1. معرفی
عملیات تبدیل در زمین شناسی و علوم زمین، به ویژه در زمینه های نقشه برداری و نقشه برداری معمول است. بیشتر GIS (سیستم های اطلاعات جغرافیایی) توابعی را برای محاسبه تبدیل بین اشکال مسطح (فرمت برداری) و تصاویر (فرمت شطرنجی) در خود جای می دهند. چنین تبدیلهایی به الزامات برنامهها بستگی دارد و ممکن است شامل شباهت، محاسبات شباهتها یا پارامترهای تصویری باشد.
دگرگونی هندسی همچنین در عملیات تطبیق که مسائل اصلی در بینایی کامپیوتری [ 1 ]، تشخیص الگوی [ 2 ] و هوش مصنوعی و ماشینی [ 3 ، 4 ] هستند، دخیل هستند. فتوگرامتری دیجیتال زمینه ای است که در آن تکنیک های تطبیق به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است – از تطبیق استریو مبتنی بر شکل [ 5 ، 6 ] تا تطبیق مبتنی بر نقطه [ 7 ]. کاربردهای تبدیل هندسی که در مرجع [ 8] نشان داده شده است، به ویژه جالب توجه است] که حاکی از نکته مهمی در فتوگرامتری است. اخیراً برخی از روشهای مبتنی بر گشتاور و همبستگی برای اندازهگیری تغییر شکل توسعه یافته و روی تصاویر اعمال شده است [ 9 ، 10 ].
امروزه، در اسپانیا، ادارات کاداستر و ثبت زمین به پارامترهای تبدیل از برخی قطعات بررسی شده بر اساس تبدیل وابسته نیاز دارند، زیرا مناطق کوچکی وجود دارد که در آن قطعات کاداستر دارای خطاهای کوچک ترجمه و چرخش با توجه به سیستم مختصات ETRS89-UTM هستند. شکل 1نمونه ای را نشان می دهد که در آن جابجایی بین عکس ارتو (به درستی ارجاع داده شده در زمین) و قطعه کاداستر مربوطه (شکل برداری به رنگ آبی) وجود دارد. این اشتباهات کوچک می تواند درگیری حقوقی در مورد ملک ایجاد کند. به همین دلیل کاداستر و سازمان ثبت اسناد و املاک واقعیت را نقشه ای است که توسط نقشه بردار در زمین ترسیم شده است که باید پارامترهای تبدیل بین قطعه کاداستر اشتباه ثبت شده و نقشه بر روی زمین بررسی شده را محاسبه کند.
بسیاری از راه حل های GIS ذکر شده در بالا برای تبدیل نیاز به تعامل با کاربران دارند، یعنی فرآیند خودکار نیست، که مستلزم کارهای ناکارآمد و وقت گیر است – کاربر باید نقاط مربوطه را با دست، در بسته ثبت اشتباه و صحیح علامت گذاری کند. تعداد نقاط متناظر باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتوان حداقل مربعات را حل کرد و در نتیجه خطا را در امتداد مرز بسته دانست. اتوماسیون یک موضوع ثابت در علوم زمین و زمینه های زمین شناسی بوده است [ 11 ، 12 ، 13 ]. پیدا کردن الگوریتمی که به طور خودکار بسته های مربوطه را از موقعیت اشتباه به موقعیت صحیح تبدیل کند، جالب خواهد بود. چندین رویکرد در تبدیل چند ضلعی انجام شده است [6 ، 14 ، 15 ] که می تواند اتوماسیون برای تبدیل قطعه کاداستری را تسهیل کند. به ویژه روشی از مرجع [ 6 ] جالب است که بر اساس روش های قدیمی تر [ 16 ، 17 ] است، اگرچه توصیفگرهای فوریه اعمال شده برای منحنی های بسته قبلاً در مرجع [ 14 ] توضیح داده شده است.
