MAA-C2001 Ympäristötiedon keruu

Transkriptio

1 MAA-C2001 Ympäristötiedon keruu Luento 6, 2017 Petri Rönnholm, Aalto-yliopisto 1 Oppimistavoitteet Ymmärtää fotogrammetrian instrumentteja ja niiden kalibrointia Ymmärtää kaukokartoituksen instrumentteja ja niiden kalibrointia Ymmärtää laserkeilauksen instrumentteja ja niiden kalibrointia 2 1

2 Fotogrammetriset instrumentit 3 Ilmakuvaskamerat Ilmakuvauskamerat voivat olla Kennopohjaisia (laajaformaattisia) Pushbroom-rivikameraperiaatteella toimivia Vuonna 2000 julkaistiin ensimmäinen digitaalinen ilmakuvakamera (pushbroom) Nykyään suurin osa ilmakuvakameroista on digitaalisia, mutta maailmalla on yhä käytössä myös filmikameroita Leican filmikamera Leica RC30 oli vielä vuonna 2016 myynnissä 4 Ilmakuvakamera RC30 ja hyrrästabiloitu kamerajalusta PAV30 2

3 Ultracam (Vexcel) Laajaformaattinen ilmakuvakameraperhe Lopullinen kuva tuotetaan useasta osakuvasta, vaatii jälkilaskennan Eri versioita: Ultracam Ospring, Ultracam Eagle, Ultracam Falcon, Ultracam Hawk 5 Ultracam Kamerassa on 9 pankromaattista kuvakennoa 4 linssin takana Kuvat otetaan lyhyin aikavälein koneen lentäessä osakuvat saadaan peittämään hallitusti alue maastosta Cone 3 6 3

4 Ultracam Osakuvat otetaan siten, että niille tulee hieman päällepeittoa Cone 1 7 Ultracam Muut osakuvat sidotaan master-kuvaan (master cone) kuvaan Master cone 8 4

5 Ultracam Kuvien ottamisen jälkeen lopullisen kuvan materiaalit on saatu kerättyä Cone 2 9 Ultracam Lopullisen kuvan muodostaminen vaatii oman ohjelmistonsa (monolith stitching) Koko kuva 10 5

6 Ultracam Eagle Pankromaattisen kuvan koko on x pikseliä eli n. 340 megapikseliä (multispektraalit kanavat 7670 x 4930 pixeliä) Vaihdettava linssijärjestelmä 80 mm, 100 mm, 120 mm tai 210 mm Kanavat Pankromaattinen, punainen, vihreä, sininen, lähi-infrapuna Kuvia voi ottaa 1.65 s välein 11 Ultracam kuvatuotteet Pan-terävöitetty Väri-infrapunakuva Pan-terävöitetty RGB-kuva Pankromaattinen kuva RGB-värikuva

7 Ultracam kameran kalibrointi Laboratoriokalibrointi (Graz, Saksa) Selvitetään osakameroiden keskinäiset orientoinnit, mikä mahdollistaa suoraan epipolaarikuvien laskemisen Selvitetään osakameroiden linssivirheet Lopullisen kuvan muodostaminen Vastinpisteiden automaattinen etsiminen kuvien päällepeittoalueilta Muunnetaan osakuvat 2D projektiivisella muunnoksella masterkuvaan tasoon Myös värikanavat rekisteröidään pankromaattisen kuvan kanssa Kuvien virheitä voidaan vielä koettaa poistaa ylimääräisillä virheparametreilla ilmakolmioinnissa (23 tai 63 lisäparametria) 13 Ultracam laboratoriokalibrointikenttä 14 7

8 Leica DMC III (Hexagon) Ainoa laajaformaattinen digitaalinen ilmakuvakamera, jossa (spatiaaliselta resoluutioltaan tarkin) pankromaattinen kuva tuotetaan yhden kennon avulla (CMOS kenno) Kanavat Pankromaattinen, punainen, virhreä, sininen, lähiinfrapuna Pan:25728 x14592 pikseliä Multispektraalit kamerat: 8956x6,708 pikseliä Kuvausnopeus 1.9 s 15 Kalibrointi DMC II (edellinen versio) Valmistaja tekee laboratoriokalibroinnin sekä tarkistaa sen todellisella lennolla (testikenttä, in-situ) Linssivirhemalli: Australis-parametrit (lähellä Brownin fysikaalista mallia, kameravakio, radiaalinen linssivirhe, tangentiaalinen linssivirhe, affiinisuus, akselien suorakulmaisuus) DMC III Linssivirheet mallinnetaan simuloinnilla, joka ottaa huomioon linssin suunnittelun + tarkistus testikenttäkalibroinnilla 16 Kollimaattorimittaus, Carl Zeiss Jena 8

