Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của mô hình số độ cao grid bằng mạng neuron Hopfield

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Hương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Minh
• Trường học: Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của mô hình số độ cao dạng grid bằng mạng neuron Hopfield
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO, MẠNG NEURON VÀ ỨNG DỤNG MẠNG NEURON HOPFIELD TRONG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA
• 1.1. Tổng quan về mô hình số độ cao
• 1.1.1. Các khái niệm và định nghĩa về mô hình số độ cao
• 1.1.2. Các cấu trúc của mô hình số độ cao (DEM)
• 1.1.3. Các phương pháp thành lập mô hình số độ cao (DEM)
• 1.1.4. Độ chính xác bề mặt mô hình số địa hình (DEM)
• 1.1.5. Các ứng dụng của mô hình số độ cao
• 1.1.6. Công tác thành lập DEM ở trong và ngoài nước
• 1.1.7. Một số nghiên cứu về cải thiện và đánh giá độ chính xác DEM
• 1.2. Tổng quan về mạng neuron
• 1.2.1. Cấu tạo của một neuron sinh học
• 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của các neuron
• 1.2.3. Khái niệm và cấu trúc của mạng neuron nhân tạo
• 1.2.4. Phân loại mạng neuron
• 1.2.5. Đặc điểm của mạng neuron nhân tạo
• 1.2.6. Ứng dụng của mạng neuron nhân tạo
• 1.2.7. Mạng neuron Hopfield
• 1.2.8. Ứng dụng mạng neuron Hopfield trong các bài toán tối ưu hóa
• 1.3. Luận giải về tăng độ phân giải không gian grid DEM
• 1.4. Một số nghiên cứu tiêu biểu về tăng độ phân giải không gian và tăng độ chính xác DEM
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VỀ KHẢ NĂNG TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GRID DEM BẰNG CÁC THUẬT TOÁN TÁI CHIA MẪU
• 2.1. Các phương pháp đánh giá độ chính xác của grid DEM
• 2.1.1. Phương pháp đánh giá trực quan
• 2.1.2. Phương pháp đánh giá định lượng
• 2.2. Một số thuật toán tái chia mẫu (Resampling) phổ biến nhằm tăng độ phân giải không gian cho DEM dạng grid
• 2.2.1. Phương pháp tái chia mẫu Bilinear (song tuyến)
• 2.2.2. Phương pháp nội suy dựa vào điểm lân cận gần nhất (Nearest Neighbor)
• 2.2.3. Phương pháp tái chia mẫu Bi-cubic
• 2.2.4. Phương pháp nội suy Kriging
• 2.3. Thực nghiệm tăng độ phân giải không gian của mô hình số độ cao DEM dạng grid bằng các thuật toán tái chia mẫu phổ biến
• 2.3.1. Dữ liệu và thực nghiệm
• 2.3.2. Phân tích về độ chính xác
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DẠNG GRID BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MẠNG NEURON HOPFIELD
• 3.1. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng mạng neuron Hopfield để tăng độ phân giải không gian và độ chính xác của mô hình số độ cao dạng grid
• 3.2. Mạng neuron Hopfield ứng dụng cho siêu phân giải bản đồ (super-resolution mapping/sub-pixel mapping)
• 3.2.1. Xây dựng mô hình
• 3.2.2. Thiết lập các hàm mục tiêu và điều kiện
• 3.2.3. Xây dựng thuật toán nâng cao độ chính xác của mô hình số độ cao dạng grid
• 3.3. Xây dựng mô hình mạng neuron Hopfield nhằm tăng độ phân giải không gian của mô hình số độ cao DEM dạng grid
• 3.4. Sơ đồ khối của thuật toán
• 3.5. Thiết kế chương trình tăng độ phân giải không gian và nâng cao độ chính xác của grid DEM sử dụng mạng neuron Hopfield
• 3.6. Thực nghiệm tăng độ phân giải không gian và độ chính xác của mô hình số độ cao dạng grid bằng phương pháp sử dụng mạng neuron Hopfield (mô hình HNN đã biến đổi)
• 3.6.1. Dữ liệu thực nghiệm
• 3.6.2. Kết quả thực nghiệm, phân tích độ chính xác
• 3.6.3. Đánh giá trực quan
• 3.6.4. Đánh giá định lượng
• 3.6.5. So sánh độ chính xác về độ cao giữa các DEM sau khi tăng độ phân giải bằng thuật toán mạng neuron Hopfield và các phương pháp tái chia mẫu với các điểm độ cao kiểm tra được đo bằng máy toàn đạc điện tử
• 3.7. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mô hình số độ cao và mạng neuron Hopfield

Mô hình số độ cao (DEM) là công cụ quan trọng trong việc mô hình hóa bề mặt địa hình, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như đo đạc bản đồ, thủy văn, và quản lý tài nguyên. Mạng neuron Hopfield là một mạng nơ-ron nhân tạo có khả năng giải quyết các bài toán tối ưu hóa, đặc biệt trong việc nâng cao độ chính xác của dữ liệu không gian. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp hai công nghệ này để cải thiện độ chính xác của DEM dạng grid.

