Paikkatiedon keruu ja muokkaus: kaukokartoitus

1. Paikkatietotekniikan erikoistumisopinnot ZM06 Paikkatiedon keruu ja muokkaus: kaukokartoitus Luento 4 Ilmakuvaus Kartoitusprosessi Tulkinta Visuaalinen Ohjattu Ohjaamaton CORINE Land Cover 2000

2. ILMAKUVAUS • Fotogrammetrian ehdottomasti yleisin sovellus on ilmakuvakartoitus • Suomessa valtakunnallinen peruskartoitus 1:20'000 tehtiin koko maan osalta ensimmäisen kerran ilmakuvilta vuosina 1947 - 75 • Kartoituskuvaukset ovat pystykuvauksia ja kuvaus pyritään tekemään stereokuvauksena • Koska koko kuvausalue tulee kattaa stereomallein, kuvaus tehdään jonoina, joissa peräkkäiset kuvat peittävät toisensa yli 50 % ja vierekkäiset jonot toisensa 10 - 30 %

3. ILMAKUVAUS • Tämä edellyttää erikoisvalmisteista sarjakuvakameraa 230 mm x 230 mm negatiivikoko, geometrisesti lähes virheetön objektiivi ja erotuskyvyltään vähintään 30-40 viivaparia millimetrillä toistava kuvausjärjestelmä • Uutuuksia: 1990-luvulla satelliittipaikannukseen perustuva navigointi ja kuvauksen ohjaus, sekä kameran stabilointi ja kuvan maaliikkeen kompensointi valotuksen aikana 2000-luvulla digitaalisten ilmakuvakameroiden tulo markkinoille

4. KUVAUS • Kartoituskuvaukset tehdään lähes yksinomaan pystykuvauksina ja stereokuvauksen normaalitapauksen mukaisina stereomalleina • Kuvaus tehdään jonoina, joissa mallit muodostuvat, kun peräkkäiset kuvat peittävät toisensa yleensä 60 % (pituuspeitto) • Vierekkäiset jonot kuvataan siten, että ne peittävät toisensa 20 - 30 % (sivupeitto)

5. KUVAUS • Runsailla peitoilla pyritään varmistumaan siitä, että koko alue tulee kuvattua stereomalleina • Suurta tarkkuutta vaativissa kartoitustöissä kuvaukset tehdään myös jonojen kesken 60 % sivupeitolla (tarkka kartoituskuvaus) • Tällöin useimmat maaston yksityiskohdista näkyvät vähintään neljällä kuvalla ja kohteita jää katveisiin vastaavasti vähemmän • Kamerassa käytettävän objektiivin polttoväli f (suunnilleen sama kuin kameravakio c) ja kuvauskorkeus H määrittyy kartoitustarpeen mukaan

6. KUVAUS- JA KARTOITUS-MITTAKAAVAT • Suomessa yleisimmin käytetyt kuvausmittakaavat.

7. KUVAUS- JA KARTOITUS-MITTAKAAVAT

8. KARTOITUSKUVAUS • Kartoituskuvaus tehdään mikäli mahdollista karttalehtijaon mukaan ja alue kuvataan pääilmansuuntien suuntaisin jonoin • Stereomallien kannalta on edullista, jos yksittäiset kuvat peittävät esimerkiksi koko karttalehden tai sen puolikkaan • Tällöin karttalehdet koostuvat kokonaisista malleista • Aluekuvauksen kuvajoukkoa kutsutaan ilmakuvablokiksi

9. KARTOITUSKUVAUS • Suomessa käytetään yleisimmin laajakulma- tai välikulmakameraa • Laajakulmakamera (c=15 cm) soveltuu erityisesti topografiseen kartoitukseen • Sillä kuvattaessa stereomallin kantasuhde on parempi kuin välikulmakameralla, millä on merkitystä korkeusmallien mittaustarkkuuteen

10. KARTOITUSKUVAUS • Välikulmakameraa (c=21 cm) käytetään mm. maanmittauslaitoksen maastotietokannan ajantasaistustoiminnassa, jossa kartoitus perustuu aiemmin mitattuun korkeusmalliin ja ns. ortokuvaukseen • Välikulmaobjektiivilla kuvattaessa maaston peitteisyydestä aiheutuvat katveet ovat kuvalla pienemmät kuin laajakulmaobjektiivilla kuvattaessa