در مطالعه خود تصمیم گرفتیم روش شناسی مرجع [ 6 ] را امتحان کنیم زیرا سه مزیت اصلی دارد – (الف) اتوماسیون می تواند مطلق باشد (هیچ تعامل کاربر لازم نیست). (ب) مجاز است نقاط شروع در بسته های مربوطه نقاط متناظر نباشند و (ج) مهم نیست که بسته های مربوطه با تعداد نقاط متفاوتی تشکیل شده باشند. نکته کلیدی در روش Hsing و Shenk تبدیل یک چند ضلعی از حوزه فضایی به حوزه فرکانس و بیان چنین تابعی توسط سری فوریه است. ما رویکرد Hsing و Shenk را در سه جنبه گسترش میدهیم: (الف) زمینه کاربرد کاداستر، (ب) تغییر اندازه از بسته ثبت نام اشتباه تغییر نمیکند، (ج) ما برخی اقدامات را برای حمایت از تصمیمگیری در مورد بهترین n محاسبه میکنیم .هارمونیک و تعداد تکرارها
2. مواد و روشها
یک چند ضلعی نقشه برداری یا یک قطعه کاداستری را می توان به صورت دو تابع دوره ای بیان کرد ایکس(تی)و y(تی)جایی که t به عنوان تعریف می شود تی=2πل/L. L طول کل محیط و l فاصله جزئی از نقطه شروع است پ0به یک نقطه دلخواه پتیدر محیط شکل 2 یک شکل چند ضلعی و نمایش آن توسط دو تابع تناوبی را نشان می دهد.
دو تابع تناوبی را می توان توسط توصیفگرهای فوریه نشان داده شده در معادله ( 1 ) فرموله کرد.
جایی که
همپوشانی دو شکل کارتوگرافی متناظر به روشی بهینه میتواند به چرخش، تبدیل و تبدیل مقیاس نیاز داشته باشد که میتواند با تشابه، تبدیلهای افینی یا تصویری به دست آید. در مورد بستههای کاداستری که به اشتباه ثبت شدهاند، فقط ترجمه و چرخش لازم است، زیرا ما اصل زیر را فرض میکنیم – یک بسته تقریباً نمایشی دقیق از دنیای واقعی است. با در نظر گرفتن اینکه اصل مناسب ترین تبدیل بین دو شکل متناظر که با رئوس آنها نشان داده می شود (ایکس”،y”)و (ایکس،y)با معادله ( 3 ) در حوزه فضایی بیان می شود.
جایی که
تبدیل از معادله ( 3 )، به طور کلی، به دو دلیل اصلی اجازه یک فرآیند خودکار را نمی دهد:
با این وجود، در حوزه فرکانس، مشکل شناسایی نقاط مربوطه وجود ندارد. ما فقط نیاز به تطبیق توصیفگرهای فوریه مربوط به هارمونیک های مختلف داریم. برای محاسبه هارمونیک ها، رئوس چند ضلعی باید در یک جهت (در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت) برای بسته های مرجع و اشتباه ثبت شده مرتب شوند. رئوس مرتب شده به این معنی است که دو راس متوالی روی چند ضلعی باید در لیست رئوس نشان دهنده چند ضلعی متوالی باقی بمانند. اگر رئوس بی نظم باشند، الگوریتم به درستی عمل نمی کند. در صورتی که چند ضلعی های مرجع و اشتباه ثبت شده متفاوت باشند، شرایط جهت به راحتی قابل خودکار است. نقطه شروع در هر دو چند ضلعی مرجع و اشتباه ثبت شده می تواند برای اجرای صحیح الگوریتم متفاوت باشد. معادله جایگزینی (1 ) در رابطه ( 3 ) ما را به محاسبه ضرایب صفر و بقیه به طور جداگانه هدایت می کند.
