Kansallinen maastotietokanta. KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys RPASlentotyötoiminnan

Transkriptio

1 Kansallinen maastotietokanta KMTK Kuntien tuotantoprosessit: Selvitys RPASlentotyötoiminnan tuotantoprosessista

2 Projektin selvitys 1 Sisältö 1 JOHDANTO LYHENTEISTÄ JA TERMEISTÄ YLEISKUVAUS RPAS-TUOTANTOPROSESSISTA SUUNNITTELU Yleinen suunnittelu ja päätös tiedonkeruumenetelmästä Luvat, määräykset ja riski- ja turvallisuusarvio Mittaussuunnitelma TIEDONKERUU AINEISTON KÄSITTELY Ilmakuva-aineiston fotogrammetrinen prosessointi LIITTEET LIITE 1: ESIMERKKI LAUKAAN TARJOUSPYYNNÖN EHDOTTOMISTA VAATIMUKSISTA RPAS-ILMAKUVAUKSELLE KANTAKARTAN TUOTANTOA VARTEN 13

3 Projektin selvitys 2 1 Johdanto Tämä selvitys on osa Kansallinen Maastotietokanta-ohjelmaan (KMTK) kuuluvaa KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektia. Selvityksessä on muodostettu yleiskuva ammattimaisesta maastotiedon tuotannosta tiheästi asutuilla alueilla hyödyntäen miehittämättömiä ilma-aluksia (RPAS). Tässä selvityksessä lentotyötoiminnan tuotantoprosessin yleiskuvaus kattaa prosessin vaiheet suunnittelusta mitattujen aineistojen prosessointiin pistepilviksi, ortokuviksi ja maastomalleiksi. Lopputuotteiden jatkokäsittelyä pistepilvi- ja/tai ortokuva-aineistosta vektoroiduksi 3D ja 2.5D maastotietotuotteiksi käsitellään toisessa selvityksessä. Selvityksessä on pyritty antamaan tiivis yleiskuva ammattimaisesta RPAS-lentotyötoiminnan tuotantoprosessista, sillä toiminta on usein tapauskohtaista ja käytettävästä ilma-aluksesta ja mittausinstrumentista riippuvia. Selvityksen pääpaino on selkeästi RPAS-ilmakuvauksessa, sillä se on tällä hetkellä nopeimmin yleistyvä RPAS-tuotantomenetelmä alhaisten käyttöönottokustannusten takia. Lähiaikoina RPAS-laserkeilaus tulee todennäköisesti yleistymään kyseisten laitteiden halventuessa ja pienentyessä. RPASlaserkeilauksen toimintaperiaatteet ja aineiston prosessointi on käsitelty tässä selvityksessä lyhyemmin, koska mobiililaserkeilausaineistoista kerrotaan tarkemmin MMS-Tuotantoprosessi-selvityksessä. Selvityksessä on tarkoitus nostaa esiin asioita, jotka täytyy huomioida turvallisessa ja laillisessa RPASlentotyötoiminnassa, etenkin tiheästi astutuilla alueilla. Lisäksi tarkoitus on kiinnittää huomioita asioihin, jotka vaikuttavat eniten lopputuotteiden geometriseen ja radiometriseen tarkkuuteen ja luotettavuuteen. Kommentit ja kyselyt selvitykseen liittyen KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektin projektipäällikölle: Olli Nevalainen (olli.nevalainen@maanmittauslaitos.fi) 1.1 Lyhenteistä ja termeistä Miehittämättömistä ilma-aluksista käytetään yleisesti monia eri termejä ja lyhenteitä, kuten UAV (Unmanned Aerial Vehicle), UAS (Unmanned Aerial System), RPAS (Remotely Piloted Aircraft System) tai drone. Eri termeillä tarkoitetaan usein samaa asiaa, mutta niillä on myös käsitteellisiä eroja: Lyhenne UAV viittaa pelkästään itse lentävään laitteeseen Lyhenteellä UAS viitataan itse lentävän laitteen lisäksi myös muuhun mukana olevaan laitteistoon kuten mahdolliseen maa-asemaan ja hyötykuormaan, kuten kameroihin. Lyhenne RPAS täsmentää, että miehittämätön ilma-aluksen ohjauksesta on vastuussa ihminen, vaikka itse lento tapahtuisikin ennalta määrättyä ja ohjelmoitua reittiä pitkin. Kyseessä ei siis ole autonominen miehittämätön ilma-alus, joka tekisi itsenäisesti päätöksiä lentoreitistä. Tässä selvityksessä käytetään termiä RPAS, sillä nykyisen toiminnan, etenkin kartoituksessa taajama-alueilla, täytyy tapahtua kauko-ohjaajan toimesta. Lisäksi tässä selvityksessä käytetään termiä ilma-alus termin lennokki sijaan, koska Liikenteen turvallisuusviraston (Trafi) määräyksessä kauko-ohjattu ilma-alus on määritelty ammatilliseen toimintaan käytettynä RPAS-järjestelmänä, kun taas kauko-ohjattava lennokki on harrastetoiminnassa käytetty termi RPAS-järjestelmälle. Kyseessä voi siis olla sama laite, mutta eri termiä käytetään eri käyttötarkoituksissa. 2 Yleiskuvaus RPAS-tuotantoprosessista RPAS-lentotyötoiminnan tuotantoprosessi on jaettu tässä selvityksessä karkeasti kolmeen vaiheeseen, jotka ovat suunnittelu-, tiedonkeruu- ja aineiston käsittelyvaihe. Suunnitteluvaiheessa keskitytään päättämään, onko RPAS-

