Kansallinen maastotietokanta. KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys MMStuotantoprosessista

Transkriptio

1 Kansallinen maastotietokanta KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys MMStuotantoprosessista

2 Projektin selvitys 1 Sisältö 1 YLEISTÄ YLEISKUVAUS MMS-TUOTANTOPROSESSISTA SUUNNITTELU Yleinen suunnittelu ja päätös mittausmenetelmästä Toiminnan turvallisuus Mittaussuunnitelma MITTAUS AINEISTON KÄSITTELY LÄHTEET... 6

3 Projektin selvitys 2 1 Yleistä Tämä selvitys on osa Kansallinen Maastotietokanta-ohjelmaan (KMTK) kuuluvaa KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektia. Selvityksessä on muodostettu yleiskuva maastotiedon tuotannosta maanpäällisillä (terrestriaalisilla) mobiilikartoitusjärjestelmillä (MMS, Mobile Mapping System). Tässä selvityksessä tuotantoprosessin yleiskuvaus kattaa prosessin vaiheet suunnittelusta mitattujen aineistojen prosessointiin pistepilviksi. Lopputuotteiden jatkokäsittelyä pistepilviaineistosta vektoroiduksi 3D - 2D maastotietotuotteiksi käsitellään toisessa selvityksessä. Projektin aikaisemmassa selvityksessä Selvitys mobiilikartoituslaitteistosta ja menetelmistä on tarkempi kuvaus, mistä MMS:t koostuu ja minkälaisia mittauksia niillä voidaan suorittaa ( Selvityksessä on pyritty antamaan tiivis yleiskuva MMS-tuotantoprosessista, sillä toiminta on usein tapauskohtaista ja käytettävästä laitteistosta riippuvia. Selvityksen pääpaino on mobiililaserkeilausjärjestelmissä. Tarkoitus selvityksessä on etenkin kiinnittää huomioita asioihin, jotka vaikuttavat lopputuotteiden geometriseen tarkkuuteen ja luotettavuuteen ja aineiston käytettävyyteen. Tässä selvityksessä mobiilikartoitusjärjestelmästä käytetään termiä MMS (Mobile Mapping System) ja keskiössä on maanpinnalla toimivat järjestelmät. Projektin selvityksessä RPAS-tuotantoprosessi keskitytään ilmassa toimiviin miehittämättömiin ilma-aluksiin, jotka voidaan myös lukea mobiilikartoitusjärjestelmiksi. Laserkeilainten etuna on tarkka etäisyysmittaus, aineiston tiheys, sekä laserin hyvä kasvillisuuden läpäisykyky. Lisäksi mobiililaserkeilauksella pystytään tuottamaan nopeasti laajalta alueelta pistepilviaineistoa. Monessa tapauksessa maanpinnalta suoritettavat mittaukset antavat oleellista tietoa, esimerkiksi rakennusten julkisivuista, jota ei voida ilmasta tehtäviltä mittauksilla yhtä tarkasti saada. Laserkeilauksen etuna on myös sen riippumattomuus valaistusolosuhteista (ei tarvitse auringonvaloa eikä varjot haittaa), muuta kuin siinä tapauksessa, että aineiston keruun yhteydessä halutaan kerätä myös kuva-aineistoa kameroilla. Kommentit ja kyselyt selvitykseen liittyen KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektin projektipäällikölle: Olli Nevalainen (olli.nevalainen@maanmittauslaitos.fi) 2 Yleiskuvaus MMS-tuotantoprosessista MMS-tuotantoprosessi on jaettu karkeasti kolmeen vaiheeseen, jotka ovat suunnittelu-, mittaus- ja aineiston käsittelyvaihe. Suunnitteluvaiheessa keskitytään päättämään, onko MMS-pohjainen kartoitus kyseisellä kohdealueella ja halutuilla lopputuotteille sopiva mittausmenetelmä, selvittämään aluetta koskevat toimintarajoitukset ja laatimaan mittaussuunnitelma kyseiselle alueelle. Mittausvaiheessa päätehtäviä ovat itse laserkeilausmittauksen suorittaminen, sekä mahdollisen maastotuen mittaus. Aineistonkäsittelyvaiheessa keskitytään tuotetun mittausaineiston prosessointiin halutuiksi lopputuotteiksi, sekä lopputuotteiden laadun varmistamiseen. 2.1 Suunnittelu Seuraavissa kappaleissa esitettyjä suunnitteluvaiheen asioita ei lähes koskaan pystytä suunnittelemaan selkeässä vakiojärjestyksessä, sillä suunnitteluvaiheen asiat vaikuttavat paljon toisiinsa Yleinen suunnittelu ja päätös mittausmenetelmästä Yleiseen suunnitteluun kuuluu oleellisesti päätös käytettävästä mittausmenetelmästä ja päätös siitä, lähdetäänkö kyseessä oleva mittaus suorittamaan mobiilikartoitusjärjestelmää käyttäen. Mittausmenetelmän valinta määräytyy kartoitettavan alueen ja kartoitettavien kohteiden perusteella, sekä lopputuotteiden tarkkuusvaatimusten perusteella. Mittausmenetelmän valinta on aina tapauskohtaista.

