher Auflösung, zur Ableitung der Lage und der Migration der Aufsetzlinie aus gezeiteninduzierten Vertikalbewegungen sowie zur Untersuchung des Geschwindigkeitsverhalten von Gletschern bei Kalbungsereignissen eignen. Aus den Laserscannerdaten können hochaufgelöste digitale Geländemodelle zur Dokumentation von Fronthöhen und Gletscherstrukturen abgeleitet werden, zudem eignen sie sich zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern, die eine sehr hohe räumliche Auflösung besitzen. / This research aims to determine the motion vector fields of glaciers with high spatial and temporal resolution. These vector fields can be derived from monocular image sequences and are a valuable data source for glaciological analysis of the motion behaviour of glaciers. Image sequence measurements have been conducted at five fast-flowing glaciers in the Disko Bay region in western Greenland. Especially at the Jakobshavn Isbræ – one of the fastest and most productive glaciers in Greenland – numerous image sequences have been recorded, as well as multi-temporal laser scanner data sets. These measurements provide the basic data sets for this thesis. The measurement concepts for the acquisition of image sequences and multi-temporal laser scans are presented, and procedures for the processing of the recorded data are developed, based on the principle of monoscopic image sequence analysis. Both the image sequences and multi-temporal laser scans are acquired statically. Motion vector fields can be derived by applying automatic co-registration methods on grey value patterns in the image sequences and on 3D point patterns in the laser scanner datasets respectively. Thus, standard matching techniques have been adapted to the special characteristics of the glacier data, and suitable methods that solve detail problems have been developed in addition. The method of the image sequence analysis has been optimised with respect to its robustness against errors caused by moving shadows. Furthermore, motion effects caused by small instabilities in the camera setup have been corrected. Regarding the analysis of multi-temporal laser scanner data, effects that occur because of the sequential acquisition principle of a laser scanner must also be considered. Based on the developed method, the image sequences and multi temporal laser scans have been processed. The result of the monoscopic image sequence analysis is a dense raster of trajectories for each image sequence. Each translation component from these trajectories can be determined with an accuracy of some centimeters up to one decimetre. The processing of the laser scanner data provides digital surface models of the glacier with high spatial resolution, and a dense raster of 3D motion vectors with accuracy in the range of decimetres. Specific examples show that motion vector fields derived from monocular image sequences can be used for the determination of high resolution velocity fields of glaciers, for the determination of the position and migration of the grounding line and for the investigation of a glacier’s motion behaviour during calving events. From the multi-temporal laser scanner data, velocity fields with high spatial resolution can be derived as well as digital surface models from single scans that document glacier front heights and glacier structures.

The importance of single-tree-based information for forest management and related industries in countries like Sweden, which is covered in approximately 65% by forest, is the motivation for developing algorithms for tree detection and species identification in this study. Most of the previous studies in this field are carried out based on aerial and spectral images and less attention has been paid on detecting trees and identifying their species using laser points and clustering methods. In the first part of this study, two main approaches of clustering (hierarchical and K-means) are compared qualitatively in detecting 3-D ALS points that pertain to individual tree clusters. Further tests are performed on test sites using the supervised k-means algorithm in which the initial clustering points are defined as seed points. These points, which represent the top point of each tree are detected from the cross section analysis of the test area. Comparing those three methods (hierarchical, ordinary K-means and supervised K-means), the supervised K-means approach shows the best result for clustering single tree points. An average accuracy of 90% is achieved in detecting trees. Comparing the result of the thesis algorithms with results from the DPM software, developed by the Visimind Company for analysing LiDAR data, shows more than 85% match in detecting trees. Identification of trees is the second issue of this thesis work. For this analysis, 118 trees are extracted as reference trees with three species of spruce, pine and birch, which are the dominating species in Swedish forests. Totally six methods, including best fitted 3-D shapes (cone, sphere and cylinder) based on least squares method, point density, hull ratio and slope changes of tree outer surface are developed for identifying those species. The methods are applied on all extracted reference trees individually. For aggregating the results of all those methods, a fuzzy logic system is used because of its good reputation in combining fuzzy sets with no distinct boundaries. The best-obtained model from the fuzzy system provides 73%, 87% and 71% accuracies in identifying the birch, spruce and pine trees, respectively. The overall obtained accuracy in species categorization of trees is 77%, and this percentage is increased dealing with only coniferous and deciduous types classification. Classifying spruce and pine as coniferous versus birch as deciduous species, yielded to 84% accuracy.