از آنجا که (آ0،ج0)و (آ0″،ج0″)مرکز از اشکال مربوطه هستند (به معادله ( 2 ) مراجعه کنید)، محاسبه ترجمه ساده است (معادله ( 4 )):
بقیه ضرایب فوریه را می توان به طور مستقل برای هر هارمونیک محاسبه کرد زیرا آنها متعامد هستند. قطعات کاداستر ما نیازی به مقیاس بندی ندارند تا تبدیل به یک ترجمه (معادله ( 4 )) و یک چرخش محدود شود. برای هارمونیک n مولفه چرخش تبدیل با معادله ( 5 ) به دست می آید.
اگر نقطه شروع اشکال متناظر نقاط متناظر نباشند، برای مثال، در شکل 3 نقطه شروع در شکل آبی 1 است در حالی که نقطه مربوطه در شکل قرمز تقریباً عدد 4 است. نتیجه این است که ضرایب فوریه متفاوت است. به جز ضرایب صفر این به عنوان یک تغییر فاز تفسیر می شود ( Δتی) و تبدیل بین ضرایب با در نظر گرفتن Δتیدر معادله ( 6 ) نشان داده شده است.
ترکیب چرخش و تغییر فاز با رابطه ( 7 ) بیان می شود.
در این لحظه تنها مجهول زاویه چرخش است φو Δتیو ما می توانیم مجهولات را با استفاده از رویکرد حداقل مربعات حل کنیم، که برای هر هارمونیک معادلات مشاهدات آنها به شکل معادله ( 8 ) است.
برای استفاده از روش حداقل مربعات، باید معادله ( 8 ) را برای هر هارمونیک خطی کنیم و اولین تقریب ضرایب آن را محاسبه کنیم. چنین تقریبی اولیه را می توان با استفاده از هارمونیک به دست آورد n=1و n=2. از معادله ( 8 )، می توانیم نشان دهیم
و
از معادله ( 11 ) می توانیم مقادیر اولیه را محاسبه کنیم φو Δتی
ماتریس A (معادله ( 13 )) در راه حل حداقل مربعات یک ماتریس 4 × 2 است که در آن سطرهای فرد نشان دهنده ستون اول و سطرهای زوج نشان دهنده ستون دوم هستند.
ما الگوریتم را در Matlab برنامه ریزی کرده ایم و نیاز دارد که نقاط در یک جهت مرتب شوند، اگرچه مجاز است که نقاط شروع مانند شکل 3 نقاط متناظر نباشند – برای مثال نقطه 1-آبی با 4-قرمز مطابقت داشته باشد. . شکل 4 نتیجه محاسبه چهارمین هارمونیک و 3 تکرار در فرآیند حداقل مربع (اشکال همپوشانی) را نشان می دهد. اگر نمونه بزرگی از جداسازی بین اشکال را محاسبه کنیم، می توانیم تقریبی از میانگین، میانه و حداکثر تفکیک بین اشکال را به دست آوریم.
3. نتایج و بحث
ما الگوریتم خود را روی یک بسته دیجیتالی صحیح (سبز در شکل 5 ) متشکل از 12 رأس آزمایش کردهایم در حالی که بسته ثبت نام اشتباه از 24 راس (آبی در شکل 5 ) تشکیل شده است. می توانید مشاهده کنید که نقاط شروع در هر دو بسته متفاوت است، بنابراین، ما انتظار یک مقدار فاز تغییر را داریم Δتی≠0.
شکل 6 الف مطابقت بین نقاط بسته صحیح (سبز) به اشتباه ثبت شده (آبی) را نشان می دهد. شکل 6 ب، تبدیل اعمال شده به بسته ثبت نام صحیح را نشان می دهد، به طوری که با بسته صحیح همپوشانی دارد. پارامترهای مورد استفاده برای تبدیل به شرح زیر بوده است: هارمونیک 3 و 3 تکرار. و تبدیل حاصل توسط شرح داده شده است Δتی=4.6178و φ=10.6856∘.
به منظور محاسبه تأثیر پارامترها بر تبدیل برازش، تنظیمات مختلفی از n ام هارمونیک و اعداد تکرار را امتحان کردهایم و مقادیر میانگین، میانه و حداکثر تفکیک مربوطه را بین بستههای همسان محاسبه کردهایم. برای به دست آوردن اطلاعات بصری مقادیر جداسازی، ما یک هیستوگرام برای چنین اندازه گیری ساخته ایم. شکل 7 a منطقه بین بسته پس از تبدیل (رنگ سبز) را نشان می دهد که در آن مقادیر جداسازی میانگین (1.169 متر)، میانه (0.953 متر) و حداکثر (4.499 متر) است. و شکل 7 b هیستوگرام مربوطه را با 1000 نمونه توزیع شده در 20 سطل نشان می دهد. تنظیم پارامترهای مورد استفاده برای به دست آوردن شکل 7، هارمونیک دوم و 2 تکرار بود.
جدول 1 9 تنظیم (درمان) را نشان می دهد که n ام هارمونیک و تعداد تکرار را ترکیب می کند. ما می توانیم از جدول 1 مشاهده کنیم که میانگین تفکیک بین بسته های مربوطه حدود 1.7 متر است و بزرگترین تفاوت بین درمان با در نظر گرفتن مقدار میانگین 2 میلی متر است. با توجه به اینکه اندازه بسته تقریباً 205 × 130 متر است، به نظر می رسد داده ها نشان می دهد که تأثیر زیادی بین تیمارها وجود ندارد. اگر در حداکثر فاصله بین اشکال متناظر تمرکز کنیم، مشاهده می کنیم که بین هارمونیک پنجم 2 تکرار (4.461 متر) و هارمونیک سوم 5 تکرار (4.529 متر) رخ می دهد، و حتی در این مورد تفاوت ها تنها 68 میلی متر است که همچنین یک تفاوت کوچک
برای نتیجهگیری منسجمتر در مورد تعداد هارمونیک مورد استفاده در تبدیل، فکر میکنیم لازم است قطعاتی مانند قطعات مربوط به ساختمانها را در نظر بگیریم. ساختمانها پرمصرفترین قطعهها در مناطق شهری و گرانترین قطعهها هستند. به همین دلیل مکان یابی دقیق در قطعات شهری نسبت به مناطق روستایی اهمیت بیشتری دارد. ویژگی اصلی در این نوع بسته ها این است که هر دو ضلع متعامد و موازی دارند. برای ادامه آزمایش ما سه قطعه کاداستر ساختمانی را انتخاب کرده ایم که به اشتباه ثبت شده اند، به شکل 8 مراجعه کنید .
ما تبدیل خودکار مبتنی بر فوریه را در سه ساختمان فوق اعمال کردیم و نتیجه گرافیکی در شکل 9 نشان داده شده است که در آن رنگ آبی موقعیت صحیح یک بسته را نشان می دهد، رنگ قرمز به قطعه کاداستر اشتباه ثبت شده و چند ضلعی سبز تبدیل شده است. بسته کاداستری پس از اعمال الگوریتم مبتنی بر فوریه. ما برای هر ساختمان همان اندازهگیریها را در جدول 1 محاسبه کردیم ، یعنی میانگین، میانه و حداکثر. هر درمان با ترکیبی از 2 پارامتر، هارمونیک n و تعداد تکرارها تعریف می شود. نتایج در جدول 2 نشان داده شده است . از شکل 9میتوانیم ببینیم که ساختمان 1 بهترین نصب است، زیرا قطعه کاداستر و قطعه مرجع تقریباً شکل و اندازه یکسانی دارند. ساختمان 2 اضلاع را موازی نگه می دارد اما اندازه آن کوچکتر از نمونه مرجع است. و ساختمان 3 فاقد موازی بودن در اضلاع خود هستند. به نظر می رسد که ویژگی های هندسی آن ساختمان ها نتایج موجود در جدول 2 را توضیح می دهند . مشاهده میکنیم که در ساختمان 1 (که بین قطعههای کاداستر و مرجع مشابهتر است) زمانی که n را در نظر میگیریم، تفاوت چندانی در اقدامات وجود ندارد.پارامتر هارمونیک از طرف دیگر ساختمان های 2 و 3 تفاوت قابل توجهی بین هارمونیک 2 و 3 دارند. اگر فقط پارامتر تعداد تکرارها (N Iter) را در نظر بگیریم، تغییر در اندازهگیریها از N Iter i تا N Iter i + 1 تنها زمانی که هارمونیک 2 ثابت باشد قابل توجه است. وقتی هارمونیک 3 یا 5 ثابت است، تغییرات اندازه گیری از N Iter i تا N Iter i + 1 قابل توجه نیست.
