Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot

Transkriptio

1 Maa Fotogrammetrinen kartoitus Luento-ohjelma Luento 1: Opintojakson sisältö ja tavoitteet (Alkuperäinen luento: Henrik Haggrén, Muutoksia: Eija Honkavaara ) Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot Opintojakson tavoitteet Scene reconstruction Kartoitusprosessi Geodesia kartoitusprosessissa Fotogrammetria kartoitusprosessissa Geoinformatiikka kartoitusprosessissa Kartografia kartoitusprosessissa Esimerkki yhdestä kartoitustehtävästä Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus Kartan kolmiulotteisuus ja havainnollisuus Kartoituskuvauksissa käytettävät digitaaliset kuvamateriaalit Digitaaliset kuvat käsitteissä Uudet kartoitustekniikat Ohjeistoja Kirjallisuutta Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot 1

2 Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksossa käsitellään pääasiassa ilmakuvaukseen perustuvia mittaus- ja kartoitussovelluksia. Satelliittikuvien kartoituskäyttöä käsitellään jossain määrin topografisen kartoituksen ja karttojen ajantasaistuksen tehtävissä. Maakuvien kartoituskäyttöä sivutaan, mutta varsinaisesti sitä käsitellään fotogrammetrian erikoissovellusten opintojaksossa. Opintojakson suorittamisen kannalta on eduksi, että opiskelija tietää ja ymmärtää fotogrammetrian geometriset ja matemaattiset perusteet niin stereokuvauksen kuin yleisen kollineaarisuusehtoon perustuvan perspektiivisen kuvauksen osalta. Nämä käsitellään fotogrammetrian perusteiden ja yleiskurssin opintojaksoissa. Lisäksi suositellaan sekä kuvatulkinnan ja kaukokartoituksen että digitaalisen kuvankäsittelyn perusteiden tuntemista. Opintojakson tavoitteet Luoda yhtenäinen kuva kartoitusprosessista, josta fotogrammetriset työvaiheet muodostavat osan. Antaa perusteet kartoitustehtäviin soveltuvien fotogrammetristen työmenetelmien valitsemiseksi prosessin eri vaiheisiin. Antaa perusteet fotogrammetristen menetelmien suorituskyvyn arvioimiseksi o tarkkuuden, o ajankäytön, o kustannusten, o ym. tekijöiden osalta Antaa mahdollisuudet arvioida fotogrammetrisen kartoitusprosessin kehittymistä lähitulevaisuudessa. Scene reconstruction We may define our field of science as "scene reconstruction" Our scientific interest is concentrated to the part of information science, where the transformations between the 2-D and 3-D representations are discussed. It also covers the modeling of other phenomena, which affect or limit the reconstruction process (sensors, environment). The principal input data consist of images whereas the output is the scene and its visual products. In case of dynamic reconstruction the actual scene information is used for controlling further processing phases (adaptivity). The image data may consist of image coordinates, but also of range or radiometric data, or attribute information, or of any other geometrically ordered previous information like maps. The datum or reference systems (e.g. 3-D coordinate system) are necessary when combining different kinds of data along each reconstruction process. The knowledge of the behaviour of uncertainties (error propagation) caused by each individual data acquisition phase is for us important (calibration). 2

3 Kartoitusprosessi Geodeettiset ja fotogrammetrisen mittaukset voidaan kohdistaa kartoitusprosessin eri vaiheisiin seuraavasti: o runkomittaus yleensä geodeettisesti o maaston kartoitusmittaukset pääosin fotogrammetrisesti o suunnitelmien toteuttamiseen liittyvät paikalleenmittaukset geodeettisesti o toteutuksen tarkastus pääosin geodeettisesti o kartan täydennysmittaukset sekä fotogrammetrisesti että geodeettisesti Kartoitusprosessi ymmärretään usein myös niiden työvaiheiden muodostamaksi kokonaisuudeksi, joka on tietyn kartan valmistamiseksi välttämättön. Ts. kaikilla kartoilla on oma kartoitusprosessinsa: o kanta- ja peruskartoilla prosessiin kuuluu useimmiten kalliita maastotyövaiheita, o erikois- ja sovelletuilla kartoilla maastotöiden osuus on vähäisempi, mutta teeman osuus korostuu. Kartoitusprosessin luonne muuttuu myös siirryttäessä ensikartoituksesta uusintakartoitukseen. Uusintakartoituksissa 3

