A quantificação de recursos florestais é usada para fins diversos nas ciências naturais, e depende da obtenção de dados de campo de forma precisa e rápida, e o inventário florestal tem se valido principalmente de trabalho humano manual para este fim. A tecnologia LiDAR, baseada em sistemas a laser, permite a coleta desses dados por meio da representação tridimensional do ambiente e a geração de informações espacialmente precisas dos objetos que o compõe. O sistema de varredura laser terrestre (terrestrial laser scanning - TLS) aplica essa tecnologia sob abordagem terrestre, e assim pode ser usada na representação 3D de florestas e ambientes naturais. Devido a crescente número de estudos nesse tópico atualmente o sistema TLS é capaz de fornecer métricas florestais básicas com elevada exatidão, como densidade de plantio e diâmetro à altura do peito, além de informações não obtidas pelo inventário florestal padrão, como estimativa da biomassa e índice de área foliar, entre outros. Este trabalho tem por objetivo a avalição da capacidade do sistema TLS em fornecer com exatidão métricas de árvores individuais selecionadas em dois povoamentos florestais localizados no sudeste do Brasil. Árvores de Eucalyptus sp. (n = 6) e Pinus elliottii var. elliottii (n = 5) foram submetidas à varredura e os valores obtidos pelo mapeamento 3D foram comparados com dados medidos em campo manualmente. Os resultados encontrados mostram que o algoritmo empregado na filtragem dos troncos foi eficiente no isolamento dos fustes de árvores individuais até a altura total das árvores amostradas, enquanto que o algoritmo para modelagem do tronco filtrado foi capaz de fornecer medidas de diâmetro até 50% da altura total das amostras. A exatidão das medidas de DAP pelos dados TLS foi de 0,91 cm e 2,77 cm (REQM) para Eucalyptus e Pinus, respectivamente. Os diâmetros ao longo do fuste tiveram mais exatidão no Eucalyptus (REQM = 2,75 cm e r = 0,77) do que no Pinus (REQM = 3,62 cm e r = 0,86), resultados condizentes com os encontrados em literatura. A exatidão da estimativa dos diâmetros diminuiu ao longo do fuste. O autor sugere que a influência de vento forte no momento da varredura pode ter interferido na qualidade das nuvens de pontos em relação a ruídos e na exatidão dos modelos de obtenção de diâmetros. A partir destes resultados conclui-se que, para as características ambientais e parâmetros de varreduras apresentados, o sistema TLS foi capaz de fornecer dados com exatidão aceitável, e mais estudos devem ser conduzidos buscando o entendimento e mitigação de efeitos que podem dificultar a obtenção de dados precisos nos estratos superiores do dossel florestal. / Forest resources assessment is used for diverse purposes on natural sciences, and relies on field data acquisition in fast and precise ways, and forest inventory has been relying mainly on manual human labor for that. LiDAR technology, which is based on a laser system, allows for these data acquisition through 3D representation of surroundings and the generation of espacially precise information about the objetcs within. Terrestrial laser scanning - TLS - applies this technology in a land approach, thus it can be used on the 3D representation of forests and natural scenes. Due to increasing number of studies on this subject nowadays TLS system is capable of giving basic forest metrics with high precision, as for plant density and diameter at breast height, besides information not obtained by standard inventory procedures, as biomass estimation and leaf área index, among others. This work aims the assessment of TLS capability on giving precise metrics of individual trees located at two forest stands in southeastern Brazil. Trees of Eucalyptus sp. (n = 6) and Pinus elliottii var. elliottii (n = 5) were scanned and the numbers obtained by 3D mapping were compared to manually measured field data. The results found show that the algorithms used on trunk filtration were efficient on individual trees stem isolation until total height of measured trees, while the trunk modelling algorithm was capable of giving diameters until 50% of samples total height. The precision of DBH measurements by TLS data was 0,91 cm and 2,77 cm (RMSE) for Eucalyptus and Pinus, respectivelly. Diameters along the stem were more preciselly estimated for Eucalytus trees (RMSE = 2,75 cm and r = 0,77) than for Pinus trees (RMSE = 3,62 cm and r = 0,86), results consistente with literature. The precision of diameters estimation diminished along the stem. The author suggests that the influence of intense wind by the time of scanning can have interfered on cloud point quality in the terms of noises and thus on the precision of diameter estimation modelling. From these results one can conclude that, considering the environmental aspects and scanning parameters presented, TLS system was capable on giving data with acceptable precision, and more studies must be carried searching for understanding and mitigation of effects that can difficult precise data acquisition on upper forest strata.

