Στερεο-Ορθοεικόνα:Τεχνική Βέλτιστης Γεωμετρικής Απόδοσης Πολύπλοκων Επιφανειών Μνημείων

Abstract

Είναι γνωστή και ευρέως διαδεδομένη η χρήση φωτογραμμετρικών τεχνικών για τη γεωμετρική τεκμηρίωση – καταγραφή των μνημείων. Βασική τεχνική που χρησιμοποιείται είναι η στερεοσκοπική απόδοση, η οποία έχει το πλεονέκτημα της 3D παρατήρησης και μέτρησης με αποτέλεσμα την ακριβή ψηφιοποίηση ακμών και λοιπών λεπτομερειών. Αυτή η τεχνική απαιτεί από τον χρήστη να έχει εξειδικευμένες γνώσεις φωτογραμμετρίας και ειδικό εξοπλισμό. Άλλη τεχνική είναι η ορθοεικόνα, που είναι ένα εύχρηστο εικονιστικό (raster) προϊόν με δυνατότητα ψηφιοποίησης σε 2D διαστάσεις, που όμως δεν είναι επαρκής για απόδοση μνημείων με πολύπλοκες επιφάνειες. Η έννοια της stereo-orthophoto (στερεο-ορθοφωτογραφία/στερεο-ορθοεικόνα) εισήχθη πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και υπήρξε σημαντικό ενδιαφέρον για την εφαρμογής της για χαρτογραφικούς, κτηματολογικούς και άλλους σκοπούς για αρκετά χρόνια. Συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της ορθοεικόνας με τη δυνατότητα 3D παρατήρησης και μέτρησης. Την τελευταία 15ετία ξανατονώθηκε το ενδιαφέρον για την τεχνική αυτή με τη χρήση ψηφιακών τεχνικών και τον συνδυασμό της με συστήματα GIS. Όμως, όλες οι καταγεγραμμένες στη βιβλιογραφία αναφορές της αφορούν εναέριες εφαρμογές. Στη παρούσα εργασία αναπτύσσεται και προτείνεται η εφαρμογή της stereo-orthophoto τεχνικής στην απόδοση και ψηφιοποίηση πολύπλοκων επιφανειών μνημείων για γεωμετρική τεκμηρίωση σε μεγάλη κλίμακα. Η χρήση της αποτελεί μία ελκυστική λύση για αρχιτέκτονες και αρχαιολόγους, χωρίς εξειδικευμένες γνώσεις φωτογραμμετρίας, δίνοντας τη δυνατότητα 3D παρατήρησης με αποτέλεσμα την καλύτερη ερμηνεία των στοιχείων του αντικειμένου και την ακριβέστερη ψηφιοποίηση (ακμών, φθορών κ.α.). Η βασική αρχή για τη δημιουργία ενός ζεύγους στερεο-ορθοεικόνων (stereo orthophoto pair) είναι η εισαγωγή τεχνητής παράλλαξης, μέσω του Ψηφιακού Μοντέλου Επιφανείας (Digital Surface Model -DSM) του αντικειμένου, στην μία από τις δύο ορθοφωτογραφίες, που μπορούν να παραχθούν από τις δύο αρχικές εικόνες: δημιουργία της stereo-mate (η δεύτερη -δεξιά- εικόνα του ζεύγους στερεο-ορθοεικόνων). Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εισαγωγή της τεχνητής x-παράλλαξης σε κάθε pixel της ορθοεικόνας, όπως η Logarithm Projection Method (Μέθοδος Λογαριθμικής προβολής), η Parallel Projection Method (Μέθοδος Παράλληλης προβολής) και η Non-Parallel Projection Method (Μέθοδος Μη Παράλληλης προβολής). Στην εφαρμογή, που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία, εφαρμόσθηκε η τελευταία, η οποία είναι η πλέον ακριβής μέθοδος. Συντάχθηκε λογισμικό, σε περιβάλλον MatLab, για την παραγωγή της στερεο-ορθοεικόνας με δύο τρόπους: - όταν τα δεδομένα είναι οι δύο (2) ορθοεικόνες, που έχουν παραχθεί από την αριστερή και τη δεξιά εικόνα του αρχικού στερεομοντέλου, και το DSM του αντικειμένου, οπότε η stereo-mate δημιουργήθηκε από την ορθοεικόνα που παράχθηκε από την αρχική δεξιά εικόνα, και - όταν τα δεδομένα είναι μία (1) ορθοεικόνα και το DSM του αντικειμένου. Για την επίτευξη της στερεοσκοπικής παρατήρησης χρησιμοποιείται η τεχνική των εικόνων αναγλύφου (anaglyph images). Εκτός του αναπτυχθέντος λογισμικού, διερευνήθηκε η δυνατότητα στερεοσκοπικής παρατήρησης, τρισδιάστατων (3D) μετρήσεων και, εν τέλει, απόδοσης-ψηφιοποίησης των στοιχείων του αντικειμένου με την εισαγωγή του stereo orthophoto pair: - σε εμπορικά φωτογραμμετρικά λογισμικά, όπως το ERDAS, ή σε εμπορικά συστήματα GIS, όπως το ArcGIS (της ESRI), αλλά στις περιπτώσεις αυτές απαιτείται η ύπαρξη εξειδικευμένου λογισμικού - σε συστήματα GIS ανοικτού κώδικα (open source GIS software), όπως το Grass ή QuantumGIS. Οι παραπάνω τεχνικές και διαδικασίες εφαρμόσθηκαν σε δεδομένα από το ανάλημμα του αρχαίου θεάτρου των Δελφών. Ο έλεγχος των προϊόντων έγινε με σημεία ελέγχου, των οποίων οι συντεταγμένες ήταν γνωστές με μεγάλη ακρίβεια, και τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητικά τόσο στη λειτουργικότητα της μεθόδου όσο και στην ακρίβεια. Αρα, η τεχνική της στερεο-ορθοεικόνας δίνει τη δυνατότητα σε χρήστες χωρίς εξειδικευμένες γνώσεις φωτογραμμετρίας, να κάνουν 3D λεπτομερείς αποδόσεις σε σύνθετες επιφάνειες μνημείων, με δεδομένα μόνον ορθοφωτογραφίες and DSM, και χρήση λογισμικού ανοικτού κώδικα.

