5.2 Orientointi
Liitteet
LIITE 1 Terminologiaa
LIITE 2 Virheiden neliöllisen keskiarvon ja testisuureen
välinen yhteys
LIITE 3 Tulkintaepävarmuus
LIITE 4 Erotuskyvyn testitaulut
LIITE 5 Testitaulun rakentaminen
Ohjeet tarkan fotogrammetrisen mittauksen suorittamista varten
Tämän ohjeiston tarkoituksena on olla apuna tarkan
fotogrammetrisen kartoitusmittauksen suunnittelussa,
suorittamisessa ja tarkastamisessa. Käsite tarkka
kartoitusmittaus tarkoittaa tässä yhteydessä mittausta, jonka tehtävänä on tuottaa yksityiskohtaista kolmiulotteista koordinaattitietoa maan pinnasta ja siihen liittyvistä rakenteista ja rakennuksista. Nämä ohjeet eivät ole tarkoitettu noudatettavaksi tavanmukaisessa (esim.
kaavoitusmittausohjeiden mukaisessa) suurikaavaisessa
kartoituksessa.
1. Lopputuloksen tarkkuus
Tässä ohjeessa kuvattu mittausprosessi asianmukaisesti suoritettuna tuottaa yksikäsitteisille symmetrisille
kohteille (lähinnä ilmakuvasignaaleille) koordinaatteja, joiden tarkkuus keskivirheenä ilmaistuna on
tasokoordinaateille 20 mm ja korkeudelle 30 mm. Muille kohteille
tarkkuus on heikompi. Se riippuu kohdetyypistä ja on siten vaikeasti määriteltävissä. Tavanomaisissa epäsymmetrisissä yksikäsitteisissä kohteissa keskivirheet ovat
suuruusluokkaa 35 mm (tasokoordinaatit) ja 50 mm (korkeus). Fotogrammetrinen mittausprosessi voidaan tarkastaa TTKK:ssa
kehitetyllä tai muulla vastaavalla testillä. Usein kohteisiin liittyy tulkintaepävarmuutta, joka tarkastuksessa tulee ottaa huomioon (kohta 1.2).
1.1 Tarkastaminen
Lopputuloksen sijaintitarkkuus kontrolloidaan erityisellä tarkastusmittauksella. Maastossa ja ilmakuvilta selvästi ja yksikäsitteisesti määriteltävissä olevien kohteiden koordinaattipoikkeamista kaavan 1 mukaisesti lasketun testisuureen
tulee olla pienempi kuin asetettu testiraja
. Ehdon on toteuduttava kullekin koordinaatille erikseen. Maanpinnan korkeuspisteiden on korkeuskoordinaattinsa osalta vastattava edellä olevaa tarkkuusvaatimusta. Jos tarkastusmittaukseen sisällytetään kohteita, jotka eivät ole yksikäsitteisesti määritettävissä, otetaan tulkintaepävarmuus huomioon kohdan 1.2 mukaisesti.
Tavallisissa maastokohteissa testirajan
perusarvo on 120 mm. Virheiden neliöllisenä keskiarvona (satunnainen ja systemaattinen virhe yhdistettynä) tämä vastaa karkeasti arvoa 60 mm. Liitteenä 2 olevassa taulukossa on esitetty tarkemmin ko. riippuvuutta. Keskinäisin sopimuksin voidaan luonnollisesti käyttää muitakin arvoja.
Tarkastusmittauksen pistevirhe ja korkeuskeskivirhe saa olla enintään 15 mm. Tasokoordinaatit tarkastetaan
säteettäisellä mittauksella ja korkeus vaaitsemalla tai
trigonometrisesti. Tarvittaessa mittausjärjestelmä on tarkastettava koekentällä (TTKK Tampere tai vastaava).
Tarkastusmitattavat kohteet on pyrittävä valitsemaan mahdollisimman satunnaisesti koko projektin alueelta kuitenkin niin, että yksittäisistä mittauksista ei
aiheudu kohtuuttomia kustannuksia. Tarkastusmitattavien pisteiden määrä on esitetty taulukossa 1. Suuret
mittauskohteet tarkastetaan erillisinä loogisina
kokonaisuuksina, esim. stereomalli kerrallaan.
