Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus
(Alkuperäinen luento Henrik
Haggrén, 11.10.2002
Muutoksia: Eija Honkavaara
12.09.2004)
Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I
Erotuskyky: havaittavuus ja tulkittavuus
Geodeettisen laitoksen testikenttä
Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus ja
kartoitusilmakuvaukselle
Skannatut analogiakuvat kartoituskuvauksissa
Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset
Markkinoilla olevia skannereita
Digitointi mikrodensitometrillä
·
Kuvien
laatumittarit
o Radiometrinen laatu
o Spektraali erotuskyky
o Spatiaalinen erotuskyky
o Ajallinen erotuskyky
o Geometrinen tarkkuus
·
Muita
arviointikriteereitä
o Tiedonsaannin nopeus
o Hinta
o Saatavuus
o Toimivuus erilaisissa olosuhteissa
o Käytettävyys tulevaisuudessa
·
Kartoitussovellutuksissa
kuvien laatua arvioitaessa tulee muistaa jako metrisiin ja tulkitseviin
sovellutuksiin. Tällä kurssilla käsiteltävät sovellutukset lukeutuvat metrisiin
sovellutuksiin. Tällöin kartoituksen kannalta tärkeimmät kuvan ominaisuudet
ovat riittävän hyvä geometrinen tarkkuus sekä spatiaalinen erotuskyky.
Radiometrisen laadun kohdalla tärkeää ovat riittävät kontrastit sekä riittävä
sävymäärä.
·
Kuvien
laatuun vaikuttavat monet tekijät, esim.
o Lennonaikaiset muuttujat
§
Kameran
linssin laatu
§
Apertuuri
§
Valotusaika
§
Filmin
tasaisuus
§
Kuvausmittakaava
§
Kameran
tärinä
§
Kuvaliike
§
Ilmakehä
§
Auringon
korekuskulma
o Materiaalit ja prosessointi
(analogiakuvat)
§
Filmityyppi
§
Filmin
tallennushistoria
§
Kehityskone
§
Kehitysprosessi
§
Skannaus
·
Kuvan
todellnen laatu selviää vasta lopputuotteesta mittaamalla.
Kirjallisuutta:
·
Kuittinen
Risto,1993: Lentokoneesta ja satelliitista otettujen kuvien laadun tarkastus.
Maanmittaustieteiden Seuran Julkaisu n:o 30. S. 61- 69.
·
Karl Kraus: Photogrammetry, Volume 1, Fundamentals and
standard processes, kappale 3.3 (sivut 64-79).
·
Nurminen,
Kimmo. Digitaalisten ilmakuvien käyttö kaupungin paikkatietojärjestelmässä,
Diplomityö 2002
·
Roger
Read, Ron Graham, 2002. Manual of Aerial Survey: Primary Data Acqisition. ISBN
1-870325-62-1
·
Ron
Graham and Alexander Koh, 2002. Digital Aerial Survey: Theory and Practise. ISBN 1-870325-98-2
·
Radiometrinen
erotuskyky, kuvan sävyt ja kontrastit
·
Ilmaisimen
radiometrisellä erotuskyvyllä tarkoitetaan, kuinka pieniä säteilyenergian eroja
laitteella pystytään mittaamaan. Mitä pienempiä eroja kohteessa tulevassa
säteilyssä ilmaisin havaitsee, sitä vivahteikkaampia kuvia kohteesta saadaan.
·
Dynaaminen
alue (dynamic range): kuvan vaaleimman ja tummimman sävyn ero
o Analogiset kuvat:densiteettialue.
Densiteetti: D=log10(I0/I), missä I0 on
tulevan ja I heijastuneen valon intensiteetti. Filmille tallentuvan densiteetin
määrää materiaalin mustumakäyrä. Tyypillinen vaatimus mv-kuvilla: vaalea kohde
(esim. vanha asfaltti) 0,35-0,55D ja tumma kohde (esim. varjoinen metsä)
1,0-1,8 D. Densiteetti
o Digitaaliset kuvat: DR=20*log(Vsat/VN(RMS))dB,
missä Vsat on signaalin saturaatiotason jännite ja VN(RMS)
on RMS kohinakynnyksen jännite. Sensorin vaste näiden ääriarvojen välillä on
lineaarinen.
