Maa-57

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. Suomessa valtakunnallisten koordinaatti- ja korkeusjärjestelmien luominen ja ylläpito ovat Geodeettisen laitoksen (www.fgi.fi) ja Maanmittauslaitoksen (www.nls.fi) tehtäviä. Geodeettisin menetelmin tehdään myös maastokartoitusta.
Geodeettiset koordinaatistot :

Koordinaattijärjestelmät (WGS84, ITRS, ETRS89) → koordinaatistot (ITRF, ETRF89, EUREF-FIN)
Tyypit: 3D-koordinaatistot, tasokoordinaatistot, korkeuskoordinaatistot
Laajuus: Globaalit, kansainväliset, kansalliset, paikalliset

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

3D-koordinaatisto: EUREF-FIN
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

Suomessa suositellut menettelyt on esitetty Julkisen hallinnon suosituksissa 153 ja 154.
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

Julkaisuja

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:

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.

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.

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

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.

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

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.

Topografinen kartta 1 : 50'000 ja lähtöpisteet.

Tihennysblokki, lähtöpisteet ja liitospisteet.

Liitospisteiden valinta.

Piste 83512.

Stereokartoitus.

Korkeusmalli.

Jabal Haroun, perspektiivikuva.

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) linkki ei toimi
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

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

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.

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

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

Opintojakson sisältö ja tavoittet
Digitaalinen kuvatuotanto I
Digitaalinen kuvatuotanto II
Kolmiointihavainnot
Kolmioinnin laskenta
Kolmiointi digitoiduin kuvin
Korkeusmallien tuottaminen
Uudet 3-D kartoitustekniikat
Ortokuvien tuottaminen
Topografinen peruskartoitus
Kartoitusprojektit
Stereokartoitus digitaalisin kuvin
Ympäristömallien tiedonkeruu

Harjoitukset

Keskinäisen orientoinnin ohjelmointi
Kolmiointi
Kartoitus
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

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma

Luento 1: Opintojakson sisältö ja tavoitteet

3-D malli vanhasta ilmakuvauksesta