Monocular-based 3-D seafloor reconstruction and ortho-mosaicing by piecewise planar representation

Photo-mosaicing techniques have become popular for seafloor mapping in various marine science applications. However, the common methods cannot accurately map regions with high relief and topographical variations. Ortho-mosaicing borrowed from photogrammetry is an alternative technique that enables taking into account the 3-D shape of the terrain. A serious bottleneck is the volume of elevation information that needs to be estimated from the video data, fused, and processed for the generation of a composite ortho-photo that covers a relatively large seafloor area. We present a framework that combines the advantages of dense depth-map and 3-D feature estimation techniques based on visual motion cues. The main goal is to identify and reconstruct certain key terrain feature points that adequately represent the surface with minimal complexity in the form of piecewise planar patches. The proposed implementation utilizes local depth maps for feature selection, while tracking over several views enables 3-D reconstruction by bundle adjustment. Experimental results with synthetic and real data validate the effectiveness of the proposed approach

WAIS Seminar:Modelling the Web: Examples of modelling language, network evolution and physical-social systems

Speaker(s): Prof. Steffen Staab Organiser: Dr Tim Chown Time: 23/05/2014 10:30-11:30 Location: B53/4025 Abstract The Web is constructed based on our experiences in a multitude of modalities: text, networks, images, physical locations are some examples. Understanding the Web requires from us that we can model these modalities as they appear on the Web. In this talk I will show some examples of how we model text, hyperlink networks and physical-social systems in order to improve our understanding and our use of the Web.

Catadioptric stereo based on structured light projection

La percepció per visió es millorada quan es pot gaudir d'un camp de visió ampli. Aquesta tesi es concentra en la percepció visual de la profunditat amb l'ajuda de càmeres omnidireccionals. La percepció 3D s'obté generalment en la visió per computadora utilitzant configuracions estèreo amb el desavantatge del cost computacional elevat a l'hora de buscar els elements visuals comuns entre les imatges. La solució que ofereix aquesta tesi és l'ús de la llum estructurada per resoldre el problema de relacionar les correspondències. S'ha realitzat un estudi sobre els sistemes de visió omnidireccional. S'han avaluat vàries configuracions estèreo i s'ha escollit la millor. Els paràmetres del model són difícils de mesurar directament i, en conseqüència, s'ha desenvolupat una sèrie de mètodes de calibració. Els resultats obtinguts són prometedors i demostren que el sensor pot ésser utilitzat en aplicacions per a la percepció de la profunditat com serien el modelatge de l'escena, la inspecció de canonades, navegació de robots, etc.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Feature-point detection using distance transforms: Application to tracking tropical convective complexes

The identification, tracking, and statistical analysis of tropical convective complexes using satellite imagery is explored in the context of identifying feature points suitable for tracking. The feature points are determined based on the shape of complexes using the distance transform technique. This approach has been applied to the determination feature points for tropical convective complexes identified in a time series of global cloud imagery. The feature points are used to track the complexes, and from the tracks statistical diagnostic fields are computed. This approach allows the nature and distribution of organized deep convection in the Tropics to be explored.

Feature tracking on the unit-sphere

Techniques used in a previous study of the objective identification and tracking of meteorological features in model data are extended to the unit sphere. An alternative feature detection scheme is described based on cubic interpolation for the sphere and local maximization. The extension of the tracking technique, used in the previous study, to the unit sphere is described. An example of the application of these techniques to a global relative vorticity field from a model integration are presented and discussed.

A comparison of recent reanalysis datasets using objective feature tracking: Storm tracks and tropical easterly waves

Data from four recent reanalysis projects [ECMWF, NCEP-NCAR, NCEP - Department of Energy ( DOE), NASA] have been diagnosed at the scale of synoptic weather systems using an objective feature tracking method. The tracking statistics indicate that, overall, the reanalyses correspond very well in the Northern Hemisphere (NH) lower troposphere, although differences for the spatial distribution of mean intensities show that the ECMWF reanalysis is systematically stronger in the main storm track regions but weaker around major orographic features. A direct comparison of the track ensembles indicates a number of systems with a broad range of intensities that compare well among the reanalyses. In addition, a number of small-scale weak systems are found that have no correspondence among the reanalyses or that only correspond upon relaxing the matching criteria, indicating possible differences in location and/or temporal coherence. These are distributed throughout the storm tracks, particularly in the regions known for small-scale activity, such as secondary development regions and the Mediterranean. For the Southern Hemisphere (SH), agreement is found to be generally less consistent in the lower troposphere with significant differences in both track density and mean intensity. The systems that correspond between the various reanalyses are considerably reduced and those that do not match span a broad range of storm intensities. Relaxing the matching criteria indicates that there is a larger degree of uncertainty in both the location of systems and their intensities compared with the NH. At upper-tropospheric levels, significant differences in the level of activity occur between the ECMWF reanalysis and the other reanalyses in both the NH and SH winters. This occurs due to a lack of coherence in the apparent propagation of the systems in ERA15 and appears most acute above 500 hPa. This is probably due to the use of optimal interpolation data assimilation in ERA15. Also shown are results based on using the same techniques to diagnose the tropical easterly wave activity. Results indicate that the wave activity is sensitive not only to the resolution and assimilation methods used but also to the model formulation.

