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A. Puttonen:
"Automating analysis and processing of high resolution point clouds for the investigation of a paleontological oyster reef";
Supervisor, Reviewer: N. Pfeifer, M. Harzhauser, P. Grussenmeyer; Department für Geodäsie und Geoinformation, 2019; oral examination: 2019-06-07.

A wide range of sensors have been developed for the acquisition of point clouds to describe the three-dimensional (3D) structure of objects. Among them, terrestrial laser scanning (TLS) is the most convenient acquisition technique for the close range and millimeter scale point cloud acquisition. High-resolution point clouds have become a powerful data to create digital, millimeter scale surfaces, and detailed 3D models. Thus, the point clouds are being applied in various disciplines. These include natural heritage, and monitoring and mapping of geological paleontological sites. Point clouds have an advantage over images in digital documentation of the current status of fossils for digital archiving and geometry extraction as they capture their three-dimensional structure. Image data alone have limitations in cases where multiple fossils overlap each other, the objects have self-similarity, or the scene has protruding objects. Thus, the complex surrounding on the oyster reef and the self-similarity of the object rendered an automatic bundle block adjustment of the reef infeasible. A fossilized oyster reef is a good example of a densely packed environment, where making geometry estimations of curved objects becomes a complex and challenging task. This thesis presents how the point cloud processing techniques are applied on the world's largest fossilized oyster reef located in Stetten, Lower Austria. This densely packed shell bed formed about 16.5 million years ago in a tropical estuary. The original Magallana gryphoides oysters died exactly where they lived in their original environment, but they are not found consisting of both valves as it was in their original life structure. Instead, their single valves were scattered on a densely packed reef on the area of 459 m2. The paleontological site was excavated during field campaigns of the Natural History Museum Vienna between 2005 and 2008. In 2014, a laser scanning and photogrammetric campaign was organized at the reef with the goal to digitize its contents. The large and complex site was digitally documented using a remotely controlled high-speed FARO Focus3D laser scanner and a Canon 60D camera with a Canon EF 20 mm f 2.8 lens. The 3D point clouds and high-resolution images from this field campaign were processed with photogrammetric methods into a digital surface model (DSM, 1 mm resolution) and an orthophoto of 0.5 mm resolution to support the paleontological interpretation of the site. While the literature about the Early Miocene estuary is extensive, the knowledge about the fossil composition, taphonomy, size or orientation on the sites are limited. Thus, there exists an interest to test and try new techniques to document rare fossil objects to investigate such sites in effective, automatic and objective manner. Use of digital 3D point clouds provide a viable option for this and the interest towards them increased after the first published scientific contribution. Consequently, the research carried out in this thesis is of particular interest, because it aims to answer research questions which have aroused between studies of Photogrammetry and Geology. To answer these questions, the thesis proposes new methods that include developing a strategy for capturing irregular surfaces by high-resolution point clouds to detect outlines of shells, a method to count and detect the number of shells in the reef, and methods to estimate shell 3D length, to derive shell orientation, to estimate shell volumes, and to visualize and design thematic maps to improve interpretation work. The thesis also makes use of Geographic Information System (GIS) in reference data collection, and evaluation of the reliability of the automated processing results. The thesis presents the results of research that were evaluated in six original research and conference articles. All articles were subjected to a peer-review process and published in journals related to Earth Science topics, in an International Society of Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS) and AGILE GIS conference. Contributions I and II investigate research questions related to shell taphonomy, the estimation of shell number in the reef, and if the shell bed is formatted by a storm or a tsunami. Individual shell volume estimations were also considered as well as possible patterns in the distribution and composition of shells among two datasets on the reef, i.e. transects NS and WE. Contribution III describes the settings of data acquisition, data management and coordinate systems to digitize a large fossilized oyster reef. The study demonstrates the potential of high resolution 3D data and photographs by documenting an approach that outlines individual shells in a complex environment which is a crucial task to enumerate the shells in a paleontological site. Contribution IV examines the automatic determination of 3D orientations of fossilized oyster shells in a Cartesian coordinate system where they were represented as elongated objects whose rotation angles (roll, pitch, and yaw) were determined for an Earth Science application. The goal of the examination was to find out if the locations of strongly tilted oyster shells had a statistically significant correlation with the nearby fault lines present in the reef. The article V technically examines how to determine the 3D length of shells and demonstrates a method to automatically extract a 3D central line from various shapes of fossilized oyster shells. Certain central line properties have direct relationship with the encrustation estimates. The article VI presents the first GIS database as an interface of a digital oyster reef and managing tool for a protected natural heritage site. The thesis contributions demonstrate that the terrestrial laser scanning point clouds are effective and convenient data sources to create millimeter scale models of paleontological sites. TLS provides accurate measurements of complex geometry objects such as fossilized oyster shells. The thesis focuses on investigating the ability and performance of laser scanning data in different modelling related tasks that include identification of fossil outlines, and determination of their size, orientation, volume, and other physical parameters which are required to make accurate paleontological interpretations. Thus, the thesis investigates photogrammetric methods that cover these requirements and provide results that can be readily visualized to support paleontological interpretations. The results considering the all evaluations ae also described. As an example of the developed methods, the thesis work contributed in preparation and publication of a comprehensive paleontological 3D dataset. The dataset documents the oyster reef with millimeter-resolution point clouds, digital surface models and orthophotos. The dataset provides an extensive testing ground for further method development in photogrammetry and computer vision communities, and it should help paleontologists in planning new data acquisition campaigns to make more accurate interpretations.

