Mountainous landscape exploration visualizing viewshed changes in animated maps

Abstract

Η οπτική αισθητηριακή αντίληψη έχει αποτελέσει μείζονος σημασίας παράγοντα για την ανθρώπινη ευημερία, καθότι η τελευταία έχει ποριστεί νοήματος από τα στοιχεία που την περιβάλλουν∙ επεξηγηματικά, για μας τους ανθρώπους, «το να βλέπουμε ισοδυναμεί με το να κατανοούμε και να ευημερούμε». Η διαβίωση στο φυσικό περιβάλλον, εντούτοις, εμπεριέχει ενεργό/ή οπτική εμπειρία στο τοπίο, η οποία είναι μια εγγενώς δυναμική διαδικασία και δια της οποίας συλλαμβάνουμε και κατανοούμε εν γένει το περιβάλλον μας. Οι δε πληροφορίες περί σημείων του τοπίου τα οποία είναι αμοιβαίως ορατά, ή περί τμημάτων μιας περιοχής τα οποία είναι ορατά από ένα ή περισσότερα σημεία θέασης (παρατήρησης) είναι πολύτιμες για διάφορους λόγους και εφαρμογές. Όμως, τέτοιου είδους πληροφορίες ούτε μπορούν να αναχθούν, ούτε να συντεθούν από μόνες τους σε ένα αντιληπτό και πλήρες νοήματος πλαίσιο, αλλά ούτε και ενέχουν την ενεργό/ή οπτική εμπειρία. Οι χάρτες είναι αφηρημένες/ αφαιρετικές αναπαραστάσεις της (γεωγραφικής) πραγματικότητας∙ ως εκ τούτου, στη γενική μορφή τους συνεπάγονται αναπαράσταση και απεικόνιση αυτής της πραγματικότητας κατά τρόπο εύληπτο από ένα ευρύ κοινό χρηστών χαρτών. Επιπροσθέτως, στη γεωγραφική πραγματικότητα συμπεριλαμβάνονται φαινόμενα τα οποία, όμοια με την οπτική εμπειρία στο τοπίο, είναι δυναμικά. Παρότι η συμβατική χαρτογραφική απεικόνιση ανταποκρίνεται «καταλλήλως» στη στατική εικόνα της Γης, οι πρόσφατες εξελίξεις στη Χαρτογραφία και στα Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα έχουν μετατοπίσει το επιστημονικό Παράδειγμα από την στατική χαρτογραφική απεικόνιση. Το αναδυόμενο Παράδειγμα της Γεω-οπτικοποίησης (ή της Χαρτογραφικής Οπτικοποίησης) εμπλέκει την απεικόνιση με κινούμενες εικόνες (animation) και τη διάδραση προκειμένου να αναπαραστήσει και να αποδώσει δυναμικά γεωγραφικά φαινόμενα και διαδικασίες με δυναμικά γραφικά μέσα. Ωστόσο, η χαρτογραφική οπτικοποίηση (και το animation, ιδιαιτέρως) δεν προορίζεται μόνο να «επικοινωνεί» (μεταδίδει) γεω-χωρικές πληροφορίες∙ αντίθετα, μπορεί να χρησιμεύσει και ως μέσο δημιουργικής εξερεύνησης/ διερεύνησης τέτοιου τύπου πληροφοριών. Αυτή η διπλωματική εργασία αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ορατότητας με σκοπό να το εντάξει σε ένα συγκείμενο όπου τα γεω-χωρικά ψηφιακά δεδομένα/ πληροφορίες αποβαίνουν σε εύληπτα και πλήρη νοήματος, μη-στατικά χαρτογραφικά παραγόμενα. Ως τέτοια, αποσκοπεί στο να αποδώσει τη δυναμική εξέλιξη του τι είναι ορατό – τουτέστιν το πεδίο ορατότητας (viewsheds) – από κάποιες τοπογραφικά «προεξέχουσες» (ιδιάζουσες) διαδρομές, εξερευνώντας τα πεδία ορατότητας χαρτογραφικά. Επομένως, είναι η εξέταση του πρόβληματος-της-απομάκρυνσης-της-κρυπτόμενης-επιφάνειας – ερμηνευόμενο ως «ποια τμήματα του Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους (ΨΜΕ) είναι θεατά από ένα σημείο παρατήρησης επί του ΨΜΕ» – που έχει ανάγει την προσέγγιση της πραγματικής ενεργού οπτικής εμπειρίας σε ένα ψηφιακό-τεχνικό πλαίσιο. Αυτό το πλαίσιο αποτελείται κυρίως από ένα Λογισμικό Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων (ΓΠΣ), ένα Λογισμικό Επεξεργασίας Εικόνας και ένα Λογισμικό Στατιστικής Ανάλυσης προκειμένου να είναι δυνατή η διαχείριση, οπτικοποίηση και αξιολόγηση των εξαγόμενων εξομοιούμενων διαδικασιών. Παρόλα