Αξιολόγηση της ακρίβειας των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM για τον Ελλαδικό χώρο µε χρήση ετερογενών υψοµετρικών δεδοµένων

Transcript

1 ΜΠΣ ΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΝ. ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Αξιολόγηση της ακρίβειας των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM για τον Ελλαδικό χώρο µε χρήση ετερογενών υψοµετρικών δεδοµένων ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Καµπούρης Βασίλειος Επιβλέπων Χριστόφορος Κωτσάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 Περιεχόµενα Περίληψη Abstract Ευχαριστίες Ακρωνύµια Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους Σκοπός της εργασίας οµή της εργασίας 12 Κεφάλαιο 2 Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 2.1 Εισαγωγή στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους παγκόσµιας κάλυψης Η διεθνής διαστηµική αποστολή SRTM Το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM Η διαστηµική αποστολή TERRA και το ραδιόµετρο ASTER Το παγκόσµιο ψηφιακό µοντέλο εδάφους ASTER Τα διαθέσιµα ψηφιακά µοντέλα εδάφους για τις ανάγκες της εργασίας Παρόµοιες εργασίες στον Ελλαδικό και Ευρωπαϊκό χώρο 28 Κεφάλαιο 3 Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 3.1 Τα Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών Το λογισµικό ArcGIS Τα συστήµατα αναφοράς στο περιβάλλον του ArcGIS Desktop Τύποι αρχείων και διαχείριση δεδοµένων στο περιβάλλον του ArcGIS H προεπεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων Μετασχηµατισµός χωρικών δεδοµένων µέσω του λογισµικού ArcGIS Μεθοδολογία σύγκρισης των διαθέσιµων δεδοµένων 45 Κεφάλαιο 4 Συγκρίσεις - Αριθµητικά αποτελέσµατα 4.1 Εισαγωγικές παρατηρήσεις Σύγκριση του SRTM DEM µε τα διαθέσιµα ορθοµετρικά υψόµετρα Σύγκριση του ASTER GDEM µε τα διαθέσιµα ορθοµετρικά υψόµετρα Σύγκριση των SRTM DEM και ASTER GDEM 61 Κεφάλαιο 5 Συµπεράσµατα 5.1 Συµπεράσµατα 69 Βιβλιογραφία ιαδικτυακές πηγές

3 Περίληψη Η λεπτοµερής γνώση της γήινης επιφάνειας αποτελεί αναγκαίο εργαλείο για πολλές γεωεπιστήµες. Η ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης και των σύγχρονων µεθόδων παραγωγής ψηφιακών µοντέλων εδάφους, οδήγησε την επιστηµονική και την βιοµηχανική κοινότητα στη δηµιουργία δύο σύγχρονων ψηφιακών µοντέλων εδάφους παγκόσµιας κάλυψης και υψηλής ακρίβειας. Πρώτο κατά χρονολογική σειρά είναι το SRTM DEM (2003), παράγωγο προϊόν της οµώνυµης δορυφορικής αποστολής SRTM (2000), µε διακριτική ικανότητα 1 arcsec για όλη την περιοχή των Η.Π.Α. και 3 arcsec για τον υπόλοιπο κόσµο, εγκαινίασε τον κατάλογο των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους υψηλής ακρίβειας, καλύπτοντας το 80% της γήινης επιφάνειας. Ακολούθησε το ASTER GDEM (2009), παράγωγο προϊόν της εν ενεργεία δορυφορικής αποστολής TERRA (1999), µε διακριτική ικανότητα 1 arcsec για όλο τον κόσµο και κάλυψη της συνολικής γήινης επιφάνειας κατά 99%, ενώ η ήδη ενεργοποιηµένη, διαστηµική αποστολή του δορυφόρου TanDEM-X στοχεύει στη δηµιουργία ενός ακόµη ακριβέστερου ψηφιακού µοντέλου εδάφους για όλο τον πλανήτη. Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε για τις ανάγκες της Μεταπτυχιακής ιατριβής του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Γεωπληροφορική», του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής Α.Π.Θ. και πραγµατεύεται τη σύγκριση των δύο σύγχρονων παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους, ASTER GDEM και SRTM DEM, τόσο µεταξύ τους όσο και µε ετερογενή υψοµετρικά δεδοµένα, που αποτελούνται από ορθοµετρικά υψόµετρα, τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ. Τα δεδοµένα καλύπτουν σχεδόν όλες τις περιοχές του ελλαδικού χώρου και οι συγκρίσεις τους στοχεύουν στη στατιστική αξιολόγηση της ακρίβειας των ASTER GDEM και SRTM DEM σε σχέση µε το εθνικό υψοµετρικό δίκτυο, το οποίο υλοποιείται από τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ, έως και σήµερα. Για την εκπόνηση αυτής της εργασίας, όπου υπήρξε αναγκαστικός συνδυασµός ετερογενών δεδοµένων, µε σκοπό την σύγκριση τους και την στατιστική αξιολόγηση της, ήταν αναγκαία η χρήση λογισµικού GIS για την απαραίτητη µετατροπή των διαθέσιµων δεδοµένων στην κατάλληλη µορφή και τις επιθυµητές συνθήκες, όπου θα µπορούσαν άµεσα να συγκριθούν µεταξύ τους. Τα GIS αποτελούν ιδανικό εργαλείο για την διαχείριση ετερογενών και µεγάλου όγκου δεδοµένων, υψηλής ακρίβειας. Η παρούσα εργασία αποτελεί µία καλή ευκαιρία για την παρουσίαση των συγκεκριµένων δυνατοτήτων τους.

4 Abstract The detailed knowledge of the Earth's surface is a necessary tool for most of Geosciences. The development of Remote Sensing and new DEM s producing methods, led the scientific and industrial community in the creation of two modern Digital Elevation Models which provide global coverage and high accuracy data. First in chronological order is SRTM DEM (1 st version released in 2003), derivative product of the homonymous satellite mission SRTM (2000). SRTM DEM provides elevation data with a resolution of 1 arcsec for U.S.A territory and 3 arcsec for the rest of the world, covering 80% of Earth's surface. ASTER GDEM comes second (1 st version released in 2009), derivative product of the active satellite mission TERRA, providing elevation data too, with a resolution of 1 arcsec, covering 99% Earth s surface. Satellite mission TanDEM-X aims to create a more precised DEM for global coverage too. This Master Thesis was created for Postgraduate course "Geoinformatics" of the Department of Rural and Surveying Engineering, Faculty of Engineering, AUTH and compares ASTER GDEM's and SRTM DEM's vertical data with heterogeneous elevation data, consisting of orthometric heights of 1542 fixed base points of GYS. The available data cover almost all Hellenic territory and comparisons aim to assess the vertical accuracy of ASTER GDEM and SRTM DEM. For the preparation of this work, which assumed a combination of heterogeneous data in order to compare their vertical information, it was necessary to use GIS software for some needful transformations, because all data wasn't in appropriate format for comparing them directly. GIS software is an ideal tool for the management of heterogeneous and large sized digital data. This work represents a good opportunity for the presentation of these possibilities.

5 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Αναπληρωτή Καθηγητή Χριστόφορο Κωτσάκη για την πολυδιάστατη υποστήριξη του, την εµπιστοσύνη του, την κατανόηση του και την µεγάλη υποµονή που έδειξε προς το πρόσωπό µου, τόσο κατά τη διάρκεια των Μεταπτυχιακών µου σπουδών, όσο και κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας Μεταπτυχιακή ιατριβής υπό την επίβλεψη του. Θερµές ευχαριστίες στους Καθηγητές ηµήτριο Ρωσσικόπουλο και Κωνσταντίνο Κατσάµπαλο για την αρωγή τους και τις πολύτιµες συµβουλές τους. Πολλές ευχαριστίες επίσης στο υπόλοιπο σύνολο του διδακτικού, του επιστηµονικού και του γραµµατειακού προσωπικού, ειδικά στις κα. Αλεξάνδρα Γουλίδου και κα. Ειρήνη Μέγκα-Γκόλφου, για τις γνώσεις και τη συνεχή υποστήριξη που µου πρόσφεραν κατά την διάρκεια των Μεταπτυχιακών µου σπουδών. Τέλος, θα ήθελα να µνηµονεύσω µία Συνάδελφο, η οποία µε ένταξε στο αντικείµενο των GIS και αυτήν την στιγµή µας βλέπει από ψηλά.

6 Ακρωνύµια 6 Ακρωνύµια A ASI ASTER B BI Γ ΓΣΠ ΓΥΣ C CAD CDED CERES CGIAR CIAT CSI D DEM DGM DHM DLR DTM DSM Agenzia Spaziale Italiana Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Bilinear Interpolation Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού Computer Aided Design Canadian Digital Elevation Data Clouds and the Earth's Radiant Energy System Consultative Group on International Agricultural Research Centro Internacional de Agricultura Tropical Consortium for Spatial Information Digital Elevation Model Digital Ground Model Digital Height Model Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Digital Terrain Model Digital Surface Model E ΕΓΣΑ87 Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς του 1987 EGM96 Earth Gravitational Model of 1996 EOS Earth Observing System EOSDIS Earth Observing System Data and Information System EROS Earth Resources Observation and Science Data Center ERSDAC Earth Remote Sensing Data Analysis Center G GDEM Global Digital Elevation Model GEOSS Global Earth Observation System of Systems GeoTIFF Geographic Tagged Image File Format GIS Geographic Information System GGRS 1987 Greek Geodetic Reference System of 1987 GNSS Global Navigation Satellite System GPS Global Positioning System

7 Ακρωνύµια 7 H HEPOS Hellenic Positioning System HTRS07 Hellenic Terrestrial Reference System of 2007 I InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar J JPL L LP DAAC M METI MISR MODIS MOPITT N NASA NED NGA NMAS ΝΝ R RMS S SAR SPOT SRTM SWBD SWIR T TIFF TIN TIR U USGS V VNIR Jet Propulsion Laboratory Land Processes Distributed Active Archive Center Ministry of Economy, Trade and Industry Multi-angle Imaging Spectroradiometer Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer Measurements of Pollution in the Troposphere National Aeronautics and Space Administration National Elevation Dataset National Geospatial-Intelligence Agency National Map Accuracy Standards Nearest Neighbor Root Mean Square Synthetic Aperture Radar Système Pour l Observation de la Terre Shuttle Radar Topography Mission SRTM Water Body Dataset Short Wave Infrared Tagged Image File Format Triangular Irregular Network Thermal Infrared United States Geological Survey Visible Near Infrared W WGS84 World Geodetic System of 1984

8 1. Εισαγωγή 8 1 Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους Με τον όρο «ψηφιακό µοντέλο εδάφους» αναφερόµαστε σε ένα σύνολο διακεκριµένων σηµείων µε γνωστή οριζοντιογραφική θέση και υψόµετρο, στοιχεία τα οποία µε την χρήση µαθηµατικών συναρτήσεων συνθέτουν αξιόπιστα το ανάγλυφο της επιφάνειας του εδάφους. Οι συνήθεις διεθνείς όροι που χρησιµοποιούνται για τον ίδιο λόγο είναι οι DEM, DTM και DSM, µε τον καθένα να ορίζει µία διαφορετική επιφάνεια για την αναφορά των δεδοµένων τους, µε αποτέλεσµα να προκαλείται συχνά σύγχυση στη διαχείριση και ερµηνεία των δεδοµένων. Μελετώντας τη διεθνή βιβλιογραφία, δεν προκύπτει καθολική χρήση των παραπάνω όρων µε κοινώς αποδεκτές ερµηνείες και προσεγγίσεις. Συνολικά, οι διεθνείς όροι που χρησιµοποιούνται για την περιγραφή ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους είναι (El-Sheimy N. et al, 2005): DEM (Digital Elevation Model), ο οποίος σαν όρος επικεντρώνεται στο είδος της υψοµετρικής πληροφορίας που περιγράφει, µε συγκεκριµένη χωρική αναφορά ως προς ένα υψοµετρικό datum και όχι στο είδος της επιφάνειας. Για αυτόν τον λόγο, ο ίδιος όρος είναι που χρησιµοποιείται κατά κόρον στις περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει κάποια περαιτέρω περιγραφή της επιφάνειας που αναπαριστάται. Ο όρος DEM ουσιαστικά έχει επικρατήσει έναντι των άλλων στη διεθνή βιβλιογραφία και είναι αυτός που χρησιµοποιείται επίσηµα από τα κέντρα διανοµής (NASA, USGS, CGIAR, ERSDAC) των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM. DTM (Digital Terrain Model), που αποτελεί έναν πιο σύνθετο όρο περιλαµβάνοντας, εκτός από την υψοµετρική πληροφορία που αναφέρεται στη γυµνή επιφάνεια του εδάφους, επιπλέον χαρακτηριστικά, συνυφασµένα µε εφαρµογές GIS, όπως οι υδάτινες επιφάνειες και οι ακτογραµµές. DSM (Digital Surface Model), ο οποίος χρησιµοποιείται για τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους που περιγράφουν µία επιφάνεια λαµβάνοντας υπόψη όλα τα αντικείµενα, όπως και τις φυσικές ή τεχνητές δραστηριότητες που εµφανίζονται επάνω σε αυτή.

9 1. Εισαγωγή 9 DHM (Digital Height Model), ο οποίος συχνά ταυτίζεται µε τον όρο DEM, καθώς και αυτός επικεντρώνεται στη χωρική αναφορά της υψοµετρικής πληροφορία και όχι στην περιγραφής της επιφάνειας που αναπαριστάται. Παρόλο αυτά δεν τυγχάνει όµοιας χρήσης και αποδοχής. DGM (Digital Ground Model) που αντιστοιχεί στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους τα οποία περιγράφουν την επιφάνεια του γυµνού εδάφους. Μέχρι σήµερα έχουν χρησιµοποιηθεί και εξακολουθούν να χρησιµοποιούνται διάφορες µέθοδοι παραγωγής ψηφιακών µοντέλων εδάφους, όπως είναι οι κλασικές επίγειες τοπογραφικές τεχνικές, οι µετρήσεις µέσω συστηµάτων GNSS, η σάρωση και ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών, η εναέρια φωτογραµµετρία, η χρήση στερεοσκοπικών δορυφορικών εικόνων, η συµβολοµετρία SAR, η κλισιµετρία, η πολωσιµετρία, καθώς και τα συστήµατα λέιζερ. Η προτίµηση της µιας ή της άλλης µεθόδου εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τα διαθέσιµα δεδοµένα, την απαιτούµενη ακρίβεια, τις ιδιαίτερες συνθήκες της περιοχής ενδιαφέροντος, το διαθέσιµο χρόνο παραγωγής, την έκταση της περιοχής, το σκοπό της µελέτης, τους διαθέσιµους οικονοµικούς και ανθρώπινους πόρους και φυσικά τον διαθέσιµο εξοπλισµό. Για παράδειγµα, σε άγονες περιοχές του πλανήτη όπου δεν υπάρχουν λεπτοµερείς τοπογραφικοί χάρτες και οι ατµοσφαιρικές συνθήκες (π.χ. νεφοκάλυψη) δεν επιτρέπουν τη λήψη εικόνων στο οπτικό τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος, η συµβολοµετρία SAR καθίσταται καταλληλότερη µέθοδος διότι η µικροκυµατική ακτινοβολία των ραντάρ SAR λειτουργεί είτε µέρα είτε νύχτα, υπό ο- ποιεσδήποτε σχεδόν καιρικές συνθήκες. Καθώς η παραγωγή ψηφιακών µοντέλων εδάφους αποτελεί αντικείµενο έρευνας πολλών δεκαετιών, παρατηρείται µία περιοδική υπερίσχυση της µιας έναντι των άλλων µεθόδων, ανάλογα πάντα µε τις νέες τεχνικές, τα διαθέσιµα δεδοµένα και τα κατά καιρούς τεχνολογικά επιτεύγµατα. Στη σύγχρονη εποχή, οι φωτογραµµετρικές και τηλεπισκοπικές µέθοδοι παραγωγής προτιµούνται αισθητά πλέον έναντι των επίγειων τοπογραφικών µεθόδων, ενώ η ανάγκη για βελτιστοποίηση της ποιότητας και της υψηλής ακρίβειας των ψηφιακών µοντέλων εδάφους επιβάλλει τον συνδυασµό περισσότερων τεχνικών µε σκοπό την κατάλληλη αξιοποίηση των ξεχωριστών πλεονεκτηµάτων τους. Η σύγχρονη ψηφιακή απόδοση ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους γίνεται µε τρεις τρόπους. Ο πρώτος είναι αυτός της ψηφιδωτής µορφής (raster), κατά τον οποίο η υψο- µετρική του πληροφορία αποδίδεται ανά σηµεία, βάσει ενός κανναβικού πλέγµατος µε συγκεκριµένο βήµα, που αντιστοιχεί στην διακριτική ικανότητα των δεδοµένων που παρέχει. Η µορφή αυτή ισοδυναµεί µε µία ψηφιακή εικόνα, όπου σε κάθε εικονοστοιχείο της αντιστοιχεί µία τιµή χρωµατικής απόχρωσης. Η τιµή της χρωµατικής απόχρωσης µπορεί να ισοδυναµεί κάλλιστα µε µία υψοµετρική τιµή. Ο δεύτερος τρόπος ψηφιακής αναπαράστασης ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους είναι αυτός µέσω του υψοµετρικού δικτύου ακανόνιστων τριγώνων TIN (Triangular Irregular Network). Σύµφωνα µε αυτό το µοντέλο ψηφιακών δεδοµένων, η υψοµετρική πληροφορία κατανέµεται ανά σηµεία, όπως ακριβώς συλλέχθηκε µέσω επίγειας τοπογραφίας ή µε επίγειες µετρήσεις GNSS, τα οποία δεν παρουσιάζουν οµοιόµορφη κατανοµή όπως στην περίπτωση της ψηφιδωτής µορφής. Η κατανοµή των σηµείων γίνεται εντελώς υποκειµενικά ή και αυθαίρετα κατά την περίοδο των µετρήσεων. Τέλος, η ψηφιακή αναπαράσταση των ισοϋψών καµπυλών µπορεί να θεωρηθεί ως ένα τρίτος τρόπος ψηφιακής απόδοσης ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους. Ισοϋψείς καµπύλες σε ψηφιακή µορφή µπορούν να προκύψουν είτε από την ψηφιοποίηση και την σάρωση αναλογικών χαρτών στους οποίους γραφικά απεικονίζονται είτε µε µεθόδους παρεµβολής από τα σηµεία των υψοµετρικών δικτύων ακανόνιστων τριγώνων TIN ή από επίγειες τοπογραφικές µετρήσεις.

