Luận án tiến sĩ nghiên cứu nâng cao độ chính xác của mô hình số độ cao dạng grid bằng mạng neuron hopfield

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG MẠNG NEURON HOPFIELD LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG MẠNG NEURON HOPFIELD Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 52 05 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUANG MINH HÀ NỘI - 2021 i Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu sử dụng kết phân tích, trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hương ii MỤC LỤC Lời cam đoan i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH v DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO, MẠNG NEURON VÀ ỨNG DỤNG MẠNG NEURON HOPFIELD TRONG CÁC BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA 1.1 Tổng quan mô hình số độ cao 1.1.1 Các khái niệm định nghĩa mơ hình số độ cao 1.1.2 Các cấu trúc mơ hình số độ cao (DEM) 10 1.1.3 Các phương pháp thành lập mơ hình số độ cao (DEM) 18 1.1.4 Độ xác bề mặt mơ hình số địa hình (DEM) 20 1.1.5 Các ứng dụng mơ hình số độ cao 24 1.1.6 Cơng tác thành lập DEM ngồi nước 26 1.1.7 Một số nghiên cứu cải thiện đánh giá độ xác DEM 30 1.2 Tổng quan mạng neuron 37 1.2.1 Cấu tạo neuron sinh học 38 1.2.2 Nguyên lý hoạt động neuron 38 1.2.3 Khái niệm cấu trúc mạng neuron nhân tạo 39 1.2.4 Phân loại mạng neuron 41 1.2.5 Đặc điểm mạng neuron nhân tạo 43 1.2.6 Ứng dụng mạng neuron nhân tạo 44 1.2.7 Mạng neuron Hopfield 45 1.2.8 Ứng dụng mạng neuron Hopfield tốn tối ưu hóa 46 1.3 Luận giải tăng độ phân giải không gian grid DEM 47 iii 1.4 Một số nghiên cứu tiêu biểu tăng độ phân giải không gian tăng độ xác DEM 48 1.5 Chương Kết luận chương 50 KHẢO SÁT VỀ KHẢ NĂNG TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GRID DEM BẰNG CÁC THUẬT TOÁN TÁI CHIA MẪU 52 2.1 Các phương pháp đánh giá độ xác grid DEM 52 2.1.1 Phương pháp đánh giá trực quan 53 2.1.2 Phương pháp đánh giá định lượng 54 2.2 Một số thuật toán tái chia mẫu (Resampling) phổ biến nhằm tăng độ phân giải không gian cho DEM dạng grid 58 2.2.1 Phương pháp tái chia mẫu Bilinear (song tuyến) 59 2.2.2 Phương pháp nội suy dựa vào điểm lân cận gần (Nearest Neighbor)61 2.2.3 Phương pháp tái chia mẫu Bi-cubic 62 2.2.4 Phương pháp nội suy Kriging 63 2.3 Thực nghiệm tăng độ phân giải khơng gian mơ hình số độ cao DEM dạng grid thuật toán tái chia mẫu phổ biến 65 2.3.1 Dữ liệu thực nghiệm 65 2.3.2 Phân tích độ xác 75 2.4 Chương Kết luận chương 97 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MẠNG NEURON HOPFIED…… 99 3.1 Cơ sở khoa học việc ứng dụng mạng neuron Hopfield để tăng độ phân giải không gian độ xác mơ hình số độ cao dạng grid 99 3.2 Mạng neuron Hopfield ứng dụng cho siêu phân giải đồ (super- resolution mapping/sub-pixel mapping) 101 3.2.1 Xây dựng mơ hình 101 3.2.2 Thiết lập hàm mục tiêu điều kiện 102 iv 3.3 Xây dựng thuật tốn nâng cao độ xác mơ hình số độ cao dạng grid……… 105 3.3.1 Xây dựng mơ hình mạng neuron Hopfield nhằm tăng độ phân giải khơng gian mơ hình số độ cao DEM dạng grid 105 3.3.2 Sơ đồ khối thuật toán 109 3.3.3 Thiết kế chương trình tăng độ phân giải khơng gian nâng cao độ xác grid DEM sử dụng mạng neuron Hopfiled 110 3.4 Thực nghiệm tăng độ phân giải khơng gian độ xác mơ hình số độ cao dạng grid phương pháp sử dụng mạng neuron Hopfield (mơ hình HNN biến đổi) 114 3.4.1 Dữ liệu thực nghiệm 114 3.4.2 Kết thực nghiệm, phân tích độ xác 119 3.4.3 Đánh giá trực quan 122 3.4.4 Đánh giá định lượng 132 3.5 So sánh độ xác độ cao DEM sau tăng độ phân giải thuật toán mạng neuron Hopfiled phương pháp tái chia mẫu với điểm độ cao kiểm tra đo máy toàn đạc điện tử 136 3.6 Kết luận chương 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC 152 PHỤ LỤC 158 PHỤ LỤC 166 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH DEM Digital Elevation Model: Mơ hình số độ cao DSM Digital Surface Model: Mơ hình số bề mặt DTM Digital Terrain Model: Mơ hình số địa hình HNN Hopfield Neuron Network: Mạng neuron Hopfiled ME Mean Error: Sai số trung bình LiDAR Light Detection And Ranging: Cơng nghệ phát đo khoảng cách chùm tia laser Sai số trung phương RMSE Root Mean Square Error: SRTM Shuttle Radar Topography Mission: Công nghệ radar sử dụng cảm biến đặt tàu thoi để tạo DEM UAV Unmanned Aircraft Vehicle: Thiết bị máy bay không người lái 2D Two Dimension: Hai chiều 3D Three Dimension: Ba chiều vi DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ Bảng 1-1 Bảng phân cấp độ xác liệu độ cao số theo Hiệp hội Đo ảnh Viễn thám Mỹ [23] 23 Bảng 1-2 So sánh độ xác liệu mơ hình số độ cao độ xác tính theo khoảng cao đường đồng mức tương ứng [23] 23 Bảng 1-3 Một số thơng số tính tốn từ DEM ứng dụng chúng 24 Bảng 1-4 Một số loại DEM nước ta .29 Bảng 2-1 Đánh giá độ xác DEM dựa tiêu chuẩn ASPRS cho liệu không gian địa lý kỹ thuật số 72 Bảng 2-2 Sai số trung phương (RMSE) phương pháp tái chia mẫu sử dụng mơ hình song tuyến (Bilinear), Bi-cubic Kriging cho DEM 20m khu vực Nghệ An 88 Bảng 2-3 Sai số trung phương (RMSE) cho phương pháp tái chia mẫu sử dụng mơ hình song tuyến (Bilinear), tái lấy mẫu Bi-cubic theo thuật toán nội suy Kriging cho DEM SRTM 30m khu vực Nghệ An 89 Bảng 2-4 Sai số trung phương (RMSE) cho phương pháp tái chia mẫu sử dụng mơ hình song tuyến (Bilinear), Bi-cubic thuật toán Kriging cho DEM 5m khu vực Lạng Sơn 90 Bảng 2-5 Sai số trung phương (RMSE) cho phương pháp tái chia mẫu sử dụng phương pháp tái chia mẫu song tuyến (Bilinear), Bi-cubic thuật toán Kriging cho DEM 30m khu vực Đắc Hà .91 Bảng 2-6 Các hệ số hồi quy tuyến tính cho liệu DEM sau tái chia mẫu độ phân giải 20m khu vực Nghệ An DEM độ phân giải 30m khu vực Nghệ An liệu DEM lấy mẫu độ phân giải 5m khu vực Lang Sơn DEM độ phân giải 30m khu vực Đắc Hà 95 Bảng 3-1 Sai số trung phương phương pháp tái chia mẫu song tuyến, Bicubic, nội suy Kriging phương pháp dùng mơ hình mạng neuron Hopfiled HNN 120 Bảng 3-2 Các hệ số hồi quy tuyến tính cho bốn liệu D1, D2, S1, S2 .121 vii Bảng 3-3 Bảng thống kê chênh lệch độ cao, sai số DEM tăng độ phân giải điểm đo toàn đạc điện tử .137 Bảng PL2-1 Bảng so sánh chênh cao DEM sau tăng độ phân giải thuật toán mạng neuron Hopfiled (DEM HNN), DEM đầu vào (DEM Input) DEM sau tái chia mẫu song tuyến (DEM Bilinear), Bi-cubic (DEM Bi-cubic), Kriging (DEM Kriging) – liệu DEM 5m Lạng Sơn với 236 điểm độ cao đo máy toàn đạc điện tử khu vực .158 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Mơ hình số bề mặt (DSM) mơ hình số địa hình (DTM) [13] Hình 1-2 Mơ hình số độ cao (DEM) mơ hình số địa hình (DTM) Hình 1-3 Các phương pháp biểu diễn liệu độ cao số [87] 11 Hình 1-4 DEM dạng GRID có cấu trúc ảnh dạng raster bề mặt chia thành vng vng có giá trị độ cao [34] 12 Hình 1-5 DEM dạng grid biểu thị bề mặt địa hình vng, vng có mơt giá trị độ cao đại diện cho độ cao điểm nằm vng DEM dạng grid biểu thị bề mặt địa hình mạng lưới nối điểm độ cao phân bố theo hàng dọc ngang [61] .12 Hình 1-6 DEM theo lưới UTM Mỹ với X = Y = 30mét (USGS, 1993) [28] 17 Hình 1-7 Cấu trúc neuron sinh học [16] .38 Hình 1-8 Nguyên lý hoạt động neuron sinh học mô neuron nhân tạo [66] .40 Hình 1-9 Mơ hình mạng neuron nhân tạo nút – Perceptron [71] 41 Hình 1-10 Mơ hình mạng neuron nhiều lớp [83] .42 Hình 1-11 Phân loại mạng neuron nhân tạo [21] .42 Hình 1-12 Cấu trúc mạng Hopfield [15] 45 Hình 2-1 Mơ hình đường hồi quy tổng quát [62] 56 Hình 2-2 Đường trùng khớp tuyệt đối theo tương quan thuận [14] 57 Hình 2-3 Biểu đồ phân tán với giá trị tương quan khác tương ứng với thành phần sai số ngẫu nhiên lớn hay nhỏ [12] 58 Hình 2-4 Ví dụ minh họa nội suy song tuyến [7] 60 Hình 2-5 Tái chia mẫu song tuyến để ước tính giá trị f điểm P (x, y) từ điểm Q11 = (x1, y1), Q12 = (x1, y2), Q21 = (x2, y1) Q22 = ( x2, y2) Bốn điểm màu đỏ điểm liệu để nội suy điểm màu xanh P điểm cần nội suy [33] 60 Hình 2-6 Ví dụ phương pháp nội suy Nearest Neighbor [7] .61 Hình 2-7 Ví dụ liệu khơng có phương sai theo chiều ngang thay đổi nhiều dọc theo trục dọc tập liệu [72] 64 ... NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG MẠNG NEURON HOPFIELD Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 52 05 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI... thuật toán nâng cao độ xác mơ hình số độ cao dạng grid? ??…… 105 3.3.1 Xây dựng mô hình mạng neuron Hopfield nhằm tăng độ phân giải khơng gian mơ hình số độ cao DEM dạng grid ... NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MẠNG NEURON HOPFIED…… 99 3.1 Cơ sở khoa học việc ứng dụng mạng neuron Hopfield để tăng độ