Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων. Πολιτιστικών Αγαθών. Α. Γεωργόπουλος & Χ. Ιωαννίδης Εργαστήριο Φωτογραμμετρίας. Εισαγωγή

Transcript

1 Γεωμετρική Τεκμηρίωση Πολιτιστικών Αγαθών Α. Γεωργόπουλος & Χ. Ιωαννίδης Εργαστήριο Φωτογραμμετρίας Σχολή Αγρ.. & Τοπογράφων Μηχ. ΕΜΠ ιήμερο Συνέδριο προσωπικού του Τμήματος Αναδασμού, ΚΕΓΕ Αγρού, 17-18/11/2008 Εισαγωγή Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Ορισμοί Σύγχρονες μέθοδοι 2D και 3D απεικονίσεις Εφαρμογές

2 Αναγκαιότητα Εξωραϊσμός = Υποχρέωση Φροντίδα Περιβάλλοντος χώρου Αναβάθμιση Ποιότητας Ζωής Σκοπιμότητα για τη διατήρηση & ανάδειξη των πολιτιστικών αγαθών Αρμοδιότητα του Τμήματος Αναδασμού + Τμήματος Αρχαιοτήτων Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων ή Αποτυπώσεις μεγάλων κλιμάκων Μνημεία ιεθνής εοντολογία Αναγκαιότητα αποτύπωσης Τεκμηρίωσης (Χάρτης της Βενετίας,, 1964) Η Γεωμετρική τεκμηρίωση ως υποσύνολο της συνολικής τεκμηρίωσης ενός Μνημείου Αρχεία Μνημείων Συστήματα πληροφοριών για πολιτιστικά αγαθά

3 Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Η γεωμετρική τεκμηρίωση ενός μνημείου είναι η διαδικασία συλλογής, επεξεργασίας, απόδοσης και καταχώρισης στοιχείων για τον προσδιορισμό της θέσης και της πραγματικής μορφής, σχήματος και μεγέθους ενός μνημείου στο χώρο των τριών διαστάσεων σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Η γεωμετρική τεκμηρίωση καταγράφει το παρόν των μνημείων, όπως αυτό προέκυψε στην πορεία του χρόνου και είναι αναγκαίο υπόβαθρο τόσο στις μελέτες εκείνων που μελετούν το παρελθόν τους, όσο και στις μελέτες εκείνων που φροντίζουν για το μέλλον τους. Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Η Γεωμετρική Τεκμηρίωση των Μνημείων με την Τοπο- Φωτογραμμετρική μεθοδολογία συνίσταται στην ορθή προβολή ενός κατάλληλα επιλεγμένου συνόλου σημείων σε (συνήθως) οριζόντια και κατακόρυφα επίπεδα, ώστε να αποδοθούν, με τον καλύτερο τρόπο, όλες οι γεωμετρικές ιδιότητες του μνημείου

4 Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Μέθοδοι γεωμετρικής τεκμηρίωσης: Τοπομετρική Τοπογραφική Φωτογραμμετρική Επίγειες Σαρώσεις Laser Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Στις αποτυπώσεις μνημείων έχουν εφαρμογή: οι απλές τοπομετρικές μέθοδοι (καθόλου ή μερικώς ελεγχόμενες αποτυπώσεις) οι τοπογραφικές και φωτογραμμετρικές μέθοδοι (πλήρως ελεγχόμενες αποτυπώσεις) Οι τοπομετρικές μέθοδοι εφαρμόζονται μόνο εκεί όπου οι διαστάσεις και η πολυπλοκότητα του αντικειμένου το επιτρέπουν, εκεί όπου μια μη ελεγχόμενη μικρής ακρίβειας αποτύπωση είναι ανεκτή ή συμπληρωματικά με τις μεθόδους πλήρως ελεγχόμενων αποτυπώσεων

