The Photogrammetric Journal of Finland, Vol. 22, No. 3, 2011 200 VUOTTA FOTOGRAMMETRIAN JA KAUKOKARTOITUKSEN HISTORIAA Henrik Haggrén Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu, Fotogrammetria ja kaukokartoitus henrik.haggren@aalto.fi TIIVISTELMÄ Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia jaetaan mittapöytäfotogrammetrian, analogisen, analyyttisen ja digitaalisen fotogrammetrian aikakauteen. Kukin alkaa jostain oman aikansa merkittävästä keksinnöistä, joita ovat olleet valokuva, lentokone, tietokone ja satelliitit. Eri vaiheissa tärkeinä kartoitussovelluksina on esitetty maakuvaus, ilmakuvaus, ilmakolmiointi ja dynaamiset 3D-mallit. Keksinnöt muuttuvat sovelluksiksi tutkijoiden näkemyksistä ja käyttäjien tarpeista. Suomen fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historiassa esimerkkejä onnistuneista ja tarpeellisista sovelluksista ovat esimerkiksi 1920- ja 1930-luvun tykistön ilmakuvakartat ja 1960- ja 1970-luvun ilmakolmiointi. Digitaalisen fotogrammetrian ajan sovelluksia ovat dynaamiset 3Dmallit. Niiden tulevaisuutta arvioidaan käyrillä, jotka esittävät fotogrammetrian ja kaukokartoituksen tekniikoiden 200-vuotista kehitystä. 1. JOHDANTO Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia voidaan jakaa kuvien kartoituskäytön perusteella neljään peräkkäiseen aikakauteen, mittapöytäfotogrammetriaan, analogiseen, analyyttiseen ja digitaaliseen fotogrammetriaan (Konecny, 1983; Konecny, 1985). Historia alkaa valokuvauksen keksimisestä vuonna 1839 ja vaiheistuu noin 50 vuoden pituisiksi jaksoiksi (Kuva 1). Ensimmäisessä jaksossa maakuvia käytettiin mittapöydällä karttaa tekevän topografin havaintokirjana. Toisen jakson eli analogisen fotogrammetrian tärkein sovellus oli ilmakuvaus ja oikaistut ilmakuvakartat. Analyyttisen fotogrammetrian jaksossa sovellukset ohjelmoitiin tietokoneelle ja menetelmät kehittyivät pistetihennykseksi tuottaen tarkkoja maastomalleja. Digitaalisen fotogrammetrian jakso alkoi 1960-luvulla ja jatkuu edelleen. Kuvat digitalisoituivat, valokuvauksen rinnalle tuli uusia kuvaustekniikoita sekä mittaukset tarkentuivat ja nopeutuivat. Ilmakuvakartat muuntuivat dynaamisiksi 3D-malleiksi. Historiassa kehitysjaksot vaiheistuvat myös sisäisesti ja lomittuvat toisiinsa. Jokainen jakso alkaa oman aikansa tieteellisistä ja teknisistä läpimurroista. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historiassa näitä ovat olleet valokuvaus, lentokone, tietokone ja satelliitit. Kaikki merkittävät keksinnöt aktivoivat uuden tutkimusvaiheen, ja keksintöjen parhaat ominaisuudet hyödynnetään uusina sovelluksina. Artikkelissa käydään läpi fotogrammetrian ja kaukokartoituksen 200-vuotista historiaa. Alan kehittymistä teoriasta käytännön sovelluksiksi tarkastellaan kunkin kehitysjakson myötä sekä kansainvälisesti että Suomessa. Lopussa heijastetaan mennyttä historiaa tulevaisuuteen. 9
Kuva 1. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen kehitysvaiheet. Taustakuva on Gottfried Konecnyn julkaisusta vuodelta 1985 (Konecny, 1985). 2. MAAKUVAUS Fotogrammetriaa sovellettiin 1800-luvulla arkkitehtitehtonisiin kuvauksiin ja geodeettisiin mittauksiin. Vaikka ensimmäisiin kokeiluihin sisältyi kuvauksia ilmapallosta, käytännössä työt rajoittuivat maakuvauksiin. Albrecht Meyenbauer perusti Saksaan eli silloiseen Preussin kuningaskuntaan vuonna 1885 Messbildanstalt-nimisen mittakuvalaitoksen. Sen tehtävänä oli dokumentoida ja kuvata kaikki kansallisesti merkittävät julkiset rakennukset. Meydenbauer oli vakuuttunut siitä, että tarkka tieto rakennuksesta voidaan parhaiten tallentaa valokuvalle, koska rakennus kuluu, muuttuu ja lopulta häviää ajan mukana. Hän rakensi tarkoitukseen sopivat kamerat ja valokuvalevyt. Kamerat olivat mukana kulkevia, kokoontaitettavia ja kevytrakenteisia, mutta silti geometrisesti tukevia. Jokaiselle kuvalle tuli mahtua mahdollisimman paljon tietoa