Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы методы обработки изображений и распознавания образов активно развиваются в связи с возросшими возможностями электроники по качеству и скорости захвата фото- видеоданных. В свою очередь это породило активность в создании технических интеллектуальных систем на основе алгоритмов распознавания в самых разнообразных областях - охранные системы, слежение за движущимися объектами, таможенный контроль, биология, медицина, строительство и т.д.
В задачах неразрушающего контроля большое значение имеет анализ изображений, не явно видимых человеческим глазом, а полученных в результате визуализации измерительных данных специализированных приборов, например, таких как тепло- граммы - матрицы температурных значений, измеренных тепловизором; рентгенограммы, и т.д. Анализ и автоматизация поиска аномалий по таким сгенерированным изображениям является важной практической задачей в создании интеллектуальных систем неразрушающего контроля.
В последнее время наблюдается бурный рост индустрии приборов подповерхностного радиолокационного зондирования - георадаров, увеличивается количество производителей. Это связано с современными достижениями в вычислительной техники и радиоэлектроники. В связи с этим расширяются области применения георадаров: в геологии, транспортном строительстве, промышленном и гражданском строительстве, экологии, археологии, оборонной промышленности и т.д.
В геологии георадары применяются для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод, толщины льда, глубины и профиля дна рек и озёр, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот. В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) георадары используются для определения толщины конструктивных слоёв дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров дорожно-строительных материалов, оценки оснований под транспортные сооружения, определения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях, эрозии грунтов на участках мостовых переходов. В археологии при помощи георадаров устанавливают места нахождения археологических объектов и границы их распространения. В оборонной промышленности георадары могут быть использованы для обнаружения мест заложения мин, расположения подземных тоннелей, коммуникаций, складов, техники.
Исследованию вопросов подповерхностной радиолокации посвящены работы Белозерова А.А., Буслаева А.П., Владова М.Л., Гринева А.Ю., Денисова Р.Р., Жарикова А.А., Золотарева В.П., Ивашова С.И., Карпухина В.И., Кофмана Л.М., Кулижни- кова А.М., Кутева В.А., Лаврухина С.В., Макечеевой И.В., Мендельсона В.А., Метел- кина В.Н., Поспелова П.И., Старовойтова А.В., Сычева Г.Н., Финкельштейна М.И., Шабашевой М.Л., Шапиро Д.М., Яшиной М.В. и других.
В тоже время многие исследователи отмечают несовершенство методов обработки георадиолокационных данных. В отличие от классической радиолокации, где разработаны и широко применяются самые современные методы статистической и интеллектуальной обработки сигналов, нейросетевые алгоритмы, в области подповерхностного георадарного зондирования используются традиционные подходы (методы миграции, деконволюции, линейной фильтрации и т. п.), весьма далекие от оптимальных.
Таким образом, диссертационная работа направлена на разработку и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, полученных со специализированных приборов подповерхностной радиолокации, алгоритмов синтеза изображений по получаемым в реальном времени данным и обнаружение в них закономерностей, а также на создание методов распознавания образов и получение решающих правил для проектирования интеллектуальных автоматизированных систем неразрушающего контроля дорожных одежд.
Изображение в подповерхностной радиолокации возникает как результат интерпретации данных георадара. Традиционные алгоритмы восстановления изображений предполагают ручные методы исследования при интерпретации гео-данных.
Задача состоит в том, чтобы адекватно в автоматическом режиме восстанавливать реальную картину слоев.
Разработка методов восстановления изображений при подповерхностной радиолокации представляет собой разработку программно-аппаратных комплексов, позволяющих в автоматическом режиме и в реальном времени получать, обрабатывать и выводить информацию о георадиолокационных измерениях.
Разработка программного обеспечения, позволяющая в реальном времени получать и обрабатывать георадиолокационную информацию является актуальной задачей, так как позволит значительно уменьшить время на обработку и интерпретацию данных и иметь целостную картину измерений в любой момент времени, что может увеличить информационную потребность коллективных и индивидуальных пользователей.
Объектом исследования является процесс создания, накопления и обработки информации, принимаемой со специализированных приборов для восстановления изображений.
Предметом исследования являются формы отображения радарограмм, выделение на них геологических слоев и распознавание реальных объектов.
Цель диссертации состоит в разработке метода восстановления изображений со специализированных приборов с применением современных информационных технологий на базе использования средств вычислительной техники.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
изучены физические основы подповерхностной радиолокации;
изучены принципы работы с георадарами ОКО2 и стандартного программного обеспечения GeoScan32, а также проведены многочисленные эксперименты в лабораторных и полевых условиях, на основе которых выявлен ряд существенных недостатков стандартной схемы работы с прибором;
разработана процедура независимой привязки георадиолокационного профиля, снятого стандартным ПО GeoScan32 к GPS-данным, принимаемым внешним GPS-приемником;
разработано программное обеспечение GeoControl, позволяющее в реальном времени принимать данные с антенн георадара, GPS-приемника и фотокамеры, а также сохранять полученную информацию в структурированном виде;
разработано программное обеспечение GeoRoadSystem, позволяющее обрабатывать полученные данные и представлять их в виде картины геологических слоев;
разработана программно-технологическая система на базе мобильной лаборатории для проведения полевых испытаний;
разработана процедура решения прямой и обратной задач георадиолокации в математической модели «оригинал-образ»;
получены результаты экспериментов по оценке точности восстановления геометрических характеристик объектов;
Методы исследования
В диссертации используются методы теории цифровой обработки сигналов, теории подповерхностной радиолокации, методы обработки изображений.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью теоретических моделей, а также адекватностью методов, используемых для получения экспериментальных результатов, и их сравнением с теоретическими оценками. Научная новизна результатов
-
-
Предложено использовать синтез изображений по данным радарограмм, GPS- информации и фото-изображениям, позволяющий в реальном времени иметь целостную картину проводимых измерений для ее автоматизированной обработки.
-
Разработаны алгоритмы решения прямой и обратной задач подповерхностной радиолокации в математических моделях «оригинал-образ». Использование этих алгоритмов, а также экспериментальные исследования позволили провести анализ влияния диаграмм направленности антенн георадаров на достоверность восстановления профилей.
-
Получены экспериментальные результаты, подтверждающие наличие ошибки восстановления границы раздела сред, имеющей сложную геометрическую форму.
Личный вклад
Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором лично.
Практическая значимость
-
-
-
Разработана программно-технологическая цепочка на базе мобильной дорожной лаборатории «МУДРец» (Мобильный Улично-Дорожный Рецептор), позволяющая в реальном времени получать и обрабатывать георадиолокационные данные, навигационную информацию, а также фото-изображения с места проведения измерений.
-
В результате экспериментов и построения математической модели «оригинал- образ» проведена оценка точности восстановления подповерхностной картины.
Результаты исследований использованы в научно-образовательном центре «Интеллектуальный мониторинг, связь и управление на транспорте» (НОЦ ИМСУТ МТУСИ) в рамках проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Теоретические и прикладные вопросы создания систем интеллектуального мониторинга и управления распределенными процессами», ГК № 14.740.11.0397 от 20.09.2010, а также в учебном процессе на кафедре МТУСИ «Математическая кибернетика и информационные технологии».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах в научно-образовательном центре «Интеллектуальный мониторинг, связь и управления на транспорте» (НОЦ ИМСУТ МТУСИ) в рамках проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Теоретические и прикладные вопросы создания систем интеллектуального мониторинга и управления распределенными процессами», ГК № 14.740.11.0397 от 20.09.2010, а также в рамках проекта «Методические рекомендации по повышению качества инженерно-геологических изысканий при проектировании строительства (реконструкции) автомобильных дорог общего пользования с применением подповерхностного зондирования», ГК-УД 47203 от 17.07.2007, на внутреннем совещании Федерального управления Автомобильных дорог Центральная Россия ФГУ, на ежемесячных семинарах кафедры Математической Кибернетики и Информационных Технологий МТУСИ.
Акты внедрения результатов работы прилагаются.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 в рецензируемых периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Созданное расширение стандартного программного обеспечения GeoScan32 позволяет осуществить корректную привязку георадиолокационного профиля к географической информации.
-
Разработанные алгоритмы решения прямой и обратной задач восстановления изображений при подповерхностной радиолокации в математических 2D и 3D моделях «оригинал-образ» позволяют анализировать влияние диаграммы направленности антенны георадара на достоверность интерпретируемости профиля.
-
Разработанная программная система позволяет автоматизировать процесс сбора, хранения и обработки информационного вектора, включающего в себя георадиолокационную, навигационную, а также фото- информацию, в задачах качественного анализа исследуемой среды, в частности, слоев дорожной одежды.
-
Разработанный программно-технологический комплекс на базе мобильной лаборатории позволяет получать и обрабатывать данные подповерхностной радиолокации.
-
Проведенная оптимизация приема информации позволяет синхронизировать информационные потоки данных, принимаемых с нескольких устройств для различных алгоритмов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований. Диссертация содержит 121 страниц текста, включая 63 рисунка, 2 таблицы и 1 приложение.
Похожие диссертации на Разработка метода восстановления изображения со специализированных приборов
-
-
-
-
-
-
