1

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

(Alkuperäinen luento: Henrik Haggrén, 11.10.2002 Muutoksia: Eija Honkavaara 12.9.2004)

Luento 1: Opintojakson sisältö ja tavoitteet

Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot Opintojakson tavoitteet Scene reconstruction Kartoitusprosessi Geodesia kartoitusprosessissa Fotogrammetria kartoitusprosessissa Geoinformatiikka kartoitusprosessissa Kartografia kartoitusprosessissa Esimerkki yhdestä kartoitustehtävästä Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus Kartan kolmiulotteisuus ja havainnollisuus Kartoituskuvauksissa käytettävät digitaaliset kuvamateriaalit Digitaaliset kuvat käsitteissä Uudet kartoitustekniikat Ohjeistoja Luennot ja harjoitukset Kirjallisuutta

Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot

2

• Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksossa käsitellään pääasiassa ilmakuvaukseen perustuvia mittaus- ja kartoitussovelluksia. Satelliittikuvien kartoituskäyttöä käsitellään jossain määrin topografisen kartoituksen ja karttojen ajantasaistuksen tehtävissä. Maakuvien kartoituskäyttöä sivutaan, mutta varsinaisesti sitä käsitellään fotogrammetrian erikoissovellusten opintojaksossa.

• Opintojakson suorittamisen kannalta on eduksi, että opiskelija tietää ja ymmärtää fotogrammetrian geometriset ja matemaattiset perusteet niin stereokuvauksen kuin yleisen kollineaarisuusehtoon perustuvan perspektiivisen kuvauksen osalta. Nämä käsitellään fotogrammetrian perusteiden ja yleiskurssin opintojaksoissa. Lisäksi suositellaan sekä kuvatulkinnan ja kaukokartoituksen että digitaalisen kuvankäsittelyn perusteiden tuntemista.

Opintojakson tavoitteet

• Luoda yhtenäinen kuva kartoitusprosessista, josta fotogrammetriset työvaiheet muodostavat osan.

• Antaa perusteet kartoitustehtäviin soveltuvien fotogrammetristen työmenetelmien valitsemiseksi prosessin eri vaiheisiin.

• Antaa perusteet fotogrammetristen menetelmien suorituskyvyn arvioimiseksi o tarkkuuden, o ajankäytön, o kustannusten, o ym. tekijöiden osalta

• Antaa mahdollisuudet arvioida fotogrammetrisen kartoitusprosessin kehittymistä lähitulevaisuudessa.

Scene reconstruction

• We may define our field of science as "scene reconstruction" • Our scientific interest is concentrated to the part of information science, where the

transformations between the 2-D and 3-D representations are discussed. It also covers the modeling of other phenomena, which affect or limit the reconstruction process (sensors, environment).

• The principal input data consist of images whereas the output is the scene and its visual products. In case of dynamic reconstruction the actual scene information is used for controlling further processing phases (adaptivity).

• The image data may consist of image coordinates, but also of range or radiometric data, or attribute information, or of any other geometrically ordered previous information like maps.

• The datum or reference systems (e.g. 3-D coordinate system) are necessary when combining different kinds of data along each reconstruction process. The knowledge of the behaviour of uncertainties (error propagation) caused by each individual data acquisition phase is for us important (calibration).

3

Kartoitusprosessi

• Geodeettiset ja fotogrammetrisen mittaukset voidaan kohdistaa kartoitusprosessin eri vaiheisiin seuraavasti:

o runkomittaus geodeettisesti o maaston kartoitusmittaukset pääosin fotogrammetrisesti o suunnitelmien toteuttamiseen liittyvät paikalleenmittaukset geodeettisesti o toteutuksen tarkastus pääosin geodeettisesti o kartan täydennysmittaukset sekä fotogrammetrisesti että geodeettisesti

• Kartoitusprosessi ymmärretään usein myös niiden työvaiheiden muodostamaksi kokonaisuudeksi, joka on tietyn kartan valmistamiseksi välttämättön. Ts. kaikilla kartoilla on oma kartoitusprosessinsa:

o kanta- ja peruskartoilla prosessiin kuuluu useimmiten kalliita maastotyövaiheita, o erikois- ja sovelletuilla kartoilla maastotöiden osuus on vähäisempi, mutta teeman

osuus korostuu.

4

• Kartoitusprosessin luonne muuttuu myös siirryttäessä ensikartoituksesta uusintakartoitukseen. Uusintakartoituksissa

o runkomittausten osuus vähenee, koska kuvat voidaan sitoa koordinaatistoon kuvilta näkyvin ja muuttumattomina säilynein tukitiedoin (rakennukset, tiet, vesistöt, jne.)

o tulkinnan tarve vähenee, koska enin osa aiemman kartoituksen tulkintatyöstä (esim. korkeusmalli, jo kartoitetut rakenteet, avokalliot, vesistöt, jne.) voidaan käyttää hyväksi

o mittausten osuus lisääntyy, mikäli aiemmin kartoitetut kohteet tarkistetaan ja mitataan tarkemmin

• Kartoitusprojekti: Ihmiset prosessia toteuttamassa, mittaaja ja asiakas. • Viitteet

o Sakari Viertiö Kartoituksen prosessitekniikan luentomoniste

Kartoitusprosessi. Prosessin eri vaiheet määrittyvät kartalle asetettavien vaatimusten perusteella. Nämä vaatimukset kohdistuvat mm. käytettävään koordinaattijärjestelmään, kartan mittakaavaan,

kartan tarkkuuteen ja sisältöön. Koordinaattijärjestelmä määritellään joko geodeettisena tai karttaprojektiona. Mittakaavan mukaan kartat jaetaan pieni- tai suurimittakaavaisiin karttoihin, tai

mittakaavattomiin 3-D malleihin, joiden tarkkuus määritellään yksityiskohtien erotuskyvyllä. Kartan sisältö määritellään esimerkiksi pohjakartan kuvausohjeilla tai karttatietokannan

kohdemallilla.

5

Digitaalisen fotogrammetrian kartoitusprosessi sisältää samanaikaisen tiedonhankinnan ja hyväksikäytön (Mostafa Madani Intergraph Integrated Digital Photogrammetry System Lausanne,

1996).

Geodesia kartoitusprosessissa

• Geodesian tehtävänä on ylläpitää kartoitustoiminnassa tarvittava koordinaatisto ja sitä vastaava paikallinen runkoverkko. Tällä tavoin varmistetaan se, että eri aikoina ja eri paikoissa suoritetut kartoitukset sopivat toisiinsa. Suomessa valtakunnallisten koordinaatti- ja korkeusjärjestelmien luominen ja ylläpito ovat Geodeettisen laitoksen (www.fgi.fi) ja

6

Maanmittauslaitoksen (www.nls.fi) tehtäviä. Geodeettisin menetelmin tehdään myös maastokartoitusta.

• Geodeettiset koordinaatistot : o Koordinaattijärjestelmät (WGS84, ITRS, ETRS89) → koordinaatistot (ITRF,

ETRF89, EUREF-FIN) o Tyypit: 3D-koordinaatistot, tasokoordinaatistot, korkeuskoordinaatistot o Laajuus: Globaalit, kansainväliset, kansalliset, paikalliset

• Vuonna 2003 hyväksyttyjen julkisen hallinnon suositusten mukaan (JHS 153, JHS154) suositellaan Suomessa käytettäviksi koordinaatistoiksi

o 3D-koordinaatisto: EUREF-FIN o Tasokoordinaatisto (karttaprojektio): ETRS-TM35FIN, ETRS-GKn

• EUREF-FIN on ETRS89:n (European Terrestrial Reference System) realisaatio Suomessa. ETRS89 puolestaan on kiinnitetty Euraasian mannerlaatan yhtenäiseen osaan ja yhtyy ITRS- (International Terrestrial Reference System) järjestelmään epookkina 1989.0. ETRF-koordinaattisysteemiä voidaan pitää identtisenä WGS84- (Word Geodetic System 1984) järjestelmän kanssa.

