06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/7
Browse
7 results
Search Results
Item Open Access Assessing hydrological changes in the Murray-Darling basin(2010) Schmid, StefanieIn this diploma thesis GRACE-derived time-variable gravity, TRMM precipitation, and in-situ hydrological observations (water level, river flow) between May 2003 and April 2009 (6 years) are used to assess hydrological changes in the Murray-Darling Basin (MDB). The investigations in terms of Multiple Linear Regression Analysis (MLRA) and Principal Component Analysis (PCA) show distinct differences between the northern and southern climatic regions of the MDB. While the north is dominated by precipitation occurring within the early part of each year, precipitation appears in the south half a year later. Furthermore, a severe drought is detected, which appeared in 2006/07. The analysis of seasonal variations reveals that gravity changes are preceded by precipitation by about one month in the north of the MDB, while the south shows the inverse behaviour. The phase shift of gravity changes between the north and the south suggests a mass transport taking about 5 months to cross the MDB from the north to the south, which is confirmed by the in-situ hydrological observations.Item Open Access Nachweis einer vulkanischen Struktur auf der Schwäbischen Alb mittels gravimetrischer Messungen und unterstützender Höhenbestimmung(2010) Scheider, AnnetteIm Bereich der Schwäbischen Alb und des Albvorlandes existieren eine Vielzahl von vulkanischen Strukturen unterschiedlicher Größe, die man zusammen als Schwäbischer Vulkan bezeichnet. Sie entstanden bereits im Miozän und sind heute oft nicht mehr als solche zu erkennen. Besonders viele davon befinden sich im Gebiet von Kirchheim u.T. und Bad Urach. Das Maar am Hofbrunnen ist eine dieser Strukturen und liegt in der Gemeinde Münsingen, nahe des Ortes Trailfingen auf der Schwäbischen Alb. Diese Struktur ist bereits seit langer Zeit bekannt, dennoch ist sie in einigen neueren Karten nicht enthalten. In dieser Diplomarbeit soll ein Teilgebiet im Süden des Maars untersucht werden und es wird überprüft, ob eine vulkanische Struktur mittels gravimetrischer Messungen und unterstützender Höhenbestimmungen nachgewiesen werden kann. Zunächst werden die geologischen Grundlagen, die die Entstehung dieser vulkanischen Strukturen und speziell zu der des Maars am Hofbrunnen erklären, betrachtet. Da sowohl Höhen- als auch Schweremessungen durchgeführt werden sollen, werden anschließend die verschiedenen möglichen Messverfahren genauer betrachtet und die für diesen Zweck am besten geeigneten ausgewählt. Um die notwendigen Messungen durchführen zu können, muss im nächsten Schritt ein geeignetes Messkonzept aufgestellt werden, das dann bei der Durchführung der Messungen im Gelände umgesetzt werden kann. Bei der Auswertung wird zuerst aus den erhaltenen Höhendaten ein DGM generiert, dass die Ausgangslage für die Auswertung der Schwere-Messergebnisse liefert. Für die Herleitung der Schwereanomalien auf das Geoid müssen einige Reduktionen und Korrekturen angebracht werden, so dass im Ergebnis die vulkanische Struktur sichtbar wird. In einem letzten Schritt wird der Einfluss der vulkanische Struktur, die eine Störmasse im Untergrund darstellt, auf die Schwere modelliert. Dazu wird die Struktur aufgeteilt, vereinfacht und als geometrische Körper aufgefasst, die aus einem Gestein bestehen, dessen Dichte sich vom Umgebungsgestein unterscheiden. Die Ergebnisse dieser Modellierung werden abschließend mit den Messergebnissen verglichen.Item Open Access GOCE data analysis: optimized brute force solutions of large-scale linear equation systems on parallel computers(2010) Roth, MatthiasThe satellite mission GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) was set up to determine the figure of the Earth with unprecedented accuracy. The sampling frequency is 1 Hz which results in a massive amount of data over the one year period the satellite is intended to be functional. From this data we can setup an overdeterminded linear system of equations to estimate the geopotential coefficients which are required for modelling the Earth's gravity field with spherical harmonics in the desired high resolution. The linear system of equations is solved "brute-force" which means that the normal equation matrix has to be kept in memory as a whole. The normal equations matrix has a memory demand of up to 65 GByte, hence we need a computer providing a sufficient amount of memory and fast multiple processors for the computations to get them done in a reasonable time. In this study, a program was written to compute the geopotential coefficients from simulated GOCE data, as GOCE real data were not available yet. As a first step, the program was optimized for the computations to become more efficient. As a second step, the program was parallelized to speed-up the computations by two different techniques: For a first version, the parallelization was done via OpenMP which