Automatic Registration of RGBD Scans via Salient Directions

We address the problem of wide-baseline registration of RGB-D data, such as photo-textured laser scans without any artificial targets or prediction on the relative motion. Our approach allows to fully automatically register scans taken in GPS-denied environments such as urban canyon, industrial facilities or even indoors. We build upon image features which are plenty, localized well and much more discriminative than geometry features; however, they suffer from viewpoint distortions and request for normalization. We utilize the principle of salient directions present in the geometry and propose to extract (several) directions from the distribution of surface normals or other cues such as observable symmetries. Compared to previous work we pose no requirements on the scanned scene (like containing large textured planes) and can handle arbitrary surface shapes. Rendering the whole scene from these repeatable directions using an orthographic camera generates textures which are identical up to 2D similarity transformations. This ambiguity is naturally handled by 2D features and allows to find stable correspondences among scans. For geometric pose estimation from tentative matches we propose a fast and robust 2 point sample consensus scheme integrating an early rejection phase. We evaluate our approach on different challenging real world scenes

Automatic Retrieval of Skeletal Structures of Trees from Terrestrial Laser Scanner Data

Research on forest ecosystems receives high attention, especially nowadays with regard to sustainable management of renewable resources and the climate change. In particular, accurate information on the 3D structure of a tree is important for forest science and bioclimatology, but also in the scope of commercial applications. Conventional methods to measure geometric plant features are labor- and time-intensive. For detailed analysis, trees have to be cut down, which is often undesirable. Here, Terrestrial Laser Scanning (TLS) provides a particularly attractive tool because of its contactless measurement technique. The object geometry is reproduced as a 3D point cloud. The objective of this thesis is the automatic retrieval of the spatial structure of trees from TLS data. We focus on forest scenes with comparably high stand density and with many occlusions resulting from it. The varying level of detail of TLS data poses a big challenge. We present two fully automatic methods to obtain skeletal structures from scanned trees that have complementary properties. First, we explain a method that retrieves the entire tree skeleton from 3D data of co-registered scans. The branching structure is obtained from a voxel space representation by searching paths from branch tips to the trunk. The trunk is determined in advance from the 3D points. The skeleton of a tree is generated as a 3D line graph. Besides 3D coordinates and range, a scan provides 2D indices from the intensity image for each measurement. This is exploited in the second method that processes individual scans. Furthermore, we introduce a novel concept to manage TLS data that facilitated the researchwork. Initially, the range image is segmented into connected components. We describe a procedure to retrieve the boundary of a component that is capable of tracing inner depth discontinuities. A 2D skeleton is generated from the boundary information and used to decompose the component into sub components. A Principal Curve is computed from the 3D point set that is associated with a sub component. The skeletal structure of a connected component is summarized as a set of polylines. Objective evaluation of the results remains an open problem because the task itself is ill-defined: There exists no clear definition of what the true skeleton should be w.r.t. a given point set. Consequently, we are not able to assess the correctness of the methods quantitatively, but have to rely on visual assessment of results and provide a thorough discussion of the particularities of both methods. We present experiment results of both methods. The first method efficiently retrieves full skeletons of trees, which approximate the branching structure. The level of detail is mainly governed by