Image-based bathymetry mapping for shallow waters

Abstract

Η ακριβής βαθυμετρία και χαρτογράφηση του πυθμένα είναι σημαντική για πλήθος δραστηριοτήτων. Μέσω τεχνικών φωτογραμμετρίας, όρασης υπολογιστών και τηλεπισκόπησης, οι εικόνες μπορούν να παρέχουν μία χαμηλού κόστους εναλλακτική σε σχέση με τα συστήματα SONAR και LiDAR, παρέχοντας παράλληλα και την άκρως σημαντική εικονιστική πληροφορία. Ωστόσο, παρά το χαμηλό τους κόστος, επηρεάζονται άμεσα από τις οπτικές ιδιότητες του νερού και τις συνθήκες φωτισμού. Στα ρηχά νερά, η διάθλαση είναι ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει αρνητικά τη γεωμετρία και τη ραδιομετρία των εικόνων, είτε αυτές λαμβάνονται εκτός του νερού, είτε εντός αυτού, και συνεπώς των 3Δ ανακατασκευών που παράγονται από αυτές. Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων μεθόδων για τη βελτίωση της ακρίβειας και της δυνατότητας γενίκευσης των τεχνικών φωτογραμμετρίας, όρασης υπολογιστών και τηλεπισκόπησης που έχουν στόχο την 3Δ ανακατασκευή του πυθμένα ρηχών περιοχών, τόσο σε μικρής όσο και σε μεγάλης κλίμακας αποτυπώσεις. Για τη διόρθωση των γεωμετρικών επιδράσεων της διάθλασης, αναπτύχθηκε μία πρωτότυπη μέθοδος που εκμεταλλεύεται τεχνικές μηχανικής μάθησης ώστε να προβλέπει το σωστό βάθος των 3Δ νεφών σημείων που έχουν προκύψει από τεχνικές SfM-MVS, γνωρίζοντας μόνο το φαινόμενο βάθος. Η μέθοδος αυτή αποδεικνύεται εξαιρετικά ακριβής και ικανή να γενικεύει σε διαφορετικές περιοχές και συνθήκες λήψης δεδομένων. Επιπλέον, μία δεύτερη μέθοδος παρουσιάζεται, επεκτείνοντας μία state-of-the-art μέθοδο με στόχο τη διόρθωση των γεωμετρικών επιδράσεων της διάθλασης στις αρχικές εικόνες. Η επέκταση αυτή πενταπλασιάζει τη βυθομετρική ακρίβεια της state-of-the-art μεθόδου και τη μετατρέπει από επαναληπτική σε άμεση, επεκτείνοντας τα επιχειρησιακά της βάθη από τα 7.5 στα 15 μέτρα τουλάχιστον. Μέσω αυτής, παραδίδονται σωστότερες ορθοεικόνες και πιο λεπτομερείς υφές. Αποτελέσματα από πειράματα σε πραγματικά και συνθετικά δεδομένα αποδεικνύουν ότι η ακρίβεια των μεθόδων αυτών είναι εντός των αυστηρών πλαισίων του Διεθνούς Οργανισμού Υδρογραφίας και πως υπερτερούν άλλων state-of-the-art μεθόδων με τις οποίες συγκρίνονται εκτενώς. Για την αντιμετώπιση των ραδιομετρικών επιδράσεων της διάθλασης και συγκεκριμένα του φαινομένου των caustics, μία νέα μέθοδος προτείνεται, η οποία σε αντίθεση με τις μεθόδους που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία, δεν περιορίζεται από τη μορφή του ανάγλυφου του πυθμένα. Η μέθοδος εκμεταλλεύεται τεχνικές βαθιάς μηχανικής μάθησης και τη γεωμετρία της 3Δ σκηνής μέσω των χαρτών βάθους και διορθώνει το φαινόμενο στην εικόνα, αντικαθιστώντας μόνο τα «προβληματικά» εικονοστοιχεία με τιμές από τα αντίστοιχα της συνταυτισμένης εικόνας. Έτσι, διορθώνεται η εικόνα μόνο με πραγματική πληροφορία. Ύστερα από πειράματα σε πραγματικά δεδομένα, αποδεικνύεται ότι οδηγεί σε αύξηση των συνταυτίσεων μεταξύ των εικόνων και σε ένα πιο πλήρες 3Δ νέφος. Επιπλέον, παρουσιάζεται το πρώτο σύνολο εικόνων με caustics το οποίο είναι διαθέσιμο στην επιστημονική κοινότητα μαζί με αληθή δεδομένα εικόνων και ταξινόμησης. Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν στη διατριβή, δεν περιορίζονται από τα συστήματα και τους αισθητήρες λήψης καθώς τα πειράματα που διεξήχθησαν απέδειξαν ότι λειτουργούν κάτω από πλήθος συνθηκών και δεδομένων.