Maa-57.220 Luento 9 syksy 2004

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma

(Alkuperäinen luento: Henrik Haggrén, 11.10.2002

Muutoksia: Eija Honkavaara 5.10.2004)

Luento 9: Ortokuvien tuottaminen

Satelliittikuvien oikaisu

Pushbroom-kuvien oikaisu

Kuvamosaiikit

Ortokuvaustoimintaa Suomessa

Rakennusten oikaisu ortokuvilla

Kirjallisuutta

Ortokuvaus

Ortokuva on karttaprojektioon oikaistu ilmakuvamosaiikki. Ortokuva tuotetaan ilma- tai satelliittikuvilta.
Ortokuvauksen edellytyksenä on, että alueelta on olemassa korkeusmalli. Aiemmin korkeusmallin ja ortokuvan valmistusprosessit liittyivät kiinteästi toisiinsa. Nykyisin ortokuva tuotetaan yhä useammin vanhan korkeusmallin päälle.
Ortokuvauksen sovellukset perustuvat sen havainnollisuuteen ja nopeaan valmistusprosessiin. Kuva käy vanhan kartan pohjaksi sellaisenaan ja käyttäjä näkee muutokset suoraan ortokuvalta. Ortokuvaus voidaan tuottaa myös stereokuvina, mikä edesauttaa kohteen tulkintaa.
Digitaalisena valmistettu ortokuva toimii maastokartoituksen digitointipohjana. Hyvänä esimerkkinä on Suomessa toteutettu peltolohkotietokanta, jossa lohkorajojen digitointi perustuu ortokuvatulkintaan.
Kuvien orto-oikaisu edellyttää niiden orientointien määrittämistä. Tarkin keino hankkia orientointitiedot on kolmioida kuvat blokkeina. Tällöin liitospisteillä varmistetaan se, että kuvamosaiikin saumakohdissa kuvat sopivat geometrisesti yhteen.
Ortokuvaus pyritään tekemään nadiirikuvauksena. Kuvan valmistamisen kannalta on sitä parempi mitä kapeampaa kuvakulmaa nadiirikuvauksessa käytetään. Tämä toteutetaan käytännössä käyttämällä kamerassa pidempää polttoväliä, kuvaamalla ylempää, tai ottamalla kuvia tihempään eli käyttämällä suurempaa malli- ja jonopeittoa.
Maanpintaortokuva. Maanpintaortokuva muodostetaan käyttäen maanpintaa kuvaavaa korkeusmallia. Tällaisella ortokuvalla ainoastaan maanpinta on ortogonaaliprojektiossa, mutta maanpinnan yläpuolella olevat kohteet ovat perspektiivisesti vääristyneet
Tosiortokuva. Tosiortokuvat muodostetaan käyttäen kohteen pintamallia, johon kuuluvat myös rakennetut kohteet. Tällöin kaikki kohteet ovat ortogonaaliprojektiossa. Tosiortokuvan muodostamista varten kuvaus joudutaan suorittamaan erittäin suurilla sivu- ja pituuspeitoilla, yleensä 80%, jotta myös ”piiloalueet” saadaan ortokuvalle

Ortokuvien tuottaminen. (Madani, 1996)

Suomessa käytettävien ilmakuvakameroiden polttovälit ovat laajakulmaoptiikalla 150 mm ja välikulmaoptiikalla 210 mm. Ortokuvaus, samoin kuin kaikki kartoituskuvaus, tehdään pystykuvauksena. Kartta on ortogonaaliprojektiossa. Ortokuva vastaa karttaa vain kuvan nadiiripisteessä.

Ortokuvan tuottamisen kannalta on sitä parempi, mitä etäämpää kuvat otetaan. Etäältä kuvattaessa kuvan sisäiset mittakaavaerot pienenevät ja useimmiten myös kuvauslaitteen avauskulma on pienempi. Kapean avauskulman etuja ovat valaistuksen tasaisuus ja hyvä näkyvyys maanpintaan koko kuvan alueella.