10 1. Εισαγωγή 10 Ένα ψηφιακό µοντέλο εδάφους ψηφιδωτής µορφής αποτελεί προϊόν παραγωγής που προκύπτει από µία υπολογιστική διαδικασία άλλων δεδοµένων και για αυτό τον λόγω εντάσσεται στην κατηγορία των δευτερογενών δεδοµένων. Στον αντίποδα, ένα ψηφιακό µοντέλο εδάφους της µορφής TIN αποτελείται από δεδοµένα που συλλέγονται απευθείας στο πεδίο των µετρήσεων και για αυτό εντάσσεται στην κατηγορία των πρωτογενών δεδοµένων. Όσον αφορά την περίπτωση των ισοϋψών καµπυλών, αυτές εντάσσονται στην κατηγορία των δευτερογενών δεδοµένων καθώς προκύπτουν από παρεµβολή και επεξεργασία άλλων δεδοµένων και όχι από άµεσες µετρήσεις. Υπάρχει σαφής διάκριση όλων των δεδοµένων σε πρωτογενή και δευτερογενή, ενώ σε αρκετές εφαρµογές προτι- µούνται οι πρωτογενείς πηγές δεδοµένων διότι δεν µεταφέρουν σφάλµατα από άλλες πηγές. Από όλες τις µορφές αναπαράστασης των ψηφιακών µοντέλων εδάφους, η ψηφιδωτή µορφή είναι αυτή που αποτελεί πλέον την συνηθέστερη και χρησιµοποιείται ευρέως έναντι των άλλων τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα στην διαχείριση της από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, τόσο στη διαδικασία υπολογισµού της υψοµετρικής τιµής στα επιθυµητά σηµεία, όσο και στην απλότητα του χειρισµού της. Το άλλοτε µεγάλο µειονέκτηµα της, που αφορούσε την απαιτούµενη χωρητικότητα για την αποθήκευση των δεδοµένων της έχει χάσει την σηµαντικότητα του µε την ανάπτυξη των σύγχρονων µέσων αποθήκευσης, τα οποία εµφανίζουν πλέον τεράστιες δυνατότητες αποθήκευσης δεδοµένων. Το βασικό και µη αναστρέψιµο µειονέκτηµα των ψηφιακών µοντέλων εδάφους ψηφιδωτής µορφής είναι ότι επηρεάζονται ά- µεσα από την διακριτική ικανότητα της δειγµατοληπτικής µεθόδου από όπου προκύπτουν. Αυτή η παράµετρος επηρεάζει καθοριστικά τόσο την ακρίβεια του παραγόµενου ψηφιακού προϊόντος όσο και τους απαιτούµενους ψηφιακούς χώρους για την αποθήκευση του. Εξαιτίας της ίδιας παραµέτρου, παρέχουν δεδοµένα µε οµοιόµορφη ανάλυση και αδυνατούν να αναδείξουν µικρές ανωµαλίες της επιφάνειας που περιγράφουν, σε αντίθεση µε τις άλλες δύο µορφές των ψηφιακών µοντέλων εδάφους που παρουσιάζουν σαφώς µεγαλύτερη προσαρµοστικότητα. Τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους αποτελούν ένα πολύ ενδιαφέρον και συνάµα χρήσιµο ερευνητικό αντικείµενο, τόσο για επιστηµονικούς όσο και για διάφορους πολιτικούς και στρατιωτικούς σκοπούς. Χρησιµοποιούνται σε ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών και επιστη- µών, µε τον κατάλογο να είναι πραγµατικά µεγάλος. Ενδεικτικά περιλαµβάνει: όλες τις σύγχρονες γεωεπιστήµες όπως την γεωλογία, την γεωφυσική, την γεωγραφία, την χαρτογραφία, την φυσική γεωδαισία, την βαρυτηµετρία, την µετεωρολογία, την υδρολογία, τις περιβαλλοντολογικές επιστήµες κ.α., τις ψηφιακές και τρισδιάστατες αναπαραστάσεις του εδάφους µε σκοπό την πλοήγηση επίγειων, ιπτάµενων και θαλάσσιων οχηµάτων και στρατιωτικών πυραύλων, την εξοµοίωση και την χάραξη πτήσεων, τον προσδιορισµό των λεκανών απορροής υδάτων, την ανάλυση ορατότητας, υπολογισµούς υψοµέτρων σε συγκεκριµένα σηµεία, παρόµοιους υολογισµούς κλίσης και προσανατολισµού του εδάφους, ισοϋψών καµπύλων κ.α., τις εφαρµογές GIS, την αρχαιολογία, τον πολεοδοµικό σχεδιασµό και τις µελέτες συγκοινωνιακών έργων.

11 1. Εισαγωγή Σκοπός της εργασίας Ο σκοπός της παρούσας µεταπτυχιακής εργασίας είναι η σύγκριση και η αξιολόγηση της ακρίβειας των δύο παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM, µε περιοχή µελέτης το σύνολο του ελλαδικού χώρου. Η περιοχή αυτή οριοθετείται προσεγγιστικά από τους παράλληλους των 34 Β και 42 Β και τους µεσηµβρινούς των 19 και 30, ενώ παρουσιάζει έντονο ανάγλυφο µε πολλές υψοµετρικές αυξοµειώσεις σε µικρές αποστάσεις και ιδιόµορφη ακτογραµµή. Ακολουθώντας συγκεκριµένη µεθοδολογία και ύστερα από προεπεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων της εργασίας, η σύγκριση γίνεται άµεσα, µε αντιπαραβολή της υψοµετρικής τους πληροφορίας επάνω σε ένα πλέγµα σηµείων που καλύπτουν το σύνολο της περιοχή µελέτης. Η σύγκριση της υψοµετρικής πληροφορίας των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM στον ελλαδικό χώρο, αρχικά γίνεται σε 1542 σηµεία, που βρίσκονται διασκορπισµένα σε όλο το τµήµα της ηπειρωτικής Ελλάδας. Τα σηµεία αυτά αποτελούν επίσης, τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ για τα οποία παρέχεται επιπλέον υψοµετρική πληροφορία µέσω των ορθοµετρικών υψοµέτρων τους, αυξάνοντας έτσι τον αριθµό των εφικτών συγκρίσεων. Τα τριγωνοµετρικά σηµεία εγκαταστάθηκαν τµη- µατικά µέσω τριγωνισµών πριν από αρκετές δεκαετίες από τη Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού και χρησιµοποιούνται ενίοτε για την εξάρτηση πολυγωνοµετρικών οδεύσεων ή για τοπογραφικές εργασίες πύκνωσης και τριγωνισµού. Αποτελούν υλοποίηση του επίσηµου γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς, ενώ για τα περισσότερα από αυτά, παρέχεται µία τιµή ορθοµετρικού υψοµέτρου που αναφέρεται στη βάση τους. Οι τιµές των ορθοµετρικών υψοµέτρων υπολογίστηκαν από παλιές µετρήσεις της ΓΥΣ µέσω της τριγωνοµετρικής υψοµετρίας µε ζενίθιες γωνίες και δεν παρέχεται για αυτές κάποια επίσηµη ένδειξη της ακρίβειας τους. Εµπειρικά και µόνο, η ακρίβεια αυτή µπορεί να θεωρηθεί της τάξης των µερικών εκατοστών. Παρά το γεγονός ότι τα τριγωνοµετρικά ση- µεία της ΓΥΣ παρέχουν επίσηµη χωρική πληροφορία υλοποιώντας το Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς του 1987, πολλά από αυτά παρουσιάζουν µεγάλες αποκλίσεις από την ακριβή θέση τους ή έχουν αχρηστευθεί τελείως, λόγω ολικής καταστροφής τους ή αδικαιολόγητης µετακίνησής τους. Τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ που συµµετέχουν στις συγκρίσεις της παρούσας εργασίας, ανήκουν χωρικά στον ηπειρωτικό ελλαδικό χώρο, χρησιµοποιήθηκαν σε µετρήσεις κατά την διάρκεια της ίδρυσης και εγκατάστασης του HEPOS, ενώ χρησιµοποιήθηκαν επίσης από τον Αναπληρωτή Καθηγητή Χριστόφορο Κωτσάκη κατά την α- ξιολόγηση της ακρίβειας του µοντέλου µετασχηµατισµού HTRS07-ΕΓΣΑ87. Η διάθεση τους έγινε από τον ίδιο, ο οποίος αποτελεί και τον επιβλέποντα καθηγητή της παρούσας εργασίας. Το µεγάλο µέγεθος της περιοχής µελέτης και η ψηφιακή µορφή των διαθέσιµων δεδοµένων των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους από τα επίσηµα κέντρα διανο- µής τους, σχηµάτισαν ένα µεγάλο όγκο χωρικών δεδοµένων. Ο πλέον κατάλληλος τρόπος για τη διαχείριση µεγάλου και ετερογενή όγκου δεδοµένων είναι αυτός µέσω των Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών ή αλλιώς GIS. Τo λογισµό ArcGIS της εταιρείας ESRI, που αποτελεί ένα από τα πλέον διασηµότερα λογισµικά GIS, ήταν αυτό που χρησιµοποιήθηκε για την διαχείριση των ψηφιακών µοντέλων εδάφους και των ορθοµετρικών υψοµέτρων των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ, όπως και για τους ενδιάµεσους υπολογισµούς. Όλη η επεξεργασία των δεδοµένων πραγµατοποιήθηκε µέσω αυτού του λογισµικού και των υποπρογραµµάτων του, αποδεικνύοντας έτσι την ικανότητα να επεξεργάζεται και να διαχειρίζεται χωρικά δεδοµένα υψηλής ακρίβειας µε σκοπό την στατιστική τους αξιολόγηση.

12 1. Εισαγωγή οµή της εργασίας Η παρούσα εργασία αποτελείται από 5 κεφάλαια. Στο 1 ο εισαγωγικό κεφάλαιο γίνεται µία γενική και σύντοµη αναφορά στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους, στις µεθόδους παραγωγής τους και στις εφαρµογές τους. Στο ίδιο κεφάλαιο αναφέρεται επίσης, ο σκοπός της εργασίας ενώ παρουσιάζεται και µία συνοπτική περιγραφή της δοµής της. Το 2 ο κεφάλαιο ξεκινά µε µία µικρή εισαγωγή, για τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους παγκόσµιας κάλυψης και συνεχίζει µε την περιγραφή των δορυφορικών αποστολών SRTM και TERRA/ASTER που συνέλεξαν τα απαραίτητα δεδοµένα για την δηµιουργία των αντίστοιχων ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζονται και τα χαρακτηριστικά των δύο σύγχρονων ψηφιακών µοντέλων εδάφους, όπως και οι διάφορες εκδόσεις τους που διατίθενται µε ελεύθερη πρόσβαση. Σκοπός του 3 ου κεφαλαίου που ακολουθεί είναι να περιγράψει όλες τις αναγκαίες διαδικασίες διαχείρισης και επεξεργασίας των χωρικών δεδοµένων της εργασίας µέσω του λογισµικού ArcGIS. Το κεφάλαιο ξεκινά µε µία εισαγωγή στα Γεωγραφικά Συστή- µατα Πληροφοριών και συνεχίζει µε την παρουσίαση του λογισµικού ArcGIS και των τµηµάτων που το αποτελούν. Αµέσως µετά ακολουθεί µία αναλυτική περιγραφή της προεπεξεργασίας των διαθέσιµων δεδοµένων στο περιβάλλον εργασίας του λογισµικού ArcGIS και καταλήγει στην παρουσίαση της µεθοδολογίας που ακολουθήθηκε ώστε να είναι εφικτές όλες οι επιθυµητές συγκρίσεις µεταξύ των διαθέσιµων δεδοµένων που α- ποτελούνται από τα ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM, όπως και από τα ορθοµετρικά υψόµετρα των διαθέσιµων τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ. Το 4 ο κεφάλαιο περιλαµβάνει τα αποτελέσµατα των παραπάνω συγκρίσεων, όπως και τα σχετικά διαγράµµατα που αποσκοπούν στην καλύτερη αναγνώριση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων. Τέλος, στο 5 ο κεφάλαιο παρατίθενται σχόλια από την συνολική εκπόνηση της εργασίας, ενώ γίνεται µία επιλεκτική και σύντοµη ανακεφαλαίωση των αποτελεσµάτων του 4 ου κεφαλαίου µε σκοπό στην κατάληξη των συµπερασµάτων της εργασίας.

13 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 13 2 Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 2.1 Εισαγωγή στα ψηφιακά µοντέλα εδάφους παγκόσµιας κάλυψης Η λεπτοµερής γνώση του σχήµατος της γήινης επιφάνειας αποτελεί ύψιστη ανάγκη για όλες τις σύγχρονες γεωεπιστήµες. Από την µελέτη των υδρολογικών µοντέλων στην υδρολογία και την µελέτη του γήινου πεδίου βαρύτητας στην φυσική γεωδαισία έως και την µελέτη της ατµοσφαιρικών τριβών στην µετεωρολογία, η γνώση της γήινη επιφάνειας αποτελεί αναγκαία συνθήκη. Μέχρι και σήµερα, η ανάγκη αυτή ωθεί στη δηµιουργία ενός παγκόσµιου και ψηφιακού µοντέλου εδάφους, υψηλής ποιότητας και ακρίβειας, που θα µπορεί να αναπαριστά µε πιστότητα και πληρότητα το γήινο ανάγλυφο. Οι συµβατικές και επίγειες µέθοδοι δηµιουργίας υψοµετρικών µοντέλων εδάφους είχαν σαν αποτέλεσµα την ανάπτυξη αναλογικών και ψηφιακών χαρτών µόνο σε τοπικό ή εθνικό επίπεδο, οι οποίοι συχνά είτε δεν παρέχουν την ίδια ακρίβεια σε όλο τους το φάσµα είτε δεν καλύπτουν εξ ολοκλήρου και χωρίς κενά την επιθυµητή περιοχή. Τα περισσότερα ανεπτυγµένα κράτη διατηρούν τοπογραφικό υπόβαθρο και ψηφιακά µοντέλα εδάφους αναφερόµενα ως προς το τοπικό ή εθνικό σύστηµα αναφοράς, τα οποία ποικίλουν ως προς την κλίµακα και την διακριτική τους ανάλυση, αλλά ως συνήθως δεν α- ποδίδουν ικανοποιητικά την επιθυµητή πληροφορία στα εθνικά όρια των κρατών. Η παγκόσµια κάλυψη των διαθέσιµων δεδοµένων είναι πρακτικά άνιση και σε πολλές περιοχές υπάρχει σοβαρή έλλειψη παρόµοιων τοπογραφικών δεδοµένων. Η ανάπτυξη ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους που να παρέχει παγκόσµια κάλυψη και να προκύπτει από εφαρµογή επίγειων ή εναέριων µεθόδων δηµιουργίας αποτελεί ένα ιδιαίτερα περίπλοκο και δαπανηρό εγχείρηµα. Ειδικότερα για τις εναέριες µεθόδους, το κόστος της ανάπτυξης τους σε παγκόσµιο επίπεδο είναι ουσιαστικά απαγορευτικό, ενώ σε αρκετές περιπτώσεις, υπάρχουν περιοχές της Γης οι οποίες θεωρούνται πρακτικά απρόσιτες για πολιτικές δραστηριότητες. Τη λύση στο πρόβληµα αυτό καλείται να δώσει η δορυφορική τηλεπισκόπηση είτε µε τη χρήση της συµβολοµετρίας SAR είτε µε την λήψη δορυφορικών στερεοσκοπικών εικόνων.

14 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 14 Η πρώτη δορυφορική αποστολή κατά την οποία έγιναν παρατηρήσεις υψοµετρικών δεδοµένων ήταν αυτή του δορυφόρου SPOT1 το Έκτοτε ακολούθησαν πολλές άλλες µε τελευταίες τις SRTM και της TERRA/ASTER, οι οποίες µέσω των δεδοµένων που συνέλλεξαν, συνεισέφεραν στην δηµιουργία δύο παγκόσµιων και υψηλής ακρίβειας, ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Μελλοντικές αποστολές, όπως η διαστηµική αποστολή του δορυφόρου TanDEM-X η οποία βρίσκεται ήδη σε τροχιά από τον Ιούλιο του 2010, υπόσχονται για το µέλλον την δηµιουργία ακριβέστερων ψηφιακών µοντέλων εδάφους. 2.2 Η διεθνής διαστηµική αποστολή SRTM Η διεθνής διαστηµική αποστολή SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) είχε σαν στόχο την δηµιουργία ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους µε την µεγαλύτερη, έως τότε, διακριτική ικανότητα. Η αποστολή υλοποιήθηκε τον Φεβρουάριο του 2000 και αποτελεί ένα κοινό επίτευγµα τεσσάρων φορέων, της εθνικής υπηρεσίας αεροναυτικής και διαστήµατος των Ηνωµένων Πολιτειών Αµερικής NASA (National Aeronautics and Space Administration), της εθνικής υπηρεσίας διαχείρισης γεωδεδοµένων των Ηνωµένων Πολιτειών Αµερικής NGA (National Geospatial - Intelligence Agency), του διαστηµικού κέντρου της Γερµανίας DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) και της υπηρεσίας διαστήµατος της Ιταλίας ASI (Agenzia Spaziale Italiana). Η ανάπτυξη της τεχνολογίας SAR (Synthetic Aperture Radar) στην δεκαετία του 1990 έθεσε τις βάσεις για τη δυνατότητα µίας ικανοποιητικής και οικονοµικής, τηλεπισκοπικής µεθόδου δηµιουργίας παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλου εδάφους. Η διεθνής διαστηµική αποστολή SRTM ήταν αυτή που εφάρµοσε πρώτη την τηλεπισκοπική µέθοδο InSAR (Interferometric SAR) χρησιµοποιώντας την παρατηρηθείσα διαφορά φάσεων από δύο ραντάρ, τα οποία βρισκόντουσαν σε απόσταση µεταξύ τους σύµφωνα µε έναν µικρό λόγο βάσης προς ύψος (περίπου ) στην ίδια χρονική στιγµή. Η επιθυµητή ακρίβεια των αποτελεσµάτων επετεύχθη µε την ακριβή µέτρηση των µηκών βάσης και των προσανατολισµών των δύο ραντάρ σε σχέση µε το σύστηµα αναφοράς των µετρήσεων. Τα εκπεµπόµενα κύµατα µπορούσαν να ανακλούνται από τις διάφορες επιφάνειες που πρόσπιπταν στο γήινο ανάγλυφο και να λαµβάνονται εκ νέου από τις κεραίες του δορυφορικού σχηµατισµού της αποστολής. Το ψηφιακό µοντέλο εδάφους που προέκυψε από τις παραπάνω µετρήσεις, δεν θα µπορούσε να αποδώσει αµιγώς την υψοµετρική πληροφορία του πραγµατικού γήινου εδάφους. Οι διαµορφωµένες επιφάνειες είτε από φυσικά αίτια, όπως η πυκνή βλάστηση, είτε τεχνητά αντίστοιχα, όπως η ανθρώπινη κατασκευαστική δραστηριότητα, παρουσίαζαν εµπόδια στην διάδοση των κυµάτων των ραντάρ µε αποτέλεσµα να µην έχουµε πρόσπτωση της ακτινοβολίας στο έδαφος και η υπολογιζόµενη υψοµετρική τιµή να µην αντιστοιχεί στο πραγµατικό υψόµετρο του ε- δάφους σε αυτό το σηµείο. Επιπλέον προβλήµατα παρουσιάστηκαν στην συλλογή της υψοµετρικής πληροφορίας από την ανάκλαση κυµάτων που πρόσπιπταν σε λείες και υγρές επιφάνειες, όπως τα λιµνάζοντα νερά, οι ακτές, οι ερηµικές εκτάσεις και τα λασπώδη εδάφη. Σηµαντικό πλεονέκτηµα της δορυφορικής αποστολής SRTM αποτελεί το γεγονός ότι τα ραντάρ της µπορούσαν να πραγµατοποιούν µετρήσεις ακόµα και κατά την διάρκεια της νύχτας. Η αποστολή ολοκληρώθηκε µέσα στο διάστηµα 11 ηµερών και περιλάµβανε, εκτός από το εξαµελές ανθρώπινο δυναµικό, ένα διαµορφωµένο σύστηµα από ραντάρ τεχνολογίας SAR. Η απογείωση έγινε στις 11 Φεβρουαρίου του 2000 µε την βοήθεια του δι-