·
Kohteiden
erottuvuuden mittareina käytetään erilaisia kontrasteja, jotka ilmoittavat
kohteesta ja sen taustasta tulevien säteilymäärien suhteita eri tavoin
laskettuna
Kontrastisuhde:
Modulaatio:
Missä on kohteen arvo
kuvalla ja on taustan arvo kuvalla
·
Kuinka monta
säteilytasoa ilmaisin pystyy tallettamaan (pikselisyvyys) ja kuinka tehokkaasti
nämä on käytetty
o esim. 4-12 bittiä/pikseli/kanava= 16-4096
sävyä/pikseli/kanava digitaalisilla kuvilla. Värikuvilla dataa kolminkertainen
määrä verrattuna mv-kuvaan.
·
Histogrammi:
tehokkuus ja saturaatio.
·
Ihmissilmä
pystyy havaitsemaan vain 64 sävytasoa. Toistaiseksi kuvanäytöt eivät pysty
optimaalisesti käsittelemään yli 8 bit/kanava sävyaluetta, joten kuvat usein
tiivistetään 8 bittiin. Suurempi sävyalue myös kasvattaa kuvakokoa.
·
Kuvilla
esiintyy fysikaalisista kuvausolosuhteista johtuen radiometrisiä vääristymiä,
jotka tulee korjata (Luento 8)
·
Visuaalista
tulkintaa varten kuvien radiometriaa joudutaan usein muokkaamaan (Luento 8).
Nämä toimenpiteet eivät lisää kuvan informaatiosisältöä, vaan ennemminkin
hävittävät sitä. Tyypillisä toimenpiteitä ovat
o Kontrastin parantaminen Gamma-korjauksella
o Histogrammin venyttäminen
o Muu sävynsäätö
www.applanix.com:
Esimerkki sävykorjauksesta varjossa: Emerge DSS
Sävysäädetyn
väärävärikuvan histogrammi: luminosity, red (IR), green (R), blue (G). Kuva
Lauri Markelin.
·
Kuinka
monella sähkömagneettisen spektrin alueella kuva on tallennettu, kuinka leveitä
alueita sähkömagneettisesta spektristä voidaan havaita.
·
Kuvan
ominaisuuksina tämä näkyy lähinnä siinä, että kuvat ovat monikanavaisia,
jolloin ne ovat tulkinnalliselta laadultaan parempia kuin yhdellä spektrin
alueella otetut kuvat.
Spectral
channels of selected airborne and spaceborne instruments. Reulke, R., 2003. Film-based and Digital Sensors –
Augmentation or Change in Paradigm? Photogrammetric Week 2003, pp. 41-52. http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo03/reulke.pdf
DSS overview presentation: http://www.applanix.com/html/products/prod_dss_index.html
·
Muita
nimityksiä: alueellinen erotuskyky, geometrinen erotuskyky
·
Kuinka
pieniä kohteita kuvalla voidaan havaita.
·
Ideaalisen
linssille paras mahdollinen erotuskyky on ε=1.22*λ*b, missä λ
on valon aallonpituus ja b on objektiivin aukkoluku.
·
Erotuskyky
(resolving power), eli kuinka monta viivaparia voidaan tunnistaa millimetrille
(lp/mm). Tällainen arvo voidaan määrittää kuvan eri osille viivatiheyksiltään
tunnettujen testikuvioitten avulla.
·
Pinta-alalla
painotettu erotuskyky, AWAR (Area Weighted Average Resolution), lp/mm. AWAR =
Σi=1...n[(Ai/A)*(krad(i)*ktan(i))1/2],
jossa radiaalinen ja tangentiaalinen erotuskyky on laskettu n:llä eri
etäisyydellä kuvan keskipisteestä sijaitsevalla vyöhykkeellä. Ai:
vyöhykkeet, A: kokonaispinta-ala
·
Modulaation
siirtofunktio (MTF): Systeemistä ulostulleen modulaation suhde sisään
tulleeseen modulaatioon kullekin spatiaaliselle taajuudelle k: Tk=Mi(k)/Mo(k)
·
Pisteen- tai
viivanleviämisfunktio
·
Skannatulla
analogiakuvalla havaittavaan erotuskykyyn vaikuttavat lähinnä objektiivi,
filmi, kuvaliike, kuvausalustan kiertoliikkeet, skannausresoluutio,
kuvausolosuhteet ja kohteen kontrastit. Lopullinen järjestelmän AWAR on luokkaa
40-50 lp/mm.
·
Nyquistin
teoreeman mukaan digitaalisella kuvalla pieni havaittava aallonpituus on
2*näyttenottoväli.
o
Esim.
Skannaus pikselikoolla 10 μm → Erotuskyky: (1000 μm/20 μm) lp/mm = 50
lp/mm.
·
Digitaalisilla
kuvilla kuvan pikselikoko ilmaistaan GSD:nä (Ground Sample Distance). Tämä on
kuitenkin eri asia kuin kuvan erotuskyky.
·
Erotuskyvyn
vaikutusta kuvan käytettävyyteen arvioitaessa tulee huomioida käsitteet:
havaitseminen (detection) – tunnistaminen (identification) – tulkitseminen
(interpretation)
Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 25 mikrometriä. Vasemmalta
lähtien erottuu 3. mustanharmaa viivaryhmä, 31 viivaa/mm. Filmillä erottuu 10.
viivaryhmä vasemmalta, 71 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen testikenttä)
Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 12,5 mikrometriä. Vasemmalta
lähtien erottuu 7. mustanharmaa viivaryhmä, 50 viivaa/mm. (Geodeettisen
laitoksen testikenttä)
Mustavalkoinen kuva digitoitu pikselikoolla 7,5 mikrometriä. Vasemmalta
lähtien erottuu 9. mustanharmaa viivaryhmä, 60 viivaa/mm. (Geodeettisen
laitoksen testikenttä)
Värikuva
digitoituna pikselikoilla 12,5 ja 25 mikrometriä. Ylemmässä kuvassa erottuu
vasemmalta lähtien 7. mustaharmaa viivaryhmä, 50 viivaa/mm. Alemmassa kuvassa
erottuu vasemmalta lähtien 3. mustanharmaa viivaryhmä, 31 viivaa/mm. Filmiltä
erottuu 9. viivaryhmä vasemmalta, 62 viivaa/mm. (Geodeettisen laitoksen
testikenttä)
Nyrkkisääntö:
Satelliittikuvan pikselikoon vaikutus rakenteiden tulkittavuuteen.
Object |
Detection (Havaittavuus) |
Identification (Tulkittavuus) |
|
Global (Sijainti/Laji) |
Accurate |
||
Bridges |
6.0 |
4.50 |
1.50 |
Radar |
3.0 |
1.00 |
0.30 |
Radiocommunication |
3.0 |
1.50 |
0.30 |
Material Depots |
3.0 |
0.50 |
0.15 |
Troop Units/Bivouacs |
6.0 |
2.00 |
0.50 |
Air Base Facilities |
6.0 |
4.50 |
3.00 |
Artillery/Rockets |
1.0 |
0.50 |
0.15 |
Aircraft |
4.5 |
1.50 |
0.15 |
C2 Headquarter |
3.0 |
1.00 |
0.30 |
Missile Sites |
3.0 |
1.50 |
0.15 |
Medium-sized Surface Vessels |
15.0 |
4.50 |
0.15 |
Vehicles |
1.50 |
0.50 |
0.15 |
Land Mine Fields |
3.0 |
1.50 |
0.30 |
Ports |
30.0 |
6.00 |
1.50 |
Coasts and Landing Beaches |
15.0 |
4.50 |
0.50 |
Railroads & Yards & Shops |
15.0 |
4.50 |
1.50 |
Roads |
6.0 |
4.50 |
1.50 |
Urban Areas |
60.0 |
15.00 |
3.00 |
Military Airfields |
|
90.00 |
4.50 |
Submarines on the Surface |
7.5 |
4.00 |
0.15 |
Kuvan resoluution vaikutusta kohteiden tulkittavuuteen ja
tunnistettavuuteen on tutkittu paljon varsinkin sotilassovelluksissa.
·
Kuinka
tarkka on kohteiden sijainti kuvalla
·
Kalibrointi:
polttoväli, pääpiste, reunamerkit.
·
Analogiakuvat:
filmin tasaisuus, filmin mitanpitävyys
·
Refraktio
·
Ilmaisimen
aiheuttamat vääristymät
·
Havaintoalustan
liike ja tärinä
·
Skannaus
·
Parhaimmillaan
geometrinen tarkkuus kuvatuotteilla on 0.003 mm tasossa.
Tulevaisuudessa
testikenttien ja kalibroinnin merkitys tulee kasvamaan erityiseti suoran
georeferoinnin sovellutuksissa, koska kameran sisäinen orientointi ja
integroitujen sensoreiden asema toisiinsa nähden tulee määrittää
kuvausolosuhteissa.
·
http://www.fgi.fi/osastot/foto/projektit/testikentta.html
Geodeettisen laitoksen testikenttä: erotuskykykuviot.
Geodeettisen laitoksen testikenttä:
kiintopisteistö 1 km x 1 km alueella. Kalliossa ja suurissa kivissä olevat
pisteet on merkitty mustalla kolmiolla.
Jämijärven testikenttä.
Seglingen
testikenttä. (Jukka Artimo, 1970)
http://foto.hut.fi/seura/julkaisut/erillisjulkaisu1_1995/teksti.html
1. Ilmakuvauksen
tilaaminen
1.1 Kuvattavat alueet
1.2 Käyttötarkoitus ja kuvausmittakaava
1.3 Kuvauksessa käytettävä kamera
1.4 Filmityyppi
1.5 Signalointi
1.6 Tilaajalle toimitettava aineisto
1.7 Oikeudet kuvaukseen ja lupaehdot
1.8 Tilausvahvistus
2. Kuvauskalusto
2.1
Ilmakuvakamera
2.2 Kameroiden
kalibrointi
2.3
Kuvausjärjestelmän kalibrointi
2.4 Suotimet
2.5 Kameran
ripustus
2.6 Kameraikkuna
3. Ilmakuvauksen
suorittaminen
3.1 Lentokorkeus
ja suunta
3.2
Lento-olosuhteet
3.3
Kuvaustolenrassit
3.4 Kuvausten
uusiminen ja täydentäminen
4. Ilmakuvafilmin
prosessointi ja kuvien laatuvaatimukset
4.1 Ilmakuvafilmi
4.2 Valotus
4.3
Kehitysprosessi
4.4
Originaalifilmin viat
4.5 Reunamerkit
ja kuvan geometria
4.6
Originaalifilmin valokuvauksellinen kuvanlaatu
5. Kuvatuotteet
5.1 Filmikopiot
mittausta varten
5.2 Muut
pinnakkaiskopiot
5.3 Kuvarekisteri
5.4
Originaalfilmin teknisestä säilyttämisestä
6. Kuvauksen
dokumentointi
6.1
Kuvausselostus
6.2 Merkinnät
originaalikuviin
6.3 Kuvarekisteri
7. Kuvauksen
laadunvalvonta ja laaturaportti
Tehtävä |
Kameravakio (m) |
Piirtovirhe |
Optiikan erotuskyky |
Reunamerkkejä (kpl) |
FMC/ IMC |
GPS-nav. |
Tarkka (3D) fotogrammetrinen mittaus |
0.15 |
6 |
60 |
8 |
x |
x |
Muu (3D) numeerinen kartoitusmittaus |
0.15 |
10 |
60 |
8 |
x |
x |
Numeerinen kartoitus (2D) |
0.15/0.21/0.30 |
10 |
60 |
8 |
x |
(x) |
Graafinen kartoitus |
0.15/0.21 |
10 |
50 |
4 |
|
|
Suunnistuskartoitus |
0.15/0.21 |
10 |
50 |
4 |
|
|
Ortokuvakartoitus |
0.15/0.21 |
10 |
60 |
4 |
(x) |
(x) |
lmakuvaukseen käytettävän kameran tulee olla
mittakameratyyppiä, jonka negatiivikoko on 230 mm x 230 mm.
Kameralaitteistoon tulee kuulua
jononavigointilaitteisto, peitonsäätöjärjestelmä ja vibraatioita vaimentava
kantorengas.
·
Kameran
kalibroinnin ajankohta
·
Järjestelmäkalibroinnin
ajankohta (kuvauksessa käytetty kuvausjärjestelmä-filmi-prosessointikombinaatio)
·
Järjestelmäkalibroinnin
tulokset (geometria ja erotuskyky)
·
Kuvausolosuhteet
(säätiedot)
·
Kehitysarvot
·
Auringon
korkeuskulma
·
Visuaalinen
arvio (stereokartoituskelpoisuus, filmin kunto)
· Tarkastustulokset, koko kuvaus
o
filmin viat
(kuplat, jännitysjäljet, reiät, naarmut, raidat, värjäytymät, filminsiirron
jäljet)
o
pituus- ja
sivupeitto
o
jonojen alku
ja loppu, jonolla pysyminen ja jonojen suunta
o
sortuma
o
lentokorkeus
o
erotuskyky,
mikäli on käytetty testitauluja
·
Tarkastustulokset,
näytekoko ja tarkastus SFS 4760 ¹ mukaisesti
o
densiteetti,
vaalean ja tumman kohteen kuvittaiset arvot
o
sisäisen
orientoinnin jäännösvirheiden itseisarvojen kuvittaiset maksimiarvot
o
keskinäisen
orientoinnin jäännösvirheiden itseisarvojen malleittaiset maksimiarvot
o
keskinäisen
orientoinnin malleittaiset kuvien pituus- ja poikittaiskallistuserot
¹ Tarkastustaso II, s-menetelmä
·
näytekoko n
(n mallia, 2n kuvaa) määräytyy kuvauksen kuvien lukumäärän perusteella
·
densiteetti:
AQL = 2,5 %, kaksipuoleiset erilliset vaatimusrajat; vaalea kohde: L = 0,35 D,
U = 0,55 D, tumma kohde: L = 1,0 D, U = 1,8 D
·
sisäisen
orientoinnin jäännösvirheiden maksimiarvot: AQL = 4,0 %, yläraja U = 20 µm
·
keskinäisen orientoinnin
jäännösvirheiden maksimiarvot: AQL = 4,0 %, yläraja U = 10 µm
·
kuvakallistuserot:
AQL = 2,5 %, kaksipuoliset erilliset vaatimusrajat; L = -8 goonia, U = 8 goonia
(poikkeustapauksissa L = -10 goonia, U = 10 goonia)
·
Tarkastettava
erä, josta näyte otetaan, voi sisältää useamman eri tilaajan kuvaukset, mikäli
ne on suoritettu samana kuvauspäivänä, samoilla laitteilla (kamera +
objektiivi) ja samoissa olosuhteissa.