5 Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Τοπογραφική Φωτογραμμετρική Τοπομετρική Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Οι τοπογραφικές και φωτογραμμετρικές μέθοδοι: Βασίζονται σε άμεσες μετρήσεις μηκών και γωνιών είτε στο αντικείμενο είτε σε φωτογραφίες Προσδιορίζουν τρισδιάστατες συντεταγμένες σε ενιαίο σύστημα αναφοράς Εξασφαλίζουν προδιαγεγραμμένη και ενιαία ακρίβεια Παρέχουν προσαρμοστικότητα και ευελιξία, αλλά και ταχύτητα, ασφάλεια και αποδοτικότητα Είναι οι οικονομικότερες, με την έννοια ότι είναι οι μόνες που μπορούν να ικανοποιήσουν με ασφάλεια τις οποιεσδήποτε προδιαγραφές με το μικρότερο δυνατό συνολικό κόστος και τη μεγαλύτερη ωφέλεια

6 Γεωμετρική Τεκμηρίωση Τεκμηρίωση Μνημείων Αναγνώριση Μνημείου - Αυτοψία Ιστορική & Αρχαιολογική Τεκμηρίωση Αρχιτεκτονικά & Δομικά Δεδομένα Χαρακτηριστικά του Μνημείου: Μέγεθος - Έκταση Θέση Περιβάλλων χώρος Υλικά κατασκευής Πολυπλοκότητα Ανάγλυφο Καθορισμός σχεδίων & παραδοτέων Καθορισμός σχεδίων λεπτομερειών Προσαρμογή γενικών προδιαγραφών για κάθε μνημείο Επιλογή κλίμακας Καθορισμός αναλυτικότητας - λεπτομέρειας Επιλογή Μεθοδολογίας και Εξοπλισμού Ανάγκες Χρηστών ΤΕΧΝΙΚΗ ΣΥΓΓΡΑΦΗ ΥΠΟΧΡΕΩΣΕΩΝ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΠΑΙΘΡΟΥ Ίδρυση, Μέτρηση και Επίλυση Δικτύου Πολυγωνομετρικών, Τοποσταθερών και Φωτοσταθερών σημείων Μετρήσεις παρακολούθησης Γεωδαιτικές μετρήσεις * Μετρητικές και * μικρομετακινήσεων και σημείων τομών και Τεκμηριωτικές λήψεις παραμορφώσεων λεπτομερειών Π Π Π Σαρώσεις με laser * Αναλόγως προδιαγραφέντων παραγώγων * Π ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΓΡΑΦΕΙΟΥ Π Υπολογισμοί Προσανατολισμοί εικόνων Αναγωγές Ορθοφωτογραφίες - Φωτομωσαϊκά Απόδοση γραμμών τομής Στερεοσκοπικές αποδόσεις Μονοεικονικές αποδόσεις Γραμμικά Σχέδια Π Συστήματα πληροφοριών Ειδικές Προδιαγραφές Αποτελέσματος Π Εικονιστικά παράγωγα Αναπτύγματα ΤΕ ΤΕΛ Π 3D απεικονίσεις Π Π Π Π Π ΤΕ Γεωμετρική Τεκμηρίωση Μνημείων Ιστορική & Αρχαιολογική Τεκμηρίωση Μνημείου Απαιτήσεις Αποτύπωσης Κλίμακα Ακρίβεια - Λεπτομέρεια ιαθέσιμος εξοπλισμός Επιλογή Μεθοδολογίας Τοπομετρική Τοπογραφική Φωτογραμμετρική Κόστος Χρόνος Το Μνημείο Έκταση Μέγεθος Πολυπλοκότητα Ανάγλυφο Θέση Περιβάλλων χώρος Γραμμικά Σχέδια Επιλογή Εξοπλισμού Αποτύπωση Εικονιστικά Παράγωγα 3D απεικονίσεις

