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Digitale Bildverarbeitung für die automatisierte Auswertung in der Architekturphotogrammetrie
(2015)
Photogrammetrische Verfahren werden immer häufiger für die Objekterfassung und Dokumentation in Archäologie, Bauforschung, Denkmalpflege und Restaurierung eingesetzt. Der Grund hierfür liegt in der mittlerweile vollständigen Digitalisierung des gesamten photogrammetrischen Prozesses sowie in der Verfügbarkeit hoch auflösender Digitalkameras und der für die Auswertung notwendigen, leistungsfähigen Rechentechnik. Analoge Mess- oder Teilmesskameras wurden fast vollständig durch digitale Amateurkameras verdrängt. Den Anwendern stehen damit flexible und kostengünstige Systeme zur photogrammetrischen Objekterfassung zur Verfügung.
Neben der klassischen Bildentzerrung rückt verstärkt die räumliche Auswertung von Bildern in den Fokus der Anwender. Die Grundlage für die Berechnung von Bildorientierung, Kamerakalibrierung und 3D-Objektgeometrie bilden dabei die bekannten Modelle der analytischen Photogrammetrie, die zunächst kurz vorgestellt werden. Die photogrammetrischen Verfahren werden ergänzt durch ausgewählte Methoden der digitalen Bildverarbeitung und Bildanalyse. Einen Schwerpunkt bildet dabei die automatisierte Zuordnung homologer Punkte. In Kombination mit angepassten Verfahren der Merkmalsextraktion lässt sich damit der Orientierungsvorgang weitgehend automatisieren. Hierfür werden verschiedene Interest-Operatoren sowie Verfahren zur Korrespondenzanalyse auf ihre Eignung für die speziellen Anwendungsgebiete der Nahbereichsphotogrammetrie untersucht und angepasst.
Im Rahmen der photogrammetrischen Auswertung wird die automatisierte Punktzuordnung zur Bestimmung von dichten 3D-Punktwolken eingesetzt. Unstetigkeiten der Objektoberfläche können mit flächenhaften Zuordnungsverfahren jedoch nicht direkt erfasst werden. In der Literatur existieren daher verschiedene Ansätze zur kantenbasierten Auswertung von Bildern, die vorgestellt und diskutiert werden. Darauf aufbauend wird ein angepasstes Verfahren zur subpixelgenauen Kantenextraktion sowie zur automatisierten Zuordnung der extrahierten Kanten in mehreren Bildern entwickelt und anhand praktischer Beispiele untersucht.
Aufbauend auf den Untersuchungsergebnissen und den Erfahrungen aus unterschiedlichen Praxisprojekten wird ein anwendungsorientiertes Vorgehen zur Erfassung und automatisierten Auswertung von Objekten mit Zwei- und Vier-Kamera-Konfigurationen entwickelt. Da hierbei ausschließlich digitale Amateurkameras zum Einsatz kommen, wird ein vereinfachtes Verfahren zur Kamerakalibrierung vorgeschlagen. Für die äußere Orientierung mehrerer Stereo- bzw. Vier-Kameramodelle in einem einheitlichen Objektsystem wird, neben der klassischen Mehrbildorientierung, die aus Anwendersicht sehr anschauliche Referenzierung über die automatisch gemessenen Punktwolken vorgestellt.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird ein Konzept für ein photogrammetrisches Auswertesystem für den Architektur- und Nahbereich entwickelt. Neben der automatisierten Gewinnung räumlicher Objektinformationen aus Bildern sind darin vor allem die zweidimensionalen Umbildungen als wichtige Grundlage für die Erstellung maßstäblicher Planunterlagen berücksichtigt. Anhand ausgewählter Beispiele aus Archäologie und Bauforschung wird schließlich ein Überblick über die Möglichkeiten einer automatisierten Auswertung gegeben.
In bubbling fluidized beds, bubble characteristics such as size, shape and velocity have a vital influence on the hydrodynamics of the bed and hence on its performance as a chemical reactor and/or a heat exchange unit. In many industrial applications such as lignite dryer heat transfer tubes are usually inserted to enhance the rate of heat and mass transfer and chemical conversion. However, their presence strongly influences the bubbling behavior of the beds. Therefore, reliable design and scale-up of these systems come only after fundamental understanding of the bubbling behavior is achieved. Therefore, in this research work the influences of tube bank geometries and particle size on bubble characteristics were thoroughly investigated. In this research work, both numerical and experimental studies were employed. For the experimental measurements, a new nonintrusive digital image analysis technique was developed. The technique allowed for the simultaneous measurements of bed expansion and various bubble properties. An in-house software was developed to fully automate the image acquisition and data processing procedure. For the numerical studies, the Eulerian-Eulerian two-fluid model based on the kinetic theory of granular flow was used. Though, this CFD model has been considered as a fundamental tool for modeling gas-solid fluidized beds, its quantitative validation remains insufficient for a wide range of reactor geometries and operating conditions. Therefore, in this work validation of the model using experimental measurements of bed expansion and bubble properties obtained from a pseudo-two-dimensional fluidized bed was performed. The influence of two-dimensional simulations and different modeling parameters such as the friction packing limit, drag model and solid-wall boundary conditions were investigated. The two-fluid model generally showed reasonable agreement with the experimental measurements of pressure drop, bed expansion and bubble properties in bubbling regime. However, as the gas superficial velocity is increased and the bed moved towards slugging and turbulent regimes a big deviation arose and the two-fluid model failed to predict reasonably the fluidized bed hydrodynamics for the freely bubbling bed. The mean bubble properties predicted by two-dimensional simulations were in reasonable agreement with experiments at lower superficial velocities. They deviated at higher bed height and this was more pronounced at higher gas superficial velocities. The results from three-dimensional simulations were in better agreement with the experimental measurements; however, the computational effort need was very high making them impractical for parametric studies and sensitivity analyses. It was also showed that the choice of friction packing limits, drag laws and specularity coefficients have little influence on the bubble properties. For a bubbling bed, both experimental measurements and numerical simulations showed that inserting horizontal tube banks had either no or marginal influence on the static bed pressure drop and bed expansion. On the other hand, bubble hydrodynamics were strongly influenced and controlled by the geometry of the immersed tubes. In freely bubbling fluidized beds bubble size as well as rise velocity increased with bed height and superficial velocity. In beds with immersed tubes, such general trends were completely disturbed. Tubes appeared to restrict rapidly growing bubbles. As a result the mean bubble diameter and rise velocity were lower in the vicinity of the tube banks than in the freely bubbling bed. Results from different particle sizes showed that in a freely bubbling bed increasing the mean particle size increased the bubble diameter and rise velocity as well as bed expansion. In fluidized beds with dense horizontal tubes on the other hand, the mean bubble properties were almost independent of the particle sizes.