Abflusslose Senken – Instrumente in der Landschaftsanalyse und Indikatoren rezenter Krustenbewegungen

Innerhalb des Untersuchungsgebiets Schleswig-Holstein wurden 39.712 topographische Hohlformen detektiert. Genutzt wurden dazu ESRI ArcMap 9.3 und 10.0. Der Datenaufbereitung folgten weitere Kalkulationen in MATLAB R2010b. Jedes Objekt wurde räumlich mit seinen individuellen Eigenschaften verschnitten. Dazu gehörten Fläche, Umfang, Koordinaten (Zentroide), Tiefe und maximale Tiefe der Hohlform und Formfaktoren wie Rundheit, Konvexität und Elongation. Ziel der vorgestellten Methoden war die Beantwortung von drei Fragestellungen: Sind negative Landformen dazu geeignet Landschaftseinheiten und Eisvorstöße zu unterscheiden und zu bestimmen? Existiert eine Kopplung von Depressionen an der rezenten Topographie zu geologischen Tiefenstrukturen? Können Senken unterschiedlicher Entstehung anhand ihrer Formcharakteristik unterteilt werden? Die vorgenommene Klassifikation der großen Landschaftseinheiten basiert auf der Annahme, dass sowohl Jungmoränengebiete, ihre Vorflächen als auch Altmoränengebiete durch charakteristische, abflusslose Hohlformen, wie Toteislöcher, Seen, etc. abgegrenzt werden können. Normalerweise sind solche Depressionen in der Natur eher selten, werden jedoch für ehemalige Glaziallandschaften als typisch erachtet. Ziel war es, die geologischen Haupteinheiten, Eisvorstöße und Moränengebiete der letzten Vereisungen zu differenzieren. Zur Bearbeitung wurde ein Detektionsnetz verwendet, das auf quadratischen Zellen beruht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die alleinige Nutzung von Depressionen zur Klassifizierung von Landschaftseinheiten Gesamtgenauigkeiten von bis zu 71,4% erreicht werden können. Das bedeutet, dass drei von vier Detektionszellen korrekt zugeordnet werden können. Jungmoränen, Altmoränen, periglazialeVorflächen und holozäne Bereiche können mit Hilfe der Hohlformen mit großer Sicherheit voneinander unterschieden und korrekt zugeordnet werden. Dies zeigt, dass für die jeweiligen Einheiten tatsächlich bestimmte Senkenformen typisch sind. Die im ersten Schritt detektierten Senken wurden räumlich mit weiterreichenden geologischen Informationen verschnitten, um zu untersuchen, inwieweit natürliche Depressionen nur glazial entstanden sind oder ob ihre Ausprägung auch mit tiefengeologischen Strukturen in Zusammenhang steht. 25.349 (63,88%) aller Senken sind kleiner als 10.000 m² und liegen in Jungmoränengebieten und können vermutlich auf glaziale und periglaziale Einflüsse zurückgeführt werden. 2.424 Depressionen liegen innerhalb der Gebiete subglazialer Rinnen. 1.529 detektierte Hohlformen liegen innerhalb von Subsidenzgebieten, von denen 1.033 innerhalb der Marschländer im Westen verortet sind. 919 große Strukturen über 1 km Größe entlang der Nordsee sind unter anderem besonders gut mit Kompaktionsbereichen elsterzeitlicher Rinnen zu homologisieren.344 dieser Hohlformen sind zudem mit Tunneltälern im Untergrund assoziiert. Diese Parallelität von Depressionen und den teils über 100 m tiefen Tunneltälern kann auf Sedimentkompaktion zurückgeführt werden. Ein Zusammenhang mit der Zersetzung postglazialen, organischen Materials ist ebenfalls denkbar. Darüber hinaus wurden in einer Distanz von 10 km um die miozän aktiven Flanken des Glückstadt-Grabens negative Landformen detektiert, die Verbindungen zu oberflächennahen Störungsstrukturen zeigen. Dies ist ein Anzeichen für Grabenaktivität während und gegen Ende der Vereisung und während des Holozäns. Viele dieser störungsbezogenen Senken sind auch mit Tunneltälern assoziiert. Entsprechend werden drei zusammenspielende Prozesse identifiziert, die mit der Entstehung der Hohlformen in Verbindung gebracht werden können. Eine mögliche Interpretation ist, dass die östliche Flanke des Glückstadt-Grabens auf die Auflast des elsterzeitlichen Eisschilds reagierte, während sich subglazial zeitgleich Entwässerungsrinnen entlang der Schwächezonen ausbildeten. Diese wurden in den Warmzeiten größtenteils durch Torf und unverfestigte Sedimente verfüllt. Die Gletschervorstöße der späten Weichselzeit aktivierten erneut die Flanken und zusätzlich wurde das Lockermaterial exariert, wodurch große Seen, wie z. B. der Große Plöner See entstanden sind. Insgesamt konnten 29 große Depressionen größer oder gleich 5 km in Schleswig-Holstein identifiziert werden, die zumindest teilweise mit Beckensubsidenz und Aktivität der Grabenflanken verbunden sind, bzw. sogar auf diese zurückgehen.Die letzte Teilstudie befasste sich mit der Differenzierung von Senken nach deren potentieller Genese sowie der Unterscheidung natürlicher von künstlichen Hohlformen. Dazu wurde ein DEM für einen Bereich im Norden Niedersachsens verwendet, das eine Gesamtgröße von 252 km² abdeckt. Die Ergebnisse zeigen, dass glazial entstandene Depressionen gute Rundheitswerte aufweisen und auch Elongation und Exzentrizität eher kompakte Formen anzeigen. Lineare negative Strukturen sind oft Flüsse oder Altarme. Sie können als holozäne Strukturen identifiziert werden. Im Gegensatz zu den potentiell natürlichen Senkenformen sind künstlich geschaffene Depressionen eher eckig oder ungleichmäßig und tendieren meist nicht zu kompakten Formen. Drei Hauptklassen topographischer Depressionen konnten identifiziert und voneinander abgegrenzt werden: Potentiell glaziale Senken (Toteisformen), Flüsse, Seiten- und Altarme sowie künstliche Senken. Die Methode der Senkenklassifikation nach Formparametern ist ein sinnvolles Instrument, um verschiedene Typen unterscheiden zu können und um bei geologischen Fragestellungen künstliche Senken bereits vor der Verarbeitung auszuschließen. Jedoch zeigte sich, dass die Ergebnisse im Wesentlichen von der Auflösung des entsprechenden Höhenmodells abhängen.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

The discrete Pascal transform and its applications

We introduce a new discrete polynomial transform constructed from the rows of Pascal’s triangle. The forward and inverse transforms are computed the same way in both the oneand two-dimensional cases, and the transform matrix can be factored into binary matrices for efficient hardware implementation. We conclude by discussing applications of the transform in

Application of Discrete Fourier Inter-Coefficient Difference for Assessing Genetic Sequence Similarity

Digital signal processing (DSP) techniques for biological sequence analysis continue to grow in popularity due to the inherent digital nature of these sequences. DSP methods have demonstrated early success for detection of coding regions in a gene. Recently, these methods are being used to establish DNA gene similarity. We present the inter-coefficient difference (ICD) transformation, a novel extension of the discrete Fourier transformation, which can be applied to any DNA sequence. The ICD method is a mathematical, alignment-free DNA comparison method that generates a genetic signature for any DNA sequence that is used to generate relative measures of similarity among DNA sequences. We demonstrate our method on a set of insulin genes obtained from an evolutionarily wide range of species, and on a set of avian influenza viral sequences, which represents a set of highly similar sequences. We compare phylogenetic trees generated using our technique against trees generated using traditional alignment techniques for similarity and demonstrate that the ICD method produces a highly accurate tree without requiring an alignment prior to establishing sequence similarity.

Distance measures for image segmentation evaluation

The task considered in this paper is performance evaluation of region segmentation algorithms in the ground-truth-based paradigm. Given a machine segmentation and a ground-truth segmentation, performance measures are needed. We propose to consider the image segmentation problem as one of data clustering and, as a consequence, to use measures for comparing clusterings developed in statistics and machine learning. By doing so, we obtain a variety of performance measures which have not been used before in image processing. In particular, some of these measures have the highly desired property of being a metric. Experimental results are reported on both synthetic and real data to validate the measures and compare them with others.

DIMENSION REDUCTION FOR POWER SYSTEM MODELING USING PCA METHODS CONSIDERING INCOMPLETE DATA READINGS

Principal Component Analysis (PCA) is a popular method for dimension reduction that can be used in many fields including data compression, image processing, exploratory data analysis, etc. However, traditional PCA method has several drawbacks, since the traditional PCA method is not efficient for dealing with high dimensional data and cannot be effectively applied to compute accurate enough principal components when handling relatively large portion of missing data. In this report, we propose to use EM-PCA method for dimension reduction of power system measurement with missing data, and provide a comparative study of traditional PCA and EM-PCA methods. Our extensive experimental results show that EM-PCA method is more effective and more accurate for dimension reduction of power system measurement data than traditional PCA method when dealing with large portion of missing data set.

