abstract: This thesis outlines the development of a vector retrieval technique, based on data assimilation, for a coherent Doppler LIDAR (Light Detection and Ranging). A detailed analysis of the Optimal Interpolation (OI) technique for vector retrieval is presented. Through several modifications to the OI technique, it is shown that the modified technique results in significant improvement in velocity retrieval accuracy. These modifications include changes to innovation covariance portioning, covariance binning, and analysis increment calculation. It is observed that the modified technique is able to make retrievals with better accuracy, preserves local information better, and compares well with tower measurements. In order to study the error of representativeness and vector retrieval error, a lidar simulator was constructed. Using the lidar simulator a thorough sensitivity analysis of the lidar measurement process and vector retrieval is carried out. The error of representativeness as a function of scales of motion and sensitivity of vector retrieval to look angle is quantified. Using the modified OI technique, study of nocturnal flow in Owens' Valley, CA was carried out to identify and understand uncharacteristic events on the night of March 27th 2006. Observations from 1030 UTC to 1230 UTC (0230 hr local time to 0430 hr local time) on March 27 2006 are presented. Lidar observations show complex and uncharacteristic flows such as sudden bursts of westerly cross-valley wind mixing with the dominant up-valley wind. Model results from Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS®) and other in-situ instrumentations are used to corroborate and complement these observations. The modified OI technique is used to identify uncharacteristic and extreme flow events at a wind development site. Estimates of turbulence and shear from this technique are compared to tower measurements. A formulation for equivalent wind speed in the presence of variations in wind speed and direction, combined with shear is developed and used to determine wind energy content in presence of turbulence. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Mechanical Engineering 2013

The combat vehicle, CV90 has a semi-active hydraulic suspension system which uses inertial measurements for regulation to improve accessibility. To improve performance further measurements of future terrain can be used to, for example, prepare for impacts. This master's thesis investigates the ability to use existing sensors and new sensors to facilitate these measurements. Two test runs were performed, with very different conditions and outcomes. The results seem to suggest that a sweeping LIDAR was the most accurate and robust solution. However, using a very recent visual odometry algorithm, promising results were achieved using an Infra-red heat camera. Especially given that no efforts were put into adjusting parameters for that particular algorithm.

This thesis work aims for the development of an autonomous model car to evaluate an indoor Ultra-wideband (UWB) positioning system and for the investigation of integrating a Light Detection and Ranging (LIDAR) sensor to the final system. The goal to be achieved is that the model car should be able to receive a travel plan specified by the user, run autonomously along the plan by receiving the continuously updated position and stop in front of obstacles. A prototype of such a model car has been developed. It is shown that it was able to travel along the plan specified by a user with aid of the positioning system and proven that the concept of an autonomous vehicle guided with the positioning system works. The model car was tested and the performance of it merged with the positioning system was evaluated by travelling along a circle and a sharp, 90° corner and by measuring the lap times from the travelling for various error margins. The error margin decides when a destination is deemed reached. The test results show that the model car has limitations to its slowest speed and turning radius. The results also show that the positioning system has significant position updating latency. Integrating a LIDAR to the model car is shown to be beneficial, in particular, when adding information of e.g. walls and doors in advance and the LIDAR then acting as a perceptive system to obtain information of the unknown parts of the surrounding. This can then result in a time optimal travel plan that can adapt to a dynamic environment.

Nestes últimos anos, tivemos um aumento no interesse na monitoração dos efeitos da atividade humana sobre a atmosfera e o clima no planeta. O uso de técnicas de sensoriamento remoto têm sido utilizados em diversos estudos, inclusive em estudos relacionados à mudanças globais. Um sistema LIDAR de espalhamento, primeiro deste tipo no Brasil, tem sido usado para fornecer o perfil vertical do coeficiente de retroespalhamento de aerossóis em 532 nm para altitudes de 4 a 6 km acima do nível do mar. Neste estudo, foram utilizados dados coletados no ano de 2005. Estes dados foram correlacionados com dados do fotômetro solar CIMEL e também com dados meteorológicos. Os principais resultados indicaram existir um padrão no comportamento destes dados meteorológicos e a distribuição vertical do coeficiente de extinção obtido através do LIDAR. Em períodos desfavoráveis de dispersão atmosférica, ou seja, elevação da temperatura do ar associado a queda de umidade relativa, aumento da pressão atmosférica e baixa taxa de ventilação, foi possível determinar com boa precisão a altura da Camada Limite Planetária, tanto através do perfil vertical do coeficiente de extinção quanto através da técnica da temperatura potencial. A técnica LIDAR mostrou ser um importante aliado na determinação da estrutura termodinâmica da atmosfera, auxiliando a caracterizar a evolução da CLP ao longo do dia, devido a sua boa resolução espacial e temporal. / In these last years, we had an increase in the interest in the monitoring of the effect of the human activity being on the atmosphere and the climate in the planet. The remote sensing techniques has been used in many studies, also related the global changes. A backscattering lidar system, the first of this kind in Brazil, has been used to provide the vertical profile of the aerosol backscatter coefficient at 532 nm up to an altitude of 4-6 km above sea level. In this study, data has was collected in the year of 2005. These data had been correlated with data of solar photometer CIMEL and also with meteorological data. The main results had indicated to exist a standard in the behavior of these meteorological data and the vertical distribution of the extinction coefficient gotten through LIDAR. In favorable periods of atmospheric dispersion, that is, rise of the temperature of associated air the fall of relative humidity, increase of the atmospheric pressure and low ventilation tax, was possible to determine with good precision the height of the Planetary Boundary Layer, as much through the vertical profile of the extinction coefficient how much through the technique of the vertical profile of the potential temperature. The technique LIDAR showed to be an important tool in the determination of the thermodynamic structure of the atmosphere, assisting to characterize the evolution of the CLP throughout the day, which had its good space and secular resolution.

O resultado do escaneamento de um Laser Scanner Terrestre (LST) é uma nuvem de pontos com coordenadas geométricas (X, Y, Z), informações de cor (R, G, B) provenientes de uma câmera fotográfica acoplada ao equipamento e, ainda, a informação do retorno da intensidade do pulso laser (I). Esses sistemas de varredura possuem algumas características como, por exemplo, sua rapidez na aquisição de informações, registro de cenas em 3D e coleta de informações sem contato direto que se aplicam de forma importante nas análises florestais. Contudo, a grande vantagem da utilização de um LST na área florestal é a possibilidade de caracterizar alvos remotamente de forma rápida e não destrutiva. Assim, este trabalho teve como objetivo principal avaliar os dados de intensidade de retorno do laser provenientes de um sistema LST para a caracterização de alvos florestais. Metodologicamente foram realizados experimentos controlados que envolveram as seguintes etapas: calibração radiométrica do LST; avaliação da influência da distância nos dados de intensidade de retorno do laser e; análise do efeito de borda em imageamento de alvos florestais (considerado um dos principais problemas que afeta os dados intensidade de retorno quando se utiliza um LST). O equipamento utilizado durante os experimentos foi um laser scanner modelo Ilris 3D da Optech que trabalha no intervalo do infravermelho médio com comprimento de onde de 1535 nm. Os resultados mostraram que para esse comprimento de onda os alvos florestais devem ser imageados a uma distância maior ou igual a 5m e o processamento dos dados com resolução radiométrica de 8 bits foi mais adequado, pois proporcionou uma caracterização geométrica do alvo com efeito visual de melhor qualidade se comparado com o processamento de 16 bits. Os resultados dos experimentos realizados sobre o efeito de borda possibilitaram identificar dois tipos de distorções que ocorrem em dados de nuvem de pontos adquiridos com um LST. O primeiro afetou os valores de intensidade de retorno do laser e o segundo criou um efeito que deslocou os pontos no espaço. Para minimizar este efeito foi desenvolvido um algoritmo, o IRA (Intensity Recovery Algorithm), que possibilitou recuperar automaticamente os valores de intensidade de retorno do laser minimizando em até 35,7% o efeito de borda nos imageamentos do alvo estudado na pesquisa. Assim para o uso de um LST, na caracterização geométrica de alvos florestais, é necessário desenvolver modelos de calibração da intensidade de retorno do pulso laser, pois os sistemas LST são distintos em termos de faixa do espectro eletromagnético que operam. Por fim, no que tange ao efeito de borda concluiu-se que o algoritmo IRA necessita ser aprimorado com outras abordagens computacionais e matemáticas que poderão ser desenvolvidos em estudos futuros. / The result of the scanning of a terrestrial laser scanner (TLS) is a point cloud with geometric coordinates (X, Y, Z), color information (R, G, B) from a camera coupled to the equipment, and also the return information of intensity of the laser pulse (I). These scanning systems have some characteristics, for example, its speed in acquiring information, and of 3D scenes with record of data remotely which applies significantly in the forestry analysis. The advantage of using a TLS in the forestry area is the possibility of remote acquisition of data enabling a fast and non-destructive work. This work aimed to evaluate the laser return intensity data from a TLS system for the characterization of forest targets. Methodologically were performed controlled experiments involving the following steps: radiometric calibration of TLS; evaluating the influence of the distance in the laser return intensity data and; analysis of the edge effect in imaging forest targets (considered one of the main problems that affect the data intensity return when using a TLS). The equipment used during the experiments was a laser scanner Ilris Optech 3D model that works in the mid-infrared range with wavelength of 1535 nm. The results showed that for this wavelength forest targets should be imaged at a distance greater than or equal to 5m and processing of the radiometric data with 8-bit resolution is more suitable because it provided a geometric characteristics of the target with better visual effect quality compared with the 16-bit processing. The results of the experiments on the edge effect possible to identify two types of distortions that occur in cloud data points acquired with a LST. The first affect the laser return intensity values and the second set offset an effect that the points in space. To minimize this effect an algorithm, the IRA (Intensity Recovery Algorithm), was developed which enabled automatically retrieve the laser return intensity values up to 35.7% of minimizing the edge effect in the target imaging surveys studied in research. Thus for use of an TLS, the geometrical characterization of forest targets, it is necessary to develop calibration models of the return laser pulse intensity, for TLS systems are different in terms of the electromagnetic spectrum operating range. Finally, with respect to the edge effect it was concluded that the IRA algorithm needs to be enhanced with other computational and mathematical approaches that may be developed in future studies.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-09-26T21:08:19Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Rafael Lopes Mendonça.pdf: 5746497 bytes, checksum: 6427f5355ad301a77ff31c0401d54da5 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-10-01T15:23:00Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Rafael Lopes Mendonça.pdf: 5746497 bytes, checksum: 6427f5355ad301a77ff31c0401d54da5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T15:23:00Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Rafael Lopes Mendonça.pdf: 5746497 bytes, checksum: 6427f5355ad301a77ff31c0401d54da5 (MD5) Previous issue date: 2017-08-31 / CNPq / Com o crescente uso do escaneamento a LASER aerotransportado para aquisição de Modelo Digital, tem-se observado um maior interesse em desenvolver técnicas de filtragens capazes de gerar um Modelo Digital do Terreno (MDT) de forma automática. Os métodos existentes na literatura consideram regiões mais uniformes, com características diferentes das encontradas nas cidades brasileiras, principalmente em áreas onde há uma maior variação do relevo e diversidade de elementos, tanto naturais quanto artificiais, sobre o solo exposto. Diante disto, o presente trabalho tem como objetivo analisar algumas técnicas existentes, e propor uma abordagem para a filtragem de dados Light Detection And Ranging (LIDAR) para geração de MDT. A área de estudo corresponde a uma região do bairro do Vasco da Gama, na cidade de Recife, capital Pernambucana. Esta região apresenta um relevo acidentado com grande concentração de imóveis, além da presença de vegetação arbórea e rasteira. Através de alguns métodos de filtragens foram analisados os resultados obtidos para essa área de estudo. A combinação dos métodos de identificação de bordas e da classificação supervisionada apresentou resultado mais satisfatório, em comparação aos outros utilizados nesta dissertação. / With the increasing use of the airborne LASER scanning to acquire Digital Model, it has been observed a greater interest in developing filtering techniques capable of generating a Digital Terrain Model (DTM) automatically. The existing methods in the literature consider more uniform regions, with characteristics different from those found in Brazilian cities, especially in areas where there is a greater variation of the relief and diversity of elements, both natural and artificial, above the ground. Therefore, the present work aims to analyze some existing techniques, and to propose an approach to Light Detection and Ranging (LIDAR) data filtering for MDT generation. The study area corresponds to a region of the neighborhood of Vasco da Gama, in the city of Recife, capital of Pernambuco. This region presents a rough relief with great urban agglomeration, besides the presence of arboreal and low vegetation. Through some filtration methods the results obtained for this area of study were analyzed. The combination of the methods of edge identification and supervised classification presented a more satisfactory result, compared to the others used in this dissertation.

Submitted by Eduarda Figueiredo (eduarda.ffigueiredo@ufpe.br) on 2015-03-04T18:44:38Z No. of bitstreams: 2 DANTAS, C. E. de O. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - UFPE, Recife, 2012.pdf: 10576694 bytes, checksum: 447017a678c5c964773b8e119df91e29 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-04T18:44:38Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DANTAS, C. E. de O. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - UFPE, Recife, 2012.pdf: 10576694 bytes, checksum: 447017a678c5c964773b8e119df91e29 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-06-29 / CNPq / A pesquisa tem como objetivo geral aprimorar a previsão e o controle de inundações com suporte de informações espaciais de alta resolução para o planejamento territorial, com foco na proteção das cidades. De forma integrada a este objetivo, são abordados os avanços decorrentes da utilização de informações espaciais mais precisas na modelagem dos processos hidrológicos e hidrodinâmicos por ocasião de eventos de cheia, bem como o ganho da qualidade potencializado pelas informações de alta resolução espacial no aprimoramento de projetos, no monitoramento, no planejamento de obras de contenção de cheias e nas intervenções urbanas para minorar a ocorrência de inundações. O trabalho utiliza o mapeamento digital a laser, a partir de dados LiDAR, e as ortofotos digitais, gerados após as inundações ocorridas em junho de 2010, para a região mais atingida no Estado de Pernambuco, gerando produtos cartográficos de alta precisão. A partir do histórico de precipitações na bacia hidrográfica do rio Una, em Pernambuco, foi feito um estudo de regionalização e classificação das chuvas intensas, buscando definir padrões da distribuição de chuvas que geram as inundações na bacia. Com base nessas abordagens, as informações espaciais são utilizadas em modelos hidrológicos e hidrodinâmicos, juntamente com os dados hidrológicos levantados, na composição de modelo para alerta de cheias e geração de cenários de inundação em cidades da bacia hidrográfica do rio Una. Como resultado, demonstra-se que a determinação de padrões de precipitação explica adequadamente a ocorrência dos principais eventos de cheia, possibilitando a previsão e o acompanhamento das inundações a partir da previsão meteorológica e do monitoramento pluviométrico.

This thesis describes how a pipeline was obtained to reconstruct an urban environment from terrestrial laser scanning and photogrammetric 3D maps of Norrköping, visualized in first prison and real-time. Together with LIU University and the city planning office of Norrköping the project was carried out as a preliminary study to get an idea of how much work is needed and in what accuracy we can recreate a few buildings. The visualization is intended to demonstrate a new way of exploring the city in virtual reality as well as visualize the geometrical and textural details in a higher quality comparing to the 3D map that Municipality of Norrköping uses today. Before, the map has only been intended to be displayed from a bird’s eye view and has poor resolution from closer ranges. In order to improve the resolution, HDR photos were used to texture the laser scanned model and cover a particular area of the low res 3D map. This thesis will explain which method was used to process a point based environment for texturing and setting up an environment in Unreal using both the 3d map and the laser scanned model.

La surface foliaire des arbres est un des paramètres majeurs pour comprendre l’écosystème forestier. Par ailleurs, les données du lidar terrestre peuvent être utilisées pour estimer la surface et la distribution spatiale fine du feuillage et du bois dans la forêt. Malheureusement, ces données sont affectées par des problèmes d’occlusion et d’échantillonnage inégal. C’est pourquoi, ce projet vise à développer une méthode de normalisation des données du lidar terrestre afin de permettre une évaluation juste de la distribution 3D du matériel végétatif. Dès lors, la voxélisation du nuage de points en petits cubes élémentaires complétés par une technique d’interpolation pour les voxels trop occlus a été mise en place pour corriger ces effets. Toutefois cet ensemble de méthodes n’a jamais été vérifié, car il est très difficile de procéder à des mesures fines de distribution de la végétation in situ. Dans un premier temps, quatre maquettes qui reproduisent finement des placettes forestières d’inventaire ont été générées de manière à les comparer avec les résultats du processus de correction. Les résultats de cette première approche démontrent, que ce processus de correction permet de retrouver les profils verticaux de végétation avec plus de 90 % d’exactitude sur tous les emplacements forestiers mis à l’essai. Dans un second temps et pour appuyer ces premiers résultats, une méthode de normalisation a été expérimentée sur des nuages de points issus de forêts réelles. Cette deuxième partie de l’étude a été réalisée sur six placettes d’inventaire situées dans l’est du Québec, principalement composées de sapins et d’érables. L’objectif de ce jeu de données était de voir à quel point la méthode précédemment développée permettait de retrouver le profil de végétation de l’arbre cible avant le dégagement de la végétation occultante dans les conditions réelles. Les résultats montrent des corrélations des profils verticaux en moyenne autour de 70 % et allant jusqu’à 85 % dans le meilleur pour les profils exprimés en indice de surface foliaire, c’est-à-dire avant leur conversion en densité de surface totale (DST). Pour conclure, cette étude montre qu’il est possible de corriger significativement les biais relatifs à l’occlusion et à un échantillonnage inégal pour en déduire des profils de densité de la végétation réalistes et réutilisables. En outre, plusieurs défis restent à relever dans la quantification du matériel végétal à partir de l’utilisation du lidar en forêt. Par exemple, en développant des algorithmes d’interpolation capables de compenser la perte d’information quand la végétation ne laisse passer aucun rayon du lidar ou en améliorant l’estimation du feuillage en fonction des différentes espèces d’arbres.

Denna studie har med hjälp av den nya nationella höjdmodellen (NNH), som bygger på LiDAR-teknik, försökt att i västra Gästrikland hitta och analysera de landskaps- och terrängformer som kallas för högsta kustlinjen (HK). Dessa forna strandlinjer efter den senaste istiden har undersökts tidigare i studieområdet med hjälp av avvägningsinstrument och genom jordprover på 11 lokaler åren 1925-1930 och på 8 lokaler åren 1954-1960. I studien har det undersökts hur väl det går att identifiera nya som äldre HK-lokaler, jämföra de äldre undersökningarna med resultatet från dagens moderna datorteknik. Genom att i ett GIS-program skapa en terrängskuggning av NNH, som innan leverans har särskilt mark- och vattenytan från vegetation och antropogena objekt, har höjder kunnat mätas längs HK-linjer med cirka 50 meters avstånd. På grund av den snabba landhöjningen de första 500 åren efter avsmältningen är de högst belägna spåren av stranderosion svårare att hitta än de lägre. Av de 25 lokaler som hittades och analyserades var 11 lokaler på platser som inte tidigare undersökts eller där HK tidigare inte har kunnat fastställas. Av de undersökta lokalerna klassades 10 som osäkra, 11 som halvskarpa, 3 som skarpa och 1 som ett HK-delta. Från söder mot norr i västra Gästrikland stiger HK med cirka 27 meter från 194 meter över havet till 221 meter över havet. Skillnaderna jämfört med de tidigare undersökningarna är cirka ±2 meter, med undantag för 4 lokaler med skillnader från cirka 4 meter över till cirka 10 meter under. Förutom de 25 lokalerna hittades 6 mycket osäkra lokaler där HK inte gick att fastställa. Av dessa ligger 5 i ett område nordost och öster om Hofors. LiDAR-tekniken ger kvantitativt fler lokaler i områden som eventuellt tidigare inte har kunnat besökas och är en mer tidseffektiv metod.