11. KOORDINAATISTO JA SIGNALOINTI • Kartan tulee muodostua saumattomaksi kokonaisuudeksi yhdessä ja samassa koordinaatistossa • Koordinaatisto on merkitty maastoon taso- ja korkeuslähtöpisteinä, joihin koko ilmakuvablokki sidotaan • Kartoitusalue tulee rajata niin, että kaikki stereomallit sijaitsevat lähtöpisteverkon sisällä

12. KOORDINAATISTO JA SIGNALOINTI • Mallien liitospisteet: kaikki stereomallit sidotaan toisiinsa ja lähtöpisteiden kautta koko kartoitusalueen koordinaatistoon omilla tukipisteillään • Signalointi: kaikki lähtöpisteet näkyvöitetään ennen kuvaamista • Liitospisteinä voidaan käyttää myös luonnollisia pisteitä, jotka valitaan kuvilta kuvauksen jälkeen

13. KOORDINAATISTO JA SIGNALOINTI • Kuvassa maapistelava (Ossi Jokinen, Padasjoki, 27.4.1979) • Peruskartoituksessa lähtöpisteiden näkyvöittämiseen käytetään pärelavoja • Signaalin tulee näkyä kuvalla, joka otetaan 4500 metrin korkeudesta • Signaali keskistetään maassa olevan kolmiopisteen tasosijainnin suhteen • Jos samaa signaalia käyte- tään myös korkeuslähtö- pisteenä, sen korkeus maanpintaan on mitattava ja tämä on otettava huomi- oon kuvia orientoitaessa

14. KOORDINAATISTO JA SIGNALOINTI • Kuvassa rajasignaali (Ossi Jokinen, Kuhmoinen, Koivumäki) • Ennen kuvausta signaloidaan kaikki maastonkohteet, joiden koordinaatit halutaan rekisteröidä tarkasti • Tässä on kyse kiinteistörajan näkyvöittämisestä ja signalointi on tehty maanmittauslaitoksen pohjakartoituksen 1 : 5.000 yhteydessä • Kontrastia on lisätty kuusenhavuilla

15. KOORDINAATISTO JA SIGNALOINTI • Signalointikartta, Humppila • Kaikki signalointitiedot merkitään kartalle • Tärkeitä muistiin merkittyjä tietoja ovat tiedot signaalien epäkeskisyydestä, korkeusmitoista, varasignaaleista ja niiden sidemitoista • Signalointikartalle merkitään myös ne signaloitavat kohteet, joita ei ole maastossa onnistuttu löytämään

16. KUVAUSKALUSTO Ilmakuvakamera Zeiss LMK 2000 • Vasemmalta navigointikaukoputki, kuvaliikkeen ohjausyksikkö, keskusyksikön terminaali, sekä kamera.

17. KUVAUSKALUSTO Zeissin LMK 2000 koostuu seuraavista perusyksiköistä: • Objektiivikartioita LC 2000 on neljälle polttovälille. Kussakin on kiinteä fokusointi, kuvaportti, suljinkoneisto, lisätietojen rekisteröintilaitteet ja valotusmittari. • Käyttöyksikössä DU 2000 on kaksi erillistä osaa kasetin molemmin puolin. Yksikössä on filmin siirtomoottori, tyhjiöpumpun moottori ja näiden vaatimia ohjauslaskimia. • Filmikasetissa MA 2000 on veto- ja varastopuola, imu- ja painolevy, filmin siirtomekanismi ja kuvaliikkeen kompensoinnin laitteet. • Stabiloidulla jalustalla SM 2000 kamera kiinnitetään lentokoneeseen. Jalusta on kolmen koordinaattiakselin suhteen gyrostabiloitu. Eri objektiivikartioita varten on omat adapterirenkaat.

