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.:Erklärung I Kurzfassung II Inhaltsverzeichnis V 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 2 1.2. Punktwolken durch scannende Systeme 4 1.2.1. Technische Spezifikationen terrestrischer Laserscanner 4 1.2.2. Untersuchungen terrestrischer Laserscanner 6 1.2.3. Untersuchungen handgeführter 3D-Scanner 9 1.3. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken statischer Scans 10 1.3.1. Automation in der geometrischen Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken 11 1.3.2. Engineering Modelling – Objektrekonstruktion mithilfe geometrischer Primitive im CAD 12 1.3.3. Mesh Modelling – Objektrekonstruktion durch Dreiecksvermaschung 17 1.4. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken kinematischer Scans 18 1.5. Punktwolken durch photogrammetrische Verfahren 22 2. Genauigkeitsuntersuchungen 25 2.1. Terrestrische Laserscanner 25 2.2. Handgeführte 3D-Scanner 41 3. Objektmodellierung auf Basis statischer Scans 55 3.1. Objektmodellierung durch CAD 55 3.2. Objektmodellierung durch Dreiecksvermaschung 72 4. Objektmodellierung auf Basis kinematischer Scans 85 4.1. Landbasiertes kinematisches Scanning 85 4.2. Wasserbasiertes kinematisches Scanning (Bonus-Artikel) 103 5. Alternative Verfahren für die Generierung von Punktwolken 111 6. Fazit und Ausblick 126 7. Literatur 135 / 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.:Erklärung I Kurzfassung II Inhaltsverzeichnis V 1. Einführung 1 1.1. Struktur der Arbeit 2 1.2. Punktwolken durch scannende Systeme 4 1.2.1. Technische Spezifikationen terrestrischer Laserscanner 4 1.2.2. Untersuchungen terrestrischer Laserscanner 6 1.2.3. Untersuchungen handgeführter 3D-Scanner 9 1.3. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken statischer Scans 10 1.3.1. Automation in der geometrischen Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken 11 1.3.2. Engineering Modelling – Objektrekonstruktion mithilfe geometrischer Primitive im CAD 12 1.3.3. Mesh Modelling – Objektrekonstruktion durch Dreiecksvermaschung 17 1.4. Geometrische Objektmodellierung auf Basis von Punktwolken kinematischer Scans 18 1.5. Punktwolken durch photogrammetrische Verfahren 22 2. Genauigkeitsuntersuchungen 25 2.1. Terrestrische Laserscanner 25 2.2. Handgeführte 3D-Scanner 41 3. Objektmodellierung auf Basis statischer Scans 55 3.1. Objektmodellierung durch CAD 55 3.2. Objektmodellierung durch Dreiecksvermaschung 72 4. Objektmodellierung auf Basis kinematischer Scans 85 4.1. Landbasiertes kinematisches Scanning 85 4.2. Wasserbasiertes kinematisches Scanning (Bonus-Artikel) 103 5. Alternative Verfahren für die Generierung von Punktwolken 111 6. Fazit und Ausblick 126 7. Literatur 135

Användingen av virtuellt byggande och byggnadsinformationsmodeller inom byggbranschen ökar ständigt och är ett område som varit föremål för flera studier under de senaste åren. I flertalet av dessa har dock fokus legat på nyproduktion. Men i och med ett ökande renoveringsbehov i stora delar av det svenska bostadsbeståndet ökar även intresset av att använda BIM inom ROT-projekt. Dessutom har ny teknik inom området inmätning, då främst laserscanning, gjort att det idag finns lämpliga verktyg för att skapa byggnadsinformationsmodeller av befintliga byggnader. Målet med denna studie har följaktligen varit att undersöka hur en BIM av en befintlig byggnad kan tas fram och hur denna kan användas inom ett ROT-projekt. Resultaten som redovisas i denna studie bygger dels på en kartläggning av olika metoder för inmätning och dels på en sammanställning av erfarenheter från olika personer som arbetat med antingen inmätning eller arbetat i ROT-projekt där digitala 3D-modeller använts på ett eller annat sätt. Kartläggningen av de olika inmätningsmetoderna genomfördes främst genom en litteraturstudie medan insamlingen av erfarenheter genomfördes i form av en intervjustudie. De slutsatser som har kunnat dras utifrån resultaten visar att det finns en rad olika nyttor med att använda sig av BIM även inom ROT-projekt. Framför allt nyttor rörande kommunikation mellan olika aktörer inom projektet och aktörer som på olika sätt berörs av projektet. Dessa aktörer kan exempelvis vara beställare eller hyresgäster av en fastighet och saknar många gånger kunskap och erfarenhet av att läsa traditionella bygghandlingar i 2D. Användandet av digitala 3D-modeller skulle göra det lättare att kommunicera med dessa aktörer. Dessutom redovisar studien ett förslag på arbetsgång som kan användas då en BIM av en befintlig byggnad ska tas fram. Denna arbetsgång består av åtta steg och går igenom vad en beställare av en 3D-modell bör tänka på för att undvika de fallgropar som denna studie kunnat identifiera. / The usage of Virtual Design and Construction (VDC) and Building Information Models (BIM) in the building industry is steadily increasing and has been the subject of several studies during the last couples of years. The majority of these have focused on the new production of buildings. However, with an increasing need for renovation in large parts of the Swedish housing stock there has been an increasing interest in using VDC and BIM in retrofit projects.  In addition to that, new advances in the field of surveying, mainly through laser scanning, have provided new adequate tools to create building information models of existing buildings. The objective of this study has therefore been to investigate how a BIM of an existing building can be developed and how it can be used in a retrofit project. The results reported in this study are partly based on a survey consisting of various survey methods and partly on a compilation of experiences from individuals who worked as either a surveyor or in retrofit projects where digital 3D models where used in one way or another. The survey consisting of different survey methods was carried out mainly through a literature study, whereas the collection of experiences was carried out in the form of an interview study. The conclusions that could be drawn from these results show that there are a variety of benefits associated with the use of BIM in retrofit projects. The most pronounced benefits relate to the communication between different participants within the project and participants that are affected by the project in various ways. These participants may include the tenants or the users of the property who often lack the knowledge and the experience of reading traditional blueprints in 2D. The implementation of digital 3D models would facilitate communication with these participants. Further to this the study presents a proposal for a method that can be used when creating a BIM for a retrofit project. This method consists of eight steps, carefully explaining what a client interested in a 3D model should consider in order to avoid the pitfalls that this study has been able to identify.

