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M. Milenkovic:
"Description of Natural Surfaces by Laser Scanning";
Supervisor, Reviewer: N. Pfeifer, H. Maas, B. Höfle; Department für Geodäsie und Geoinformation, 2018; oral examination: 2018-02-26.

Laser scanning (also LiDAR - light detection and ranging) provides accurate and high-resolution geometric and radiometric measurements of natural surfaces at different spatial scales, which is relevant for many environmental and physical models. However, high-resolution laser scanning data are often not fully explored or are not used at all for surface description in such models. The aim of this research is to revisit current methods and to introduce new methods for the description of natural surfaces by exploring the full potential of novel high-resolution laser scanning data. The work comprises (a) natural surfaces such as soil, gravel, and vegetation; (b) a range of different laser scanning techniques, such as TLS (terrestrial laser scanning), ULS (unmanned aerial vehicle laser scanning), ALS (airborne laser scanning); and (c) ranging methods such as time-of-flight ranging, phase-shift ranging, and active and passive triangulation. The work is focused on three land-surface parametrisations such as surface roughness, a 3D model of a conifer shoot, and canopy transmittance, which are selected as representatives of geometricstochastic, geometric-deterministic, and geometric-radiometric surface descriptions, respectively. As those parametrisations have also been the subject of several research projects, particular objectives are set and analysed in six separate studies. The research contributed by introducing new methods and by improving current methods for those parametrisations from contemporary high-resolution laser scanning data. Surface roughness is mainly analysed in the frequency domain by means of the roughness spectrum. A new method is introduced that optimizes the interpolation parameters so that a DTM (digital terrain model), derived from a laser scanning point cloud, has a unique stochastic property (the fractal dimension is maximized at high frequencies), which is important for an unbiased surface roughness assessment. Furthermore, multi-scale laser scanning point clouds are analysed to determine spatial scales over which corresponding roughness spectra can be used interchangeably. The 3D modelling of a conifer shoot is (to the authorīs best knowledge) modelled on the basis of point clouds up to individual needles for the first time. The modelling is based on a semiautomatic method developed here for micro-scale triangulating laser scanning data. Then, a new method is introduced to estimate canopy transmittance from small-footprint ALS waveform data, where assumptions on vegetation-ground scattering properties are not required. To enable upscaling of the canopy transmittance information to the space-borne LiDAR footprint scale, a waveform stacking method is developed in an additional study. The stacking method and the simulated space-borne LiDAR waveforms are then used, along with field measurements of forest inventory, to estimate aboveground biomass. The information and methods about surface roughness, 3D shoot geometry, and canopy transmittance that are derived here provide a basis for a better understanding and description of natural surfaces in environmental and physical models.

Laserscanning stellt genaue, hoch aufgelöste geometrische und radiometrische Messungen von Oberflächen der natürlichen Umgebung auf verschiedenen räumlichen Skalen zur Verfügung. Diese werden für viele physikalische und andere Modelle, die die Umwelt beschreiben, benötigt. Ungeachtet dessen werden hoch-auflösende Laserscanning-Daten oft nur teilweise oder gar nicht für die Beschreibung der Oberflächen in diesen Modellen genutzt. Ziel der vorliegenden Forschung ist es, aktuelle Methoden zur Beschreibung natürlicher Oberflächen aufzugreifen und neue Methoden vorzuschlagen, sodass das volle Potential neuer hoch-auflösender Laserscanning-Daten ausgenutzt wird. Die Arbeit umfasst (a) beispielhaft die natürlichen Oberflächen(-Bedeckungen) Erde, Schotter und Vegetation, (b) eine Auswahl verschiedener Laserscanning-Techniken, nämlich TLS, ULS, und ALS, also terrestrisches, UAV-getragenes und luftgestütztes Laserscanning (wobei UAV für engl. unmanned airborne vehicle, zu dt. unbemanntes Luftfahrzeug, steht) und (c) die Entfernungsmessmethoden Pulslaufzeit, Phasenvergleichsverfahren, und aktive und passive Triangulation. Die Arbeit fokussiert auf drei Parametrisierungen der Landfläche, nämlich (Oberflächen-)Rauigkeit, das 3D-Modell eines Nadelbaum-Triebes und die Kronendurchdringung. Diese Parametrisierungen wurden als Repräsentanten von geometrisch-stochastischen, geometrisch-deterministischen und geometrisch-radiometrischen Oberflächenbeschreibungen ausgewählt. Da diese Parametrisierungen auch Untersuchungsgegenstand in unterschiedlichen Forschungsprojekten waren, werden in sechs verschiedenen Studien spezifische Ziele gesetzt und entsprechende Analysen durchgeführt. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit umfasst neue Methoden zur Ableitung dieser Parametrisierung aus aktuellen hoch-auflösenden Laserscanning-Daten beziehungsweise die Verbesserung bestehender Methoden. Die Rauigkeit der Oberfläche wird hauptsächlich im Frequenzbereich des Spektrums der Rauheit analysiert. Es wird eine neue Methode zur Interpolation von Geländemodellen aus Laserscanning-Punktwolken vorgestellt, die eine besondere stochastische Eigenschaft hat, nämlich dass die fraktale Dimension für die hohen Frequenzen maximiert wird. Dies ist für eine unverzerrte Bestimmung der Oberflächenrauigkeit wichtig. Zusätzlich werden Laserscanning-Punktwolken, die auf unterschiedlichen räumlichen Skalen gewonnen wurden, verglichen, um zu bestimmen, auf welchen räumlichen Skalen die entsprechenden Rauigkeitsspektren untereinander auswechselbar sind. Das 3D-Modell eines Nadelbaum-Triebes wird, nach bestem Wissen und Gewissen des Autors, zum ersten Mal auf Basis von Punktwolken bis zu den einzelnen Nadeln hin modelliert. Die Modellierung basiert auf einer semi-automatischen Methode, die hier für die Daten eines triangulierenden Laserscanners entwickelt wurde. Schließlich wird eine neue Methode zur Schätzung der Kronendurchdringung vorgeschlagen, die auf ALS-Daten mit kleinem Abtastfleck und Aufzeichnung der vollen Wellenform beruht. Es müssen keine Annahmen über das Verhältnis der Streuung durch Boden und Vegetation getroffen werden. Um die Information über Kronendurchdringung auf den Maßstab der Abtastflecken von Weltraum-gestütztem LiDAR (Light Detection And Raning) zu übertragen, wurde in einer weiteren Studie eine Methode für die Aufstapelung von Wellenformen entwickelt. Die Methode des Stapelns und simulierte, Weltraum-gestützte LiDAR-Wellenformen wurden dann gemeinsam mit Feldmessungen einer Forstinventur genutzt, um oberirdische Biomasse abzuschätzen. Die Information und die Methoden zur Oberflächenrauigkeit, zur Geometrie des Nadelbaum-Triebes und zur Kronendurchdringung, die hier abgeleitet wurden, führen zu einem besseren Verständnis der Beschreibung natürlicher Oberflächen, in physikalischen und empirischen Modellen, die unsere Umwelt beschreiben.