GIS-jatkokurssi Viikko 3: 3D-menetelmät Harri Antikainen
3D-menetelmät ja GIS 3D: kolmiulotteinen (three-dimensional) 3D-paikkatiedossa on x- ja y-ulottuvuuksien lisäksi myös z-ulottuvuus (korkeus) Kolmiulotteisuus paikkatieto-kontekstissa liittyy: fyysisen todellisuuden visualisointiin ja toisaalta analyyseihin, joissa tutkitaan jotain kolmessa ulottuvuudessa tapahtuvaa ilmiötä 2
Korkeusmalli DEM (digital elevation model) tai DTM (digital terrain model) 3D GIS:n keskeinen osa Yleensä rasterimuodossa olevaa dataa maaston topografiasta 3 Sotkamon alueen rasterimuotoinen DEM, 25 25 m resoluutio
Korkeusmalli Joskus käytetään myös TIN-muotoa (triangulated irregular network) TIN-muotoinen korkeusmalli TIN perustuu Delaunaykolmiointiin ja graafiteorian käsitteisiin http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/printbooks_topics.cfm?pid=22 4
Taustaa korkeuden määrittämiselle Kuten tunnettua, maapallo ei ole täydellinen pallo, vaan navoiltaan litistynyt sekä muutenkin muodoltaan epäsäännöllinen Voidaan mallintaa ellipsoidina ja/tai geoidina Ellipsoidi: maapallon muodon matemaattinen malli Geoidi: määrittyy painovoiman mukaan, vastaa merenpintaa ja sen kuvitteellista jatketta mantereiden ali 5
Ellipsoidi ja geoidi Ihannetilanteessa ellipsoidi vastaisi mahdollisimman hyvin geoidia, mutta kyseessä on aina kompromissi Koko maapalloa varten geosentrinen ellipsoidi, mutta alueellisesti voidaan käyttää ellipsoideja jotka istuvat paremmin kyseiseen alueeseen Ellipsoidi joka edustaa mahdollisimman hyvin koko maapalloa: Tietylle alueelle sovitettu ellipsoidi: 6 http://www.icsm.gov.au/mapping/datums1.html
Korkeusmalli, ellipsoidi ja geoidi Kansanomaisesti käsitettynä DEM kertoo korkeuden merenpinnasta 7 Mutta tosiasiassa DEM kertoo paikan korkeuden suhteessa geoidin pintaan Geoidi on siis se painovoimakentän potentiaalin tasa-arvopinta, joka parhaiten yhtyy levossa olevaan meren keskivedenpintaan Metriä merenpinnan yläpuolella tarkoittaa siten korkeutta suoraan alapuolella olevasta kuvitteellisesta merenpinnasta H = korkeus geoidista ( merenpinnasta ) h = ellipsoidikorkeus ( GPS-korkeus ) N = geoidikorkeus http://www.maanmittauslaitos.fi/tutkimus/teematietoa/geoidi
Kuva: Maanmittauslaitos Suomen korkeusjärjestelmä Nykyinen korkeusjärjestelmä N2000 Suomea varten on muodostettu FIN2005-geoidimalli Suomessa käytettävät koordinaattijärjestelmät perustuvat GRS80-referenssiellipsoidiin GRS80 käytännössä yhtenevä WGS84:ssä käytettyyn ellipsoidiin (mm. GPS perustuu tähän) 8
Korkeusmallit vs. pintamallit DEM ei ota huomioon kasvillisuutta tai rakennuksia maan pinnan päällä Nämä huomioon ottava malli on nimeltään pintamalli (DSM, digital surface model) Pintamalli Korkeusmalli (DEM) Maanpinta By Yodin - Based on File:DTM DSM.png by User:MartinOver., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=44279694 9
3D-visualisointi ja analyysit ArcGIS:ssä 3D Analyst Rasterimuotoisen DEM:n visualisointi ja perusanalyysit Näkyvyysanalyysit 10
Hillshade - vinovalovarjostus 3D Analyst Tools Raster Surface Hillshade Korkeusmalli-rasteri Tuloksena syntyvä hillshade-rasteri Valaistusparametrit Azimuth: suunta (0-360) Altitude: korkeus (0-90) Valitut lukemat (315/45) eivät tosin realistisia Oulangan alueella... 11
Hillshade - vinovalovarjostus Soveltuu hyvin esim. taustakartaksi kun halutaan visualisoida alueen topografiaa 12
Slope rinteen kaltevuus 3D Analyst Tools Raster Surface Slope Korkeusmalli-rasteri Tuloksena syntyvä kaltevuusrasteri *) α Δh Tulosrasterin mittayksiköt* DEGREE: asteet PERCENT_RISE: prosentit d Kaltevuus asteina = α Kaltevuus % = Δh / d * 100 13
Slope rinteen kaltevuus Kuvaa hyvin rinteen kaltevuutta, tosin käytetään useimmiten osana jotain muuta analyysiä 14
Viewshed - näkyvyysanalyysi Selvitetään, miten ympäristö nähtävissä tietystä kohteesta (tai toisin päin: miten kohde näkyvissä maisemaan) Paljon käytetty arvioitaessa mm. tuulivoimaloiden maisemavaikutuksia 15
Viewshed - näkyvyysanalyysi Näkyvyysanalyysiin tarvitaan korkeusmallirasteri sekä piste- tai viivamuotoinen kohdetaso Kohteille voi määritellä korkeus, joka lisätään korkeusmalliin mukaiseen korkeuteen Ohessa on kuviteltua tuulivoimalaa osoittava piste, jonka korkeutena (OFFSETA) 150 metriä 16
Viewshed - näkyvyysanalyysi 3D Analyst Tools Visibility Viewshed Korkeusmalli-rasteri Havaintokohteet Tuloksena syntyvä näkyvyysrasteri 17
Viewshed - näkyvyysanalyysi Vihreät alueet: kohde näkyvissä Punaiset alueet: kohde ei näkyvissä 18
ArcScene aito 3D-visualisointi ArcGIS-pakettiin kuuluva ohjelma, avataan joko suoraan tai 3D Analyst palkin kuvakkeesta Vastaa ulkoasultaan ja periaatteiltaan aika pitkälle ArcMapia, mm. aineistojen avaaminen tapahtuu Add Data painikkeen kautta 19
ArcScene ArcSceneen avattu taso näkyy aluksi levynä, jota voidaan pyöritellä eri asentoihin Navigate-työkalulla 20
ArcScene: Base Heights Maaston muotoja vastaava kolmiulotteinen vaikutelma saadaan aikaan kun tasolle määritetään Base Heights : Avataan tason Layer Properties (esim. tuplaklikkaa korkeusmallin nimen päällä Scene layers -listassa) Mene Base Heights välilehdelle Laita valinta kohtaan Floating on a custom surface ja valitse valikosta se korkeusmalli josta korkeusarvot otetaan. Tässä tapauksessa korkeusmalli (DEM_ Saana_10m) saa siis korkeusarvot itseltään. 21
ArcScene: Base Heights Base Heights määrittelyn tuloksena on 3D-visualisointi 22
ArcScene: dreippaus Dreippaus tai drapeeraus (draping), analogia verhoilusta tai peittämisestä tekstiileillä Korkeusmalli verhoillaan esim. ilmakuvalla Tapahtuu määrittämällä ilmakuvalle Base Heights korkeusmallista 23
Vektorikohteiden visualisointi ArcScenessä Esimerkiksi rakennusten 3D-visualisointi: 24 Avataan rakennusten footprintit sisältävä taso ArcSceneen Avataan rakennustason Layer Properties Asetetaan rakennuksille ensin Base Heights, jotta saadaan rakennukset korkeuspinnan päälle Sitten Extrusion-välilehdelle, missä määritetään rakennuksille jokin korkeus Tässä rakennuksille annetaan vakiokorkeudeksi 6 m Jos jokaisella rakennuksella olisi korkeustieto attribuuttitietona, voitaisiin sitä käyttää tässä.
Vektorikohteiden visualisointi ArcScenessä Extrusion tuottaa rakennusten 2.5D- laatikkomallin 25
Multipatch-objektit Multipatch on ArcGIS:n tietotyyppi jonka avulla voidaan esittää 3Dobjekteja niiden todellisessa muodossaan Esimerkiksi rakennusten todellinen muoto voidaan mallintaa multipatchina Multipatch koostuu kolmioista, jotka sitten yhdessä muodostavat erilaisia pintoja 26
Reaxity-hankkeessa toteutettua Future city as open mixed reality space Center for Internet Excellence (CIE), Oulu University of Applied Sciences, Center for Machine Vision Research, Biomedical Engineering Research Group, MediaTeam, Biomimetics and Intelligent Systems Group, School of Architecture, GeoGIS and Oulu Business School Virtual Oulu 3D model: 27
Laserkeilaus Kaukokartoitusmenetelmä, jonka avulla tuotetaan 3D-tietoa maanpinnasta (korkeusmallit) sekä myös sen yläpuolisesta alueesta (pääasiassa metsistä ja taloista) Tekniikka perustuu laserpulssin lähettämiseen ja paluusignaalin vastaanottamiseen Laajamittainen kartoitus tehdään lentokoneesta käsin On kuitenkin olemassa myös ns. maakeilaimia joilla voidaan skannata esim. rakennusten julkisivuja ja sisätiloja 28
Maakeilaus InnoGIS-hanke Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu, Oulun seudun ammattikorkeakoulu, / Maantieteen laitos, / Oulun Eteläisen instituutti Esimerkki maalaserkeilaimella keilatuista kohteista: Hailuodon Marjaniemen majakka/luotsiasema 29
Laserkeilaus kaukokartoituksessa Laserkeilain lähettää maata kohti pulsseja, joiden heijastuskohta paikannetaan kolmiulotteisesti Yhtä pulssia kohden voi tulla monta paluukaikua riippuen siitä mihin laserpulssi osuu Paluukaiku voi myös jäädä tulematta first return last return 30