4 Projektin selvitys 3 Mittausmenetelmän valintaan vaikuttavia asioista on useita ja kaiken kattavaa listausta ei ole tässä pyritty tekemään, mutta oleellisia kysymyksiä ja harkittavia asioita on listattu alla olevassa taulukossa (Taulukko 1). Kun eri toimintaan vaikuttavat tekijät on tunnistettu ja MMS-menetelmä on tunnistettu kannattavaksi tuotantotavaksi, voidaan siirtyä seuraaviin vaiheisiin. Taulukko 1 Mittausmentelmään vaikuttavia asioita Vaikuttava tekijä Kohdetyypit ja niiden lukumäärä Tarkempi kuvaus MMS-mittauksen etuna on, että sillä pystytään tuottamaan maastoresoluutioltaan tarkkaa ja tiheää pistepilviaineistoa. MMS:n edut nousevat etenkin esille, kun kartoitetaan kohteita, jotka eivät näy ollenkaan tai hyvin ilmasta tehtävillä mittausmenetelmillä (esim. julkisivut, pylväät ja muut vertikaaliset kohteet), sijaitsevat tieympäristön läheisyydessä tai joiden mittaamisessa korkeustiedon tarkkuus on tärkeä. Pelkästään muutaman kohteen mittaaminen ei ole järkevää MMS-menetelmää käyttäen. Kohteiden tyypit ja niiden sijainti kohdealueella täytyy huomioida mittausmenetelmän valinnassa. Jos MMS-mittaus suoritetaan maanpinnalta, katveita saattaa syntyä paljon erilaisten esteiden takia (esimerkiksi suljetut sisäpihat). MMSaineisto on erityisen hyödyllinen, kun se yhdistetään ilmasta kerättyyn ja tuotettuun pistepilviaineistoon. Tarkkuus- ja muut vaatimukset lopputuotteille: - Kuinka tarkkaa ja luotettavaa loppuaineiston täytyy olla? Muut mahdolliset mittausmenetelmät tai olemassa oleva mittausaineisto MMS-mittauksen pistepilven tiheyteen vaikuttaa laserkeilaimen keilaustiheys, sekä kulkuneuvon liikenopeus. Aineiston tarkkuuteen vaikuttavista asioista lisää Mittaussuunnitelma - osiossa. Yleisimmistä laserkeilaimista saadaan suoraan intensiteettitieto mukaan pistepilviin ( mustavalko pistepilvi). Jos halutaan, että pistepilvestä muodostetaan RGB-pistepilvi, täytyy käytettävässä järjestelmässä oltava kamerat mukana tuottamaan väritietoa. Suunnittelussa on syytä huomioida alueelta jo olemassa olevat mittausaineistot tai mahdolliset muut alueella suoritettavat mittaukset. MMS-aineistoa voidaan yhdistää esimerkiksi jo olevaan ilmalaserkeilaus- tai RPAS-aineistoon. Maanpäälliset rajoittavat tekijät Jos mittaus suoritetaan ajoneuvosta tavallisen liikenteen seassa, täytyy suunnittelussa huomioida alueella vallitsevat nopeusrajoitukset tai muut huomioitavat esteet (esimerkiksi portit tai suljetut tiet).

