Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I

Transkriptio

1 Maa Fotogrammetrinen kartoitus Luento-ohjelma Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I Kuvien laatu Radiometrinen laatu Spektraali erotuskyky Spatiaalinen erotuskyky Erotuskyky: havaittavuus ja tulkittavuus Kuvan geometrinen laatu Testikentät Geodeettisen laitoksen testikenttä Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus ja kartoitusilmakuvaukselle Sisällysluettelo Ilmakuvakamera Järjestelmäkalibrointi Kameroiden kalibrointi Kuvauksen laadunvarmistus Skannatut analogiakuvat kartoituskuvauksissa Kuvakoko Ilmakuvaskannerien rakenne Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset Skannereiden kalibrointi Markkinoilla olevia skannereita Skannerien tarkkuus Tuotantojärjestelmiä Suomessa Digitointi mikrodensitometrillä Esimerkki skannausohjeista Kirjallisuutta Kuvien laatu Kuvien laatumittarit o Radiometrinen laatu o Spektraali erotuskyky o Spatiaalinen erotuskyky o Ajallinen erotuskyky o Geometrinen tarkkuus Muita arviointikriteereitä o Tiedonsaannin nopeus o Hinta o Saatavuus o Toimivuus erilaisissa olosuhteissa o Käytettävyys tulevaisuudessa (Alkuperäinen luento Henrik Haggrén, Muutoksia: Eija Honkavaara ) 1

2 Kartoitussovellutuksissa kuvien laatua arvioitaessa tulee muistaa jako metrisiin ja tulkitseviin sovellutuksiin. Tällä kurssilla käsiteltävät sovellutukset lukeutuvat metrisiin sovellutuksiin. Tällöin kartoituksen kannalta tärkeimmät kuvan ominaisuudet ovat riittävän hyvä geometrinen tarkkuus sekä spatiaalinen erotuskyky. Radiometrisen laadun kohdalla tärkeää ovat riittävät kontrastit sekä riittävä sävymäärä. Kuvien laatuun vaikuttavat monet tekijät, esim. o Lennonaikaiset muuttujat Kameran linssin laatu Apertuuri Valotusaika Filmin tasaisuus Kuvausmittakaava Kameran tärinä Kuvaliike Ilmakehä Auringon korekuskulma o Materiaalit ja prosessointi (analogiakuvat) Filmityyppi Filmin tallennushistoria Kehityskone Kehitysprosessi Skannaus Kuvan todellnen laatu selviää vasta lopputuotteesta mittaamalla. Kirjallisuutta: Kuittinen Risto,1993: Lentokoneesta ja satelliitista otettujen kuvien laadun tarkastus. Maanmittaustieteiden Seuran Julkaisu n:o 30. S Karl Kraus: Photogrammetry, Volume 1, Fundamentals and standard processes, kappale 3.3 (sivut 64-79). Nurminen, Kimmo. Digitaalisten ilmakuvien käyttö kaupungin paikkatietojärjestelmässä, Diplomityö 2002 Roger Read, Ron Graham, Manual of Aerial Survey: Primary Data Acqisition. ISBN Ron Graham and Alexander Koh, Digital Aerial Survey: Theory and Practise. ISBN Radiometrinen laatu Radiometrinen erotuskyky, kuvan sävyt ja kontrastit Ilmaisimen radiometrisellä erotuskyvyllä tarkoitetaan, kuinka pieniä säteilyenergian eroja laitteella pystytään mittaamaan. Mitä pienempiä eroja kohteessa tulevassa säteilyssä ilmaisin havaitsee, sitä vivahteikkaampia kuvia kohteesta saadaan. Dynaaminen alue (dynamic range): kuvan vaaleimman ja tummimman sävyn ero o Analogiset kuvat:densiteettialue. Densiteetti: D=log 10 (I 0 /I), missä I 0 on tulevan ja I heijastuneen valon intensiteetti. Filmille tallentuvan densiteetin määrää materiaalin mustumakäyrä. Tyypillinen vaatimus mv-kuvilla: vaalea kohde (esim. vanha asfaltti) 0,35-0,55D ja tumma kohde (esim. varjoinen metsä) 1,0-1,8 D. Densiteetti o Digitaaliset kuvat: DR=20*log(V sat /V N(RMS) )db, missä V sat on signaalin saturaatiotason jännite ja V N(RMS) on RMS kohinakynnyksen jännite. Sensorin vaste näiden ääriarvojen välillä on lineaarinen. 2

3 Kohteiden erottuvuuden mittareina käytetään erilaisia kontrasteja, jotka ilmoittavat kohteesta ja sen taustasta tulevien säteilymäärien suhteita eri tavoin laskettuna ft ( X i ) Kontrastisuhde: Modulaatio: fb ( X i ) ft ( X i ) fb ( X i ) ft ( X i ) + f b ( X i ) Missä f t ( X i ) on kohteen arvo kuvalla ja f b ( X i ) on taustan arvo kuvalla Kuinka monta säteilytasoa ilmaisin pystyy tallettamaan (pikselisyvyys) ja kuinka tehokkaasti nämä on käytetty o esim bittiä/pikseli/kanava= sävyä/pikseli/kanava digitaalisilla kuvilla. Värikuvilla dataa kolminkertainen määrä verrattuna mv-kuvaan. Histogrammi: tehokkuus ja saturaatio. Ihmissilmä pystyy havaitsemaan vain 64 sävytasoa. Toistaiseksi kuvanäytöt eivät pysty optimaalisesti käsittelemään yli 8 bit/kanava sävyaluetta, joten kuvat usein tiivistetään 8 bittiin. Suurempi sävyalue myös kasvattaa kuvakokoa. Kuvilla esiintyy fysikaalisista kuvausolosuhteista johtuen radiometrisiä vääristymiä, jotka tulee korjata (Luento 8) Visuaalista tulkintaa varten kuvien radiometriaa joudutaan usein muokkaamaan (Luento 8). Nämä toimenpiteet eivät lisää kuvan informaatiosisältöä, vaan ennemminkin hävittävät sitä. Tyypillisä toimenpiteitä ovat o Kontrastin parantaminen Gamma-korjauksella o Histogrammin venyttäminen o Muu sävynsäätö Esimerkki sävykorjauksesta varjossa: Emerge DSS 3