4 o runkomittausten osuus vähenee, koska kuvat voidaan sitoa koordinaatistoon kuvilta näkyvin ja muuttumattomina säilynein tukitiedoin (rakennukset, tiet, vesistöt, jne.) o tulkinnan tarve vähenee, koska enin osa aiemman kartoituksen tulkintatyöstä (esim. korkeusmalli, jo kartoitetut rakenteet, avokalliot, vesistöt, jne.) voidaan käyttää hyväksi o mittausten osuus lisääntyy, mikäli aiemmin kartoitetut kohteet tarkistetaan ja mitataan tarkemmin Nykytekniikka tarjoaa monia vaihtoehtoisia menettelytapoja kartoitusprosessin suorittamiseksi. Mikäli tehtävä sallii, vaihtoehtoisia menettelytapoja kannattaa soveltaa ennakkoluulottomasti. Kartoitusprojekti: Ihmiset prosessia toteuttamassa, mittaaja ja asiakas. Viitteet o Sakari Viertiö Kartoituksen prosessitekniikan luentomoniste Kartoitusprosessi. Prosessin eri vaiheet määrittyvät kartalle asetettavien vaatimusten perusteella. Nämä vaatimukset kohdistuvat mm. käytettävään koordinaattijärjestelmään, kartan mittakaavaan, kartan tarkkuuteen ja sisältöön. Koordinaattijärjestelmä määritellään joko geodeettisena tai karttaprojektiona. Mittakaavan mukaan kartat jaetaan pieni- tai suurimittakaavaisiin karttoihin, tai mittakaavattomiin 3-D malleihin, joiden tarkkuus määritellään yksityiskohtien erotuskyvyllä. Kartan sisältö määritellään esimerkiksi pohjakartan kuvausohjeilla tai karttatietokannan kohdemallilla. 4

5 Digitaalisen fotogrammetrian kartoitusprosessi sisältää samanaikaisen tiedonhankinnan ja hyväksikäytön (Mostafa Madani Intergraph Integrated Digital Photogrammetry System Lausanne, 1996). Geodesia kartoitusprosessissa Geodesian tehtävänä on ylläpitää kartoitustoiminnassa tarvittava koordinaatisto ja sitä vastaava paikallinen runkoverkko. Tällä tavoin varmistetaan se, että eri aikoina ja eri paikoissa suoritetut kartoitukset sopivat toisiinsa. Suomessa valtakunnallisten koordinaatti- ja korkeusjärjestelmien luominen ja ylläpito ovat Geodeettisen laitoksen ( ja 5

6 Maanmittauslaitoksen ( tehtäviä. Geodeettisin menetelmin tehdään myös maastokartoitusta. Geodeettiset koordinaatistot : o Koordinaattijärjestelmät (WGS84, ITRS, ETRS89) koordinaatistot (ITRF, ETRF89, EUREF-FIN) o Tyypit: 3D-koordinaatistot, tasokoordinaatistot, korkeuskoordinaatistot o Laajuus: Globaalit, kansainväliset, kansalliset, paikalliset Vuonna 2003 hyväksyttyjen julkisen hallinnon suositusten mukaan (JHS 153, JHS154) suositellaan Suomessa käytettäviksi koordinaatistoiksi o 3D-koordinaatisto: EUREF-FIN o Tasokoordinaatisto (karttaprojektio): ETRS-TM35FIN, ETRS-GKn Tällä hetkellä Suomessa yleisesti käytettyjä koordinaattistoja ovat 3Dkoordinaatisto EUREF-FIN (tai WGS84) ja valtakunnallisissa ja myös paikallisissa kartoitustöissä käytettävä kartastokoordinaattijärjestelmä kkj. Tasosijainti määritetään projisioimalla jokainen piste vertaustasolle, 3D-järjestelmässä vertausellipsoidille ja kkjjärjestelmässä geoidille. Vertausellipsoidi on matemaattinen pinta, kun taas geoidi on kuvitteellinen jatkuva pinta, joka on jokaisessa pisteessä kohtisuorassa painovoimavektoria vastaan. Korkeussijainti määritetään joka pisteelle sen ja sen vertaustasolle tasolle projisioidun kuvan välisenä etäisyytenä. Muunokset EUREF-FIN-järjestelmästä kkj-järjestelmään ja päinvastoin edellyttävät geoidin tuntemista. Muunnokset koordinaatistojen välillä o Suomessa suositellut menettelyt on esitetty Julkisen hallinnon suosituksissa 153 ja 154. o Esim. kkj EUREF-FIN- muunnokselle on määritelty joko 3Dyhdenmuotoismuunnokseen tai paikallisiin affiinisiin muunnoksiin perustuvaa menettelyä. Näistä ensimmäisen virheet voivat olla jopa 2 m luokkaa, jälkimmäisen keskivirhe on parempi kuin desimetri. Kartoituksen runkoverkko on maastoon rakennettu ja maastomittauksin määritetty koordinaattipisteistö. Myös runkoverkko jaetaan kahteen osaan, tasorunkoverkkoon ja korkeusrunkoverkkoon. Runkoverkon pisteet määritellään yleensä kkj-järjestelmässä, mutta yhä useammin myös EUREF- FIN-järjestelmässä. Maastokartoitukset tehdään joko perinteisin maastomittaus- tai nykyaikaisin satelliittipaikannusmenetelmin. 3-D koordinaattimittauksissa käytetään takymetriä tai kinemaattista differentiaalista satelliittipaikannusta. Fotogrammetrista mittausta joudutaan usein täydentämään maastomittauksin. Viitteet o Geodesia o Geocentric co-ordinates o Height systems and reference surfaces o Map projection Julkaisuja 1. Julkisen hallinnon suositus 153 (JHS 153): ETRS89-järjestelmän mukaiset koordinaatit Suomessa. ukset 6