4 Projektin selvitys 3 pohjainen tiedonkeruu kyseisellä kohdealueella ja halutuilla lopputuotteille sopiva tiedonkeruumenetelmä, selvittämään aluetta koskevat toimintarajoitukset ja laatimaan lento- ja mittaussuunnitelma kyseiselle alueelle. Tiedonkeruuvaiheessa päätehtäviä ovat maastotuen signalointi ja mittaus, sekä itse mittauslennon suorittaminen. Aineistonkäsittelyvaiheessa keskitytään tuotetun mittausaineiston prosessointiin halutuiksi lopputuotteiksi, sekä lopputuotteiden laadun varmistamiseen. Yleiskuva RPAS-lentotyötoiminnan tuotantoprosessista on esitetty kuvassa Suunnittelu Yleinen suunnittelu ja päätös tiedonkeruumenetelmästä Luvat, määräykset ja riski- ja turvallisuusarvio Kartoitettavan alueen perehtyminen Mittaussuunnitelma 2. Tiedonkeruu Maastotuen mittaus Mittauslennon suoritus 3. Aineiston käsittely Fotogrammetrinen prossessointi Lopputuotteet: Ortokuva, pistepilvi, maastomalli yms. Aineiston laadunvarmistus Aineiston jatkokäsittely (esim. vektorointi) Kuva 1 Yleiskuva RPAS-lentotyötoiminnan tuotantoprosessista 2.1 Suunnittelu Seuraavissa kappaleissa esitettyjä suunnitteluvaiheen asioita ei lähes koskaan pystytä suunnittelemaan selkeässä vakiojärjestyksessä, sillä suunnitteluvaiheen asiat vaikuttavat paljon toisiinsa. Esimerkiksi lentosuunnitelmaa tehdessä saatetaan huomata, että joudutaankin suorittamaan mittauslento, joka vaatii Trafi:lta poikkeuslupaa tai joudutaan lentämään ilmailulta rajoitetulla alueella Yleinen suunnittelu ja päätös tiedonkeruumenetelmästä Yleiseen suunnitteluun kuuluu oleellisesti päätös käytettävästä tiedonkeruumenetelmästä ja päätös siitä, lähdetäänkö kyseessä oleva tiedonkeruu suorittamaan miehittämätöntä ilma-alusta (RPAS) käyttäen. Tiedonkeruumenetelmän valinta määräytyy kartoitettavan alueen ja kartoitettavien kohteiden perusteella, sekä lopputuotteiden tarkkuusvaatimusten perusteella. Tiedonkeruumenetelmän valinta on aina tapauskohtaista. Tiedonkeruumenetelmän 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 RPAS-lentotyö on tunnistettu kannattavaksi tiedonkeruumenetelmäksi, voidaan siirtyä suunnittelun seuraaviin vaiheisiin.

5 Taulukko 1 tiedonkeruumentelmään vaikuttavia asioita Projektin selvitys 4 Vaikuttava tekijä Kartoitettavan alueen pinta-ala Tarkempi kuvaus Nykyisin RPAS-lentotyötoimintaa rajoittaa etenkin se, että toiminta täytyy olla (ilman poikkeuslupia) näköyhteyteen perustuvaa. Tämä tarkoittaa, että kaukoohjaajan täytyy olla jatkuvassa näköyhteydessä ilmaalukseen siten, että ilma-aluksen asento, sijainti ja liikesuunta kyetään hahmottamaan luotettavasti. Lisäksi ilma-aluksen lähi-ilmatila täytyy pystyä huomioimaan lennon aikana. Ilma-aluksen havainnoitavuus riippuu ilma-aluksen koosta ja alueen olosuhteista. Tästä johtuen yhdellä lennolla pystytään maksimissaan kattamaan n. 1 km 2 kokoinen alue kauko-ohjaajasta ja alueesta riippuen. Jos alue on suurempi, voidaan alue kattaa useammalla lennolla. Tarkkuutta vaativa RPAS-ilmakuvaus vaati alueelle myös maastotuen mittaamisen, joten maastotyön määrä lisääntyy kartoitettavan alueen kasvaessa. Myös ilma-aluksen akkujen kesto rajoittaa lentoaikaa oleellisesti ja täten kartoitettavan alueen laajuutta. Kohdetyypit ja niiden lukumäärä RPAS-pohjaisen tiedonkeruun etuna on, että sillä pystytään tuottamaan maastoresoluutioltaan tarkkaa ja tiheää aineistoa. RPAS:lla suoritettavan tiedonkeruun edut nousevat etenkin esille, kun kartoitettavalla alueella on useita mitattavia kohteita. Pelkästään muutaman kohteen tai erittäin pienen alueen mittaaminen ei ole järkevää RPAS-lentotyönä. On myös syytä huomioida kohteiden tyypit ja niiden sijainti kohdealueella. RPAS-tiedonkeruu suoritetaan ilmasta, joten kohteen täytyy olla sellainen, että se voidaan nähdä ilma-aluksesta. Tilanteeseen voidaan vaikuttaa esimerkiksi suorittamalla ilmakuvaus, sekä pysty- että viistokuvauksella tai yhdistämällä aineistoa jollain toisella tiedonkeruumenetelmällä kerättyyn aineistoon. Tarkkuusvaatimukset: - Kuinka tarkkaa ja luotettavaa loppuaineiston täytyy olla? - Ilmakuvauksen ja pistepilvien geometrisistä ja radiometrisistä Aineiston maastoresoluutiota voidaan parantaa lentokorkeutta madaltamalla, mutta tällöin myös pienentyy pinta-ala, joka on mahdollista kattaa yhdellä lennolla.

6 Projektin selvitys 5 tarkkuuksista enemmän KMTKlaatukäsikirjoissa ( Aineiston tarkkuuteen vaikuttavista asioista lisää Mittaussuunnitelma osiossa. Muut mahdolliset tiedonkeruumenetelmät tai olemassa oleva aineisto Suunnittelussa on syytä huomioida alueelta jo olemassa olevat aineistot tai mahdolliset muut alueella suoritettavat kartoitukset. Jos kartoitettavasta alueesta halutaan hyvin tarkkaa tietoa kohteista, jotka näkyvät paremmin maan tasolta, voidaan RPAS-tiedonkeruu suunnitella yhdessä, esimerkiksi maanpinnalta tehtävän mobiililaserkeilauksen kanssa. RPAS-tiedonkeruulla tuotettua aineistoa voidaan myös yhdistää esimerkiksi jo olemassa olevaan ilmalaserkeilausaineistoon tai esimerkiksi tuottaa teksturointi jo olemassa oleville 3D-rakennuksille viistokuvauksella. Ilmatilarajoitukset Maanpäälliset rajoittavat tekijät Käytössä oleva laitteisto Tiedonkeruun ajankohta Alueella sijaitsevat lentokentät, ilmatilarajoitukset ja ilmakuvauskiellot, esimerkiksi Puolustusvoimien puolesta, täytyy huomioida. Nämä saattavat estää toiminnan kokonaan tai vaatia erillisten poikkeuslupien anomista. Lisätietoja seuraavassa kappaleessa. Alueella olevat korkeat rakennukset tai muut lentoesteet (esim. nosturit ja mastot), jotka hankaloittavat toimintaa täytyy huomioida. Lisäksi lentoon lähdölle ja laskeutumiselle ja kauko-ohjaajalle täytyy olla alue, joka mahdollistaa turvallisen toiminnan. Tässä on oleellista miettiä, mahdollistaako käytössä oleva laitteisto ja sensorit sellaisen aineiston keräämisen, joka täyttää lopputuotteiden vaatimukset. Kasvillisuuden lehdet vaikuttavat etenkin puiden alla tai takana olevien kohteiden havaittavuuteen, joten usein tiedonkeruu halutaan suorittaa lehdettömänä vuoden aikana. Esimerkiksi rakennuksen vieressä oleva kasvillisuus vaikuttaa oleellisesti seinän ja kivijalan näkyvyyteen. Joissain tapauksissa aineistosta voidaan erityisesti haluta kuvaukset lehdellisenä aikana esimerkiksi puulajien tunnistamista varten tai aineistoa tuotettaessa markkinointi- tai suunnittelutarkoituksiin.

7 Projektin selvitys 6 Myös kartoitettavan alueen lumi- ja jäätilanne on syytä ottaa huomioon tiedonkeruun ajankohdassa. Lisäksi Suomessa vallitsevat matalat auringon korkeuskulmat saattavat aiheuttaa varjoja, jotka voivat hankaloittaa ilmakuvien tulkintaa. Jos ilmakuvaus suoritetaan aurinkoisena päivänä, kuvauslento kannattaa pyrkiä ajoittamaan keskipäivän tienoille (korkeille auringonkulmille). Myös alkukevään ja loppusyksyn pienentyvät auringonkulmat täytyy huomioida. Varjoisuuden vaikutukseen vaikuttaa oleellisesti käytettävän kamera ja sen dynamiikka. Koska RPAS-lentotyö tapahtuu suhteellisen matalalla (ilman poikkeuslupaa RPAS-lentotyön maksimi lentokorkeus on 150 m), voidaan ilmakuvaus suorittaa myös pilvisellä säällä. Valaistuksen kannalta paras sää ilmakuvaukselle on tasaisen pilvinen taivas (pilvipouta), jolloin kuville ei synny merkittäviä varjoja Luvat, määräykset ja riski- ja turvallisuusarvio Kartoitettavaa aluetta koskevat rajoitukset ja lupatarpeet tunnistetaan usein jo aikaisemmassa yleisen suunnittelun kohdassa. Tässä vaiheessa on tarkoitus anoa tarvittavat luvat ja tiedustella erikseen mahdolliset muut rajoitukset, kuten esimerkiksi Puolustusvoimilta tarvittava ilmakuvauslupa ( Lisäksi mahdolliset tarvittavat ilmatilavaraukset esimerkiksi laitteen lentoonlähtömassasta tai lentokorkeudesta johtuen täytyy tehdä tässä vaiheessa. Tähän kohtaan saatetaan myös palata mittaussuunnitelmasta, jos esimerkiksi lentosuunnitelmassa tai lentolaitteen valinnassa ilmenee asioita, jotka vaativatkin erityisiä lupia tai huomioitavia asioita. Miehittämättömillä ilma-aluksilla toimiminen on ilmailualan sääntelyyn kuuluvaa toimintaa ja sitä sääntelee Suomessa kansallisesti liikenteen turvallisuusvirasto, Trafi ( Lisäksi toimintaan liittyy oleellisesti Finavian ilmailukäsikirja ( jossa on tiedot Suomen lentopaikoista ja lentokieltoalueista. EU-tasoinen määräys miehittämättömään ilmailuun on julkaistu kommentoitavaksi ja sen määräykset on syytä huomioida tulevaisuudessa, kun määräys astuu voimaan ( Taajama-alueilla tapahtuva RPAS-lentotyötoiminta on tiheästi alueella tapahtuvaa toimintaa ja siihen kohdistuu tiukemmat rajoitukset. Näistä Trafi:n määräyksessä olevista asioita on kerrottu enemmän selvityksessä Selvitys Trafi:n määräyksistä ja niiden vaikutus RPAS-toimintaan asutulla alueella ( Jokaista RPAS-lentotyötä varten tiheästi asutulla alueella täytyy laatia tapauskohtainen turvallisuusarvio, jossa tunnistetaan alueelle suunniteltavan lentotyön riskit ja menetelmät niiden minimoimiseksi. Yksityisyyden suojaan ja kotirauhaan liittyvät ongelmat täytyy myös huomioida tässä vaiheessa. Toiminta saattaa esimerkiksi vaatia ilmoituksen alueen asukkaille, jos alueella on yksityisiä aidattuja piha-alueita, joilla yksityisen ihmisen kuvaaminen saattaa rikkoa kotirauhaa.

8 Projektin selvitys 7 Miehittämättömillä ilma-aluksilla toimiminen vaatii vakuutusasetuksen (EY) 785/2004 täyttävän vakuutuksen kolmansien osapuolien vahinkoja varten ( Kyseisiä vakuutuksia on aikaisemmin ollut huonosti tarjolla suomalaisilta (tai Suomessa aktiivisesti toimivilta) vakuutusyhtiöitä, mutta nykyään joitain vaihtoehtoja on jo olemassa. Vakuutusta varten tarvitaan Trafi:lta toimijakohtainen diaarinumero. Lisätietolähteet: Trafi: Finavian Ilmailukäsikirja: Puolustusvoimat: EASA (European Aviation Safety Agency): Mittaussuunnitelma Mittaussuunnitelma täytyy laatia siten, että kerätty aineisto mahdollistaa halutun tarkkuuden ja luotettavuuden lopputuotteille. Aineiston tarkkuuden ja luotettavuuden mittareista löytyy tarkemmin tietoa JHS-suosituksista ( ja KMTK-laatukäsikirjoista ( Tarvittavasta aineistosta riippuen täytyy valita mittaussensori, joka voi olla esimerkiksi kamera, laserkeilain tai molemmat, sekä ilma-alus, joka soveltuu sensorin kantamiseen ja halutun aineiston tuottamiseen. Tässä keskitytään erityisesti RPAS-ilmakuva-aineiston keräämisessä huomioitaviin asioihin, jotta haluttu geometrinen ja radiometrinen tarkkuus saavutetaan Lentosuunnitelma Jo yleisessä suunnitteluvaiheessa tiedetään lopputuotteiden geometriset tarkkuusvaatimukset, joista tärkeimmät ovat taso- ja korkeustarkkuus. Saavutettavaan aineiston geometriseen tarkkuuteen vaikuttaa merkittävimmin kuvien maastoresoluutio (GSD, ground sampling distance). Pystykuvauksessa GSD määräytyy käytettävän kameran polttovälistä, sensorin yksittäisen pikselin koosta ja lentokorkeudesta (etäisyys kohteeseen) seuraavasti: GSD = m s, jossa: lentokorkeus kameran polttoväli s = kameran pikselin koko m (mittakaavaluku) = Tämä on kuitenkin vain teoreettinen arvo GSD:lle ja todelliseen maastoresoluutioon vaikuttaa myös kameran radiometriset ominaisuudet, kameran kallistumat, valaistusolosuhteet maastossa ja optiikan ja sensorin vääristymät ja virheet. GSD:stä oleellinen huomioitava asia on lentokorkeuden suoravaikutus GSD:n suuruuteen. Tästä johtuen alueen maanpinnan ja kohteiden korkeuserot vaikuttavat merkittävästi GSD:hen, mistä johtuen saavutettava GSD ei ole aina tasainen koko alueella. Viistokuvauksessa GSD:n suuruus vaihtelee kuvalla, koska kameran etäisyys kohteeseen vaihtelee kuvalla. Pystykuvauksen tapauksessa oletus on, että etäisyys kohteeseen vastaa lentokorkeutta, joka pysyy jotakuinkin samana. Lennon parametrit täytyy suunnitella siten, että saavutettava GSD mahdollistaa halutun taso- ja korkeustarkkuuden. Perussääntönä on mainittu, että GSD:n ollessa alle 5 cm tyypillisesti saavutettava tasotarkkuus on noin 1-2 * GSD ja korkeustarkkuus noin 2-3 * GSD. GSD:n lisäksi ilmakuvauksessa on tärkeää vierekkäisten kuvien pituus- ja sivupeitot (kuvausblokin rakenne). Näillä on suuri merkitys etenkin miehittämättömillä ilma-aluksilla tehtävissä ilmakuvauksissa, koska yksittäisen kuvien kattamat alueet ovat

9 Projektin selvitys 8 pieniä ja laajempien alueiden kuvaus perustuu yksittäisten kuvien mosaikointiin isommiksi kuviksi. Lisäksi kuvanottopaikan paikannus ei ole välttämättä yhtä tarkkaa kuin perinteisessä miehitetystä lentokoneesta tehtävässä ilmakuvauksessa, eivätkä kamerat ole yhtä stabiloituja liikkeen kompensoimiseksi. Lisäksi kuvilta tapahtuva 3D aineiston laskenta (3D rekonstruointi) perustuu siihen, että monen kuvan välille löydetään lukuisia (tuhansista miljooniin) vastinpisteitä, mikä on mahdollista vain suurilla kuvapeitoilla. Kuvapeitot määrittyvät kameran kuvanottovälin, näkökentän (FOV), lentonopeuden ja vierekkäisten lentolinjojen etäisyyden perusteella, mutta satunnaiset kuvaussuunnan poikkeamat aiotusta kuvaussuunnasta vaikuttavat myös kuvapeittoihin. Myös käytettävä prosessointimenetelmä, joka määräytyy käytettävän ohjelmiston mukaan, vaikuttaa aineiston lopullisen tarkkuuteen. Merkittäviä tarkkuuseroja suosituimpien fotogrammetristen ohjelmistojen välillä ei kuitenkaan ole. Lentosuunnitelman laatiminen tapahtuu usein käytössä olevan ilma-aluksen ja siinä käytössä olevan autopilotin valmistajan ohjelmistoilla. Myös aineiston käsittelyyn suunnitellut fotogrammetriset ohjelmistot saattavat tarjota toiminnon lentosuunnitelman laatimista varten. Lentosuunnitelman laatiminen on ohjelmistoissa hyvin automatisoitua. Lähtötietoina voidaan antaa mm. kohdealueen rajaus, käytettävän kameran tiedot, halutut pituus- ja sivupeitot, maastoresoluutio. Näiden avulla ohjelma pystyy suunnittelemaan automaattisesti lentolinjat ja kuvanottopaikat. Etenkin pistepilviä tuotettaessa kannattaa huomioida kuvausalueen reunoilla riittävä stereopeitto siten, että laita-alueilla näkyvien korkeiden kohteiden katveetkin huomioidaan. Lentosuunnitelma ja ilma-alus täytyy valita siten, että toimitaan määräysten mukaan. Sallittu maksimi lentokorkeus ilman poikkeuslupaa on 150 m. Lisäksi tiheästi asutulla alueilla yli 7 kg ilma-alukset tarvitsevat poikkeusluvan. Lentosuunnitelma siirretään ennen lentoa ilma-aluksen autopilotille. Lentosuunnitelmaan kuuluu oleellisesti myös mittausajankohdan valinta. Ajankohdassa huomioitavaa on etenkin auringon korkeuskulma, kasvillisuuden tila, alueen lumisuus ja jäisyys. Auringon korkeuskulma vaikuttaa varjoihin, sekä valon määrään, kasvillisuuden tila maanpinnan näkyvyyteen ja lumisuus ja jäisyys kohteiden erotettavuuteen. Ruska-aikaan kuvaamalla voidaan korostaa lehtipuiden erottumista havupuista. Jos kuvattavat alue joudutaan kuvaamaan useammalla lennolla, on syytä huomioida, että muuttunut auringon kulma ja varjot saattavat hankaloittaa kuvien yhteensovitusta. Valaistuksen kannalta paras sää ilmakuvaukselle on tasaisen pilvinen taivas (pilvipouta), jolloin kuville ei synny merkittäviä varjoja. Jos lopputuotteita, esimerkiksi mesh-mallia varten, tarvitaan myös tarkkaa aineistoa vertikaalisista pinnoista ja kohteista, kuten rakennusten julkisivuista, täytyy tiedonkeruu suorittaa myös viistokuvauksena ja lento pitää suorittaa ristikkäisinä lentojonoina. Huomioitavaa on, että miehittämättömillä ilma-aluksilla pelkillä pystykuvauksillakin voidaan saavuttaa melko viistoja kuvaussuuntia (riippuen tietenkin kameran polttovälistä), mistä johtuen kasvillisuus, esimerkiksi yksittäisen puun osalta, ei välttämättä aiheuta merkittävää katvetta pistepilviaineistossa. Erilaisista ilmakuvausmenetelmistä on kerrottu RPAS-menetelmä -selvityksessä ( pdf) Maastotuki Aineiston absoluuttinen taso- ja korkeustarkkuus määräytyy aineiston muunnoksesta haluttuun koordinaattijärjestelmään (georeferointi), mikä tehdään maastotukipisteiden (GCP, ground control point) avulla. Maastotukipisteiden koordinaatit mitataan maastossa tarkalla mittalaitteella, kuten takymetrilla tai satelliittipaikannusjärjestelmällä. Maastotukipisteiden sijaintimittauksen tarkkuus siten rajoittaa aineiston lopullisen absoluuttisen tarkkuuden kohdekoordinaattijärjestelmässä. Yleisesti käytetyllä RTKsatelliittipaikannuksella (real-time kinematic, reaaliaikainen kinemaattinen mittaus) päästään noin 3 cm taso- ja 4 cm korkeustarkkuuksiin. Georeferoinnissa voidaan myös hyödyntää tarkkaa ilma-aluksen sijainnin määritystä satelliittipaikannusta ja inertiasensoreita hyödyntäen.