Background: Syllids are a species rich annelid family possessing remarkable regenerative ability, which is not only the response after traumatic injury, but also a key step during the life cycle of several syllid taxa. In these animals the posterior part of the body becomes an epitoke and is later detached as a distinct unit named stolon. Such a sexual reproductive mode is named schizogamy or stolonization. The prostomium and the proventricle, a modified foregut structure, have been proposed to have a control function during this process, though the concrete mechanisms behind it have never been elucidated. Results: By using different experimental set-ups, histology and immunohistochemistry combined with subsequent cLSM analyzes, we investigate and document the regeneration and stolonization in specimens of Typosyllis antoni that were amputated at different levels throughout the antero-posterior body axis. The removal of the anterior end including the proventricle implies an incomplete anterior regeneration as well as severe deviations from the usual reproductive pattern, i.e. accelerated stolonization, masculinization and the occurrence of aberrant stolons. The detailed anatomy of aberrant stolons is described. A histological study of the proventricle revealed no signs of glandular or secretory structures. The ventricle and the caeca are composed of glandular tissue but they are not involved in the reproductive and regenerative processes. Conclusions: As in other investigated syllids, the proventricle region has a significant role during stolonization and reproduction processes in Typosyllis antoni. When the proventricle region is absent, anterior and posterior regeneration are considerably deviated from the general patterns. However, proventricle ultrastructure does not show any glandular component, thereby questioning a direct involvement of this organ itself in the control of reproduction and regeneration. Our findings offer a comprehensive starting point for further studies of regeneration and reproductive control in syllids as well as annelids in general.

DTM Improvement in Sandstone Cliffs Relief using precise Co-registration of Airborne Laser Scanning Data Abstract The topic of this thesis is to design innovation of methodology improvement of digital terrain models from airborne laser scanning data in sandstone rocks rugged relief. Theoretical part of this thesis presents the Project GeNeSiS and New Elevation Model Project of the Czech Republic Territory, in which the test datasets were acquired. Simultaneously this section describes in detail methods of co-registrations datasets from strip adjustment to 3D least squares matching method, which have been published until now. In practical part of the work the Pravčická brána model region is introduced firstly. The focus of this section lays on description of new methodology for co-registration and classification of point clouds using spatial query. Co-registration of point clouds, respective detection transform parameters in this thesis is solved by introducing ground control areas. For each such region displacement and rotations in each axis are detected which subsequently determines the global transformation key. Innovation of the thesis lies in the fact that for DTM improvement there is sufficient only one point cloud. The second (and possibly others) point cloud is classified by presented algorithm...

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.

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.

