Heft 3/2009

Kurzfassung
GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) ist eine Satellitenmission des erdwissenschaftlichen "Living Planet"-Programms der europäischen Weltraumagentur ESA. Ziel dieser Mission ist die Bestimmung eines hochauflösenden Modells des Schwerefeldes der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit. Der Satellit wurde am 17. März 2009 erfolgreich in seine Umlaufbahn gebracht. Informationen über das Erdschwerefeld bilden die Basis für Anwendungen in den Bereichen Geophysik, Ozeanografie, Geodäsie, Eismassen- und Klimaforschung, uvm. Die wissenschaftliche Datenauswertung und Schwerefeldmodellierung wird im Auftrag der ESA von einem Konsortium aus 10 europäischen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen des Projektes "GOCE High-Level Processing Facility (HPF)" durchgeführt. Die TU Graz ist im Rahmen dieses Projekts für die Berechnung von globalen Schwerefeldmodellen aus GOCE-Orbit- und Gradiometriedaten hauptverantwortlich. In dieser Arbeit wird das an der TU Graz installierte Software-System vorgestellt und dessen Aufgaben anhand einer numerischen Fallstudie demonstriert. Weiters wird über den aktuellen Status der GOCE-Mission berichtet.

Abstract
The dedicated satellite gravity mission GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) is the first Earth Explorer Core Mission in the context of ESA’s Living Planet programme. It strives for a high-resolution global model of the Earths static gravity field with unprecedented accuracy. The satellite was successfully launched on March 17, 2009. Gravity field information is applied in many geoscientific disciplines, such as geophysics, oceanography, geodesy, cryospheric and climate research, etc. The scientific data processing and gravity field modelling is performed by a consortium of 10 European universities and research institutes in the frame of the ESA project "GOCE High-Level Processing Facility (HPF)". In this context, Graz University of Technology is responsible for the computation of global gravity field models from GOCE orbit and gradiometry data. In this paper the software system, which has been installed at TU Graz during the development phase of HPF, is presented, and its main tasks are demonstrated on the basis of a numerical case study. Additionally, a brief report on the current status of the GOCE mission is given.

Kurzfassung
Lange Zeit haben die Menschen die Augen vor dem sich anzeichnenden Klimawandel verschlossen. Jetzt sind die Beobachtungsdaten so eindeutig und das Verständnis für die dahinter liegenden Prozesse so weit gediehen, dass auch den errechneten Zukunftsszenarien Vertrauen entgegengebracht werden muss. Hinsichtlich der Abschätzung der Folgen des Klimawandels bleibt noch viel zu tun. Es gibt aber sehr gewichtige Gründe, warum man mit Minderungs- und Anpassungsmaßnahmen nicht mehr zuwarten kann.

Abstract
For a long time people tried to ignore the signs of the evolving climate change. Meanwhile the observations have become so clear and the understanding of the underlying processes has progressed so far that model results for future climate scenarios can – in essence – be trusted. Regarding the assessment of possible impacts and consequences, much remains to be done. But there are good reasons why mitigation and adaptation measures can no longer be postponed.

Kurzfassung
Aufgrund der Vielfalt an potentiellen klinischen Anwendungsgebieten ist die Segmentierung medizinischer, volumetrischer Datensätze ein wichtiges Forschungsgebiet. Um klinische Relevanz und praktische Akzeptanz unter Radiologen und Ärzten zu erreichen, müssen generische, interaktive 3D Segmentierungsalgorithmen einfach zu bedienen und akkurat sein.Weiters ist ständiges und in Echtzeit dargestelltes Feedback für den Benutzer essenziell. In dieser Arbeit präsentieren wir einen neuartigen 3D-Segmentierungsansatz der mithilfe moderner 3D Grafikkarten Benutzerinteraktion, Segmentierung und volumetrische Visualisierung in ein gemeinsames Rahmenwerk integriert. Dies ist ein Beispiel für das Zusammenwirken von Computer Grafik und Computer Vision in einem Gebiet, das auch als Visual Computing bezeichnet wird. Direkte 2D und 3D Interaktion mit großen, volumetrischen Datensätzen wird mit einem Segmentierungsalgorithmus kombiniert, der als konvexes Energieminimierungsproblem definiert ist. Dieses global optimale Segmentierungsresultat und dessen Ausbreitung und Entwicklung während des Minimierungsprozesses wird kontinuierlich über eine hardware-beschleunigte Volume-Rendering-Engine visualisiert. Durch die integrierte Implementierung dieser Komponenten auf der Grafikkarte erhält man ein interaktives Echtzeit 3D Segmentierungssystem, welches Benutzerinteraktion auf das Nötigste reduziert. Die Einsatzfähigkeit des Systems zur Lösung praktischer Segmentierungsaufgaben wird anhand quantitativer und qualitativer Auswertungen gezeigt.