Näytteotantaan
perustuvasta laadunvarmistuksesta:
Virheiden ollessa
satunnaisia SFS 4010-standardin mukaisessa tarkastuksessa toimitaan
seuraavasti:
Virheiden ollessa
satunnaisia SFS 4760-standardin mukaisessa geometrian tarkastuksessa toimitaan
seuraavasti (esim. ylärajan testaus). Ylärajaksi (U) asetetaan annettu
tarkkuusvaatimus. Mitatuista virheistä lasketaan eräkohtainen tunnusluku Qu
= (U-xka)/s, missä xka on virheistä laskettu keskiarvo ja
s on keskihajonta. Erä
Esimerkki näytekoosta erilaisille
tarkastettavan erän koolle (AQL=4,0, tarkastustaso II):
Analoginen ilmakuva. Filmille kuvaavan kartoituskameran etuna on sen
kuva-alan suuri koko ja geometrinen tarkkuus. Filmi on informaation
tallentimena tehokas, sen erotuskyky on hyvä ja sävyala laaja.
Kartoituskäytössä filmin erityisenä puutteena on pidettävä sen alttiutta
kuvauksenjälkeisille deformaatioille.
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 |
0.0075 |
0.01 |
0.02 |
0.02 |
230 mm x 230 mm ilmakuvan skannausresoluutiot ja
tiedostokoot. |
||||||
Pikselin koko [0.001 mm] |
7.5 |
10 |
15 |
21 |
50 |
100 |
Pistetiheys [dpi] |
3387 |
2540 |
1693 |
1210 |
508 |
254 |
Viivamäärä [lp/mm] |
67 |
50 |
33 |
24 |
10 |
5 |
Mustavalkokuvan koko [Mb] |
897 |
504 |
224 |
114 |
20 |
5 |
Värikuvan koko [Mb] |
2691 |
1512 |
672 |
342 |
60 |
15 |
Skannerien
toimintaperiaate ja eri rakennevaihtoehtoja ( Petri Rönnholm, 1997 ).
Kiinteä vs.
liikkuva kuvakannatin. Kiinteä vs. liikkuva optiikka ja valaistus.
Suunnattu tai diffuusi valaisu.
Kuvaskanneri, RasterMaster. (Jacobsen, 1996)
Kuvaskanneri, Helava. (Kölbl, 1996)
Leica-Geosystems DSW600
lähteen www.gis.leica-geosystems.com mukaan:
Maanmittauslaitoksen XL Vision Orthovision
950
Skannereita |
||||||
Merkki |
CCD |
Pienin |
Kuvakoko |
Sävyjen |
Geometrinen |
Rullafilmin |
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 600 |
matriisi |
4,5 x 4,5 |
260 x 260 |
10 / 8 |
< 2 |
on |
International Systemap Corp. DiSc |
3-rivi |
10 x 10 |
320 x 320 |
10 / 8 |
5 |
on |
Intergraph PhotoScan |
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 |
PhotoScan www.ziimaging.com
DSW600 www.gis.leica-geosystems.com
Maa- ja
metsätalousministeriön peltolohkojärjestelmän ortoilmakuvatuotannon
laatujärjestelmässä on annettu seuraavat suositukset skannaukselle:
Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus