Repozytorium publikacji - Politechnika Gdańska

Telemonitoring morski oraz szeroko rozumiane badania morza są ważnym elementem aktywności człowieka w sferze badań, nauki oraz gospodarki. Prowadzenie działań związanych z tworzeniem map dna, inspekcją nadbrzeży, umocnień, badaniem fauny morskiej pozwala zrozumieć procesy zachodzące w środowisku morskim oraz przyczynia się do rozwoju wielu gałęzi gospodarki takich jak transport morski, bezpieczeństwo, ochrona portów i inne. W ramach realizacji wyżej wymienionych zadań instytucje zlokalizowane na wybrzeżu, zarówno za granicą jak i w kraju (np. Instytut Morski, Morski Instytut Rybacki), zgromadziły wielkie ilości danych dotyczących różnych obiektów podwodnych oraz całych obszarów hydrosfery (np.: portów w Gdańsku i Gdyni, Zatoki Gdańskiej). Powszechnie stosowaną metodą archiwizacji tych danych jest kompresja zbiorów wynikowych za pomocą ogólnodostępnych narzędzi programistycznych takich jak ZIP, RAR czy innych. Obecnie nie opracowano żadnego sposobu sprawnego przetwarzania danych mających na celu redukcję większej ilości informacji otrzymywanych z urządzeń przeznaczonych do zdalnego monitorowania środowiska morskiego. Co więcej, nie istnieją też metody pozwalające na archiwizację tych danych w czasie rzeczywistym.Nowoczesne urządzenia pomiarowe stosowane w telemonitoringu morskim wykonują pomiary z użyciem tzw. metod szerokokątnego pokrycia dna (ang. wide-angle coverage) charakteryzujących się wysoką wydajnością w pozyskiwaniu informacji o środowisku morskim oraz dużą dokładnością uzyskanych wyników. Najczęściej w tym celu stosowane są systemy wielowiązkowe (ang. multibeam systems - MBSS lub MBS), które w chwili obecnej są w stanie zapisywać dane nie tylko o batymetrii dna, jak to się dzieje w typowych urządzeniach przeznaczonych do hydrografii morskiej, ale także dostarczają pełną informację na temat rozproszenia fali akustycznej od dna morza i innych obiektów podwodnych. Ta nowa funkcjonalność jest szczególnie przydatna dla wielu grup użytkowników takich jaknaukowcy czy hydrografowie z wielu powodów. Przede wszystkim, oczekuje się że systemy wielowiązkowe mogą dostarczyć znacznie więcej informacji o obiektach podwodnych, gdyż w przeciwieństwie do danych z echosond jednowiązkowych, mają formę trójwymiarową. Poza tym, fakt że mogą być jednocześnie używane przez hydrografów i badaczy, czyni te urządzenia bardziej praktycznymi. Mimo licznych zalet wykorzystywania systemów MBSS, zbiory wynikowe przez nie dostarczane charakteryzują się dużym rozmiarem, a samo ich składowanie i archiwizacja podczas długich rejsów pomiarowych stanowi istotny problem.W niniejszej pracy doktorskiej zajęto się problematyką efektywnego przetwarzania danych o środowisku morskim w aspekcie rozproszonych morskich systemów informacji przestrzennej. W pracy opisano podstawowe problemy związane z efektywnym przetwarzaniem informacji otrzymywanych z urządzeń przeznaczonych do monitoringu środowiska morskiego ze szczególnym uwzględnieniem sonarów wielowiązkowych. Przedstawione w ramach pracy metody mają zastosowanie przede wszystkim w dziedzinie akwizycji, integracji oraz wizualizacji danych w rozproszonych morskich systemach informacji przestrzennej, począwszy od tworzenia batymetrycznych map dna, poprzez prace hydrograficzne do badań naukowych włącznie.W powyższym kontekście, głównym celem pracy było stworzenie zestawu algorytmów przeznaczonych do efektywnego przetwarzania i archiwizacji wyników pomiarów wykonywanych systemami wielowiązkowymi.Tezy pracy zostały sformułowane następująco:1) Poprzez zastosowanie właściwych technik przetwarzania danych można zredukować rozmiar rekordów pochodzących z pomiarów sonarem wielowiązkowym ze współczynnikiem kompresji większym niż przy użyciu typowo stosowanych algorytmów kompresji plików.2) Zastosowanie odpowiednich technik przetwarzania i kompresji danych z sonaru wielowiązkowego umożliwi zdalną wizualizację wyników sondowania w czasie rzeczywistym.Zastosowanie dedykowanych metod przetwarzania danych pomiarowych z sonarów wielowiązkowych pozwala na znacznie większą redukcję informacji pochodzących z systemów wielowiązkowych, niż w przypadku stosowania standardowych narzędzi do kompresji plików. Ponadto, opracowane metody archiwizacji umożliwiają podgląd zawartości pliku bez konieczności dekompresji całego zbioru danych, co może być szczególnie przydatną cechą podczas przeglądania czy walidacji otrzymanych wyników pomiarów, zarówno w sferze badań naukowych jak i w zastosowaniach komercyjnych.Opracowane metody przetwarzania danych umożliwiają także podgląd wyników sondowania w czasie rzeczywistym poprzez wykorzystanie łącz bezprzewodowych o bardzo niskiej przepustowości. Zaproponowane rozwiązania