Φωτογραμμετρικές τεχνικές SfM/SLAM με έμφαση στις εφαρμογές στη σπηλαιολογία

Τζωρτζάκου, Αικατερίνη

Analysis of SfM/SLAM photogrammetric techniques with emphasis on speleological applications

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Τζωρτζάκου, Αικατερίνη

Date

2022-03-03

Advisor

Grammatikopoulos, Lazaros
Πέτσα, Έλλη

Βιβλιογραφική Μελέτη (3.047Mb)

Keywords

SLAM ; SfM Τεχνική ; Φωτογραμμετρία ; Σπηλαιολογικές εφαρμογές ; Χαρτογράφηση σπηλαίου

Abstract

Η διπλωματική εργασία με τίτλο «Φωτογραμμετρικές Τεχνικές SfM/SLAM με Έμφαση στις Εφαρμογές στη Σπηλαιολογία» εκπονήθηκε στο πλαίσιο του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Γεωχωρικές Τεχνολογίες» του Τμήματος Μηχανικών Τοπογραφίας και Γεωπληροφορικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Στόχο της εργασίας αποτέλεσε η βιβλιογραφική μελέτη και έρευνα σε θέματα που αφορούν νέες τεχνολογίες στην κινητή χαρτογράφηση σπηλαίων. Λόγω της μεγάλης σημασίας που παρουσιάζουν από επιστημονικής άποψης αλλά και ιδιαιτερότητας λόγω της μορφολογίας τους, τα σπήλαια χρήζουν ιδιαίτερης μεταχείρισης. Ύστερα από την ανάλυση της φωτογραμμετρικής τεχνικής SfM καθώς και της μεθόδου SLAM με τους αντίστοιχους αλγόριθμους, γίνεται πλέον σαφές ότι οποιαδήποτε εφαρμογή εντός του σπηλαίου, είτε πρόκειται για αρχαιολογική ανασκαφή είτε για γεωλογική μελέτη ή σπηλαιολογική εξερεύνηση, μπορεί να διενεργηθεί πολύ πιο εύκολα, σε λιγότερο χρόνο και με μεγαλύτερη ασφάλεια ενώ το τελικό προϊόν ανακατασκευής του τρισδιάστατου χώρου αποδίδεται με μεγάλη ακρίβεια. Η συλλογή των δεδομένων για τη χαρτογράφηση υπόγειων συστημάτων περιλαμβάνει ειδικούς αισθητήρες που ανταποκρίνονται αρχικά σε χώρους όπου δεν υπάρχει η δυνατότητα κάλυψης από δορυφόρους και συνεπώς δεν υπάρχει σήμα GPS και δευτερευόντως που μπορούν να λειτουργήσουν σε περιβάλλον χαμηλού φωτισμού και ακανόνιστου σχήματος με πολλά εμπόδια. Μέρος της παρούσας εργασίας αποτελεί και η παρουσίαση εφαρμογών κινητής χαρτογράφησης σε σπήλαια με συνδυασμό διαφορετικών αισθητήρων σε κάθε περίπτωση, καταλήγοντας σε συμπεράσματα σχετικά με την εξέλιξη της τεχνολογίας κάθε χρονική περίοδο καθώς και τα περιθώρια βελτίωσης των τεχνολογικών μέσων για αποτελέσματα με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια, σε λιγότερο χρόνο και με μικρότερο κόστος.

Abstract

Caves play a significant role in our cultural heritage and as a consequence new methods for the facilitation of their preservation and protection are well welcomed. Traditional methods of cave surveying which mostly prevailed the past decades were time consuming and inefficient especially in hard-to-reach spaces or complex environments, unsuitable to humans, as in case of caves. Technological progress and advances in the fields of Computer Vision and Robotics have brought about revolution in the discipline of Photogrammetry and have made it possible for humans to proceed 3D modelling of subterranean environments with certain characteristics such as the absence of GPS signal and conditions of complete darkness. This Master Thesis presents the novel techniques of SfM and SLAM and more specifically the function of certain algorithms as well as the right combination of sensors, which assist the procedure of mapping unknown, hazardous areas. Speleological applications in natural caves demonstrate different methods in localization and mapping as well as graph-based exploration path planning using hand-held LIDAR, drones, RGB-D cameras etc. State-of-the-art technology has offered great opportunities as far as geological research is concerned, in terms of cave progressing in time, and has also been able to function as “Co-Archaeologists” that can map large cavities and reach inaccessible places. Furthermore, the latest technological means, which is able to produce an accurate 3D map in limited time, is an important tool in the hands of cave explorers and rescuers.