4 Sävysäädetyn väärävärikuvan histogrammi: luminosity, red (IR), green (R), blue (G). Kuva Lauri Markelin. Spektraali erotuskyky Kuinka monella sähkömagneettisen spektrin alueella kuva on tallennettu, kuinka leveitä alueita sähkömagneettisesta spektristä voidaan havaita. Kuvan ominaisuuksina tämä näkyy lähinnä siinä, että kuvat ovat monikanavaisia, jolloin ne ovat tulkinnalliselta laadultaan parempia kuin yhdellä spektrin alueella otetut kuvat. Spectral channels of selected airborne and spaceborne instruments. Reulke, R., Filmbased and Digital Sensors Augmentation or Change in Paradigm? Photogrammetric Week 2003, pp

5 DSS overview presentation: Spatiaalinen erotuskyky Muita nimityksiä: alueellinen erotuskyky, geometrinen erotuskyky Kuinka pieniä kohteita kuvalla voidaan havaita. Ideaalisen linssille paras mahdollinen erotuskyky on ε=1.22*λ*b, missä λ on valon aallonpituus ja b on objektiivin aukkoluku. Erotuskyky (resolving power), eli kuinka monta viivaparia voidaan tunnistaa millimetrille (lp/mm). Tällainen arvo voidaan määrittää kuvan eri osille viivatiheyksiltään tunnettujen testikuvioitten avulla. Pinta-alalla painotettu erotuskyky, AWAR (Area Weighted Average Resolution), lp/mm. AWAR = Σ i=1...n [(A i /A)*(k rad(i) *k tan(i) ) 1/2 ], jossa radiaalinen ja tangentiaalinen erotuskyky on laskettu n:llä eri etäisyydellä kuvan keskipisteestä sijaitsevalla vyöhykkeellä. A i : vyöhykkeet, A: kokonaispinta-ala Modulaation siirtofunktio (MTF): Systeemistä ulostulleen modulaation suhde sisään tulleeseen modulaatioon kullekin spatiaaliselle taajuudelle k: T k =M i(k) /M o(k) Pisteen- tai viivanleviämisfunktio Skannatulla analogiakuvalla havaittavaan erotuskykyyn vaikuttavat lähinnä objektiivi, filmi, kuvaliike, kuvausalustan kiertoliikkeet, skannausresoluutio, kuvausolosuhteet ja kohteen kontrastit. Lopullinen järjestelmän AWAR on luokkaa lp/mm. Nyquistin teoreeman mukaan digitaalisella kuvalla pieni havaittava aallonpituus on 2*näyttenottoväli. o Esim. Skannaus pikselikoolla 10 µm Erotuskyky: (1000 µm/20 µm) lp/mm = 50 lp/mm. Digitaalisilla kuvilla kuvan pikselikoko ilmaistaan GSD:nä (Ground Sample Distance). Tämä on kuitenkin eri asia kuin kuvan erotuskyky. 5

6 Erotuskyvyn vaikutusta kuvan käytettävyyteen arvioitaessa tulee huomioida käsitteet: havaitseminen (detection) tunnistaminen (identification) tulkitseminen (interpretation) Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 25 mikrometriä. Vasemmalta lähtien erottuu 3. mustanharmaa viivaryhmä, 31 viivaa/mm. Filmillä erottuu 10. viivaryhmä vasemmalta, 71 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen testikenttä) Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 12,5 mikrometriä. Vasemmalta lähtien erottuu 7. mustanharmaa viivaryhmä, 50 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen testikenttä) Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 7,5 mikrometriä. Vasemmalta lähtien erottuu 9. mustanharmaa viivaryhmä, 60 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen testikenttä) 6

7 Värikuva digitoituna pikselikoilla 12,5 ja 25 mikrometriä. Ylemmässä kuvassa erottuu vasemmalta lähtien 7. mustaharmaa viivaryhmä, 50 viivaa/mm. Alemmassa kuvassa erottuu vasemmalta lähtien 3. mustanharmaa viivaryhmä, 31 viivaa/mm. Filmiltä erottuu 9. viivaryhmä vasemmalta, 62 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen testikenttä) Erotuskyky: havaittavuus ja tulkittavuus Nyrkkisääntö: Havaittavan kohteen koko: 3*GSD Tulkittavan kohteen koko: 21*GSD 7

8 Satelliittikuvan pikselikoon vaikutus rakenteiden tulkittavuuteen. Object Detection (Havaittavuus) Identification (Tulkittavuus) Global (Sijainti/Laji) Accurate (Muoto/Tyyppi) Bridges Radar Radiocommunication Material Depots Troop Units/Bivouacs Air Base Facilities Artillery/Rockets Aircraft C2 Headquarter Missile Sites -(SSM.SAM) Medium-sized Surface Vessels Vehicles Land Mine Fields Ports Coasts and Landing Beaches Railroads & Yards & Shops

