Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento 13: Uudet 3-D kartoitustekniikat

AIHEITA

• Laserskannerit
• TopoSys
• Syvyyskartoitus
• Tutkakuvaus
• Julkaisuja

Laserskannerit

• Rakenne
• Sensor
• LiDAR (Light Detection and Ranging)
• optinen tutka eli etäisyysmittari, joka toimii näkyvän valon, lähi-infran tai ultravioletin alueella
• Sensor orientation
• GPS (Global Positioning System) to measure aircraft position
• IMU (Inertial Measurement Unit) to measure aircraft or sensor position and attitude
• Direct sensor orientation
• ../4/4.html#Direct sensor orientation
• Toimintaperiaatteet
• etäisyysmittaus kiinteään suuntaan, korkeusmittaus (altimetri)
• rangefinder profilometer
• Optech Model 501SA, VTT/TKK
• etäisyysmittaus mittaussuuntaa muuttaen
• kartiomaisesti keilaava
• Saab HawkEye
• linjoittain keilaava
• Saab TopEye
• TopoSys
• etäisyysmittaus kuvaamalla (profilometri)
• profiileittain pyyhkivä
• laserprofilointi videokameralla, VTT
• Ominaisuuksia
• aktiivinen: laservalaisu
• havainnot pisteitä tai profiileita
• georeferointi
• ulkoisesti: GPS, INS
• profilometrillä myös sisäisesti: blokkikolmiointi
• tulkinta piste- tai profiilihavainnoista
• koordinaatisto
• maanpinta, rakenteet, kasvusto
• Laserkeilauksen tarkkuus riippuu mittausetäisyydestä (lentokorkeudesta), lentonopeudesta  ja keilaimen taajuudesta.
• Etäisyydenmittaus perustuu kulkuajan mittaamiseen. Näin ollen mittaustarkkuus pulssin kulkusuunnassa riippuu ajanmittauksen tarkkuudesta ja on vakio ja etäisyydstä riippumaton. Koska laserpulssi divergoi eli hajoaa, etäisyysmittauksen epätarkkuus kasvaa poikittaissuunnassa. Sensorin suuntahavainto kohdistuu aina hajontaympyrän keskipisteeseen, kun taas etäisyys havaitaan hajontaympyrän sisällä kohdasta, josta pulssi heijastuu.
• Laserkeilauksen havaintotarkkuus riippuu pistehavaintojen tiheydestä maastossa. Havaintotiheyteen vaikuttavat lentokorkeus ja -nopeus sekä keilaimen havaintotaajuus.
• Laserskannauksen vertaaminen ilmakuvakartoitukseen
• Laserskannaus
• läpitunkevuus maanpintaan varsinkin metsäisillä alueilla on parempi kuin ilmakuvaparin,
• maastomallin pistetiheys on maaston tarkan rekonstruoimisen kannalta hyvä, mutta skannerin keilauskuvion vaikutusta lopputulokseen ei ole selvitetty,
• skannatut 3D pisteet voidaan muuntaa suoraan kartoituksen koordinaatistoon,
• tulkinta on työlästä, koska maanpinta, pintakasvusto ja puusto ja  kaikki rakenteet näkyvät "sekaisin" samassa aineistossa, eikä valmiita kartoitussovelluksia liialti ole käytettävissä,
• tulkinnan automatisoiminen on suoraviivaista.
• Ilmakuvakartoitus
• ilmakuvan sisäinen geometria on erittäin hyvä, mutta sen hyödyntäminen edellyttää toistaiseksi blokkikolmiointia,
• tekstuurin yksityiskohtaisuus pitää ilmakuvan sen tulkinnan ja tulosten esittämisen kannalta ylivertaisena,
• stereomallin visuaalinen tulkinta on suoraviivaista ja siihen käytettävissä oleva kokemus on yleistä,
• kartoitusorganisaatioissa on ilmakuvaukseen perustuva tekniikka valmiina ja ne hallitsevat sen käytön,
• tulkinnan automatisoiminen on vaikeampaa kuin laserskanneridatalla.
• Järjestelmiä
• TopoSys
• Saab TopEye
• TopScan
• DATIS Digital Airborne Topographical Imaging System (EagleScan)
• FLI-MAP Fast Laser Imagining Mobile Airborne Platform (Fugro-Inpark B.V.)

