TY - JOUR A1 - Ellsäßer, Florian A1 - Röll, Alexander A1 - Ahongshangbam, Joyson A1 - Waite, Pierre-André A1 - Hendrayanto, A1 - Schuldt, Bernhard A1 - Hölscher, Dirk T1 - Predicting tree sap flux and stomatal conductance from drone-recorded surface temperatures in a mixed agroforestry system — a machine learning approach JF - Remote Sensing N2 - Plant transpiration is a key element in the hydrological cycle. Widely used methods for its assessment comprise sap flux techniques for whole-plant transpiration and porometry for leaf stomatal conductance. Recently emerging approaches based on surface temperatures and a wide range of machine learning techniques offer new possibilities to quantify transpiration. The focus of this study was to predict sap flux and leaf stomatal conductance based on drone-recorded and meteorological data and compare these predictions with in-situ measured transpiration. To build the prediction models, we applied classical statistical approaches and machine learning algorithms. The field work was conducted in an oil palm agroforest in lowland Sumatra. Random forest predictions yielded the highest congruence with measured sap flux (r\(^2\) = 0.87 for trees and r\(^2\) = 0.58 for palms) and confidence intervals for intercept and slope of a Passing-Bablok regression suggest interchangeability of the methods. Differences in model performance are indicated when predicting different tree species. Predictions for stomatal conductance were less congruent for all prediction methods, likely due to spatial and temporal offsets of the measurements. Overall, the applied drone and modelling scheme predicts whole-plant transpiration with high accuracy. We conclude that there is large potential in machine learning approaches for ecological applications such as predicting transpiration. KW - transpiration KW - method comparison KW - UAV KW - oil palm KW - multiple linear regression KW - support vector machine KW - random forest KW - artificial neural network Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-220059 SN - 2072-4292 VL - 12 IS - 24 ER - TY - THES A1 - Gageik, Nils T1 - Autonome Quadrokopter zur Innenraumerkundung : AQopterI8, Forschung und Entwicklung T1 - Autonomous Quadrocopter for Indoor Exploration, AQopterI8, Research and Development N2 - Diese Forschungsarbeit beschreibt alle Aspekte der Entwicklung eines neuartigen, autonomen Quadrokopters, genannt AQopterI8, zur Innenraumerkundung. Dank seiner einzigartigen modularen Komposition von Soft- und Hardware ist der AQopterI8 in der Lage auch unter widrigen Umweltbedingungen autonom zu agieren und unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Die Arbeit behandelt sowohl theoretische Fragestellungen unter dem Schwerpunkt der einfachen Realisierbarkeit als auch Aspekte der praktischen Umsetzung, womit sie Themen aus den Gebieten Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Elektrotechnik, Modellbau, Robotik und Informatik behandelt. Kernaspekt der Arbeit sind Lösungen zur Autonomie, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung. Das System verwendet IMUs (Inertial Measurement Unit, inertiale Messeinheit) zur Orientierungsbestimmung und Lageregelung und kann unterschiedliche Sensormodelle automatisch detektieren. Ultraschall-, Infrarot- und Luftdrucksensoren in Kombination mit der IMU werden zur Höhenbestimmung und Höhenregelung eingesetzt. Darüber hinaus werden bildgebende Sensoren (Videokamera, PMD), ein Laser-Scanner sowie Ultraschall- und Infrarotsensoren zur Hindernis-erkennung und Kollisionsvermeidung (Abstandsregelung) verwendet. Mit Hilfe optischer Sensoren kann der Quadrokopter basierend auf Prinzipien der Bildverarbeitung Objekte erkennen sowie seine Position im Raum bestimmen. Die genannten Subsysteme im Zusammenspiel erlauben es dem AQopterI8 ein Objekt in einem unbekannten Raum autonom, d.h. völlig ohne jedes externe Hilfsmittel, zu suchen und dessen Position auf einer Karte anzugeben. Das System kann Kollisionen mit Wänden vermeiden und Personen autonom ausweichen. Dabei verwendet der AQopterI8 Hardware, die deutlich günstiger und Dank der Redundanz gleichzeitig erheblich verlässlicher ist als vergleichbare Mono-Sensor-Systeme (z.B. Kamera- oder Laser-Scanner-basierte Systeme). Neben dem Zweck als Forschungsarbeit (Dissertation) dient die vorliegende Arbeit auch als Dokumentation des Gesamtprojektes AQopterI8, dessen Ziel die Erforschung und Entwicklung neuartiger autonomer Quadrokopter zur Innenraumerkundung ist. Darüber hinaus wird das System zum Zweck der Lehre und Forschung an der Universität Würzburg, der Fachhochschule Brandenburg sowie der Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt eingesetzt. Darunter fallen Laborübungen und 31 vom Autor dieser Arbeit betreute studentische Bachelor- und