Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

Sustainable Agriculture and Advances of Remote Sensing (Volume 1)

Agriculture, as the main source of alimentation and the most important economic activity globally, is being affected by the impacts of climate change. To maintain and increase our global food system production, to reduce biodiversity loss and preserve our natural ecosystem, new practices and technologies are required. This book focuses on the latest advances in remote sensing technology and agricultural engineering leading to the sustainable agriculture practices. Earth observation data, in situ and proxy-remote sensing data are the main source of information for monitoring and analyzing agriculture activities. Particular attention is given to earth observation satellites and the Internet of Things for data collection, to multispectral and hyperspectral data analysis using machine learning and deep learning, to WebGIS and the Internet of Things for sharing and publishing the results, among others

PyrSat - Prevention and response to wild fires with an intelligent Earth observation CubeSat

Forest fires are a pervasive and serious problem. Besides loss of life and extensive environmental damage, fires also result in substantial economic losses, not to mention property damage, injuries, displacements and hardships experienced by the affected citizens. This project proposes a low-cost intelligent hyperspectral 3U CubeSat for the production of fire risk and burnt area maps. It applies Machine Learning algorithms to autonomously process images and obtain final data products on-board the satellite for direct transmission to users on the ground. Used in combination with other services such as EFFIS or AFIS, the system could considerably reduce the extent and consequences of forest fires

Unleashing the Power of Edge-Cloud Generative AI in Mobile Networks: A Survey of AIGC Services

Artificial Intelligence-Generated Content (AIGC) is an automated method for generating, manipulating, and modifying valuable and diverse data using AI algorithms creatively. This survey paper focuses on the deployment of AIGC applications, e.g., ChatGPT and Dall-E, at mobile edge networks, namely mobile AIGC networks, that provide personalized and customized AIGC services in real time while maintaining user privacy. We begin by introducing the background and fundamentals of generative models and the lifecycle of AIGC services at mobile AIGC networks, which includes data collection, training, finetuning, inference, and product management. We then discuss the collaborative cloud-edge-mobile infrastructure and technologies required to support AIGC services and enable users to access AIGC at mobile edge networks. Furthermore, we explore AIGCdriven creative applications and use cases for mobile AIGC networks. Additionally, we discuss the implementation, security, and privacy challenges of deploying mobile AIGC networks. Finally, we highlight some future research directions and open issues for the full realization of mobile AIGC networks

The quality of experience of emerging display technologies

As new display technologies emerge and become part of everyday life, the understanding of the visual experience they provide becomes more relevant. The cognition of perception is the most vital component of visual experience; however, it is not the only cognition that contributes to the complex overall experience of the end-user. Expectations can create significant cognitive bias that may even override what the user genuinely perceives. Even if a visualization technology is somewhat novel, expectations can be fuelled by prior experiences gained from using similar displays and, more importantly, even a single word or an acronym may induce serious preconceptions, especially if such word suggests excellence in quality. In this interdisciplinary Ph.D. thesis, the effect of minimal, one-word labels on the Quality of Experience (QoE) is investigated in a series of subjective tests. In the studies carried out on an ultra-high-definition (UHD) display, UHD video contents were directly compared to their HD counterparts, with and without labels explicitly informing the test participants about the resolution of each stimulus. The experiments on High Dynamic Range (HDR) visualization addressed the effect of the word “premium” on the quality aspects of HDR video, and also how this may affect the perceived duration of stalling events. In order to support the findings, additional tests were carried out comparing the stalling detection thresholds of HDR video with conventional Low Dynamic Range (LDR) video. The third emerging technology addressed by this thesis is light field visualization. Due to its novel nature and the lack of comprehensive, exhaustive research on the QoE of light field displays and content parameters at the time of this thesis, instead of investigating the labeling effect, four phases of subjective studies were performed on light field QoE. The first phases started with fundamental research, and the experiments progressed towards the concept and evaluation of the dynamic adaptive streaming of light field video, introduced in the final phase

Remote Sensing of Earth Resources: A literature survey with indexes (1970 - 1973 supplement). Section 1: Abstracts

Abstracts of reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between March 1970 and December 1973 are presented in the following areas: agriculture and forestry, environmental changes and cultural resources, geodesy and cartography, geology and mineral resources, oceanography and marine resources, hydrology and water management, data processing and distribution systems, instrumentation and sensors, and economic analysis

Data bases and data base systems related to NASA's Aerospace Program: A bibliography with indexes

This bibliography lists 641 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system during the period January 1, 1981 through June 30, 1982. The directory was compiled to assist in the location of numerical and factual data bases and data base handling and management systems

RFID Technology in Intelligent Tracking Systems in Construction Waste Logistics Using Optimisation Techniques

Construction waste disposal is an urgent issue for protecting our environment. This paper proposes a waste management system and illustrates the work process using plasterboard waste as an example, which creates a hazardous gas when land filled with household waste, and for which the recycling rate is less than 10% in the UK. The proposed system integrates RFID technology, Rule-Based Reasoning, Ant Colony optimization and knowledge technology for auditing and tracking plasterboard waste, guiding the operation staff, arranging vehicles, schedule planning, and also provides evidence to verify its disposal. It h relies on RFID equipment for collecting logistical data and uses digital imaging equipment to give further evidence; the reasoning core in the third layer is responsible for generating schedules and route plans and guidance, and the last layer delivers the result to inform users. The paper firstly introduces the current plasterboard disposal situation and addresses the logistical problem that is now the main barrier to a higher recycling rate, followed by discussion of the proposed system in terms of both system level structure and process structure. And finally, an example scenario will be given to illustrate the system’s utilization

Hydrodynamics-Biology Coupling for Algae Culture and Biofuel Production

International audienceBiofuel production from microalgae represents an acute optimization problem for industry. There is a wide range of parameters that must be taken into account in the development of this technology. Here, mathematical modelling has a vital role to play. The potential of microalgae as a source of biofuel and as a technological solution for CO2 fixation is the subject of intense academic and industrial research. Large-scale production of microalgae has potential for biofuel applications owing to the high productivity that can be attained in high-rate raceway ponds. We show, through 3D numerical simulations, that our approach is capable of discriminating between situations where the paddle wheel is rapidly moving water or slowly agitating the process. Moreover, the simulated velocity fields can provide lagrangian trajectories of the algae. The resulting light pattern to which each cell is submitted when travelling from light (surface) to dark (bottom) can then be derived. It will then be reproduced in lab experiments to study photosynthesis under realistic light patterns