18. KUVAUSKALUSTO • Kuvaliikkeen ohjausyksikköä CU 2000, jossa on elektro-optinen etsinjärjestelmä kameran suuntaamiseksi, maa- ja kuvaliikkeen määrittämiseksi, peiton määrittämiseksi ja komponentit kuvaliikkeen kompensoinnin ohjaamiseksi. • Navigointi- ja ohjausyksikköä NCU 2000, jossa on etsinkaukoputki visuaalista navigointia varten, voidaan käyttää vaihtoehtoisesti kuvaliikken ohjausyksikön kanssa. Kummassakin on sama jalustaosa. • Keskusyksikkö CM 2000 sisältää päätietokoneen, joka on kameran toiminnallinen keskusyksikkö. Keskusyksikön terminaalin kautta syötetään kameralle kaikki kuvauslennon ohjaustiedot ja kuvan laitaan tulostettavat lisätiedot.

19. KUVAUSKALUSTO Ulkoinen orientointi • Kameran ulkoisen orientoinnin muuttujat: kameran sijainti (X, Y ja Z) sekä kierrot koordinaattiakselien ympäri (kappa, phi ja omega) • Kuvausta ohjataan satelliitti-paikannusta käyttäen, lisäksi kameran projektiokeskuksen koordinaatit rekisteröidään kuvaushetkellä • Jälkikäsiteltyinä koordinaattien epätarkkuus on alle 10 cm • Kameran jalusta stabiloidaan niin, että kallistukset ovat keskimäärin alle 0.5 astetta.

20. KARTOITUSPROSESSI • Kartoitusprosessi: niiden työvaiheiden muodostama kokonaisuus, jotka ovat tietyn kartan valmistamiseksi välttämättömiä • Kanta- ja peruskartoilla prosessiin kuuluu useimmiten kalliita maastotyövaiheita • Erikois- ja sovelletuilla kartoilla maastotöiden osuus on vähäisempi, mutta teeman osuus korostuu

21. KARTOITUSPROSESSI

22. KARTOITUSPROJEKTI • Kartoitusprojekti sisältää työsuunnitelman, aikataulun, resurssivaraukset, kustannusarvion • Kartoitusprosessi sisältää työmenettelyn kartan valmistamiseksi • Projekti on valmis, kun kartta on valmis ja vastaa sille asetettuja vaatimuksia, ja sekä asiakas eli kartan käyttäjä ja tuottaja eli kartan tekijä ovat kummatkin tyytyväisiä lopputulokseen

23. 1. TARJOUSPYYNTÖ • Kartan tarkoitus • Selvitys aineistoista, joilla kartan tekemisen kannalta on merkitystä: aiemmat kartoitukset alueella, pisterekisteri, pyykkien koordinaatit… • Selvitys muista mittaustarpeista: kaivot, viemärit, maanalaiset johdot… • Asiakkaan tiedostoformaatit: Fingis, Tekla, Intergraph… • Muut kartoitusprosessiin vaikuttavat tarpeet: 3-D digitointi, pistetihennys…

24. 2. TYÖSUUNNITELMA • Työtehtävät, aikataulu, kuka tekee ja vastaa • Asiakkaan kannalta hyvä aikataulu on seuraava: tammi-helmikuu: tarjouspyynnöt toukokuu: kuvaus kesäkuu: stereokartoitus elokuu: maastotäydennykset joulukuu: lopputarkastus

25. 3. KUVAUS • Esimerkiksi lentokorkeus h = 600 m kuvausmittakaava 1:4,000 kuvaus väripositiivifilmille • Geodeettisten runkopisteiden signalointi • Kuvausajankohta yleensä loppukeväästä kun lumi on sulanut mutta lehtipuissa ei ole vielä lehtiä

26. 4. PISTETIHENNYS • Ilmakolmiointi eli fotogrammetrinen pistetihennys • Kuville määritetään tarpeellinen määrä koordinaateiltaan tunnettuja tukipisteitä stereokartoitusta varten • Tuotetaan koordinaattihavaintoja geodeettisen runkoverkon tihennyspisteille, rajamerkeille sekä niille luonnollisille, kuvilla näkyville kohteille, joita käytetään stereomallien tai ortokuvien tukipisteinä • Kolmiointipisteiden 3-D koordinaatit ratkaistaan tasoittamalla kuvahavainnot kolmiulotteisena verkkona (blokkikolmiointi)