Distribution and statistics of African mesoscale convective weather systems based on the ISCCP Meteosat imagery

This paper provides for the first time an objective short-term (8 yr) climatology of African convective weather systems based on satellite imagery. Eight years of infrared International Satellite Cloud Climatology Project-European Space Agency's Meteorological Satellite (ISCCP-Meteosat) satellite imagery has been analyzed using objective feature identification, tracking, and statistical techniques for the July, August, and September periods and the region of Africa and the adjacent Atlantic ocean. This allows various diagnostics to be computed and used to study the distribution of mesoscale and synoptic-scale convective weather systems from mesoscale cloud clusters and squall lines to tropical cyclones. An 8-yr seasonal climatology (1983-90) and the seasonal cycle of this convective activity are presented and discussed. Also discussed is the dependence of organized convection for this region, on the orography, convective, and potential instability and vertical wind shear using European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis data.

Use of fused airborne scanning laser altimetry and digital map data for urban flood modelling

Flood modelling of urban areas is still at an early stage, partly because until recently topographic data of sufficiently high resolution and accuracy have been lacking in urban areas. However, Digital Surface Models (DSMs) generated from airborne scanning laser altimetry (LiDAR) having sub-metre spatial resolution have now become available, and these are able to represent the complexities of urban topography. The paper describes the development of a LiDAR post-processor for urban flood modelling based on the fusion of LiDAR and digital map data. The map data are used in conjunction with LiDAR data to identify different object types in urban areas, though pattern recognition techniques are also employed. Post-processing produces a Digital Terrain Model (DTM) for use as model bathymetry, and also a friction parameter map for use in estimating spatially-distributed friction coefficients. In vegetated areas, friction is estimated from LiDAR-derived vegetation height, and (unlike most vegetation removal software) the method copes with short vegetation less than ~1m high, which may occupy a substantial fraction of even an urban floodplain. The DTM and friction parameter map may also be used to help to generate an unstructured mesh of a vegetated urban floodplain for use by a 2D finite element model. The mesh is decomposed to reflect floodplain features having different frictional properties to their surroundings, including urban features such as buildings and roads as well as taller vegetation features such as trees and hedges. This allows a more accurate estimation of local friction. The method produces a substantial node density due to the small dimensions of many urban features.

Stochastic modelling of rainfall from satellite data

Satellite-based rainfall monitoring is widely used for climatological studies because of its full global coverage but it is also of great importance for operational purposes especially in areas such as Africa where there is a lack of ground-based rainfall data. Satellite rainfall estimates have enormous potential benefits as input to hydrological and agricultural models because of their real time availability, low cost and full spatial coverage. One issue that needs to be addressed is the uncertainty on these estimates. This is particularly important in assessing the likely errors on the output from non-linear models (rainfall-runoff or crop yield) which make use of the rainfall estimates, aggregated over an area, as input. Correct assessment of the uncertainty on the rainfall is non-trivial as it must take account of • the difference in spatial support of the satellite information and independent data used for calibration • uncertainties on the independent calibration data • the non-Gaussian distribution of rainfall amount • the spatial intermittency of rainfall • the spatial correlation of the rainfall field This paper describes a method for estimating the uncertainty on satellite-based rainfall values taking account of these factors. The method involves firstly a stochastic calibration which completely describes the probability of rainfall occurrence and the pdf of rainfall amount for a given satellite value, and secondly the generation of ensemble of rainfall fields based on the stochastic calibration but with the correct spatial correlation structure within each ensemble member. This is achieved by the use of geostatistical sequential simulation. The ensemble generated in this way may be used to estimate uncertainty at larger spatial scales. A case study of daily rainfall monitoring in the Gambia, west Africa for the purpose of crop yield forecasting is presented to illustrate the method.

An ensemble approach to uncertainty estimation for satellite-based rainfall estimates

Modelling the global coastal ocean

Shelf and coastal seas are regions of exceptionally high biological productivity, high rates of biogeochemical cycling and immense socio-economic importance. They are, however, poorly represented by the present generation of Earth system models, both in terms of resolution and process representation. Hence, these models cannot be used to elucidate the role of the coastal ocean in global biogeochemical cycles and the effects global change (both direct anthropogenic and climatic) are having on them. Here, we present a system for simulating all the coastal regions around the world (the Global Coastal Ocean Modelling System) in a systematic and practical fashion. It is based on automatically generating multiple nested model domains, using the Proudman Oceanographic Laboratory Coastal Ocean Modelling System coupled to the European Regional Seas Ecosystem Model. Preliminary results from the system are presented. These demonstrate the viability of the concept, and we discuss the prospects for using the system to explore key areas of global change in shelf seas, such as their role in the carbon cycle and climate change effects on fisheries.

