Shadow modelling based upon Rayleigh scattering and Mie theory

In this paper, we present a method to model shadows in outdoor scenes. Here, we note that the shadow areas correspond to the diffuse skylight which arises from the scattering of the sunlight by particles in the atmosphere. This yields a treatment in which shadows in the image can be viewed as a linear combination of scattered light obeying Rayleigh scattering and Mie theory. This allows for the computation of a ratio which permits casting the problem of recovering the shadowed areas in the image into a clustering setting making use of active contours. This also opens-up the formulation of a metric that can be used to assess the degree upon which the scene is overcast. We illustrate the utility of the method for purposes of de-tecting shadows in real-world imagery, provide time complexity results and compare against a number of alternatives elsewhere in the literature

Modelling and experiments of metal interconnect degradation in solid oxide fuel cells

Chromium is a key component of ferritic stainless steels developed for solid oxide fuel cell (SOFC) interconnect components. The properties of these steel alloys change over time due to the formation of a chromia scale and subsequent volatilisation of chromium gaseous species. As the operational temperature of SOFC systems is continuously reduced, the present thesis reports research aimed at investigating the behaviour of chromium in stainless steels, at 700°C¬¬ – from an experimental and modelling point of view. The research consisted of three stages. The first stage involved a detailed study of the sinterability of pure chromium at 1150°C and the isothermal oxidation of the sintered pellets at 700°C in dry and humidified atmospheres. The aim was to optimise the sinterability of chromium and improve the understanding of pure chromium behaviour at a reduced operating temperature. The results showed that for both binder-free and binder containing chromium pellets, sintering time was the determining factor to achieve low porosity and high-density pellets. No volatile chromium was found in dry oxidation at this temperature and the study revealed that the duration of exposure and the chromium collection method used influenced the values of oxidation and evaporation rate constants obtained. The second stage involved a study of the isothermal humidified oxidation at 700°C of commercial ferritic steels K41 and Crofer 22H. The study aimed primarily at deriving oxidation and volatilisation rate constants from the oxide growth for use in the modelling of the lifetime of the binary system FeCr. Crofer 22H, whilst equally growing a spinel oxide surface layer, showed less chromium evaporation than K41. Besides this, effects of sample preparation method were also investigated, which demonstrated that compared to other methods commonly used, a refined grinding was the most effective pre-treatment method in achieving a thinner oxide. The final stage involved designing a one-dimensional thermodynamic-kinetic diffusion and oxidation model for the FeCr system. The developed model can predict the sequential layering oxide phases that are not always differentiable experimentally as well as quantify oxide growth thickness and depletion profiles of chromium in single-phase Fe-Cr binary alloys, using the Calphad approach and finite difference method. The thermodynamic modelling predicted the successive oxide phases formation at 700°C: (Fe,Cr)2O3, spinel (Fe,Cr)3O4 and halite (FeO) and highlighted the inconsequential effect of the oxygen partial pressure at values higher than 10-8 atm. The kinetic calculations applied to Fe17Cr and Fe22Cr inferred that in the long term, for the Fe17Cr alloy, it would take 26,500 hours of exposure to a cathodic SOFC atmosphere to reach the critical minimum chromium concentration of 11 wt.%, whereas the same concentration would be reached after 53,500 hours for the Fe22Cr alloy