Quasi-Convolution Pyramidal Blurring

Efficient image blurring techniques based on the pyramid algorithm can be implemented on modern graphics hardware; thus, image blurring with arbitrary blur width is possible in real time even for large images. However, pyramidal blurring methods do not achieve the image quality provided by convolution filters; in particular, the shape of the corresponding filter kernel varies locally, which potentially results in objectionable rendering artifacts. In this work, a new analysis filter is designed that significantly reduces this variation for a particular pyramidal blurring technique. Moreover, the pyramidal blur algorithm is generalized to allow for a continuous variation of the blur width. Furthermore, an efficient implementation for programmable graphics hardware is presented. The proposed method is named “quasi-convolution pyramidal blurring” since the resulting effect is very close to image blurring based on a convolution filter for many applications.

Spare Time Activity Sheets from Photo Albums

Given arbitrary pictures, we explore the possibility of using new techniques from computer vision and artificial intelligence to create customized visual games on-the-fly. This includes coloring books, link-the-dot and spot-the-difference popular games. The feasibility of these systems is discussed and we describe prototype implementation that work well in practice in an automatic or semi-automatic way.

Dual-Domain Image Denoising

Image denoising methods have been implemented in both spatial and transform domains. Each domain has its advantages and shortcomings, which can be complemented by each other. State-of-the-art methods like block-matching 3D filtering (BM3D) therefore combine both domains. However, implementation of such methods is not trivial. We offer a hybrid method that is surprisingly easy to implement and yet rivals BM3D in quality.

3D visualization of HIV virions by cryoelectron tomography.

The structure of the human immunodeficiency virus (HIV) and some of its components have been difficult to study in three-dimensions (3D) primarily because of their intrinsic structural variability. Recent advances in cryoelectron tomography (cryo-ET) have provided a new approach for determining the 3D structures of the intact virus, the HIV capsid, and the envelope glycoproteins located on the viral surface. A number of cryo-ET procedures related to specimen preservation, data collection, and image processing are presented in this chapter. The techniques described herein are well suited for determining the ultrastructure of bacterial and viral pathogens and their associated molecular machines in situ at nanometer resolution.

Diffusion tensor imaging of rat spinal cord in vivo

Magnetic resonance imaging, with its exquisite soft tissue contrast, is an ideal modality for investigating spinal cord pathology. While conventional MRI techniques are very sensitive for spinal cord pathology, their specificity is somewhat limited. Diffusion MRI is an advanced technique which is a very sensitive and specific indicator of the integrity of white matter tracts. Diffusion imaging has been shown to detect early ischemic changes in white matter, while conventional imaging demonstrates no change. By acquiring the complete apparent diffusion tensor (ADT), tissue diffusion properties can be expressed in terms of quantitative and rotationally invariant parameters. ^ Systematic study of SCI in vivo requires controlled animal models such as the popular rat model. To date, studies of spinal cord using ADT imaging have been performed exclusively in fixed, excised spinal cords, introducing inevitable artifacts and losing the benefits of MRI's noninvasive nature. In vivo imaging reflects the actual in vivo tissue properties, and allows each animal to be imaged at multiple time points, greatly reducing the number of animals required to achieve statistical significance. Because the spinal cord is very small, the available signal-to-noise ratio (SNR) is very low. Prior spin-echo based ADT studies of rat spinal cord have relied on high magnetic field strengths and long imaging times—on the order of 10 hours—for adequate SNR. Such long imaging times are incompatible with in vivo imaging, and are not relevant for imaging the early phases following SCI. Echo planar imaging (EPI) is one of the fastest imaging methods, and is popular for diffusion imaging. However, EPI further lowers the image SNR, and is very sensitive to small imperfections in the magnetic field, such as those introduced by the bony spine. Additionally, The small field-of-view (FOV) needed for spinal cord imaging requires large imaging gradients which generate EPI artifacts. The addition of diffusion gradients introduces yet further artifacts. ^ This work develops a method for rapid EPI-based in vivo diffusion imaging of rat spinal cord. The method involves improving the SNR using an implantable coil; reducing magnetic field inhomogeneities by means of an autoshim, and correcting EPI artifacts by post-processing. New EPI artifacts due to diffusion gradients described, and post-processing correction techniques are developed. ^ These techniques were used to obtain rotationally invariant diffusion parameters from 9 animals in vivo, and were validated using the gold-standard, but slow, spinecho based diffusion sequence. These are the first reported measurements of the ADT in spinal cord in vivo . ^ Many of the techniques described are equally applicable toward imaging of human spinal cord. We anticipate that these techniques will aid in evaluating and optimizing potential therapies, and will lead to improved patient care. ^

Progressive Image Denoising

Image denoising continues to be an active research topic. Although state-of-the-art denoising methods are numerically impressive and approch theoretical limits, they suffer from visible artifacts.While they produce acceptable results for natural images, human eyes are less forgiving when viewing synthetic images. At the same time, current methods are becoming more complex, making analysis, and implementation difficult. We propose image denoising as a simple physical process, which progressively reduces noise by deterministic annealing. The results of our implementation are numerically and visually excellent. We further demonstrate that our method is particularly suited for synthetic images. Finally, we offer a new perspective on image denoising using robust estimators.

