Luento 7 Stereokartoituskojeet Maa Fotogrammetrian perusteet 1

Transkriptio

1 Luento 7 Stereokartoituskojeet 1

2 Stereokartoitus (Hannu Hyyppä, Petri Rönnholm, TKK) 2

3 Fotogrammetrinen prosessi 3

4 Stereokartoituskoje Stereokartoituskojeessa kuvaparin stereoskooppinen tarkastelu ja tarkka 3-D koordinaattien mittaus on yhdistetty toisiaan tukeviksi toiminnoiksi. Kojeen käyttäjä eli stereo-operatööri tulkitsee stereomallia ja osoittaa kartoitettavia yksityiskohtia mallilla liikkuvan avaruusmittamerkin avulla. Stereomalli on kohteen muodoltaan tarkka rekonstruktio. 4

5 Multiplex-stereokoje Kuvapari Optinen oikaisu Kohteen anaglyfikuva Avaruusmittamerkki 5

6 Oikaisu ja kaksoisprojektio stereokuvaksi 6

7 Avaruusmittamerkki Mittamerkit kuvilla Illuusio mittamerkistä Silmät 7

8 Rakenne I Stereokuvapari normaaliasentoinen, tai lähes normaaliasentoinen vähäiset kallistukset sallittu ja voidaan korjata orientoinnin yhteydessä digitoitu kuva, tai filmidiapositiivi tai paperikuva Stereonäyttö kuvien projisiointi kuvien erottelu okulaari-, anaglyfi-, polarisaatiotai vuorotteluperiaatteella Avaruusmittamerkki 8

9 Rakenne II Laskinosa kuva- ja kohdekoordinaattien väliset muunnokset Orientoinnit sisäinen orientointi keskinäinen orientointi normaaliasentoisuuden palauttamiseksi absoluuttinen orientointi mallikoordinaatiston muuntamiseksi kohdekoordinatistoon Piirturi automaatti, pisteiden rekisteröinti 9

10 Analogiset ja analyyttiset stereokojeet Stereokartoituskojeet on jaettu analogisiin ja analyyttisiin sen mukaan, miten koordinaattien avaruusohjaus on toteutettu. Analogisissa kojeissa kohdekoordinaattien ja kuvakoordinaattien välinen muunnos ratkaistaan analogisesti, joko optiseen tai mekaaniseen projektioon perustuen. Analyyttisissä stereokartoituskojeissa muunnos lasketaan tietokoneella. 10

11 Zeiss Stereoplanigraph Optinen avaruusohjaus 11

12 Wild Autograph A8 Mekaaninen avaruusohjaus 12

13 Mekaaninen avaruusohjaus Kuvakannatin 2D koordinaatit Kuvapiste Projektiokeskus 3D koordinaatit Avaruusohjain Kuvakannatin 13

14 Stereotarkastelu Mittamerkki Stereo-okulaarit Avaruusohjain 14

15 Orientointi Stereomalli saadaan aikaan siten, että kuvat projisioidaan tarkastelutilaan ja orientoidaan alkuperäistä kuvaustilannetta vastaavaan asemaan keskenään. Avaruusmittamerkki liitetään stereomalliin projisioimalla merkki erikseen kummallakin kuvalla kohtaan, joka vastaa senhetkistä 3D sijaintia (avaruusohjaus). 15

16 Orientointi Kameravakio c Kappa κ Pääpiste Phi φ Kanta B Omega ω 16

17 Wild Autograph B8 XYZ dz Projektio karttatasoon Pantografi Piirturi (muunnos kartan mittakaavaan) 17

18 Analyyttinen stereokoje I 18

19 Avaruusohjaus I 1. Operatööri siirtää mittamerkin paikkaan (XYZ). 2. Tietokone laskee vastaavat kuvakoordinaatit (xy) ja (xy) ja määrittää mittamerkin paikan kummallakin kuvalla. 19

20 Avaruusohjaus II 3. Kuvakannattimia siirretään vastaava matka sähköisesti servo-ohjaimilla. 4. Kuvankannattimien liikkeet mitataan ja tarkistetaan, että mittamerkin osoittamat kuvakoordinaatit (xy) ja (xy) vastaavat jatkuvasti mallikoordinaatteja XYZ suljettu takaisinkytkentä 20

