2. Ocena osiągnięć naukowych i technicznych

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska Warszawa, r. Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechnika Warszawska Warszawa ul. Św. Andrzeja Boboli 8 m.kujawinska@mchtr.pw.edu.pl Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Mirosławy Kaszczuk pt. Wyznaczanie charakterystyk reflektancyjnych materiałów w celu rozpoznania obiektów wielospektralnym skanerem laserowym Poniższa recenzja została wykonana na prośbę Zastępcy Dyrektora Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej (Pismo z dn ) zgodnie z powołaniem mnie na recenzenta przez Radę Instytutu Optoelektroniki WAT na posiedzeniu w dn Wstęp Współcześnie obserwujemy ogromne zapotrzebowanie na mapowanie i monitorowanie zasobów lądowych i wodnych pod kątem zarówno topografii jak i wielorakich zastosowań związanych z klasyfikacją pokrycia terenu. Jednym z podstawowych narzędzi pozyskiwania danych do Systemów Informacji Geograficznej i ich zastosowań w geologii, hydrologii, archeologii, inżynierii, rolnictwie, wojskowości jest laserowy skaner lotniczy (LiDAR). Wyznaczanie ukształtowania terenu przez LiDAR polega (w największym uproszczeniu) na pomiarze czasu upływającego pomiędzy momentem wyemitowania impulsu laserowego, a chwilą detekcji powracającego sygnału. Poza ukształtowaniem terenu na kształt i wartość intensywności sygnału powracającego ma także wpływ przezierność terenu oraz współczynnik odbicia materiału pokrywającego teren. Wiele z zadań stawianych obecnie lotniczym skanerom laserowym (np. klasyfikacja roślinności dla potrzeb rolnictwa i leśnictwa, batymetria płytkich wód, monitorowanie i modelowanie zmian w pokryciu terenu dla potrzeb cywilnych i wojskowych) może być zrealizowanych tylko w przypadku zastosowania detekcji wielospektralnej, w której dzięki zwielokrotnieniu liczby analizowanych długości fali promieniowania, możliwy jest, obok odległości, także pomiar natężenia powracającego sygnału dla poszczególnych kanałów. Natężenie sygnału powrotnego dla wszystkich analizowanych długości fali, jak również wzajemne ich relacje, wynikają ze spektralnych charakterystyk analizowanych substancji stanowiąc podstawę do ich identyfikacji. Obecnie na rynku tylko jedna firma oferuje handlowe układy wielospektralnego skanera laserowego (WSL) do zastosowań lotniczych, a jego funkcjonalność nie w pełni pokrywa potrzeby różnorodnych możliwych zastosowań. Z tego powodu prowadzone są liczne prace naukowo-badawcze związane zarówno z budowa aparatury jak i opracowaniem metodyki pomiarowej i analizy danych pozyskanych z WSL. Praca doktorska mgr inż. Mirosławy Kaszczuk dobrze wpisuje się w ten nurt badań i poświęcona jest problematyce związanej z możliwościami wykrycia i klasyfikacji wybranych materiałów, powierzchni i obiektów z wykorzystaniem lotniczego wielospektralnego skanera laserowego. Uważam, że wybór tematyki i celu pracy jest aktualny i ważny z punktu widzenia rozszerzenia możliwości pomiarowych i zastosowań WSL, ze szczególnym uwzględnieniem skanera opracowanego w Instytucie Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej. Realizacja celu założonego w pracy może przynieść nowe rozwiązania naukowe i techniczne. Praca doktorska M. Kaszczuk ma charakter multidyscyplinarny i eksperymentalny, łącząc takie obszary wiedzy jak optyka, metrologia optyczna i ochrony środowiska z elementami chemii, biologii i inżynierii materiałowej.