Lopulliset testisuureet lasketaan koordinaattipoikkeamien avulla kullekin kolmelle koordinaatille erikseen seuraavasti:
Kaava 1:
missä
-
on tarkastusmittauksen perusteella saatujen koordinaattipoikkeamien keskiarvo ilman etumerkkiä (itseisarvo)
- n on tarkastusmitattujen pisteiden
lukumäärä,
-
on kartoitusmittauksessa kohteelle määritetty koordinaatti,
-
on tarkastusmittauksessa kohteelle määritetty koordinaatti,
- k on kerroin, joka saadaan taulukosta 1 pisteiden lukumäärän funktiona,
-
on tarkastusmittauksen
koordinaattipoikkeamien keskihajonta
Jos testisuure
alittaa asetetun rajan
testataan toisena vaiheena kuinka moni yksittäisistä koordinaattipoikkeamista
ylittää asetetun rajan
. Jos ylityksiä tulee enemmän kuin taulukko 1 ilmoittaa, tarkastusmitataan em. tavalla lisää n kappaletta kohteita ja toistetaan testi käyttäen 2n kappaletta pisteitä. Jos testi ei vieläkään mene läpi, työ ei täytä asetettuja tarkkuusvaatimuksia. Testi suoritetaan aina kullekin koordinaatille erikseen.
Taulukko 1. Tarkastettavien pisteiden lukumäärän riippuvuus projektin tai osa alueen kokonaispistemäärästä, sallittu ylitysten lukumäärä ja testirajan laskemisessa tarvittava kerroin k.
Pisteiden Tarkastus- Sallittu Kertoimen
kokonais- mittauksen ylitysten k arvo
määrä pisteiden määrä
määrä
___________________________________________________
50 - 100 5 0 1.2
101 - 150 10 0 1.4
151 - 500 15 1 1.5
501 - 1000 20 1 1.5
1001 - 5000 30 2 1.6
40 2 1.6
5001 - 10000 50 3 1.6
60 4 1.6
10001 - 50000 100 6 1.7
200 12 1.7
___________________________________________________
1.2 Tulkintaepävarmuus
Mikäli tarkastetaan kohteita, jotka eivät ole yksikäsitteisesti määritettävissä, on määritettävä kohteen tulkittavuus. Se tapahtuu mittaamalla maastossa korkeudelle hyväksyttävä ala- ja yläraja. Tasosijainnille määritetään vastaavan virheympyrän säde. Tarkastuksessa todetusta koordinaattipoikkeamasta otetaan testisuureen
laskemisessa huomioon silloin vain osa, joka kohdistuu em. tulkintavälin ulkopuolelle. Tulkintavälin sisälle sattuvat erot saavat siis testisuureen laskemisessa arvon nolla. Asiaa on selvennetty liitteessä 3.
2. Geodeettinen runkoverkko ja signalointi
Geodeettisen kiintopisteistön tulee olla aluetta kattava sillä tavalla kuin pistetihennystä käsittelevässä
kohdassa määritellään. Sekä tasokoordinaattien että
korkeuden täytyy olla homogeenisessa järjestelmässä. Tämä edellyttää yleensä alueen runkoverkon tarkistamista ja uudelleenlaskentaa.
Kiintopisteiden koordinaatit ja korkeudet on määritettävä suhteellisella tarkkuudella 1:50 000. Jos pisteväli on alle 500 m, pistevirheen tai korkeuden keskivirheen
maksimiarvo on 10 mm.
Signaloinnissa käytetään yleensä mattapintaisia
valkoisia ristisignaaleja, joiden osat ovat noin 100 mm x 600 mm. Kiintopistemerkit rakennetaan niin, että signaalit voidaan kiinnittää niihin keskisesti esim. kierrepultilla. Kiintopiste ja tihennyspistesignaaleina voidaan käyttää myös pyöreitä valkoisia levyjä, joiden halkaisija on 250 ... 300 mm. Signaalit voidaan myös maalata suoraan kohteeseen. Kaikissa tapauksissa on huolehdittava siitä, että kontrasti ympäristön ja signaalin välillä on riittävä ja likimain yhtä suuri eri puolilla. Esimerkiksi
asfalttipinta, kivi ja hiekka eivät useinkaan muodosta riittävää kontrastia. Taustamateriaali ei saa olla kiiltävää.