(Uwe Lohr, 1997)

Reconstruction of forest. (Ulla Pyysalo, 2000)

Reconstruction of single trees: Birch. (Ulla Pyysalo, 2001)

Validation of airborne laser scanner data collected from the tree canopies. Laser data and a panoramic image mosaic have been  georeferenced and the point cloud kas been superimposed for visual check. The exact 3-D validation would need both stereoscopic registration and stereoscopic viewing facility. (Image processing by Petri Rönnholm, 2001)

Osa 3-D kaupunkimallia Karlsruhesta, Saksasta (Uwe Lohr, 1999). Vaikka laseraineiston pistetiheys on suuri, taiteviivat toistuvat siinä huonommin kuin valokuvalla. Laserkeilaukseen liitetäänkin yhä useammin samalla lennolla tehty valokuvaus. Kun valokuva ja laserdata liitetään yhteen, kyetään nopeasti tuottamaan fotorealistisia kaupunkinäkymiä. Ympäristö- ja kaupunkimallin tuottaminen edellyttää kuitenkin aineiston tulkintaa. Ilmavalokuvilta malli tulkitaan stereokartoituksena. Taiteviivat erottuvat hyvin ja mallin yksityiskohtaisuus viimeistellään valokuvan tekstuurein (oikeanpuoleinen kuva), mutta muu osa ympäristöstä "häviää". (Rapidscene, Rosslyn city scape, SocetSet).

TopoSys

• The position of the sensor can be measured by DGPS with an accuracy of about 0.1 m. This accuracy can only be reached with sensitive and noise-suppressing kinematic GPS receivers. Additionally a corresponding reference station must be placed within (or at least very close to) the survey area.
• The sensor's orientation can be measured with an accuracy of better than 0.2 mrad when the precise measurement device (often an INS) is fixed closely to the sensor. At a survey altitude of 1,000 m, 0.2 mrad corresponds to a pointing accuracy of about 0.2 m on ground.
• The accuracy of the distance measurements
• With maximum technical effort, presently for a single runtime (or time of flight) measurement a resolution of about 0.05 m is feasible - at a standard deviation of 0.05 m.
• Stationary measurements with the TopoSys sensor have proved that its resolution is 0.06 m at a standard deviation of 0.06 m.
• Averaging over 500 measurements produced a confidence level of ± 0.0024 m.
• The density of the distance measurements
• Airborne laserscanning produces singular, non-repeatable distance measurements. A question always arises is to where a signal reflection comes from (i.e., a tree's branch, a lamp pole or the ground). The question cannot be answered properly if the measurements are distant from each other. In this case the interpretation of the resulting DEM is difficult.
• For the TopoSys sensor the distance between neighbouring scans is only about 0.15 m resulting in an average to four measurements per m². The high measurement density allows a context-sensitive plausibility analysis: providing there are three measurements at the same altitude and the fourth is 5 m  above, then the latter is supposed to be a branch, a pole etc. and is discarded in the calculation. Additionally the high measurement density allows the extraction of break lines and other surface features.

(Uwe Lohr, 2001)

(Uwe Lohr, 2001)

(Uwe Lohr, 1999)

(Uwe Lohr, 1999)

Lasersäde divergoi eli leviää. Jos divergenssi on 0.25 mrad ja lentokorkeus 1000 m, laserpisteen halkaisija on maanpinnalla 25 cm. Osa valosta heijastuu vastaanottimeen puun lehvästöstä, osa vasta maanpinnasta. Useat laserskannerit kykenevät vastaanottaman useampia kaikuja. "First pulse"-kaiut kuvaavat lähinnä kasvillisuutta, lehvästöä, sähköjohtoja, myös lintuja, kun taas "last pulse"-kaiut kuvaavat rakennuksia, tien pintaa, autoja, paljasta maanpintaa. (Norbert Haala, 1999)

"Last pulse"-havainnot eli pisteet, jotka otetaan vastaan lähetetyn pulssin viimeisenä kaikuna. Puut erottuvat kohdissa, joissa laserpulssi ei ole läpäissyt metsää lainkaan. (Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999)

Laserkeilain läpäisee metsän sitä paremmin, mitä kapeampi keilaimen avauskulma on. (Uwe Lohr, 1997)