7 Τοπογραφική Φωτογραμμετρική Μεθοδολογία Τι ακριβώς κάνουν οι Τοπογράφοι ;; Προσδιορίζουν Το σχήμα Το μέγεθος και... Τη θέση αντικειμένων στο χώρο των 3D Τοπογραφική Φωτογραμμετρική Μεθοδολογία... με τη χρήση κατάλληλων εργαλείων, όπως Αμεσες μετρήσεις μηκών Αμεσες μετρήσεις γωνιών κ.τ.λ.... με στόχο τον έμμεσο προσδιορισμό συντεταγμένων σημείων του αντικειμένου. Ένα τέτοιο εργαλείο είναι και η Φωτογραμ γραμμετρίαμετρία φως γραμμή μετρώ

8 Ορισμοί Φωτογραμμετρία είναι η τέχνη, επιστήμη και τεχνική απόκτησης αξιόπιστων μετρητικών πληροφοριών για φυσικά αντικείμενα και το περιβάλλον, μέσω διαδικασιών καταγραφής, μέτρησης και ερμηνείας φωτογραφικών εικόνων, προτύπων ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και άλλων φαινομένων... ή αλλιώς...

9 Ορισμοί Εικόνα είναι η αναπαράσταση αντικειμένων σε επίπεδη επιφάνεια... Με άπειρο αριθμό σημείων (συνεχής ή αναλογική εικόνα) ή Με πεπερασμένο αριθμό σημείων (διακριτή ή ψηφιακή εικόνα), των οποίων είναι γνωστή (a) η θέση (x, y) και (β) η τιμή του γκρίζου τόνου (ή το χρώμα) ) f(x,y) Ψηφιακή Εικόνα

10 Επεξήγηση Μηχανισμού Προσομοίωση της ανθρώπινης όρασης B A C Μαθηματική γεωμετρική περιγραφή ενός φυσικού φαινομένου... δηλαδή στην ουσία... Χ, Υ, Ζ σημείων Γραμμικό σχέδιο Εικονιστικό προϊόν

11 Συλλογή Πληροφορίας ή Φωτογραφικές Μηχανές Πλατφόρμες λήψης Φακός λήψη των φωτογραφιών Φιλμ Φως Φίλτρο Μηχανές Αεροφωτογράφισης

12 Σύστημα Αεροφωτογράφισης Επίγειες Μετρητικές Μηχανές Αρχιτεκτονικές & Αρχαιολογικές εφαρμογές Εφαρμογές Εγγύς Φωτογραμμετρίας

13 Επίγειες Μετρητικές Μηχανές Μεμονωμένες μετρητικές μηχανές Φωτοθεοδόλιχα Στερεοκάμερες Πλατφόρμες Λήψης Οι τρόποι για ανάρτηση και τοποθέτηση της φωτογραφικής μηχανής σε συγκεκριμένο σημείο στο χώρο περιορίζονται μόνο από τη φαντασία! Η φωτογραφική μηχανή μπορεί να ανυψωθεί από μερικά μέτρα έως μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα με τη βοήθεια...

14 Πλατφόρμες Λήψης Hello!! Πλατφόρμες Λήψης Αερόστατα Καλαθοφόρο όχημα Αερομοντέλα

15 Πλατφόρμες Λήψης Ειδικές κατασκευές Αετοί Ελικόπτερα Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Μιαεικόναείναι: Κεντρική Προβολή 2D προβολή του 3D χώρου Το επιθυμητό τελικό προϊόν είναι: Ορθή προβολή 2D προβολή του 3D χώρου

16 Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Φωτογραμμετρία είναι ουσιαστικά- ο μετασχηματισμός της κεντρικής προβολής σε ορθή ΚΠ ΟΠ Το βασικό πρόβλημα αυτού του μετασχηματισμού είναι το γεγονός ότι η τρίτη διάσταση δεν ανιχνεύεται εύκολα στην 2D εικόνα 2D? 3D Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Το πρόβλημα της χαμένης τρίτης διάστασης δεν υφίσταται, όταν το αντικείμενο δεν διαθέτει τρίτη διάσταση, δηλ. όταν είναι ένα επίπεδο αντικείμενο!! Στην περίπτωση αυτή στην 2D εικόνα εμφανίζεται ένα 2D αντικείμενο. Ετσι ο μετασχηματισμός είναι αντιστρέψιμος. 2D! Αναγωγή 2D