5 Projektin selvitys 4 Käytössä oleva laitteisto Mittausajankohta Tässä on oleellista miettiä, mahdollistaako käytössä oleva laitteisto ja sensorit sellaisen aineiston keräämisen, joka täyttää lopputuotteiden vaatimukset (keilaustiheys, mittausetäisyys, järjestelmän paikannustarkkuus). Laserkeilaus ei ole riippuvainen auringon valosta, joten laserkeilaus voidaan suorittaa myös pimeällä. Jos kuitenkin aineistosta halutaan kerätä kuva-aineistoa esimerkiksi RGBtiedon muodostamiseksi pistepilveen, täytyy mittausajankohta ajoittaa, niin että valoa riittää tarpeeksi laadukkaan kuvaaineiston tuottamiseksi. Kasvillisuus, etenkin teiden varsilla, voi muodostaa paljon katveita mittauksille, joten useimmiten mittaukset on parasta suorittaa lehdettömänä vuodenaikana. Säätila asettaa rajoituksia, kuten yleensäkin optisten mittalaitteiden tapauksessa. Optiikoihin kertyvä ja ilmassa satava tai pöllyävä vesi heikentää mittauksen tarkkuutta. Etenkin pidemmillä aallonpituuksilla (infrapuna-alueella) vesi absorboi lasersignaalia voimakkaasti, jolloin mittausetäisyys märkiin pintoihin kärsii. Useimmat järjestelmät toimivat myös 5-10 pakkasasteessa Toiminnan turvallisuus Liikennevirasto edellyttää yleisellä tiellä tehtävään työhön ja työn johtamiseen osallistuvalta henkilöltä pätevyysvaatimukset, jotka kyseinen henkilö täyttää Tieturva-koulutuksen käytyään. Lisätietolähteet: Mittaussuunnitelma Mittaussuunnitelma täytyy laatia siten, että kerätty aineisto mahdollistaa halutun tarkkuuden ja luotettavuuden lopputuotteille Mobiililaserkeilaus ja aineiston tarkkuuteen ja tiheyteen vaikuttavat tekijät Laserkeilaus ja siitä muodostettavan pistepilven muodostaminen perustuu miljooniin yksittäisiin pistemäisiin etäisyysmittauksiin ja kyseisten etäisyysmittauksien suunnan määrittämiseen. Laserkeilainten etäisyysmittaus perustuu yksittäisen laserpulssin lentoajan mittaamiseen tai jatkuvan lasersäteen vaihe-eron määrittämiseen (Wehr & Lohr, 1999). Etäisyysmittauksen suunta saadaan määrittämällä keilaimen pyörittimien asento yksittäisen etäisyysmittauksen ajanhetkellä. Kun nämä tiedetään, voidaan määrittää mitatun pisteen kolmiulotteinen sijainti laserkeilaimen sijaintiin nähden. Mobiililaserkeilauksessa myös laserkeilaimen sijainti muuttuu ajansuhteen, joten jokaisen etäisyysmittauksen ajanhetkellä täytyy myös tietää laserkeilaimen sijainti (trajektorin/liikeradan määrittäminen). Laserkeilauksessa keilaimen sijainnin määrityksen tarkkuus vaikuttaa suoraan pistepilven tarkkuuteen, mistä johtuen mobiililaserkeilaus järjestelmät, sekä maanpinnalla että ilmassa toimivat, vaativat tarkan tiedon

