Liikenneympäristö kolmiulotteisiksi liikkuvalla kartoituksella
Kirjoittajat: Antero Kukko, Geodeettinen laitos,
Hannu Hyyppä, Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu,
Harri Kaartinen, Geodeettinen laitos.
Marika Ahlavuo, Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu,
Matti Vaaja, Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 2/2010)
Liikkuva kartoitus tuo nopeutta ja joustavuutta liikenne- ja kaupunkiympäristön mittaukseen. Perinteisin menetelmin mittaus olisi hankalaa ja vilkkailla tie- ja katualueilla jopa vaarallista.
Liikkuvalla kartoituksella tarkoitettiin 1980-luvulla lähinnä videokameroiden avulla ajoneuvosta tapahtuvaa kartoitusta. Sensori-, paikannus- ja navigointitekniikan kehittyminen 1990- ja 2000-luvuilla mahdollistivat liikkuvan kartoituksen ajoneuvosta, mikä on nopeuttanut tekniikan käyttöönottoa monilla aloilla.
Viimeisen kahden vuoden aikana suuret yritykset kuten Google, Tele Atlas ja NAVTEQ ovat ottaneet mobiilikartoitusteknologian käyttöönsä. Näkyvimpänä tuotteena on syntynyt Googlen Street View -palvelu, joka julkaistiin Suomessakin suuren huomion saattelemana helmikuussa 2010.
Yhtiöiden tuotteet palvelevat suurta yleisöä. Kartoitustyökaluiksi sanan varsinaisessa merkityksessä näistä aineistoista ei ainakaan vielä ole. Laserpistepilvien ja muiden tietojen yhteensovittaminen vaatii paljon innovatiivista tutkimusta ennen kuin tuote on ammattilaisella tai tavallisella kuluttajalla käytössään.
Luotettavaa ja edullista
Maaston topografisessa mallinnuksessa on aikaisemmin keskitytty maanpinnan muotojen ja korkeusvaihteluiden kuvaamiseen. Tieto- ja virtuaalitekniikan kehityksen myötä on syntynyt tarve sisällyttää ympäristömalleihin ja karttoihin kolmiulotteisuus mutta myös uusia kohdemalleja kuten puita, siltoja, taloja ja kokonaisia kaupunkiympäristöjä.
Kartat ja ilmakuvat, joita on perinteisesti käytetty lähiympäristömme mallintamisessa, ovat vanhanaikaisia kolmiulotteiseen suunnitteluun. Liikkuvassa kartoituksessa perspektiivi on lähtökohtaisesti lähes sama kuin autoilijoilla ja jalankulkijoilla, joten uutta tekniikkaa hyödyntävät ajantasaiset kolmiulotteiset aineistot tehostavat ja nopeuttavat esimerkiksi kaupunkiympäristön parannushankkeita.
Liikkuva kartoituksen kaupallinen toiminta kasvaa maailmalla vilkkaasti, sillä laitteistot alkavat olla riittävän kehittyneitä ja luotettavia. Liikkuvaa kartoitusta tekevien yritysten käyttämät järjestelmät ovat hankintahinnaltaan yleensä edullisempia kuin ilmalaserkeilaimet. Lisäksi maanpinnalla liikkuvan ajoneuvon käyttö- ja mobilisointikustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat kuin lentojärjestelmän.
Ajoväyliä ja jokia mallinnettu mobiilikeilauksella
Liikkuvalla kartoituksella tuotetaan tiheää ja yksityiskohtaista kolmiulotteista kuva-aineistoa ja pistepilveä kaupunkiympäristöstä. Liikkuvalta alustalta tehtävät mittaukset ovat erityisen käyttökelpoisia tie- ja katualueiden kartoittamiseen ja mallintamiseen. Lisäksi voidaan tutkia melun ja saasteiden leviämistä liikenneväylien lähettyvillä sijaitseviin asutusalueisiin sekä arvokkaisiin luonto- ja ympäristökohteisiin. Aineistoja tuotetaan jo esimerkiksi ympäristön seurantaan ja tulvamallinnuksen tarpeisiin.
”Liikkuvalla kartoituksella tuotetut mallit antavat mahdollisuuksia yksityiskohtaisten muutoksien tulkintaan. Menetelmällä voidaan seurata mm. liikenneväylien pintavaurioita ja turvallisuutta, kasvillisuuden biomassojen muutoksia, tehdä erilaisia ympäristövaikutusten arviointeja sekä seurata rakennettujen kohteiden, kuten siltojen ja tunneleiden muodonmuutoksia”, selostaa professori Juha Hyyppä Geodeettisesta laitoksesta.
”Esimerkiksi kaupunkikarttojen automaattiseen päivitykseen ajoneuvosta tehtävä kartoitus tuo huomattavia taloudellisia säästöjä”.
