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This study had two main aims. The first one was to investigate the quality of lesson plans. Two important features of lesson plans were used as a basis to determine the quality of lesson plans. These are adaptability to preconditions and cognitive activation of students. The former refers to how the planning teacher considers the diversity of students pre-existing knowledge and skills. The latter refers to how the planning teacher sequences deep learning tasks and laboratory activities to promote the cognitive activation of students.
The second aim of the study was to explore teachers thinking about and explanation of externally generated feedback data on their students’ performance. The emphasis here was to understand how the teachers anticipate planning differentiated lessons to accommodate the variations in students learning outcomes revealed by the feedback data.
The study followed a qualitative approach with multiple sources of data. Concept maps, questionnaires, an online lesson planning tool, standardized tests, and semi-structured interviews were the main data collection instruments used in the study. Participants of this study were four physics teachers teaching different grade levels. For the purpose of generating feedback for the participant teachers, a test was administered to 215 students. Teachers were asked to plan five lessons for their ongoing practices. The analysis showed that the planned lessons were not adapted to the diversity in students pre-existing knowledge and skills. The analysis also indicated that the lessons planned had limitations with regard to cognitive activation of students. The analysis of the interview data also revealed that the participant teachers do not normally consider differentiating lessons to accommodate the differences in students learning, and place less emphasis on the cognitive activation of students. The analysis of the planned lessons showed a variation in teachers approach in integrating laboratory activities in the sequence of the lessons ranging from a complete absence through a demonstrative to an investigative approach. Moreover, the findings from the interviews indicated differences between the participant teachers espoused theory (i.e. what they said during interview) and their theory- in –use (i.e. what is evident from the planned lessons). The analysis of the interview data demonstrated that teachers did not interpret the data, identify learning needs, draw meaningful information from the data for adapting (or differentiating) instruction. They attributed their students’ poor performance to task difficulty, students’ ability, students’ motivation and interest. The teachers attempted to use the item level and subscale data only to compare the relative position of their class with the reference group. However, they did not read beyond the data, like identifying students learning needs and planning for differentiated instruction based on individual student’s performance.
To render the surface of a material capable of withstanding mechanical and electrochemical loads, and to perform well in service, the deposition of a thin film or coating is a solution. In this project, such a thin film deposition is carried out. The coating material chosen is titanium nitride (TiN) which is a ceramic material known to possess a high hardness (>10 GPa) as well as good corrosion resistance. The method of deposition selected is high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) that results in coatings with high quality and enhanced properties. Sputtering is a physical process that represents the removal or dislodgment of surface atoms by energetic particle bombardment. The term magnetron indicates that a magnetic field is utilized to increase the efficiency of the sputtering process. In HiPIMS, a high power is applied in pulses of low duty cycles to a cathode that is sputtered and that consists of the coating material. As result of the high power, the ionization of the sputtered material takes place giving the possibility to control these species with electric and magnetic field allowing thereby the improvement and tuning of coating properties. However, the drawback of HiPIMS is a low deposition rate.
In this project, it is demonstrated first that it is possible to deposit TiN coating using HiPIMS with an optimized deposition rate, by varying the magnetic field strength. It was found that low magnetic field strength (here 22mT) results in a deposition rate similar to that of conventional magnetron sputtering in which the average power is applied continuously, called also direct current magnetron sputtering (dcMS). The high deposition rate at low magnetic field strength was attributed to a reduction in the back attraction probability of the sputtered species. The magnetic field strength did not show noticeable influence on the mechanical properties. The proposed explanation was that the considered peak current density interval 1.22-1.72 A∙cm-2 does not exhibit dramatic changes in the plasma dynamics.
In a second part, using the optimized deposition rate, the optimized chemical composition of TiN was determined. It was shown that the chemical composition of TiN does not significantly influence the corrosion performance but impacts considerably the mechanical properties. It was also shown that the corrosion resistance of the coatings deposited using HiPIMS was higher than that of the coatings deposited using dcMS.
The third study was the effect of annealing post deposition on the properties of TiN coating deposited using HiPIMS. The hardness of the coatings showed a maximum at 400°C reaching 24.8 GPa. Above 400°C however, a lowering of the hardness was measured and was due to the oxidation of TiN which led to the formation of TiN-TiO2 composites with lower mechanical properties.
The coating microscopic properties such as crystal orientation, residual stresses, average grain size were determined from X-ray diffraction data and the roughness was measured using atomic force microscopy. These properties were found to vary with the magnetic field strength, the chemical composition as well as the annealing temperature.
This thesis is concerned with an issue of considerable importance to the development of revision skills: the role of teacher feedback. Prompted by the concern to develop a model of instruction which will help students write to the best of their capacities, the present study forms a proposal: an interactive model of revision. The study researches whether the kind of feedback proposed in this model is indeed a helpful tool for revision and whether the kind of negotiated revision that occurs is a vehicle for learning. The first section of the thesis reviews different areas of literature which are relevant to the study. More specifically, Chapter 2 presents the historical and theoretical foundations of different writing instructional practices and sheds light on issues concerning the use of the process approach. It also reviews research based on sociocognitive theoretical perspectives in an attempt to delineate the impact of interpersonal or social activity on individual performance and progress. Chapter 3 examines issues associated with the process approach in particular and illustrates how theory and method come together in a process writing classroom. Chapter 4 presents the differences in revising behaviours between experienced and inexperienced writers in both L1 and L2 contexts and the various ways these differences have been justified. It also highlights a number of issues which have been identified as contributing to effective revision. Particular attention is paid to the role that teacher feedback has to play as a means of promoting substantive student revision with an instructional emphasis on fluency, organisation and language. Chapter 5 presents an interactive model of revision, which envisions a communicative exchange between two partners, the student-writer and the teacher-reader, collaborating in order to develop awareness of revision strategies and establish criteria for effective writing. Chapter 6 investigates the epistemological basis of the research and presents a set of research questions and hypotheses, which guided the investigation. Chapter 7 frames the context of the research and details the methods used to collect the data from the study. The study involved 100 Year 7 students in two gymnasia in Koblenz, Germany. During the time of the investigation, the students wrote and revised five tasks. Three of these tasks were revised after receiving teacher feedback, which focused on aspects such as appropriacy and sufficiency of information, organization, coherence and grammatical accuracy. The study investigates the effects of this kind of focused feedback on the students" revisions and explores the relationship between revision and text improvement. Large quantitative and qualitative data sets were generated during the research. The quantitative data was based on the student documents (1000 original and revised drafts) whereas the qualitative data emerged from student questionnaires and seven case studies. Chapter 8 presents descriptions of the data analyses. More specifically, it describes the initial and final coding of the revisions traced in the student documents. Then it focuses on the type of qualitative analysis employed in the case studies in order to investigate the relationship between revision and text improvement. The final section of the chapter describes the questionnaire analysis, which was carried out to investigate attitudes, benefits and constraints from the implementation of the model. Chapter 9 examines the statistical results from the analysis of the students" revisions. More specifically, it explores the revisions made by the students across tasks and the relationships between the features of the teacher feedback and these revisions. The analysis highlights patterns in the development of revision skills and positive correlations of student revisions with features of the teacher feedback. Chapter 10 looks at the descriptive data from the case studies of seven individual student writers. The analysis of this data illustrates how the specific students negotiated the revisions and sheds more light on the relationship between feedback, revision and text improvement. Chapter 11 contains the analysis of the students" answers to the questionnaire, which provide illuminative information about the feedback-related attitudes. In Chapter 12, the thesis reaches its final destination. The journey over the paths of literature exploration, data gathering and data analysis ends with reflections on the messages that emerge from the data analysis. The conclusion reached is that young students can learn how to revise their writing and focused feedback is a viable pedagogic option for teaching revision. In addition to discussing the findings, this final section considers the pedagogical implications for the teaching of writing and suggests possible avenues for further work.
