Marja Leskinen KOLMIULOTTEISEN GRAFIIKAN GENEROINTI. Kokkolan kaupunki

Transkriptio

1 Marja Leskinen KOLMIULOTTEISEN GRAFIIKAN GENEROINTI Kokkolan kaupunki Opinnäytetyö KESKI POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Mediatekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2009

2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Tekniikan toimipiste, Ylivieskan yksikkö Aika Koulutusohjelma Mediatekniikan koulutusohjelma Työn nimi Kolmiulotteisen grafiikan generointi Työn ohjaaja Tekniikan lisensiaatti Veikko Brax Työelämäohjaaja Paikkatietoinsinööri Asko Pekkarinen Tekijä/tekijät Marja Leskinen Sivumäärä Opinnäytetyö tehtiin Kokkolan kaupungin teknisen palvelukeskuksen paikkatieto ja karttapalvelut yksikölle. Opinnäytetyön aiheena oli kolmiulotteisen grafiikan generointi. Työssä selvitettiin eri mittausmenetelmien hyödynnettävyyttä kolmiulotteisen grafiikan tuottamisessa. Kehittämistehtävänä oli hakea ratkaisu kolmiulotteisen grafiikan täysimittaiseen tuottamiseen. Ongelman ratkaisua etsittiin Kokkolan vuoden 2011 asuntomessualueen maaston ja rakennusten mallintamisen kautta. Aluksi selvitettiin nykyiset maastomalliaineistot ja niiden tuottamiseen käytetyt mittausmenetelmät, kuten takymetri, GPSlaite ja ilmakuvaus. Seuraavaksi selvitettiin rakennuspiirustusten digitoinnin kautta saatavan informaation käytettävyys mallintamisessa sekä mittausten kautta saatava koordinaattitieto. Uutena menetelmänä tutkittiin laserkeilaukseen perustuvaa maanpinnan, rakenteiden ja rakennusten kolmiulotteista mittausta ja maastomallin laatimista laserkeilauksen pistepilviaineistosta. Käytännössä tutustuttiin Bentleyn MicroStation 8v Edition mallinnusohjelmaan ja Terrasolid Oy:n laserkeilaukseen sekä ilmakuvien käsittelyyn tarkoitettuun Terraohjelmistoon. Opinnäytetyön tuloksina esitettiin, millaisia etuja laserkeilaukseen pohjautuvalla kolmiulotteisella mallinnuksella on nykyiseen mittaus ja mallinnusmenettelyyn. Asiasanat Kolmiulotteisuus, grafiikka, generointi, maastomalli, laserkeilaus.

3 ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Department of Technology, Ylivieska Degree programme Media technology Name of thesis Generation of three dimensional graphics Instructor Licentiate in Technology Veikko Brax Date Author Marja Leskinen Pages Supervisor GIS-engineer Asko Pekkarinen This thesis was made to the technical service centre, GIS and map services of the city of Kokkola. The subject of the thesis was generation of three dimensional graphics. The purpose was to find out the exploitability of different measurement methods in three dimensional graphics. The developing task was to find a solution to full scale producing of three dimensional graphics. The solution to the problem was searched through modeling the terrain and buildings of the exhibition area of the Finnish housing fair held in Kokkola in First, the current terrain model data and the measurement methods that were used in producing that data, such as tachymeter, GPS device and aerial photography, were examined. The next step was to examine, the usability of the information acquired by digitizing the building designs and the coordinate information acquired by measuring in modeling. As a new method, three dimensional measuring of terrain, structures and buildings based on laser scanning and drawing up a terrain model on the basis of point cloud data was examined. A modelling program of Bentley MicroStation, laser scanning and a program designed by Terrasolid Ltd for processing of aerial photographs were acquainted with in practice. As a result of the thesis the benefits achieved by using laser scanning that is based on three dimensional modeling in comparison with current measurement and methods of modeling were presented.

4 Key words Three dimensional, graphics, generation, terrain model, model, laser scanning.

5 KÄSITTEET Diagonaalinen okulaari = Taitettu okulaari jyrkkien tähtäyskulmien tarkasteluun ( Leica.). Differentiaali = GPS vastaanottimen satelliitteihin laskemien tarkkojen etäisyyksien ja mitattujen etäisyyksien erotus (Hyttinen ym ). Ellipsoidinen korkeus = Pisteen korkeus maan pinnan muotoa kuvaavasta matemaattisesta mallista (Sanastokeskus TSK 2005). Fotogrammetria = Fyysisten kohteiden mittaamista ja tulkitsemista valokuvilta (Haggrén 2004.). Geoidi = Maan painovoimakentän tasa arvopinta, joka yhtyy valtameren kohdalla häiriintymättömään keskivedenpintaan ja mannerten kohdalla sen kuviteltuun jatkeeseen. FIN2000 on pohjoismaiden geoidimalli. (Sanastokeskus TSK 2005) Georeferointi = Kuvilta mitattujen kohteiden määrittämistä maastokoordinaatistoon (Honkavaara 2009). GPS/INS = Järjestelmä, joka koostuu ilmakuvakamerasta, GPS vastaanottimesta ja inertiamittauslaitteesta. Inertiamittauslaitteella tapahtuva navigointi perustuu lineaariseen kiihtyvyyteen ja lentokoneen kulmamuutoksen mittauksiin. (Pajula.) Interpolointi = Usean pisteen painotettu keskiarvo (Rahkonen 2000.). Kantakartta = Pienimittakaavainen asemakaavan pohjakartta (Haggrén 2002).

6 Laserkeilaus = Etäisyyshavaintoihin perustuva ympäristön kuvaaminen pisteinä (Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura 2005, 6.). Orientointi = Tunnettuja pisteitä mittaamalla suoritettava mittalaitteen toimintakoordinaatiston määrittäminen (Tiehallinto 2005.). Ortokuva = Maanpintaan kohtisuorasti oikaistu ilmakuva, josta on poistettu maaston korkeuseroista aiheutuvat mittakaavaerot (Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura 2005, 7.). Pistepilvi = Laserkeilauksen kautta syntynyt kuva, joka esitetään kolmiulotteisesti järjestettynä pistepilvenä. Jokaisella pisteellä on tunnettu sijainti eli x, y ja z koordinaatti. (Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura 2005, 6.). Prisma = Pisteen tarkan tähtäyksen ja liikkeen seurannan mahdollistava takymetrin kohdistusapuväline (Tiehallinto 2005.). Projektio = Menetelmä, jolla maapallon kolmiulotteinen pinta kuvataan kaksiulotteiselle tasolle (Sanastokeskus TSK 2005). Runkoverkko = Maastoon rakennettu ja maastomittauksin määritetty koordinaattipisteistö (Haggrén 2002.). Stereokartoitus = Ilmakuvilta tehty maaston tulkinta (Haggrén 2004.). Takymetri = Yksittäisen pisteen mittaustekniikka, joka perustuu pysty ja vaakakulman sekä etäisyyden mittaukseen (Tiehallinto 2005.).

