Διερεύνηση μεθόδων χαρτογράφησης με ΣμηΕΑ και χωροχρονικής γεωοπτικοποίησης για τη διαχείριση γεωτόπων

Abstract

The dissertation titled "Investigation of UAVs mapping methods and spatio-temporal geovisualization for geosites management" aims to contribute to the science of cartography by investigating issues regarding 3D mapping and spatio-temporal geovisualization using augmented and virtual reality techniques for the management of areas of geological importance. Divided into three distinct parts for each research question, the work studies the application of cartographic scale principles to issues of data collection via UAVs, the geovisualization of cartographic results obtained through augmented and virtual reality techniques and the rendition of the geovisualizations through evaluation. The implementation of existing and proven cartographic principles in modern imaging media and technologies, as well as the development of new cartographic methods are key challenges in current and future research. This topic is becoming more complex with the emergence of new technologies and techniques in data acquisition and geovisualization, such as UAVs and virtual reality. The need therefore arises for the development of a methodology that combines data collection with UAVs and the geovisualization of cartographic results in virtual and augmented environments, considering basic cartographic principles and the concept of cartographic scale. Initially, the bibliography is extensively reviewed regarding the scale, cartographic data, the fundamental cartographic principles, and the evolution of the science of cartography in recent years. The contribution of modern technological means to the science of cartography and its transition to the digital age are also referenced. In more detail, the utilization of cartographic results and modern interactive geovisualizations in issues related to the management of geological heritage and Geoparks is examined. The literature and scientific references studied in the framework of this doctoral thesis, lack a single methodology that applies to the five basic stages of the integrated mapping of areas of high geological importance. Therefore, a methodology with the following stages is developed and proposed: a) study of issues of scale, b) data collection via UAVs, c) data processing and creation of cartographic results, d) design and development of geovisualizations with augmented and virtual reality techniques and d) evaluation of geovisualizations through experiments on user experience. The first stage examines issues of geographic and cartographic scale of the Lesvos Geopark geosites, classifying them into five categories. The geosites' categorization leads to the calculation of the appropriate spatial resolution and flight characteristics for their 3D mapping, such as the flight altitude, camera angle and the UAVs flight trajectory. In addition, an online cartographic application was developed, which provides information on the acquisition of high-resolution images for the 3D mapping of all geosites of the Lesvos Geopark. The flight planning was followed by the collection of high-resolution images for the 3D mapping of five geosites, one from each geographic scale category. The data were processed using computer vision and 3D graphics algorithms to generate 2D and 3D cartographic results. The cartographic results were: i) 2D orthophoto maps, ii) digital relief models, iii) 3D point clouds and iv) 3D models with photorealistic texture. All results were georeferenced with ground position measurements obtained via a differential receiver. The next stage of the methodology consists of the design of modern interactive geovisualizations with augmented and virtual reality techniques. Specifically, five augmented reality applications that corresponded to the five 3D mapped geosites were developed, along with two virtual reality applications. Virtual reality applications focus on a specific geosite that has been mapped over time and significant changes are identified both in its topography and in its configuration in a visitable location. The last stage focuses on the evaluation of cartographic results and geovisualizations developed in the framework of the thesis through user experience experiments, in the form of lectures, aiming at the geoeducation of postgraduate students. More specifically, four lectures were designed in various presentation styles: i) with physical presence in the field, ii) remotely (distance learning), iii) inside a classroom and iv) with virtual reality techniques. All lectures utilized the cartographic results and the geovisualizations obtained from data collected by UAVs. At the end of the lectures the participants filled a specially designed questionnaire. This was followed by the analysis of the questionnaires using statistical methods and spatial analysis methods, resulting in the conclusions on the contribution of geovisualization to geoeducation and to the participants' spatial perception. In summary, complex geomorphological structures, such as the geoparks of the Lesvos Geopark, require specialized planning in the procedures of data acquisition with UAVs, considering their geographic and cartographic scale for their efficient 3D mapping. Furthermore, the research demonstrates the levels at which the concept of cartographic scale is transferred to geovisualizations of augmented and virtual reality, both at the level of analysis of 3D models and that of information communication, contributing to the understanding of space and the learning experience. In conclusion, both the cartographic results and the 2D and 3D geovisualizations can effectively contribute to geological heritage management processes and offer important data and information to the management institutions and the visitors of the Lesvos Geopark.