can be used on shared memory systems which usally have a small number of processors. For the second version, MPI was used which is suited for a distributed memory architecture, hence can incorporate much more processors in the computations. In summation, we gained a huge boost in efficiency of the program due to the optimization. Furthermore, huge speed-up was gained due to the parallelization. The more processors are incorporated in the computation, the more the overall efficiency drops because of increasing communication between the processors. Here we could show that for huge problems the MPI version is running more efficient than the OpenMP version.Item Open Access Untersuchungen zur gravimetrischen Inversion mittels genetischer Algorithmen(2010) Körner, MarkusDie gravimetrische Inversion ist ein zentrales Problem in der Geophysik. Wiewohl die entsprechenden Forschungstätigkeiten auf eine lange Geschichte zurückblicken, sind mit innovativen Techniken selbst heutzutage neue Lösungsansätze zu finden. Das Grundprinzip der gravimetrischen Inversion ist, aus einer Schwereanomalie den Körper oder die Struktur zu extrahieren, welche für die Anomalie verantwortlich ist. Es existiert eine Vielzahl von Berechnungsmethoden, die es erlauben für (fast) jeden belieben Körper dessen Gravitationskraft zu berechnen. Diese Formeln werden, an entsprechender Stelle, für die in dieser Arbeit verwendeten Körper dargelegt. Durch Programme, die teilweise im Rahmen der Arbeit entstanden, kann der Anwender idealisierte Signale erzeugen und diese gemessenen Werten gegenüberstellen. Eine Möglichkeit beide Messwerte zu vergleichen stellt die Berechnung des rms Wertes dar. Dieser errechnet sich über die Summe der quadratischen Differenzen beider Signale, die durch die Anzahl der Messwerte geteilt und aus der anschließend die Wurzel gezogen wird. Ein kleiner rms Wert indiziert eine hohe Übereinstimmung zwischen simuliertem und gemessenem Signal. Das Hauptproblem dabei ist, dass verschiedene Körper dasselbe Signal erzeugen können. Somit gibt es unendlich viele Körper, welche der Schwereanomalie zugewiesen werden können. Es ist nun das Ziel, im Rahmen der Möglichkeiten genau den Körper zu finden, der am "wahrscheinlichsten" ist. Durch geologische Untersuchungen und daraus resultierenden Randbedingungen können die Möglichkeiten deutlich eingeschränkt werden; die Anzahl der verbleibenden Körper ist jedoch zu groß für gesicherte Aussagen. Ein Verfahren ist zu finden, das in der Lage ist durch "probieren" ein gewähltes Modell immer weiter zu verbessern und sich dem "wahren" Körper immer weiter anzunähern. Informatiker begannen Anfang der 1950er Jahre die sogenannten evolutionären Strategien zu entwickeln. Den Verfahren liegt ein biologischer Evolutionsprozess zugrunde, welche mit Hilfe von mathematischen Operationen umgesetzt ist. Aus diesem Spektrum ist für die Arbeit der Genetische Algorithmus GA gewählt worden, bei dem es sich um einen globalen Optimierer handelt. Besonders wichtig in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass dieser Optimierer keinerlei Ableitungen der verwendeten Optimierungsfunktion benötigt. Somit ist der GA geeignet, für nicht lineare Probleme, wie im Fall der gravimetrischen Inversion. Eine Einführung in dessen Funktionsweise sowie die Adaption an die Problematik ist Bestandteil dieser Arbeit. Dabei wird vor allem auf die Anwendung des sogenannten hybriden GA eingegangen. Bei diesem gemischten Ansatz wird zuerst der GA durchlaufen und die resultierenden Parameter in einem zweiten Schritt mit einem lokalen Optimierungsverfahren, der Downhill Simplex Methode (DSM), weiter verarbeitet. Unter bestimmten Voraussetzungen, die in der Arbeit betrachtet werden, ist es möglich unter Verwendung dieses Ansatzes die Körperparameter weiter zu optimieren und den rms Wert zu senken. Für Untersuchungen wurden Simulationen zu Inversion mit fehlerfreien als auch fehlerbehafteten Signalen synthetischer Körper betrachtet. Für beide Versionen und unter Verwendung verschiedener Körper bietet der hybriden GA das größte Potenzial gute Ergebnisse, d. h. den geringsten rms Wert, zu liefern.Item Open Access Optimization of the orbit parameters of future gravity missions using genetic algorithms(2011) Ellmer, MatthiasThe best global models for Earth's gravitational field are provided by recent satellite missions like CHAMP, GRACE and GOCE. The research in this thesis is dedicated to finding favorable parameters for possible future multi-pair satellite formations that follow in GRACE's footsteps. A software framework was developed in the Python programming language that allows the study of such satellite formations using a range-acceleration approach to gravity recovery. The computational performance of this framework was improved significantly through several optimization steps, amongst others involving successful parallelization of multiple simulations and the exploitation of a GPU-accelerated version of the mathematical library BLAS. A large number of parameter