7 2. Julkisen hallinnon suositus 154 (JHS 153): ETRS89-järjestelmään liittyvät karttaprojektiot, tasokoordinaatistot ja karttalehtijako. ukset 3. Maastomittaustekniikka (EVTEK, Lare Lekman) 4. The Finnish national grid coordinate system 5. Peter Dana: Geodetic Datum Overview 6. Peter Dana: Coordinate Systems Overview html Fotogrammetria kartoitusprosessissa Fotogrammetrian päätehtävänä on luoda yksityiskohtainen kuva maastosta ja sen osista kartoitusalueen sisälle niin, että se sovittuu mahdollisimman hyvin alueen runkoverkkoon. Tässä tehtävässä voidaan erotella seuraavat työvaiheet: o runkomittaus ja signalointi, o aluekuvaus, o ilmakolmiointi ja pistetihennys, o stereokartoitus ja maastomallimittaus, o ortokuvaus. Fotogrammetrinen toiminta voidaan jaotella myös mittaus- ja kartoitustehtävänsä luonteen mukaan pisteittäin tehtävään tarkkaan mittaamiseen tai stereodigitointiin, joka on tarkkuusominaisuuksiltaan kertaluokkaa yleistävämpää. Geoinformatiikka kartoitusprosessissa Tieteenala, joka koskee tiedon kokoamista, järjestämistä, jakelua ja käyttöä (Sarjakoski, 1993). Fotogrammetria on tehokas keino tuottaa informaatiota paikkatietojärjestelmiin. Datan keruu on tehokkaampaa ja edullisempaa kuin maastomittaustekniikoilla. Tarkkuus voidaan sovittaa vaatimuksiin soveltuvaksi. Lisäksi data on digitaalisessa muodossa ja valmista käytettäväksi paikkatietojärjestelmissä. Ajantasaistustehtävissä paikkatietojärjestelmien informaatiota voidaan käyttää hyväksi fotogrammetrisessa kartoitusprosessissa. Paikkatietoanalyysimenetelmiä voidaan käyttää hyväksi fotogrammetrisessa prosessissa. 7

8 Konsepti DPWS:n ja GIS:n tiiviille yhdistämiselle. DPWS:n suoritettavaksi jää mahdollinen orientointien parantaminen, kaikki muu datan prosessointi suoritetaan GIS:ssä. (Lähde: Heipke 2001: Kartografia kartoitusprosessissa Kartografia? Kartoitetun tiedon havainnollista esittämistä. ICA:n (International Cartographic Association) määritelmän mukaan kartografiaan sisältyy kartan tuottamisen tieto, taito, ja tekniikka. Kartta? Saman määritelmän mukaan o kartta käsitetään sekä tieteellisenä että taiteellisena dokumenttina o kartoiksi luetaan kaikki 2-D esitykset sekä olemassa olevista että suunnitelluista kohteista, o kartoiksi luetaan myös 3-D mallit maasta, samoinkuin muista maanpäällisistä ja taivaan kappaleista o kartta on jossain mittakaavassa. Esimerkki yhdestä kartoitustehtävästä Tässä tapauksessa kartoitus on tehty vanhasta kuvauksesta ilman signaloituja runkopisteitä Pistetihennyksen lähtöpisteet on valittu pienimittakaavaiselta topografiselta kartalta ja mallin koordinaatisto on hyvin todennäköisesti deformoitunut Runkomittaus tehdään alueella myöhemmin ja sillä pyritään sekä sijoittamaan malli paikalliseen kartastokoordinaatistoon että oikaisemaan deformoitunut malli karteesiseen koordinaatistoon 3-D malli vanhasta ilmakuvauksesta 8