با توجه به تجزیه و تحلیل قبلی، استفاده از پارامترهای زیر یک انتخاب معقول به نظر می رسد: هارمونیک 3 و 5 تکرار.
4. نتیجه گیری
عملیات تبدیل اعمال شده بر روی یک شکل نقشه برداری یک کار مکرر در علوم زمین و زمینه های زمین شناسی است. در این مقاله ما بر روی مورد دو چند ضلعی متناظر (نماینده قطعات کاداستر) تمرکز کردهایم که تفاوتهای کوچکی در شکلهای خود دارند، اگرچه کم و بیش شبیه هم هستند.
معمولاً پارامترهای تبدیل مربوط به تبدیل مشابه، وابسته یا تصویری برای شناسایی نقاط متناظر با دست محاسبه میشوند، که اصلاً به معنای اتوماسیون فرآیند نیست. مزیت اصلی رویکرد مبتنی بر توصیفگر فوریه که در این مقاله توضیح داده شده است، اتوماسیون کل فرآیند است. ما فقط باید یک چند ضلعی را در حوزه فرکانس بیان کنیم که از نمایش فضایی آن شروع می شود (لیستی از رئوس). نمایش یک چند ضلعی (شکل نگاشت یا قطعه کاداستری) در حوزه فرکانس دارای چندین مزیت با توجه به نمایش فضایی آن به منظور محاسبه پارامترهای تبدیل است – (الف) تعداد نقاط در شکل صحیح می تواند با شکل اشتباه ثبت شده متفاوت باشد. تبدیل شدن؛ (ب) لازم نیست نقاط مربوطه را بین اشکال مطابقت دهید. ما رویکرد توصیفگرهای فوریه را برای اشکال نگاشت مورد استفاده توسط ادارات کاداستر و ثبت زمین اعمال کردیم. بسته صحیح معمولاً توسط نقشه بردار اندازه گیری شده است، به طوری که ما نمی خواهیم مقیاس آن تغییر کند. بنابراین تنها پارامترهای تبدیلی که ما به آن نیاز داریم ترجمه است ( Δایکس،Δy) و چرخش ( φ).
ما چندین سطح هارمونیک (از دوم تا 55) به منظور تعیین نفوذ سطح هارمونیک در تبدیل، و تفاوت های قابل توجهی در قطعات ساختمانی زمانی که عدم موازی و مقیاس های مختلف بین قطعه های کاداستر و مرجع وجود دارد ظاهر می شود. با توجه به مطالعه ما، استفاده از هارمونیک سوم و 5 تکرار به عنوان پارامترهایی برای بدست آوردن تبدیل، انتخاب منطقی به نظر می رسد.
نتایج بهدستآمده پس از تبدیل خودکار، بر اساس توصیفگرهای فوریه، تناسب مناسبی را بین بستههای مربوطه نشان میدهد. به همین دلیل توصیه میشود در مواقعی که سازمانهای ثبت اسناد و املاک و کاداستر نیاز به تبدیل قطعه دارند، از تبدیلهای مبتنی بر توصیفگر فوریه استفاده شود.
بدون دیدگاه