авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка и исследование методики обработки и классификации трехмерных данных лазерного сканирования

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Горькавый Илья Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ

ОБРАБОТКИ И КЛАССИФИКАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.32 – Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Сухомлин Владимир Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Клюшин Евгений Борисович

(МИИГАиК);

кандидат технических наук,
доцент
Комиссаров Александр Владимирович

(СГГА, г. Новосибирск).

Ведущая организация: Государственный Университет

по Землеустройству (ГУЗ).

Защита диссертации состоится “ _8_ ” _декабря_ 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.143.03 в Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, К-64, Гороховский пер. 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан “_31_”_октября_2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Климков Ю.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Авиационные лидары позволяют получать трёхмерные координаты сотен миллионов точек земной поверхности. Нетривиальной задачей обработки лидарных данных для генерации высокоточных цифровых моделей рельефа (ЦМР, Digital Terrain Model) является автоматическая классификация отражений лазерного луча на отражения от земли и от зданий и растительности. Эта математическая и алгоритмическая проблема до сих пор не решена с нужной точностью. Отсюда следует практическая и тоже нерешенная оптимальным образом задача: результат автоматический обработки нужно быстро визуализировать и, при обнаружении ошибок классификации, исправить.

Производители лидарных систем (Leica, Optech) предоставляют программы для обработки данных, но эти программы несовершенны по результативности; они созданы не в России, а за рубежом, и их математическое и алгоритмическое наполнение обычно не раскрывается. Такие программные пакеты не позволяют гибко подходить к решению новых задач, например, организации обработки лидарных данных вместе с многоспектральными изображениями, или перенастройки алгоритмов на классификацию радарных отражений.

Для решения описанных проблем автором предложен более эффективный математический метод классификации лидарных данных, а также гибкая архитектура программного комплекса. Предложенный метод, основанный на адаптивном анализе наклонов поверхности, позволяет избежать наиболее серьезных проблем предшествующих методов и повышает точность классификации, при этом его производительность позволяет обрабатывать данные в потоковом режиме. В работе детально описаны математические методы и алгоритмы, которые лежат в основе созданных программ, что позволяет самостоятельно реализовать аналогичный комплекс, максимально адаптированный под решаемые задачи.

При автоматизации решения задач обработки используются схожие алгоритмы распознавания и классификации объектов, фильтрации дефектов, интерполяции и триангуляции поверхностей, преобразования координатных систем. Автор предлагает вариант создания базовой архитектуры комплексов по обработке 3D данных, которая позволяет оперативно составлять новую комбинацию из имеющихся программных модулей, необходимых для решения широкого спектра задач обработки.

В России существуют хорошо известные школы фотограмметрии (например, в МИИГАиК), которые используют высокоэффективные методы построения трёхмерных моделей земной поверхности по аэрофотосъёмке. Математические методы обработки лидарных данных, которые представляют собой неравномерное трёхмерное облако точек, еще не достигли совершенства методов, развитых в фотограмметрии.

Важной особенностью предложенного автором решения для обработки лидарных данных является то, что в процессе обработки трёхмерное облако точек лидарных отражений редуцируется до трех наиболее информативных двумерных матриц, к которым могут применяться эффективные алгоритмы и решения, накопленные в фотограмметрии.

Цель и задачи. Разработка и исследование методики обработки и классификации трехмерных данных лазерного сканирования. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

  1. Анализ требований к методикам обработки лидарных данных; создание новых математических методов и алгоритмов обработки и классификации трехмерных данных лазерного сканирования.
  2. Разработка и построение эффективной модели представления данных.
  3. Создание принципиальной схемы обработки данных.
  4. Создание программ для обработки лидарных данных, включая визуализацию результата и средства интерактивной коррекции, исследование их эффективности.
  5. Внедрение в практику разработанной методики обработки и анализ результатов её использования.