27. 4. PISTETIHENNYS • Punaiset ympyrät ja kolmiot: geodeettisen runkoverkon taso- ja korkeuskiintopisteitä • Vaaleanharmaat ympyrät: tihennyspisteet, eli pisteet joille ollaan määrittämässä geodeettisia koordinaatteja • Vaaleansiniset neliöt: ilmakuvat jotka muodostavat kuvablokin • Tummansiniset pisteet: kiinto- ja tihennys- pisteitä vastaavat kuvapisteet

28. 4. PISTETIHENNYS • Kolmioinnin tuloksena saadaan välillisesti ratkaistua kuvien ulkoiset orientoinnit • Nykyisin kuvien orientoinnit voidaan määrittää tarkkaan myös suorin GPS-havainnoin, inertiaalisin navigointihavainnoin sekä kameran kallistushavainnoin • Tästä huolimatta kolmiointi tehdään, koska sillä varmistetaan kartoituskoordinaatiston tasalaatuisuus koko kartoitusalueella.

29. 5. STEREOKARTOITUS

30. 5. STEREOKARTOITUS • Kartoituksen tehtävänä on tulkita näkymä ja esittää se yksityiskohdittain koordinaatistoon sidottuna geometria- ja ominaistietona • Stereotulkintaa käytetään maanpinnan topografiseen havaitsemiseen ja mittaamiseen sekä mallintamiseen korkeusmalliksi • Stereoskooppinen havainnointi auttaa myös erottamaan maaston, sen kasvuston ja yksityiskohdat, rakenteet ja rakennukset tarkasti sekä erottamaan kartalle piirrettävät kuviorajat selvinä • Kun maasto on kertaalleen kartoitettu ja siitä on olemassa korkeusmalli, kartan ajantasaistus voidaan tehdä yksikuvamittauksena ja perustaa se ortokuvien tulkintaan

31. 6. TÄYDENNYSMITTAUKSET ja 7. KARTAN EDITOINTI Täydennysmittaukset • Yleensä maastossa ja geodeettisesti • Peitteiset alueet kuten sankka metsä tällöin maastomalli mitattava paikanpäällä • Räystäsmittaukset sekä mahdolliset sokkelimitat asiakkaalta Editointi • Paikkatietoaineiston muokkaus, koordinaatistomuunnokset sekä visualisointi

32. 8. KARTAN TARKISTUS JA 9. TULOSTUS Tarkistus • Graafinen • Numeerinen: heti stereotyön jälkeen Tulostus • Graafisesti muoville piirturilla • Numeerisesti haluttuun formaattiin

33. Tulkinta Visuaalinen tulkinta • Ihminen suorittaa katsomalla kuvaa Tietokoneen suorittama tulkinta • Kohdetta kuvaava jatkuva muuttuja, esim. puuston kuutiotilavuus (mallintaminen) • Kohdetta kuvaava kategoria eli diskreetti muuttuja (luokittelu)

34. Visuaalinen tulkinta • Etsitään yhtenäisiä ja samankaltaisia alueita kuvilta • Tunnistetaan eri alueet maastokohteiksi tai maankäyttöluokiksi • Erotellaan sävyn, muodon, koon, tekstuurin, varjojen, ympäröivien kohteiden avulla

35. Vis 1: Havainto ja erottuminen • Sävyerot huomataan (erot joko teräviä tai asteittaisia) • Objekti havaitaan kun suoraan havaittu sävyero on niin suuri että se erotetaan ympäristöstään • Erottaminen riippuu havainnoijan kokemuksesta ja kuvalla olevien sävyerojen kontrastista • Ei välttämättä virheetöntä • havainto voi johtaa harhaan • objekti erottuu huonosti ympäristöstään

36. Vis 2: Koon määrittäminen ja identifiointi • Oikea arvio kohteen koosta on oleellista oikean identifioinnin tekemiseksi • Kohteen identifiointi voi perustua sen geometriaan (koko, muoto, korkeus, varjo), kohteen paikkaan tai sen kontekstiin (asiayhteys) • Kohde on identifioitu, kun se voidaan nimetä