7 Tukiasema = Tunnetussa pisteessä oleva vastaanotin, jota käytetään paikannuksen tarkentamiseksi (Hyttinen ym ).

8 ESIPUHE Opinnäytetyö kolmiulotteisen grafiikan generoinnista avasi uusia katsantokantoja perinteisen maastomallin ja kolmiulotteisen grafiikan sisällön tuottamiseen. Kokkolan kaupungin asuntomessualueen laserkeilausaineiston käsittely oli tutkimuskohteena sekä mielenkiintoinen että myös Kokkolan kaupungille uusia mahdollisuuksia avaava kehittämiskohde. Opinnäytetyön tutkimisen kautta saatiin alustavia kokemuksia pistepilviaineiston käsittelystä ja sen soveltuvuudesta kolmiulotteisen grafiikan sisällön tuottamiseen. Aineiston käsittely sisällöntuottajan eli mittaajan, mittaustapahtuman ja mittausmenetelmän näkökulmasta avasi toisenlaisen perspektiivin mediatekniikan sisällöntuottamiseen. Mittausaineisto on aina mittaajan näkemys maastosta ja sen muodoista. Mittausaineisto on graafisen tuotteen sisältö, josta jatkojalostetaan ohjelmallisin keinoin kolmiulotteista grafiikkaa. Mittausmenetelmien kehittäminen osaksi graafista sisällöntuottamista on siis ensiarvoisen tärkeää. Kiitää ohjaajaani yliopettaja, tekniikan lisensiaatti Veikko Braxia sekä kannustavasta ohjauksesta että saamastani myönteisestä palautteesta. Kiitän työohjaajana toiminutta paikkatietoinsinööri Asko Pekkarista. Edesauttaessasi opinnäytetyöni tuli mahdolliseksi tehdä työhöni liittyen, työn ohessa. Kiitos entisille työkavereilleni toimitusinsinööri Sirkku Elorannalle, kartoittaja Heidi Martikaiselle ja mittausteknikko Ilkka Niskaselle tietojen päivittämisestä ja nykyisille työkavereilleni suunnitteluinsinööri Tero Luokkalalle, piirtäjä Anne Valavaaralle, piirtäjä Ulla Willgrénille, mittaustyönjohtaja Asko Passojalle ja mittausteknikko Mikael Långbackalle tietojen kartuttamisesta. Kiitos IT suunnittelija Tom Pajulalle, kun autoit minua niin monin tavoin saavuttamaan päämääräni. Lopuksi haluan kiittää kaikkia läheisiäni myötäelämisestä opiskelun käänteissä ja suuresta ymmärryksestä opiskeluani kohtaan. Kokkolassa Marja Leskinen

9 TIIVISTELMÄ ABSTRACT KÄSITTEET ESIPUHE SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 KOKKOLAN KAUPUNGIN KARTTA AINEISTON NYKYTILANNE 4 3 PERINTEISET MAASTON MITTAUS JA MALLINNUSMENETELMÄT Fotogrammetrisesti tuotettu sijaintitieto Fotogrammetrisen aineiston käyttö kolmiulotteisessa grafiikassa Takymetrimittauksin tuotettu sijaintitieto Takymetrimittausaineiston käyttö kolmiulotteisessa grafiikassa GPS mittauksin tuotettu sijaintitieto GPS mittausaineiston käyttö kolmiulotteisessa grafiikassa 28 4 PERINTEISET RAKENNUSTEN MALLINNUSMENETELMÄT Rakennuspiirustuksista saatava informaatio Mallinnettavien rakennusten esitystavat Rakennuspiirustusten digitointi ja rakennusten mallintaminen Eri mittausmenetelmin tuotettu rakennusten sijaintitieto Rakennuksen mitattu sijaintitieto kolmiulotteisessa grafiikassa 39 5 LASERKEILAUS MITTAUSMENETELMÄNÄ Laserkeilaus ilma aluksesta Laserkeilaus kannettavalla mittauslaitteella Pistepilviaineiston käsittely ja mallinnus Pistepilviaineiston hyödyntäminen kolmiulotteisessa grafiikassa 60 6 LASERKEILAUKSEN EDUT PERINTEISIIN MENETELMIIN VERRATTUNA Maastomallinnus Rakennusten ja rakenteiden mallinnus Kasvillisuuden mallinnus 70 7 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ 72 LÄHTEET 76 LIITTEET

10 1 1 JOHDANTO Erilaisten tasomaisten esitystapojen rinnalle on noussut yhä voimakkaammin kolmiulotteinen graafinen suunnittelu ja sisällöntuotanto. Monilla aloilla, kuten infrastruktuurin, kaavoituksen ja rakennusten suunnittelussa, kolmiulotteinen mallintaminen on sekä suunnittelijan apuväline että havainnollistava vaikutin päätöksentekoon. Näin on varsinkin silloin, kun tehdään merkittäviä ja pitkälle tulevaisuuteen vaikuttavia maankäyttöä ohjaavia ratkaisuja Kolmiulotteisen grafiikan hyödyntäminen edellyttää kolmiulotteisen mittauksen kehittämistä osaksi sitä. Eri mittausvälineiden käytettävyys maastomallikelpoisen korkeustiedon tuottamisessa vaihtelee suuresti. Mittausvälineillä ovat omat käytännön rajoitteet mittaustilanteissa, toisaalta olosuhteilla, kuten vuodenajalla tai kasvustolla, on ratkaiseva merkitys korkeustietoaineiston sisällön tuottamisessa grafiikkaan. Mittaajan roolia graafisen sisällön tuottajana ei voi kyllin korostaa. Maastonmuodon tulkinta ja sen kuvaaminen mittaamalla vaatii sekä teknistä osaamista että visuaalista silmää. Maastomalli luodaan mittaamalla ja mallintaminen on tämän mittausaineiston jalostamista graafiseen asuun. Erilaisten mittausmenetelmien kautta tuotettu koordinaattiaineisto ei aina vastaa suunnittelijan tarpeita, kun lähdetään luomaan kolmiulotteista graafista sisältöä. Ongelma rajoittaa ja hidastaa kolmiulotteisen grafiikan täysimittaista hyödyntämistä. Opinnäytetyössä lähdettiin etsimään vaihtoehtoista ratkaisumallia tähän ongelmaan. Kolmiulotteista graafista sisältöä tuotetaan eri mittausvälineillä ja menetelmillä. Opinnäytetyössä käytiin ensin läpi ja esiteltiin näitä menetelmiä, joita perinteisesti on käytetty kolmiulotteisen sijaintiedon tuottamisessa. Pääsääntöisesti kartta

11 2 aineisto on tuotettu aina ensin suurelta alueelta ilmakuvauksen stereokartoitustulkinnan kautta. Ilmakuvauksen kautta tuotettua aineistoa täydennetään ja ylläpidetään takymetri ja GPS mittauksin. Koska ilmakuvaus on kuitenkin menetelmänä suhteellisen kallis ja käytännössä kuvausvälit muodostuvat pitkiksi, kartta aineistoa tuotetaan varsinkin uusilta alueilta takymetri ja GPS mittauksin. Opinnäytetyössä selvitettiin perinteisten mittausmenetelmien sijaintitietojen hyödynnettävyyttä kolmiulotteisessa grafiikassa ja näiden menetelmien etuja ja haittoja. Rakennusten mallintamisessa selvitettiin rakennuspiirustuksista digitoinnin kautta tuotettua mallinnusaineistoa ja piirustusten informaatiosisällön käytettävyyttä mallintamisessa. Rakennusten mallintamista tarkasteltiin myös perinteisin mittausmenetelmin kautta tuotetun aineiston avulla. Perinteisten mittausmenetelmien rinnalle on tullut uutena menetelmänä sekä ilmasta että maasta käsin suoritettava laserkeilaus. Opinnäytetyössä tutkittiin laserkeilaukseen perustuvaa maanpinnan, rakenteiden ja rakennusten kolmiulotteista mittausta sekä kolmiulotteisen maastomallin laatimista laserkeilauksen pistepilviaineistosta. Tutkimusaineistona oli Kokkolan kaupungin vuoden 2011 asuntomessualueen maaston ja rakennusten keilausinformaatio. Erityisesti tutkittiin keilausaineiston käsiteltävyyttä ohjelmallisesti, aineiston kattavuutta ja soveltuvuutta kolmiulotteisen sisällön tuottamiseen. Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää, onko laserkeilauksen kautta syntyvä pistepilviaineisto ratkaisu Kokkolan kaupungin maastomallin tuottamiseen ja graafisen aineiston hyödyntämiseen.

12 3 Aineiston käsittelyssä käytettiin Bentleyn MicroStation 8v Edition suunnitteluohjelmaa ja Terrasolid Oy:n laserkeilaukseen, mallintamiseen sekä ilmakuvien käsittelyyn tarkoitettua Terraohjelmistoa. Opinnäytetyön tuloksina esitetään, millaisia etuja laserkeilaukseen pohjautuvalla kolmiulotteisella mallinnuksella on nykyiseen mittaus ja mallinnusmenettelyyn verrattuna.