the voxel space and therefore, smaller branches are reproduced inadequately. The second method retrieves partial skeletons of a tree with high reproduction accuracy. The method is sensitive to noise in the boundary, but the results are very promising. There are plenty of possibilities to enhance the method’s robustness. The combination of the strengths of both presented methods needs to be investigated further and may lead to a robust way to obtain complete tree skeletons from TLS data automatically.Die Erforschung des ÖkosystemsWald spielt gerade heutzutage im Hinblick auf den nachhaltigen Umgang mit nachwachsenden Rohstoffen und den Klimawandel eine große Rolle. Insbesondere die exakte Beschreibung der dreidimensionalen Struktur eines Baumes ist wichtig für die Forstwissenschaften und Bioklimatologie, aber auch im Rahmen kommerzieller Anwendungen. Die konventionellen Methoden um geometrische Pflanzenmerkmale zu messen sind arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Für eine genaue Analyse müssen Bäume gefällt werden, was oft unerwünscht ist. Hierbei bietet sich das Terrestrische Laserscanning (TLS) als besonders attraktives Werkzeug aufgrund seines kontaktlosen Messprinzips an. Die Objektgeometrie wird als 3D-Punktwolke wiedergegeben. Basierend darauf ist das Ziel der Arbeit die automatische Bestimmung der räumlichen Baumstruktur aus TLS-Daten. Der Fokus liegt dabei auf Waldszenen mit vergleichsweise hoher Bestandesdichte und mit zahlreichen daraus resultierenden Verdeckungen. Die Auswertung dieser TLS-Daten, die einen unterschiedlichen Grad an Detailreichtum aufweisen, stellt eine große Herausforderung dar. Zwei vollautomatische Methoden zur Generierung von Skelettstrukturen von gescannten Bäumen, welche komplementäre Eigenschaften besitzen, werden vorgestellt. Bei der ersten Methode wird das Gesamtskelett eines Baumes aus 3D-Daten von registrierten Scans bestimmt. Die Aststruktur wird von einer Voxelraum-Repräsentation abgeleitet indem Pfade von Astspitzen zum Stamm gesucht werden. Der Stamm wird im Voraus aus den 3D-Punkten rekonstruiert. Das Baumskelett wird als 3D-Liniengraph erzeugt. Für jeden gemessenen Punkt stellt ein Scan neben 3D-Koordinaten und Distanzwerten auch 2D-Indizes zur Verfügung, die sich aus dem Intensitätsbild ergeben. Bei der zweiten Methode, die auf Einzelscans arbeitet, wird dies ausgenutzt. Außerdem wird ein neuartiges Konzept zum Management von TLS-Daten beschrieben, welches die Forschungsarbeit erleichtert hat. Zunächst wird das Tiefenbild in Komponenten aufgeteilt. Es wird eine Prozedur zur Bestimmung von Komponentenkonturen vorgestellt, die in der Lage ist innere Tiefendiskontinuitäten zu verfolgen. Von der Konturinformation wird ein 2D-Skelett generiert, welches benutzt wird um die Komponente in Teilkomponenten zu zerlegen. Von der 3D-Punktmenge, die mit einer Teilkomponente assoziiert ist, wird eine Principal Curve berechnet. Die Skelettstruktur einer Komponente im Tiefenbild wird als Menge von Polylinien zusammengefasst. Die objektive Evaluation der Resultate stellt weiterhin ein ungelöstes Problem dar, weil die Aufgabe selbst nicht klar erfassbar ist: Es existiert keine eindeutige Definition davon was das wahre Skelett in Bezug auf eine gegebene Punktmenge sein sollte. Die Korrektheit der Methoden kann daher nicht quantitativ beschrieben werden. Aus diesem Grund, können die Ergebnisse nur visuell beurteiltwerden. Weiterhinwerden die Charakteristiken beider Methoden eingehend diskutiert. Es werden Experimentresultate beider Methoden vorgestellt. Die erste Methode bestimmt effizient das Skelett eines Baumes, welches die Aststruktur approximiert. Der Detaillierungsgrad wird hauptsächlich durch den Voxelraum bestimmt, weshalb kleinere Äste nicht angemessen reproduziert werden. Die zweite Methode rekonstruiert Teilskelette eines Baums mit hoher Detailtreue. Die Methode reagiert sensibel auf Rauschen in der Kontur, dennoch sind die Ergebnisse vielversprechend. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten die Robustheit der Methode zu verbessern. Die Kombination der Stärken von beiden präsentierten Methoden sollte weiter untersucht werden und kann zu einem robusteren Ansatz führen um vollständige Baumskelette automatisch aus TLS-Daten zu generieren