9 Roads Urban Areas Military Airfields Submarines on the Surface Kuvan resoluution vaikutusta kohteiden tulkittavuuteen ja tunnistettavuuteen on tutkittu paljon varsinkin sotilassovelluksissa. Kuvan geometrinen laatu Kuinka tarkka on kohteiden sijainti kuvalla Kalibrointi: polttoväli, pääpiste, reunamerkit. Analogiakuvat: filmin tasaisuus, filmin mitanpitävyys Refraktio Ilmaisimen aiheuttamat vääristymät Havaintoalustan liike ja tärinä Skannaus Parhaimmillaan geometrinen tarkkuus kuvatuotteilla on mm tasossa. Testikentät Tulevaisuudessa testikenttien ja kalibroinnin merkitys tulee kasvamaan erityiseti suoran georeferoinnin sovellutuksissa, koska kameran sisäinen orientointi ja integroitujen sensoreiden asema toisiinsa nähden tulee määrittää kuvausolosuhteissa. Geodeettisen laitoksen testikenttä Geodeettisen laitoksen pysyvä kaukokartoitustestikenttä sijaitsee Kirkkonummen Sjökullassa noin 30 km Helsingistä länteen. Erotuskyvyn testikenttää voidaan käyttää pääasiassa lentokoneesta tehtävien kuvausten laadun tutkimiseen. Myös alueelliselta erotuskyvyltään kaikkein parhaita satelliitti-ilmaisimia voidaan testata. Kuvausmittakaavat voivat olla 1: :60 000, mutta kaikkein tarkimmat kuviot on tarkoitettu kuvauksiin mittakaavassa 1:3000. Viivanleveydet ovat 0,03 m 1,25 m. Sjökullan testikentälle ja sen ympäristöön on mitattu ja signaloitu kiintopisteistö, jota voidaan käyttää kuvausjärjestelmien geometrisen laadun arvioimisessa sekä kalibroimisessa monissa mittakaavoissa. o Suurimittakaavaisiin sovellutuksiin tarkoitettu pisteistö on yhden neliökilometrin alueella. Pisteet signaloidaan keväällä ja osa pisteistä mitataan vuosittain uudelleen mahdollisten liikkeiden toteamiseksi. Signaalina käytetään mustalla pohjalla olevaa valkoista ympyrää, halkaisijat on 30 tai 40 cm. o Keskimittakaavaisia sovellutuksia varten on Sjökullan ympäristöön rakennettu ja signaloitu 10x10 kilometrin alueelle n. 30 kiintopistettä. Kenttä on tarkoitettu lähinnä 1:8000-1:31000 mittakaavaista järjestelmäkalibrointia varten. Signaalit ovat joko 1 m x 1 m neliösignaaleita tai kolmionmallisia pärelavoja, joiden sivunpituus on 2,4 m. 9

10 Suomalaiset kartoitusyritykset käyttävät testikenttää kuvausjärjestelmien tarkastukseen kuvauskauden alussa ja lopussa. MML on käyttänyt vuodesta 2002 lähtien signaalikenttää GPS/IMU/kamerajärjestelmän kalibrointien määrittämiseen. Lisäksi Jämsän ympäristöön Keski-Suomeen on rakennettu n. 20 pärelavasta koostuva kiintopisteistö 1: :31000 mittakaavaista kalibrointia varten. Geodeettisen laitoksen testikenttä: erotuskykykuviot. 10

11 Geodeettisen laitoksen testikenttä: kiintopisteistö 1 km x 1 km alueella. Kalliossa ja suurissa kivissä olevat pisteet on merkitty mustalla kolmiolla. 11

12 Jämijärven testikenttä. 12

13 Seglingen testikenttä. (Jukka Artimo, 1970) Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus ja kartoitusilmakuvaukselle Sisällysluettelo 1. Ilmakuvauksen tilaaminen 1.1 Kuvattavat alueet 1.2 Käyttötarkoitus ja kuvausmittakaava 1.3 Kuvauksessa käytettävä kamera 1.4 Filmityyppi 1.5 Signalointi 1.6 Tilaajalle toimitettava aineisto 1.7 Oikeudet kuvaukseen ja lupaehdot 1.8 Tilausvahvistus 2. Kuvauskalusto 2.1 Ilmakuvakamera 2.2 Kameroiden kalibrointi 2.3 Kuvausjärjestelmän kalibrointi 2.4 Suotimet 2.5 Kameran ripustus 2.6 Kameraikkuna 3. Ilmakuvauksen suorittaminen 3.1 Lentokorkeus ja suunta 3.2 Lento-olosuhteet 3.3 Kuvaustolenrassit 3.4 Kuvausten uusiminen ja täydentäminen 4. Ilmakuvafilmin prosessointi ja kuvien laatuvaatimukset 4.1 Ilmakuvafilmi 4.2 Valotus 4.3 Kehitysprosessi 4.4 Originaalifilmin viat 4.5 Reunamerkit ja kuvan geometria 4.6 Originaalifilmin valokuvauksellinen kuvanlaatu 13

14 5. Kuvatuotteet 5.1 Filmikopiot mittausta varten 5.2 Muut pinnakkaiskopiot 5.3 Kuvarekisteri 5.4 Originaalfilmin teknisestä säilyttämisestä 6. Kuvauksen dokumentointi 6.1 Kuvausselostus 6.2 Merkinnät originaalikuviin 6.3 Kuvarekisteri 7. Kuvauksen laadunvalvonta ja laaturaportti Ilmakuvakamera Tehtävä Tarkka (3D) fotogrammetrinen mittaus Muu (3D) numeerinen kartoitusmittaus Numeerinen kartoitus (2D) Kameravakio (m) Piirtovirhe max(µm) Optiikan erotuskyky AWAR min. Reunamerkkejä (kpl) FMC/ IMC GPSnav x x x x 0.15/0.21/ x (x) Graafinen kartoitus 0.15/ Suunnistuskartoitus 0.15/ Ortokuvakartoitus 0.15/ (x) (x) lmakuvaukseen käytettävän kameran tulee olla mittakameratyyppiä, jonka negatiivikoko on 230 mm x 230 mm. Kameralaitteistoon tulee kuulua jononavigointilaitteisto, peitonsäätöjärjestelmä ja vibraatioita vaimentava kantorengas. Järjestelmäkalibrointi Koko ilmakuvausjärjestelmän toiminnan tarkastamiseksi on suositeltavaa suorittaa ennen kuvauskautta testikuvaus, jossa kuvataan geometrinen testikenttä käyttäen tuotantokuvaukseen tarkoitettua lentokone-kamera-filmi-kombinaatiota. o Tarkastuksessa kuvataan ilmakuvakoekenttä kahtena ristikkäisenä kolmen kuvan jonona 60 % pituuspeitolla siten, että keskimmäisille kuville tulee koko kuvan alueelle ainakin 25 koordinaateiltaan tunnettua pistettä. o Näiden kuvien avulla tehdään yleisen tavanmukainen sädekimppumenetelmän mukainen fotogrammetrinen pistetihennys ilman lisäparametreja siten, että lähtöpisteinä käytetään keskimmäisten kuvien keskellä, kulmissa ja kuvasivujen keskellä olevia pisteitä (9 kpl). Muut pisteet käsitellään tuntemattomina. 14