studies were performed in an attempt to define criteria for the automatic quantification of the objective quality of specific multi-pair mission scenarios. This was achieved by analyzing and assessing several characteristics of the recovered potentials in both the spatial and the spectral domain. Using the custom software framework as well as the developed benchmarks for a recovered potential, a genetic algorithm capable of autonomously finding optimal combinations of multiple satellite formations was implemented. This genetic algorithm was then tested in a simple scenario, intended to find the optimal complimentary formation to a single polar satellite pair modeled after the GRACE twin-satellite mission. The performed genetic algorithm simulation suggests that a pendulum on a ~58° inclined orbit with a long along-track baseline and an opening angle of around 40° would make a good companion for GRACE. While finalizing this thesis a flaw in the custom software was discovered that affected all simulations performed in the context of the parameter studies and the genetic algorithm. This means that the results presented in this thesis should be considered with a critical mindset. The developed methodologies used to arrive at these results are however sound and could be used in future studies.Item Open Access Change detection using SAR data(2013) Cao, WenxiThe objective of this thesis is to find changes caused by natural disaster from two co-registered calibrated TerraSAR-X images. Three methods are used in this thesis. The first method, histogram thresholding, uses the histogram of the SAR intensity ratio image to classify the ratio image into three classes. This technique was originally proposed by Kittler et al. (1986) and modified by Bazi et al. (2005) and Moser et al. (2006) based on the Bayesian formula. In this thesis their methods are combined together to detect three classes. The relative difference of the cost function is used to detect the number of the classes instead of the determinant of the Hessian matrix suggested by Bazi et al. (2005). The second method formulates the classification problem as a hypothesis testing problem. This idea was originally used by Touzi et al. (1988) and Oliver et al. (1996). In this thesis the analytical method by Touzi et al. (1988) is replaced by using the properties of the Gamma distribution. The third method, graph-cut algorithm, is a post-processing method, which improves classification results from the first and second methods. The provement is equivalent to the global optimization of an energy function in a Markov random field (MRF). A modern method proposed by Kolmogorov et al. (2004) and Boykov et al. (2004) is used in this thesis. This method transforms the energy function of a MRF into an equivalent graph and solves the global optimization problem using a max-flow/min-cut algorithm. These three methods are applied to the test data on Queensland, Australia, and Leipzig, Germany. Most SAR ratio images can be classified into three classes successfully. The remaining problem is that the interpretation of the changed classes is still ambiguous. Other data sources should be combined to assist or improve the interpretation of the detected change.Item Open Access Gravimetrische Untersuchungen und Einflussmodellierung "Stuttgart 21"(2014) Efinger, BenjaminDurch das geplante Großbauprojekt "Stuttgart 21" und den damit notwendigen Tunnelbauarbeiten entsteht nach deren Fertigstellung im Untergrund eine Massenveränderung. Diese Massenveränderung führt zu einer veränderten Schwerkraft, die mithilfe von gravimetrischen Untersuchungen beobachtet werden kann. Da sich die Tunnelbauarbeiten noch im Anfangsstadium ihrer Durchführung befinden, können diese Veränderungen bisher nur modelliert werden. Dazu stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, die eine Massenveränderung im Untergrund mit unterschiedlichen geometrischen Formen beschreiben. Diese werden auf Grundlage einer Beispielgeometrie miteinander verglichen und bewertet, um anschließend mit den geeigneten Modellen und der geplanten Tunnelgeometrien den Einfluss der Tunnel zu modellieren. Um abschließend den modellierten Einfluss nach Tunnelfertigstellung mit den dann beobachteten Schwerewerten vergleichen zu können, wurde vor dem Beginn der Tunnelarbeiten mit gravimetrischen Beobachtungen begonnen. Dazu wurde ein geeignetes Profil gewählt, das die Tunnelröhren kreuzt, um so eine generelle Aussage über den Einfluss der Massenveränderung treffen zu können. Wichtig ist hierbei unter anderem die Frage, ob es mit dem vorliegenden Instrument, einem Relativgravimeter, möglich ist, aus den beobachteten Schwerewerten einen Einfluss zu beobachten. Zusätzlich werden die Einflüsse auf den Schweregradienten modelliert und analysiert. Da diese jedoch in einem nicht mehr messbaren Bereich liegen, werden dazu nur Messungen in einem Testumfeld durchgeführt und ausgewertet. Dabei ist interessant, ob sich das Messprinzip für zukünftige Untersuchungen eignet.