Maa-57

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma

(Alkuperäinen luento: Henrik Haggrén, 25.10.2002

Muutoksia: Eija Honkavaara 22.10.2003)

Luento 10: Topografinen peruskartoitus

Topografinen kartoitus

Maastotietokanta

Topografiset kartat

Maa ja metsätalousministeriön ortokuvatuotanto peltolohkotukien valvontaa varten

Väärävärikuvien sävynsäätö

Julkaisuja

Topografinen kartoitus

Topografisena kartoituksena käsitellään tässä kartoitussovelluksia, joilla tuotetaan valtakunnallista maastotietoa lähinnä mittakaavoissa 1 : 5'000 - 50'000.
Suomessa peruskartoitus aloitettiin 1940-luvun lopulla, jolloin kartoitusta tehtiin ilmakuvilta stereotulkintana mittakaavaan 1 : 10'000. Peruskartta kattoi ensimmäisen kerran koko maan vuonna 1975, minkä jälkeen sitä on pidetty ajan tasalla ja vaiheittain digitoitu. Tällä hetkellä peruskartan korvaa maastotietokanta, jossa aineisto on jaettu kahteen laatuluokkaan A ja B. Maastokohteiden sijaintitiedot vastaavat mittakaavaa 1:5,000 .. 1:10'000. A-luokassa tietojen tasosijaintitarkkuus on tarkimmilla kohteilla pistekeskivirheenä ± 3 m.
Peruskartoituksen korkeuskäyristä digitoimalla ja kolmioimalla valmistettu numeerinen korkeusmalli kattaa 25 m x 25 m ruuduin koko maan. Aineistoa päivitetään maastotietokannasta. Korkeustietojen tasosijaintitarkkuus on ± 2 m ... 10 m. Maastotietokannassa sijaintitarkkuus ilmoitetaan korkeuskäyrien käyrävälin puolikkaana ja on Etelä-Suomessa ± 2,5 m, Pohjois-Suomessa ± 5 m.
Suomessa topografinen kartoitustarve maastotietokannan osalta sisältyy laatuluokan A tiedonkeruuseen ja se perustuu ilmakuvilta tehtävään stereokartoitukseen. Ajantasaistustarve on jatkuvaa.
Korkeusmalli antaa mahdollisuuden tehdä maastokartoitusta ortokuvilta. Ensimmäisenä valtakunnallisena sovelluksena on peltolohkotietokannan tiedonkeruu. Sen lohkorajat digitoidaan ilmakuvilta tehdystä koko maan kattavasta ortokuvasta.
Satelliittikuvien merkitys on lisääntynyt valtakunnallisissa kartoitustehtävissä. Suuriresoluutioiset satelliittikuvat soveltuvat sekä maastokuvioiden tulkintaan ja karttojen ajantasaistukseen että korkeusmallien fotogrammetriseen tiedonkeruuseen. Tutkakuvien interferometrisesta tulkinnasta on kehittymässä varteenotettava menetelmä valtakunnallisen korkeusmallin oikaisemiseen eli tasalaatuistamiseen.
Julkaisuja

Tommi Turkka, 2002. Acquisition of geographical information for radio network planning using remote sensing methods. Diplomityö, TKK, maanmittausosasto.
Yuri Blokhinov et al., 2000. Z_Space - digital photogrammetric system for Russian TK-350 images, ISPRS Congress Amsterdam 2000, Commission II, p. 83-89.

