RULE-BASED MAPPING OF PARKED VEHICLES USING AERIAL IMAGE SEQUENCES
Από RemoteSensing Wiki
RULE-BASED MAPPING OF PARKED VEHICLES USING AERIAL IMAGE SEQUENCES
Συγγραφείς: J. Knöttner , D. Rosenbaum , Franz Kurz, Peter Reinartz, Ansgar Brunn
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η ανεξέλεγκτη χρήση του ΙΧ αυτοκινήτου και η αύξηση του κυκλοφοριακού προβλήματος είναι ένα από τα πιο πολύπλοκα ζητήματα που αντιμετωπίζουν οι σύγχρονες πόλεις σήμερα. Η στάθμευση των οχημάτων ωστόσο και η έλλειψη χώρων στάθμευσης είναι επίσης ένα εξίσου σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι πόλεις και οι πολίτες καθημερινώς. Η ανάγκη επίλυσης του προβλήματος κρίνεται αναγκαία και οι συγγραφείς του παρόντος άρθρου επιχείρησαν να προτείνουν μια νέα μέθοδο επίλυσης αυτού μέσω της αναγνώρισης και της ανάλυσης της υφιστάμενης κατάστασης. Αναλυτικότερα, η βάση των ερευνητών βασίζεται στην χαρτογράφηση των χώρων στάθμευσης στις πόλεις. Αν και οι επίγειοι αισθητήρες ή οι αισθητήρες που βασίζονται σε οχήματα είναι ίσως η πιο διαδεδομένη πηγή δεδομένων για τη χαρτογράφηση χώρων στάθμευσης, η αερομεταφερόμενη παρακολούθηση μπορεί να παίξει καινοτόμο και πρωτοποριακό ρόλο στη δημιουργία χαρτών, οι οποίοι περιλαμβάνουν επίσης χώρους στάθμευσης σε βοηθητικούς και προαστιακούς δρόμους. Οι ερευνητές παρουσίασαν ένα νέο πλαίσιο για αυτόματη ταξινόμηση σε όλη την πόλη των οχημάτων που κινούνται, σταματούν και σταθμεύουν χρησιμοποιώντας αλληλουχίες εναέριων εικόνων και πληροφορίες από μια βάση δεδομένων οδών(Open Street Map) . Το χρονικό διάστημα παρατήρησης ενός συγκεκριμένου οχήματος κατά τη διάρκεια μιας ακολουθίας εικόνων συνήθως δεν είναι αρκετό για να αποφασιστεί με σαφήνεια, εάν ένα όχημα σταμάτησε π.χ. πριν από ένα φανάρι ή σταθμεύει κατά μήκος του δρόμου. Έτσι, η ροή εργασιών περιλαμβάνει μια μέθοδο ανίχνευσης και παρακολούθησης οχήματος καθώς και μια ροή εργασίας ασαφούς λογικής βασισμένη σε κανόνες για την ταξινόμηση των οχημάτων. Η ροή εργασίας ταξινομεί τα σταματημένα και σταθμευμένα οχήματα συμπεριλαμβάνοντας τη συνολική υφιστάμενη περικλείουσα κατάσταση κάθε οχήματος μέσω ενός γραφήματος Delaunay. Η παρουσιαζόμενη μέθοδος φτάνει σε τιμές ορθότητας περίπου 86,3%, κάτι που επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές αλληλουχίες αεροφωτογραφιών. Τα αποτελέσματα εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως η ποιότητα ανίχνευσης και η ακρίβεια της βάσης δεδομένων του δρόμου.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
Το πρώτο στάδιο της μεθοδολογίας που προτείνουν οι ερευνητές περιλαμβάνει τη διαδικασία αυτόματης ανίχνευσης και παρακολούθησης των οχημάτων, η οποία περιλαμβάνει πληροφορίες για την ταχύτητα και την κατεύθυνση οδήγησης κάθε οχήματος. Η διάκριση μεταξύ κινούμενων, σταματημένων ή σταθμευμένων οχημάτων γίνεται κυρίως λαμβάνοντας υπόψη τα γειτονικά αυτοκίνητα. Για το λόγο αυτό, όλα τα οχήματα που σταματούν ή σταθμεύουν ομαδοποιούνται σε ουρές οχημάτων. Μια ουρά οχημάτων αποτελείται από αυτοκίνητα που βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο στο ίδιο οδικό τμήμα. Κάθε ουρά είναι επίσης παράλληλη με τον κεντρικό άξονα του δρόμου και όλοι οι συμμετέχοντες έχουν την ίδια κατεύθυνση κίνησης. Επίσης, πολύτιμη πληροφορία για αυτή τη διάκριση είναι οι θέσεις των φωτεινών σηματοδοτών ή των διασταυρώσεων, οι οποίες περιέχονται στις βάσεις δεδομένων των δρόμων. Τα οχήματα που βρίσκονται κοντά σε διασταυρώσεις και φανάρια διακρίνονται χωριστά. Τέλος, όλες οι σχετικές παράμετροι συγχωνεύονται και λαμβάνεται μια απόφαση με βάση μια κοινή λογική, εάν ένα όχημα συμμετέχει στην κυκλοφορία ή ένα όχημα σταθμεύει.
Πως γίνεται η διάκριση οχημάτων σε ουρές? Για να πραγματοποιηθεί διάκριση οχημάτων σε ουρές οι ερευνητές προτείνουν την μέθοδο του τριγωνισμού Delaunay. Βάση του συγκεκριμένου σχηματισμού, όλες οι θέσεις του οχήματος είναι δικτυωμένες με τρίγωνα που έχουν τις μεγαλύτερες πιθανές εσωτερικές γωνίες. Το γράφημα Delaunay που δημιουργείται αποτελείται από ακμές και κορυφές. Οι θέσεις του οχήματος είναι οι κορυφές και οι γραμμές σύνδεσης μεταξύ των γειτονικών αυτοκινήτων είναι οι άκρες. Χρησιμοποιώντας τις κορυφές του γραφήματος Delaunay είναι δυνατό να αποσαφηνιστεί η υφιστάμενη περικλείουσα κατάσταση γειτονιάς για κάθε αυτοκίνητο. Για να μειωθεί το γράφημα σε ουρές, πρέπει να καθοριστούν τα οδικά τμήματα στα οποία βρίσκονται τα αυτοκίνητα. Σε μια βάση δεδομένων δρόμου, συνήθως κάθε τμήμα δρόμου αναπαρίσταται ως γραμμή με μοναδικό αναγνωριστικό. Η κατεύθυνση ή το τμήμα του δρόμου είναι επίσης απαραίτητο για την τελική μείωση σε ουρές. Η γωνία καθορίζει την κατεύθυνση πορείας στο οδικό τμήμα. Τα οχήματα είναι μέρος μιας ουράς, αν όλα είναι στην άκρη. Οι κατευθύνσεις του γραφήματος αντιστοιχούν με την κατεύθυνση πορείας στο τρέχον οδικό τμήμα. Κάθε οδικό τμήμα ορίζεται από πολλά σημεία. Τα οδικά τμήματα χωρίς ευθεία πορεία πρέπει να χωριστούν. Τέλος, υπολογίζεται ο προσδιορισμός της προκαθορισμένης κατεύθυνσης διαδρομής σε κάθε τμήμα ανάγνωσης.
Οχήματα κοντά σε διασταυρώσεις και φανάρια
Η συγκεκριμένη μεθοδολογία που προτείνουν οι ερευνητές, προορίζεται για την ταξινόμηση των οχήματα κοντά σε διασταυρώσεις ή φανάρια. Η ταξινόμηση θα αποφασίσει για κάθε όχημα, αν συμμετέχει στην κυκλοφορία ή βρίσκεται σταθμευμένο. Μια βασική παραδοχή είναι ότι οχήματα που βρίσκονται κοντά σε διασταυρώσεις ή φανάρια εμπλέκονται στην κυκλοφορία με μεγαλύτερη πιθανότητα. Μαζί με τις θέσεις των φαναριών, είναι δυνατό να προσδιοριστεί πόσο κοντά βρίσκονται τα οχήματα σε διασταύρωση ή φανάρι. Για το σκοπό αυτό, τα οχήματα επιλέγονται περαιτέρω με βάση την απόσταση μέχρι την επόμενη διασταύρωση ή τα φανάρια. Εφαρμόζονται τα ακόλουθα όρια απόστασης: 36m για διασταυρώσεις με δύο και περισσότερες λωρίδες και 17m για διασταυρώσεις με μία λωρίδα ανά κατεύθυνση.
Ταξινόμηση οχημάτων με βάση τη ασαφή λογική
Η τελική ταξινόμηση των οχημάτων σε στάθμευση ή στη συμμετοχή στην κυκλοφορία γίνεται με τη χρήση ασαφούς λογικής, η οποία μπορεί να μοντελοποιηθεί διαισθητικά χωρίς πολύπλοκα υποκείμενα στατιστικά στοιχεία. Γενικά, τα οχήματα που έχουν εκχωρηθεί σε ουρές και όχι σε ουρές, επεξεργάζονται χωριστά με διαφορετικά ασαφή συστήματα. Με βάση προκαθορισμένους κανόνες, πολλές παράμετροι που ονομάζονται γλωσσικές μεταβλητές συγχωνεύονται σε ένα ασαφές σύστημα. Αυτό περιλαμβάνει για κάθε όχημα: • ταχύτητα οδήγησης • απόσταση από διασταύρωση δρόμου/φανάρι • κατηγορία δρόμου • αριθμός λωρίδων για κάθε κατεύθυνση οδήγησης • πυκνότητα οχήματος ουράς D (μόνο για οχήματα σε ουρές) Για παράδειγμα, εάν ένα όχημα οδηγεί αργά και βρίσκεται κοντά σε φανάρι ή διασταύρωση, θεωρείται ότι αυτό το όχημα σταθμεύει με μικρότερη πιθανότητα από εκείνα τα οχήματα που δεν βρίσκονται κοντά σε μια τέτοια περιοχή. Ένα ασαφές σύστημα λαμβάνει μια ευκρινή τιμή εισόδου και επιστρέφει μια ευκρινή τιμή εξόδου. Στην ασάφεια, οι ευκρινείς τιμές μετατρέπονται σε μη δυαδικές τιμές που βασίζονται σε μη αποκλειστικές συναρτήσεις μέλους. Η αντιστοίχιση μιας μεταβλητής στο ασαφές σύνολο γίνεται μέσω της συνάρτησης μέλους. Ο ορισμός των συναρτήσεων μέλους γίνεται εμπειρικά, με βάση άλλη βιβλιογραφία ή λογικών εκτιμήσεων. Η γλωσσική μεταβλητή ταχύτητα έχει τους αντίστοιχους όρους αργή και γρήγορη. Ακόμα κι αν ένα όχημα κινείται αργά, δεν μπορεί να εκχωρηθεί αυτόματα ως μη σταθμευμένο, καθώς η μέτρηση της ταχύτητας μπορεί να είναι λανθασμένη. Η ακρίβεια της ταχύτητας οδήγησης επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Αυτό περιλαμβάνει την ακρίβεια της μέτρησης του οχήματος, τα σφάλματα χρονισμού κατά τη λήψη εικόνας και το σφάλμα κλίμακας που προκαλείται από το ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο. Λαμβάνοντας υπόψη τους επιμέρους παράγοντες, η εμπειρική τυπική απόκλιση είναι κάτω από 5 km/h. Επομένως, όλα τα οχήματα που έχουν ταχύτητα οδήγησης μικρότερη από 5 km/h μπορούν να θεωρηθούν σταθμευμένα. Μια άλλη γλωσσική μεταβλητή είναι η επιρροή από τα φανάρια ή τα σταυροδρόμια. Τα φανάρια και οι διασταυρώσεις επηρεάζουν την οδηγική συμπεριφορά των χρηστών του δρόμου. Οι συνδυασμοί τους μαζί με την κατηγορία λωρίδας εξετάζονται με διαφορετικές σταθμίσεις στο ασαφές σύστημα. Επιπλέον, η στάθμευση εξαρτάται από την κατηγορία λωρίδας. Εάν ο δρόμος αποτελείται από δύο λωρίδες, το τμήμα του δρόμου χρησιμοποιείται περισσότερο και η επιρροή ενός φαναριού ή διασταύρωσης είναι κατά συνέπεια μεγαλύτερη. Η κατηγορία του δρόμου είναι σημαντική για τη στάθμευση αυτοκινήτων κατά μήκος του δρόμου σε κατοικημένες περιοχές. Τα οχήματα σε αυτές τις περιοχές λαμβάνουν ειδική στάθμιση εντός του ασαφούς συστήματος. Για τον ορισμό της συνάρτησης μέλους, οι κατηγορίες δρόμων 1-2 συγχωνεύονται σε nuds ισχυρής κυκλοφορίας και οι άλλες κατηγορίες 3-5 σε δρόμους χαμηλής κυκλοφορίας. Μια άλλη γλωσσική μεταβλητή είναι η πυκνότητα του οχήματος μιας ουράς. Αυτή η μεταβλητή είναι μόνο μέρος του ασαφούς συστήματος των οχημάτων σε ουρές. Υπολογίζεται η πυκνότητα του οχήματος D όπου n είναι ο αριθμός των οχημάτων σε μια ουρά για ένα άκρο και As είναι το μήκος της άκρης. Η τιμή παρέχει πληροφορίες σχετικά με το πόσο κοντά βρίσκονται τα οχήματα το ένα πίσω από το άλλο. Εάν τα αυτοκίνητα περιμένουν σε διασταύρωση, η απόσταση μεταξύ τους είναι μικρή και η πυκνότητα κατά συνέπεια υψηλή. Μπορούμε λοιπόν βάση των ερευνητών να υποθέσουμε ότι οχήματα με πυκνότητα 0,15 ή μεγαλύτερη βρίσκονται σταθμευμένα λόγω της κυκλοφορίας (Van Aerde, Rakha, 1995). Για τη σύνδεση των γεγονότων, ορίζονται κανόνες if-then. Για τον κανόνα της κρυφής μνήμης, οι γλωσσικές μεταβλητές συνδέονται με "Και". Μετά τον καθορισμό των κανόνων, η υπαγωγή στη βάση κανόνων μπορεί να είναι καθοριστική ξεχωριστά για τα οχήματα σε ουρά και τα οχήματα που δεν έχουν εκχωρηθεί σε ουρές. Η διάσταση του διανύσματος συσχετίζεται με τον αριθμό των κανόνων. Για το λόγο αυτό, ο βαθμός υπαγωγής στον κανόνα προπονητή είναι ο ελάχιστος. Στη συνέχεια, γίνεται η συσσώρευση. Τα διανύσματα "Parking high" και "Parking low" έχουν αρκετά ασαφή σύνολα. Ο τελεστής συσσώρευσης συνδυάζει τα μερικά αποτελέσματα με μια σύνδεση Ok σε ένα τελικό σετ. Λόγω της λειτουργίας OR, χρησιμοποιείται ο μέγιστος τελεστής. Η μεταβλητή εξόδου είναι η γλωσσική μεταβλητή «στάθμευση» με δύο γλωσσικούς όρους «χαμηλό» και «υψηλό». Ο όρος χαμηλός αντιπροσωπεύει "εμπλέκεται στην κυκλοφορία" και ο όρος υψηλός "στάθμευση". Οι τιμές flazzy μετατρέπονται σε ευκρινείς τιμές. Η έξοδος είναι η τιμή στάθμευσης με την αντίστοιχη ισχύ. Όλα τα οχήματα σε μια ουρά λαμβάνουν την ίδια τιμή. Όλα τα οχήματα που δεν βρίσκονται σε ουρές λαμβάνουν ατομική αξία στάθμευσης. Τα αυτοκίνητα με μεγαλύτερη τιμή στάθμευσης από 0,5 θεωρείται ότι σταθμεύουν, τα άλλα εμπλέκονται στην κυκλοφορία.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ
Τα πειράματα διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας δεδομένα αερό-φωτογραφίας που ελήφθησαν από το λεγόμενο σύστημα κάμερας 4k για εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο και ταχεία χαρτογράφηση, μια εσωτερική ανάπτυξη DLR, η οποία είναι τοποθετημένη σε ελικόπτερο
Σύνολο δεδομένων
Η μέθοδος αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε σε ακολουθίες εικόνων διαφορετικών σκηνών στην περιοχή του Μονάχου, που αποκτήθηκαν με το σύστημα αισθητήρων 4k σε ύψος πτήσης 8000 hm από το έδαφος. Ο τελικός χρόνος παρατήρησης ήταν μικρότερος από 10 δευτερόλεπτα. Στην περίπτωσή του πειράματος καταγράφηκαν τρεις εικόνες με ρυθμό επανάληψης 2 καρέ ανά δευτερόλεπτο και ανά κάμερα. Η διάρκεια του διαλείμματος μεταξύ κάθε ριπής είναι 6-7 δευτερόλεπτα. Αυτές οι σύντομες ακολουθίες είναι καλές για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση οχημάτων, ενώ τα διαλείμματα της λειτουργίας ριπής μειώνουν την ποσότητα δεδομένων που πρέπει να χειριστεί (σε πραγματικό χρόνο) στους υπολογιστές του συστήματος του αεροσκάφους.
Αποτελέσματα Οι παρακάτω εικόνες παρουσιάζουν τα τελικά αποτελέσματα της ταξινόμησης οχημάτων μιας σκηνής. Τα χρώματα των ουρών οχημάτων αντιστοιχούν στα αποτελέσματα της ασαφούς λογικής. Όλα τα οχήματα που βρίσκονται σε πράσινη ουρά εμπλέκονται στην κυκλοφορία ενώ με κόκκινο χρώμα συγκαταλέγονται τα οχήματα εκείνα που σταθμεύουν .
ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ – ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Η παρουσιαζόμενη μέθοδος για την ταξινόμηση των οχημάτων σε "moving", "stop" και "parking" εκμεταλλεύεται τις πληροφορίες που εμπεριέχονται σε αλληλουχίες εναέριων εικόνων. Το χρονικό διάστημα της παρατήρησης ενός συγκεκριμένου οχήματος κατά τη διάρκεια αυτής της ακολουθίας βρίσκεται στα σύνολα δεδομένων που συλλέγονται. Η παρουσιαζόμενη μέθοδος φτάνει σε τιμή ορθότητας περίπου 86,3%. Τα αποτελέσματα εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες οι οποίοι αναφέρθηκαν στην ανάλυση. Η ανάγκη επίλυσης του ζητήματος της στάθμευσης των οχημάτων οδήγησε στην ανάπτυξη της παρούσας μεθόδου. Η χρήση της τηλεπισκόπησης και η επεξεργασία αεροφωτογραφιών για την ανάλυση της υφιστάμενης κατάστασης έχει συμβάλλει ουσιαστικά στο παρόν ζήτημα.
