Περιγραφή των παραγόμενων ψηφιακών δεδομένων

Προϊόντα αποτύπωσης εμπειρικής μεθόδου

Για την καταγραφή της κάτοψης ενός εσωτερικού χώρου ο Αρχιτέκτων Μηχανικός ή Τοπογράφος Μηχανικός χρησιμοποιεί μια απλή μετροταινία για τη μέτρηση αποστάσεων μεταξύ χαρακτηριστικών σημείων του χώρου με την προϋπόθεση ότι όλα τα σημεία βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο (στο ύψος που προβάλλονται οι λεπτομέρειες της κάτοψης στο σχέδιο). Μετρώνται ανά δύο όλα τα χαρακτηριστικά σημεία και δημιουργούνται με τον τρόπο αυτό ακτίνες κύκλων που η τομή τους θα δώσει τη θέση όλων των σημείων σε σχέσημε μια προκαθορισμένη βάση (δηλαδή απόσταση δύο χαρακτηριστικών σημείων της κάτοψης που ορίζει τη διεύθυνση ενός από τους δύο άξονες του συστήματος συντεταγμένων όπου θα υλοποιηθεί το σχέδιο). Η χρήση της μεθόδου μπορεί να συνδυαστεί με την σχεδίαση σε Η/Υ σε περιβάλλον CAD όπου λόγω της εργασίας σε κλίμακα 1:1 επιφέρει και μεγαλύτερη ακρίβεια από τη κλασική αναλογική αποτύπωση (Εικόνα 25).

Με παρόμοια τεχνική μπορεί να δημιουργηθεί το σχέδιο των όψεων και των τομών του κτηρίου και τελικά με χρήση εντολών τρισδιάστατης σχεδίασης σε περιβάλλον CADD μπορεί να δημιουργηθεί το εικονικό τρισδιάστατο μοντέλο του κτιρίου (Εικόνα 25, Εικόνα26). Επίσης, το αρχείο σχεδίασης μπορεί να μετατραπεί σε μορφή VRML (Virtual Reality Modeling Language) που μπορεί να προβληθεί μέσω ειδικών προγραμμάτων (viewer) σε περιβάλλον δικτύου (Internet και Intranet).

Εικόνα 25. Οι μετρήσεις της κάτοψης ενός χώρου κατά την εμπειρική μέθοδο αποτύπωσης

Εικόνα 26. Δημιουργία του εικονικού μοντέλου σε περιβάλλον CAD

Νέες τεχνολογικές εξελίξεις βοηθούν στη μερική αυτοματοποίηση των μεθόδων καταγραφής της εμπειρικής μεθοδολογίας όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Η κοινή μετροταινία που απαιτεί την συνεργασία τουλάχιστον δύο ανθρώπων μπορεί να αντικατασταθεί από τα αποστασιόμετρα laser που είναι δυνατόν να χειριστούν από ένα μόνο άνθρωπο και επιπλέον έχουν τη δυνατότητα να αποθηκεύσουν ένα αρκετά σημαντικό αριθμό μετρήσεων και να μεταφερθούν οι μετρημένες αποστάσεις απευθείας στον Η/Υ με χρήση σειριακής θύρας επικοινωνίας (ή ακόμη και ασύρματης Blue Tooth θύρας). Επιπλέον έχουν τη δυνατότητα να υπολογίσουν με χρήση βασικών τριγωνομετρικών εξισώσεων έμμεσα κάποιες τιμές αποστάσεων μεταξύ χαρακτηριστικών σημείων που δεν είναι εφικτό να μετρηθούν με απ’ ευθείας εφαρμογή του οργάνου.

Προϊόντα τοπογραφικής αποτύπωσης

Για τη δημιουργία των προϊόντων αποτύπωσης δεν αρκεί η μέτρηση των σημείων στο πεδίο αλλά θα πρέπει να ακολουθήσουν οι εργασίες γραφείου. Οι τοπογραφικές μετρήσεις όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως δεν είναι άμεσες αλλά έμμεσες. Αυτό που μετράται από το γεωδαιτικό σταθμό είναι οι αποστάσεις και οι γωνίες σκόπευσης από συγκεκριμένα σημεία στάσης του οργάνου. Ο προσδιορισμός των συντεταγμένων της στάσης του οργάνου και των χαρακτηριστικών σημείων που περιγράφουν τα βασικά γεωμετρικά στοιχεία του μνημείου – χώρου προκύπτουν μετά από μαθηματική (τριγωνομετρική) επεξεργασία των μετρήσεων που αποθηκεύονται σε εσωτερική μνήμη του γεωδαιτικού σταθμού. Υπάρχουν ειδικά προγράμματα επεξεργασίας των μετρήσεων που «κατεβάζουν» τις μετρήσεις από την εσωτερική μνήμη του τοπογραφικού οργάνου και παράγουν με αυτοματοποιημένο τρόπο ένα πρώτο προϊόν τοπογραφικής αποτύπωσης που είναι ένα τρισδιάστατο αρχείο σχεδίασης (DXF, DWG κ.α.) με τα σημεία που μετρήθηκαν αλλά και τις στάσεις του οργάνου.

Εικόνα 28. Σχεδιάγραμμα τοπογραφικής αποτύπωσης – τομής καπναποθήκης στην πόλη της Ξάνθης

Στη συνέχεια θα πρέπει ο Τοπογράφος, Πολιτικός ή Αρχιτέκτων Μηχανικός να συνδέσει τα διάφορα σημεία (που παρουσιάζονται ως κωδικοί σε περιβάλλον CADD, στη θέση που υπολογίστηκαν στο χώρο μετά από τις εργασίες γραφείου) μεταξύ τους και να κατασκευάσει τις γραμμές και τις επιφάνειες που περιγράφουν το σχήμα, το μέγεθος και τη μορφή του προς μελέτη αντικειμένου. Απαραίτητη προϋπόθεση για την ορθή και σύντομη εργασία στο γραφείο είναι η τήρηση ενός βασικού σχεδιαγράμματος στο πεδίο που παρουσιάζει το σκαρίφημα του μνημείου – χώρου με την κωδικοποίηση των σημείων που μετρήθηκαν με το τοπογραφικό όργανο. Τόσο οι εργασίες γραφείου όσο και οι εργασίες πεδίου είναι σημαντικές και θα πρέπει να είναι όσο γίνεται συντομότερες. Η καλή και οργανωμένη μέτρηση των σημείων στο πεδίο με το τοπογραφικό όργανο μπορεί να οδηγήσει τόσο στη μείωση του χρόνου μετρήσεων όσο και της επεξεργασίας που ακολουθεί στο γραφείο. Σημαντικό ρόλο παίζει και η εμπειρία των μηχανικών που θα ασχοληθούν με τη μέτρηση και την τελική δημιουργία του τρισδιάστατου μοντέλου του μνημείου – χώρου. Η χρήση τόσο των τοπογραφικών οργάνων όσο και των προγραμμάτων σχεδίασης απαιτεί εξειδικευμένο προσωπικό αλλά και σημαντική εμπειρία.

Για να περιοριστεί ο χρόνος των μετρήσεων και της παραμονής στο πεδίο πολλές φορές η τοπογραφική μεθοδολογία σταματά στη μέτρηση συγκεκριμένων και ελαχίστων μόνο σημείων του μνημείου – χώρου που είναι απαραίτητα για την περαιτέρω εφαρμογή της άλλης ευρέως διαδεδομένης μεθοδολογίας για την αποτύπωση μνημείων - χώρων, τη φωτογραμμετρική. Τα σημεία που μετρώνται ονομάζονται φωτοσταθερά και χρησιμοποιούνται για τον προσανατολισμό των φωτογραμμετρικών εικόνων και την εξαγωγή με παρόμοιες τεχνικές, όπως αυτές των θεμελιωδών και τριγωνομετρικών προβλημάτων της τοπογραφίας, στον προσδιορισμό των καρτεσιανών συντεταγμένων των σημείων λεπτομερειών της εξωτερικής επιφάνειας ενός μνημείου.

Τα σχέδια των τοπογραφικών διαγραμμάτων (DXF, DWG) μπορεί πολύ εύκολα να μετατραπούν σε μορφή που να είναι άμεσα ορατή σε περιβάλλον δικτύου (Internet και Intranet). Έχει μάλιστα καθιερωθεί ένα ειδικό πρότυπο αρχείων σχεδίασης που να μπορεί να προβληθεί μέσω του Internet Explorer και ειδικής plug-in εφαρμογής. Το πρότυπο ονομάζεται SVG (Scalable VectorGraphics) που δημιουργήθηκε από World Wide Web Consortium και βελτιστοποιεί τον τρόπο ανάκτησης της πληροφορίας σχεδίασης μέσω του διαδικτύου (http://www.w3.org/TR/SVG/). Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των αρχείων αυτών είναι το μικρό μέγεθος καθώς αποτελείται μόνο από διανυσματική (vector) πληροφορία που σε γενικές γραμμές καταλαμβάνει μικρότερο όγκο από ότι ένα αρχείο εικονικής (raster) πληροφορίας και υπάρχει η δυνατότητα δυναμικής προβολής του (δυνατότητα zoom-in και zoom-out, εμφάνιση επιπλέον πληροφορίας με χρήση hyperlink και αναδυόμενων παραθύρων κα).

Προϊόντα φωτογραμμετρικής επεξεργασίας εικόνων

Τα ψηφιακά προϊόντα που τεκμηριώνουν την αποτύπωση των μνημείων - χώρων και ορίζουν την τρισδιάστατη ψηφιοποίηση τους είναι τα τρισδιάστατα μοντέλα που δημιουργούνται είτε σε περιβάλλον CADD ή προκύπτουν από την άμεση ψηφιοποίηση – συλλογή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών τους στο περιβάλλον του λογισμικού φωτογραμμετρικής επεξεργασίας εικόνων.

Η καταγραφή των τρισδιάστατων γεωμετρικών χαρακτηριστικών του μνημείου γίνεται συνήθως σε αρχεία σχεδίασης (DWG, DXF, DGN κα). Τα σχεδιαστικά αντικείμενα που ενσωματώνονται σε ένα αρχείο σχεδίασης για την καταγραφή ενός τρισδιάστατου αντικειμένου μπορεί να είναι

• μεμονωμένα (κωδικοποιημένα) σημεία στην εξωτερική επιφάνεια του μνημείου που προκύπτουν από τη φωτογραμμετρική εμπροσθοτομία ή με χρήση των εξισώσεων της ψηφιακής αναγωγής
• γραμμές, που τα σημεία της αρχής και το τέλους τους έχουν προκύψει και αυτά από τη φωτογραμμετρική εμπροσθοτομία ή με χρήση των εξισώσεων της ψηφιακής αναγωγής και οριοθετούν τις ακμές -πλευρές των επιφανειών του μνημείου
• επιφάνειες που προκύπτουν από μοντελοποίηση των χαρακτηριστικών σημείων (υπολογισμένα από τη φωτογραμμετρική εμπροσθοτομία) στην εξωτερική επιφάνεια του μνημείου.

Όλα τα προηγούμενα σχεδιαστικά αντικείμενα που περιγράφουν με ψηφιακό τρόπο το σχήμα, μέγεθος και μορφή του μνημείου – χώρου μπορεί να προέλθουν και από την τοπογραφική αποτύπωση. Ωστόσο, η φωτογραμμετρική επεξεργασία υπερέχει της τοπογραφικής στο γεγονός ότι μαζί με τη γεωμετρία του αντικειμένου καταγράφεται και η οπτική πληροφορία της επιφάνειας των μνημείων. Η εικόνα μπορεί να εφαρμοστεί στις επιφάνειες του μνημείου ως υφή και να προκύψει ένα εικονικό μοντέλο του μνημείου που αποτελεί το πιο πλήρες ψηφιακό προϊόν τρισδιάστατης αποτύπωσης μνημείου – χώρου.

Ωστόσο, η εικόνα που καταγράφεται από τις φωτομηχανές δεν μπορεί να εφαρμοστεί άμεσα στην επιφάνεια που ψηφιοποιείται από μία ή περισσότερες φωτογραμμετρικές εικόνες. Για το λόγο αυτό δημιουργούνται προϊόντα παράγωγων εικόνων όπως είναι η ανηγμένη εικόνα που αποτελεί από μόνη της την ορθή προβολή και λεπτομερή καταγραφή του μνημείου - χώρου.

Εικόνα 29. Φωτογραμμετρική απόδοση και τελικό διάγραμμα όψης διατηρητέου κτιρίου

Όταν το τρισδιάστατο μοντέλο του μνημείου – χώρου αποτελείται από οριζόντιες ή κατακόρυφες επίπεδες επιφάνειες με μικρό ή καθόλου ανάγλυφο κάθε μια από τις επιφάνειες του μπορεί να επενδυθεί (να εφαρμοστεί δηλ. εικόνα υφής) με την ανηγμένη εικόνα που αποτελεί την ορθή προβολή της αντίστοιχης κεντρικής προβολής (αρχικής φωτογραμμετρικής εικόνας) και τα όρια της συμπίπτουν με τα όρια της επιφάνειας του αντικειμένου. Με τον τρόπο αυτό προκύπτει ένα ακριβές φωτογραμμετρικό προϊόν που μπορεί να εξαχθεί σε αρχείο εικονικής πραγματικότητας (VRML) και να περιεργαστεί σε ένα δυναμικό περιβάλλον ή να δημιουργηθεί μια εικονική πλοήγηση (fly through video) στο χώρο γύρω από το μνημείο ή και στο εσωτερικό του. Οι τεχνικές εικονικής πλοήγησης και παρουσίασης τρισδιάστατων αντικειμένων έχουν εξελιχθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια και έχουν ενσωματωθεί σε πολλά προγράμματα CADD [72].

Εικόνα 30. Εικονικό μοντέλο φωτογραμμετρικής αποτύπωσης επίπεδων όψεων κτιρίου

Ακόμη και όταν το αποτυπωμένο αντικείμενο δεν αποτελείται από επίπεδες επιφάνειες αλλά είναι δυνατόν να μοντελοποιηθεί το σχήμα της εξωτερικής του επιφάνειας από κάποιο απλό γεωμετρικό στερεό (πχ. κύλινδρος) μπορεί και πάλι να δημιουργηθεί μία εικόνα που με κατάλληλες τεχνικές να εφαρμοστεί στην μοντελοποιημένη επιφάνεια και να δημιουργηθεί και πάλι το εικονικό τρισδιάστατο μοντέλο του μνημείου – χώρου.

Όταν όμως το αντικείμενο της ψηφιοποίησης δεν μπορεί να μοντελοποιηθεί από εξωτερικές επιφάνειες απλών σχημάτων (πχ. αρχαιολογικό σκάμμα) το ψηφιακό προϊόν που περιγράφει και αποδίδει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο το σχήμα, μέγεθος και μορφή του είναι το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους- Digital Terrain Model (ΨΜΕ-DTM). Το ΨΜΕ προκύπτει από τη συλλογή και εμπροσθοτομικό υπολογισμό των συντεταγμένων των χαρακτηριστικών σημείων της επιφάνειας του μνημείου και δημιουργεί με χρήση τεχνικών τριγωνισμού τα ελάχιστα τμήματα (τρίγωνα ή τετράπλευρα) των επιφανειών που αποδίδουν με το βέλτιστο τρόπο την εξωτερική του επιφάνεια. Το ΨΜΕ αποτελείται από μεγάλο αριθμό σημείων που προκύπτουν από την γεωμετρική παρεμβολή των υψομέτρων σε προκαθορισμένες οριζοντιογραφικές συντεταγμένες ενός κάνναβου που οριοθετούν την επιφάνεια του μνημείου – χώρου. Συνήθως, το ΨΜΕ περιγράφεται από το διάγραμμα των ισοϋψών καμπύλων της επιφάνειας σε ένα τοπογραφικό διάγραμμα κλίμακας 1:50 (ή μικρότερης)(Εικόνα 33), αλλά στο περιβάλλον ενός προγράμματος διαχείρισης τρισδιάστατων μοντέλων περιγράφεται από το σχεδιαστικό αντικείμενο ενός τρισδιάστατου κάνναβου σημείων (3D mesh) (Εικόνα 31). Η εικόνα που θα πρέπει να εφαρμοστεί σαν υφή στην επιφάνειας ενός τέτοιου σχεδιαστικού αντικειμένου δεν μπορεί να είναι ούτε η παραμορφωμένη κεντρική προβολή της αρχικής φωτογραφικής λήψης αλλά ούτε και η ανηγμένη εικόνα καθώς δεν είναι δυνατόν να αποδοθεί με ακρίβεια η γεωμετρία του πολύπλοκου σχήματος του ΨΜΕ επειδή στη δημιουργία της ανηγμένης εικόνας δε λαμβάνεται υπ’ όψη η μετατόπιση των σημείων λόγω του ανάγλυφου της επιφάνειας. Η θέση όμως των σημείων στο χώρο που περιγράφουν την επιφάνεια του αντικειμένου μπορεί να προβληθούν στην αρχική εικόνα και να εξαχθεί η φωτεινότητα (ή RGB πληροφορία χρώματος) που θα πρέπει να εφαρμοστεί ως υφή στην επιφάνεια του μοντέλου (Εικόνα 32). Με τον τρόπο αυτό μπορεί να δημιουργηθεί η ορθοεικόνα που αποτελεί το πλέον ακριβές και πλήρες φωτογραμμετρικό προϊόν.