Esimerkki ortokuvan päälle tehdystä karttatulkinnasta. Kohteena on Jabal Haroun Jordanian Petran alueelta. Ortokuva on tuotettu venäläisen kartoitussatelliitin KVR-1000 kuvasta. Karttaprojektio on UTM. Kuvan pikselikoko on 1,5 metriä ja kuvasivun pituus noin 3 km. Tulkinta on tehty osana TKK:n opintojakson "Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus" harjoituksia. Tulkinnan teki Kati Tahvonen syksyllä 2001. (../../harjoitukset/opaskartta_2001/index_map_20-000.htm, ../../../../research/FJHP/maps/opaskartta.pdf,http://www.sovinformsputnik.com/cam.html)

Ortokuvatulkintaan perustuva tuotantolinja Ruotsin maanmittauslaitoksessa peruskartan 1:10'000 ajantasaistuksen tehtävissä. (Johansson et.al., 1995)

Peltotietokannan lohkorajojen digitointia 1 m pikselikoon ortokuvalta. (© Maanmittauslaitos, 1995)

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

Satelliittikuva, joka on digitoitu filmiltä ja jonka erotuskyky on 2 m. The Great pyramids of Giza (Cheops, Cephren & Mycerinus) situated on the outskirts of Cairo, Egypt. (Source: SPIN-2 Imagery, http://www.sovinformsputnik.com/)

Hirshorn Museum and Sculpture Garden. (Ikonos, 1999)

Washington Monument. (Ikonos, 1999)

Maastotietokanta

Maastotietokanta on maanmittauslaitoksen ylläpitämä yhtenäinen tietokanta maamme maastotiedoista. Kattaa 90% maan pinta-alasta eli yhteensä 327 000 km², mihin sisältyvät myös merialueet. Maastotietokantaa on valmistettu 1992-2001. Pohjoisin Lappi valmistuu 2006.
Maastotietokanta sisältää sekä luonnolliset että rakennetut kohteet. Tarkkuudeltaan maastotietokanta vastaa mittakaavaa 1 : 5000 - 1 : 10 000.
Maastotietokanta sisältää yksinomaan digitaalista aineistoa. Maastotiedot kerätään ilmakuvista stereokartoituksena. Tuotantojärjestemänä vuodesta 2001 alkaen SmallWorld ja digitaalinen stereokartoitusjärjestelmä EspaCity, aiemmin Maagis sekä analogia- ja analyyttiset stereokojeet. Osa aineistosta on digitoitu kartoilta.
Saksittua

Jakobsson, Maastotietokannan ajantasallapidon vaihtoehdot (Maanmittaustieteiden päivät 23.-24.11.1995)

" Maanmittauslaitos kerää valtakunnallisesti tarkimmat tiedot maastotietokantaan, jonka valmistus aloitettiin vuonna 1992. Ennen tätä oli peruskartta valmistunut vuonna 1975, minkä jälkeen oli siirrytty ajantasallapitoon. 1980-luvun lopussa oli kehitetty nopeutettu ajantasallapitomenetelmä -päällepainatus, jonka avulla pystyttiin painettujen peruskarttojen määrä pitämään vuosittain n. 300 kappaleessa. Uudiskartoitusta tehtiin pääsääntöisesti maastokartoituksena, joka tuottikin hyvää tulosta, ongelmana oli ainoastaan hidas puhtaaksi piirtämisprosessi. Käytännössä uudiskartoituksena tehtyjen painettujen peruskarttojen lukumäärä oli n. 150 kappaletta 1990-luvun alussa. Maanmittauslaitoksen organisaation uudistuttua vuoden 1991 alussa päätettiin peruskarttatuotanto muuttaa numeeriseksi."
" Vuosina 1991-1993 NPK-työryhmä kehitti maanmittauslaitoksen maastotietojärjestelmän, joka käsitti alunperin maastotietokannan ja siitä tehtävän maastokartan 1:20 000. Topografisen kartan 1:50 000 tuotanto oli jo aiemmin siirretty puolittain numeeriseksi tuotannoksi, mutta tuotantotavoitetta n. 40 lehteä vuodessa ei oltu saavutettu. Vuonna 1993 päätettiin liittää topografisen kartan 1:50 000 tuotanto osaksi maastotietojärjestelmää siten, että prosessi perustuu maastotietokannasta tehtävään yleistykseen. Samoin pienimittakaavaisten karttojen tuotanto päätettiin liittää osaksi maastotietojärjestelmää."
" Vuoden 1995 lopussa maastotietokannassa on n. 40 % maasta ja tavoitteena on, että maastotietokanta valmistuu vuonna 2000. Vuonna 1994 maastotietokantaa tuotettiin 54 000 km2, joka vastaa n. 540 peruskarttalehteä. Tuottavuuden nousu oli siis vanhaan prosessiin verrattuna 225 % (puhtaaksipiirrettiin n. 240 lehteä vuosittain). Maastokartta 1:20 000 ja Maastokartta 1:50 000 valmistetaan maastotietokannasta yleistämällä. Maastokarttojen tuotanto ei enää nykyisellään ole pullonkaula prosessissa. Pienimittakaavaisista tietokannoista ovat valmiit 1:250 000, 1:500 000, 1:1 000 000, 1:2 000 000, 1:4 500 000. 1:100 000 tietokannan valmistus maastotietokannan tietoihin perustuen aloitetaan vuonna 1996."