3. Ilmakuvauksen suorittaminen
Kamerassa tulee olla kahdeksan kehysmerkkiä. Mikäli kuvaustavasta aiheutuva kuvaliike ylittää 15
µm
, on
käytettävä kuvaliikkeen kompensaattorilla varustettua
kameraa. Kuvaus suoritetaan pääsääntöisesti laajakulmakameralla 60 % pituus- ja 60 % sivupeitolla mittakaavassa 1:3500 tai tätä suuremmassa mittakaavassa. Reunimmaisten jonojen kuvien on ulotuttava noin 60 % varsinaisen mittausalueen ulkopuolelle ja jonojen päissä olevien kuvien on
sijaittava kokonaisuudessaan varsinaisen mittausalueen ulkopuolella. Kuvausjonot tulee mahdollisuuksien mukaan
suunnitella itä-länsisuuntaisiksi.
Toisinaan on edullista ottaa kuvat 80 % pituuspeitolla, jos kameran toimintanopeus sen sallii. Tällöin voidaan valita mittaukseen parhaiten sopivat kuvat. Joissakin
tapauksissa voi olla edullista suunnitella kuvajonot
katuverkoston mukaisesti ja suorittaa kuvaus tähdättyinä otoksina esim. risteysten yläpuolelta. Tämänkaltaisista erityisjärjestelyistä osapuolten on sovittava erikseen.
Ilmakuvauksissa noudatetaan muilta osin Fotogrammetrian ja Kaukokartoituksen Seuran toimesta laadittuja
suosituksia. Kuvageometrialle asetetaan poikkeuksellisen
suuret vaatimukset, joten filmin käsittelyyn sen kaikissa vaiheissa tulee kiinnittää erityistä huomiota. Tämä
koskee siis valottamattoman filmin varastointia, sen
käyttöönottoa, kehitystä, arkistointia sekä diapositiivien valmistusta ja säilytystä.
Kuvalaatua kontrolloidaan tarvittaessa liitteissä 4 ja 5 esitettyjen testitaulujen avulla. Tämän ohjeen mukaisissa mittauksissa diapositiivikuvien erotuskyvyn tulee yleensä olla vähintään 20 lp/mm.
4. Pistetihennys
4.1 Lähtöpisteistön kattavuus
Signaloidun runkopisteistön tulee olla niin kattava,
että se täysin sulkee sisäänsä mitattavan alueen.
Tasolähtöpisteiden välimatka ei saa ilman pakottavaa syytä
(vesialue tms.) olla yli 500 m eikä korkeuslähtöpisteiden väli yli 300 m. Lähtöpisteitä ei tule ilman erityistä syytä rakentaa alle 200 m etäisyydelle toisistaan.
Tasolähtöpisteitä ei välttämättä tarvita alueen keskellä.
Edellä määritelty lähtöpistetiheys on niin suuri, että blokin kulmia lukuunottamatta yksittäisen lähtöpisteen merkitys mittaukselle ei ole ratkaisevan tärkeä.
4.2 Tihennyspisteet
Pistetihennyksessä määritetään koordinaatit ainakin
stereomittauksen orientointilähtöpisteille. Näitä pisteitä tulee olla kuvaa kohti vähintään 15 kpl ja keskimäärin vähintään 20 kpl sijoitettuina niin, että ne
mallikohtaisessa mittauksessa kattavat mitattavan alueen.
Pistetihennyksessä voidaan haluttaessa määrittää koordinaatit kaikille kartoitettaville pisteille.