αυτά, όλα τα τεχνικά μέσα και εργαλεία αλληλεπιδρούν επιτυχώς και αποφέρουν παραγόμενα με σημασιολογική και γνωσιακή χρησιμότητα μόνον επειδή: ιθύνονται από μια στοχευμένη συλλογιστική διεπόμενη από μια αυστηρή μεθοδολογία και θεμελιώνονται σε προκαθορισμένες εννοιολογήσεις. Και είναι λόγω αυτών των ενσυνείδητων διανοητικών διεργασιών και της σχετικής οργάνωσης που κάποια ουσιώδη μελήματα εγείρονται, σε σχέση με παράγοντες, παραμέτρους και περιορισμούς που επιδρούν στην επιτυχημένη πραγμάτωση αυτής της εργασίας. Έτσι λοιπόν, η ψηφιακή και γενικευμένη εκδοχή του οπτικού τοπίου (οπτικο-τοπίο/ visualscape) τίθεται προς οπτική εξερεύνηση. Οι θεωρητικοί προβληματισμοί που πρεσβεύουν ότι μια στατική σύλληψη του τοπίου είναι απλώς ένα στιγμιότυπο – μια παύση στη μετακίνηση – της γενικότερης εννοιολόγησης της ενεργού, εν κινήσει παρατήρησης έχουν παράσχει το υπόβαθρο για τη δυναμική διερεύνηση ενός τέτοιου (ορεινού) τοπίου. Υπό αυτή την προοπτική, μόνο «κινούμενες θεάσεις» δύνανται να προσεγγίσουν την πραγματική βιωματική εμπειρία της οπτικής αισθητηριακής αντίληψης – ήτοι παρατήρηση κατά μήκος «πορειών»/ διαδρομών. Εντούτοις, εγείρεται, κατ’ αρχάς, το μέλημα σχετικά με την επιλογή τέτοιων διαδρομών παρατήρησης (διαδρομές θέασης): θα ήταν επαρκές να χαραχθεί μια τυχαία γραμμή, ή θα απαιτούνταν μια πιο ενσυνείδητη επιλογή διαδρομής; Μολονότι το «δόγμα» της εξερεύνησης υπαγορεύει την υιοθέτηση μιας εξ’ ολοκλήρου βασισμένης στα (οδηγούμενης από τα) δεδομένα προσέγγισης (δίχως μια προϋποτιθέμενη επιδίωξη ενός φάσματος αναμενόμενων αποτελεσμάτων), δεν είναι δυνατό να αψηφήσει κανείς το γεγονός ότι ορισμένα γραμμικά χαρακτηριστικά-οντότητες (λ.χ. κορυφογραμμές, κοιλάδες) είναι τοπογραφικά/ γεωμορφολογικά «προικισμένες» με ιδιαίτερα γνωρίσματα-ιδιότητες. Έτσι, το διάβημα «τοποθέτησης» σημείων θέασης κατά μήκος τέτοιων διαφορετικών ιδιαζουσών («προεξεχουσών») οντοτήτων ενδέχεται να ενέχει ισοδύναμα κυμαινόμενες ιδιότητες αναφορικά με τα χωρικά πρότυπα (δηλ. κατανομές) ορατότητάς τους. Αλλά μια ενοποιημένη απόδοση των θεάσεων κατά μήκος κάθε διαδρομής υποδηλώνει την (χαρτογραφική) οπτικοποίηση τόσο της μετακίνησης των σημείων παρατήρησης, όσο και της εξάπλωσης των χωρικών προτύπων ορατότητας. Υπό αυτή την οπτική, βαθύτερη κατανόηση μπορεί να αποκτηθεί από προ-διατεταγμένες ακολουθίες/ αλληλουχίες κινούμενης εικόνας τέτοιων ψηφιδωτού τύπου χωρικών δεδομένων (δηλ. ψηφιακών πεδίων ορατότητας) οι οποίες εμπεριέχουν και τα αντίστοιχα σημεία αναφοράς τους, ήτοι τα σημεία παρατήρησης που αντιστοιχούν σε κάθε πεδίο ορατότητας. Άλλωστε, αυτού του είδους τα χωρικά-μεταβαλλόμενα δεδομένα συνιστούν ταυτόχρονα και ένα «διευκολυντικό/ επιτρεπτικό σχήμα οπτικοποίησης»: η χωρική μετατόπιση του σημείου θέασης συνοδεύεται από μια διαφορετική κατανομή των ορατών κελιών επί ενός τοπίου (επιφάνεια ψηφιδωτού (raster)), ανακαλώντας την περίπτωση των 3-δ εικονικών πτήσεων∙ η δε εκμαίευση νοήματος από την εξερεύνηση αυτού του σχήματος/ αυτών των δεδομένων, ταυτόχρονα καθιστά εφικτή την ανάδειξη των ίδιων των εξελισσόμενων προτύπων αλλά και συνεπιφέρει τη συνειδητή απόφαση της αξιοποίησης ιδιαζουσών γραμμικών τοπογραφικών οντοτήτων για την εκλογή σημείων παρατήρησης. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, αυτό το εξερευνητικό έργο είναι στην πραγματικότητα μια διαδικασία συνταιριάσματος/ εναρμόνισης: κατάλληλης προσέγγισης εξάπλωσης των μεταβαλλόμενων ψηφιδωτών επιφανειών, αποτελεσματικής πρόσληψης/ σύλληψης αυτής της διαδικασίας, και μετριασμού των απαιτήσεων όγκου δεδομένων/ υπολογιστικού χρόνου. Ωστόσο, για να εμφορείται αυτό το εγχείρημα από μια πραγματιστική προοπτική, είναι ομοίως ζωτικής σημασίας να αυτοματοποιηθούν οι διεργασίες για τη διαχείριση και την ταυτοποίηση/ προσδιορισμό των σχετικών δεδομένων/ πληροφοριών με τη βοήθεια των ΓΠΣ. Επομένως, υπό αυτές τις προϋποθέσεις, εξετάζουμε: i) τη δυνατότητα ορισμένων χαρτογραφικών οπτικοποιήσεων να προσεγγίσουν την εξέλιξη της μεταβολής των οπτικο-τοπίων υπό έναν εξερευνητικό – αλλά επίσης αυτοματοποιημένο – τρόπο, ii) τις διαφορές και τις κυμαινόμενες απαιτήσεις για την οπτικοποίηση των μεταβολών των ορατών πεδίων σε διαφορετικές τοπογραφικές γραμμικές οντότητες (διαδρομές) και για χωρικά διαφοροποιούμενες διατάξεις σημείων θέασης, και iii) τον αντίκτυπο της διακύμανσης του υψομέτρου του κινούμενου σημείου θέασης επί της δυναμικής μετάβασης/ μεταμόρφωσης του ορατού τοπίου. Η σχετική ανάλυση και συζήτηση προάγει τα συνολικά οφέλη που απορρέουν από τη χαρτογραφική οπτικοποίηση, ενώ ταυτόχρονα εστιάζει στις στρατηγικές που έχουν ως αποκλειστικό σκοπό να παράσχουν τα μέσα για να καταστεί δυνατή μια αποτελεσματική 2-δ εξερεύνηση του οπτικού τοπίου. Ώστε, αυτό το εξερευνητικό έργο αποκαλύπτει σημαντική διακύμανση των τάσεων των χωρικών προτύπων ορατότητας σε σχέση με (ή ως απόκριση σε) διαφορετικές γραμμικές τοπογραφικές οντότητες∙ επιπλέον, ο εμπειρικός πειραματισμός με μεταβαλλόμενες χωρικές διατάξεις/ αλληλουχίες σημείων θέασης κατά μήκος τέτοιων γραμμικών οντοτήτων καταμαρτυρεί ότι οι απαιτήσεις της γεω-οπτικοποίησης, δηλαδή του χάρτη κινούμενης εικόνας, τόσο σε όρους προσέγγισης και απόδοσης των διαδικασιών (δυναμικής εξέλιξης πεδίων ορατότητας), όσο και σε όρους δυνατότητας σύλληψής και κατανόησής τους (των διαδικασιών) εξαρτώνται από την τοπογραφική οντότητα που εξετάζεται κάθε φορά. Εξ’ άλλου, (η διαφορά ως προς) το υψόμετρο, αλλά και (ως προς) άλλα παράγωγα του αναγλύφου – ήτοι η κλίση και η καμπυλότητα – διαπιστώνεται πως επηρεάζουν τις μεταβολή του πεδίου ορατότητας, αλλά όχι κατά τρόπο που αυτή η επίδραση να αποκλίνει από ένα «κανονιστικό φάσμα» που οριοθετείται από την εκάστοτε διαδρομή θέασης-γραμμική τοπογραφική οντότητα. Επεκτείνοντας τέτοια ευρήματα και σχόλια, διάφορα άλλα σχετικά αναδυόμενα ζητήματα θίγονται υπό την προοπτική περαιτέρω έρευνας-διερεύνησης.

Visual perception has had a profound effect on humankind thriving, since the latter has been deriving meaning from its surroundings; in other words, for us, humans ‘to see is to understand and prosper’. Living in the natural environment, though, entails active visual landscape experience which is an inherently dynamic process and by which we apprehend and understand the most of our surroundings. Information about points of the landscape that are mutually visible or parts of a region which are visible from one or more points of observation is valuable for several reasons and applications. Yet, such information neither is synthesized by itself to a perceivable and meaningful context, nor it involves the active visual experience. Maps are abstracted representations of (geographic) reality; so, in their generic form they are to represent and depict this reality in a means perceivable from a