KANSALLINEN MAASTOTIETOKANTA-HANKE (KMTK) KMTK KUNTIEN TUOTANTOPROSESSIT: SELVITYS RPAS-MENETELMISTÄ

Transkriptio

1 KANSALLINEN MAASTOTIETOKANTA-HANKE (KMTK) KMTK KUNTIEN TUOTANTOPROSESSIT: SELVITYS RPAS-MENETELMISTÄ

2 Sisältö 1 Yleistä Lyhenteistä ja termeistä Yleistä RPAS-järjestelmistä RPAS-järjestelmän osat Kauko-ohjattavat ilma-alustyypit Hyötykuorma Näkyvänvalon kamerat Action -kamerat Pokkarikamerat Järjestelmäkamerat Huomioitavaa kameroista Muu hyötykuorma Lentomenetelmät Erilaiset kuvausmenetelmät Tyypillisiä ilmakuvauskuvioita RPAS-kartoituksen rajoitteista Lähteet

3 1 Yleistä Tämä selvitys on Kansallinen Maastotietokanta-hankkeen (KMTK) KMTK-Kuntien tuotantoprosessitprojektin selvitys erilaisista miehittämättömistä ilma-aluksista ja niissä käytetyistä mittalaitteista ja menetelmistä. Selvitykseen on pyritty tiivistämään lyhyesti oleelliset asiat, jotka on syytä ottaa huomioon erityisesti kartoitustoiminnassa. Tässä selvityksessä keskitytään esittelemään miehittämätön ilma-alusjärjestelmä ja siihen kuuluvat osat, sekä miehittämättömillä ilma-aluksilla suoritettavassa kartoituksessa käytetyt menetelmät yleisellä tasolla. Tarkempi kuvaus mittausaineiston prosessoinnista, lopputuotteiden muodostamisesta ja tuotantoprosessista esitetään myöhemmissä selvityksissä. Kommentit ja kyselyt selvitykseen liittyen KMTK-Kuntien tuotantoprosessit-projektin projektipäällikölle: Olli Nevalainen 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 miehittämätöntä ilma-alusta ohjaa pilotti eli kyseessä on kaukoohjattu ilma-alus, eikä kyseessä ole esimerkiksi autonominen miehittämätön ilma-alus. Tässä selvityksessä käytetään termiä RPAS, sillä nykyinen toiminnan, etenkin kartoituksessa taajamaalueilla, täytyy tapahtua kauko-ohjaajan toimesta. Lisäksi tässä selvityksessä käytetään termiä miehittämätön tai kauko-ohjattava ilma-alus, sillä Liikenteen turvallisuusviraston (Trafi) määräyksessä kauko-ohjattu ilma-alus on määritelty ammatilliseen toimintaan käytettynä RPAS-järjestelmänä, kun taas kauko-ohjattava lennokki on harrastetoiminnasta käytetty termi RPAS-järjestelmälle. Kyseessä voi siis olla sama laite, mutta eri termiä käytetään eri käyttötarkoituksissa 2 Yleistä RPAS-järjestelmistä RPAS-järjestelmät ovat viime vuosina yleistyneet huimaa vauhtia ammatillisessa ja harrastelukäytössä. RPAS-järjestelmien hinnat ovat nykyään sillä tasolla, että niiden hyödyntäminen eri sovelluksissa, kuten kartoitustoiminnassa, alkaa olla kustannustehokasta. RPAS-järjestelmien yleistyessä myös saatavilla olevien ohjelmistojen tarjonta on parantunut, joten RPASilmakuvausten suunnittelu, sekä lopputuotteiden, kuten ortokuvien ja pintamallien, valmistaminen onnistuu nykyään melko automaattisesti. 2.1 RPAS-järjestelmän osat RPAS-järjestelmä koostuu ilma-aluksesta, hyötykuormasta, kauko-ohjaajasta ja maa-asemasta. Maa-asema koostuu kauko-ohjaimesta, jolla voidaan ohjata ilma-alusta ja lähettää sille komentoja. Lisäksi maaasemaan usein sisältyy tietokone, johon ilma-aluksesta lähetetään ajantasaista tietoa ilma-aluksen toiminnasta ja liikkeistä eli telemetriaa (mm. nopeus, sijainti, suunta). Maa-asema ja pilotti ovat jatkuvassa kaksisuuntaisessa yhteydessä lentolaitteeseen 3