15 o Affiinisen reunamerkkimuunnoksen maksimijäännösvirhe ei saa ylittää arvoa 20 µm. o Tarkastuspisteiden tunnettujen ja pistetihennyksestä saatujen koordinaattien perusteella laskettujen x- ja y-koordinaattien epätarkkuus (ristiriitojen neliökeskiarvo) ei saa ylittää arvoa 6 µm kuvausmittakaavassa eikä korkeuden osalta vastaavasti arvoa 10 µm. o Testikenttä (esim. Geodeettisen laitoksen testikenttä) Kameroiden kalibrointi Jokainen mittaus- ja kartoituskuvauksiin käytettävä kamera on kalibroitava säännöllisesti vähintään joka 3. vuosi. o Kalibrointitodistus on toimitettava pyydettäessä kuvauksen tilaajalle. o Yli kolme vuotta vanha kalibrointi voidaan kuvaajan ja tilaajan välisellä sopimuksella korvata koekentän avulla suoritettavalla järjestelmäkalibroinnilla. o Kalibrointiin on ensisijaisesti käytettävä goniometrityyppistä kojetta. Kalibrointi on suoritettava yleensä suurimmalla mahdollisella aukolla. Goniometrikalibrointi (Luento 4) Kalibrointitodistuksen tulee sisältää ainakin seuraavat tiedot: o Kalibrointilaitos ja ajankohta o Kameran tyyppi, objektiivin tyyppi ja sarjanumero o Kalibroinnissa käytetty suodin o Kalibroitu polttoväli eli kameravakio o Säteettäinen piirtovirhe neljältä semidiagonaalilta vähintään 15 mm välein. o Autokollimoidun pääpisteen PPA, parhaan symmetriapisteen PBS ja kuvakoordinaatiston origon FC keskinäinen sijainti. Etäisyyden PPA - PBS arvo ei saa ylittää 20 mikrometriä. Pääpisteet (Luento 4) o Reunamerkkien koordinaatit. o Kameran radiaalinen ja tangentiaalinen erotuskyky Lp/mm neljän semidiagonaalin keskiarvona määritettynä vähintään korkean kontrastin kuvioilla sekä kameran AWAR-arvo. Kuvauksen laadunvarmistus Kuvauksen suorittajan tulee laadun ylläpitämiseksi varmistaa toiminnan laatutaso säännönmukaisin menetelmin. Jokaisesta kuvauksesta on laadittava laaturaportti, joka sisältää ainakin seuraavat asiat: Kameran kalibroinnin ajankohta Järjestelmäkalibroinnin ajankohta (kuvauksessa käytetty kuvausjärjestelmäfilmi-prosessointikombinaatio) Järjestelmäkalibroinnin tulokset (geometria ja erotuskyky) Kuvausolosuhteet (säätiedot) Kehitysarvot Auringon korkeuskulma Visuaalinen arvio (stereokartoituskelpoisuus, filmin kunto) Tarkastustulokset, koko kuvaus o filmin viat (kuplat, jännitysjäljet, reiät, naarmut, raidat, värjäytymät, filminsiirron jäljet) 15

16 o pituus- ja sivupeitto o jonojen alku ja loppu, jonolla pysyminen ja jonojen suunta o sortuma o lentokorkeus o erotuskyky, mikäli on käytetty testitauluja Tarkastustulokset, näytekoko ja tarkastus SFS 4760 ¹ mukaisesti o densiteetti, vaalean ja tumman kohteen kuvittaiset arvot o sisäisen orientoinnin jäännösvirheiden itseisarvojen kuvittaiset maksimiarvot o keskinäisen orientoinnin jäännösvirheiden itseisarvojen malleittaiset maksimiarvot o keskinäisen orientoinnin malleittaiset kuvien pituus- ja poikittaiskallistuserot ¹ Tarkastustaso II, s-menetelmä näytekoko n (n mallia, 2n kuvaa) määräytyy kuvauksen kuvien lukumäärän perusteella densiteetti: AQL = 2,5 %, kaksipuoleiset erilliset vaatimusrajat; vaalea kohde: L = 0,35 D, U = 0,55 D, tumma kohde: L = 1,0 D, U = 1,8 D sisäisen orientoinnin jäännösvirheiden maksimiarvot: AQL = 4,0 %, yläraja U = 20 µm keskinäisen orientoinnin jäännösvirheiden maksimiarvot: AQL = 4,0 %, yläraja U = 10 µm kuvakallistuserot: AQL = 2,5 %, kaksipuoliset erilliset vaatimusrajat; L = -8 goonia, U = 8 goonia (poikkeustapauksissa L = -10 goonia, U = 10 goonia) Tarkastettava erä, josta näyte otetaan, voi sisältää useamman eri tilaajan kuvaukset, mikäli ne on suoritettu samana kuvauspäivänä, samoilla laitteilla (kamera + objektiivi) ja samoissa olosuhteissa. Näytteotantaan perustuvasta laadunvarmistuksesta: SFS 4010: attribuuttitarkastus: tarkastetut suureet luokitellaan virheellisiin ja virheettömiin SFS 4760 muuttujatarkastus: näytteestä mitataan jonkin suureen arvoa Virheiden ollessa satunnaisia SFS 4010-standardin mukaisessa tarkastuksessa toimitaan seuraavasti: Mikäli virheellisten määrä hyväksymisluku, erä hyväksytään. Tuottaja korjaa kaikki virheelliset yksiköt (SFS 4010, kohta 6.2). Mikäli virheellisten määrä hylkäämisluku, erä hylätään ja tuottaja korjaa koko erän. Erän korjauksen jälkeen valitaan uusi näyte. Virheiden ollessa satunnaisia SFS 4760-standardin mukaisessa geometrian tarkastuksessa toimitaan seuraavasti (esim. ylärajan testaus). Ylärajaksi (U) asetetaan annettu tarkkuusvaatimus. Mitatuista virheistä lasketaan eräkohtainen tunnusluku Q u = (U-x ka )/s, missä x ka on virheistä laskettu keskiarvo ja s on keskihajonta. Erä hyväksytään, jos Q u k (k=näytekohtainen hyväksymisvakio) hylätään, jos Q u < k Esimerkki näytekoosta erilaisille tarkastettavan erän koolle (AQL=4,0, tarkastustaso II): 16