multitude of map readers/ users. Moreover, geographic reality includes phenomena which, similarly to visual landscape experience, are dynamic in nature. Although conventional mapping neatly corresponds to the static picture of the Earth, recent advancements in Cartography and Geographic Information Science have significantly shifted the scientific Paradigm from static mapping. The emerging Paradigm of Geo-visualization (or Cartographic Visualization) involves animation and interaction with an aim to representing and portraying dynamic geographic phenomena and processes with dynamic graphical media. However, cartographic visualization (and animation, in particular) is not only destined to communicate geo-spatial information; instead, it can also serve as a medium to creatively explore this kind of information. This thesis treats with the problem of visibility but with an aim to integrate it in a context where geo-spatial digital data/ information handling and analysis result in perceivable and meaningful, non-static cartographic outputs. As such, it aims at rendering the evolution of what is visible – i.e. the viewsheds – for some defined topographically prominent tracks (or routes) by cartographically exploring viewsheds. Therefore, it is the hidden-surface-removal problem consideration – explained as ‘which portions of a Digital Terrain Model (DTM) are seen from a viewpoint on this DTM’ (i.e. the viewsheds) – that has reduced the approach and the approximation of the real active visual experience to a digital-technical framework. This framework consists chiefly of a Geographical Information System (GIS), an Image Manipulation Software and a Statistical Analysis Software so as to handle and analyze the respective spatial data in a semi-automated procedure, and eventually, visualize and evaluate the derived simulated processes. Nevertheless, all these technical means and tools successfully interact and yield outputs with semantic and cognitive utility only because they are: governed by an intended rationale ruled by a rigorous methodology and founded on predefined conceptualizations. And it is owing to these deliberate mental activities and organization that some significant concerns are raised, pertaining to factors, parameters and limitations affecting the successful effectuation of this thesis. So, the digital and generalized aspect of the visual landscape (visualscape) is to be visually explored. The theoretic considerations suggesting that a static landscape apprehension is merely an instantiation – a pause in locomotion – of the more generic conceptualization of active observation in motion have provided the background for dynamically probing such a (mountainous) landscape. Under this perspective, only ‘moving vistas’ can approximate the actual experience of visual sensory perception – that is observation along tracks/ routes. Yet, at first, the concern regarding the selection of such observation routes (view-routes) arises: could a random line engraving be sufficient, or a more mindful route election is required? Although the exploration ‘doctrine’ dictates that one should proceed in an entirely data-driven approach (without a very concrete intent of the spectrum of what results to expect), we cannot defy the fact that some linear features (e.g. ridge-lines, course-lines) are topographically/ geomorphologically ‘endowed’ with special characteristics. So, the act of placing viewpoints along such different prominent features may entail equivalently varying properties with respect to their visibility spatial patterns. But a unified rendering of vistas along each route implies the (cartographic) visualization of both viewpoints movement and visibility spatial patterns propagation. Under this perspective, insight can be gained from pre-ordered animated sequences of such raster spatial data (i.e. viewsheds) which include their respective points of reference, i.e. the observation point corresponding to each viewshed. Besides, such spatially-changing data is at the same time a ‘facilitating visualization scheme’: the viewpoint spatial displacement is accompanied by a different configuration of visible cells of a landscape (raster surface), recalling the case of 3-d fly-overs; also, meaning derivation exploring this scheme/ data both enables the emerging evolving patterns themselves and entails the conscious decision of utilizing prominent linear topographic features for viewpoint selection. In this thesis, this explorative task is indeed a procedure of reconciling proper approximation of the propagation of the changing raster surfaces, effective apprehension of this process, and mitigation of data volume/ computation load-time requirements. Nevertheless, for this enterprise to carry a pragmatical potential, it is also crucial to automate the procedure for the handling/ manipulation and identification of the relevant data/ information, using computational efficient methods via the aid of GIS. Thence, under these presuppositions, we investigate: i) the capability of certain cartographic visualizations to approximate the evolution of visualscapes in an explorative – but also in an automated – manner, ii) the differences and the varying requirements for visualizing viewshed changes in different topographic linear features (routes) and for spatially differing viewpoint placement, and iii) the effect of the moving viewpoint’s elevation variation upon the dynamic transition of the visual landscape. The pertinent analysis and discussion gives prominence to the overall benefits stemming from cartographic visualization, while it focuses on the strategies dedicated to afford an effective dynamic 2-d visual landscape exploration. So, this explorative task reveals the significant variation of visibility spatial pattern trends in correspondence with different linear topographic features; in addition, the empirical experimentation with floating spatial viewpoint arrays along these linear features provides evidence that the geo-visualization/ animated map requirements both in terms of the processes (viewsheds evolution) approximation and rendering and in terms of their (processes’) apprehension potential depend on the topographic feature each time investigated. Besides, (the difference with respect to) elevation as well as (with respect to) other terrain derivatives – namely slope and curvature – are found to affect viewshed transition, but not in a manner that this impact to diverge from a ‘regulating spectrum’ adumbrated by each viewroute-linear topographic feature. By expanding such findings and remarks, several other relevant emerging issues are touched with the perspective of further research.