15 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 15 αστηµικού λεωφορείου Endeavour και ολοκληρώθηκε, µε την προσγείωση στις 22 Φεβρουαρίου του Η τηλεπισκοπική µέθοδος που προτιµήθηκε για την συλλογή της υψοµετρικής πληροφορίας ήταν αυτή της δορυφορικής συµβολοµετρίας SAR µονής διέλευσης, σε αντίθεση µε την αντίστοιχη της επαναλαµβανόµενης διέλευσης, η οποία είναι µεν ικανή για την συλλογή χωρικών δεδοµένων αλλά παρουσιάζει σοβαρά µειονεκτήµατα στο µαθηµατικό της µοντέλο. Τα µειονεκτήµατα αυτά οφείλονται στην µεταβολή των ατµοσφαιρικών συνθηκών, στην αβεβαιότητα της δορυφορικής τροχιάς και στην αποσυσχέτιση που παρουσιάζουν οι ανακλώµενες ακτίνες από διέλευση σε διέλευση, δηµιουργώντας έτσι προβλήµατα στην αυτοµατοποίηση της υπολογιστικής διαδικασίας µε επιπτώσεις στην τελική ποιότητα του παραγόµενου προϊόντος (Farr, T.G. et al, 2007). ύο κεραίες ραντάρ τοποθετήθηκαν στο διαστηµικό λεωφορείο Endeavour, το οποίο αποτελούσε το κύριο µέρος του δορυφορικού σχηµατισµού, αλλά και στην άκρη ενός παρατεταµένου βραχίονα µήκους 60 m, ο οποίος είχε την δυνατότητα να αναδιπλώνεται προς το εσωτερικό του διαστηµικού λεωφορείου για τις ανάγκες της απογείωσης και της προσγείωσης. Τα ραντάρ είχαν την δυνατότητα να λαµβάνουν σήµατα στις φασµατικές ζώνες C Band (λ = 5.6 cm) και X Band (λ = 3.1 cm), ενώ το ραντάρ που είχε τοποθετηθεί στο κύριο µέρος του δορυφορικού σχηµατισµού, εκτός από την δυνατότητα λήψης, είχε και την δυνατότητα εκποµπής σηµάτων. Τα σήµατα εκπέµπονταν από το πρώτο ραντάρ και στην συνέχεια, λαµβάνονταν και από τα δύο. Μετρώντας την διαφορά φάσης των λαµβανόµενων σηµάτων, την βάση των δύο ραντάρ και διάφορες άλλες συστηµατικές επιδράσεις για κάθε λήψη, ήταν εφικτός ο υπολογισµός του υψοµέτρου στα σηµεία πρόσπτωσης της ακτινοβολίας. Το πλάτος σάρωσης των δύο ραντάρ ήταν ίσο µε 225 km για κάθε λήψη. Εικόνα 2.1 Γενική διάταξη του διαστηµικού λεωφορείου Endeavour κατά την δορυφορική αποστολή SRTM

16 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 16 Το ονοµαστικό ύψος της τροχιάς του δορυφορικού σχηµατισµού ήταν της τάξης των 233 km, η τροχιακή του κλίση ήταν ίση µε 56 και οι τροχιές του δορυφορικού σχηµατισµού απείχαν µεταξύ τους 218 km κατά την προβολή τους στον Ισηµερινό. Σύµφωνα µε την παραπάνω γεωµετρία και τους σχετικούς υπολογισµούς, η σάρωση της γήινης επιφάνειας θα ολοκλήρωνε έναν κύκλο επανάληψης µε την συµπλήρωση 159 περιστροφών του δορυφορικού σχηµατισµού και η κάλυψη της γήινης επιφάνειας θα περιελάµβανε όλη την περιοχή µεταξύ των παραλλήλων 60 Β και 56 Ν µέσα σε διάστηµα 10 ηµερών. Η αποστολή ήταν επιτυχής, αν εξαιρέσουµε την απώλεια δεδοµένων για κάποιες περιοχές της Βόρειας Αµερικής, εξαιτίας κάποιων προβληµάτων σε 10 από τις 159 υπολογιζόµενες περιστροφές του. Με το πέρας της αποστολής, το 99.96% της επιθυµητής περιοχής είχε σαρωθεί από τα ραντάρ της φασµατικής ζώνης C Band, ενώ το 40% σαρώθηκε επίσης, από τα ραντάρ της φασµατικής ζώνης X Band αντίστοιχα. Συνολικά, το 99.96% της επιθυµητής περιοχής σαρώθηκε έστω 1 φορά, το 94.59% αντίστοιχα, σαρώθηκε τουλάχιστον 2 φορές ενώ τέλος, το 50% της περιοχής σαρώθηκε 3 ή παραπάνω φορές. Εικόνα 2.2 Περιοχή κάλυψης της γήινης επιφάνειας από τη διαστηµική αποστολή SRTM

17 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 17 Ενδεικτικά, ο υπολογισµός του υψοµέτρου για κάθε σηµείο πρόσπτωσης της ακτινοβολίας βασίζεται στην απλουστευµένη εξίσωση της µορφής: όπου: h = h t p ρ cos sin 1 λφ + a 2πB (3.1) h t είναι το υψόµετρο του σηµείου πρόσπτωσης της ακτινοβολίας, h p είναι το υψόµετρο της πλατφόρµας του δορυφορικού σχηµατισµού, ρ είναι η εµβέλεια της εκπεµπόµενης ακτίνας προς το σηµείο πρόσπτωσης, φ είναι η συµβολοµετρική φάση των δύο ραντάρ, a είναι η κατακόρυφη γωνία που σχηµατίζει η βάση των δύο ραντάρ ως προς το ο- ριζόντιο επίπεδο, λ είναι το µήκος κύµατος της λαµβανόµενης ακτινοβολίας, B είναι το µήκος της βάσης των δύο ραντάρ. Αξίζει να σηµειωθεί ότι τα υψόµετρα της παραπάνω σχέσης αναφέρονται ως προς το ελλειψοειδές αναφοράς του WGS84 (Farr, Tom G. et al, 2007). Εικόνα 2.3 Υπολογισµός υψοµετρικής πληροφορίας µέσω της δορυφορικής διάταξης της διαστηµικής αποστολής SRTM

18 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM Το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM Το αποτέλεσµα της διαστηµικής αποστολής SRTM ήταν η ανάπτυξη ενός οµώνυµου ψηφιακού µοντέλου εδάφους, το οποίο συχνά εµφανίζεται στην διεθνή βιβλιογραφία µε τον όρο «SRTM DEM», υπό την ευθύνη του οµοσπονδιακού κέντρου έρευνας και ανάπτυξης JPL (Jet Propulsion Laboratory). Η σχεδόν παγκόσµια κάλυψη του ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM αντιστοιχεί στην περιοχή που περιλαµβάνεται ανάµεσα στους παράλληλους των 56 Ν και 60 Β, καλύπτοντας το 80% της συνολικής επιφάνειας της Γης. Βάσει των σχετικών προδιαγραφών, τα υψοµετρικά δεδοµένα του ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM κατανέµονται σε ένα κανναβικό πλέγµα διακριτικής ικανότητας 1 1 arcsec (περίπου m) και η ονοµαστική του ακρίβεια είναι: 16 m για την απόλυτη υψοµετρική θέση (linear vertical absolute height error), 10 m για την σχετική υψοµετρική θέση (linear vertical relative height error), 20 m για την απόλυτη οριζόντια θέση (circular absolute geolocation error) και 15 m για την σχετική οριζόντια θέση (circular relative geolocation error), µε τις παραπάνω τιµές αναφέρονται για επίπεδο σηµαντικότητας α = 0.1 ή αλλιώς, για πιθανότητα 90%, εναρµονισµένες όπως σύµφωνα µε τις οδηγίες NMAS (National Map Accuracy Standards) των Ηνωµένων Πολιτειών Αµερικής (Farr, T. G. et al, 2007). Με σκοπό να ικανοποιηθούν διαφορετικές ανάγκες και πολιτικές απορρήτου, το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM διατέθηκε για τις υπηρεσίες των NGA και NASA µε πολλές διαφοροποιήσεις. Στην περίπτωση της υπηρεσίας NGA, η οποία αποτελεί τµήµα του Υπουργείου Άµυνας των Η.Π.Α, το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM διατέθηκε σε δύο µορφές, την DTED-2 και την DTED-1, όπου οι αριθµοί 1 και 2 εκφράζουν επίπεδα χωρικής ανάλυσης ή αλλιώς, διακριτικής ικανότητας. Η πρώτη µορφή DTED-2 περιελάµβανε το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM µε διακριτική ικανότητα 1 1 arcsec, ενώ αντίστοιχα, η δεύτερη µορφή DTED-1, που προέκυψε µε επαναδειγµατοληψία της πρώτης µορφής DTED-2, περιελάµβανε το ίδιο ψηφιακό µοντέλο εδάφους µε διακριτική ικανότητα 3 3 arcsec (περίπου m). Οι δύο αυτές µορφές αποτελούν διαφορετικές διανοµές της 1 ης έκδοσης (version 1) του ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM που εντοπίζονται επίσης στη διεθνή βιβλιογραφία µε τον όρο «unfinished data». Η 1 η έκδοση του ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM παρουσίαζε σοβαρά µειονεκτήµατα. Σε αρκετές ορεινές περιοχές εµφανίστηκαν κενά δεδοµένων (voids), που πολλά από τα αυτά θα µπορούσαν να συµπληρωθούν µε κατάλληλες τεχνικές ή µε παρεµβολές από γειτονικά σηµεία, όπως και πραγµατοποιήθηκε στις µεταγενέστερες εκδόσεις του (Dowding S., T. Kuuskivi, X. Li, 2004). Μεγαλύτερα κενά όπου δεν ήταν εφικτές οι µέθοδοι παρεµβολής, θα µπορούσαν να αντικατασταθούν από δεδοµένα άλλων πηγών. Για αυτόν τον λόγο, πέρα από την 1 η έκδοση του SRTM DEM, υπήρξε µία 2 η έκδοση (version 2) στην οποία ένα µεγάλο µέρος αυτών των προβληµάτων είχε αντιµετωπιστεί και εντοπίζεται στην διεθνή βιβλιογραφία µε τον όρο «finished version». Επίσης, πέρα από την αντιµετώπιση των παραπάνω κενών, στην 2 η έκδοση του SRTM DEM, υπήρξε και µία καλύτερη διαχείριση της υψοµετρικής πληροφορίας που αντιστοιχούσε σε θαλάσσιες, λιµναίες και ποτάµιες περιοχές. Ειδικότερα, το υψόµετρο των θαλάσσιων περιοχών και των ωκεανών ισοσταθµίστηκε µε την τιµή «0», στις λίµνες που παρουσίαζαν µήκος µεγαλύτερο των 600 m το υψόµετρο τους διαµορφώθηκε ώστε να είναι σταθερό σε µία συγκεκριµένη τιµή για όλη την επιφάνεια, ενώ νησίδες που δεν παρουσίαζαν µήκος άνω των 300 µέτρων αποµακρύνθηκαν από το τελικό προϊόν ( Slater, J.A. et al, 2006). Τέλος, µε σκοπό την σαφή διάκριση των γήινων στερεών επιφανειών από τις

19 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 19 υδάτινες επιφάνειες, υπολογίστηκε ένα διανυσµατικό αρχείο SWBD (SRTM Water Body Dataset), το οποίο περιελάµβανε το σύνολο των ακτογραµµών, όπως και τα όρια των λιµνών και τις κοίτες των ποτάµιων περιοχών. Η παράλληλη διανοµή του, ως υποπροϊόν της 2 ης έκδοσης του SRTM DEM, είναι ελεύθερη προς το ευρύ κοινό από την γεωλογική υπηρεσία USGS. Όσον αφορά τα προϊόντα της NASA, αυτά περιλαµβάνουν τα SRTM-1 (1 1 arcsec) και SRTM-3 (3 3 arcsec) σε αντιστοιχία µε την 1 η έκδοση του SRTM DEM από την NGA. Οµοίως συµβαίνει και για τα προϊόντα της 2 ης έκδοσης του SRTM DEM που περιλαµβάνουν επίσης τα SRTM-1 και SRTM-3. Πολιτικοί και στρατιωτικοί λόγοι δεν επέτρεψαν την ελεύθερη διανοµή του SRTM-1 προς το ευρύ κοινό για περιοχές εκτός των Η.Π.Α. Έτσι, πέρα από τις 2 εκδόσεις του SRTM-3 το οποίο διατίθεται για όλη την περιοχή κάλυψης, οι εκδόσεις του SRTM-1 διατίθενται ελεύθερα µόνο για τις περιοχές που υπάγονται στη διοίκηση των Η.Π.Α. Στην πραγµατικότητα όµως, ακόµα και η 2 η έκδοση του ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM δεν ήταν απαλλαγµένη από τα κενά δεδοµένων που είχαν παρατηρηθεί σε ερηµικές (π.χ. Βόρεια Αφρική) και σε πολύ ορεινές περιοχές (π.χ. Άλπεις, Ιµαλάια). Ο διεθνής οργανισµός CGIAR (Consultative Group on International Agricultural Research), µέσω της επιστηµονικής της κοινότητας CGIAR-CSI, ανέλαβε την παραγωγή νέων εκδόσεων για το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM, αντιµετωπίζοντας όλα τα υ- πολειπόµενα προβλήµατα που δεν ξεπεράστηκαν κατά την 2 η έκδοση του. Χρησιµοποιώντας δεδοµένα είτε από άλλα ψηφιακά µοντέλα εδάφους, τοπικά ή παγκόσµια είτε επιπλέον τεχνικές παρεµβολής, τα κενά δεδοµένων της 2 ης έκδοσης συµπληρώθηκαν κατά έναν ικανοποιητικό βαθµό (Reuter et al, 2007; Jarvis et al, 2004; Gamache M., 2004). Ως αποτέλεσµα, ακολούθησε µία 3 η έκδοση του SRTM DEM µε διακριτική ικανότητα 3 3 arcsec για όλο τον κόσµο στην οποία, ενώ είχαν αντιµετωπιστεί επιτυχώς όλα τα παραπάνω προβλήµατα, παρουσιαζόταν ένα σοβαρό συστηµατικό σφάλµα στα δεδοµένα, εξαιτίας κάποιων ανεπιθύµητων οριζοντιογραφικών µεταθέσεων (Mouratidis A. et al, 2010). Για αυτό τον λόγο, η 3 η έκδοση του SRTM DEM από την CGIAR-CSI αποσύρθηκε και αντικαταστάθηκε γρήγορα από µία 4 η έκδοση του SRTM DEM η ο- ποία διανέµεται ελεύθερα προς το ευρύ κοινό από το 2008 µέχρι και σήµερα (Jarvis A. et al, 2008). Εικόνα 2.4 Το ψηφιακό µοντέλου εδάφους SRTM σε παγκόσµια ανάπτυξη

20 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 20 Συνολικά, οι διάφορες εκδόσεις του SRTM DEM, άσχετα από τις διάφορες ονοµασίες που του αποδόθηκαν από την NGA και την NASA και ανεξάρτητα από τις διακριτικές ικανότητες µε τις οποίες µπορεί να παρουσιάζεται, είναι: η 1 η του έκδοση (unfinished data) που διατίθεται από την USGS από το 2003, η 2 η του έκδοση (finished data) που διατίθεται επίσης από την USGS από το 2005, η 3 η του έκδοση που διατέθηκε από την CGIAR-CSI το 2006 και η 4 η του έκδοση που διατίθεται επίσης από την CGIAR-CSI από το Όσον αφορά τα υψοµετρικά δεδοµένα των δύο πρώτων εκδόσεων, αυτά διατίθενται σε συγκεκριµένη δυαδική µορφή (16-bit signed integer), αναφέρονται στο παγκόσµιο γεωδαιτικό σύστηµα αναφοράς WGS84 (ελλειψοειδές αναφοράς WGS84, γεωδυναµικό µοντέλο EGM96) και η διανοµή τους γίνεται ανά τµήµατα (tiles) βάσει συγκεκριµένου καννάβου µε βήµα 1. Σε κάθε τµήµα της διανοµής αντιστοιχεί ένα αρχείο µε κατάληξη «.hgt», το οποίο στην περίπτωση του SRTM-1 περιέχει έναν πίνακα υψοµετρικών τιµών µε 3601 σειρές και 3601 στήλες, ενώ στην περίπτωση του SRTM-3 ο αντίστοιχος πίνακας έχει 1201 σειρές και 1201 στήλες. Τα αρχεία δεν περιλαµβάνουν κάποια επιπλέον πληροφορία και η επιλογή τους γίνεται µε βάση την χαρακτηριστική ονοµασία τους, η οποία αποδίδει την θέση που κατέχουν στην συνολική διανοµή αλλά και στο πλέγµα ελλειψοειδών συντεταγµένων. Για παράδειγµα, το αρχείο µε ονοµασία «N34W119.hgt» αντιστοιχεί στο τµήµα της διανοµής, του οποίου η νοτιοδυτική γωνία ορίζεται από τις ελλειψοειδείς συντεταγµένες 34 Β και 119, ενώ επεκτείνεται βόρεια έως τον παράλληλο των 35 Β και ανατολικά έως τον µεσηµβρινό των 118. Βάσει της συγκεκριµένης δυαδικής µορφής των υψοµετρικών δεδοµένων, αυτά µπορούσαν να παρουσιάζουν µόνο ακέραιες τιµές από έως Το συγκεκριµένο εύρος τιµών είναι επαρκές για την απόδοση της υψοµετρικής πληροφορίας, ενώ η κατώτερη τιµή αποδόθηκε στα σηµεία όπου παρουσιάζονται κενά δεδοµένων (voids) µε σκοπό τον εύκολο εντοπισµό τους (πηγή δεδοµένων: Τέλος, η µονάδα µέτρησης των υψοµετρικών δεδοµένων ήταν το 1 m. Όσον αφορά τις δύο µεταγενέστερες εκδόσεις του SRTM DEM, αυτές διατίθενται αποκλειστικά µε διακριτική ικανότητα 3 3 arcsec. Η δυαδική µορφή των υψοµετρικών δεδοµένων παρέµεινε η ίδια (16-bit signed integer), όπως επίσης και το γεωδαιτικό σύστηµα αναφοράς τους. Η διανοµή τους πραγµατοποιήθηκε βάσει καννάβου µε βήµα των 5 ενώ τα αντίστοιχα αρχεία δεδοµένων διατίθενται στις µορφές «ASCII» και «GeoTIFF». (πηγή δεδοµένων: Οµοίως µε τις προγενέστερες εκδόσεις του SRTM DEM, η µονάδα µέτρησης των υψο- µετρικών δεδοµένων παρέµεινε το 1 m. Σχετικά µε την παρούσα εργασία, µε σκοπό την κάλυψη του Ελλαδικού χώρου, διατέθηκαν υψοµετρικά δεδοµένα διακριτικής ικανότητας 3 3 arcsec µόνο από τρεις εκδόσεις του SRTM DEM, καθώς η 3 η έκδοση είχε ήδη αποσυρθεί για τους προαναφερθέντες λόγους. Τα αρχεία δεδοµένων των δύο πρώτων εκδόσεων µε κατάληξη «.hgt», αφού συγκεντρώθηκαν, στην συνέχεια µετατράπηκαν ως ένα ενιαίο αρχείο στην επιθυ- µητή µορφή «GeoTIFF» µε την βοήθεια του λογισµικού «Global Mapper». Όσον αφορά επίσης την µορφή «GeoTIFF», οι λόγοι για τους οποίους αυτή είναι ε- πιθυµητή, έχουν να κάνουν µε την οπτικοποίηση και την διαχείριση των ψηφιακών υ- ψοµετρικών δεδοµένων. Τα ψηφιακά υψοµετρικά δεδοµένα αυτής της µορφής αναπαριστώνται µέσω εικόνας σε µορφή TIFF, η οποία παρουσιάζει διακριτική ικανότητα (resolution) ίση µε την διακριτική ικανότητα των δεδοµένων, δηλαδή 3 3 arcsec (~ m). Με άλλα λόγια, οι ψηφιακές υψοµετρικές τιµές κατανέµονται, µία προς µία, στις ψηφίδες ή εικονοστοιχεία της εικόνας TIFF και αποδίδεται σε αυτές από µία χρω-

21 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 21 µατική απόχρωση, η οποία στην πραγµατικότητα εκφράζει µία συγκεκριµένη υψοµετρική τιµή. Η διαφορά των εικόνων της µορφής «GeoTIFF» από τις κοινές εικόνες της µορφής «TIFF» είναι ότι οι πρώτες συνοδεύονται από επιπλέον αρχεία, τα οποία περιλαµβάνουν µεταδεδοµένα σχετικά µε την χωρική αναφορά των δεδοµένων της εικόνας. Έτσι, οι εικόνες της µορφής «GeoTIFF», εκτός από τα δεδοµένα τα οποία περιγράφουν, κατέχουν επίσης και συγκεκριµένη θέση σε ένα γνωστό και ορισµένο σύστηµα αναφοράς, λεπτοµέρειες του οποίου περιγράφονται στα µεταδεδοµένα της εικόνας. Εικόνα 2.5 Ανάλυση και περιγραφή των χαρακτηριστικών της γειτνίασης δύο τυχαίων τµηµάτων της διανοµής του SRTM DEM κατά την έκδοση του σε µορφή GeoTIFF

22 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM Η διαστηµική αποστολή TERRA και το ραδιόµετρο ASTER Με σκοπό την µακροχρόνια και συνεχή παρατήρηση των µεταβολών της γήινης επιφάνειας, της βιόσφαιρας, της ατµόσφαιρας και κατά επέκταση των κλιµατολογικών αλλαγών του πλανήτη Γη, στο πλαίσιο του προγράµµατος EOS (Earth Observing System), η NASA έθεσε σε τροχιά στις 18 εκεµβρίου του 1999 τον δορυφόρο EOS AM-1. Το ύψος της τροχιάς του δορυφόρου καθορίστηκε στα 705 km και η τροχιακή του κλίση στις Με τροχιακή περίοδο ίση µε 98.9 min και απόσταση ίση µε 172 km µεταξύ των συνεχόµενων τροχιών, o δορυφόρος EOS AM-1 ολοκληρώνει µία πλήρη κάλυψη της συνολικής επιφάνειας του πλανήτη µέσα σε 16 ηµέρες. Εικόνα 2.6 Ο δορυφόρος EOS AM-1 της διαστηµικής αποστολής TERRA σε τροχιά γύρω από την Γη Η σηµασία αυτής της δορυφορικής αποστολής είναι ότι ο δορυφόρος EOS AM-1 αποτελεί τον φορέα 5 διαφορετικών καταγραφέων, στους οποίους οφείλεται και η πολυδιάστατη χρησιµότητα του. Αυτοί είναι οι: ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System), MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer), MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) και MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere), µε τον κάθε ένα να επωµίζεται την συλλογή διαφορετικών τηλεπισκοπικών δεδοµένων. Το ραδιόµετρο ASTER αποτελεί µία προηγµένη διάταξη εκποµπής και ανάκλασης θερµικής ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Παρουσιάζει την µεγαλύτερη χωρική ανάλυση (15 m έως 90 m) από τα υπόλοιπα όργανα µέτρησης του δορυφόρου EOS AM-1 και αποτελεί προϊόν δηµιουργίας και συλλογικής προσπάθειας της εθνικής υπηρεσίας, αεροναυτικής και διαστήµατος των Η.Π.Α NASA, του υπουργείου Οικονοµίας, Εµπορίου και Βιοµηχανίας της Ιαπωνίας METI (Ministry of Economy, Trade and Industry),

23 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 23 του επιστηµονικού κέντρου ανάλυσης τηλεπισκοπικών δεδοµένων της Ιαπωνίας ERS- DAC (Earth Remote Sensing Data Analysis Center) καθώς και άλλων επιστηµονικών και βιοµηχανικών οργανισµών των δύο παραπάνω κρατών. Έχει την ικανότητα να καταγράφει την ανακλώµενη φασµατική πληροφορία µέσω 14 διαύλων, από το ορατό µέχρι το θερµικό υπέρυθρο µε υψηλή χωρική, φασµατική και ραδιοµετρική ανάλυση. Η κατανοµή των 14 διαύλων γίνεται µε: 3 δίαυλους στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο φάσµα VNIR (Visible Near Infrared), διακριτικής ικανότητας 15 m, 6 δίαυλους στο µέσο υπέρυθρο φάσµα SWIR (Short Wave Infrared), διακριτικής ικανότητας 30 m και και 5 δίαυλους στο θερµικό υπέρυθρο φάσµα TIR (Thermal Infrared), διακριτικής ικανότητας 90 m. Ο σκοπός της λειτουργίας του ραδιοµέτρου ASTER είναι η συλλογή δορυφορικών δεδοµένων, από το σύνολο των πολυφασµατικών διαύλων του, για την παρατήρηση µεγάλου πλήθους φαινοµένων και δραστηριοτήτων, όπως η κατανοµή των υδρατµών που προκαλεί την δηµιουργία των ατµοσφαιρικών νεφών, οι ηφαιστειογενείς δραστηριότητες, οι εκποµπές και οι ανακλάσεις της θερµικής ακτινοβολίας από την Γη, την χαρτογράφηση της γήινης επιφάνειας και την παρακολούθηση των χρήσεων γης. Στο ραδιό- µετρο ASTER περιλαµβάνεται επίσης η δυνατότητα λήψης στερεοσκοπικών εικόνων, µέσω ενός διπλού τηλεσκοπίου VNIR. Η λήψη των στερεοσκοπικών εικόνων γίνεται µε µεγάλο λόγο βάσης προς ύψους (~ 0.6) ενώ το µέγεθος της κάλυψης τους είναι ίσο µε km. Οι στερεοσκοπικές εικόνες που συλλέγονται από την δορυφορική αποστολή TERRA µέχρι και σήµερα, χρησιµοποιούνται για την δηµιουργία ενός σύγχρονου, παγκόσµιου ψηφιακού µοντέλου εδάφους το οποίο εντοπίζεται στην διεθνή βιβλιογραφία µε τον όρο «ASTER GDEM» και περιγράφεται αµέσως παρακάτω. Εικόνα 2.7 Η συλλογή των στερεοσκοπικών εικόνων ASTER µέσω τη δορυφορικής αποστολής TERRA και η διαδικασία δηµιουργίας του ASTER GDEM

24 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM Το παγκόσµιο ψηφιακό µοντέλο εδάφους ASTER Στις 29 Ιουνίου του 2009, ανακοινώθηκε η πρώτη έκδοση του παγκόσµιου ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER, που εντοπίζεται στην διεθνή βιβλιογραφία µε την ονοµασία «ASTER GDEM» και αποτελεί παράγωγο προϊόν επεξεργασίας των στερεοσκοπικών εικόνων ASTER που ξεκίνησαν να συλλέγονται από το οµώνυµο ραδιόµετρο της διαστηµικής αποστολής TERRA από τον Φεβρουάριου του Το συγκεκριµένο προϊόν της σύγχρονης, ψηφιακής χαρτογραφίας αποτελεί την πιο ολοκληρωµένη, παγκόσµια και ψηφιακή αναπαράσταση της γήινης επιφάνειας, καλύπτοντας το 99% του τµήµατός της µε δεδοµένα διακριτικής ικανότητας 1 1 arcsec (~ m). Η πρώτη έκδοση του παγκόσµιου ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER προέκυψε από τον συνδυασµό 1.3 εκατοµµυρίων ανεξάρτητων, στερεοσκοπικών εικόνων, που συλλέχθηκαν µέσω του ραδιοµέτρου ASTER και καλύπτει το σύνολο της γήινης επιφάνειας από τον παράλληλο των 83 Ν έως τον παράλληλο των 83 Β. Παρά την µεγάλη ονοµαστική, διακριτική ικανότητα του, πολλά σχόλια από την διεθνή βιβλιογραφία αλλά και προπαντός από τους ιθύνοντες του ASTER GEM (βλ. π.χ. ASTER GDEM Readme File ASTER GDEM Version 1), αναφέρουν ότι η πραγµατική διακριτική ικανότητα του ASTER GDEM είναι ελαφρώς µικρότερη και σίγουρα όχι αντάξια της αντίστοιχης διακριτικής ικανότητας του SRTM DEM, που δεν πρέπει να λησµονείται ότι οι παγκόσµιες εκδόσεις του µε διακριτική ικανότητα 3 3 arcsec προέκυψαν από επαναδειγµατοληψία των αντίστοιχων εκδόσεων διακριτικής ικανότητας 1 1 arcsec µε γενίκευση των υψοµετρικών τιµών κατά τον µέσο όρο. Γίνεται λόγος για συστηµατικές επιδράσεις εις βάρος του προϊόντος ενώ αναφέρεται επίσης ότι παρόµοιοι πολιτικοί λόγοι που δεν επέτρεψαν την πλήρη έκδοση του SRTM µε διακριτική ικανότητα 1 1 arcsec, στην ουσία ανάγκασαν σε εσκεµµένη υποβάθµιση της ποιότητας του ASTER GDEM. Μία αντιπροσωπευτική τιµή της διακριτικής του ικανότητας, που µπορεί να αποδοθεί µε εµπειρικά κριτήρια, είναι 3-4 arcsec περίπου. H διανοµή του ASTER GDEM είναι εφικτή είτε µέσω του κέντρου διανοµής και ε- πεξεργασίας χωρικών δεδοµένων LP DAAC και της βάσης δεδοµένων EOSDIS υπό την ευθύνη της NASA είτε µέσω του ιαπωνικού κέντρου ανάλυσης τηλεπισκοπικών δεδοµένων ERSDAC υπό την ευθύνη του υπουργείου της Ιαπωνίας METI. Τα χαρακτηριστικά της διανοµής του είναι κοινά, ανεξάρτητα από το κέντρο παροχής δεδοµένων. To ASTER GDEM διανέµεται βάσει συγκεκριµένου χαρτογραφικού καννάβου και διατίθεται σε τµήµατα (tiles) µεγέθους των 1 1, οµοίως µε τις 2 πρώτες εκδόσεις του SRTM DEM. Κάθε ένα τµήµα από αυτά περιέχει υψοµετρικά δεδοµένα σε µορφή πίνακα µε 3601 σειρές και 3601 στήλες ενώ η ψηφιακή µορφή των αρχείων είναι η Geo- TIFF, η οποία συναντιέται και στις 2 τελευταίες εκδόσεις του SRTM DEM µέσω της CGIAR-CSI. Τα δεδοµένα αναφέρονται στο γεωδαιτικό σύστηµα αναφοράς WGS84 (ελλειψοειδές αναφοράς WGS84, γεωδυναµικό µοντέλο EGM96) ενώ η ονοµαστική του ακρίβεια παρουσιάζεται ίση µε: 20 m για την απόλυτη υψοµετρική θέση και 30 m για την απόλυτη οριζόντια θέση, µε τις παραπάνω τιµές αναφέρονται για επίπεδο σηµαντικότητας α = 0.05 ή αλλιώς, για πιθανότητα 95%.

25 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 25 Εικόνα 2.7 Το ψηφιακό µοντέλου εδάφους ASTER σε παγκόσµια κάλυψη Κάθε τµήµα του ASTER GDEM παρέχεται µέσω ενός συµπιεσµένου αρχείου (zip file) το οποίο περιλαµβάνει 2 αρχεία εικόνων GeoTIFF. Το πρώτο αρχείο αντιστοιχεί στην ψηφιακή εικόνα του τµήµατος του ASTER GDEM, ενώ το δεύτερο αρχείο περιλαµβάνει µία επιπλέον εικόνα, µε τα ίδια χαρακτηριστικά της πρώτης (µέγεθος και α- νάλυση) και περιλαµβάνει µεταδεδοµένα που αφορούν την ποιότητα και την προέλευση των δεδοµένων της πρώτης εικόνας. Το αρχείο αυτό ονοµάζεται «quality assessment file» (QA) και αποτελεί µία µορφή αξιολόγησης του αντίστοιχου τµήµατος του ASTER GDEM που συνοδεύει. Καθένα από τα εικονοστοιχεία της οµώνυµης εικόνας του παρέχει ως αριθµητική πληροφορία τον αριθµό των διαθέσιµων λήψεων από τις οποίες προκύπτει η υψοµετρική τιµή του αντίστοιχου εικονοστοιχείου της εικόνας του τµήµατος από ASTER GDEM. Αυτό είναι εφικτό δεδοµένης της αντιστοιχίας των εικονοστοιχείων (pixels) των δύο εικόνων, καθώς οι δύο εικόνες παρουσιάζουν το ίδιο µέγεθος (1 1 ) και την ίδια διακριτική ικανότητα (3 3 arcsec). Εικονοστοιχεία της πρώτης εικόνας, η οποία αντιστοιχεί στο κάθε αυτό τµήµα του ASTER GDEM, στα οποία αντιστοιχούν αρνητικές τιµές από τα αντίστοιχα εικονοστοιχεία της εικόνας QA, εκφράζουν υψοµετρική πληροφορία που προέκυψε από άλλες πηγές ψηφιακών δεδοµένων. Είναι φανερό ότι µε σκοπό την πλήρη απαλλαγή των προβληµατικών περιοχών από το παγκόσµιο, ψηφιακό µοντέλο εδάφους ASTER, χρησιµοποιήθηκαν και δεδοµένα από άλλα ψηφιακά µοντέλα εδάφους, το οποίο αναφέρεται και από τους ίδιους φορείς υλοποίησης του ASTER GDEM. Στον πίνακα που ακολουθεί, παρουσιάζονται οι πιθανές αρνητικές τιµές των εικονοστοιχείων της εικόνας QA όπως και οι εναλλακτικές πηγές στις οποίες αντιστοιχούν. Εναλλακτικές πηγές δεδοµένων Τιµή αναγνώρισης SRTM V3-1 SRTM V2-2 NED -5 CDED -6 Alaska DEM -11 Πίνακας 2.1 Κωδικοποίηση των εναλλακτικών πηγών δεδοµένων του ASTER GDEM

26 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM 26 Όσον αφορά την επιλογή των επιθυµητών τµηµάτων από την συνολική διανοµή του ASTER GDEM αυτή γίνεται µε την βοήθεια της ονοµασίας τους κατά τον όµοιο τρόπο που ισχύει και στην διανοµή των 2 πρώτων εκδόσεων του SRTM DEM. Μία τυπική ονοµασία ενός τµήµατος από τον κάνναβο του παγκόσµιου, ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER είναι η «ASTGTM_N35E135». Η ονοµασία αυτή αντιστοιχεί στο αρχείο «ASTGTM_N35E135.zip», το οποίο σύµφωνα µε τα παραπάνω θα πρέπει να περιλαµβάνει δύο εικόνες. H πρώτη εικόνα µε ονοµασία «ASTGTM_N35E135_dem.tif» αποτελεί το καθαυτό τµήµα του ASTER GDEM και οι συντεταγµένες N35 και Ε135, που προκύπτουν από την ονοµασία της, ορίζουν τις ελλειψοειδείς συντεταγµένες της νοτιοδυτικής της γωνίας. Άρα, το συγκεκριµένο τµήµα της διανοµής του ASTER GDEM καλύπτει την γεωδαιτική περιοχή που ορίζουν οι παράλληλοι των 35 Β και 36 Β και οι µεσηµβρινοί των 135 Α και 136 Α. Η δεύτερη εικόνα που περιλαµβάνεται στο παραπάνω αρχείο παρουσιάζει την ονοµασία «ASTGTM_N35E135_num.tif», κατά οµοιότητα της πρώτης εικόνας και περιλαµβάνει τα µεταδεδοµένα αξιολόγησης σύµφωνα µε τα παραπάνω. Πέρα από την εσκεµµένη υποβάθµιση της ακρίβειας του ASTER GDEM που προαναφέρεται, υπήρξαν και σφάλµατα τα οποία δεν ήταν δυνατό να αντιµετωπιστούν πλήρως κατά την παραγωγική διαδικασία του ASTER GDEM. Αποτελεί γεγονός ότι η µέθοδος δηµιουργίας ψηφιακών µοντέλων εδάφους εµφανίζει σοβαρά µειονεκτήµατα λόγω των ανωµαλιών που προκαλούνται από τα νέφη κατά την διάρκεια των λήψεων. Παρά την συνεχή συλλογή στερεοσκοπικών εικόνων, υπήρξαν περιοχές που εµφάνιζαν αυτές τις ανωµαλίες και αντικαταστάθηκαν από δεδοµένα άλλων ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Οι περιοχές αυτές εντοπίζονται εύκολα, λαµβάνοντας υπόψη τα µεταδεδοµένα της εικόνας αξιολόγησης QA. Στις προβληµατικές περιοχές συµπεριλαµβάνονται επίσης και αυτές που συµπίπτουν στα όρια των στερεοσκοπικών εικόνων ASTER που χρησιµοποιήθηκαν για την παραγωγή του ASTER DEM λόγω της καµπυλότητας και της παραµόρφωσης που παρουσιάζουν στα άκρα. Μειονεκτήµατα παρουσιάζονται επίσης και στην υψοµετρική περιγραφή των υδάτινων περιοχών εντός των ηπειρωτικών εκτάσεων, καθώς για αυτές δεν χρησιµοποιήθηκε κάποια µέθοδος µεταπεξεργασίας µε αποτέλεσµα λιµναίες και ποτάµιες περιοχές να παρουσιάζουν συστηµατικές αποκλίσεις και αδικαιολόγητες µεταβολές της υψοµετρικής τους πληροφορίας. Η συνεχής συλλογή στερεοσκοπικών εικόνων από το ραδιόµετρο ASTER της διαστηµικής αποστολής TERRA, τα σφάλµατα και συστηµατικές επιδράσεις που εντοπίστηκαν στην 1 η έκδοση του ASTER, αλλά και οι διαρκείς προσπάθειες των METI και NASA για την αναβάθµιση και βελτίωση του προϊόντος τους, οδήγησαν στην 2 η έκδοση του ASTER GDEM στις 17 Οκτωβρίου του 2011 µε αντικατάσταση της 1 ης. Η νέα έκδοση υπόσχεται την βελτίωση της πραγµατικής διακριτικής ικανότητας, την αντικατάσταση και τον περιορισµό των προβληµατικών περιοχών και την υψοµετρική ισοστάθµιση των λιµναίων και ποτάµιων περιοχών που παρουσίαζαν προβλήµατα στην προηγούµενη έκδοση του ASTER GDEM (Tachikawa T. et al, 2011). Στη δηµιουργία της 2 ης έκδοσης του ASTER GDEM προστέθηκαν δεδοµένα και από επιπλέον 260,000 στερεοσκοπικών εικόνων που λήφθηκαν µετά την 1 η έκδοση του ASTER GDEM. Ε- φαρµόστηκαν διαφορετικοί αλγόριθµοι για τον υπολογισµό της υψοµετρικής πληροφορίας από της στερεοσκοπικές εικόνες ενώ παράλληλα αφαιρέθηκε από τα δεδοµένα µία συστηµατική επίδραση της τάξης των -5 m. Όσον αφορά την διανοµή και την ψηφιακή µορφή της 2 ης έκδοσης του ASTER GDEM, δεν υπήρξαν αλλαγές σε σχέση µε την 1 η έκδοση. (πηγή:

