Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento 2: Ilmakuvien digitointi

AIHEITA

• Analogiakuvat ja digitoidut kuvat kartoituskuvauksissa
• Kuvakoko
• Ilmakuvaskannerien rakenne
• Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset
• Markkinoilla olevia skannereita
• Skannerien tarkkuus
• Skannerin kalibrointi
• Tuotantojärjestelmiä Suomessa
• Digitointi mikrodensitometrillä
• Digitaalinen ilmakuvaus
• Kirjallisuutta

Analogiakuvat ja digitoidut kuvat kartoituskuvauksissa

• Toistaiseksi valtaosa suurimittakaavaisesta kartoitustoiminnasta perustuu analogiakuvien käyttöön.
• Kuvat ovat pääasiassa värikuvia, jotka otetaan kartoitusmittakameralla.
• Kuvausjärjestelmän erotuskyky on vähintään 40 lp/mm ja parhaimmillaan 60 lp/mm.
• Yksi ilmakuva on kooltaan 230 mm x 230 mm ja sisältää 1.5 Gb kuvatietoa.
• Kartoitusmittakameran geometrinen tarkkuus on kertaluokkaa 1 µm, mikä vastaa suhteellista tarkkuutta 1 : 230 000 kuva-alalla.
• Kuvausjärjestelmän "heikoin" lenkki on filmi, joka deformoituu kuvaus- ja kartoitushetkien välillä. Vaikka kuvan deformaatiota voidaan pääosin kontrolloida reunamerkein, niiden jäännösvirheiden vaikutusta rekonstruoidun kohdemallin deformoitumiseen on kontrolloitava myös hyvällä lähtöpistegeometrilalla.
• Kartoituskuvat voidaan digitoida eri tavoin joko skannaamalla kuvauksen jälkeen filmiltä tai kuvaamalla suoraan digitaalisella kameralla. Toistaiseksi digitaalisten kameroiden käyttö kartoituskuvauksiin on marginaalista vaikkakin vilkkaan kehitystyön kohteena.
• Kartoituskuvat digitoidaan ns. fotogrammetrisilla skannereilla. Joissain erikoistilanteissa tulevat kyseeseen myös mikrodensitometrit, julkaisuskannerit tai diaskannerit.
• Digitaalinen kartoituskuvaus on joko korkearesoluutioista satelliittikuvausta tai ilmakuvausta digitaalisin kameroin.
• Kun kuva digitoidaan skannaamalla filmiltä, kuvan täytyy vastata geometrialtaan ja erotuskyvyltään samoja tarkkuusvaatimuksia, joita edellytetään kartoitustehtävissä analogiakuviltakin.
• Kuvausjärjestelmän erotuskyky 50 lp/mm vastaa digitoiduilla kuvilla pistetiheyttä 2400 dpi (dots per inch) tai pistekokoa 0.010 mm. Kuva-alalla 230 mm x 230 tämä vastaisi kuvakokoa 23 000 x 23 000 pikseliä.
• Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaan signaali tulee havaita kaksinkertaisella taajuudella, jotta se voitaisiin rekonstruoida uudelleen. Esimerkiksi, 10 mikrometrin pikselikoolla voidaan digitoida siniaalto, jonka aallonpituus on 20 mikrometriä. Tämä vastaa viivatiheyttä 50 lp/mm.
• Kuvat digitoidaan erotuskyvyllä 3 x 8 bittiä/pikseli. Digitoitaessa 0.010 mm:n pistekoolla yksittäisen ilmaisimen kohina saisi olla korkeintaan ± 0,03 - 0,05D.
• Digitoinnin geometrisen tarkkuuden tulee vastata sitä tarkkuutta, joka on ollut saavutettavissa mitattaessa kuvia hyvällä analyyttisellä stereokartoituskojeella eli luokkaa 1 : 100 000 - 1 : 200 000 koko kuva-alalla. Tämä vastaa havaittujen kuvakoordinaattien keskivirheitä ± 0.001 - 0.003 mm.
• Sellaisia digitaalisia kameroita, joilla voitaisiin yhdellä "kuvanotolla" tallettaa kartoitusilmakuvan kokoisia kuvia, ei ole. Suurimmat kuva-anturit ovat digitaalisilla kameroilla luokkaa 4 000  x  4 000 pikseliä. Digitaalinen kartoituskuvaus onkin periaatteessa sama asia kuin skannaaminen filmiltä, mutta skannaaminen tehdään suoraan kohteelta. Kummassakin tapauksessa kohdetta pyyhkitään joko pistemäisellä ilmaisimella, rivi-ilmaisimella, tai kaksiulotteisella kuva-anturilla. Kohteella skannattu ja digitoitu kuva ei kuitenkaan koskaan vastaa geometrialtaan vastaavaa filmiltä skannattua kuvaa.
• Koska kuvausalusta, satelliitti tai lentokone, liikkuu "yhden kuvan" kuvanoton aikana, kuva ei ole kuin osittain keskusprojektiokuva.
• Kuvausalustan epävakaa liike aiheuttaa kuvan sisäiseen geometriaan epäsäännöllisyyttä, jota ei voi kalibroida. Sen mallintaminenkin on sitä vaikeamapaa mitä pienemmissä osissa kuva skannataan.
• Mikäli kuvia käytetään vain stereotulkintaan tai -havainnollistamiseen, digitoinnissa tulevat kysymykseen myös ns. graafiset desktop-riviskannerit.
• Desktop-skannereita ei ole suunniteltu mittauskäyttöön, joten ne ovat rakenteeltaan epästabiileja ja geometrialtaan epätarkkoja. Rividigitoinnin johdevirheet voivat olla huomattavan suuria, jopa ± 0.1 mm. Säännöllisellä kalibroinnilla virheitä voidaan kompensoida.
• Desktop-skannereiden digitointiala on pienempi kuin ilmakuvan kuvakoko. Jopa A3-koon skannereissa lukuala on niin pieni, että kaikkia reunamerkkejä ei joidenkin kameroiden osalta saada luettua yhdellä digitoinnilla.

