Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Методы и алгоритмы построения фотоплана местности посредством аэрофотосъемки с помощью беспилотного летательного аппарата Власов Виктор Викторович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Власов Виктор Викторович. Методы и алгоритмы построения фотоплана местности посредством аэрофотосъемки с помощью беспилотного летательного аппарата: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.01 / Власов Виктор Викторович;[Место защиты: ФГБОУ ВО Белгородский государственный технологический университет им.В. Г.Шухова], 2016

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время существенно возросло использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для осуществления аэрофотосъемки строительной и жилищно-коммунальной территорий, что ведет к возникновению потребности в автоматизированной обработке результатов аэрофотосъемки. Одна из распространенных задач обработки – это автоматическое нахождение области перекрытия и совмещение отдельных изображений, т.н.сшивка изображений в единый фотоплан местности. Полученная в результате сшивки информация об области перекрытия и взаимном расположении фотографий может быть использована для построения точных и актуальных планов местности, анализа каких-либо событий или изменений на местности. Эти данные являются важным средством информационного обеспечения принятия управленческих решений при реализации ряда практических задач– планирование застройки территории, возведение и реконструкция строительных объектов различного назначения, организация эффективного функционирования их инженерной инфраструктуры (энерго-, тепло-, водоснабжение и т.п.), обеспечение техносферной безопасности, выявление незаконного использования энергетической инфраструктуры, незаконных свалок отходов.

Применение космических средств дистанционного зондирования и традиционных методов аэрофотосъемки для решения подобных задач не всегда возможно и эффективно из-за недостаточности во многих случаях разрешения получаемых фотоснимков, чувствительности к погодным условиям, недостаточной оперативности при проведении мониторинга местности, сложности построения 3D-моделей местности, недостаточной гибкости при определении маршрутов полетного задания, довольно высокой стоимости работ. Эти недостатки значительно в меньшей степени проявляются при применении для целей дистанционного зондирования БПЛА.

Проблемой проведения и интеллектуальной обработки фотоснимков занимались многие ученые, среди которых Родионов Б.Н., Быков Л.В., Гельман Р.Н., Антипов А.В., Архипов О.П., Волков А.А., которые, в том числе, обосновывали возможность практического использования аэрофотосъемки для решения задач мониторинга и картографирования территорий. Усилиями известных ученых, таких как Трунин Ю.М., Смирнов С.А., Бобир Н.Я., Калантаров Е.И. и др., разработаны методы проективной фотограмметрии. Они подготовили теоретическую основу методов и предложили алгоритмы обработки изображений, полученных в результате аэрофотосъемки. Среди зарубежных ученых большой вклад в исследования внесли Пацифичи Ф., Шекелфорд А.К., Чжан И., Хуан Х., которые занимались проблемой классификации пространственных данных по типу рельефа местности.

Под местностью в контексте исследования понимаются территории городской и сельской застройки, коммуникации (дороги, ЛЭП, трубопроводы и др.), и иные территории с наблюдаемыми признаками хозяйственной деятельности человека.

Процесс построения фотопланов местности начинается с выделения ключевых точек на изображениях, благодаря чему становятся возможными поиск и

сопоставление изображений, имеющих перекрытие. До настоящего времени полностью не решена проблема выбора типа, параметров и опциональных возможностей алгоритма детектирования ключевых точек, т.е. его профиля. В большинстве систем, используемых для построения фотоплана местности, используется один, задаваемый на этапе проектирования, профиль детектирования ключевых точек для всего множества изображений вне зависимости от их параметров. Однако данный профиль может быть не предпочтительным даже на множестве изображений одного типа и назначения. Также существуют системы с возможностью выбора профиля детектирования из множества нескольких возможных. При этом данная задача целиком возлагается на пользователя, обычно не являющегося специалистом в области построения фотопланов местности из множества фотоснимков, полученных в результате проведения аэрофотосъемки, и, следовательно, не обладающего достаточной компетенцией для выбора предпочтительного профиля, т. е. обеспечивающего наилучший результат. Таким образом, оба вышеуказанных подхода, в общем случае, не позволяют выбирать предпочтительный профиль детектирования.