17 Lot size SFS 4010 Sample Ac Rej SFS 4760, s-method Sample k Skannatut analogiakuvat kartoituskuvauksissa Toistaiseksi valtaosa suurimittakaavaisesta kartoitustoiminnasta perustuu analogiakuvien käyttöön. o Kuvat ovat pääasiassa värikuvia, jotka otetaan kartoitusmittakameralla. o Kuvausjärjestelmän erotuskyky on vähintään 40 lp/mm ja parhaimmillaan 60 lp/mm. o Yksi ilmakuva on kooltaan 230 mm x 230 mm ja sisältää 1.5 Gb kuvatietoa. o Kartoitusmittakameran geometrinen tarkkuus on kertaluokkaa 1 µm, mikä vastaa suhteellista tarkkuutta 1 : kuva-alalla. o Kuvausjärjestelmän "heikoin" lenkki on filmi, joka deformoituu kuvaus- ja kartoitushetkien välillä. Vaikka kuvan deformaatiota voidaan pääosin kontrolloida reunamerkein, niiden jäännösvirheiden vaikutusta rekonstruoidun kohdemallin deformoitumiseen on kontrolloitava myös hyvällä lähtöpistegeometrilalla. Digitaalisia kartoituskuvia voidaan tuottaa joko skannaamalla kuvauksen jälkeen filmiltä tai kuvaamalla suoraan digitaalisella kameralla. Toistaiseksi digitaalisten kameroiden käyttö kartoituskuvauksiin on marginaalista vaikkakin vilkkaan kehitystyön kohteena. o Kartoituskuvat digitoidaan ns. fotogrammetrisilla skannereilla. Joissain erikoistilanteissa tulevat kyseeseen myös mikrodensitometrit, julkaisuskannerit tai diaskannerit. o Digitaalinen kartoituskuvaus on joko korkearesoluutioista satelliittikuvausta tai ilmakuvausta digitaalisin kameroin. Kun kuva digitoidaan skannaamalla filmiltä, kuvan täytyy vastata geometrialtaan ja erotuskyvyltään samoja tarkkuusvaatimuksia, joita edellytetään kartoitustehtävissä analogiakuviltakin. o Kuvausjärjestelmän erotuskyky 50 lp/mm vastaa digitoiduilla kuvilla pistetiheyttä 2400 dpi (dots per inch) tai pistekokoa mm. Kuva-alalla 230 mm x 230 tämä vastaisi kuvakokoa x pikseliä. Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaan signaali tulee havaita kaksinkertaisella taajuudella, jotta se voitaisiin rekonstruoida uudelleen. Esimerkiksi, 10 mikrometrin pikselikoolla voidaan digitoida siniaalto, jonka aallonpituus on 20 mikrometriä. Tämä vastaa viivatiheyttä 50 lp/mm. o Kuvat digitoidaan radiometrisellä erotuskyvyllä 3 x 8 bittiä/pikseli. Digitoitaessa mm:n pistekoolla yksittäisen ilmaisimen kohina saisi olla korkeintaan ± 0,03-0,05D. 17

18 o Digitoinnin geometrisen tarkkuuden tulee vastata sitä tarkkuutta, joka on ollut saavutettavissa mitattaessa kuvia hyvällä analyyttisellä stereokartoituskojeella eli luokkaa 1 : : koko kuva-alalla. Tämä vastaa havaittujen kuvakoordinaattien keskivirheitä ± mm. Mikäli kuvia käytetään vain stereotulkintaan tai -havainnollistamiseen, skannauksessa tulevat kysymykseen myös ns. graafiset desktop-riviskannerit. o Desktop-skannereita ei ole suunniteltu mittauskäyttöön, joten ne ovat rakenteeltaan epästabiileja ja geometrialtaan epätarkkoja. Rividigitoinnin johdevirheet voivat olla huomattavan suuria, jopa ± 0.1 mm. Säännöllisellä kalibroinnilla virheitä voidaan kompensoida. o Desktop-skannereiden digitointiala on pienempi kuin ilmakuvan kuvakoko. Jopa A3-koon skannereissa lukuala on niin pieni, että kaikkia reunamerkkejä ei joidenkin kameroiden osalta saada luettua yhdellä digitoinnilla. Analoginen ilmakuva. Filmille kuvaavan kartoituskameran etuna on sen kuva-alan suuri koko ja geometrinen tarkkuus. Filmi on informaation tallentimena tehokas, sen erotuskyky on hyvä ja sävyala laaja. Kartoituskäytössä filmin erityisenä puutteena on pidettävä sen alttiutta kuvauksenjälkeisille deformaatioille. Kuvakoko Ortokuvan valmistamisen pikselikoko lasketaan lopputuotteen vaatimuksista, esimerkiksi 1m, 0.5 m, 0.2m tai 0.1 m. Kartoitustehtävissä pikselikokona käytetään yleisesti mikronia, mikä vastaa käytännössä kartoitusjärjestelmän tulkintaketjun "filmi-skanneri-stereotyöasemastereotulkinta" välityskykyä. Kolmioinnissa tulkinta on liitospisteiden osalta automaattista yhteensovitusta, minkä vuoksi pikselikoko voi olla 2X suurempi kuin yksityiskohtien kartoitustehtävissä. Tällä ei ole oleellista vaikutusta lopputulokseen, koska kolmioinnin geometrinen tarkkuus on sama kuin tulkintaketjun "filmi-skanneri" tarkkuus. 18

19 Pikselin koko maastossa eri kuvamittakaavoilla [m] Pikselin koko [0.001 mm] : : : : : : mm x 230 mm ilmakuvan skannausresoluutiot ja tiedostokoot. Pikselin koko [0.001 mm] Pistetiheys [dpi] Viivamäärä [lp/mm] Mustavalkokuvan koko [Mb] Värikuvan koko [Mb] Ilmakuvaskannerien rakenne Skannerien toimintaperiaate ja eri rakennevaihtoehtoja ( Petri Rönnholm, 1997 ). Kiinteä vs. liikkuva kuvakannatin. Kiinteä vs. liikkuva optiikka ja valaistus. 19