Unmanned Aerial Vehicles for Vegetation Mapping: Opportunities and Challenges

Pflanzen sind eng mit einer Reihe von Ökosystemprozessen und -dienstleistungen wie die Bereitstellung von Lebensmitteln und Trinkwasser, die Klimaregulierung sowie die Bodenbildung und Kohlenstoffspeicherung verbunden. Deshalb können Vegetationseigenschaften wie Artenreichtum, Biodiversität und Pflanzenmerkmale zur Bewertung und Überwachung von Ökosystemprozessen genutzt werden. Die genaue Beobachtung von Vegetationsveränderungen ist daher entscheidend für das Verständnis der aktuellen und zukünftigen Ökosystemdynamik. Fernerkundungsdaten haben hohes Potenzial Vegetationseigenschaften und -prozesse räumlich abzubilden. Die zunehmende Verfügbarkeit von sehr hochauflösenden Fernerkundungsdaten ermöglicht auch die Untersuchung von feinskaligen Prozessen. Die für niedriger aufgelöste Fernerkundungsdaten entwickelten Auswertungsverfahren sind häufig nicht auf sehr hochaufgelöste Daten übertragbar. Daher werden neue Verfahren benötigt, um das volle Potenzial auszuschöpfen. Die Vorteile von sehr hochauflösenden Daten liegen unter anderem in der Erkennung von einzelnen Pflanzen und der besseren räumlichen Feinabstimmung mit Felddaten. Diese Vorteile ermöglichen die genaue Kartierung von Pflanzenarten auf der Ebene einzelner Individuen und Vegetationseigenschaften auf der Ebene von Pflanzengesellschaften, wie die Biodiversität, oberirdische Biomasse oder Artenzusammensetzung. Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) werden als kostengünstige Plattform zur Gewinnung von Daten mit sehr hoher Auflösung, insbesondere für kleine Gebiete, verwendet. Daher ist ihr Einsatz gut zur Entwicklung neuer Methoden geeignet. Das Ziel dieser Arbeit war die Feststellung von Vorteilen und Limitierungen der Nutzung von UAVs zur Vegetationskartierung. Der Fokus der Arbeit lag auf zwei Hauptthemen, die Kartierung von Pflanzenarten und kleinräumigen Ökosystemprozessen. Eine der Fallstudien zeigte, dass die Verwendung von sehr hochauflösenden Daten zur Klassifizierung von Pflanzenarten durch die Überlappung verschiedener Arten erschwert wird. Daher ist Nutzung solcher Daten zur direkten Kartierung von Grünlandarten nur für Habitate mit geringer Vegetationsbedeckung und einfachen Strukturen, wie beispielsweise Dünenhabitate, vielversprechend. Eine zweite Fallstudie ergab, dass der Schattenwurf von Baumkronen den Erfolg von UAV-basierten Klassifikationen der invasiven Baumarten $\textit{Ulex europaeus}$, $\textit{Acacia dealbata}$ und $\textit{Pinus radiata}$ erheblich beeinflusst. Dabei machte es keinen Unterschied ob optische Daten oder Informationen über die Textur oder Kronenstruktur verwendet wurden. Anhand von Simulationen wurde dargestellt, dass jede Art aufgrund ihrer spezifischen Kronenarchitektur unterschiedliche Schatten erzeugt. Die optimalen Zeitfenster zur Klassifikation im Verlaufe eines Tages unterscheiden sich daher zwischen den einzelnen Arten. In einer dritten Fallstudie wurde gezeigt, dass Merkmale der oberirdischen Vegetation als Proxy genutzt werden können um Kartierungen von unterirdischen Kohlenstoffvorräten in Mooren zu verbessern. Ein empirisches Modell wurde genutzt um unter- und oberirdische Merkmale zu verknüpfen. Dafür wurden kontinuierliche Daten mit Informationen über Höhe, Biomasse, sowie den Artenreichtum und die Artenzusammensetzung der Vegetation verwendet. UAV Daten wurden genutzt um die relevanten oberirdischen Merkmale zu kartieren. Der unterirdische Kohlenstoffvorrat wurde dann durch die Parametrisierung des plotbasierten Modells mit den UAV-Extrapolationen kartiert. Dies deutet darauf hin, dass auch Ökosystemeigenschaften mit geringem direkten Einfluss auf die Reflektanz mit Hilfe von Vegetationsmerkmalen als Proxies kartiert werden können. Da bei Kopplung empirischer Modelle in jedem Modellierungsschritt fehlerbehaftete Voraussagen entstehen können, wird ein solcher Ansatz nur empfohlen, wenn starke empirische Verbindungen zwischen den feldbasierten Variablen vorliegen. Diese Arbeit zeigt, dass mit UAVs erhobene Erdbeobachtungsdaten geeignet sind, um die technischen und umweltbedingten Voraussetungen für eine erfolgreiche Kartierung von Pflanzenarten zu erforschen, um neue Methoden zu entwickeln, welche die Genauigkeit von Klassifikationen aus sehr hochaufgelösten Daten erhöhen und um Vegetationseigenschaften mit unterirdischen Gradienten zu verknüpfen. Die Arbeit enthält außerdem Empfehlungen und Vorschläge für die zukünftige Erforschung von feinskaligen Vegetationsprozessen

Contrast sensitivity and glare: new measurement techniques and the visual consequences of wearing head-mounted displays

The main aim of this thesis was to evaluate the performance of the contrast sensitivity clock (CSC), a new screening device for measuring contrast sensitivity (CS) and glare. This device allows CS without glare, with glare and disability glare scores to be recorded. After initial data collection the design of the CSC was slightly amended improving the performance of the device. The amended design of the CSC was shown to be a valid, discriminative and repeatable measure for purpose. The CSC is also a quick test to perform and is relatively cheap to produce. If all these factors are considered it shows potential to become the test of choice for the assessment of visual glare. A head-mounted display system was also evaluated in terms of the glare effects it may cause. The monocular display screen of the device significantly reduced the CS of the eye directly exposed but also had an effect on binocular performance, reducing amounts of binocular summation. Electronic devices, including head-mounted displays and satellite navigation systems can seriously affect CS at low luminance levels, similar to those found when driving at night