Massiivisia mutta tarkkoja pistepilvijoukkoja
Liikkuvan kartoituksen tuottama pisteaineisto on tavallisesti tiheää ja ulottuu muutaman kymmenen, jopa yli sadan metrin etäisyydelle kuljetusta reitistä. Esimerkiksi 20 kilometrin tuntinopeudella suoritettavalla kartoituksella saadaan mitattua tunnissa 20 km katualueita, mikä tarkoittaa noin 200 000 profiilia 10 sentin välein muutaman sentin pistetiheydellä.
Laseraineistoon yhdistetty digitaalinen valokuva-aineisto tarkentaa ja helpottaa kohteiden tunnistamista sekä sitomista koordinaatistoon. Näin tiet, suojatiet, parkkipaikat, valopylväät, kyltit ym. saadaan oikeaan paikkaan. Hankaluuksia tuottavat edelleen GPS-katkokset mitattavilla alueilla, minkä takia laitteiston paikannustarkkuus saattaa ajoittain huonontua. Kohteiden varjostus aiheuttaa aineistoon katvealueita, jollaisia ovat tyypillisesti kadun varteen pysäköityjen autojen taustat tai puiden ”varjot” rakennusten seinillä.
Aineistojen manuaalisten käsittelymenetelmien viemä aika on suuri ja sen vuoksi automaattisten menetelmien kehitys on tärkeää.
”Geodeettisen laitoksen päätutkimusaiheena on näiden aineistojen tuottamistekniikat, laatu ja tulkinnan automatisointi”, kertoo Juha Hyyppä. Hän kertoo myös laitoksen koordinoivan eurooppalaista tutkimushanketta, jossa selvitetään automatisoinnin tasoa eri maissa.
Miljoona pistettä sekunnissa
Geodeettisen laitoksen ROAMER-kartoituslaitteisto, kuten useimmat kaupalliset järjestelmätkin, perustuu paikannuslaitteistolta saatavaan sijainti- ja asentotietoon sekä laserkeilaimen etäisyysmittauksiin ja digitaalikuviin. Ajoneuvoon asennettava järjestelmäalusta on rakennettu TKK:n Maanmittaustieteiden laitoksen pajassa. Laserkeilain, kamerat sekä IMU ja GPS –vastaanottimet on integroitu alustaan toimivaksi kokonaisuudeksi.
Laitteiston erityispiirre on jopa miljoona pistettä sekunnissa mittaava keilain, joka voidaan kallistaa useampaan eri asentoon.
Liikkuvassa kartoituksessa käytetään suorapaikannusmenetelmää, jossa GPS-INS-järjestelmän havainnot lasketaan kolmiulotteisessa avaruudessa joko reaaliaikaisesti tai jälkilaskentaprosessissa. Mittaussensorit kytketään ajallisesti paikannukseen synkronoinnin avulla, jonka ansiosta mittaukset saadaan orientoitua maaston suhteen. Keilaimen etäisyysmittaukset muutetaan kolmiulotteisiksi pisteiksi eli pistepilveksi. Näin syntyy ympäristön geometriaa kuvaava nauhamainen kooordinaatistoon sidottu mittausaineisto.
Kännykkään 3D-karttoja?
Mittatarkka ja visuaalinen malli havaitusta ympäristöstä helpottaa tulevaisuudessa navigoimista vieraammassakin ympäristössä, kun tuotettu 3D-kartta saadaan osaksi kännykän tai navigaattorin toimintoja. Tutkijat Geodeettisessa laitoksessa ja Aalto-yliopistossa tekevät työtä tämän eteen . Tavoitteena on silmiä hivelevä, pelimaailmastakin tuttu 3D-ympäristö, joka on helposti käyttäjän tunnistettavissa.
Antero Kukko työskentelee erikoistutkijana Geodeettisessa laitoksessa. Sähköposti:antero.kukko@fgi.fi.
Hannu Hyyppä työskentelee dosenttina Aalto-yliopiston teknillisessä korkeakoulussa ja on Rakennetun
ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutin johtaja. Sähköposti: hannu.hyyppa[at]tkk.fi
Harri Kaartinen työskentelee erikoistutkijana Geodeettisessa laitoksessa. Sähköposti:harri.kaartinen[at]fgi.fi.
Marika Ahlavuo toimii Aalto-yliopiston teknillisessä korkeakoulussa Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituutissa koordinaattorina. Sähköposti: marika.ahlavuo[at]tkk.fi.
Matti Vaaja työskentelee tutkijana Aalto-yliopiston teknillisessä korkeakoulussa Maanmittaustieteiden laitoksella. Sähköposti: matti.vaaja [at]tkk.fi.
28.5.2010 17:33