2 2. Ocena osiągnięć naukowych i technicznych Rozprawa doktorska składa się z 8 rozdziałów o łącznej długości 165 stron oraz bibliografii obejmującej 193 pozycje z literatury światowej i krajowej. Wyniki prac przeprowadzonych w ramach przygotowania rozprawy doktorskiej zostały przedstawione w dwóch współautorskich artykułach opublikowanych w czasopismach naukowych z listy JCR (Optoelectronics Review i ACTA Physica Polonica A), 4 artykułach z listy B MNiSW ( Elektronika, Biuletyn WAT) oraz 2 komunikatach opublikowanych w Proc. SPIE. Wyniki prac były prezentowane na licznych konferencjach międzynarodowych i krajowych jako prezentacje ustne i posterowe (bez publikacji). Publikacje te potwierdzają odpowiednio wysoką rangę naukową wyników zaprezentowanych w rozprawie, chociaż wydaje się, iż potencjał publikacyjny w ramach tej tematyki nie został wykorzystany w pełni. Całość dorobku publikacyjnego Doktorantki obejmuje 11 artykułów w czasopismach z Listy A MNiSW oraz 9 publikacji w czasopismach z listy B MNiSW oraz licznych publikacji w materiałach konferencyjnych. Wiele z tych publikacji jest tylko pośrednio związana z tematyką pracy doktorskiej, niemniej jednak przyczyniła się do rozwoju naukowego Doktorantki i doskonalenia Jej warsztatu eksperymentalnego i w zakresie oprogramowania. Praca doktorska składa się z czterech podstawowych części. W pierwszej z nich (rozdz. 1 i 2) Doktorantka przedstawiła podstawy lotniczego skaningu laserowego (LSL), przegląd handlowych systemów LSL oraz szczegółowy opis wielospektralnego laserowego skanera reflektancyjnego (WLSR) opracowanego w IOE WAT. Skaner ten w pracy stanowił źródło danych do rozpoznawania obiektów naziemnych. Parametry WLSR porównano z parametrami jedynego komercyjnego systemu skanera wielospektralnego Titan Teledyne Optech. W porównaniu tym zabrakło mi jednak krytycznej oceny stosowanych w obu systemach zestawów długości fal (WAT- 1550nm, 905nm, 850nm versus Titan nm, 1064nm, 532nm). Wybrane długości fal mają kluczowy wpływ na pozyskiwane wartości reflektancyjne materiałów i obiektów, a w konsekwencji na ich rozpoznanie. Proszę Doktorantkę o ustosunkowanie się do problemu doboru długości fal w WLSR versus Titan. W pierwszej części pracy Doktorantka przedstawiła również tezę rozprawy: Wykrycie oraz klasyfikacja wybranych materiałów, powierzchni i obiektów są możliwe w wyniku analizy wielowidmowych sygnatur reflektancyjnych. i jej główne cele: 1. Wyznaczenie charakterystyk reflektancyjnych wybranych materiałów, powierzchni i obiektów, 2. Opracowanie zbioru sygnatur reflektancyjnych materiałów dla potrzeb Wielospektralnego Laserowego Skanera Reflektancyjnego Obydwa elementy we właściwy sposób nakreślają kierunki i obszary koncentracji badań w doktoracie. W drugiej części Doktorantka opisała podstawy matematyczno-fizyczne procesu skanowania terenu (rozdział 3) i zjawiska oddziaływania promieniowania z materią, ze szczególnym uwzględnieniem zjawiska odbicia (w tym dyfuzyjnego) (rozdz. 4). Przytaczane wzory literaturowe są ważne z punktu widzenia docelowej analizy sygnału odbieranego przez detektor, jednak w tej części brak jest podsumowania dot. wykorzystania tych zależności w oprogramowaniu skanera, również w dalszej części pracy brak jest informacji, które elementy tych analiz teoretycznych zostały uwzględnione w oprogramowaniu funkcjonalnym WLSR. Trzecia część rozprawy (rozdziały 5 i 6) jest najważniejszą częścią pracy, w której Doktorantka przedstawiła realizację postawionych celów. Rozdział piaty dotyczy prac związanych z wyznaczaniem charakterystyk widmowych reflektancji obejmujących nieożywione materiały naturalne, materiały organiczne i pochodzenia antropogenicznego. W rozdziale tym doskonale uwidoczniła się multidyscyplinarna ekspertyza Doktorantki, która profesjonalnie łączy wiedzę z zakresu inżynierii środowiska (w tym biologii, materiałoznawstwa, chemii) ze znajomością optyki i