Oikaisuvaihtoehdot

Yksinkertaisin oikaisu on kuvan projisiointi toiselle tasolle, esimerkkeinä julkisivukuvien oikaisu tai ilmakuvien oikaisu nadiirikuviksi. Oikaisu tehdään 2-D projektiivisena muunnoksena. Kuva ei ole ortokuva, vaan oikaistu kuva, ja siinä kuvan alkuperäinen projektiivisuus säilyy muuttumattomana.
Satelliittikuvilla maanpinnan korkeuserojen merkitys on vähäisempi kuin ilmakuvilla, koska kuvausetäisyydet ovat kymmen- ja satakertaisia, sääsatelliiteilla jopa tuhatkertaisia matalimpiin ilmakuvauksiin verrattuna. Satelliittikuvien oikaisu tehdäänkin lähinnä kuvan muuttamiseksi karttakoordinaatistoon. Oikaisumalleina käytetään joko 2-D polynomeja tai 3-D murtopolynomeja.
Orto-oikaisusta puhutaan oikeastaan vasta silloin, kun ilmakuva oikaistaan karttaprojektioon. Oikaisumallina käytetään keskusprojektion mukaista perspektiivimallia eli kollineaarisuusehtoa maanpinnan ja kuvan välillä. Ortokuvaa tuotettaessa poistetaan kuvasta myös tunnetut kuvausvirheet (refraktio, maankaarevuus ja optiikan piirtovirheet).
Ortokuvassa maaston korkeuseroista ja kuvan kallistuskulmista aiheutuva mittakaavan vaihtelu kuvan eri osien välillä poistetaan ja kaikkien oikaistujen kuvapisteiden kuvamittakaava on sama.
Ortokuvaoikaisu voidaan tehdä kaistaleittain tai pisteittäin. Analogiakuvien orto-oikaisu tehdään optisesti ja kuva projisioidaan kaistaleina. Esimerkiksi 1 : 5,000 pohjakartan oikaistaan filmille 5 mm leveinä kaistoina ja kaistat valotetaan 0.1 mm kaistaleina. Digitaalinen ortokuva oikaistaan aina pisteittäin.

Projektiivinen ja perspektiivinen kuva.

Ortokuva, jonka koko on 500 x 500 pikseliä 2 metrin pikselikoolla, Boston. (© MIT Digital Orthophoto Browser)

Digitaalinen oikaisu

Ortokuva tulostetaan kartan koordinaatistoon siten, että yksittäinen pikseli saa koordinaattiarvoja tasavälein. Ruutujako voi olla esimerkiksi 10 cm, 20 cm, 0,5 m, 1 m.
Hyvänä periaatteena on se, että digitoidun kuvan pikselikoko on sama tai pienempi kuin ortokuvan pikselikoko.
Ortokuvan pikselin harmaasävyarvo luetaan käytännössä lähimmältä kuvalta. Ortokuvan pikselin keskipisteen koordinaatit projisioidaan maanpinnalta kuvalle ja pikselin harmaasävyarvo luetaan projisiointikohtaa lähinnä olevista kuvan pikseleistä

Lähimmän naapurin menetelmässä harmaasävyarvoksi voidaan ottaa projisiointikohtaa lähinnä olevan pikselin harmaasävyarvo sellaisenaan. Tämä on laskennallisesti kevein vaihtoehto, mutta aiheuttaa ortokuvaan geometrista virhettä, joka voi olla puolen pikselin luokkaa.
Harmaasävyarvo voidaan laskea myös useista pikseleistä interpoloimalla. Hyvin yleinen vaihtoehto on bilineaarinen interpolointi neljän lähimmän naapurin harmaasävyarvoista. Tämä menetelmän huonona puolena on se, että se keskiarvoistaa kuvaa ja vähentää kuvan kontrastia.
Laskennallisesti raskaampia menetelmiä ovat kuutio- ja palapolynomi-interpolointi sekä sinc-funktioon perustuva interpolointi. Näiden käyttö lisääntyy tietokoneiden laskentatehon lisääntyessä.

