探地雷达数据多维可视分析研究

In the GPR (Ground Penetrating Radar) application, data interpretation is one of the issues users debate most. Visualization tools, which present abstract data in graph format, can be powerful to support data analysis and build consensus on data interpretation among users. Currently, research on the visualization of GPR data, which contain rich temporal, spatial and frequency information, largely focuses on presenting data generated from time-frequency analysis or feature processing methods in the formats of image, wave form, and image mapping. These visualization designs are not effective in showing implicit patterns hidden in massive data. To support the effective understanding and interpretation of GPR data, this project will explore a visual-analytics approach. The research program will be built on the visual mechanism of GPR data, and develop algorithms and system that can help uncover the intrinsic patterns in GPR data. The main research components include: visual coding and visual reconstruction techniques based on simultaneous sparse representation; key techniques in trend analysis (e.g., waveform analysis, trend modeling and clustering, and trend attribute visualization); an integrated multi-view framework and its redundancy optimization strategy; and the construction of prototype system for visual analytics. In addition to exploring a systematic method for visual analytics of multidimensional data, this project also extends the application of visual analytics to the GPR domain. The results of this project will help to advance the theories of visual analytics, as well as the application of visual analytics in such areas as meteorology, hydrology, and geology.

在探地雷达(GPR)应用中，数据的解译可以说是用户中最具争议的问题，可视化研究可以提供数据分析与诠释的有力工具。GPR数据中含有丰富的时域、空域和频域信息，当前的可视研究一般基于时频分析或特征处理的方法，并以图像、波形图、映射图等直观形式呈现出来，对隐含的深层规律呈现不足。可视分析是可视化最新发展的技术，本项目以GPR数据的可视机理为主线，探讨以揭示数据内蕴规律为主题的可视分析研究。主要研究内容有：基于联合稀疏表示的可视编码与可视重构技术；趋势分析中的波形解析、趋势建模与聚类、趋势属性可视化；多视图集成可视框架及其冗余优化策略；可视分析原型系统的构建。 本项目研究一方面探索了对多维数据的一种系统化的可视分析方法，另一方面也拓展了可视分析技术的应用领域。本项目的研究结果将不仅进一步增强可视分析这一领域的理论基础，同时也会推动可视分析方法在气象、水文、地质等相关领域的广泛应用。

探地雷达在地质勘测、城市建设、考古、环境保护、军事等领域都有着广泛的应用，数据可视化在探地雷达数据的分析与解译过程中起着举足轻重的作用.本项目以探地雷达数据的可视机理为主线，在可视前沿技术的分析与论证、可视化关键技术、可视基本理论与优化模型等方面进行了卓有成效的探索。.主要研究有：（1）研究了基于切片的纹理映射和二维断层探地数据可视化技术；讨论了以三维体绘制技术为主的探地数据可视化方法; 分析了解释性与叙述性可视化以及基于Sketch 的交互式可视化和领域知识辅助的可视化；（2）研究了支持结构特征解译动态框架及相关技术。采用TV变分模型进行子带分解，可定义的重构为结构属性提供了多尺度映射。通过参数调整和尺度变化，可以观察到映射的显著模式。此外，多空间映射还提供了异质结构模式的可视化方法；（3）针对带有包含加工集约束的并行批处理机器最小化问题，提出了两种快速逼近算法，以实现平均释放时间和不平均释放时间。在可视化研究中着重强调了两点:首先，采用实际数据集，而不是模拟数据或干净数据;其次，为进一步的探索提供了参数空间宽接口。实际应用表明，本课题所采用的方法在理论和实践上都具有重要的意义。