Abstract
Segmentation of medical volume data sets (i.e., partitioning images into a set of disjoint regions representing different semantic objects) is an important research topic due to its large number of potential clinical applications. In order to get accepted by physicians and radiologists a generic, interactive 3D segmentation algorithm has to be simple-to-use, accurate, and show immediate feedback to the user. In this work we present a novel 3D segmentation paradigm that effectively combines interaction, segmentation and volumetric visualization in a single framework integrated on a modern graphics processing unit (GPU). This is an example of the fruitful combination of computer graphics and computer vision, a field nowadays called visual computing. Direct interaction with a large volumetric data set using 2D and 3D painting elements is combined with a segmentation algorithm formulated as a convex energy minimization. This globally optimal segmentation result and its evolution over time is continuously visualized by means of a hardware accelerated volume rendering along with the original data. By implementing all of these components on a GPU, a highly responsive interactive 3D segmentation system requiring minimal user interaction is achieved. We demonstrate quantitative and qualitative results of our novel approach on liver and liver tumor segmentation data where a manual ground truth is available.

Kurzfassung
Der neue Gotthard-Basistunnel als Teil des AlpTransit-Projektes ist mit 57 km der derzeitig längste Eisenbahntunnel, der sich im Bau befindet. Die Fertigstellung ist für 2017 geplant. Dieses Bauwerk hat damit Vorbild- und Pionierfunktion für weitere alpenquerende Tunnel, die zurzeit in Planung sind. Die technischen Herausforderungen bestanden dabei nicht nur in Bauverfahren unter speziell schwierigen geologischen Bedingungen, sondern auch in der Lösung der ingenieurgeodätischen Vermessungsaufgaben. Toleranzen im Dezimeterbereich, die Risiken und Baukosten reduzieren sollen, erforderten ebenso neue Wege in der geodätischen Messtechnik. Insbesondere die hochgenaue Richtungsübertragung in dem 800 m tiefen Vertikalschacht von Sedrun stellte eine spezielle messtechnische Herausforderung dar, da vom Schachtfuss aus der Tunnel nach beiden Seiten mehrere Kilometer vorgetrieben wird. Da sich im Bereich des Tunnels mehrere Staumauern befinden, wurden grossräumige Überwachungskonzepte realisiert, die auch auf andere Tunnelprojekte übertragen werden können.

Abstract
At the moment the new 57 km Gotthard base-tunnel is the longest railway tunnel of the world, which is under construction. It represents the kernel of the AlpTransit project which will be completed in 2017, approximately. This projects acts as template and pioneer for future alp-crossings. The challenges result not only in construction technologies under risky geological conditions but also in finding solutions for high precision geodetic tasks. Decimeter tolerances at 57 km which had to reduce risks and costs asked for new approaches in geodetic metrology. Especially the high precision direction transfer in a 800 m vertical shaft of the intermediate attack at Sedrun required sophisticated technologies, as this direction transfer gives the direction to both sides at the bottom of the shaft. As there are three concrete dams located above the tunnel large area monitoring concepts had to be established which can conceptually be transferred to other tunneling projects in alpine regions.

Kurzfassung
Reflektorlose Distanzmessung, Radartechnik und digitale Bilderfassung bereiten neue Möglichkeiten der Deformationsmessung natürlicher Zielobjekte. Im Fokus stehen aktuelle Entwicklungen für die Bestimmung von Ortsbrustdeformationen in der NÖT mit terrestrischem Laserscanning, Rutschhangüberwachung mit GB-SAR oder bildgebenden Tachymetern sowie Rissortung und -dokumentation mittels Digitalkameras.

Abstract
Prismless EDM, radar ranging and digital image capture create new possibilities for deformation measurement of natural objects. The investigation focusses on recent developments concerning determination of tunnel face deformations by terrestrial laserscanning for the NATM, on landslide monitoring by GB-SAR or by image assisted total stations as well as on crack locating and documentation by digital cameras.