4 Itse ilma-alus koostuu useasta eri komponenteista, joita ovat: Runko Roottorit Autopilotti Paikannusjärjestelmä (GNSS) Inertiajärjestelmä, joka mittaa ilma-aluksen asentoa (IMU, Inertial Measurement Unit) Radiolähettimet, maa-aseman kanssa kommunikointiin Akku tai polttomoottori Hyötykuorma, esim. kamera Teline hyötykuorman kiinnittämiseen (mahdollisesti käännettävä teline kameran kallistamista varten) KUVA 1 RPAS-JÄRJESTELMÄ KOOSTUU ILMA-ALUKSESTA, HYÖTYKUORMASTA, KAUKO-OHJAAJASTA JA MAA-ASEMASTA. LÄHDE: Lisäksi ilmakuvapohjaista kartoitusta varten tarvittavia kalustoja ovat: Maastotukipisteet ja mahdollisesti niiden näkyvöittäminen ilmakuvasignaalein Maastotukipisteiden sijainnin määrittämistä varten GNSS-laitteisto Radio- tai matkapuhelimet kauko-ohjaajan ja tähystäjän yhteydenpitoon RPAS-toimintaan kuuluu myös tietokoneohjelmistot, joita tarvitaan lennon monitorointiin ja suunnitteluun ja aineiston prosessointiin. Lennon suunnitteluun tarkoitetut ohjelmistot mahdollistavat lentokuvion, -ajan ja -nopeuden määrittämisen, sekä kuvanottopaikkojen ja kuvauspeittojen suunnittelun kuvattavalle alueelle. 4

5 Ilmakuvausaineiston prosessointia varten on olemassa useita fotogrammetrisia ohjelmistoja. Nämä ohjelmistot ovat nykyään melko automaattisia ja käyttäjän tehtäväksi jää usein maastotukipisteiden osoittaminen kuvilta ja blokkitasoituksen ja lopputuotteiden laadun varmistaminen. Muuten laskenta ja lopputuotteiden muodostus, kuten pistepilvien, ortokuvien ja pintamallien, onnistuu suoraviivaisesti, jos vain aineisto on kunnossa. 3 Kauko-ohjattavat ilma-alustyypit Miehittämättömiä ilma-aluksia on monia erilaisia. Ne eroavat pääasiassa toimintaperiaatteen ja koon mukaan. Erityyppisillä ilma-aluksilla on omat hyvät ja huonot puolensa ja käytettävä ilma-alus valitaankin sen sovelluskohteen mukaan. Toimintaperiaatteeltaan ilma-alukset voivat olla mm. kiinteäsiipisiä, helikoptereita, multikoptereita, palloja, tai ilmalaivoja. Seuraavassa on lyhyesti esitelty käytetyimpiä ilmaalustyyppejä ja niiden ominaisuuksia. Multikopteri Multikopterien toiminta perustuu kopterissa oleviin useampaan nostavan tai laskevan voiman muodostavaan roottoriin, joiden pyörimisnopeuksia ja -suuntia muuttamalla kopteri saadaan kääntymään ja kallistumaan haluttuun suuntaan. Yleisimpien multikopterien roottorien lukumäärä vaihtelee kolmesta kahdeksaan roottoriin. Ominaisuudet: Multi- ja helikoptereilla on mahdollista lentää hitaasti, minkä ansiosta voidaan kasvattaa ilmakuvauksen kuvapeittoja ja täten parantaa kuvien välisten vastinpisteiden löytämistä ja kameran orientointitietojen määrittämistä, mikä parantaa laskettavan pistepilven ja pintamallin tarkkuutta. Toisaalta kyseisillä ilma-aluksilla ei ole mahdollista lentää yhtä nopeasti kuin kiinteäsiipisillä ilmaaluksilla. Multi- ja helikoptereilla on myös mahdollista suorittaa lentoon lähtö ja lasku hyvinkin ahtaissa paikoissa, sillä niillä pystytään nousemaan ja laskeutumaan suoraan ylös ja alas. Soveltuvuus: Multi- ja helikopterit soveltuvat hyvin tapauksiin, jossa kaivataan suurta maastoresoluutiota ja kuvapeittoa 5

6 KUVA 2 ESIMERKKI MULTIKOPTERISTA. KUVA: OLLI NEVALAINEN Kiinteäsiipinen Kiinteäsiipisten ilma-alusten toiminta perustuu samoihin periaatteisiin kuin perinteisten miehitettyjen lentokoneidenkin. Ilma-alukseen saadaan noste siivillä ja roottorilla, joka muodostaa työntävän tai vetävän voiman. Ominaisuuksia: Kiinteäsiipisillä ilma-aluksilla voidaan lentää nopeasti, minkä vuoksi niillä voidaan kattaa yhdellä lennolla laajempia alueita kuin multikoptereilla. Nopea lentonopeus aiheuttaa kuvapeittojen pienentymisen. Kiinteäsiipiset tarvitset yleensä lentoonlähtöä varten kiitoradan tai esimerkiksi katapultin, mistä johtuen ne tarvitsevat nousuja ja laskuja varten laajemmat alueet kuin multikopterit. Soveltuvuus: Kiinteäsiipiset ilma-alukset sopivat hyvin kartoituksiin, jossa kartoitettava alue on laaja 6

7 KUVA 3 ESIMERKKI KIINTEÄSIIPISESTÄ KAUKO-OHJATTAVASTA ILMA-ALUKSESTA. LÄHDE: Miehittämättömiä ilma-aluksia on myös paljon eri kokoluokissa. Suuremmilla ilma-aluksilla pystytään lentämään pitkiä matkoja ja kattamaan laajoja alueita, mutta ne vaativat käytännössä erikoislupia ja ilmatilavarauksia, mistä syystä ne eivät sovellu kartoitustoimintaan asutuilla alueilla. Ne ovat myös hinnaltaan huomattavasti kalliimpia. Suuria miehittämättömiä ilma-aluksia esiintyy pääasiassa sotateollisuudessa. 4 Hyötykuorma Miehittämättömiin ilma-aluksiin voidaan kiinnittää monia erilaisia sensoreita. Näistä tyypillisin ja oleellisin kartoitustoiminnalle on näkyvän valon kamera. Koska kameraa käytetään kartoitukseen, jossa mittaustarkkuus ja -luotettavuus ovat tärkeitä, täytyy kameran ominaisuuksiin, kuten valovoimaan, kalibroitavuuteen ja sen stabiiliuteen, kiinnittää hyvin huolta. Muita mahdollisia kartoitukseen soveltuvia hyöytykuormia ovat laserkeilaimet ja erikoiskamerat, kuten lämpökamerat tai multi- tai hyperspektraaliset kamerat. 4.1 Näkyvänvalon kamerat Erityyppisillä kameroilla on omat hyödyt ja heikkoutensa, jotka on syytä huomioida kartoituskuvauksia tehtäessä, sille ne oleellisesti vaikuttavat aineiston tarkkuuteen ja laatuun. Seuraavassa on esitelty lyhyesti tyypilliset kameratyypit, joita voidaan käyttää RPAS-ilmakuvauksessa Action -kamerat Kalansilmäoptiikalla varustettu hyvin kevyt kamera valo- tai videokuvaukseen. Hyvin pieni fyysinen pikselija sensorikoko. 7