Laser Scanner Technology

Laser scanning technology plays an important role in the science and engineering arena. The aim of the scanning is usually to create a digital version of the object surface. Multiple scanning is sometimes performed via multiple cameras to obtain all slides of the scene under study. Usually, optical tests are used to elucidate the power of laser scanning technology in the modern industry and in the research laboratories. This book describes the recent contributions reported by laser scanning technology in different areas around the world. The main topics of laser scanning described in this volume include full body scanning, traffic management, 3D survey process, bridge monitoring, tracking of scanning, human sensing, three-dimensional modelling, glacier monitoring and digitizing heritage monuments

Fine-scale Inventory of Forest Biomass with Ground-based LiDAR

Biomass measurement provides a baseline for ecosystem valuation required by modern forest management. The advent of ground-based LiDAR technology, renowned for 3D sampling resolution, has been altering the routines of biomass inventory. The thesis develops a set of innovative approaches in support of fine-scale biomass inventory, including automatic extraction of stem statistics, robust delineation of plot biomass components, accurate classification of individual tree species, and repeatable scanning of plot trees using a lightweight scanning system. Main achievements in terms of accuracy are a relative root mean square error of 11% for stem volume extraction, a mean classification accuracy of 0.72 for plot wood components, and a classification accuracy of 92% among seven tree species. The results indicate the technical feasibility of biomass delineation and monitoring from plot-level and multi-species point cloud datasets, whereas point occlusion and lack of fine-scale validation dataset are current challenges for biomass 3D analysis from ground.S.G.S. International Tuition Award from the University of Lethbridge The Dean's Scholarship from the University of Lethbridge Campus Alberta Innovates Program NSERC Discovery Grants Progra

Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

Low-rank Based Algorithms for Rectification, Repetition Detection and De-noising in Urban Images

In this thesis, we aim to solve the problem of automatic image rectification and repeated patterns detection on 2D urban images, using novel low-rank based techniques. Repeated patterns (such as windows, tiles, balconies and doors) are prominent and significant features in urban scenes. Detection of the periodic structures is useful in many applications such as photorealistic 3D reconstruction, 2D-to-3D alignment, facade parsing, city modeling, classification, navigation, visualization in 3D map environments, shape completion, cinematography and 3D games. However both of the image rectification and repeated patterns detection problems are challenging due to scene occlusions, varying illumination, pose variation and sensor noise. Therefore, detection of these repeated patterns becomes very important for city scene analysis. Given a 2D image of urban scene, we automatically rectify a facade image and extract facade textures first. Based on the rectified facade texture, we exploit novel algorithms that extract repeated patterns by using Kronecker product based modeling that is based on a solid theoretical foundation. We have tested our algorithms in a large set of images, which includes building facades from Paris, Hong Kong and New York

Hierarchical and Spatial Structures for Interpreting Images of Man-made Scenes Using Graphical Models

The task of semantic scene interpretation is to label the regions of an image and their relations into meaningful classes. Such task is a key ingredient to many computer vision applications, including object recognition, 3D reconstruction and robotic perception. It is challenging partially due to the ambiguities inherent to the image data. The images of man-made scenes, e. g. the building facade images, exhibit strong contextual dependencies in the form of the spatial and hierarchical structures. Modelling these structures is central for such interpretation task. Graphical models provide a consistent framework for the statistical modelling. Bayesian networks and random fields are two popular types of the graphical models, which are frequently used for capturing such contextual information. The motivation for our work comes from the belief that we can find a generic formulation for scene interpretation that having both the benefits from random fields and Bayesian networks. It should have clear semantic interpretability. Therefore our key contribution is the development of a generic statistical graphical model for scene interpretation, which seamlessly integrates different types of the image features, and the spatial structural information and the hierarchical structural information defined over the multi-scale image segmentation. It unifies the ideas of existing approaches, e. g. conditional random field (CRF) and Bayesian network (BN), which has a clear statistical interpretation as the maximum a posteriori (MAP) estimate of a multi-class labelling problem. Given the graphical model structure, we derive the probability distribution of the model based on the factorization property implied in the model structure. The statistical model leads to an energy function that can be optimized approximately by either loopy belief propagation or graph cut based move making algorithm. The particular type of the features, the spatial structure, and the hierarchical structure however is not prescribed. In the experiments, we concentrate on terrestrial man-made scenes as a specifically difficult problem. We demonstrate the application of the proposed graphical model on the task of multi-class classification of building facade image regions. The framework for scene interpretation allows for significantly better classification results than the standard classical local classification approach on man-made scenes by incorporating the spatial and hierarchical structures. We investigate the performance of the algorithms on a public dataset to show the relative importance of the information from the spatial structure and the hierarchical structure. As a baseline for the region classification, we use an efficient randomized decision forest classifier. Two specific models are derived from the proposed graphical model, namely the hierarchical CRF and the hierarchical mixed graphical model. We show that these two models produce better classification results than both the baseline region classifier and the flat CRF.Hierarchische und räumliche Strukturen zur Interpretation von Bildern anthropogener Szenen unter Nutzung graphischer Modelle Ziel der semantischen Bildinterpretation ist es, Bildregionen und ihre gegenseitigen Beziehungen zu kennzeichnen und in sinnvolle Klassen einzuteilen. Dies ist eine der Hauptaufgabe in vielen Bereichen des maschinellen Sehens, wie zum Beispiel der Objekterkennung, 3D Rekonstruktion oder der Wahrnehmung von Robotern. Insbesondere Bilder anthropogener Szenen, wie z.B. Fassadenaufnahmen, sind durch starke räumliche und hierarchische Strukturen gekennzeichnet. Diese Strukturen zu modellieren ist zentrale Teil der Interpretation, für deren statistische Modellierung graphische Modelle ein geeignetes konsistentes Werkzeug darstellen. Bayes Netze und Zufallsfelder sind zwei bekannte und häufig genutzte Beispiele für graphische Modelle zur Erfassung kontextabhängiger Informationen. Die Motivation dieser Arbeit liegt in der überzeugung, dass wir eine generische Formulierung der Bildinterpretation mit klarer semantischer Bedeutung finden können, die die Vorteile von Bayes Netzen und Zufallsfeldern verbindet. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit liegt daher in der Entwicklung eines generischen statistischen graphischen Modells zur Bildinterpretation, welches unterschiedlichste Typen von Bildmerkmalen und die räumlichen sowie hierarchischen Strukturinformationen über eine multiskalen Bildsegmentierung integriert. Das Modell vereinheitlicht die existierender Arbeiten zugrunde liegenden Ideen, wie bedingter Zufallsfelder (conditional random field (CRF)) und Bayesnetze (Bayesian network (BN)). Dieses Modell hat eine klare statistische Interpretation als Maximum a posteriori (MAP) Schätzer eines mehrklassen Zuordnungsproblems. Gegeben die Struktur des graphischen Modells und den dadurch definierten Faktorisierungseigenschaften leiten wir die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Modells ab. Dies führt zu einer Energiefunktion, die näherungsweise optimiert werden kann. Der jeweilige Typ der Bildmerkmale, die räumliche sowie hierarchische Struktur ist von dieser Formulierung unabhängig. Wir zeigen die Anwendung des vorgeschlagenen graphischen Modells anhand der mehrklassen Zuordnung von Bildregionen in Fassadenaufnahmen. Wir demonstrieren, dass das vorgeschlagene Verfahren zur Bildinterpretation, durch die Berücksichtigung räumlicher sowie hierarchischer Strukturen, signifikant bessere Klassifikationsergebnisse zeigt, als klassische lokale Klassifikationsverfahren. Die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens wird anhand eines öffentlich verfügbarer Datensatzes evaluiert. Zur Klassifikation der Bildregionen nutzen wir ein Verfahren basierend auf einem effizienten Random Forest Klassifikator. Aus dem vorgeschlagenen allgemeinen graphischen Modell werden konkret zwei spezielle Modelle abgeleitet, ein hierarchisches bedingtes Zufallsfeld (hierarchical CRF) sowie ein hierarchisches gemischtes graphisches Modell. Wir zeigen, dass beide Modelle bessere Klassifikationsergebnisse erzeugen als die zugrunde liegenden lokalen Klassifikatoren oder die einfachen bedingten Zufallsfelder