• References
• Uwe Lohr, 2001. Performance of the TopoSys System, http://www.toposys.com/ 2001
• Uwe Lohr, 2000. Performance of the TopoSys System, http://www.toposys.com/, 2000
• Norbert Haala, 1999. Combining Multiple Data Sources for Urban Data Acquisition, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 329-339.
• Karl Kraus and Wolfgang Rieger, 1999. Processing of laser scanning data for wooded areas, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 221-231.
• Uwe Lohr, 1999. High Resolution Laserscanning, not only for 3D-City Models, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 133-138.
• Christian Wever and Joachim Lindenberger, 1999. Experiences of 10 years laser scanning, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 125-132.
• Uwe Lohr, 2001. The Principles of Laserscanning, http://www.toposys.com/, 2001.

Syvyyskartoitus

• Laser Airborne Depth Sounder (LADS)
• LADS MkII
• mittaustaajuus 900 Hz
• mittaussyvyys 70 m
• luotauksen näytteenottoväli 5 m x 5 m
• "Merenkulkulaitos kokeilee syksyllä 1999 laserkeilaimen käyttöä merenpohjan syvyyskartoitukseen. Koealueena on Ahvenanmaan Teili, jossa 150 km² aluetta kartoitetaan australialaisella LADS MkII -järjestelmällä 3 - 4 päivän aikana. Mittauslennot tehdään 500 m korkeudelta ja laserilla uskotaan kyettävän kartoittamaan merenpohjaa 10 m syvyydelle. Mittauksista tuotetaan syvyyskartta, jota myöhemmin täydennetään kaikuluotauksella. Ilmakuvista merenpohjaa kyetään kartoittamaan Suomessa korkeintaan 1.5 - 2 m syvyyteen asti." (HS, 5.11.1999).

Tutkakuvaus

Yhdistelmäkuva 28 ERS-1/ERS-2 intensiteettikuvasta. Kuvat kuuluvat tandem-kuvauslentoon eli peräkkäisinä päivinä otetusta kuvaparista on  laskettu intensiteettikuvien keskiarvo ja koherenssikuva. Tämä kuva on muunnettu pääkomponenttimuunnoksen avulla kolmeksi kuvaksi 14 intensiteettikeskiarvokuvasta ja 14 koherenssikuvasta. (Törmä, 2001)

SAR:in kuvausgeometria. SAR: Synthetic Aperture Radar. (Richard Bamler, 1999)

SAR-amplitudikuva esittää koherentin tutkasignaalin heijastumaa kohteesta. (Richard Bamler, 1999)

SAR-interferometria perustuu kahden tutkan yhteiskäyttöön ja kohteesta palaavien tutkasignaalien vaiheiden vertaamiseen. (Richard Bamler, 1999)

  Vaihe-eron suuruudesta voidaan laskea etäisyyserot interferometritutkan ja kohteen välillä ja johtaa näistä eroista korkeusmalli. (Richard Bamler, 1999)

SRTM-lennon interferometritutkan antenni avattuna täyteen 60 m pituuteen. SRTM: The Shuttle Radar Topography Mission. Interferometrisesti valmistetun korkeusmallin ruutukoko on 30 m x 30 m. Korkeusmallin sisäinen tarkkuus on 10 m. Ruudukon ulkoinen tarkkuus on 16 m korkeus- ja 20 m tasokoordinaateissa. (Richard Bamler, 1999)

 Sukkulan SRTM-lennon kuvaus tehtiin talvella 2000, jolloin 11 päivän aikana kuvattiin alue,  joka kattoi n. 80 % maapallon maapinta-alasta.  Suomen alueelle kuvaus ei ulottunut, koska sukkulalennot rajoittuivat pohjoisessa 60° ja etelässä 56° leveyspiireille. (Richard Bamler, 1999)

Yhdeksästä ERS-1/2-kuvaparista interferometrisesti valmistettu ja koottu korkeusmalli Etelä-Saksasta Baijerista. Alueen koko on n. 300 km x 200 km. (Richard Bamler, 1999)

Julkaisuja

• Richard Bamler, 1999. The SRTM Mission: A World-Wide 30 m resolution DEM from SAR Interferometry in 11 Days, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 145-154.
• Rainer Sandau, Peter Fricker, A. Stuart Walker, 1999. Digital photogrammetric cameras: possibilities and problems, Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 71-82.