Maa-57.300 Fotogrammetrian perusteet

Luento-ohjelma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

(Henrik Haggrén, 12.3.2002)

Luento 7: Fotogrammetrinen mittausprosessi

AIHEITA

Mittausprosessi

Fotogrammetrinen mittausprosessi on valokuvaamiseen perustuva peräkkäisten toimintojen ketju, jolla 3-D kohteesta tuotetaan geometrialtaan tulkittu 3-D malli. Sen vaiheita ovat 1) kohteen koordinaatiston määritys ja sen osoittaminen, 2) kohteen kuvaaminen, 3) otettujen kuvien orientointi, ja lopuksi 4) kuvien 3-D tulkinta ja kohteen mittaus. Fotogrammetrian menetelmien kannalta tärkeimmät osatehtävät sisältyvät kuvien geometriseen käsittelyyn eli orientointeihin, joilla hallitaan koordinaatistomuunnokset kohteesta kuville ja kuvilta edelleen 3-D mallille.

Oheisessa kuvassa on esitetty mittausprosessi sovellettuna maaston kartoitustehtävään. Kohdekoordinaatistona on kartastokoordinaatisto, joka on merkitty maastoon geodeettisin kiintopistein. Ilmakuvien tehtävänä on "nähdä" maasto tässä koordinaatistossa niin, että jokaiselle kuvalta tulkitulle maaston yksityiskohdalle saadaan määritettyä 3-D koordinaatit. Fotogrammetrisen kartoitusprosessin geodeettisena tavoitteena voidaan pitää sitä, että vaikka kartoitusta tehdään samalla alueella eri aikoina ja eri menetelmin, kaikki kohteet tulee kartoitettua samaan yhtenäiseen koordinaatistoon. Tällä on merkitystä, koska nykyään kartoitustehtävä on yhä useammin täydennyskartoitusta ja vanhan kartta-aineiston päivitystä ja menetelmät perustuvat kuvien ja karttojen keskinäiseen vertaamiseen.

Mittausprosessin yleisin ja samalla tärkein sovellus on koko 1900-luvun ollut maastokartoitus. Yksinomaan sen tarpeet ovat ohjanneet sekä prosessin että työmenetelmien ja laitteiden kehittymistä sellaiseksi kuin ne nyt ovat. Vaikka kuvat ovat muuttuneet digitaalisiksi ja stereotulkinta on  luonteeltaan kolmiulotteista, kartat ovat edelleen valtaosin kaksiulotteisia. Voidaankin hyvällä syyllä kysyä, minkälaisilla menetelmillä tänä päivänä karttaa tehtäisiin ja minkälaisia karttoja me käyttäisimme, jos digitaaliset kuvat olisivat olleet käytössä koko tuon sadan vuoden ajan. Vasta 1990-luvulla, lähinnä 3-D visualisointitekniikoiden kehittymisen myötä, on kartoitusprosessi muuttamassa myös fotogrammetristen perustekniikoiden luonnetta.

Selvimmät muutokset varsinaiseen mittausprosessiin ovat syntyneet "on-line"-sovellusten myötä. Esimerkkejä tällaisista mittaustehtävistä ovat teollisen tuotannon laadunvalvonta ja geometristen mittojen hankinta valmistuksen ohjaustiedoiksi.  Fotogrammetrisiksi mittausasemiksi kutsutut konenäköjärjestelmät rakennetaan pysyvästi tuotantolinjalle. Niiden ydin muodostuu kiinteästi asennetuista kameroista ja kameroiden jatkuvasti tuottamia kuvia fotogrammetrisesti tulkitsevasta ohjelmistosta. Järjestelmä tulkitsee myös omaa tilaansa, toisin sanoen kaikki geometriset muutokset kameroiden ja ympäristön välillä huomioidaan ja kompensoidaan järjestelmän tuottamissa mittaustuloksissa. Varsinainen mittaussuoritus ja tulosten analysointi on ohjelmoitu ja toistuu tuotantoprosessin tahdissa. Kyse ei ole varsinaisesta kartoitustehtävästä vaan yksinomaan tuotannossa tapahtuvien muutosten havaitsemisesta ja tämän tiedon välittömästä kytkemisestä tilastolliseen prosessinohjaukseen.

Orientoinnit

Stereomittausesimerkki


Kohdekoordinaatisto X, Y, Z ja kuvakoordinaatistot x', y' jax'', y''. Kohdekoordinaatistoa määrittäviksi pisteiksi valitaan kuution nurkkapisteet 1, 2 ja 3. Kummankin kuvakoordinaatiston origo on kuvan pääpisteessä ja kameravakio on c. Kuvaparin kuvausgeometriana on normaaliasentoinen stereokuvapari, jonka kanta on B.

 Kuvakoordinaatit x', y' jax'', y'' muunnetaan kamerakoordinaateiksi x', y', -c ja x'', y'', -c.

 Pisteiden kohdekoordinaatit lasketaan vasemman kuvan kamerakoordinaatteina (x), (y) ja (z). Koordinaattiarvot voidaan laskea parallaksikaavoilla.
 
 

Kamerakoordinaatisto (x), (y) ja (z) kierretään kohdekoordinaatiston suuntaiseen koordinaatistoon (X), (Y), (Z). Kiertomatriisi lasketaan pisteiden 1, 2 ja 3 kamera- ja kohdekoordinaattien eroista.

Kierretty koordinaatisto (X), (Y), (Z) siirretään kohdekoordinaatistoon X, Y, Z. Siirron määrä lasketaan tunnettujen kohdepisteiden koordinaateista. Lopputulos vastaa luennolla 3 kuvattua kohdetta.


Esimerkki: "Laatikko"-mallin absoluuttinen orientointi




Esimerkki: "Suorakulmainen särmiö"-mallin mittausprosessi



 Stereokuvaus.

 Sisäinen orientointi (eli kamerakoordinaatiston hakeminen) ja kuvakoordinaattien mittaaminen kuvaparin toiselta kuvalta.

Kuvien keskinäinen orientointi ja parallaksien mittaaminen.

3-D mallikoordinaattien laskeminen kamerakoordinaatistossa.

 Ulkoisen orientoinnin ensimmäinen vaihe: 3-D koordinaattien muuntaminen vaakasuoraan koordinaatistoon.

Kartan orientointisuunnan määrittäminen.


Ulkoisen orientoinnin toinen vaihe eli mallin kiertäminen karttakoordinaatiston suuntaiseksi.


Maa-57.300 Fotogrammetrian perusteet
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13