Tiesuunnittelussa käytettävien kuvamosaiikkien tuottaminen videokuvista
Erno Puupponen
Sisällysluettelo
*
Johdanto
Rasterimuotoisia kuva-aineistoja on jo kauan käytetty apuna erilaisissa suunnittelutehtävissä. Erityisesti tiesuunnittelu on luonteeltaan sellaista, jossa ajantasaisella ja oikealla maastotiedolla on tärkeä merkitys. Suunnittelun apuna on pitkään käytetty sekä vektori- ja rasterimuotoisia karttoja, että paperilla olevia ilmakuvia. Karttoja on usein käytetty paitsi paperi- tai muovitulosteina, myös kuvaruudulla taustakarttoina. Viime vuosina on ohjelmistojen ja koneiden kehittymisen myötä alettu entistä enemmän käyttää ilmakuva-aineistoja myös kuvaruutukarttoina. Perinteisistä ilmakuvauksista saatavien kuvien rinnalle on tullut myös videokuvien käyttö. Videokuvien etuna perinteisiin ilmakuviin verrattuna on niiden edullisuus ja helpompi hankittavuus. Tiesuunnitteluprojekteissa käytettävien kuvien tärkeä ominaisuus on usein niiden ajantasaisuus. Myös eri rakennusvaiheen aikaisten kuvien saaminen on joissakin tapauksissa oleellista, jolloin videokuvaus on nopea ja helppo keino kuvien hankkimiseen.
Digitaalisten ilmakuvien käyttöä Tielaitoksen tiehankkeiden suunnitteluprosessissa on tutkittu aiemmin mm. diplomityössä Digitaaliset ilmakuvat tiesuunnittelussa (Marjut Witikainen 1997).
Niin videokuvauksella, kuin perinteisellä ilmakuvauksellakin saatuja digitaalisia kuva-aineistoja käytetään tiesuunnittelussa nykyisin kahteen pääasialliseen tarkoitukseen. Suunnittelijat käyttävät niitä suunnittelunsa apuna taustakarttoina perinteisten kartta-aineistojen tapaan. Tällöin kuvien tulee olla geokoodattuja, eli suunnittelussa käytettävään koordinaatistoon sidottuja. Tarkemmissa suunnittelutehtävissä tehdään kuville usein myös orto-oikaisu, jolloin maaston korkeusvaihteluista kuvalle aiheutuvat virheet poistetaan käyttäen hyväksi maaston pintamallia. Toinen tärkeä käyttötarkoitus on tehtyjen suunnitelmien havainnollistaminen. Valokuvien käyttö suunnitelmien esittämisessä on usein huomattavasti havainnollisempaa, kuin karttojen käyttö.
Kuva 1. Liikennejärjestelyjen suunnitelma ja vektorimuotoinen viivakartta (SITO 1998).
Kuva 2. Kuvan 1 sisältö ja digitaalinen ilmakuvamosaiikki (SITO 1998).
Kuva 3. Havainnekuva, jossa yhdistetty olemassa olevaa ja suunnitelmaa
(SITO 1998).
Kuvien käytön mahdollisuudet eivät kuitenkaan rajoitu näihin kahteen. Perinteisten ilmakuvien perimmäisenä tarkoituksena on aina ollut 3D-koordinaattien tuottaminen. Tämä on nykyisin mahdollista tehdä myös digitaalisilta kuvilta. Tästä johtuen niin digitoitujen (skannattujen) ilmakuvien, kuin videokuvienkaan käyttömahdollisuus ei rajoitu pelkästään havainnollisen kuvatiedon tuottamiseen, vaan myös varsinaisen koordinaattitiedon tuottaminen on mahdollista.
Tielaitoksen videokuvamosaiikit
Tielaitos aloitti keväällä 1997 helikopterista videokameralla kuvattujen kuvien käytön. Näitä kuvia on käytetty vain edellä mainittuihin tarkoituksiin, eli taustakuviksi ja havainnekuvien tekoon. Kuvaukset on suoritettu helikopterista käyttäen Sony DCR-VX9000E videokameraa. Tällä kameralla saatujen kuvien koko on 768 x 576 pikseliä. Muita laitteita ei ole varsinaisen kuvadatan tuottamiseen ole tarvittu. Tielaitoksella on kuitenkin käytetty kuvien orientointiin takymetrillä maastossa mitattua maastomallia, jota on käytetty myös suunnittelussa tarvittavana maastomallina. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/
Tiesuunnitteluhankkeet ovat luonteeltaan sellaisia, että helikopterista tehtävä kuvaus on erittäin käytännöllinen, koska hankkeet ovat usein ’matomaisia’, jolloin on edullista että kuvaus voi kulkea kohteen mukaan. Suoritettaessa kuvaus helikopterista, voidaan helposti seurata kiinnostavaa tielinjaa, ja saada kuvat koko ajan siten että kuvilla oleva informaatio saadaan mahdollisimman hyvin kiinnostavasta kohdasta. Näin saadaan tielinja pidettyä keskellä kuvaa ja rakennuksista tielle näkyvä julkisivu näkyvissä kuvalla. Perinteisessä ilmakuvauksessa käytettäviä suoria jonoja ei näin ollen kuvata. Näin kuvat saadaan vain kiinnostavilta alueilta.
Kuva 4. Kuvamosaiikki 90 kuvasta. Kuvalla näkyy hankkeiden ’matomainen’ muoto.
Tielaitoksen käyttämä kamera on periaatteessa niin automaattinen, että lentäjä voisi yksinkin suorittaa kuvauksen, mutta käytännössä mukana on kuitenkin erikseen kuvaaja, joka tietää mitä tulee kuvata. Usein tämä kuvaaja on myös itse suunnittelija, joka voi vielä lennon aikana suunnitella mitä alueita kuvataan tarkemmin.
Hankkeet kuvataan yleensä usealta eri korkeudelta. Yleinen lentokorkeus on n. 120 metriä. Alue lennetään yleensä edestakaisin, jolloin katvealueiden määrä saadaan pienemmäksi. Koko hanke kuvataan tavallisesti myös korkeammalta, jolloin saadaan suurempi ala maastoa kuville. Näistä voidaan muodostaa yleiskuvia. Lisäksi intressipaikat, kuten liittymät ja risteykset, kuvataan myös huomattavasti alempaa (jopa 50 m:stä), jolloin kuville saadaan entistä enemmän informaatiota ja yksityiskohtia.
Kuva 5. Noin 120 metristä kuvattu kuva. Kuva 6. Noin 300 metristä kuvattu kuva.
Havainnekuvia varten joitakin intressipaikkoja kuvataan myös lentämällä kohteen ympäri, jotta tekstuuri saadaan joka puolelta kohdetta, eli katvepaikkoja ei jää. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/
Tielaitoksen käyttämä videokamera tuottaa kuvadataa 25 ruutua sekunnissa. Kuvauksissa lennetään yleensä noin 60-90 km/h. Näin ollen kuvia tulee n. 1 metrin välein. Kaikkien kuvien käyttö ei luonnollisesti ole järkevää, joten kuvista otetaan käyttöön vain pieni osa. Normaalisti kuvat pyritään valitsemaan siten, että kuvien pituuspeitto on n. 30 %. Kuvien valinnassa pyritään myös huomioimaan mahdolliset rakennukset ja rakenteet. Mukaan otettavat kuvat valitaan manuaalisesti pyrkien toteuttamaan edellä mainitut seikat. Tavoitteena on, että kuvamosaiikkeihin kukin rakennus tulisi samalta kuvalta, ja mahdollisimman keskeltä kuvaa. Näin rakennukset olisivat mahdollisimman yhtenäisiä, ja niiden kaatuma saataisiin minimoitua. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/
Digitaalisella videokameralla tuotettujen kuvien geometriset virheet ovat nykyisin vielä varsin huomattavat, eli kameran piirtovirheistä aiheutuvat virheet täytyy korjata, jotta kuvat voidaan sitoa maastokoordinaatistoon ja muodostaa niistä yhtenäinen kuvamosaiikki. Tielaitos on toteuttanut kamerasta johtuvien virheiden eliminoinnin siten, että kameralla on kuvattu 2D mittaruudukkoa, joka sen jälkeen on mitattu ER Mapper -ohjelmistolla. Näin on muodostettu tukipisteistö, jonka avulla kultakin kuvalta poistetaan kamerasta aiheutuva geometrinen virhe. Radiometrisen virheen korjaaminen ei tässä tapauksessa ole tarpeen.
Kuva 7. Kameran piirtovirheiden poistamiseen käytettävä
ruudukko. Ruudukon pisteet osoitetaan kuvalta, ja niiden
avulla lasketaan korjattu kuva.
Kuva 8. Geometrisesti oikaistu kuva. Kuvan reunoilla olevat
mustat alueet aiheutuvat kameran piirtovirheestä.
Kun käytettävät kuvat on valittu ja kamerasta aiheutuvat piirtovirheet eliminoitu, muodostetaan kuvista yhtenäinen kuvamosaiikki ER Mapper -ohjelmistolla. Mosaiikkia varten kaikki kuvat geokoodataan, eli sidotaan maastokoordinaatistoon. Tämä tehdään käyttäen apuna maastokoordinaatistossa (KKJ) olevaa tukipisteistöä. Tielaitos on käyttänyt videokuvien tukipisteistönä maastomittauksilla takymetrillä tuotettua vektorimuotoista maastomallia. Tukipisteinä voidaan käyttää myös signaloituja runkopisteitä, analyyttisellä stereokojeella mitattua vektorikarttaa tai pistetihennyksessä syntyneitä tihennyspisteitä. Käytettävän tukipisteistön valinta riippuu yleensä saatavilla olevasta aineistosta, ja tukipisteille asetettavista tarkkuusvaatimuksista.
Kuvien oikaisu tapahtuu osoittamalla vastinpisteet sekä tukipisteistä (tässä tapauksessa vektorimuotoiselta maastomallilta) että digitaaliselta kuvalta. Näin saadaan määrättyä kuvakoordinaateille vastaavat maastokoordinaatit. Kultakin kuvalta osoitetaan tällä tavoin 10-30 pistettä, jonka jälkeen kuva oikaistaan maastokoordinaatistoon. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/
Oikaisu tehdään yleensä käyttäen Delauneyn kolmiointimenetelmää ja bilineaarista interpolointia. Kolmiointi menetelmä tarkoittaa, että tunnetuista pisteistä muodostetaan kolmioverkko ja kullekin kolmiolle lasketaan kerroin jolla kuvaa korjataan. Tämän jälkeen kuvan oikaisu tapahtuu kolmio kerrallaan. Näin saadaan vähennettyä kuvilla esiintyviä paikallisia vääristymiä. /ER Mapper Reference Manual/.
Kuville interpoloidaan uudet harmaasävyarvot kullekin pikselille käyttäen bilinear menetelmää. Siinä uuden kuvan pikselin harmaasävy lasketaan neljän lähimmän pikselin etäisyydellä painotettuna summana. /Sonka et.al: Image Prosessing, Analysis and Machine Vision (1993)/.
Oikaisu tehdään kaikille valituille kuville, jonka jälkeen ne on sidottu samaan koordinaatistoon (KKJ). Näin saadut kuvat yhdistetään yhdeksi geometrisesti oikeaksi mosaiikiksi, jossa on yhdessä useita kymmeniä kuvia. Näin tehtynä kuvien rajoille muodostuu reunaviivoja johtuen vierekkäisten kuvien sävyeroista. Tästä syystä mosaiikkiin rajataan manuaalisesti kultakin kuvalta otettava alue. Rajaus pyritään yleensä vetämään siten, että rakenteet tulevat mahdollisuuksien mukaan aina kokonaisuudessaan samalta kuvalta. Näin eri kuvilla eri suuntiin kaatuvat rakennukset eivät aiheuta ongelmia mosaiikilla. Rajaus pyritään myös vetämään luonnollisia reunoja myöten, jolloin vierekkäisillä kuvilla mahdollisesti olevat harmaasävyjen erot voidaan piilottaa.
Kuva 9. Ilman manuaalista rajausta Kuva 10. Manuaalisesti luonnolli- Kuva 11. Näin saatu kuvamosaiikki. Eri
tehty
mosaiikki. Selkeä kuvien reuna. sia rajoja mukaileva rajaus. kuvien sävyvaihtelut piilotettu.
Tämä edellä kuvattu maastomallia tukipisteinä käyttävä kuvien orientointi tehdään Tielaitoksen hankkeissa n. 120 metrin korkeudesta kuvatuille kuville. Yleiskuviksi tarkoitetut korkeammalta kuvatut kuvat geokoodataan käyttäen tukipisteinä tätä syntynyttä kuvamosaiikkia. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/.
Kuvamosaiikin vienti suunnittelujärjestelmään
Tielaitoksella on käytössä suunnittelujärjestelmänä XRoad. Syntynyt kuvamosaiikki viedään sinne mahdollisimman suurina paloina. Esimerkiksi noin sadasta (120 metristä kuvatusta) kuvasta muodostunut hanke vietiin XRoadiin siten, että matalammalta kuvattu mosaiikki vietiin kahtena tif-muotoisena tiedostona ja korkeammalta kuvattu yleiskuva yhtenä tif-tiedostona.
Näistä erillisistä kuvamosaiikista muodostetaan automaattisesti zoomaustason mukaan muuttuva tasorakenne. Tämä tarkoittaa sitä, että katsottaessa koko hanketta, nähdään korkealta kuvattu yleiskuva, ja zoomattaessa lähemmäksi tulee käyttöön alempaa lennetty tarkempi kuva. Edelleen intressipaikoista voi olla vielä tarkemmat kuvat mentäessä lähemmäksi. /Suominen Tauno, haastattelu 1999/.
Videokuvauksen ja perinteisen ilmakuvaus vertailua
Tehtäessä valintaa videokuvauksen ja perinteisen ilmakuvauksen välille on aina otettava huomioon useita asioita. Tällöin täytyy miettiä tarkoin mitä etuja ja haittoja eri kuvaustekniikoista koituu ja mihin eri tarkoituksiin kuva-aineistoa tarvitaan.
Tiesuunnitteluhankkeissa kuvadataa tarvitaan usein hyvin paljon ja nopeasti. Lisäksi erittäin tärkeänä seikkana pidetään kuvien ajantasaisuutta. Myös rakennusvaiheessa on monesti tarpeen saada kuva-aineistoa eri vaiheiden edistyessä. Varsinainen kuvaus on melko edullinen suorittaa. Helikopterin vuokra ja kuvaajan palkka ovat käytännössä ainoat kustannukset. Tämä on melko edullinen verrattuna perinteiseen ilmakuvaukseen. Perinteiseen ilmakuvaukseen verrattuna saadaan myös paljon dataa kiinnostavalta alueelta, sekä mahdollisuus erityisesti kiinnostavien alueiden kuvaamiseen useasta suunnasta. Kuvaus voidaan myös suorittaa mihin vuodenaikaan tahansa (vrt. normaali ilmakuvaus yleensä keväällä). Kuvaus myös suoritetaan niin alhaalta, että se on mahdollista tehdä myös pilvisellä säällä lentämällä pilvien alapuolella. Videokameralla kuvat saadaan valmiiksi digitaalisessa muodossa, eikä erillistä kuvien skannausta tarvita. Videokuvien on todettu myös olevan väreiltään huomattavasti luonnollisempia, kuin perinteisten ilmakuvien.
Videokuvauksella saatavien kuvien määrä on huomattavasti suurempi kuin perinteisellä kuvauksella. Esim. valokuvia matalakuvauksissa 3-5 sekunnin välein eli 450 kuvaa 30 minuutissa, videokuvauksella puolestaan 25 kuvaa sekunnissa eli 45 000 kuvaa 30 minuutissa. Tutkijan näkemyksen mukaan videokuvien käytössä korostuu radiometrian hyödyntäminen. Kuvia saadaan paljon joka vähentää katvealueita, muutokset kuvalta toiselle ovat vähäisiä ja tiedot ovat välittömästi digitaalisessa muodossa. /Henrik Haggren, Fotogrammetrinen kartoitus, luento 12/1998/.
Ilmavalokuvalla informaatiosisältö on ylivertainen verrattuna videokuvaan. Esim. valokuva: (60 lp/mm x 230 mm)² = 13 800² lp², videokuva 200² lp, eli suhde tässä esimerkissä 4761:1. Tutkijan mukaan ilmavalokuvien käyttö tulee perustumaan yhä enemmän hyvän kuvageometrian hyödyntämiseen. /Henrik Haggren, Fotogrammetrinen kartoitus, luento 12/1998/.
Videokuvien haittapuolena on siis kuvien heikompi geometrinen tarkkuus. Analogisten kuvien hyvän geometrisen tarkkuuden säilyttäminen digitaalisilla kuvilla tosin edellyttää, että kuvien digitointiin käytetään fotogrammetrista skanneria DeskTop skannerin sijaan. Lisäksi tiesuunnitteluhankkeissa käytetään usein maastomalliaineistona analyyttisellä stereokojeella mitattavaa maastomallia, jolloin myös perinteiset ilmakuvat ovat saatavilla kyseisestä alueesta.
Edellä kuvattu Tielaitoksen nykyisin käyttämä kuvamosaiikkien tuotantojärjestelmä perustuu hyvin pitkälti manuaaliseen tuotantomenetelmään. Lisäksi syntyneet mosaiikit sisältävät maaston korkeusvaihteluista johtuvat maastovirheet, eli kuville ei tehdä orto-oikaisua. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi on VTT:llä kehitetty ja kehitteillä uusia tuotantomenetelmiä.
Automaattinen ortokuvamosaiikkien tuottaminen videokuvista
Ortokuvamosaiikkien automaattista tuottamista tutkittiin VTT:lla EU:n ESPRIT-III projektissa GLORE (GLobal Object REconstruction) 1995-1998. Siinä kehitettiin kohteen globaaliin rekonstruointiin perustuva menetelmä, ja toteutettiin prototyyppi rinnakkaislaskentakoneilla toimivaan automaattiseen korkeusmallin laskentaan ja ortokuvamosaiikkien tuottamiseen. Globaali rekonstruointi on menetelmänä erittäin tarkka, koska se voi ottaa huomioon niin monta tekijää, jotka vaikuttavat kohteen kuvautumiseen kuville (pinnan geometria ja heijastuskerroin, ilmakehä ja valolähteen paikka). / Holm Mikael 1995 /
Kuva 12. GLORE-projektissa automaattisesti tuotettu videokuvamosaiikki Tuusulasta, sisältää 141 kuvaa.
Kuva 13. Samassa yhteydessä automaattisesti laskettu korkeusmalli, tumma on alavaa ja vaalea korkeaa.
Kuva 14. Viistokuva menetelmällä tuotetusta korkeusmallista.
Kuva 15. 3D-perspektiivikuva, jossa yhdistetty laskettu maastomalli ja kuvamosaiikki.
Korkeusmallin automaattinen tuottaminen digitaali-ilmakuvista
Tällä hetkellä VTT:llä on käynnissä projekti nimeltä KADIP (Korkeusmallin automaattinen tuottaminen digitaali-ilmakuvista PC-klusterilla). Tässä projektissa tarkoituksena on tutkia edellä mainitussa GLORE-projektissa kehitetyn menetelmän tarkkuutta ja soveltuvuutta eri tyyppisiin sovellutuksiin. Eräs näistä tutkittavista sovellusalueista on Tiesuunnittelun massalaskennoissa käytettävien korkeusmallien ja ortokuvien tuottaminen. Tässä sovelluksessa VTT:n yhteistyökumppanina on Suomalainen Insinööritoimisto Oy (SITO). /Mikael Holm, KADIP-projektin tutkimussuunnitelma 1998/.
GLORE-projektissa tuotettujen korkeusmallien tarkkuudesta ei saatu luotettavaa kuvaa, vaan se jäi suurimmaksi osin pelkkien arvailujen varaan. Aikaisemmissa tutkimuksissa (Ebner et al 1993) todettiin, että tarkkuus on (peltoalueilla) luokkaa 0.1 % lentokorkeudesta, eli vähintään sama kuin stereokojeella tehtynä. /Mikael Holm, KADIP-projektin tutkimussuunnitelma 1998/.
Automaattisten menetelmien käyttö tiesuunnittelussa
Edellä kuvatut automaattiset menetelmät tulevat olemaan erittäin käyttökelpoisia menetelmiä tiesuunnittelussa käytettävien korkeusmallien ja ortokuvamosaiikkien tuottamisessa. Korkeusmallin kohdalla heikkoutena voidaan pitää ongelmaa, joka liittyy kaikkiin kuvamittauksiin perustuviin tekniikoihin eli katveisilla alueilla luotettavan mallin laskeminen ei onnistu. Vaikka näin mitattu korkeusmalli itsessään onkin luokittelematonta tietoa, on sen hyväksikäyttö mahdollista käyttämällä samalla syntynyttä ortokuvamosaiikkia taustakarttana.
Haastattelu, Tauno Suominen Tielaitos 11.3.1999.
Mikael Holm, Soveltavan teknisen tutkimuksen tukihakemus, Liite 1 Tutkimussuunnitelma (KADIP) 1998.
Mikael Holm, Ortokuvia ja korkeusmalleja videoilmakuvilta
3-D kartta, Maastotietokanta, ympäristömallit, kaupunki- ja tilamallit. Maanmittaustieteiden päivät 23.-24.11.1995. Maanmittaustieteiden Seuran julkaisu no 32, Helsinki 1995, s. 68-77.
ER Mapper 5.0 Reference Manual, p. 389.
Milan Sonka, Vaclav Hlavac, Roger Boyle: Image Prosessing, Analysis and Machine Vision First Edition 1993, p.66.
Marjut Witikainen, Digitaaliset ilmakuvat tiesuunnittelussa, Teknillinen Korkeakoulu, Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorio, diplomityö 1997.
Henrik Haggren, Fotogrammetrinen kartoitus, luento 12/98.
http://foto.hut.fi/opetus/220/luennot/12/12.html.