3 metrologii. Praca wykonana w ramach systematycznych pomiarów reflektancji prawie 5500 próbek jest ogromna. Przyjęta metodyka badawcza oraz analiza niepewności pomiarowej są poprawne. Bardzo cennym elementem pracy jest analiza głównych zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych mogących wnosić zmiany w wartości reflektancji. W rozdziale szóstym Doktorantka skupiła się na analizie wartości reflektancji (wartości Max, min, średnie i odchylenie standardowe) pomierzonych materiałów dla trzech długości fal odpowiadających roboczym długościom stosowanym w WLSR opracowanemu w IOE WAT (850nm, 905nm, 1550nm). Wartości te posłużyły Doktorantce do zaproponowania sygnatur, stanowiących podstawową charakterystykę materiałów w oprogramowaniu skanera. Analiza porównawcza sygnatur materiałów pochodzących z tych samych grup materiałów pozwoliła sformułować pierwsze wnioski dotyczące ich przydatności do rozpoznawania materiałów i obiektów naziemnych. Jednak analizując opis wyników pomiarów i wyznaczonych sygnatur nasuwają się pewne pytania i niejasności, które powinny być wyjaśnione. Tak więc proszę o wyjaśnienie następujących kwestii: - na rys przedstawiono przykładowe widma reflektancyjne próbek gleby w każdym przypadku jakościowo określając gleba z większą zawartością., gleba z mniejszą zawartością., czy znano % zawartości np. wody, czy istnieje dokładny opis procedury przygotowania próbek i pomiaru aby można było w przyszłości powtórzyć pomiary? Podobnie na stronach sygnatury wyznaczane są dla gleby suchej, wilgotnej i normalnej, czy można tutaj podać konkretna wartość wilgotności gleby, czy w tabeli 6.3 wartości reflektancji dla gleby suchej i wilgotnej były liczone jako średnia z próbek wszystkich typów gleb? - w pracy podano liczbę pomiarów reflektancji dla każdej z grup materiałów i pokazano przykładowe widma reflektancyjne dla poszczególnych grup materiałów brak jest natomiast szczegółowego ich zestawienia, a zwłaszcza opisu przyjętej metodyki pomiarowej (kryterium wyboru reprezentatywnych materiałów np. drzew lub materiałów infrastruktury komunikacyjnej, liczby próbek/pomiarów reprezentujących dany materiał w stanie podstawowym i zmodyfikowanym itd.). - na większości rysunków przedstawiających wartości sygnatur reflektancyjnych, szare pole dla sygnatury S 3 jest znacznie mniejsze aniżeli dla sygnatur S 1 i S 2 (Rys. 6.1, 6.3, 6.5, 6.6, 6.11, 6.12, ). Proszę o skomentowanie tego zjawiska i jego konsekwencji dla wykorzystania sygnatury S 3 w rozpoznawaniu materiałów i obiektów. Po rozdziałach 5 i 6 nie przedstawiono konkretnych wniosków, dotyczących prac raportowanych w tych rozdziałach; wioski pojawiają się dopiero na zakończenie pracy w rozdziale 8. Taka konstrukcja pracy utrudnia czytanie. Po lekturze tych rozdziałów można stwierdzić, ze cele pracy zostały w pełni osiągnięte, natomiast brak jest podsumowania dotyczącego elementów związanych z tezą pracy. W czwartej części rozprawy przedstawione zostały wyniki pomiarów terenowych uzyskane przy pomocy WSLR i z zastosowaniem bazy danych charakterystyk reflektancyjnych opracowanej przez Doktorantkę (Rozdz. 7) oraz obszerne wnioski końcowe (Rozdz. 8). W Rozdz. 7 opisane zostało oprogramowanie do rozpoznania i klasyfikacji obiektów naziemnych opracowane przez firmę KenBIT Koening i Wspólnicy Sp.j. na podstawie założeń przygotowanych przez Doktorantkę. W rozdziale opisane są główne bloki funkcjonalne oprogramowania. W opisie tym brakuje jednak informacji w jakim stopniu detekowany sygnał ze skanera korygowany jest z uwzględnieniem warunków pogodowych i szeregu innych czynników opisanych w rozdziałach 3 i 4, które mogą w znaczny sposób wpłynąć na prawidłowe rozpoznanie. Proszę o uzupełnienie tej informacji. Uzyskane wyniki dla wybranych zastosowań rozpoznawania materiałów i obiektów potwierdzają tezę postawioną w pracy. Dodatkowo doktorantka przeprowadza dyskusję ograniczeń wynikających z utworzonej bazy danych dla WSLR i wskazuje na możliwości rozszerzenia dokładności i selektywności metody. W ostatnim rozdziale przedstawione są obszerne wnioski wynikające z prac zreferowanych w rozdziałach 5-7. Kierunki dalszych prac przedstawione są w bardzo skrócony sposób.

4 Podsumowanie recenzji Do najważniejszych i oryginalnych dokonań zaprezentowanych w recenzowanej rozprawie zaliczam: 1. Opracowanie metodyki badawczej pomiarów reflektancji nieożywionych materiałów naturalnych, materiałów organicznych i pochodzenia antropogenicznego oraz przeprowadzenie walidacji metody wraz z analizą jej parametrów metrologicznych; 2. Przeprowadzenie pomiarów reflektancji ogromnej liczby materiałów stanowiących reprezentatywny wybór materiałów pokrycia terenu (charakterystycznego dla Polski i dużej części Europy), co umożliwiło nie tylko opracowanie sygnatur reflektancyjnych tych materiałów dostosowanych do długości fal stosowanych w wielospektralnym skanerze IOE WAT, ale również stanowi doskonałą bazę do dalszych analiz i planowania szczegółowych funkcjonalności (zastosowań) wielospektralnych skanerów laserowych; 3. Zaproponowanie zestawu sygnatur reflektancyjnych jako podstawy do rozpoznawania materiałów i obiektów naziemnych z wykorzystaniem WSLR (uniezależnienie identyfikacji obiektów od charakterystyki kątowej sygnału) i opracowanie bazy danych tych sygnatur umożliwiających wyznaczanie modeli powierzchni z przeprowadzoną klasyfikacją materiałów; 4. Walidacja przydatności sygnatur do rozpoznawania materiałów i obiektów w wybranych zastosowaniach i obszerna dyskusja ograniczeń zaproponowanej metody bazującej na opracowanej bibliotece sygnatur; 5. Wyposażenie wielospektralnego skanera IOE WAT w oprogramowanie z zaimplementowaną bazą danych sygnatur reflektancyjnych materiałów, co umożliwiło nowe funkcjonalności aparatury, a w szczególności tworzenie wzbogaconych modeli pokrycia powierzchni. Oryginalność powyższych dokonań naukowych odnoszących się bezpośrednio do celów pracy została potwierdzona poprzez opublikowanie dwóch współautorskich artykułów w czasopismach naukowych z listy JCR (Optoelectronics Review i ACTA Physica Polonica A), 4 artykułach z listy B MNiSW ( Elektronika, Biuletyn WAT) oraz 2 komunikatach opublikowanych w Proc. SPIE. (brak cytowani w WoS), jednak liczba cytowani tych prac w WoS jest niewielka (sumarycznie 5 cytowań). Pozostałe publikacje Doktorantki, pośrednio związane z tematyką pracy, są lepiej cytowane (24 cytowań w WoS). Uwagi krytyczne i dyskusyjne W drugiej części recenzji zamieściłam szereg uwag merytorycznych i dyskusyjnych (zaznaczone niebieską czcionką). Dotyczą one przede wszystkim uszczegółowienia informacji na temat realizacji scenariuszy pomiarowych zwłaszcza na etapie wyznaczania charakterystyk reflektancyjnych, doboru roboczych długości fal w WLSR i jego wpływu na możliwość identyfikacji materiałów i obiektów, uwzględnienia wpływu warunków pomiarów w czasie lotu na efektywność procesu rozpoznania obiektów. Proszę Doktorantkę o ustosunkowanie się do nich. Poniżej przedstawiam dodatkowe tematy do dyskusji w czasie obrony: 1. Mając ogromną wiedzę w zakresie charakterystyk reflektancyjnych materiałów występujących w pokryciu terenów lądowych jakie długości fal zaproponowała by Pani w celu zwiększenia efektywności rozpoznania obiektów przez skanera?

5 2. Proszę o komentarz jak się ma metodyka stosowana w teledetekcji satelitarnej (np. prowadzona przez system MODIS, wielospektralny skaner optyczno-mechaniczny satelitów Terra i Aqua) w porównaniu z metodyką rozpoznawania zaproponowaną przez Doktorantkę dla wielospektralnego układu skanera lotniczego. Uwagi edycyjne Układ pracy doktorskiej jest czytelny i przejrzysty, chociaż brak podsumowania/wniosków po kolejnych rozdziałach pracy (zwłaszcza po Rozdz. 5 i 6) utrudnia systematyczną analizę tekstu. Praca pod względem edycyjnym opracowana jest bardzo starannie. Obszerna literatura podana jest poprawnie, jednak w wielu pozycjach dot. artykułów w czasopismach/materiałach konferencyjnych brak jest podania stron ( np. [58, 59, 63, 73, 75, ,..]). Mankamentem pracy jest wielokrotne mylenie takich pojęć jak: wartość versus wielkość oraz ilość versus liczba. Dodatkowo lista skrótów i oznaczeń jest niepełna, a w tekście te same oznaczenia (np. T i r ) stosowane są do dwóch różnych wielkości. Podsumowanie Powyższe uwagi krytyczne nie obniżają mojej ogólnej wysokiej oceny rozprawy doktorskiej Pani Mirosławy Kaszczuk. Doktorantka wykazała się dużą wiedzą i inwencją w rozwiązywaniu multidyscyplinarnych problemów naukowych i eksperymentalnych. Waga i innowacyjność dokonań naukowych Doktorantki została potwierdzona przez liczne publikacje i wystąpienia konferencyjne oraz wdrożenie wyników pracy w konkretnym urządzeniu wielospektralnym laserowym skanera reflektancyjnym opracowanym w IOE WAT. Rozprawa mgr inż. Mirosławy Kaszczuk pt. Wyznaczanie charakterystyk reflektancyjnych materiałów w celu rozpoznania obiektów wielospektralnym skanerem laserowym stanowi oryginalne rozwiązanie problemów naukowych i udowadnia Jej ogólną wiedzę w uprawianej dyscyplinie naukowej. Ostatecznie stwierdzam, że przedstawiona mi do recenzji rozprawa mgr inż. Mirosławy Kaszczuk spełnia wymagania ustawowe stawiane pracom na stopień doktora (art. 13, ust. 1 Ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia r., Dz. U. Nr 65, poz. 595, z późniejszymi zmianami) i wnioskuję o dopuszczenie jej do publicznej obrony.