Maa Fotogrammetrian perusteet

Transkriptio

1 Maa Fotogrammetrian perusteet Luento 8 Kartoitussovellukset Petri Rönnholm/Henrik Haggrén Mitä fotogrammetrisella kartoituksella tuotetaan? 3D koordinaatteja kohteesta Maaston korkeusmalli Topograafiset ja temaattiset kartat Fotorealistiset 3D-mallit (3D kartat) Ortokuvat eli karttaprojektiossa olevat ilma- tai satelliittikuvat

2 Kartoituksen tuotteita, kartta Kartta on mittakaavan mukaisesti pienennetty ja merkeiltää ään selitetty piirroskuva tietystä alueesta. Kartan tärkein tehtävä on kertoa, miten paikat sijaitsevat toisiinsa nähden. (Wikipedia) Kartta Peruskartta 1 : Peruskartta on yleismaastokartta, jonka tiedonkeruu perustuu stereokartoitukseen. Maastosta esitetään topografia eli maaston korkeus- ja syvyyssuhteet, sekä näkyvät piirteet, kuten maankäyttöluokkien rajat, kasvillisuus, asutus ja tiestö.

3 2D kartta, 3D kartta Helsinki Tokio lähde: Kartoitussovelluksissa fotogrammetrinen mittaus perustuu Kolmiointiin Stereokuvien tulkintaan Oikaistujen ortokuvien tulkintaan

4 Kolmiointi Kolmiointi on tarkin fotogrammetrinen osa kartoitusprosessissa Kolmioinnilla saadaan koordinaattihavaintoja geodeettisen runkoverkon tihennyspisteille, rajamerkeille sekä niille luonnollisille, kuvilla näkyville kohteille, joita käytetään stereomallien tai ortokuvien tukipisteinä Kolmiointi Kolmioinnissa havaitaan kuvilta liitospisteitä Liitospisteet ovat tarkasti mitattuja kuvien välisiä vastinpisteitä (signaloituja tai luonnollisia pisteitä) Kuvahavainnoista lasketaan sädekimput kameran sisäisen isen orientoinnin tiedoin ja sädekimput tasoitetaan blokkina Ratkaistaan kuvien ulkoiset orientoinnit ja liitospisteiden 3-D koordinaatit

5 Ilmakolmiointi osana fotogrammetrista kartoitusprosessia Kolmioinnin tuloksena saadaan välillisesti ratkaistua kuvien ulkoiset orientoinnit. Nykyisin kuvien orientoinnit voidaan määrittää tarkkaan myös suorin GPShavainnoin, inertiaalisin navigointihavainnoin sekä kameran kallistushavainnoin. Tästä huolimatta kolmiointi tehdään, koska sillä varmistetaan kartoituskoordinaatiston tasalaatuisuus koko kartoitusalueella. Stereomittaus osana fotogrammetrista kartoitusta

6 Stereokuvilta mitataan Korkeusmalli pistehavaintoina tai korkeuskäyrin yrinä Pistehavainnot maasto- tai karttatietokannan nan ympäristömalleihin kaupunkien kantakartat ja maanmittauslaitoksen ylläpit pitämä valtakunnallinen maastotietokanta Ym. Korkeusmalli mitattuna fotogrammetrisesti korkeusmallin mittaus tasavälisenä ruutuverkkona maanpinnalla korkeusmallin mittaus tasavälisenä ruutuverkkona kuvalla

7 Korkeusmallituotteet kolmio- eli vektorimallit, TIN-mallit ruutu- eli rasterimallit (grid( grid) korkeuskäyr yrät Maanmittauslaitos (J. Heikkinen, TKK) VTT, GLORE, Mikael Holm Korkeuskäyrät Stereomallin korkeushavaintojen tulee vastata tarkkudeltaan korkeusmallin käyräväliä käyrät eivät saa leikata toisiaan Joissain standardeissa edellytetää ään, että havaituista korkeusmallin pisteistä 90 % on mitattu tarkemmin kuin puolet käyrävälistä Esimerkiksi 10 metrin käyriä vastaavien korkeushavaintojen keskihajonnan on oltava alle 3 m (jos havainnot ovat normaalijakautuneita, näytteistä 90 % sisältyy välille ± 1,645 * keskihajonta -> > 3m=5m/1.645)

8 Korkeuskäyrien kartoittamiseen soveltuvan kuvauksen lentokorkeus C-kerroin = kuvauskorkeus jaettuna käyrävälillä kokemusperäinen ja siinä huomioidaan koko kartoitusketjun eli kameran, kuva-aineiston aineiston, kartoituslaitteen ja stereo-operaattorin operaattorin vaikutus korkeushavainnon tarkkuuteen Analogisilla kartoituskojeilla C-kerroin välillä analyyttisillä kartoituskojeilla: digitaaliset stereokartoituskojeet: C-kerroin riippuu digitoinnin pikselikoosta ja vaihtelee käytännössä välillä C-kerroin, esimerkki Mitä käyräväliä voidaan kartoittaa, jos kuvauskorkeus on 1050 m? Esim. c-kerroin c 2000 vastaa noin 1 : 2000 kantakartan kartoituskuvausta Tulos: 1050 m/2000=0.525 m eli voidaan kartoittaa 0.5 m korkeuskäyri yriä