Kuvakoko

• Ortokuvan valmistamisen pikselikoko lasketaan lopputuotteen vaatimuksista, esimerkiksi 1m, 0.5 m, 0.2m tai 0.1 m.
• Kartoitustehtävissä pikselikokona käytetään yleisesti 13-15 mikronia, mikä vastaa käytännössä kartoitusjärjestelmän tulkintaketjun "filmi-skanneri-stereotyöasema-stereotulkinta" välityskykyä.
• Kolmioinnissa tulkinta on liitospisteiden osalta automaattista yhteensovitusta, minkä vuoksi pikselikoko voi olla 2X suurempi kuin yksityiskohtien kartoitustehtävissä. Tällä ei ole oleellista vaikutusta lopputulokseen, koska kolmioinnin geometrinen tarkkuus on sama kuin tulkintaketjun "filmi-skanneri" tarkkuus.

 

Pikselin koko maastossa eri kuvamittakaavoilla [m] 

Pikselin koko [0.001 mm]	7.5	10	15	21
1 : 60 000	0.45	0.60	0.90	1.26
1 : 30 000	0.23	0.30	0.45	0.63
1 : 16 000	0.12	0.16	0.24	0.34
1 : 6 000	0.05	0.06	0.09	0.13
1 : 3 300	0.02	0.03	0.04	0.07
1 : 1 000	0.00	0.01	0.02	0.02

Ilmakuvaskannerien rakenne

Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset

•  Selvää on, että skannaus ei saa heikentää kuvan laatua sen fotogrammetrisen käytön kannalta. Jotta näin olisi, seuraavat skannerille voidaan asettaa seuraavat vaatimukset:
• Tasoskanneri, jonka digitointiala kattaa kartoituskameran reunamerkit. Käytännössä kuva-ala on 250 x 250 mm.
• Kuva-anturin tulee rakentua joko ilmaisinrivistä tai -matriisista.
• Koska kuva joudutaan skannaamaan osissa, on erityisen tärkeää, että kuva-anturin digitointiala valaistaan on tasaisesti. Tässä suhteessa diffuusi valo on parempi kuin suunnattu valo.
• Värikuvien skannaus tulee tehdä yhdellä läpiajolla.
• Digitoinnin geometrisen erotuskyvyn tulee olla parempi kuin 0,01 mm, jotta kuvan sisältämä kohdetieto ei vähenisi skannauksessa. Tämä vastaa kuvausjärjestelmän erotuskykyä n. 50 lp/mm.
• Digitoinnin geometrisen tarkkuuden tulee olla parempi kuin 0,25 pikseliä tai 0,005 - 0,002 mm silloin, kun digitoitua kuvaa käytetään tarkkoihin mittauksiin, esimerkkeinä kolmiointi ja korkeusmallien havaintotyöt. Geometrinen tarkkuus voidaan ymmärtää myös yksittäisen, minkä tahansa pikselin sijainnin tarkkuutena kuvan alueella.
• Digitoinnin radiometrisen erotuskyvyn tulee vastata 10 bitin sisäistä kvantisointia, jotta ulos tuleva 8 bittiä on todellista informaatiota.
• Vastaavasti on esitetty, että voidakseen toistaa kuvan kontrastit myös kohteen tummilla osilla, kuten metsän varjoisilla alueilla, kvantisointi tulee tehdä 10 - 11 bitillä. (Boberg, 2001)
• Digitoinnin radiometrisen skaalan tulee kattaa densiteettiväli 0.1D - 2.0D densiteettiväliä mustavalkokuvilla ja n. 0.2D - 3.5D värikuvilla.
• CCD-ilmaisinten kohina ei saa olla yli ±0,03 - 0,05D 0,01 mm:n pikselikoolla.
• Skannerin käytön kannalta on lisäksi edullista, jos kuvanluku voidaan tehdä rullafilmiltä kuvia leikkaamatta.
• Densiteetti

Markkinoilla olevia skannereita

 

Skannereita

Merkki	CCD  kuva-anturi	Pienin  pikselikoko  0,001 mm	Kuvakoko  mm	Sävyjen  määrä  bit	Geometrinen  tarkkuus  0,001 mm	Rullafilmin  syöttö
Fotogrammetrisia skannereita
Vexcel VX 4000 HT	1024 x 1024	7.5 x 7.5	254 x 508	8	2.5	on
Vexcel VX 4000 DT	768 x 494	8.5 x 8.5
Helava DSW 300	matriisi	5 x 5	265 x 265	10 / 8	< 2	on
International Systemap Corp. DiSc	3-rivi	10 x 10	320 x 320	10 / 8	5	on
Intergraph PhotoScan TD	rivi	7 x 7	250 x 275	12 / 8	< 2	on
Zeiss Phodis Scai	rivi	7 x 7	250 x 275	12 / 8	< 2	on
XL Vision 950 Orthovision	3-rivi	10 x 10	254 x 254	10 / 8	2 - 3	on
Wehrli RasterMaster RM1	rivi	12 x 12	250 x 250	8	4	ei
Desktop-skannereita
Agfa Horizon	3-rivi	21 x 21	240 x 340	12	> 10	ei
Sharp JX-610	rivi	21 x 42	305 x 342	12 / 8	> 10	ei

• Intergraph  PhotoScan TD
• High-resolution, radiometrically and geometrically precise, flatbed scanning system for the Windows-NT operating system
• Intel Pentium® host with 48MB RAM, running Windows NT®, with optional 20", 21", or 27" high-resolution monitor
• Selectable scan resolutions of 7,14, 28, 56, 112, and 224 microns
• Fast throughput - less than 10 minutes for 14um scan, monochrome or color
• Standard single sheet or roll feed film scanning
• Single-pass scan - monochrome or color, entire or part image
• Input media - film or glass, diapositives or negatives
• Non-proprietary output file formats
• Real-time JPEG image compression/decompression (H/W option)

• Intergraph PhotoScan PS1
• High-resolution, radiometrically and geometrically precise, flatbed scanning system for the UNIX operating system
• Rapid, high-resolution scanning of up to 260mm x 260mm regions from film formats ranging up to and beyond 10" x 10".
• Compensated linear CCD technology for rapid, precise and high quality image data collection
• Selectable resolution scan settings from 4* to 120 microns
• Black-and-white film scanning with 256 significant gray levels
• 24-bit color imaging by way of filtered sequential scans
• Optional scanning along photoaxis defined by an "interior orientation" and a precise rotation of the scan axis
• Optional JPEG image compression/decompression
• Overview creation capability
• Ten-bit data capture, 8-bit output capability
• Tiled Intergraph and TIFF formats
• Bundled solution film scanning system including the host workstation and scanning software

Leica Helava DSW300.

• Leica Helava DSW500  Digital Scanning Workstation
• 0.004-0.020 mm pixel size (0.004 ~ 125 lp/mm)
• Digitointiala 260 mm x 260 mm.
• Digitointi kameroilla, MegaPlus 4.2i (2029x2048), MegaPlus1.6i (1024x1536), MegaPlus 6.3i (2056x3072).
• 0.0005 / 0.002 mm stage resolution/accuracy.
• 5 x 5 grid stage calibration.
• Radiometric range 0.1 -2.5 D, resolution 0.01D at 1.0 D.
• An innovative, stroboscopic illumination system produces very accurately controlled "bursts" of light and requires no aperture or shutter in front of the scanner’s digital camera.
• A lighter color wheel facilitates faster color scanning.
• The scanner is supplied with one of three high performance digital cameras, enabling customers to select their optimum throughput and price levels. The integrating sphere, a characteristic component of all the DSWs, has been redesigned with a smaller diameter and a larger aperture to give more light and a bigger illuminated area on the image. These improvements not only provide higher performance and give the customer more choice; they reduce complexity, thereby providing both higher reliability and lower cost. The DSW500 is offered on both Intel/Windows NT® and Sun/Solaris® platforms: customers can opt for their preferred computing environment. The recommended host computers are a high performance, dual processor Pentium III for Windows NT, or Sun Ultra 10 or Ultra 60 for Solaris.
• http://www.lh-systems.com/products/dsw_scanner.html

• Zeiss
• SCAI Precision Scanner
• High geometric precision (2 µm RMSE)
• Wide CCD line with over 5000 elements enables fast scan times
• Optical train composed of distortion-free mirror lenses instead of the conventional glass for better quality color scans
• Color CCD line for one-pass scanning of color images
• Radiometric resolution of up to 1024 gray levels for better tonal definition
• High resolving power, 64 lp/mm
• Autonomous scanning with the autowinder
• Automatic interior orientation can be conducted during the scan and stored in the data file
• SCSI 2 Interface to host computer
• PHODIS SC besteht aus
• dem Präzisionsscanner SCAI mit der Scan- und Steuereinheit und dem Autowinder (optional) zum automatischen Digitalisieren von kompletten, unzerschnittenen Filmen
• der SC-Software zur Steuerung des Scanners und zur Verwaltung und Manipulation der digitalen Bilder
• der optionalen Anwendersoftware zum operateurlosen Scannen von Sequenzen von Bildern und
• einer Silicon Graphics Workstation mit geeignetem Massenspeicher und UNIX-Betriebssystem
• Technische Daten
• Bildformat: 250 mm x 275 mm (maximal)
• Pixelgröße: minimal 7 mm = 3628 dpi
• CCD-Zeile: 5632 Pixel = 39.424 mm Streifenbreite
• Radiometrische Auflösung: 8 bit
• Scanrate: 4 MPixel/s (maximal)
• RGB-Digitalisieurng: gleichzeitig
• Filmlänge 150 m (maximal)
• http://www.czi.com

• International Systemap Corp. ISM XL10
• http://www.ismcorp.com

Skannerien tarkkuus

• Skannerin tarkkuus ilmaisee sen, miten hyvin digitoidun kuvan radiometria ja geometria vastaavat alkuperäisen eli digitoitavan kuvan radiometriaa ja geometriaa. Skannerin erotuskyky ilmaisee sen, miten hyvin digitoidun kuvan yksityiskohdat toistuvat, kun tätä verrataan alkuperäisen kuvan sisältämään yksityiskohtaisuuteen.
• Geometrinen sijaintitarkkuus
• Geometrinen erotuskyky
• Radiometrinen erotuskyky
• Julkaisuja
• Emmanuel P. Baltsavias and Christoph Kaeser, 1999. Quality Evaluation of the DSW200, DSW300, SCAI and OrthoVision Photogrammetric Scanners, OEEPE Workshop on Automation in Digital Photogrammetric Production. http://dgrwww.epfl.ch/PHOT/workshop/wks99/3_1.html
• Dan Häggman: Skannereiden tarkkuudesta, 1997

Skannerin kalibrointi

• Maanmittauslaitoksen XL Vision Orthovision 950
• kolmen peräkkäin sijaitsevan rivi-ilmaisimen keskinäinen geometrinen kalibrointi, tehdään tehtaalla
• kuvatason sijaintivirheiden määritys, tehdään tehtaalla
• geometristen johdevirheiden kalibrointi, tuloksena geometrinen korjausmalli, tehdään tarpeen mukaan
• tehdään digitoimalla 49 x 49 pisteen NTS-gridi (NTS, National Institute of Standards and Testing), jonka tarkkuus on 0,0005 mm (RMS)
• geometrisesti korjatun kuvan virheet ovat luokkaa 0,0015 mm (RMS) sekä ilmaisinrivin että skannausliikkeen suunnassa
• ilmaisimen integraatioajan kalibrointi, tuloksena perusvalotusajat kullekin kolmelle rivi-ilmaisimelle
• radiometrinen kalibrointi, tuloksena korjaukset kullekin yksittäiselle CCD-ilmaisimelle, tehdään päivittäin
• harmaasävyt digitoidaan alunperin 10 bitillä ja muunnetaan ulostulossa 8 bitiksi
• ilmaisimet kalibroidaan ulkoisesti filmin tummuuden mukaan niin, että koko 256 harmaasävyn asteikko tulee käytettyä hyväksi
• ilmaisimet kalibroidaan sisäisesti tasalaatuisiksi, jotta digitoituun kuvaan ei sisältyisi ilmaisimista johtuvia systemaattisia eroja, juovaisuutta

Tuotantojärjestelmiä Suomessa

• Maanmittauslaitos
• Roll film scanner LH Systems DSW500, SUN Solaris
• automatic interior orientation
• matrix CCD
• pixel size 4-20 microns (20 used)
• geometric precision of < 2 microns (RMSE)
• 10 bit dynamic range
• strobe light
• image filtering (sharpen)
• iImage pyramids
• Rullafilmiskanneri XL Vision Orthovision 950, WindowsNT.
• Erotuskyky on 10 mikrometriä, muut suoraan skannerista saatavat resoluutiot ovat 20, 30, 40, 50, 60, 80, 160 ja 320 mikrometriä.
• Kuvat voivat olla väri- tai mustavalkokuvia, negatiiveja tai positiiveja.
• Skannaus voidaan tehdä 8 bitillä, jolloin saadaan 256 harmaasävyä, tai 24 bitillä, jolloin saadaan 16,7 milj. värisävyä.
• Kuvankäsittelyohjelmisto Photoshop, WindowsNT.
• Suoraan skannerista saadaan tiilitettyä TIFF:iä ja Erdas .IMG:tä. Pääjakeluformaatti on TIFF, formaattimuunnoksia tehdään yleisimpiin käytössä oleviin formaatteihin.
• Mittausohjelmisto Leica Helava, Silicon Graphics.
• Suuriformaattinen väritulostin HP DesignJet 2500CP, 600 dpi ja filmitulostin Purub ImageMaker.
• Aineiston saa CD-tietolevyllä tai DAT-nauhalla (4 mm).
• Viitteet
• Kuvatuotanto
• Kuvanäytteitä eri resoluutioilla, kuvauskorkeus 1 600 m, kuvausmittakaava 1:16,000
• FM-International OY
• Skannerina Zeiss SCAI.
• Ortokuva ja ortokuvamosaiikkituotantoa.
• Automaattiseen ilmakolmiointiin Zeiss PHODIS AT.
• Automaattiseen korkeusmallituotantoon (DEM) Zeiss PHODIS TopoSURF.
• Swedesurvey/ Metria
• http://www.lantmateriet.se/

Digitointi mikrodensitometrillä

• Mikrodensirometrillä voi skannata kuvia, ja näin tehtiin aiemmin yksinomaan. Tällaiset filmiskannerit  olivat rumpuskannereita, joissa skannausliike toteutettiin yhteen suuntaan rumpua kiertämällä ja toiseen suuntaan densitometriä siirtämällä. Joissakin laitoksissa densitometrin pää liitettiin fotogrammetriseen komparaattoriin ja skannausliikkeet toteutettiin kuvakannattimen liikkeillä. Tällaisessa tasoskannerissa kuvaliike oli ohjattavissa kertaluokkaa tarkemmin kuin rummulla, koska komparaattorin paikoitustarkkuus on luokkaa 0.001 mm ilmakuvan kuva-alalla 250 mm x 250 mm.
• Nykyiset digitointilaitteet ovat yhä edelleen fotogrammetrian käytön kannalta komparaattoreita. Densitometri on korvattu CCD-kuva-anturilla, joka koostuu matriisimuotoon järjestetyistä puolijohdeilmaisimista. Kuva-anturit lukevat kuvaa tehokkaammin kuin mikrodensitometri, mutta densitometrin lukupäänä toimivan valovahvistimen (PMT, photomultiplier tube) dynamiikka on puolijohdeilmaisimia parempi. Tällä on merkitystä erityisesti silloin, kun luetaan sävyltään tummia negatiiveja.
• Viitteet
• Byurakan Astrophysical Observatory http://bao.sci.am/equip.html
• "PDS 1010A micro-densitometer  is installed in late 1970s. The microdensitometer system operates with PDP-8 computer PDS 1010A micro-densitometer system is designed to take very accurate readings of the density information of very small areas of photographic plates or film and determine the precise location of these areas in reference to each other.  These readings are converted to bits of information which are stored on the storage unit of computer."
• "The PDS 1010A micro-densitometer consists essentially of three systems:
• one to measure density or transmission information,
• one to move the Stages in either or both X and Y axes, and
• one to generate precise Stage position information."
• "The position accuracy of PDS is equal to 1 micron on both X and Y axes. The maximal speed of Stage motion is 40 mm per second. The PDS has various actual scanning apertures. The micro- densitometer PDS 1010A allows to digitize astronomical images of sizes up to 250 mm x 250 mm.  Last about 25 years PDS 1010A stays as most heavily used equipment in the observatory. Thousands images and spectra have been measured on it for spectrophotometric study of stars and galaxies and surface photometry of galaxies."

Digitaalinen ilmakuvaus

Kirjallisuutta

• Anders Boberg, 2001. Introduktion till fotogrammetrin, KTH, Stockholm, 2001.
• Alexander Hinz, 1999. The Z/I Imaging Aerial Camera System, in: Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 109-115.
• Laurent Renouard and Frank Lehmann, 1999. High Resolution Digital Surface Models and Orthoimages for Telecom Network Planning, in: Photogrammetric Week '99, Wichmann, p. 241-246.
• Gerhard Neukum, 1999. The Airborne HIRSC-A: Performance Results and Application Potential, in: Photogrammetric Week '99, Wichmann, p.  83-88.
• Rainer Sandau, Peter Fricker, A. Stuart Walker, 1999. Digital photogrammetric cameras: possibilities and problems, in: Photogrammetric Week '99, Wichmann, p.  71-82.
• Risto Ilves Digitaalinen ilmakuvatuotanto , 1998
• Maiju Witikainen Digitaaliset ilmakuvat tiesuunnittelussa , 1997
• Otto Kölbl Preliminary Results of the OEEPE Scanner Test Lausanne, 1996
• O. Kölbl, U. Bach Tone Reproduction of Photographic Scanners Lausanne, 1996
• Joan Romeu PS1 in a digital environment of image an restitution map production. Work flows Failures & Quality. Lausanne, 1996
• Emmanuel P. Baltsavias DeskTop Publishing Scanners Lausanne, 1996
• Karsten Jacobsen Experiences with the Rastermaster RM1 Lausanne, 1996