Fotogrammetrian yleiskurssi, luento 1

Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi

Luento-ohjelma

(Petri Rönnholm / Henrik Hggrén, 13.9.2005)

Luento 1: Opintojakson järjestäytyminen. Motivointia. Kertausta. Kuvamittauksen vaihtoehdot.

Mitä pitäisi oppia?

Palauttaa mieliin peruskurssilla opitut asiat
Innostua aiheesta
Ymmärtää, miksi ja miten hyvällä kuvauksen suunnittelulla voidaan parantaa kuvamittausten tarkkuutta
Oppia erilaisia tapoja mitata kuvilta

AIHEITA

Fotogrammetrian opintojaksot
Yleiskurssin sisällölliset tavoitteet
Fotogrammetrian sovelluksista yleisesti ja tulevaisuudessa
Luennot ja harjoitukset
Perusteiden pikakertaus
Tarkkuuden parantaminen kuvausgeometriaa muuttamalla
Stereokuvaus
Konvergenttikuvaus
Stereomittaus
Yksin pistein mittaus
Yksikuvamittaus
Monikuvamittaus

Fotogrammetrian opintojaksot

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.

Fotogrammetria sisältyy pääaineena geomatiikan koulutusohjelmaan

Geomatiikan koulutusohjelma

Fotogrammetrian pääaineen varsinaiset opintojaksot

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)

Liittymät muihin koulutusohjelmiin

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

Yleiskurssin sisällölliset tavoitteet - luennot ja harjoitukset

Yleiskurssin sisällöllisiä tavoitteita

Fotogrammetrian yleinen soveltaminen
Kamera- ja kohdekoordinaatiston välinen 3-D kiertomatriisi
Projektiivinen oikaisu
Eteenpäin- ja taaksepäinleikkaus avaruudessa
3-D kohteen kuvaamisen vaihtoehdot
Kuvablokin muodostaminen ja orientointi kohdekoordinaatistoon
Kohteen 3-D digitointi ja mallintaminen

Luennot

Harjoitukset

Fotogrammetrian sovelluksista yleisesti - nyt ja tulevaisuudessa

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.
Tulevaisuudessa tulee sovelluksia, joissa yhdistetään tutkatekniikalla saatua tietoa ja valokuvia. Erityisesti kohteen luokittelussa ja tunnistamisessa yksi tiedonlähde on usein riittämätön, jotta saataisiin kovin hyviä tuloksia.

Perusteiden pikakertaus

K: Mikä mahdollistaa kuvien mittauskäytön?

V: Kuvan tunnettu geometria. Esimerkiksi ideaalisella valokuvalla toteutuu keskusprojektio.

K: Onko valokuva yleensä keskusprojektiokuva?

V: Valitettavasti ei! Esimerkiksi linssivirheet vääristävät kuvaa ja pilaavat geometrian.

K: Mitä sitten voi tehdä?

V: Korjataan kuvaa tai huomioidaan virheet laskennassa.

K: Mikä on sisäinen orientointi?

V: Tunnetaan kameran sisäinen geometria: kameran projektiokeskuksen etäisyys kuvatasosta eli polttoväli sekä kuvan pääpisteen sijainti. Pääpisteessä projektiokeskuksen kautta kulkeva kuvausvektori leikkaa kuvatason kohtisuorasti.

K: Minulla on yksi sisäiseltä orientoiniltaan tunnettu kuva. Joko pääsen mittaamaan?

V: Ei onnistu, ellei kohteesta ole jotain ennakkotietoa: tiedetään kohde tasomaiseksi tai tunnetaan kohteen maastokorkeus tai etäisyys projektiokeskuksesta. Kun projektiokeskuksen ja kuvapisteen kautta piirretään vektori kohteeseen, ratkaisuja on ääretön määrä, jos ei tiedetä, missä vektorin pitäisi osua kohteeseen.

K: Haluan mitata kuvilta kolmiulotteista tietoa! Miten se onnistuu?

V: Otetaan kohteesta kaksi tai useampi kuva, orientoidaan ne ja aletaan mittaamaan. Jos kuvat ovat stereokuvauksen normaalitapauksessa, voidaan kuvia myös katsella stereona.

Kertauskuvia peruskurssista

Stereokuvauksen suunnittelu karttalehtijaon mukaan.

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

Keskusprojektio ja kartta.

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

Viistoilmakuvaus (Lentokuva Vallas Oy).

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

Parallaksimittaus.

Stereomittaus ilmakuvaparilta.

Parallaksikaavat etäisyyden laskemiseen ja siihen vaikuttavan havaintoepävarmuuden arvioimiseen.

Parallaksikaavat tasokoordinaateille.

Lähteitä

Tarkkuuden parantaminen kuvausgeometriaa muuttamalla

Kuvamittauksen tarkkuutta arvioidaan likimäärin parallaksikaavoista.

Kuvamittauksen tarkkuutta voidaan parantaa sopivalla kuvausgeometrialla. Kuvausgeometria suunnitellaan kuitenkin aina mittaustehtävän mukaan, ja vain hyvin harvoin on tarpeen käyttää hyväksi kaikki seuraavassa luetellut mahdollisuudet.
Kuvausgeometria on hyvä, kun

kantasuhde on suurempi kuin 1 : 1,
kuvaamiseen käytetään mahdollisimman suurta polttoväliä ja kuvakokoa,
kuvia otetaan useasta suunnasta ja eri puolilta kohdetta (konvergenttikuvaus),
mittauspisteet havaitaan kuvilta mahdollisimman tarkasti,
kuvilta tehdyt mittaushavainnot toistetaan tai samasta paikasta otetaan useampia kuvia.

Kuvatulkinnan kannalta on hyvä, jos toistetut kuvat otetaan pienellä kantasuhteella, esimerkiksi luokkaa 1 : 10 ... 20, koska tällöin tulkinta voidaan tehdä stereoskooppisesti (stereokuvaus).

Etäisyysmittauksen tarkkuus paranee kuvakantaa suurentamalla (stereokuvaus). Kuvakantaa voi kuitenkin suurentaa vain kuvakulman sallimissa puitteissa.

Pistehavainnon jokaisen koordinaatin tarkkuus paranee kuvahavainnon tarkkuuden parantuessa. Kuvahavaintoa voi parantaa esimerkiksi kuvan erotuskykyä parantamalla tai lisäämällä havaittujen kuvien lukumäärää.

Kuvan erotuskykyä voi lisätä myös käyttämällä kuvaukseen pidempipolttovälistä optiikkaa.

Pidemmällä polttovälillä kuvakulma kapenee. Jos mittaustarkkuutta tällöin parannetaan kuvakantaa pidentämällä, kameraa on käännettävä (konvergenttikuvaus). Konvergenttikuvauksella saadaan virhekuviota pyöristettyä eli mittaustarkkuus tasoittuu eri koordinaattisuuntien kesken.

Stereokuvaus

Stereokuvauksessa kuvausakselit ovat yhdensuuntaiset ja kohtisuorassa kuvakantaan nähden (myös: normaalikuvaus).
Stereokuvauksen tärkein merkitys on siinä, että se mahdollistaa kuvien käytön kohteen stereoskooppiseen tulkintaan ja visualisointiin.
Koska kuvausakseleita ei voi kääntää kohteen suuntaan, kohde kuvautuu vain osalle kuvaa, sitä pienemmälle osalle, mitä pidempi kuvauskanta on.
Mittaustarkkuus on yleisesti ottaen hyvä. Etäisyyshavaintojen osalta on huomattava, että epätarkkuus kasvaa etäisyyden neliön suhteessa. Stereomittauksen kannalta kelvollisena mittausetäisyyden rajana voidaan pitää kantasuhdetta (B/Z) luokkaa 1 : 10...20.

Stereokuvaus.

Stereokuvapari.

Harjoitus

stereokuvaus

stereo_photography_pr.zip

stereomallin kokonaisplastiikka

opetus/300/luennot/2/2.html

Konvergenttikuvaus

Konvergenttikuvauksessa kuvausakselit suunnataan kohteeseen. Tällöin kuvausakselien sanotaan konvergoivan.
Stereotulkinta on mahdollista vain, mikäli kuvat oikaistaan jälkikäteen normaalitapauksen mukaisiksi (epipolaarioikaisu). Suuri kantasuhde vaikeuttaa kuitenkin stereotulkintaa, koska kuvasisältö muuttuu sitä enemmän mitä kauempaa toisistaan kuvat otetaan.
Konvergenttikuvauksissa koko kuva-ala voidaan hyödyntää hyvin, koska mittauskohde voi täyttää koko kuvan.
Konvergenttikuvilta mitattujen kohdekoordinaattien tarkkuus on erittäin hyvä.