17 Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Αναγωγή καλείται ο προβολικός μετασχηματισμός της εικόνας ενός 2D αντικειμένου σε ορθή προβολή X, Y a1 X + a2 Y + a3 x = a X + a Y a4 X + a5 Y + a y = a X + a Y x, y Παράδειγμα εφαρμογής - Αναγωγή 1/2 Αρχική εικόνα Ανηγμένη Αντίθεση - Φωτεινότητα Επέμβαση στα pixel

18 Παράδειγμα εφαρμογής - Αναγωγή 2/2 Παραγωγή δυαδικής (binary) εικόνας Επεξεργασία ψηφιδωτό διανυσματικό (raster to vector) Φωτογραμμετρική αναγωγή (ψηφιακή) Αρχική εικόνα Λογισμικά Ψηφιακής Αναγωγής Ορθή Προβολή

19 Μονοεικονική Αναγωγή Αποτύπωση του Καθολικού της Μονής του Προφήτη Ηλία - ήμου Κεντρικού Ζαγορίου Βόρεια όψη Γενικές διαστάσεις: : 16.6 (μήκος) x 8.38 (ύψος) Ψηφιακή αναγωγή

20 Βόρεια όψη (φωτομωσαϊκό) Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Στην περίπτωση ενός 3D αντικειμένου, ο μετασχηματισμός από τις 2D της εικόνας στις 3D του χώρου είναι αδύνατος και έτσι... η Επιστήμη αναζητά βοήθεια από τη Φύση!! Η στερεοσκοπική όραση χρησιμοποιείται, ώστε να εκμεταλλευθούμε την ικανότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου να αντιλαμβάνεται και να ανιχνεύει το βάθος από δύο επικαλυπτόμενες εικόνες

21 Εξαγωγή μετρητικής πληροφορίας Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται με τη βοήθεια κατάλληλων φωτογραμμετρικών οργάνων. Τα όργανα αυτά στην πραγματικότητα επιλύουν συνεχώς το πρόβλημα της εμπροσθοτομίας στο χώρο, προσδιορίζοντας με αυτόν τον τρόπο τις X, Y και Z κάθε σημείου που σκοπεύεται στερεοσκοπικά. Αναλυτικά όργανα Αναλογικές εικόνες Υπολογισμοί σε PC Γραμμικά σχέδια Ψηφιακά όργανα Ψηφιακές εικόνες Υπολογισμοί σε PC Γραμμικά σχέδια και εικονιστικά προϊόντα Φωτογραμμετρικά όργανα Θα ήταν επιθυμητή η εκμετάλλευση της δυνατότητας της στερεοσκοπικής αντίληψης, ώστε να μπορούμε να προσδιορίζουμε συνεχώς σημεία στο χώρο, αλλά και τις λεπτομέρειες που αυτά συναποτελούν αποδίδοντας τις γραμμές που τα ενώνουν. Αυτό ακριβώς επιτυγχάνεται με τα φωτογραμμετρικά όργανα στερεοσκοπικής απόδοσης

22 Φωτογραμμετρικά όργανα Εικόνες αναλογικές ψηφιακές Αριθμητικά δεδομένα X Y Z c, x o, y o, r ορθές προβολές Είσοδος εδομένων Κύρια μέρη συστήματος φωτογραμμετρικής απόδοσης Μονάδα Παρατήρησης Αλγόριθμος μετατροπής 2D 3D Μονάδα Εξόδου Μονάδα Επικοινωνίας