9 Työvaihe Input Tehtävät tässä esimerkissä Output 1 Runkomittaus 2 Kuvaus 3 Kolmiointi Topografinen kartta 1 : 50'000 Pinnakkaisvedokset ilmakuvauksesta 1 : 5'000 Kohdekoordinaatiston määrittäminen kartalta Lähtöpisteet Reprokuvaus Diapositiivit 1 : 5'000 Pinnakkaisvedokset Kuvien orientoinnit, Kolmiointi ja pistetihennys 1 : 5'000, lähtöpistekuvat stereokartoituksen tukipisteet 4 Diapositiivit 1 : 5'000 Stereokartoitus Korkeusmalli, maastomalli 3-D digitointi 5 VRML-malli, perspektiivikuvat Havainnollista- Maastomalli 3-D mallinnus, minen kartat 1 : 1'000, 2'000 ja 5'000 Ilmakuva 1 : 5'000. 9

10 Topografinen kartta 1 : 50'000 ja lähtöpisteet. Tihennysblokki, lähtöpisteet ja liitospisteet. 10

11 Liitospisteiden valinta. Piste Stereokartoitus. 11

12 Korkeusmalli. Jabal Haroun, perspektiivikuva. 12

13 Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus Pienimittakaavainen kartoitus o kartan mittakaava 1 : ja pienempi erikoiskarttoja ja sovellettuja karttoja, joissa lähtötietona kantatai pohjakartta nykyisin yhä yleisemmin tulkintaa satelliittikuvilta tuloksena johdettu kartta, teemakartta, sovellettu kartta, erikoiskartta, jne., joka on esitysmittakaavaan yleistettyä, mutta koordinaatistoon sidottua tietoa Suurimittakaavainen kartoitus o kartan mittakaava 1 : ja suurempi valtakunnallisia ja kunnallisia perus- ja kantakarttoja, joissa lähtötietona maasto ja sen rakenteet nykyisin yhä yleisemmin ajantasaistuksen ortokuvatulkintaa uutta kolmiulotteista numeerista kartoitusta tuloksena numeerinen karttatietokanta, joka sisältää mittakaavatonta, mutta tarkkuudeltaan tunnettua tietoa Pienimittakaavaisissa kartoituksissa kuvatulkinta on pääosin kaksiulotteista, suurimittakaavaisissa kolmiulotteista. Kartan kolmiulotteisuus ja havainnollisuus Kuvat o Åvik'in lasitehtaan kartta vuodelta 1783 (Suomen Lasimuseo) o Topografinen peruskartta 1990-luvulta (Kartan copyright: Maanmittauslaitos) o Helsinki, Kaivopiha ja asemanseutu (Kartan copyright: J. Pesonen, Helsingin kaupunki) o Simuloitu ympäristömalli (Instrumentointi Oy) o Mitattu ympäristömalli (FM-kartta Oy) o Virtuaalinen Helsinki (Kartan copyright: Helsinki Arena 2000) o Rakennus, rautalankamalli o Huonetila, videokuva o Ovi auki Kartoituskuvauksissa käytettävät digitaaliset kuvamateriaalit Ilmakuvaus Analogiset ilmakuvakamerat, skannaus (Luento 2) Digitaaliset ilmakuvakamerat: suuriformaattiset (Luento 3) o Kuvaleveys n pikseliä, kuvakorkeus pikseliä o Usean pienen CCD-matriisin yhdistelmät: Vexcel Ultracam Z/I-Imaging DMC o CCD-rivigeometria: LH-Systems: ADS40 13

