Maa-57.290 Fotogrammetrian erikoistyö

JAKO/MTJ:stä, Espa:sta ja niiden sovelluskäytöstä Teknillisen Korkeakoulun Fotogrammetrian laboratoriossa.

Espoo, marraskuussa 2001

Päivi Vinni

Sisällysluettelo

1. Johdanto 3
2. JAKO/MTJ 4
2.1 Tietokantaan tallennetut kohteet 4
2.2 Työskentely kaksikerroksisissa vaihtoehdoissa 6
2.3 Laitteisto 8
2.4 JAKOWWW Tietopalvelu 8
3. ESPA 9
3.1 EspaCity Maanmittauslaitoksessa 10
3.2 JAKO/MTJ:ään siirtyminen ja tietokannan parantamisprosessi 11
4. JAKO/MTJ Fotogrammetrian laboratoriossa 12
4.1 Hankittava järjestelmä 12
4.2 Tulevaisuudennäkymiä 13
5. Lähteet: 14

1. Johdanto

Teknillisen korkeakoulun fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorioon hankittiin vuonna 2000 stereotyöasema. Sen avulla pidetyissä harjoituksissa käytettiin esimerkkiaineistona lähinnä ohjelmiston mukana saatuja ulkomaisia ilmakuvia. Oli kuitenkin selvää, että olisi hyödyllisempää tutustuttaa opiskelijat kotimaiseen aineistoon ja merkittävään kotimaassa käytössä olevaan työskentely-ympäristöön, Maanmittauslaitokseen JAKO/Maastotietojärjestelmään. Esimerkkiä haettiin kiinteistötekniikan opiskelijoiden käytössä olevasta vastaavasta järjestelmästä.

Tämän erikoistyön aiheena oli tutustua JAKO/MTJ:ään ja esiselvityksen omaisesti määrittää mahdollisuuksia hankkia se tai sitä kohtuullisesti muistuttava harjoitteluympäristö fotogrammetrian laboratorion käyttöön karttojen ajantaisaistusharjoituksia varten.

Ongelmalliseksi tehtävän teki se, että koska JAKO/MTJ oli laboratorion väelle jokseenkin tuntematon, heidän oli vaikea tarkasti määritellä, millaista ja mihin toimintoihin soveltuvaa järjestelmää he toivoivat. Lisäksi Maanmittauslaitoksen edustajat suhtautuivat suunnitelmaan lähinnä tietoturvasyistä hieman vastahakoisesti.

2. JAKO/MTJ (Topographic Data System, Maastotietojärjestelmä)

JAKO/MTJ on Maanmittauslaitoksen vastikään käyttöön ottama Smallworld-tietokanta, johon kerätään numeerista maastotietoa. Tietokantaa käytetään koko maan kattavan topografisen kartan tuotantoon ja ylläpitoon. JAKO/MTJ:ään siirtymisen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietokanta kiinteistö- ja maastotietojen käsittelyyn. Näin tietoja voidaan käyttää joustavasti yhdessä.

Digitaalista maastotietoa on kerätty vuodesta 1992 lähtien Maanmittauslaitoksen omalla MAAGIS/MTJ-ohjelmistolla sekä digitoimalla olemassaolevia 1:10 000 karttoja että stereodigitoimalla. Smallworldiin ja JAKO/MTJ:ään siirryttiin vuonna 2000. Vuonna 2001 tietokanta kattoi koko maan lukuunottamatta Pohjois-Lappia. Tavoitteena on, että vuoteen 2005 mennessä tietokanta käsittää myös Pohjois-Lapin ja että kaikki tiedot on kerätty stereodigitoinnilla, jolla päästään 3-5 m sijaintitarkkuuteen.

Tietokantaa päivitetään säännöllisin väliajoin. Tiekohteet ajantasaistetaan vuosittain, muu tieto 5-10 vuoden välein.

Suomen alue käsittää 15 343 kpl 5x5 km karttalehtiä mittakaavassa 1:10 000. Smallworld-tietokanta tulee sisältämään n. 13 000 karttalehteä.