As regiões de cultivo de eucalipto apresentam um grande número de variações ambientais em nível microrregional, como pode ser facilmente constatado quando se observam as diferenças expressivas entre as produtividades florestais de cada área. No entanto, para se avaliar um ambiente, é necessário identificar segmentos específicos dentro de uma paisagem, tratando-se de uma propriedade florestal e, dentro desse estudo, buscar a compreensão das interações que aí se processam. Este trabalho contribui para entender o efeito da face de exposição solar no crescimento de plantios comerciais de Eucalyptus. A proposta metodológica apresentada leva em consideração o conhecimento do meio físico - tendo como base a fisiografia para distinção das faces de exposição solar- além disso, a interação dos fatores fisiográficos com os fatores biológicos são discutidos para subsidiar a tomada de decisão. A acentuada interação genótipo x ambiente presente em muitas culturas faz com que estudos de adaptabilidade a ambientes específicos sejam parte integrante dos programas de pesquisa florestal. A resposta diferenciada dos genótipos a ambientes favoráveis e desfavoráveis pode auxiliar o gestor florestal na alocação assertiva dos materiais genéticos para maximizar a produtividade. O escaneamento a laser aerotransportado, ferramenta de uso precoce no Brasil, é um sensor óptico ativo que mede a distância até os objetos-alvo e foi utilizado para a obtenção da altura das árvores. A área de estudo está localizada na região sudoeste do estado de São Paulo. Dentre as métricas disponíveis do processamento utilizou o percentil 90 de altura para estimar a altura de plantios comerciais homogêneos de Eucalyptus. Elaborou-se a análise de variância considerando um delineamento fatorial contemplando a face de exposição solar (norte e sul) e o material genético (clones comerciais), além da interação entre ambos para observar o efeito da face no crescimento em altura do povoamento. Para florestas abaixo de quatro anos de idade observou-se que os plantios de face sul cresceram menos que os da face norte. Para florestas acima de 5 anos essa diferença entre face continua, contudo, quando concluído o desdobramento da interação fatorial observou-se que os materiais genéticos plantados em face norte não diferem entre si, mas a diferença se mantém para florestas em face sul. / The eucalyptus cultivation regions boast a large number of environmental variables in micro-regional level, as can easily be seen when studying the expressive differences between the productivity of each forest area. To evaluate an environment, however, it is necessary to identify specific segments within a landscape with regards to a forest property and within that landscape study to seek the understanding of the interactions that takes place in the process. This work contributes to a better understanding of the effect of the aspect on growth in commercial plantations of Eucalyptus. The methodological approach presented in this work takes into account the knowledge of the physical environment, based on physiography, for distinction of aspect on environments, in addition to showing the interaction of physiographic factors with biological factors to support the decision-making process. The sharp interaction genotype x environment present in many cultures leads to studies of adaptability to specific environments to become integral parts of forestry research programs. The differentiated response of genotypes to favorable and unfavorable environments can assist forest managers in the allocation of assertive genetic materials to maximize productivity. The airborne laser scanning, which is an early tool used in Brazil, is an active optical sensor that measures the distance to the target objects, was used to obtain the height of the trees. The study area is located in the southwestern region of the State of São Paulo in Brazil. Among the available processing metrics, it was used 90 percentiles in height to estimate the height of homogeneous commercial plantations of Eucalyptus. A variance analysis was devised considering a factorial design contemplating the aspect (North and South) and genetic material (commercial clones), besides the interaction between both to observe the effect of the exposure on the height growth of the settlement. To forests below four years of age, it was observed that the plantations of the South exposure grow less than the north exposure. For forests above five years, this difference between aspect continues, however, when the deployment of factorial interactions is done, it\'s observed that the genetic materials planted in the north exposure do not differ with each other, but the difference stands within forests in the South exposure.

