Η ψηφιακή τρισδιάστατη σάρωση αρχαιολογικών χώρων είναι μια νέα μέθοδος αποτύπωσης και γεωμετρικής τεκμηρίωσης που συνδυάζει την λεπτομέρεια της τοπογραφικής αποτύπωσης με την πληρότητα της φωτογραμμετρικής απόδοσης.

Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται σε τέτοιου τύπου εφαρμογές για την σάρωση και δημιουργία τρισδιάστατων φωτορεαλιστικών μοντέλων, για την δημιουργία ορθοφωτοχαρτών, και την τεκμηρίωση της κατάστασης αρχαιολογικών χώρων.

Ένα σημαντικό προϊόν που μπορεί να δημιουργηθεί επίσης  στην συγκεκριμένη εφαρμογή είναι η παραγωγή φωτορεαλιστικών όψεων, αντικειμένων και κατασκευών.

Η τεχνική αυτή μπορεί να προσφέρει πολύ περισσότερη πληροφορία σε ότι αφορά τα γεωμετρικά στοιχεία των αντικειμένων και των κατασκευών. Από το νέφος σημείων που δημιουργείται σε κάθε σαρωμένη επιφάνεια, μπορούν γίνουν ακριβείς μετρήσεις που αφορούν την διαστασιολόγηση των αντικειμένων και των κατασκευών, μπορούν να προσδιοριστούν ακριβείς τομές σε οποιαδήποτε διεύθυνση στον χώρο.

Ένα «σύγχρονο οπλοστάσιο» επομένως για τη συντήρηση, αποκατάσταση και προστασία των μνημείων πολιτισμού, έχουν στα χέρια τους αρχαιολόγοι, αρχιτέκτονες, μουσειολόγοι και επαγγελματίες υπηρεσιών ή φορέων πολιτισμού, χάρη στην τεχνολογία που εφαρμόζεται ήδη σε άλλους επιστημονικούς κλάδους.
Σύγχρονα όργανα και μέθοδοι αποτύπωσης, που χρησιμοποιούν σήμερα οι τοπογράφοι, βρίσκουν άριστη εφαρμογή στην προστασία και στην αποκατάσταση των μνημείων, μέσα από ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.
Εκτός από την κλασική τοπογραφική μέθοδο με μετρήσεις και σχέδια, οι ειδικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αεροφωτογραφίες, δορυφορικές εικόνες, πολυεικονική φωτογραμμετρία και σάρωση με λέιζερ, τόσο για την αποτύπωση μικροαντικειμένων μουσείων όσο και για αγάλματα ή όψεις κτιρίων.
Η φωτογραμμετρία αφορά στην επεξεργασία εικόνων για την αποτύπωση όψεων κτηρίων και την ψηφιοποίηση των λεπτομερειών τους, με στόχο τη δημιουργία ενός εικονικού τρισδιάστατου φωτορεαλιστικού μοντέλου.