kohteesta. Kuvat olivat suuria lasilevyjä, suurimmat kooltaan 40 cm x 40 cm. Meydenbauerin laitos toimi vuoteen 1920 ja kuvia otettiin yhteensä noin 20000 kpl (Albertz, 2001). Arkistossa olevia kuvia käytetään vanhojen ja hävinneiden rakennusten rekonstruoimiseen (Kuva 2). Maakuvien käyttö geodeettisiin mittauksiin oli hankalaa. Maaston tuli olla sovelluskohteissa avoin ja näkymien katveettomia. Kuvausta varten kiivettiin mahdollisimman korkealle, ylös rinteeseen tai lähellä olevan rakennuksen katolle. Yksi varhaisia töitä on Dachelin keitaan kartoitus Libyassa, missä Jordan kuvasi vuonna 1874. Finsterwalder kuvasi Alpeilla jäätiköitä. Hänen kameransa oli fotogrammetrinen teodoliitti eli valokuvausteodoliitti. Tähtäyskaukoputki muodostui okulaarista, joka asetettiin kuvatasolle, ja kameraobjektiivista, jota siirtämällä nostettiin tai laskettiin kuvan horisonttia. Kuvat otettiin kolmiopisteiltä ja kuvattiin panoraamasarjoina. (Jordan, 1897) Fotogrammetrinen kartoitus oli luonteeltaan yksikuvamittausta. Kyse oli mittapöytämittauksesta, missä teodoliitti korvattiin valokuvausteodoliitilla (Kuva 3). Kamera orientoitiin kuten teodoliitti eli se pystytettiin tunnetulle asemapisteelle, tasattiin ja suunnattiin (Kuva 4). Valokuvan etuna oli se, että mittakuvalle tallentui silmänräpäyksessä sekä kohteen näkymä että perspektiivi. Nämä kiinnittyivät asemapisteeseen kuvanottohetkellä. Näkymä tulkittiin kuvalta pisteinä. Koska kartoitus 10
tehtiin jälkikäteen, kartoitettavia pisteitä voitiin valita tarpeen mukaan lisää ja vähitellen piirtää koko näkymä kartalle. Perinteisellä mittapöydällä kohde piirrettiin suuntien ja etäisyyksien avulla. Valokuvausteodoliitilla etäisyysmittauksia ei tarvittu, koska kukin yksityiskohta havaittiin kahdesta eri suunnasta. (Gruber, 1911) Kuva 2. Berliinin historiallisessa keskustassa Spree-joen länsirannalla sijaitseva komendantin rakennus Kommendantur on rekonstruoitu julkisivuiltaan entisen kaltaiseksi Meydenbauerin kuvien perusteella. Kuva 3. Valokuvausteodoliitti, jonka on valmistanut Günther & Tegetmeyer Saksassa Braunschweigissa. Geodesian professori Alfred Petrelius hankki kojeen Teknilliselle korkeakoululle 1900-luvun alussa. Kasimir Sinervä (ent. Sjöstedt) teki sillä diplomityön vuonna 1910. Aiheena oli Hietalahden satama-alueen fotogrammetrinen kartoitus (Savolainen, 1983). Kuva: Raimo Laurén. Valokuvausteodoliitilla mittaaminen oli geodeettisesta eteenpäinleikkauksesta. Kuvat mitattiin koordinatografilla. Kartalle piirrettiin pääpystysuora kuvan asemapisteestä tähtäyspisteeseen. Uusi piste havaittiin kuvalta siten, että luettiin vaakakulma ja tämä suunta piirrettiin kartalle. Kun havainto toistettiin seuraavalla kuvalla, uusi piste piirtyi kartalle. Tarkka paikka voitiin vielä varmentaa kolmannella kuvalla. Kartoitus oli kolmiulotteista. Kun kuvalta mitattiin pystykulma ja kartalta etäisyys, korkeusero kameran projektiokeskuksen ja uuden piirretyn pisteen välillä laskettiin trigonometrisesti. 11
Yksikuvamittaus valokuvausteodoliitin kuvista soveltui rakennusten pohja- ja julkisivupiirrosten mittaamiseen, koska eri kuvilta oli helppo löytää yhteisiä vastinpisteitä. Maastoa kartoitettaessa pisteiden tulkinta oli epävarmaa. Yksiselitteisiä pisteitä oli vähän ja, kun perspektiivi muuttui, vastinpisteiden löytäminen oli seuraavilta kuvilta hankalaa. Tarkassa tunnistamisessa käytettiin apuna kuville piirrettyjä sydänsuoria. Uudet pisteet tihensivät kartan geodeettisen runkoverkon. Maanpinnan topografiaa ei tulkittu kuvilta, koska korkeuskäyrät hahmoteltiin maastossa ja piirrettiin kartalle vasta, kun runkopisteet oli tihennetty. Kuva 4. Maakuva V. G. Teiskonlahden diplomityöstä vuodelta 1923. Tehtävänä oli kartoittaa Lapinniemen tehdasalue fotogrammetrian avulla ja se tehtiin valokuvausteodoliitilla. Kartotettaessa on käytettävä hyväksi Tampereen kaupungin kolmioitusta (Teiskonlahti, 1923). Teodoliitti on tasattu ja suunnattu kiintopisteeseen, joka sijaitsee silloisen Ferrarian tehtaan savupiipussa. 