13 4 2 KOKKOLAN KAUPUNGIN KARTTA AINEISTON NYKYTILANNE Kokkolan kaupungin pienimittakaavainen, asemakaavan pohjakarttana käytetty kantakartta nykyisessä laajuudessaan on tulosta usean eri vuosikymmenen tuotannosta. Ensimmäinen asemakaava laadittiin heti kaupungin perustamisen jälkeen 1620 luvulla, mutta varsinaista kantakarttaa nykymuodossaan alettiin laatia manuaalisesti 1940 ja 1950 lukujen taitteessa. Kokkolan kaupungin 1:500 mittakaavainen kantakartta on tuotettu manuaalisesti 1960 ja 1970 luvuilla. Kantakartta alue on laajentunut kaupungin kasvun tarpeiden myötä. Kun Kaarlelan kunta liitettiin Kokkolaan 1977, kantakartta yhtenäistettiin ilmakuvaksella Kokkolan pohjoisosa Kaarlelan vanhan kunnan rajasta Perhojoensuulle kuvattiin Kuvausalue käsitti myös alueen, johon vuoden 2011 asuntomessut rakentuvat. Kantakartan uusimista fotogrammetrisesti jatkettiin 1985 luvulla kaupungin keskustan ja Trullevin niemen osalta. Vuonna 1986 Kirkonmäen alueella suoritettiin inventointikuvaus. Samana vuonna ilmakuvattiin myös keskustan länsiosa eli Ykspihlajan teollisuusalue. Morsiussaaren kuvaukset tehtiin keväällä 1987 rantakaavojen pohjakarttojen laatimista varten. Kantakarttaa ylläpidettiin manuaalisesti vuoteen 1985, jolloin karttaa alettiin digitoida numeeriseen muotoon. Varsinainen käsin piirrettyjen karttojen digitalisointi päättyi 1995, jonka jälkeen kantakarttaa on ylläpidetty täydennysmittauksin. Täydennyskartoituksia on tehty sekä takymetrimittauksin että Glopal Positioning System (GPS) mittauksin. Kartta aineisto ei kuitenkaan ole koko alueensa laajuudelta homogeeninen, koska sen ylläpito ja täydentäminen eivät ole olleet systemaattista. Karttaa on pääasiassa täydennetty niiltä osin kuin asemaakaavan laatiminen pohjakartan osalta on sitä vaatinut.

14 5 Kantakartta on 0 korkeudessa olevaa 2D aineistoa. Kartassa maanpinnan muodosta kertovat korkeuskäyrät ja korkeusluvut, jotka ovat vain karttailmentymiä, vailla korkeustietoa. Infrastruktuurin, kuten katujen suunnittelua varten, suunnittelijat mittauttavat suunniteltavan katualueen. Mittausaineisto käsittää aina sekä x, y että z koordinaatit. Suunniteltavista kohteista laaditaan kolmiointi. Maaston mallinnusta käytetään pituus ja poikkileikkausten laatimiseen, sekä leikattavien ja lisättävien maamassojen laskemista varten. Lähes kaikki, kaupungin tuottama maanpinnan korkeustieto, on tällä hetkellä korkeustietoa suunnittelua varten. Toteutuneista ja rakennetuista alueista ei ole yhtenäistä maanpinnan korkeustietoa, jolloin kantakartta alueelta ei voida laatia maastomallia. Kuitenkin kattava maastomalli mahdollistaisi kaupungin ydinalueiden kokonaisvaltaisen tarkastelun ja maankäytön suunnittelun. Kantakartta aineisto on tuoreimmillaankin 20 vuotta vanhaa eikä sovellu tämän päivän suunnittelijan tarpeisiin korkeustiedon puuttumisen vuoksi. Maaston mallintamisongelmaan haettiin ratkaisua laserkeilauksesta. Laserkeilausaineisto antaa kattavan x, y ja z koordinaattitiedon ja mahdollistaa sekä olemassa olevan kantakartan uusimisen että myös kolmiulotteisen sisällön tuottamisen esim. maastotai kaupunkimalliin. Laserkeilauskuvaus tehtiin 35 km 2 :n alueelle. Alue kattaa kaupungin keskustan, Ykspihlajan teollisuusalueen ja sataman, asuntomessualueen sekä uudet kaavaillut asuntoalueet, joissa suunnittelutarve on suurin. (LIITE 1.)

15 6 3 PERINTEISET MAASTON MITTAUS JA MALLINNUSMENETELMÄT Pääasiallisesti kartta aineiston ja maastomallin tuottamisessa on perinteisesti käytetty ilmakuvaukseen perustuvaa stereokartoitusta. Menetelmä on mahdollistanut homogeenisen kartta ja maastomallituotannon nopeasti, laadukkaasti ja kuvattavien alueiden laajuuteen nähden taloudellisesti. Mittausmenetelmänä käytetään stereokartoitusta, jolloin kohde määritetään kuvia tulkitsemalla ja kuvista mittaamalla. Ilmakuvaus on fotogrammetrian tunnetuin sovellus. (Teknillinen korkeakoulu 2001.) Ilmakuvauksen kautta tuotettua kartta aineistoa ja maastomallia on ylläpidetty ja täydennetty kartoitusmenetelmiin perustuen erilaisilla mittausvälineillä. Maastomallimittauksia on tehty sekä takymetrillä että GPS laitteilla. Molemmilla laitteilla mitataan yksityiskohtia maasta käsin. Kohteesta saatava informaatio on kolmiulotteista sijaintitietoa. Sekä takymetri että GPS laitemittaus soveltuu parhaiten pienten alueiden maastomallimittauksiin. 3.1 Fotogrammetrisesti tuotettu sijaintitieto Fotogrammetrian tärkein tehtävä on luoda mahdollisimman yksityiskohtainen kuva maastosta ja sen kohteista siten, että kuva sovittuu olemassa olevaan runkoverkkoon. Runkoverkko muodostuu sijainniltaan tunnetuista kiintopisteistä. (Haggrén 2002, 7.) Kartoitus tehdään satelliitti, ilma tai maakuvilta. Maastossa olevat kohteet tulkitaan ilmakuvilta 2D koordinaatteina ja saadut havainnot muunnetaan kohdetta yksilöiviksi sijainti ja ominaisuustiedoiksi 3Dkoordinaatistoon.

16 7 Ilmakuva on tärkein ja informatiivisin maastokartoituksen lähde. Kartoituskuvaus suoritetaan pysty ja stereokuvauksena. Lopullisen tuotteen, kartan tai maastomallin mittakaavaan ja tarkkuuteen voidaan vaikuttaa kuvauskorkeuden valinnalla. Kuvauskorkeudet vaihtelevat 500 m 10 km. (Haggrén 2003.) Ilmakuvauksen toteuttaminen lähtee liikkeelle kuvausalueen määrityksestä tilaajan taholta. Tilaaja myös määrittää kuvauksen lopputuotteena syntyvän aineiston mittakaavaan. Kuvaustyön suorittaja laatii kuvaussuunnitelman määritetyn alueen laajuuden pohjalta. Kuvaussuunnitelmaan määritetään kuvauslinjat ja linjojen peittävyys eli kuinka paljon prosentteina vierekkäiset lentolinjat ja peräkkäiset kuvat limittyvät päällekkäin. Peitolla pyritään varmistamaan koko alueen stereomallin syntyminen. Yleisesti sivupeittona käytetään 30 % ja pituuspeittona 60 %. Tarkkuutta vaativissa ilmakuvauksissa 60 %:n sivupeitolla mahdollistetaan maaston yksityiskohtien näkyminen neljältä kuvalta. Vastaavasti kohteita jää katveeseen vähemmän. Kuvauksen lopputuotteen laatu määrittyy kuitenkin lentokorkeuden, kameravalinnan ja kuvausolosuhteiden mukaan. (Fotogrammetrian ja Kaukokartoituksen Seura 1995.) Ilmakuvauksen tekijän kanssa sovitaan, kuka hoitaa tukipisteiden signaloinnin eli näkyvöittämisen. Tukipisteet ovat kuvattavalla alueella kattavasti olevia joko signaloituja runkopisteitä tai mitattavaksi määritettyjä luonnollisia pisteitä. Tukipisteitä käytetään apuna ilmakuvan sijoittamisessa olemassa olevaan runkoverkkoon. Tukipisteet mitataan joko takymetrillä tai GPS laitteella, ja saadut mittaustulokset dokumentoidaan ja toimitetaan kuvauksen suorittajalle. Ilmakuvauksen tekijä toimittaa omat vaatimuksensa tukipisteiden määrästä ja kattavuudesta kuvausalueen suhteen. (Haggrén 2003.) Ennen ilmakuvausta kuvausalueelle signaloidaan runkoverkon pisteitä, jotka ovat esim. asfalttinauloja tai putkia. Pisteet näkyvöitetään maalaamalla kadun pintaan valkoinen ristisymboli. Signaaleja rakennetaan myös nurmikoille, jolloin valkean pahviristin kontrasti maastosta korostuu ja sig