Научная новизна работы. Автором создана и реализована новая методика обработки и классификации трехмерных геодезических данных лазерного сканирования, при этом:

  1. Предложен новый математический метод классификации данных лазерного сканирования, основанный на адаптивном анализе наклонов поверхности, а также алгоритм его реализации. Метод позволяет выделять точки, не принадлежащие земному рельефу, и отличается высокой производительностью и эффективностью.
  2. Построена новая модель представления трехмерных топографических данных, позволяющая преобразовать их в набор плоских матриц и, тем самым, использовать для обработки 3D данных математические методы и алгоритмы, ранее разработанные для 2D изображений.
  3. Предложен технологичный подход к созданию программных комплексов на основе использования базовой архитектуры из трех компонент – универсального системного ядра, функционального (алгоритмического) ядра и интерактивного ядра, а также разработана детальная спецификация этих компонент.
  4. Разработан ряд эффективных алгоритмических решений, обеспечивающих функциональную полноту созданного автором комплекса программ, включая трёхмерную визуализацию и коррекцию результатов.
  5. Создан автоматизированный комплекс (программных) средств АКС-ЛИДАР для получения инфракрасных изображений высокого разрешения и комплекс АКС-ЛИДАР-3D для генерации точной цифровой модели рельефа (ЦМР). Тестирование показало значительные преимущества разработанных методики и программ по сравнению с другими средствами обработки.

Практическая ценность работы. Разработка и реализация методов для обработки данных лидарной топографической съемки – новой и бурно развивающейся технологии трехмерных изображений – является весьма актуальной задачей. Улучшение точности цифровой трехмерной модели рельефа имеет большое практическое значение для топографии, гравиметрии, геоморфологии, моделирования наводнений, оползней и других физических процессов на рельефе.

Методика и программы, разработанные автором, прошли тестирование при получении инфракрасных изображений и трехмерных моделей рельефа с точностью высот 9-14 сантиметров для 20 тысяч кв. километров земной поверхности, сканированной самолетным лидаром с высоты около километра (акт внедрения ФГУП «Уралгеоинформ» от 10.08.2011).

Методы исследования. В диссертации применялись методы математического и численного моделирования, а также методы статистического анализа для определения точности полученных трехмерных моделей.

Апробация работы. Работа была доложена и обсуждена на:

  • 1-й международ. научно-практ. конф. «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (МГУ, 19-23 сентября 2005);
  • 2-й международ. научно-практ. конф. «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (МГУ, 18-21 декабря 2006);
  • научном семинаре в МИИГАиК (21 декабря 2006, Москва);
  • 3-й международ. научно-практ. конф. «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (МГУ, 8-11 декабря 2008);
  • научном семинаре в НИВЦ МГУ (19 февраля 2009);
  • научном семинаре кафедры АСВК ВМиК МГУ (17 сентября 2009);
  • научном семинаре в МИИГАиК (8 декабря 2010, Москва).

Cодержание и результаты диссертационной работы освещены в 7 публикациях [1-7], включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности диссертации [1,2,3], 1 статья (в соавторстве) в журнале из списка ВАК по вычислительной технике и информатике [4] и 3 статьи в сборниках международных конференций [5,6,7].

Объем и структура диссертации. Общий объём диссертации, состоящей из введения, пяти глав, заключения и списка литературы – 133 страницы, в том числе 48 иллюстраций и 3 таблицы. Список литературы содержит 93 наименования.

Краткое содержание диссертации. Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и основные результаты, выносимые на защиту; отмечены научная и практическая ценность работы.

Глава 1 описывает математические методы классификации лазерных отражений, соответствующих земной поверхности, включая метод виртуальных поверхностей, разработанный и применяемый в комплексе АКС-ЛИДАР-3D.

В разделе 1.1 описан лидарный метод получения 3D-данных. Плотность измерений – до нескольких точек на кв. метр, а количество измерений на типичный проект достигает миллиарда.

Диссертация основана на интенсивном опыте автора по развитию и апробации программных средств и математических методов для обработки данных лазерного авиасканирования в 2003-2009 годах [1-7].

Таблица 1 показывает примеры лидарной статистики из выполненных проектов.

Участок/размер Общее кол-во точек Первое отражение Последнее отражение Единств. отражение Точек рельефа Точек наземных объектов
Горы, 4.9 км2 4246006 0.6% 0.6% 98.8% 79.5% 20.5%
Лес, 0.34 км2 1218185 24.5% 24.6% 50.9% 34.2% 65.8%
Лес, 2.2 км2 1738686 50% 50% _ 24% 76%
Проект 1313 км2 730 млн 50% 50% _ 80.1% 19.9%


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.