10 Projektin selvitys Sensori KAMERA Jos tiedonkeruu suoritetaan ilmakuvauksena, tärkein mittalaite on kamera ja sen valinta täytyy tehdä huolella. Kameran tärkeimpiä ominaisuuksia ilmakuvausta varten on: Geometria: o Kennon koko: pikselien määrä yksittäisen pikselin fyysinen koko (suurempi pikseli kerää enemmän valoa) o Polttoväli ja FOV (Field-of-View): suuremmalla polttovälillä suurempi GSD, mutta pienempi kuva-ala yksittäisellä kuvalla suuremmalla polttovälillä voidaan saada pystykuvauksessakin viistoja kuvakulmia kuvan reunalla oleviin kohteisiin o Objektiivin laatu (vääristymät optiikassa) o Kameran stabiilius (kalibroinnin pysyvyys) Radiometria (vaikuttaa etenkin varjossa olevien kohteiden erotettavuuteen): o Pikselisyvyys (bittisyys) o Sensorin herkkyys ja kohina Kuvaformaatti ja kuvan tallennusnopeus (vaikuttaa mahdolliseen kuvanottoväliin) Sulkimen tyyppi (global, rolling): o Sulkimen tyyppi on tärkeä huomioida kun kuvaus tehdään liikkuvasta järjestelmästä. Global shutter on parempi, mutta myös kalliimpi. Aiheesta lisää Selvitys RPAS-laitteistoista ja menetelmistä ( ys_rpas_menetelmist%c3%a4_v1.pdf). Paino: o painava kamera tarvitsee järeämmän lentolaitteen, jolloin kokonaislentoonlähtömassa saattaa kasvaa yli 7 kg Ilmakuvaukseen liittyviä kameroiden geometrisista ja radiometrisista laatutekijöistä on kerrottu tarkemmin Ilmaja ortokuvien laatukäsikirjassa ( Tämän selvityksen liitteenä on myös esimerkki projektissa hankitun RPAS-ilmakuvauksen ehdottomista vaatimuksista toimijalle, missä on mm. lueteltu radiometrisia ja geometrisia laatuvaatimuksia LASERKEILAIN RPAS-laitteisiin soveltuvat laserkeilaimet kehittyvät myös jatkuvasti ja niiden määrä tulee kasvamaan. Laserkeilainten etuna on etenkin tarkka etäisyysmittaus, sekä laserin läpäisykyky. RPAS-laserkeilauksen toimintaperiaatteet vastaavat mobiililaserkeilausjärjestelmiä, josta on kerrottu tarkemmin selvityksessä Selvitys mobiilikartoituotantoprosessista. Laserkeilauksessa sensorin sijainnin määrityksen tarkkuus korostuu. Tästä johtuen mobiililaserkeilaus järjestelmät vaativat tarkan tiedon laserkeilaimen sijainnista ja suuntauksesta jokaisen mittauksen ajanhetkellä. Laserkeilaimen sijainti ja suunta määritetään yleensä yhdistämällä satelliittipaikannus (GNSS) ja inertiamittaus (IMU, inertial measurement unit). Näiden avulla pystytään määrittämään laitteelle trajektori (eli liikerata), joka yhdistämällä laserkeilaimen mittauksiin muodostavat pistepilven. Pistepilven tarkkuus on siis riippuvainen laitteen sijainnin määrityksen tarkkuudesta. Pistepilven tiheys riippuu laserkeilaimen keilaustaajuudesta, lentonopeudesta ja lentolinjojen tiheydestä. RPAS-