Für die Erfassung von Punktwolken wurde eine breite Palette von Sensoren zur Aufnahme der dreidimensionalen (3D) Struktur von Objekten entwickelt. Darunter ist das Terrestrische Laserscanning (TLS) eine komfortable Akquisitionsmethode für die 3D-Datenerfassung im Nahbereich. Die so erfassten Punktwolken etablierten sich als zuverlässige Grundlage für die Erstellung von digitalen, hochauflösenden und detaillierten 3D-Modellen. So werden die Punktwolken in verschiedenen Disziplinen angewendet. Dazu gehören das Naturerbe sowie die Überwachung und Kartierung geologischer paläontologischer Stätten. Punktwolken haben einen Vorteil gegenüber Bildern in der digitalen Dokumentation des aktuellen Zustands von Fossilien für die digitale Archivierung und Geometrieextraktion, da sie ihre dreidimensionale Struktur erfassen. Bilddaten haben in Fällen, in denen mehrere Fossilien einander überlappen, die Objekte Selbstähnlichkeit haben oder die Szene vorstehende Objekte aufweist, Beschränkungen. Der Komplex, der sich auf dem Austernriff befindet, und die Selbstähnlichkeit des Objekts machten eine automatische Bündelblockanpassung des Riffs unmöglich. Ein versteinertes Austernriff ist ein gutes Beispiel für eine dicht gepackte Umgebung, in der Geometrieschätzungen gekrümmter Objekte zu einer komplexen und anspruchsvollen Aufgabe werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Techniken der Punktwolkenverarbeitung auf dem größten fossilen Austernriff der Welt in Stetten, Niederösterreich, angewendet werden. Dieses dicht gepackte Muschelbett wurde vor etwa 16,5 Millionen Jahren in einer tropischen Flussmündung geformt. Die ursprünglichen Austern vom Typ Magallana gryphoides starben genau dort, wo sie in ihrer ursprünglichen Umgebung lebten, aber sie wurden nicht so gefunden, wie sie in ihrer ursprünglichen Form waren. Stattdessen waren ihre einzelnen Schalen auf der freigelegten Fläche des dicht gepackten Riffs (rund 459 m2) verstreut. Die paläontologische Stätte wurde zwischen 2005 und 2008 im Zuge von Messkampagnen des Naturhistorischen Museums Wien ausgegraben. Im Jahr 2014 wurde am Riff eine Laserscanningund Photogrammetriekampagne mit dem Ziel durchgeführt, dessen Inhalt zu digitalisieren. Die große und komplexe Anlage wurde mit einem ferngesteuerten High-Speed FARO Focus3D Laserscanner und einer Canon 60D Kamera mit einem Canon EF 20 mm f2.8 Objektiv digital dokumentiert. Die 3D-Punktwolken und hochauflösenden Bilder aus dieser Messkampagne wurden mit photogrammetrischen Methoden zu einem digitalen Oberflächenmodell (DSM, 1 mm Auflösung) und einem Orthophoto von 0,5 mm Auflösung verarbeitet, um die paläontologische Interpretation des Ortes zu unterstützen. Während die Literatur über die frühe Miozän-Mündung umfangreich ist, ist das Wissen über die fossile Zusammensetzung (Taphonomie), Größe oder Orientierung an den Standorten begrenzt. Daher besteht Interesse daran, neue Techniken zu testen und zu erproben, um seltene fossile Objekte zu dokumentieren und um solche Stellen auf effektive, automatische und objektive Weise zu untersuchen. Die Verwendung von digitalen 3D-Punktwolken bietet hierfür eine praktikable Option und das Interesse daran nahm nach den ersten veröffentlichten wissenschaftlichen Beiträgen zu. Daher ist die in dieser Arbeit durchgeführte Forschung von besonderem Interesse, da sie Forschungsfragen beantworten soll, die zwischen Studien der Photogrammetrie und Geologie entstanden sind. Um diese Fragen zu beantworten, schlägt diese Dissertation neue Methoden vor, darunter die Entwicklung einer Strategie zur Erfassung unregelmäßiger Oberflächen durch hochauflösende Punktwolken, um Umrisse von Muscheln zu erkennen, eine Methode zum Zählen und Erkennen der Anzahl von Muscheln im Riff und Methoden zur Schätzung der 3D-Länge der Schalen, um die Schalenorientierung abzuleiten, Schalenvolumina zu schätzen und thematische Karten zu visualisieren und zu