Korkeusmalli tihennetään ortokuvan tuottamiseksi. Tihentäminen tehdään interpoloimalla. Suomessa on maanmittauslaitoksen ylläpitämän, koko maan kattavan korkeusmallin ruutukoko 25 metriä. Jos ortokuva tuotetaan 1 metrin pikselikoolla, maanpintaa esittävä korkeusmalli interpoloidaan myös 1 metrin ruudukoksi.

Bilineaarinen interpolointi.

Digitaalinen ortokuva tuotetaan tasavälisenä ruudukkona. Jokaista ruutua vastaa ruutu tihennetyllä korkeusmallilla. Tämän koordinaateilla lasketaan ruudun keskipisteen sijainti ilmakuvalla. Pistettä vastaava harmaasävy interpoloidaan lähimmistä pikseleistä.

Kuvautumismalli

Interpolointi

Ortokuvien laatukomponentit

Yleiset laatumittarit

Spatiaalinen erotuskyky
Radiometrinen laatu
Geometrinen tarkkuus
Spektraali laatu

Kuvausolosuhteisiin liityvät tekijät

Häiriöt (pilvet, pilviharsot, pilvenvarjot, utu, sumu, savu, roskat yms.)
Auringon korkeuskulma
Kuvausajankohta (kevät, kesä, syksy, talvi)

Ortokuvien erityiset laatutekijät

Mosaikoinnin laatu
Vierekkäiset ortokuvat
Korkeusmallista aiheutuvat virheet: kuvan kaksinkertaistuminen tai katoaminen, kuvan venyminen

Oikaisun tarkkuus

Koska ortokuva tuotetaan korkeusmallin perusteella, korkeusmallin virheet vaikuttavat ortokuvan geometriseen tarkkuuteen. Virheen merkitys korostuu kuvan nurkissa. Myös oikaisumalli eli kuvan ja maaston välinen muunnosfunktio vaikuttaa tuloskuvan geometriseen laatuun.
Oikaistavan kuvan perspektiivi vaikuttaa tuloskuvaan esteettisesti. Kun oikaisupinta on maanpinta, kaikki siitä poikkeavat kohteet kuten rakennukset, sillat ja puusto kuvautuvat alkuperäisen kuvan esittämässä perspektiivissä. Selvimmin tämä näkyy mosaiikin saumakohdissa, jossa kaksi eri perspektiivissä otettua kuvaa joudutaan liittämään toisiinsa. Tätä vaikutusta voi parantaa käyttämällä tarkempaa pintamallia, käyttämällä kuvista vain keskiosaa ja sovittamalla mosaiikin saumat luonnonmukaisiin kuviorajoihin.
Ortokuvaa tuotettaessa kertaalleen digitoitu ilmakuva näytteistetään uudelleen. Tämä heikentää kuvan erotuskykykyä.
Esimerkkilaskelma oikaisun tarkkuudesta (tentti 21.1.2002)

Excel-tiedosto oikaisun_tarkkuus.xls

Ortokuva 500 x 500, 0,5 m pikselikoolla, alkuperäisen kuvan keskeltä. (© MIT Digital Orthophoto Browser)

Ortokuva 500 x 500, 0,5 m pikselikoolla, alkuperäisen kuvan reunalta. Tässä kuvassa rakennusten pohjat kuvautuvat kartalla oikein, mutta muut osat väärin. Kuvan käyttö ortokuvana on hankalaa. Mikäli tiedot alkuperäisen ilmakuvan sisäisestä ja ulkoisesta orientoinnista ovat käytettävissä, kuvan rakennukset voidaan mallintaa. Ilmakuvan keskellä näkyvien rakennusten osalta tämä ei olisi mahdollista. (© MIT Digital Orthophoto Browser)

Ortokuvan kuva-ala ilmakuvalla, kun sivupeitto on q ja pituuspeitto p ja tätä vastaava suurin säteettäinen etäisyys kuvan keskipisteestä.