8 Hyödyt: Kevyt ja edullinen ratkaisu Heikkoudet: Kameran ja kuvien heikko laatu Suuri maastopikselikoko jo matalilla lentokorkeuksilla Perspektiivivääristymät Kalansilmäobjektiivin haasteet, etenkin kameran kalibroinnissa Pokkarikamerat Yleensä kiinteä tai zoom-objektiivi, joka vetäytyy kameran sisään. Pikselikoko vaihtelee hyvin pienestä kohtalaisen isoon. Hyödyt: Kevyt Kohtalaisen kokoinen pikseli Heikkoudet: Sammutuksen yhteydessä vetäytyvä optiikka aiheuttaa usein kalibroinnin muutoksia, mikä huonontaa mittaustarkkuutta ja -luotettavuutta Järjestelmäkamerat Suurella pikselin koolla ja kennolla varusteltu kamera, jossa erillinen vaihdettava objektiivi. Hyödyt: Hyvä kuvan laatu Vaihdettava optiikka, jolloin voidaan valita tilanteeseen sopiva objektiivi Antialiasoimaton kenno, mistä syystä yksityiskohdat tulevat paremmin esille Hyvä kennon dynamiikka Heikkoudet: Kamera on painava Optiikan irrotus ja kiinnitys muuttavat kameran kalibrointia (sisäistä orientointia) Huomioitavaa kameroista Etenkin kuluttaja kameroiden suhteen on syytä huomioida joitain ominaisuuksia, joista saattaa olla haittaa lopputuotteiden laatuun. Kameran sulkimen toimintaperiaate Kameroiden suljin on joko rolling shutter tai global shutter -tyyppinen. Jos koko kenno valotetaan samanaikaisesti, niin kysessä on global shutter -tyyppinen suljin. Jos vain osa kennosta valotetaan kerrallaan, kyseessä on rolling shutter -suljin. Tästä johtuen liikkeessä kuvatessa rolling shutter -tyypinen kamera ei valota kuvaa yhdessä pisteessä, vaan kameran projektiokeskuksen paikka muuttuu kuvauksen hetkellä, mikä aiheuttaa kuviin vääristymiä. 8

9 Esimerkkejä vääristymistä on Kuva 4. Rolling shutter -suljin on hyvin yleinen kuluttajakameroissa, sillä se on halvempi ja helpompi valmistaa. Suljintyypillä on erityisesti merkitystä kun lennetään matalalla ja nopealla vauhdilla. Rolling-shutter sulkimen aiheuttamia vääristymiä on myös mahdollista kompensoida matemaattisella kuvakorjauksella. KUVA 4 ESIMERKKI "ROLLING SHUTTER"-TYYPPISEN SULKIMEN AIHEUTTAMISTA VÄÄRISTYMISTÄ LIIKKUVALLE KOHTEELLE. Bayer matriisi Bayer-matriisi on yleisesti kuluttajakameroissa käytetty kameran kennon edessä oleva suodin, joka mahdollistaa värien erottelun. Suotimen takia värikanavien resoluutio on ½ tai ¼ kennon resoluutiosta. Bayer-matriisista johtuen harmaat kohteet ovat terävämpiä kuin värilliset. KUVA 5 BAYER-MATRIISI. LÄHDE: WIKIPEDIA. 9

10 Antialisointi Antialiasointisuodinta käytetään kameroissa pehmentämään kuvaa miellyttävämmäksi katsoa. Suodin vähentää Moiré-kuviota. Antialiasointisuodin on kuluttajakameroissa todella yleinen ja on yleensä kamerassa, jos sen puuttumista ei erikseen mainita. Mittauskameroissa kyseinen suodin ei ole hyödyllinen sillä se aiheuttaa resoluution heikkenemisen. KUVA 6 ESIMERKKI ANTIALIASOINNIN VAIKUTUKSESTA KUVAAN. LÄHDE: Muu hyötykuorma Laserkeilaimet Pieniä laserkeilaimia, joita voidaan kiinnittää kauko-ohjattaviin ilma-aluksiin, on jo olemassa ja niitä luultavasti tulee saataville useampia tulevaisuudessa sensorien pienentyessä. Tällä hetkellä niiden käyttämisen suurin rajoitus on niiden paino. Laserkeilainten etuna on etenkin parempi läpäisykyky mm. kasvillisuuden läpi, josta on hyötyä puustoisilla alueilla, sekä riippumattomuus auringon valosta ja muuttuvista valaistusolosuhteista. Spektrikamerat Multi- ja hyperspektraalisilla kameroilla voidaan kuvata näkyvän valon ulkopuolella, kuten lähi-infrapunaalueella, mikä voi mahdollistaa erilaisten kohteiden paremman luokittelun, kuten rakennusten ja kasvillisuuden. Myös tällaisia spektrikameroita on jo kaupallisesti saatavilla, mutta ne ovat usein kalliita tai niiden massa rajoittaa niiden käytettävyyttä RPAS-kuvauksessa. Lämpökamerat Lämpökamerat soveltuvat parhaiten kasvillisuuteen liittyvissä mittauksissa tai esimerkiksi rakennusten lämpövuotojen havaitsemiseen. Itse karttatuotantoon ne eivät erityisen hyvin sovellu. 10

