This project revolves around a monostatic time of flight LiDAR, monostatic meaning that the emitted light and the incoming light are collocated and LiDAR being an acronym for light detection and ranging. The goal here is to explore and understand the principles of the LiDAR whilst also finding its advantages and shortcomings. One expected shortcoming is that of the effects of light scattering of the laser. To mitigate these effects a short laser pulse is desired without compromising on the power output. In order to reduce the pulse width the electronics of the LiDAR needed to be understood and two approaches emerged. The first revolved around simplifying the electronic schematics of the LiDAR to the point it could be described as a simple RLC-circuit and solving for the current analytically. The other approach was to simulate it using the simulation software LTspice. The results from the analytical approach and the LTspice simulation showed clear ways of how the pulse width could be decreased by altering the onboard resistance, inductance and capacitance. The easiest alternative was to simply reduce the capacitance, however this resulted in a lower power output. But these effects could be mitigated by simply increasing the applied voltage. However it was also discovered that the analytical and LTspice simulations were not entirely correct in their attempts to simulate the real behavior of the laser drive boards within the LiDAR. To study the effects of the scattering two theories were studied, namely Rayleigh and Mie scattering. The influence of Rayleigh scattering was quickly determined to be negligible but the Mie scattering results showed that it will definitely affect the LiDAR, even though the Mie scattering influence was extremely over exaggerated.

Background. Digital simulations of physical scenarios are becoming increasingly feasible and driverless vehicles are playing an ever growing part in contemporary mining operations and have the potential to increase productivity and worker safety. Such vehicles require sensors to detect their environments, two of the most common types being LiDAR and RADAR sensors. LiDAR sensors are sensitive to atmospheric sensory pollutants whereas RADAR sensors typically are not, but more susceptible to echoes. As such, digital simulations of such sensors seem a viable alternative to reduce costs and risks in testing new hardware. Objectives. This thesis aims to adapt existing models for CPU simulated LiDAR and RADAR sensors to the GPU as well as to further develop their functionality. These models will then be evaluated against one another according to their performance and scalability. Methods. The stated goals are achieved through the method of literary research, implementation, experimentation, and gathering of data. This data will then be structured, analyzed, and discussed to reach conclusions about the developed software models. Results. The results show that GPU accelerated sensor models have a high overhead cost compared to CPU implementation which hampers performance for low intensity simulations. GPU implementations do however scale more efficiently in many scenarios and achieved speedups of up to 650 times when executed on DXR shaders with heavy workloads than equivalent tests on the CPU. Likewise, low workloads appear unfit for GPU accelerations as the overhead cost of streaming data and instructions between the CPU and GPU can take over twice as long as merely executing the same instructions on the CPU. Conclusions. In conclusion, GPU accelerated ray tracing sensor simulations can be highly efficient compared to CPU implementations when tracing large numbers of rays or simulating many concurrent sensors, but may result in increased execution time if the workload is not high enough to justify the additional overhead cost of CPU-to-GPU communication. / Bakgrund. Digitala simuleringar av fysikaliska fenomen blir mer och mer görbara och självgående fordon spelar en allt större roll i dagens gruvoperationer. Dessa fordon har möjligheten att öka produktiviteten för företaget och säkerheten för arbetarna. Sådana fordon behöver sensorer för att finna sig i sin omgivning och LiDAR- och RADAR-sensorer är två av de vanligaste alternativen. LiDAR-sensorer är känsliga för luftburna störningsmoment medan RADAR-sensorer är jämförelsevis opåverkade men känsliga mot ekon. Med detta i åtanke verkar digitala simuleringar av sådana sensorer vara ett lovande alternativ för att sänka kostnader och risker med att testa ny hårdvara. Syfte. Syftet med arbetet är att översätta befintliga CPU modeller för att simulera LiDAR- och RADAR-sensorer till GPU-programvara såväl som att vidareutveckla deras funktionalitet. Dessa modeller kommer sedan att bli utvärderade gentemot varandra vad gäller deras prestanda och skalbarhet. Metod. De givna målen kommer att uppfyllas via litterära studier, implementation, experimentering och datainsamling. Denna data kommer sedan att bli omstrukturerad, analyserad, diskuteras, och få slutsatser dragna kring sig gällande den mjukvara som utvecklats och framförts. Resultat. Resultaten visar att GPU-accelererade sensormodeller har en hög overheadkostnad jämfört med CPU implementationerna, vilket sänker deras relativa prestanda i lågintensitetssimuleringar. GPU-implementationerna har dock högre skalbarhet i många situationer och kan uppnå resultat upp till 650 gånger snabbare än originalkoden när de istället utförs via DXR-shaders med hög arbetsbörda. Likaså är framstår låg arbetsbörda som opassande scenarion för GPU accelererad mjukvara då exekveringstiden på CPUn kan komma att bli snabbare än overheadkostnaden av att strömma datan och instruktionerna till GPUn. Slutsatser. GPU accelererad raytracing med stora antal strålar eller sensorer som exekveras samtidigt ger upphov till mycket tidseffektiva simuleringar men kan leda till ökad total exekveringstid om arbetsbördan inte blir tillräckligt hög för att rättfärdiga overheadkostnaden av GPU-till-CPU kommunikation.

Existing residential and small commercial buildings now represent the greatest opportunity to improve building energy efficiency. Building energy simulation analysis is becoming increasingly important because the analysis results can assist the decision makers to make decisions on improving building energy efficiency and reducing environmental impacts. However, manually measuring as-is conditions of building envelops including geometry and thermal value is still a labor-intensive, costly, and slow process. Thus, the primary objective of this research was to automatically collect and extract the as-is geometry and thermal data of the building envelope components and create a gbXML-based building geometry model. In the proposed methodology, a rapid and low-cost data collection hardware system was designed by integrating 3D laser scanners and an infrared (IR) camera. Secondly, several algorithms were created to automatically recognize various components of building envelope as objects from collected raw data. The extracted 3D semantic geometric model was then automatically saved as an industry standard file format for data interoperability. The feasibility of the proposed method was validated through three case studies. The contributions of this research include 1) a customized low-cost hybrid data collection system development to fuse various data into a thermal point cloud; 2) an automatic method of extracting building envelope components and its geometry data to generate gbXML-based building geometry model. The broader impacts of this research are that it could offer a new way to collect as is building data without impeding occupants’ daily life, and provide an easier way for laypeople to understand the energy performance of their buildings via 3D thermal point cloud visualization.

Les missions d'exploration planétaire utilisent des véhicules spatiaux pour acquérir les données scientifiques qui font avancer notre connaissance du système solaire. Depuis les années 90, ces missions ciblent non seulement les planètes, mais aussi les corps célestes de plus petite taille comme les astéroïdes. Ces astres représentent un défi particulier du point de vue des systèmes de navigation, car leur environnement dynamique est complexe. Une sonde spatiale doit réagir rapidement face aux perturbations gravitationnelles en présence, sans quoi sa sécurité pourrait être compromise. Les délais de communication avec la Terre pouvant souvent atteindre plusieurs dizaines de minutes, il est nécessaire de développer des logiciels permettant une plus grande autonomie d'opération pour ce type de mission. Ce mémoire présente un système de navigation autonome qui détermine la position et la vitesse d'un satellite en orbite autour d'un astéroïde. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu adaptatif à trois degrés de liberté. Le système proposé se base sur l'imagerie optique pour détecter des"points de repères" qui ont été préalablement cartographiés. Il peut s'agir de cratères, de rochers ou de n'importe quel trait physique discernable à la caméra. Les travaux de recherche réalisés se concentrent sur les techniques d'estimation d'état propres à la navigation autonome. Ainsi, on suppose l'existence d'un logiciel approprié qui réalise les fonctions de traitement d'image. La principale contribution de recherche consiste en l'inclusion, à chaque cycle d'estimation, d'une mesure de distance afin d'améliorer les performances de navigation. Un estimateur d'état de type adaptatif est nécessaire pour le traitement de ces mesures, car leur précision varie dans le temps en raison de l'erreur de pointage. Les contributions secondaires de recherche sont liées à l'analyse de l'observabilité du système ainsi qu'à une analyse de sensibilité pour six paramètres principaux de conception. Les résultats de simulation montrent que l'ajout d'une mesure de distance par cycle de mise à jour entraîne une amélioration significative des performances de navigation. Ce procédé réduit l'erreur d'estimation ainsi que les périodes de non-observabilité en plus de contrer la dilution de précision des mesures. Les analyses de sensibilité confirment quant à elles la contribution des mesures de distance à la diminution globale de l'erreur d'estimation et ce pour une large gamme de paramètres de conception. Elles indiquent également que l'erreur de cartographie est un paramètre critique pour les performances du système de navigation développé.

A new method of registering multiple range datasets collected in a GPS-denied, tunnel-like environment is presented. The method is designed to function with minimal user inputs and be effective over a wide range of changes in observation angle. The method is initially developed to operate on data in a general 2.5D coordinate system. Then, the general registration method is specifically tailored to a 2.5D spherical coordinate system. To apply the method, the range data is first filtered with a series of discrete Gaussian-based filters to construct a second-order Taylor series approximation to the surface about each sampled point. Finally, principal curvatures are calculated and compared across neighboring datasets to determine homologies and the best fit transfer matrix. The new method relaxes the minimum change in perspective requirement between neighboring datasets typical of other algorithms. Results from the application of the method on both synthetic and real-world data are shown. The real-world data comes from a series of high explosive tests performed in a tunnel environment. The tunnels were oriented horizontally in rock and constructed with boring equipment. The tunnel surfaces were surveyed with a Faro Focus3D terrestrial panorama scanning light detection and ranging (lidar) system both before and after a high explosive device was detonated inside the tunnel with the intent of documenting damage to the tunnel surface.

Evaluation of aerial photographs, LiDAR imagery and GPS survey points was conducted to characterise water vole habitat at Grains in the Water and Swains Greave, in the Peak District. Justification for the study is to explore an affective way to monitor water vole habitat in relation to water vole signs utilising GIS. The water vole is a rapidly declining native species (Strachan and Strachan, 2003). The geospatial data was evaluated in terms of integration and extraction. The aerial photography provided a basis for vegetation mapping after visual interpretation. The aerial photograph required geometric correction and an average control point RMSE of 4.17m for the Grains in the Water site, using a 2nd order polynomial model was achieved. Extraction of slope, aspect, stream proximity and elevation were achieved using LiDAR imagery. Pearson’s product moment correlation coefficient highlighted a significant relationship between water vole latrine density with slope at the 0.01 significance level for 4m and 6m resolution data (Grains in the Water). The Swains Greave site supported this result with a 0.01 significance level for 6m resolution slope data. Elevation and aspect did not show a significant correlation with latrine density at Grains in the Water. The main conclusion is that water vole habitat cannot be solely characterised by aerial photography and LiDAR data, as other habitat variables could affect water vole distributions, which cannot be extracted from these geospatial data e.g. pH, bank exposure and stream depth.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012 / ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents the design and implementation of an autonomous navigational system and the automation of a practical demonstrator vehicle. It validates the proposed navigation architecture using simple functional navigational modules on the said vehicle. The proposed navigation architecture is a hierarchical structure, with a mission planner at the top, followed by the route planner, the path planner and a vehicle controller with the vehicle hardware at the base. A vehicle state estimator and mapping module runs in parallel to provide feedback data. The controls of an all terrain vehicle are electrically actuated and equipped with feedback sensors to form a complete drive-by-wire solution. A steering controller and velocity control state machine are designed and implemented on an existing on-board controller that includes a six degrees-of-freedom kinematic state estimator. A lidar scanner detects obstacles. The lidar data is mapped in real time to a local three-dimensional occupancy grid using a Bayesian update process. Each lidar beam is projected within the occupancy grid and the occupancy state of a ected cells is updated. A lidar simulation environment is created to test the mapping module before practical implementation. For planning purposes, the three-dimensional occupancy grid is converted to a two-dimensional drivability map. The path planner is an adapted rapidly exploring random tree (RRT) planner, that assumes Dubins car kinematics for the vehicle. The path planner optimises a cost function based on path length and a risk factor that is derived from the drivability map. A simple mission planner that accepts user-de ned waypoints as objectives is implemented. Practical tests veri ed the potential of the navigational structure implemented in this thesis. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word die ontwerp en implementering van 'n outonome navigasiestelsel weergegee, asook die outomatisering van 'n praktiese demonstrasievoertuig. Dit regverdig die voorgestelde navigasie-argitektuur op die bogenoemde voertuig deur gebruik te maak van eenvoudige, funksionele navigasie-modules. Die voorgestelde navigasie-argitektuur is 'n hi erargiese struktuur, met die missie-beplanner aan die bo-punt, gevolg deur die roetebeplanner, die padbeplanner en voertuigbeheerder, met die voertuighardeware as basisvlak. 'n Voertuigtoestandsafskatter en karteringsmodule loop in parallel om terugvoer te voorsien. Die kontroles van 'n vierwiel-motor ets is elektries geaktueer en met terugvoersensors toegerus om volledig rekenaarbeheerd te wees. 'n Stuur-beheerder en 'n snelheid-toestandmasjien is ontwerp en ge mplementeer op 'n bestaande aanboordverwerker wat 'n kinematiese toestandsafskatter in ses grade van vryheid insluit. 'n Lidar-skandeerder registreer hindernisse. Die lidar-data word in re ele tyd na 'n lokale drie-dimensionele besettingsrooster geprojekteer deur middel van 'n Bayesiese opdateringsproses. Elke lidar-straal word in die besettingsrooster geprojekteer en die besettingstoestand van betrokke selle word opdateer. 'n Lidar-simulasie-omgewing is geskep om die karteringsmodule te toets voor dit ge mplementeer word. Die drie-dimensionele besettingsrooster word na 'n twee-dimensionele rybaarheidskaart verwerk vir beplanningsdoeleindes. Die padbeplanner is 'n aangepaste spoedig-ontdekkende-lukrake-boom en neem Dubinskar kinematika vir die voertuig aan. Die padbeplanner optimeer 'n koste-funksie, gebaseer op padlengte en 'n risiko-faktor, wat vanaf die rybaarheidskaart verkry word. 'n Eenvoudige missie-beplanner, wat via-punte as doelstellings neem, is ge mplementeer. Praktiese toetsritte veri eer die potensiaal van die navigasiestruktuur, soos hier beskryf.

Les cirrus constituent une des principales sources d'incertitude dans les projections relatives au climat puisqu'ils peuvent contribuer au réchauffement comme au refroidissement de la planète. Cette thèse a consisté en l'exploitation de la base de données lidar de l'OPAR. La combinaison de méthodes de restitution ont permis d'améliorer la détermination de l'épaisseur optique. L'outil permet d'obtenir le rapport lidar effectif, qui dépend des propriétés microphysiques. L'exploitation de la base de données a permis de mettre en évidence le cycle saisonnier d'occurrence des cirrus. Une étude de cas portant sur l'étude de la variabilité temporelle d'un cirrus observé a été réalisée. Le couplage de l'exploitation des restitutions et de la modélisation à méso-échelle à partir du modèle Méso-NH a permis de montrer que les processus radiatifs et microphysiques interviennent et interagissent dans l'évolution du cirrus et dans sa durée de vie.

L'effet des aerosols et des nuages sur le climat, qu'il s'agisse de leur forcage radiatif propre ou de leur interactions constitue actuellement la plus grande incertitude du systeme climatique. L'utilisation couplee de nouveaux moyens d'observations comme le lidar ou le radar avec la radiometrie fait partie des pistes de recherches retenues par la communaute scientique pour reduire ces incertitudes justifiant le developpement et la mise en oeuvre de ces nouveaux instruments sur les plates-formes de l'A-Train et le developpement des algorithmes operationnels associes. Ces algorithmes possedent certaines limitations intrinseques, ce qui nous a amene a la revision des methodes d'analyse standard des donnees issues des plates-formes spatiales de l'A-Train (CALIPSO, CLOUDSAT), au developpement de nos propres algorithmes a travers l'etude de l'echo de surface oceanique, et a l'identication d'un modele theorique de diffusion par la surface compatible avec les observations multispectrales de ces instruments actifs. L'utilisation de ce modele avec les observations actives et celles du radiometre micro-onde AMSR-E a permis d'ameliorer les procedures d'etalonnage absolu du lidar et du radar en offrant une reference systematique possedant un important rapport signal sur bruit. L'amelioration de l'etalonnage de ces instruments permet ensuite d'affiner la precision de la restitution des parametres microphysiques dans les produits operationnels de recherche, et doit donner acces a un plus grand nombre de produits derives. La reference de surface issue des mesures des instruments micro-ondes actifs (radar) et passifs (radiometre) permet ainsi de determiner l'epaisseur optique des aerosols aux longueurs d'onde du lidar. Cette methode de restitution ne fait aucune hypothese sur la microphysique des particules diffusantes, est utilisable de jour et de nuit, possede un rapport signal sur bruit important a grande resolution spatiale et offre la possibilite de discriminer les aerosols et les nuages grace aux mesures multispectrales sur la verticale. Les comparaisons avec les mesures du radiometre MODIS montrent un bon accord statistique. Ces mesures d'epaisseur optique au-dessus de l'ocean et des nuages d'eau liquide ouvrent une nouvelle voie pour quantier le forcage radiatif direct des aerosols en presence de nuage, hors de portee des mesures radiometriques actuelles. Les premieres etudes que nous avons effectuees ont confirme que lors des episodes de feux observes pendant la campagne AMMA, le forcage est fortement positif sur le Golfe de Guinee (entre +5 et +10 W/m2 en moyenne diurne). Le forcage negatif en air non-nuageux au-dessus de l'ocean est inferieur d'un ordre de grandeur au forcage positif du aux aerosols transportes au-dessus des nuages. Le forcage radiatif positif observe sur le Golfe de Guinee est ainsi fortement dependant de la couverture nuageuse et les mesures a petite echelle de l'A-Train permettent de mieux le caracteriser a plus grande echelle. Ainsi, le rechauffement induit par l'effet direct des aerosols sera mieux pris en compte dans les modeles climatiques. L'emission d'aerosols absorbants (feux, pollution...) et leur transport a moyenne et grande echelle en altitude representent un point critique de l'evolution du systeme climatique et des interactions environnement-climat. L'hypothese usuellement admise d'un forcage direct negatif de -0, 5 W/m2 pour caracteriser l'effet radiatif des aerosols demande a etre examinee avec attention en etablissant une meilleure quantication de la contribution des aerosols absorbants (d'origine naturelle ou anthropique) au-dessus des nuages a l'echelle globale.

Les zones humides, à l'interface entre terre et eau, sont des milieux riches et diversifiés, aux fonctions et valeurs multiples aujourd'hui largement reconnues. Face à la sensibilité grandissante des organisations gouvernementales, régionales et du public aux effets néfastes, directs ou indirects, de la régression, voire dans certains cas de la disparition des zones humides, l'inventaire, la délimitation, mais aussi la caractérisation et le suivi de ces milieux sont devenus une priorité. Si leur délimitation est aujourd'hui opérationnelle, l'évaluation de leurs fonctions n'a été opérée que sur des sites de quelques hectares, alors qu'il est nécessaire d'évaluer l'état fonctionnel des zones humides sur des territoires plus étendus pour les gérer. Les objectifs de cette thèse sont de développer une méthode permettant de spatialiser les fonctions des zones humides à l'échelle de territoires d'une centaine de Km² au minimum, d'évaluer des données de télédétection optiques à très haute résolution spatiale afin de produire des indicateurs de l'état fonctionnel des zones humides, et d'évaluer l'impact de changements d'occupation des sols sur ces fonctions. Pour cela, la démarche FAP a été adaptée et appliquée sur deux sites de 130 et 650 km² localisés en Bretagne et en Dordogne. Après avoir délimités et caractérisés les zones humides à partir de données de télédétection, des indicateurs spatialisés dérivés de ces données ont été utilisés pour évaluer des fonctions hydrologiques, biogéochimiques et écologiques. L'évolution de ces fonctions a ensuite été simulée selon différents scénarios de changements d'occupation des sols. Les résultats montrent l'intérêt des données de télédétection, en particulier LiDAR, pour caractériser avec précision la micro-topographie, le réseau hydrographique et la végétation des zones humides. Ces données permettent de cartographier le potentiel fonctionnel des zones humides à différentes échelles allant de la parcelle à l'ensemble du site, et ce pour différentes fonctions. La simulation des changements d'occupation des sols à l'horizon 2030 et l'évaluation de ceux-ci sur les fonctions des zones humides peuvent constituer un outil d'aide à la gestion de ces milieux.