Kurzfassung
Wegen ihrer herausragenden Eigenschaften werden faseroptische Sensoren (FOS) immer häufiger für Messaufgaben, so auch in der Baumesstechnik, eingesetzt. In erster Linie werden Längenänderungen, die oft noch wegen der temperaturinduzierten Effekte korrigiert werden müssen, gemessen. Zuerst wird die Lichtausbreitung in einer optischen Faser betrachtet. Anschließend daran werden ganz kurz die physikalischen Grundlagen der wichtigsten faseroptischen Messmethoden für Längenänderungen zusammengefasst. Es werden zwei unterschiedliche Realisierungen der Niedrig-Kohärenz Interferometer im Detail für das Monitoring eines Bauwerks und eines Rutschhanges vorgestellt. Die Kombination vom ingenieurgeodätischen Monitoring mit den eingebetteten FOS Messungen könnte einen Paradigmenwechsel für die Ingenieurgeodäsie bedeuten.

Abstract
Fiber optical sensor technology: A topic for engineering geodesy? The unique features of fiber optical sensors (FOS) make them useful for many measurement tasks including those in civil engineering. Here distance changes are measured which often need to be corrected for temperature induced effects. This paper starts with the light propagation in an optical fiber, leading to a brief review of the most important FOS methods for the measurement of length changes. Two different realisations of low-coherence interferometers are presented for the monitoring of a civil engineering structure and a landslide. The combination of continuous measurements using embedded FOS with monitoring data from geodetic measurements could mean a fundamental change of paradigm in engineering geodesy.

Kurzfassung
Im Juni 2007 wurde die erste deutsche Raumfahrtmission TerraSAR-X gestartet. Dieser SAR-Sensor kann im Spotlight-Aufnahmemodus hochauflösende Bilddaten mit einer Bodenauflösung von 1 Meter aufnehmen, wobei die Aufnahme unter verschiedenen Aufnahmewinkeln erfolgen kann. Diese Umstände eröffnen neue Perspektiven zur Prozessierung von SAR-Stereo-Bildpaaren und versprechen in diesem Zusammenhang ein hohes Genauigkeitspotential. Im aktuellen Beitrag wird dieses Potential für ausgewählte Testgebiete und Fallbeispiele näher durchleuchtet. Die verwendeten Methoden zur Generierung von Oberflächenmodellen werden aufgezeigt und beispielhaft auf TerraSAR-X Stereodaten angewandt. Die erzielten Ergebnisse und erstellten Produkte werden durch Vergleich mit verfügbaren Referenzdaten validiert.

Abstract
In June 2007 the first German space mission TerraSAR-X was launched. In the Spotlight mode, this SAR sensor can acquire high-resolution image data at a pixel resolution of about 1 meter, moreover operating at different off-nadir viewing angles. These characteristics open new perspectives for SAR stereo data processing, proposing a high accuracy potential in this context. In this paper this potential is analyzed for selected test sites and test cases. The methods being used to generate surface models are presented and applied to TerraSAR-X stereo data sets. The achieved results as well as generated products are validated by comparison to available reference data.

Kurzfassung
UltraCamXp und UltraCamLp sind die neuen digitalen Luftbildkameras von Vexcel Imaging GmbH (ein Unternehmen im Eigentum von Microsoft Corp.) und wurden am XXI Kongress der Internationalen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung 2008 in Beijing vorgestellt. Die beiden Kameras unterscheiden sich durch das Bildformat – UltraCamXp ist mit 196 MegaPixel die derzeit größte digitale Kamera, UltraCamLp wird mit 92 MegaPixel etwa das halbe Format aufweisen (derzeit noch mit 64 Megapixel in Produktion) - haben aber beide eine geometrische Qualität und radiometrische Kapazität für alle photogrammetrischen Anwendungen. Für UltraCamXp ist zusätzlich eine Weitwinkeloption vorgesehen. Damit wird die Aufnahme von kleinmaßstäbigen Projekten aus komfortablen Flughöhen gewährleistet und die UltraCam Serie abgerundet.

Abstract
UltraCamXp and UltraCamLp are digital aerial camera products offered by Vexcel Imaging GmbH – a Microsoft Company since May 2006. The introduction into the market was executed during the XXI Conference of the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing in Beijing, 2008. The cameras show different image formats – UltraCamXp is currently the largest digital aerial camera with 196 MegaPixel and UltraCamLp will have 92 Megapixels (today a 64 MegaPixel version is in operation). Both cameras show geometric and radiometric performance to support any kind of photogrammetric application. In addition to the existing UltraCamXp a wide angle option is in preparation, which will serve for small scale data acquisition from a comfortable flying height.

Kurzfassung
Das Exabyte-3D Weltmodell im Internet steht zur Diskussion. Die globale Kommunikation entwickelt zunehmend Anwendungen mit einem Ortsbezug, etwa beim Ersatz der Telefon- und Gelben-Seiten-Bücher durch die Geschäfts-und Adressen-Suche im Internet, bei der Navigation im Fahrzeug und mittels Smart Phones, im e-Commerce, zum Beispiel beim Handel mit Liegenschaften oder bei der Urlaubsplanung und bei Hotelbuchungen. Dazu bieten einige globale Anbieter von Internet-Suchmaschinen 2- und 3-dimensionale Modelle der Erde, die in einzelnen urbanen Räumen Einzelheiten bis in den Zentimeter-Bereich auflösen. Hoheitliche, aber lokale 3D-Regionenmodelle entstehen als Erweiterung des GIS für eine breite Verwendung in der Planung, Verwaltung, Bürgerbeteiligung und in technischen Projekten in städtischen Räumen. Der Aufbau solcher 3D-Modelle erfolgt mittels Satelliten- und Luftbildern, Laser-Abtastungen, Sensordaten aus fahrenden Autos oder aus manuell gewonnenen Standbildern, und auch Innenräume werden mit geeigneten Sensoren erfasst. Im Vollausbau werden diese Systeme vielleicht 1 Exabyte an Daten verwalten und laufendhalten müssen. Wir bewerten die Datenerfassungsmethoden und automatischen Verfahren des Modellaufbaus mit Genauigkeiten im Sub-Pixelbereich. Wir projizieren den Status-Quo in eine Zukunft mit interpretierten Objekten, aus welchen die interaktiven Darstellungen visualisiert werden. Und wir präsentieren einige Anwendungsbeispiele.

Abstract
At issue is the Exabyte 3D World Model in the Internet. Global communication is increasingly developing applications with location-references. Examples are the search for addresses and businesses on the Internet, navigation in cars and on smart phones, e-commerce, for example in real estate, travel planning and searches for hotels. Some global Internet providers have begun to provide 2- and 3-dimensional models of the Earth at geometric resolutions in some urban spaces in the range of 2 centimeter. Governmental local systems have started to be built in the form of a 3D GIS for a broad range of applications in planning, administration, citizens’ participation and for technical projects. Creation of these models can be based on space and aerial imagery, laser scanning, sensors in street vehicles or hand carried, to include even interior spaces. Once fully available, one will have to deal with perhaps 1 Exabyte of data, first to initialize the system, then to keep it current. We will review automated procedures to create the models at accuracies in the sub-pixel range. We project for the future an increasing need to build interpretations of the elements of, and objects in urban areas so that interactive visualizations will be computer generated rather than simply presentations of colored point clouds or polygonal facets. We also will speculate on some of the interesting applications of such a World model.

Kurzfassung
Die Gletscher im Wandel der Zeit – Gletschermonitoring am Beispiel der Pasterze: Das zentrale Thema dieses Beitrags ist die räumliche und zeitliche Veränderung der Gletscher unter veränderten Klimabedingungen. Zu diesem Zweck wird ein kurzer Überblick über glaziologische Grundbegriffe gegeben. Anschließend wird die Verteilung und Veränderung der Vergletscherung aus globaler Sicht unter besonderer Berücksichtigung der Situation seit dem Pleistozän diskutiert. Anhand der Pasterze, dem größten Gletscher Österreichs, wird der kontinuierliche Gletscherrückgang seit dem Jahre 1850 dokumentiert. Der Gletscherrückgang wird sowohl mit traditionellen als auch mit modernen (unter spezieller Berücksichtigung der Fernerkundung) Methoden durchgeführt. Ein Vergleich der verwendeten Beobachtungsmethoden zeigt, dass die besten Ergebnisse bei einer Kombination traditioneller mit modernen Methoden erzielt werden.

Abstract
Glaciers in the change of time – glacier monitoring by the example of Pasterze: The leading topic of this paper is the spatio-temporal reaction of glaciers to the changing climatic conditions. For this purpose a short overview of basic terms of glaciology is given first. Then the glacial phenomenon is discussed on a global perspective with special regard to the Pleistocene and the development since then. Pasterze glacier is used as an example of pronounced shrinking of a glacier since 1850. The glacier retreat is monitored by traditional as well as modern methods (with special focus on Remote Sensing) which are compared in the last chapter. The results show that the best way of monitoring the behavior of glaciers is to use a set of different methods.