Aναλυτική φωτοσκίαση πολλαπλών κατευθύνσεων για την ενισχυμένη χαρτογραφική απόδοση του τοπογραφικού αναγλύφου

Abstract

This doctorate dissertation, entitled: "Multi-directional Analytical Hill-Shading for Enhanced Cartographic Relief Presentation" studies the method of Multi-directional Hill-Shading (MDHS) and examines its potential to deal with the weakness of usual, one source hill-shading illustrating the entire shape of the earth's surface. This weakness is manifested by the complete hiding of the ground’s shape, when its orientation diverges from the light source, and by the incomplete rendering of its variations for the rest of the cases, where the surface is oriented parallel or perpendicular to the illumination.The framework of actions proposed to heal the above issues and enhance the visual effect of hill-shading is based on three axes:•Implementation of dominant hill-shading with optimal illumination•Implementation of a MDHS model•Selective enhancement of the dominant, optimal hill-shading with MDHSThe ultimate goal of the thesis is to produce a hill-shading image that will maintain its intimate, realistic character and achieve maximum performance in the rendering of the information of relief. This combination is possible if a dominant illumination with strong tonal contrast, properly chosen to depict most of the terrain formations is maintained and enhanced in general and especially on the darkly shaded slopes with controlled participation of MDHS, in order to restore the incomplete information of the relief.The two initial chapters of the thesis contain the general background for understanding the problem. Chapter 1 provides a brief description of the peculiarities and simplifications of hill-shading procedure for cartographic use. The analytical equations and concepts involved in the computation of gray tones and a review of current developments and related studies in analytical hill-shading complete the theoretical background. In Chapter 2, after clarifying the role of illumination direction, proposals are given to improve the shortcomings in the use of only a single source, with gradual enrichment of illumination from local light source adaptation, then to combinations of different light directions and up to multi-source sky models, to finally describe the term Multi-Directional Hill-Shading (MDHS). This is followed, in Chapter 3, by the description of experimental evaluation of the visual complexity of single and multiple source hill-shading images using eye movement tracking. The analysis of observations was performed by calculating basic and derivative metrics of recorded observations and by integrated co-evaluation based on expert judgement. Finally, visual coherence of MDHS images with the familiar character of hill-shading images of topographic relief is established, despite the observed peculiarity of tonal equalization and the consequent lagging of tonal contrast, caused by multiple illumination.Chapters 4 and 5 frame with the necessary literature review and put into practice the three axes of the proposed methodology. Chapter 4 lists the existing models for MDHS synthesis and explores additional, alternative models, which are distinguished in terms of how the components hill-shading images are weighted into: global-weighted, oblique-weighted and incident-weighted (i.e. weighted based on the incidence angle of their illumination). Chapter 5 documents the perceptually correct, general NW illumination origin, and discusses integrated analytical methods of terrain analysis that can assist to determine a specific light direction (e.g., diagrammatic analysis of orientation data, structural line identification, land surface generalization, morphometric classification and analysis, etc.). In the final mixing between dominant, optimal single-source hill-shading and MDHS, both fixed and variable weighting is applied, by controlling the degree of correction with the local incidence angle of optimal illumination on the ground.Within the framework of the dissertation, practical application of MDHS models, as well as their combinations with single-source hill-shading was carried out in a mountainous study area of Kalavryta, by implementation in the integrated GIS software environment of ESRI's ArcGIS®. The visual results of selected combinations are evaluated in chapter 6, in terms of completeness in the rendering of topographic relief, with an empirical survey implemented as an online questionnaire and filled by scientific personnel with experience in cartographic and spatial visualizations. This is followed by statistical testing of the responses, to identify choices that achieve significantly improved performance, with a clear evidence that MDHS use is beneficial.In the conclusion of the thesis, the main objectives and the methodology for fulfilling them are summarized, and some open questions for further research are set out.