The use of photogrammetric techniques for geometric documentation of monuments is widely known and applied. The basic techniques used are: (a) the stereo-restitution which has the advantage of 3D observation and accurate digitization, but which requires that the user has specific photogrammetric knowledge and equipment, and (b) the orthophoto, which is an easy to use raster product that enables 2D digitization which is not sufficient for monuments which have complex surfaces. The concept of stereo-orthophoto was first introduced at the end of the 1960s and there was a great interest in using it in cartography and cadastral applications as well as for other purposes for several years. It combines the advantages of both the orthophoto and the 3D observation and measuring. During the last 15 years the interest for in that technique was revitalized by using digital methods and combining it with GIS environment. However, all the so far recorded references regard aerial applications. This thesis research develops and suggests the use of the stereo-orthoimage technique in restitution and digitization of complex surfaces of monuments for their large scale geometric documentation. This may be an attractive alternative tool among architects and archaeologists how do not specialize in photogrammetry, by providing 3D observation and therefore better interpretation of object details and more accurate digitization. The basic principle for the creation of a Stereo Orthophoto Pair (SOP) is the introduction of an artificial parallax, through the Digital Surface Model (DSM), to one of the two orthoimages that may be produced from the two original images: creation of the stereo-mate (the second left image of the stereo-orthoimage pair). Various techniques have been suggested for the introduction of artificial x-parallax to each pixel of the orthoimage, such as the Logarithm Projection Method, the Parallel Projection Method and the Non-Parallel Projection Method. The latter has been used in this research as it is the most accurate one. In-house software has been developed in MatLab environment for the stereo-orthoimage production in two ways: - when the initial data used are the two orthoimages (derived from the left and right image of the initial stereo model) and the DSM of the object, then the stereo-mate prepared has derived from the orthoimage produced from the right image, and - when the data used is an orthoimage and the DSM. The “anaglyph images” technique is used to achieve a stereoscopic effect. Except for the developed software, the possibility of stereoscopic observation as well as 3D measurements and restitution-digitization of the detail elements of the object has been investigated by introducing the SOP into either: - commercial photogrammetric software, such as ERDAS, or GIS, such as the ArcMap of ESRI; this procedure requires the use of a specialized software, or - open source GIS software, such as the Grass or QuantumGIS. The above mentioned techniques and procedures have been applied in this project using data from the ancient theatre of Delphi (close range application). The testing of the derived products has been performed using check points, the coordinates of which were known with great accuracy; the test results are exceptionally satisfying both in terms of achieved accuracy and functionality of the method. Consequently, the OSP technique may enable users with no specialization in photogrammetry to accomplish 3D detailed restitution of complex surfaces of monuments using orthoimages, DSM, and open source software.