Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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ORCID - ein persistenter Identifikator für Forschende
Get PDFForscher:innen eindeutig zu identifizieren ist durch Namensgleichheit, Namensänderungen oder verschiedene existierende Namensvarianten und Schreibweisen eine anhaltende Herausforderung im Wissenschaftsbetrieb. Eine Lösung für dieses Problem bietet die international anerkannte Open Researcher and Contributor ID (ORCID), die wir in dieser Ausgabe näher vorstellen
Untersuchung der CO2-Insertion in die Si-N-Bindung von Aminosilanen mit quantenchemischen Methoden
Get PDFDiese Dissertation befasst sich mit quantenchemischen Untersuchungen der CO2-Insertion in Si-N-Bindungen von Aminosilanen und der Zuverlässigkeit quantenchemischer Berechnungsmethoden. Es wurden verschiedene Verbindungsklassen, wie Piperazinderivate, Di- und Monoethanolaminderivate, einfache und spirozyklische Aminosilane verwendet. Zunächst wurde ein Benchmarking der verwendeten Berechnungsmethoden durchgeführt, um die für diese Forschung am besten geeigneten Methoden herauszufinden. Quantenchemische Berechnungen wurden genutzt, um die Reaktionen und die möglichen Prozesse aus der Sicht der Thermodynamik zu bewerten. Desweiteren wurde der Mechanismus der CO2-Insertion untersucht. Zu diesem Zweck wurden Geometrieoptimierungen der Übergangszustände durchgeführt, wobei die Aminosilan-CO2-Komplexe mit unterschiedlichem C-N-Abstand berücksichtigt wurden, um den Weg der Reaktanten zum Übergangszustand zu finden. Zusätzlich wurden NBO-Berechnungen durchgeführt, um den Reaktionsmechanismus zu entschlüsseln. Die berechneten IR- und NMR-Spektren wurden mit gemessenen Spektren verglichen und ihre Zuverlässigkeit wurde in der Arbeit bewertet
Untersuchung und Modellierung der Korrosion an Kanten und Flanschen unter unterschiedlichen Klimabedingungen und räumlichen Anordnungen
Get PDFIn dieser Arbeit wurde die Korrosion an Kanten und Flanschen unter unterschiedlichen Klimabedingungen und räumlichen Anordnungen untersucht und modelliert. Auf Basis von Versuchsdaten konnten Simulationsmodelle zur Vorhersage der Delaminationsweite an Kanten und der Korrosionstiefe in Flanschen entwickelt werden. Mittels Stromdichte-Spannungskurven und elektrochemischer Impedanzspektroskopie wurde die Korrosionskinetik sowie die Barrierewirkung der organischen Beschichtung in das Modell überführt. Das unterschiedliche Korrosionsverhalten von vertikal und horizontal orientierten Kanten wurde durch die von Elektrolyt benetzte Fläche berücksichtigt. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Klimaparameter in zyklischen Wechselklimatests numerisch modelliert. Durch die Kombination empirischer Simulationsparameter konnte der Zyklus eines Wechselklimatests sowohl integral, als auch differentiell unter Berücksichtigung wechselnder Testparameter modelliert werden. Zur Modellierung der Flanschkorrosion wurde ein grundlegendes Potentialmodell vorgestellt
Rotierende Balken und Schalen als Berechnungsmodelle für lang kragende Fräswerkzeuge mit Hohlschaft zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Get PDFDie Verwendung von lang kragenden Schaftfräsern im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung birgt besondere Herausforderungen bezüglich der Prozessdynamik. In diesem Zusammenhang werden verschiedene kontinuumsmechanische Berechnungsmodelle für Werkzeuge mit Hohlschaft vorgestellt. Dabei wird eine teilweise Füllung des Schaftes mit einer fließfähigen Ausgleichsmasse zum Zweck des automatischen Wuchtens berücksichtigt. Ausgehend von der Verformungskinematik wird die systembeschreibende Variationsformulierung mit Hilfe des Hamilton'schen Prinzips hergeleitet. Dabei wird auch auf den Einfluss von stochastisch verteilten Unwuchten, geometrischen Nichtlinearitäten und Schubdeformationen eingegangen. Zur Ortsdiskretisierung werden sowohl lokale als auch globale Methoden angewendet und miteinander verglichen. Die Auswertung stellt den Einfluss von verschiedenen geometrischen sowie prozessbedingten Parametern auf die Eigenfrequenzen, stationäre Deformation, Stabilität sowie Zeitlösung dar.:1. Einleitung