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με τίτλο: «Αναλυτική Φωτοσκίαση Πολλαπλών Κατευθύνσεων για την Ενισχυμένη Χαρτογραφική Απόδοση του Τοπογραφικού Αναγλύφου» μελετά την μέθοδο της Φωτοσκίασης Πολλαπλών Κατευθύνσεων (ΦΠΚ) και εξετάζει τις δυνατότητες που μπορεί να προσφέρει η αξιοποίησή της, στην αντιμετώπιση της αδυναμίας αναπαράστασης του συνόλου της μορφής της γήινης επιφάνειας κατά τη φωτοσκίασή της με μία φωτεινή πηγή. Η αδυναμία αυτή εκδηλώνεται με την πλήρη απόκρυψη του αναγλύφου για τις πλαγιές που αποκλίνουν από τη φωτεινή πηγή και με την ελλιπή απόδοση των μεταβολών του, σε όσες από τις υπόλοιπες πλαγιές προσανατολίζονται παράλληλα ή κάθετα στον φωτισμό.Αρχικώς τοποθετείται το πρόβλημα με μία σύντομη περιγραφή των ιδιαιτεροτήτων και των απλουστεύσεων του φαινομένου της φωτοσκίασης για χαρτογραφική χρήση και με την ανασκόπηση των σύγχρονων εξελίξεων στην αναλυτική φωτοσκίαση και των προσπαθειών για την βελτίωση των αδυναμιών στη χρήση μίας αποκλειστικά φωτεινής πηγής. Εν συνεχεία, μέσω πειραματικής διαδικασίας καταγραφής οφθαλμικών κινήσεων οι οποίες αναλύονται με τη βοήθεια και της κρίσης εμπειρογνωμόνων, διασφαλίζεται με όρους πολυπλοκότητας η οπτική συνάφεια των εικόνων ΦΠΚ με τον οικείο χαρακτήρα των εικόνων φωτοσκίασης του τοπογραφικού αναγλύφου, με αφορμή την ιδιόμορφη τονική ισοστάθμιση που προκαλεί ο πολλαπλός φωτισμός και την συνεπαγόμενη υστέρηση ενός κρίσιμου οπτικού ερεθίσματος της μεθόδου, αυτό της τονικής αντίθεσης.Η προτεινόμενη μεθοδολογία της διατριβής για την ενίσχυση των αδυναμιών βασίζεται σε τρία στάδια: i) στη επιλογή μίας βέλτιστης κατεύθυνσης φωτισμού, αναλόγως της ταυτότητας του αναγλύφου της εκάστοτε περιοχής, ώστε να μεγιστοποιείται το όφελος στην απόδοση του, ii) στην υλοποίηση ενός μοντέλου ΦΠΚ, από μία διαθέσιμη γκάμα επιλογών με διαφορετικά χαρακτηριστικά και iii) στη δημιουργία ενός σταθμισμένου συνδυασμού όπου το οπτικό αποτέλεσμα του σταδίου (i) θα κυριαρχεί, διασφαλίζοντας τον οικείο χαρακτήρα μιας εικόνας φωτοσκίασης και θα ενισχύεται στα αδύναμα τμήματα με ελεγχόμενο τρόπο, από την εικόνα του σταδίου (ii). Τα τρία αυτά στάδια της μεθοδολογίας πλαισιώνονται με βιβλιογραφική μελέτη και με εφαρμογές σε ψηφιακά υψομετρικά δεδομένα από τμήμα ορεινής περιοχής των Καλαβρύτων. Ως προς τη διερεύνηση της βέλτιστης κατεύθυνσης φωτισμού, τεκμηριώνεται η γενική προτίμηση της τοποθέτησης προς τον ΒΔ τομέα και προσδιορίζονται οι αναλυτικές διαδικασίες επεξεργασίας των δεδομένων της μορφής της επιφάνειας που μπορούν να την εξειδικεύσουν (όπως η γενίκευση της επιφάνειας του εδάφους, η μορφομετρική ανάλυση ή η αναγνώριση δομικών γραμμών), εφαρμόζοντας ενδεικτικά την διαγραμματική ανάλυση των τιμών αζιμουθίου. Τα υφιστάμενα μοντέλα ΦΠΚ εμπλουτίζονται με πρόσθετα, εναλλακτικά μοντέλα και διατυπώνεται η κατηγοριοποίησή τους, με κριτήριο τον τρόπο στάθμισης των συνιστωσών φωτοσκιάσεων σε: μοντέλα καθολικής στάθμισης (global-weighted), μοντέλα πλαγιο-στάθμισης (oblique-weighted) και μοντέλα στάθμισης βάσει της γωνίας πρόσπτωσης (incident-weighted) του φωτισμού. Για το τελικό στάδιο ανάμιξης μεταξύ κυρίαρχης, βέλτιστης φωτοσκίασης μίας πηγής και ΦΠΚ, προτείνονται η σταθερή, αλλά κυρίως η μεταβλητή στάθμισή τους, συναρτώντας τον βαθμό παρέμβασης της δεύτερης με την τοπική γωνία πρόσπτωσης του βέλτιστου φωτισμού στο έδαφος. Η υλοποίηση των μοντέλων ΦΠΚ, καθώς και των συνδυασμών τους με φωτοσκίαση μίας πηγής έγινε στο ολοκληρωμένο λογισμικό περιβάλλον του Συστήματος Γεωγραφικών Πληροφοριών ArcGIS® της ESRI.Τα οπτικά αποτελέσματα επιλεγμένων συνδυασμών φωτοσκίασης με την προτεινόμενη μεθοδολογία, αξιολογούνται ως προς την πληρότητα απόδοσης του τοπογραφικού αναγλύφου με εμπειρική έρευνα που υλοποιήθηκε ως διαδικτυακό ερωτηματολόγιο και συμπληρώθηκε από επιστημονικό προσωπικό με εμπειρία στο αντικείμενο της Χαρτογραφίας και γενικότερα των χωρικών οπτικοποιήσεων. Οι απαντήσεις ελέγχονται με στατιστικά τεστ για τον εντοπισμό των επιλογών που επιτυγχάνουν σημαντικά βελτιωμένες επιδόσεις, με σαφέστατες ενδείξεις της ωφέλειας από τη χρήση ΦΠΚ.Στην κατακλείδα της διατριβής, ανακεφαλαιώνονται οι κύριοι στόχοι και η μεθόδευση της εκπλήρωσής τους, συμπληρώνοντας ανοικτά ερωτήματα για περαιτέρω έρευνα.