Masterarbeiten. Das Projekt wurde ausgezeichnet vom Universitätsbund und der IHK Würzburg-Mainfranken mit dem Universitätsförderpreis der Mainfränkischen Wirtschaft und wird gefördert unter den Bezeichnungen „Lebensretter mit Propellern“ und „Rettungshelfer mit Propellern“. Außerdem wurde die Arbeit für den Gips-Schüle-Preis nominiert. Absicht dieser Projekte ist die Entwicklung einer Rettungsdrohne. In den Medien Zeitung, Fernsehen und Radio wurde über den AQopterI8 schon mehrfach berichtet. Die Evaluierung zeigt, dass das System in der Lage ist, voll autonom in Innenräumen zu fliegen, Kollisionen mit Objekten zu vermeiden (Abstandsregelung), eine Suche durchzuführen, Objekte zu erkennen, zu lokalisieren und zu zählen. Da nur wenige Forschungsarbeiten diesen Grad an Autonomie erreichen, gleichzeitig aber keine Arbeit die gestellten Anforderungen vergleichbar erfüllt, erweitert die Arbeit den Stand der Forschung. N2 - The following scientific work describes entirely the development of an innovative autonomous quadrotor, called AQopterI8, for indoor exploration and object search describing solutions in the fields of signal processing, control theory, software and hardware. The main topics are autonomy, collision avoidance and obstacle detection. The AQopterI8 uses an IMU (inertial measurement unit) for attitude control and together with ultrasonic, infrared and pressure sensors for height control. Furthermore ultrasonic, infrared, stereo vision, pmd (photonic mixing device) and laser sensors enable the quadrotor to fly autonomously, detect obstacles and avoid collisions (distance control). All ressources are on-Board and the quadrotor requires no external system such as GPS or OTS (optical tracking system) cameras. The evaluation shows, that the AQopterI8 can control its distance to moving obstacles such as persons, can fly through corridors and search, localize and count autonmously target objects. The work was marked with the university promotion prize from the chamber of commerce (IHK Mainfranken) and has been many times in the media such as newspaper, radio and television. KW - Quadrokopter KW - Hinderniserkennung KW - Flugkörper KW - Kollisionsschutz KW - Weighted Filter KW - WF KW - Triple Awareness Fusion KW - TAF KW - CQF KW - UAV KW - Kollisionsvermeidung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130240 ER - TY - JOUR A1 - Gageik, Nils A1 - Benz, Paul A1 - Montenegro, Sergio T1 - Obstacle Detection and Collision Avoidance for a UAV with Complementary Low-Cost Sensors JF - IEEE Access N2 - This paper demonstrates an innovative and simple solution for obstacle detection and collision avoidance of unmanned aerial vehicles (UAVs) optimized for and evaluated with quadrotors. The sensors exploited in this paper are low-cost ultrasonic and infrared range finders, which are much cheaper though noisier than more expensive sensors such as laser scanners. This needs to be taken into consideration for the design, implementation, and parametrization of the signal processing and control algorithm for such a system, which is the topic of this paper. For improved data fusion, inertial and optical flow sensors are used as a distance derivative for reference. As a result, a UAV is capable of distance controlled collision avoidance, which is more complex and powerful than comparable simple solutions. At the same time, the solution remains simple with a low computational burden. Thus, memory and time-consuming simultaneous localization and mapping is not required for collision avoidance. KW - infrared KW - collision avoidance KW - autonomous KW - UAV KW - quadrocopter KW - obstacle detection KW - quadrotor KW - distance measurement KW - ultrasonic autonomous aerial vehicles KW - helicopters KW - infrared detectors Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125481 N1 - (c) 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works VL - 3 ER - TY - JOUR A1 - Ghasemi, Marziye A1 - Latifi, Hooman A1 - Pourhashemi, Mehdi T1 - A novel method for detecting and delineating coppice trees in UAV images to monitor tree decline JF - Remote Sensing N2 - Monitoring tree decline in arid and semi-arid zones requires methods that can provide up-to-date and accurate information on the health status of the trees at single-tree and sample plot levels. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are considered as cost-effective and efficient tools to study tree structure and health at small scale, on which detecting and delineating tree crowns is the first step to extracting varied subsequent information. However, one of the major challenges in broadleaved tree cover is still detecting and delineating tree crowns in images. The frequent dominance of coppice structure in degraded semi-arid vegetation exacerbates this problem. Here, we present a new method based on edge detection for delineating tree crowns based on the features of oak trees in semi-arid coppice structures. The decline severity in individual stands can be analyzed by extracting relevant information such as texture from the crown area. Although the method presented in this study is not fully automated, it returned high performances including an F-score = 0.91. Associating the texture indices calculated in the canopy area with the phenotypic decline index suggested higher correlations of the GLCM texture indices with tree decline at the tree level and hence a high potential to be used for subsequent remote-sensing-assisted tree decline studies. KW - UAV KW - crown delineation KW - coppice KW - Zagros oak forests KW - edge detection KW - decline KW - texture analysis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-297258 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 23 ER - TY - JOUR A1 - Heinemann, Sascha A1 - Siegmann, Bastian A1 - Thonfeld, Frank A1 - Muro, Javier A1 - Jedmowski, Christoph A1 - Kemna, Andreas A1 - Kraska, Thorsten A1 - Muller, Onno A1 - Schultz, Johannes A1 - Udelhoven, Thomas A1 - Wilke, Norman A1 - Rascher, Uwe T1 - Land surface temperature retrieval for agricultural areas using a novel UAV platform equipped with a thermal infrared and multispectral sensor JF - Remote Sensing N2 - Land surface temperature (LST) is a fundamental parameter within the system of the Earth’s surface and atmosphere, which can be used to describe the inherent physical processes of energy and water exchange. The need for LST has been increasingly recognised in agriculture, as it affects the growth phases of crops and crop yields. However, challenges in overcoming the large discrepancies between the retrieved LST and ground truth data still exist. Precise LST measurement depends mainly on accurately deriving the surface emissivity, which is very dynamic due to changing states of land cover and plant development. In this study, we present an LST retrieval algorithm for the combined use of multispectral optical and thermal UAV images, which has been optimised for operational applications in agriculture to map the heterogeneous and diverse agricultural crop systems of a research campus in Germany (April 2018). We constrain the emissivity using certain NDVI thresholds to distinguish different land surface types. The algorithm includes atmospheric corrections and environmental thermal emissions to minimise the uncertainties. In the analysis, we emphasise that the omission of crucial meteorological parameters and inaccurately determined emissivities can lead to a considerably underestimated LST; however, if the emissivity is underestimated, the LST can be overestimated. The retrieved LST is validated by reference temperatures from nearby ponds and weather stations. The validation of the thermal measurements indicates a mean absolute error of about 0.5 K. The novelty of the dual sensor system is that it simultaneously captures highly spatially resolved optical and thermal images, in order to construct the precise LST ortho-mosaics required to monitor plant diseases and drought stress and validate airborne and satellite data. KW - UAV KW - thermal infrared KW - multispectral VNIR KW - LST KW - emissivity KW - NDVI thresholds KW - atmospheric correction KW - agricultural mapping KW - low-cost applications Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203557 SN - 2072-4292 VL - 12 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Strohmeier, Michael A1 - Montenegro, Sergio T1 - Coupled GPS/MEMS IMU Attitude Determination of Small UAVs with COTS JF - Electronics N2 - This paper proposes an attitude determination system for small Unmanned Aerial Vehicles (UAV) with a weight limit of 5 kg and a small footprint of 0.5m x 0.5 m. The system is realized by coupling single-frequency Global Positioning System (GPS) code and carrier-phase measurements with the data acquired from a Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Inertial Measurement Unit (IMU) using consumer-grade Components-Off-The-Shelf (COTS) only. The sensor fusion is accomplished using two Extended Kalman Filters (EKF) that are coupled by exchanging information about the currently estimated baseline. With a baseline of 48 cm, the static heading accuracy of the proposed system is comparable to the one of a commercial single-frequency GPS heading system with an accuracy of approximately 0.25°/m. Flight testing shows that the proposed system is able to obtain a reliable and stable GPS heading estimation without an aiding magnetometer. KW - Attitude Heading Reference System (AHRS) KW - magnetometer KW - MEMS IMU KW - Real-time Kinematics (RTK) KW - GPS KW - UAV KW - attitude determination Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171179 