Η διδακτορική διατριβή με τίτλο «Διερεύνηση μεθόδων χαρτογράφησης με ΣμηΕΑ και χωροχρονικής γεωοπτικοποίησης για τη διαχείριση γεωτόπων», επιχειρεί να συμβάλλει στην επιστήμη της Χαρτογραφίας διερευνώντας ζητήματα αναφορικά με την 3Δ χαρτογράφηση και χωροχρονική γεωοπτικοποίηση, με τη χρήση τεχνικών επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας για τη διαχείριση περιοχών υψηλής γεωλογικής σημασίας. Χωρισμένη σε τρία διακριτά μέρη, βασισμένα στα ερευνητικά ερωτήματα, μελετά την εφαρμογή των αρχών της χαρτογραφικής κλίμακας σε ζητήματα συλλογής δεδομένων με τη χρήση ΣμηΕΑ, την γεωοπτικοποίηση των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων που προκύπτουν με την αξιοποίηση τεχνικών επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας και την απόδοση των γεωοπτικοποιήσεων μέσω αξιολόγησης. Η μεταφορά υφιστάμενων, αποδεδειγμένων χαρτογραφικών αρχών στα σύγχρονα μέσα και τεχνολογίες απεικόνισης, καθώς και η ανάπτυξη νέων χαρτογραφικών μεθόδων αποτελούν βασικές προκλήσεις για την τρέχουσα και μελλοντική έρευνα. Το συγκεκριμένο θέμα γίνεται όλο και πιο σύνθετο με την εμφάνιση σύγχρονων εργαλείων και μέσων στη συλλογή δεδομένων και γεωοπτικοποίησης, όπως τα ΣμηΕΑ και η εικονική πραγματικότητα. Προκύπτει συνεπώς η ανάγκη για την ανάπτυξη μεθοδολογίας που να συνδυάζει την συλλογή δεδομένων με τη χρήση ΣμηΕΑ και την γεωοπτικοποίηση των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων σε εικονικά και επαυξημένα περιβάλλοντα λαμβάνοντας υπόψη τις βασικές χαρτογραφικές αρχές και την έννοια της χαρτογραφικής κλίμακας. Αρχικά πραγματοποιείται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση αναφορικά με τις θεμελιώδεις χαρτογραφικές αρχές αλλά και για την εξέλιξη της επιστήμης της Χαρτογραφίας τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον, μελετήθηκε η συμβολή των συγχρόνων τεχνολογικών μέσων στην επιστήμη της Χαρτογραφίας και η μετάβαση της στην ψηφιακή εποχή. Αναλυτικότερα, εξετάζεται η αξιοποίηση των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων και των σύγχρονων διαδραστικών γεωοπτικοποιήσεων σε ζητήματα σχετικά με τη διαχείριση της γεωλογικής κληρονομιάς και των Γεωπάρκων. Βάσει της βιβλιογραφίας και των ακαδημαϊκών - επιστημονικών αναφορών που μελετήθηκαν στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής εντοπίστηκε η έλλειψη μιας ενιαίας μεθοδολογίας που να καλύπτει τα πέντε βασικά στάδια της ολοκληρωμένης χαρτογράφησης περιοχών υψηλής γεωλογικής σημασίας. Συνεπώς, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται και προτείνεται μεθοδολογία με τα εξής στάδια: α) μελέτη ζητημάτων κλίμακας, β) συλλογή δεδομένων με τη χρήση ΣμηΕΑ, γ) επεξεργασία δεδομένων και δημιουργία χαρτογραφικών αποτελεσμάτων, δ) σχεδιασμός και ανάπτυξη γεωοπτικοποιήσεων με τεχνικές επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας και δ) αξιολόγηση των γεωοπτικοποιήσεων μέσω πειραμάτων εμπειρίας χρήστη.