Konvergenttikuvaus.

Konvergentti kuvapari.

Harjoitus

konvergenttikuvaus

convergent_photography_pr.zip

Stereomittaus

Stereomittaus

Stereomittaus perustuu stereokuvaukseen. Kuvaus tehdään joko kiinteäkantaisella ns. stereokameralla tai yhdellä kameralla, mutta kahdesta asemasta.
Stereomittaus perustuu kohteen tulkitsemiseen kuvilta eli käytännössä usein kuvauksen jälkeen. Sen takia kaikki tulkinnan kannalta olellinen sellainen tieto, joka ei kuvilla tule näkymään, esimerkkinä lähtöpisteet, on näkyvöitettävä ennen kuvausta. Osa tulkinnasta voidaan tehdä kohteella kuvauksen jälkeen ja merkitään esimerkiksi kuvista tehdyille kopioille.
Stereomittaus edellyttää stereomittauskojetta, jolla stereomalli muodostetaan ja orientoidaan mittauskoordinaatistoon. Mallin mittaus on jatkuvaa eli mallikoordinaatit lasketaan 'on line' ja kojeen mittamerkin liikkeitä voidaan ohjata numeerisesti 3-D koordinaatein.
Malli digitoidaan stereotulkinnan perusteella. Mittaus voi olla valikoivaa, eli stereo-operatööri digitoi näkemänsä perusteella vain ne pisteet ja piirteet, jotka parhaiten kuvaavat kartoitettavaa kohdetta. Automaattisia työasemia käytettäessä yhä suurempi osa stereomittauksesta tehdään myös sokeasti ("bulkkina"), jolloin näyttenotto perustuu pistetiheyteen tai vastaavaan kriteeriin. Tällöin näkemän tulkinta tehdään laskennallisin menetelmin.
Kaksi kuvaa per stereomalli per yksityiskohta.
Mittaustarkkuus hyvä.

Stereomittauksen työvaiheet.

Ilmakuvilta digitoitu vuoren pintamalli.

Profiloitu soranäyte.

Yksin pistein mittaus

Tulkinta ennen kuvausta
Konvergenttikuvaus => monotulkinta
Kaksi tai useampi kuva per yksityiskohta
Kuvakoordinaattihavainnot
Mallikoordinaatit lasketaan 'off line'
Soveltuu yksin pistein kolmiointiin ja mittaamiseen
Mittaustarkkuus erinomainen

Yksin pistein mittauksen työvaiheet.

Lentokoneen deformaatiomittaus symmetriapisteistä.

Hawk.

Yksikuvamittaus

Yksikuvamittaus on kohteen mittausta yhdeltä kuvalta.
Yhdeltä kuvalta voi kohteen muodon mitata vain kaksiulotteisesti, 2-D koordinaatteina ja kuvan perspektiivistä. Kolmiulotteinen mittaaminen yhdeltä kuvalta edellyttää etukäteistietoa kohteen muodosta, kuten

kohde on taso,
kohde muodostuu tasoista, ja tasot ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan,
kohteen korkeusmalli on mitattu aiemmin,
kohde muodostaa pyörähdyspinnan jonkun symmetria-akselin ympäri, jne.

Yksinkertaisimmillaan yksikuvamittaus soveltuu tasomaisille kohteille. Tällöin kuva voidaan oikaista suoraan kohteen päätason julkisivukuvaksi ja tulkita tämän tason osalta. Ne osat kuvalla, jotka eivät sijaitse tällä tasolla, kuvautuvat väärin.
Jos kohteen pinnanmuoto tunnetaan, kuva voidaan oikaista kohtisuoraksi julkisivukuvaksi. Oikaistu kuva voidaan tulostaa myös muissa projektioissa.
Jos kohteen pinnanmuotoa ei tunneta, muoto voidaan mitata kaksiulotteisina profiileina. Mittaus edellyttää profiilien näkyvöittämistä esimerkiksi valaisemalla kohdetta yhdensuuntaisin tasoin. Yksittäisen profiilin muoto tulkitaan oikaistulta kuvalta.
Yksikuvamittauksen mittaustarkkuus on hyvä.
Käyttö: