Ανάλυση οπτικού πεδίου με την χρήση παράλληλης επεξεργασίας

Abstract

Η διαθεσιμότητα των γεωχωρικών δεδομένων αυξάνεται καθημερινά, καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη εφαρμογών που επεξεργάζονται δεδομένα μεγάλων περιοχών εδάφους σε υψηλή ευκρίνεια. Η ανάλυση οπτικού πεδίου είναι μια από τις εφαρμογές επεξεργασίας γεωχωρικών δεδομένων, η οποία έχει στόχο τον υπολογισμό της ορατότητα των σημείων ενός ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου από έναν παρατηρητή για μια προκαθορισμένη περιοχή. Αποτελεί μια εφαρμογή με ευρεία χρήση σε πολλά επιστημονικά πεδία για έργα, τόσο πρακτικής, όσο και αισθητικής αξίας. Για παράδειγμα, η ανάλυση μη όχλησης οπτικού πεδίου του παρατηρητή διευκολύνει τη χωροθέτηση περιοχών, στις οποίες η ορατότητα στο τοπίο δεν εμποδίζεται από ανθρωπογενείς κατασκευές. Αποτέλεσμα είναι ο εντοπισμός περιοχών που παρουσιάζουν σπάνια φυσική ομορφιά, επιτρέποντας την εκμετάλλευση τους για την κάλυψη αναγκών αναψυχής. Παρά τη χρησιμότητα της τεχνικής αυτής, οι αλγόριθμοι ανάλυσης οπτικού πεδίου απαιτούν υψηλή επεξεργαστική ισχύ, αλλά και αυξημένο χρόνο για την εκτέλεση τους, περιορίζοντας έτσι την χρησιμότητα της εφαρμογής. Λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς αυτούς, στην παρούσα διπλωματική αναπτύχτηκε ένας αλγόριθμος ανάλυσης οπτικού πεδίου που πετυχαίνει αυξημένη ακρίβεια, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί γρήγορο χρόνο εκτέλεσης. Ο κώδικας που δημιουργήθηκε έχει ως βάση την μέθοδο του Van Kreveld [1], η οποία παρέχει υψηλή απόδοση και ευστοχία σε σύγκριση με παρόμοιες μεθόδους. Η παραλλαγή που εφαρμόστηκε αφορά στη χρήση της τεχνικής της παρεμβολής για τον υπολογισμό του ύψους των σημείων του υψομετρικού μοντέλου, με στόχο τη βελτίωση της ακρίβειας του αλγορίθμου. Ταυτόχρονα, τροποποιήθηκε ο αλγόριθμος, ώστε να είναι συμβατός με τεχνικές παράλληλου προγραμματισμού. Η τεχνική που επιλέχτηκε αφορά στη βελτιστοποίηση της διεπαφής μεταβίβασης μηνυμάτων (MPI) πετυχαίνοντας σημαντική μείωση στο χρόνο εκτέλεσης. Αποτέλεσμα είναι ένας αλγόριθμος που παρέχει ακριβές αποτέλεσμα σε ρεαλιστικό χρόνο εκτέλεσης, ακόμα και με μεγάλο όγκο δεδομένων.

The availability of geospatial data is increasing daily, making the development of applications that process data for large areas in high definition necessary. Viewshed analysis is one of the applications that processes geospatial data to calculate the visibility of every point of the digital elevation model from an observer for a predetermined area. It is an application widely used in many scientific fields for projects with practical and/ or aesthetic value. For example, analysing the disturbance of the field of view facilitates the recognition of areas, whose visibility is not blocked by anthropogenic constructions. As a result, the detection of the areas that exhibit rare natural beauty allows their exploitation for recreational purposes. Regardless of the great benefits of the visual analysis, there is a major drawback in the usability due to the requirements of advanced processors and the increased time required to derive the results; thus, limiting their practicality. Aim of this study is to develop an algorithm that optimizes high accuracy while minimizing the time necessary to achieve it. The developed algorithm is based on Van Kreveld's [1] method, which is most effective in reaching high performance alongside precision, when compared to similar algorithms. Meanwhile, the interpolation technique is used in order to calculate the exact altitude of every available spot, which leads to maximizing the precision of the algorithm. Furthermore, we succeed in decreasing the execution time by implementing parallelization techniques with the use of message passing interface (MPI). This results in an algorithm that manages both precision and realistic execution time, which is practical for everyday use.