37. Vis 3: Analyysi ja johtopäätökset • Liitetään merkitys nimetylle kohteelle • Määritetään kohteiden väliset yhteydet ja riippuvuudet

38. Sävy • Kohteen sävy kuvaa suhteellista kirkkausarvoa kuvalla. • Sen perusteella pääasiassa tehdään kohteiden tunnistamista kuvalla • Eri sävyisten kohteiden muoto, koko yms. erottuvat

39. Muoto • Muodon perusteella voidaan määritellä mikä kohde on, esim • ihmisen tekemät kohteet ovat muodoltaan terävämpiä ja säännöllisempiä • esim. tiet, rakennelmat • luonnonkohteet rajoiltaan epäsäännöllisiä ja epämääräisiä

40. Koko • Eri alueellisen erotuskyvyn kuvilla kohteet ovat eri kokoisia • Kohteiden koko suhteessa muihin kohteisiin auttaa tunnistamisessa

41. Kuvio • Samankaltaista kohdetta on paljon, muodostuu kuvio • Voi päätellä jotain yksittäisistä kohteista tai alueesta

42. Tekstuuri / pinnan karkeus • Alueen / kohteen karkeus verrattuna instrumentin alueelliseen erotuskykyyn • Jos tekstuuri on pienipiirteisempää, kohde näkyy tasaisena alueena • Kuten avoalue viereisellä kuvalla

43. Varjot • Voi auttaa kohteen tunnistamisessa ja koon määrittämisessä • Toisaalta estää alleen jäävän • kohteen tunnistamisen

44. Yhteys muihin kohteisiin • Kohde voidaan tunnistaa ympäröivien kohteiden avulla, vaikka se ei itsessään olisikaan tunnistettava

45. Mallintaminen • Määritetään kaukokartoitushavaintojen ja geofysikaalisen parametrin välinen yhteys • Parametri jatkuva muuttuja • Esimerkkejä puuston m3/ha, maaperän kosteus, veden suolaisuus Lähestymistapoja mallintamiseen • Empiirinen • Semi-empiirinen • Teoreettinen

46. Empiirinen mallintaminen • Tehdään tilastollinen malli kaukokartoitushavaintojen x (selittävä muuttuja) ja geofysikaalisen parametrin y (selitettävä muuttuja) välille • Yksinkertaisimmassa tapauksessa kyseessä on lineaarinen regressioanalyysi, yksi selittävä muuttuja: y = a0 + a1 * x • Mallin kertoimet a määritetään minimoimalla virhettä mallilla estimoidun ye ja tunnetun y välillä • Kertoimet a määrittävät vain muuttujien välisen yhteyden eivätkä vastaa mitään reaalimaailman ilmiötä

47. Empiirinen mallintaminen • Landsat ETM Ch5 vs. puuston pituus a0 = 9.13, a1 = -0.09 PIT = -0.09 * DN + 9.13 RMSE = 1.22 m RMSE% = 61.0% PCC = -0.60 R2 = 35.8

48. Empiirinen mallintaminen • Landsat ETM Ch5 vs. puuston pituus, puuttomat alueet poistettu a0 = 7.70, a1 = -0.06 PIT = -0.06 * DN + 7.70 RMSE = 0.62 m RMSE% = 21.7% PCC = 0.74 R2 = 54.9

49. Digitaalinen tulkinta: luokittelu • Sama tavoite kuin visuaalisessa tulkinnassa: luokitellaan pikselit eri luokkiin • Tehdään numeerisesti • Eri kanavien arvoihin perustuen • Ohjelmilla / algoritmeilla

50. Luokitteluprosessi 1. Mittaus: satelliitin keilain muodostaa käsiteltävät hahmot, kuvapikselit 2. Esikäsittely: eliminoidaan virheet • radiometrinen ja geometrinen korjaus 3. Piirteiden valinta ja irrotus: • valitaan osajoukko koko datasta, jossa on suurin informaatio (kanavasuhde, erotuskuvat pääkomponenttimuunnos)