Εικόνα 31. Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους αρχαιολογικού σκάμματος

Προϊόντα αποτύπωσης με ανίχνευση laser

Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως κατά την περιγραφή της βασικής επεξεργασίας της ανίχνευσης laser, το βασικό προϊόν της εφαρμογής της μεθόδου είναι ένα πολύ πυκνό σύννεφο μετρημένων σημείων (που καλείται και DDSM – Dense Digital Surface Model δηλαδή πυκνό ψηφιακό μοντέλο επιφάνειας). Από την επεξεργασία του νέφους των σημείων μπορεί να προκύψει είτε το Ψηφιακό Μοντέλου Εδάφους (ΨΜΕ) σε μορφή κάνναβου ή τριγώνων, της σαρωμένης περιοχής αλλά και την ορθοεικόνα από τη στιγμή που ανιχνευτής φέρει οπτικό αισθητήρα και γίνεται καταγραφή και της εικόνας του μνημείου – χώρου.

Εικόνα 32. Δημιουργία ορθοεικόνας

Επίσης με την εισαγωγή του νέφους των σημείων σε περιβάλλον CADD είναι δυνατόν να παραχθεί το τρισδιάστατο μοντέλο του μνημείου με χρήση εντολών σχεδίασης και γενίκευσης των σημείων σε γραμμές ακμών και των ακμών σε επιφάνειες. Το τρισδιάστατο φωτορεαλιστικό μοντέλο του μνημείου– κτιρίου είναι εύκολο να παραχθεί και να προβληθεί ακόμα και σε φτηνά σύστημα στερεοσκοπικής παρουσίασης [72], [70] ή σε άλλο περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας. Επίσης, η σχεδίαση του τρισδιάστατου μοντέλου μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία αρχείων VRML (Virtual Reality Modeling Language) που είναι ειδικά σχεδιασμένα για την προβολή τρισδιάστατης πληροφορίας σε δικτυακό περιβάλλον (Internet και Intranet).

Εικόνα 33. Προβολή ισοϋψών καμπύλων στην ορθοεικόνα. Η εκτύπωση υπό κλίμακα
αποτελεί την πληρέστερη τεκμηρίωση της αποτύπωσης ενός αρχαιολογικού σκάμματος

Η φωτορεαλιστική παρουσίαση της ορθοεικόνας επάνω στο σχεδιαστικό αντικείμενο που περιγράφει το ΨΜΕ είτε σε περιβάλλον CADD ή σε περιβάλλον εικονικής ή/και δικτυακής πλοήγησης (VRML player, 3D Studio Max) ονομάζεται draped model (επενδυμένο μοντέλο) και μπορεί να οδηγήσει στη δυναμική πλοήγηση και μελέτη του αντικειμένου από ένα μελετητή αρχαιολόγο-αρχιτέκτονα ή γενικά οποιονδήποτε θελήσει να εξετάσει το εν λόγω μνημείο – χώρο είτε σε περιβάλλον διαδραστικής επικοινωνίας ή μέσω του διαδικτύου (Internet). Το μέγεθος των αρχείων εικονικής πλοήγησης είναι μεγαλύτερο από αυτό των αρχείων σχεδίασης λόγω του μεγάλου μεγέθους των εικόνων που παρουσιάζεται ως υφή επάνω στις επιφάνειες των αντικειμένων.Γενικά η προβολή των εικονικών αρχείων VRML είναι προβληματική λόγω των χαμηλών ταχυτήτων σύνδεσης.

Εικόνα 34. Αποτύπωση των Ενετικών Κάστρων της Πελοποννήσου (Μονεμβασιά). (α). Δημιουργία ορθοεικόνας και εφαρμογή της στο ΨΜΕ. (β). Προβολή του κάνναβου και της ορθοεικόνας. (γ). Φωτορεαλιστικό μοντέλο.