9 Leica ADS100 rivikamera (pushbroom) Sivuttaissuunnassa on pikseliä kaikilla kanavilla Kuvan pituus lentosuunnassa on niin pitkä kuin lennetään Kanavat Punainen, vihreä, sininen, lähi-infrapuna Edellyttää suoran georeferoinnin sensoreita (GNSS ja IMU) 17 Leica ADS100 rivikamera Kamera ottaa yhtä aikaa rivikamerakuvaa taakse-, alas- ja eteenpäin kaikilla kanavilla Kuvista saadaan tehtyä stereomittauksia (3D malli kohteesta) 18 9

10 Leica ADS100 rivikamera Raakakuva vääristyy, koska lentokone heiluu kuvauksen aikana Kuvalle tehdään korjaus suoran georeferoinnin sensorien antamien kallistustietojen avulla Raakakuva Korjattu kuva 19 Leica ADS100 rivikamera Kuville tehdään radiometrinen korjaus Muuten lentojonojen sävyt poikkeavat toisistaan Korjaamaton kuvajoukko Korjattu kuvajoukko 20 10

11 Ilmakuvauskamerat ovat aina kokonaispaketteja Kamera, gyrostabiloitu jalusta, navigointi, hallinta, tallennus 21 Kuvaliikkeen kompensointi Ilmakuvakameroiden tulee poistaa koneen liikkeestä johtuva epäterävöityminen (FMC =Forward Motion Compensation, pitkittäisen kuvaliikkeen korjaus) Yleensä toteutettu TDI-tekniikalla (Time Delayed Integration) Korjaamaton Korjattu 22 Kuvat: 11

12 Gyrostabiloitu jalusta Esim. Leica PAV100 Pystyy gyroskooppien avulla itse määrittämään ja korjaamaan kallistukset ja sorron, jos ne eivät ole liian suuria 23 Keskiformaatin kamerat Keskiformaatin kamerat ovat ammattilaistason kameroita, joissa on suurehko kenno (mutta ei niin suuri kuin laajaformaattisissa kameroissa) Hinta on kymmeniä tai jopa satoja tuhansia euroja Pikseleitä > 36 megapikseliä Ottaa RGB- tai CIR-kuvia (yksi kenno) Ei kuvaliikkeen digitaalista korjausta (voi olla mekaaninen) Useita valmistajia, esim. Rolleimetric Leica Applanix IGI Optech Microsoft 24 12

13 Kuluttajatason kamerat Erityisesti maakuvauksissa voidaan käyttää periaatteessa mitä tahansa kameraa, mikä ei säädä omavaltaisesti kuvaa Myös useimmat kännykkäkamerat ovat mittauskelpoisia Linssi, kennon koko, kohina ja automaattiset kuvakorjaukset voivat haitata mittaamista 25 Kameroiden kalibrointi Kamerat voidaan kalibroida käyttämällä tähyslevyjä Tähyslevyt voidaan asetella vapaasti Automaattisen vastinpistehaun helpottamiseksi tähykset on koodattu Kalibrointi onnistuu shakkiruudukolla Kalibroinnin voi tehdä myös kalibrointikentän avulla Kalibroinnissa otetaan paljon kuvia kalibrointikohteesta eri kuvakulmista (hyvä kuvausgeometria) Laskenta tapahtuu sädekimpputasoituksella, jossa on mukana kalibroinnin lisäparametrit (kalibrointimalli voi vaihdella) 26 13

14 Kaukokartoitusinstrumentit 27 Satelliittikaukokartoitus, sensorit Passiiviset Kerätään kohteesta heijastunutta auringonvaloa Kohde on voinut absorboida auringonvaloa ja lähettänyt sen lämpöinfrapunasäteilynä Kohde voi itse tuottaa ja lähettää säteilyä Kamerat, optiset keilaimet, kuvaavat spektrometrit ja radiometrit Aktiiviset Instrumentti lähettää itse säteilyä ja vastaanottaa heijastuneen säteilyn Kuvaavat tutkat, laserkeilaimet 28 14

15 Satelliitit Useimmat satelliitit sisältävät useita sensoreita Säästää rahaa + rakentamiseen saadaan rahaa useilta tahoilta Yhden satelliitin aineistolla voidaan tutkia useita maan ja ilmakehän parametreja 29 Esimerkkinä Terra-satelliitin sensorit ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer) MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer), meret, ilmakehä, maa MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere) 30 15