1.1. Khái niệm và cấu trúc của mô hình số độ cao

Mô hình số độ cao (DEM) biểu diễn bề mặt địa hình dưới dạng lưới các điểm có giá trị độ cao. Cấu trúc grid của DEM cho phép dễ dàng lưu trữ và phân tích dữ liệu. DEM được xây dựng từ nhiều nguồn khác nhau như LiDAR, SRTM, và đo đạc thực địa. Độ chính xác của DEM phụ thuộc vào phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu.

1.2. Nguyên lý hoạt động của mạng neuron Hopfield

Mạng neuron Hopfield là mạng nơ-ron nhân tạo có khả năng học và tối ưu hóa dữ liệu. Mạng này sử dụng các hàm mục tiêu để điều chỉnh giá trị đầu ra, giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu. Trong nghiên cứu này, mạng neuron Hopfield được áp dụng để tăng độ phân giải và độ chính xác của DEM dạng grid.

II. Phương pháp tái chia mẫu và đánh giá độ chính xác

Các phương pháp tái chia mẫu như Bilinear, Nearest Neighbor, Bi-cubic, và Kriging được sử dụng để tăng độ phân giải của DEM dạng grid. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của các phương pháp này thông qua các chỉ số như sai số trung phương (RMSE) và sai số tuyệt đối.

2.1. Phương pháp tái chia mẫu Bilinear và Nearest Neighbor

Phương pháp Bilinear sử dụng nội suy tuyến tính để ước tính giá trị độ cao tại các điểm mới. Nearest Neighbor lấy giá trị độ cao từ điểm gần nhất. Cả hai phương pháp đều đơn giản nhưng có hạn chế về độ chính xác khi xử lý các địa hình phức tạp.

2.2. Phương pháp tái chia mẫu Bi cubic và Kriging

Bi-cubic sử dụng nội suy bậc ba để tăng độ chính xác của DEM. Kriging là phương pháp địa thống kê, dựa trên mối quan hệ không gian giữa các điểm dữ liệu. Kriging cho kết quả chính xác hơn nhưng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán.

III. Ứng dụng mạng neuron Hopfield để nâng cao độ chính xác DEM

Nghiên cứu đề xuất sử dụng mạng neuron Hopfield để tăng độ phân giải và độ chính xác của DEM dạng grid. Mạng này sử dụng các hàm mục tiêu và điều kiện để điều chỉnh giá trị độ cao, giúp cải thiện độ chính xác của DEM so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Xây dựng mô hình mạng neuron Hopfield

Mô hình mạng neuron Hopfield được thiết kế để tăng độ phân giải của DEM bằng cách chia nhỏ các ô lưới và xác định giá trị độ cao mới. Hàm mục tiêu được sử dụng để tối ưu hóa giá trị độ cao, đảm bảo độ chính xác cao hơn.

3.2. Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Thực nghiệm được thực hiện trên các bộ dữ liệu DEM từ LiDAR và SRTM. Kết quả cho thấy mạng neuron Hopfield giảm đáng kể sai số trung phương (RMSE) so với các phương pháp tái chia mẫu truyền thống. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp trong việc nâng cao độ chính xác của DEM.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh rằng mạng neuron Hopfield là công cụ hiệu quả để nâng cao độ chính xác của DEM dạng grid. Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quản lý tài nguyên, dự báo lũ lụt, và quy hoạch đô thị.

4.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu cung cấp một phương pháp mới để cải thiện độ chính xác của DEM, đặc biệt trong điều kiện dữ liệu đầu vào có độ phân giải thấp. Điều này giúp giảm chi phí và thời gian thu thập dữ liệu độ cao.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng ứng dụng mạng neuron Hopfield cho các loại dữ liệu không gian khác như ảnh viễn thám và bản đồ địa chất. Đồng thời, cần tối ưu hóa thuật toán để giảm thời gian tính toán và nâng cao hiệu quả.