3. ILMAKUVAUS Fotogrammetrian matemaattinen perusta pohjaa deskriptiiviseen geometriaan. Keskiajalla perspektiivikuvia piirrettiin neulanreikäkameralla käyttäen pimeää huonetta, camera obscuraa. Valokuva tallensi muunnoksen kohteesta kuvalle automaattisesti. Guido Hauck rakensi fotogrammetrisen laskimen perspektiivikuvaukselle vuonna 1884 (Brauer, 1891; Albertz, 1981) (Kuva 5). Ohjaimina hän käytti puusäleitä. Stereotarkastelu liittyi fotogrammetriseen mittaamiseen stereokomparaattorissa, jonka Carl Pulfrich kehitti vuonna 1901. Siinä käytettiin avaruusmittamerkkiä, jolla vaakaparallaksihavainnot muunnettiin etäisyyden mittaamiseksi. Eduard von Orel ja Vivian Thompson kehittivät komparaattorista automaattisen stereokartoituskojeen, jossa maakuvahavainnot munnettiin mekaanisten varsien avulla kolmiulotteisiksi koordinaateiksi. Max Gasser kehitti 1915 Multiplex-projektorin, jolla maanpintaa kartoitettiin ilmakuvilta, ja korkeuskäyrät piirtyivät stereomallia tulkitsemalla. Koordinaattien laskemiseen ei tarvittu erillisiä laskutoimituksia, koska analogiset avaruusohjaimet muunsivat koordinaatit kuvaparilta kartalle automaattisesti. (Konecny, 1983) Ilmakuvaus kehittyi erityisesti maailmansotien välisenä aikana 1920- ja 1930-luvuilla. Kartoituskuvauksissa lentokone korvasi ilmapallon ja ilmalaivan. Saksalainen E. O. Messter oli 12
kehittänyt sarjamittakameran jo vuonna 1915. Ilmakuvakameroilla kuvattiin koko kartoitusalue niin, että kuvat peittivät toisensa. Peitot olivat alkuun niukkia, peräkkäisten kuvien ja vierekkäisten jonojen välillä 20-30 %. Kuvaamista tehostettiin suurentamalla kuvakokoa ja käyttämällä laajakulmaista optiikkaa. Lasilevyjen sijaan ryhdyttiin käyttämään mitanpitävää filmiä. Myös filmivalikoima laajeni, kun pankromaattisen lisäksi voitiin kuvata lähi-infrapunaisella valolla. Fotogrammetrian tärkeänä matemaattisena tutkimustehtävänä on alusta alkaen ollut kameran ulkoisen orientoinnin eli kuvauspaikan ja -suunnan määrittäminen kohteen suhteen. Valokuvateodoliitin ulkoinen orientointi määräytyi asemapisteen koordinaattien ja tähtäyssuunnan mukaan. Ilmakuvauksissa asemapistettä ei tunnettu, joten kuva oli orientoitava kohteen näkymän perusteella. Kyse on ns. vapaan asemapisteen määrittämisestä. Kun kohde on kolmiulotteinen, orientointi voidaan laskea kuvan perspektiivin suhteen tarkasti ja yksiselitteisesti. Kuva 5. Vanhin tunnettu mekaaninen laskukoje fotogrammetriassa on Guido Hauckin Perspectograph vuodelta 1884 (Brauer, 1891). Koje piirsi vaaka- ja pystyleikkauskuvien O1 ja O2 perusteella kohteesta perspektiivikuvan O3, kun kameran P ja kuvatason G orientaatio oli annettu (Haggrén, 2004). Alkuun ilmakuvat orientoitiin visuaalisesti. Esimerkiksi piirtomuuntokojeessa kuva heijastettiin kartan päälle, jolloin kuvaa suurentamalla ja pöytälevyä kallistamalla kuva ja kartta voitiin sovittaa yhteen. Sen jälkeen ilmakuvalla näkyvät uudet kohteet piirrettiin kartalle. Orientointi voitiin määrittää laskemalla, mikäli kuvan alueella näkyi vähintään kolme kiintopistettä. Ratkaisu esitettiin pyramidiprobleemana eli taaksepäinleikkauksena avaruudessa (Finsterwalder ym., 1903). Laskutoimitukset olivat hankalia ja kiintopisteiden mittaaminen hidasta. Suomessa kehitettiin 1920-luvulla tykistön kartoitustarpeisiin horisonttikuvausta. Tykistökenraali Vilho Nenosen ja K. G. Löfströmin ajatuksena oli korvata kiintopisteet havaitsemalla kameran ulkoisen orientoinnin suureet kuvaushetkellä. Kallistuskulmat kuvattiin kahteen suuntaan horisontista (Löfström ym., 1930). Vilho Väisälän kehittämällä nestestatoskoopilla pidettiin lentokoneen korkeus kuvanottovälillä vakaana (Väisälä ym., 1932). Näiden havaintojen perusteella kartoitusalueen kuvat oikaistiin yhtenäiseksi ilmakuvakartaksi. Ensimmäinen oikaisukoje, joka Suomeen hankittiin vuonna 1927, oli ranskalaisen Roussilhen valmistama. Nenon-kameran prototyyppi valmistui keväällä 1928 Asevarikko 1:n korjauspajalla Katajanokalla (Kuva 6). Onnistuneiden koetöiden jälkeen Löfström patentoi keksinnön (Löfström ym., 1930). Zeiss Aerotopograph GmbH valmisti ensimmäisen horisonttimittauskameran Nenon RMK C/6 15x15 vuonna 1930. Nenonkameran runkona oli Zeissin sarjavalmisteinen ilmakuvauskamera RMK P 10. Kamerassa oli Zeiss- 13