Research on forest ecosystems receives high attention, especially nowadays with regard to sustainable management of renewable resources and the climate change. In particular, accurate information on the 3D structure of a tree is important for forest science and bioclimatology, but also in the scope of commercial applications. Conventional methods to measure geometric plant features are labor- and time-intensive. For detailed analysis, trees have to be cut down, which is often undesirable. Here, Terrestrial Laser Scanning (TLS) provides a particularly attractive tool because of its contactless measurement technique. The object geometry is reproduced as a 3D point cloud. The objective of this thesis is the automatic retrieval of the spatial structure of trees from TLS data. We focus on forest scenes with comparably high stand density and with many occlusions resulting from it. The varying level of detail of TLS data poses a big challenge. We present two fully automatic methods to obtain skeletal structures from scanned trees that have complementary properties. First, we explain a method that retrieves the entire tree skeleton from 3D data of co-registered scans. The branching structure is obtained from a voxel space representation by searching paths from branch tips to the trunk. The trunk is determined in advance from the 3D points. The skeleton of a tree is generated as a 3D line graph. Besides 3D coordinates and range, a scan provides 2D indices from the intensity image for each measurement. This is exploited in the second method that processes individual scans. Furthermore, we introduce a novel concept to manage TLS data that facilitated the researchwork. Initially, the range image is segmented into connected components. We describe a procedure to retrieve the boundary of a component that is capable of tracing inner depth discontinuities. A 2D skeleton is generated from the boundary information and used to decompose the component into sub components. A Principal Curve is computed from the 3D point set that is associated with a sub component. The skeletal structure of a connected component is summarized as a set of polylines. Objective evaluation of the results remains an open problem because the task itself is ill-defined: There exists no clear definition of what the true skeleton should be w.r.t. a given point set. Consequently, we are not able to assess the correctness of the methods quantitatively, but have to rely on visual assessment of results and provide a thorough discussion of the particularities of both methods. We present experiment results of both methods. The first method efficiently retrieves full skeletons of trees, which approximate the branching structure. The level of detail is mainly governed by the voxel space and therefore, smaller branches are reproduced inadequately. The second method retrieves partial skeletons of a tree with high reproduction accuracy. The method is sensitive to noise in the boundary, but the results are very promising. There are plenty of possibilities to enhance the method’s robustness. The combination of the strengths of both presented methods needs to be investigated further and may lead to a robust way to obtain complete tree skeletons from TLS data automatically. / Die Erforschung des ÖkosystemsWald spielt gerade heutzutage im Hinblick auf den nachhaltigen Umgang mit nachwachsenden Rohstoffen und den Klimawandel eine große Rolle. Insbesondere die exakte Beschreibung der dreidimensionalen Struktur eines Baumes ist wichtig für die Forstwissenschaften und Bioklimatologie, aber auch im Rahmen kommerzieller Anwendungen. Die konventionellen Methoden um geometrische Pflanzenmerkmale zu messen sind arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Für eine genaue Analyse müssen Bäume gefällt werden, was oft unerwünscht ist. Hierbei bietet sich das Terrestrische Laserscanning (TLS) als besonders attraktives Werkzeug aufgrund seines kontaktlosen Messprinzips an. Die Objektgeometrie wird als 3D-Punktwolke wiedergegeben. Basierend darauf ist das Ziel der Arbeit die automatische Bestimmung der räumlichen Baumstruktur aus TLS-Daten. Der Fokus liegt dabei auf Waldszenen mit vergleichsweise hoher Bestandesdichte und mit zahlreichen daraus resultierenden Verdeckungen. Die Auswertung dieser TLS-Daten, die einen unterschiedlichen Grad an Detailreichtum aufweisen, stellt eine große Herausforderung dar. Zwei vollautomatische Methoden zur Generierung von Skelettstrukturen von gescannten Bäumen, welche komplementäre Eigenschaften besitzen, werden vorgestellt. Bei der ersten Methode wird das Gesamtskelett eines Baumes aus 3D-Daten von registrierten Scans bestimmt. Die Aststruktur wird von einer Voxelraum-Repräsentation abgeleitet indem Pfade von Astspitzen zum Stamm gesucht werden. Der Stamm wird im Voraus aus den 3D-Punkten rekonstruiert. Das Baumskelett wird als 3D-Liniengraph erzeugt. Für jeden gemessenen Punkt stellt ein Scan neben 3D-Koordinaten und Distanzwerten auch 2D-Indizes zur Verfügung, die sich aus dem Intensitätsbild ergeben. Bei der zweiten Methode, die auf Einzelscans arbeitet, wird dies ausgenutzt. Außerdem wird ein neuartiges Konzept zum Management von TLS-Daten beschrieben, welches die Forschungsarbeit erleichtert hat. Zunächst wird das Tiefenbild in Komponenten aufgeteilt. Es wird eine Prozedur zur Bestimmung von Komponentenkonturen vorgestellt, die in der Lage ist innere Tiefendiskontinuitäten zu verfolgen. Von der Konturinformation wird ein 2D-Skelett generiert, welches benutzt wird um die Komponente in Teilkomponenten zu zerlegen. Von der 3D-Punktmenge, die mit einer Teilkomponente assoziiert ist, wird eine Principal Curve berechnet. Die Skelettstruktur einer Komponente im Tiefenbild wird als Menge von Polylinien zusammengefasst. Die objektive Evaluation der Resultate stellt weiterhin ein ungelöstes Problem dar, weil die Aufgabe selbst nicht klar erfassbar ist: Es existiert keine eindeutige Definition davon was das wahre Skelett in Bezug auf eine gegebene Punktmenge sein sollte. Die Korrektheit der Methoden kann daher nicht quantitativ beschrieben werden. Aus diesem Grund, können die Ergebnisse nur visuell beurteiltwerden. Weiterhinwerden die Charakteristiken beider Methoden eingehend diskutiert. Es werden Experimentresultate beider Methoden vorgestellt. Die erste Methode bestimmt effizient das Skelett eines Baumes, welches die Aststruktur approximiert. Der Detaillierungsgrad wird hauptsächlich durch den Voxelraum bestimmt, weshalb kleinere Äste nicht angemessen reproduziert werden. Die zweite Methode rekonstruiert Teilskelette eines Baums mit hoher Detailtreue. Die Methode reagiert sensibel auf Rauschen in der Kontur, dennoch sind die Ergebnisse vielversprechend. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten die Robustheit der Methode zu verbessern. Die Kombination der Stärken von beiden präsentierten Methoden sollte weiter untersucht werden und kann zu einem robusteren Ansatz führen um vollständige Baumskelette automatisch aus TLS-Daten zu generieren.