LADAR (Laser Detection and Ranging) systems constitue a direct extension of the conventional radar techniques. Because they operate at much shorter wavelengths, LADARs have the unique capability to generate 3D images of objects. These laser systems have many applications in both the civilian and the defence fields concerning target detection and identification. The extraction of these features depends on the processing algorithms, target properties and 3D images quality. In order to support future LADAR hardware device developments and system engineering studies, it is necessary to understand the influences of the phenomena leading to the final image. Hence, the modelling of the laser pulse, propagations effects, reflection properties, detection technique and receiver signal processinghave to be taken into account. A complete simulator has been developed consisting of a graphical user interface and a simulation program. The computer simulation produces simulated 3D images for a direct detection pulse LADAR under a wide variety of conditions. Each stage from the laser source to the 3D image generation has been modelled. It yields an efficient simulation tool which will be of help in the design of the future LADAR systems and gauge their performances. This master’s thesis contains the theoretical background about laser used to build the simulation program. The latter is described schematically in order to provide an insight for the reader. The graphical interface is then presented as a short user’s manual. Finally, in order to illustrate the possibilities of the simulator, a collection of selected simulations concludes the report.

The GRP 5000 is a track measuring trolley capable of collecting track geometry data and performing clearance analyses based on laser scanning technology. The obtained laser data can also be used for as-built documentation, and the track recording functionality makes applications such as surveying, tamping assistance and slab track construction possible. The accuracy, huge data amount and time efficiency by which the system operates sets a new standard in railway surveying, and outdates traditional methods of manual and visual inspection. This thesis is a case study of the GRP 5000 with several objectives: a functional and technical description of the system is given; the accuracy of the system is evaluated, showing overall good values except for one of the sensors used; comparisons are made to other railway surveying techniques, such as track recording vehicles, manual devices and other track recording trolleys; possible improvements are pointed out, both based on comparison results as well as testing results. Finally, new and innovative ways of using the trolley, such as offtrack usage, as well as for the obtained laser data, such as GIS, maintenance aspects and CFD aspects, are examined.

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Runstenar dokumenteras idag både för att skapa en visuell avbildning och medsyftet att användas vid forskning. Om avbildningen ska användas vid forskningfinns krav på en låg mätosäkerhet. Vid de studier som funnits har terresterlaserskanning (TLS) varit den valda dokumentationsmetoden. Fotobaseradskanning vilken är en billigare dokumentationsmetod har utvecklats mycketunder senare tid i och med utvecklingen av högupplösta kameror ochanvändarvänliga mjukvaror för bildbehandling.Denna studie syftar till att finna svar på om fotobaserad skanning är en lämpligmetod vid avbildandet av runor och ornament då en 3D-modell med lågmätosäkerhet ska skapas. För att avgöra detta jämförs tre fotogrammetriskapunktmoln och modeller mot punktmoln och modeller från en TLS av märketHexagon Romer Absolute Arm. Punktmolnen och modellerna från HexagonRomer Absolute Armen bildar i denna studie referensmodellen. Endigitalkamera och en smartphonekamera används i studien. Fotografier tasmed båda kamerorna på ett avstånd av 40 cm från runorna. Medsmartphonekameran tas även fotografier på 10–20 cm för att utvärderaavståndets betydelse för resultatet.Jämförelser mellan de sammanlagda RMS-värdena för fotogrammetriskamodellernas och referensmodellens ytor visar på den lägsta avvikelsen fördigitalkamerans modell. Detta då RMS-värdet för avvikelsen motreferensmodellen endast är 0,30 mm för digitalkameran. RMS-värdena föravvikelserna för smartphonekamerans modell är 0,63 mm då fotograferingenutfördes på 10–20 cm och 2,59 mm om avståndet var 40 cm. Alla modellerhar avvikelser på mm-nivå vilket jämfört med tidigare studier får anses somsmå skillnader. Resultatet visar även på avståndets betydelse för punkttäthetenoch den skapade modellens mätosäkerhet. De punktmoln som skapades avsmartphonekamerans fotografier uppvisar en ungefärlig dubblering avpunkttätheten i det täta punktmolnet då avståndet minskas från 40 cm till 10–20 cm mellan kamera och objekt. Till viss del kan kortare avstånd med andraord kompensera för en kamera med sämre upplösning. Detta gör att även ensmartphonekamera kan vara ett alternativ vid dokumentation av runskrift omingen bättre kamera finns att tillgå. Studien antyder att en högupplöstdigitalkamera kan vara ett fullgott alternativ till TLS vid dokumentation avrunskrift med låg mätosäkerhet. Detta skulle underlätta för forskare vidinsamlandet av material vid studier av runskrift.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes adhérant à une surface et encastrées dans une substance polymérique produite par les cellules du système, dite matrice extracellulaire. Du fait de leur nature ubiquitaire, les biofilms colonisent de nombreux environnements et causent souvent de sérieux problèmes dans les secteurs de la santé et de l’industrie. La dispersion par ajout d’agent chimique est l’une des stratégies de lutte contre les biofilms. Un acide gras, l’acide cis-2-décénoique (CDA), semble être prometteur pour ce faire, grâce à l’étendue de son action dispersante sur les espèces et règnes du vivant. L’objectif de ce travail de thèse est d’investiguer les mécanismes de dispersion des biofilms de l’espèce bactérienne Escherichia coli (E. coli) par la molécule modèle CDA. Le CDA modifie-t-il les structures du biofilm ou induit-il une réponse génétique des bactéries lors de la dispersion ? Pour répondre à ces questions, la dispersion des biofilms d’E. coli a été étudiée in situ dans des chambres microfluidiques par microscopie confocale à balayage laser (CLSM). Des souches bactériennes spécifiques ont été construites par clonage de promoteurs d’intérêt en fusion transcriptionnelle avec un gène codant pour une protéine fluorescente verte. Les résultats confirment l’activité dispersante du CDA avec une réduction significative de la biomasse, de l’épaisseur moyenne et de l’aire de recouvrement par couche du biofilm. Un outil innovant d’analyse d’images CLSM a été développé en collaboration dans le but de déterminer les propriétés structurales du biofilm et l’intensité de fluorescence in situ du rapporteur étudié. Les résultats indiquent une augmentation de l’intensité moyenne de fluorescence des biofilms après dispersion avec le CDA, au niveau global en considérant tout le biofilm et au niveau local en considérant une segmentation du biofilm en microcolonies, ainsi qu’en profondeur. Ces résultats évoquent un changement d’expression génique des bactéries en présence de CDA. Par ailleurs, les résultats montrent que le CDA ne semble pas avoir d’effet en culture planctonique, ni sur la croissance bactérienne ni sur l’activité des promoteurs sélectionnés. Ceci suggère que les effets du CDA sont biofilm-dépendants. / Biofilms are microbial communities adhering to a surface and embedded in a self-produced polymeric substance, called extracellular matrix. By being ubiquitous in nature, biofilms colonize numerous environments, and they often cause serious problems for both health and industry sectors. Dispersion is one of the strategies for fighting biofilms. A fatty acid, cis-2-decenoic acid (CDA), seems to be promising for dispersing biofilms by the extent of its action on different species of microbes. The aim of this thesis work is to investigate the mechanisms of biofilm dispersion of the bacterial species Escherichia coli (E. coli) by the model molecule CDA. Does CDA modify the biofilm structures or does it induce a genetic response from bacteria during dispersion? To answer these questions, E. coli biofilm dispersal has been studied in situ in microfluidic chambers by confocal laser scanning microscopy (CLSM). Specific bacterial strains have been developed by cloning promoters of interest in transcriptional fusion with a gene encoding for a green fluorescent protein. The results confirm the dispersing activity of CDA with a significant decrease of biomass, biofilm average thickness and area over biofilm depth. A novel tool for analyzing CLSM images has been developed in collaboration in order to measure the biofilm structural properties as a function of in situ fluorescence intensity of the studied reporter. The results indicate an increase in the mean fluorescence intensity of the biofilms after dispersion with CDA, at a global level for the whole biofilm and at a local scale by considering a biofilm segmentation into microcolonies. These results evoke a change in gene expression by bacteria in the presence of CDA. Furthermore, the results show that CDA does not seem to have an effect on planktonic bacteria, neither on the bacterial growth nor on the activity of the selected promoters. This suggests that the CDA effects are biofilm-dependent.