14 DLR: HRSC Keskiformaattiset CCD-kamerat: esim x 4000 pikseliä Pieniformaattiset CCD-kamerat, esim x 1000 pikseliä Videokuvaus Satelliittikuvaus IKONOS (PAN 1 m, MS 4 m) Quickbird (PAN: 0.61 m nadiirissa, 0.72 m 25 nadiirista) Orbview (1 m) Spot 5 (2,5 m) Stratosfäärikuvaus Miehittämättömät kuvausalukset km korkeudessa ( Digitaaliset kuvat käsitteissä Analogiakuvat - digitaaliset kuvat? o Ilmakuvat käsitetään yleisesti lentokoneesta otetuiksi analogisiksi tai digitaalisiksi kuviksi. o Ilmakuvausta tehdään myös videokuvauksena, kuvaavilla spektroradiometreillä, tutkalla, mikroaaltoradiometreillä, ym. o Satelliittikuvat käsitetään yleisesti satelliitista otetuiksi digitaalisiksi kuviksi. Ilmakuvat - satelliittikuvat? o Nykyisellään ei kuvaustekniikan eikä kuvankäsittelytekniikan puolesta ole erityistä syytä korostaa eroa ilmakuvien tai satelliittikuvien välillä. o Kuvaustoimintana ilmakuvaus on projektiluonteista. o Satelliittikuvaus on jatkuvaa, mutta voidaan tarpeen tuleen suorittaa myös tilauksesta. Tyypillisimmin topografisessa kartoituksessa käytetään pankromaattisia kuvia, joiden GSD on m. 14

15 Korkearesoluutioisten eli lähinnä 1 m pikselikoon satelliittikuvien julkaisuohjelma. ( ARDAK Corporation 1997) Digitaaliset ilmakuvasensorit o Dataa tarvittaessa o Toimii huonoissa olosuhteissa (lentäminen pilvien alla) o Laaja resoluutioalue saaavutetaan vaihtamalla lentokorkeutta: 0.05 m 1 m o Stereokuvaus oletusarvo Suuriresoluutioiset satelliittisensorit o Kiinteä rata o Saatavuus sääriippuvainen o Kiinteä resoluutio n. 1 m PAN n. 4 m MS o Stereo vaatii erillistä tilausta Uudet kartoitustekniikat Laserkeilaus Tutkakuvaus Ohjeistoja Ilmakuvaus- ja mittaustoimintaa varten on laadittu ohjeistoja, joiden tehtävänä on selkeyttää kyseisten tehtävien suorittamista sekä niiden suorittamiseksi laadittavien sopimusten tekemistä ja tulkintaa. Suomessa yleisesti käytettäviä ohjeistoja ovat: o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, Ohjeet tarkan fotogrammetrisen kartoitusmittauksen suorittamista varten. FKS 15

16 julkaisu 1/ o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus- ja kartoitusilmakuvaukselle. FKS julkaisu 1/ o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, Digitaalisten ilmakuvien käyttö. FKS julkaisu 1/ o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, Ohjeita ortokuvien tuotannolla ja käytölle Suomessa. FKS julkaisu 1/ o Kaavoitusmittausohjeet, Kaavoitusmittausohjeet Maanmittauslaitoksen julkaisu n:o 94. o Tielaitoksen ohjeet maastomallimittauksen suorittamisesta (Luento 10) o Maa- ja metsätalousministeriön peltolohkorekisterin ortoilmakuvatuotannon laatujärjestelmä (Luento 9). Kartoitusyrityksillä on laatujärjestelmät, joissa erilaisten toimintojen suoritus on yksityiskohtaisesti kuvattu. Kirjallisuutta Henrik Haggrén, Kolmiulotteisen visualisoinnin mahdollisuudet ja vaatimukset paikkatietoaineistolle, Paikkatietomarkkinat, Helsinki. Otto Kölbl, Executive Summary of the OEEPE Workshop on the 'Application of Digital Photogrammetric Workstations' Lausanne, 1996 Otto Kölbl, An Outlook on the Use of Digital Work Stations in Practice Lausanne, 1996 Dieter Fritsch, D-Data Acquisition for Geographic Information Systems GIS 4/1996, p Henrik Haggrén, Kolmiulotteisen ympäristömme mallinnus Henrik Haggrén, Esipuhe: "3-D KARTTA - maastotietokanta, ympäristömallit, kaupunki- ja tilamallit" Espoo, 1995 Maa Fotogrammetrinen kartoitus Luento-ohjelma