17 8 naali erottuu paremmin taustastaan. Signaalin koko määräytyy käytettävän kuvausmittakaavan ja kameran mukaan. Ilmakuvaushetkelle on määritetty omat raja arvot olosuhteiden osalta. Auringon korkeuskulma arvoksi on suositeltu vähintään 33 astetta. Kuvaushetkellä näkyvyyden täytyy olla hyvä eikä kuvausalueella saa olla savua, pilviä tai pilven varjoja. Kuvausta ei myöskään suoriteta pilvien alapuolella, joten käytännössä taivaan täytyy olla selkä ja pilvetön. (Fotogrammetrian ja Kaukokartoituksen Seura 1995.) Kuvauksen ajankohdalla voidaan vaikuttaa maanpinnan näkyvyyden parantamiseen suorittamalla kuvaukset lumettomana ja lehdettömänä aikana joko syksyllä tai keväällä (Tiehallinto 2002, 19; Puupponen 2005, 18.). Kevät on ajankohtana suositeltavampi, koska valon määrä on suuri eikä ilmakuvaan synny tulkintaa häiritseviä puiden sekä muiden korkeiden kohteiden muodostamia pitkiä varjoja. Lehdettömänä aikana tehty kuvaus myös helpottaa maastokohteiden tulkintaa. Kuvauslennosta laaditaan suunnitelmat, joihin perustuu varsinainen lento ja kuvauskameran ohjaaminen. Kone navigoidaan GPS satelliittipaikannuksen avulla kuvaussuunnitelman mukaiselle lentolinjalle. Satelliittipaikannusta käytetään myös kameran toiminnan ohjaamiseen. (Haggrén 2003.) Ilmakuvauksen jälkeen Haggrénin mukaan stereokartoitus jakautuu neljään eri työvaiheeseen. Työvaiheita ovat stereokuvaus, kuvaparin orientointi stereomalliksi, mallin stereoskooppinen tulkinta ja näkymän kolmiulotteinen esittäminen (Haggrén 2002, 7.). Stereokuva on kolmiulotteisesta kohteesta kolmiulotteisesti tarkasteltavissa oleva kuva. Stereokuvapari käsittää kaksi osakuvaa, joissa kummassakin tarkasteltava kohde poikkeaa perspektiiviltään hieman toisistaan. Käytännössä vasen silmä tar

18 9 kastelee vasenta kuvaa ja oikea silmä oikeanpuoleista kuvaa, jonka seurauksena katsoja mieltää näkemänsä yhtenä aistimuksena ja kohde näkyy yhtenä kolmiulotteisena stereokuvana. (Haggrén 2003.) Stereokuvan näkeminen edellyttää, että kuvat on otettu oikein, muodostavat stereoparin ja sovittuvat keskenään oikeaan asemaan tarkasteluhetkellä. Kuvaushetkellä kummankin kuvan kuvaussuuntien tulee olla lähes yhdensuuntaiset ja kummankin kuvan etäisyys tarkasteltavasta kohteesta sama. (Haggrén 2003.) Ennen kuvien tarkastelua tai kuvilta mittaamista kuvat orientoidaan keskenään. Orientoinnilla kuville määritetään niiden kuvaushetken tilanteen mukainen keskinäinen asema, eli käytännössä eri kuvilta havaitaan samoja kohteita. Kuville määritetään myös kuvien sisäinen orientointi, jossa korjataan kuvan virheitä ja selvitetään kameran sisäistä geometriaa. Orientoinnissa korjata projektiota, siten että esim. maastossa sijaitsevat suorat viivat kuvautuvat myös kuvalla suorina viivoina. (Rönnholm & Haggrén 2007, 2 4.) Orientoinnin jälkeen stereokuville määritetään mittakaava kuvanottopaikkojen etäisyyden tai maastokohteiden etäisyyksien avulla. Kuvia siirretään ja käännetään x, y ja z akselin suunnassa, kunnes kukin vastinpiste on havaittavissa samalta vaakasuoralta linjalta molemmissa kuvissa. (Rönnholm & Haggrén 2007, 8 11.) Stereokuvaparien orientointi, tarkastelu, stereoskooppinen tulkinta ja 3Dkoordinaattien mittaus tehdään stereokartoituskojeella. Kojeen käyttäjä tulkitsee stereomallia. Stereoskooppisessa tulkinnassa ratkaistaan kohde ja kamerakoordinaattistot, muunnetaan kohdepisteet kamerakoordinaatistoon, projisoidaan kohdepisteet kuvatasolle ja stereokuvalle. Yksityiskohdat poimitaan avaruusmitta

19 10 merkin avulla. Merkki projisoidaan kummallekin kuvalle kohtaan, joka vastaa tarkasteltavaa 3D sijaintia. (Hyyppä & Rönnholm 2007, 4 15.) Uusimmissa kartoitusjärjestelmissä käytetään digitaalisia kuvatyöasemia. Digitaalisissa kuvatyöasemissa fotogrammetriset toiminnot ovat osana digitaalisten kuvien geometrista käsittelyä ennen kuvien projisointia näytölle. (Hyyppä & Rönnholm 2007, 26.) Digitaalinen stereokartoitus vaatii hyvän työaseman lisäksi stereonäyttöä ja käsittelyyn käytettävää stereofotogrammetrista ohjelmistoa. Stereokartoitusta varten kuvapari orientoidaan ja oikaistaan projektiivisesti stereonäytölle. Stereokuvan tulkinnassa käyttäjä liikuttaa avaruusmittamerkkiä stereomallilla ja mittamerkin 3D liikkeet muunnetaan 2D liikkeiksi kuvilla. Varsinaista avaruusohjausta ei tarvita, koska ohjaimena toimii tietokoneen 3D kursori. (Hyyppä & Rönnholm 2007, ) Yhdeltä kuvalta kolmiulotteisuutta ei voi kartoittaa, vaan maasto kartoitetaan kolmiulotteisilta stereomalleilta. Perinteinen esitysmuoto, kartta, on kohtisuora projektio maanpintaan. Kartassa maanpinnan muodot on yleisesti esitetty korkeuskäyrillä. Kolmiulotteisessa grafiikassa maanpinnan muotojen esitystapa on tasokolmiointi. Stereokartoituskojeessa valitaan kolmiot, jotka kuvaavat maanpintaa ja maaston tunnuspiirteitä. (Haggrén 2003.) Ominaisuustiedon määrityksessä tulkinta perustuu kohteen heijastaman valon ja värien kuviointiin ja luokitukseen tai hahmontunnistukseen. Kohteen muoto ja koko ovat kuitenkin hahmotettavissa eri tavoin. Hahmottamiseen vaikuttavia tekijöitä ovat valaistus, varjot, perspektiivi ja katsojan kokemus kuvan tulkitsijana. Esim. yksittäiset rakennukset ovat hahmotettavissa ja mallinnettavissa suoraan ilmakuvilta. (Haggrén 2003.)