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Beståndsindelning av skog är till stor den en manuell process som kräver mycket tid. De senaste 20 åren har tekniker som Airborne Laser Scanning (ALS) bidragit till en effektivisering av processen genom att generera laserdata som möjliggör skapandet av lättolkade bilder av skogsområden. Ur laser- och bilddata kan skogliga attribut så som trädhöjd, trädtäthet och markhöjd extraheras. Studiens syfte var att utvärdera vilka attribut som var mest relevanta för att särskilja skogsbestånd i ett system som delade in skog i bestånd automatiskt. Vid analys av attributens relevans användes klassificeringsmodeller. Fackmän intervjuades och litteratur studerades. Under studien modifierades systemets algoritmer med ambitionen att höja dess resultat till en tillfredsställande nivå. Studien visade att attribut som är kopplade till skogssköstel har störst relevans vid automatisk beståndsindelning. Trots modifieringar och använding av relevanta attribut lyckades studien inte påvisa att systemet kunde fungera som en egen lösning för beståndsindelning av skog. Däremot var den resulterande beståndsindelningen lämplig att använda som ett komplement vid manuell beståndsindelning.

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.

Previous research into microbial colonies and biofilms shows a significant gap in our current understanding of how bacterial structures develop. Despite the huge body of research undertaken into the formation, genetic makeup, composition, and optimal growth conditions of colonies, no study has been successful in identifying all individual bacteria in a colony in three-dimensions as a function of time. This lack of bacterial cell lineage in such a simple class of organisms is conspicuous in the light of what is known about other organisms, such as Caenorhabditis elegans [1]. In this thesis I show that using laser scanning confocal microscopy in conjunction with developments in sample preparation and post acquisition image analysis, it is possible to fully reconstruct all individual bacteria within an Escherichia coli (E. coli ) microcolony grown in viscoelastic media. Additionally, I show that by further pushing the resolution of confocal microscopes, commercial systems are capable of extracting three-dimensional information on protein structures inside bacteria at early stages of growth. This thesis is in three parts. The first part shows that by pushing the resolution of a commercial laser scanning confocal microscope system it is possible to achieve single cell resolution of a bacterial colony growing in three dimensions in a viscoelastic medium (agarose) from a seed bacterium. The growth of individual bacteria is examined as the concentration of agarose in the media is altered. Results show there is a nonlinear dependence between the rate of growth of a bacterium and the concentration of the agarose in the media with a peak in growth rate at 3% (weight) concentrations of agarose in M9 media. The second part of this work presents a study of how an initially two-dimensional colony growing between a glass slide and agarose gel suddenly invades the third spatial dimension by buckling. The results show that the cells within the centre of the colony flex and buckle, due to confinement by their neighbours, creating additional layers. Indeed, flexing is not limited to the buckling event but occurs throughout the early growth cycle of a colony. The final part of this thesis shows that by further pushing the resolution of confocal microscopes, commercial systems are capable of extracting three-dimensional information about the temporal evolution of the spatial distribution of the FtsZ septation ring within the cell. As the bacterial colony grows from a seed bacterium to a microcolony, the error in placing the division accurately at the cell centre is seen to increase as the number of bacteria within the colony increases and spatial confinement occurs.

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.