Is the acetabular cup orientation after total hip arthroplasty on a two dimension or three dimension model accurate?

Purpose Malposition of the acetabular component in total hip arthroplasty (THA) is a common surgical problem that can lead to hip dislocation, reduced range of motion and may result in early loosening. The aim of this study is to validate the accuracy and reproducibility of a single x-ray image based 2D/3D reconstruction technique in determining cup inclination and anteversion against two different computer tomography (CT)-based measurement techniques. Methods Cup anteversion and inclination of 20 patients after cementless primary THA was measured on standard anteroposterior (AP) radiographs with the help of the single x-ray 2D/3D reconstruction program and compared with two different 3D CT-based analyses [Ground Truth (GT) and MeVis (MV) reconstruction model]. Results The measurements from the single x-ray 2D/3D reconstruction technique were strongly correlated with both types of CT image-processing protocols for both cup inclination [R²=0.69 (GT); R²=0.59 (MV)] and anteversion [R²=0.89 (GT); R²=0.80 (MV)]. Conclusions The single x-ray image based 2D/3D reconstruction technique is a feasible method to assess cup position on postoperative x-rays. CTscans remain the golden standard for a more complex biomechanical evaluation when a lower tolerance limit (+/-2 degrees) is required.

Aortic morphometry at endograft position as assessed by 3D image analysis affects risk of type I endoleak formation after TEVAR

PURPOSE The purpose of this study was to identify morphologic factors affecting type I endoleak formation and bird-beak configuration after thoracic endovascular aortic repair (TEVAR). METHODS Computed tomography (CT) data of 57 patients (40 males; median age, 66 years) undergoing TEVAR for thoracic aortic aneurysm (34 TAA, 19 TAAA) or penetrating aortic ulcer (n = 4) between 2001 and 2010 were retrospectively reviewed. In 28 patients, the Gore TAG® stent-graft was used, followed by the Medtronic Valiant® in 16 cases, the Medtronic Talent® in 8, and the Cook Zenith® in 5 cases. Proximal landing zone (PLZ) was in zone 1 in 13, zone 2 in 13, zone 3 in 23, and zone 4 in 8 patients. In 14 patients (25%), the procedure was urgent or emergent. In each case, pre- and postoperative CT angiography was analyzed using a dedicated image processing workstation and complimentary in-house developed software based on a 3D cylindrical intensity model to calculate aortic arch angulation and conicity of the landing zones (LZ). RESULTS Primary type Ia endoleak rate was 12% (7/57) and subsequent re-intervention rate was 86% (6/7). Left subclavian artery (LSA) coverage (p = 0.036) and conicity of the PLZ (5.9 vs. 2.6 mm; p = 0.016) were significantly associated with an increased type Ia endoleak rate. Bird-beak configuration was observed in 16 patients (28%) and was associated with a smaller radius of the aortic arch curvature (42 vs. 65 mm; p = 0.049). Type Ia endoleak was not associated with a bird-beak configuration (p = 0.388). Primary type Ib endoleak rate was 7% (4/57) and subsequent re-intervention rate was 100%. Conicity of the distal LZ was associated with an increased type Ib endoleak rate (8.3 vs. 2.6 mm; p = 0.038). CONCLUSIONS CT-based 3D aortic morphometry helps to identify risk factors of type I endoleak formation and bird-beak configuration during TEVAR. These factors were LSA coverage and conicity within the landing zones for type I endoleak formation and steep aortic angulation for bird-beak configuration.

A total variation discontinuous Galerkin approach for image restoration

The focal point of this paper is to propose and analyze a P 0 discontinuous Galerkin (DG) formulation for image denoising. The scheme is based on a total variation approach which has been applied successfully in previous papers on image processing. The main idea of the new scheme is to model the restoration process in terms of a discrete energy minimization problem and to derive a corresponding DG variational formulation. Furthermore, we will prove that the method exhibits a unique solution and that a natural maximum principle holds. In addition, a number of examples illustrate the effectiveness of the method.