9 Korkeusmalli voidaan nykyään tehdä myös laserkeilaimella H. Hyyppä Perinteisesti korkeusmalli on tehty stereomittauksin, mutta ilmalaserkeilainten suosio on lisää ääntynyt laserkeilain saa jonkun verran havaintoja myös s puiden latvuston alta, jolloin peitteisiltäkin alueilta saadaan maaston korkeusmallia H Maastovirhe (dr) (johdatus ortokuviin) H-dH c r dr R positiivikuva dh dr nadiiri Maastovirhettä kutsutaan virheeksi, mutta virhettä aiheutuu ainoastaan siinä tapauksessa, että kuvaa käytetään karttana. dr dr = maaston korkeuseron aiheuttama säteittäissiirtymä kuvalla dr = maastovirhe dh = kohteen tai maaston poikkeama vertaustasosta H = kuvausetäisyys c = kameravakio r = korkeimman kohdan etäisyys kuvan nadiiripisteestä R = kohteen etäisyys kuvan nadiirisuorasta r

10 Kuvan nadiiripiste projektiokeskuksesta vedetyn luotisuoran ja kuvatason leikkauspiste projektiokeskus projektiokeskus positiivikuva positiivikuva nadiirisuora nadiirisuora pääpiste nadiiripiste pääpiste nadiiripiste Maastovirhe tapahtuu säteittäisesti kuvan nadiiripisteen suhteen (keskusprojektiokuvalla)

11 Maastovirheen laskeminen H H-dH c r dr positiivi -kuva Koska dr ja dr ovat samansuuntaisia, niiden yhteys on suoraan mittakaavassa (c/h): c dr = dr dr = H H c dr Yhtälö on tarkka vain pystykuville ja tasaiselle maastolle R nadiiri dr dh r dr Esim. Otetaan kuva kameralla, jonka kameravakio on 210 mm. Lentokone lentää 1000 m korkeudessa. Kuvalla mitattiin tornin alaosan ja yläosan etäisyydeksi 4 mm. Tuloksena saadaan maastovirheen (dr) suuruudeksi m.

12 Tornin huippu Tornin juuri Kuinka korkea torni oli? Yhdenmuotoisten kolmioiden perusteella muodostetaan kuvasta verrantoja : r c 1) = Rc = r( H dh ) R H dh r dr c 2) = Rc = ( r dr) H R H Yhdistetään: r( H dh ) = ( r dr) H rh rdh = rh drh dh = dr H r Yhtälö on tarkka vain pystykuville ja tasaiselle maastolle nadiiri dr r H H-dH c r dr R positiivi -kuva Esim. Lentokone lentää 1000 m korkeudessa. Kuvalla mitattiin tornin alaosan ja yläosan etäisyydeksi 4 mm. Tornin huipun etäisyys kuvan nadiiripisteestä on 100 mm (kuvan koko 23 cm x 23 cm). Tuloksena saadaan, että tornin korkeus (dh) on 40 m dh dr Käänteisesti: kuinka paljon maaston korkeuserot vaikuttavat kuvalla? Ratkaistaan edellinen yhtälö dr:n suhteen: dr nadiiri r r dh dr = H Yhtälö on tarkka vain pystykuville H H-dH c r dr positiivi -kuva dh Esim. Lentokone lentää 1000 m korkeudessa. Maastossa on 80 m korkea rakennus. Kuvalla rakennuksen huippu näkyy 50 mm päässä nadiiripisteestä. Kuinka pitkältä rakennuksen pystysivu näyttää kuvalla? R dr Rakennuksen pituus alareunasta yläreunaan on kuvalla 4 mm (dr).

13 Kohteen sijainti kuvalla vaikuttaa Samanpituinen kohde maastossa näkyy kuvalla eri pituisena riippuen etäisyydestä nadiiripisteeseen Kallellaan oleva kuva voidaan oikaista pystykuvaksi Mekaanisesti tai laskennallisesti (projektiivinen oikaisu) Oikaisukoje Zeiss SEG-V. Ennen stereokartoitusta ilmakuvauksen kartoitussovellukset perustuivat oikaistujen kuvien käyttöön. Kuvat oikaistaan nadirikuviksi joko tunnetuilla kallistuskulmilla tai neljällä tunnetulla pisteellä. Neljän pisteen menetelmässä kartan oikaisupisteet piirretään projektiotasolle ja kuva vedostetaan pöytää kallistamalla tähän projektioon.

14 Kameran polttovälin vaikutus maastovirheeseen Normaalikulmaisella optiikalla (150 mm) maastovirhe on puolet pienempi kuin laajakulmaoptiikalla (300 mm). Mitä pienempi maastovirhe on sitä vähemmän jää katvealueita, joilta ei voida tehdä mittauksia. Ortokuvat Tehdää ään n kuvasta karttaprojektio ilmakuvat maakuvat (ortokuva( esim. talon julkisivusta) Poistetaan maastovirheen vaikutus pitää tuntea maaston/kohteen korkeusmalli korkeusmallina käytetk ytetään n joko alueelta aiemmin mitattua korkeusmallia tai se tuotetaan samasta kuvauksesta stereokartoituksena Ortokuvaus edellyttää kuvan ulkoisen orientoinnin tuntemista ratkaistaan useimmiten kolmioimalla, jos halutaan tehdä isompi ortokuvamosaiikki

15 Korkeusmalli ja sitä vastaava ortokuva Korkeusmallin ruutukoko on 20 m. Korkeushavaintojen keskivirhe 14 tarkistuspisteeltä laskettuna ± 11,7 m. Korkeusmalli on tehty satelliittikuvaparilta, jonka kuvien erotuskyky on 10 m maastossa. Kuvat on otettu venäläisellä TK-350 kameralla. Oikeanpuoleinen kuva on ortokuva samalta aueelta. Ortokuva on oikaistu KVR-1000 kameralla otetusta kuvasta, jonka erotuskyky on 2 m. ( Ortokuvat Voidaan tehdä analogisilta kuvilta ortoprojektorien avulla (historiallista) Kapea kaistale kerrallaan (differentiaalioikaisu) Tehdää ään n laskennallisesti digitaalisille kuville Pikseli kerrallaan (differentiaalioikaisu) Ortokuvan pistekoko riippuu sen mittakaavasta ja on yleensä joko 10 cm, 20 cm, 50 tai 1 m

16 Ortokuvan valmistus Luodaan säännöllinen ruudukko tietylle mittakaavatasolle Käydään läpi ruudukko yksi alkio kerrallaan Poimitaan korkeusmallista ruudun xy-koordinaatteja vastaava z-arvo Lasketaan tämän 3D pisteen projektio alkuperäiselle kuvalle Poimitaan värisävy kuvalta ja annetaan se ruudun arvoksi Entä, kun ortokuvan valmistuksessa 3D pisteen projektio ei osu keskelle kuvan pikseliä? 3D pisteen projektio ei osu alkuperäisen kuvan pikselin keskelle Bilineaarinen interpolaatio Ortokuvan ruudun keskipisteen projektio kuvalle ei yleensä osu keskelle alkuperäisen kuvan pikseliä. Ortokuvan sävyarvoksi voidaan ottaa lähimmän pikselin sävyarvo, mutta yleensä se lasketaan interpoloimalla useammista lähipisteistä. Bilineaarisessa interpoloinnissa sävyarvo lasketaan neljän pisteen naapurustosta.

17 Ortokuvan ja ilmakuvan ero Maanpintaortokuva ilmakuva ortokuva Tosiortokuva Tavallinen eli maanpintaortokuva tehdään pelkän maanpinnan korkeusmallin mukaan (rakennusten korkeudet eivät ole mukana) ( MIT Digital Orthophoto Browser) ( MIT Digital Orthophoto Browser) Ilmakuvan keskiosasta tehty maanpintaortokuva Ilmakuvan reunaosasta tehty maanpintaortokuva

18 Tosiortokuva ottaa huomioon myös rakennusten korkeudet SitoOy SitoOy Maanpintaortokuva Tosiortokuva Lähde: Ortokuvan etuja ja haittoja Ortokuvan etuna karttaan verrattuna on sen tulkitsemattomuus Ortokuva on yksityiskohtaisempi kuin kartta Ortokuvan päälle piirretyt 2D vektorit osuvat oikeille kohdin Orto-oikaisu oikaisu kuitenkin heikentää kuvan laatua verrattuna alkuperäiseen ilmakuvaan

19 Ortokuvakartoitusprosessi Ortokuvakartoitus Ortokuvilta voidaan tehdä kartoitusta, mutta alue on pitänyt kerran stereokartoittaa (tai laserkeilata), jotta ortokuva voidaan muodostaa Ortokuvakartoituksen tarkkuus on huonompi kuin stereokartoituksella Karttojen ajantasaistus

20 Stereo-ortokuva Jos käytetään vain maanpinnan korkeusmallia ortokuvan tekemiseen, voidaan stereokuvaparista tehtyjä kuvia katsella stereona. Tällöin maanpinta näyttää aivan tasaiselta (jos ei ole virheitä), mutta pinnan yläpuolella olevat kohteet näkyvät stereona. Ortokuvia Espoon kaupungin karttapalvelin kartat.espoo.fi Vantaan kaupungin mittausosasto kartta.vantaa.fi