Χαρτογραφική γενίκευση φυσικών γραμμικών χωρικών οντοτήτων με δεσμεύσεις ευαναγνωσιμότητας

Abstract

This thesis focuses on the research field of digital cartographic line generalization, by introducing a comprehensive method for generalizing natural linear entities. It addresses two key concepts of concern of the cartographic community in this field: 1. the generalization of linear entities 'guided' by the conceptual framework 'segmentation - characterization - generalization' and 2. the detection of critical points along cartographic lines.The thesis is developed at three levels: Firstly, a review of studies around this subject, which have been carried out, is presented. In particular, the concept of generalization of linear entities is introduced and current research trends in the field of cartographic generalization are listed and analyzed. The concept of critical points is introduced and their importance in the generalization process is highlighted. Then, there are presented the methods followed for automation in a digital environment, initially through simplification algorithms. The theoretical framework of operation of the most widespread of them is described and, based on the concept of critical points and the analysis of the relevant studies, an evaluation of them is been conducted. According to bibliography, the inadequacies of simplification algorithms lead researchers to look for new methods of generalizing cartographic lines. One of the innovative ideas being investigated is the identification of homogeneous lines or homogeneous segments along the lines, their classification according to qualitative and quantitative criteria, and their generalization via the relevant operators as appropriate.At the second level, two methodologies, that address the above defined questions are presented. Their structure and evaluation are developed in the main part of the dissertation. The first of these methodologies, aims to create a model of digital lines generalization, which is based on the conceptual framework 'segmentation-classification-generalization'. More specifically, a specific method has been designed, according to which each line is divided into homogeneous segments. The criteria for segmentation is the legibility of the lines, which is defined based on cartographic rules according to visual perception. Then, specific parameters of classification of the linear entity’s divided segments are introduced (the so called ε-segments) and four categories of segments (sections) are defined for classification, based on their shape and geometry. At the same time, quantitative metrics have been identified and calculated in order to define them. The generalisation of the line is completed by applying appropriate generalisation operators (merging, simplification, enlargement, etc.) to each part, depending on the section to which it belongs and its quantitative characteristics. For each segment generalization operators (enlargement, simplification, expansion, smoothing etc.) that are considered necessary for their generalization are proposed and their implementation algorithms are designed. The individual line processing operations are coded, interconnected and been integrated in an appropriate software environment so as to create a unified platform which will implement the techniques. The design of the method is carried out based on its implementation to lines representing physical entities, which, due to their complexity and randomness, are of particular research interest.The second method suggests a way of detecting the critical points of cartographic lines. The method is based on geometric principles and uses the length ratio index LR as a metric to estimate the slope change along a digital line. The LR index is applied, locally, to each point on the line and is structured in such a way that its value increases according to the change in slope of the line. The local examination is ensured by cutting the line through a circle of constant radius around each point of the line. The peaks of the line at which the index values show local maximum greater than a predetermined threshold are considered as critical points. In this document the structure of the LR indicator is analyzed and its operating parameters are defined. At the third level, a case study is carried out in order to test the effectiveness of the proposed methodologies. The critical points detection method is initially applied to four lines (three geomorphological and one geometrical), selected from two relevant studies, in order to be tested and evaluated from previously known critical points. The method is then piloted on the 1:50,000 scale coastline of the island of Peristera and the results are analysed. Finally, the LR index is used to compare the results of the implementation in five successive generalization scenarios of two line simplification algorithms ('pointremove' and 'bendsimplify' of ArcGIS software). The 'segmentation-classification-generalization' method is applied to the coastline of the island of Peristera at a scale of 1:50,000, for two generalisation scenarios with derived scales of 1:500,000 and 1:1,000,000. The objective is to evaluate both the individual processes and the final outcome resulting from the implementation of the technique to a random line of random shape and geometry and the scenarios of large scale change. The results are evaluated based on the predefined rules, but they are also compared with a) the results deriving from the implementation of two algorithms for line simplification ('pointremove' and 'bendsimplify') and b) the digitalization of analogue lines of GIS topographic maps at the respective scales.