Korkeusero dH aiheuttaa kuvalla säteettäissiirtymän dr. Korkeusmallin epätarkkuus aiheuttaa vastaavasti virheen ortokuvalle.

Esimerkki korkeusmallista ja orientoinnista aiheutuvista ortokuvan virheistä

Satelliittikuvien oikaisu

Satelliittikuvien oikaisu karttakoordinaatistoon on yleisimpiä satelliittikuvien esikäsittelyjä, sillä vasta oikaistuun kuvaan voidaan yhdistää muuta karttakoordinaatistossa olevaa vektori- tai rasterimuotoista tietoa.

SPOT- ja Landsat-kuvien oikaisu. Maanmittauslaitoksessa automaattinen oikaisu perustuu PerusCD:n kahden metrin vesimaskista tehtyyn piirretietokantaan. Piirretietokanta sisältää mm. järvien ja saarten painopisteet ja ympärysmitat. Oikaistavasta satelliittikuvasta (infrakanava) kynnystetään vesistöt ja muodostetaan piirretietokantaa vastaavia vesistön piirrepisteitä. Vastinpisteiden avulla muodostetaan oikaisussa tarvittava tukipisteistö kuvan oikaisemiseksi karttakoordinaatistoon. Tällä hetkellä automaattista oikaisua voidaan tehdä Suomen alueelta Spotin kolmikanavaisille (XS) ja Landsatin TM-kuville. | Tietoa Maasta 4/1996 |
Tutkakuvien oikaisu. Maanmittauslaitoksessa oikaistaan ERS-satelliittien SAR-kuvat joko likimääräisesti rataparametrien avulla, tarkemmin tukipisteiden avulla tai tarkimmalla menetelmällä tukipisteiden ja korkeusmallin avulla. Korkeusmallin käyttö oikaisussa on erittäin suositeltavaa. Välttämätöntä se on esimerkiksi eri aikaan otettujen kuvien oikaisemisessa yhdeksi aikasarjaksi. Likimääräinen oikaisu soveltuu öljypäästöjen seurannan kaltaisiin käyttökohteisiin, joissa useiden kymmenien metrien ero kuvalla ja maastossa ei ole ratkaisevaa. | Tietoa Maasta 6/1996 |

Pushbroom-kuvien oikaisu

True-ortojen tuotanto ADS40 kuvista (www.istar.com)

– Pintamalli forward-, backward- ja nadir-kuvista

– Orto-oikaisu

– Mosaikointi nadiiria lähinnä sijaitsevista kuvanosista

– Rinnakkaisprosessointi

–

www.istar.com

(Rainer Sandau, Peter Fricker, A. Stuart Walker, 1999)

Kuvamosaiikit

Mosaikointi

leikkaus

pikselin kuvasisältö haetaan siitä kuvasta, jonka nadiiripiste on lähimpänä
sauma sijoitetaan kohteen kuviorajoihin, jolloin naapurikuvien mahdollinen sävyero on visuaalisesti "luonnonmukainen"
automaattinen mosaikointi: suorat tai ”automaattiset” rajat

radiometrinen korjaus

"hot spot"-ilmiö näkyy sävyeroina kuvan sisällä, eli kuvanosat ovat varjoja vasten kuvattaessa tummempia kuin myötävaloon kuvattaessa
valoisuusero voidaan osittain kompensoida sopivia maskeja käyttäen
fysikaaliset menetelmät

"Hot spot"-ilmiö syntyy auringon valaisemana kohtaan, jossa valo heijastuu suoraan tulosuuntaansa ja varjot jäävät katveeseen (retroheijastus). Ilmiö aiheuttaa kuvan alueella epälineaarisen valaistuseron, joka on suurin varjojen suunnassa ja pienin tätä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Valaistuseroa pyritään mallinntamaan esimerkiksi ns. BRDF-funktiolla (bidirectional radiometric distribution function), mutta käytännössä sen korjaaminen on ilmakuvilta hankalaa. Sen sijaan ilmakuvasta korjataan kameran vignetoitumis-ilmiön tuottama valaistusero. Vignetoituminen johtuu sulkimen aukon varjosta ja näkyy kuvalle tulevan valon vähenemisenä kuvan laidalla. Vignetoitumisilmiö on symmetrinen kuvan pääpisteen suhteen.

Dodging. The mosaicked image on the left shows “hot” spots in the far left corner. The image on the right shows a seamless output with the use of specialized color balancing procedures in ERDAS IMAGINE 8.5 that remove “hot spots” from aerial photography and other off-nadir imagery. Image courtesy of AERO-METRIC, Inc. (Sheboygan, WI). (http://www.erdas.co.uk/news/colour_balance.htm, 2001).

Osakuva ilmakuvamosaiikista, vasemmalla ennen sävyntasausta, oikealla sävyntasauksen jälkeen. (© Carl Zeiss, Inc./ OrthoVista).

Ortokuvan radiometrinen korjaus sisältyy globaalin yhteensovituksen ratkaisuun. Vasemmalla paloittain oikaistu ortokuva, oikealla globaalin yhteensovituksen tuloksena tuotettu ortokuva.

Geometrinen virhe, joka johtuu korkeusmallin likimääräisyydestä. Korkeusmalli määräytyy globaalin yhteensovituksen yhteydessä ja virhe korjaantuu.

Ortokuva sopii sellaisenaan pohjakartaksi. Kartoitusohjelmistoon sisältyy myös ns. "map publishing"-osio. (Kuva: Leica Helava SocetSet, http://www.gdesystems.com/socet/brochure/socet_brochure.html).

Rakennusten oikaisu ortokuvilla

Orto-oikaisu sekä maaanpinnan että siinä olevien rakenteiden osalta ("true orto")

Automatic Correction of Houses in Digital Orthoimages (ETH Zürich)

Jos maastovirhe korjataan ylikulkusillan kohdalla alla kulkevan tienpinnan korkeuden mukaan ja sillalta jatkuvan tien osalta oikean tienpinnan korkeuden mukaan, tien geometria vääristyy. "True orto"-korjauksella saadaan ylikulkusillat korjattua oikeaan asemaan sillalla kulkevan tien suhteen. (Kuva: Leica Helava SocetSet, http://www.gdesystems.com/socet/brochure/socet_brochure.html).

Ortokuvaustoimintaa Suomessa

Maanmittauslaitos
FM-Kartta Oy
Suomen Kartoitus ja Mittaus SKM Oy
Ortokuvastoja

MMM:n maanlaajuiset LPIS ortokuvat
MML:n MTJ ortokuvat
Metsäkeskusten ortokuvatuotanto
Kaavan pohjakartta
www.ilmari.fi: Novon ja FM-Kartta Oy:n toteuttama internet-pohjainen ilmakuvapalvelu

Vitteet

Maanmittauslaitos. MML:n ortokuvausesite, http://www.nls.fi:80/kartta/muut/ortokuva.html
Markus Ruottinen, 2001

Kirjallisuutta

Kaavoitusmittausohjeet, Maanmittaushallituksen julkaisu n:o 94.
Eija Orava, 1994. Digitaaliset ortokuvat, TKK, diplomityö, Espoo 1994.
Mikael Johansson, Scott B. Miller, A. Stewart Walker, 1995. Digital orthophotography at the National Land Survey of Sweden, Espoo 1995.

Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus

Luento-ohjelma