• Tällä hetkellä Suomessa yleisesti käytettyjä koordinaattistoja ovat 3D-koordinaatisto EUREF-FIN (tai WGS84) ja valtakunnallisissa ja myös paikallisissa kartoitustöissä käytettävä kartastokoordinaattijärjestelmä kkj.

� Tasosijainti määritetään projisioimalla jokainen piste vertaustasolle, 3D-järjestelmässä vertausellipsoidille ja kkj-järjestelmässä geoidille. Vertausellipsoidi on matemaattinen pinta, kun taas geoidi on kuvitteellinen jatkuva pinta, joka on jokaisessa pisteessä kohtisuorassa painovoimavektoria vastaan.

� Korkeussijainti määritetään joka pisteelle sen ja sen vertaustasolle tasolle projisioidun kuvan välisenä etäisyytenä. Muunokset EUREF-FIN-järjestelmästä kkj-järjestelmään ja päinvastoin edellyttävät geoidin tuntemista.

• Muunnokset koordinaatistojen välillä o Suomessa suositellut menettelyt on esitetty Julkisen hallinnon suosituksissa 153 ja

154. o Esim. kkj ↔ EUREF-FIN- muunnokselle on määritelty joko 3D-

yhdenmuotoismuunnokseen tai paikallisiin affiinisiin muunnoksiin perustuvaa menettelyä. Näistä ensimmäisen virheet voivat olla jopa 2 m luokkaa, jälkimmäisen keskivirhe on parempi kuin desimetri.

• Kartoituksen runkoverkko on maastoon rakennettu ja maastomittauksin määritetty koordinaattipisteistö. Myös runkoverkko jaetaan kahteen osaan, tasorunkoverkkoon ja korkeusrunkoverkkoon. Runkoverkon pisteet määritellään yleensä kkj-järjestelmässä, mutta yhä useammin myös EUREF-FIN-järjestelmässä.

• Maastokartoitukset tehdään joko perinteisin maastomittaus- tai nykyaikaisin satelliittipaikannusmenetelmin. 3-D koordinaattimittauksissa käytetään takymetriä tai kinemaattista differentiaalista satelliittipaikannusta. Fotogrammetrista mittausta joudutaan usein täydentämään maastomittauksin.

• Viitteet o Geodesia o Geocentric co-ordinates o Height systems and reference surfaces o Map projection

• Julkaisuja

7

1. Julkisen hallinnon suositus 153 (JHS 153): ETRS89-järjestelmän mukaiset koordinaatit Suomessa. http://www.intermin.fi/intermin/hankkeet/juhta/home.nsf/suomi/suositukset

2. Julkisen hallinnon suositus 154 (JHS 153): ETRS89-järjestelmään liittyvät karttaprojektiot, tasokoordinaatistot ja karttalehtijako. http://www.intermin.fi/intermin/hankkeet/juhta/home.nsf/suomi/suositukset

3. Maastomittaustekniikka (EVTEK, Lare Lekman) 4. The Finnish national grid coordinate system

http://www.nls.fi/kartta/julkaisu/kkj.html 5. Peter Dana: Geodetic Datum Overview

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/datum/datum.html 6. Peter Dana: Coordinate Systems Overview

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/coordsys/coordsys_f.html

Fotogrammetria kartoitusprosessissa

• Fotogrammetrian päätehtävänä on luoda yksityiskohtainen kuva maastosta ja sen osista kartoitusalueen sisälle niin, että se sovittuu mahdollisimman hyvin alueen runkoverkkoon.

• Tässä tehtävässä voidaan erotella seuraavat työvaiheet: o runkomittaus ja signalointi, o aluekuvaus, o ilmakolmiointi ja pistetihennys, o stereokartoitus ja maastomallimittaus, o ortokuvaus.

• Fotogrammetrinen toiminta voidaan jaotella myös mittaus- ja kartoitustehtävänsä luonteen mukaan pisteittäin tehtävään tarkkaan mittaamiseen tai stereodigitointiin, joka on tarkkuusominaisuuksiltaan kertaluokkaa yleistävämpää.