Laserkeilaus - pistepilvi Laserkeilaus tuottaa ns. pistepilvi-aineiston, joka siis koostuu pisteistä joilla on laserpulssin heijastumiskohdan 3D-koordinaattitieto Pistepilven avulla maasto, rakennukset, puusto yms. voidaan mallintaa kolmiulotteisesti Pistepilvet ovat tiedostokooltaan yleensä massiivisia ja siten vaikeita prosessoida 31 Maanmittauslaitoksen tuottamaa pistepilveä Oulun kaupunginteatterin kohdalta
Terminologiaa Lidar (Light Detection And Ranging tai Light Imaging, Detection, And Ranging): laserkeilauksesta usein käytetty lyhennetermi LAS: yleisimmin käytetty binäärinen tiedostoformaatti laserkeilausdatoille LAZ: pakattu LAS, mm. Maanmittauslaitoksen laserkeilausaineistot toimitetaan tässä muodossa (jota ArcGIS ei osaa lukea!!) Luokittelu = pistepilven pisteet on luokiteltu paluukaiun mukaan, esim. käyttäen the American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) määrittämää spesifikaatiota: 0 = Never classified, 1 = Unassigned, 2 = Ground, 3 = Low vegetation, 4 = Medium vegetation, 5 = High vegetation, 6 = Building, jne. 32
LAS-tiedostojen käsittely ArcGIS:ssä Jos laserkeilausdata on LAZ-muodossa, kuten usein on, tarvitaan heti kättelyssä lisätyökaluja (esim. Rapidlasson LASTools) Nyt kuitenkin oletetaan että data on LAS-muodossa LAS-muotoista dataa ei voi avata suoraan ArcMapissa, vaan siitä on muodostettava ensin joko: Multipoint-tyyppinen taso, tai LAS Dataset 33
LAS Dataset Tietorakenne, joka voi sisältää useita LAS-tiedostoja ja niihin liittyviä määrittelyjä Suuren tiedostokokonsa vuoksi LAS-tiedostot jaetaan yleensä pienissä paloissa, joista sitten käyttäjät voivat koostaa haluamansa kokoisia alueita: tähän LAS Dataset tietorakenne soveltuu hyvin 34 http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.3/manage-data/las-dataset/what-is-a-las-dataset-.htm
LAS Dataset Data Management Tools LAS Dataset Create LAS Dataset 35 Tähän valitaan ne LAS-tiedostot joista muodostetaan mosaiikki Surface Constraints: tässä voitaisiin erilaisilla polygoni- tai viivatasoilla auttaa LAS Datasetin muodostumista oikein. Esimerkiksi jos käytettävissä olisi rakennusten footprintit sekä rakennusten korkeus, voitaisiin ne määrittää tässä jolloin rakennusten korkeus muodostuisi oikein Koordinaattijärjestelmän määrittely on yleensä suositeltavaa
LAS Dataset LAS Dataset (tässä esimerkissä esittäen osaa Nuottasaaren tehdasalueesta) tulee näkyviin ArcMapissa pistepilvenä, joka on luokiteltu ja esitetty väriskaalalla pisteen korkeustason mukaan 36
LAS Dataset LAS Dataset palkki tarjoaa lisätyökaluja: Customize Toolbars LAS Dataset Visualisointi joko korkeustason (Elevation), heijasteluokan (Class) tai paluukaiun järjestysnumeron (Return) mukaan Pistepilven TIN-visualisointi (Elevation) 37 Pistepilven filtteröinti paluukaiun mukaan: kaikki (All), maakaiut (Ground), maan yläpuoliset kaiut (Non Ground) tai ensimmäinen paluukaiku (First Return)
LAS Dataset: TIN Ei sovellu esitystapana erityisen hyvin pistepilviin joissa rakennuksia ja muita keinotekoisia rakenteita Soveltuu paremmin maaston luonnollisen topografian esittämiseen 38
LAS Dataset: Profile View Läpileikkausprofiili valitusta kohdasta 39
LAS Dataset ArcScenessä Pistepilven 3D-visualisointi ArcScenessä 40
LAS Dataset ArcScenessä TIN-visualisointi tuo muodot paremmin esiin joskaan ei sovellu kovin hyvin keinotekoisille rakenteille 41
LAS Dataset: ArcScene Voidaan tosin suodattaa maanpinnan yläpuoliset kaiut pois ja jättää vain maakaiut, jolloin saadaan aikaan korkeusmalli (TIN-muodossa) 42
LAS Dataset rasteri-korkeusmalliksi ArcToolboxista: Conversion Tools To Raster LAS Dataset To Raster Viereisessä esimerkissä muodostetaan LAS Datasetistä rasteri 10 10 m resoluutiolla Sampling Type: CELLSIZE Sampling Value: 10 43
Mitä siis voi LAS-datoilla tehdä Arcissa? Aika vähän Pistepilvien visualisointi suhteellisen näppärää Mahdollisuus luoda korkeusmalleja ja pintamalleja Ei kuitenkaan mitään edistyneempiä työkaluja, esim. millä voitaisiin tarkastella vaikkapa kasvillisuuden määrää ja peittoa tai luoda kunnollisia kaupunkimalleja 44