23 Ψηφιακά φωτογραμμετρικά συστήματα Κανένα κινούμενο μέρος Απλούστατα οπτικά συστήματα Γεωμετρική τεκμηρίωση Καθολικού Ι.Μ. αφνίου

24 Παραδοτέα Οριζόντιες τομές σε πέντε στάθμες και άνοψη σε 1:25 4 εξωτερικές όψεις σε 1:25 10 εγκάρσιες και 10 κατά μήκος τομές-όψεις σε 1:25 Ορθές προβολές των επιπέδων ψηφιδωτών σε 1:5 Αναπτύγματα των μη επιπέδων ψηφιδωτών σε 1:5 Βάση δεδομένων για τις εξωτερικές όψεις Γραμμικά αρχιτεκτονικά σχέδια και Ορθές εικονιστικές προβολές Εργασίες συλλογής δεδομένων

25 Αποτελέσματα 1. Αρχιτεκτονικά σχέδια 1:25 Αποτελέσματα 2. Εικονιστικά παράγωγα 1:25

26 Αποτελέσματα 2. Εικονιστικά παράγωγα 1:25 Συνδυασμός δεδομένων 3D ψηφιακά γραμμικά σχέδια + 2D εικονιστικά παράγωγα

27 Αποτελέσματα 3. Ορθές προβολές ψηφιδωτών 1:5 Αποτελέσματα 4. Αναπτύγματα ψηφιδωτών 1:5

28 Αναπτύγματα Σύμμορφη προβολή Mollweide Ορθοφωτογραφία 45 ο Πλάγια Μερκατορική προβολή Ιδιαιτερότητες αποτυπώσεων σε μεγάλη κλίμακα Πολύπλοκα αντικείμενα Κοντινές αποστάσεις λήψης Μεγάλες διαφορές αναγλύφου σε σχέση με την απόσταση λήψης Μεγάλες απαιτήσεις ακριβείας ιαφορετικά συστήματα αναφοράς Απαιτήσεις για εναλλακτικά προϊόντα

29 Συμβολή της πληροφορικής Αυτοματισμός Βελτίωση ταχύτητας και ακρίβειας Εξελίξεις στον εξοπλισμό Καινούρια ψηφιακά προϊόντα Συνδυασμός δεδομένων από διαφορετικές πηγές Ορθοφωτογραφίες 3D μοντέλα Πολυμεσικές οπτικοποιήσεις Νέες χρήσεις για 3D ψηφιακά δεδομένα Παρακολούθηση Αρχειοθέτηση Εμπορικότητα Κίνητρα Τρισδιάστατες απεικονίσεις Μείωση της απόστασης μεταξύ πραγματικότητας και εικονικότητας Καλύτερη γεωμετρική ερμηνεία του μνημείου Ολοκλήρωση πλήθους πληροφοριών Παραγωγή 2D από 3D προϊόντα κατά βούληση ιευκόλυνση 3D τηλε - επισκέψεων ιερεύνηση νέων χρήσεων για τα συμβατικά ψηφιακά φωτογραμμετρικά παράγωγα (π.χ. τα ορθοφωτομωσαϊκά)... ή αλλιώς... Το με επιστροφή ταξίδι από το αντικείμενο στην εικόνα

30 Ο ρόλος της Ψηφιακής Φωτογραμμετρίας Επεξεργασία εικόνας ΧΩΡΟΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Κατανόηση εικόνας Γραφικά υπολογιστών ΧΩΡΟΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Όραση Υπολογιστών Ψηφιακή Φωτογραμμετρία Γεωμετρικές σχέσεις 3D Μοντέλα Συνδυασμός δεδομένων από διαφορετικές πηγές Κοινό σύστημα αναφοράς Σημεία Ακμές - Τρίγωνα Επιφάνειες Rendering Χρήσεις 3D Μετρήσεις 3D Οπτικοποίηση 3D Αναπαραγωγή

31 Πηγές μετρητικής πληροφορίας Γεωδαιτικές μετρήσεις 3D προσδιορισμός σημείων Φωτογραμμετρικές μετρήσεις διαδικασίες και παράγωγα ιανυσματικά σχέδια (2D 3D) Εικονιστικά προϊόντα (2D) Βιντεοσκοπήσεις (2D) Νέφη σημείων από επίγειους σαρωτές Laser Πρακτικά άπειρα 3D σημεία Μέθοδοι 3D αναπαραστάσεων Μέθοδοι ακριβείας που παράγουν λεπτομερή και πιστά μοντέλα Μέθοδοι που χρησιμοποιούν πακέτα λογισμικού σχεδιασμένα για μη ειδικούς Μη ακριβείς διαδικασίες που παράγουν ελαφρά μοντέλα, κυρίως για εφαρμογές διαδικτύου

32 Παραγωγή 3D μοντέλου Συλλογή 3D νεφών σημείων Επεξεργασία των νεφών ημιουργία μοντέλων για οπτικοποίηση 3D Μοντέλα & Π/Μ οπτικοποιήσεις Επεξεργασία νέφους σημείων και συμπλήρωση κενών Μείωση θορύβου και σμίκρυνση μεγέθους ημιουργία δικτύου πολυγώνων για rendering Παραγωγή βίντεο και πολυμεσικής εφαρμογής

33 Τα βασικά βήματα για την 3D οπτικοποίηση Μοντέλο ακμών Μοντέλο επιφανειών Μοντέλο υφής Μοντέλο ακμών Μοντέλο επιφανειών

34 Εφαρμογή σε Βυζαντινή Εκκλησία: Παναγία Ασίνου (Κύπρος) Σαρωτής (Time-of-flight): HDS 2500 Leica Συνδυασμένη χρήση Φωτογραμμετρίας & σαρώσεων Laser Σαρώσεις laser Minolta VI σαρώσεις H ~1m 269 m. τρίγωνα Λεπτομέρεια του 3D μοντέλου TIN με πυκνότητα 1-2cm

35 Σαρώσεις laser 3D όψεις του τελικού μοντέλου Σαρώσεις laser Τομές και 3D μετρήσεις

36 3D Οπτικοποίηση & 3D Μετρήσεις Πακέτα λογισμικού για 3D αναπαραστάσεις 3D μοντέλο Ορθοφωτογραφία PhotoModeler 3D Builder Sketch-up...

37 Πορεία εργασιών Μαρκάρισμα ομόλογων σημείων Καθορισμός γραμμών & καμπυλών ημιουργία επιφανειών 3D μοντέλο Ορθοανηγμένες εικόνες Απεικονίσεις 3D μοντέλου εκκλησίας Νοτιο-ανατολική άποψη Νοτιο-δυτική άποψη

38 Ορθο-ανηγμένες εικόνες όψεων Ανατολικήόψη Νότιαόψη Πλεονεκτήματα της μεθόδου Οικονομικό, εύκολο στη χρήση λογισμικό για παραγωγή με ακρίβεια & ταχύτητα 2D και 3D προϊόντων εν απαιτούνται ειδικές γνώσεις φωτογραμμετρίας (;) Λογισμικό συμβατό με CAD και προγράμματα φωτορεαλισμού εν είναι αναγκαία η μέτρηση φωτοσταθερών (αρκεί η μέτρηση αποστάσεων) Αξιοποιούνται όλοι οι βασικοί φωτογραμμετρικοί αλγόριθμοι, εκτός από την αυτόματη συνταύτιση σημείων

39 3D οπτικοποιήσεις 3D Μετρήσεις

40 Πιθανές... επανα-χρήσεις Εκπαίδευση Τουριστική προβολή Αντίγραφα - αναμνηστικά Τηλε-επισκέψεις επισκέψεις για ΑΜΕΑ Παραγωγή μοντέλων για άτομα με προβλήματα όρασης