Geoinformatiikka kartoitusprosessissa

• Tieteenala, joka koskee tiedon kokoamista, järjestämistä, jakelua ja käyttöä (Sarjakoski, 1993).

• Fotogrammetria on tehokas keino tuottaa informaatiota paikkatietojärjestelmiin. Datan keruu on tehokkaampaa ja edullisempaa kuin maastomittaustekniikoilla. Tarkkuus voidaan sovittaa vaatimuksiin soveltuvaksi. Lisäksi data on digitaalisessa muodossa ja valmista käytettäväksi paikkatietojärjestelmissä.

• Ajantasaistustehtävissä paikkatietojärjestelmien informaatiota voidaan käyttää hyväksi fotogrammetrisessa kartoitusprosessissa.

• Paikkatietoanalyysimenetelmiä voidaan käyttää hyväksi fotogrammetrisessa prosessissa.

8

Konsepti DPWS:n ja GIS:n tiiviille yhdistämiselle. DPWS:n suoritettavaksi jää mahdollinen orientointien parantaminen, kaikki muu datan prosessointi suoritetaan GIS:ssä. (Lähde: Heipke 2001: http://www.ipi.uni-hannover.de/html/publikationen/2001/heipke/hei_dpws.pdf).

Kartografia kartoitusprosessissa

• Kartografia? Kartoitetun tiedon havainnollista esittämistä. ICA:n (International Cartographic Association) määritelmän mukaan kartografiaan sisältyy kartan tuottamisen tieto, taito, ja tekniikka.

• Kartta? Saman määritelmän mukaan o kartta käsitetään sekä tieteellisenä että taiteellisena dokumenttina o kartoiksi luetaan kaikki 2-D esitykset sekä olemassa olevista että suunnitelluista

kohteista, o kartoiksi luetaan myös 3-D mallit maasta, samoinkuin muista maanpäällisistä ja

taivaan kappaleista o kartta on jossain mittakaavassa.

Esimerkki yhdestä kartoitustehtävästä

• Tässä tapauksessa kartoitus on tehty vanhasta kuvauksesta ilman signaloituja runkopisteitä • Pistetihennyksen lähtöpisteet on valittu pienimittakaavaiselta topografiselta kartalta ja

mallin koordinaatisto on hyvin todennäköisesti deformoitunut • Runkomittaus tehdään alueella myöhemmin ja sillä pyritään sekä sijoittamaan malli

paikalliseen kartastokoordinaatistoon että oikaisemaan deformoitunut malli karteesiseen koordinaatistoon

3-D malli vanhasta ilmakuvauksesta Työvaihe Input Tehtävät tässä esimerkissä Output

9

1

Runkomittaus Topografinen kartta

1 : 50'000 Kohdekoordinaatiston määrittäminen kartalta Lähtöpisteet

2 Kuvaus

Pinnakkaisvedokset ilmakuvauksesta

1 : 5'000 Reprokuvaus Diapositiivit 1 : 5'000

3 Kolmiointi

Pinnakkaisvedokset 1 : 5'000, lähtöpistekuvat Kolmiointi ja pistetihennys Kuvien orientoinnit,

stereokartoituksen tukipisteet 4

3-D digitointi Diapositiivit 1 : 5'000 Stereokartoitus Korkeusmalli, maastomalli

5 Havainnollista-

minen Maastomalli 3-D mallinnus VRML-malli , perspektiivikuvat ,

kartat 1 : 1'000, 2'000 ja 5'000

Ilmakuva 1 : 5'000.

10

Topografinen kartta 1 : 50'000 ja lähtöpisteet.

Tihennysblokki, lähtöpisteet ja liitospisteet.

11

Liitospisteiden valinta.

Piste 83512.

12

Stereokartoitus.

13

Korkeusmalli.

Jabal Haroun, perspektiivikuva.

Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus

14

• Pienimittakaavainen kartoitus o kartan mittakaava 1 : 50 000 ja pienempi

� erikoiskarttoja ja sovellettuja karttoja, joissa lähtötietona kanta- tai pohjakartta

� nykyisin yhä yleisemmin tulkintaa satelliittikuvilta � tuloksena johdettu kartta, teemakartta, sovellettu kartta, erikoiskartta, jne.,

joka � on esitysmittakaavaan yleistettyä, mutta � koordinaatistoon sidottua tietoa

• Suurimittakaavainen kartoitus o kartan mittakaava 1 : 50 000 ja suurempi

� valtakunnallisia ja kunnallisia perus- ja kantakarttoja, joissa lähtötietona maasto ja sen rakenteet

� nykyisin yhä yleisemmin � ajantasaistuksen ortokuvatulkintaa � uutta kolmiulotteista numeerista kartoitusta

� tuloksena numeerinen karttatietokanta, joka sisältää � mittakaavatonta, mutta � tarkkuudeltaan tunnettua tietoa

• Pienimittakaavaisissa kartoituksissa kuvatulkinta on pääosin kaksiulotteista, suurimittakaavaisissa kolmiulotteista.

Kartan kolmiulotteisuus ja havainnollisuus

• Kuvat o Åvik'in lasitehtaan kartta vuodelta 1783 (Suomen Lasimuseo) o Topografinen peruskartta 1990-luvulta (Kartan copyright: Maanmittauslaitos) o Helsinki, Kaivopiha ja asemanseutu (Kartan copyright: J. Pesonen, Helsingin

kaupunki) o Simuloitu ympäristömalli (Instrumentointi Oy) o Mitattu ympäristömalli (FM-kartta Oy) o Virtuaalinen Helsinki (Kartan copyright: Helsinki Arena 2000) o Rakennus, rautalankamalli o Huonetila, videokuva o Ovi auki

Kartoituskuvauksissa käytettävät digitaaliset kuvamateriaalit

• Ilmakuvaus • Analogiset ilmakuvakamerat, skannaus (Luento 2) • Digitaaliset ilmakuvakamerat: suuriformaattiset (Luento 3)

o Kuvaleveys n. 11000-14000 pikseliä, kuvakorkeus 1-7500 pikseliä o Usean pienen CCD-matriisin yhdistelmät:

• GSD n. 0.05 cm → • Vexcel Ultracam • Z/I-Imaging DMC

o CCD-rivigeometria: GSD n. 0,15 m → • LH-Systems: ADS40 • DLR: HRSC

• Keskiformaattiset CCD-kamerat: esim. 4 000 x 4000 pikseliä

15

• Pieniformaattiset CCD-kamerat, esim. 1000 x 1000 pikseliä • Videokuvaus

• Satelliittikuvaus • IKONOS (PAN 1 m, MS 4 m) • Quickbird (PAN: 0.61 m nadiirissa, 0.72 m 25˚ nadiirista) • Orbview (1 m) • Spot 5 (2,5 m)

Digitaaliset kuvat käsitteissä

• Analogiakuvat - digitaaliset kuvat? o Ilmakuvat käsitetään yleisesti lentokoneesta otetuiksi analogisiksi valokuviksi. o Ilmakuvausta tehdään myös videokuvauksena, kuvaavilla spektroradiometreillä,

tutkalla, mikroaaltoradiometreillä, ym. o Satelliittikuvat käsitetään yleisesti satelliitista otetuiksi digitaalisiksi kuviksi.

• Ilmakuvat - satelliittikuvat? o Nykyisellään ei kuvaustekniikan eikä kuvankäsittelytekniikan puolesta ole

erityistä syytä korostaa eroa ilmakuvien tai satelliittikuvien välillä. o Kuvaustoimintana ilmakuvaus on projektiluonteista. o Satelliittikuvaus on jatkuvaa, mutta voidaan tarpeen tuleen suorittaa myös

tilauksesta. • Tyypillisimmin topografisessa kartoituksessa käytetään pankromaattisia kuvia, joiden

GSD on 0.05-1 m.

Korkearesoluutioisten eli lähinnä 1 m pikselikoon satelliittikuvien julkaisuohjelma. (© ARDAK Corporation 1997)

16

© Belgian Federal Science Policy Office 1998-2003 http://telsat.belspo.be/

Digitaaliset ilmakuvasensorit Suuriresoluutioiset satelliittisensorit

o Dataa tarvittaessa o Kiinteä rata o Toimii huonoissa

olosuhteissa (lentäminen pilvien alla)

o Saatavuus sääriippuvainen

o Laaja resoluutioalue saaavutetaan vaihtamalla lentokorkeutta: 0.05 m – 1 m

o Kiinteä resoluutio � n. 1 m PAN � n. 4 m MS

o Stereokuvaus oletusarvo o Stereo vaatii erillistä tilausta

17

Uudet kartoitustekniikat

• Laserkeilaus • Tutkakuvaus

Ohjeistoja

• Ilmakuvaus- ja mittaustoimintaa varten on laadittu ohjeistoja, joiden tehtävänä on selkeyttää kyseisten tehtävien suorittamista sekä niiden suorittamiseksi laadittavien sopimusten tekemistä ja tulkintaa. Suomessa yleisesti käytettäviä ohjeistoja ovat:

o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, 1993. Ohjeet tarkan fotogrammetrisen kartoitusmittauksen suorittamista varten. FKS julkaisu 1/1993. http://foto.hut.fi/seura/julkaisut/erillisjulkaisu1_1993/teksti.html

o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, 1995. Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus- ja kartoitusilmakuvaukselle. FKS julkaisu 1/1995. http://foto.hut.fi/seura/julkaisut/erillisjulkaisu1_1995/teksti.html

o Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen seura, 1998. Digitaalisten ilmakuvien käyttö. FKS julkaisu 1/1998.

o Kaavoitusmittausohjeet, Kaavoitusmittausohjeet 2003. Maanmittauslaitoksen julkaisu n:o 94.

o Tielaitoksen ohjeet maastomallimittauksen suorittamisesta (Luento 10) o Maa- ja metsätalousministeriön peltolohkorekisterin ortoilmakuvatuotannon

laatujärjestelmä (Luento 9). • Kartoitusyrityksillä on laatujärjestelmät, joissa erilaisten toimintojen suoritus on

yksityiskohtaisesti kuvattu.

Luennot ja harjoitukset

• Luennot 1. Opintojakson sisältö ja tavoittet 2. Digitaalinen kuvatuotanto I 3. Digitaalinen kuvatuotanto II 4. Kolmiointihavainnot 5. Kolmioinnin laskenta 6. Kolmiointi digitoiduin kuvin 7. Korkeusmallien tuottaminen 8. Uudet 3-D kartoitustekniikat 9. Ortokuvien tuottaminen 10. Topografinen peruskartoitus 11. Kartoitusprojektit 12. Stereokartoitus digitaalisin kuvin 13. Ympäristömallien tiedonkeruu

• Harjoitukset 1. Keskinäisen orientoinnin ohjelmointi 2. Kolmiointi 3. Kartoitus 4. Kartoitusprojektit

Kirjallisuutta

18

• Henrik Haggrén, 2000. Kolmiulotteisen visualisoinnin mahdollisuudet ja vaatimukset paikkatietoaineistolle , Paikkatietomarkkinat, Helsinki.

• Otto Kölbl, 1996. Executive Summary of the OEEPE Workshop on the 'Application of Digital Photogrammetric Workstations' Lausanne, 1996

• Otto Kölbl, 1996. An Outlook on the Use of Digital Work Stations in Practice Lausanne, 1996

• Dieter Fritsch, 1996. 3D-Data Acquisition for Geographic Information Systems GIS 4/1996, p. 1-3.

• Henrik Haggrén, 1995. Kolmiulotteisen ympäristömme mallinnus • Henrik Haggrén, 1995. Esipuhe: "3-D KARTTA - maastotietokanta, ympäristömallit,

kaupunki- ja tilamallit" Espoo, 1995

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13