16 Satelliittien kiertoradat Suurin osa kaukokartoitussatelliiteista kiertää maata aurinkosynkronisella (polaari)radalla Aurinkosynkronisen radan kulma aurinkoon nähden säilyy aina samana Riippuen ylikulkusuunnasta satelliitti voi olla nousevassa tai laskevassa solmussa 31 Kuvaava spektrometri (hyperspektrikuvat) Toimii kuten monikanavainen keilain mutta kanavien lukumäärä jopa satoja Kanavien spektrikaistojen leveys muutamia nanometrejä Useimmat instrumentit ovat lentokonekäyttöisiä Satelliittisovelluksia: Hyperion (EO-1), 220 kanavaa, pushbroom Chris (Propa), 200 kanavaa Tulossa (esim. ): PRISMA (2017?) EnMap (2018?) HyspIRI (2022?) 32 16

17 Mikroaaltoradiometri Passiivinen instrumentti Toimii mikroaaltoalueella Erittäin herkkä instrumentti, joka pystyy mittaamaan pienempiä signaaleita kuin sen itsensä kohina (järjestelmäkohina) Mittaa kohteesta luonnostaan emittoituvaa säteilyä Tarkkuuteen vaikuttaa vastaanottimen kohinalämpötilan ja vahvistusten vaihtelut sekä kalibroinnit Huono spatiaalinen resoluutio AMSR-E (Aqua) 33 Kuvaava tutka Lähettää kohteeseen säteilyä ja mittaa takaisinheijastuneen/-sironneen säteilyn tehon (myös ajan ja vaiheen sekä eri polarisaatiot) Kaukokartoitukseen käytetyt kuvaavat tutkat ovat järjestäen SAR-tyyppisiä (Synteettisen apertuurin tutka, Synthetic Aperture Radar) SAR-tutkissa käytetään virtuaalista antennia parantamaan erotuskykyä, virtuaaliantenni voi olla niin pitkä, kun kohde on satelliitin näkyvissä Spotlight-kuvausmoodissa antennin lähettämää säteilyä voidaan suunnata elektronisesti tai mekaanisesti, jolloin virtuaaliantennista saadaan vieläkin pidempi, ja resoluutio paranee (n. 1 metri) Osa instrumenteista ottaa tutkastereokuvia, joilta voidaan mitata stereoskooppisesti 34 17

18 Tutkasignaalin polarisaatio Tutkakuvista saadaan lisää informaatiota, jos käytetään polarisoitua säteilyä HH=lähetetty vaakasuuntaista säteilyä, vastaanotettu vaakasuuntaista säteilyä VV=lähetetty pystysuuntaista säteilyä, vastaanotettu vaakasuuntaista säteilyä HV/VH=lähetetty erisuuntaista säteilyä kuin vastaanotettu 35 TerraSAR-X Kaupallinen tutkasatelliitti Materiaalit aiheuttavat erivoimakkuuksisia takaisinheijastumisia (esim. vesi ei heijasta) 3 kuvaustyyppiä Spotlight: 1 m resoluutio (10 x 5 km) StripMap: 3 m resoluutio (30 x 50 km) ScanSAR: 16 m resoluutio (100 x 150 km) Muita: COSMO, Radarsat 36 18

19 Landsat Landsat-satelliiteilla on loistava jatkumo kuvia on luvulta lähtien 37 Landsat 8 kanavat Passiivinen instrumentti Instrumentti ottaa 11 kuvaa, jotka kattavat eri aallonpituusalueita

20 Landsat 8 kanavakuvat Otaniemestä Band 1: Violet-deep blue Band 2: Blue Band 3: Green Band 4: Red Band 5: Near Infrared Band 6: Shortwave Infrared I Band 7: Shortwave Infrared II Band 8: Panchromatic Band 9: Cirrus Clouds Band 10: Thermal Infrared I Band 11: Thermal Infrared II 39 Instrumentit on kalibroitava, esim. ASTER (15 kanavaa) radiometrinen kalibrointi Satelliitissa sisäisesti tehtävä kalibrointi VNIR (pushbroom): Halogeenilamppu + fotodiodimonitori SWIR (pushbroom): Halogeenilamppu + fotodiodimonitori TIR (whiskbroom): Varioidaan eri lämpöisiä mustia kappaleita Ulkoinen kalibrointi Maaston referenssikohteita tai kuu VNIR, SWIR: referenssialueita Ivanpah Playa, Railroad Valley Playa, Tsukuba jne. TIR: referenssialueita Lake Tahoe, Salton Sea, Lake Kasumigaura jne. Kalibrointi tehdään Pitkän aikavälin kalibrointi: joka17 päivä VNIR, SWIR: Halogeenilamppu + maan referenssikohteiden havainnointi yöllä TIR: mustan kappaleen lämpötilaa vaihdellaan välillä 270 K K Lyhyen aikavälin kalibrointi: Ennen jokaista TIR-mittausta TIR: mustan kappaleen lämpötila on vakio 270 K 40 VNIR=visual/near infrared, SWIR=short-wave infrared, TIR=thermal infrared 20