27 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM Τα διαθέσιµα ψηφιακά µοντέλα εδάφους για τις ανάγκες της εργασίας Μετά από αναζήτηση στο διαδίκτυο και συγκεκριµένα στα επίσηµα κέντρα διανοµής δεδοµένων των παγκόσµιων ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM, οι διαθέσιµες εκδόσεις που εντοπίστηκαν ήταν οι: SRTM v1 µέσω του κέντρου διανοµής της USGS, SRTM v2 µέσω του κέντρου διανοµής της USGS, SRTM v4 µέσω του κέντρου διανοµής της CGIAR-CSI, ASTER v1 µέσω του κέντρου διανοµής ERSDAC και ASTER v2 µέσω του κέντρου διανοµής ERSDAC. Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, υπήρξε και µία 3 η έκδοση του SRTM DEM από την CGIAR-CSI που δεν ήταν διαθέσιµη κατά την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας εργασίας καθώς είχε ήδη αντικατασταθεί από την 4 η έκδοση. Όσον αφορά τις 2 εκδόσεις του ASTER GDEM, η αναζήτηση των δύο εκδόσεων πραγµατοποιήθηκε σε δύο διαφορετικές χρονικές περιόδους και έτσι βρέθηκαν και οι δύο στην διάθεση της εργασίας. Παρόλο που µε την 2 η έκδοση του ASTER GDEM υπήρξε οριστική κατάργηση της 1 ης έκδοσης, στην διάθεση της εργασίας βρέθηκαν και τα σχετικά δεδοµένα της 1 ης έκδοσης του ASTER GDEM. Στον παρακάτω πίνακα διατίθενται οµαδοποιηµένα τα χαρακτηριστικά όλων των εκδόσεων των ψηφιακών µοντέλων εδάφους ASTER και SRTM για µία περιγραφική σύγκριση των χαρακτηριστικών τους. DEM/GDEM SRTM (versions 1 & 2) SRTM (versions 3 & 4) ASTER (versions 1 & 2) Data Source SRTM SRTM ASTER/TERRA Period of data acquisition Release year 11 days 11 days From 2000 until now 2003 for 1 st version, 2005 for 2 nd version 2006 for 3 rd version, 2008 for 4 th version 2009 for 1 st version, 2011 for 2 nd version Resolution 3 arcsec (~ 90 m) 3 arcsec (~ 90 m) 1 arcsec (~ 30 m) Accuracy (st.dev.) Geodetic Coverage Global coverage % 10 m 10 m 7 ~14 m From 56 S to 60 N From 56 S to 60 N From 83 S to 83 N 80% 80% 99% Geodetic Datum WGS84/EGM96 WGS84/EGM96 WGS84/EGM96 Coordinate System Output format Tile Size Geodetic latitude and longitude Binary Raster, signed 16 bits 1 1, ( ) Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, signed 16 bits 5 5 ( ) Special values for voids for voids Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, signed 16 bits 1 1 ( ) for voids, 0 for sea water body Πίνακας 2.2 Τα χαρακτηριστικά όλων των εκδόσεων των SRTM DEM και ASTER GDEM

28 2. Τα παγκόσµια ψηφιακά µοντέλα εδάφους ASTER και SRTM Παρόµοιες εργασίες στον Ελλαδικό και Ευρωπαϊκό χώρο Από τις πρώτες εκδόσεις του SRTM DEM αλλά και του µεταγενέστερου ASTER GDEM, υπήρξε µεγάλο πλήθος εργασιών µέσω των οποίων εξετάζεται η ποιότητα και η ακρίβεια των δύο παραπάνω ψηφιακών µοντέλων εδάφους σε τοπικό και σε περιφερειακό επίπεδο. Συγκρίνοντας την υψοµετρική τους πληροφορία µε υψοµετρικά δεδοµένα από άλλες πηγές, όπως από επίγειες τεχνικές και µετρήσεις GNSS, από εναέριες φωτογραµµετρικές µεθόδους ή από επεξεργασία ψηφιακών και αναλογικών χαρτών. Κάποιες από αυτές βρίσκουν εφαρµογή σε τµήµατα του Ελλαδικού χώρου και αποτελούν µία a- priori εκτίµηση για των αποτελεσµάτων που θα προκύψουν από την παρούσα εργασία (Miliaresis G., Paraschou Ch., 2005; Nikolakopoulos K.G et al, 2006a; Nikolakopoulos, K.G., Chrysoulakis, N., 2006b; Mouratidis A. et al, 2010). Η πρώτη εργασία, όπου έχουµε ταυτόχρονη σύγκριση των υψοµετρικών δεδοµένων των δύο δορυφορικών αποστολών SRTM και TERRA/ASTER GDEM στον ελλαδικό χώρο, αφορά δύο περιοχές της Κρήτης, την περιοχή ανάµεσα στα όρη Ίδη και ίκτη και την περιοχή της Σητείας, αντίστοιχα (Nikolakopoulos K.G et al, 2006a). Η σύγκριση πραγµατοποιείται ανάµεσα στην 1 η ή 2 η έκδοση του SRTM DEM και στα υψοµετρικά δεδοµένα που προέκυψαν από την κατάλληλη επεξεργασία στερεοσκοπικών εικόνων ASTER, καθώς ή 1 η έκδοση του ASTER GDEM ήταν µεταγενέστερη της εργασίας. Οι δύο πηγές δεδοµένων εµφανίζουν επιρροές από πολλά συστηµατικά σφάλµατα και ελλείψεις δεδοµένων, ενώ η στατιστική αξιολόγηση τους παρουσιάζει αυξηµένες αριθµητικές τιµές για τα στατιστικά τους µεγέθη όσον αφορά την ακρίβεια. Σε κάθε περίπτωση πάντως, τα αποτελέσµατα της εργασίας διαφέρουν αισθητά από την ονοµαστική ακρίβεια των 16 m για το SRTM DEM. Μία παρόµοια εργασία µε περιοχή µελέτης την Αττική χρησιµοποιώντας τα ίδια διαθέσιµα προϊόντα όπως και η προηγούµενη, πραγµατεύεται την ανανέωση ισοϋψών κα- µπυλών σε τοπογραφικούς χάρτες κλίµακας 1:5000 (Nikolakopoulos, K.G., Chrysoulakis, N., 2006b). Η ανανέωση και διόρθωση είναι εφικτή χρησιµοποιώντας υψοµετρικά δεδοµένα από τις στερεοσκοπικές εικόνες ASTER µετά από κατάλληλη επεξεργασία, αποδεικνύοντας έτσι µία άλλη χρήσιµη εφαρµογή των ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Παρόµοια εργασία είχε προηγηθεί και για την περιοχή της Κρήτης µε χρήση της 1 ης έκδοσης του SRTM DEM, η οποία όπως προαναφέρθηκε εµφάνιζε πολλά προβλήµατα και δεν οδήγησε σε ικανοποιητικά αποτελέσµατα λόγω κακής ακρίβειας του ψηφιακού µοντέλου εδάφους (Miliaresis G., Paraschou Ch., 2005). Μία άλλη εργασία στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης πραγµατεύεται την σύγκριση των 4 εκδόσεων του SRTM DEM µε υψοµετρικά δεδοµένα υψηλής ακρίβειας που προέκυψαν από κινηµατικές µετρήσεις GPS. Σε αυτήν την εργασία αναγνωρίζεται η ανωτερότητα, από άποψη ποιότητας, της 4 ης έκδοσης του SRTM DEM έναντι των άλλων εκδόσεων, ενώ τα αποτελέσµατα που προκύπτουν κρίνονται ικανοποιητικά (Mouratidis A. et al, 2010). Τέλος, σε µία παρόµοια εργασία για την ευρύτερη περιοχή της Κωνσταντινούπολης, η οποία βρίσκεται πλησίον της περιοχής µελέτης της παρούσας εργασίας, γίνεται µία σύγκριση του ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER µε ένα άλλο ψηφιακό µοντέλο ε- δάφους που προέκυψε από χάρτες κλίµακας 1:5000, προϊόν εναέριας φωτογραµµετρίας. Συγκρίνοντας διαφορετικά προφίλ των δύο ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Ανάλογα της µορφολογία του προφίλ (ορεινό, πεδινό, αστικό, κ.α.)της υπό µελέτη περιοχής, η ακρίβεια του ASTER GDEM παρουσίαζε διακυµάνσεις στις τιµές του τετραγωνικού σφάλ- µατος RMS από 5 έως 15 m (Sertel E., 2010).

29 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 29 3 Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 3.1 Τα Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών Με τον όρο Γεωγραφικό Σύστηµα Πληροφοριών (Geographic Information System) περιγράφουµε µία οργανωµένη συλλογή λογισµικού, εξοπλισµού και προσωπικού µε αντικείµενο εργασίας τη συγκέντρωση, την αποθήκευση, την ανάλυση, την ενηµέρωση, την ανάκτηση και την παρουσίαση δεδοµένων που σχετίζονται µε τον χώρο (geospatial data) σε ένα ψηφιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη νέων και αυτόµατων µεθόδων συγκέντρωσης και ανάλυσης χωρικών δεδοµένων, όπως και η επιτακτική ανάγκη µελέτης και ανάδειξης σύγχρονων και περίπλοκων, κοινωνικών, οικονοµικών και πολιτικών φαινό- µενων, ώθησε τις σύγχρονες γεωεπιστήµες στην εύρεση και στη δηµιουργία ενός πλαισίου εφαρµογών µε απώτερο σκοπό τη γενική διαχείριση και την εκµετάλλευση αυτών των δεδοµένων. Ένα ολοκληρωµένο και λειτουργικό ΓΣΠ οφείλει να παρέχει όλες τις αναγκαίες δυνατότητες και λειτουργίες του προκειµένου να µπορεί να εξυπηρετεί τους συγκεκριµένους σκοπούς για τους οποίους δηµιουργήθηκε. Η γεωγραφική πληροφορία αποτελεί το προϊόν της γενικότερης διαχείρισης ενός ΓΣΠ και µπορεί να διακριθεί σε δύο είδη: την γραφική ή αλλιώς χωρική (spatial information) και την περιγραφική (attribute information). Χωρική πληροφορία αποτελεί ο προσδιορισµός της πραγµατικής θέσης και των γεωµετρικών στοιχείων των γεωγραφικών δεδοµένων, ενώ περιγραφική πληροφορία αποτελούν όλα τα χαρακτηριστικά των γεωγραφικών δεδοµένων που αφορούν ποιοτικές και ποσοτικές ιδιότητες του γεωγραφικού χώρου. Στο ψηφιακό περιβάλλον ενός ΓΣΠ, η χωρική πληροφορία αποδίδεται µέσω συντεταγµένων, ενώ η περιγραφική πληροφορία αποδίδεται µέσω εγγραφών σε ένα πίνακα µίας βάσης δεδοµένων. Ένα παράδειγµα χωρικής πληροφορίας είναι ο προσδιορισµός της θέσης και του σχήµατος όλων των νοµών του Ελληνικού κράτους, ένα παράδειγµα ποιοτικής πληροφορίας είναι η κατανοµή των χρήσεων γης ενός δήµου σε έναν χάρτη, ενώ η κατανοµή του πληθυσµού ενός κράτους ανά διοικητική περιφέρεια αποτελεί ένα παράδειγµα ποσοτικής πληροφορίας.

30 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 30 Εικόνα 3.1 Η γραφική όψη της διοικητικής διαίρεσης της ελληνικής επικράτειας κατά νοµούς Εικόνα 3.2 Τµήµα της περιγραφική όψης της διοικητικής διαίρεσης της ελληνικής επικράτειας κατά νοµούς στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap

31 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 31 Πρακτικά, ένα ΓΣΠ αποτελεί µία βάση δεδοµένων η οποία διαθέτει δύο όψεις, την γραφική ή αλλιώς χωρική και την περιγραφική. Σε κάθε χωρικό στοιχείο αντιστοιχεί ένας συγκεκριµένος κωδικός ο οποίος αποτελεί το µέσο σύνδεσης αυτού του στοιχείου µε µία µοναδική εγγραφή που υπάρχει στην αντίστοιχη περιγραφική βάση δεδοµένων. Η σχέση µεταξύ των χωρικών στοιχείων και των εγγραφών του πίνακα της περιγραφικής βάσης δεδοµένων είναι της µορφής «ένα προς ένα» και η σύνδεση µεταξύ τους πραγµατοποιείται αυτόµατα χωρίς να απαιτείται κάποια επιπλέον ενέργεια. Η χωρική πληροφορία που αξιοποιείται από ένα λογισµικό ενός ΓΣΠ εµφανίζεται άρρηκτα συνδεδεµένη µε την αντίστοιχη περιγραφική πληροφορία η οποία από µόνη της στερείται της χωρικής υπόστασης. Αυτό ακριβώς αποτελεί και την κύρια καινοτοµία των λογισµικών των ΓΣΠ σε σύγκριση µε τα σχεδιαστικά λογισµικά τύπου CAD. Μία άλλη σηµαντική καινοτοµία των ΓΣΠ αποτελεί η δυνατότητα αριθµητικών και λογικών πράξεων µεταξύ των ψηφιακών χαρτών. Η πληροφορία που αποδίδει ένας χάρτης µπορεί να συσχετίζεται µε την αντίστοιχη πληροφορία ενός άλλου χάρτη και αυτό δίνει την δυνατότητα ανάκτησης απαντήσεων, µε την βοήθεια των βάσεων δεδο- µένων που περιλαµβάνουν σε απλά ερωτήµατα, αλλά και σε ευρύτερους και πιο σύνθετους προβληµατισµούς που µπορούν να θέτουν οι εφαρµοσµένες γεωεπιστήµες. Ένα απλό παράδειγµα αποτελεί η συσχέτιση ενός χάρτη των χρήσεων γης µίας περιοχής µε τον αντίστοιχο χάρτη της εκτίµησης της αξίας ακινήτων της ίδιας περιοχής µε σκοπό την εξεύρεση ευνοϊκών προσφορών για κτηµατοµεσιτικές συναλλαγές. Εικόνα 3.3 Παράδειγµα σύνδεσης µίας γραφικής και µίας περιγραφικής πληροφορίας στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap

32 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS Το λογισµικό ArcGIS Το ArcGIS αποτελεί ένα ολοκληρωµένο πακέτο λογισµικού της εταιρείας ESRI και απευθύνεται σε όλους τους χρήστες των ΓΣΠ. ιαθέτει µία µεγάλη συλλογή εργαλείων για την εισαγωγή, την ανάλυση και την επεξεργασία των γεωγραφικών δεδοµένων και διαθέτει ένα διαβαθµισµένο περιβάλλον εργασίας που µπορεί να αφορά έναν ή περισσότερους χρήστες. Το λογισµικό ArcGIS µπορεί να εγκαθίσταται σε έναν προσωπικό υπολογιστή (ArcGIS Desktop) ή σε ένα δίκτυο υπολογιστών (ArcGIS Server) και επιτρέπει στους διάφορους χρήστες του την αξιοποίηση των επιµέρους τµηµάτων του µε σκοπό την υλοποίηση όλων των εφαρµογών GIS. Το λογισµικό ArcGIS Desktop αποτελεί την πιο διαδεδοµένη µορφή του λογισµικού ArcGIS, αφορά την χρήση του ArcGIS σε προσωπικούς υπολογιστές και διανέµεται σε τρία διαβαθµισµένα επίπεδα δυνατοτήτων, τα οποία είναι τα ArcView, ArcEditor και ArcInfo. Το πρώτο επίπεδο ArcView αποτελεί την πιο απλουστευµένη έκδοση του ArcGIS Desktop και περιορίζεται σε δυνατότητες που αφορούν την δηµιουργία, την αναζήτηση, την ενοποίηση, την ανάλυση και την παρουσίαση γεωγραφικών δεδοµένων. Το δεύτερο επίπεδο ArcEditor περιλαµβάνει το σύνολο των δυνατοτήτων του προηγούµενου επιπέδου µε επιπλέον δυνατότητες την δηµιουργία και την επεξεργασία γεωγραφικών οντοτήτων που αποθηκεύονται σε γεωγραφικές βάσεις δεδοµένων όπου µπορούν να έχουν πρόσβαση πολλοί χρήστες. Τέλος, το τρίτο και τελευταίο επίπεδο ArcInfo, το οποίο αποτελεί την πιο ολοκληρωµένη έκδοση του ArcGIS Desktop, συµπεριλαµβάνει πλήρως όλες τις λειτουργικές δυνατότητες των προηγούµενων επιπέδων και παρέχει επιπλέον τεχνικές προχωρηµένων χωρικών αναλύσεων, διαχείρισης χωρικών δεδοµένων και γεωγραφικής επεξεργασίας,. Τα κυριότερα µέρη του ArcGIS Desktop τα αποτελούν τρεις εφαρµογές που περιλαµβάνονται σε κάθε διαβαθµισµένο επίπεδο της έκδοσης του. Οι εφαρµογές αυτές είναι οι ArcMap, ArcCatalog και ArcToolbox. Η εφαρµογή ArcMap αποτελεί το κύριο περιβάλλον εργασίας για την εισαγωγή, την επεξεργασία, την ανάλυση και την παρουσίαση των γεωγραφικών δεδοµένων. Παρέχει ένα σύνολο εργαλείων για την κατασκευή διαγραµµάτων και γραφικών, καθώς και εργαλεία για τη δηµιουργία και την επεξεργασία νέων χωρικών οντοτήτων. Επίσης, η εφαρµογή ArcMap αποτελεί το περιβάλλον επεξεργασίας δεδοµένων, δηµιουργίας και εξαγωγής ψηλής ποιότητας χαρτοσυνθέσεων και προϊόντων εκτύπωσης. Η εφαρµογή ArcCatalog επιτρέπει τη διαχείριση των αρχείων στα οποία είναι αποθηκευµένα τα χωρικά και τα περιγραφικά δεδοµένα, την προεπισκόπηση αυτών των δεδοµένων αλλά και τη δηµιουργία και την επεξεργασία των µεταδεδοµένων που τα συνοδεύουν. Τέλος, η εφαρµογή ArcToolbox αποτελεί ένα πλήρες σύνολο εργαλείων για την εκτέλεση γεωγραφικών επεξεργασιών και χωρικών αναλύσεων, τη µετατροπή δεδοµένων από έναν τύπο σε άλλο, τη διαχείριση των δεδοµένων σχετικά µε το σύστηµα αναφοράς τους, την τοπολογία τους, κλπ. Για λόγους ευχρηστίας, στις νεότερες εκδόσεις του λογισµικού ArcGIS Desktop, τα εργαλεία της εφαρµογής ArcToolbox βρίσκονται πλέον ενσωµατωµένα ως σύνολο στο περιβάλλον εργασίας των άλλων δύο εφαρµογών, ArcMap και ArcCatalog αντίστοιχα.

33 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 33 Εικόνα 3.4 Το περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap Εικόνα 3.5 Το περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcCatalog

34 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS Τα συστήµατα αναφοράς στο περιβάλλον του ArcGIS Desktop Τα δεδοµένα που εισάγονται σε ένα ΓΣΠ αφορούν στοιχεία που βρίσκονται υπό µελέτη και κατέχουν µία θέση επάνω στη γήινη επιφάνεια. Ένα ΓΣΠ αποτελεί µία απεικόνιση του πραγµατικού κόσµου και οφείλει να παρέχει στους χρήστες του ακριβείς και αξιόπιστες πληροφορίες για τη θέση των στοιχείων που περιγράφει. Η αναφορά της θέσης των δεδοµένων στο περιβάλλον ενός ΓΣΠ, ως προς ένα γνωστό σύστηµα συντεταγµένων ενός γνωστού γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς, ονοµάζεται γεωαναφορά. Μέσω της γεωαναφοράς υλοποιείται η αµοιβαία σχέση µεταξύ των στοιχείων που απεικονίζονται στο ΓΣΠ και της πραγµατικής τους θέσης στην γήινη επιφάνεια. Η ενσωµατωµένη βάση δεδοµένων του ArcGIS περιέχει όλες τις αναγκαίες παραµέτρους για τον ορισµό και την αναγνώριση όλων των γνωστών γεωδαιτικών συστηµάτων αναφοράς είτε στο προβολικό είτε στο ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων. Κατά την εισαγωγή των γεωγραφικών δεδοµένων στο περιβάλλον εργασίας του ArcGIS, εισάγονται επίσης επιπλέον δεδοµένα, που καλούνται µεταδεδοµένα και χρησι- µοποιούνται για την ταύτιση, την αναγνώριση, την ανακάλυψη, την αξιολόγηση και τη διαχείριση των γεωγραφικών δεδοµένων που συνοδεύουν. Οι σχετικές πληροφορίες για τα συστήµατα αναφοράς, ως προς τα οποία αναφέρονται τα γεωγραφικά δεδοµένα που συνοδεύουν, αποτελούν ένα είδος µεταδεδοµένων και καλούνται συχνά ως χωρική α- ναφορά ή πληροφορίες προβολής Τα µεταδεδοµένα της χωρικής αναφοράς αποθηκεύονται από το ArcGIS σε ξεχωριστά αρχεία που συνοδεύουν επίσης τα αρχεία των γεωγραφικών δεδοµένων. Η αποθήκευση των χωρικών πληροφοριών αναφοράς είναι πάρα πολύ χρήσιµη γιατί παρέχει στους χρήστες, µέσω της εφαρµογής ArcCatalog, την εύκολη πρόσβαση στις εν λόγω πληροφορίες και επιτρέπει στην εφαρµογή ArcMap την ά- µεση αναγνώριση του συστήµατος συντεταγµένων των χωρικών δεδοµένων. 3.4 Τύποι αρχείων και διαχείριση δεδοµένων στο περιβάλλον του ArcGIS Η απεικόνιση της πραγµατικότητας σε ένα ψηφιακό περιβάλλον γίνεται µέσω δύο µορφών, της διανυσµατικής και της ψηφιδωτής. Στη διανυσµατική (vector) µορφή συναντούµε την ύπαρξη διακριτών οντοτήτων όπως σηµεία, γραµµές και πολύγωνα, ενώ στη ψηφιδωτή µορφή (raster) συναντούµε την ύπαρξη µίας συνεχής επιφάνειας που σχηµατίζεται από ένα σύνολο βασικών µονάδων, κανονικού ή ακανόνιστου σχήµατος και ίσου µεγέθους, που καλούνται εικονοστοιχεία (pixels). Το λογισµικό ArcGIS καλείται να διαχειριστεί ένα µεγάλο σύνολο χωρικών δεδοµένων, διανυσµατικής ή ψηφιδωτής µορφής, το οποίο µπορεί να υποστηρίζεται µε διάφορους τύπους αρχείων. Οι τύποι αρχείων που χρησιµοποιούνται, ως επί το πλείστον, για την εισαγωγή των γεωγραφικών δεδοµένων στο περιβάλλον εργασίας του λογισµικού ArcGIS είναι: οι γεωβάσεις δεδοµένων (geodatabases), τα σχηµατικά αρχεία (shapefiles), τα αρχεία θεµατικών επιπέδων (coverages), οι εικόνες (images), τα ψηφιδωτά αρχεία (raster) και τα αρχεία χωρικής απεικόνισης τύπου CAD (computer-aided design).

35 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 35 Οι γεωβάσεις δεδοµένων αποτελούν ειδικές µορφές αποθήκευσης δεδοµένων και µπορούν να συµπεριλαµβάνουν γεωγραφικά δεδοµένα διανυσµατικής αλλά και ψηφιδωτής µορφής. Στο λογισµικό ArcGIS Desktop διατίθενται διάφορες µορφές γεωβάσεων, οι οποίες διακρίνονται στις προσωπικές γεωβάσεις και στις γεωβάσεις πολλαπλών χρηστών. Ο συγκεκριµένος τύπος γεωβάσης που χρησιµοποιείται για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας είναι αυτός της προσωπικής γεωβάσης (personal geodatabase). Τα σχηµατικά αρχεία αποτελούν αρχεία δεδοµένων που περιλαµβάνουν χωρικά δεδοµένα διανυσµατικής µορφής αλλά και περιγραφικά δεδοµένα, ταυτόχρονα. Ένα σχη- µατικό αρχείο µπορεί να περιέχει χωρικά στοιχεία µόνο µίας συγκεκριµένης γεωµετρικής µορφής, όπως µόνο σηµεία, µόνο γραµµές ή µόνο πολύγωνα. Τα χωρικά στοιχεία ενός συνόλου δεδοµένων διανυσµατικής µορφής, που παρουσιάζουν πλήρη οµοιογένεια ως προς την γεωµετρική τους µορφή, καλούνται και ως οµάδα οντοτήτων (feature class). Κατά επέκταση, ένα σχηµατικό αρχείο περιέχει µόνο µία οµάδα οντοτήτων. Για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας χρησιµοποιούνται δύο σχηµατικά αρχεία. Το πρώτο σχηµατικό αρχείο αφορά 1542 τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ που βρίσκονται εντός της ηπειρωτικής Ελλάδας και το δεύτερο αρχείο αφορά τη διοικητική διαίρεση της Ελλάδας κατά νοµούς, που ταυτόχρονα σχηµατίζει και το σύνολο της ελληνικής επικράτειας. Τα αρχεία θεµατικών επιπέδων είναι τα κλασσικά αρχεία του Arc Desktop και αποτελούν βάσεις γεωγραφικών δεδοµένων οι οποίες περιλαµβάνουν τόσο χωρικά όσο και περιγραφικά δεδοµένα. Οµοίως µε τα σχηµατικά αρχεία, τα χωρικά δεδοµένα αυτών των αρχείων µπορούν να είναι µόνο διανυσµατικής µορφής. Μία από τις βασικές διαφορές ανάµεσα στα αρχεία θεµατικών επιπέδων και στα σχηµατικά αρχεία είναι ότι τα πρώτα µπορούν να περιλαµβάνουν παραπάνω από µία οµάδα οντοτήτων σε αντίθεση µε τα τελευταία που περιλαµβάνουν µόνο µία. Οι εικόνες είναι δεδοµένα ψηφιδωτής µορφής τα οποία προκύπτουν είτε από πρωτογενείς είτε από δευτερογενείς µεθόδους συλλογής δεδοµένων. Παραδείγµατα πρωτογενών µεθόδων συλλογής είναι οι λήψεις αεροφωτογραφιών και δορυφορικών εικόνων, ενώ παραδείγµατα δευτερογενών µεθόδων συλλογής είναι οι ψηφιοποιήσεις αναλογικών εικόνων, χαρτών και τοπογραφικών διαγραµµάτων. Οι εικόνες, εφόσον υποστούν τις απαραίτητες γεωµετρικές διορθώσεις, µπορούν να αποτελέσουν ένα χρήσιµο υπόβαθρο για τον σχηµατισµό σχηµατικών αρχείων ή για την ενηµέρωση χαρτών µε νέα στοιχεία τα οποία υπάρχουν στις εικόνες αυτές. Τα ψηφιδωτά αρχεία αποτελούνται από δεδοµένα ψηφιδωτής µορφής που είναι κατάλληλα για την περιγραφή γεωγραφικών φαινόµενων τα οποία µεταβάλλονται συνεχώς στο χώρο (continuous data), όπως η θερµοκρασία και τα υψόµετρα του εδάφους ή για την απόδοση θεµατικών δεδοµένων που περιλαµβάνουν διακριτές πληροφορίες στο χώρο (discrete data) όπως οι χάρτες των χρήσεων γης και οι γεωλογικοί χάρτες. Τα ψηφιδωτά αρχεία αποτελούν και αυτά εικόνες µε τη διαφορά ότι παρέχουν επιπλέον και περιγραφικές πληροφορίες. Τα ψηφιδωτά αρχεία που χρησιµοποιούνται σε αυτήν την εργασία είναι τα αρχεία των δεδοµένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER. Τα αρχεία χωρικής απεικόνισης τύπου CAD είναι ευρέως διαδεδοµένα και χρησιµοποιούνται σε ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών. Τα χωρικά δεδοµένα που µπορούν να περιλαµβάνουν είναι διανυσµατικής µορφής και µπορούν να εισάγονται στο περιβάλλον εργασίας του ArcGIS µε σκοπό την περεταίρω επεξεργασία τους ή τη µετατροπή τους σε άλλους τύπους δεδοµένων.

36 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS H προεπεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων Η προεπεξεργασία των δεδοµένων αποτελεί ένα από τα πιο χρονοβόρα στάδια αυτής της εργασίας και αφορά κυρίως την τελική µορφοποίηση των δεδοµένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER, αλλά και των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ, πριν το σηµείο όπου θα είναι εφικτή η άµεση σύγκριση των υ- ψοµετρικών πληροφοριών τους. Την προεπεξεργασία των δεδοµένων αφορούν περισσότερο τεχνικές λεπτοµέρειες σχετικές περισσότερο µε την χρήση του λογισµικού ArcGIS Desktop και όχι τόσο µε το θεωρητικό υπόβαθρο αυτής της εργασίας, αλλά σαν διαδικασία είναι απαραίτητη για την εκπόνηση της. Η εξαγωγή των επιθυµητών αποτελεσµάτων απαιτεί ένα µεγάλο πλήθος ενεργειών για την συνολική προετοιµασία των δεδοµένων πριν τις τελικές συγκρίσεις, το οποίο δεν µπορεί να αγνοηθεί. Οι ενέργειες και τα εργαλεία του λογισµικού ArcGIS Desktop που χρησιµοποιήθηκαν για την προεπεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων, παρουσιάζονται παρακάτω κατά βήµατα. Βήµα 1 ο - ηµιουργία προσωπικής γεωβάσης δεδοµένων Ένα από τα πρώτα βήµατα της προεπεξεργασίας των δεδοµένων είναι η δηµιουργία της προσωπικής γεωβάσης δεδοµένων, η οποία αποτελεί και την γενική πλατφόρµα διαχείρισης των γεωγραφικών δεδοµένων αυτής της εργασίας. Αρχικά, µέσω της εφαρµογής ArcCatalog, αναζητούµε την επιθυµητή διεύθυνση στον ηλεκτρονικό υπολογιστή µας όπου θα δηµιουργήσουµε την προσωπική γεωβάση. Στην συνέχεια, από το µενού «File» και από το υποµενού της επιλογής «New», επιλέγουµε την επιλογή «Personal Database». Η προσωπική γεωβάση δεδοµένων εµφανίζεται ως ένα καινούριο αρχείο στη συγκεκριµένη διεύθυνση και εµείς πλέον µπορούµε να της αποδώσουµε την επιθυ- µητή ονοµασία «Hellenic Data.mdb». Βήµα 2 ο - ηµιουργία σχηµατικού αρχείου για τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ Η δηµιουργία αυτού του σχηµατικού αρχείου, µέσω της εφαρµογής ArcMap, αποτελεί ένα καλό παράδειγµα για να κατανοήσουµε την ικανότητα του λογισµικού ArcGIS να συσχετίζει γραφικές και περιγραφικές πληροφορίες. Όλες οι χωρικές πληροφορίες που διαθέτουµε για τα 1542 τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ περιέχονται σε ένα αρχείο της εφαρµογής Microsoft Excel µε όνοµα «EGSA87». Το υπολογιστικό φύλλο αυτού του αρχείου περιέχει ένα ογκώδη πίνακα µε 1542 γραµµές, όσα και τα τριγωνοµετρικά σηµεία που αφορά, όπως και κάποιες στήλες που αφορούν ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά αυτών των σηµείων. Οι στήλες αυτές αφορούν πληροφορίες που έχουν να κάνουν µε: τον κωδικό αναγνώρισης των τριγωνοµετρικών σηµείων, την ονοµασία των τριγωνοµετρικών σηµείων, την τάξη τους, τις ελλειψοειδείς συντεταγµένες τους στο ΕΓΣΑ87 και το ορθοµετρικό τους υψόµετρο. Τέλος, τα δεδοµένα αυτού του υπολογιστικού φύλλου αποτελούν τις τιµές του πίνακα της βάσης δεδοµένων που θα σχηµατιστεί µέσω του σχηµατικού αρχείου των τριγωνο-

37 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 37 µετρικών σηµείων, όπου οι γραµµές του υπολογιστικού φύλλου θα αντιστοιχούν σε εγγραφές και οι στήλες σε πεδία τιµών. Μέσω της εφαρµογής ArcMap και από το µενού «File», αρχικά επιλέγουµε την επιλογή «Add Data» και στη συνέχεια, µέσω του οµωνύµου παραθύρου που εµφανίζεται, αναζητούµε την διεύθυνση όπου έχουµε αποθηκευµένο το αρχείο «EGSA87.xls». Τα αρχεία του Microsoft Excel δεν εισάγονται αυτούσια στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap αλλά µόνο κατά υπολογιστικά φύλλα. Έτσι, η εισαγωγή των επιθυ- µητών δεδοµένων γίνεται αφού επιλέξουµε το αντίστοιχο υπολογιστικό φύλλο που περιέχει τα συγκεκριµένα δεδοµένα και στη συνέχεια ενεργοποιήσουµε το κουµπί «Add». Αµέσως µετά, το υπολογιστικό φύλλο εµφανίζεται πλέον στον πίνακα των περιεχοµένων (Table Of Contents) της επιφάνειας εργασίας της εφαρµογής ArcMap. Η επόµενη ενέργεια αφορά τη χωρική οπτικοποίηση των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ µε βάση τις ελλειψοειδείς συντεταγµένες τους. Αφού επιλέξουµε εκ νέου το υπολογιστικό φύλλο, από τον πίνακα περιεχοµένων της εφαρµογής ArcMap αυτήν την φορά, µε δεξί κλικ επάνω στο εικονίδιο του, εµφανίζεται µία καρτέλα επιλογών από όπου επιλέγουµε την επιλογή «Display XY Data». Στο οµώνυµο παράθυρο που εµφανίζεται, δίνεται η δυνατότητα να επιλέξουµε ως αντίστοιχες συντεταγµένες «X Field» και «Υ Field», τις γεωδαιτικές συντεταγµένες των τριγωνοµετρικών σηµείων που περιλαµβάνονται στον πίνακα δεδοµένων του υπολογιστικού φύλλου. Σε αυτό το σηµείο επίσης, µπορούµε να αποδώσουµε στα συγκεκριµένα δεδοµένα την χωρική τους αναφορά, η οποία ταυτίζεται µε το ελλειψοειδές αναφοράς του ΕΓΣΑ87. Ενεργοποιώντας το κουµπί «Edit» στο ίδιο παράθυρο, εµφανίζεται ένα νέο παράθυρο µε τίτλο «Spatial Reference Properties» από όπου µπορούµε να ρυθµίσουµε τις πληροφορίες της χωρικής αναφοράς των συγκεκριµένων δεδοµένων. Ενεργοποιώντας το κουµπί «Select» στο νέο παράθυρο, συνδεόµαστε µε τη λίστα των διαθέσιµων ελλειψοειδών και προβολικών συστηµάτων συντεταγµένων όπου µετά από αναζήτηση στα ευρωπαϊκά ελλειψοειδή συστήµατα συντεταγµένων (Geographic Coordinate Systems/Europe), εντοπίζουµε το αρχείο «GGRS 1987.prj» το οποίο και επιλέγουµε. Στο τελευταίο παράθυρο που εµφανίζεται, παρουσιάζονται οι παράµετροι της χωρικής αναφοράς που αποδίδεται στα συγκεκριµένα δεδοµένα. Οι τιµές αυτές, όπως ακριβώς παρουσιάζονται, είναι οι: Angular Unit: Degree ( ), Prime Meridian: Greenwich ( ), Datum: D_GGRS_1987, Spheroid: GRS_1980, Semimajor Axis: , Semiminor Axis: και Inverse Flattening: , οι οποίες συµπίπτουν µε αυτές που είναι γνωστές κατά την θεωρία της Γεωµετρικής Γεωδαισίας. Αποθηκεύουµε τις επιλογές µας ενεργοποιώντας το κουµπί «OK» και επιστρέφουµε στο αρχικό παράθυρο. Αποθηκεύουµε τις επιλογές µας και σε αυτό το παράθυρο κατά τον ίδιο τρόπο. Στο προειδοποιητικό µήνυµα που εµφανίζεται στην συνέχεια, αναφέρεται η αδυναµία της επεξεργασίας των περιγραφικών στοιχείων αυτού του αρχείου καθώς δεν έχει επιλεχθεί κάποιο πεδίο τιµών ως πρωτεύον κλειδί. Για την αντι- µετώπιση αυτού του προβλήµατος, προτείνεται η εξαγωγή των δεδοµένων σε ένα σχη- µατικό αρχείο, το οποίο αποτελεί και τον τελικό στόχο αυτού του βήµατος. Αφού παρακάµψουµε το προειδοποιητικό µήνυµα, επιστρέφουµε στην επιφάνεια εργασίας της εφαρµογής ArcMap όπου πλέον διακρίνουµε την χωρική αναπαράσταση των τριγωνο- µετρικών σηµείων της ΓΥΣ.

38 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 38 Εφόσον έχουµε ρυθµίσει όλες τις απαραίτητες λεπτοµέρειες για την οπτικοποίηση και την χωρική αναφορά των δεδοµένων που αφορούν τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ, µπορούµε να συνεχίσουµε µε τη δηµιουργία του αντίστοιχου σχηµατικού αρχείου. Στον πίνακα περιεχοµένων, από την καρτέλα «Source» µεταφερόµαστε στην καρτέλα «Display» όπου εκεί εµφανίζονται όλα τα θεµατικά επίπεδα που µετέχουν στην επιφάνεια εργασίας της εφαρµογής ArcMap που στην προκειµένη περίπτωση υπάρχει µόνο το θεµατικό επίπεδο των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ. Αφού επιλέξουµε το σχετικό θεµατικό επίπεδο από τον πίνακα περιεχοµένων, µε δεξί κλικ εµφανίζουµε την καρτέλα επιλογών από όπου επιλέγουµε την επιλογή «Data» και στη συνέχεια την επιλογή «Export». Στο παράθυρο «Export Data» που εµφανίζεται, ρυθµίζουµε τις επιλογές κατά την προτίµηση µας, όπως «Export: All features» και «Use the same coordinate system as: this layer s source data», µε σκοπό να διατηρήσουµε όλα τα δεδοµένα του θεµατικού επιπέδου, αλλά και τις ίδιες πληροφορίες προβολής, στο σχηµατικό αρχείο που πρόκειται να δηµιουργηθεί. Με την ενεργοποίηση του κουµπιού εντολής «Browse», επιλέγουµε επίσης τη διεύθυνση όπου θα αποθηκευτεί το νέο αρχείο µε όνο- µα «Points.shp», όπως και την µορφή αποθήκευσης του αρχείου «Shapefile». Με την ενεργοποίηση του κουµπιού εντολής «OK», το σχηµατικό αρχείο δηµιουργείται και στο παράθυρο διαλόγου που εµφανίζεται, επιλέγουµε την προσθήκη του νεοσύστατου σχη- µατικού αρχείου στον πίνακα των περιεχοµένων. Αφού το επιλέξουµε, στην καρτέλα επιλογών που εµφανίζεται µε δεξί κλικ, επιλέγουµε την επιλογή «Open Attribute Table» και έτσι εµφανίζεται και ο πίνακας µε τα αντίστοιχα περιγραφικά δεδοµένα. Εικόνα 3.6 Τµήµα των περιγραφικών δεδοµένων του σχηµατικού αρχείου των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ στο περιβάλλον εργασίας του ArcMap

39 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 39 Εικόνα 3.7 Τα χωρικά δεδοµένα του σχηµατικού αρχείου των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ στο περιβάλλον εργασίας του ArcMap Βήµα 3 ο - Εισαγωγή σχηµατικών αρχείων στην προσωπική γεωβάση Το βήµα που ακολουθεί στην συνέχεια, περιγράφει την ένταξη των δεδοµένων των σχηµατικών αρχείων «Points.shp» και «Country.shp» στην προσωπική γεωβάση «Hellenic Data». Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, η γενικότερη διαχείριση των αρχείων µέσω του ArcGIS Desktop πραγµατοποιείται, όπως και σε αυτό το βήµα, µε τη βοήθεια της εφαρµογής ArcCatalog. Τα σχηµατικά αρχεία δεν εισάγονται αυτούσια στις γεωβάσεις δεδοµένων αλλά µετατρέπονται σε οµάδες οντοτήτων (feature classes). Με την εκκίνηση της εφαρµογής ArcCatalog, αναζητούµε την διεύθυνση όπου έχου- µε δηµιουργήσει την προσωπική γεωβάση δεδοµένων στο 1 ο Βήµα. Αφού την επιλέξουµε, στην καρτέλα επιλογών που εµφανίζεται µε δεξί κλικ, επιλέγουµε αρχικά την επιλογή «Import» και στη συνέχεια, την επιλογή «Feature Class (single)». Στο παράθυρο «Feature Class to Feature Class» που εµφανίζεται στο πρώτο πλαίσιο κειµένου µε τίτλο «Input Features», ενεργοποιώντας το κουµπί εντολής «Browse», αναζητούµε το σχηµατικό αρχείο «Points.shp» το οποίο επιθυµούµε να µετατρέψουµε σε οµάδα οντοτήτων εντός της προσωπικής γεωβάσης δεδοµένων. Στο ίδιο παράθυρο, στο τρίτο πλαίσιο κειµένου «Output Feature Class», επιλέγουµε επίσης την επιθυµητή ονοµασία της οµάδας οντοτήτων που πρόκειται να δηµιουργηθεί, η οποία µπορεί να ταυτίζεται µε αυ-

40 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 40 τήν του σχηµατικού αρχείου «Points.shp». Τέλος, απλά ενεργοποιούµε το κουµπί εντολής «ΟΚ» και η διαδικασία ολοκληρώνεται. Πλέον, τα δεδοµένα του σχηµατικού αρχείου «Points.shp» περιλαµβάνονται επίσης και στην οµάδα οντοτήτων «Points» της προσωπικής γεωβάσης δεδοµένων «Hellenic Data.mdb». Η ίδια διαδικασία ακολουθείται αντίστοιχα και για την περίπτωση των δεδοµένων του σχηµατικού αρχείου «Country.shp» Βήµα 4 ο ηµιουργία µωσαϊκού ψηφιδωτών δεδοµένων Η διανοµή των δεδοµένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER γίνεται τµηµατικά ανά γεωγραφικές περιοχές βάσει συγκεκριµένου γεωδαιτικού καννάβου. Ενδεικτικά, το µέγεθος αυτών των τµηµάτων είναι της τάξης των 5 µοιρών για το ψηφιακό µοντέλο εδάφους SRTM, ενώ για το αντίστοιχο ASTER είναι της τάξης της 1 µοίρας. Για την κάλυψη της ελληνικής επικράτειας από τα διαθέσιµα ψηφιακά µοντέλα εδάφους χρειάστηκαν αρκετά από τα τµήµατα τους καθώς αυτή καταλαµβάνει σε µία περιοχή µεγαλύτερων διαστάσεων. Τα τµήµατα αυτά αποτελούν αυτοτελή, ψηφιδωτά αρχεία που παρουσιάζουν οµοιογένεια ως προς τα χαρακτηριστικά τους και είναι πλήρως διαχειρίσιµα από το λογισµικό ArcGIS Desktop στην µορφή που διανέµονται ελεύθερα µέσω του διαδικτύου. Η συνολική διαχείριση τους κατά τµήµατα απαιτεί αρκετό χρόνο και ενέργειες ανάλογες του αριθµού αυτών των τµηµάτων µε α- ποτέλεσµα η επεξεργασία τους στα µετέπειτα στάδια της εργασίας να φαντάζει πιο περίπλοκη και κυρίως πιο χρονοβόρα. Με σκοπό την πιο εύχρηστη και πιο παραγωγική διαχείριση των αρχείων αυτού του είδους, το λογισµικό ArcGIS Desktop διαθέτει την επιλογή της οργάνωσης τους εντός των γεωβάσεων σε άλλα αυτοτελή αρχεία που καλούνται µωσαϊκά ψηφιδωτών δεδοµένων (raster datasets). Τα µωσαϊκά ψηφιδωτών δεδοµένων αποτελούν µία ενοποίηση ψηφιδωτών δεδοµένων που παρουσιάζουν την ίδια προέλευση και την ίδια µορφοποίηση, ιδανική για την περίπτωση των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Η διαδικασία της δηµιουργίας του µωσαϊκού ψηφιδωτών δεδοµένων πραγµατοποιείται χωριστά για κάθε µοντέλο εδάφους που χρησιµοποιήθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας η οποία είναι πανοµοιότυπη για το καθένα. Παρακάτω ακολουθεί ενδεικτικά η περιγραφή της δηµιουργίας του µωσαϊκού των ψηφιδωτών δεδοµένων του παγκόσµιου, ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER. Μέσω της εφαρµογής «ArcCatalog», αναζητούµε τη διεύθυνση όπου έχουµε δηµιουργήσει την προσωπική γεωβάση «Hellenic Data.mdb» και αφού την επιλέξουµε, από το µενού «File» και από το υποµενού «New» επιλέγουµε την επιλογή «Raster Dataset». Στο παράθυρο «Create Raster Dataset» που εµφανίζεται, στο πλαίσιο κειµένου «Raster Dataset Name with Extension» δηλώνουµε το όνοµα του µωσαϊκού που θέλου- µε να δηµιουργήσουµε και στο πλαίσιο επιλογών «Pixel Type» επιλέγουµε την τιµή «16_BIT_SIGNED», όπως ακριβώς αυτή προκύπτει από την µορφοποίηση (format) των ψηφιδωτών δεδοµένων που πρόκειται να σχηµατίσουν το συγκεκριµένο µωσαϊκό. Επίσης, ενεργοποιώντας το κουµπί εντολής «Browse» που βρίσκεται δίπλα από το πλαίσιο κειµένου «Spatial Reference for Raster (optional)» εµφανίζεται το γνωστό παράθυρο «Spatial Reference Properties» το οποίο δίνει την δυνατότητα να διαλέξουµε ή να αντιγράψουµε από ένα συγκεκριµένο αρχείο, τις πληροφορίες προβολής που θα ι- σχύσουν για το συγκεκριµένο µωσαϊκό ψηφιδωτών δεδοµένων. Μιας και το µωσαϊκό αποτελεί µία ενοποίηση οµογενών, ψηφιδωτών δεδοµένων, η καλύτερη επιλογή, όσον αφορά τις πληροφορίες προβολής του, είναι να του αποδώσουµε την χωρική αναφορά ενός από τα τµήµατα που καλείται να ενοποιήσει. Έτσι, ενεργοποιώντας το κουµπί ε- ντολής «Import», αναζητούµε ένα από τα ψηφιδωτά αρχεία του παγκοσµίου, ψηφια-

41 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 41 κού µοντέλου εδάφους ASTER, που µελλοντικά θα εισάγουµε στο συγκεκριµένο µωσαϊκό, µε σκοπό να έχουµε µία ανάκτηση των πληροφοριών της προβολής του ώστε να χρησιµοποιηθούν εκ των υστέρων για την ενηµέρωση της χωρικής αναφοράς του συγκεκριµένου µωσαϊκού. Βρίσκοντας και επιλέγοντας ένα από τα αντίστοιχα αρχεία, το παράθυρο «Spatial Reference Properties» ενηµερώνεται µε τις αντίστοιχες πληροφορίες προβολής που πρόκειται να αποδοθούν στο µωσαϊκό. Πρόκειται για το ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του συστήµατος αναφοράς WGS84 και οι τιµές των σχετικών παραµέτρων εµφανίζονται ως έχουν: Angular Unit: Degree ( ), Prime Meridian: Greenwich ( ), Datum: D_WGS_1984, Spheroid: WGS_1984, Semimajor Axis: , Semiminor Axis: και Inverse Flattening: Ενεργοποιώντας στην συνέχεια το κουµπί εντολής «OK» στα δύο παράθυρα, επιστρέφουµε στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcCatalog έχοντας ολοκληρώσει σε πρώτη φάση τη δηµιουργία του αρχείου του µωσαϊκού των ψηφιδωτών δεδοµένων που θα αποτελέσει την βάση όπου θα προστεθούν όλα τα ψηφιδωτά αρχεία που χρειάζονται για την κάλυψη της υπό µελέτη περιοχής που πραγµατεύεται η παρούσα εργασία. Η επόµενη ενέργεια που ακολουθεί σε δεύτερη φάση, είναι αυτή της ενηµέρωσης του µωσαϊκού από τα τµήµατα των ψηφιδωτών αρχείων του παγκόσµιου, ψηφιακού µοντέλου εδάφους ASTER. Επιλέγουµε το αρχείο του µωσαϊκού που µόλις δηµιουργήθηκε και από την καρτέλα επιλογών που εµφανίζεται µε δεξί κλικ, επιλέγουµε αρχικά την επιλογή «Load» και στη συνέχεια την επιλογή «Load Data». Στο παράθυρο «Mosaic» που εµφανίζεται, από το κουµπί εντολής «Browse» που βρίσκεται ακριβώς δίπλα από το πλαίσιο κειµένου «Input Rasters», αναζητούµε και επιλέγουµε όλα τα ψηφιδωτά αρχεία που θέλουµε να προσθέσουµε στο µωσαϊκό ψηφιδωτών δεδοµένων. Στο πλαίσιο επιλογών «Mosaic Method (optional)» επιλέγουµε την επιλογή «MEAN» και στο πλαίσιο επιλογών «Mosaic Colormap Mode (optional)» την επιλογή «MATCH» αντίστοιχα. Οι δύο ρυθµίσεις αυτές αφορούν τη µέθοδο υπολογισµού της τιµής της πληροφορίας που αποδίδουν τα τµήµατα των ψηφιδωτών αρχείων στις περιοχές όπου αυτά επικαλύπτονται και τη µέθοδο απόδοσης των χρωµατικών αποχρώσεων στο µωσαϊκό που πρόκειται να δηµιουργηθεί. Η επιλογή «MEAN» εξασφαλίζει ότι η τιµή που θα υπολογισθεί στα τυχόν επικαλυπτόµενα εικονοστοιχεία των διάφορων, ψηφιδωτών αρχείων, θα προκύψει από την εφαρµογή του µέσου όρων των τιµών για κάθε επικαλυπτόµενο εικονοστοιχείο, ενώ η επιλογή «MATCH» δεσµεύει τις χρωµατικές αποχρώσεις έτσι ώστε κάθε χρωµατική απόχρωση να αντιστοιχεί µόνο σε µία τιµή της πληροφορίας που φέρουν στο σύνολο τους τα ψηφιδωτά δεδοµένα που στην περίπτωση µας αυτή αφορά µία υψοµετρική τιµή και αντίστροφα. Ενεργοποιούµε το κουµπί εντολής «OK» και η φόρτωση των ψηφιδωτών δεδοµένων στο µωσαϊκό ξεκινάει αµέσως. Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία απλά κλείνουµε το παράθυρο «Mosaic» που παραµένει ανοιχτό. Αξίζει να σηµειωθεί ότι για την περίπτωση των ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER, όπως και για άλλα παρόµοια, ψηφιακά µοντέλα εδάφους που διανέµονται κατά τµήµατα βάσει κάποιας διανοµής, δεν αναµένεται το φαινόµενο της επικάλυψης των ψηφιδωτών αρχείων κατά τον σχηµατισµό του µωσαϊκού. Η αντίστοιχη ρύθµιση λαµβάνεται υπόψη εντελώς προληπτικά και µπορεί έως και να αγνοηθεί πλήρως χωρίς επιπτώσεις.

42 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS Μετασχηµατισµός χωρικών δεδοµένων µέσω του λογισµικού ArcGIS Τα δεδοµένα που προκύπτουν από το στάδιο της προεπεξεργασίας, δηλαδή τα µωσαϊκά των ψηφιδωτών δεδοµένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER, όπως και οι οµάδες οντοτήτων των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ και των νοµών της ελληνικής επικράτειας, δεν χρησιµοποιούν τις ίδιες πληροφορίες προβολής, καθώς σαν χωρικές πληροφορίες δεν αναφέρονται ως προς το ίδιο σύστηµα αναφοράς µε αποτέλεσµα να µην είναι εφικτή η άµεση σύγκριση των υψοµετρικών τους πληροφοριών. Όσον αφορά τη χωρική αναφορά της οριζόντιας θέσης των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους, αυτή γίνεται ως προς το ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του παγκόσµιου γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς WGS89 ενώ οι αντίστοιχες χωρικές αναφορές των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ και της επιφάνειας της ελληνικής επικράτειας γίνονται ως προς το ελλειψοειδές και το προβολικό σύστηµα συντεταγµένων του ελληνικού γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς ΕΓΣΑ87 αντίστοιχα. Οι χωρικές αναφορές αυτών των δεδοµένων µπορούν εύκολα να επαληθευτούν µε επισκόπηση των µεταδεδοµένων τους (Metadata) µέσω της εφαρµογής ArcCatalog. Ο µετασχηµατισµός των διαθέσιµων δεδοµένων σε ένα κοινό σύστηµα συντεταγµένων καθιστά δυνατή την άµεση σύγκριση των υψοµετρικών τιµών που παρέχουν τα παγκόσµια, ψηφιακά µοντέλα εδάφους SRTM και ASTER αλλά και των τιµών των ορθο- µετρικών υψοµέτρων στις θέσεις όπου βρίσκονται τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ. Το λογισµικό ArcGIS Desktop και συγκεκριµένα η εφαρµογή ArcToolbox, παρέχει εργαλεία τα οποία µπορούν να µετασχηµατίζουν γεωγραφικά δεδοµένα, διανυσµατικής ή ψηφιδωτής µορφής, στο επιθυµητό σύστηµα αναφοράς, χρησιµοποιώντας είτε το προβολικό είτε το ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων. Οι µετασχηµατισµοί αυτοί πρακτικά επιτυγχάνονται µε την δηµιουργία ενός νέου αρχείου, το οποίο παρέχει τις ίδιες πληροφορίες χρησιµοποιώντας όµως κάποιο άλλο σύστηµα συντεταγµένων για την γεωαναφορά των χωρικών δεδοµένων µέσω των νέων και µετασχηµατισµένων συντεταγ- µένων τους. Οι παράµετροι αυτών των µετασχηµατισµών δεν είναι προσβάσιµες αλλά όλοι οι µετασχηµατισµοί µπορούν να αξιολογούνται εµπειρικά βάσει των αποτελεσµάτων τους. Συγκεκριµένα για τον µετασχηµατισµό των δεδοµένων διανυσµατικής µορφής από το παγκόσµιο WGS84 προς το ελληνικό ΕΓΣΑ87 ή αντίστροφα, οι µετασχη- µατισµένες συντεταγµένες υπολογίζονται µε µία ακρίβεια της τάξης των µερικών µέτρων η οποία κρίνεται ικανοποιητική για τις ανάγκες αυτής της εργασίας. Η επιλογή του συστήµατος WGS84 αντί του ΕΓΣΑ87 για την κοινή χωρική αναφορά των διαθέσιµων δεδοµένων δεν γίνεται τυχαία και υπάρχουν συγκεκριµένοι λόγοι που οδηγούν σε αυτή. Αρχικά, από την άποψη του φόρτου εργασίας, η τελική σύγκριση των δεδοµένων διανυσµατικής µορφής των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ µε τα µωσαϊκά των ψηφιδωτών δεδοµένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER στο ελλειψοειδούς συστήµατος συντεταγµένων του WGS84 απαιτεί λιγότερους µετασχηµατισµούς δεδοµένων από την αντίστοιχη σύγκριση στο ΕΓΣΑ87. Στην πρώτη περίπτωση αρκεί µόνο ο µετασχηµατισµός των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ που αποτελούν δεδοµένα διανυσµατικής µορφής ενώ στην δεύτερη περίπτωση α- παιτούνται οι µετασχηµατισµοί όλων των διαθέσιµων µωσαϊκών των ψηφιδωτών δεδο- µένων των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Ένας δεύτερος λόγος, που ενισχύει την επιλογή του WGS84 ως κοινό σύστηµα αναφοράς όλων των δεδοµένων, αποτελεί η πολυπλοκότητα της καθαυτής διαδικασίας του µετασχηµατισµού των δεδοµένων ψηφιδωτής µορφής. Η διαδικασία αυτού του µετασχηµατισµού απαιτεί τον καθορισµό περισσότερων επιλογών και παραµέτρων από τον αντίστοιχο µετασχηµατισµό των δεδοµένων διανυσµατικής µορφής και αυτό οφείλεται

43 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 43 στην διαδικασία της επαναδειγµατοληψίας (resampling) που πρέπει να υποστούν τα εικονοστοιχεία των ψηφιδωτών δεδοµένων. Σύµφωνα µε αυτήν την διαδικασία, από τον µετασχηµατισµό του διαθέσιµου, ψηφιδωτού αρχείου προκύπτει ένα νέο, ψηφιδωτό αρχείο µε καινούρια εικονοστοιχεία, ίσου ή διαφορετικού µεγέθους και µε τιµές οι οποίες υπολογίζονται βάσει κάποιου αλγορίθµου από τις τιµές των εικονοστοιχείων του ψηφιδωτού αρχείου που µετασχηµατίζεται. Κάθε διαφορετικός αλγόριθµος αποτελεί και µία διαφορετική τεχνική επαναδειγµατοληψίας (resampling technique). Οι πιο γνωστές µέθοδοι από αυτές, οι οποίες διατίθενται και από την εφαρµογή ArcToolbox για τον µετασχηµατισµό των ψηφιδωτών δεδοµένων, είναι οι: η µέθοδος του πλησιέστερου γειτονικού σηµείου (nearest neighbor method), η µέθοδος της διγραµµικής παρεµβολής (bilinear interpolation), η µέθοδος της κυβικής παρεµβολής (cubic convolution) και η µέθοδος της γενίκευσης κατά τον κανόνα της πλειοψηφίας (majority resampling). Οι µέθοδοι της διγραµµικής και της κυβικής παρεµβολής προσφέρονται µόνο για την επαναδειγµατοληψία δεδοµένων ψηφιδωτής µορφής που περιγράφουν συνεχή δεδοµένα ενώ αντίθετα, η µέθοδος της γενίκευσης κατά τον κανόνα της πλειοψηφίας προσφέρεται για την επαναδειγµατοληψία δεδοµένων ψηφιδωτής µορφής µε διακριτό χαρακτήρα. Η µέθοδος του πλησιέστερου γειτονικού σηµείου αποτελεί την πιο γνωστή τεχνική επαναδειγµατοληψίας και η χρήση του συνίσταται µόνο για περιπτώσεις δεδοµένων διακριτού χαρακτήρα. Εντούτοις, µπορεί να χρησιµοποιηθεί επίσης µε επιφύλαξη και σε περιπτώσεις επαναδειγµατοληψίας δεδοµένων συνεχούς χαρακτήρα. Η διαδικασία του µετασχηµατισµού, άρα και της επαναδειγµατοληψίας των ψηφιδωτών δεδοµένων µέσω των εργαλείων της εφαρµογής ArcToolbox απαιτεί περισσότερη εµβάθυνση και χρήζει επιπλέον ενδιαφέροντος για περεταίρω µελέτη, η οποία δεν µπορεί να καλυφθεί πλήρως στο πλαίσιο αυτής της εργασίας. Βάσει όλων των παραπάνω, ο µετασχηµατισµός των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ από το ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του ΕΓΣΑ87 στο αντίστοιχο ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του WGS84 αποτελεί το επόµενο στάδιο της επεξεργασίας των δεδοµένων. Με σκοπό την κοινή αναφορά όλων των γεωγραφικών δεδοµένων που πραγµατεύεται η παρούσα εργασία, πραγµατοποιείται επίσης και ο µετασχη- µατισµός των νοµών της ελληνικής επικράτειας από το προβολικό σύστηµα συντεταγ- µένων του ΕΓΣΑ87 στο ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του WGS84. Η διαδικασία αυτή είναι παρόµοια για αυτά τα δύο σύνολα δεδοµένων, πραγµατοποιείται στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap µε την βοήθεια των εργαλείων της εφαρµογής ArcToolbox και περιγράφεται αµέσως παρακάτω. Στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap, προσθέτουµε, κατά την γνωστή πλέον διαδικασία, τα δεδοµένα διανυσµατικής µορφής που πρόκειται να µετασχηµατιστούν στο σύστηµα συντεταγµένων του WGS84, το οποίο χρησιµοποιούν τα µωσαϊκά των ψηφιδωτών δεδοµένων των ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER. Στην λίστα των εργαλείων της εφαρµογής ArcToolbox, αναπτύσσοντας τις διακλαδώσεις «Data Management Tools», «Projections and Transformations» και «Feature», επιλέγουµε και ενεργοποιούµε από την τελευταία διακλάδωση το εργαλείο «Project». Αν η λίστα των εργαλείων δεν είναι ενεργοποιηµένη, αυτή ενεργοποιείται από το µενού «Window» ενεργοποιώντας την επιλογή «ArcToolbox». Στο πλαίσιο επιλογών «Input Dataset or Feature Class» επιλέγουµε ένα από τα αρχεία που µόλις προσθέσαµε στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap, στο πλαίσιο κειµένου «Output Dataset or Feature Class» επιλέγουµε την διεύθυνση και το όνοµα του αρχείου που πρόκειται να δηµιουργηθεί, ενώ στο πλαίσιο επιλογών «Output Coordinate System» προσθέτουµε το