VL - 6 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Strohmeier, Michael A1 - Walter, Thomas A1 - Rothe, Julian A1 - Montenegro, Sergio T1 - Ultra-wideband based pose estimation for small unmanned aerial vehicles JF - IEEE Access N2 - This paper proposes a 3-D local pose estimation system for a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a weight limit of 200 g and a very small footprint of 10 cm×10cm. The system is realized by fusing 3-D position estimations from an Ultra-Wide Band (UWB) transceiver network with Inertial Measurement Unit (IMU) sensor data and data from a barometric pressure sensor. The 3-D position from the UWB network is estimated using Multi-Dimensional Scaling (MDS) and range measurements between the transceivers. The range measurements are obtained using Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR), thus eliminating the need for an additional clock synchronization mechanism. The sensor fusion is accomplished using a loosely coupled Extended Kalman Filter (EKF) architecture. Extensive evaluation of the proposed system shows that a position accuracy with a Root-Mean-Square Error (RMSE) of 0.20cm can be obtained. The orientation angle can be estimated with an RMSE of 1.93°. KW - UAV KW - navigation KW - pose estimation KW - distance measurement KW - DecaWave KW - extended Kalman filter KW - UWB Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177503 VL - 6 ER - TY - THES A1 - Wilde, Martina T1 - Landslide susceptibility assessment in the Chiconquiaco Mountain Range area, Veracruz (Mexico) T1 - Bewertung der Rutschungssuszeptibilität in der Chiconquiaco Gebirgsregion, Veracruz (Mexiko) N2 - In Mexico, numerous landslides occur each year and Veracruz represents the state with the third highest number of events. Especially the Chiconquiaco Mountain Range, located in the central part of Veracruz, is highly affected by landslides and no detailed information on the spatial distribution of existing landslides or future occurrences is available. This leaves the local population exposed to an unknown threat and unable to react appropriately to this hazard or to consider the potential landslide occurrence in future planning processes. Thus, the overall objective of the present study is to provide a comprehensive assessment of the landslide situation in the Chiconquiaco Mountain Range area. Here, the combination of a site-specific and a regional approach enables to investigate the causes, triggers, and process types as well as to model the landslide susceptibility for the entire study area. For the site-specific approach, the focus lies on characterizing the Capulín landslide, which represents one of the largest mass movements in the area. In this context, the task is to develop a multi-methodological concept, which concentrates on cost-effective, flexible and non-invasive methods. This approach shows that the applied methods complement each other very well and their combination allows for a detailed characterization of the landslide. The analyses revealed that the Capulín landslide is a complex mass movement type. It comprises rotational movement in the upper parts and translational movement in the lower areas, as well as flow processes at the flank and foot area and therefore, is classified as a compound slide-flow according to Cruden and Varnes (1996). Furthermore, the investigations show that the Capulín landslide represents a reactivation of a former process. This is an important new information, especially with regard to the other landslides identified in the study area. Both the road reconstructed after the landslide, which runs through the landslide mass, and the stream causing erosion processes at the foot of the landslide severely affect the stability of the landslide, making it highly susceptible to future reactivation processes. This is particularly important as the landslide is located only few hundred meters from the village El Capulín and an extension of the landslide area could cause severe damage. The next step in the landslide assessment consists of integrating the data obtained in the site-specific approach into the regional analysis. Here, the focus lies on transferring the generated data to the entire study area. The developed methodological concept yields applicable results, which is supported by different validation approaches. The susceptibility modeling as well as the landslide inventory reveal that the highest probability of landslides occurrence is related to the areas with moderate slopes covered by slope deposits. These slope deposits comprise material from old mass movements and erosion processes and are highly susceptible to landslides. The results give new insights into the landslide situation in the Chiconquiaco Mountain