21 Avaruusohjaus III Kun tämä toistetaan riittävän suurella taajudella (30 Hz), mittamerkin viivettä ei voi havaita ja avaruusohjaus tuntuu todelliselta. Analyyttisen stereokojeen erityisenä etuna on myös se, että avaruusohjauksessa voidaan käsitellä muitakin kameramalleja kuin keskusprojektio, systemaattiset kuvausvirheet (optiikan piirtovirheet, ilmakehän refraktio, karttaprojetiot, jne.) voidaan huomioida 21

22 Wild Aviolyt Analyyttinen stereokoje Numeerinen piirturi Stereookulaarit Tietokone X Y Z Avaruusohjaus XYZ 22

23 Matra Traster Polarisaatio- Stereolasit kuvaruutu 23

24 Zeiss Planicomp Kuvakannattimet Avaruusohjaus XYZ 24

25 Stereokartoituskojeiden kehitys Analogiset stereokartoituskojeet autografit optiset tai mekaaniset avaruusohjaimet stereomallin muodostamiseen kuvaparilta Analyyttiset stereokojeet analyyttiset plotterit ei avaruusohjaimia, vaan tietokoneella laskien Digitaaliset stereotyöasemat ei kuvakannattimia uusimpana uutuutena vapaa stereotarkastelu (autostereoskopia) 25

26 Digitaaliset stereotyöasemat Analogisten stereokartoituskojeiden merkitys on 1990-luvulla hävinnyt. Uusimmissa kartoitusjärjestelmissä fotogrammetriset kojeet on korvattu digitaalisilla kuvatyöasemilla. Niissä fotogrammetriset toiminnot sisältyvät digitaalisten kuvien geometriseen käsittelyyn ennen kuvien projisiointia kuvanäytölle. 26

27 Digitaalinen stereokartoituskoje I Kuva: Carl Zeiss AG Kuva: Leica Geosystems 27

28 Digitaalinen stereokartoituskoje II Stereokartoitus edellyttää sitä, että työasemaan liitetään steronäyttö ja stereofotogrammetrinen ohjelmisto, eli työasemasta tehdään digitaalinen stereokartoituskoje. Stereokartoitusta varten kuvapari oikaistaan stereonäytölle stereokuvauksen normaalitapauksen mukaisesti. 28

29 Oikaisu stereokuvauksen normaalitapaukseen Georeferoitu Georeferoitu kuvapari oikaistaan kuvanäytön tasolle niin, että sydänsäteet projisioituvat yhdensuuntaisiksi. Tätä kutsutaan epipolaarioikaisuksi, ja kuvaparia Epipolaarioikaistu epipolaarioikaistuksi kuvapari kuvapariksi tai Sydänsäde epipolaarikuvaksi. kuvapari Kuvanäyttö 29

30 Avaruusohjaus Kuvapari orientoidaan ja oikaistaan projektiivisesti siten, että se vastaa stereokuvauksen normaalitapausta. Stereoskooppinen tulkinta ja kartoitus tehdään 3D kuvanäytöllä, eikä erillistä avaruusohjausta enään tarvita. Avaruusohjaimena toimii tietokoneen 3D kursori. 30

31 Digitaalinen stereokartoituskoje III Oikaisu tehdään kuvien georeferointitietojen perusteella. Epipolaarioikaistuilla kuvapareilla vasemman ja oikean kuvan välillä ei ole pystyparallaksia eli y = y. Avaruusmittamerkin 3D sijaintia määrittävät X, Y, ja Z koordinaatit muunnetaan kuvaparin 2D liikkeiksi x, y ja px. 31

32 Digitaalinen stereokartoituskoje IV Kun käyttäjä liikuttaa avaruusmittamerkkiä stereomallilla, mittamerkin 3D liikkeet muunnetaan kuvien 2D liikkeiksi. vasemmalla kuvalla (x, y ) oikealla (x +px, y ). 32

33 DVP Digital Video Plotter Stereoskooppi Split screen -stereonäyttö 33

34 Split screen -stereonäyttö Vasen kuva Oikea kuva Kuvaruutunäyttö Peilistereoskooppi 34

35 Kaksoisprojektio rinnakkain 35

36 Kaksoisprojektio päällekkäin (Kimmo Nurminen) 36

37 Stereolasien polarisaatiotasot 120 Hz kuvaruutunäyttö Stereolasit Polarisaatiokaihtimet 37

38 Stereonäytön polarisaatiotasot 120 Hz kuvaruutunäyttö Polarisaatiokaihtimet Stereolasit 38

39 LeicaHelava SocetSet 39

40 EspaSystems Maanmittauslaitoksen ylläpitämän valtakunnallisen maastotietokannan tiedonkeruussa siirryttiin vuonna 2001 käyttämään EspaCity-sovellusta. Työasemalla tulkitaan digitaalisia stereo-ortokuvia ja editoidaan suoraan Smallworldin maastotietokantaa. 40

41 Autostereoskopia I Lentikulaarinäyttö 41

42 Autostereoskopia II 42

43 Analogiset kartoituskuvat I Toistaiseksi valtaosa suurimittakaavaisesta kartoitustoiminnasta perustuu analogiakuvien käyttöön Kuvat ovat pääasiassa värikuvia, jotka otetaan kartoitusmittakameralla. Kuvausjärjestelmän erotuskyky on vähintään 40 lp/mm ja parhaimmillaan 60 lp/mm. Yksi ilmakuva on kooltaan 230 mm x 230 mm ja sisältää 1.5 Gb kuvatietoa. 43

44 Analogiset kartoituskuvat II Kuvausjärjestelmän "heikoin" lenkki on filmi, joka deformoituu kuvaus- ja kartoitushetkien välillä. Kartoitusmittakameran geometrinen tarkkuus on kertaluokkaa 1 µm, mikä vastaa suhteellista tarkkuutta 1 : kuva-alalla. Vaikka kuvan deformaatiota voidaan pääosin kontrolloida reunamerkein, niiden jäännösvirheiden vaikutusta rekonstruoidun kohdemallin deformoitumiseen on kontrolloitava myös hyvällä lähtöpistegeometrilalla. 44

45 Digitaaliset kartoituskuvat I Digitaalisia kartoituskuvia voidaan tuottaa joko skannaamalla kuvauksen jälkeen filmiltä, tai kuvaamalla suoraan digitaalisella kameralla. Digitaalisten kameroiden käyttö kartoituskuvauksiin on lisääntymässä ja vilkkaan kehitystyön kohteena. 45

46 Digitaaliset kartoituskuvat II Kartoituskuvat digitoidaan ns. fotogrammetrisilla skannereilla. Joissain erikoistilanteissa tulevat kyseeseen myös mikrodensitometrit, julkaisuskannerit tai diaskannerit. Digitaalinen kartoituskuvaus on joko korkearesoluutioista satelliittikuvausta tai ilmakuvausta digitaalisin kameroin. 46

47 Tuotantojärjestelmiä Suomessa FM-Kartta Oy ( Roll film scanner Leica DSW600, Windows XP Kuvankäsittelyohjelmisto Photoshop, WindowsNT. Suoraan skannerista saadaan tiilitettyä TIFF:iä ja pääjakeluformaatti on TIFF, formaattimuunnoksia tehdään yleisimpiin käytössä oleviin formaatteihin Mittausohjelmisto Inpho Match-AT Ortokuvatuotanto PCI OrthoEngine Suuriformaattinen väritulostin HP 2500 (600 dpi) Aineiston saa CD-R, DVD-R, DVD+R, LTO 100/200 GB 47

48 Ilmakuvaskannerit 48

49 Fotogrammetriset skannerit 49

50 Digitaalinen ilmakuvaus 50

51 Lentosuunta Bush broom -geometria 51

52 Master Cone 4 Color Cones Panchromatic Cones (Timo Sääski, FM-Kartta Oy) 52

53 Matriisikuvan geometria pistettä Lentosuunta pistettä (Timo Sääski, FM-Kartta Oy) 53

54 Vexcel Ultracam-D digitaalinen laajakulmakamera matriisi CCD-tekniikkaan perustuva frame-kamera tallentaa samanaikaisesti mv-, väri- ja väärävärikanavat tallentaa 9 mikrometrin resoluutilla * 7500 pikseliä 500m: kuvakoko 517m*337m, 4.5 cm maastoresoluutio 1500m: kuvakoko 1552m*505m, 7 cm maastoresoluutio 3000m: kuvak. 3105m*2025m, 27cm maastoresoluutio (Timo Sääski, FM-Kartta Oy) 54

55 Vexcel Ultracam-D ei filmiä, ei skannausta hyvä radiometria, hyvä geometria mv-, väri- ja väärävärikuvilla sama geometria vähemmällä valolla, pitkä kuvauskausi automaattinen kuvanmuodostus edulliset kokonaiskustannukset (Timo Sääski, FM-Kartta Oy) 55

56 Vexcel Ultracam-D Skannattu kuva Digikuva (Timo Sääski, FM-Kartta Oy) 56