Viitteet

Maastotietokanta http://www.nls.fi/kartta/tuotteet/maastotk.html
Maastotietojen kohdemalli, Maanmittauslaitos, Helsinki 1995 http://www.nls.fi/kartta/julkaisu/mtkm/
Maastotietojen latumalli, Maanmittauslaitoksen julkaisuja, Nro 75, Helsinki 1995.

Maastotietokantatilanne .1.1.2001

Maastotietokannan kattavuus laatuluokittain 1.1.2001 (c) Maanmittauslaitos

Ortokuvalle projisioitu maastokartta. Peruskartan runko muodostui alunperin ilmakuvamosaiikista, joka koottiin oikaistuista ilmakuvista. Topografit käyttivät tästä kopioitua ilmakuvakarttaa 1 : 10'000 kenttälevynä ja piirsivät maastossa mitatut korkeuskäyrät suoraan sille. Vaikka käyrät mitattiin oikein, ne piirrettiin periaatteessa väärään paikkaan ja senaikaiset "maastovirheet" näkyvät yhä peruskartoilla. Samalla koko muukin maasto siirtyi käyrien mukana. Vasta vuoden 1967 jälkeen ryhdyttiin peruskarttaa valmistamaan käyttäen pohjana stereokartoituksen mukaista käyräpiirrosta.

Koordinaattikeskivirhe on koordinaattierojen keskihajonta. Pistekeskivirhe m_P lasketaan toistetuista havainnoista ja niiden koordinaattieroista. Kun m_X = m_Y, todennäköisyys sille, että piste P sijaitsee ympyrän sisällä, on on n. 63 %. Kun keskivirheet kerrotaan luvulla 2.146 (2.447, 2.205) saadaan arvio 90 % (95 %, 99 %) varmuudesta. Sijaintitarkkuus m arvioidaan tarkastusmittauksien perusteella ja lasketaan maastossa mitattujen ja ilmakuvilta mitattujen koordinaattien välisistä eroista d_X ja d_Y.

Tulkintamenetelmä	Aineisto	Mittakaava	Identifioitavuus [m]
Tulkintamenetelmä	Aineisto	Mittakaava	1	2	3	4
Tarkkuusstereokoje	Ilmakuva	1 : 16 000	0.5 / 1	-
Tarkkuusstereokoje		1 : 31 000	1 / 2	-
Kartoitusstereokoje		1 : 16 000 - 31 000	1 / 1	3 / 3	5 / 5	10 / 10
Kartoitusstereokoje		1 : 16 000 - 60 000	5 / 5	10 / 10	15 / 15	30 / 30
Digitointipöytä	Ortokuva	1 : 5 000	3 / -	5 / -	10 / -	15 / -
	Ortokuva	1 : 10 000	5 / -	7.5 / -	12.5 / -	25 / -
	Maastopiirros	1 : 10 000	5 / -	7.5 / -	15 / -	30 / -
	Peruskartta	1 : 20 000	7.5 / -	12.5 / -	20 / -	40 / -
Skannaus	Rasterikuva	1 : 10 000	7.5 / -	10 / -	15 / -	30 / -
Skannaus		1 : 20 000	10 / -	15 / -	20 / -	40 / -
	Kaavan pohjakartta		1 / -	3 / -	5 / -	10 / -
	Muu		10 / -	15 / -	40 / -	80 / -

