TY - BOOK
T1 - A Pipeline for Modeling Point-Sampled Surfaces
T2 - From Preprocessing to Quality Assessment
AU - Mohammadivojdan, Bahareh
PY - 2026/4/22
Y1 - 2026/4/22
N2 - Die Überwachung der Erdoberfläche wird zunehmend durch dichte, punktweise abgetastete Beobachtungen aus Verfahren wie LiDAR, Photogrammetrie, Mehrstrahl-Echoloten (Multibeam Echosounders, MBES) sowie satellitengestützten Radarsystemen wie der Persistent-Scatterer-Interferometrie (PSI) bestimmt. Trotz der Verwendung verschiedener physikalischer Messprinzipien generieren diese Techniken in der Regel große Punktwolken, deren Qualität in Abhängigkeit von der Zeit und dem Ort variiert. Die Interpretation dieser Punktwolken gestaltet sich als Herausforderung, da die einzelnen Punkte keine Informationen über Zusammenhänge liefern. Die vorliegenden Messungen weisen häufig eine ungleichmäßige Verteilung auf und enthalten Datenlücken. Darüber hinaus sind die Daten durch Rauschen und Ausreißer verfälscht. Für eine zuverlässige Nutzung sind daher eine Bereinigung, Oberflächenmodellierung und Qualitätsbewertung erforderlich. Diese Schritte werden jedoch oft separat mit manuellem Eingriff und {unter eingeschränkter Berücksichtigung der Unsicherheiten} durchgeführt. Dies verringert die Reproduzierbarkeit und schwächt das Vertrauen in die daraus resultierenden Produkte. In der vorliegenden kumulativen Dissertation wird eine End-to-End-Pipeline zur Modellierung von punktweise abgetasteten Oberflächen vorgestellt. Diese erstreckt sich von der Vorverarbeitung bis zur Qualitätsbewertung. Die vorliegende Arbeit fasst vier Publikationen zusammen, die gemeinsam die vorgeschlagene Pipeline entwickeln und validieren. Darunter befinden sich drei begutachtete Zeitschriftenartikel und ein veröffentlichter {Konferenzbeitrag}. Die Pipeline ist auf Skalierbarkeit, Reproduzierbarkeit und den expliziten Umgang mit Unsicherheiten ausgelegt. Der Fokus der Arbeit liegt auf 2,5D-Oberflächen, z = f(x, y), und es wird ein Ausgleich zwischen geometrischer Eignung für großräumige Geodatenprodukte und rechnerischer Effizienz geschaffen. Die Pipeline basiert auf einer multiresolutionellen Oberflächendarstellung, die auf dem Multilevel-B-Spline-Approximation-Ansatz (MBA) basiert. Dieser Ansatz bietet eine konsistente Grundlage für die Erkennung von Ausreißern, die Oberflächenapproximation und die {Bewertung von Unsicherheiten}. Die Methoden werden unter Verwendung von PSI für Deformationsüberwachungen und von MBES-Daten für Kartierung, Navigation, Baggerarbeiten und Infrastrukturüberwachung getestet. Die Vorverarbeitungsphase umfasst zwei sich ergänzende, oberflächenbasierte Methoden zur Erkennung von Ausreißern. Eine Methode bedient sich hierbei einer datenadaptiven Grob-zu-Fein-Strategie, um isolierte Anomalien in großen, heterogenen Deformationsdatensätzen, wie sie beispielsweise in PSI auftreten, zu identifizieren. Für die MBES-Bathymetrie identifiziert das Iterative Estimation of Surface Parameters (IESP)-Verfahren gruppierte Ausreißerkontaminationen, indem es robuste Schätzungen und iteratives, verteilungsgesteuertes Trimmen kombiniert, bis sich das Restverhalten stabilisiert. In der PSI-Fallstudie Hannover zeigt die datenadaptive Ausreißererkennung eine hohe Übereinstimmung mit einem veröffentlichten Referenzfilter und erreicht eine Balanced Accuracy von 0,95. Für MBES-Daten aus dem Nord-Ostsee-Kanal erzielt IESP eine Balanced Accuracy von 0,99 und reduziert die manuelle Bereinigungszeit von etwa zwei Tagen auf rund 30 Minuten. Das Ergebnis sind bereinigte {Beobachtungsdaten} für die nachfolgende Modellierung und Bewertung. In der Modellierungsphase wird MBA als gemeinsames Oberflächenmodell und geometrisches Fundament der Pipeline verwendet. Die hierarchische Verfeinerung fügt schrittweise Details hinzu und bleibt auch bei unregelmäßiger Abtastung und Datenlücken robust. Die Qualitätsbewertungsphase generiert räumlich variierende Unsicherheiten unter zwei Bedingungen. Unter der Annahme, dass die Beobachtungsvarianzen unbekannt sind, generiert das nichtparametrische Bootstrapping Vorhersageunsicherheiten und Konfidenzintervalle für MBA-basierte Oberflächen. Liegen hingegen systemseitige Unsicherheitsmodelle vor, wird ein Vorwärtsansatz verwendet, um punktweise Messunsicherheiten in MBES zu schätzen und in die Oberflächenschätzung zu integrieren. Simulationen mit bekanntem Ground Truth zeigen, dass eine unsicherheitsbewusste Gewichtung den Modellfehler reduziert. So wurde beispielsweise der Modellfehler (1σ) von 0,044 m auf 0,023 m reduziert. Das Resultat manifestiert sich in Form von Unsicherheitskarten und Konfidenzmaßen, welche die lokale Unsicherheit transparent machen und die Interpretation der Ergebnisse erleichtern. Die vorliegende Dissertation präsentiert eine kohärente Pipeline, die automatisierte Bereinigung, MBA-basierte Oberflächenmodellierung und unsicherheitsbewusste Qualitätsbewertung für punktweise abgetastete Oberflächen miteinander verbindet. Die vorliegende Arbeit reduziert die Subjektivität in der Vorverarbeitung, verbessert die Transparenz von Modellierungsentscheidungen und generiert Oberflächenprodukte mit belastbaren Unsicherheitsinformationen. Dadurch können Entscheidungen in der Deformationsüberwachung und in hydrografischen Anwendungen signifikant unterstützt werden.
AB - Die Überwachung der Erdoberfläche wird zunehmend durch dichte, punktweise abgetastete Beobachtungen aus Verfahren wie LiDAR, Photogrammetrie, Mehrstrahl-Echoloten (Multibeam Echosounders, MBES) sowie satellitengestützten Radarsystemen wie der Persistent-Scatterer-Interferometrie (PSI) bestimmt. Trotz der Verwendung verschiedener physikalischer Messprinzipien generieren diese Techniken in der Regel große Punktwolken, deren Qualität in Abhängigkeit von der Zeit und dem Ort variiert. Die Interpretation dieser Punktwolken gestaltet sich als Herausforderung, da die einzelnen Punkte keine Informationen über Zusammenhänge liefern. Die vorliegenden Messungen weisen häufig eine ungleichmäßige Verteilung auf und enthalten Datenlücken. Darüber hinaus sind die Daten durch Rauschen und Ausreißer verfälscht. Für eine zuverlässige Nutzung sind daher eine Bereinigung, Oberflächenmodellierung und Qualitätsbewertung erforderlich. Diese Schritte werden jedoch oft separat mit manuellem Eingriff und {unter eingeschränkter Berücksichtigung der Unsicherheiten} durchgeführt. Dies verringert die Reproduzierbarkeit und schwächt das Vertrauen in die daraus resultierenden Produkte. In der vorliegenden kumulativen Dissertation wird eine End-to-End-Pipeline zur Modellierung von punktweise abgetasteten Oberflächen vorgestellt. Diese erstreckt sich von der Vorverarbeitung bis zur Qualitätsbewertung. Die vorliegende Arbeit fasst vier Publikationen zusammen, die gemeinsam die vorgeschlagene Pipeline entwickeln und validieren. Darunter befinden sich drei begutachtete Zeitschriftenartikel und ein veröffentlichter {Konferenzbeitrag}. Die Pipeline ist auf Skalierbarkeit, Reproduzierbarkeit und den expliziten Umgang mit Unsicherheiten ausgelegt. Der Fokus der Arbeit liegt auf 2,5D-Oberflächen, z = f(x, y), und es wird ein Ausgleich zwischen geometrischer Eignung für großräumige Geodatenprodukte und rechnerischer Effizienz geschaffen. Die Pipeline basiert auf einer multiresolutionellen Oberflächendarstellung, die auf dem Multilevel-B-Spline-Approximation-Ansatz (MBA) basiert. Dieser Ansatz bietet eine konsistente Grundlage für die Erkennung von Ausreißern, die Oberflächenapproximation und die {Bewertung von Unsicherheiten}. Die Methoden werden unter Verwendung von PSI für Deformationsüberwachungen und von MBES-Daten für Kartierung, Navigation, Baggerarbeiten und Infrastrukturüberwachung getestet. Die Vorverarbeitungsphase umfasst zwei sich ergänzende, oberflächenbasierte Methoden zur Erkennung von Ausreißern. Eine Methode bedient sich hierbei einer datenadaptiven Grob-zu-Fein-Strategie, um isolierte Anomalien in großen, heterogenen Deformationsdatensätzen, wie sie beispielsweise in PSI auftreten, zu identifizieren. Für die MBES-Bathymetrie identifiziert das Iterative Estimation of Surface Parameters (IESP)-Verfahren gruppierte Ausreißerkontaminationen, indem es robuste Schätzungen und iteratives, verteilungsgesteuertes Trimmen kombiniert, bis sich das Restverhalten stabilisiert. In der PSI-Fallstudie Hannover zeigt die datenadaptive Ausreißererkennung eine hohe Übereinstimmung mit einem veröffentlichten Referenzfilter und erreicht eine Balanced Accuracy von 0,95. Für MBES-Daten aus dem Nord-Ostsee-Kanal erzielt IESP eine Balanced Accuracy von 0,99 und reduziert die manuelle Bereinigungszeit von etwa zwei Tagen auf rund 30 Minuten. Das Ergebnis sind bereinigte {Beobachtungsdaten} für die nachfolgende Modellierung und Bewertung. In der Modellierungsphase wird MBA als gemeinsames Oberflächenmodell und geometrisches Fundament der Pipeline verwendet. Die hierarchische Verfeinerung fügt schrittweise Details hinzu und bleibt auch bei unregelmäßiger Abtastung und Datenlücken robust. Die Qualitätsbewertungsphase generiert räumlich variierende Unsicherheiten unter zwei Bedingungen. Unter der Annahme, dass die Beobachtungsvarianzen unbekannt sind, generiert das nichtparametrische Bootstrapping Vorhersageunsicherheiten und Konfidenzintervalle für MBA-basierte Oberflächen. Liegen hingegen systemseitige Unsicherheitsmodelle vor, wird ein Vorwärtsansatz verwendet, um punktweise Messunsicherheiten in MBES zu schätzen und in die Oberflächenschätzung zu integrieren. Simulationen mit bekanntem Ground Truth zeigen, dass eine unsicherheitsbewusste Gewichtung den Modellfehler reduziert. So wurde beispielsweise der Modellfehler (1σ) von 0,044 m auf 0,023 m reduziert. Das Resultat manifestiert sich in Form von Unsicherheitskarten und Konfidenzmaßen, welche die lokale Unsicherheit transparent machen und die Interpretation der Ergebnisse erleichtern. Die vorliegende Dissertation präsentiert eine kohärente Pipeline, die automatisierte Bereinigung, MBA-basierte Oberflächenmodellierung und unsicherheitsbewusste Qualitätsbewertung für punktweise abgetastete Oberflächen miteinander verbindet. Die vorliegende Arbeit reduziert die Subjektivität in der Vorverarbeitung, verbessert die Transparenz von Modellierungsentscheidungen und generiert Oberflächenprodukte mit belastbaren Unsicherheitsinformationen. Dadurch können Entscheidungen in der Deformationsüberwachung und in hydrografischen Anwendungen signifikant unterstützt werden.
U2 - 10.15488/21061
DO - 10.15488/21061
M3 - Dissertation
SN - 978-3-7696-5389-2
T3 - Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geodäsie und Geoinformatik der Leibniz Universität Hannover
PB - Fachrichtung Geodäsie und Geoinformatik der Leibniz Universität Hannover
ER -