21 Geometrisia virheitä satelliittikuvilla Maan pyöriminen kuvanoton aikana Maan pinnan korkeuserojen aiheuttama maastovirhe Ilmakehän vaikutus: valo taittuu refraktion johdosta Maankaarevuus Instrumentin mekaniikan ongelmat: esim. muutokset linssissä Satelliitin epävakaus alustana: muutokset korkeudessa, kallistuksessa ja kiertonopeudessa Kuvausgeometriaan liittyvät panoraamaefektit ja joidenkin sensoreiden laaja avauskulma 41 Landsat korjatut tuotteet Taso 1T Tunnettujen maastoreferenssien avulla poistetaan systemaattiset radiometriset ja geometriset virheet Taso 1G Systemaattiset radiometriset ja geometriset virheet on poistettu käyttämällä sensoreista ja satelliitista tunnettuja tietoja 42 21

22 ESA:n kaukokartoitussatelliitteja ADM-Aeolus CryoSat ENVISAT-1 Proba-V SMOS 43 Paljon operatiivisia valtioiden satelliitteja mm. Aqua, IceSat-2, Terra, Landsat 8, NOAA/AVHRR (U.S.A) IRS (Intia), monia satelliitteja Radarsat (Kanada) SPOT (Ranska) Momo-1, Fuyo-1, Midori-1/2, Daichi (Japani) Vuosittain useat maat lähettävät omia satelliitteja avaruuteen 44 22

23 Kaupallisia kaukokartoitussatelliitteja IKONOS Quickbird OrbView SkySat-1 WorldView-3 GeoEye Jne. 45 Aalto-1 ja Aalto-2 Opiskelijavoimin toteutettava nanosatelliitti Sisältää kuvaavan spektrometrin, AaSI (VTT) ja säteilymittarin RADMON Aalto-2 laukaistiin

24 Laserkeilauksen instrumentit 47 Ilmalaserkeilaimet Perustuvat pulssitekniikkaan Laitevalmistajilla useita malleja, jotka on räätälöity erilaisiin käyttötarkoituksiin Kartoitus korkealta Erityisen laajakulmainen kartoitus Eri etäisyyksille tarkoitettuja keilaimia Lumen ja jään mittaamiseen tarkoitettuja keilaimia Keilaimia, jotka soveltuvat veden alle mittaamiseen Joissain on mahdollisuus tallettaa koko kaiku (full waveform) Erityisen pienikokoisia keilaimia 48 24

25 Mittausnopeus Pulssilaserkeilaimissa oli pitkään rajoite, että uutta pulssia ei voitu lähettää ennen kuin edellinen oli vastaanotettu Käytännössä tämä tarkoitti sitä, että 1 km etäisyydeltä pulssin paluu kesti 6.7 μs, mikä rajoitti keilaustaajuuden 150 khz:iin Nykyään ongelma voidaan kiertää MPiA-tekniikan avulla (multiple-pulses-in-the-air) 49 Ilmalaserkeilainjärjestelmien valmistajia Optech Leica Riegl IGI mbh (Litemapper) (Riegl skanneri) Fugro (FLI-MAP) Kerää samaan aikaan kolmeen eri suuntaan laserpistepilveä 50 25

26 Esimerkkinä Riegl LMS-Q1560 Kaksikanavainen eli kaksinkertaistaa keilausnopeuden Ilmassa voi olla yhtäaikaa yli kymmenen pulssia, keilaustaajuus on 2*400 khz, jolloin 3D pisteitä voidaan mitata kpl/s Kerää täyden kaiun (full waveform) 51 Esimerkkinä Leica ALS80 Saatavissa täysi kaiku (mittausnopeus putoaa 120 khz:iin) Keilauskuvioon voi hieman vaikuttaa säädöillä 52 26

27 Ilmalaserkeilaus veden alle Usealla valmistajalla on järjestelmiä, jotka voivat mitata ilmasta veden alle (vihreä ja/tai sininen laser) Esimerkkinä Optech Aquarius 53 Kuvat: Optech 54 27

28 Multispektraali laserkeilaus Optech Titan on ensimmäinen kaupallinen multispektraali ilmalaserkeilain Kolme aktiivista lasersädettä eri aallonpituuksilla 532 nm, 1064 nm ja 1550 nm 55 Optech Single photon laser Vaatii vain yhden fotonin etäisyysmittausta varten (pieni tehon tarve) SigmaSpace Vihreä laser Läpäisee kohtuullisesti vettä 30 kertaa nopeampi kuin perineinen laserkeilain Leica SPL100 Hexagon osti SigmaSpacen

29 UAV-laserkeilausjärjestelmät RIEGL ja Leica myyvät myös UAV-laserkeilainjärjestelmiä Esim. RIEGL:n systeemi sisältää VUX-1 laserkeilaimen IMU/GNSS järjestelmän Ohjausyksikön Max. neljä kameraa 57 Maalaserkeilaimet Useimmilla valmistajilla on tarjolla sekä pulssilaserkeilaimia että vaihe-eroon perustuvia keilaimia Suuri määrä erilaisia versioita, jotka on räätälöity johonkin tiettyyn tarkoitukseen Kolmiointiin perustuvia teollisuuslaserkeilaimia on vain muutamalla valmistajalla 58 29

30 Maalaserkeilaimien valmistajia Zoller+Fröhlich, Leica, RIEGL, FARO, Trimble, Optech, I-SiTE 3D, Konica Minolta, 59 Faro Focus 3D X 330 Etäisyysmittaustrkkuus ±2 mm (25 m) Mittausetäisyys 0.6 m ,000 pistettä sekunnissa paino 5.2 kg Vaihe-ero -laser (aiempaa versiota myydään myös nimellä Trimble TX5) 60 30

31 Maalaserkeilainten kalibrointi Valmistaja kalibroi laitteet tehtaalla, osassa laitteissa on mahdollista tehdä itse kalibrointi kenttäolosuhteissa Kalibrointia varten tarvitaan kalibrointikenttä tai maastoon asennettavat kalibrointitähykset Jos laitteeseen tulee vikaa, usein sen joutuu lähettämään tehtaalle huoltoon (ja kalibroitavaksi) 61 Konica Minolta, VIVID 9i Kamerakeilain (teollisuuslaserkeilain) Etäisyysmittauksen tarkkuus 0.05 mm Käyttölämpötila 10 C to 40 C Max. mittausetäisyys m ( m) Toimii kolmiointiperiaatteella 62 31

32 Mobiilikartoituslaitteet Mobiilikartoitusjärjestelmän perusosat GPS kamera IMU laserkeilain odometri Hallintajärjestelmä 63 Mobiilikartoitusjärjestelmän laserkeilain Järjestelmissä käytetään 2D laserkeilaimia tai 3D laserkeilainta profiilimittausmoodissa 2D skannereita Sick LMS511 Ibeo Lux Velodyne HDL-64 Neptec OPAL-360 Riegl VQ-450 Optech Lynx SG1 Keilain asennetaan usein vinoon, jotta keilausprofiili ei olisi samansuuntainen kohteen taiteviivojen kanssa 64 32

33 Mobiilikartoitus Periaatteessa saman kartoitusjärjestelmän voi asentaa hyvin erilaisiin alustoihin Auto Vene Mönkijä Reppu jne 65 Useita järjestelmävalmistajia 3D laser mapping (StreetMapper 360) TopCon (IP-S2) Mitsubishi (MMS-X) Trimble (MX8) Optech (Lynx Mobile Mapper) RIEGL VMX

34 Kalibrointi Jokainen sensori on kalibroitu ja järjestelmän sensorien keskinäinen asema on selvitetty testikentällä valmistajan toimesta Muut sensorit orientoidaan IMU:n koordinaatistoon Odometri (DMI) pitää kalibroida kerran kuussa (riippuvainen rengaspaineesta) Rakenne on mahdollisimman jäykkä, jotta kalibrointi säilyisi Kalibrointi tulee tehdä, jos laite asennetaan uudestaan alustaan, muuten käyttäjän ei tarvitse tehdä kuin odometrin kalibrointia 67 34