The effect of topography and elevation on viewsheds in mountain landscapes using geovisualization

ABSTRACT

Visibility analyses provide an opportunity for addressing landscape exploration (e.g. assessing touristic experience). The locations of observers in 3D space and the topographic character of the overall landscape have been shown to act on the respective visibility spatial patterns (viewsheds). However, the way observers explore a landscape is not static but sequential. In this paper, we design explorative geographic visualizations (animated viewshed maps) which dynamically visualize the parts of a mountain landscape that are visible from hypothetical observers moving upon different topographic features (e.g. ridgelines). In these geovisualizations, the observers' elevation changes are displayed with inset profile graphs as well. Overall, these animated maps facilitate the visual exploration of viewsheds' evolution simultaneously with observers' changing positions. In this manner, insight is provided about the influence of the moving observers' topographic features and elevation upon the viewsheds' extent and configuration in a direct visual means. This qualitative approach is complemented by a statistical evaluation increasing the robustness of the results. It turns out that elevation per se is not such a crucial determinant for visibility, and topographic features should be encompassed in an attempt for further quantification and standardization of the way in which mountain landscapes are dynamically experienced.

RÉSUMÉ

Les analyses de la visibilité offrent une opportunité pour faciliter l’exploration des paysages (par exemple l’évaluation des expériences touristiques). La localisation des observateurs dans un espace 3D et le caractère topographique de l’ensemble du paysage ont été identifiés comme des points clés pour la visibilité des structures spatiales (vues). Pourtant la façon dont les observateurs explorent un paysage n’est pas statique mais séquentielle. Dans ce papier nous concevons des visualisations géographiques exploratrices (des cartes de vues animées) qui visualisent de façon dynamique la partie d’un paysage de montagne qui est visible à partir de positions hypothétiques d’observateurs se déplaçant sur différentes entités topographiques (par exemple une ligne de crête). Dans ces géovisualisations, les changements d’altitude des observateurs sont également affichés dans un graphique de profil en encart. Dans l’ensemble, ces cartes animées facilitent l’exploration visuelle de l’évolution des vues simultanément avec le changement de position des observateurs. De cette façon nous proposons un aperçu visuel direct de l’influence du déplacement de l’altitude des observateurs et des entités topographiques sur l’étendue et la configuration des vues. Cette approche qualitative est complétée par une évaluation statistique qui augmente la robustesse des résultats. Il s’avère que l’altitude en tant que telle n’est pas un déterminant crucial de la visibilité, et que les entités topographiques doivent être inclues pour une meilleure quantification et standardisation de la manière dont les paysages de montagne sont dynamiquement expérimentés.

Περίληψη

Οι αναλύσεις ορατότητας παρέχουν την ευκαιρία διερεύνησης/ εξερεύνησης του τοπίου (λ.χ. αποτίμηση της τουριστικής εμπειρίας). Έχει καταδειχθεί ότι οι θέσεις των παρατηρητών στον τρισδιάστατο χώρο και ο τοπογραϕικός χαρακτήρας του συνολικού τοπίου επενεργούν επί των αντίστοιχων χωρικών μοτίβων ορατότητας (πεδίων ορατότητας). Ωστόσο, ο τρόπος με τον οποίο οι παρατηρητές εξερευνούν ένα τοπίο δεν είναι στατικός αλλά δυναμικός. Σε αυτό το άρθρο, σχεδιάζουμε εξερευνητικές/ διερευνητικές γεωγραϕικές οπτικοποιήσεις (χάρτες ορατότητας κινούμενης εικόνας) οι οποίες οπτικοποιούν τα τμήματα ενός ορεινού τοπίου που είναι ορατά από υποθετικούς παρατηρητές, κινούμενων κατά μήκος διαϕορετικών τοπογραϕικών στοιχείων (λ.χ. κορυϕογραμμές). Σε αυτές τις οπτικοποιήσεις, οι μεταβολές στο υψόμετρο των παρατηρητών παρουσιάζονται κι αυτές μέσω ένθετων τοπογραϕικών τομών. Στο σύνολό τους, αυτοί οι χάρτες κινούμενης εικόνας διευκολύνουν την οπτική εξερεύνηση της «εξέλιξης» των πεδίων ορατότητας ταυτόχρονα με τις μεταβαλλόμενες θέσεις των παρατηρητών. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, παρέχεται βαθύτερη κατανόηση για την επίδραση των τοπογραϕικών στοιχείων και του υψομέτρου των παρατηρητών επί της έκτασης και της διάταξης των πεδίων ορατότητας με έναν άμεσο οπτικό τρόπο. Αυτή η ποιοτική προσέγγιση συμπληρώνεται από μια στατιστική αποτίμηση μέσω της οποίας αυξάνεται η στιβαρότητα των αποτελεσμάτων. Τελικά, προκύπτει ότι το υψόμετρο καθαυτό δε συνιστά έναν τόσο κρίσιμο παράγοντα για την ορατότητα, και ότι τα τοπογραϕικά στοιχεία πρέπει να εντάσσονται προς την κατεύθυνση της περεταίρω ποσοτικοποίησης και προτυποποίησης του δυναμικού τρόπου με τον οποίο γίνονται αντιληπτά (βιώνονται) τα ορεινά τοπία.

