Maa-57.260 Fotogrammetrian erikoissovellutukset

Fotogrammetrian tutkimus- ja kehitystavoitteet

AIHEET

• 1800-luku
• 1900-luku
• 1990-luku

1800-luku

• Fotogeodesia perustui geodeettisen mittauskäytännön soveltamiseen. Ulkoinen orientointi määräytyi, kun kamera tasattiin, keskistettiin asemapisteelle ja suunnattiin tunnetulle kolmiopisteelle. Kuvat olivat konvergenttikuvia. Kuvaparin tulkintaa varten laskettiin sydänpisteet. Vastinpisteet haettiin käyttäen sydänsäteitä. Kuvakoordinaatit muunnettiin vaaka- ja pystykulmiksi pääpisteen ja kameravakion mukaan. Kohdekoordinaatit laskettiin geodeettisena eteenpäinleikkauksena. Tärkeimpänä kehitystavoitteena oli luoda käyttökelpoinen tulkintakoje, jossa kuvapari olisi pystytty orientoimaan ja koordinaattimuunnokset olisi voitu mekanisoida.
• Ilmakuvaukset tehtiin tähystyspalloja käyttäen [Kuva]. Tutkijoiden päällimmäisenä ongelmana oli kameran ulkoisen orientoinnin määrittäminen kuvalla näkyvistä tukitiedoista, esimerkiksi horisontista ja koordinaateiltaan tunnetuista maastonkohteista. Matemaattisen fotogrammetrian päätehtävänä oli ratkaista ns. Pothenot'in ongelma, jota sittemmin ryhdyttiin kutsumaan pyramidiprobleemaksi.
• Vuosisadan lopulla stereomittaus kehittyi fotogrammetrisen mittaustyöskentelyn pääperiaatteeksi. Avaruusmittamerkki keksittiin 1892, kuvien oikaisuun perustuva kaksoisprojektorin periaate 1898, stereomittaamisen periaate ja stereokomparaattori 1901, maakuvien stereokartoitukseen pystyvä eli viivakarttaa piirtävä stereoautografi 1909.