The intention of this thesis was to characterise the effect of naturally occurring multivalent cations like Calcium and Aluminium on the structure of Soil Organic Matter (SOM) as well as on the sorption behaviour of SOM for heavy metals such as lead.
The first part of this thesis describes the results of experiments in which the Al and Ca cation content was changed for various samples originated from soils and peats of different regions in Germany. The second part focusses on SOM-metal cation precipitates to study rigidity in dependence of the cation content. In the third part the effects of various cation contents in SOM on the binding strength of Pb cations were characterised by using a cation exchange resin as desorption method.
It was found for soil and peat samples as well as precipitates that matrix rigidity was affected by both type and content of cation. The influence of Ca on rigidity was less pronounced than the influence of Al and of Pb used in the precipitation experiments. For each sample one cation content was identified where matrix rigidity was most pronounced. This specific cation content is below the cation saturation as expected by cation exchange capacity. These findings resulted in a model describing the relation between cation type, content and the degree of networking in SOM. For all treated soil and precipitate samples a step transition like glass transition was observed, determined by the step transition temperature T*. It is known from literature that this type of step transition is due to bridges between water molecules and organic functional groups in SOM. In contrast to the glass transition temperature this thermal event is slowly reversing after days or weeks depending on the re-conformation of the water molecules. Therefore, changes of T* with different cation compositions in the samples are explained by the formation of water-molecule-cation bridges between SOM-functional groups. No influence on desorption kinetics of lead for different cation compositions in soil samples was observed. Therefore it can be assumed that the observed changes of matrix rigidity are highly reversible by changing the water status, pH or putting agitation energy by shaking in there.
Nandi forests (South and North Nandi forests) are situated in the Rift Valley Province of Kenya very close to Kakamega forest. From previous documents it has been seen that Kakamega and Nandi forests were connected to each other forming one big "U" shaped forest block till the beginnings of 1900s. Due to human pressures, currently there are three different forests form the previous one block forest. Although they were one forest, information on Nandi forests is very scanty when it is compared to that of Kakamega forest. The species composition and diversity as well as plant communities and population structure of Nandi forests have not been studied. Information is not available about the similarity status of South and North Nandi forests. Furthermore the natural regeneration potential (seedling bank) of these forests is not well studied and documented. Hence this study aims to fill these gaps.
In this study totally 76 quadrates (49 from South Nandi and 27 from North Nandi) were used to collect data. In the South Nandi forests 27 of the quadrates were laid in the better side of the forest (at Kobujoi) and the remaining 22 were in the heavily disturbed part of this forest (Bonjoge). The quadrates were arranged on transects that have one to one and half km which were parallel to the slope. The distance between the quadrates was 100 meter and transects are 500 m apart. The size of the main quadrate was 400 m2 (20 X 20 m) which also had five small plots (3 X 3 m) distributed on the four corners and in the center. Each woody plants (climbers, shrubs and trees) having more than one meter and greater than two centimeter diameter at breast height (dbh) were measured and recorded. Seedlings and herbaceous plants were sampled in the smaller plots. Individual plants were identified at species level and when it was not possible to identify in the field voucher specimen were prepared and latter identified at the East African Herbarium, National Museum of Kenya, and Nairobi. Clustering and ordination were performed using PC-ORD and CANOCO ecological softwares, respectively. For both clustering and ordination abundance data of the species was used. Shannon diversity index and evenness were computed using PC-ORD while similarity indices, Fisher alpha, rarefaction, species richness estimation (nonparametric species richness estimators) were conducted using EstimateS. Indicator species analysis was undertaken using PC-ORD. Basal area and height class distribution at forests level or site level (Bonjoge and Kobujoi) and diameter (dbh) class distribution for selected trees species were performed to evaluate population structure.
Furthermore importance value (IV) of woody plant species was calculated. SPSS version 16 was used to undertake both parametric (when data assume normal distribution) and nonparametric (when data are not assuming normal distribution) comparison of means, correlation and regression analysis.
In this study totally 321 vascular plant species comprising 92 families and 243 genera were identified in Nandi forests (both South and North Nandi forests). In South Nandi forest 253 plant species form 82 families and 201 genera were recorded while in North Nandi 181 species comprising 67 families and 155 genera were recorded. Jackknife second order estimators gave the highest species richness estimate for both South and North Nandi forests i.e. 284 and 209, respectively. In the case of highly disturbed and less disturbed parts of South Nandi forest 138 and 172 vascular plant species were recorded, respectively. Asteraceae, Rubiaceae and Euphorbiaceae are the top three species rich families of Nandi forests. In terms of different diversity measures (i.e. alpha and beta diversity, Fisher alpha, Shannon diversity and evenness indices) South Nandi is more diverse than North Nandi forest. Sörensen and Jaccard (classic) as well as their respective abundance based similarities showed that there is a low species similarity between South and Nandi forests. The cluster analysis resulted in three different plant communities and this result is supported by the ordination result.
South and North Nandi forest has inverted "J" height class distribution showing that larger proportion of woody plant individuals are found in the lower height classes. Similar pattern is observed when the diameters of all woody plants were considered together. However, different diameter class distributions (seven types) were identified when selected tree species were analyzed separately. It has been observed that the basal area of South Nandi forest is significantly lower than that of North Nandi forest (Mann-Whitney U =358, p < 0.001). Similarly Bonjoge has significantly lower basal area (t-value=3.77, p<0.01) than that of Kobujoi. Number of woody plat seedlings in South Nandi forest is significantly higher than that of North Nandi (Mann-Whitney U = 362.5, p<0.001). In the same way Bonjoge has significantly smaller number of ssedlings than Kobujoi (t-value 4.24, p<0.001). Most of species in both forests are able to resprout from stumps after physical damage; hence this helps the regeneration of the forests in addition to seedling banks. This study enables to fill some of the information gaps about Nandi forests especially of floristic composition, population structure, natural regeneration and human impacts on this ecosystem.
The concept of hard and soft news (HSN) is regarded as one of the most important concepts in journalism research. Despites this popularity, two major research voids can be assigned to the concept. First, it lacks conceptual clarity: the concept gets used interchangeably with related concepts such as sensationalism, which has led to fuzzy demarcations of HSN. Also, it is still not agreed on of which dimensions the concept in composed. Second, little is known about the factors that influence the production of news in terms of their hard or soft nature. The present disserta-tion casts a twofold glance on the HSN concept – it aims to assess the conceptual status of the concept and production of hard and soft news.
At the outset, this dissertation delineates the theoretical base for three manuscripts in total and presented considerations on concepts in social sciences in general and hard and soft news in particular as well as the production of news, particularly of hard and soft news. The first paper proposed a theoretical frame-work model to distinguish HSN and related concepts. Based on a literature review of in total five concepts, this model suggested a hierarchy in which these concepts can be discerned according to their occurrence in media content. The second pa-per focused on the inner coherence of the HSN concept in its most recent academ-ic understanding. The results of a factorial survey with German newspaper jour-nalists showed that, indeed, four out of five dimensions of the HSN concept com-prised what the journalists understood by it. Hence, the most recent academic un-derstanding is to a great extent coherent. The third study shed light on the produc-tion of HSN, focusing on the influence of individual journalists’ and audience’s characteristics on whether news was presented in hard or soft way. The findings of a survey with simulated decision scenarios among German print journalists showed that the HSN dimensions were susceptible to different journalistic influ-ences and that a perceived politically uninterested audience led to a softer cover-age. The dissertation concluded with connecting these findings with the considera-tions on concept evaluation and the production of news. Implications for research on and with the concept of HSN were presented, before concluding with limitations and suggestions for future research.
Streams are coupled with their riparian area. Emerging insects from streams can be an important prey in the riparian area. Such aquatic subsidies can cause predators to switch prey or increase predator abundances. This can impact the whole terrestrial food web. Stressors associated with agricultural land use can alter insect communities in water and on land, resulting in complex response patterns of terrestrial predators that rely on prey from both systems.
This thesis comprises studies on the impact of aquatic nsects on a terrestrial model ecosystem (Objective 1, hapter 2), the influence of agricultural land use on riparian spiders’ traits and community (Objective 2, Chapter 3), and on the impact of agricultural land use on the contribution of different prey to spider diet (Objective 3, Chapter 4).
In chapter 2, I present a study where we conducted a mesocosm experiment to examine the effects of aquatic subsidies on a simplified terrestrial food web consisting of two types of herbivores (leafhoppers and weevils), plants and predators (spiders). I focused on the prey choice of the spiders by excluding predator immigration and reproduction. In accordance with predator switching, survival of leafhoppers increased in the presence of aquatic subsidies. By contrast, the presence of aquatic subsidies indirectly reduced weevils and herbivory.
In chapter 3, I present the results on the taxonomic and trait response of riparian spider communities to gradients of agricultural stressors and environmental variables, with a particular emphasis on pesticides. To capture spiders with different traits and survival strategies, we used multiple collection methods. Spider community composition was best explained by in-stream pesticide toxicity and shading of the stream bank, a proxy for the quality of the habitat. Species richness and the number of spider individuals, as well as community ballooning ability, were negatively associated with in-stream pesticide toxicity. In contrast, mean body size and shading preference of spider communities responded strongest to shading,
whereas mean niche width (habitat preference for moisture and shading) responded strongest to other environmental variables.
In chapter 4, I describe aquatic-terrestrial predator-prey relations with gradients of agricultural stressors and environmental variables. I sampled spiders, as well as their aquatic and terrestrial prey along streams with an assumed pesticide pollution gradient and determined their stable carbon and nitrogen signals. Potential aquatic prey biomass correlated positively with an increasing aquatic prey contribution of T. montana. The contribution of aquatic prey to the diet of P. amentata showed a positive relationship with increasing toxicity in streams.
Overall, this thesis contributes to the emerging discipline of cross-ecosystem ecology and shows that aquatic-terrestrial linkages and riparian food webs can be influenced by land use related stressors. Future manipulative field studies on aquatic-terrestrial linkages are required that consider the quality of prey organisms, fostering mechanistic understanding of such crossecosystem effects. Knowledge on these linkages is important to improve understanding of consequences of anthropogenic stressors and to prevent further losses of ecosystems and their biodiversity.
Die voranschreitende Vernetzung von Fahrzeugen wird einen erheblichen Einfluss auf die Mobilitätslösungen von Morgen haben. Solche Systeme werden stark auf den zeitnahen Austausch von Informationen angewiesen sein, um die funktionale Zuverlässigkeit, Sicherheit von Fahrfunktionen und somit den Schutz von Insassen zu gewährleisten. Allerdings zeigt sich bei näherer Betrachtung der verwendeten Kommunikationsmodelle heutiger Netzwerke, wie beispielsweise dem Internet, dass diese Modelle einem host-zentrierten Prinzip folgen. Dieses Prinzip stellt das Management von Netzwerken mit einem hohen Grad an mobilen Teilnehmern vor große Herausforderungen hinsichtlich der effizienten Verteilung von Informationen. In den vergangen Jahren hat sich das Information-Centric Networking (ICN) Paradigma als vielversprechender Kandidat für zukünftige datenorientierte mobile Netzwerke empfohlen. Basierend auf einem lose gekoppelten Kommunikationsmodell unterstzützt ICN Funktionen wie das Speichern und Verarbeiten von Daten direkt auf der Netzwerkschicht. Insbesondere das aktive, gezielte Platzieren von Daten nahe der Benutzer stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Datenbereitstellung in mobilen Netzen dar. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung von Strategien zum orchestrieren und aktiven Platzieren von Daten für Fahrzeuganwendungen im Netzwerk für mobile Teilnehmer. Im Rahmen einer Analyse unterschiedlicher Fahrzeugapplikationen und deren Anforderungen, werden neue Strategien für das aktive Platzieren vorgestellt. Unter Verwendung von Netzwerksimulationen werden diese Strategien umfangreich untersucht und in im Rahmen eines prototypischen Aufbaus unter realen Bedingungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen in der zeitnahen Zustellung von Inhalten (die Verfügbarkeit spezifischer Daten wurde im Vergleich zu existierenden Strategien um bis zu 35% erhöht), während die Auslieferungszeiten verkürzt wurden. Allerdings bedingt das aktive Platzieren und Speichern von Daten auch Risiken der Datensicherheit und Privatsphäre. Auf der Basis einer Sicherheitsanalyse stellt der zweite Teil der Arbeit ein Konzept zur Zugriffskontrolle von gespeicherten Daten in verteilten Fahrzeugnetzwerken vor. Abschließend werden offene Problemstellungen und Forschungsrichtungen im Kontext Sicherheit von verteilten Berechnungsarchitekturen für vernetze Fahrzeugnetzwerke diskutiert.
Dadurch, dass Silber-Nanopartikel (Ag NPs) vielfältig in Konsumartikeln eingesetzt werden, führt deren Auswaschung zu einer kontinuierlichen Freisetzung von Ag NPs in natürliche Gewässer. Dadurch werden bakterielle Biofilme, welche die vorherrschende Lebensform von Mikroorganismen in der aquatischen Umwelt darstellen, sehr wahrscheinlich mit diesen in Form eines Umweltschadstoffes onfrontiert. Ungeachtet der bedeutsamen ökologischen Relevanz von bakteriellen Biofilmen in aquatischen Systemen und obwohl erwartet wird, dass Ag NPs in diesen Biofilmen in der Umwelt akkumulieren, liegt der Wissensstand hinsichtlich der umweltbedingten und ökologischen Auswirkung von Ag NPs hinter dem industriellen Wachstum der Nanotechnologie zurück. Demzufolge ist das Ziel dieser Dissertation, die Wirkungsbeziehung der Ag NP-Exposition gegenüber bakteriellen Biofilmen mit Ag NP-Immissionskonzentrationen und unter umwelt-relevanten Bedingungen zu erbringen. Infolgedessen wurden eine umfassende Reihe an Methoden angewendet, um zu untersuchen ob und inwiefern Ag NPs in zwei verschiedenen Größen (30 und 70 nm) und in umweltrelevanten Konzentrationen (600 - 2400 µg l-1) bakterielle Biofilme, d.h. monospecies- und Süßwasser-Biofilme, beeinträchtigen. Innerhalb des ersten Teils dieser Arbeit wurde ein neu entwickelter Assay validiert, um die mechanische Stabilität von monospecies Biofilmen des Bakteriums Aquabacterium citratiphilum zu untersuchen. In der ersten Studie, welche den Einfluss von Ag NPs auf die mechanische Stabilität von bakteriellen Biofilmen untersucht hat, wurden subletale Auswirkungen auf die mechanische Stabilität dieser Biofilme mit negativen Implikationen für die Biostabilisation festgestellt. Weiterhin wurde eine Mesokosmus-Studie konzipiert und durchgeführt, innerhalb der die Auswirkungen von Ag NPs auf Süßwasser-Biofilme eingehend unter realistischen Umweltbedingungen untersucht werden konnte, da es derzeit technisch noch sehr anspruchsvoll ist, die Ökotoxizität von Ag NPs in der Umwelt von Binnengewässern zu untersuchen. Innerhalb dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung der Biofilmeigenschaften eingesetzt und damit Erkenntnisse über die Resilienz von bakteriellen Süßwasser-Biofilmen gewonnen. Demgegenüber konnte mittels t-RFLP fingerprinting und phylogenetischen Untersuchungen basierend auf der Sequenzanalyse des 16S-rRNA-Gens nachgewiesen werden, dass die Exposition der Biofilme mit Ag NPs zu einer Verschiebung innerhalb der Zusammensetzung der bakteriellen Biofilmgemeinschaft führt, in der Ag NP-sensitive Arten von Ag NP-toleranten Arten, die besser an Ag NP Stress adaptiert sind, verdrängt wurden. Diese Verschiebung innerhalb der bakteriellen Biofilmgemeinschaft könnte die Biofilm-Leistungen beeinträchtigen, die intakte Biofilme auszeichnen, wie etwa den Abbau erhöhten Nährstoffeintrags, die Umwandlung und/oder den Abbau von Schadstoffen sowie Biostabilisation. Durch das Zusammenführen der wichtigsten Erkenntnisse dieser Dissertation konnten 4 generelle Wirkmechanismen durch die Ag NP-Behandlung identifiziert werden, die auf natürliche Süßwassersysteme übertragbar sein könnten: (i) Comamonadaceae wurden als Ag NP-tolerant identifiziert, (ii) Biofilme zeigen ein partiell resilientes Verhalten, (iii) die beiden eingesetzten verschiedenen Ag NP-Größen führten zu vergleichbaren Ergebnissen unabhängig von deren Größe oder Synthesemethode, (iv) Bakterielle Biofilme verfügen über eine hohe Aufnahmekapazität für Ag NPs, die auf eine kumulative Anreicherung hinweist.
