Henrik Haggrén
Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorio
Teknillinen korkeakoulu
Sisältö
Vaikka ympäristömme on kolmiulotteinen, ovat kartat perinteisesti kaksiulotteisia. Kartta mielletäänkin ensi sijassa havainnolliseksi esitykseksi ja sen mukaan painetuksi tai piirretyksi kuvaksi kohteestaan. Kaksiulotteisella kartalla on mittakaava, johon liittyy aina myös kartan projektio. Kolmiulotteisuus esitetään tarvittaessa muotokäyrin ja havainnollistetaan varjostuksin. Kartan pitää olla mittatarkka, jotta eri kartoilla esitettyjä asioita voidaan yhdistää luotettavasti toisiinsa. Kartan pitää olla myös ulkoisesti tarkka. Mitä suuremmassa mittakaavassa kohde kartalla esitetään, sitä varmemmin pitää esitetyn tiedon tarkkuus tuntea. Varmuuden vuoksi kaikki tärkeät mitat esitetään kartalla myös lukuarvoina.
Kolmiulotteisen ympäristön esittäminen kartalla on hankalaa. Vanhan ajan kartalla osa ympäristöstä voitiin kuvata karttapohjalla havainnollisesti, kun kartta toimi visuaalisena käyttöliittymänä eikä niinkään tarkkana pohjakarttana (Kuva 1). Mittausmenetelmien kehittyessä karttojen olisi voinut kuvitella esitykseltään tarkentuneen ja näköistyneen. Kaksiulotteinen kartta on kuitenkin projektionsa vanki. Ympäristön kolmiulotteisesti ja topografisesti näyttävimmät yksityiskohdat projisioidaan latteiksi symbolikuvauksiksi: Jyrkänteet, penkereet ja leikkaukset korvataan erikoisin karttamerkein, ojat ja purouomat kuvataan viivoilla, samoin rakennukset, jotka luodataan sokkeleiksi ja varustetaan kerrosluvuilla (Luonnos kaavoitusmittausohjeiksi, 1995).
Mallintamisen uudet tarpeet liittyvät ympäristömallien kolmiulotteiseen käyttöön. Matkapuhelinverkon suunnittelija käyttää valtakunnan korkeusmallia sekä maankäytön luokkia ja sen kasvullisuustietoa arvioidessaan tukiasemien katve- ja peittoalueita. Kaupunkialueilla radioaaltojen etenemisen ennustaminen edellyttää yksityiskohtaista tietoa rakennusmassan sijoittumisesta soluverkon alueella (Metsälä, 1995). Virtuaalisten kaupunkimallien valmistajat haluavat puolestaan tarjota käyttäjilleen tutunnäköisen ympäristön, jossa todellisuutta ei kuvata symbolein vaan karikatuurein. Mitä lähemmäs kohdetta ja ihmisiä kartalla tullaan, sitä yksityiskohtaisemmin on kolmiulotteisuus ja tila kuvattava. Tähän kuvaamiseen kartan kaksiulotteisuus ei riitä, vaan kartta pitää muuntaa kolmiulotteiseksi ympäristö- ja tilamalliksi tai kaupunkimalliksi (Kuva 2, Hintikka, 1997).
Kolmiulotteisella mallilla ei ole projektiota, joten mittaustiedot voidaan kerätä ilman projektioista johtuvia rajoituksia. Malli voidaan esittää edelleenkin karttana, tarpeen mukaan valitussa projektiossa ja sovituin symbolein. Mallilla ei ole mittakaavaa, mutta sillä voi olla erotuskyky, jolla malliin kerätyn tiedon yksityiskohtaisuutta voidaan kuvailla. Sen sijaan, että puhumme mittakaavoista 1 : 5 000 tai 1 : 1 000, voimme puhua vaikkapa 1 metrin tai 20 sentin yksityiskohtaisuudesta ja tähän liittyvästä ± 20 prosentin epävarmuudesta. Malli ja sen osat voivat olla myös yksityiskohtaisuudeltaan hierarkisia. Kohteeseen liittyviä tietoja voidaan esittää käyttäjän kannalta valikoiden ja havainnollisesti riippumatta siitä, millä tasolla ne kohdistuvat kolmiulotteiseen koordinaatistoon.
