Kansallinen maastotietokanta. KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys mobiilikartoitusmenetelmistä

Transkriptio

1 Kansallinen maastotietokanta KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys mobiilikartoitusmenetelmistä

2 Projektin selvitys 1 Sisältö 1 YLEISTÄ LYHENTEISTÄ JA TERMEISTÄ YLEISTÄ MOBIILIKARTOITUSJÄRJESTELMISTÄ JÄRJESTELMÄN OSAT ERILAISIA MOBIILIKEILAUSMENETELMIÄ ESIMERKKEJÄ MOBIILIKARTOITUKSELLA KERÄTYISTÄ AINEISTOISTA (LÄHDE MOBIILIKARTOITUKSEN HYÖDYT JA HAASTEET TULEVAISUUS

3 Projektin selvitys 2 1 Yleistä Tämä selvitys on Kansallinen Maastotietokanta (KMTK) -hankkeen KMTK-Kuntien tuotantoprosessitprojektin selvitys erilaisista liikkuvan kartoituksen (mobiilikartoitus) menetelmistä. Selvitykseen on pyritty tiivistämään lyhyesti oleelliset asiat, jotka on syytä ottaa huomioon erityisesti kartoitustoiminnassa. Tässä selvityksessä keskitytään esittelemään mobiilikartoitusjärjestelmä ja siihen kuuluvat osat, sekä mobiilikartoituksessa käytetyt menetelmät yleisellä tasolla. Tarkempi kuvaus mittausaineiston prosessoinnista, lopputuotteiden muodostamisesta ja tuotantoprosessista esitetään myöhemmissä selvityksissä. Tässä selvityksessä mobiilikartoitusjärjestelmien osalta keskiössä on maanpäällä käytettävät mobiilikartoitusjärjestelmät. Kommentit ja kyselyt selvitykseen liittyen KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektin projektipäällikölle: Olli Nevalainen (olli.nevalainen@maanmittauslaitos.fi) 1.1 Lyhenteistä ja termeistä Liikkuvista eli mobiilikartoitusjärjestelmistä käytetään yleisesti englanninkielisestä määritelmästä tulevaa lyhennettä MMS eli Mobile Mapping System. Kun MMS:n pääkartoitussensori on laserkeilain, puhutaan myös liikkuvasta laserkeilauksesta eli Mobile Laser Scanning, lyhenne MLS. 2 Yleistä mobiilikartoitusjärjestelmistä Mobiilikartoitus on liikkuvalta alustalta tehtävää kartoitusta. Mobiilikartoitusjärjestelmässä (MMS, Mobile Mapping System) on useita paikannus- ja mittaussensoreita. MMS:n tarkoitus on tuottaa tarkkaa ja yksityiskohtaista 3D-tietoa kohteiden: tunnistukseen paikannukseen mallinnukseen analysointiin monitorointiin Sovelluskohteita ovat mm. kaupunkimallinnus, väyläinventoinnit, tarkat maastomallit, muutostulkinnat ja metsäinventoinnit. 2

4 Projektin selvitys 3 Kuva 1. Autoon asennettu MLS kartoittamassa tieympäristöä kaupungissa. Kuva 2. Lähikuva yhdestä MMS:stä. Kuvassa näkyy samalle alustalle asennetut kaksi laserkeilainta (punaiset ulokkeet laitteen yläosassa), ylä- ja alaviistoon kuvaavat kamerat sekä ylimpänä paikannusjärjestelmän GNSS-antenni. (Lähde: Järjestelmän osat MMS: tyypillinen rakenne koostuu yhteisestä alustasta, johon sensorit asennetaan. Sensorit koostuvat paikannusyksiköstä, yhdestä tai useammasta mittaussensorista ja tallennus- ja ohjausjärjestelmästä. Paikannusyksikkö koostuu yleisesti satelliittipaikannusjärjestelmästä (GNSS, Global Navigation Satellite System) ja inertiamittausyksiköstä (IMU, Inertial Measurement Unit). Myös muita paikannusta avustavia järjestelmiä saattaa olla mukana. Paikannusyksikkö mittaa järjestelmän sijaintia ja asentoa tyypillisesti kertaa sekunnissa. Yleisimmin käytettyjä mittaus- ja kartoitussensoreita ovat laserkeilain ja kamerat. Laserkeilaimia voi olla samanaikaisesti useita käytössä. Myös muita sensoreita, kuten lämpökameroita, on mahdollisuus hyödyntää. Nopeimmat laserkeilaimet tallentavat noin miljoona pisteitä sekunnissa ja 3

5 Projektin selvitys 4 mittaavat 250 kappaletta 360º-profiilia sekunnissa. Kameralla tai kameroilla otettuja kuvia voidaan käyttää sekä mitattujen laserpisteiden värittämiseen että kartoitusmittaukseen. Tallennus- ja ohjausjärjestelmä on käytännössä tietokone, joka tallentaa mittauksen tiedot. Se voi pienimmillään olla tabletti tai mini-pc. Kuva 3. Esimerkki ajoneuvoon asennetun MMS:n toiminnasta: kartoituslaitteen sijainti ja asento mittaushetkellä määritetään paikannusyksikön avulla, jolloin kartoitussensorin eli laserkeilaimen mittaamien pisteiden koordinaatit voidaan muuntaa laitteen omasta koordinaatistosta karttakoordinaatistoon. Ajoneuvon liikkuessa keilaimen mittaamat laserpisteprofiilit osuvat eri kohtiin mitattavaa kohdetta. Lisäksi kartoitusjärjestelmään voi kuulua maastotukipisteiden sijainnin määrittämistä varten GNSS-, takymetri- ja vaaituskalustoa. Järjestelmään kuuluvat myös erilaiset tietokoneohjelmistot datan keräykseen, prosessointiin ja georeferoidun kartoitusdatan käyttöön. Datan keräysohjelmistot ovat usein laitevalmistajien omia ohjelmia, joilla tallennetaan satelliitti- ja IMU-havainnot, synkronointidata ja mittaussensorien data. Datan prosessointiin keskittyvät ohjelmistot ovat myös usein laitevalmistajien omia. Niillä lasketaan järjestelmän kulkureitit eli trajektorit. Trajektori sisältää tiedon kartoituslaitteen sijainnista ja asennosta kullakin ajanhetkellä, esim. 200 kertaa sekunnissa. Kartoituslaitteen keräämä mittausdata georeferoidaan karttakoordinaatistoon tämän trajektoritiedon perusteella. Georeferoidun kartoitusdatan käyttöön on tarjolla sekä laitevalmistajien ohjelmistoja, sekä erilaisia kartoitukseen tai 3D-aineistojen käsittelyyn keskittyviä ohjelmistoja (esim. Terrasolid, CAD). 3 Erilaisia mobiilikeilausmenetelmiä Aiemmin järjestelmät asennettiin pääasiassa kiinteästi ajoneuvoon. Nykyään uudet järjestelmät voidaan asentaa monelle eri alustalle, esimerkiksi autoon, veneeseen, mönkijään, junaan, lumikelkkaan, tai selkäreppuun. 4

6 Projektin selvitys 5 Myös UAV/drone-järjestelmiä on olemassa, mutta paino aiheuttaa rajoituksia laitteistolle, lentoajalle ja sallitulle toiminta-alueelle. UAV-järjestelmiin keskitytään tarkemmin projektin toisessa selvitystyössä. Auto Ominaisuudet: Mittaus on nopeaa ja pystytään kattamaan laajoja alueita lyhyessä ajassa. Soveltuvuus: Autossa olevien järjestelmien käyttö rajoittuu tieverkoston läheisyyteen. Järjestelmän paino ei ole kovin kriittinen tekijä jolloin järjestelmässä voidaan käyttää useampia sensoreita ja tarkempaa, ja siten monesti myös raskaampaa, paikannusjärjestelmää. Reppu Ominaisuuksia: Kartoitus on yksityiskohtaista, mutta hitaampaa kuin ajoneuvolla. Soveltuvuus: Kartoitusta voidaan tehdä lähes missä vaan ympäristössä, siellä missä jalan on mahdollista liikkua. Soveltuu pienempien alueiden kartoitukseen. Kannettavuus asettaa rajoituksia sensoreiden painolle ja koolle. Kuva 4. Selkäreppukeilausjärjestelmä. Vene Ominaisuuksia: 5

7 Projektin selvitys 6 Tehokasta kartoitusta vesistöalueilla. Soveltuvuus: Vesistöjen ranta-alueiden kartoitukseen. Mönkijä Ominaisuuksia: Mittausnopeudeltaan ja alueelliselta kattavuudeltaan auto- ja reppukeilauksen välimuoto. Soveltuvuus: Vaikeakulkuisiin maastoihin, esim. metsämittauksiin. Väylämittauksiin kohteissa mihin autolla ei pääse ja reppukeilaus on hitaampaa. 4 Esimerkkejä mobiilikartoituksella kerätyistä aineistoista (lähde Kuva 5. MLS-järjestelmällä kerättyä pistepilveä kaupunkiympäristöstä. 6

8 Projektin selvitys 7 Kuva 6. Mönkijällä kerättyä pistepilveä metsän keskellä kulkevalta sähkölinjalta. Kuva 7. Mobiilikartoitukseen perustuvaa 3D-kaupunkimallia. 7

9 5 Mobiilikartoituksen hyödyt ja haasteet Projektin selvitys 8 Mobiilikartoituksen suurimpia hyötyjä nykyään ovat: Nopea ja yksityiskohtainen 3D-kartoitus. Ympäristön monipuolinen dokumentointi. Mahdollisuus jopa fotorealistiseen mallinnukseen. Tarkkuus silloin kun satelliittinäkyvyys on hyvä, mutta myös katvepaikkoihin on löydettävissä ratkaisuja. Suurimpia haasteita mobiilikeilausjärjestelmien käyttöön kartoituksessa ovat: Järjestelmien hinnat Valtavat datamäärät (esim. 1 GB / 30 milj. pistettä / km) Kuvat lisäävät datamäärää entisestään Prosessoinnin automaatioasteen mataluus Katvealueet 6 Tulevaisuus Tulevaisuudessa sensorikehitys tulee parantamaan mittaustarkkuuksia ja mahdollistamaan automaatioasteen kasvun. Järjestelmien hinnat ovat jo laskussa ja ne tulevat tulevaisuudessa yhä laskemaan. Laitteiden koko tulee pienentymään ja satelliittipaikannusjärjestelmät kehittyvät jatkuvasti, mikä mahdollistaa pienien, mutta tarkkojen mobiilikartoitusjärjestelmien yleistymisen. Järjestelmien yleistyminen tulee myös lisäämään MMS-datojen prosessointi- ja käsittelyohjelmistojen toiminnallisuuksia helpottaen ja automatisoiden aineistojen käsittelyä. Kehityksen myötä MMS-aineistojen tarjonta ja käyttö tulee yleistymään entisestään. 8