20 Fotogrammetrisen aineiston käyttö kolmiulotteisessa grafiikassa Koska Kokkolan kaupungilla ei ole tehty kolmiulotteista stereokuvausta, haettu esimerkkitapaus on Iisalmen kaupungille ilmakuvauksesta tuotetusta maastomalliaineistosta. Iisalmen kaupungille tilattiin ilmakuvaus ja stereokartoitustyö FM Kartta Oy:n toimeksiantona Ilmakuvausta varten näkyvöitettiin tuki ja runkopisteitä. Kuvauksen lentokorkeus oli m, kuvausjonojen pituuspeitto 60 % ja sivupeitto 30 %. Valmiin lopputuotteen eli kolmiulotteisen maastomallin mittakaavaksi määritettiin 1:4000. Stereokartoituksen tekijöille toimitettiin valmis kantakartan kohdeluokitus. Stereokartoitustyössä jokainen ilmakuvalta tulkittu kohde määritettiin omalle lajilleen. Kuvausteknisesti jokainen kohde sai oman kohdeluokituksen mukaisen karttailmentymän ja järjestyi omalle tasolleen tiedostossa. Jokaisella kohteella oli x, y ja z koordinaattitieto. Stereokartoitustyössä sijaintitiedon ja kohdeluokituksen saivat tiealueen eri kohteet kuten reuna ja maaliviivat, esim. keskilinja ja suojatiet, reunakiven ylä ja alareunat, sillat, siltojen maatuet ja pilarit, suojakaiteet, porttaalit, valaisin, sähkö ja liikennevalopylväät, luiskan ja jyrkänteen ylä ja alareunat. Vesialueiden kohteista tulkittiin maastomalliin ojan reunat ja pohjat, rantaviiva sekä rummut ja laiturit. Maa alueilla kohdeluokitus annettiin avokalliolle, pellon reunalle, piha alueen sorapinnalle ja päällysteelle. Metsäalueille tulkittiin stereokartoituksena myös polut. Kasvillisuutta kuvattiin poimimalla sijaintieto ja antamalla kohdeluokka sekä havu että lehtipensasaidoille, tulkittavissa olleille yksittäisille puille ja puuriveille. Kasvillisuuden ja erilaisten maankäytön rajojen osoittamiseen käytettiin stereokar

21 12 toitustyössä kuvioalueenreunaviivoja. Kuvilta tulkittiin myös suuret kivet, muistomerkit, lipputangot, erilaiset aidat ja mastot haruksineen. Maanpinnan muotoja kuvattiin sekä taiteviivoilla että kattavalla otannalla maanpinnan haja pisteitä. Maapintaa kuvattiin myös korkeuskäyrillä, jotka on interpoloitu maanpinnan hajapisteiden sijaintitiedosta x, y ja z koordinaattien suhteen. Maanpinnan hajapisteiden välinen etäisyys oli keskimäärin 0,5 m. Käytännössä stereokuvilta tulkittiin kaikki olennainen tieto, mikä oli mahdollista kuvata viivojen ja karttasymboleiden avulla. Maanpinnan kolmioinnissa voitiin käyttää hyväksi kaikkea stereokuvalta tulkittua sijaintitietoa. Yksilöityyn kohteeseen liitettiin stereokuvatulkinnassa sijaintiedon lisäksi myös metatietoa, eli tietoa siitä milloin kohde on luotu ja mitä viiva tai pistemäinen kohde edustaa. (LIITE 2.) Maapinnan kolmioinnissa muodostettiin pintamalli, joka voitiin halutessa kuvata sekä rautalankaesityksenä että ehjänä pintana. Pintamalliin voitiin liittää tekstuuri esim. asfaltti tai nurmikko. Maastomallissa esiintyvät pistemäiset symbolit kuten valaisinpylväs tai yksittäinen puu korvattiin kolmiulotteisella symbolilla. Puiden kokoa ei ilmakuvista tulkittu, joten käytännössä kohteet määritettiin yleisellä symbolikoolla ja joissakin tapauksissa kuten uusilla asuntoalueilla puut kuvattiin pienemmällä symbolikoolla. Valaisinpylväät määritettiin standardikoon perusteella samoin kuin esim. reunakivet, kaiteet ja muut pylväät. Ilmakuvasta stereotulkintana on mahdollista tulkita kaikki maanpinnassa olevat kohteet. Yksittäisten, alaltaan pienien kohteiden tulkinta on hankalampaa kuten esim. puiden latvat ja pylväiden päät, mutta kuitenkin mahdollista. Erilaisten rakenteiden kuvaaminen on sen sijaan helpompaa esim. tukimuurin ylä ja alapinta, portaiden ylä ja alataso ja lankkuaidan yläreuna.

22 13 Ilmakuvauksen stereotulkintaa rajoittavat katvealueet. Katvealueet ovat hyvin puustoisia ja tiheitä metsäalueita, joissa puiden latvusto estää näkyvyyden maanpintaan. Katvealueita syntyy lähes kaikissa ilmakuvauksissa ja Iisalmen 2003 kuvauksessakaan näiltä ei vältytty. Katvealueet on kuitenkin helppo havaita, koska ne rajattiin maastomalliin aluerajauksena ja merkittiin esim. K kirjain symbolilla. Nämä alueet kartoitettiin maastotyönä takymetrimittauksin, koska katvealueiden mittaaminen GPS laitteella ei ole mahdollista. GPS antenni menettää yhteyden satelliittiin, silloin kun näkyvyys taivaalle on heikko, eli juuri puiden latvuston peittävyyden vuoksi. Ilmakuvauksessa saatiin homogeenista maastomalliaineistoa, joka laadullisesti ja määrällisesti vastasi tilaajan asettamia vaatimuksia. Aineisto oli graafiselta sisällöltään helposti tulkittavaa ja eri kohteet määrittyivät kuvausteknisesti omille tasoilleen tiedostossa, mikä helpottaa aineiston jatkokäsittelyä ja ylläpitoa. Koko aineisto oli kansallisessa koordinaattijärjestelmässä KKJ3 ja N60 korkeusjärjestelmässä. Graafinen aineisto oli kiinnitetty Iisalmen kaupungin runkoverkkoon, jolloin aineisto yhdistyi olemassa olevaan muuhun graafiseen sisältöön. Saatu maastomalliaineisto sovitettiin kuvausteknisesti kuvausalueen reunojen osalta vanhaan maastomalliaineistoon, jolloin liitoskohdat sopivat saumattomasti yhteen. (LIITE 3.) Kartta aineisto oli valmista kolmiulotteista graafista sisältöä, jonka avulla pystyttiin luomaan maapinnan muotoa kuvaava kolmiointi, rakennukset olemassa olevan seinälinjan ja kattopinnan avulla, korvaamaan puita, pylväitä ja valaisimia esittävät 2D symbolit 3D symboleilla, esittämään tiet ja teistä reunakivin erotetut kevyenliikenteen väylät. Vesistöjen pinta luotiin käyttäen keskivedenpinnan korkeutta pinnan tason määrittämisessä. Tekstuurien liittämisen jälkeen graafinen sisältö oli havainnollinen esitys kaupunkimallia. Rakennuksien yksityiskohtia

23 14 täydennettiin myöhemmin digitoimalla rakennusten julkisivupiirustuksia. Näin rakennuksiin tarkentuivat ikkunat, ovet ja muut yksityiskohdat. 3.3 Takymetrimittauksin tuotettu sijaintitieto Ilmakuvauksen kautta tuotettua kartta ja maastomalliaineistoa ylläpidetään yleisesti takymetrimittauksin. Takymetrillä mittaaminen perustuu kojeen lähettämään infrapunasäteeseen, joka heijastuu takaisin prismasta. Takymetrillä käsitellään vaakasuunnan, pystykulman ja etäisyyden antamaa tietoa, josta laskennallisesti saadaan määritettyä kohteen sijainti koordinaattitietona. Maastomallimittaus pohjautuu runkoverkkoon. Runkoverkon kiintopisteitä käytetään mittauslaitteiden orientoinnissa. Paikalliset mittaukset sidotaan kansalliseen koordinaattijärjestelmään. (Vermeer 2008.) Maastomallimittauksessa käytetyimpiä menetelmiä ovat säteittäinen ja vapaan asemapisteen mittaus. Säteittäisessä mittauksessa takymetri asemoidaan tunnetulle jonopisteelle ja orientoidaan mittaamalla vaakakulma tähykseen, eli prismaan toisella tunnetulla pisteellä (Vermeer 2008, 133.). Käytännön työssä jonopisteet sijaitsevat vain hyvin harvoin mitattavan alueen läheisyydessä, vaikka kaupungeissa pyritään ylläpitämään kattavaa runkoverkkoa. Usein joudutaan turvautumaan apupisteisiin, jotka ovat tunnetuilta jonopisteiltä mitattuja tilapäisiä pisteitä koneen uudelleen asemointia varten. Apupisteiden avulla päästään lähemmäs mitattavaa aluetta. Vapaan asemapisteen mittausmenetelmä soveltuu maastomallimittauksiin takymetrillä. Mittausmenetelmässä koje asetetaan mielivaltaiseen paikkaan esim. mitattavan alueen läheisyyteen, jolloin kojetta ei keskistetä tunnettuun pisteeseen,

24 15 vaan orientointiin käytetään vaakahavaintoja useampaan tunnettuun jonopisteeseen (Vermer 2008, 134.). Vapaan asemapisteen mittausmenetelmä nopeuttaa työskentelyä, mutta kojeen sijoittaminen edellyttää aina näkyvyyttä kojeesta orientoinnissa käytettäviin jonopisteisiin. Vapaan asemapisteen käyttö vaatii hieman suunnittelua ja näkyvyyden varmistamista ennen mittauksen aloittamista. Takymetrimittauksessa, kuten kaikissa muissakin mittausmenetelmissä, on tärkeää huomioida mittausajankohta. Pääsääntöisesti mittaukset tulisi suorittaa silloin, kun maanpinta on näkyvissä ja tulkittavissa, eikä kasvillisuus häiritse mittausta. Otollisimmat ajankohdat ovat keväällä lumen sulettua, ennen kuin puut ja pensaat saavat lehtensä ja jälleen syksyllä ennen lumen peittävyyttä lehdettömänä aikana. (Tiehallinto 2002.) Nämä mittausajankohdat ovat kuitenkin käytännössä riittämättömät mittausten suorittamiseen, niinpä maastomallimittauksia tehdään koko kesäajan. Mittaustulosten pohjalta tuotetaan kolmiulotteinen, vektorimuotoinen kartta, jonka sisältöä ovat pisteet viivat, symbolit ja tekstit (Tiehallinto 2002.). Maastomallimittauksissa käytetään kahta erilaista kuvaustyyppiä kohteen kuvaamiseksi. Pistemäisesti kuvautuvia kohteita ovat valaisinpylväät, yksittäiset puut, rakennuksen nurkkapisteet ja esim. maanpinnan hajakorkeuspisteet. Viivalla kuvattavia kohteita ovat alueiden reunaviivat, pensasaidat, katujen ja paikoitusalueiden maaliviivat ja esim. reunakiven ylä ja alareunat. Takymetrimittauksessa kiinnitetään huomiota mittaustekniikkaan ja varsinkin prisman kanssa työskentelyyn, kun mitataan aineistoa maastomallin tuottamista varten. Viivamaisten kohteiden mittaaminen on yksinkertaista silloin, kun näkyvyys prisman ja takymetrin välillä on esteetön. Kun edessä on mittausta hankaloittavia kohteita, kuten kasvustoa, mittausta voidaan edistää muuttamalla prisman korkeutta. Tällöin korkeudenmuutos huomioidaan myös takymetrin prisma

25 16 asetuksissa. Muussa tapauksessa voidaan yrittää paremman mittauspaikan hakemista sijoittamalla prisma näkyvään kohtaan, jolloin mittaus suoritetaan prismaan ja rekisteröinti tehdään viemällä prisma takaisin alkuperäiselle paikalle. Mittausvirheen mahdollisuus kasvaa. Kuitenkin on muistettava tarkoituksenmukaisuus, eli onko lopputuloksen kannalta oleellisempaa lievä sijainnin epätarkkuus kuin hankalasti havaittavan maastokohteen mittaamatta jättäminen. Maaston muodon korkeusvaihtelun ja kaareutuvien kohteiden kuvaaminen vaativat aina tiheämpää pisteotantaa. Esimerkiksi risteysalueella, tienreunassa, taitepisteitä mitataan niin paljon, että kohteen muoto voidaan kuvata maastomallissa. Riittävä pistetiheys helpottaa maastokohteen mallintamista jatkokäsittelyssä. Mikäli tienreuna kuvautuu mittaustuloksissa kulmikkaana, uusia korkeuspisteitä voidaan interpoloida olemassa olevien pisteiden väliin, mutta pisteet eivät kuvaa maastossa olevan kohteen todellista muotoa. Viivamaisten kohteiden mittauksessa kohde mitataan yhtenäisenä murtoviivana mitattavan kohteen alusta loppuun. Kun graafiseen sisältöön halutaan tuoda maaston antamaa informaatiota eikä käytettävissä tulkinnan apuna ole ilma tai ortokuvaa, pyritään mittaamaan maastokohteet todenmukaisina, niin kuin ne maastossa esiintyvät. Tällaisia kohteita ovat kuvioalueen reunaviivat, joilla erotetaan erityyppisiä alueita toisistaan, kuten sora alue tai pihakiveys nurmikosta tai asfaltoidut alueet. Pistemäisiä kohteita mitataan siten, että prisma asetetaan kohteen viereen kohtisuoraan mittauslinjaan nähden. Mittaushetkellä mittaus tehdään suoraan prismaan ja rekisteröinti kääntämällä kohderisti mitattavan kohteen keskelle. Ongelmallisia mittauskohteita ovat lehtipuut, jolloin oksiston vuoksi on vaikea saada prismaa aivan puun rungon viereen. Metatiedon tallennus ja rekisteröinti mittausvaiheessa on osa mittaustuloksen dokumentointia. Graafisessa tuotteessa, kuten kolmiulotteisessa maastomallissa, ku

26 17 vataan aina enemmän tietoa kuin pelkän pisteen koordinaattitieto. Metatietoa ovat ennen mittauksen alkamista kojeeseen tallennettavat tiedot mittauserästä, kuten tiedoston nimi, havaintojen numerointijärjestys, päivämäärä, mittauksen suorittaja ja lajikoodi. (Vermeer 2008, 138.) Erilaisten kohteiden määrittelyä varten on hyvä luoda lajimäärittely ja koodisto. Lajikoodisto helpottaa mittaustapahtumassa erilaisten kohteiden erottelua. Mikäli kaikki mitattavat kohteet olisivat samalla lajikoodilla esim. piste tai viiva, aineiston käsittelijä ei ilman ilmakuvaa kykenisi määrittämään mitä maastokohteita on mitattu. Sisällön jatkokäsittelyn edellytys on selkeä lajikoodisto. Kohteet luokitellaan käyttäen ohjeen mukaista standardia maastomallin maastopistetiedolle (Puupponen 2005, 16). Lajikoodistoon luodaan jokaiselle mitattavalle kohteelle oma lajikooditunnus. Maastomallikohteiden määrä voi vaihdella muutamista lajeista satoihin lajeihin tarpeen mukaisesti. Mikäli halutaan tuottaa vain pintamalli, riittää kun mitataan hajapisteitä ja ehkä maanpinnan muotoa kuvaavia taiteviivoja. Jos halutaan esittää myös maastossa olevia kohteita kuten esim. pihaliittymän kiveys, laattakäytävät, nurmikon reunat, istutetut puut, lipputanko, rakennukset ja pensasaidat, silloin jokaiselle kuvattavalle kohteelle luodaan oma lajikoodi. TAULUKKO 1. Kohdekoodiluettelo aitatyypeistä (mukaillen Tiehallinto 2008.) Koodinumero Kohdekoodi 210 Aita yleensä 211 Puuaita 212 Verkkoaita 213 Kiviaita, tiili tai betonimuuri 214 Lehtipuurivi tai lehtipuuaita 215 Havupuurivi tai havupuuaita 216 Pensasrivi tai pensasriviaita