Mobile Laser Scanning – System development, performance and applications

Osajulkaisut: Publication 1: Antero Kukko, Sanna Kaasalainen, and Paula Litkey. 2008. Effect of incidence angle on laser scanner intensity and surface data. Applied Optics, volume 47, number 7, pages 986-992. doi:10.1364/AO.47.000986 Publication 2: Antero Kukko and Juha Hyyppä. 2009. Small-footprint laser scanning simulator for system validation, error assessment, and algorithm development. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, volume 75, number 9, pages 1177-1189. Publication 3: Antero Kukko, Constantin-Octavian Andrei, Veli-Matti Salminen, Harri Kaartinen, Yuwei Chen, Petri Rönnholm, Hannu Hyyppä, Juha Hyyppä, Ruizhi Chen, Henrik Haggrén, Iisakki Kosonen, and Karel Čapek. 2007. Road environment mapping system of the Finnish Geodetic Institute - FGI ROAMER -. In: Petri Rönnholm, Hannu Hyyppä, and Juha Hyyppä (editors). Proceedings of the ISPRS Workshop on Laser Scanning 2007 and SilviLaser 2007. Espoo, Finland. 12-14 September 2007. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, volume 36, part 3 / W52, pages 241-247. ISSN 1682-1777. Publication 4: Antero Kukko, Harri Kaartinen, Juha Hyyppä, and Yuwei Chen. 2012. Multiplatform mobile laser scanning: Usability and performance. Sensors, volume 12, number 9, pages 11712-11733. doi:10.3390/s120911712 Publication 5: Harri Kaartinen, Juha Hyyppä, Antero Kukko, Anttoni Jaakkola, and Hannu Hyyppä. 2012. Benchmarking the performance of mobile laser scanning systems using a permanent test field. Sensors, volume 12, number 9, pages 12814-12835. doi:10.3390/s120912814 Publication 6: P. Alho, A. Kukko, H. Hyyppä, H. Kaartinen, J. Hyyppä, and A. Jaakkola. 2009. Application of boat-based laser scanning for river survey. Earth Surface Processes and Landforms, volume 34, number 13, pages 1831-1838. doi:10.1002/esp.1879 Publication 7: Matti Vaaja, Juha Hyyppä, Antero Kukko, Harri Kaartinen, Hannu Hyyppä, and Petteri Alho. 2011. Mapping topography changes and elevation accuracies using a mobile laser scanner. Remote Sensing, volume 3, number 3, pages 587-600. doi:10.3390/rs3030587Laser scanning is a surveying technique used for mapping topography, vegetation, urban areas and infrastructure, ice, and other targets of interest. Its application on a terrestrial mobile platform is a promising method for effectively collecting three-dimensional data for complex environments and for producing model information for location-based services necessitating rapidly collected and up-to-date data. Development of mobile laser scanning (MLS) systems for such purposes is presented in this study. Different aspects of this technology were analyzed in laboratory experiments, simulations and field tests, in order to understand their effects on the ranging, intensity and point cloud data, especially in terms of point distribution and accuracy. In order to validate the performance of the developed ROAMER and AKHKA MLS systems, various three-dimensional mapping tasks were performed during an international benchmarking test, as well as in the field in numerous projects. The results showed that the proposed systems can reliably provide accurate data. It has also been shown that the various modalities of the systems allow data acquisition in numerous application scenarios and environments not previously possible. MLS improves the data output compared to terrestrial laser scanning (TLS) and outperforms airborne laser scanning (ALS) in ranging precision and point density. As a result, MLS is well suited to fill the gap between these two previously dominant 3D data acquisition techniques.Laserkeilaus on mittaustekniikka, jota käytetään maaston topografian kasvillisuuden, rakennettujen alueiden, infrastruktuurin, jään ja muiden kohteiden kartoitukseen. Tekniikan soveltaminen liikkuvalle alustalle on lupaava menetelmä monimuotoisten ympäristöjen tehokkaaseen kolmiulotteiseen mittaamiseen ja mallinnustiedon tuottamiseen paikkatietopalveluihin, jotka edellyttävät tiedon nopeaa hankintaa ja ajantasaisuutta. Tässä tutkimuksessa kehitettiin liikkuvia laserkeilausjärjestelmiä (MLS). Eri tekijöiden vaikutuksia etäisyys- ja intensiteettihavaintoihin, pistejakaumaan ja tarkkuuteen selvitettiin laboratoriokokein, simuloimalla ja koetöin. Tutkimuksessa kehitettyjen ROAMER ja AKHKA MLS-järjestelmien suorituskykyä kolmiulotteisen mittaustiedon tuottamiseen erilaisissa kartoitustehtävissä tutkittiin kansainvälisessä vertailututkimuksessa kaupunkitestikentän avulla, mutta lisäksi käytännön sovelluksissa useassa eri projektissa. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että kehitetyt MLS järjestelmät tuottavat tarkkaa tietoa luotettavasti. Järjestelmien monikäyttöisyys mahdollistaa aineistonhankinnan eri sovellustapauksissa ja ympäristöissä tavalla, joka ei ole aikaisemmin ollut mahdollista. Liikkuva laserkeilaus parantaa merkittävästi mittauksen tehokkuutta maalaserkeilaukseen verrattuna, ja ylittää lentolaserkeilauksen suorituskyvyn etäisyysmittauksen tarkkuudessa ja pistetiheydessä. Liikkuva laserkeilaus tarjoaakin näitä kahta aikaisemmin vallitsevaa 3D-mittausteknologiaa hyvin täydentävän kartoitusmenetelmän