Tessar -objektiivi, jonka polttoväli oli 165 mm ja kuvakoko oli 15 x 15 cm. (Löfström, 1946; Paulaharju, 1997). Ilmakuvakartta soveltui suurimittakaavaiseen kartoitukseen 1:10000 20000. Horisonttimittauskameran kuvista koottu karttalehti ei vääristynyt, jos se valmistettiin oikaistuista pystykuvista (Kuva 7). Menetelmä soveltui nopeaan kartoitukseen, koska maastossa mitattuja kiintopisteitä tarvittiin vain koordinaattiruuduston sijoittamiseen kartalle. Jatkosodan aikana suomalaiset valmistivat ilmakuvapikakarttoja, jotka olivat joukkojen käytössä runsaan vuorokauden kuluttua kuvaamisesta. (Paulaharju, 1983) Kuva 6. Nenosen horisonttikamera vuodelta 1929 Tykistömuseossa Hämeenlinnassa. Kameran vieressä on Vilho Väisälän konstruoima statoskooppi. (Tykistömuseo, 2007) Kuva 7. Zeiss-Aerotopograph in valmistama oikaisukoje SEG I eli Kaisu Tekniikan museossa. Kojetta käytettiin Suomessa vuosina 1935-1960. Kaisuksi kutsuttu koje osallistui sotiin seuraamalla tiedustelulentueita kenttien läheisyyteen (Tekniikan museo, 2007). 14
Ilmakuvaus stereokartoitukseen soveltuvalla 60 % peräkkäispeitolla yleistyi rullafilmien myötä. Stereokartoitusta tehtiin pienimittakaavaisille topografisille kartoille. Zeissin Aeromultiplexkojeessa oli useita projektoreita jonossa. Ilmakuvat pienennettiin diapositiiveiksi, joilla jonomallin anaglyfikuva heijastettiin kartoituspöydälle. Zeissin stereoplanigrafia käytettiin kolmiointiin, kun kartoille tihennettiin tukipisteitä. Pisteet mitattiin stereomalleilta ja ylivietiin seuraavalle mallille. Näin kuvajonolle muodostui yhtenäinen tiheä pisteverkko, joka sidottiin ilmakolmioinnilla kiintopisteisiin. Maastossa mitattavien kiintopisteiden väliksi riitti jopa 20-30 km. (Paulaharju, 1997) Suurimittakaavaisissa kartoituksissa stereokartoitus yleistyi 1950-luvulla. Yhtenä syynä oli ortoilmakuvien valmistaminen, missä yksityiskohtainen oikaisu edellytti tarkkaa tietoa maanpinnan topografiasta. Bean kehitti 1953 ortofotoskoopin asettamalla Balplex Plotter -stereokartoituskojeen projektiotasolle valotusrummun. Oikaistu ilmakuvapari projisioitiin rummulle ja toinen kuvista valottui kuvakselle pienestä aukosta. Aukko toimi samalla mittamerkkinä, jonka korkeutta muutettiin maanpinnan parallaksihavaintojen mukaan. Maanpintaa havaittiin yhdensuuntaisin profiilein, ja samaan aikaan rumpu pyöri ja valotti ortoilmakuvan kapeina kaistaleina. Jokainen piste ja kaistale kuvautui samaan mittakaavaan. Gigas-Zeissin ortoprojektorissa ortokuvan tarkkuutta lisättiin ottamalla oikaisussa huomioon myös maaston kaltevuus ja kuvan perspektiivi. (Halonen, 1968) 4. ILMAKOLMIOINTI Automaattinen tietojenkäsittely kehittyi fotogrammetrian sovelluksissa 1950-luvulta alkaen. Uki Helava patentoi Kanadassa National Research Councilissa analyyttisen plotterin keksinnön (Helava, 1958). Italialainen OMI Ottica Meccanica Italiana alkoi valmistaa kojeita siviilikäyttöön 1960- luvulla (Konecny, 1983). Analyyttisessä stereokartoituskojeessa mekaaniset orientointiliikkeet ja avaruusohjaimet korvattiin tietokoneohjelmilla. Kuvakannattimet ja mittausoptiikka kytkeytyivät toisiinsa sähköisesti. Kun operaattori kartoitti maastoa stereomallilta, avaruusmittamerkin liike muunnettiin tietokoneella mittausoptiikan liikkeeksi. Murros analogisista kojeista analyyttisiin kesti 20 vuotta. Kun Kansainvälisen fotogrammetrian seuran ISP:n kongressi järjestettiin vuoden 1976 kesällä