11 Projektin selvitys 10 laserkeilain järjestelmissä on usein mukana myös kamerajärjestelmät, joilla voidaan integroida laserkeilaimen muodostama pistepilvi kameroiden väritietoon ja näin muodostaa värillinen (RGB) pistepilvi. Laserkeilain järjestelmä ja IMU ovat painavampi sensoriyhdistelmä kuin pelkkä kamera, mistä syystä RPASlaserkeilausjärjestelmät ovat usein huomattavasti painavampia kuin RPAS-kamerajärjestelmät. Nykyisten kaupallisten RPAS-laserkeilausjärjestelmien lentoonlähtömassa on yli 7 kg, mistä johtuen RPAS-laserkeilaus vaatii poikkeusluvan anomista Trafilta tiheästi asutuilla alueilla toimittaessa (taajamissa). Suuremmat RPAS-laserkeilain järjestelmät saattavat myös vaatia erillisen kouluttautumisen. Laserkeilauksen etuna on se, että se ei ole riippuvainen valaistusolosuhteista (ei tarvitse auringonvaloa, eikä varjot haittaa), muuta kuin siinä tapauksessa, että aineiston keruun yhteydessä halutaan kerätä myös RGB-kuvaaineistoa kameroilla Ilma-aluksista Yleisimmät miehittämättömät ilma-alustyypit ovat multiroottori ja kiinteä siipinen ilma-alus. Käytettävä ilmaalus täytyy olla mittaustilanteeseen sopiva. Multiroottori ja kiinteäsiipisen ilma-alus eroavat yleensä niiden mahdollistamissa lentonopeuksissa ja lentoon lähdössä ja laskeutumisessa. Multiroottorit pystyvät lentämään hitaammin, mikä mahdollistaa tiheämmän kuvanottovälin ja suuremmat kuvapeitot, mikä taas mahdollistaa tarkemman blokkitasoituksen ja 3D-aineiston muodostamisen. Multiroottorit eivät myöskään tarvitse yhtä paljon tilaa lentoon lähtöön ja laskeutumiseen, mikä mahdollistaa toiminnan alueilla, joissa tila on rajoitettu, kuten kaupungeissa. Hitaampi lentonopeus mahdollistaa myös enemmän aikaa ohjaajalle reagoida mahdollisiin vaaratilanteisiin tai muihin muuttuviin olosuhteisiin. Kiinteäsiipisten etuna on niiden nopeampi lentonopeus, joka mahdollistaa laajemman pinta-alan kattamisen samalla lennolla tai tiheämmän lentokuvion. Miehittämättömien ilma-alusten osalta tapahtuu jatkuvaa kehitystä ja ilma-aluksia, jotka yhdistävät sekä multiroottorin ja kiinteäsiipisen hyvät ominaisuudet. 2.2 Tiedonkeruu Vaikka mittaussuunnitelma olisi tehty huolellisesti, niin usein paikan päällä on syytä varautua muuttuviin tilanteisiin. Lopullinen päätös lennon suorittamisesta tehdään paikan päällä. Tärkeintä tiedonkeruutilanteessa on turvallisen toiminnan takaaminen ja selkeä toimintamalli virheiden ja riskien minimoimiseksi. Paikan päällä suoritettaviin toimenpiteisiin ennen lentoa kuuluvat: Lähtöpaikan lopullinen päättäminen Maastotukipisteistön luominen ja mittaaminen Laitteiden mittauskuntoon laittaminen ja tarkastus (mm. lentosuunnitelman määrittäminen ilmaalukseen) Kun kaikki on valmista lennolle, voidaan suorittaa lento. Lennon vaiheita ovat muun muassa: Jatkuva ilma-aluksen ja ilmatilan seuraaminen (mm. visuaalinen havainnointi, telemetriatiedot, akkuvaraukset) Nousu lentokorkeuteen Lentosuunnitelman toteutus, jos paikannus ja laite kunnossa Laskeutuminen Käytännössä nousun ja laskeutumisen voi suorittaa automaattisesti tai manuaalisesti. Usein manuaalinen nousu ja laskeutuminen ovat välttämättömiä, etenkin jos maanpinnalla satelliittipaikannuksen tarkkuus ei ole riittävän hyvä. Itse lentosuunnitelman lentolinjat ja lennon tiedonkeruuosuus toteutetaan autopilotilla satelliittipaikannusta hyödyntäen.