44 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 44 σύστηµα συντεταγµένων που επιθυµούµε να µετασχηµατιστούν τα συγκεκριµένα δεδο- µένα. Με την ήδη γνωστή διαδικασία που αφορά την αντιγραφή των πληροφοριών προβολής, αναζητούµε και επιλέγουµε από την γεωβάση δεδοµένων κάποιο από τα ήδη υ- πάρχοντα µωσαϊκά µε σκοπό να έχουµε µία ανάκτηση των επιθυµητών πληροφοριών προβολής τους. Τέλος, στο πλαίσιο επιλογών «Geographic Transformation (optional)» επιλέγουµε από τις διαθέσιµες επιλογές την ροή του µετασχηµατισµού από το ένα σύστηµα συντεταγµένων στο άλλο. Ενεργοποιώντας το κουµπί εντολής «OK», η διαδικασία δηµιουργίας του νέου αρχείου ολοκληρώνεται έχοντας µετασχηµατίσει στο νέο σύστηµα συντεταγµένων τα συγκεκριµένα χωρικά δεδοµένα. Με την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας επιτυγχάνουµε την κοινή αναφορά όλων των διαθέσιµων δεδοµένων στο ίδιο σύστηµα συντεταγµένων του ίδιου συστήµατος αναφοράς όπου στην περίπτωση µας αυτό είναι το ελλειψοειδές σύστηµα συντεταγµένων του παγκόσµιου γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς WGS84. Τα νέα αρχεία που περιέχουν της οµάδες οντοτήτων «Points» και «Country», µετασχηµατισµένες στο νέο γεωδαιτικό σύστηµα αναφοράς, αποθηκεύονται στην προσωπική γεωβάση δεδοµένων «Hellenic Data.mdb» µε ονόµατα «PointsWGS84» και «CountryWGS84», αντίστοιχα. Η σύγκριση των υψοµετρικών τιµών πληροφοριών που προκύπτουν από τις διάφορες διαθέσιµες πηγές δεδοµένων είναι πλέον εφικτή. Εικόνα 3.8 Κοινή παράθεση του παγκόσµιου, ψηφιακού µοντέλου εδάφους SRTM v4 και τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ στον ελλαδικό χώρο

45 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS Μεθοδολογία σύγκρισης των διαθέσιµων δεδοµένων Η σύγκριση των δύο παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER, για την συγκεκριµένη περιοχή µελέτης της παρούσας εργασίας, πραγµατοποιείται αρχικά σε ένα συγκεκριµένο σύνολο 1542 τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ. Τα ποσοτικά δεδοµένα των παραπάνω, ψηφιακών µοντέλων εδάφους δεν µπορούν να συγκριθούν άµεσα µεταξύ τους στην µορφή την οποία διατίθενται ελεύθερα στο διαδίκτυο. Για την σύγκριση αυτή απαιτείται ένα πλαίσιο σηµείων βάσει του οποίου υπολογίζονται οι υ- ψοµετρικές τιµές των ψηφιακών µοντέλων εδάφους που βρίσκονται υπό σύγκριση. Το πλαίσιο αυτό µπορεί να αποτελείται από ένα κανναβικό πλέγµα σηµείων (grid) ή από ένα σύνολο σηµείων που αντιστοιχούν σε υλοποιηµένα σταθερά σηµεία µε συγκεκριµένη θέση στον γήινο χώρο. Οι υψοµετρικές τιµές των ψηφιακών µοντέλων εδάφους, µε την βοήθεια ενός εργαλείου της εφαρµογής ArcToolbox, προστίθενται ως ποσοτικά χαρακτηριστικά στον περιγραφικό πίνακα αυτών των σηµείων όπου στην συνέχεια µπορούν να συγκριθούν αριθµητικά µεταξύ τους και να υπολογισθούν τα στατιστικά µεγέθη των διαφορών τους. Πέρα από την σύγκριση των δύο παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους στον ελλαδικό χώρο µεταξύ τους, εκκρεµεί και η ανάγκη σύγκρισης τους µε το ελληνικό υψοµετρικό δίκτυο, όπως αυτό υλοποιείται µε τα τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ τα οποία παρέχουν τιµές για τα ορθοµετρικά τους υψόµετρα. Για αυτόν τον λόγο, θεωρήθηκε σκόπιµο οι δύο αυτές συγκρίσεις να πραγµατοποιηθούν µε βάση το ίδιο πλαίσιο σηµείων, το οποίο αποτελείται από 1542 τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ που βρίσκονται στο τµήµα της ηπειρωτικής Ελλάδας και για τα οποία διατέθηκαν οι τιµές των ορθοµετρικών τους υψοµέτρων. Τα δεδοµένα που εισάγονται στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap, κατά τον γνωστό πλέον τρόπο, είναι όλα τα διαθέσιµα µωσαϊκά των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους και το αρχείο «PointsWGS84» που περιλαµβάνει την οµάδα οντοτήτων των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ, τα οποία αναφέρονται ως προς το γεωδαιτικό σύστηµα αναφοράς WGS84. Τα ψηφιακά δεδοµένα των παγκόσµιων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους SRTM και ASTER, παρέχουν υψοµετρικές πληροφορίες βάσει ενός ψηφιδωτού χαρτογραφικού πλέγµατος, κλίµακας 1:1, το οποίο αποτελείται από ψηφίδες ίσων διαστάσεων. Οι ψηφίδες αυτές, στην περίπτωση του SRTM έχουν µέγεθος 3 3 arcsec (~ m), ενώ στην περίπτωση του ASTER, 1 1 arcsec (~ m) αντίστοιχα. Στο κέντρο της κάθε ψηφίδας του πλέγµατος αποδίδεται και µία υψοµετρική τιµή ενώ το σύνολο των κέντρων των ψηφίδων µαζί µε τις σχετικές θέσεις τους, περιγράφουν την συνολική υψοµετρική πληροφορία που περιέχει ένα ψηφιακό µοντέλο ε- δάφους. Όπως είναι αναµενόµενο, τα 1542 τριγωνοµετρικά σηµεία της ΓΥΣ δεν µπορούν να συµπίπτουν απαραίτητα στα κέντρα των ψηφίδων των ψηφιακών µοντέλων εδάφους. Έτσι ο ζητούµενος υπολογισµός της υψοµετρικής τιµής των ψηφιακών µοντέλων εδάφους σε καθένα από τα τριγωνοµετρικά σηµεία µπορεί να γίνεται είτε µέσω κάποιας παρεµβολής (interpolation) είτε µε βάση την υψοµετρική τιµή του κέντρου της ψηφίδας στην οποία περιλαµβάνεται χωρικά το καθένα, αποφεύγοντας οποιονδήποτε τύπο παρεµβολής. Το εργαλείο της εφαρµογής ArcToolbox, που χρησιµοποιείται για αυτήν την διαδικασία, ονοµάζεται «Extract Values to Points» και ανήκει στην οµάδα εργαλείων «Spatial Analyst Tools» της εφαρµογής ArcToolbox, η οποία περιέχει τα πιο εξειδικευµένα εργαλεία για την διαχείριση των ψηφιακών χαρτών. Πρακτικά παρέχει δύο τρόπους υ- πολογισµού των υψοµετρικών τιµών στα επιλεγµένα σηµεία είτε µε εφαρµογή παρεµβολής είτε χωρίς, αντίστοιχα. Ο τύπος της παρεµβολής που χρησιµοποιείται από το λογισµικό για τον υπολογισµό των υψοµετρικών τιµών, εφόσον επιλεχθεί για την εφαρµο-

46 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 46 γή του, είναι αυτός της διγραµµικής παρεµβολής σύµφωνα µε την οποία η υψοµετρική τιµή υπολογίζεται συνδυάζοντας τις υψοµετρικές τιµές που αντιστοιχούν στα κέντρα των τεσσάρων εγγύτερων ψηφίδων. Έστω ότι στο παρακάτω σχήµα απεικονίζεται ένα τµήµα ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους. Τα σηµεία K 11, K 12, K 21 και K 22 αποτελούν τα κέντρα των τεσσάρων πλησιέστερων ψηφίδων στο σηµείο Μ για τα οποία διατίθενται υψοµετρικές τιµές και το ζητούµενο είναι ο υπολογισµός της υψοµετρικής του τιµής στο σηµείο Μ µε εφαρµογή της µεθόδου της διγραµµικής παρεµβολής. Η διαδικασία του υπολογισµού είναι η εξής. Αρχικά, µέσω γραµµικής παρεµβολής µεταξύ των σηµείων K 11 και K 21, υπολογίζεται η υψοµετρική τιµή στο σηµείο Ρ 1. Στην συνέχεια, κατά όµοιο τρόπο µεταξύ των σηµείων K 22 και K 12, υπολογίζεται η υψοµετρική τιµή στο σηµείο Ρ 2. Τέλος, εφαρµόζοντας την γραµµική παρεµβολή µεταξύ των σηµείων Ρ 1 και Ρ 2, πολύ εύκολα υπολογίζουµε την υψοµετρική τιµή στο σηµείο Μ το οποίο είναι και το ζητούµενο. Στην περίπτωση όπου ο υπολογισµός της υψοµετρικής τιµής του σηµείου Μ δεν γίνει µε εφαρµογή της διγραµµικής παρεµβολής, η υψοµετρική τιµή που αποδίδεται στο σηµείο Μ είναι ίση µε την υψοµετρική τιµή του πλησιέστερου κέντρου ψηφίδας ή βάσει διαφορετικής διατύπωσης, µε την υψοµετρική τιµή του κέντρου της ψηφίδας στο οποίο χωρικά ανήκει. Στο παράδειγµα του παρακάτω σχήµατος και στην περίπτωση υπολογισµού της υψοµετρικής τιµής στο σηµείο Μ χωρίς εφαρµογή της διγραµµικής παρεµβολής, η υψοµετρική τιµή που αποδίδεται στο σηµείο Μ είναι ίση µε την υψοµετρική τιµή που αποδίδεται στο σηµείο K 12. Αυτό συµβαίνει καθώς το σηµείο K 12 είναι το πλησιέστερο κέντρο ψηφίδας στο σηµείο Μ ή αλλιώς, το σηµείο M ανήκει χωρικά στην ψηφίδα µε κέντρο το σηµείο K 12. y 2 Κ 12 Ρ 2 Κ 22 y Μ Κ 11 y 1 Ρ 1 Κ 21 x 1 x x 2 Εικόνα 3.9 Εφαρµογής της διγραµµικής παρεµβολής σε ψηφίδες ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους µε σκοπό τον υπολογισµό της υψοµετρικής τιµής σε τυχαίο σηµείο

47 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 47 Στο περιβάλλον εργασίας της εφαρµογής ArcMap λοιπόν, έχοντας ήδη εισάγει τα σχετικά δεδοµένα, ενεργοποιούµε το εργαλείο «Extract Values to Points» που εντοπίζεται πολύ εύκολα αναπτύσσοντας τις διακλαδώσεις των εργαλείων ArcToolbox «Spatial Analyst Tools» και «Extraction». Στο οµώνυµο παράθυρο που εµφανίζεται εµφανίζονται τρία σύνθετα πλαίσια κειµένων. Στο πρώτο πλαίσιο, µέσω του κουµπιού εντολής «Browse» αναζητούµε και επιλέγουµε την οµάδα οντοτήτων µε τα σηµεία στα οποία θα γίνει η εξαγωγή της υψοµετρικής πληροφορίας των ψηφιακών µοντέλων εδάφους, που στην περίπτωση µας αυτή περιλαµβάνεται από το αρχείο «PointsWGS84». Στο δεύτερο πλαίσιο, αναζητούµε και επιλέγουµε, κατά τον όµοιο τρόπο ή απλώς επιλέγουµε από τις ήδη υπάρχουσες επιλογές, το µωσαϊκό του πρώτου ψηφιακού µοντέλου εδάφους του οποίου θα εξάγουµε την υψοµετρική πληροφορία, έστω και στο τρίτο πλαίσιο απλώς επεξεργαζόµαστε την διεύθυνση και το όνοµα του νέου αρχείου που θα δηµιουργηθεί. Το νέο αρχείο θα αποτελεί µια νέα οµάδα οντοτήτων που θα περιλαµβάνει όλα τα γραφικά και περιγραφικά δεδοµένα της οµάδας οντοτήτων «PointsWGS84» που επιλέχθηκε στο πρώτο σύνθετο πλαίσιο κειµένου, συµπεριλαµβανοµένου και των υψοµετρικών τιµών που θα αποδοθούν από το ψηφιακό µοντέλο εδάφους σε αυτά τα σηµεία. Τέλος, από τις δύο προαιρετικές επιλογές που συνυπάρχουν στο ίδιο παράθυρο, η πρώτη αφορά την εφαρµογή της διγραµµικής παρεµβολής. Ενεργοποιώντας την επιλογή «Interpolate values at the point locations (optional)» το εργαλείο εφαρµόζει την διγραµµική παρεµβολή για τον υπολογισµό των υψοµετρικών τιµών ενώ στην αντίθετη περίπτωση την αγνοεί µε αποτέλεσµα όσα παρουσιάστηκαν στο προηγούµενο παράδειγµα. Ενεργοποιούµε αυτήν την επιλογή και παράλληλα µετατρέπουµε την διεύθυνση και το όνοµα του νέου αρχείου σε «D:\Hellenic Data\Hellenic Data.mdb\Extract_Points_Checked», συµβολίζοντας έτσι ότι η επιλογή για την διγραµµική παρεµβολή είναι ενεργοποιηµένη. Ενεργοποιώντας το κουµπί εντολής «OK», το παράθυρο κλείνει και µετά από σύντοµο χρονικό διάστηµα η διαδικασία ολοκληρώνεται. Το νεοϊδρυθέν αρχείο προστίθεται µε την σειρά του στον πίνακα περιεχοµένων της εφαρµογής ArcMap. Ο απώτερος σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η συγκέντρωση των υψοµετρικών τιµών που αποδίδονται από όλα τα µωσαϊκά των διαθέσιµων, ψηφιακών µοντέλων εδάφους στον περιγραφικό πίνακα των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ µε την µορφή ποσοτικών πληροφοριών ώστε στην συνέχεια να είναι εφικτή η σύγκριση τους ως τιµές πινάκων. Για αυτόν τον λόγο, η παραπάνω διαδικασία εκτελείται εκ νέου χρησιµοποιώντας το επόµενο διαθέσιµο µωσαϊκό µε την διαφορά ότι το αρχείο της οµάδας οντοτήτων που θα χρησιµοποιηθεί για την εισαγωγή των υψοµετρικών τιµών θα είναι αυτό που µόλις τελευταίως δηµιουργήθηκε, εξασφαλίζοντας έτσι την συγκέντρωση όλων των υψοµετρικών τιµών σε ένα αρχείο. Καθώς όµως υπάρχει η δυνατότητα δύο επιλογών- µεθόδων για τον υπολογισµό των υψοµετρικών τιµών στα 1542 τριγωνοµετρικά της ΓΥΣ, κρίνεται σκόπιµη η διαφοροποίηση των συγκρίσεων, άρα και των αντίστοιχων αποτελεσµάτων τους, σε αυτές που βασίζονται στον υπολογισµό υψοµετρικών τιµών από τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους µέσω διγραµµικής παρεµβολής και σε αυτές που την αγνοούν. Κατά επέκταση, αφού ολοκληρωθεί η όλη διαδικασία µε την συγκέντρωση των υψοµετρικών τιµών από όλα τα διαθέσιµα µωσαϊκά σε ένα αρχείο, η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται εξολοκλήρου για την δηµιουργία ενός νέου αρχείου το οποίο θα περιλαµβάνει τις υψοµετρικές τιµές που προκύπτουν από τα διαθέσιµα µωσαϊκά των ψηφιακών µοντέλων εδάφους χωρίς την εφαρµογή της διγραµµικής παρεµβολής. Η µόνη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι η επιλογή «Interpolate values at the point locations (optional)» θα είναι καθολικά απενεργοποιηµένη. Το αρχείο αυτό ονοµάζεται ως «Extract_Points_Unchecked».

48 3. Επεξεργασία χωρικών δεδοµένων µε την βοήθεια του λογισµικού ArcGIS 48 Αξίζει να σηµειωθεί ότι µε την κάθε εφαρµογή του εργαλείου «Extract Values to Points», προστίθεται µία νέα στήλη στον περιγραφικό πίνακα των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ η οποία περιέχει υψοµετρικές τιµές προερχόµενες από ένα ψηφιακό µοντέλο εδάφους. Για κάθε εφαρµογή αυτής της διαδικασίας, το όνοµα της στήλης αυτής παραµένει το ίδιο και αυτό δηµιουργεί πρόβληµα στον περιγραφικό πίνακα των ση- µείων καθώς δεν επιτρέπεται η συνύπαρξη δύο στηλών µε το ίδιο όνοµα. Για την αποφυγή αυτού του προβλήµατος, πριν από κάθε επόµενη εκτέλεση της διαδικασίας, είναι αναγκαία µία τροποποίηση στον περιγραφικό πίνακα των σηµείων. Η τροποποίηση αυτή αφορά την δηµιουργία µίας νέας στήλης µε ένα διαφορετικό όνοµα και την αντιγραφή σε αυτήν όλων των περιεχοµένων της στήλης που προέκυψε από την παραπάνω διαδικασία. Έτσι, µε την νέα εκτέλεση της διαδικασίας αποφεύγεται η δηµιουργίας µίας νέας στήλης µε όνοµα το οποίο χρησιµοποιείται ήδη και η εκτέλεση αυτή είναι επιτυχής. Στην αντίθετη περίπτωση, η διαδικασία δεν ολοκληρώνεται και το πρόγραµµα εµφανίζει το αντίστοιχο προειδοποιητικό µήνυµα. Εικόνα 3.10 Τµήµα του περιγραφικού πίνακα των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ µαζί µε τις υψοµετρικές τιµές που τους αποδίδονται από τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους µε εφαρµογή παρεµβολής Εικόνα 3.11 Τµήµα του περιγραφικού πίνακα των τριγωνοµετρικών σηµείων της ΓΥΣ µαζί µε τις υψοµετρικές τιµές που τους αποδίδονται από τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους χωρίς εφαρµογή παρεµβολής