11 5 Lentomenetelmät Käytännössä RPAS-ilmakuvaus on periaatteiltaan lähes samanlaista kuin miehitetyillä ilma-aluksilla tehtävä kartoitus ilmasta. Kauko-ohjattava ilma-aluksen lento-ominaisuudet, kuten hitaasti ja matalalla lentäminen, ja kuvausgeometria (saman kohteen kuvaaminen useasta eri suunnasta), joka vastaa paljon lähifotogrammetriaa, mahdollistavat maastoresoluutioltaan tarkemman kolmiulotteisen tiedon tuottamisen. Toisaalta RPAS-toiminnalla ei voida kattaa pinta-alaltaan yhtä laajoja alueita kuin perinteisellä miehitetystä lentokoneesta tehtävällä ilmakuvauksella. Perinteisestä stereokuvauksesta, jossa syvyysulottuvuus saadaan kahdelta kuvalta, RPAS-toiminnassa on siirrytty lähemmäs monistereokuvausta, jossa suurilla kuvapeitoilla samat maaston kohteet nähdään usealta eri kuvalta ja kuvaussuunnasta. Tämä ja tietokoneiden laskentateho ovat mahdollistaneet usealta kuvalta nähtävien kohteiden automaattiset tunnistusmenetelmät ja tuhansien vastinpisteiden tunnistamisen kuvilta ja niiden 3D-sijainnin määrittämisen fotogrammetrisin keinoin. Nämä tuhannet tai miljoonat vastinpisteet muodostavat kohteesta kolmiulotteisen pistepilven. RPAS-toiminta mahdollistaa monenlaisia ilmakuvausmenetelmiä ja lentokuvioita. Lentomenetelmän ja - kuvion valinta riippuu aina kuvattavasta kohteesta ja käytössä olevasta ilma-aluksesta. Huomioitavaa on esimerkiksi se, että kiinteäsiipinen ilma-alus tarvitsee laajemmat kääntymissäteet, eikä sillä pysty nousemaan suoraan ylös. Ilmakuvauskuviot täytyy aina suunnitella kartoitettavan kohteen ja mittaustavoitteiden mukaan, mutta seuraavassa on esitelty joitain yleisiä RPAS-ilmakuvauksessa käytettyjä ilmakuvausmenetelmiä. Kuvaussuunnitelma tehdään etukäteen yleensä autopilotin omalla ohjelmistolla. Suunnitelmaan merkitään halutut lentolinjat reittipisteiden avulla. Kuvaussuunnitelma laaditaan määriteltyjen lopputuotteiden ja niiden haluttujen tarkkuuksien perusteella. Lopputuotteiden tarkkuuksiin vaikuttavat kuvanottoväli, lentonopeus ja -korkeus, sekä käytettävän kameran ominaisuudet, kuten kameran polttoväli ja sensorikoko. 5.1 Erilaiset kuvausmenetelmät Pystykuvaus Perinteisessä pystykuvauksessa kohdetta kuvataan ylhäältä päin (nadiirista) kameran ollessa kohtisuoraan alaspäin lentosuuntaan nähden. Pystykuvaus on käytetyin ja toimivin kuvaustapa kaikkeen kartoitukseen. Viistokuvaus Viistokuvauksessa kameraa kallistetaan viistoon, jolloin maastoa ei kuvata suoraan ylhäältä päin, vaan hieman sivulta viistosta. Kameraa kallistetaan käännettävän telineen avulla. Viistokuvaus soveltuu erityisesti 3D-rakennusmallien tekemiseen, sillä rakennusten julkisivut saadaan paremmin kuviin. Tällöin pystytään mittauspisteiden lisäksi saamaan kuvat rakennusten julkisivujen tekstuureista, joita voidaan hyödyntää 3D-mallien visualisoinneissa. 5.2 Tyypillisiä ilmakuvauskuvioita Perinteinen ilmakuvauskuvio Sopii hyvin tasaiselle maastolle. Jos alueella on huomattavat korkeuserot, eri lentolinjat voidaan lentää eri korkeuksilla. Tavallisesti 80 % pystypeitolla ja 60% sivupeitolla, mutta haastavammalle maastolle suositellaan suurempia peittoja. (Grenzdörffer & Cramer, 2016) 11

12 KUVA 7 PERINTEINEN ILMAKUVAUSKUVIO. LÄHDE: GRENZDÖRFFER & CRAMER, Perinteinen ilmakuvauskuvio poikittaisilla linjoilla: Perinteisiin ilmakuvauskuvioon kannattaa tarvittaessa lisätä poikittaisia lentolinjoja, jos kyseessä on erityisen haastava maasto, jossa on mahdollisesti paljon katveita. Esimerkiksi rakennetuilla alueilla rakennusten aiheuttamia katveita voidaan vähentää. Haastavilla alueilla useamman lentokuvion lentäminen eri maastoresoluutiolla saattaa parantaa aineiston täydellisyyttä. Samaan lentokuvioon on myös mahdollista sisällyttää sekä pysty- että viistokuvausta, joka voi olla hyödyllistä kaupunkialueilla. (Grenzdörffer & Cramer, 2016) KUVA 8 PERINTEINEN ILMAKUVAUSKUVIO POIKITTAISILLA LINJOILLA. LÄHDE: GRENZDÖRFFER & CRAMER, Käytäväkuvio 12

13 Tällainen kuvio sopii erityisesti esimerkiksi teille ja joille. Tavallisesti 80 % pystypeitolla ja 60% sivupeitolla. Suositellaan minimissään kolmea lentolinjaa, jotta ongelmia lopputuotteiden korkeuden deformaatiossa ja itsekalibroinnissa pystytään välttämään. (Grenzdörffer & Cramer, 2016) KUVA 9 KÄYTÄVÄKUVIO. LÄHDE: GRENZDÖRFFER & CRAMER, 2016 Kohteiden kiertäminen ja viistokuvaus Tällainen kuvio soveltuu tapauksiin, joissa kartoitettavana kohteena on esimerkiksi yksi rakennus, josta halutaan saada kattava 3D-malli. Lentokuviossa kohdetta kuvataan viistokuvaamalla eri suunnista ja kiertämällä kohdetta eri korkeuksilla. Lisäksi voidaan ottaa kuvia pystykuvauksella kohteen yläpuolelta. Maksimikuvauskulman muutos kuvien välillä on noin 10 astetta. (Grenzdörffer & Cramer, 2016) KUVA 10 KOHTEIDEN KIERTÄMINEN JA VIISTOKUVAUS. LÄHDE: GRENZDÖRFFER & CRAMER,

14 5.3 RPAS-kartoituksen rajoitteista Miehittämättömien ilma-alusten toimintasädettä ja kartoitettavien alueiden laajuutta rajoittavat lentoaika sekä turvallisuusmääräykset. Sähkökäyttöisten ilma-aluksen lentoaika määräytyy akkujen kapasiteetin mukaan. Suuremman kapasiteetin akut tai akkujen lisääminen kasvattavat ilma-aluksen lentoon lähtömassaa, joka taas lisää sähkön kulutusta sekä mahdollisesti tekee ilma-aluksesta liian painavan lentoon nousemiseksi. Tästä syystä akkukapasiteetin lisäämisellä ei voida suoraan kasvattaa lentoaikoja. Akkuteknologia kehittyy jatkuvasti, mistä johtuen lentoajat tulevat tulevaisuudessa todennäköisesti kasvamaan. Lisäksi Trafin turvamääräykset asettavat rajoja sallitulle lentoonlähtömassalle ja vaativat jatkuvan näköyhteyden ilma-alukseen. 6 Lähteet Grenzdörffer Görres & Cramer Michael, 2016, RPAS in Land Survey, EuroSDR (European Spatial Data Research) Eduserv 14 course material. 14