Διερεύνηση των δυνατοτήτων τεχνικών τηλεπισκόπησης και ερμηνείας οπτικών δορυφορικών δεδομένων σε θέματα πολιτικού μηχανικού

Abstract

The discipline of Civil Engineering covers a wide range of subjects related to scientific domains that generally address construction issues, hydrological and environmental issues, geotechnical issues as well as transport and project management issues. Therefore, integrated know-how and training are required, creating simultaneously the need to search for useful, cost-effective and especially efficient ‘tools’ that can contribute to the study of these issues. Advances in technology offer a wealth of data, methods and techniques that are constantly increasing over time. Hence, investigation of the most effective means, depending on the case being studied, is considered necessary but at the same time very complex due to many possible choices available. In the plethora of disciplines that can contribute to the study of these issues, Remote Sensing plays an important role in providing useful information through a wide range of data sources and processing methods. As the capabilities that this discipline can offer are expanded, delimitation is required depending on the scientific interests of each science, so that remote sensing data and techniques are used in the most effective way. In this PhD dissertation, the research of the potentials of remote sensing techniques and interpretation of optical satellite data in civil engineering issues is presented. This research is of particular interest as there is an increasing trend in the use and processing of satellite data which is, inter alia, strengthened and directly related to the free distribution of these data, as well as to the development of open source software for their processing. Through a systematic approach, a cognitive framework is defined which is effective for obtaining thematic information that can be used directly in the study of relevant scientific and professional issues. Based on the basic elements of the theoretical background of Remote Sensing, issues of visual interpretation and digital processing of optical satellite data of various spatial and spectral resolutions are analyzed and their contribution to the study of engineering issues is investigated. More specifically, optical satellite systems, data of which have been used, are extensively presented and the criteria for selecting optical satellite data are modeled. Subsequently, the main topics of visual interpretation are presented as well as their contribution to relevant case studies is researched. Regarding digital processing, an analysis of enhancement techniques is conducted and the contribution of these to issues of features traceability and interpretation of changes is presented. Critical reviews of basic fusion methods of satellite data follow, as well as their assessments with analysis on urban and environmental issues. Moreover, satellite image classification issues are presented and reference to the use of thermal satellite data for the estimation of surface temperature is being made. Furthermore, the synergy of optical satellite data and ground based laser scanning techniques is presented, concerning the documentation of buildings of cultural interest. Finally, the implementation of the above issues in the study of urban environment and its wider area, as well as in the study of areas for natural hazards management is showcased.

Η επιστήμη του Πολιτικού Μηχανικού καλύπτει ένα ευρύ φάσμα αντικειμένων, τα οποία σχετίζονται με επιστημονικές περιοχές που γενικά πραγματεύονται κατασκευαστικά θέματα, υδρολογικά και περιβαλλοντικά θέματα, γεωτεχνικά θέματα, καθώς και θέματα μεταφορών και διαχείρισης έργων. Απαιτείται λοιπόν μια ολοκληρωμένη τεχνογνωσία και κατάρτιση, ενώ παράλληλα δημιουργείται η ανάγκη για αναζήτηση εύχρηστων, οικονομικών και κυρίως αποτελεσματικών ‘εργαλείων’ που μπορούν να συμβάλουν στη μελέτη των θεμάτων αυτών. Η πρόοδος της τεχνολογίας προσφέρει ένα πλήθος δεδομένων, μεθόδων και τεχνικών που συνεχώς αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Η διερεύνηση επομένως των πιο αποτελεσματικών μέσων, ανάλογα με την περίπτωση μελέτης, κρίνεται αναγκαία αλλά ταυτοχρόνως και ιδιαίτερα σύνθετη, λόγω των πολλών πιθανών επιλογών. Μεταξύ των διαφόρων επιστημονικών κλάδων οι οποίοι μπορούν να συμβάλλουν στη μελέτη των ανωτέρω θεμάτων, σημαντικό ρόλο παίζει η Τηλεπισκόπηση παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες μέσα από ένα μεγάλο εύρος πηγών δεδομένων και μεθόδων επεξεργασίας. Καθώς οι δυνατότητες που μπορεί να προσφέρει ο κλάδος αυτός είναι διευρυμένες, απαιτείται μια οριοθέτηση ανάλογα με τα επιστημονικά ενδιαφέροντα της εκάστοτε επιστήμης, ώστε τα τηλεπισκοπικά δεδομένα και οι τεχνικές να χρησιμοποιηθούν με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η διερεύνηση των δυνατοτήτων τεχνικών Τηλεπισκόπησης και ερμηνείας οπτικών δορυφορικών δεδομένων σε θέματα Πολιτικού Μηχανικού. Η διερεύνηση αυτή αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς παρατηρείται αυξανόμενη τάση όσον αφορά τη χρήση και επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων, η οποία μεταξύ άλλων ενισχύεται και σχετίζεται άμεσα με τη δωρεάν διάθεση των δεδομένων αυτών καθώς και με την ανάπτυξη λογισμικών ανοιχτού κώδικα για την επεξεργασία τους. Μέσα από μια συστηματική προσέγγιση, προσδιορίζεται ένα γνωστικό πλαίσιο αποτελεσματικό για τη λήψη θεματικής πληροφόρησης η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα στη μελέτη σχετικών επιστημονικών και επαγγελματικών θεμάτων. Με άξονα βασικά στοιχεία του θεωρητικού υποβάθρου της Τηλεπισκόπησης, αναλύονται θέματα οπτικής ερμηνείας και ψηφιακής επεξεργασίας οπτικών δορυφορικών δεδομένων διαφόρων χωρικών και φασματικών αναλύσεων και διερευνάται η συμβολή τους στη μελέτη θεμάτων μηχανικού. Αναλυτικότερα, παρουσιάζονται εκτενώς οπτικά δορυφορικά συστήματα δεδομένα των οποίων χρησιμοποιήθηκαν και διαμορφώνονται τα κριτήρια επιλογής οπτικών δορυφορικών δεδομένων. Στη συνέχεια, αναφέρονται βασικά θέματα οπτικής ερμηνείας και γίνεται διερεύνηση της συμβολής τους σε σχετικές περιπτώσεις μελέτης. Όσον αφορά την ψηφιακή επεξεργασία, γίνονται αναλύσεις τεχνικών βελτίωσης και παρουσιάζεται η συμβολή τους σε θέματα εντοπισμού χαρακτηριστικών και ερμηνείας μεταβολών. Ακολουθούν κριτικές θεωρήσεις βασικών μεθόδων συγχώνευσης δορυφορικών δεδομένων και των αξιολογήσεών τους με ανάλυση σε αστικά και περιβαλλοντικά θέματα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται θέματα ταξινόμησης δορυφορικών εικόνων και γίνεται αναφορά στη χρήση θερμικών δορυφορικών δεδομένων για την εκτίμηση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Επίσης, παρουσιάζεται η συνέργεια οπτικών δορυφορικών δεδομένων και τεχνικών επίγειας σάρωσης Laser στην τεκμηρίωση κτηρίων πολιτιστικού ενδιαφέροντος. Τέλος, παρουσιάζεται συνολικά η υλοποίηση των ανωτέρω θεμάτων στη μελέτη αστικού περιβάλλοντος και της ευρύτερης περιοχής του, καθώς και στη μελέτη περιοχών για τη διαχείριση φυσικών κινδύνων.