27 18 Maastomittauslaitteissa metatieto tallentuu ASCII muodossa, ja yleisesti käytetään nk. Tekla formaattia, joka on muotoa T1, T2, T3, T4, Y, X, Z. Kentät T1 ja T2 voidaan käyttää halutun informaation tallennusta varten, esim. mittaajan numerokoodi, mittausajankohdan päivämäärä tai mittauserätietoja. T3 kenttä on varattu lajikoodille ja T4 kenttä mittauspisteiden juoksevaan numerointiin. (Espoon kaupunki 2007, 3.) TAULUKKO 2. Tekla formaatti (mukaillen Espoo kaupunki 2007.) T1 T2 T3 T4 Y X Z Kartoitusalueet jaetaan mittausluokkiin. Mittaus ja kuvaustarkkuus määrittyy mittausluokan mukaisesti. Ensimmäiseen 1e luokkaan kuuluvat taajama alueet, jossa maa on arvokasta, rakennusoikeudet suuria ja infrastruktuuri kaupunkimaista. Mittausluokassa 1 laadittavan kartan mittakaava on 1:500 tai 1:1000. (Maanmittauslaitos 1997.) Mittausluokkaan 2 kuuluvat kuntien keskusalueet ja taajamat, sekä lomarakentamiseen varatut alueet. Näiltä alueilta laadittujen karttojen mittakaava on 1:1000 tai 1:2000. (Maanmittauslaitos 1997.) Vähäistä rakentamista ja erityisalueita koskevat alueet kuuluvat mittausluokkaan 3. Alueista laadittujen karttojen mittakaava on 1:2000 (Maanmittauslaitos 1997.)

28 19 Kartoitettavien kohteiden tarkkuusvaatimukset määrittyvät mittausluokan mukaisesti. Esimerkiksi 1e luokassa rakennuksen seinälinjat kartoitetaan 0,15 cm:n tarkkuudella, liikenneväylän reuna 0,20 cm:n, luiskan reuna 0,5 cm:n ja yksittäinen puu 0,7 cm:n tarkkuudella. (Maanmittauslaitos 1997.) Kartoitettavassa kohteessa on siis varaa mittaajan tulkinnalle. Mitä kiinteämpi mitattava kohde on, sitä tarkempi on mittaustarkkuuden vaatimus ja pienempi pistekeskivirhe. Takymetrimittaus soveltuu hyvin korkeustiedon tuottamiseen maastokohteista, jotka ovat näkyvyytensä ja sijaintikorkeutensa puolesta mitattavissa. Pääsääntöisesti työn suorittamisen kannalta vaarallisten ja korkealla sijaitsevien kohteiden mittauksista on luovuttu. 3.4 Takymetrimittausaineiston käyttö kolmiulotteisessa grafiikassa Takymetrillä tuotetun mittausaineiston käsittely tehdään käytettävissä olevilla sovelluksilla. Julkishallinnossa sovellukset vaihtelevat kunnittain. Kokkolan kaupungin kantakartta on nykyisessä muodossaan tietokantapohjainen tuote, jota ylläpidetään tuoteperheen graafisella käyttöliittymällä. Tietokantana on Ingres. Xcity paikkatietojärjestelmän rekisterisovelluksia ovat kiinteistö, kaava, rakennusja huoneistorekisteri, sekä väestötiedot. Osoitetietojenhallintaan käytetään osoiteja nimistösovellusta ja graafiseen karttatuotantoon kartankäsittelysovellusta, jolla voidaan hallita sekä rasteri että vektorimuotoista karttaa. Mittaustulosten siirtäminen maastotallentimelta tietokantaan on varsin yksinkertainen toimenpide. Kartoitettavat mittaustiedot puretaan tallentimilta tietokoneelle, tiedosto siirretään ASCII muodossa käsittelijälle, joka lukee mittausaineiston sisään karttajärjestelmään tiedonsiirto ohjelmalla.

29 20 Graafisessa käyttöliittymässä mittaustavan tarkkuus määritetään tietokantaan tallennuksen yhteydessä. Mittaustapoja ovat maastomittaus, geodeettinen laskenta, fotogrammetrinen kartoitus ja digitointi. Mittaustavan valinnan lisäksi kohteelle voidaan määrittää taso ja korkeustarkkuus. Jokainen mittauserä käsitellään omana kokonaisuutena. Tietokantaan tuodut mittauskohteet editoidaan kartankäsittelysovelluksen työkaluilla. Uusi mittauserä sovitetaan olemassa olevaan aineistoon. Jos täydennysmittaus on hyvin tarkka ja alueen kaikki kohteet on mitattu uudelleen, vanha maastomalliaineisto korvataan kokonaan uudella mittauserällä. Mittauserä sovitetaan reunoiltaan olemassa olevaan aineistoon. Jos muutokset maastossa ovat olleet vähäisiä ja on mitattu vain joitakin muuttuneita kohteita, vanhat kohteet poistetaan ensin ja uudet kohteet liitetään aineistoon. Vanhan ja uuden aineiston liitoskohdat tarkistetaan. Tällöin viivoina kuvautuvat kohteet yhtyvät leikkauskohdassa ja viivan korkeustieto säilyy mittaustuloksen mukaisena. Tiedonsiirtovaiheessa ASCII tiedostoon tallennettu kohde saa lajikoodiansa vastaavan ennalta määrätyn, kuvaustekniikan. Kuvaustekninen määrittely huolehtii tiedonsiirron yhteydessä kohteen ilmentymästä karttanäkymässä. Kuvausteknisesti voidaan määrittää viivan vahvuus, väri, viivalaji tai symboli, joka kuvaa mitattua kohdetta. Kun lajikoodi on määritetty jo mittaushetkellä, graafisen sisällöntuottajan ei tarvitse tulkita aineiston sisältöä esim. ilmakuvaa apuna käyttäen. Graafista sisältöä voidaan tuottaa ilman, että käsittelijä on koskaan käynyt paikalla tai nähnyt mittausaluetta. Hyvin mitattu ja oikein lajikoodattu aineisto on sellaisenaan valmista informaatiota käsittelijälle. (LIITE 3.) ASCII muotoinen tiedosto sisältää oleellisimmat tiedot mittauskohteesta ja kohteen graafisesta sisällöstä. Metatietojen mukaan tiedostot voidaan arkistoida. Mittaushetken ajankohta kertoo milloin sisältö on tuotettu. Tietokanta koostuu eri