Pistetihennyksessä käytetään kaikkia kohdan 3
ensimmäisessä kappaleessa mainittuja kuvia. Mittausalueen
ulkopuolelta on mitattava ylimääräisiä pisteitä siten, että tasoituspisteistö on homogeeninen. Näiden pisteiden
tehtävänä on parantaa pistetihennyksen rakennetta eikä niiden pistetihennyksestä saatuja koordinaatteja tule käyttää mittaustarkoituksiin.
4.3 Kuvakoordinaattien mittaus
Kuvakoordinaatit mitataan komparaattorilla tai muulla tarkoitukseen sopivalla koordinaattimittauslaitteella (esim. analyyttinen stereomittauslaite), jonka
koordinaattimittauskeskivirhe on enintään 3 µm. Tarkkuus
todetaan gitterimittauksella jokaisen mittaustehtävän
yhteydessä. Mitattaessa analyyttisella
stereomittauskojeella on hienokohdistuksessa käytettävä
komparaattorimoodia. Kummaltakin kuvalta on siis tehtävä erillinen kuvakoordinaattien mittaus eli myös pystyparallaksi on poistettava jokaisella pisteellä. Kaikki pisteet mitataan jokaiselta kuvalta, jolta ne voidaan luotettavasti identifioida. Mitattavan materiaalin on ennen mittausta annettava stabiloitua mittaushuoneen lämpötilaan ja kosteuteen. Myös mittauslaitteen on annettava stabiloitua mittausolosuhteisiin.
4.4 Muunnokset ja korjaukset
Havainnot muunnetaan kamerakoordinaatistoon affiinisella muunnoksella käyttäen kahdeksaa kehysmerkkiä.
Kehysmerkkimuunnoksessa maksimijäännösvirhe saa olla korkeintaan 15 µm. Kuvakoordinaateista poistetaan maan kaarevuuden ja ainakin symmetrisen säteettäisen piirtovirheen vaikutus.
4.5 Blokkitasoitus
Sädekimppumenetelmän mukaiseen kokonaistasoitukseen (blokkitasoitukseen) valitaan homogeeninen pisteistö, jossa jokaisella kuvalla on vähintään 15 pistettä ja keskimäärin ainakin 20 pistettä kuvaa kohti, kuten kohdassa 4.2 on esitetty. Havaintoja käsitellään yleensä
samanpainoisina. Estimoitu kuvakoordinaattihavainnon keskivirhe (yleensä ns. painoyksikön keskivirhe) ei saa ylittää arvoa 6 µm eikä maksimijäännösvirhe arvoa 20 µm.
Itsekalibrointiparametrien käyttö on sallittua, mutta ei välttämätöntä. Parametrien tulee kuitenkin olla blokkikohtaisia eikä kuvakohtaisia. Kaikkien tasoituksessa mukana olevien
tihennyspisteiden tulee olla liitospisteitä eli pisteet on mitattu vähintään kolmelta kuvalta.
4.6 Tasoituksen ulkopuolisten pisteiden käsittely
Muut pisteet (tihennyspisteet) määritetään leikkaamalla mitattujen kuvakoordinaattien ja tasoituksesta saatujen orientointien avulla minimoimalla kuvakoordinaattien jäännösvirheiden neliösumma. Leikkauksessa käytettäviin kuvakoordinaatteihin on tehtävä samat korjaukset kuin tasoituksessa. Myös mahdollinen lisäparametrien vaikutus on otettava huomioon.
5. Stereomittauksen suorittaminen
Stereomittaus suoritetaan stereomalleilta, joissa pituuspeitto on noin 60%.
5.1 Mittauslaite
Mittauslaitteena käytetään analyyttistä stereomittauslaitetta, jossa on mahdollisuus reaaliaikaiseen kuvan geometrian korjaamiseen. Laitteen koordinaattimittauskeskivirhe saa kalibroinnin perusteella olla korkeintaan 3 µm. Tarkkuus todetaan gitterimittauksella jokaisen
mittaustehtävän yhteydessä. Mittauksessa otetaan huomioon maan kaarevuuden ja ainakin symmetrisen säteettäisen
piirtovirheen vaikutus. Kuvamateriaalin ja mittauslaitteen on annettava stabiloitua mittausolosuhteisiin kohdan 4.3 mukaisesti.
5.2 Orientointi
Stereomittauksessa sisäisen orientoinnin muunnoksiin ja korjauksiin sovelletaan, mitä edellä kohdassa 4.4 on
sanottu.
Keskinäinen orientointi suoritetaan vähintään kymmenen pisteen avulla (ns. Gruber-pisteet täydennettyinä
tunnetuilla pisteillä). Keskinäisen orientoinnin jälkeisen pystyparallaksin maksimiarvo on 10 µm. Absoluuttisessa orientoinnissa tulee käyttää lähtöpisteinä kaikkia
pistetihennystasoituksessa mukana olleita pisteitä.
Tukipisteiden muodostaman piirin tulee sulkea sisäänsä koko mallilta mitattava alue. Absoluuttisen orientoinnin
jäännösvirheet eivät saa ylittää arvoa 60 mm. On sallittua käyttää ns. yksivaiheista orientointia, mutta erillisen keskinäisen ja absoluuttisen orientoinnin käyttö on
suositeltavaa. Keskinäisen orientoinnin tai yhdistetyn orientoinnin mittauksessa on käytettävä ns. komparaattorimoodia eli myös pystyparallaksi on poistettava jokaisella pisteellä.
Orientoinnin stabiiliutta tulee seurata mallin mittauksen aikana. Jos korkeuslähtöpisteissä havaitaan yli 60 mm ristiriita, on orientointi kokonaisuudessaan uusittava (myös sisäinen orientointi). Jos mittauksen aikana
havaitaan oleellisessa määrin pystyparallaksia, on orientointi myös tällöin kokonaisuudessaan uusittava.
LIITE 1
Terminologiaa
Runkoverkko muodostuu koordinaateiltaan tunnetuista
pisteistä. Pysyvästi maastoon, rakenteisiin yms. merkityt koordinaateiltaan tunnetut pisteet ovat kiintopisteitä. Tasokiintopisteille tunnetaan X- ja Y-koordinaatti ja korkeuskiintopisteille ortometrinen korkeus (H). On
olemassa myös yhdistettyjä taso- ja korkeuskiintopisteitä.
Fotogrammetrisessa pistetihennyksessä käytettäviä
koordinaateiltaan tunnettuja pisteitä nimitetään lähtöpisteiksi. Pisteitä, jotka on havaittu vähintään kolmelta kuvalta ja jotka ovat mukana pistetihennystasoituksessa, nimitetään liitospisteiksi. Yhteisnimitys pistetihennyksessä määritettäville pisteille on tihennyspiste. Näihin kuuluvat siis liitospisteiden lisäksi myös tasoitusta seuraavassa leikkauksessa määritettävät pisteet. Stereomittauksessa stereomallin absoluuttisessa orientoinnissa käytetty lähtöpiste on usein määritetty fotogrammetrisella pistetihennyksellä.
LIITE 2
Virheiden neliöllisen keskiarvon ja testisuureen
välinen yhteys
Testisuureen
muodostamisessa (kaava 1) on erotettu systemaattisten virheiden ja satunnaisvirheiden osuus tilastollisesti pitävällä tavalla ¹.
Sen vuoksi testisuureen
suuruus eroaa perinteisesti käytettävästä virheiden neliöllisen keskiarvon (RMSE) antamasta arvosta.
Oheisessa taulukossa on esitetty ao. suureiden suhdeluku (
/RMSE) otoskoon (n) ja systemaattisen ja satunnaisen virhekomponentin suhteen (
, vrt. kaava 1) funktiona. Taulukosta nähdään esimerkiksi: Jos otoskoko n on 50 ja systemaattinen virhekomponentti on 50 % satunnaisesta (
= 0.5), testisuure t on 1.9 kertaa suurempi kuin virheiden neliöllinen keskiarvo RMSE.
Taulukko 1. Testisuureen
ja virheiden neliöllisen keskiarvon (RMSE) suhde toisiinsa, n otoskoko,
,
. Taulukossa on rasteroituna yleisimmin esiintyvät tapaukset.
n 5 10 15 20 30 50 100 200
p
____________________________________________________________________
0.0 1.3 1.5 1.6 1.5 1.6 1.6 1.7 1.7
0.1 1.4 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7 1.8 1.8
0.2 1.5 1.7 1.7 1.7 1.8 1.8 1.9 1.9
0.3 1.6 1.7 1.8 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9
0.4 1.6 1.7 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0
0.5 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0
0.6 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0
0.7 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0
0.8 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0
0.9 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 1.9 1.9
1.0 1.6 1.7 1.8 1.8 1.9 1.8 1.9 1.9
1.5 1.5 1.6 1.7 1.7 1.7 1.7 1.8 1.8
2.0 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7
3.0 1.3 1.4 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.5
5.0 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3
____________________________________________________________________
¹ Aihepiiriin voi tarkemmin tutustua esim. teoksen "Olli Lokki: Tutkimustulosten tilastollinen hallinta ja käyttö" avulla.
LIITE 3
Tulkintaepävarmuus
Korkeuden tarkastusmittauksessa huomioon otettava
tulkintaepävarmuus
Mikäli tarkastusmittauksessa saatu korkeus osuu
tulkintaepävarmuuden alueelle, saa korkeuspoikkeama arvon nolla. Kuvan mukaisessa tapauksessa
.
Tasosijainnin (X- ja Y-koordinaatin) tarkastusmittauksessa huomioon otettava tulkintaepävarmuus
Mikäli kartoitettu kohde asettuu tarkastusmitatusta
sijainnista korkeintaan arvioidun tulkintaepävarmuuden r etäisyydelle saavat koordinaattipoikkeamat
ja
arvon nolla. Muuten ne saavat arvon kuvan mukaisesti.
LIITE 4
Erotuskyvyn testitaulut
Ilmakuvauksen valokuvauksellisen laadun kontrollointi voidaan suorittaa tehokkaasti testitaulujen avulla.
Kuvausalueelle sijoitetaan yleensä ainakin neljä
testitaulua, jotka on suunnattu kuvauksen mukaisesti.
Testitauluissa on toisiaan vastaan kohtisuorissa
suunnissa testikuviot, joiden kontrasti on 1:8 ja viivataajuudet 20 ja 30 viivaparia/mm (lp/mm) kyseisessä
kuvausmittakaavassa. Viivojen ja viivavälien suuruudet kuvalla ovat tällöin 25 µm ja 17 µm. Esimerkiksi kuvausmittakaavassa 1:3000 testitaulun viivojen ja viivavälien leveys on tällöin vastaavasti 75 mm ja 50 mm.
Tarkassa suurikaavaisessa mittauksessa erotuskyvyn tulisi olla ainakin 20 lp/mm. Nykyaikaisella kalustolla
kuvattaessa erotuskyky on yleensä suuruusluokkaa 30 lp/mm. Erotuskyky arvioidaan mitattavasta materiaalista käyttäen 10 - 20 kertaista suurennusta. Erotuskyky on testikuvion viivataajuuden mukainen silloin, kun sekä viivojen suunta että niiden oikea testikuvion mukainen lukumäärä on yksikäsitteisesti todettavissa. Erotuskyky arvioidaan sekä lennon suuntaisista että sitä vastaan kohtisuorista testikuvioista.
LIITE 5
Testitaulun rakentaminen
Sopiva pohjamateriaali on esimerkiksi kovainsuliittilevyn puolikas (1.22 m x 1.22 m x 11.5 mm), jolloin levyn paino on noin 17 kg. Musta pohja (1.3 D) ja valkeat testiviivat (0.4 D) voidaan toteuttaa esimerkiksi Joker-maalin Monicolor-sävyillä 6568 ja 6868. Testilevyn kontrasti on tällöin 0.9 D eli kontrastisuhde on 1:8.
Kuvausmittakaavan ollessa 1:3000 testilevyn mitat ovat
seuraavia:
Lp/mm Juovaleveys Juovan mitat levyllä (mm)
kuvalla (µm) leveys pituus
20 25 75 400
30 17 50 400