Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento 3: Kolmiointihavainnot

AIHEITA

• Kuvahavainnot suuntahavaintoina
• Kuvausvirheet
• Objektiivin virheet
• Sisäinen orientointi
• Kalibrointimenetelmät
• Goniometrikalibrointi
• Pääpisteet

Reconstruction procedure.

Kuvahavainnot suuntahavaintoina

• Kolmioinnissa havaintoina käytetään kuvakoordinaatteja, jotka muunnetaan pääpistekeskisiksi kamerakoordinaateiksi.
• Kamerakoordinaatit vastaavat suuntahavaintoja, jotka ovat tuttuja geodeettisesta paikanmäärityksestä.
• Tavanomaisessa ilmakuvakamerassa, jonka kuvakoko on 230 mm x 230 mm, ja
• kameravakio c = 150 mm, jolloin 0,001 mm:n eli1 µm:n [mikrometrin, mikronin] erotuskyky kuvahavainnossa vastaa suuntahavainnon erotuskykyä 0,4 mgon kuvan keskellä, ja 0,3 mgon kuvan reunassa, tai
• kameravakio c = 210 mm, jolloin 0,001 mm:n erotuskyky kuvahavainnossa vastaa suuntahavainnon erotuskykyä 0,3 mgon kuvan keskellä, ja 0,2 mgon kuvan reunassa.

   Measurement of image orientation in the air with subsequent determination of object space quantities on the ground is equivalent to extrapolation. As small errors may have large consequences, system needs to be extremely well calibrated. (Heipke, 2001)

Suuntahavaintojen erotuskyky.

Kuvausvirheet

• Kuvablokin samasuoraisuusehto edellyttää lineaarista kuvausta pisteen kohde- ja kuvakoordinaattien välillä.
• Poikkeamia aiheuttavat:
• karttaprojektio eli maankaarevuus
• refraktio ilmakehässä
• kameran objektiivin virheet
• kameran kuvataso eli kuvaportin poikkemat tasomaisuudesta (= poikkeama kuvahavaintojen samatasoisuudesta)
• filmin deformoituminen kuvanoton ja mittaushetken välillä
• Em. virheiden vaikutus voidaan kompensoida joko korjaamalla havaintoja, tai laajentamalla samasuoraisuusehtoa lisäparametrein blokkitasoituksen yhteydessä.
• Edellisten lisäksi orientointivirheet aiheuttavat poikkeamia samasuoraisuusehdon toteutumiseen.
• Refraction and earth curvature

• References
1. Marko Ollikainen, The Finnish national grid coordinate system

Objektiivin virheet

• Objektiivin piirtovirheet johtuvat eroista osalinssien refraktio-ominaisuuksissa ja objektiivin valmistuksessa syntyvistä valmistusepätarkkuuksista.
• Piirtovirhettä tarkastellaan valonsäteen poikkeamana suorasta, joka kulkee kohdepisteen, projektiokeskuksen ja terävänä kuvautuvan kuvapisteen kautta.
• Piirtovirhe määritetään kuvatasolla joko symmetrisenä (radial distortion) tai epäkeskisenä (decentering distortion) kuvan pääpisteen suhteen.
• Symmetrinen piirtovirhe on tietyllä etäisyydellä pääpisteestä kaikissa suunnissa sama, ja on radiaalista eli siirtää kuvapistettä joko pääpisteen suuntaan tai siitä poispäin.
• Epäkeskinen piirtovirhe on symmetrinen pääpisteen kautta kulkevan lävistäjän suhteen, ja voi olla joko radiaalista tai tangentiaalista.
• Radial distortion

Sisäinen orientointi

• Sisäinen orientointi on kuvattu kameran kalibrointitodistuksessa:
• vakioreunamerkit,
• kameravakio.
• Kamerassa voi olla kuvaportin reunamerkkien lisäksi réseau-gitteri. Gitteri on lasilevy, joka sijaitsee kameran kuvaportissa. Gitteri on erittäin tarkka tasavälinen rististö, joka kuvautuu filmille. Gitteriristien avulla kamerakoordinaatisto määritetään tasaisesti yli koko kuva-alan ja tarkemmin kuin pelkillä reunamerkeillä. Tällä on merkitystä korjattaessa kuvahavainnoista filmin muodonmuutoksista aiheutuvia virheitä.

Reseau-ristikko kameran kuvaportissa.

Kalibrointimenetelmät

Komponenttikalibrointi

• Systemaattiset virheet määritetään laboratorio-olosuhteissa. Virheet voidaan erottaa toisistaan koejärjestelyin.
• Kalibroitavat ominaisuudet
• kameravakio
• pääpisteet
• kuvaportti
• piirtovirheet
• optiikan ja filmin erotuskyky

Testikenttäkalibrointi

• Järjestelmän systemaattiset virheet määritetään käytännön olosuhteissa tarkasti tunnetun testikentän avulla. Virheet määritetään blokkitasoituksen yhteydessä ja erotetaan toisistaan lisäparametereina.
• Kalibroitavat ominaisuudet
• kameravakio, pääpisteet
• piirtovirheet
• filmin muodonmuutosmalli
• refraktiomalli
• kuvausjärjestelmän erotuskyky

Itsekalibrointi

• Systemaattiset virheet pyritään huomioimaan kartoitusprojektin kolmiointivaiheessa lisäparametrein. Näille estimoidaan arvot samanaikaisesti muiden parametrien avulla. Lisäparametrit määrittyvät blokin sisäisten liitospistehavaintojen ja ulkoisten lähtöpistehavaintojen perusteella. Erona testikenttäkalibrointiin nähden on se, että testikentän lähtöpisteistö on tiheydeltään ylimääritetty, kun taas itsekalibroinnissa lähtöpisteistö on sama, joka kartoitusalueella on käytössä.
• Virheiden määritettävyys riippuu suuresti blokin geometriasta. Yleensä tässä määritetään
• pääpiste
• symmetrinen piirtovirhe

Goniometrikalibrointi

• Goniometri on laite, joka rakentuu kollimaattorin kahdesta kaukoputkesta. Toinen on kiinteä, toinen kiertyy keskisesti asetetun vaakakehän suhteen. Kamera asetetaan goniometriin siten,että kameran kuvaportti on kohtisuoraan kiinteätä kollimaatiosuoraa vastaan ja objektiivin tulopupilli luodattu vaakakehän keskipisteen suhteen. Goniometrillä havaitaan objektiivin piirtovirheitä siten, että kuvatasoon asetetaan pääpisteen suhteen keskisesti mitta-asteikko. Mitta-asteikkoa havaitaan kääntyvällä kaukoputkella objektiivin läpi. Vertaamalla vaakakehältä luettuja kulmia mitta-asteikon ja kameravakion avulla laskettuihin kulmiin, voidaan piirtovirheet määrittää.
• Suomessa olevat goniometrit ovet tyypiltään edellä esitetyn kaltaisia ns. horisontaaligoniometrejä. Ne soveltuvat ilmakuvakameroiden laboratoriokalibrointiin (TKK:ssa, kuvakoko 230 mm x 230 mm, objektiivin polttoväli c = 150 mm) ja pienempien ilmakuva- ja kinofilmikoon kameroiden kalibrointiin (Joensuun yliopistolla, kuvakoot 6 cm x 6 cm ja 24 mm x 36 mm).
• Vertikaaligoniometreissä on yleensä useita kiinteitä kollimaattorikaukoputkia (esim. NRC:n multikollimaattorigoniometri). Tällaisia ei ole Suomessa. Vertikaaligoniometrin etuna pidetään sitä, että kamera on kalibroinnin ajan kuvausasennossa. Kameran raskaan rakenteen mahdollisesti aiheuttama vaikutus kalibrointitulokseen voidaan näin minimoida.
• Julkaisuja
• Hakkarainen, Juhani, 1973. Ilmakuvakameran kaartuman määritys goniometrillä ja ilmakuvan ja ilmakuvausobjektiivin laadun tutkiminen, lisensiaattityö, TKK:n Maanmittausosasto, 1973.

Goniometrimittauksen periaate.

TKK:n horisontaaligonometri.

Pääpisteet

• Kameran kalibrointitodistuksessa mainitaan toisinaan pääpiste kolmella eri tavalla:
• FC = Fiducial Center, eli reunamerkkien kautta piirrettävien suorien leikkauspiste. Analogiakojeissa pääpisteenä voidaan käyttää ainoastaan FC:tä. Kalibrointitodistuksissa piirtovirheet määritellään yleensä FC:n suhteen ja erikseen kullekin kuvan neljästä päälävistäjästä.
• PPA = Principal Point of Autocollimation on objektiivin pääsäteen kuvautumispiste, kun pääsäde yhtyy tulopupillin puolella sellaiseen suoraan, joka on kohtisuorassa kuvatasoa vastaan.
• PBS = Principal Point of Best Symmetry on symmetrisen piirtovirheen symmetriapiste, jota käytetään itsekalibroinnin pääpisteenä.

Autokollimoitu pääpiste.

Kuvan erilaiset pääpisteet.