30 21 aikoina, eri mittausmenetelmillä tuotetuista aineistoista. Tarkempi kohteen analysointi esim. tietojen kysely kohdeviivasta paljastaa milloin tieto on tuotettu tietokantaan ja kuka tietoa on käsitellyt. Tieto on jatkossa merkityksellinen, kun graafista sisältöä ja sen päivittämisen tarvetta arvioidaan uudelleen. Kolmiulotteisen graafisen sisällön ylläpito on jatkuvaa, varsinkin, jos on kyse kaupunki tai maastomallista. Vanhoja rakennuksia puretaan, uusia rakennuksia ja katuja rakennetaan. Maanpintaa nostetaan uusilla kerroksilla tai muotoillaan kaivamalla, viheralueille istutetaan puita ja pensaita, katuja asfaltoidaan ja pihoja kivetään. Muutos on jatkuvaa ja mallin ylläpitäminen sen myötä. Kaikki mitatut pisteet, joilla on x, y ja z koordinaattitieto, ovat käytettävissä kolmiulotteisen maastomallin tuottamisessa. Takymetrillä mitataan maanpinnan hajapisteitä ja maaston muotoa määrittäviä taiteviivoja. Nämä ovat kolmiulotteisen grafiikan geometrista perussisältöä. Hajapisteiden sekä taiteviivojen avulla voidaan kolmioida maanpinnan muoto eli pintamalli. ( Tiehallinto 2008.) Tuholan ja Viitasen mukaan pintamallinnus perustuu mallin muotoiluun erilaisten pintojen avulla (Tuhola & Viitanen 2008, 29). Maastomallissa muotoiltavia pintoja ovat vesistön, rakennusten ja maankuoren kolmioinnilla muodostettavat pinnat. Käsittelijä voi tuottaa mitatusta aineistosta kolmiulotteisen mallin joko liittämällä mittaustuloksen olemassa olevaan kolmiulotteiseen sisältöön tai mallintamalla aineistosta oman esim. suunnittelua varten laadittavan mallin. Kolmiulotteisen maastomallin esitystapoina käytetään joko kolmiointi tai pistehilaesitystapaa. Pistehilaesitys on käsiteltävyydeltään helpompi kuin kolmiointi. Hilan muoto voi vaihdella. Esitystapa voi olla neliömäinen, suorakulmainen, kolmiomainen tai monikulmainen heksakuvio. (Vermeer 2008, 151.)

31 22 Kolmiointi esitystavassa maaston eri kohteita edustavat pisteet kytketään toisiinsa siten, että kuviot muodostavat kolmioita. Kolmioiden sivujen pituudet voivat vaihdella johtuen pisteiden sijainnista. Kolmiointiesitystapa on vaikeampi käsitellä kuin pistehilaesitystapa. Kolmiointi toimii kuitenkin paremmin vaikeissa maaston muodon vaihtelukohdissa, koska pisteiden lukumäärä on suurempi. Maastopisteiden tiheydestä johtuen maastomallin erotuskyky vaihtelee. Vaihtelusta johtuen myös kolmioiden koot vaihtelevat. (Vermeer 2008, 151.) Mallinnuksessa interpoloidaan suoraviivaisesti epäsäännöllistä kolmioverkkoa. Kolmioverkossa kolmion sivu ei koskaan leikkaa kolmion taitesivua. Taiteviivat eivät myöskään leikkaa toisiaan samalla pinnalla.(tiehallinto 2008, 10.) KUVIO 1. Hila ja kolmiointiesitystapa (Kokkolan kaupunki 2009.) Mitatun kohteen karttailmentymä voi jossain määrin jopa auttaa mallintamista, ainakin silloin, kun visualisoidaan ympäristöä. Luotuun maaston pintamalliin liitetään symboleina kuvautuvat kohteet. Lehtipuusymbolit korvataan kolmiulotteisilla lehtipuusoluilla, pensasaitasymbolin tilalle lisätään rivi pensassoluja ja valaisinpylvässymbolin tilalle vaihdetaan valaisinpylvään solu. 2D symboleille voidaan luoda kolmiulotteinen solumalli esim. standardoituja mittoja apuna käyttä

32 23 en, eli esim. hyödynnetään solun tekemisessä valmistajan ilmoittamaa valaisinpylvään malli ja korkeustietoa. 3.5 GPS mittauksin tuotettu sijaintitieto GPS paikannus on maailmanlaajuinen Yhdysvaltojen puolustushallinnon ylläpitämä satelliittipaikannusjärjestelmä. GPS paikantaminen perustuu satelliittien signaalien kulkunopeuteen ja vastaanottimen sijainnin määrittelyyn pituus, leveys ja korkeuskoordinaattien avulla. (Maanmittauslaitos 2009.) GPS mittauksissa paikanmääritys on mahdollista tehdä absoluuttisesti, differentiaalisesti ja suhteellisesti. Absoluuttinen paikanmääritys tehdään yhdellä vastaanottimella hyödyntäen satelliittisignaalin C/A paikannuskoodia. Vastaanotin lukittuu vastaanottamaansa C/A koodiin. Jokaisella satelliitilla on täysin oma C/A paikannuskoodi. Signaalin kulkuaika ja etäisyys satelliittiin määrittyvät, kun vastaanotetun koodin vaihetta verrataan laitteen vastaavaan koodiin. Satelliitin sijaintitieto on sisällytetty navigointiviestiin. Sijaintiedon avulla lasketaan vastaanottimen sijainti. (Maanmittauslaitos 2009.) Differentiaalisessa paikanmäärityksessä sijainnin tarkkuutta korjataan differentiaalikorjauksella. Korjauksissa käytetään sijainniltaan tunnettua pistettä, johon satelliittien etäisyyksiin liittyvät korjaustiedot on määritetty. Korjaukset välitetään tästä lähteestä radion välityksellä vastaanottimelle. (Maanmittauslaitos 2009.) GPS paikantimen sijaintitiedon differentiaalikorjauksen voi hakea esim. Oulun yliopiston maantieteenlaitoksen kiinteältä GPS tukiasemalta. GPS paikantimeen määritetään tukiaseman sijaintitieto ja vastaanottimen tyyppitieto, sekä tiedonsiirtoformaatti. Korjaukset voi tehdä paikannuksen yhteydessä reaaliaikaisesti tai jälkikorjauksena, jolloin korjaustiedot haetaan GPS tukiasemalta aineiston käsittelyn yh

33 24 teydessä. Satelliittien signaalien kantoaaltoa käytetään hyväksi suhteellisessa paikanmäärityksessä. Mittaushetkellä käytetään kahta vastaanotinta. Toinen vastaanottimista on sijaniltaan tunnetulla pisteellä. Koordinaattierot vastaanottimien välillä määrittävät liikuteltavan vastaanottimen sijaintia. (Maanmittauslaitos 2009) Suhteellisessa paikanmäärityksessä käytetään joko staattista GPS mittausta jolloin mittaus tapahtuu jälkilaskentana, tai reaalikaista kinemaattista mittausta (RTK). Staattisissa GPS mittauksissa mittaukset tehdään maastossa ja laskenta mittausaineiston käsittelyn yhteydessä. RTK mittauksessa tarvittavat laskennat suoritetaan reaaliajassa ja mitatun kohteen koordinaattitieto saadaan välittömästi mittaushetkellä edellyttäen että vastaanottimen ja kartoitusvastaanottimen välillä on tiedonsiirtoyhteys. (Maanmittauslaitos 2009) Viime vuosina on siirrytty käyttämään kiinteitä tukiasemia, jolloin mittausvastaanottimelle luodaan virtuaalinen tukiasema. Virtuaaliselle tukiasemalle mallinnetaan kiinteän tukiaseman havainnot ja virhelähteet. Mittaajan vastaanotin lähettää sijaintinsa GSM/GPRS yhteydellä Virtual Reference Station (VRS) laskentakeskukseen. Laskentakeskus luo virtuaalisen tukiaseman mittaajan läheisyyteen ja sijoittaa luotuun tukiasemaan lähimmän oikean tukiaseman havaintotiedon, sekä määrittää virtuaalitukiasemaan vaikuttavat mahdolliset virheparametrit. Laskentakeskus voi tämän jälkeen lähettää RTK korjauksen mittausvastaanottimelle. (Maanmittauslaitos 2009; Häkli 2004, 40.) GPS mittauksen suurimmat ongelmat kolmiulotteisen aineiston tuottamisessa graafiseksi sisällöksi liittyvät nimenomaan mittaushetken problematiikkaan. Mittaamiseen käytettävän vastaanottimen täytyy saada kolmiulotteisen mittaustuloksen varmistamiseksi yhtäaikainen yhteys neljään satelliittiin. Parhaat mittaustu