Το πρώτο στάδιο της διατριβής εξετάζει ζητήματα γεωγραφικής και χαρτογραφικής κλίμακας των γεωτόπων του Γεωπάρκου Λέσβου, ταξινομώντας τους σε πέντε κατηγορίες. Οι κατηγορίες οδηγούν στον υπολογισμό της αντίστοιχης χωρικής ανάλυσης και των κατάλληλων χαρακτηριστικών πτήσης, όπως το ύψος πτήσης, η γωνία της κάμερας και τη διαδρομή του ΣμηΕΑ με σκοπό την 3Δ χαρτογράφηση τους. Επιπλέον, αναπτύχθηκε διαδικτυακή χαρτογραφική εφαρμογή στην οποία συγκεντρώνονται και παρέχονται πληροφορίες αναφορικά με τον τρόπο συλλογής εικόνων υψηλής ανάλυσης για την 3Δ χαρτογράφηση όλων των γεωτόπων του Γεωπάρκου Λέσβου. Μετά τον σχεδιασμό των πτήσεων ακολούθησε η συλλογή εικόνων υψηλής ανάλυσης για την 3Δ χαρτογράφηση πέντε γεωτόπων, έναν από κάθε κατηγορία γεωγραφικής κλίμακας. Τα δεδομένα που συλλέχθησαν επεξεργάστηκαν με τη χρήση αλγορίθμων υπολογιστικής όρασης και 3Δ γραφικών για τη δημιουργία 2Δ και 3Δ χαρτογραφικών αποτελεσμάτων. Τα χαρτογραφικά αποτελέσματα ήταν: i) 2Δ ορθοφωτοχάρτες, ii) ψηφιακά μοντέλα αναγλύφου, iii) 3Δ νέφη σημείων και iv) 3Δ μοντέλα με φωτορεαλιστική υφή. Όλα τα αποτελέσματα γεωαναφέρθηκαν με επίγειες μετρήσεις προσδιορισμού θέσης οι οποίες λήφθηκαν με τη χρήση διαφορικού δέκτη. Το επόμενο στάδιο της μεθοδολογίας αναφέρεται στο σχεδιασμό σύγχρονων διαδραστικών γεωοπτικοποιήσεων με τεχνικές επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν πέντε εφαρμογές επαυξημένης πραγματικότητας που αντιστοιχούσαν στους πέντε γεωτόπους που χαρτογραφήθηκαν 3Δ και δυο εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. Οι εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας εστιάζουν σε ένα συγκεκριμένο γεώτοπο ο οποίος χαρτογραφήθηκε διαχρονικά και εντοπίζονται σημαντικές μεταβολές τόσο στην τοπογραφία του όσο και στη διαμόρφωση του σε επισκέψιμη θέση. Το τελευταίο στάδιο επικεντρώνεται στην αξιολόγηση των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων και των γεωοπτικοποιήσεων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μέσω πειραμάτων εμπειρίας χρήστη υπό τη μορφή διαλέξεων με στόχο την γεωεκπαίδευση μεταπτυχιακών φοιτητών. Αναλυτικότερα, πραγματοποιήθηκαν τέσσερις διαλέξεις με διαφορετικό τρόπο παρουσίασης: i) με φυσική παρουσία στο πεδίο, ii) με εξ αποστάσεως μέσα (τηλεκπαίδευση), iii) δια ζώσης σε αίθουσα και iv) με τεχνικές εικονικής πραγματικότητας. Σε όλες τις διαλέξεις αξιοποιήθηκαν τα χαρτογραφικά αποτελέσματα και οι γεωοπτικοποιήσεις που προέκυψαν από τα δεδομένα που συλλέχθησαν με τη χρήση ΣμηΕΑ ενώ στο τέλος οι συμμετέχοντες συμπλήρωσαν ένα ειδικά διαμορφωμένο ερωτηματολόγιο. Ακολούθησε η ανάλυση των ερωτηματολογίων με στατιστικές μεθόδους και με μεθόδους χωρικής η οποία οδήγησε σε συμπεράσματα σχετικά με τη συμβολή των γεωοπτικοποίηση στη γεωεκπαίδευση και στη χωρική αντίληψη των συμμετεχόντων. Η παρούσα διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα πως οι σύνθετες γεωμορφολογικά δομές, όπως οι γεώτοποι του Γεωπάρκου Λέσβου, απαιτούν εξειδικευμένο σχεδιασμό στις διαδικασίες συλλογής δεδομένων με ΣμηΕΑ, λαμβάνοντας υπόψη τη γεωγραφική και χαρτογραφική τους κλίμακα για την αποδοτική 3Δ χαρτογράφηση τους. Επιπλέον, από την έρευνα που διεξήχθη προκύπτει ότι η έννοια της χαρτογραφικής κλίμακας μεταφέρεται στις γεωοπτικοποιήσεις επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας τόσο σε επίπεδο ανάλυσης των 3Δ μοντέλων όσο και σε επίπεδο επικοινωνίας της πληροφορίας, συμβάλλοντας στην κατανόηση του χώρου και την εμπειρία μάθησης. Τέλος, συμπεραίνεται ότι τόσο τα χαρτογραφικά αποτελέσματα όσο και οι 2Δ και 3Δ γεωοπτικοποιήσεις δύναται να συνεισφέρουν αποτελεσματικά σε διαδικασίες διαχείρισης της γεωλογικής κληρονομίας και να προσφέρουν σημαντικά στοιχεία και πληροφορίες στους φορείς διαχείρισης και στους επισκέπτες του Γεωπάρκου Λέσβου.