Kuva 1. Åvik'in lasitehtaan kartta vuodelta 1783 (Suomen Lasimuseo). Kartta on havainnollinen ja voisi sen puolesta toimia nykyaikaisen digitaalisen kartan käyttöliittymänä. Vaikka projektio on rakennusten ja maapohjan esittämisen osalta erilainen eikä rakennusten välisiä geometrisia suhteita tästä voida mitata, voitaisiin alkuperäinen mittaustieto rakennusten osista ja yksityiskohdista pitää 3-D mallilla saatavilla. Tämän kartan osalta ei näin ole.
Kuva 2. Helsigin Puhelin Oyj:n tuottama kartta 1990-luvulta. Malli on käyttäjän virtuaalinen liittymä kaupunkiin ja sen palveluihin. Malli on tutunomainen, siinä voidaan liikkua ja sen kautta voidaan selata siihen kytkettyjä muita dokumentteja. Malli toimii kartan omaisesti, mikäli se kytketään karttatietokantaan.
Ympäristömallin 3-D digitoinnilla ymmärretään geometrisen pintamallin ja sille projisioitavan tekstuurin tuottamista. Geometriatiedon keruu voi perustua sekä olemassa olevaan kartoitustietoon että uuteen kartoitukseen. Geometriatiedon runko muodostetaan kolmiulotteisena rautalankamallina. Tekstuuri projisioidaan pinnalle, joka levitetään rautalankamallin päälle. Pinta määritellään matemaattisesti. Se voi koostua tasomaisista ja kaareutuvista osista ja sisältää taitteita. Pinnan tulee esitettäessä olla yksikäsitteinen, koska kartta projisioidaan sille. Kartan tekstuuri voi olla kuvitteellinen tai todenperäinen.
Kaikki koordinaatistoon sidottu vektori- ja rasterimuotoinen aineisto soveltuu 3-D mallin lähtötiedoksi. Koko valtakunnan kattava tulkittu aineisto on lähinnä maanmittauslaitoksen ylläpitämää. Maastotioetokannan sekä maankäyttö- ja puustotulkinnan tiedoista voidaan generoida jo varsin luonnonmukaisia ympäristömalleja, kun nämä liitetään korkeusmalliin (Kuva 3). Paikallisia ympäristömalleja tuotettaessa tiedot on kerättävä useista eri lähteistä, joista tärkeimmät ovat kaupunkien ja taajamien pohjakartat sekä valtakunnallinen rakennus- ja huoneistorekisteri. Käyttökelpoinen vaihtoehto on digitoida ajan tasalla oleva 3-D ympäristömalli uudelta ilmakuvaukselta (Witikainen, 1995). Ilmakuvilta tehty stereokartoitus tuottaa geometrisen mallin, joka on sisällöltään tulkittu (Kuva 4). Ilmakuvilta saa kerättyä myös kohdetekstuurin.
Digitoinnissa pyritään kaiken aikaa entistä tehokkaampaan tiedonkeruuseen toimintoja automatisoimalla. Digitoituja ilmakuvia käyttäen voidaan blokki ja sen kuvat kolmioida koordinaatistoonsa hyvinkin automaattisesti, samoin maaston korkeusmalli. Stereo-operatöörin tehtävänä on tarkastaa malli ja korjata se sekä tehdä varsinainen kartoitus eli tulkita malli ympäristömalliksi. Tulkintaa voi kone puolestaan tukea sovittamalla kartan tarkasti mallin päälle, hakemalla kuvilta uusia kohdepiirteitä ja esittämällä uudet kohteet kartalla operatöörin tulkinnan mukaisina. Yleistäen voidaan sanoa, että mitä yksityiskohtaisemmaksi ympäristömallin tiedonkeruu käy, sitä selvemmin kohdegeometrian tarkka mittaus ja mallin sisällön täsmällinen tulkinta erottuvat koneen ja ihmisen välisessä työnjaossa.
Lentokäyttöiset 3-D keilaimet ovat uusin vaihtoehto kartoituskuvaukseen perustuvalle yksityiskohtaiselle tiedonkeruulle. Keilainhavainnot tuottavat koordinaatistoon järjestettyä, mutta tulkintaa vailla olevaa pistetietoa. Keilaimet ovat toiminnaltaan aktiivisia etäisyysantureita, joiden mittaussäde valaisee kohteen. Rakenteeltaan lentokäyttöiset keilaimet ovat signaalin kulkuaikaa mittaavia etäisyyskuvauslaitteita tai videokuvaukseen perustuvia stereokameroita (Samberg, 1997). Pisteen koordinaatit lasketaan kameran ja kuvauskoneen välisistä sekä kuvauskoneen ja kohdekoordinaatiston välisistä orientointitiedoista. Keilaimen mittaussäteen signaali voidaan jakaa rinnakkaisiin kanaviin, joilla mittaus saadaan vastaavasti suunnattua useisiin kohdepisteisiin samanaikaisesti. Mitä useampia kohdepisteitä yhdellä ja samalla kuvalla havaitaan, sitä tarkemmin voidaan kaikki havaitut pisteet muuntaa yhteen ja samaan kohdekoordinaatistoon (Kuva 5 , Jokinen, 1997).
Rakennus- ja huonetilamallien tiedonkeruu voi perustua olemassa oleviin rakennuspiirroksiin, CAD-mallin digitointiin, tilassa tehtyihin mittaushavaintoihin tai uuteen kuvaukseen. Uusi kuvaus tulee kysymykseen etenkin silloin, kun muu saatavilla oleva aineisto on vanhentunut. Kuvilta saa tarvittaessa kerättyä myös kohteen pinnalle projisioitavat tekstuurit (Kuva 6 , CWE Finland, 1997). Kuvaukseen perustuva 3-D digitointi voidaan tehdä myös silloin, kun kohteesta ei ole saatavilla muita mittaustietoja. Tällöin kohde esitetään omassa koordinaatistossaan ja mittauksen kannalta oleelliset kamera- ja kohdekoordinaatisto kalibroidaan kuvahavaintojen perusteella (Kuva 7, Haggrén et. al., 1997). Tällä on merkitystä etenkin silloin, kun tiedonkeruu perustuu videokuvaukseen tai tilasta aiemmin otettuihin valokuviin. Malli voidaan jälkeenpäin siirtää muuhun koordinaatistoon.
Kuva 3. Instrumentointi Oy:n tuottama ympäristömalli on generoitu maanmittauslaitoksen ylläpitämästä ja koko valtakunnan kattavasta kartta-aineistosta. Kuvan esittämät puut eivät ole todellisia vaan todennäköisiä. Näkymä tuotetaan korkeusmallista, puusto lasketaan tilastollisesti maankäyttö- ja puustotulkinnan luokkakuvauksista. Sekä korkeusmallin että tulkinnan ruutukoko on 25 metriä.
Kuva 4. FM-Kartta Oy:n tuottama ympäristömalli on digitoitu ilmakuvilta. Kuvan kohteet ovat todellisia rakenteiden osalta, korkeusmalli on mitattu ja vastaa maaston muotoja, tekstuuri on väritetty. Kasvusto on esitykseltään yleistetty, mutta sijainniltaan oikein.
Kuva 5. TKK:n tuottama kaupunkimalli, joka on digitoitu pienoismallilta (Jokinen, 1997). Mallin mittaus on tehty useammassa osassa. Osat on sovitettu toisiinsa pelkin kohdepiirtein ja ilman kohteesta mitattuja tukipisteitä. Malli on sisällöltään tulkitsematon.
Kuva 6. TKK:n tuottama kolmiulotteinen huonetilamalli. Mallin perusosa on digitoitu CAD-mallilta ja sitä on korjattu paikalla otetuin video- ja valokuvin. Kuva on ote samasta tilasta tehdyltä virtuaalimallilta http://foto.hut.fi/research/vrml-models/cwe97/tulli.wrl (CWE Finland, 1997).
Kuva 7. TKK:n tuottama tilamalli. Malli on kokonaisuudessaan digitoitu videokuvauksesta. Osa mallin kohteista on teksturoitu, osa aktivoitu (Saara Mattila, 1996).
Kolmiulotteisen mallintamisen erityispiirteitä
Kolmiulotteisen ympäristön mallintaminen edellyttää uusien mallinnus- ja tiedonkeruutapojen kehittämistä. Vaikka olemassa oleva 2-D kartoitusaineisto ja siihen liittyvä topografinen ja muototieto on muunnettavissa 3-D mallitiedoksi, joudutaan malli yleensä tarkistamaan ja saattamaan ajan tasalle uusin havainnoin. Satelliitti- ja ilmakuvilta on voitu tuottaa todellisen ympäristön 3-D malleja samoin kuin suunnitellun ympäristön 3-D malleilta on voitu tuottaa kaksiulotteisia perspektiivikuvia. Tuntuisi luonnolliselta, että niitä työvälineitä, joilla 3-D malleja tuotetaan, käytettäisiin myös mallien editoimiseen silloin, kun muutokset perustuvat kuvalta nähtäviin eroihin. Toistaiseksi kuitenkin sekä kartoitus- että suunnittelusovellusten tarpeet ja sen myötä tuotantotavat ovat kehittyneet toisistaan erillään.
TKK:n fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratoriossa on pyritty lähentämään tiedonkeruu- ja mallinnusvaiheita toisiinsa. Kuvissa 6 ja 7 esitetyt mallit on tuotettu ns. käänteistä mallinnusperiaatetta noudattaen (Haggrén, 1996). Kohteesta tuotetaan ensin toiminnallinen malli, joka on geometrialtaan väärä, mutta toiminnallisilta suhteiltaan oikea ja sisältää kohteesta tulkitut osat. Kun toiminnallinen malli on olemassa, tämän geometria muunnetaan kuvan mukaiseksi. Toiminnallisen mallin tuottaminen vastaa kuvatulkintaa ja 'kuvan mukaisuus' vastaa fotogrammetrista laskentaa geometrisessa tiedonkeruussa. Laskemalla pidetään huoli siitä, että kohteessa tunnistettu piirre muuttuu editoitaessa geometrialtaan kuvalla näkyväksi piirteeksi. Editointi tehdään suoraan 3-D mallia muuntaen ja muutosten vaikutus visualisoidaan projisioimalla malli muutos muutokselta tulkintakuvan päälle.
Kohdepiirteen geometrian laskentaan voi sisältyä kolme erilaista pakkoehtoa, joilla huolehditaan siitä, että kohdetta toistavat havainnot tukevat toisiaan. Ensimmäinen pakkoehto muodostuu silloin, kun kuva orientoidaan kohteen pintamallin suhteen. Tällöin tiedetään, että kuvalla näkyvät piirteet voidaan toistaiseksi sijoittaa ainoastaan kohteen pinnalle. Seuraava pakkoehto muodostuu silloin, kun sama piirre näkyy uudella kuvalla. Tällöin tiedetään, että aiemmin havaittuja piirteitä voidaan siirtää vain aiemmin havaittujen kuvien näkemissä suunnissa. Mikäli useampi kuin kaksi kuvaa näkee saman kohteen eikä toisella pakkoehdolla saada tyydyttävästi ratkaistua kohteen geometriaa, muutetaan kuvien keskinäistä orientointia toisiinsa nähden ja samalla koko mallin suhteen. Kolmatta pakkoehtoa voidaan hyödyntää myös kameroiden sisäisen orientoinnin korjaamiseen, mikäli kuvia on paljon.
Toiminnallinen malli soveltuu kohteen visualisointiin usein paremmin kuin tarkka malli. Visualisoinnin kannalta on oleellista, että malli on eheä, se on hierarkinen ja geometrialtaan mahdollisimman kevyt ja pelkistetty. Sen tulee sisältää mallin toiminnallisen esittämisen kannalta oleelliset osat. Se voi sisältää tiedonkeruun kannalta tilapäisiä ylimääräisiä osia, jotka ovat tarpeellisia, kun kuvia sovitetaan yhteen. Pelkistetty geometrinen malli on kohteen näköinen rautalankamalli, joka sisältää kohteen olioiden näköisiä rautalankamalleja. Nämä sisältävät edelleen omia osiaan (Kuva 8). Rautalankamallit ovat muodoltaan mahdollisimman alkeellisia geometrisia primitiivejä, mutta muistuttavat kyseisen olion tunnuspiirteitä. Vaikka yksittäisen olion rautalankamalli on oman itsensä näköinen, on se ymmärrettävä etupäässä kyseisen olion tilavaraukseksi kohteen koordinaatistossa. Mittauksen edistyessä varaukset mitoitetaan ja kuhunkin olioon liittyvät tarkat mitat liitetään olion ominaisuustietoihin (Koistinen, 1996).
Kuva 8 Huonetilaa kuvaava rautalankamalli. Malli sisältää kohteen eri osia sellaisina kuin ne näkyvät toiminnallisella mallilla. Tämä malli voidaan tuottaa hyvin yksinkertaisin mittauksin, eikä ole esitykseltään mittatarkka. Malli sisältää kuitenkin tarkat mittaustiedot kohteen ominaisuustietoina (Saara Mattila, 1996).