Aktuelle 3D-Stadtmodelle werden immer wichtiger in verschiedenen städtischen Anwendungsbereichen. Im Moment dienen sie als Grundlage bei der Stadtplanung, virtuellem Tourismus und Navigationssystemen. Mittlerweile ist der Bedarf an 3D-Gebäudemodellen dramatisch gestiegen. Der Grund dafür sind hauptsächlich Navigationssysteme und Onlinedienste wie Google Earth. Die Mehrheit der Untersuchungen zur Rekonstruktion von Gebäudemodellen von Luftaufnahmen konzentriert sich ausschließlich auf Dachmodellierung. Jedoch treiben Anwendungen wie Virtuelle Realität und Navigationssysteme die Nachfrage nach detaillieren Gebäudemodellen, die nicht nur die geometrischen Aspekte sondern auch semantische Informationen beinhalten, stark an. Urbanisierung und Industrialisierung beeinflussen das Wachstum von urbaner Vegetation drastisch, welche als ein wesentlicher Teil des Lebensraums angesehen wird. Aus diesem Grund werden Aufgaben wie der Ökosystemüberwachung, der Verbesserung der Planung und des Managements von urbanen Regionen immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Gleichermaßen hat die Erkennung und Modellierung von Bäumen im Stadtgebiet sowie die kontinuierliche Überprüfung ihrer Inventurparameter an Bedeutung gewonnen. Die steigende Nachfrage nach 3D-Gebäudemodellen, welche durch Fassadeninformation ergänzt wurden, und Informationen über einzelne Bäume im städtischen Raum erfordern effiziente Extraktions- und Rekonstruktionstechniken, die hochgradig automatisiert sind. In diesem Zusammenhang ist das Wissen über die geometrische Form jedes Objektteils ein wichtiger Aspekt. Heutzutage, wird das Mobile Laser Scanning (MLS) vermehrt eingesetzt um Objekte im städtischen Umfeld zu erfassen und es entwickelt sich zur Hauptquelle von Daten für die Modellierung von urbanen Objekten. Eine Vielzahl von Objekten wurde schon mit Daten von MLS rekonstruiert. Außerdem wurden bereits viele Methoden für die Verarbeitung von MLS-Daten mit dem Ziel urbane Objekte zu erkennen und zu rekonstruieren vorgeschlagen. Die 3D-Punkwolke einer städtischen Szene stellt eine große Menge von Messungen dar, die viele Objekte von verschiedener Größe umfasst, komplexe und unvollständige Strukturen sowie Löcher (Rauschen und Datenlücken) enthält und eine inhomogene Punktverteilung aufweist. Aus diesem Grund ist die Verarbeitung von MLS-Punktwolken im Hinblick auf die Extrahierung und Modellierung von wesentlichen und charakteristischen Fassadenstrukturen sowie Bäumen von großer Bedeutung. In der Arbeit werden zwei neue Methoden für die Rekonstruktion von Gebäudefassaden und die Extraktion von Bäumen aus MLS-Punktwolken vorgestellt, sowie ihre Anwendbarkeit in der städtischen Umgebung analysiert. Die erste Methode zielt auf die Rekonstruktion von Gebäudefassaden mit expliziter semantischer Information, wie beispielsweise Fenster, Türen, und Balkone. Die Rekonstruktion läuft vollautomatisch ab. Zu diesem Zweck werden einige Algorithmen vorgestellt, die auf dem Vorwissen über die geometrische Form und das Arrangement von Fassadenmerkmalen beruhen. Die initiale Klassifikation, mit welcher die Punkte in Objektpunkte und Bodenpunkte unterschieden werden, wird über eine lokale Höhenhistogrammanalyse zusammen mit einer planaren Region-Growing-Methode erzielt. Die Punkte, die als zugehörig zu Objekten klassifiziert werden, werden anschließend in Ebenen segmentiert, welche als Basiselemente der Merkmalserkennung angesehen werden können. Information über die Gebäudestruktur kann in Form von Regeln und Bedingungen erfasst werden, welche die wesentlichen Steuerelemente bei der Erkennung der Fassadenmerkmale und der Rekonstruktion des geometrischen Modells darstellen. Um Merkmale wie Fenster oder Türen zu erkennen, die sich an der Gebäudewand befinden, wurde eine löcherbasierte Methode implementiert. Einige Löcher, die durch Verdeckungen entstanden sind, können anschließend durch einen neuen regelbasierten Algorithmus eliminiert werden. Außenlinien der Merkmalsränder werden durch ein Polygon verbunden, welches das geometrische Modell repräsentiert, indem eine Methode angewendet wird, die auf geometrischen Primitiven basiert. Dabei werden die topologischen Relationen unter Beachtung des Vorwissens über die primitiven Formen analysiert. Mögliche Außenlinien können von den Kantenpunkten bestimmt werden, welche mit einer winkelbasierten Methode detektiert werden können. Wiederkehrende Muster und Ähnlichkeiten werden ausgenutzt um geometrische und topologische Ungenauigkeiten des rekonstruierten Modells zu korrigieren. Neben der Entwicklung des Schemas zur Rekonstruktion des 3D-Fassadenmodells, sind die Segmentierung einzelner Bäume und die Ableitung von Attributen der städtischen Bäume im Fokus der Untersuchung. Die zweite Methode zielt auf die Extraktion von individuellen Bäumen aus den Restpunktwolken. Vorwissen über Bäume, welches speziell auf urbane Regionen zugeschnitten ist, wird im Extraktionsprozess verwendet. Der formbasierte Ansatz zur Extraktion von Einzelbäumen besteht aus einer Reihe von Schritten. In jedem Schritt werden Objekte in Abhängigkeit ihrer geometrischen Merkmale gefunden. Stämme werden unter Ausnutzung der Hauptrichtung der Punktverteilung identifiziert. Dafür werden Punktsegmente gesucht, die einen Teil des Baumstamms repräsentieren. Das Ergebnis des Algorithmus sind segmentierte Bäume, welche genutzt werden können um genaue Informationen über die Größe und Position jedes einzelnen Baumes abzuleiten. Einige Beispiele der Ergebnisse werden in der Arbeit angeführt. Die Zuverlässigkeit der Algorithmen und der Methoden im Allgemeinen wurden unter Verwendung von drei Datensätzen, die mit verschiedenen Laserscannersystemen aufgenommen wurden, verifiziert. Die Untersuchung zeigt auch das Potential sowie die Einschränkungen der entwickelten Methoden wenn sie auf verschiedenen Datensätzen angewendet werden. Die Ergebnisse beider Methoden wurden quantitativ bewertet unter Verwendung einer Menge von Maßen, die die Qualität der Fassadenrekonstruktion und Baumextraktion betreffen wie Vollständigkeit und Genauigkeit. Die Genauigkeit der Fassadenrekonstruktion, der Baumstammdetektion, der Erfassung von Baumkronen, sowie ihre Einschränkungen werden diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass MLS-Punktwolken geeignet sind um städtische Objekte detailreich zu dokumentieren und dass mit automatischen Rekonstruktionsmethoden genaue Messungen der wichtigsten Attribute der Objekte, wie Fensterhöhe und -breite, Flächen, Stammdurchmesser, Baumhöhe und Kronenfläche, erzielt werden können. Der gesamte Ansatz ist geeignet für die Rekonstruktion von Gebäudefassaden und für die korrekte Extraktion von Bäumen sowie ihre Unterscheidung zu anderen urbanen Objekten wie zum Beispiel Straßenschilder oder Leitpfosten. Aus diesem Grund sind die beiden Methoden angemessen um Daten von heterogener Qualität zu verarbeiten. Des Weiteren bieten sie flexible Frameworks für das viele Erweiterungen vorstellbar sind. / Up-to-date 3D urban models are becoming increasingly important in various urban application areas, such as urban planning, virtual tourism, and navigation systems. Many of these applications often demand the modelling of 3D buildings, enriched with façade information, and also single trees among other urban objects. Nowadays, Mobile Laser Scanning (MLS) technique is being progressively used to capture objects in urban settings, thus becoming a leading data source for the modelling of these two urban objects. The 3D point clouds of urban scenes consist of large amounts of data representing numerous objects with significant size variability, complex and incomplete structures, and holes (noise and data gaps) or variable point densities. For this reason, novel strategies on processing of mobile laser scanning point clouds, in terms of the extraction and modelling of salient façade structures and trees, are of vital importance. The present study proposes two new methods for the reconstruction of building façades and the extraction of trees from MLS point clouds. The first method aims at the reconstruction of building façades with explicit semantic information such as windows, doors and balconies. It runs automatically during all processing steps. For this purpose, several algorithms are introduced based on the general knowledge on the geometric shape and structural arrangement of façade features. The initial classification has been performed using a local height histogram analysis together with a planar growing method, which allows for classifying points as object and ground points. The point cloud that has been labelled as object points is segmented into planar surfaces that could be regarded as the main entity in the feature recognition process. Knowledge of the building structure is used to define rules and constraints, which provide essential guidance for recognizing façade features and reconstructing their geometric models. In order to recognise features on a wall such as windows and doors, a hole-based method is implemented. Some holes that resulted from occlusion could subsequently be eliminated by means of a new rule-based algorithm. Boundary segments of a feature are connected into a polygon representing the geometric model by introducing a primitive shape based method, in which topological relations are analysed taking into account the prior knowledge about the primitive shapes. Possible outlines are determined from the edge points detected from the angle-based method. The repetitive patterns and similarities are exploited to rectify geometrical and topological inaccuracies of the reconstructed models. Apart from developing the 3D façade model reconstruction scheme, the research focuses on individual tree segmentation and derivation of attributes of urban trees. The second method aims at extracting individual trees from the remaining point clouds. Knowledge about trees specially pertaining to urban areas is used in the process of tree extraction. An innovative shape based approach is developed to transfer this knowledge to machine language. The usage of principal direction for identifying stems is introduced, which consists of searching point segments representing a tree stem. The output of the algorithm is, segmented individual trees that can be used to derive accurate information about the size and locations of each individual tree. The reliability of the two methods is verified against three different data sets obtained from different laser scanner systems. The results of both methods are quantitatively evaluated using a set of measures pertaining to the quality of the façade reconstruction and tree extraction. The performance of the developed algorithms referring to the façade reconstruction, tree stem detection and the delineation of individual tree crowns as well as their limitations are discussed. The results show that MLS point clouds are suited to document urban objects rich in details. From the obtained results, accurate measurements of the most important attributes relevant to the both objects (building façades and trees), such as window height and width, area, stem diameter, tree height, and crown area are obtained acceptably. The entire approach is suitable for the reconstruction of building façades and for the extracting trees correctly from other various urban objects, especially pole-like objects. Therefore, both methods are feasible to cope with data of heterogeneous quality. In addition, they provide flexible frameworks, from which many extensions can be envisioned.

3D-Punktwolken haben die Objektvermessung in den letzten 25 Jahren signifikant verändert. Da Einzelpunktmessungen durch flächenhafte Messungen in Form von Punktwolken bei vielen Anwendungen ersetzt wurden, spricht man auch von einem Paradigmenwechsel in der Vermessung. Ermöglicht wurde diese Änderung in der Messmethodik durch die Innovationen im Instrumentenbau und die rasanten Entwicklungen der Computertechnologie. Luftgestützte und terrestrische Laserscanner sowie handgeführte 3D-Scanner liefern heute direkt dichte Punktwolken, während dichte 3D-Punkt-wolken aus Fotos bildbasierter Aufnahmesysteme indirekt abgeleitet werden, die zur detaillierten 3D-Objektrekonstruktion zunehmend eingesetzt werden. In dieser Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, mit denen das geometrische Genauigkeitsverhalten verschiedener scannender Messsysteme evaluiert und geprüft wurde. Während bei den untersuchten terrestrischen Laserscannern in den Untersuchungen die Genauigkeitsangaben (1 Sigma) der technischen Spezifikationen der Systemhersteller von 3-5 mm für den 3D-Punkt und die Distanzmessung eingehalten wurden, zeigten sich dagegen bei vielen untersuchten 3D-Handscannern signifikante Abweichungen gegenüber den technischen Spezifikationen. Diese festgestellten Abweichungen deuten auf eine gewisse geometrische Instabilität des jeweiligen Messsystems hin, die entweder durch die Bauweise und/oder durch eine ungenaue Systemkalibrierung (besonders hinsichtlich der Maßstäblichkeit) verursacht werden. Daher ist davon auszugehen, dass diese handgeführten 3D-Scanner offensichtlich erst am Anfang ihrer Entwicklungsphase stehen und dass noch genügend Optimierungspotential vorhanden ist. Als flexible und effiziente Alternativen zu den scannenden Messsystemen haben sich seit ca. 10 Jahren die bildbasierten Aufnahmesysteme zunehmend im Markt etabliert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen des bildbasierten Aufnahme- und Auswertungsverfahren haben gezeigt, dass diese (mit Farbattributen versehene) 3D-Punktwolken, je nach Bildmaßstab und Oberflächenmaterial des Objektes, durchaus den Genauigkeiten der Laserscanner entsprechen. Gegenüber den Ergebnissen vieler 3D-Handscanner weisen die durch bildbasierte Aufnahmeverfahren generierten Punktwolken qualitativ bessere Resultate auf. Allerdings zeigte der Creaform HandySCAN 700, der auf einem photogrammetrischen Aufnahmeprinzip beruht, als einzige Ausnahme bei der handgeführten 3D-Scannern sehr gute Ergebnisse, die mit Durchschnittswerten besser als 30 Mikrometern sogar in den Bereichen der Referenzsysteme (hier Streifenprojektionssysteme) lagen. Die entwickelten Prüfverfahren und die entsprechenden durchgeführten Untersuchungen haben sich als praxistauglich erwiesen, da man auch unter zur Hilfenahme der VDI/VDE Richtlinie 2634 ver-gleichbare Ergebnisse erzielt, die dem praxisorientierten Anwender Aussagen über die Leistungsfä-higkeit des Messsystems erlauben. Bei den im statischen Modus erfassten Scans kommen noch Fehlereinflüsse durch die Registrierung der Scans hinzu, während bei kinematisch erfassten Scans die Genauigkeiten der verschiedenen (absoluten) Positionierungssensoren auf dem Fehlerhaushalt der Punktwolke addiert werden. Eine sorgfältige Systemkalibrierung der verschiedenen im kinematischen Modus arbeitenden Positionierungs- und Aufnahmesensoren des mobilen Multi-Sensor-Systems ermöglicht eine 3D-Punktgenauigkeit von ca. 3-5 cm, die unter guten Bedingungen mit höherwertigen Sensoren ggf. noch verbessert werden kann. Mit statischen Scans kann eine höhere Genauigkeit von besser als 1 cm für den 3D-Punkt erreicht werden, jedoch sind bei größeren aufzunehmenden Flächen mobile Aufnahmesysteme wesentlich effizienter. Die Anwendung definiert daher das zum Einsatz kommende Messverfahren. 3D-Punktwolken dienen als Grundlage für die Objektrekonstruktion auf verschiedenen Wegen: a) Engineering Modelling als generalisierte CAD-Konstruktion durch geometrische Primitive und b) Mesh Modelling durch Dreiecksvermaschung der Punktwolken zur exakten Oberflächenbeschreibung. Durch die Generalisierung bei der CAD-Konstruktion können sehr schnell Abweichungen vom Sollmaß von bis zu 10 cm (und größer) entstehen, allerdings werden durch die Anpassung auf geometrische Primitive eine signifikante Datenreduktion und eine topologische Strukturierung erreicht. Untersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass die Anzahl der Polygone bei der Dreiecksvermaschung je nach Oberflächenbeschaffenheit des Objektes auf 25% und sogar auf 10% der Originaldatenmenge bei intelligenter Ausdünnung (z.B. krümmungsbasiert) reduziert werden kann, ohne die visuelle und geometrische Qualität des Ergebnisses zu stark zu beeinträchtigen. Je nach Objektgröße können hier Abweichungen von unter einem Millimeter (z.B. bei archäologischen Fundstücken) bis zu 5 cm im Durchschnitt bei größeren Objekten erreicht werden. Heute können Punktwolken eine wichtige Grundlage zur Konstruktion der Umgebung für viele Virtual Reality Anwendungen bilden, bei denen die geometrische Genauigkeit der modellierten Objekte im Einzelfall keine herausragende Rolle spielt. / 3D point clouds have significantly changed the surveying of objects in the last 25 years. Since in many applications, the individual point measurements were replaced through area-based measurements in form of point clouds, a paradigm shift in surveying has been fulfilled. This change in measurement methodology was made possible with the rapid developments in instrument manufacturing and computer technology. Today, airborne and terrestrial laser scanners, as well as hand-held 3D scanners directly generate dense point clouds, while dense point clouds are indirectly derived from photos of image-based recording systems used for detailed 3D object reconstruction in almost any scale. In this work, investigations into the geometric accuracy of some of these scanning systems are pre-sented to document and evaluate their performance. While terrestrial laser scanners mostly met the accuracy specifications in the investigations, 3-5 mm for 3D points and distance measurements as defined in the technical specifications of the system manufacturer, significant differences are shown, however, by many tested hand-held 3D scanners. These observed deviations indicate a certain geometric instability of the measuring system, caused either by the construction/manufacturing and/or insufficient calibration (particularly with regard to the scale). It is apparent that most of the hand-held 3D scanners are at the beginning of the technical development, which still offers potential for optimization. The image-based recording systems have been increasingly