Η διατριβή εστιάζει στο ερευνητικό πεδίο της γενίκευσης ψηφιακών χαρτογραφικών γραμμών εισάγοντας μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία γενίκευσης φυσικών γραμμικών οντοτήτων. Πραγματεύεται δύο βασικές έννοιες που απασχολούν την χαρτογραφική κοινότητα στο εν λόγω πεδίο: 1. τη γενίκευση γραμμικών οντοτήτων με ‘οδηγό’ το εννοιολογικό πλαίσιο ‘κατάτμηση - χαρακτηρισμός - γενίκευση’ και 2. τον εντοπισμό κρίσιμων σημείων κατά μήκος χαρτογραφικών γραμμών.Η διατριβή αναπτύσσεται σε τρία επίπεδα. Αρχικά, γίνεται μία ανασκόπηση μελετών που έχουν πραγματοποιηθεί γύρω από το αντικείμενο. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η έννοια της γενίκευσης γραμμικών οντοτήτων και καταγράφονται και αναλύονται οι σύγχρονες ερευνητικές τάσεις στο αντικείμενο της χαρτογραφικής γενίκευσης. Εισάγεται η έννοια των κρίσιμων σημείων και αναδεικνύεται η σημασία αυτών στη διαδικασία της γενίκευσης. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στις μεθόδους που ακολουθήθηκαν για την αυτοματοποίηση σε ψηφιακό περιβάλλον, αρχικά, μέσω των αλγορίθμων απλοποίησης. Περιγράφεται το θεωρητικό πλαίσιο λειτουργίας των πιο διαδεδομένων εξ αυτών και στη συνέχεια, με βάση την έννοια των κρίσιμων σημείων και την ανάλυση μελετών γύρω από το αντικείμενο, επιδιώκεται μία αξιολόγησή τους. Όπως προκύπτει από τη βιβλιογραφία, οι ανεπάρκειες των αλγορίθμων απλοποίησης οδηγούν τους μελετητές στην αναζήτηση νέων τρόπων επεξεργασίας για τη γενίκευση των χαρτογραφικών γραμμών. Μία από τις καινοτόμες ιδέες που ερευνώνται είναι ο εντοπισμός ομοιογενών γραμμών ή ομοιογενών τμημάτων κατά μήκος των γραμμών, ο χαρακτηρισμός αυτών μέσω ποιοτικών και ποσοτικών κριτηρίων και η γενίκευσή τους μέσω κατάλληλων τελεστών κατά περίπτωση.Σε δεύτερο επίπεδο, παρατίθενται δύο μεθοδολογίες που αναφέρονται στα δύο ανωτέρω ζητούμενα. Η δομή και η αξιολόγησή τους αναπτύσσεται στο κύριο μέρος του κειμένου. Η πρώτη έχει στόχο τη δημιουργία ενός μοντέλου γενίκευσης ψηφιακών γραμμών, η οποία στηρίζεται στο εννοιολογικό πλαίσιο ‘κατάτμηση-χαρακτηρισμός-γενίκευση’. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάζεται μία μεθοδολογία κατά την οποία η εκάστοτε γραμμή κατατέμνεται σε ομοιογενή τμήματα. Ως κριτήριο κατάτμησης χρησιμοποιείται η ευαναγνωσιμότητα των γραμμών, η οποία ορίζεται μέσω χαρτογραφικών κανόνων που στηρίζονται στην οπτική αντίληψη. Στη συνέχεια, θεσπίζονται παράμετροι χαρακτηρισμού των τμημάτων κατάτμησης της γραμμικής οντότητας (ονομάζονται ε-τμήματα). Ορίζονται τέσσερις κατηγορίες τμημάτων, στις οποίες αυτά εντάσσονται ανάλογα με τη μορφή και τη γεωμετρία τους. Παράλληλα δε, καθορίζονται και υπολογίζονται ποσοτικά μέτρα που τα χαρακτηρίζουν. Η γενίκευση της γραμμής ολοκληρώνεται με την εφαρμογή κατάλληλων τελεστών γενίκευσης (μεγέθυνση, συγχώνευση, απλοποίηση, διεύρυνση κ.