Range area, since previously landslide occurrence was related to steep slopes of basalt and andesite. The susceptibility map is a contribution to a better assessment of the landslide situation in the study area and simultaneously proves that it is crucial to include specific characteristics of the respective area into the modeling process, otherwise it is possible that the local conditions will not be represented correctly. N2 - In Mexico ereignen sich jedes Jahr zahlreiche Rutschungen und Veracruz ist der Bundesstaat mit der dritthöchsten Anzahl von solchen Ereignissen. Besonders das Chiconquiaco Gebirge, welches im zentralen Bereich von Veracruz liegt, ist stark von Rutschungen betroffen und trotzdem sind keine detaillierten Informationen zur räumlichen Verbreitung existierender Rutschungen oder zu deren erwarteten, zukünftigen Auftreten verfügbar. Dadurch ist die lokale Bevölkerung mit einer nicht einschätzbaren Bedrohungslage konfrontiert und kann weder auf diese angemessen reagieren noch das potentielle Auftreten von Rutschungen in künftigen Planungsprozessen berücksichtigen. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit besteht daher darin, eine umfassende Beurteilung der Rutschungssituation im Chiconquiaco Gebirge zu erstellen. Hierbei ermöglicht die Kombination eines standortspezifischen und eines regionalen Ansatzes sowohl die Untersuchung der Ursachen, Auslöser und Prozesstypen, als auch die Modellierung der Rutschanfälligkeit für das gesamte Untersuchungsgebiet. Bei dem standortspezifischen Ansatz liegt der Schwerpunkt auf der Charakterisierung der Capulín Rutschung, bei der es sich um eine der größten Massenbewegungen in dieser Region handelt. In diesem Rahmen besteht die Aufgabe darin, ein multi-methodologisches Konzept zu entwickeln, welches sich hauptsächlich auf kostengünstige, flexible und nicht-invasive Methoden konzentriert. Dieser Ansatz zeigt, dass sich die verwendeten Methoden sehr gut ergänzen und ihre Kombination eine detaillierte Charakterisierung der Rutschung ermöglicht. Die Ergebnisse legen dar, dass die Capulín Rutschung eine komplexe Massenbewegung ist. So umfasst sie Rotationsbewegungen im oberen und Translationsbewegungen im unteren Bereich, sowie Fließprozesse an der Flanke und im Fußbereich und kann daher nach Cruden und Varnes (1996) als Kombination aus Gleit- und Fließprozessen (compound slide-flow) klassifiziert werden. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass es sich bei der Capulín Rutschung um eine Reaktivierung einer älteren Rutschung handelt. Das ist eine wichtige neue Erkenntnis besonders im Hinblick auf die anderen Rutschungen, die im Untersuchungsgebiet festgestellt wurden. Sowohl die nach der Rutschung wieder aufgebaute Straße, die durch die Rutschmasse verläuft, als auch der Fluss, der Erosionsprozesse am Fuß der Rutschung verursacht, beeinträchtigen die Stabilität der Capulín Rutschung maßgeblich, was sie sehr anfällig für zukünftige Reaktivierungsprozesse macht. Dies ist besonders wichtig, da die Rutschung nur wenige hundert Meter von dem Ort El Capulín entfernt ist und eine Erweiterung des Rutschgebietes erhebliche Schäden verursachen könnte. Im Anschluss werden die durch den lokalen Ansatz erhaltenen Daten in die regionale Analyse integriert. Der Fokus bei diesem Vorgehen liegt dabei auf der Übertragung der generierten Daten auf das gesamte Untersuchungsgebiet. Das hier entwickelte methodische Konzept erzielt verwertbare Ergebnisse, was durch verschiedene Validierungsansätze bekräftigt werden kann. Sowohl die Suszeptibilitätsmodellierung als auch das Rutschungsinventar zeigen, dass die höchste Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Rutschungen vor allem in den Gebieten mit moderater Hangneigung liegt, welche mit Hangschutt bedeckt sind. Diese Hangablagerungen bestehen aus Material von alten Massenbewegungen und Erosionsprozessen und zeigen eine hohe Anfälligkeit für Rutschungen. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Rutschungssituation im Chiconquiaco Gebirge, da vorher das Auftreten von Rutschungen mit den steilen Hängen aus Basalt und Andesit in Verbindung gebracht wurde. Auf Grundlage der generierten Suszeptibilitätskarte ist eine bessere Bewertung der Rutschungssituation im Untersuchungsgebiet möglich. Weiterhin zeigt sie, dass es von entscheidender Bedeutung ist, spezifische Eigenschaften der jeweiligen Untersuchungsgebiete in die Modellierung miteinzubeziehen, da sonst die Gefahr besteht, dass die örtlichen Gegebenheiten fehlerhaft eingeschätzt werden. KW - Naturgefahren KW - Landslide susceptibility modeling KW - Geomorphologie KW - Rutschungen KW - Modellierung KW - Veracruz KW - Mexiko KW - UAV KW - Digital Elevation Model KW - Hangstabilitätsmodellierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276085 ER -