20 Suunnattu tai diffuusi valaisu. Kuvaskanneri, RasterMaster. (Jacobsen, 1996) 20

21 Kuvaskanneri, Helava. (Kölbl, 1996) Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset Selvää on, että skannaus ei saa heikentää kuvan laatua sen fotogrammetrisen käytön kannalta. Jotta näin olisi, seuraavat skannerille voidaan asettaa seuraavat vaatimukset: o Tasoskanneri, jonka digitointiala kattaa kartoituskameran reunamerkit. Käytännössä kuva-ala on 250 x 250 mm. o Kuva-anturin tulee rakentua joko ilmaisinrivistä tai -matriisista. o Koska kuva joudutaan skannaamaan osissa, on erityisen tärkeää, että kuvaanturin digitointiala valaistaan on tasaisesti. Tässä suhteessa diffuusi valo on parempi kuin suunnattu valo. o Värikuvien skannaus tulee tehdä yhdellä läpiajolla. o Digitoinnin geometrisen erotuskyvyn tulee olla parempi kuin 0,01 mm, jotta kuvan sisältämä kohdetieto ei vähenisi skannauksessa. Tämä vastaa kuvausjärjestelmän erotuskykyä n. 50 lp/mm. o Digitoinnin geometrisen tarkkuuden tulee olla parempi kuin 0,25 pikseliä tai 0,005-0,002 mm silloin, kun digitoitua kuvaa käytetään tarkkoihin mittauksiin, esimerkkeinä kolmiointi ja korkeusmallien havaintotyöt. Geometrinen tarkkuus voidaan ymmärtää myös yksittäisen, minkä tahansa pikselin sijainnin tarkkuutena kuvan alueella. o Digitoinnin radiometrisen erotuskyvyn tulee vastata 10 bitin sisäistä kvantisointia, jotta ulos tuleva 8 bittiä on todellista informaatiota. Vastaavasti on esitetty, että voidakseen toistaa kuvan kontrastit myös kohteen tummilla osilla, kuten metsän varjoisilla alueilla, kvantisointi tulee tehdä bitillä. (Boberg, 2001) o Digitoinnin radiometrisen skaalan tulee kattaa densiteettiväli 0.1D - 2.0D densiteettiväliä mustavalkokuvilla ja n. 0.2D - 3.5D värikuvilla. o CCD-ilmaisinten kohina ei saa olla yli ±0,03-0,05D 0,01 mm:n pikselikoolla. o Skannerin käytön kannalta on lisäksi edullista, jos kuvanluku voidaan tehdä rullafilmiltä kuvia leikkaamatta. Densiteetti 21

22 Skannereiden kalibrointi Leica-Geosystems DSW600 lähteen mukaan: Kuvatason kalibrointi o Määritetään korjaustaulukko koko kuvatason alueelle, korjaukset suoritetaan kuvalle reaaliajassa skannauksen aikana o Käyttäen levyä, jolla kalibroitu ruudukko (calibrated grid plate) 20 mm ruutukoolla (myös 10 mm ruutukoko saatavilla) o Käyttäjä osoittaa automaattisesti ensimmäisen leikkauskohdan, minkä jälkeen järjestelmä mittaa automaattisesti loput käyttäen. kuvakorrelaatiota. Kun kaikki ruutujen leikkauskohdat on mitattu, lasketaan korjaustaulukko. o Gridin mittausta voidaan myös käyttää skannerin geometrisen laadun tarkistamiseen. Sensorin kalibrointi o Geometrinen kalibrointi. Tehtävänä on määrittää tarkka pikselikoko sekä sensorin ja kuvatason välinen koordinaattimuunnos. Kalibrointi suoritetaan kalibroidun gridin avulla. o Radiometrinen kalibrointi. Tavoitteena on määrittää jokaiselle pikselille korjaustermi tasaisen radiometrisen laadun varmistamiseksi. Tehtävässä käytetään neljää neliväristä kuvaa sekä tummaa kehystä. Kullekin pikselille määritetään korjaustermit erilaisille valotusajoille ja jokaiselle värikanavalle. Korjaustermit talletetaan kalibrointitiedostoon. Skannatut kuvat korjataan tämän korjaustiedoston avulla. Maanmittauslaitoksen XL Vision Orthovision 950 kolmen peräkkäin sijaitsevan rivi-ilmaisimen keskinäinen geometrinen kalibrointi, tehdään tehtaalla kuvatason sijaintivirheiden määritys, tehdään tehtaalla geometristen johdevirheiden kalibrointi, tuloksena geometrinen korjausmalli, tehdään tarpeen mukaan o tehdään digitoimalla 49 x 49 pisteen NTS-gridi (NTS, National Institute of Standards and Testing), jonka tarkkuus on 0,0005 mm (RMS) o geometrisesti korjatun kuvan virheet ovat luokkaa 0,0015 mm (RMS) sekä ilmaisinrivin että skannausliikkeen suunnassa ilmaisimen integraatioajan kalibrointi, tuloksena perusvalotusajat kullekin kolmelle rivi-ilmaisimelle radiometrinen kalibrointi, tuloksena korjaukset kullekin yksittäiselle CCDilmaisimelle, tehdään päivittäin o harmaasävyt digitoidaan alunperin 10 bitillä ja muunnetaan ulostulossa 8 bitiksi o ilmaisimet kalibroidaan ulkoisesti filmin tummuuden mukaan niin, että koko 256 harmaasävyn asteikko tulee käytettyä hyväksi o ilmaisimet kalibroidaan sisäisesti tasalaatuisiksi, jotta digitoituun kuvaan ei sisältyisi ilmaisimista johtuvia systemaattisia eroja, juovaisuutta 22

23 Markkinoilla olevia skannereita Merkki Vexcel VX 4000 HT Vexcel VX 4000 DT Helava DSW 600 International Systemap Corp. DiSc Intergraph PhotoScan Zeiss Phodis Scai XL Vision 950 Orthovision Wehrli RasterMaster RM1 Agfa Horizon Sharp JX- 610 CCD kuvaanturi 1024 x x 494 Pienin pikselikoko 0,001 mm Skannereita Kuvakoko mm Sävyjen määrä bit Fotogrammetrisia skannereita Geometrinen tarkkuus 0,001 mm Rullafilmin syöttö 7.5 x x on 8.5 x 8.5 matriisi 4,5 x 4,5 260 x / 8 < 2 on 3-rivi 10 x x / 8 5 on rivi 7 x x / 8 < 2 on rivi 7 x x / 8 < 2 on 3-rivi 10 x x / on rivi 12 x x ei Desktop-skannereita 3-rivi 21 x x > 10 ei rivi 21 x x / 8 > 10 ei 23