entwerfen, um die Interpretationsarbeit zu verbessern. In der Arbeit wird auch ein Geographisches Informationssystem (GIS) zur Referenzdatenerfassung und die Bewertung der Zuverlässigkeit der automatisierten Verarbeitungsergebnisse genutzt. Die Arbeit präsentiert die Forschungsergebnisse, die in sechs eigenständigen Forschungsund Konferenzartikeln ausgewertet wurden. Alle Artikel wurden einem Peer-Review-Prozess unterzogen und in Fachzeitschriften zu Themen der Erdwissenschaften sowie auf einer Konferenz der International Society of Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS) veröffentlicht. In den Beiträgen I und II werden Forschungsfragen bezüglich der Schalen-Taphonomie, der Schalenzahl im Riff und der Formierung des Muschelbetts durch einen Sturm oder Tsunami untersucht. Einzelne Schalenvolumenschätzungen wurden ebenso berücksichtigt wie mögliche Muster in der Verteilung und Zusammensetzung von Schalen zwischen zwei Datensatztransekten am Riff (N-S, W-E). Beitrag III beschreibt die Einstellungen von Datenerfassung, Datenmanagement und Koordinatensystemen zur Digitalisierung eines großen versteinerten Austernriffs. Die Studie demonstriert das Potenzial hochauflösender 3D-Daten und -Fotografien, indem sie einen Ansatz dokumentiert, der einzelne Schalen in einer komplexen Umgebung erfasst. Dies ist eine entscheidende Aufgabe, um die Schalen an einer paläontologischen Stelle zu zählen. Beitrag IV untersucht die automatische Bestimmung von 3D-Orientierungen von versteinerten Austernschalen in einem kartesischen Koordinatensystem, wo sie als langgestreckte Objekte dargestellt wurden, deren Rotationswinkel (Roll, Pitch, und Yaw) für eine geowissenschaftliche Anwendung bestimmt wurden. Das Ziel der Untersuchung war herauszufinden, ob die Standorte von stark geneigten Austernschalen eine statistisch signifikante Korrelation mit den nahe gelegenen Verwerfungslinien im Riff aufweisen. Der Artikel V untersucht technisch, wie man die 3D-Länge von Muscheln bestimmen kann und demonstriert eine Methode, um automatisch eine 3D-Mittellinie aus verschiedenen Formen fossiler Austernschalen zu extrahieren. Bestimmte zentrale Linieneigenschaften stehen in direktem Zusammenhang mit den Inkrustationsschätzungen. Der Artikel VI präsentiert die erste GIS - Datenbank als Schnittstelle eines digitalen Austernriffs und eines Verwaltungswerkzeug für ein geschütztes Naturerbe. Die Beiträge der Dissertation zeigen, dass die terrestrischen Laser-Scanning-Punktwolken effektive und bequeme Datenquellen sind, um millimetergroße Modelle paläontologischer Standorte zu erstellen. TLS bietet genaue Messungen von Objekten mit komplexer Geometrie, wie versteinerten Austernschalen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Möglichkeiten von Laserscanning-Daten in verschiedenen Modellierungsaufgaben, einschließlich der Identifizierung von fossilen Umrissen und der Bestimmung ihrer Größe, Orientierung, Volumen und anderer physikalischer Parameter, die für genaue paläontologische Interpretationen benötigt werden. Diese Arbeit untersucht dazu photogrammetrische Methoden, die diese Anforderungen erfüllen und Ergebnisse liefern, die zur Unterstützung paläontologischer Interpretationen leicht visualisiert werden können. Die Ergebnisse unter Berücksichtigung aller Bewertungen werden ebenfalls beschrieben. Als ein Beispiel für die entwickelten Methoden hat die Arbeit zur Vorbereitung und Veröffentlichung eines umfassenden paläontologischen 3D-Datensatzes beigetragen. Der Datensatz dokumentiert das Austernriff mit Millimeterpunktwolken, digitalen Oberflächenmodellen und Orthophotos. Der Datensatz bietet ein umfangreiches Testfeld für die weitere Methodenentwicklung in den Bereichen Photogrammetrie und Computer Vision und soll Paläontologen helfen, neue Datenerfassungskampagnen zu planen, um genauere Interpretationen zu ermöglichen.

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