λπ.) σε κάθε ε-τμήμα, ανάλογα με την κατηγορία στην οποία ανήκει και τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του. Για κάθε κατηγορία, προτείνονται τελεστές γενίκευσης (διεύρυνση, απλοποίηση, διόγκωση, εξομάλυνση κτλ.) που κρίνονται απαραίτητοι για τη γενίκευσή τους και σχεδιάζονται οι αλγόριθμοι εφαρμογής τους. Οι επιμέρους διεργασίες επεξεργασίας των γραμμών κωδικοποιούνται, αλληλοσυνδέονται και ενσωματώνονται σε κατάλληλο λογισμικό περιβάλλον, ώστε να δημιουργηθεί μία ενιαία πλατφόρμα υλοποίησης των τεχνικών. Ο σχεδιασμός της μεθόδου πραγματοποιείται με άξονα την εφαρμογή της σε γραμμές που απεικονίζουν φυσικές οντότητες, οι οποίες, λόγω της πολυπλοκότητας και της τυχαίας μορφής τους, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον. Με τη δεύτερη μεθοδολογία προτείνεται ένας τρόπος εντοπισμού των κρίσιμων σημείων χαρτογραφικών γραμμών. Η μέθοδος είναι βασισμένη σε γεωμετρικές αρχές και χρησιμοποιεί τον δείκτη αναλογίας μήκους LR ως μέτρο εκτίμησης της αλλαγής κλίσης κατά μήκος μιας ψηφιακής γραμμής. Ο δείκτης LR εφαρμόζεται, τοπικά, σε κάθε σημείο της γραμμής και είναι δομημένος με τρόπο, ώστε η τιμή του να αυξάνει ανάλογα με την αλλαγή της κλίσης της. Η εξέταση σε τοπικό επίπεδο διασφαλίζεται με την αποκοπή της γραμμής μέσω ενός κύκλου σταθερής ακτίνας γύρω από κάθε της σημείο. Οι κορυφές της γραμμής, στις οποίες οι τιμές του δείκτη εμφανίζουν τοπικά μέγιστα, μεγαλύτερα από ένα προκαθορισμένο όριο, θεωρούνται ως κρίσιμα σημεία. Στο παρόν κείμενο αναλύεται η δομή του δείκτη LR και καθορίζονται οι παράμετροι λειτουργίας του. Σε τρίτο επίπεδο πραγματοποιείται πιλοτική εφαρμογή όπου ελέγχεται η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων. Η μέθοδος εντοπισμού κρίσιμων σημείων, αρχικά, εφαρμόζεται σε τέσσερις γραμμές (τρεις γεωμορφολογικές και μία γεωμετρική), οι οποίες επιλέχθηκαν από δύο σχετικές με το αντικείμενο μελέτες, προκειμένου να ελεγχθεί και να αξιολογηθεί με βάση εκ των προτέρων γνωστά κρίσιμα σημεία. Στη συνέχεια, η μέθοδος εφαρμόζεται πιλοτικά στην ακτογραμμή της νήσου Περιστέρας κλίμακας 1:50.000 και τα αποτελέσματα αναλύονται. Τέλος, ο δείκτης LR χρησιμοποιείται για να συγκριθούν τα αποτελέσματα της εφαρμογής σε πέντε διαδοχικά σενάρια γενίκευσης, δύο αλγορίθμων απλοποίησης γραμμών (‘pointremove’ και ‘bendsimplify’ του λογισμικού ArcGIS). Η μέθοδος ‘κατάτμησης - χαρακτηρισμού - γενίκευσης εφαρμόζεται στην ακτογραμμή της νήσου Περιστέρα κλίμακας 1:50.000, για δύο σενάρια γενίκευσης με παράγωγες κλίμακες 1:500.000 και 1:1.000.000. Στόχος είναι η αποτίμηση, τόσο των επιμέρους διεργασιών, όσο και του τελικού προϊόντος που προκύπτει από την τεχνική, μετά την εφαρμογή της σε μία γραμμή τυχαίας μορφής και γεωμετρίας και για σενάρια μεγάλης αλλαγής κλίμακας. Τα αποτελέσματα αξιολογούνται με βάση τους κανόνες που έχουν ορισθεί, αλλά και συγκρινόμενα με: α) εκείνα που προκύπτουν από την εφαρμογή δύο αλγορίθμων απλοποίησης γραμμών (‘pointremove’ και ‘bendsimplify’) και β) ψηφιοποιημένες αναλογικές γραμμές τοπογραφικών χαρτών της ΓΥΣ στις αντίστοιχες κλίμακες.