accepted by the market as flexible and efficient alternatives to laser scanning systems for about ten years. The research of image-based recording and evaluation methods presented in this work has shown that these coloured 3D point clouds correspond to the accuracy of the laser scanner depending on the image scale and surface material of the object. Compared with the results of most hand-held 3D scanners, point clouds gen-erated by image-based recording techniques exhibit superior quality. However, the Creaform HandySCAN 700, based on a photogrammetric recording principle (stereo photogrammetry), shows as the solitary exception of the hand-held 3D scanners very good results with better than 30 micrometres on average, representing accuracies even in the range of the reference systems (here structured light projection systems). The developed test procedures and the corresponding investigations have been practically proven for both terrestrial and hand-held 3D scanners, since comparable results can be obtained using the VDI/VDE guidelines 2634, which allows statements about the performance of the tested scanning system for practice-oriented users. For object scans comprised of multiple single scan acquired in static mode, errors of the scan registration have to be added, while for scans collected in the kine-matic mode the accuracies of the (absolute) position sensors will be added on the error budget of the point cloud. A careful system calibration of various positioning and recording sensors of the mobile multi-sensor system used in kinematic mode allows a 3D point accuracy of about 3-5 cm, which if necessary can be improved with higher quality sensors under good conditions. With static scans an accuracy of better than 1 cm for 3D points can be achieved surpassing the potential of mobile recording systems, which are economically much more efficient if larger areas have to be scanned. The 3D point clouds are the basis for object reconstruction in two different ways: a) engineering modelling as generalized CAD construction through geometric primitives and b) mesh modelling by triangulation of the point clouds for the exact representation of the surface. Deviations up to 10 cm (and possibly higher) from the nominal value can be created very quickly through the generalization in the CAD construction, but on the other side a significant reduction of data and a topological struc-turing can be achieved by fitting the point cloud into geometric primitives. However, investigations have shown that the number of polygons can be reduced to 25% and even 10% of the original data in the mesh triangulation using intelligent polygon decimation algorithms (e.g. curvature based) depending on the surface characteristic of the object, without having too much impact on the visual and geometric quality of the result. Depending on the object size, deviations of less than one milli-metre (e.g. for archaeological finds) up to 5 cm on average for larger objects can be achieved. In the future point clouds can form an important basis for the construction of the environment for many virtual reality applications, where the visual appearance is more important than the perfect geometric accuracy of the modelled objects.

The spatial accuracy of points obtained from aerial laser scanning is most affected by the parameters of the GNSS receiver used, the IMU unit and the parameters of the flight itself. An important role is played by the accuracy of the so-called calibration, ie the determination of the transformation elements between the coordinate systems of the scanning unit itself, the IMU and the position of the phase center of the GNSS antenna. The diploma thesis deals with the calibration accuracy of the IMU / GNSS unit. It compares the displacements and rotations of a point cloud acquired by LiDAR (laser scanner RIEGL miniVUX-1UAV) in relation to the calibration elements given by the manufacturer. Evaluate the results using calculated standard deviations and positional differences in the raw point cloud, or by comparing point clouds obtained by another method. It also focuses on verifying geometric accuracy using checkpoints. The accuracy of the IMU / GNSS calibration is minimal after verifying the results and comparing the influence of the calibration elements given by the manufacturer. There was no significant improvement in the quality of the point cloud. At the same time, it was found that for better quality of the scanned data, it is necessary to perform cross-flights when UAV scanning. Key words UAV,...