Creating the Virtual Eiger North Face

Από RemoteSensing Wiki

Το άρθρο αυτό περιγράφει την δημιουργία ενός τρισδιάστατου μοντέλου για την βόρεια όψη του όρους Eiger με την χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης και φωτογραμμετρίας. Σκοπός της περιγραφόμενης εργασίας είναι η δημιουργία ενός μοντέλου τρισδιάστατης απεικόνισης μιας από τις πιο διάσημες ορθοπλαγιές του κόσμου, με την δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σε γεωγραφικά πληροφοριακά συστήματα με εφαρμογές – αρχικά – αλπινιστικού και τουριστικού ενδιαφέροντος. Το μοντέλο αυτό πρόκειται να συμπεριληφθεί αργότερα σε ένα χαμηλότερης ακρίβειας συνθετικό μοντέλο εδάφους της περιφέρειας Eiger – Moench – Jungfrau, το οποίο δημιουργήθηκε από συνδυασμό ψηφιακού μοντέλου εδάφους και δορυφορικών λήψεων.

Το μοντέλο αυτό ανήκει σε μία ειδική κατηγορία μοντέλων εδάφους, τα Steep Slope Models (SSM, Μοντέλο Απότομης Πλαγιάς) όπου επιλέγεται σαν επίπεδο αναφοράς στην απεικόνιση το κατακόρυφο αντί του οριζοντίου. Αυτό συμβαίνει επειδή για πλαγιές με κλίση μεγαλύτερη των 45ᵒ ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους με επίπεδο αναφοράς το οριζόντιο δεν μπορεί να απεικονίσει το έδαφος επαρκώς, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας απλώνεται σε κατακόρυφη διεύθυνση (σε αντίθεση με πλαγιές των οποίων η κλίση είναι μικρότερη των 45ᵒ).

Για την δημιουργία του SSM χρησιμοποιήθηκε ένα ζεύγος κεκλιμένων έγχρωμων αεροφωτογραφιών. Από αυτές προέκυψαν ένα ψηφιακό μοντέλο της όψης με πλέγμα μεγέθους 3.7 μέτρων και μία ορθοφωτογραφία με ανάλυση 0.25 μέτρων.

Το όρος Eiger (3970μ.) βρίσκεται στην Ελβετία, νότια του τουριστικού χωριού Grindelwald, στο Καντόνι Berner Oberland. Η βόρεια όψη του είναι μία βράχινη όψη με μέση κλίση 60ᵒ και στις κοινωνίες των αλπινιστών είναι γνωστή σαν το πιο διάσημο αναρριχητικό πεδίο παγκοσμίως. Η πρώτη επιτυχής ανάβαση της πλευράς αυτής πραγματοποιήθηκε το 1938 από ομάδα 4 αναρριχητών μετά από προσπάθεια 4 ημερών. Το 1961 καταγράφηκε η πρώτη χειμερινή ανάβαση της. Από τα άτομα που προσπάθησαν να αναρριχηθούν στην βόρεια πλευρά του Eiger μεταξύ 1935 και 1991, 51 έχουν χάσει την ζωή στην προσπάθεια αυτή.

Όπως προαναφέρθηκε προβολές εγκάρσιες ή κεκλιμένες είναι προτιμότερες για την απεικόνιση της επιφάνειας πλαγιών με κλίση μεγαλύτερη των 45ᵒ, αντί μίας κατακόρυφης προβολής (όπου επίπεδο αναφοράς είναι το οριζόντιο). Η ουσία του προβλήματος δεν έγκειται στην κατακόρυφη προβολή καθεαυτή αλλά στην αντιστοίχιση υψομέτρων σε δισδιάστατο χάρτη (2.5D) αντί της ολοκληρωμένης τρισδιάστατης προσέγγισης του υπό μελέτη αντικειμένου.

Οι αεροφωτογραφίες του όρους Eiger που χρησιμοποιήθηκαν λήφθηκαν τον Αύγουστο του 1977 με μία φωτογραφική μηχανή WILD RC 10, σε γωνία 58.5ᵒ από την κατακόρυφο. Τα στοιχεία του εσωτερικού προσανατολισμού λήφθηκαν από το Πιστοποιητικό Βαθμονόμησης Μηχανής. Για τον εξωτερικό προσανατολισμό των λήψεων χρησιμοποιήθηκαν 8 σημεία ελέγχου στο έδαφος (GCPs), τα οποία ήταν δυνατόν να προσδιοριστούν με ακρίβεια 10-15 εκατοστών. Τα προβλήματα τα σχετικά με τις λήψεις που αναφέρονται είναι η έντονη για την εποχή χιονοκάλυψη και παγοκάλυψη στο ορογενές καθώς και η έντονη σκίαση (λόγω αναγλύφου) που επικρατούσε στο βουνό την ώρα της λήψης.

Υπήρξαν ορισμένοι λόγοι οι οποίοι οδήγησαν στην δημιουργία ενός συστήματος αναφοράς για το μοντέλο στο οποίο αργότερα μετατράπηκαν τα δεδομένα. Οι λόγοι αυτοί περιλαμβάνουν την μη παραλληλότητα του επιπέδου λήψης της φωτογραφίας με το επίπεδο x-y της επιθυμητής προβολής και την συνθήκη επικάλυψης σημείων της εικόνας με αποτέλεσμα στις ίδιες συντεταγμένες x,y να αντιστοιχίζονται 2 ή περισσότερα σημεία με διαφορετικά υψόμετρα (κρυμμένες πλευρές). Δημιουργήθηκε λοιπόν το σύστημα Model 2000 System στο οποίο το επίπεδο x-y είναι σχεδόν παράλληλο με το επίπεδο λήψης των αεροφωτογραφιών, ενώ στις συντεταγμένες των GCPs υπήρξε μετατόπιση κατά 2000 ούτως ώστε όλες οι τιμές να είναι θετικές (απαραίτητη προϋπόθεση για την σωστή λειτουργία του Στερεοαναγωγέα). Κατά την διαδικασία του χωρικού 3d μετασχηματισμού, η ορθογωνικότητα του πίνακα στροφής διευκόλυνε σημαντικά την διαδικασία της μετατροπής των συντεταγμένων.

Η δημιουργία του στερεομοντέλου πραγματοποιήθηκε μέσω του προγράμματος PHODIS στα ακόλουθα βήματα:

• δημιουργία πυραμίδων • εσωτερικός προσανατολισμός (στοιχεία από Πιστοποιητικό Βαθμονόμησης Μηχανής) • εξωτερικός προσανατολισμός

   1.	σχετικός προσανατολισμός (εντοπισμός ομόλογων σημείων)
   2.	απόλυτος προσανατολισμός (χρήση GCPs)

• Εξάλειψη Py παράλλαξης

Μετά και την εξάλειψη της Py παράλλαξης ήταν δυνατή η στερεοσκοπική παρατήρηση των εικόνων και η εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας υψομέτρων. Για τη αποφυγή του συνολικού χειροκίνητου υπολογισμού υψομέτρων για ολόκληρο το ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DTM), προσδιορίστηκαν 799 γραμμές με 8500 σημεία, τα οποία αποτέλεσαν την βάση για την περαιτέρω αυτόματο υπολογισμό του DTM. Σύμφωνα με το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε η ακρίβεια του προσδιορισμού των υψομέτρων κυμαίνεται μεταξύ 0.01% και 0.03% του ύψους πτήσης, πράγμα που συνεπάγεται ακρίβεια μεταξύ 0.26 και 0.78 μέτρων, για ύψος πτήσης 2600 μέτρων πάνω από την κορυφή.

Με το ίδιο λογισμικό πραγματοποιήθηκε και η δημιουργία ορθοφωτογραφίας για την μία από τις 2 αρχικές λήψεις με την χρήση της έμμεσης μεθόδου της αριθμητικής ορθοαναγωγής. Το αποτέλεσμα ήταν μία ορθοανηγμένη εικόνα (εικόνα που τροποποιείται έτσι ώστε να έχει σταθερή κλίμακα κάθε σημείο της) με χωρική ανάλυση 25 εκατοστών (αντιστοιχεί σε χάρτη κλίμακας 1:10.000). Λόγω σφαλμάτων που εισάγονται από την μεταβαλλόμενη απόσταση των σημείων του βουνού από την κάμερα (συνεπάγεται μεταβαλλόμενη κλίμακα) εμφανίστηκαν σφάλματα στην ορθοανηγμένη εικόνα τα οποία αντιμετωπίστηκαν με την προσαρμογή της εικόνας στο ανάγλυφο της όψης που είχε εξαχθεί νωρίτερα. Αν και το τελικό προϊόν έτσι δεν είναι «καθαρό», ωστόσο είναι ικανοποιητικής ποιότητας για τις ανάγκες που καλείται να εξυπηρετήσει.

Οι δυνατότητες που δίνουν τα τελικά αρχεία συνοψίζονται παρακάτω:

• Δυνατότητα δημιουργίας ψηφιακού τρισδιάστατου μοντέλου μέσω του λογισμικού Erdas Imagine (Virtual GIS tool) και ελεύθερη πλοήγηση σε αυτό • Δυνατότητα οπτικοποίησης ορειβατικών ιστορικών διαδρομών και των χαρακτηριστικών τους με ενθουσιώδη αποδοχή από το ορειβατικό κοινό

Στους επόμενους στόχους της προσπάθειας περιλαμβάνεται η χρησιμοποίηση των υπαρχόντων μικρών σκιάσεων για καλύτερη απόδοση του αναγλύφου αλλά και η αφαίρεση των μεγάλων σκιάσεων από την εικόνα για την βελτίωση της εικόνας στην απεικόνιση εικονικής πραγματικότητας του Eiger. Για τις ανάγκες αυτού του στόχου θα συλλεχθούν δεδομένα υφής εδαφών, προσδιορισμού πορείας ακτίνων (ray-tracing) και συνολικών στατιστικών της εικόνας, τα οποία μπορούν να συμμετέχουν σε μία εξισορρόπηση των σκοτεινών και των φωτεινών τόνων της εικόνας για την αναπαράσταση του ορογενούς χωρίς σκιές. Ακόμη στους επόμενους στόχους περιλαμβάνεται η ένωση του καλύτερης ανάλυσης μοντέλου του όρους Eiger με το μέτριας ανάλυσης μοντέλο της ευρύτερης περιοχής. Εκεί θα χρειαστούν αλγόριθμοι απλοποίησης των ακριβέστερων δεδομένων του όρους Eiger, ενώ μελετάται η παρεμβολή τμημάτων μεγαλύτερης ακρίβειας στην απεικόνιση του συνολικού ορεινού όγκου για την βελτίωση της ποιότητας του συνόλου. Σε αυτή την περίπτωση θα χρειαστούν επίγειες φωτογραφικές αποστολές και η λεπτομέρεια στο τελικό αποτέλεσμα εξαρτάται από την διαθεσιμότητα των εξωτερικών δεδομένων. Τέλος στα μελλοντικά σχέδια περιλαμβάνεται η προσθήκη θεματικών πληροφοριών σχετικών με διαδρομές, ενώ υπολογίζεται να χρησιμεύσει σε περιπτώσεις σχεδιασμού, διάσωσης ή τουριστικού ενδιαφέροντος.

Το άρθρο κλείνει με αναφορά στην ακρίβεια του προϊόντος και στις τεχνολογικές δυσκολίες που εμποδίζουν προς το παρόν την περαιτέρω βελτίωση της ακρίβειάς του, όπως περιορισμένης ικανότητας σαρωτές.

[Manfred Buchroithner, Creating the virtual Eiger North Face, ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 57 (2002) 114– 125]