Helsingissä, analyyttiset plotterit olivat syrjäyttäneet analogiakojeet alan laitekehityksen kärjestä. Analyyttisen fotogrammetrian kehitys oli erityisen nopeaa ilmakolmioinnissa. Tämä johtui avaruustekniikan tutkimuksen tarpeista ja automaattisen tietojenkäsittelyn suomista uusista mahdollisuuksista. Hellmut Schmid ja Duane Brown kehittivät 1950-luvulla fotogrammetriaan tarkat kuvausyhtälöt, jotka soveltuivat ballististen kameroiden kalibroimiseen ja satelliittien ratalaskuihin (Konecny, 1983). Kuvaamalla liikkuvaa tähtitaivasta saatiin aikaiseksi kuvasarja, josta samassa blokkitasoituksessa ratkaistiin kuvien ulkoiset orientoinnit, satelliittien ratapisteiden 3D-koordinaatit, kameran sisäinen orientointi ja objektiivin kuvausvirheet. Suomessa geodesian professori R. A. Hirvonen esitti vuonna 1959 tarkat kuvausyhtälöt, joita sovellettiin sädekimppukolmiointiin kartoitusilmakuvauksissa (Hirvonen, 1959; Hirvonen, 1965). Teknillisen korkeakoulun fotogrammetrian professoriksi nimitettiin vuonna 1960 R.S. Halonen. Analyyttisen fotogrammetrian tutkimus nousi kansainvälisesti merkittävälle uralle, kun Halonen hankki laboratorioon Zeissin PSK II -stereokomparaattorin. Einari Kilpelän väitöstutkimus sädekimppualuetasoituksen blokkideformaatioista loi perustan ilmakolmioinnin käytännön soveltamiselle. Hannu Salmenperä kehitti fotogrammetrista kolmiointia lisäämällä tasoitukseen geodeettiset havainnot maakuvasovellusten tarpeisiin. Juhani Hakkarainen rakensi horisontaali- 15
goniometrin ja kehitti ilmakuvakameroiden kalibrointia yhdessä optiikan alan saksalaisten ja sveitsiläisten laitevalmistajien ja tutkimuslaitosten kanssa. Einari Kilpelä johti 1980-luvulla laajaa kansainvälistä yhteistutkimusta, jossa perusteellisin koetöin selvitettiin kamerakalibroinnin lisäparametrien käyttö ilmakolmioinnissa. Aktiivinen osallistuminen alan tutkimusyhteistyöhön ISPRS:n ja OEEPE:n puitteissa loi sen kansallisen perustan, jonka varaan suomalaiset yritykset rakensivat ilmakuvakartoituksesta yhä tänä päivänä menestyvän vientituotteen (Kuva 8). Kuva 8. Suomalaiset kartoitusalan yritykset kansainvälistyivät 1960-luvulla. Vientiprojekteissa oli mahdollisuus investoida uusimpaan ilmakuvaus- ja kartoitustekniikkaan, tasata työhuippuja kotimaassa ja saada tarpeellista kokemusta yhä haastavampiin asiantuntijatehtäviin (Wik, 1990). Kuvat ovat FM-International Oy FINNMAP:in 60-vuotishistoriikista (FM-International, 2011). 5. DYNAAMISET 3D-MALLIT Digitaalisen fotogrammetrian kehitys alkoi puolijohdetekniikasta, mikä toi mukanaan transistorit, mikropiirit ja CCD-kennot. Jo vuonna 1955 P. Rosenberg julkaisi Photogrammetric Engineering lehdessä teorian siitä, miten ilmakuvat prosessoidaan kuvauslennolla (Rosenberg, 1955). Ensimmäiset Landsat-satelliittikuvat yleistyivät tutkijoiden siviilikäytössä 1970-luvulla. Kuvat olivat monikaistaisia keilainkuvia ja soveltuivat luonnonvarojen inventointiin (Kuittinen ym., 2011). Vuonna 1986 saatiin ranskalaisen SPOT-satelliitin kuvia, jotka oli otettu rivikeilaimella ja geometrisesti riittävän tarkkoja, jotta ne soveltuivat maanpinnan stereokartoitukseen. Digitaaliset kuvat, tietokoneen kuvamuistit ja kuvankäsittelytekniikka tekivät mahdolliseksi rakentaa mittaus- ja kartoitusjärjestelmiä, jossa ei käytetty lainkaan mekaanisia ohjaimia. Suomessa tätä kehitystyötä tehtiin 1980-luvulla Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa VTT:ssä. Tapani Sarjakoski esitti digitaalisen stereokartoituskojeen konseptin vuonna 1981 (Sarjakoski, 1981). Tosiaikainen 3D kuvamittausjärjestelmän prototyyppi teollisuuden laadunvarmistussovelluksiin kehitettiin digitaalisen kuvankäsittelyn tutkimusohjelmassa vuosina 1982-1984 (Haggrén, 1986). Ensimmäinen väärävärivideokamera toimitettiin Karelsilva Oy:lle vuonna 1991 ja AISA-spektrometri valmistui vuonna 1992. (Parmes, 2011) Tultaessa 2000-luvulle digitaaliset ilmakuvakamerat ovat korvanneet filmiskannerit ja koko tuotantoprosessi ilmakuvauksesta kartoiksi on muuttunut digitaaliseksi. Kameroilla kuvataan samanaikaisesti mustavalko-, väri- ja väri-infrakuvaa. Sovellukset kehittyvät uusien kuvaus- ja 16
paikannustekniikoiden myötä. Hyperspektrikameralla mitataan spektri jokaiselle kuvan pisteelle. Interferometrisella SAR-kuvalla tutkitaan maanpinnan muotoja ja polarimetrisella SAR-kuvalla puustotietoja. Laserkeilaimella kuvataan 3D-ympäristöä tiheänä pistepilvenä. Kuvausten navigointiin ja kuvien suoraan georeferointiin käytetään satelliitti- ja inertiapaikannusta. Mobiilit kartoitusjärjestelmät ovat matalalla tai maan päällä liikkuvia kartoitusjärjestelmiä, joissa kuvaus- ja paikannustekniikoita integroidaan yhteiseen alustaan (Kuva 9). Jatkuvan laite- ja sovelluskehityksen myötä Suomeen on syntynyt uusia fotogrammetrian ja kaukokartoituksen vientituotteita (Kuva 10). Kartoituksen digitalisoitumisen myötä kuvat muuttuvat dynaamisiksi 3D-malleiksi. Uudet visuaaliset sovellukset esimerkkeinä geograafiset 3D-käyttöliittymät, Imax-teatterien panoraamakuvat, stereoelokuvien tuotanto, ympäristömuutosten havainnollistaminen, henkilökohtaiseen navigointiin liittyvät fly through ja walk through -esitykset edellyttävät rakennetusta ja luonnonympäristöstä kerätyn 3D-tiedon tarkkaa yhteensovitusta, yksityiskohtaisuuden mittakaavattomuutta, geometrista oikeellisuutta ja värien ja valaistuksen luonnonmukaisuutta. Merkittävä tutkimustarve kohdistuukin kuvaavien sensorien mallintamiseen, integroitujen järjestelmien kalibroimiseen ja alkuperäisten havaintojen epävarmuuden huomioimiseen (Hyyppä ym., 2009). Kuva 9. Geodeettisen laitoksen mobiili kartoitusjärjestelmä FGI Roamer (Chen, 2009). Kuva 10. Suomalaisia fotogrammetrian ja kaukokartoituksen alan vientituotteita 2000-luvulla. 17
6. TULEVA KEHITYS Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historian aikana kuvaus- ja laskentatekniikat ovat muuttuneet analogisista digitaalisiksi. Tämä on lyhentänyt tiedon keruusen kuluvan ajan vuorokausista sekunnin murto-osiin ja kuvien käsittelyyn kuluvan ajan vuosista sekunneiksi (Kuva 11). Maanmittauslaitos aloitti ilmakuvilta tehtävän peruskartoituksen Suomessa 1940-luvulla ja kartta valmistui koko maasta vuonna 1977. Tällä hetkellä maastotietokannan ajantasaisuus on viisi vuotta (Maanmittauslaitos, 2011). Sebastian Finsterwalder kuvasi vuonna 1899 Gars am Innissä ilmapallolla kuvaparin, mittasi näkymää piste pisteeltä ja sai kartan valmiiksi kolmen vuoden kuluttua (Konecny, 2010). Nyt laserkeilaimilla mitataan tuhansia 3D-pisteitä sekunnissa (Zhu, 2011). Amerikkalaisen Digital Globe -yrityksen WorldView-satelliitit kuvaavat maanpintaa puolen metrin pikselikoolla ja toistavat kuvan 30 sekunnissa (Jordan, 2010; Deilami ym., 2011). Kuva 11. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia kuvattuna kartoitusnopeuden ja ajantasaisuuden kehityskäyrin. Samassa ajassa ilmakuvakarttojen sisältö on moninkertaistunut ja tietojen yksityiskohtaisuus lisääntynyt (Kuva 12). Kun valokuvauksen alkaessa kuvat olivat pankromaattisia ja mustavalkoisia, uusi AisaDUAL hyperspektrikamera jakaa kuvan 400-2500 nm välisellä aallonpituusalueella 498 kanavaan (Specim Imaging, 2011). Kuva 12. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia kuvattuna kartan sisällön moniulotteisuuden ja erotuskyvyn kehityskäyrin. 18
Aikasarjat lisäävät karttojen dynaamisuutta. Illka Korpela kolmioi Hyytiälästä 370 ilmakuvaa vuosilta 1946-2004 ja sitoi eriaikaiset kuvat yhteen luonnollisilla liitospisteillä kuten yksittäisillä puilla (Korpela, 2005). Petri Rönnholm käytti pistepilvien ja kuvien yhteensovitukseen maanpinnan muotoja ja rakennusten piirteitä (Rönnholm, 2010). Pienpiirteiset korkeusmallit ja niitä täydentävät yksityiskohtaiset kaupunkimallit tihentävät geodeettisen koordinaatiston kaikkialle lähiympäristöömme. Maanmittauslaitoksen tuottaman ja laserkeilaukseen perustuvan valtakunnallisen korkeusmallin pistetiheys on 0,7 pistettä neliömetrillä. Sen ruutukoko on 2 m x 2 m ja korkeustiedon tarkkuus ruudun keskellä 0,3 m (Maanmittauslaitos, 2011). Googlen Street View sovelluksessa kuvat projisioidaan kolmiulotteisen kaupunkimallin pinnalle (Google, 2011). Tälle kehitykselle ei näy loppua: The best way to predict the future is to invent it. (Jordan, 2010). 7. YHTEENVETO Tässä kirjoituksessa on esitetty fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia 200 vuoden ajalta lyhyin tuokiokuvin ja liitetty ne yhteen eri ajanjaksoille tunnusomaisten tekniikoiden ja sovellusten kautta. Ajanjaksot alkavat jostain oman aikansa merkittävästä keksinnöstä, joita ovat olleet valokuva, lentokone, tietokone ja satelliitit. Tärkeinä kartoitussovelluksina on esitetty maakuvaus, ilmakuvaus, ilmakolmiointi ja dynaamiset 3D-mallit. Keksinnöt eivät muutu sovelluksiksi itsestään. Siihen tarvitaan tutkijoita ja käyttäjiä. Tutkijat kehittävät tekniikoita ja luovat niistä sovelluksia, käyttäjät pyrkivät hyödyntämään näitä. Suomen fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historiassa esimerkkejä onnistuneista ja tarpeellisista sovelluksista ovat esimerkiksi 1920- ja 1930-luvun tykistön ilmakuvakartat ja 1960- ja 1970-luvun suurikaavaisen kartoituksen pistetihennys. Digitaalisen fotogrammetrian sovelluksista arvioita ei vielä voi tehdä, vaikka edellä on esimerkinomaisesti esitetty joitakin. Onnistuneet sovellukset riippuvat tulevista käyttäjistä. Tässä esityksessä sovellukset on projisioitu käyrillä, jotka esittävät fotogrammetrian ja kaukokartoituksen tekniikoiden tulevaa kehitystä. LÄHTEET Albertz, J., 1981. 50 Jahre Photogrammetrie an der Technischen Universität Berlin, 1930-1980, Festschrift zum 70. Geburtstag von Rudolf Burkhardt (1981), 299 s. Albertz, J., 2001. Albrecht Meydenbauer Pionier der photogrammetrischen Dokumentation des Kulturerbes. Proceedings 18th International Symposium CIPA 2001 Potsdam (Germany), September 18-21, 2001. Brauer, E., 1891. Hauck-Brauer s Perspektiv-Zeichenapparat, Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure 35(1891), s. 782-786. Chen, R., Hyyppä, J., Kuittinen, R., Pei, L., Chen, Y., Zhu, L., Wang, J., Zhang, L., Zhang, J., Liu, Z., Takala, J., Leppäkoski, H. & Ye, L., 2010. 3D Personal Navigation and Location-Based Service for the World Exposition in Shanghai in 2010, esitelmä http://www.fgi.fi/3d-navi-expo/ 30.9.2011. Deilami, K. & Hashim, M., 2011. Very High Resolution Optical Satellites for DEM Generation: A Review, European Journal of Scientific Research, Vol.49 No.4 (2011), s. 542-554. FM-International Oy, 2011. Kartoituksen kuusi vuosikymmentä. http://www.finnmap.com/finnmap60/, 30.9.2011. Finsterwalder, S., & Scheufele, W., 1903. Das Rückwärtsschneiden im Raum. Sitzung der math.-phys. Klasse vom 7. November 1903, s. 591-614. Google, 2011. Valokuvien muuntaminen Street View kuviksi. Google Maps, http://maps.google.fi/intl/fi/help/maps/streetview/technology/photos-into-street-view.html, 30.9.2011. 19
Gruber, O., 1911. Der Hochjochferner im Jahre 1907. Seine Vermessung in den Jahren 1907 und 1908. Inauguralsdissertation der philosophischen Fakultät Sekt. II der Ludwig-Maximilians-Universität München, 1911, 42 s. Haggrén, H., 1986. Method for the three-dimensional surveillance of the object space, patentti, US 4928175, 11.4.1986. Haggrén, H., 2004. Applications of projective transformation for stereo photogrammetry. Väliraportti, Suomen Akatemia, 12.5.2004. Halonen, R. S., 1968. Fotogrammetria I, Moniste n:o 216, 2. painos, Teknillisen korkeakoulun ylioppilaskunta, Otaniemi 1968, 213 s. Helava, U. V., 1958. Photogrammetric Plotter, patentti, CA 651958. Hyyppä. J., Jaakkola, A. & Kaasalainen, S., 2009. Laser Scanning Research Activities in Finland. Esitelmä, EuroSDR Meeting, Masala, 21-23 October, 2009, http://www.eurosdr.net/meetings/115/presentations/h-2.pdf Jordan, L., 2010. GeoImagery: A New Paradigm for GeoInformatics, esitelmä, ISPRS Centenary Conference - Vienna, Austria, 4.7.2010. Jordan, W., 1897. Handbuch der Vermessungskunde. Zweiter Band: Feld- und Land-Messung, Fünfte verbesserte und erweiterte Auflage, J. B. Metzlerscher Verlag, Stuttgart, 1897, 785 s. Konecny, G., 1983. Development of Photogrammetric Instrumentation and Its Future, in: Finnish Society of Photogrammetry 1931-1981, Anniversary Publication, The Finnish Society of Photogrammetry and Institute of Photogrammetry, Helsinki University of Technology, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, s. 21-48. Konecny, G., 1985. The International Society for Photogrammetry and Remote Sensing - 75 Years Old, or 75 Years Young", Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 51(7), s. 919-933. Konecny, G., 2010. 100 Years ISPRS, esitelmä, ISPRS Centenary Conference - Vienna, Austria, 4.7.2010. Korpela, I., 2005. Metsäalueen historian rekonstruointi ilmakuva-aikasarjoista, esitelmä, Paikkatietomarkkinat, Helsinki 27.9.2005. Kuittinen, R. & Kilpelä, E., 2011. Kaukokartoituksen alkutaipaleelta, Maanmittaus 86:1 (2011), s. 8-24. Löfström, K. G. & Lehtonen, T. K., 1930. Verfahren zur Bestimmung der Neigung und Verkantung einer Flugphotographie im Belichtungsaugenblicke, patentti, DE 507266, 13.9.1930. Löfström, K. G., 1946. Ilmakuvakartoitus Suomessa. Suomen Fotogrammetrinen Seura 1931-1946, s. 76-109. Niemelä, O., 1998. Suomen karttojen tarina 1633-1997, Näin Suomi kartoitettiin katseltavaksi. Maanmittauslaitos, Karttakeskus Oy, Suomen Kartografinen Seura, Helsinki 1998, 176 s. Parmes, R., 2011. Satelliittikuviin liittyvä tutkimustyö VTT:ssä 1980 1995, Maanmittaus 86(1), s. 25-38. Paulaharju, J., 1983. Suomen sotilaskartoitus, Topografikunta, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, 139 s. Paulaharju, J., 1997. Sotilaat kartoittavat, Suomen sotilaskartoituksen historia, Topografikunta, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1997, 239 s. Rosenberg, P., 1955. Information theory and electronic photogrammetry. Photogrammetric Engineering, 21(4), s. 543-555. Rönnholm, P., 2010. Orientation and Integration of Images and Image Blocks with Laser Scanning Data, Doctoral Dissertation, Aalto University, School of Science and Technology, Espoo 2010, 63 s. Sarjakoski, T., 1981. Concept of a Completely Digital Stereoplotter, The Photogrammetric Journal of Finland, Vol. 8, No. 2, 1981, s. 95-100. 20
Savolainen, A., 1983. A Look into the History of Photogrammetry in Finland. In: Finnish Society of Photogrammetry 1931-1981, Anniversary Publication, The Finnish Society of Photogrammetry and Institute of Photogrammetry, Helsinki University of Technology, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, s. 21-48. Specim Imaging, 2011. Specim Imaging Ltd., AisaDUAL-esite, http://www.specim.fi/media/aisadatasheets/dual_datasheet_ver1-2011.pdf, 3.10.2011. Teiskonlahti, V. G., 1923. Fotogrammetrinen kartotus, diplomityö, TKK:n Insinööriosasto, Helsinki 1923. Tekniikan museo, 2007. Oikaisukoje SEG I, 1935. Näyttelyteksti, 18.6.2007. Tykistömuseo, 2007. Nenon-kamera, 1929. Näyttelyteksti, 23.11.2007. Väisälä, V., Löfström, K. G. & Lehtonen, T. K., 1932. Menettelytapa ilmanpainevaihtelujen mittaamiseen käytetyn nestemanometrin suljetun ilmamäärän lämpötilan muuttumattomana pitämiseksi, patentti, FI 14619, 9.9.1932. Wik, S., 1990. Suomalaisten yritysten kansainvälinen toiminta. MIL 100 vuotta 1990, Maanmittausinsinöörien Liitto ry, Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä 1990, s. 70-74. Zhu, L., Hyyppä, J., Kukko, A., Kaartinen, H. & Chen, R., 2011. Photorealistic Building Reconstruction from Mobile Laser Scanning Data. Remote Sensing, 2011, 3, 1406-1426; doi:10.3390/rs3071406, 30.9.2011. 21