Utilization of additional information of the pulse for ALS data classification in ragged terrain Abstract The diploma thesis deals with airborne laser scanning filtering problem in sandstone landscape which is characterized by ragged terrain and in our country also by dense vegetation that makes difficult to transit laser pulse to terrain that can lead to lower accuracy of created DTM. In the first part the basic filtering algorithm that are systematic divided into several groups are described. The emphasis is also put on theoretic problems which we have to deal with during the filtering of laser scanner data acquired in sandstone landscape. The main goal of the thesis is to suggest changes in one of the existing algorithm to additional information of the pulse (mainly amplitude and width of the pulse) be used, and to test this method over the real data. At the end the results of the method and its implementation are critically evaluated. Keywords: airborne laser scanning, point cloud segmentation, point cloud classification, sandstone landscape, DTM

Production of cartographically correct countour lines from airborne laserscanning data in flat terrain Abstract The thesis is dedicated to the creation of contour lines from the data of airborne laserscanning in flat areas. For creation of contour lines in these parts is necessary specific generalization, that smooths unwanted artifacts, but does not delete the shapes, which are characteristic for the relief. The first part of the thesis is to serve as a short insight into the areas on which it is built, this thesis: the principle of airborne laserscanning and basic information on the contour line model. On the basis of technical literature are defined the requirements for the correct representation of the contour and cartographicly presented the different types of the DEM and generalization of contours. The main aim of this work is to design an algorithm that will combine several methods of generalization of contour while maintaining altitude accuracy as well as other requirements on their cartographicly the right terms, and to test this approach in several territories. In conclusion, the results of the methods of work and its implementation critically evaluated and outlined other possible developments of this issue. Keywords hypsography, airborne laserscanning, digital cartography, contour lines,...

Material und Methoden: Insgesamt 40 Proben glatter und rauer Oberflächen von Titanimplantaten wurden mit Parodontalsonden aus Metall oder Kunststoff in einem Winkel von 20° oder 60° bearbeitet. Zur Bestimmung verschiedener standardisierter 2D- und 3D-Rauheitsparameter wurden die Titanoberflächen mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) vor und nach der Durchführung evaluiert. Ergebnisse: Die durchschnittliche Profil- und Oberflächenrauheit (Ra und Sa) zeigten unabhängig vom Sondenmaterial keinen signifikanten Unterschied zwischen behandelten und unbehandelten Proben auf glatten und rauen Oberflächen. Auf glatten Oberflächen führten Metallsonden zu erhöhten Amplitudenrauheiten wobei nur für Rp eine Signifikanz (p = 0,007) erreicht wurde. Raue Oberflächenbereiche wurden nach dem Kontakt mit Metallsonden leicht aber nicht signifikant geglättet. Nach Verwendung von Kunststoffsonden blieb die Oberflächenrauhigkeit von glatten und rauen Bereichen nahezu unverändert. Unabhängig des Sondenmaterials zeigte sich kein Zusammenhang zum Applikationswinkel. Fazit: Das Sondieren von Titanimplantaten mit Kunststoffsonden aber auch mit Metallsonden verursacht nur geringe Veränderungen der Oberflächenrauhigkeit. Die klinische Bedeutung dieser Veränderung bleibt ungeklärt. Klinische Relevanz: Ultrastrukturelle Veränderungen an Titan-Oberflächen durch periimplantäre Untersuchungen könnten durch die Verwendung von Kunststoffsonden vermieden werden.