Αναλυτική φωτοσκίαση χαρτών

Η αναπαράσταση του τοπογραφικού αναγλύφου με τη μέθοδο της σκίασης, βασίζεται στην προσομοίωση της επίδρασης του φυσικού φωτισμού στη γήινη επιφάνεια, θέτοντας όμως κάποιες απαραίτητες παραδοχές και απλουστεύσεις που καθιστούν το αποτέλεσμα αξιοποιήσιμο για χαρτογραφικούς σκοπούς. Το οπτικό αποτέλεσμα της μεθόδου διαμορφώνεται μέσω της διαφοροποίησης του τόνου της απεικονιζόμενης επιφάνειας, που οφείλεται στην επίδραση του φωτισμού και στην διαφοροποίηση του προσανατολισμού σε κάθε σημείο της. Οι εικόνες σκίασης αναγλύφου για χαρτογραφική χρήση δημιουργούνται κατά κανόνα με φως που έχει βορειοδυτική διεύθυνση, καθώς έχει αποδειχθεί ότι αυτό βοηθά όλους τους χρήστες χαρτών, έμπειρους και μη, να αντιληφθούν τους σχηματισμούς του ανάγλυφου της γήινης επιφάνειας άμεσα και με ακρίβεια.

	Διαμόρφωση εικόνας σκίασης αναγλύφου
	Προκειμένου να αναπαρίστανται καλύτερα οι κυρίαρχες μορφές του αναγλύφου στην απεικονιζόμενη περιοχή, η ενδεικτική ΒΔ διεύθυνση φωτισμού μπορεί να διαφοροποιείται κατάλληλα ώστε να τέμνονται κάθετα ή και διαγώνια οι σχηματισμοί του ανάγλυφου που επικρατούν (π.χ. δυτικός ή νοτιοδυτικός φωτισμός όταν οι σχηματισμοί έχουν προσανατολισμό Β-Ν ή ΒΔ-ΝΑ). Εντούτοις, με την αυστηρή προσήλωση σε μία και μόνο διεύθυνση φωτισμού για το σύνολο του χάρτη, είναι μάλλον δύσκολο να αναδειχθούν όλοι οι σχηματισμοί του ανάγλυφου που υπάρχουν στην αναπαριστώμενη περιοχή, οι οποίοι θα έχουν αρκετούς, διαφορετικούς προσανατολισμούς. Το πρόβλημα εν μέρει αντιμετωπίζεται με την ελεγχόμενη προσαρμογή της κύριας διεύθυνσης φωτισμού ανάλογα με τον τοπικό προσανατολισμό της επιφάνειας, για τις περιοχές που «κοιτάζουν» προς τη φωτεινή πηγή. Όμως δεν παύει να υφίσταται για ολόκληρες πλαγιές σχηματισμών του εδάφους, οι οποίες συνολικά δεν φωτίζονται κατάλληλα, ή και καθόλου, και σκιάζονται με σκούρους γκρίζους τόνους που δημιουργούν οπτική σύγχυση και αποκρύπτουν την πληροφορία του ανάγλυφου, ή καθιστούν δυσδιάκριτα τα υπερκείμενα χαρτογραφικά σύμβολα.
Σκίαση με ενδεικτικό, ΒΔ φωτισμό

Σκίαση με διαφοροποίηση του φωτισμού (βόρειος), βάσει των κυρίαρχων μορφών αναγλύφου	Σκίαση με προσαρμογή της κύριας διεύθυνσης φωτισμού, ανάλογα με τον τοπικό προσανατολισμό του αναγλύφου
Προκειμένου να δοθεί έμφαση σε όλους τους σχηματισμούς, ανεξαρτήτως του προσανατολισμού τους, προτείνεται η χρήση μιας εικόνας φωτοσκίασης πολλαπλών διευθύνσεων, μετά από ενοποίηση τεσσάρων ξεχωριστών εικόνων σκίασης που αντιστοιχούν σε τέσσερις κύριες διευθύνσεις φωτισμού: βόρεια, βορειοδυτικά, δυτικά και νοτιοδυτικά. Η ενοποίηση γίνεται με τη χρήση βαρών, ως εξής: [ΣΚΠΔ=WΒ[ΣΚΒ]+WΒΔ[ΣΚΒΔ]+WΔ[ΣΚΔ]+WΝΔ[ΣΚΝΔ], ενώ βασίζεται σε δύο διαφορετικές προσεγγίσεις, που παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα σε ποιοτικό και σε ποσοτικό επίπεδο. Με την πρώτη προσέγγιση, η ενοποίηση γίνεται σε επίπεδο συνολικής εικόνας, όπου το βάρος συμμετοχής κάθε μεμονωμένης εικόνας σκίασης έχει ενιαία τιμή για ολόκληρη την εικόνα και εξαρτάται από το ποσοστό των περιοχών της συνολικής απεικονιζόμενης έκτασης που «κοιτάζουν» προς τη φωτεινή πηγή που δημιουργεί την εν λόγω σκίαση. Οι περιοχές αυτές πρέπει να έχουν οριζόντια γωνία προσανατολισμού (αζιμούθιο) που κυμαίνεται εντός μιας ζώνης εύρους 45° γύρω από τη διεύθυνση φωτισμού και εντοπίζονται με τη βοήθεια ενός ψηφιακού μοντέλου υψομέτρων (σημ.: εξαιρούνται οι επίπεδες περιοχές, δηλ. όσες εμφανίζουν κλίση κάτω από ένα ορισμένο όριο).

Ενοποίηση μεμονωμένων σκιάσεων για τη δημιουργία σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων,με ενιαία βάρη ανά εικόνα που υπολογίζονται βάσει στατιστικών προσανατολισμού.
Με το δεύτερο τρόπο, η ενοποίηση γίνεται σε επίπεδο εικονοστοιχείου, όπου τα βάρη συμμετοχής των τιμών των αντίστοιχων εικονοστοιχείων στις μεμονωμένες εικόνες σκίασης, καθορίζονται ως συναρτήσεις του οριζόντιου προσανατολισμού του εικονοστοιχείου. Μια τέτοια συνάρτηση είναι η εξής: W_i=[(cos(Aspect-i)+1)]/2ΣW_i, για i = 225°, 270°, 315°, 360°, όπου η τιμή του βάρους W_i μεγιστοποιείται (τιμή 1) όταν η τιμή αζιμουθίου ισούται με i και ελαχιστοποιείται όταν διαφέρει από αυτήν κατά 180°, ενώ οι τιμές μεταξύ 0 και 1 προκύπτουν στις υπόλοιπες περιπτώσεις. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως τα στοιχεία της επιφάνειας, που ο προσανατολισμός τους είναι τέτοιος ώστε να «κοιτάζουν» προς το διεύθυνση με αζιμούθιο i, θα έχουν μεγαλύτερο βάρος συμμετοχής από τα υπόλοιπα για τη συγκεκριμένη σκίαση στον τελικό συνδυασμό. Τα αζιμούθια παράγονται από το ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων της απεικονιζόμενης έκτασης ενώ γίνεται αντιληπτό ότι σε αυτή την προσέγγιση τα βάρη κάθε εικόνας έχουν τη μορφή κυψελωτής δομής και όχι ενιαίας τιμής.

Ενοποίηση μεμονωμένων σκιάσεων για τη δημιουργία σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων, με βάρη που διαφοροποιούνται ανά εικονοστοιχείο και υπολογίζονται ως συναρτήσεις του τοπικού προσανατολισμού
Η εικόνα σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων δεν αντικαθιστά, παρά αναμιγνύεται με τη βασική εικόνα σκίασης της περιοχής -που έχει προκύψει με ενδεικτική ή βέλτιστη διεύθυνση φωτισμού, ανάλογα με το ανάγλυφο της περιοχής- με τη σχέση: [ΣΚΤΕΛ] = [WΠ] * [ΣΚΠΔ] + [(1-WΠ)] * [ΣΚΒΑΣ]. Η σύνθεση αυτή γίνεται σε επίπεδο εικονοστοιχείου και ο παράγων βάρους, WΠ, έχει τη μορφή πίνακα και εξαρτάται από την τοπική γωνία πρόσπτωσης του φωτισμού της βασικής εικόνας σκίασης στο ανάγλυφο της επιφάνειας, i, ως εξής: [WΠ] = sin²[i]. Έτσι, όσο περισσότερο πλησιάζει η προσπίπτουσα γωνία την τιμή των 90°, τόσο μικρότερη είναι η ποσότητα φωτός που δέχεται η επιφάνεια του αναγλύφου και άρα ο τόνος σκίασης προκύπτει πολύ σκούρος, οπότε και επικρατεί η σκίαση πολλαπλών διευθύνσεων στην τελική εικόνα.

Παράδειγμα υπολογισμού σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων με τις δύο προσεγγίσεις και σύνθεσής της με τη βασική σκίαση

Δείγματα λεπτομερειών από τα διάφορα στάδια των δύο προσεγγίσεων: (α) και (δ) αρχική σκίαση, (β) και (ε) σύνθεση βασικής σκίασης και σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων με ενιαία βάρη, (γ) και (στ) σύνθεση βασικής σκίασης και σκίασης πολλαπλών διευθύνσεων με βάρη ανά εικονοστοιχείο
Η χρήση ενιαίων βαρών, έχει πιο περιορισμένη επίδραση στο τελικό αποτέλεσμα, καθώς η κατανομή των βαρών γίνεται συνολικά στις εικόνες των μεμονωμένων σκιάσεων. Η χρήση βαρών που διαφοροποιούνται για κάθε εικονοστοιχείο, έχει πιο εκτεταμένα αποτελέσματα, αφού εφαρμόζονται σε κάθε ξεχωριστή ανάγλυφη δομή. Προσοχή χρειάζεται σε περιπτώσεις όπου η ενίσχυση του φωτισμού είναι ιδιαίτερα αυξημένη και υποβαθμίζει την απαραίτητη για το διαχωρισμό των εκατέρωθεν πλευρών των ανάγλυφων σχηματισμών αντίθεση, που αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική οπτική ένδειξη στην φωτοσκίαση. Τονίζεται ότι η χωρική ισοδιάσταση (δηλ. η ανάλυση του ψηφιακού μοντέλου υψομέτρων), η οποία συνδέεται ευθέως με την κλίμακα των υψομετρικών δεδομένων που συλλέγονται, είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την ποιότητα και το επίπεδο λεπτομέρειας που εμφανίζεται στο σκιασμένο ανάγλυφο. ‘Οσο πιο επαρκής είναι η ανάλυση και ποιότητα του Ψ.Μ.Υ., τόσο πιο ξεκάθαρα και εντυπωσιακά είναι τα αποτελέσματα των μοντέλων στο αναπαριστώμενο ανάγλυφο όπως αυτό απεικονίζεται στην τελική εικόνα φωτοσκίασής του.
Βιβλιογραφία Τζελέπης Ν., Λοϊσιος Δ., Νάκος Β. «Μια μεθοδολογία αναλυτικής σκίασης του αναγλύφου με συνδυασμό διαφορετικών διευθύνσεων φωτισμού». Πρακτικά 10ου Εθνικού Συνεδρίου Χαρτογραφίας, Ιωάννινα, 2008. Imhof E., 1982. Cartographic Relief Presentation, (Steward H.J., Ed.). Walter de Gruyter, Berlin, σελ. 389. Horn B.K.P., 1982. “Hill-shading and the reflectance map”, Geo-Processing, 2, σελ. 65-146. Mark R., 1992. “Multidirectional, oblique-weighted, shaded-relief image of the Island of Hawaii”, U.S. Geological Survey. http://pubs.usgs.gov/of/1992/of92-422 Jenny B., 2001. “An interactive approach to analytical relief shading”, Cartographica, Vol. 38, No. 1 & 2, σελ. 67-75.	Επιμέλεια Τζελέπης Νίκος Διπλωματούχος Αγρονόμος & Τοπογράφος Μηχανικός Υποψήφιος Διδάκτορας Ε.Μ.Π. niktzel@survey.ntua.gr