Следовательно, научная задача разработки подходов и алгоритмов, обеспечивающих выбор профиля сшивки для каждого конкретного аэрофотоснимка, независимо от опыта и интуиции, как разработчика, так и пользователя системы картографирования, является актуальной.

Объектом исследования является процесс получения и обработки фотоснимков местности, полученных в ходе проведения аэрофотосъемки с помощью БПЛА.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы построения фотоплана местности посредством аэрофотосъемки с использованием БПЛА.

Целью исследования является повышение качества фотоплана местности за счет выбора предпочтительного профиля детектирования ключевых точек для каждого множества изображений, полученных в результате выполнения аэрофотосъемки с помощью БПЛА.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Обзор и сравнительный анализ основных известных алгоритмов детектирования ключевых точек на изображениях.

  2. Разработка алгоритма выбора предпочтительного профиля детектирования.

  3. Разработка методики получения аэрофотоснимков местности с помощью БПЛА.

  4. Разработка алгоритма классификации изображений исследуемой местности для выбора предпочтительного профиля детектирования ключевых точек.

  5. Разработка архитектуры и программного обеспечения автоматизированной системы построения фотопланов местности с помощью БПЛА в ходе проведения автоматической аэрофотосъемки местности.

Методы исследования. В качестве основных средств теоретических исследований использовались методы системного анализа, линейной алгебры, математической морфологии, классификации изображений посредством машинного обучения, анализа и цифровой обработки изображений.

Научная новизна диссертационного исследования:

  1. Разработан алгоритм поиска предпочтительных профилей детектирования ключевых точек на изображениях, полученных в результате проведения аэрофотосъемки, отличающийся учетом пространственных особенностей местности для подбора профиля на основе предварительной классификации данных о рельефе местности.

  2. Разработана методика получения аэрофотоснимков с помощью БПЛА в ходе проведения аэрофотосъемки территорий жилищно-коммунальных хозяйств в автоматическом режиме, отличающаяся применением бортового вычислителя, позволяющего проводить необходимые для сшивки элементов изображений расчеты, причем обеспечивается возможность непрерывного мониторинга местности независимо от качества сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.

  3. Разработан алгоритм классификации изображений местности по рельефу для выбора предпочтительного профиля детектирования ключевых точек на изображениях, полученных в результате проведения аэрофотосъемки, отличающийся использованием модифицированного аппарата математической морфологии и данных из цифровой модели рельефа.

Соответствие специальности:

Выполненная работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.01: пункт 4 –Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации; пункт 10 –Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах; пункт 12 – Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации.

Практическая значимость результатов исследований заключается в том, что разработанные теоретические положения реализованы в виде комплекса алгоритмов и программ (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015618757). Результаты работы были использованы в ходе деятельности НОЦ «СЦУиСУ» и ООО «Квадрион». Ее применение в системах мониторинга местности позволяет проводить эксперименты по построению фотопланов местности получением количественных данных процесса сшивки.

Участие в научных и инновационных программах.

1. Работа выполнена автором в качестве руководителя проекта в рамках НИОКР Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере проект №10336ГУ2/2015 «Создание программного обеспечения для построения фотопланов местности при аэрофотосъемке с помощью беспилотного летательного аппарата» 2014-2016гг.

  1. Результаты работы были использованы в ходе проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 29.09.2014 № 14.581.21.0003 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» «Исследования и разработка новой цифровой портативной фото/видео аппаратуры для панорамной съемки».

  2. Результаты работы были использованы в ходе проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20.11.2014 № 14.575.21.0099 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» «Исследование и разработка технологии построения закрытых виртуальных сред организации распределенных информационно-вычислительных ресурсов в глобальном сетевом пространстве в форме защищенной сети порталов на основе открытых протоколов сетевого взаимодействия и безопасной аутентификации пользователей с использованием компонентов с открытым программным кодом».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительные отзывы на следующих конференциях:

  1. Первой международной научной конференции Electronic governance and open society: challenges in Eurasia (EGOSE-2014) 2014, г.Санкт-Петербург.

  2. Международной научно-технической Интернет-конференции «Информационные системы и технологии (ИСиТ-2015)».

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 статьи в журналах, рецензируемых в Scopus. По результатам исследований получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 157 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 2 приложений; содержит 12 таблиц и 53 рисунка.