24 PhotoScan PhotoScan o 0,007 mm pikselikoko, digitaalisesti yhdistämällä 0,014, 0,021, 0,028, 0,056, 0,112, 0,224 mm o Digitointiala 275 mm x 250 mm o Skannausperiaate: kuvakannatin kiinteä, liikkuva kamera ja valaistus o Sensori: trilinear CCD o Radiometrinen alue: 10 bit/kanava, 2.5 D, Densiteettialue D o Tuloskuva: 8-bit tai 12-bit monokromaattinen, 24-bit or 36-bit väri o Geomterinen tarkkuus parempi kuin mm o Skannausohjelmisto mm.: Kalibrointi: Geometrinen ja radiometrinen Automaattinen digital dodging Automaattinen sisäinen orientointi o Skannausajat (0.014 mm pikselikoko): Mustavalkoinen ja värillinen ilmakuva: alle 6 min o Rullafilmiskannaus o Perustuu skannereihin PhotoScan PS1, Zeiss SCAI, PhotoScan TD, PhotoScan 200x, PhotoScan DSW600 DSW

25 o mm pikselikoko o Digitointiala 260 mm x 260 mm o Skannausperiaate: liikkuva kuvataso, stationaarinen CCD-matriisi. o Kamera: 12 bit digitaalinen matriisisensori, 2000x3000 pikseliä o Sensorin pikselikoko 0.01 mm o Optinen resoluuto: mm, mm, mm o Radiometrinen alue: suurempi kuin 2.5 D, pidemmillä valotusajoilla >3.0 D rekeisteröinti onnistuu o Radiometrinen resoluutio: 0.01D at 1.0D o Geometrinen resoluutio mm, geometrinen tarkkuus < mm. o Työasema: Pentium 4 dual processor o Skannausohjelmisto: Kalibrointi: Kuvataso, geometrinen sensori, radiometrinen sensori Sisäinen orientointi: interaktiivinen, semiautomaattinen, täysautomaattinen o Skannausajat ( mm pikselikoko): Mustavalkoinen ilmakuva: 2 min Väri-ilmakuva: 5 min o Rullafilmiskannaus o Filmin kuljetus (yksi kuva) sekä automaattinen sisäinen orientointi: 30 s o Edeltäjiä DSW100, DSW200, DSW300, DSW500 Skannerien tarkkuus Skannerin tarkkuus ilmaisee sen, miten hyvin digitoidun kuvan radiometria ja geometria vastaavat alkuperäisen eli digitoitavan kuvan radiometriaa ja geometriaa. Skannerin erotuskyky ilmaisee sen, miten hyvin digitoidun kuvan yksityiskohdat toistuvat, kun tätä verrataan alkuperäisen kuvan sisältämään yksityiskohtaisuuteen. o Geometrinen sijaintitarkkuus (kuva-anturin paikannustarkkuus, optiikka) o Geometrinen erotuskyky o Radiometrinen laatu Julkaisuja o Emmanuel P. Baltsavias and Christoph Kaeser, Quality Evaluation of the DSW200, DSW300, SCAI and OrthoVision Photogrammetric Scanners, OEEPE Workshop on Automation in Digital Photogrammetric Production. o Emmanuel Baltsavias. On the performance of photogrammetric scanners. Photogrammetric Week, o Dan Häggman: Skannereiden tarkkuudesta, 1997 Tuotantojärjestelmiä Suomessa Maanmittauslaitos ( o Roll film scanner LH Systems DSW600, Windows XP automatic interior orientation matrix CCD pixel size 4-20 microns geometric precision of < 2 microns (RMSE) 12 bit dynamic range 25

26 strobe light image filtering (sharpen) image pyramids o Kuvankäsittelyohjelmisto Photoshop, WindowsXP. o Skannauksessa käytetään tiilitettyä TIFF:iä. Formaattimuunnoksia tehdään yleisimpiin käytössä oleviin formaatteihin. o Mittausohjelmisto: Leica SocetSet/ Orima Windows XP ja Sun Solaris. o Ortokuvatuotanto: Leica SocetSet o Suuriformaattinen väritulostin HP DesignJet 2500CP, 600 dpi ja filmitulostin Purub ImageMaker. o Aineiston saa CD-tietolevyllä, DAT-nauhalla (4 mm) tai siirtokovalevyllä. o Viitteet Kuvatuotanto Kuvanäytteitä eri resoluutioilla, kuvauskorkeus m, kuvausmittakaava 1:16,000 FM-Kartta Oy ( o Roll film scanner Leica DSW600, Windows XP automatic interior orientation matrix CCD pixel size 4-20µm user selected geometric precision of < 2 microns (RMSE) 12 bit dynamic range strobe light image filtering (sharpen) image pyramids o Kuvankäsittelyohjelmisto Photoshop, WindowsNT. o Suoraan skannerista saadaan tiilitettyä TIFF:iä ja pääjakeluformaatti on TIFF, formaattimuunnoksia tehdään yleisimpiin käytössä oleviin formaatteihin o Mittausohjelmisto Inpho Match-AT o Ortokuvatuotanto PCI OrthoEngine o Suuriformaattinen väritulostin HP 2500 (600 dpi) o Aineiston saa CD-R, DVD-R, DVD+R, LTO 100/200 GB FINNMAP, FM-International Digitointi mikrodensitometrillä Mikrodensirometrillä voi skannata kuvia, ja näin tehtiin aiemmin yksinomaan. Tällaiset filmiskannerit olivat rumpuskannereita, joissa skannausliike toteutettiin yhteen suuntaan rumpua kiertämällä ja toiseen suuntaan densitometriä siirtämällä. Joissakin laitoksissa densitometrin pää liitettiin fotogrammetriseen komparaattoriin ja skannausliikkeet toteutettiin kuvakannattimen liikkeillä. Tällaisessa tasoskannerissa kuvaliike oli ohjattavissa kertaluokkaa tarkemmin kuin rummulla, koska komparaattorin paikoitustarkkuus on luokkaa mm ilmakuvan kuva-alalla 250 mm x 250 mm. Nykyiset digitointilaitteet ovat yhä edelleen fotogrammetrian käytön kannalta komparaattoreita. Densitometri on korvattu CCD-kuva-anturilla, joka koostuu matriisimuotoon järjestetyistä puolijohdeilmaisimista. Kuva-anturit lukevat kuvaa tehokkaammin kuin mikrodensitometri, mutta densitometrin lukupäänä toimivan valovahvistimen (PMT, photomultiplier tube) dynamiikka on puolijohdeilmaisimia 26

27 parempi. Tällä on merkitystä erityisesti silloin, kun luetaan sävyltään tummia negatiiveja. Viitteet o Byurakan Astrophysical Observatory "PDS 1010A micro-densitometer is installed in late 1970s. The microdensitometer system operates with PDP-8 computer PDS 1010A micro-densitometer system is designed to take very accurate readings of the density information of very small areas of photographic plates or film and determine the precise location of these areas in reference to each other. These readings are converted to bits of information which are stored on the storage unit of computer." "The PDS 1010A micro-densitometer consists essentially of three systems: one to measure density or transmission information, one to move the Stages in either or both X and Y axes, and one to generate precise Stage position information." "The position accuracy of PDS is equal to 1 micron on both X and Y axes. The maximal speed of Stage motion is 40 mm per second. The PDS has various actual scanning apertures. The micro- densitometer PDS 1010A allows to digitize astronomical images of sizes up to 250 mm x 250 mm. Last about 25 years PDS 1010A stays as most heavily used equipment in the observatory. Thousands images and spectra have been measured on it for spectrophotometric study of stars and galaxies and surface photometry of galaxies." Esimerkki skannausohjeista Maa- ja metsätalousministeriön peltolohkojärjestelmän ortoilmakuvatuotannon laatujärjestelmässä on annettu seuraavat suositukset skannaukselle: Skannerin ominaisuuksien, skannerin seuranta- ja kalibrointimenettelyjen sekä skannausmenettelyjen tulee olla vähintään FKS:n suositusten (1998) sekä Kaavoitusmittausohjeiden (2003) tasoisia. Lisäksi noudatetaan seuravia vaatimuksia. Skannerin geometrinen ja radiometrinen laatu tulee kullakin tuotantokaudella tarkastaa vähintään ennen ja jälkeen skannausprosessin käyttäen tarkkuusgitteriä sekä harmaakiilaa ja/tai väritaulua. Skannauksessa käytettävän pikselikoon tulee olla maastossa 0,5 m x 0,5 m tai pienempi. 1: mittakaavassa tämä vastaa pikselikokoa 16 µm. Mikäli skannauksen yhteydessä suoritetaan reunamerkkimuunnos, suoritetaan 100% jäännösvirheiden tarkastus. Toleranssiarvon ylittävät jäännösvirheet raportoidaan ulkoiseen laadunvalvontaan viimeistään tuotantoraportin yhteydessä. Reunamerkkimuunnosten laadunvalvonnasta laaditaan laaturaportti ja toimitetaan skannauksen laaturaportin yhteydessä ulkoiseen laadunvalvontaan. Skannausparametrit säädetään kuvauskohtaisesti käyttäen kuvaa (kuvia), jolla on sopivassa suhteessa peltoja ja metsää. Näin saavutetaan tasainen lopputulos. Olosuhteiden vaatiessa kuvaus jaetaan osiin, joille kullekin valitaan sopivat skannausparametrit. Yksittäisillä kuvilla kuvauskohtaiset parametrit eivät ole välttämättä optimaaliset. Prosessissa tulee kuitenkin varmistua, että myös yksittäisten kuvien laatu on riittävä. Skannauksessa tulee säilyttää ilmakuvien radiometrinen ja spektraalinen informaatio mahdollisimman hyvin. 27

28 Skannauksesta laaditaan kullekin erälle laaturaportti, joka toimitetaan viipymättä ulkoiseen laadunvalvontaan. Digitaalisen ilmakuvan radiometrista laatua voidaan arvioida histogrammin avulla. Ilmakuvan histogrammi riippuu alkuperäisestä ilmakuvasta, kuvauskohteesta sekä tehdyistä sävynsäädöistä. Hyvässä histogrammissa käytetään koko sävyskaala tehokkaasti hyväksi, jolloin histogrammin ääripäissä ja muualla histogrammin alueella ei esiinny käyttämättömiä sävyarvoja. Kuvan histogrammissa ei tule esiintyä suuria piikkejä ääriarvojen kohdalla, sillä usein tämä merkitsee kuvan puhkipalamista. Myös kuvalla olevat laajat alueet yhtenäistä sävyarvoa usein merkitsevät radiometrisiä ongelmia. Kokonaisheijastukset vedestä ja esim. peltikatoista voidaan hyväksyä ja niiden prosessointi ei saa vääristää kuvien sävynsäätöä. Kirjallisuutta Anders Boberg, Introduktion till fotogrammetrin, KTH, Stockholm, ASPRS Chapter 7.6: Photogrammetric Scanners. Manual of Photogrammetry, s Risto Ilves Digitaalinen ilmakuvatuotanto, 1998 Maiju Witikainen Digitaaliset ilmakuvat tiesuunnittelussa, 1997 Otto Kölbl Preliminary Results of the OEEPE Scanner Test Lausanne, 1996 O. Kölbl, U. Bach Tone Reproduction of Photographic Scanners Lausanne, 1996 Joan Romeu PS1 in a digital environment of image an restitution map production. Work flows Failures & Quality. Lausanne, 1996 Emmanuel P. Baltsavias DeskTop Publishing Scanners Lausanne, 1996 Emmanuel Baltsavias. On the performance of photogrammetric scanners. Photogrammetric Week, Karsten Jacobsen Experiences with the Rastermaster RM1 Lausanne, 1996 Maa Fotogrammetrinen kartoitus Luento-ohjelma