Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13


(Alkuperäinen luento Henrik Haggrén, 11.10.2002

Muutoksia: Eija Honkavaara 12.09.2004)

Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I

 

Luento 2: Digitaalinen kuvatuotanto I

Kuvien laatu

Radiometrinen laatu

Spektraali erotuskyky

Spatiaalinen erotuskyky

Erotuskyky: havaittavuus ja tulkittavuus

Kuvan geometrinen laatu

Testikentät

Geodeettisen laitoksen testikenttä

Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus ja kartoitusilmakuvaukselle

Sisällysluettelo

Ilmakuvakamera

Järjestelmäkalibrointi

Kameroiden kalibrointi

Kuvauksen laadunvarmistus

Skannatut analogiakuvat kartoituskuvauksissa

Kuvakoko

Ilmakuvaskannerien rakenne

Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset

Skannereiden kalibrointi

Markkinoilla olevia skannereita

Skannerien tarkkuus

Tuotantojärjestelmiä Suomessa

Digitointi mikrodensitometrillä

Esimerkki skannausohjeista

Kirjallisuutta

Kuvien laatu

·         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 laatu

·         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.

Spektraali erotuskyky

·         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

Spatiaalinen erotuskyky

·         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)

Erotuskyky: havaittavuus ja tulkittavuus

Nyrkkisääntö:

 

Satelliittikuvan pikselikoon vaikutus rakenteiden tulkittavuuteen.

Object

Detection (Havaittavuus)

Identification (Tulkittavuus)

Global (Sijainti/Laji)

Accurate
(Muoto/Tyyppi)

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
-(SSM.SAM)

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.

Kuvan geometrinen laatu

·         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.

Testikentät

Tulevaisuudessa testikenttien ja kalibroinnin merkitys tulee kasvamaan erityiseti suoran georeferoinnin sovellutuksissa, koska kameran sisäinen orientointi ja integroitujen sensoreiden asema toisiinsa nähden tulee määrittää kuvausolosuhteissa.

Geodeettisen laitoksen testikenttä

·        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)

Suositukset Suomessa tehtävälle mittaus ja kartoitusilmakuvaukselle

http://foto.hut.fi/seura/julkaisut/erillisjulkaisu1_1995/teksti.html

Sisällysluettelo

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

Ilmakuvakamera

Tehtävä

Kameravakio (m)

Piirtovirhe
max(µm)

Optiikan erotuskyky
AWAR min.

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.

Järjestelmäkalibrointi

Kameroiden kalibrointi

Kuvauksen laadunvarmistus

·         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):

Skannatut analogiakuvat kartoituskuvauksissa


 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.

Kuvakoko

 

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

HUOM. Kuvan spatiaalinen erotuskyky on eri asia kuin kuvan maastoresoluutio (GSD=Ground Sample Distance). Parhaimmillaan spatiaalinen erotuskyky on Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaisesti 2xGSD.

 

 

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

Ilmakuvaskannerien rakenne


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)

Fotogrammetriselle skannerille asetettavat vaatimukset

Skannereiden kalibrointi

Leica-Geosystems DSW600 lähteen www.gis.leica-geosystems.com mukaan:

Maanmittauslaitoksen XL Vision Orthovision 950

 

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 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

Skannerien tarkkuus

Tuotantojärjestelmiä Suomessa

Digitointi mikrodensitometrillä

Esimerkki skannausohjeista

Maa- ja metsätalousministeriön peltolohkojärjestelmän ortoilmakuvatuotannon laatujärjestelmässä on annettu seuraavat suositukset skannaukselle:

Kirjallisuutta


Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13