This thesis was motivated by the need to advance the knowledge on the variability and dynamics of energy fluxes in lakes and reservoirs, as well as about the physical processes that regulate the fluxes at both the air and water side of the air-water interface.
In the first part, I re-examine how mechanical energy, resulting from its major source – the vertical wind energy flux - distributes into the various types of water motions, including turbulent flows and surface and internal waves. Although only a small fraction of the wind energy flux from the atmosphere is transferred to the water, it is crucial for physical, biogeochemical and ecological processes in lentic ecosystems. Based on extensive air- and water-side measurements collected at two small water bodies (< 10 km2), we estimated the energy fluxes and energy content in surface and in internal waves. Overall, the estimated energy fluxes and energy content agree well with results reported for larger water bodies, suggesting that the energetics driving the water motions in enclosed basins is similar, independently of the basin size. Our findings highlight the importance of the surface waves that receive the largest fraction of the wind energy flux, which strongly nonlinearly increases for wind speeds exceeding 3 m s-1. We found that the existing parameterization of the wave height as a function of wind speed and fetch length did not reproduce the measured wave amplitude in lakes. On average, the highest energy content was observed in basin-scale internal waves, together with high-frequency internal waves exhibiting seasonal variability and varies among the aquatic systems. During our analysis, we discovered the diurnal variability of the energy dissipation rates in the studied lake, suggesting biogenic turbulence generation, which appears to be a widespread phenomenon in lakes and reservoirs.
In the second part of the thesis, I addressed current knowledge gaps related to the bulk transfer coefficients (also known as the drag coefficient, the Stanton number and the Dalton number), which are of a particular importance for the bulk estimation of the surface turbulent fluxes of momentum, sensible and latent heat in the atmospheric boundary layer. Their inaccurate representation may lead to significant errors in flux estimates, affecting, for example, the weather and climate predictions or estimations of the near-surface current velocities in lake hydrodynamic models. Although the bulk transfer coefficients have been extensively studied over the past several decades (mainly in marine and large-lake environments), there has been no systematic analysis of measurements obtained at lakes of different size. A significant increase of the transfer coefficients at low wind speeds (< 3 m s-1) has been observed in several studies, but, to date, it has remained unexplained. We evaluated
the bulk transfer coefficients using flux measurements from 31 lakes and reservoirs. The estimates were generally within the range reported in previous studies for large lakes and oceans. All transfer coefficients increased substantially at low wind speeds, which was found to be associated with the presence of gusts and capillary waves (except the Dalton number). We found that the Stanton number is systematically higher than the Dalton number. This challenges the assumption made in the Bowen-ratio method, which is widely used for estimating evaporation rates from micrometeorological measurements. We found that the variability of the transfer coefficients among the lakes could be associated with lake surface area. In flux parameterizations at lake surfaces, it is recommended to consider variations in the drag coefficient and the Stanton number due to wind gustiness and capillary wave roughness while the Dalton number could be considered as constant at all wind speeds.
In the third part of the thesis, I address the key drivers of the near-surface turbulence that control the gas exchange in a large regulated river. As all inland waters, rivers are an important natural source of greenhouse gases. The effects of the widespread alteration and regulation of river flow for human demands on gas exchange is largely unknown. In particular, the near-surface turbulence in regulated rivers has been rarely measured and its drivers have not been identified. While in lakes and reservoirs, near-surface turbulence is mainly related to atmospheric forcing, in shallow rivers and streams it is generated by bottom friction of the gravity-forced flow. The studied large regulated river represents a transition between these two cases. Atmospheric forcing and gravity were the dominant drivers of the near-surface turbulence for a similar fraction of the measurement period. Based on validated scalings, we derived a simple model for estimating the relative contributions of wind and bottom friction to near-surface turbulence in lotic ecosystems with different flow depths. Large diel variability in the near-surface energy dissipation rates due to flow regulation leads to the same variability in gas exchange. This suggests that estimates of gas fluxes from rivers are biased by measurements performed predominantly during daytime.
In addition, the novelty in all the analyses described above is the use of the turbulent surface fluxes measured directly by the eddy-covariance technique – at the moment of writing, the most advanced method. Overall, this thesis is of a potential interest for a broad range of scientific disciplines, including limnology, micrometeorology and open channel hydraulics.
Die weltweite Vernetzung von semantischen Information schreitet stetig voran und erfährt mit der Linked Data Initiative immer mehr Aufmerksamkeit. Bei Linked Data werden verschiedene Datensätze aus unterschiedlichen Domänen und von diversen Anbietern in einem einheitlichen Format (RDF) zur Verfügung gestellt und miteinander verknüpft. Strukturell ist das schnell wachsende Linked Data Netzwerk sehr ähnlich zum klassischen World Wide Web mit seinen verlinkten HTML Seiten. Bei Linked Data handelt es sich jedoch um URI-referenzierte Entitäten, deren Eigenschaften und Links durch RDF-Triple ausgedrückt werden. Neben dem Dereferenzieren von URIs besteht mit SPARQL auch die Möglichkeit, ähnlich wie bei Datenbanken, komplexe algebraische Anfragen zu formulieren und über sogenannte SPARQL Endpoints auf einer Datenquelle auswerten zu lassen. Eine SPARQL Anfrage über mehrere Linked Data Quellen ist jedoch kompliziert und bedarf einer föderierten Infrastruktur in der mehrere verteilte Datenquellen integriert werden, so dass es nach außen wie eine einzige große Datenquelle erscheint. Die Föderation von Linked Data hat viele Ähnlichkeiten mit verteilten und föderierten Datenbanken. Es gibt aber wichtige Unterschiede, die eine direkte Adpation von bestehenden Datenbanktechnologien schwierig machen. Dazu gehört unter anderem die große Anzahl heterogener Datenquellen in der Linked Data Cloud, Beschränkungen von SPARQL Endpoints, und die teils starke Korrelation in den RDF Daten. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit primär mit der Optimierung von verteilten SPARQL Anfragen auf föderierten RDF Datenquellen. Die Grundlage dafür ist SPLENDID, ein effizientes Optimierungverfahren für die Ausführung von verteilten SPARQL Anfragen in einer skalierbaren und flexiblen Linked Data Föderationsinfrastruktur. Zwei Aspekte sind dabei besonders wichtig: die automatische Auswahl von passenden Datenquellen für beliebige SPARQL Anfragen und die Berechnung des optimalen Ausführungsplans (Join Reihenfolge) basierend auf einem Kostenmodell. Die dafür erforderlichen statistischen Information werden mit Hilfe von VOID-basierten Datenquellenbeschreibungen zur Verfügung gestellt. Darüberhinaus wird auch des Management verteilter statistischer Daten untersucht und eine Benchmark-Methodologie
Ökologische Bewertungsansätze auf der Grundlage des Makrozoobenthos in Euphratzuflüssen der Türkei
(2019)
Nachhaltiges Gewässermanagement erfordert Methoden zur Bewertung der ökologischen Gewässerqualität. Die Basis dafür zu entwickeln setzt langjährige limnologische Forschung voraus, die jedoch in der Türkei bisher nicht ausreichend vorhanden ist. Daher war es das Ziel dieser Doktorarbeit, Grundlagenforschung im Bereich der Gewässerökologie durchzuführen und Methoden zur Bewertung der ökologischen Gewässerqualität in der Türkei anhand der Untersuchung von benthischen Invertebraten bereitzustellen. Hierfür habe ich 17 Nebenflüsse des Euphrat mit ähnlicher Typologie/Gewässerordnung ausgewählt, die unter¬schiedlichen anthropogenen Belastungen bis gar keiner Beeinträchtigung ausgesetzt waren. Die Charakterisierung der natürlichen Bergbäche war der erste wichtige Schritt zur Analyse der ökologischen Qualität. Anhand von Gemeinschaftsindizes konnte ich feststellen, dass die hierfür ausgewählten fünf Bäche einen sehr guten ökologischen Zustand aufwiesen. Des Weiteren verglich ich die verschiedenen biologischen Indizes zwischen Frühling (Mai) und Herbst (September), um den optimalen Zeitpunkt der Beprobung festzustellen. Dabei zeigten sich erhebliche Unterschiede in der Makroinvertebratenzusammensetzung zwischen den beiden Jahreszeiten: Die Anzahl der Taxa und der Shannon-Index waren im Herbst deutlich höher als im Frühjahr. Anschließend untersuchte ich bei den Referenzbächen die Nahrungsressourcen des Makrozoobenthos mittels einer Isotopen-Analyse. Als wichtigste Basalressourcen für die benthischen Wirbellosen stellte ich FPOM und Biofilm fest. Infolgedessen unterteilte ich die 17 Bäche anhand der Ähnlichkeit ihrer Gemeinschafts-struktur in drei Qualitätsklassen, die von vier Gemeinschaftsindizes (EPT [%], EPTCBO [%], Anzahl der Individuen, Evenness) unterstützt worden sind. Hierbei wurden 23 Taxa als Indikatoren für die drei Qualitätsklassen identifiziert. Im nächsten Schritt habe ich zwei Möglichkeiten für die Bewertung der Qualitätsklassen entwickelt bzw. angepasst. Als erstes adaptierte ich den biotischen Index Hindu Kush-Himalaya an das Einzugsgebiet des Euphrat, in dem ich eine neue und ökoregionspezifische Score Liste (Euph-Scores) für 93 Taxa erstellt habe. Die gewichteten ASPT-Werte, die in der vorliegenden Arbeit in Euphrat Biotischer Score (EUPHbios) umbenannt worden sind, zeigten im Vergleich zu den anderen ASPT-Werten schärfere Differenzierungen der Qualitätsklassen. Somit erwies sich dieser modifizierte Index in der praktischen Anwendung als sehr aussagekräftig und gut umsetzbar. Als zweiten biologischen Index habe ich den Anteil der Habitat-Spezialisten vorgeschlagen. Um diesen Index zu berechnen, wurden Habitatpräferenzen der 20 häufigsten Makro-invertebraten anhand des neuen Habitat-Scores identifiziert. Der Anteil der Habitat-Spezialisten unterschied sich deutlich zwischen den drei Qualitätsklassen, mit höheren Werten in natürlichen Bächen als in belasteten. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse können in einem multimetrischen Index für ein türkisches Bewertungsprogramm für Fließgewässer verwendet werden.
In Europa ist die moderne Landwirtschaft eine der häufigsten Formen der Landnutzung, allerdings wird sie auch mit negativen Auswirkungen auf die Biodiversität in Agrarlandschaften in Verbindung gebracht. Lepidoptera (Nacht- und Tagfalter) bilden eine artenreiche Gruppe in Agrarsystemen, doch die Populationen vieler Falterarten sind rückläufig. Zu den Zielen der vorliegenden Arbeit gehörte es, Feldsäume in Agrarlandschaften zu erfassen und zu charakterisieren, Effekte realistischer Eintragsraten von Agrarchemikalien (Dünger und Pestizide) in Feldsäumen auf Lepidoptera zu untersuchen und Informationen zu den Bestäubungsleistungen von Nachtfaltern zu sammeln.
Feldsäume sind zwar häufige semi-natürliche Habitatelemente in Agrarökosystemen, aber es gibt nur wenige Informationen über ihre Struktur, Größe und Breite. Daher wurden Feldsäume in zwei deutschen Agrarlandschaften (je 4.000 ha) erfasst und es zeigte sich, dass ein Großteil dieser Säume schmaler als 3 m war (Rheinland-Pfalz: 85% der Feldsaumlänge, Brandenburg: 45% der Feldsaumlänge). In Deutschland müssen Landwirte bei solchen schmalen Feldsäumen keine Maßnahmen zur Verminderung von Pestizideinträgen (z.B. Pufferzonen) umsetzen. Agrarchemikalien werden deshalb insbesondere durch Überspritzung und Abdrift in schmale Feldsäume eingetragen. In solchen schmalen Feldsäumen konnten zwar Raupen nachgewiesen werden, doch ihre mittlere Abundanz war um 35 – 60% niedriger als auf Vergleichsflächen (Wiesen). Im Rahmen eines Feldversuchs sowie in Laborexperimenten zeigte sich, dass Raupen sensitiv auf Insektizideinträge (Pyrethroid, Lambda-Cyhalothrin) regieren. Zudem wurden auf insektizid-behandelten Silene latifolia Pflanzen 40% weniger Eier von Hadena bicruris Faltern gefunden als auf unbehandelten Kontrollpflanzen und die Blüten der behandelten Pflanzen wurden seltener von Nachtfaltern bestäubt. Lepidoptera können neben Insektizid- auch von Herbizideinträgen beeinflussen werden. Ranunculus acris L. Pflanzen wurden mit subletalen Raten eines Sulfonylurea-Herbizids behandelt und dann als Futterpflanzen für Mamestra brassicae L. Raupen genutzt; dies führte zu signifikant geringeren Raupengewichten, einer verlängerten Zeit bis zur Verpuppung und einer verlängerten Gesamtentwicklungsdauer verglichen mit Raupen, die an Kontrollpflanzen fraßen. Ursachen hierfür waren möglicherweise ein geringerer Nährwert oder eine höhere Konzentration von Abwehrstoffen in den herbizid-behandelten Pflanzen. Düngereinträge führten zu einer geringfügigen Erhöhung der Raupenabundanz in dem Feldversuch. Langfristig reduziert Dünger jedoch die Pflanzenvielfalt und dadurch wahrscheinlich auch die Raupendiversität.
Nachtfalter wie Noctuidae und Sphingidae sind Bestäuber für zahlreiche Pflanzenarten, z.B. viele Orchidaceae und Caryophyllaceae. Obwohl sie in den Agrarökosystemen der gemäßigten Breiten wahrscheinlich keine bedeutenden Bestäuber für Kulturpflanzen sind, können Nachtfalter aber für die Bestäubung der Wildpflanzen in semi-natürlichen Habitaten von Relevanz sein. Dabei wird die Rolle der Nachtfalter als Bestäuber zurzeit vermutlich unterschätzt und es werden Langzeitstudien benötigt, um die zeitlichen Schwankungen in ihrer Abundanz und Artenzusammensetzung berücksichtigen zu können.
Lepidopteren bilden eine artenreiche Organismengruppe in Agrarlandschaften, die auch wesentliche Ökosystem-Dienstleistungen erfüllen. Um Nacht- und Tagfalter besser zu schützen, sollten Einträge von Agrarchemikalien in (schmale) Feldsaumhabitate reduziert werden, beispielsweise durch Maßnahmen zur Risikominderung von Pestiziden und Agrarumweltprogramme.
Amphibian populations are declining worldwide for multiple reasons such as habitat destruction and climate change. An example for an endangered European amphibian is the yellow-bellied toad Bombina variegata. Populations have been declining for decades, particularly at the northern and western range margin. One of the extant northern range centres is the Westerwald region in Rhineland-Palatinate, Germany. To implement informed conservation activities on this threatened species, knowledge of its life-history strategy is crucial. This study therefore focused on different developmental stages to test predictions of life-history theory. It addressed (1) developmental, (2) demographic and (3) genetic issues of Bombina variegata as a model organism: (1) Carry-over effects from larval environment to terrestrial stages and associated vulnerability to predators were investigated using mesocosm approaches, fitness tests and predation trials. (2) The dynamics and demography of B. variegata populations were studied applying a capture-mark-recapture analysis and skeletochronology. The study was complemented through (3) an analysis of genetic diversity and structuring of B. variegata populations using 10 microsatellite loci. In order to reveal general patterns and characteristics among B. variegata populations, the study focused on three geographical scales: local (i.e. a former military training area), regional (i.e. the Westerwald region) and continental scale (i.e. the geographical range of B. variegata). The study revealed carry-over effects of larval environment on metamorph phenotype and behaviour causing variation in fitness in the early terrestrial stage of B. variegata. Metamorph size and condition are crucial factors for survival, as small-sized individuals were particularly prone to predator attacks. Yellow-bellied toads show a remarkable fast-slow continuum of the life-history trait longevity. A populations’ position within this continuum may be determined by local environmental stochasticity, i.e. an extrinsic source of variation, and the efficiency of chemical antipredator protection, i.e. an intrinsic source of variation. Extreme longevity seems to be an exception in B. variegata. Senescence was absent in this study. Weather variability affected reproductive success and thus population dynamics. The dispersal potential was low and short-term fragmentation of populations caused significant genetic differentiation at the local scale. Long-term isolation resulted in increased genetic distance at the regional scale. At the continental scale, populations inhabiting the marginal regions were deeply structured with reduced allelic richness. As consequence of environmental changes, short-lived and isolated B. variegata populations at the range margin may face an increased risk of extinction. Conservation measures should thus improve the connectivity among local populations and reinforce annual reproductive success. Further research on the intraspecific variation in B. variegata skin toxins is required to reveal potential effects on palatability and thus longevity.
Social Business Documents: An Investigation of their Nature, Structure and Long-term Management
(2018)
Geschäftsdokumente beinhalten wertvolle Informationen. Sie müssen verwaltet werden, um gesetzlichen Anforderungen zu entsprechen, als organisatorisches Wissen zu dienen und Risiken zu vermeiden. Veränderungen der Technologien haben jedoch zu neuen Dokumententypen und neuen Interaktionsmöglichkeiten mit Dokumenten geführt. So hat das Web 2.0 zur Entwicklung von Enterprise Collaboration Systems (ECS) geführt, die Mitarbeitern die Nutzung von Wiki-, Blog- oder Forum-Anwendungen für ihre Geschäftstätigkeiten ermöglichen. Ein Teil der in ECS erstellten Inhalte können dabei als Social Business Documents (SBD) bezeichnet werden. Im Vergleich zu traditionellen digitalen Dokumenten haben SBD eine andere Beschaffenheit und Struktur. SBD sind beispielsweise unstrukturierter und folgen keinem strikten Lebenszyklus. Diese Charakteristika bringen neue Herausforderungen beim Verwalten von SBD mit sich. Jedoch fehlen in der wissenschaftlichen Literatur derzeit Untersuchungen zu den Charakteristika von SBD, ihren Besonderheiten und ihrem Management.
Als theoretische Linse nutzt diese Arbeit Dokumenten-Theorien und dokumentarische Praktiken mit dem Ziel, die neuen Herausforderungen des Langzeitmanagement von SBD in ECS zu untersuchen. Durch einen interpretativen, explorativen Mixed-Method-Ansatz vereint diese Arbeit zwei Forschungsteile. Erstens werden die Beschaffenheit und Struktur von SBD durch die Analyse von vier Systemen untersucht und SBD-Informationsmodelle entwickelt. Diese zeigen die zugrundeliegenden Komponenten von SBD, die Struktur, die Funktionen, die enthaltenen Metadaten, sowie die große Bandbreite von SBD-Charakteristika auf. Der zweite Teil wurde mit Unternehmensvertretern durchgeführt und besteht aus einer Fokusgruppe, einer Fallstudie mit Tiefeninterviews und einem Fragebogen. Die Fokusgruppe zeigt, dass die genutzte Art von SBD bezogen auf ihren Inhalt und Speicherort unternehmensabhängig ist und es derzeit fast keine SBD-Management-Praktiken gibt. Die Fallstudie ermöglichte tiefe Einblicke in allgemeine Dokumentenmanagement-Aktivitäten und untersuchte die Anforderungen, Herausforderungen und Prozesse des SBD-Managements. Der Fragebogen konsolidierte und vertiefte die vorherigen Erkenntnisse und gibt Einblicke in den Wert von SBD, aktuelle Management-Praktiken sowie Herausforderungen und Bedürfnisse bei deren Management. Auch zeigt er auf, dass zwar alle Unternehmen Informationen im ECS speichern, die verwaltet werden sollten, jedoch kaum SBD-Management-Aktivitäten durchführt werden und so noch viele Herausforderungen bestehen.
Zusammenfassend erlauben die Ergebnisse einen Beitrag zu Praxis und Theorie. Die Praxis ist mittels eines Frameworks adressiert, welches die Anforderungen, Herausforderungen und Aktivitäten des SBD-Managements, die Unternehmen beim Langzeitmanagement beachten müssen, aufzeigt. Des Weiteren erlauben die Erkenntnisse den theoretischen Fortschritt der dokumentenbezogenen Praktiken durch die Erweiterung der Dokumententypen um SBD. Auch werden die bestehenden Probleme der Definition von Records in Bezug auf SBD erläutert sowie die Charakteristika von Dokumenten um jene von Social Business Documents erweitert.
The first group that was revised within my study is Ochralea Clark, 1865 (Hazmi & Wagner 2010a). I have checked the type specimen of most species that were originally described in Ochralea and there is no doubt that this genus is clearly distinct from Monolepta. Weise (1924) has synonymised Galeruca nigripes (Olivier, 1808) with O. nigricornis Clark, 1865 and the valid name of the species is O. nigripes (Olivier, 1808). Out of ten species originally described in this genus, only this species remain valid and O. pectoralis is a new synonym of O. nigripes. Additionally, Monolepta wangkliana Mohamedsaid, 2000 is very closely related to O. nigripes and need to be transferred to Ochralea. The second genus where the revision is still published is Arcastes Baly, 1865 (Hazmi & Wagner 2010b). I have checked the genitalic characters of A. biplagiata, and most of the type species of other Arcastes. Arcastes biplagiata possesses a peculiar shape of the median lobe and asymmetrically arranged endophallic structures. These peculiar characters are very useful to delimit this genus from the others. Therefore, only three valid species remain in Arcastes, while two new synonyms are found and fourrnother species need to be transferred to other genera. While checking the genitalic characteristics of type species of Arcastes sanguinea, thernmedian lobe as well as the spermatheca of this species possesses strong differences to A. biplagiata. The species was redescribed and transferred in a monotypic new genus Rubrarcastes Hazmi & Wagner, 2010c. The fourth genus that was already revised is Neolepta Jacoby, 1884. It was originally described on base of only two species by that time, N. biplagiata and N. fulvipennis. Jacoby has not designated a type species of the genus, and Maulik (1936) did it later, with the designation of N. biplagiata. Jacoby in his original description has only commented that Neolepta is very close and similar to Monolepta Chevrolat, 1837 and Candezea Chapuis, 1879. Subsequent authors have described further eight species, and transferred one species from Luperodes to it, summing up the total number of eleven described species in Neolepta. I have checked the genitalic characters of the type, N. biplagiata and have found out that the median lobe is not incised apically and stronger sclerotised ventral carinae with an apical hook close to the apex occur. Out of all described species, only two are closely related to the genero-type, N. sumatrensis (Jacoby, 1884) new combination and N. quadriplagiata Jacoby, 1886 that will remain in this group after the revision. All other species need to be transferred to other genera, including the newly described Paraneolepta and Orthoneolepta. The last distinct paper of this thesis presented the results on Monolepta Chevrolat, 1837. The massive number of Monolepta from the entire Oriental Region, with about 260 described species names is a more long-life project and not practicable within a PhD-study. Thus I have focused on the species of Monolepta known from the Sundaland area in this work. A comprehensive revision including the study of the primary types of the described species, has never been done for Monolepta from this sub-region, while new species have also been described in the last decade (e. g. Mohamedsaid 1993, 1997, 1998, 1999, 2000a,b, 2001, 2002, 2005).
On base of the most current species lists of Mohamedsaid (2001, 2004, 2005) and Kimoto (1990), the number of valid species described from this region is about 72. After my revision, only thirteen valid species can remain in Monolepta in the sense of the generotype M. bioculata (Wagner 2007), while seven species have been found as new synonyms, three have been already transferred to other genera and further 49 species need to be transferred to other genera.
Typischerweise erweitern Augmented Reality (AR)-Anwendungen die Sicht des Benutzers auf die reale Welt um virtuelle Objekte.
In den letzten Jahren hat AR zunehmend an Popularität und Aufmerksamkeit gewonnen. Dies hat zu Verbesserungen der benötigten Technologien geführt. AR ist dadurch für fast jeden zugänglich geworden.
Forscher sind dem Ziel einer glaubwürdigen AR, in der reale und virtuelle Welten nahtlos miteinander verbunden sind, einen großen Schritt näher gekommen. Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf Themen wie Tracking, Anzeige-Technologien und Benutzerinteraktion und schenken der visuellen und physischen Kohärenz bei der Kombination realer und virtueller Objekte wenig Aufmerksamkeit. Beispielsweise sollen virtuelle Objekte nicht nur auf die Eingaben des Benutzers reagieren, sondern auch mit realen Objekten interagieren. Generell wird AR glaubwürdiger und realistischer, wenn virtuelle Objekte fixiert oder verankert in der realen Szene erscheinen, sich nicht von der realen Szene unterscheiden und auf Veränderungen dieser Szene reagieren.
Diese Arbeit untersucht drei Herausforderungen im Bereich Maschinelles Sehen um dem Ziel einer glaubwürdig kombinierten Welt näher zu kommen, in der virtuelle Objekte wie reale erscheinen und sich ebenso verhalten.
Diese Dissertation konzentriert sich als erstes auf das bekannte Tracking- und Registrierungsproblem. Hierzu wird die Herausforderung von Tracking und Registrierung diskutiert und ein Ansatz vorgestellt, um die Position und den Blickpunkt des Benutzers zu schätzen, so dass virtuelle Objekte in der realen Welt fest verankert erscheinen. Linienmodelle, die dem Erscheinungsbild entsprechen und nur für Trackingzwecke relevante Kanten beinhalten, ermöglichen eine absolute Registrierung in der realen Welt und ein robustes Tracking. Einerseits ist es nicht notwendig, viel Zeit in die manuelle Erstellung geeigneter Modelle zu investieren, andererseits ist das Tracking in der Lage mit Änderungen innerhalb des zu verfolgenden Objekts oder Szene umzugehen. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von solchen Linienmodellen die Robustheit, Genauigkeit und Re-initialisierungsgeschwindigkeit des Tracking-Prozesses verbessert haben.
Zweitens beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Thema der Oberflächenrekonstruk\-tion einer realen Umgebung und präsentiert einen Algorithmus zur Optimierung einer laufenden Oberflächenrekonstruktion. Vollständige 3D-Oberflächenrekonstruktionen einer Szene
eröffnen neue Möglichkeiten um realistischere AR-Anwendungen zu erstellen. Verschiedene Interaktionen zwischen realen und virtuellen Objekten, wie Kollisionen und Verdeckungen, können physikalisch korrekt behandelt werden. Während sich die bisherigen Methoden darauf konzentrierten die Oberflächenrekonstruktionen nach einem Aufnahmeschritt zu verbessern, wird die Rekonstruktion während der Aufnahme erweitert, Löcher werden geschlossen und Rauschen wird reduziert. Um eine unbekannte Umgebung zu erkunden muss der Benutzer keine Vorbereitungen treffen. Das Scannen der Szene oder eine vorhergehende Auseinandersetzung mit der zugrundeliegenden Technologie ist somit nicht notwendig.
In Experimenten lieferte der Ansatz realistische Ergebnisse, bei denen bekannte Oberflächen für verschiedene Oberflächentypen erweitert und Löcher plausibel gefüllt wurden.
Anschließend konzentriert sich diese Dissertation auf die Behandlung von realistischen Verdeckungen zwischen realer und virtueller Welt. Hierzu wird die Herausforderung der Verdeckung als Alpha Matting Problem formuliert. Die vorgestellte Methode überwindet die Grenzen moderner Methoden, indem ein Überblendungskoeffizienten pro Pixel der gerenderten virtuellen Szene schätzt wird, anstatt nur deren Sichtbarkeit zu berechnen. In mehreren Experimenten und Vergleichen mit anderen Methoden hat sich die Verdeckungsbehandlung durch Alpha Matting als robust erwiesen und kann mit Daten, die durch preiswerte Sensoren aufgenommen wurden, umgehen. Hinsichtlich der Qualität, des Realismus und der praktischen Anwendbarkeit übertrifft die Methode die Ergebnisse von bisherigen Ansätzen.
Des Weiteren kann die Methode mit verrauschten Tiefendaten umgehen und liefert realistische Ergebnisse in Regionen, in denen Vorder- und Hintergrund nicht strikt voneinander trennbar sind (z.B. bei Objekten mit einer undeutlichen Kontur oder durch Bewegungsunschärfe).
Mathematical models of species dispersal and the resilience of metapopulations against habitat loss
(2021)
Habitat loss and fragmentation due to climate and land-use change are among the biggest threats to biodiversity, as the survival of species relies on suitable habitat area and the possibility to disperse between different patches of habitat. To predict and mitigate the effects of habitat loss, a better understanding of species dispersal is needed. Graph theory provides powerful tools to model metapopulations in changing landscapes with the help of habitat networks, where nodes represent habitat patches and links indicate the possible dispersal pathways between patches.
This thesis adapts tools from graph theory and optimisation to study species dispersal on habitat networks as well as the structure of habitat networks and the effects of habitat loss. In chapter 1, I will give an introduction to the thesis and the different topics presented in this thesis. Chapter 2 will then give a brief summary of tools used in the thesis.