Η αποτύπωση μικροευρημάτων επιτυγχάνεται μέσω της σάρωσης με λέιζερ, διαφορετικών υλικών, μορφών και μεγέθους. Πρόκειται για όργανα τρισδιάστατης μέτρησης που είναι ευρέως διαδεδομένα, λόγω του ελάχιστου χρόνου που απαιτείται για τη σάρωση και την υψηλή χωρική ακρίβεια που τελικού προϊόντος.
Μέχρι πρόσφατα για τις ανάγκες της γεωμετρικής τεκμηρίωσης μνημείων πολιτισμού με πολύπλοκο σχήμα, ο ερευνητής έπρεπε να επιστρατεύσει μεθόδους που υστερούσαν σε ακρίβεια, σε χρόνο και σε κόστος. Οι τρισδιάστατοι σαρωτές (Laser Scanners) διαθέτουν πλέον ενσωματωμένη ψηφιακή φωτογραφική μηχανή για τη σωστή λήψη του χρώματος του αντικειμένου. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για την απόδοση των μετρήσεων με Laser Scanner είναι εξειδικευμένο και ιδιαίτερα δαπανηρό. Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι ότι είναι παθητική (δεν χρειάζεται δηλαδή να έρθει σε επαφή με το αντικείμενο), συλλέγει μεγάλο αριθμό σημείων με μεγάλη ακρίβεια, σε ελάχιστό χρόνο.
Οι αεροφωτογραφίες, με τη χρήση ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DTM) και φωτοσταθερών σημείων, καθώς και εφαρμογών οπτικοποίησης, προσφέρουν στην τεκμηρίωση αρχαιολογικών χώρων και ιστορικών συνόλων, στην καταγραφή της κατάστασης διατήρησής τους και στη διαχρονική παρακολούθηση του χώρου και των ευρημάτων του.
Ειδικότερα, οι εικόνες από δορυφόρους μπορούν να εντοπίσουν θαμμένες κατασκευές (π.χ. κομμάτια της αρχαίας Εγνατίας Οδού) και μπορούν να αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία στη μελέτη αρχαιολογικών χώρων.
Τα τελευταία χρόνια, έγινε αντιληπτό ότι η παρατήρηση των αρχαιολογικών συνόλων από ψηλά θα έδινε νέες προοπτικές στο αντικείμενο αυτό, καθώς δίνεται η δυνατότητα να δημιουργηθεί υψηλής ανάλυσης χαρτογραφικό υπόβαθρο για ένα αρχαιολογικό χώρο.
Μία δορυφορική εικόνα καταγράφει την ανακλώμενη από την επιφάνεια της γης ηλιακή ακτινοβολία σε φασματικούς διαύλους. Η δυνατότητα που έχουν οι δορυφορικές εικόνες να χρησιμοποιούν, πέρα από τις περιοχές της ορατής περιοχής του φάσματος, και περιοχές όπως η εγγύς υπέρυθρη, η περιοχή ραδιοκυμάτων και μικροκυμάτων βοηθά, με την κατάλληλη φασματική επεξεργασία, να εξάγονται πληροφορίες που μια απλή φωτογραφία δεν θα μπορούσε να προσφέρει.

Ψηφιοποίηση με χρήση τεχνικών σάρωσης laser ή τριγωνισμού

Τα τελευταία χρόνια νέα όργανα μετρήσεων έχουν εισαχθεί στις επιστήμες των αποτυπώσεων χώρων τα οποία είναι σε θέση να μετρήσουν και να ανακατασκευάσουν τον τρισδιάστατο χώρο και τα αντικείμενα των διάφορων μορφών και μεγεθών με έναν γρήγορο και οικονομικό τρόπο. Αυτά τα όργανα, βασισμένα στην τεχνολογία laser, είναι συνήθως γνωστά ως επίγειοι Τρισδιάστατοι Ανιχνευτές Laser (3D laser scanner).

Εκτός από τους τρισδιάστατους ανιχνευτές laser υπάρχουν και συσκευές που σαρώνουν μόνο οριζόντια ή κατακόρυφα ένα μνημείο – χώρο και μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την καταγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Οι συσκευές ονομάζεται laser profilers και χρησιμοποιούνται με σημαντική επιτυχία για τη δημιουργία σχεδιαγραμμάτων κατόψεων και τομών των εσωτερικών χώρων των μνημείων.

Πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα και Χαρακτηριστικά

Κύρια χαρακτηριστικά της μεθόδου ανίχνευσης laser είναι:

• Είναι ταχύτατη και αξιόπιστη μέθοδος αποτύπωσης
• Παρέχει ακριβέστερα προϊόντα από οποιαδήποτε άλλη μεθοδολογία
• Απαιτεί λιγότερη προεπεξεργασία αλλά και μικρότερο χρόνο εργασίας στο γραφείο
• Συνδυάζει την ακρίβεια της τοπογραφικής αποτύπωσης και την πληρότητα και συνέχεια αποτύπωσης της φωτογραμμετρικής
• Παρέχουν μεταβλητή ανάλυση στο έδαφος ανάλογα με την απαιτούμενη ακρίβεια του τελικού προϊόντος
• Παρέχει συνολική αποτύπωση των 3D αντικειμένων χωρίς επιπλέον κόπο ή χρόνο εργασίας
• To κόστος αγοράς εξοπλισμού είναι μεγάλο ενώ το κόστος της αποτύπωσης μπορεί να είναι ιδιαίτερα χαμηλό λόγω του μειωμένου χρόνου παραμονής των ειδικευμένων επιστημόνων στο τόπο καταγραφής και του περιορισμένου αριθμού εργατοωρών που απαιτούνται για τη δημιουργία του συνολικού 3D μοντέλου

Τα σημεία που θα μετρηθούν δεν προσδιορίζονται από το χειριστή του οργάνου αλλά προκύπτουν τυχαία και το μόνο που καθορίζεται είναι το βήμα της οριζόντιας και κατακόρυφης ανάλυσης μετρήσεων.

Τεχνικές ανίχνευσης

Στην ουσία ο ανιχνευτής laser αποτελεί τη φυσική μετεξέλιξη των γεωδαιτικών σταθμών (Total station) με δυνατότητα μέτρησης αποστάσεων χωρίς ανακλαστήρα. Η χρήση ενός μηχανισμού περιστροφής της μετρητικής διάταξης γύρω από των οριζόντιο και κατακόρυφο άξονα περιστροφής του οργάνου έδωσε τη δυνατότητα της αυτόματης μέτρησης εκατομμυρίων σημείων χωρίς να είναι απαραίτητη η σκόπευση τους από το χειριστή του οργάνου.

Για όλα τα σαρωμένα σημεία του τρισδιάστατου χώρου στα οποία προσπίπτει η ακτίνα laser επιτυγχάνεται μια μέτρηση της απόσταση σε σχέσημε μια γνωστή διεύθυνση: Οι συντεταγμένες X, Υ και Ζ ενός σημείου μπορούν να υπολογιστούν για κάθε καταγραμμένη απόσταση-διεύθυνση.

Οι ανιχνευτές laser επιτρέπουν την καταγραφή εκατομμυρίων σημείων του χώρου σε λίγα μόνο λεπτά. Λόγω της πρακτικότητας και της ευκολίας χρήσης τους, αυτά τα είδη των οργάνων χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα στον τομέα της αρχιτεκτονικής, αρχαιολογικής και περιβαλλοντικής έρευνας.

Βασική επεξεργασία

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως οι επίγειοι ανιχνευτές laser μπορεί να θεωρηθούν ως εξειδικευμένοι αυτόματοι γεωδαιτικοί σταθμοί. Αντίθετα όμως από τους κοινούς Γεωδαιτικούς Σταθμούς, όπου ο χειριστής επιλέγει άμεσα τα σημεία που μετρώνται, οι ανιχνευτές laser ανακτούν τυχαία ένα πυκνό σύνολο μετρημένων σημείων. Ο χειριστής επιλέγει μόνο το τμήμα του αντικειμένου που επιθυμεί να σαρωθεί και την πυκνότητα των σημείων που επιθυμεί στην σάρωση αυτή (συνήθως το γωνιακό βήμα της ανίχνευσης στα κάθετα και οριζόντια επίπεδα μπορεί να επιλεγεί από το χειριστή).

Μόλις δοθούν αυτές οι τιμές, η σάρωση ξεκινά αυτόματα. Από τα αποτελέσματα και μετά από κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία των μετρήσεων των γωνιών οριζόντιας και κατακόρυφης διεύθυνσης και της απόστασης που διήνυσε η ακτίνα laser, προκύπτουν οι καρτεσιανές συντεταγμένες των σημείων της σάρωσης που αποτελείται από ένα πολύ πυκνό σύννεφο μετρημένων σημείων (που καλείται και DDSM – Dense Digital Surface Model δηλαδή πυκνό ψηφιακό μοντέλο επιφάνειας). Για κάθε σημείο του μοντέλου του αντικειμένου παράγονται οι συντεταγμένες Χ, Υ, Ζ και η τιμή της ανακλαστικότητάς του. Δεδομένου ότι το σύνολο σημείων του μοντέλου σαρώνεται με έναν απολύτως αυθαίρετο τρόπο (με εξαίρεση τις παραμέτρους της ανάλυσης σάρωσης που δίνονται από το χειριστή) είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν με όσο το δυνατό πιο λογικό τρόπο οι αρχικές παράμετροι αυτής της σάρωσης. Ιδιαίτερη προσοχή λοιπόν πρέπει να δοθεί στην τιμή των αρχικών στοιχείων σάρωσης που δίνονται από το χρήστη του οργάνου.

Η επεξεργασία των δεδομένων που προέρχονται από τους ανιχνευτές laser αποτελείται από ένα σύνολο ενεργειών που είναι απαραίτητες για να προκύψει το σωστό ψηφιακό μοντέλο του μνημείου ξεκινώντας από το νέφος των μετρημένων σημείων.

Συνήθως, η κατασκευάστρια εταιρεία του ανιχνευτή laser προμηθεύει μαζί με το υλικό και κατάλληλο λογισμικό που αναλαμβάνει

• Να “κατεβάζει” σαρωμένο νέφος σημείων
• Να προεπισκοπεί την περιοχή σάρωσης και να δίνει τη δυνατότητα της σάρωσης μέρους του μνημείου – χώρου
• Να παράγει τα αρχεία με τα μετρημένα σημεία που στη συνέχεια θα επεξεργαστούν και θα αποδώσουν τις επιφάνειες που περιγράφουν το σχήμα, μέγεθος και μορφή του μνημείου – χώρου.

Επίσης δίνεται η δυνατότητα ενσωμάτωσης του λογισμικού επεξεργασίας των νεφών των σημείων σε περιβάλλον CAD όπου με χρήση των κοινών σχεδιαστικών εντολών μπορεί να δημιουργηθεί το γραμμικό σχέδιο απόδοσης των όψεων, τομών και κατόψεων του μνημείου –χώρου ή το τρισδιάστατο (φωτορεαλιστικό) μοντέλο του κτιρίου .

Η χρήση του laser scanner στο πεδίο είναι απλούστερη από τη χρήση οποιουδήποτε άλλου τοπογραφικού οργάνου καθώς το όργανο λειτουργεί με αυτόματο τρόπο και η οδήγησή του από το χειριστή γίνεται συνήθως με τη βοήθεια Η/Υ μέσω ενός αρκετά φιλικού διαδραστικού περιβάλλοντος επικοινωνίας. Η περαιτέρω όμως επεξεργασία για τη μορφοποίηση των επιφανειών του μοντέλου – χώρου απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις και έμπειρο χειρισμό από κατάλληλα εκπαιδευμένο προσωπικό σε περιβάλλον σχεδίασης CAD.

Το γραφείο μας, έχοντας εμπειρία σε αρχαιολογικές εφαρμογές της τοπογραφίας και της γεωπληροφορικής, παρέχει τις παρακάτω υπηρεσίες:

• Αποτυπώσεις ανασκαφών
• Γεωμετρική Τεκμηρίωση μνημείων
• Φωτογραφική τεκμηρίωση αρχαιολογικών χώρων και ανασκαφών
• Αεροφωτογραφήσεις μνημείων και αρχαιολογικών χώρων
• Τρισδιάστατη μοντελοποίηση αντικειμένων
• Παραγωγή τομών και αναπτυγμάτων από τρισδιάστατα μοντέλα
• Ορθοφωτοχάρτες
• Αποτυπώσεις προσοψεων κτιρίων
• Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών για αρχαιολογικές περιοχές και αρχαιολογικούς χώρους