(Alkuperäinen luento: Henrik
Haggrén, 11.10.2002
Muutoksia: Eija Honkavaara
11.09.2005)
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
Kirjallisuutta

- 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.
- 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.
- 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).

- Geodeettiset ja fotogrammetrisen mittaukset
voidaan kohdistaa kartoitusprosessin eri vaiheisiin seuraavasti:
- runkomittaus yleensä 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
- Nykytekniikka tarjoaa monia vaihtoehtoisia
menettelytapoja kartoitusprosessin suorittamiseksi. Mikäli tehtävä sallii,
vaihtoehtoisia menettelytapoja kannattaa soveltaa ennakkoluulottomasti.
- 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).
- 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
- 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
- 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.
- 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? 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.
- 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 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.
·
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:
·
Vexcel Ultracam
·
Z/I-Imaging DMC
o
CCD-rivigeometria:
·
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)
·
Stratosfäärikuvaus
·
Miehittämättömät
kuvausalukset 14-20 km korkeudessa (http://www.pegasus4europe.com/)
·
Analogiakuvat
- digitaaliset kuvat?
o
Ilmakuvat
käsitetään yleisesti lentokoneesta otetuiksi analogisiksi tai digitaalisiksi
kuviksi.
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)
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
|
- 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. http://foto.hut.fi/seura/julkaisut/erillisjulkaisu1_1998/esittely.html
o
Fotogrammetrian
ja kaukokartoituksen seura, 2005. Ohjeita ortokuvien tuotannolla ja käytölle
Suomessa. FKS julkaisu 1/2005. http://www.fgi.fi/osastot/foto/projektit/ortokuva_etusivu.html
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.
- 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