KEYWORDS:

• Mountain landscapes
• animated viewshed maps
• topographic influence
• explorative geovisualization
• geovisualizations’ statistical evaluation

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Notes on contributors

Loukas-Moysis Misthos is a PhD candidate in the School of Mining and Metallurgical Engineering, National Technical University of Athens, Greece. His main research interests focus on the perception and evaluation of the mining and mountain landscape utilizing geospatial analysis, geovisualization and eye movement analysis.

Byron Nakos is Professor in the School of Rural & Surveying Engineering of the National Technical University of Athens. His research interests are related to cartographic generalization, children and cartography, eye-tracking and cartographic visualization, analytical hill-shading and design and development of spatial information systems applications. He has participated as leader or key researcher to several research projects on cartography and geoinformation funded either by the European Union or by public bodies. He has published his research work through more than one hundred referred papers on scientific journals, conferences proceedings and he is the author or co-author of more than ten books. For several years, he served as the Director of the Cartography Laboratory and Head of the Department of Surveying Engineering at the School of Rural & Surveying Engineering of the National Technical University of Athens. Currently, he is appointed as the President of Board of Directors of the Hellenic Cadastre of Greece.

Dr. Vassilios Krassanakis holds a Diploma Degree in Rural and Surveying Engineering from National Technical University of Athens (NTUA) and a Doctor of Engineering Degree in Cartography from the same university. His main research focuses on map perception, geovisualization techniques, and geographic information systems. He is an expert in eye movement analysis methods. Vassilios currently serves as Visiting Professor at the Department of Surveying and Geoinformatics Engineering of University of West Attica as well as Postdoctoral Collaborator at NTUA.

Dr. Maria Menegaki is an Assistant Professor in the School of Mining & Metallurgical Engineering, National Technical University of Athens, Greece. She holds a PhD in Surface Mining and Environment. Her research interests include surface mining planning and design, mining economics and environmental impacts of mining.

ORCID

Loukas-Moysis Misthos http://orcid.org/0000-0002-3244-2546

Notes

1. Such a viewshed implementation refers to the notion of total viewsheds (see Wheatley, 1995; Llobera, 2003).

2. Viewshed implementation on a raster/gridded DEM is relatively challenging due to the high computational complexity: the computation of the complete visibility maps or total viewsheds (i.e. viewsheds from all the points of the terrain) has a complexity which is expressed as O(N²) where N is the total number of points of the DEM (Tabik, Zapata, & Romero, 2013; Feng et al., 2015).

3. It is worth noticing that these practices are parts of an explorative geovisualization strategy which, contrariwise to its usual role, is not to reveal latent spatiotemporal patterns included in geographic processes (Blok, 2005; Kraak & van de Vlag, 2007). It is rather dedicated to revealing the geovisualizations’ ‘deficiencies’ themselves in a sense analogous to the manner that Ehlschlaeger et al. (1997) have utilized animation at its exploratory dimension, that is to provide added value information about the uncertainty of the data and the way this uncertainty affects the application of concern.

4. Reference to the specific distance values is made only to describe topographically different segments of the profile.