Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento 1: Opintojakson sisältö ja tavoitteet

AIHEITA

• Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot
• Opintojakson tavoitteet
• Scene reconstruction
• Kartoitusprosessi
• Geodesia kartoitusprosessissa
• Fotogrammetria kartoitusprosessissa
• Kartografia kartoitusprosessissa
• Esimerkki yhdestä kartoitustehtävästä
• Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus
• Kartan kolmiulotteisuus ja havainnollisuus
• Luennot ja harjoitukset
• Kirjallisuutta

Fotogrammetrisen kartoituksen opintojaksot

• 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
• tarkkuuden,
• ajankäytön,
• kustannusten,
• 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).

Kartoitusprosessi

• Geodeettiset ja fotogrammetrisen mittaukset voidaan kohdistaa kartoitusprosessin eri vaiheisiin seuraavasti:
• runkomittaus geodeettisesti
• maaston kartoitusmittaukset pääosin fotogrammetrisesti
• suunnitelmien toteuttamiseen liittyvät paikalleenmittaukset geodeettisesti
• toteutuksen tarkastus pääosin geodeettisesti
• 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:
• kanta- ja peruskartoilla prosessiin kuuluu useimmiten kalliita maastotyövaiheita,
• erikois- ja sovelletuilla kartoilla maastotöiden osuus on vähäisempi, mutta teeman osuus korostuu.
• Kartoitusprosessin luonne muuttuu myös siirryttäessä ensikartoituksesta uusintakartoitukseen. Uusintakartoituksissa
• runkomittausten osuus vähenee, koska kuvat voidaan sitoa koordinaatistoon kuvilta näkyvin ja muuttumattomina säilynein tukitiedoin (rakennukset, tiet, vesistöt, jne.)
• tulkinnan tarve vähenee, koska enin osa aiemman kartoituksen tulkintatyöstä (esim. korkeusmalli, jo kartoitetut rakenteet, avokalliot, vesistöt, jne.) voidaan käyttää hyväksi
• mittausten osuus lisääntyy, mikäli aiemmin kartoitetut kohteet tarkistetaan ja mitataan tarkemmin
• Kartoitusprojekti: Ihmiset prosessia toteuttamassa, mittaaja ja asiakas.
• Viitteet
• 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.

 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. Geodeettisin menetelmin tehdään myös maastokartoitusta.
• Geodeettiset koordinaatistot
• Suomessa yleisesti käytettyjä koordinaattijärjestelmiä ovat maailmanlaajuinen satelliittipaikannuksen koordinaattijärjestelmä WGS84 ja valtakunnallisissa ja myös paikallisissa kartoitustöissä käytettävä kartastokoordinaattijärjestelmä kkj .
• Tasosijainti määritetään projisioimalla jokainen piste vertaustasolle, WGS84-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 WGS84-järjestelmästä kkj-järjestelmään ja päinvastoin edellyttävät geoidin tuntemista.
• 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 WGS84-järjestelmässä.
• Maastokartoitukset tehdään joko perinteisin maastomittaus- tai nykyaikaisin satelliittipaikannusmenetelmin. 3-D koordinaattimittauksissa käytetään takymetriä tai kinemaattista differentiaalista satelliittipaikannusta.
• Viitteet
• Geodesia
• Geocentric co-ordinates
• Height systems and reference surfaces
• Map projection
• Julkaisuja
1. Maastomittaustekniikka (EVTEK, Lare Lekman)
2. The Finnish national grid coordinate system http://www.nls.fi/kartta/julkaisu/kkj.html
3. Peter Dana: Geodetic Datum Overview http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/datum/datum.html
4. 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:
• runkomittaus ja signalointi,
• aluekuvaus,
• ilmakolmiointi ja pistetihennys,
• stereokartoitus ja maastomallimittaus,
• ortokuvaus.
• Fotogrammetrinen toiminta voidaan jaotella myös mittaus- ja kartoitustehtävänsä luonteen mukaan pisteittäin tehtävään tarkkaan mittaamiseen tai stereodigitointiin, joka on tarkkuusominaisuuksiltaan kertaluokkaa yleistävämpää.

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
• kartta käsitetään sekä tieteellisenä että taiteellisena dokumenttina
• kartoiksi luetaan kaikki 2-D esitykset sekä olemassa olevista että suunnitelluista kohteista,
• kartoiksi luetaan myös 3-D mallit maasta, samoinkuin muista maanpäällisistä ja taivaan kappaleista
• kartta on jossain mittakaavassa.
• Moderni kartografia erotellaan nykyisin usein perinteisestä kartografiasta puhumalla geoinformatiikasta. Tällöin siihen luetaan kuuluvaksi koko se tieteenala, joka koskee tiedon kokoamista, järjestämistä, jakelua ja käyttöä (Sarjakoski, 1993).

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

Pienimittakaavainen - suurimittakaavainen kartoitus

• Pienimittakaavainen kartoitus
• 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
• 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
• Åvik'in lasitehtaan kartta vuodelta 1783 (Suomen Lasimuseo)
• Topografinen peruskartta 1990-luvulta (Kartan copyright: Maanmittauslaitos)
• Helsinki, Kaivopiha ja asemanseutu (Kartan copyright: J. Pesonen, Helsingin kaupunki)
• Simuloitu ympäristömalli (Instrumentointi Oy)
• Mitattu ympäristömalli (FM-kartta Oy)
• Virtuaalinen Helsinki (Kartan copyright: Helsinki Arena 2000)
• Rakennus, rautalankamalli
• Huonetila, videokuva
• Ovi auki

Luennot ja harjoitukset

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

Kirjallisuutta

• 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