2.1 Tietokantaan tallennetut kohteet

Tietokantaan on tallennettu sekä todellisia että kartografisia kohteita. Todelliset kohteet ovat esim. rantaviivoja, teitä ja rakennuksia, kartografiset taas symboleita ja tekstejä.

MAAGIS/MTJ:ssä tieto tallennettiin karttalehdittäin tiedostoihin. JAKO/MTJ:ssä on jatkuva tietokanta koko maan alueelta.

Tietokannan sisältämien todellisen maailman kohteiden geometria on mallinnettu pisteinä (p), ketjuina (chain) (c), alueina (a) ja tekstinä (t). Luokista, joihin kohteet on jaettu, 36 on tekstiluokkia, 50 symboleita, 15 tekstiä ja 43 ketjuja.

Topografiset ominaisuudet kuten katujen nimet ja talojen numerot, sekä julkaisuun liittyvät ominaisuudet kuten erilaisten alueiden välisen rajan kuvaamistapa, on tallennettu yhdessä kohteen kanssa. Sellaiset kohteet, jotka eivät voi esiintyä ilman jotain toista kohdetta (esim. hylyn syvyyttä ei voi olla ilman hylkyä), on yhdistetty toisiinsa.

Kohde voi olla nykykohde (current), historiakohde (historical) tai tilapäinen (temporal) kohde. Tilapäisiä kohteita käytetään mm. kun järjestelmään tuodaan uutta dataa korvaamaan jo olemassa olevia tietoja. Esim. GPS-dataan perustuvat tielinjat tallennetaan ensin tilapäiseksi geometriatiedoksi. Poistetut ja muutetut tiedot ovat entisiä piirteitä.

Lähes kaikkien kohteiden sijainti ilmaistaan (x,y,z) koordinaateilla. Vain teksteistä ja kartografisista symboleista ei tallenneta z-koordinaattia ja korkeuskäyrän z-koordinaatti tallennetaan ominaisuustietona. Myös kohteen korkeuden tarkkuus tallennetaan, mikä auttaa määrittämään, onko kyseessä 2D vai 3D-kohde. Mikä tahansa kohde voi olla 2D-kohde ilman korkeustietoa tai 3D-kohde, joka perustuu joko stereokartoitukseen tai korkeusmallista johdettuun korkeustietoon. Järjestelmään valmiiksi ladattuun 25 metrin ruutuista korkeusmallia käytetään korkeustiedon johtamiseen tieverkolle silloin, kun 3D-mittausdataa ei ole saatavilla.

Viivat voivat olla murtoviivoja (polygonal lines) tai käyriä (curved lines). Käyrät saadaan esitetyksi täsmällisesti lisäämällä laskennallisia viivanpisteitä. Viiva muodostuu 'kontrollipisteistä', joista tallennetaan korkeustieto, sekä laskennallisista pisteistä, joista ei tallenneta korkeustietoa. Kontrollipisteitä tallennetaan keskimäärin 15 metrin välein ja laskennallisia pisteitä näiden väliin keskimäärin 5 metrin välein. Laskennallisia pisteitä käsitellään määräämällä niiden z-koordinaatiksi tietty vakioarvo, joka eroaa todellisista z-koordinaateista.

Lukuisat järvet, suot ja avokalliot sekä pitkä rantaviiva ovat Suomen maastolle tyypillisiä. Suuret alueet, jotka sisältävät lukemattomia pieniä saaria asettavat kovat vaatimukset aluedatan käsittelylle. Lataamisen jälkeen 1:10 000 karttalehtien rajat rajoittavat aluemaisia kohteita, mikä säilyy tietokannassa vielä jonkin aikaa, lukuunottamatta pieniä alueita, joista rajaviivat poistetaan kun lataaminen on saatu päätökseen. Smallworldin versiossa 3.1 aluedatan käsittelyä on parannettu, erityisesti mitä tulee alueissa oleviin reikiin. Edes suurten, paljon saaria sisältävien järvien käsittely ei ole ongelma ohjelman nykyisellä versiolla.

Maastotietokannan aluekohteiden geometriatieto on mallinnettu topografisina alueina. Aluepiirteet ryhmitellään yhteen asettamalla sama pinnanmäärittely samalla topologisella tasolla tai alialueella oleville alueille. Tilapäisten alueiden ja poistettujen alueiden geometria mallinnetaan yksinkertaisesti alueena.

Verkot ja alueiden rajat mallinnetaan ketjuina. Korkeuskäyrien geometria on mallinnettu yksinkertaisina ketjuina. Tilapäisten tai poistettujen viivamaisten kohteiden geometria on tallennettu yksinkertaisina ketjuina.

Kun viivoja lisätään tietokantaan, voidaan soveltaa kahta topografista sääntöä. Yleisempi on end_split_chain, joka tarkoittaa, että viivan päätepisteissä ketju katkaistaan ja jokainen viiva on itsenäinen kohde. Tietyissä tilanteissa voidaan kuitenkin käyttää sääntöä end_split_link, jonka mukaan ketjussa voi olla epäjatkuvuuskohtia, esim. leikkauskohdan molemmin puolin tie on samaa kohdetta. Pitkät viivat on pilkottava useaan sektoriin.

2.2 Työskentely kaksikerroksisissa vaihtoehdoissa

Jotta käyttäjien näkemä tietokannan sisältö pysyisi jatkuvasti yhtenäisenä, käytetään kaksikerroksista päivitysrakennetta (two-tier updating structure). Päivitys tehdään yleensä yhden ilmakuvauksen alueelta kerrallaan ja tuloksena saatava data tuodaan tietokantaan yhdellä kertaa.

Tuotantosuunnitelman mukainen työskentely alkaa tuotantovaihtoehdon (production alternative) luomisella (kuvassa Alternative 1). Tietokannasta kopioidaan haluttu 1:10 000 karttalehtijakoon perustuva alue päivityksen kohteeksi eli vaihtoehdoksi. Näin tehdyt muutokset ja päivitykset näkyvät työn tässä vaiheessa vain muutosten tekijälle. Työn edetessä jokaiselle työvaiheelle luodaan oma alivaihtoehto (kuvassa Alternative 1a jne.) Kun jokin vaihe valmistuu, se ladataan tuotantovaihtoehtoon. Vasta kun prosessin kaikki alueet ja kaikki vaiheet ovat valmiit, koko kokonaisuus rekisteröidään tietokantaan käyttäjien nähtäville. Jokaisen rekisteröinnin yhteydessä datan eheys tarkistetaan automaattisesti mm. ominaisuustiedon, oikeellisuuden, sijaintieheyden (tietyt kohteet voivat esiintyä vain yhdessä jonkin toisen kohteen kanssa) ja topologisen eheyden osalta. Laad! un varmistamiseksi käyttäjällä on prosessin eri tasoilla käytössään lukuisia eheydentarkastamisvälineitä, jotka perustuvat alueelliseen (esim. ominaisuustiedoissa olevien epäjatkuvuuskohtien näyttäminen) ja visuaaliseen prosessointiin (esim. piirtämistä kontrolloidaan kohteiden ominaisuuksiin perustuen).

Tieto tuotantosuunnitelmasta ja keskeneräisistä töistä ja niiden jakaumasta 1:10 000 karttalehdillä tallennetaan tietokantaan. Tämän tiedon perusteella on mahdollista hakea työhistoriatietoa. Toisin sanoen tietokanta sisältää alueiden mukaan indeksoidun työhistorian hallinnan eli jokaisesta alueesta tallennetaan sille tehdyt toimenpiteet. Lisäksi kaikista kohteista tallennetaan luonti- ja poistopäiväys sekä sijaintitarkkuus.

Tämän järjestelyn tarkoituksena on varmistaa, että päivitys sopii yhteen ympärillä olevan datan kanssa ja että esim. tietopalvelu ei toimita epäyhtenäistä dataa.

2.3 Laitteisto

Tietojen syöttö ja muokkaus suoritetaan kaksoinäytöllä varustetulla digitaalisella stereotyöasemalla, digitointipöydällä tai 2D-dataa käsittelevällä yksinäyttöisellä tavallisella työasemalla ja tukena käytetään ulkopuolista materiaalia kuten GPS-dataa. Taustamateriaalina käytetään stereotyöasemilla stereoilmakuvia ja digitaalisia ortokuvia tavallisilla työasemilla sekä rakennustietoja Väestörekisterikeskuksesta ja pienempimittakaavaisia karttoja lähestymiskarttoina.

2.4 JAKOWWW Tietopalvelu

JAKOWWW/Tietopalvelusovellus toimii Intranetissä ja sen tarkoituksena on maastotietokannan tietojen jakelu asiakkaille. Palvelu tuottaa sekä siirtotiedostoja että tulosteita ja sitä on mahdollista käyttää kaikista maanmittaustoimistoista. Käyttöliittymän on tarkoitus olla mahdollisimman yksinkertainen. Asiakas täyttää XML-tilauskaavakkeen, jossa määritellään haluttu tuote (halutut kohteet), alue, jota tilaus koskee sekä sisältö. Lisäksi asiakkaan on määriteltävä tulostusmuoto tai siirtotiedoston formaatti. Tavoitteena on, että palvelun avulla pystytään toisaalta tulostamaan sekä maasto- että kiinteistörajatietoa sisältäviä karttoja asiakkaan odottaessa, toisaalta poimimaan nopeasti suuria määriä tietoa koko maan kattavasta datasta.

3. ESPA

Espa on Espa Systems Oy:n mikrotietokoneille kehittämä digitaalinen fotogrammetriaohjelmisto, joka jakaantuu kuuteen osaan: EspaKernel, EspaBlock, EspaBundle, EspaOrtho, EspaCity ja EspaGate.

EspaKernelin avulla suoritetaan digitaalisten kuvien esikäsittely. Sen avulla voidaan muodostaa kuvapyramidi, suodattaa ja tiivistää kuvia, suorittaa formaattimuunnoksia ja laskea stereokuvapareja. EspaBlockin avulla suoritetaan digitaalinen ilmakolmiointi. Sen avulla voidaan myös mitata reunamerkit ja liitospisteet automaattisesti. EspaBundle on sädekimppukolmiointiohjelma. EspaOrtho laskee ortokuvat ja sen avulla voi muodostaa sävyiltään säädettyjä kuvamosaiikkeja.

EspaCity on JAKO/MTJ:än kannalta ohjelman tärkein osa, jolla kerätään 3D-dataa digitaalisilta kuvilta. Kuvamittaukset voidaan tehdä joko stereoskooppisesti tai ilman stereonäyttöä. EspaCityllä voidaan myös automaattisesti luoda korkeusmalli ja piirtää korkeuskäyrät ja muuttaa 2D-vektoridataa 3D-muotoon. EspaCitya voidaan käyttää sijaintitiedon tarkistamiseen, koska data voidaan näyttää ja editoida samanaikaisesti ilmakuvien kanssa niiden päällä. Näin EspaCityn avulla sijaintitietokannan ylläpito on helppoa.

EspaGate puolestaan tarjoaa liittymän AutoCADiin, MicroStationiin tai Smallworldiin.Se huolehtii tiedon siirrosta Espan ja tietokannan välillä automaattisesti ilman esim. import/export-tiedostoja eli se on käyttäjälle näkymätön. Esimerkiksi EspaCityssä kerätty 3D-data voidaan helposti siirtää toisen ohjelman ympäristöön ja luokitella toisen ohjelman luokittelun mukaisesti. Tietokannan sisältö taas voidaan näyttää EspaCityssä olevien ilmakuvien päällä.

Espan avattuaan käyttäjä muodostaa yhteyden Smallworldin ja EspaCityn välille, jolloin tietokannan ikkunat ovat toisella näytöllä ja EspaCityssä oleva ilmakuva tai stereonäkymä toisella. Tietokannan kohteet näkyvät stereonäytöllä taustagrafiikkana yhtä aikaa ilmakuvan kanssa. Kohteita voidaan muokata EspaCityn kautta käyttäen työkaluna geometria (trail) ja JAKO:n kohdeikkunoita. Geometri on tilapäinen tietorakenne, johon editoinnin kohteena oleva piirre kopioidaan muokkauksen ajaksi. Muokattava geometri päivittyy jatkuvasti JAKO:n ikkunaan mutta itse tietokantaan muutos tallentuu vasta kun käyttäjä tallentaa tekemänsä muutoksen.. Datasiirron aikana jälki käyttää haluttuja Smallworldin asetuksia ja kohteiden editointiin käytetään räätälöityä objektieditoria.

Espan laitteistovaatimukset ovat:

3.1 EspaCity Maanmittauslaitoksessa

Maanmittauslaitoksessa käytetään EspaCitya digitaalisen maastotiedon keräämiseen JAKO/MTJ:ään sekä tiedon ajantasaistukseen ja parantamiseen. Työ on hajautettu kolmeentoista maanmittaustoimistoon eri puolilla Suomea. Espa-stereotyöasemia on yhteensä n. 90.

Maanmittauslaitoksen sovellus EspaCitystä käyttää Ilmakuvakeskuksen tuottamia digitaalisia ilmakuvia. Ilmakuvakeskuksessa kuvat skannataan filmiltä resoluutiolla 20 mikrometriä ja niille tehdään Leica/Helavan Socet Set -ohjelmistolla ilmakolmiointi ja lasketaan epipolaarikuvat. Tämän jälkeen kuvat ja niiden orientointitiedot lähetetään tietoverkkoa pitkin maanmittaustoimistoihin tietokannan päivitysprosessia varten.

Ilmakolmioinnista (esim. Leica/Helava) saadut orientointiparametrit voidaan siirtää suoraan Espaan EspaKernel-ohjelman avulla. Ensin lasketaan orientointitiedot alkuperäisen kolmioinnin tulostietojen avulla ja sitten siirretään ne ilmakuville ikäänkuin kolmiointi olisi tehty EspaKernelissä.

Kolmiointitietojen tuominen Leica/Helava-ympäristöstä edellyttää, että käytettävissä ovat kameratiedosto, ilmakolmioinnin tuloksena saatujen pisteiden koordinaattitiedosto eli XYZ-koodinaatit, reunamerkkihavaintojen havaintotiedosto, tuki- ja liitospistehavaintojen havaintotiedosto, sekä kyseiset ilmakuvat.

3.2 JAKO/MTJ:ään siirtyminen ja tietokannan parantamisprosessi

Uuden järjestelmän kehittäminen aloitettiin syksyllä 1998. Ensimmäisenä luotiin tietietokannan ylläpitosovellus, sitten tietopalvelujärjestelmä ja vektorimuotoisen maastotiedon käsittely. Tietokannan ylläpitosovellus otettiin käyttöön syksyllä 2000, jolloin työn pääpaino siirtyi stereotyöasemille.

Joulukuussa 1999 aloitettiin maastotietokannan siirto JAKO/MTJ:ään. Ennen siirtoa tarkistettiin datan yhtenäisyys ja erityisesti karttalehtien reunojen yhteensopivuus. Näiden tarkistusten ansiosta datan laatu on siirron yhteydessä huomattavasti parantunut. Tietokannan koko on n. 280 GB, joista 40 GB on ominaisuustietoa ja loput geometriatietoa.

Kun JAKO/MTJ saadaan kokonaan käyttöön, tarkoituksena on, että paikallisissa maanmittaustoimistoissa stereotyöasemilla tehtävillä mittauksilla päivitetään tietokannan sisältöä ja pöytädigitoinnilla hankittua sijaintitarkkuudeltaan heikompaa tietoa korjataan. Työ tehdään stereodigitoimalla uusia ilmakuvia. Toinen uutuus on maasto- ja kiinteistötiedon parantamisprosessien yhdistäminen, jolloin nämä kaksi datajoukkoa tulevat yhteensopiviksi, koska sekä rajamerkit että maastotieto digitoidaan samoilta ilmakuvilta.

Ensimmäisenä parannetaan korkeuskäyrät, joista johdetaan digitaalinen 10 m x 10 m korkeusmalli. Molemmat päivitetään JAKO/MTJ:ään. Tämän jälkeen kohteille, joille ei ennestään ole tallennettu korkeutta, johdetaan z-koordinaatin likiarvo korkeusmallista. Uudistetun korkeusmallin perusteella lasketaan päivitetyiltä alueilta ortokuvat, jotka myös tallennetaan JAKO/MTJ:ään. Tavoitteena on, että koko Suomen alueelta olisi saatavavana ortokuvia 5 vuoden kuluttua.