Tulkintamenetelmän ja -aineiston vaikutus kartoitetun kohteen sijaintitarkkuuteen identifioitavuudeltaan erilaisilla kohteilla. Taulukon luvut kuvaavat taso- ja korkeussijaintitarkkuutta pistekeskivirheenä. (Maastotietojen latumalli, 1995)

Identifioitavuus			Kohdetyyppi
1	Erinomainen	Pistemäinen, ihmisen tekemä kohde
2	Hyvä	Pistemäinen tai viivamainen, ihmisen tekemä kohde	- rakennus, rakennusryhmä, vesitorni, savupiippu - autotie, rautatie - keinotekoinen rantaviiva - sähkölinja - majakka
3	Tyydyttävä		- korkeuskäyrä - vakavesi, virtavesi - maatalousmaa - niitty, puisto, puu, puurivi, aita - suo, hietikko - jyrkänne, kivi, kivikko, louhos, kaatopaikka, luiska - talvitie, polku, lossi - putkijohto - lähde - kummeli, linjamerkki, loisto, linjaloisto
4	Heikko	Luonnonkohde	- taajama - avokallio, louhikko - metsämaan kasvillisuus - soistuma - vesikulkuväylä

Esimerkkejä identifioitavuudesta kohdetyypeittäin.

Ortokuvan mahdollisuudet yksikuvatulkintaan maastotietokannan ajantasaistustehtävissä. Maastovirhe näkyy polkujen vääränä sijoittumisena kuvalle. Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään, miten aiemmin tulkitut maastokohteet voitaisiin siirtää oikealle paikalleen (Ingberg, 1998). Vaikka ajantasaistustehtävissä käytetään yleisesti ortokuvaa, samat maastovirheet voidaan havaita ja tulkita myös oikaisemattomalta ilmakuvalta.

Yksikuvakartoituksen 3D-periaate. Jos kuvan orientointi tunnetaan, kuvalta havaitun pisteen P' koordinaatit saadaan määritettyä kuvaussäteen ja maaston pintamallin leikkauspisteeseen P. Mikäli maastomalli on virheellinen, koordinaatit määrittyvät "väärälle" pisteelle (P), vaikkakin oikealle suoralle P'P. Mitä tarkemmin maastomalli tunnetaan, sitä tarkemmin pisteen P sijainti tulee mitatuksi tältä ensimmäiseltä kuvalta. Mikäli sama piste havaitaan myöhemmin joltakin toiselta kuvalta, virhe voidaan oikaista tarkasti. Oikaisemisen edellyttää sitä, että tieto ensimmäisestä kuvasta eli suorasta P'P säilyy, kunnes tarkka paikka on havaittu.

Topografiset kartat

(http://www.sovinformsputnik.com/cam.html http://www.sovinformsputnik.com/p_dem.html)

Togografinen "ortokuva". Kuva on Stuttgartin yliopiston maastomallimittauksen testikentästä Vaihingen/Enz'istä. Kokeellisesti on voitu osoittaa, että digitoiduista ilmakuvista kyetään tuottamaan automaattisella stereoyhteensovituksella korkeusmalleja, joiden tarkkuus on 0.012 % lentokorkeudesta. Ilmakuvat voidaan digitoida joko 15 tai 30 mikronin pikselikoolla. Kuvan maastomalli on tuotettu digitaalisen kolmirivikameran kuvista, korkeusmalli pankromaattisista stereokuvista ja tekstuuri RGB-kuvista. (Fritsch, 1999)

Togografinen 3D-kartta, "deep map". Kartan havainnollisuus lisääntyy, kun se projisioidaan tarkastelusuunnan mukaisessa perspektiivissä. Kuvan kartta on saksalainen topografikartta 1 : 25'000. (Fritsch, 1999)

Ortokuva maisemana. "Orthophoto and orthophoto mosaic production. "....Fast and reliable triangulation of large aerial photo blocks using fully automatic Zeiss PHODIS AT software. Automated digital elevation model (DEM) generation using PHODIS TopoSURF- and Image Station Match-T software, both products of Z/I Imaging. For digital orthophoto rectification FINNMAP utilizes fully automated work flow based on the Image Station Base Rectifier by Z/I Imaging..." (Finnmap http://www.finnmap.com/ortho.html).

Togografinen kaupunkimalli. Kuvan kaupunkimalli on tuotettu korkeusmallin päälle projisioiduista rakennustiedoista. Rakennukset on mallinnettu pohjapiirrosten, kerrosluku- ja kattotyyppitietojen yms. mukaan. (Fritsch, 1999)

Rakennuksia sisältävä 3-D kaupunkimalli. Korkeusmalli on havaittu 3-D laserskannerilla. Sitä on editoitu tiedoilla rakennusten pohjakuvioista ja kattotyypeistä. Seinät on oletettu pystysuoriksi, räystäät ja harjalinjat vaakasuoriksi. Maanpinta on teksturoitu ilmakuvilta. (Fritsch, 1999)

Maa ja metsätalousministeriön ortokuvatuotanto peltolohkotukien valvontaa varten

Maa- ja metsätalousministeriö suorittaa EU:n peltolohkotukien valvontaa käyttäen IACS-järjestelmää (Integrated Administration and Control System). Osa IACS-järjestelmää on FLPIS-järjestelmä (Finnish Land Parcel Identification System). FLPIS sisältää paikkatietoa maatiloista ja peruslohkoista, ja se on yhdistetty attribuuttidatan kautta IACS:iin. Rekisterissä on tällä hetkellä tiedot noin 1 040 000 peruslohkosta.
Osa FLPIS:iä on Suomen kattava digitaalinen ortokuva-aineisto. Ortokuvien geometrisen tarkkuuden vaatimus on alle 2,5 m pistekeskivirhe.
FLPIS-ortokuvat tuotettiin ensimmäisen kerran vuosina 1996-1997. Tällöin kuvamateriaalina käytettiin koko maan kattavaa Topografikunnan tuottamaa 1:60 000 ilmakuva-aineistoa sekä koko maan kattavaa MML:n Korkeusmalli25:tä. Ortokuvien geometrinen tarkkuus täytti laatuvaatimukset suuressa osassa maassa, mutta visuaalinen laatu (radiometria, spatiaalinen erotuskyky) oli monin paikoin varsin heikko, koska ilmakuvatuotannon laatuvaatimukset eivät vastanneet tyypillisten kartoituskuvausten laatuvaatimuksia.
Toinen vaihe alkoi vuonna 2002. Kuvamateriaalina ovat skannatut 1:30 000 väärävärikuvat. Skannausresoluutio on n. 0.014 mm. Kuvat oikaistaan 0.5 m pikselikoolla peruskarttalehtineljänneksittäin (5 km x 5 km) kkj-koordinaatistoon käyttäen nadiiria lähinnä olevat kuvanosat. Korkeusmallina on MML:n Korkeusmalli25.

Urakoitsijoina vuosina 2002 ja 2003 ovat olleet FM-Kartta Oy, Maanmittauslaitos sekä Suomen Mittaus ja Kartoitus Oy
Ohjelmistot

Orientointi: LH-Systems SocetSet, Inpho Match-AT, ISM SysImage
Orto-oikaisu: LH-Systems SocetSet, PCI OrthoEngine, ISM SysImage

Laadunvalvonta: Laatujärjestelmä on laadittu Geodeettisella laitoksella, Geoaudit Oy on suorittanut operationaalista laadunvalvontaa vuosina 2002-2003.

Kuvien käyttöön peltolohkosovellutuksissa liittyviä ongelmia

kuvien saumat, mosaiikkien saumat
korkeusmallin virheistä johtuvat ortokuvan virheet ja epäjatkuvuudet mosiikkien rajoilla
kuvien vaihteleva radiometria (kuvausolosuhteet, emulsiot, positiivi vs. negatiiviprosessi,...)
lohkorajoja peittävät metsät ja niiden varjot
pilvet ja pilvien varjot (kuvilla sallitaan pieniä määriä pilviä)

Esimerkkikuvat

o Topografikunnan mustavalkokuva, pikselikoko 1 m.

o Vuonna 2003 kuvattu väärävärkikuva, jossa pikselikoko 0,5 m.

o Kokonainen ortokuva, säätämätön, kuvausvuosi 2002.

o Kokonainen ortokuva, säädetty, kuvausvuosi 2002.

o Säätämätön väärävärikuva

o Säädetty väärävärikuva

o Värikuva

o Siirtymä

o Mosaiikkisauma

o Neljän pk-lehden neljänneksen risteyskohta

o Epäjatkuvuus

o Pilvi+varjo

LPIS-ortokuvien tuotanto vuosina 1996-1997. Laadunvalvonnan perusteella määritetyt geometrisen tarkkuuden laatuluokat (Honkavaara, Kaartinen, Kuittinen, Huttunen, Jaakkola, 1999: Quality of FLPIS Orthophotos. Reports of the Finnish Geodetic Institute, 99:1.). Laatuluokat 1-2, 3a, 4: pistekeskivirhe <2 m, 3b: pistekeskivirhe < 3 m.

MMM:n LPIS projekti, kuvatuotantoprosessi ja sen laadunvalvonta

MMM:n LPIS projekti, ortokuvatuotantoprosessi ja sen laadunvalvonta

Väärävärikuvien sävynsäätö

Säätämätön ja metsäsovellutuksiin säädetty väärävärikuva. Alkuperäinen kuva: FM-Kartta Oy. Säädetty kuva: Lauri Markelin.

Kuusimetsää, Mäntymetsää turvemaalla

Lehtimetsää, sekametsää ja avokalliota.

Alkuperäinen kuva: FM-Kartta Oy. Säädetty kuva: Lauri Markelin.

Punaisen, vihreän ja sinisen kanavan säädöt. Vaaka-akselilla alkuperäisen ja pystyakselilla säädetyn kuvan sävyarvot; skaala 0-255. (kuvat: Lauri Markelin)

Alkuperäisessä ilmakuvassa (orig) ja sävymallikuvassa (malli) käytetyt sävyjen lukumäärät R, G ja B –kanavilla. (Kuva: Lauri Markelin)

Julkaisuja

· Ari Tella, 2000. JAKO/TDS - The National Topographic Data System in Finland. The Nordic GIS Conference in Reykjavík, 26-28.10.2000. http://www.ginorden.org/konf/getpaper.php?ID=9

· Ari Tella, 2000. JAKO/ National Topographic Data System in Finland. Smallworld 2000 EMEA, 29-30.5.2000, Freiburg. http://www.smallworld.co.uk/large_docs/Tella.ppt

· Dieter Fritsch, 1999. Virtual cities and landscape models - what has photogrammetry to offer?, Photogammetric Week '99, Wichmann, p. 3-14. http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo99/phowo99.htm

· Kari Ingberg, 1998. Digitaalinen ortokuva ja elementtimenetelmä ajantasaistustyökaluna maastotietojärjestelmässä, TKK, erikoistyö, Espoo 1998

· Jyrki Lämsä, 1998. Digitaalisille ortokuville asetettavia vaatimuksia maastotietojen keruussa, TKK, diplomityö, Espoo 1998

· Mikael Johansson, Scott B. Miller, A. Stewart Walker, 1995. Digital orthophotography at the National Land Survey of Sweden, Maanmittaustieteiden Seuran Julkaisu, Espoo 1995.

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma