Fotogrammetrian yleiskurssi, luento 1

(Henrik Haggrén, 11.10.2002)

Luento 1: Opintojakson sisältö ja tavoitteet

Fotogrammetrian opintojaksoilla opitaan tekniikat, joita käytetään kolmiulotteisen ympäristön kolmiulotteiseen mallintamiseen sovellusalueista riippumatta.

Fotogrammetrian perusteissa, yleiskurssilla sekä digitaalisen fotogrammetrian kahdessa opintojaksossa hankitaan fotogrammetrian tieteenalalle ominaiset fysiikan ja matematiikan perustiedoista ne, jotka liittyvät erityisesti ympäristötiedon kolmiulotteiseen käsittelyyn.
Fotogrammetrisen kartoituksen ja erikoissovellusten opintojaksoissa pääpaino on ajankohtaisissa mittaus- ja kartoitustehtävissä.
Digitaalisen kuvankäsittelyn opintojakso tarjoaa perustiedot kuvamuotoisen signaalinkäsittelyn tekniikoihin. Vastaava opintojakso voidaan suorittaa myös lääketieteellisen fysiikan ja informaatiotekniikan koulutusohjelmissa.
Analyyttinen fotogrammetria antaa syvälliset tiedot kolmiulotteista ympäristöä kuvaavien geometristen ja radiometristen suureiden estimointiin sekä havaintoihin sisältyvän epävarmuuden hallitsemiseen.

Maa-57.241 Analyyttinen fotogrammetria (2,5 ov)
Maa-57.305 Digitaalinen fotogrammetria I (2,5 ov)
Maa-57.306 Digitaalinen fotogrammetria II (2 ov) [Esitiedot: Maa-57.305]
Maa-57.260 Fotogrammetrian erikoissovellutukset (2 ov)
Maa-57.270 Fotogrammetrian, kuvatulkinnan ja kaukokartoituksen seminaari (1,5 ov)

Kuvatekniikan pääaineeseen automaatio- ja systeemitekniikan koulutusohjelmassa sisältyvät digitaalisen kuvankäsittelyn, fotogrammetrian perusteiden ja yleiskurssin sekä digitaalisen fotogrammetria I:n opintojaksot.
Informaatiotekniikan pääaine

Keskusprojektio ja kartta.

Parallaksimittaus.

Stereomittaus ilmakuvaparilta.

Parallaksikaavat etäisyyden laskemiseen ja siihen vaikuttavan havaintoepävarmuuden arvioimiseen.

Parallaksikaavat tasokoordinaateille.

Sovelluksista on tällä hetkellä yleisimpänä maastokartoitus. Pääosa mittakaavaan 1 : 20.000 tai sitä suurempaan mittakaavaan tehtävistä maastokartoituksista tehdään ilmakuvilta tulkiten. Kuvaus tehdään jonoina, joissa peräkkäiset kuvat muodostavat stereokuvauksen normaalitapauksen mukaisen stereomallin. Stereomallit sovitetaan karttalehtijakoon ja tulkinta tehdään periaatteella: "Mahdollisimman vähiltä kuvilta ja jokaiselta kuvalta mahdollisimman paljon tulkiten."
1990-luvulla tutkimustyön pääpaino on ollut 3-D videodigitoinnin kehittämisessä. Tämä muuttaa fotogrammetrian sovellusten pääpainoa vähitellen yleisiin 3-D mittaus- ja kartoitustehtäviin, ja maastokartoitusten osuus vähenee. Tavoitteena on kyetä muodostamaaan mahdollisimman yksityiskohtaisia, geometrialtaan tarkkoja ja ilmiasultaan todellisenkaltaisia tila- ja tuotemalleja mm. keinotodellisuuden tarpeisiin. Kartoitus toteutetaan periaatteella: "Mahdollisimman useilta kuvilta, mutta jokaiselta kuvalta mahdollisimman vähän tulkiten." Mitä useampia kuvia tulkintaan käytetään, sitä enemmän kuvilta voidaan kohdetta havaita. Toisaalta, mitä enemmän kuvia täytyy tulkita, sitä suurempi osa tulkinnasta täytyy voida automatisoida ja jättää tietokoneen tulkittavaksi.

Tulkittavien kuvien lukumäärän lisääntyessä ihmisen suorittaman tulkinnan osuus vähenee ja tietokoneen osuus lisääntyy. Ihmisen tekemä tulkinta kohdistuu prosessin alkuun ja kohteen likimääräiseen tulkintaan. Päätehtävänä on näkemän ymmärtäminen ja kohteen osoittaminen ja yksilöiminen. Kun kohde ja kuvaustilanne tunnetaan pääpiirtein, tietokoneen osuus tulkinnassa lisääntyy. Prosessin edetessä koneen ja ihmisen roolit vaihtavat paikkaansa. Prosessin loppuvaiheessa, jossa kyse on yhä enemmän jo kertaalleen tulkittujen tietojen tarkentamisesta, tietokone jatkaa tulkintaa yksin ja päättää työn, kun vaadittu tarkkuus todetaan saavutetuksi.

Uuden piirteen fotogrammetrian kehitykseen ovat tuoneet uudet kuvaustekniikat, lähinnä laser- ja mikroaaltotutkat. Kummaankaan tekniikan käyttö ei edellytä päivänvaloa vaan ne valaisevat kohteen omalla mittausignaalillaan.

Lasertutkalla kuvataan kohteen geometriaa pyyhkimällä kodetta pistemäisesti fokusoidulla lasersäteellä. Kohde havaitaan siitä takaisin heijastuvien säteiden kasaamana pistepilvenä eli ns. etäisyyskuvana. Etäisyyskuvan pisteiden 3-D koordinaatit lasketaan heijastuneen säteen kulkuajasta ja lähetyssuunnasta. Ensimmäiset laserkeilaimet olivat teollisuuden mittauskäytössä 1980-luvulla ja 1990-luvun lopulla ne yleistyivät nopeasti ilmakuvaukseen ja maastomallien kartoitustehtäviin.
Mikroaaltotutkan käyttö on lisääntynyt maastokartoituksen tehtävissä, ensin satelliittikuvilta ja nyttemmin myös ilmakuvilta, koska mikroaaltotutkalla voidaan kuvata maanpintaa myös pilvisellä säällä. Tutkasignaalin koherenssia käytetään hyväksi kaksoisvalotuksiin perustuvissa interferenssikuvauksissa. Niillä havaitaan ja tulkitaan kohteen muotoa, sen liikkeitä ja pieniä muodonmuutoksia.

Stereokuvauksen suunnittelu karttalehtijaon mukaan.

2-D peruskartta 1 : 20'000 korkeuskäyrin (Maanmittauslaitos).

3-D pintamalli (K. Koistinen, Finnish Jabal Haroun Project 1998).

Viistoilmakuvaus (Lentokuva Vallas Oy).

Videokuvaus (P. Pöntinen, Finnish Jabal Haroun Project 1998).