Predicting mesh density for adaptive modelling of the global atmosphere

The shallow water equations are solved using a mesh of polygons on the sphere, which adapts infrequently to the predicted future solution. Infrequent mesh adaptation reduces the cost of adaptation and load-balancing and will thus allow for more accurate mapping on adaptation. We simulate the growth of a barotropically unstable jet adapting the mesh every 12 h. Using an adaptation criterion based largely on the gradient of the vorticity leads to a mesh with around 20 per cent of the cells of a uniform mesh that gives equivalent results. This is a similar proportion to previous studies of the same test case with mesh adaptation every 1–20 min. The prediction of the mesh density involves solving the shallow water equations on a coarse mesh in advance of the locally refined mesh in order to estimate where features requiring higher resolution will grow, decay or move to. The adaptation criterion consists of two parts: that resolved on the coarse mesh, and that which is not resolved and so is passively advected on the coarse mesh. This combination leads to a balance between resolving features controlled by the large-scale dynamics and maintaining fine-scale features.

Modelling European winter wind storm losses in current and future climate

Severe wind storms are one of the major natural hazards in the extratropics and inflict substantial economic damages and even casualties. Insured storm-related losses depend on (i) the frequency, nature and dynamics of storms, (ii) the vulnerability of the values at risk, (iii) the geographical distribution of these values, and (iv) the particular conditions of the risk transfer. It is thus of great importance to assess the impact of climate change on future storm losses. To this end, the current study employs—to our knowledge for the first time—a coupled approach, using output from high-resolution regional climate model scenarios for the European sector to drive an operational insurance loss model. An ensemble of coupled climate-damage scenarios is used to provide an estimate of the inherent uncertainties. Output of two state-of-the-art global climate models (HadAM3, ECHAM5) is used for present (1961–1990) and future climates (2071–2100, SRES A2 scenario). These serve as boundary data for two nested regional climate models with a sophisticated gust parametrizations (CLM, CHRM). For validation and calibration purposes, an additional simulation is undertaken with the CHRM driven by the ERA40 reanalysis. The operational insurance model (Swiss Re) uses a European-wide damage function, an average vulnerability curve for all risk types, and contains the actual value distribution of a complete European market portfolio. The coupling between climate and damage models is based on daily maxima of 10 m gust winds, and the strategy adopted consists of three main steps: (i) development and application of a pragmatic selection criterion to retrieve significant storm events, (ii) generation of a probabilistic event set using a Monte-Carlo approach in the hazard module of the insurance model, and (iii) calibration of the simulated annual expected losses with a historic loss data base. The climate models considered agree regarding an increase in the intensity of extreme storms in a band across central Europe (stretching from southern UK and northern France to Denmark, northern Germany into eastern Europe). This effect increases with event strength, and rare storms show the largest climate change sensitivity, but are also beset with the largest uncertainties. Wind gusts decrease over northern Scandinavia and Southern Europe. Highest intra-ensemble variability is simulated for Ireland, the UK, the Mediterranean, and parts of Eastern Europe. The resulting changes on European-wide losses over the 110-year period are positive for all layers and all model runs considered and amount to 44% (annual expected loss), 23% (10 years loss), 50% (30 years loss), and 104% (100 years loss). There is a disproportionate increase in losses for rare high-impact events. The changes result from increases in both severity and frequency of wind gusts. Considerable geographical variability of the expected losses exists, with Denmark and Germany experiencing the largest loss increases (116% and 114%, respectively). All countries considered except for Ireland (−22%) experience some loss increases. Some ramifications of these results for the socio-economic sector are discussed, and future avenues for research are highlighted. The technique introduced in this study and its application to realistic market portfolios offer exciting prospects for future research on the impact of climate change that is relevant for policy makers, scientists and economists.

Modelling the movement and survival of the root-feeding clover weevil, Sitona lepidus, in the root-zone of white clover

White clover (Trifolium repens) is an important pasture legume but is often difficult to sustain in a mixed sward because, among other things, of the damage to roots caused by the soil-dwelling larval stages of S. lepidus. Locating the root nodules on the white clover roots is crucial for the survival of the newly hatched larvae. This paper presents a numerical model to simulate the movement of newly hatched S. lepidus larvae towards the root nodules, guided by a chemical signal released by the nodules. The model is based on the diffusion-chemotaxis equation. Experimental observations showed that the average speed of the larvae remained approximately constant, so the diffusion-chernotaxis model was modified so that the larvae respond only to the gradient direction of the chemical signal but not its magnitude. An individual-based lattice Boltzmann method was used to simulate the movement of individual larvae, and the parameters required for the model were estimated from the measurement of larval movement towards nodules in soil scanned using X-ray microtomography. The model was used to investigate the effects of nodule density, the rate of release of chemical signal, the sensitivity of the larvae to the signal, and the random foraging of the larvae on the movement and subsequent survival of the larvae. The simulations showed that the most significant factors for larval survival were nodule density and the sensitivity of the larvae to the signal. The dependence of larval survival rate on nodule density was well fitted by the Michealis-Menten kinetics. (c) 2005 Elsevier B.V All rights reserved.