12 Projektin selvitys 11 Lennon jälkeen on syytä tarkistaa, ovatko laitteet toimineet oikein ja kerätty aineisto tallentunut oikein. Aineiston laatu on myös hyvä tarkistaa karkeasti tässä vaiheessa. Jos aineisto ei näytä laatuvaatimukset täyttävältä, on syytä tehdä mahdolliset muutokset, esimerkiksi kameran kuvausparametreihin, ja suorittaa uusi lento. Kun lento ja tiedonkeruu on suoritettu hyväksyttävästi, voidaan siirtyä seuraavan lennon toteutukseen, jos sellainen ollaan toteuttamassa. Lopuksi voidaan myös suorittaa maastotukipisteiden poistaminen ja tarkastus, jos tarpeen. 2.3 Aineiston käsittely Ilmakuva-aineiston fotogrammetrinen prosessointi Nykyiset fotogrammetriset ohjelmat ovat yhdistelmä perinteistä fotogrammetriaa ja konenäköä. Tiheiden ja tarkkojen 3D-aineistojen tuottamisen 2D-kuva-aineistosta on mahdollistanut suuri laskentatehon ja - menetelmien kehitys, jolla on voitu automatisoida etenkin vastinpisteiden löytäminen kuvien välille. Nykyiset fotogrammetriset ohjelmistot ovat hyvin automatisoituja. Käyttäjän tärkeimpänä tehtävänä on antaa ohjelmalle kuva-aineistot ja mahdollisia muita lähtöaineistoja, valita aineistolle ja halutuille lopputuotteille sopivat parametrit prosessointiin, osoittaa maastotuki, varmistaa prosessoinnin onnistuminen ja tarkastaa aineiston tarkkuus. Prosessointia varten valittavat parametrit ovat ohjelmakohtaisia, mutta suurin osa niistä keskittyy optimoimaan prosessoinnin kyseiselle kuva-aineistolla sopivaksi, nopeuttamaan prosessointia, tihentämään 3D pisteiden laskentaa tai asettamaan tiettyjä toleransseja hyväksyttävien 3D pisteiden laadulle. Ohjelmalle annettavasta kuva-aineistosta on syytä jättää pois turhat ja huonot kuvat, esimerkiksi kuvat kopterin ollessa maassa, nousussa tai laskeutuessa. Kuvien lisäksi lähtötietoina voidaan antaa alustavat orientointitiedot (kameran sijainti (X,Y,Z) ja suunta (kierrot koordinaattiakselien suhteen)) kuville, jotka voidaan saada satelliittipaikannuksen ja inertia-antureiden avulla. Sen jälkeen kun kuvat on annettu ohjelmalle, tehdään usein maastotukipisteiden ja mahdollisten tarkistuspisteiden osoitus kuvilta. Kun nämä on luotettavasti tehty, voidaan aloittaa aineiston 3D-rekonstruointi, jonka vaiheita on yleisesti: 1. Piirteiden irrotus kuvilta ja niiden yhteensovitus 2. Kameroiden alustavien orientointitietojen ratkaisu ja harvan pistepilven laskenta (SfM, Structure-frommotion) 3. Blokkitasoitus (orientointitietojen ja 3D pisteiden tarkennus) 4. Tiheän pistepilven laskenta (tiheä kuvasovitus (Dense Image Matching)) 5. Muiden lopputuotteiden muodostaminen (pistepilvi on jo laskettu): Pintamalli Ortomosaiikki Mesh-malli Prosessoinnin lopputuloksena saadaan myös kameran kalibrointitiedot, kuvien orientointitiedot ja raportit laskennan tarkkuusarviosta. Maastotukipisteet antavat tietoa prosessoinnin ja georeferoinnin onnistumisesta ja tämän avulla voidaan huomata usein mahdollisesti karkeat virheet. Lopputuotteiden lopullinen geometrinen tarkkuus saadaan tarkistuspisteiden avulla. Tarkistuspisteitä ei käytetä aineiston prosessoinnissa vaan pelkästään lopputuotteiden geometrisen tarkkuuden arviointiin. Aineiston fotogrammetrisessa prosessoinnissa on syytä huomioida tarkkaan prosessoinnille valittavat parametrit ja olla selvillä, miten ne vaikuttavat lopputuotteisiin. Nämä ovat hyvin ohjelma- ja laskentamenetelmäkohtaisia, joten niistä ei pystytä tässä selvityksessä antamaan kaiken kattavaa listausta. Joskus aineisto täytyy prosessoida uudestaan, jotta optimaalisemmat parametrit löydetään.

13 Projektin selvitys 12 Esimerkkinä voidaan mainita syvyyssuodatus (depth filtering), jolla pyritään pistepilven muodostamisessa suodattamaan syvyyssuunnassa epävarmempia pisteitä pois. Jos aineisto on kerätty pelkällä pystykuvauksella ja käytetään voimakasta syvyyssuodatusta, tasaiset horisontaaliset pinnat pysyvät pistepilvissäkin hyvin tasaisina ja kohinattomina, mutta samalla saatetaan kadottaa paljon pisteitä vertikaalisista kohteista, kuten pylväistä ja puista. Parametrit tulisi siis valita aineiston käyttötarkoitukseen sopivaksi Loppuotteiden jatkokäytöstä ja käsittelystä Fotogrammetrisesta ohjelmasta lopputuotteet voidaan viedä eteenpäin muihin ohjelmiin, jotka soveltuvat paremmin pistepilvien käsittelyyn ja analysointiin. Aineistojen vektorointia 3D, 2.5D ja 2D maastotietokohteiksi käsitellään toisessa selvityksessä. Lopputuotteena saatavat värilliset pistepilvet ja mesh-mallit (värilliset kolmiomallit) sopivat myös itse vektoroitavien maastotietojen ja 3D-kaupunkimallien lisäksi myös käytettäväksi mm. kaupunkisuunnittelun tarpeisiin, sekä kaupungin 3D-visualisointeihin ja markkinointiin (esimerkiksi Helsingin 3D mesh-malli: Viistokuvauksella saatavaa kuva-aineistoa pystytään myös hyödyntämään olemassa olevien tai aineistosta luotujen 3D-geometria-aineistojen teksturointiin, mikä antaa tarkempaa visuaalisesti havaittavaa tietoa kohteista. Ilmasta kerättyä RPAS-kuva- tai laserkeilausaineistoa voidaan myös yhdistää esimerkiksi maanpinnalta tehtävästä mobiililaserkeilauksella saatuun aineistoon, jolloin aineistot täydentävät hyvin toisiaan. Maanpinnalla tehtävästä mobiililaserkeilauksella ei pystytä saamaan aina kattavasti tietoa rakennusten katoista ja esimerkiksi suljetuilta sisäpihoilta. RPAS-aineisto taas ei näe yhtä hyvin esimerkiksi rakennusten julkisivuja, katosten tai puiden alla olevia kohteita tai pieniä vertikaalisia kohteita kuten liikennemerkkejä ja pylväitä. Kuvassa 2 on esimerkki pystykuvauksella kerätystä RPAS-ilmakuvapistepilvestä ilman mobiililaserkeilausaineistoa ja mobiililaserkeilausaineiston kanssa.

14 Projektin selvitys 13 Kuva 2 RPAS-ilmakuva- ja mobiilaserkeilauspistepilven vertailua. Yllä RPAS-ilmakuvausaineistosta muodostettu RGB-pistepilvi. Keskellä pistepilvi, joka mitattu maanpinnalta tehdyllä mobiililaserkeilauksella. Mobiilaserkeilausaineisto väritetty laserin intensiteetin mukaan. Alla RGB-pistepilvi yhdistettynä kyseiseen mobiililaserkeilausaineistoon. 3 Liitteet 3.1 Liite 1: Esimerkki Laukaan tarjouspyynnön ehdottomista vaatimuksista RPAS-ilmakuvaukselle kantakartan tuotantoa varten Tässä liitteessä on esimerkki tarjouspyynnön ehdottomista vaatimuksista, jota käytettiin projektissa Laukaan kirkonkylän alueella hankitussa tarjouspyynnössä. Kyseessä on siis tapauskohtainen tarjouspyyntö, eikä sitä voi täysin sellaisenaan käyttää muihin toimeksiantoihin. Ehdottomat vaatimukset esimerkiksi sisältävät Laukaan koordinaattijärjestelmän, sekä pelkän pystykuvauksen. Viistokuvausaineiston hankintaa tarvittaisiin lisätäydennyksiä vaatimuksiin. Tulevien kokemusten ja aineiston käsittelyn perusteella alla oleviin vaatimuksiin saatamme esittää vielä tulevaisuudessa muutosehdotuksia. 1 Tarjouspyynnön liite 1, Ehdottomat vaatimukset

