Combined use of geophysical data, satellite remote sensing data and geographic information systems (GIS) to locate and map archaeological relics
Authors: Καραμήτρου Αλεξάνδρα 
Published: July 2014

Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκε ένας εξειδικευμένος αλγόριθμος ταυτοποίησης μεταξύ γεωφυσικών εικόνων ή μεταξύ γεωφυσικών και δορυφορικών εικόνων. Αποδείχθηκε ότι η εφαρμογή του αλγορίθμου διορθώνει αποτελεσματικά τις τοπικές παραμορφώσεις. Ποιο συγκεκριμένα η μέση βελτίωση της κοινής πληροφορίας των εικόνων είναι μεγαλύτερη από 80% σε ένα σύνολο πάνω από 10 διαφορετικών ζευγαριών εικόνων. Ο αλγόριθμος αυτός περιλαμβάνει δύο στάδια. Το πρώτο, επιχειρεί να διορθώσει προβλήματα που αφορούν τη σχετική θέση των δικτύων μέτρησης εφαρμόζοντας μια μέθοδο εξονυχιστικής αναζήτησης. Κατα το δεύτερο και κυρίως στάδιο επιχειρείται να διορθωθούν οι τυχαίες, τοπικές παραμορφώσεις που προέρχονται κυρίως από τον τρόπο πραγματοποίησης των μετρήσεων αλλά και το γεγονός ότι στις γεωφυσικές εικόνες οι στόχοι απεικονείζονται έμεσα μέσω των ανωμαλιών που δημιουργούν στην μετρούμενη φυσική ιδιότητα. Ο αλγόριθμος επιχειρεί να λύσει το πρόβλημα όχι αιτιοκρατικά αλλά ημι-στοχαστικά επιχειρώντας στα πλαίσια ενός «άπληστου αλγορίθμου» συνεχείς βελτιώσεις της κοινής πληροφορίας με την εφαρμογή τυχαίων μετασχηματισμών συνάφειας, σε τυχαία επιλεγμένες περιοχές της εικόνας. Επίσης λαμβάνεται μέριμνα ώστε οι παραμορφωμένες περιοχές να ενώνονται ομαλά με την υπόλοιπη εικόνα αποφεύγοντας την δημιουργία τεχνουργημάτων (artifacts). Ο δεύτερος άξονας της διατριβής αυτής αφορά τη συγχώνευση εικόνων που προέρχονται είτε από γεωφυσικές μετρήσεις, είτε απο δορυφορικά δεδομένα. Διερευνήθηκαν τέσσερεις διαφορετικές μέθοδοι συγχώνευσης: Η μέθοδος του μέσου όρου, η μέθοδος που αξιοποιεί τον μετασχηματισμό κυματιδίων (wavelet transform) των αρχικών εικόνων, καθώς και δύο διαφορετικές τεχνικές συγχώνευσης που αξιοποιούν τον καμπυλοειδή μετασχηματισμό (curvelet transform). Η μέθοδος του μέσου όρου αν και απλή αποδίδει ικανοποιητικά αποτελέσματα στις περισσότερες περιπτώσεις με κύριο μειονέκτημά της την χαμηλή αντίθεση των εικόνων καθώς και το ότι περιορίζεται μόνο στην αξιοποίηση της πληροφορίας της φωτεινότητας των αντίστοιχων εικονοστοιχείων. Πιο πολύπλοκη αλλά και πιο αποτελεσματική εφμανίζεται η μέθοδος που βασίζεται στον μετασχηματισμό κυματιδίων. Σε αυτή την περίπτωση παρέχεται η δυνατότητα έκφρασης των αρχικών εικόνων σε διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων παρέχοντας τη δυνατότητα διαφορετικού χειρισμού της εικόνας σε κάθε μία από αυτές. Γενικά έδωσε καλά αποτελέσματα, με κύριο μειονέκτημά της την αδυναμία της να αναπαραστήσει με ακρίβεια γραμμικούς και καμπυλοειδείς στόχους. Επίσης, σε αρκετές περιπτώσεις το αποτελεσμα ήταν «μολυσμένο» από συστηματικό θόρυβο που ενυπήρχε σε μία από το τις προς συγχώνευση εικόνων. Τη μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα επέδειξε η μέθοδος που βασίζεται στον καμπυλοειδή μετασχηματισμό. Η συγκεκριμένη μέθοδος αναπαριστά μια εικόνα ως προς διαφορετικές γωνίες και διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων. Μάλιστα, με την εφαρμογή τετραγωνισμού σε κάθε μπάντα, επιτυγχάνεται η ακριβείς αναπαράσταση ακόμα και πολύπλοκων γεωμετρικά στόχων καθώς το τμήματα καμπυλών που περιλαμβάνονται στα επιμέρους τετράγωνα μπορούν να προσεγιστούν ικανοποιητικά με ευθύγραμμα τμήματα. Στην περίπτωση μάλιστα που είναι γνωστή ή μπορεί να εκτιμηθεί η γενική διεύθυνση των αρχαιολογικών στόχων σε μια περιοχή, αναπτύχθηκε μια έκδοση του αλγορίθμου συγχώνευσης η οποία παρέχει την δυνατότητα ενίσχυσης των στόχων οι οποίοι έχουν τον αναμενόμενο προσανατολισμό. Το αποτέλεσμα είναι οι συγχωνευμένες εικόνες να αποτυπώνουν ευκρινέστερα και σαφέστερα τους στόχους που υπακούουν σε αυτόν τον γενικό προσανατολισμό. Σε όλες τις περιπτώσεις συγχώνευσης των εικόνων παρήχθησαν εικόνες αυξημένης ποιότητας επιτυχγάνοντας στις περισσότερες περιπτώσεις να απεικονίσουν στοιχεία προερχόμενα από τις αρχικές εικόνες ταυτόχρονα. Μάλιστα, σε αρκετές περιπτώσεις αναδείχθηκαν στόχοι οι οποίοι ήταν δύσκολο να επισημανθούν στις αρχικές εικόνες. Επιχειρήθηκσε επιπλέον η συχγώνευση πολαπλών εικόνων όπου εκτός των εμφανών προτερημάτων επιδείχθηκε ο κίνδυνος κορεσμούς της τελικής εικόνας από πληροφορία με αποτέλεσμα να δυσχεραίνεται μερικώς η ερμηνεία επιμέρους περιοχών της συγχωνευμένης εικόνας. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα συχγώνευσης γεωφυσικών εικόνων με δορυφορικές εικόνες. Πιο συγκεκριμένα, μια παγχρωματική εικόνα διακριτικής ικανότητας 60cm συγχωνεύτηκε με δεδομένα ηλεκτρικής μεθόδου βήματος 50cm αναδεικνύοντας πιθανούς στόχους που ήταν μερικώς μόνο εμφανείς στις αρχικές εικόνες. Τέλος, στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν πηγαίοι κώδικες που υλοποιούν προγραμματιστικά τις μεθόδους ταύτησης και συγώνευσης εικόνων που προτείνονται. Οι κώδικες είναι γραμμένοι σε γλώσσα MATLAB. Ειδικά στην περίπτωση της συγχώνευσης εικόνων με τη χρήση του καμπυλοειδούς μετασχηματισμού, αναπτύχθηκε και ένα γραφικό περιβάλλον διεπαφής με τον χρήστη το οποίο επιτρέπει την εύχρηστη εφαρμογή των αναπτυχθένων μεθόδων.