Sijaintidata päivitetään säännöllisin väliajoin pyrkien nimenomaan parantamaan tiedon ajankohtaisuutta ortokuvien pohjalta. Tieverkko päivitetään vuosittain GPS-datan avulla. GPS-datan tuomista varten on kehitetty oma sovellus, joka sallii olemassaolevan geometriatiedon korvaamisen uudella muuttamatta osoitteita ja muita ominaisuustietoja.

4. JAKO/MTJ Fotogrammetrian laboratoriossa

4.1 Hankittava järjestelmä

Fotogrammetrian laboratoriossa on jo valmiina stereotyöasema, joten järjestelmää varten tarvitaan:

Espan käyttämä data vie tilaa n. 300 MB/kuva. Tämä sisältää ilmakuvan ja epipolaarikuvan sekä molempien kuvapyramidin.

Koulutusversio voisi sisältää JAKO/MTJ:n sisältämiä tietoja rajatulta alueelta päivitettynä vain esim. kerran vuodessa. Tietosuojaongelmat voitaisiin välttää sillä, ettei fotogrammetrian laitoksen käyttöön annettaisi muuta kuin julkista materiaalia, esim. henkilötietoja sisältävät osat voidaan rajata koulutussovelluksen ulkopuolelle. Mikäli tällaisia tietoja myöhemmin tarvitaan vaikkapa tutkimustyötä varten, niiden käytöstä sovitaan erikseen. (esim. rajaamalla käyttöoikeus vain tietyille henkilöille, joiden on annettava vaitiololupaus.)

Kiinteistötekniikan laboratorion tarpeisiin tarvittaisiin lisäksi

4.2 Tulevaisuudennäkymiä

Hyödyt JAKO/MTJ-stereotyöaseman hankkimisesta fotogrammetrian laitokselle olisivat huomattavat ja kauaskantoiset paitsi laitokselle itselleen myös Maanmittauslaitokselle ja paikkatietoteollisuudelle. Välitön hyöty olisi se, että opiskelijat ja tutkijat saisivat työaseman myötä mahdollisuuden tutustua työelämässä käytössä olevaan järjestelmään ja Suomen tärkeimpään paikkatietokantaan. Työaseman avulla myös muiden kuin maanmittausalan (esim. tietotekniikan, maantieteen, ympäristönsuojelun, historian, jne.) opiskelijat voisivat tutustua maastotietojärjestelmään ja huomata maastotiedon mahdollisuudet ja hyödyt omalla alallaan.

Työaseman avulla JAKO/MTJ:ään liittyvää tutkimusta voitaisiin tehdä fotogrammetrian laboratoriossa, mikä taas hyödyttäisi paitsi maanmittausosaston omia, myös muiden alojen tutkijoita sekä MML:n omia tutkimusprojekteja (varsinkin kun ministeriö on ilmoittanut, ettei tutkimus kuulu työvirastoksi luokiteltavan MML:n toimialaan), kun MML voisi teettää tutkimuksensa fotogrammetrian laboratoriossa tai lähettää omat tutkijansa työskentelemään siellä.

Mikäli opiskelijat pääsevät paremmin tutustumaan JAKO/MTJ:ään, he oppivat ymmärtämään paikkatietoaineistojen tarjoaman informaation laajat mahdollisuudet, mistä varmasti seuraa, että tulevaisuudessa JAKO/MTJ:ää ja muitakin Suomessa olemassa olevia paikkatietoaineistoja osataan hyödyntää paremmin ja yhä useammassa yhteydessä.

5. Lähteet:

Henrik Haggren, Katri Koistinen ja Arvo Vitikainen : 11.4. 2001 Fotogrammetrian laboratoriossa käyty keskustelu

Jussi Lammi: 6.2. 2001 EspaSystems Oy:ssä käyty keskustelu

Jyrki Lämsä: 17.4. 2001 Ilmakuvakeskuksessa käyty keskustelu

Ari Tella: JAKO/TDS - The National Topographic Data System In Finland

Ari Tella ja Juha Hakkarainen: 26.2.2001 Maanmittauslaitoksella käyty keskustelu