mają zastosowanie w rozproszonych systemach GIS, w których akwizycja, składowanie oraz wizualizacja danych odbywa się w fizycznie różnych miejscach.Pierwsza teza pracy została udowodniona poprzez zaadaptowanie ogólnodostępnych technik kompresji danych i ich implementację jako systemu przetwarzania danych hydroakustycznych. Zaproponowana w rozprawie koncepcja archiwizacji plików sonarowych, poprzez uporządkowanie wewnętrznej struktury rekordów, pozwala na uzyskiwanie znacznie wyższych stopni kompresji niż stosowane obecnie popularne narzędzia kompresji danych. Przewagą proponowanych rozwiązań jest także możliwość wprowadzenia kontroli jakości danych w sposób określany przez użytkownika. W przeciwieństwie do innych stratnych metod kompresji wprowadzany stopień błędu jest równomierny dla całego zestawu i może być dobierany według potrzeb użytkownika z uwzględnieniem jakości przetwarzanej informacji oraz właściwości akustycznych sondowanego środowiska.Druga teza pracy została udowodniona poprzez zastosowanie analizy głównych składowych oraz transformaty falkowej do redukcji rozmiaru tzw. surowych danych batymetrycznych otrzymywanych z systemu wielowiązkowego. W pracy pokazano, iż poprzez zastosowanie odpowiednich technik przetwarzania, możliwe jest uzyskiwanie stopni kompresji pozwalających na transmisję otrzymywanych wyników w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem łączy bezprzewodowych o bardzo niskiej przepustowości takich jak np. oferowane przez modemy akustyczne. Zastosowanie proponowanych metod daje lepsze współczynniki redukcji danych (przy zachowaniu tych samych błędów rekonstrukcji), niż najpowszechniej obecnie stosowany standard stratnej kompresji jakim jest JPEG.Ponadto, w ramach pracy zaproponowano optymalizację metod kompresji danych sonarowych umożliwiającą przetwarzanie otrzymywanych rekordów w czasie rzeczywistym na komputerze klasy PC oraz jej implementację na wielordzeniowej architekturze CUDA. W obu przypadkach uzyskano znaczne korzyści w stosunku do obecnie stosowanych narzędzi kompresji danych polegające na uzyskiwaniu lepszych współczynników redukcji danych oraz krótszym czasie przetwarzania otrzymywanej informacji.W pracy pokazano także, iż jakość danych poddanych procesowi kompresji przy pomocy proponowanych algorytmów nie odbiega znacząco od poziomu szczegółowości danych nieskompresowanych. Z tego powodu, dane w proponowanym formacie mogą być bez przeszkód wykorzystane do innych celów naukowych związanych z przetwarzaniemdanych z sonarów wielowiązkowych np. do metod rozpoznawania i klasyfikacji rodzaju dna morskiego. W szczególności dotyczy to zobrazowań akustycznych toni wodnej oraz map akustycznych dna morskiego.Przedstawione w pracy algorytmy analizy i przetwarzania danych pochodzących z systemów wielowiązkowych opracowane zostały z myślą o nowoczesnych systemach zdalnego monitorowania środowiska morskiego. Pokazano także, iż dedykowane metody przetwarzania tych danych mogą dać znaczne korzyści podczas rutynowych rejsów o charakterze badawczym oraz komercyjnym. Ewentualne zastosowanie zaproponowanych w pracy metod, może w wielu przypadkach znacznie ułatwić proces inspekcji środowiska morskiego stanowiąc cenne narzędzie do przetwarzania, analizy i archiwizacji danych.Do najistotniejszych elementów rozprawy należy zaliczyć: -usystematyzowanie istniejącej wiedzy z zakresu stosowania technik informacyjnych w hydroakustyce, -implementację metod reorganizacji rekordów sonarowych dla potrzeb archiwizacji danych przeznaczonych do działania w trybie offline, -modyfikację oraz optymalizację metody kodowania Huffmana dla potrzeb kompresji rekordów sonarowych w czasie rzeczywistym wraz z jej weryfikacją doświadczalną, -implementację algorytmów kodowania Huffmana na wielordzeniowej architekturze CUDA oraz dostosowanie tych algorytmów do działania w środowisku obliczeń równoległych, -weryfikację doświadczalną opracowanego rozwiązania opartego o technologię CUDA, implementację metod przetwarzania oraz redukcji danych batymetrycznych opartą o analizę głównych składowych, -implementację metod przetwarzania oraz redukcji danych batymetrycznych opartą o transformatę falkową, -wykonanie symulacji numerycznych pokazujących korzyści ze stosowania opracowanych metod redukcji surowych danych batymetrycznych w rozproszonych morskich systemach GIS.Zaprezentowane w rozprawie wyniki prac badawczych zastosowano w projekcie badawczo-rozwojowym MNiSW 0137/R/Z/T02/06/01 pt.: "Internetowy system informacji geograficznej (GIS) do zdalnego monitorowania i obrazowania zanieczyszczeń oraz innych składników ekosystemów morskich" kierowanym przez prof. Andrzeja Stepnowskiego.

Autorzy

• dr inż. Andrzej Chybicki link otwiera się w nowej karcie