6 Projektin selvitys 5 laserkeilaimen sijainnista jokaisen mittauksen ajanhetkellä. Laserkeilaimen sijainti ja suunta määritetään yhdistämällä satelliittipaikannus (GNSS, Global navigation satellite system) ja inertiamittaus (IMU, inertial measurement unit). Näiden avulla pystytään määrittämään laitteelle trajektori, joka yhdistämällä laserkeilaimen etäisyysmittauksiin muodostavat pistepilven. Pistepilven tiheys riippuu laserkeilaimen keilaustaajuudesta, kulkuneuvon liikenopeudesta ja -radasta ja kohteen etäisyydestä laserkeilaimeen. Laserkeilausaineisto on siis tiheämpää laserkeilaimen läheisyydessä. Pistetiheyteen vaikuttaa myös liikeratojen (ajolinjojen) kattavuus ja tiheys mittausalueella. Kaupunkikanjonit (korkeiden rakennusten ympäröimä tie), tienvarren korkea puusto ja tunnelit sekä alikulut heikentävät satelliittipaikannuksen tarkkuutta. Paikannusteknologiat kuitenkin kehittyvät jatkuvasti ja uusimmissa laitteistoissa ja ohjelmistoissa tarkka paikannus haastavissakin olosuhteissa on mahdollista. Jälkilaskentaohjelmistoissa on nykyään yleensä myös mahdollista käyttää maastotukea, esimerkiksi signaloituja pistepilvestä tunnistettavia tukipisteitä, tarkentamaan MMS-aineistoa Mittausreitti Etenkin ajoneuvolla suoritettavan mobiililaserkeilauksen tapauksessa, mittausreitin suunnittelu on tärkeää. Mittausreitti täytyy määrittää siten, että se kattaa mahdollisimman hyvin mittausalueen ottaen huomioon laserkeilaimien ja mahdollisesti käyttävien kameroiden mittausgeometrian. Reitti täytyy myös suunnitella käytettävällä laitteistolle sopivaksi. Reittisuunnittelussa on tärkeää pyrkiä huomioimaan, ettei merkittäviä katveita synny alueelle, jossa on mittaukselle tärkeitä kohteita. Pistepilven tiheyteen voidaan esimerkiksi vaikuttaa ajamalla sama tie kumpaakin suuntaan. 2.2 Mittaus Mittaus tulee suorittaa mahdollisimman tarkasti suunnitellun reitin mukaan, joskin esimerkiksi tilapäiset liikenne-esteet voivat pakottaa tekemään nopeitakin muutoksia. Tällöin kartoittamatta jääneet alueet käydään täydentämässä myöhemmin tai toista kautta. Mittauksen aikana täytyy seurata: sijainnin määrityksen tarkkuutta ja luotettavuutta (paikannussatelliittien näkyvyys) datan tallennuksen toimivuus laitteiden akkujen tila Itse laserkeilausmittausten lisäksi voidaan tarvita maastotukipisteiden mittaus. Maastotukipisteiden avulla voidaan varmistaa ja tarvittaessa parantaa pistepilviaineiston geometrista laatua. Maastotukipisteiden koordinaatit mitataan maastossa tarkalla mittalaitteella, kuten takymetrilla tai tarkkavaaituksella. Laserkeilausjärjestelmän navigointilaitteiston tuottaman sijainti- ja asentotiedon perusteella pistepilven georeferointi onnnistuu parhaimmillaan senttiluokan tarkkuudella. Yleisesti kartoitusmittauksissa käytetyllä RTKsatelliittipaikannuksella (real-time kinematic, reaaliaikainen kinemaattinen mittaus) päästään noin 3 cm taso- ja 4 cm korkeustarkkuuksiin, joten varsinaiseksi referenssiaineistoksi RTK:lla mitatut kohteet eivät sovellu, mutta niiden avulla voidaan varmistaa, ettei pistepilviaineistossa ole karkeita sijaintivirheitä. Nykyaikaiset laserkeilausjärjestelmät pystyvät tuottamaan tiheää pistepilveä normaaleilla ajonopeuksilla, joten yleensä ei tarvita erityisiä liikennejärjestelyjä. Jos kartoitustehtävän suorittamiseksi ei tarvita kuva-aineistoa, voidaan mittausajo suorittaa öiseen aikaan, jolloin työ voidaan suorittaa muuta liikennettä ja muun liikenteen häiritsemättä. Mittausajoneuvon merkinnässä ja varoitusvalojen käytössä on noudatettava Liikenneviraston ohjeistusta. 2.3 Aineiston käsittely

7 Projektin selvitys 6 Kerätyn navigointi- ja pistepilviaineiston jälkilaskennan suorittaa yleensä aineiston kerännyt taho kunkin laitevalmistajan omilla ohjelmistoilla. Jälkilaskennassa määritetään järjestelmän trajektori käyttämällä joko omaa GNSS-tukiasemaa tai VRS-verkosta saatavaa tukiasematietoa sekä laitteiston tallentamia GNSS- ja IMUhavaintoja. Tarvittavien tukiasemien sijainti ja lukumäärä riippuvat mittauskohteen koosta ja muodosta. Kun trajektori on laskettu ja tunnetaan mittaussensoreiden keskinäinen orientointi, voidaan laserkeilaimien keräämä pistepilviaineisto georeferoida, jolloin jokaiselle laserpisteellä saadaan 3D-koordinaatit halutussa koordinaattijärjestelmässä. Jos järjestelmällä on kerätty kuva-aineistoa, voidaan myös kullekin pisteelle määrittää väriarvo tässä jälkilaskennan vaiheessa. Jos aineistossa on päällekkäisiä kohtia (edestakaisin ajetut tai risteävät kohdat), voidaan eri ajankohtana kerättyjen aineistojen erot määrittää ja tarvittaessa sovittaa yhteen. Jos käytettävissä on maastotukea, voidaan määrittää pistepilven ero maastotukipisteeseen ja korjata trajektoria mitatun eron verran, jonka jälkeen pistepilvi lasketaan uudelleen korjattua trajektoria käyttäen. 3 Lähteet Wehr, A. and Lohr, U., Airborne laser scanning an introduction and overview. ISPRS Journal of photogrammetry and remote sensing, 54(2), pp