1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit
1.2. Stand der Technik
1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen
1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser
1.3. Thema und Aufbau der Arbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe
2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen
2.3. Prinzip von Hamilton
2.4. Lösungstheorie
2.4.1. Anfangswertprobleme
2.4.2. Randwertprobleme
2.5. Stochastische Grundbegriffe
3. Balkenmodelle
3.1. Verformungskinematik des Balkens
3.2. Variationsformulierung
3.3. Modellierung der Unwucht
3.4. Globale Diskretisierung
3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung
3.4.2. Ortsfunktionen
3.5. Lokale Diskretisierung
3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung
3.7. Berechnungsergebnisse
3.7.1. Ruhendes Werkzeug
3.7.2. Rotierendes Werkzeug
4. Schalenmodelle
4.1. Verformungskinematik der Schale
4.2. Variationsformulierung
4.3. Globale Diskretisierung
4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung
4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM
4.4.1. Konforme flache Schalenelemente
4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung
4.6. Berechnungsergebnisse
4.6.1. Ruhender Schaft
4.6.2. Rotierender Schaft
5. Zusammenfassung und Ausblick
6. Verzeichnisse
6.1. Quellenverzeichnis
6.2. Symbolverzeichnis
6.3. Abbildungsverzeichnis
6.4. Tabellenverzeichnis
A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle
B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken
C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle
D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-SchaleThe use of long slender end mills for high-speed-cutting (HSC) holds special requirements with respect to the system dynamics. In this context, several tool models in the area of continuum mechanics are presented. Especially hollow tool shafts, with a fluid medium inside, for the purpose of automatic balancing are considered. Starting with the kinematics of deformation, Hamilton's principle is used to evaluate the variational formulation. Therefore, also the influence of a stochastic distributed unbalance, geometrical nonlinearities and shear deformations are discussed. For space discretisation local as well as global approaches are used and compared with each other. Following up on this, results are presented, which show the influence of different geometrical and process-related parameters due to the eigenfrequencies, stationary deformation, stability and time solution.:1. Einleitung
1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit
1.2. Stand der Technik
1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen
1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser
1.3. Thema und Aufbau der Arbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe
2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen
2.3. Prinzip von Hamilton
2.4. Lösungstheorie
2.4.1. Anfangswertprobleme
2.4.2. Randwertprobleme
2.5. Stochastische Grundbegriffe
3. Balkenmodelle
3.1. Verformungskinematik des Balkens
3.2. Variationsformulierung
3.3. Modellierung der Unwucht
3.4. Globale Diskretisierung
3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung
3.4.2. Ortsfunktionen
3.5. Lokale Diskretisierung
3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung
3.7. Berechnungsergebnisse
3.7.1. Ruhendes Werkzeug
3.7.2. Rotierendes Werkzeug
4. Schalenmodelle
4.1. Verformungskinematik der Schale
4.2. Variationsformulierung
4.3. Globale Diskretisierung
4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung
4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM
4.4.1. Konforme flache Schalenelemente
4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung
4.6. Berechnungsergebnisse
4.6.1. Ruhender Schaft
4.6.2. Rotierender Schaft
5. Zusammenfassung und Ausblick
6. Verzeichnisse
6.1. Quellenverzeichnis
6.2. Symbolverzeichnis
6.3. Abbildungsverzeichnis
6.4. Tabellenverzeichnis
A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle
B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken
C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle
D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-Schal
Carbamoyloxymono- und -disilane: Synthese, Substituentenaustauschverhalten und Zersetzung
Get PDFDurch die Insertion von CO2 in die Si-N-Bindung von Diaminosilanen sind Di(carbamoyloxy)silane zugänglich. Mittels thermischer Zersetzung dieser Insertionsprodukte können Siloxane und entsprechende Harnstoffderivate erhalten werden. In dieser Arbeit wurden die chemischen Reste in diesen Systemen variiert um Siloxane mit verschiedenen Substitutionsmustern zu erhalten. Außerdem wurde das Substituentenaustauschverhalten des System Aminosilan/Carbamoyloxysilan näher untersucht. Dabei konnte die Substanzklasse der Amino(carbamoyloxy)silane nachgewiesen werden. Auch die Adaption der Versuche auf Triaminosilane und Aminodisilane wurde erfolgreich durchgeführt. Dadurch wurden vernetzte Siloxane als Thermolyseprodukte erhalten. Einige Carbamoyloxydisilane bilden zudem fünffach koordiniertes Silicium aus.:Vorwort
1. Einleitung und Motivation
2. Literaturteil (Siloxane/Silikone und Harnstoffe)
3. Diaminosilane
4. CO2-Insertion in Diaminosilane - Synthese von Di(carbamoyloxy)silanen
5. Thermolyse
6. Triaminosilane und Tri(carbamoyloxy)silane
7. Aminodisilane und Carbamoyloxydisilane
8. Zusammenfassung und Ausblick
9. Experimenteller Teil
10. Anhan
Beitrag zur Beschreibung des Betriebsverhaltens und der Modellierung von Kompaktier-Granulierkreisläufen
Get PDFIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Kompaktier-Granulierung von Kalisalzen zur Herstellung von Düngemittelgranulat experimentell untersucht und ein Modellansatz zur Beschreibung von derartigen Kreisläufen abgeleitet. Bei der Kompaktier-Granulierung wird fein-disperses Kalisalz mit Hilfe von Walzenpressen zu sogenannten Schülpen verpresst. Diese werden durch nachfolgende Zerkleinerung und Klassierung zu Düngemittelgranulat (enge Partikelgrößenklasse, wie beispielsweise 2 – 4 mm) verarbeitet. Basierend auf halb-industriellen Kreisläufen werden im vorliegenden Beitrag wesentliche Prozesswechselwirkungen zwischen Kompaktierung, Zerkleinerung und Klassierung ausgearbeitet. Detailuntersuchungen zeigen, dass sich insbesondere die Schülpenfestigkeiten wie auch die schüttgutmechanischen Eigenschaften des Pressenaufgabegutes im Kreislaufbetrieb ändern. Darauf aufbauend wird ein Modellansatz abgeleitet der die Abschätzung des Kreislaufbetriebs erlaubt
Numerische Untersuchung der Rayleigh-Bénard-Konvektion in einem Flüssigmetall unter dem Einfluss einer zeitlich modulierten gezeitenartigen Kraft
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die numerischen simulationen einer freien Rayleigh-Bénard-Konvektion und einer rein elektromagnetisch angetriebenen gezeiten-artigen Strömung in einem stehenden zylindrischen Volumen mit einem Seitenverhältnis Г = D/H = 1 und seitlich angelegten Magnetspulen eine gute Übereinstimmung mit entspre-chenden Experimenten aufweisen. Kombiniert man beide Mechanismen und moduliert die Lorentzkraft, so zeigen sich in den Frequenzspektren der Helizität in zwei Halbräumen des Volumens deutliche Maxima an der Modulationsfrequenz. Eine solche Helizitätssynchronisierung durch Gezeitenkräfte wird derzeit als mögliche Erklärung für die hohe Regularität des Sonnendynamos diskutiert. Des Weiteren wird die in freier Konvektion auftretende langsame azimutale Wanderung der Konvektionszelle unterdrückt. Der Schwingungswinkel der azimutalen Schwappbewegung nimmt dabei ab und die in der Strömung dominante Frequenz erhöht sich. Die durch die zwei unterschiedlichen Antriebsmechanismen erzeugten Strömungsstrukturen bleiben in der Strömung eigenständig erhalten und treten in gegenseitige Interaktion.:1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Rayleigh-Bénard-Konvektion
2.2. MHD - Magnetohydrodynamik
2.3. Wichtige Aspekte des numerischen Modells
3. Modellerstellung
3.1. Geometrie
3.2. Numerisches Modell
3.2.1. Elektromagnetisches Modell in Opera
3.2.2. Modell der Strömungsberechnung in OpenFOAM
4. Ergebnisse
4.1. Ergebnisse der freien Rayleigh-Bénard-Konvektion
4.2. Ergebnisse der nichtmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient
4.3. Ergebnisse der zeitmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient
4.4. Ergebnisse der elektromagnetisch beeinflussten Rayleigh-Bénard-Konvektion
4.4.1. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Strömungsstruktur
4.4.2. Vergleich ausgewählter Ergebnisse der numerischen Untersuchung und des Experimentes
4.4.3. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Helizität
5. Zusammenfassung und Fazi
Datenunterstützte Prognose der Eigensetzung von Tagebaukippen unter Nutzung der satellitengestützten Radarinterferometrie
Get PDFDie satellitengestützte Radarinterferometrie liefert Informationen zu vertikalen Bodenbewegungen in hoher raum-zeitlicher Auflösung. Moderne Auswerteverfahren in Kombination mit hochauflösenden Sensoren ermöglichen die Anwendung dieser Monitoringmethode auf Tagebaukippen. Die damit verfügbare Datenbasis erlaubt eine flächenhafte Analyse des Setzungsverhaltens der Oberfläche der Tagebaukippe und erweitert damit die bisherige punktartige Betrachtung unter Nutzung von Höhenfestpunkten. Der vorliegende Beitrag demonstriert, wie aus den räumlich verteilten Zeitreihen eine flächenhafte Modellierung des Zeitsetzungsverhaltens von Tagebaukippen erfolgen kann. Dazu werden klassische Modelle des Zeitsetzungsverlaufes auf die Ergebnisse der satellitengestützten Radarinterferometrie angewandt. Im Ergebnis kann geschlussfolgert werden, dass das hier vorgestellte Verfahren eine nahezu rein datengetriebene Prognose von wichtigen Indikatoren, wie z. B. Zeit bis zum Abklingen der Setzung oder zu erwartende maximale Setzung, erlaubt. Weiterhin liefert das Verfahren eine reiche Datengrundlage zur detaillierten Untersuchung weitere Einflussfaktoren auf das Setzungsverhalten von Tagebaukippen
Ternäre Oxide zur Passivierung von GaN-basierten elektronischen Bauelementen
Get PDFIn der Arbeit wurden die zwei ternären Oxide GdScO3 und AlTiOx strukturell und elektrisch charakterisiert und in laterale AlGaN/GaN-MISHEMTs integriert. GdScO3 wächst hexagonal und epitaktisch bei einer Abscheidung mittels PLD bei 700°C auf einer AlGaN/GaN Heterostruktur auf. Die demonstrierten MISHEMTs zeigen einen deutlich verringerten Gate-Leckstrom. Zeit- und beleuchtungsabhängige Drain-Strom Messungen im ausgeschaltetem Transistor weisen allerdings auf photoinduzierte Trapzustände mit langer Lebensdauer im Oxid hin, die den Drain-Leckstrom limitieren. Die AlTiOx Mischoxide wurden mittels ALD abgeschieden. Dabei wurde die Stöchiometrie über das Zyklenverhältnis zwischen Al2O3 und TiO2 variiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Brechungsindex, die Permittivität, die Bandlücke und das Bandalignment zum GaN über die Stöchiometrie eingestellt werden können. Durch die Implementierung eines high-k last Prozesses konnten schaltbare MISHEMTs prozessiert werden. Durch die Simulation der Bandstruktur konnten die Einsatzspannungsverschiebung und ein Maximum des Drain-Stroms im ausgeschaltetem Zustand über die Ermittlung der Barrierendicke für Elektronen erklärt werden. Für eine Passivierung mit TiO2 wurde ein um 2,5 Größenordnungen reduzierter Drain-Leckstrom bei gleichzeitig nur minimal verschobener Einsatzspannung gemessen.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 7
2 Grundlagen 9
2.1 Der III-V Halbleiter Galiumnitrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Der Hetero-Feldeffekttransisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Performance Einschränkungen am unpassivierten HFET . . . . . . . . 14
2.4 Gatedielektrika für MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Verwendete Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 Limitationen in MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 Der ALD-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 Abscheidung ternärer Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Charakterisierungsmethoden 31
3.1 Kapazitäts-Spannungs-Messungen an MIS-Kondensatoren . . . . . . . . 31
3.2 Photo-assisted Kapazitäts-Spannungsmessungen . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Messungen am Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Probenherstellung 39
4.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Prozessoptimierung am HFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.1 Mesa-Ätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.2 Formierung der ohmschen Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Strukturierung der Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Gadoliniumscandiumoxid 53
5.1 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 MISHEMT mit GdScO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 Aluminium-Titanoxid Mischschichten 65
6.1 Voruntersuchungen am TiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Strukturelle Charakterisierung an AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2.1 Stöchiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2.2 Kristallisationsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3 Bestimmung des Bandalignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.1 UV/Vis Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.3 Bandalignment zum GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 Inhaltsverzeichnis
6.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4.1 CV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4.2 IV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4.3 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5 Zusammenfassung der AlTiOx Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 86
6.6 MISHEMTs mit AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.1 high-k first MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.2 High-k last MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.7 Einordnung der Transistorergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Zusammenfassung 99
Anhang 103
Abkürzungsverzeichnis 111
Symbolverzeichnis 113
Abbildungsverzeichnis 115
Tabellenverzeichnis 121
Literatur 123
Publikationen 141
Danksagung 14
Konzeption einer qualitätsgesicherten Implementierung eines Echtzeitassistenzsystems basierend auf einem terrestrischen Long Range Laserscanner
Get PDFSich verändernde Rahmenbedingungen des Klimawandels haben einen erheblichen Einfluss auf die Gestaltung der Erdoberfläche. Der Sachverhalt ist anhand unterschiedlicher geomorphologischer Veränderungsprozesse zu beobachten, sei es bei gravitativen Naturgefahren (Felsstürze, Hangrutschungen oder Murereignissen), der Gletscherschmelze in Hochgebirgsregionen oder der Änderungen der Küstendynamik an Sandstränden. Derartige Ereignisse werden durch immer stärker ausgeprägte, extreme Wetterbedingungen verursacht. In diesem Zusammenhang sind präventive Maßnahmen und der Schutz der Bevölkerung im Zuge eines Risikomanagements essentiell. Um mit diesen Gefahren sicher umgehen zu können, sind qualitativ hochwertige drei- und vierdimensionale (3D und 4D) Datensätze der Erdoberfläche erforderlich.
Der technische Fortschritt in der Messtechnik und damit verbunden ein Paradigmenwechsel haben die Möglichkeiten in der Erfassung von räumlich als auch zeitlich verdichteten Daten erheblich verbessert. Die Weiterentwicklung von terrestrischen Laserscannern hin zu kommunikationsfähigen, programmierbaren Multisensorsystemen, eine kompakte und robuste Bauweise, hohe Messreichweiten sowie wirtschaftlich attraktive Systeme lassen einen Übergang zu permanentem terrestrischen Laserscanning (PLS) zu. Im Sinne eines adaptiven Monitorings ist PLS für die Integration in echtzeitnahe Assistenz- oder Frühwarnsysteme prädestiniert. Um die Akzeptanz eines solchen Systems zu erreichen sind jedoch transparente, nachvollziehbare Methoden und Prozesse zur Informationsgewinnung und -aufbereitung zu definieren.
Ziel dieser Arbeit ist es, PLS als Methode systematisch aufzuarbeiten. Vier wesentliche Schritte entlang der Prozesskette werden identifiziert: (i) Die Datenerfassung einer einzelnen Epoche, (ii) die Bereitstellung eines redundanten Datenmanagements sowie einer sicheren Datenkommunikation zu zentralen Servern, (iii) die multitemporale Datenanalyse und (iv) die Aufbereitung, das Reporting und die Präsentation der Ergebnisse für Stakeholder.