Le nuage de point intelligent

Discrete spatial datasets known as point clouds often lay the groundwork for decision-making applications. E.g., we can use such data as a reference for autonomous cars and robot’s navigation, as a layer for floor-plan’s creation and building’s construction, as a digital asset for environment modelling and incident prediction... Applications are numerous, and potentially increasing if we consider point clouds as digital reality assets. Yet, this expansion faces technical limitations mainly from the lack of semantic information within point ensembles. Connecting knowledge sources is still a very manual and time-consuming process suffering from error-prone human interpretation. This highlights a strong need for domain-related data analysis to create a coherent and structured information. The thesis clearly tries to solve automation problematics in point cloud processing to create intelligent environments, i.e. virtual copies that can be used/integrated in fully autonomous reasoning services. We tackle point cloud questions associated with knowledge extraction – particularly segmentation and classification – structuration, visualisation and interaction with cognitive decision systems. We propose to connect both point cloud properties and formalized knowledge to rapidly extract pertinent information using domain-centered graphs. The dissertation delivers the concept of a Smart Point Cloud (SPC) Infrastructure which serves as an interoperable and modular architecture for a unified processing. It permits an easy integration to existing workflows and a multi-domain specialization through device knowledge, analytic knowledge or domain knowledge. Concepts, algorithms, code and materials are given to replicate findings and extend current applications.Les ensembles discrets de données spatiales, appelés nuages de points, forment souvent le support principal pour des scénarios d’aide à la décision. Par exemple, nous pouvons utiliser ces données comme référence pour les voitures autonomes et la navigation des robots, comme couche pour la création de plans et la construction de bâtiments, comme actif numérique pour la modélisation de l'environnement et la prédiction d’incidents... Les applications sont nombreuses et potentiellement croissantes si l'on considère les nuages de points comme des actifs de réalité numérique. Cependant, cette expansion se heurte à des limites techniques dues principalement au manque d'information sémantique au sein des ensembles de points. La création de liens avec des sources de connaissances est encore un processus très manuel, chronophage et lié à une interprétation humaine sujette à l'erreur. Cela met en évidence la nécessité d'une analyse automatisée des données relatives au domaine étudié afin de créer une information cohérente et structurée. La thèse tente clairement de résoudre les problèmes d'automatisation dans le traitement des nuages de points pour créer des environnements intelligents, c'est-àdire des copies virtuelles qui peuvent être utilisées/intégrées dans des services de raisonnement totalement autonomes. Nous abordons plusieurs problématiques liées aux nuages de points et associées à l'extraction des connaissances - en particulier la segmentation et la classification - la structuration, la visualisation et l'interaction avec les systèmes cognitifs de décision. Nous proposons de relier à la fois les propriétés des nuages de points et les connaissances formalisées pour extraire rapidement les informations pertinentes à l'aide de graphes centrés sur le domaine. La dissertation propose le concept d'une infrastructure SPC (Smart Point Cloud) qui sert d'architecture interopérable et modulaire pour un traitement unifié. Elle permet une intégration facile aux flux de travail existants et une spécialisation multidomaine grâce aux connaissances liée aux capteurs, aux connaissances analytiques ou aux connaissances de domaine. Plusieurs concepts, algorithmes, codes et supports sont fournis pour reproduire les résultats et étendre les applications actuelles.Diskrete räumliche Datensätze, so genannte Punktwolken, bilden oft die Grundlage für Entscheidungsanwendungen. Beispielsweise können wir solche Daten als Referenz für autonome Autos und Roboternavigation, als Ebene für die Erstellung von Grundrissen und Gebäudekonstruktionen, als digitales Gut für die Umgebungsmodellierung und Ereignisprognose verwenden... Die Anwendungen sind zahlreich und nehmen potenziell zu, wenn wir Punktwolken als Digital Reality Assets betrachten. Allerdings stößt diese Erweiterung vor allem durch den Mangel an semantischen Informationen innerhalb von Punkt-Ensembles auf technische Grenzen. Die Verbindung von Wissensquellen ist immer noch ein sehr manueller und zeitaufwendiger Prozess, der unter fehleranfälliger menschlicher Interpretation leidet. Dies verdeutlicht den starken Bedarf an domänenbezogenen Datenanalysen, um eine kohärente und strukturierte Information zu schaffen. Die Arbeit versucht eindeutig, Automatisierungsprobleme in der Punktwolkenverarbeitung zu lösen, um intelligente Umgebungen zu schaffen, d.h. virtuelle Kopien, die in vollständig autonome Argumentationsdienste verwendet/integriert werden können. Wir befassen uns mit Punktwolkenfragen im Zusammenhang mit der Wissensextraktion - insbesondere Segmentierung und Klassifizierung - Strukturierung, Visualisierung und Interaktion mit kognitiven Entscheidungssystemen. Wir schlagen vor, sowohl Punktwolkeneigenschaften als auch formalisiertes Wissen zu verbinden, um schnell relevante Informationen mithilfe von domänenzentrierten Grafiken zu extrahieren. Die Dissertation liefert das Konzept einer Smart Point Cloud (SPC) Infrastruktur, die als interoperable und modulare Architektur für eine einheitliche Verarbeitung dient. Es ermöglicht eine einfache Integration in bestehende Workflows und eine multidimensionale Spezialisierung durch Gerätewissen, analytisches Wissen oder Domänenwissen. Konzepte, Algorithmen, Code und Materialien werden zur Verfügung gestellt, um Erkenntnisse zu replizieren und aktuelle Anwendungen zu erweitern

Hyperspectral Imaging for Fine to Medium Scale Applications in Environmental Sciences

The aim of the Special Issue “Hyperspectral Imaging for Fine to Medium Scale Applications in Environmental Sciences” was to present a selection of innovative studies using hyperspectral imaging (HSI) in different thematic fields. This intention reflects the technical developments in the last three decades, which have brought the capacity of HSI to provide spectrally, spatially and temporally detailed data, favoured by e.g., hyperspectral snapshot technologies, miniaturized hyperspectral sensors and hyperspectral microscopy imaging. The present book comprises a suite of papers in various fields of environmental sciences—geology/mineral exploration, digital soil mapping, mapping and characterization of vegetation, and sensing of water bodies (including under-ice and underwater applications). In addition, there are two rather methodically/technically-oriented contributions dealing with the optimized processing of UAV data and on the design and test of a multi-channel optical receiver for ground-based applications. All in all, this compilation documents that HSI is a multi-faceted research topic and will remain so in the future