15 Projektin selvitys Luvat ja muut viranomaisvaatimukset Toimittaja huolehtii kaikista palvelun tuottamiseen tarvittavista viranomaisluvista. Näitä ovat muun muassa: Liikenteen Turvallisuus viraston, Trafi:n, voimaan astunutta määräystä Kaukoohjatun ilma-aluksen ja lennokin lennättäminen (OPS M1-32) tulee noudattaa. Tomittajalla täytyy olla vastuuvakuutus kolmansien osapuolien vahinkoja vastaan, joka täyttää vakuutusasetuksen (EY) 785/2004 vaatimukset. Aluevalvontalakia (755/2000) tulee noudattaa Yksityisyyden suojaa ja kotirauhaa koskevia lakeja tulee noudattaa 2. Kartoituspalvelun suorittaminen Kartoitustekniikka Ilmakuvausaineisto täytyy kerätä miehittämättömään kauko-ohjattuun ilma-alukseen (RPAS) kiinnitetyllä RGB-kameralla. Ilmakuva-aineisto kerätään pystykuvauksella. Kartoituksen tekemiseen soveltuvat ajankohdat Ilmakuva-aineisto täytyy kerätä ns. kevätkuvauksina eli lumettoman ja lehdettömän tai vähälehtisenä ajanjakson aikana eli noin välisenä aikana. Kuvausten ajankohta on neuvoteltavissa toimeksiantajan kanssa. Kuvausten aikana Auringon korkeuskulman horisontin yläpuolella tulee olla vähintään 25º. 3. Toimitettavat lopputuotteet Toimitettava kuvausindeksi: Kun kartoituslennot on suoritettu loppuun, tulee tilaajalle toimittaa mahdollisimman nopeasti kuvausindeksi. Indeksistä tulee ilmetä vähintään seuraavat tiedot: Käytetty kuvausjärjestelmä Toteutuneet lentolinjat kuvauspäivämäärineen (esimerkiksi värikoodaamalla lentolinjat päivämäärien mukaan) Toimitettavat lopputuotteet: Alkuperäinen kuva-aineisto, josta lopputuotteet on muodostettu (RAW-, tif-, jpgformaatissa, riippuen siitä, millä formaatilla alkuperäiset kuvat on kuvattu) Ortomosaiikki (pakkaamattomassa.tif-formaatissa) RGB-kuvapistepilvi (laz-, las-formaatti, tai muu yleisesti käytetty ASCII-järjestelmään perustuva väripistepilviformaatti) Lopputuotteiden koordinaattijärjestelmä: ETRS-GK26 (ilman kaistan numeroa itäkoordinaatissa) Lopputuotteiden korkeusjärjestelmä: N2000

16 Projektin selvitys 15 Kirjallinen kuvaus menetelmistä ja laitteistoista, joilla aineisto on muodostettu Raportti lopputuotteiden geometrisesta ja radiometrisestä tarkkuudesta o geometrinen tarkkuus perustuen maastotuki- ja tarkastuspistetietoihin Kameran kalibrointitiedot: o sisältäen ulkoiset ja sisäiset kalibrointitiedot o kalibrointitiedot voi olla prosessoinnissa itsekalibroinnista saatavat tiedot, o kuvanottopaikat voidaan arvioida RPAS-järjestelmän satelliittipaikannukseen perustuvan navigointijärjestelmän tiedoista 4. Lopputuotteiden laatuvaatimukset Tarkemmat laatukriteerien määritelmät on nähtävissä liitteessä 4 Kansallisen maastotietokannan laatumalli: ilma- ja ortokuvat. Yksittäisten ilmakuvien ja ortomosaiikin maastoresoluution täytyy täyttää seuraavat tarkkuuskriteerit: Geometrinen tarkkuus: Kuvien maastoresoluution (maastopikselikoko) eli GSD:n (Ground Sampling Distance) tulee olla vähintään 3 cm. Tasosijainnin keskivirhe (RMSEr) enintään 5cm tarkasti määritetyillä pisteillä (esim. signaloidut pisteet). Korkeuden keskivirhe (RMSEz) enintään 10 cm tarkasti määritetyillä pisteillä (esim. signaloidut pisteet). Kuvapeittojen täytyy olla vähintään: o sivupeitto: 65% o pituuspeitto: 80% Stereopeitto täytyy olla alueen reunoille asti eli vähintään yksilinja lentolinja yli aluerajauksen. RGB-pistepilven pisteväli vähintään 15 cm Kuvamosaiikeissa ei saa olla mittausta häiritseviä epäjatkuvuuksia mosaiikkirajoilla, epäjatkuvuuksien tulee olla alle 1 m. Toimittaja valitsee järjestelmäänsä soveltuvan maastotukipisteiden määrän. Ortomosaiikin täytyy olla tosi-/dsm-ortokuva. Radiometrinen laatu: Kuvat täytyy ottaa kameralla, jonka pikselisyvyys on vähintään 8 bit. Kuvien tulee olla värikuvia (RGB). Kuvien terävyyden tulee olla sellainen, että kartoitettavien kohteiden tulkinta onnistuu. Tiemaalausten ja suojateiden tulee erottua selkeästi. Ortomosaiikilla ei saa olla tulkintaa häiritseviä sävyeroja. Kameran dynamiikan ja valotusasetusten laadun tulee olla sellaiset, että kohde on kokonaisuudessa mitattavissa, sisältäen mahdollisesti varjossa olevat kohteet, ja kirkkailla kohteilla ei ole mittausta häiritsevää puhkipalamista.