Basierend auf dieser Prozesskette ergeben sich zwei Untersuchungsschwerpunkte. Zunächst wird die qualitative Beurteilung der erfassten Punktwolken behandelt. Der Fokus liegt dabei einerseits auf dem Einfluss unterschiedlicher Registrierungsmethoden auf die multitemporalen Punktwolken und andererseits auf dem Einfluss der Atmosphäre auf die Messergebnisse. Es wird nachgewiesen, dass eine Nichtberücksichtigung dieser Einflüsse zu signifikanten Abweichungen führt, welche zu Fehlinterpretationen der abgeleiteten Informationen führen kann. Weiterhin wird gezeigt, dass es an datenbasierten Verfahren zur Berücksichtigung dieser Einflüsse fehlt. Als Grundlage für die Untersuchungen dienen umfangreiche Datensätze aus Noordwijk / Niederlande und Vals / Österreich.
Der zweite Schwerpunkt befasst sich mit der Datenanalyse. Die Herausforderung besteht darin, tausende Punktwolken einzelner Messepochen analysieren zu müssen. Bitemporale Methoden sind hier nur eingeschränkt anwendbar. Die vorliegende Arbeit stellt eine zweistufige Methode vor, mit der automatisiert Informationen aus dem umfangreichen Datensatz abgeleitet werden können. Aus der vollumfänglichen 3D-Zeitserie der Szene werden zunächst relevante Merkmale auf Basis von 2D-Rasterbildern durch Clustering extrahiert. Semiautomatisch lassen sich die extrahierten Segmente klassifizieren und so maßgeblichen geomorphologischen Prozessen zuweisen. Dieser Erkenntnisgewinn über den vorliegenden Datensatz wird in einem zweiten Schritt genutzt, um die Szene räumlich zu limitieren und in den Interessensbereichen tiefergehende Analysen durchzuführen. Auf Basis der Methoden «M3C2-EP mit adaptierter Kalman-Filterung» und «4D-Änderungsobjekten» werden zwei Analysetools vorgestellt und auf den Datensatz in Vals angewendet.
Die Überwachung topographischer Oberflächenveränderungen mit PLS wird zunehmen und eine große Menge an Daten erzeugen. Diese Datensätze müssen verarbeitet, analysiert und gespeichert werden. Diese Dissertation trägt zum besseren Verständnis der Methodik bei. Anwender bekommen durch die Systematisierung der Methode ein besseres Verständnis über die beeinflussenden Faktoren entlang der Prozesskette von der Datenerfassung bis hin zur Darstellung relevanter Informationen. Mit dieser Dissertation wird eine Toolbox vorgestellt, die es ermöglicht, multitemporale Punktwolken mit Hilfe von unüberwachtem maschinellem Lernen automatisiert auszuwerten und Informationen dem Nutzer zur Verfügung zu stellen. Dieser Ansatz ist einfach und hat ein hohes Potential für die automatische Analyse in zukünftigen Anwendungen.:Kurzfassung i
Abstract iii
Danksagung v
1. Einleitung 1
2. Deformationsmonitoring mittels terrestrischer Laserscanner: Aktuelle
Methoden, Regulierungen und technische Aspekte 5
2.1. Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Anforderungen an ein integratives Monitoring aus der Sicht eines ganzheitlichen
Risikomanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Aktives Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2. Ganzheitliches Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3. Qualitätsbeurteilung und Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . 12
2.2.4. Relevante Normen, Richtlinien und Merkblätter beim Einsatz
von permanentem Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3. Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4. Permanentes Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5. Parameter einer permanenten Installation eines Long Range Laserscanners 24
2.5.1. Registrierung und Georeferenzierung . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2. Geodätische Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.3. Geodätisches Monitoring mittels terrestrischer Laserscanner . . 36
2.6. Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3. Ziel und abgeleiteter Untersuchungsschwerpunkt dieser Arbeit 41
4. Konzept eines Echtzeitassistenzsystems basierend auf PLS 43
5. Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Messergebnisse von permanent
installierten terrestrischen Long Range Laserscannern 47
5.1. Fallstudie I: Noordwijk / Niederlande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1. Beschreibung der Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.3. Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2. Fallstudie II: Detektion von Corner Cube Prismen und deren Genauigkeit 58
5.2.1. Prismendetektion aus Daten eines TLS . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.2. Genauigkeitsanalyse der Prismendetektion . . . . . . . . . . . . 59
5.3. Fallstudie III: Valsertal (Tirol) / Österreich . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.1. Beschreibung des Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.2. Geodätische Refraktion als Einfluss auf die Messergebnisse eines
PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.3. Einfluss von Registrierungsparametern auf die Messergebnisse eines
PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6. Informationsextraktion aus multitemporalen Punktwolken 95
6.1. Stufe I: Segmentierung räumlich verteilter Zeitreihen auf Basis von 2DBildrastern
als Methode des unüberwachten maschinellen Lernens . . . 96
6.1.1. Extraktion von Zeitreihen aus den Punktwolken . . . . . . . . . 98
6.1.2. Zeitreihensegmentierung mittels k-Means-Algorithmen . . . . . 101
6.1.3. Zeitreihensegmentierung mittels extrahierter Merkmale auf Grundlage
Gaußscher Mischmodelle (GMM) . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2. Stufe II: Zeitreihenanalyse von räumlich hochauflösenden 3D-Daten . . 122
6.2.1. M3C2-EP mit adaptiver Kalman-Filterung . . . . . . . . . . . . 122
6.2.2. 4D-Änderungsobjekte (4D-OBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.3. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7. Fazit und Ausblick 135
A. Ergebnisse der Systemuntersuchung in Unna-Hemmerde (21.03.2022) 141
B. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels k-Means 145
B.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
B.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 148
B.3. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - limitierter Bereich . . . . . . 161
C. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels GMM 164
C.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
C.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 166
Literaturverzeichnis 175
Abbildungsverzeichnis 195
Abkürzungsverzeichnis 199
Tabellenverzeichnis 201
Curriculum Vitae 203Climate change has an important impact on the scale and frequency with which the Earths surface is changing. This can be seen in various geomorphological change processes, such as gravitational natural hazards (rockfalls, landslides or debris flows), glacier melt in high mountain regions or the quantification of coastal dynamics on sandy beaches. Such events are triggered by increasingly prominent and extreme meteorological conditions. In this context, it is essential to implement preventive measures to protect the population as part of a risk management system. To safely manage these hazards, high quality three- and four-dimensional (3D and 4D) data sets of the Earth’s surface are required.
Technological advances in metrology and the associated paradigm shift have significantly improved the ability to collect spatially and temporally distributed data. Progress from terrestrial laser scanners to communication-enabled, programmable multisensor systems, compact and robust design, long range and economically competitive systems allow a transition to a permanent laser scanning (PLS). PLS enables the acquisition of data from a fixed position to a target area kilometers away at high frequency and over a long period of time. In terms of adaptive monitoring, PLS is suitable for integration into near realtime assistance or early warning systems. However, in order to achieve acceptance of these systems, transparent, reproducible methods and processes for extracting information must be defined.
The aim of this thesis is to present a methodological framework for PLS. Four crucial steps along the processing chain are identifiable: (i) collecting single epoch data, (ii) providing redundant data management and secure data communication to central servers, (iii) multi-temporal data analysis and (iv) reporting and presenting results to stakeholders. Two main research topics emerge from this processing chain. First, the qualitative assessment of the acquired point clouds, which focuses on the influence of different registration methods on the multitemporal point clouds and the influence of the atmosphere on the measured data. It is shown that ignoring these influences leads to significant deviations, which in turn can result in a misinterpretation of the derived information. It is also shown that there is still a lack of data-based procedures to account for these influences. The investigations are based on extensive data sets from Noordwijk/Netherlands and Vals/Austria.
The second research topic addreses data analysis. The challenge is to analyse thousands of point clouds per measurement epoch. In this case, bitemporal methods are limited in their applicability. The thesis presents a two-step method to automatically extract information from the large data set. In the first step relevant features are extracted from the full 3D time series of the scene based on 2D raster images by clustering. The extracted segments can then be semi-automatically classified and assigned to relevant geomorphological processes. Based on this knowledge, the scene is, in the second step, spatially delimited. Deeper analyses can then be performed in areas of interest. Using the «M3C2-EP method with adapted Kalman filtering» and «4D objects-by-change», two analysis tools are presented and applied to the dataset in Vals.
The monitoring of topographic surface changes with PLS will increase and generate large amounts of data. These data sets need to be processed, analysed and stored. This thesis contributes to a better understanding of the methodology. Users will gain a deeper understanding of the influencing factors along the processing chain from data acquisition to reporting of relevant information by applying the method in a systematic way. The dissertation presents a toolbox that enables automated evaluation of multitemporal point clouds using unsupervised machine learning and provides relevant information to the user. The approach is straightforward and simple and has a high potential for automated analysis in future applications.:Kurzfassung i
Abstract iii
Danksagung v
1. Einleitung 1
2. Deformationsmonitoring mittels terrestrischer Laserscanner: Aktuelle
Methoden, Regulierungen und technische Aspekte 5
2.1. Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Anforderungen an ein integratives Monitoring aus der Sicht eines ganzheitlichen
Risikomanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Aktives Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2. Ganzheitliches Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3. Qualitätsbeurteilung und Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . 12
2.2.4. Relevante Normen, Richtlinien und Merkblätter beim Einsatz
von permanentem Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3. Terrestrisches Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4. Permanentes Laserscanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5. Parameter einer permanenten Installation eines Long Range Laserscanners 24
2.5.1. Registrierung und Georeferenzierung . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2. Geodätische Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.3. Geodätisches Monitoring mittels terrestrischer Laserscanner . . 36
2.6. Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3. Ziel und abgeleiteter Untersuchungsschwerpunkt dieser Arbeit 41
4. Konzept eines Echtzeitassistenzsystems basierend auf PLS 43
5. Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Messergebnisse von permanent
installierten terrestrischen Long Range Laserscannern 47
5.1. Fallstudie I: Noordwijk / Niederlande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1. Beschreibung der Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.2. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.3. Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2. Fallstudie II: Detektion von Corner Cube Prismen und deren Genauigkeit 58
5.2.1. Prismendetektion aus Daten eines TLS . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.2. Genauigkeitsanalyse der Prismendetektion . . . . . . . . . . . . 59
5.3. Fallstudie III: Valsertal (Tirol) / Österreich . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.1. Beschreibung des Datensatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.2. Geodätische Refraktion als Einfluss auf die Messergebnisse eines
PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.3. Einfluss von Registrierungsparametern auf die Messergebnisse eines
PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6. Informationsextraktion aus multitemporalen Punktwolken 95
6.1. Stufe I: Segmentierung räumlich verteilter Zeitreihen auf Basis von 2DBildrastern
als Methode des unüberwachten maschinellen Lernens . . . 96
6.1.1. Extraktion von Zeitreihen aus den Punktwolken . . . . . . . . . 98
6.1.2. Zeitreihensegmentierung mittels k-Means-Algorithmen . . . . . 101
6.1.3. Zeitreihensegmentierung mittels extrahierter Merkmale auf Grundlage
Gaußscher Mischmodelle (GMM) . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2. Stufe II: Zeitreihenanalyse von räumlich hochauflösenden 3D-Daten . . 122
6.2.1. M3C2-EP mit adaptiver Kalman-Filterung . . . . . . . . . . . . 122
6.2.2. 4D-Änderungsobjekte (4D-OBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.3. Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7. Fazit und Ausblick 135
A. Ergebnisse der Systemuntersuchung in Unna-Hemmerde (21.03.2022) 141
B. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels k-Means 145
B.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
B.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 148
B.3. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - limitierter Bereich . . . . . . 161
C. Ergebnisse der Zeitreihensegmentierung mittels GMM 164
C.1. Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
C.2. Zeitreihen und räumliche Visualisierung - vollständiger Bereich . . . . . 166
Literaturverzeichnis 175
Abbildungsverzeichnis 195
Abkürzungsverzeichnis 199
Tabellenverzeichnis 201
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