In chapter 3, I present our model on possible range shifts for a generic species. Based on a graph-based dispersal model for a generic aquatic invertebrate with a terrestrial life stage, we developed an optimisation model that models dispersal directed to predefined habitat patches and yields a minimum time until these patches are colonised with respect to the given landscape structure and species dispersal capabilities. We created a time-expanded network based on the original habitat network and solved a mixed integer program to obtain the minimum colonisation time. The results provide maximum possible range shifts, and can be used to estimate how fast newly formed habitat patches can be colonised. Although being specific for this simulation model, the general idea of deriving a surrogate can in principle be adapted to other simulation models.
Next, in chapter 4, I present our model to evaluate the robustness of metapopulations. Based on a variety of habitat networks and different generic species characterised by their dispersal traits and habitat demands, we modeled the permanent loss of habitat patches and subsequent metapopulation dynamics. The results show that species with short dispersal ranges and high local-extinction risks are particularly vulnerable to the loss of habitat across all types of networks. On this basis, we then investigated how well different graph-theoretic metrics of habitat networks can serve as indicators of metapopulation robustness against habitat loss. We identified the clustering coefficient of a network as the only good proxy for metapopulation robustness across all types of species, networks, and habitat loss scenarios.
Finally, in chapter 5, I utilise the results obtained in chapter 4 to identify the areas in a network that should be improved in terms of restoration to maximise the metapopulation robustness under limited resources. More specifically, we exploit our findings that a network’s clustering coefficient is a good indicator for metapopulation robustness and develop two heuristics, a Greedy algorithm and a deducted Lazy Greedy algorithm, that aim at maximising the clustering coefficient of a network. Both algorithms can be applied to any network and are not specific to habitat networks only.
In chapter 6, I will summarize the main findings of this thesis, discuss their limitations and give an outlook of future research topics.
Overall this thesis develops frameworks to study the behaviour of habitat networks and introduces mathematical tools to ecology and thus narrows the gap between mathematics and ecology. While all models in this thesis were developed with a focus on aquatic invertebrates, they can easily be adapted to other metapopulations.
Wir leben in einer Welt, in der sich Umweltkrisen immer weiter zuspitzen. Um diese Krisen zu entschärfen, braucht es einen sozial-ökologischen Wandel, der mit Verhaltensänderungen in verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens einhergehen muss. Ausgehend von dieser gesellschaftlichen Aufgabe, befasst sich die vorliegende Dissertation mit der Frage, wie Verhaltensänderungen auf individueller Ebene angestoßen werden können. Mit dem weltweiten Problem von Plastik in der Umwelt wird ein aktuelles und sozialwissenschaftlich wenig erforschtes Themenfeld aufgegriffen. Es wird untersucht, welche psychologischen Faktoren einen Einfluss darauf haben, den eigenen Plastikkonsum zu reduzieren. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf Plastikverpackungen, die den größten Anteil der derzeitigen Plastikproduktion ausmachen. Eine Barriere, die das Aufnehmen von neuen Verhaltensweisen erschwert, stellen die eigenen Gewohnheiten dar. Phasen von Umbrüchen, wie der Umzug in eine neue Stadt, gelten als vielversprechend zur Veränderung von Gewohnheiten. Die Dissertation untersucht daher, ob solche Phasen des Wandels ein Gelegenheitsfenster öffnen können, um alte Gewohnheiten zu durchbrechen und Verhaltensänderungen anzustoßen. Vier Manuskripte nähern sich diesem Thema von einem zunächst breiten Fokus einer Literaturstudie bis hin zu fokussierten Interventionsstudien an. Das Literaturreview (Manuskript 1) fasst 187 Studien zum Umgang mit Plastik aus sozialwissenschaftlicher Perspektive zusammen. Darauf aufbauend, untersucht eine Online-Studie (N = 648) plastikfreie Verhaltensintentionen (Manuskript 2). In einem Strukturgleichungsmodell werden Prädiktoren für Verhaltensintentionen im privaten sowie politischen Bereich analysiert. Zwei Experimentalstudien im Pre-Post-Design schließen an das Verhalten im Privaten an (Manuskript 3 + 4). Es wird untersucht, ob eine Intervention, die während der Fastenzeit (N =140) oder während eines Aktionsmonats (N = 366) präsentiert wird, ein Gelegenheitsfenster zur Konsumreduktion von Plastikverpackungen darstellen kann. Die Ergebnisse der empirischen Arbeiten weisen Moral- und Kontrollüberzeugungen als stärkste Prädiktoren für Verhaltensreduktionen aus. Der Zeitpunkt einer Intervention beeinflusst zudem die Wahrscheinlichkeit ein neues Verhalten auszuprobieren. Die Studien zeigen erste Belege, dass Gelegenheitsfenster umweltfreundliche Verhaltensänderungen im Kontext des Plastikkonsums erleichtern können. Theoretische und praktische Implikationen, wie Gelegenheitsfenstern zu einer sozial-ökologischen Transformation beigetragen können, werden diskutiert.
Scientific and public interest in epidemiology and mathematical modelling of disease spread has increased significantly due to the current COVID-19 pandemic. Political action is influenced by forecasts and evaluations of such models and the whole society is affected by the corresponding countermeasures for containment. But how are these models structured?
Which methods can be used to apply them to the respective regions, based on real data sets? These questions are certainly not new. Mathematical modelling in epidemiology using differential equations has been researched for quite some time now and can be carried out mainly by means of numerical computer simulations. These models are constantly being refinded and adapted to corresponding diseases. However, it should be noted that the more complex a model is, the more unknown parameters are included. A meaningful data adaptation thus becomes very diffcult. The goal of this thesis is to design applicable models using the examples of COVID-19 and dengue, to adapt them adequately to real data sets and thus to perform numerical simulations. For this purpose, first the mathematical foundations are presented and a theoretical outline of ordinary differential equations and optimization is provided. The parameter estimations shall be performed by means of adjoint functions. This procedure represents a combination of static and dynamical optimization. The objective function corresponds to a least squares method with L2 norm which depends on the searched parameters. This objective function is coupled to constraints in the form of ordinary differential equations and numerically minimized, using Pontryagin's maximum (minimum) principle and optimal control theory. In the case of dengue, due to the transmission path via mosquitoes, a model reduction of an SIRUV model to an SIR model with time-dependent transmission rate is performed by means of time-scale separation. The SIRUV model includes uninfected (U) and infected (V ) mosquito compartments in addition to the susceptible (S), infected (I) and recovered (R) human compartments, known from the SIR model. The unknwon parameters of the reduced SIR model are estimated using data sets from Colombo (Sri Lanka) and Jakarta (Indonesia). Based on this parameter estimation the predictive power of the model is checked and evaluated. In the case of Jakarta, the model is additionally provided with a mobility component between the individual city districts, based on commuter data. The transmission rates of the SIR models are also dependent on meteorological data as correlations between these and dengue outbreaks have been demonstrated in previous data analyses. For the modelling of COVID-19 we use several SEIRD models which in comparison to the SIR model also take into account the latency period and the number of deaths via exposed (E) and deaths (D) compartments. Based on these models a parameter estimation with adjoint functions is performed for the location Germany. This is possible because since the beginning of the pandemic, the cumulative number of infected persons and deaths
are published daily by Johns Hopkins University and the Robert-Koch-Institute. Here, a SEIRD model with a time delay regarding the deaths proves to be particularly suitable. In the next step, this model is used to compare the parameter estimation via adjoint functions with a Metropolis algorithm. Analytical effort, accuracy and calculation speed are taken into account. In all data fittings, one parameter each is determined to assess the estimated number of unreported cases.