1900-luku

• Fotogrammetria muodostui omaksi tieteenalakseen, tärkeimpänä sovelluksena maaston kartoittaminen ilmasta käsin. Ensimmäinen jonokuvaukseen soveltuva ilmakuvakamera rakennettiin 1915, samoin pystykuvien mittaamiseen soveltuva kaksoisprojektori. Uudella ilmakuvakameralla pystyttiin ensimmäistä kertaa kuvaamaan laajoja alueita järjestelmällisesti. Tämä toi muassaan laajan kirjon analogisia stereokartoituskojeita, joissa eteenpäinleikkaus tehtiin joko mekaanisin tai optismekaanisin laskinlaittein. Kuvien ulkoinen orientointi ratkaistiin niissä orientoimalla kuvapari ensin keskinäisesti stereomalliksi. Stereomalli oikaistiin eli nivelloitiin ja muunnettiin kartan mittakaavaan tunnettuja maastopisteitä käyttäen.
• Uusi orientointimenettely edellytti huomattavan paljon koordinaateiltaan tunnettuja maastopisteitä, vähintään kolme kullakin stereomallilla. Koska näitä ei useinkaan ollut kuvausalueella riittävästi, ne jouduttiin erikseen mittaamaan. Tämä johti ilmakolmioinnin kehittymiseen, jotta tukipisteet voitiin määrittää ilmakuvia käyttäen. Osa uusista stereokartoituskojeista kehittyikin 1930-luvun alussa ns. I luokan ilmakolmiointikojeiksi. Ilmakolmiointi tehtiin samasta kuvauksesta kuin kartoitus, mutta omana työvaiheenaan. Vasta ilmakolmioinnin myötä ilmakuvia kyettiin käyttämään tehokkaasti topografiseen kartoitukseen. Ilmakolmioinnin kehittymisen myötä myös kuvauskalusto kehittyi laajakulmaiseksi ja kuvausoptiikan virheisiin kiinnitettiin erityistä huomiota.
• Suomessa ilmakuvakartoitus alkoi varsinaisesti 1920-luvun lopulla, kun ilmakuvien käyttöä ryhdyttiin kehittämään tykistön tarpeisiin. Topografikunnassa rakennettiin 1928 ensimmäinen ns. horisonttikamera, jossa varsinaisen pystykuvan lisäksi kuvattiin horisontti kahdessa suunnassa. Horisonttikuvista mitattiin kameran kallistuskulmat ja oikaistiin kuva nadiirikuvaksi. Kuvamittakaava laskettiin kuvaukseen käytetyn statoskoopin havainnoista. Horisonttikameran ja statoskoopin käyttö yleistyi varsinkin pienimittakaavaisen ilmakuvakartoituksen käytännölliseksi ratkaisuksi myös muualla Euroopassa.
• Seuraava kehitysvaihe fotogrammetriassa liittyi tietokoneen käyttöönottoon 1960-luvulla. Analyyttinen stereokartoituskoje keksittiin 1956. Siinä optiset ja mekaaniset laskinlaitteet korvattiin numeerisilla. Analyyttisen ilmakolmioinnin kuvausyhtälöt kuva- ja kohdekoordinaattien välillä linearisoitiin ensimmäisen kerran samoihin aikoihin, minkä jälkeen analyyttisestä fotogrammetriasta muodostui tutkimus- ja kehitystyön tärkein kohde aina 1980-luvulle saakka. Suomeen hankittiin ensimmäinen stereokomparaattori, joka soveltui ilmakolmiontiin, vuonna 1968, kun taas ensimmäinen analyyttinen stereokartoituskoje hankittiin vasta 1980.
• Fotogrammetrian erikoisovellukset olivat 1960-luvulle saakka Suomessa harvinaisia. Maakuvakalusto, joka käsitti 40 cm:n ja 120 cm:n kiinteäkantaiset stereomittakamerat sekä kaksi fototeodoliittia, hankittiin TKK:n fotogrammetrian laboratorioon 1960-luvulla. Arkkitehtuurifotogrammetriset dokumentointityöt ja sittemmin myös maanalaisten öljysäiliöiden tilavuustaulukointi stereokuvilta muodostuivat ehkä tärkeimmiksi tutkimuskohteiksi Suomessa. Näissä töissä käytettiin yhä analogisia stereomittauskojeita. 1970-luvulla erikoisovelluksissa, varsinkin suurta tarkkuutta vaativissa muodonmuutosmitttauksissa (antennipinnat, laivalohkot) ryhdyttiin kehittämään myös analyyttisen fotogrammetrian menetelmiä. Mittaukset tehtiin komparaattorilla. Blokkitasoitus kehitettiin ns. yhteistasoitukseksi, jossa havaintoyhtälöihin lisättiin yhtälöt myös geodeettisille etäisyys-, koordinaatti- ja kulmahavainnoille.
• 1980-luvulla erikoisovelluksissa ryhdyttiin kehittämään menetelmiä, jotka soveltuivat tosiaikaisiin mittaustehtäviin. Tämä tuli mahdolliseksi puolijohdetekniikkaan perustuvien CCD-kuva-anturien yleistyessä videokameroissa. Tärkeitä kehitystehtäviä olivat kuvamittausaseman rakentaminen, osapikselitarkkuuden saavuttaminen, itsekalibrointi pelkin etäisyyshavainnoin, automaattinen pisteenhaku. Ensimmäiset mittausaseman prototyyppi pystytettiin 1985 VTT:lle, teollisuuden "on-line"-sovelluksiin 1992.

1990-luku

• Tällä hetkellä tutkimustyön pääpaino on ollut 3-D videodigitoinnin kehittämisessä. Tavoitteena on kyetä muodostamaaan videokuvauksesta mahdollisimman yksityiskohtaisia, geometrialtaan tarkkoja ja ilmiasultaan todellisenkaltaisia tila- ja tuotemalleja mm. keinotodellisuuden tarpeisiin.