1. No category

The Photogrammetric Journal of Finland, Vol. 22, No. 3, 2011
200 VUOTTA FOTOGRAMMETRIAN JA KAUKOKARTOITUKSEN HISTORIAA
Henrik Haggrén
Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu, Fotogrammetria ja kaukokartoitus
[email protected]
TIIVISTELMÄ
Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia jaetaan mittapöytäfotogrammetrian, analogisen,
analyyttisen ja digitaalisen fotogrammetrian aikakauteen. Kukin alkaa jostain oman aikansa
merkittävästä keksinnöistä, joita ovat olleet valokuva, lentokone, tietokone ja satelliitit. Eri
vaiheissa tärkeinä kartoitussovelluksina on esitetty maakuvaus, ilmakuvaus, ilmakolmiointi ja
dynaamiset 3D-mallit. Keksinnöt muuttuvat sovelluksiksi tutkijoiden näkemyksistä ja käyttäjien
tarpeista. Suomen fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historiassa esimerkkejä onnistuneista ja
tarpeellisista sovelluksista ovat esimerkiksi 1920- ja 1930-luvun tykistön ilmakuvakartat ja 1960- ja
1970-luvun ilmakolmiointi. Digitaalisen fotogrammetrian ajan sovelluksia ovat dynaamiset 3Dmallit. Niiden tulevaisuutta arvioidaan käyrillä, jotka esittävät fotogrammetrian ja
kaukokartoituksen tekniikoiden 200-vuotista kehitystä.
1. JOHDANTO
Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia voidaan jakaa kuvien kartoituskäytön perusteella
neljään peräkkäiseen aikakauteen, mittapöytäfotogrammetriaan, analogiseen, analyyttiseen ja
digitaaliseen fotogrammetriaan (Konecny, 1983; Konecny, 1985). Historia alkaa valokuvauksen
keksimisestä vuonna 1839 ja vaiheistuu noin 50 vuoden pituisiksi jaksoiksi (Kuva 1). Ensimmäisessä jaksossa maakuvia käytettiin mittapöydällä karttaa tekevän topografin havaintokirjana.
Toisen jakson eli analogisen fotogrammetrian tärkein sovellus oli ilmakuvaus ja oikaistut
ilmakuvakartat. Analyyttisen fotogrammetrian jaksossa sovellukset ohjelmoitiin tietokoneelle ja
menetelmät kehittyivät pistetihennykseksi tuottaen tarkkoja maastomalleja. Digitaalisen
fotogrammetrian jakso alkoi 1960-luvulla ja jatkuu edelleen. Kuvat digitalisoituivat, valokuvauksen
rinnalle tuli uusia kuvaustekniikoita sekä mittaukset tarkentuivat ja nopeutuivat. Ilmakuvakartat
muuntuivat dynaamisiksi 3D-malleiksi.
Historiassa kehitysjaksot vaiheistuvat myös sisäisesti ja lomittuvat toisiinsa. Jokainen jakso alkaa
oman aikansa tieteellisistä ja teknisistä läpimurroista. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen
historiassa näitä ovat olleet valokuvaus, lentokone, tietokone ja satelliitit. Kaikki merkittävät
keksinnöt aktivoivat uuden tutkimusvaiheen, ja keksintöjen parhaat ominaisuudet hyödynnetään
uusina sovelluksina.
Artikkelissa käydään läpi fotogrammetrian ja kaukokartoituksen 200-vuotista historiaa. Alan
kehittymistä teoriasta käytännön sovelluksiksi tarkastellaan kunkin kehitysjakson myötä sekä
kansainvälisesti että Suomessa. Lopussa heijastetaan mennyttä historiaa tulevaisuuteen.
9
Kuva 1. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen kehitysvaiheet. Taustakuva on Gottfried Konecnyn
julkaisusta vuodelta 1985 (Konecny, 1985).
2. MAAKUVAUS
Fotogrammetriaa sovellettiin 1800-luvulla arkkitehtitehtonisiin kuvauksiin ja geodeettisiin mittauksiin. Vaikka ensimmäisiin kokeiluihin sisältyi kuvauksia ilmapallosta, käytännössä työt rajoittuivat
maakuvauksiin. Albrecht Meyenbauer perusti Saksaan eli silloiseen Preussin kuningaskuntaan
vuonna 1885 Messbildanstalt-nimisen mittakuvalaitoksen. Sen tehtävänä oli dokumentoida ja
kuvata kaikki kansallisesti merkittävät julkiset rakennukset. Meydenbauer oli vakuuttunut siitä, että
tarkka tieto rakennuksesta voidaan parhaiten tallentaa valokuvalle, koska rakennus kuluu, muuttuu
ja lopulta häviää ajan mukana. Hän rakensi tarkoitukseen sopivat kamerat ja valokuvalevyt.
Kamerat olivat mukana kulkevia, kokoontaitettavia ja kevytrakenteisia, mutta silti geometrisesti
tukevia. Jokaiselle kuvalle tuli mahtua mahdollisimman paljon tietoa kohteesta. Kuvat olivat suuria
lasilevyjä, suurimmat kooltaan 40 cm x 40 cm. Meydenbauerin laitos toimi vuoteen 1920 ja kuvia
otettiin yhteensä noin 20000 kpl (Albertz, 2001). Arkistossa olevia kuvia käytetään vanhojen ja
hävinneiden rakennusten rekonstruoimiseen (Kuva 2).
Maakuvien käyttö geodeettisiin mittauksiin oli hankalaa. Maaston tuli olla sovelluskohteissa avoin
ja näkymien katveettomia. Kuvausta varten kiivettiin mahdollisimman korkealle, ylös rinteeseen tai
lähellä olevan rakennuksen katolle. Yksi varhaisia töitä on Dachelin keitaan kartoitus Libyassa,
missä Jordan kuvasi vuonna 1874. Finsterwalder kuvasi Alpeilla jäätiköitä. Hänen kameransa oli
fotogrammetrinen teodoliitti eli valokuvausteodoliitti. Tähtäyskaukoputki muodostui okulaarista,
joka asetettiin kuvatasolle, ja kameraobjektiivista, jota siirtämällä nostettiin tai laskettiin kuvan
horisonttia. Kuvat otettiin kolmiopisteiltä ja kuvattiin panoraamasarjoina. (Jordan, 1897)
Fotogrammetrinen kartoitus oli luonteeltaan yksikuvamittausta. Kyse oli mittapöytämittauksesta,
missä teodoliitti korvattiin valokuvausteodoliitilla (Kuva 3). Kamera orientoitiin kuten teodoliitti eli
se pystytettiin tunnetulle asemapisteelle, tasattiin ja suunnattiin (Kuva 4). Valokuvan etuna oli se,
että mittakuvalle tallentui silmänräpäyksessä sekä kohteen näkymä että perspektiivi. Nämä
kiinnittyivät asemapisteeseen kuvanottohetkellä. Näkymä tulkittiin kuvalta pisteinä. Koska kartoitus
10
tehtiin jälkikäteen, kartoitettavia pisteitä voitiin valita tarpeen mukaan lisää ja vähitellen piirtää
koko näkymä kartalle. Perinteisellä mittapöydällä kohde piirrettiin suuntien ja etäisyyksien avulla.
Valokuvausteodoliitilla etäisyysmittauksia ei tarvittu, koska kukin yksityiskohta havaittiin kahdesta
eri suunnasta. (Gruber, 1911)
Kuva 2. Berliinin historiallisessa keskustassa Spree-joen länsirannalla sijaitseva komendantin
rakennus Kommendantur on rekonstruoitu julkisivuiltaan entisen kaltaiseksi Meydenbauerin kuvien
perusteella.
Kuva 3. Valokuvausteodoliitti, jonka on valmistanut Günther & Tegetmeyer Saksassa
Braunschweigissa. Geodesian professori Alfred Petrelius hankki kojeen Teknilliselle korkeakoululle
1900-luvun alussa. Kasimir Sinervä (ent. Sjöstedt) teki sillä diplomityön vuonna 1910. Aiheena oli
Hietalahden satama-alueen fotogrammetrinen kartoitus (Savolainen, 1983). Kuva: Raimo Laurén.
Valokuvausteodoliitilla mittaaminen oli geodeettisesta eteenpäinleikkauksesta. Kuvat mitattiin
koordinatografilla. Kartalle piirrettiin pääpystysuora kuvan asemapisteestä tähtäyspisteeseen. Uusi
piste havaittiin kuvalta siten, että luettiin vaakakulma ja tämä suunta piirrettiin kartalle. Kun
havainto toistettiin seuraavalla kuvalla, uusi piste piirtyi kartalle. Tarkka paikka voitiin vielä
varmentaa kolmannella kuvalla. Kartoitus oli kolmiulotteista. Kun kuvalta mitattiin pystykulma ja
kartalta etäisyys, korkeusero kameran projektiokeskuksen ja uuden piirretyn pisteen välillä
laskettiin trigonometrisesti.
11
Yksikuvamittaus valokuvausteodoliitin kuvista soveltui rakennusten pohja- ja julkisivupiirrosten
mittaamiseen, koska eri kuvilta oli helppo löytää yhteisiä vastinpisteitä. Maastoa kartoitettaessa
pisteiden tulkinta oli epävarmaa. Yksiselitteisiä pisteitä oli vähän ja, kun perspektiivi muuttui,
vastinpisteiden löytäminen oli seuraavilta kuvilta hankalaa. Tarkassa tunnistamisessa käytettiin
apuna kuville piirrettyjä sydänsuoria. Uudet pisteet tihensivät kartan geodeettisen runkoverkon.
Maanpinnan topografiaa ei tulkittu kuvilta, koska korkeuskäyrät hahmoteltiin maastossa ja
piirrettiin kartalle vasta, kun runkopisteet oli tihennetty.
Kuva 4. Maakuva V. G. Teiskonlahden diplomityöstä vuodelta 1923. Tehtävänä oli kartoittaa
Lapinniemen tehdasalue fotogrammetrian avulla ja se tehtiin valokuvausteodoliitilla.
”Kartotettaessa on käytettävä hyväksi Tampereen kaupungin kolmioitusta” (Teiskonlahti, 1923).
Teodoliitti on tasattu ja suunnattu kiintopisteeseen, joka sijaitsee silloisen Ferrarian tehtaan
savupiipussa.
3. ILMAKUVAUS
Fotogrammetrian matemaattinen perusta pohjaa deskriptiiviseen geometriaan. Keskiajalla perspektiivikuvia piirrettiin neulanreikäkameralla käyttäen pimeää huonetta, ”camera obscuraa”. Valokuva
tallensi muunnoksen kohteesta kuvalle automaattisesti. Guido Hauck rakensi fotogrammetrisen
laskimen perspektiivikuvaukselle vuonna 1884 (Brauer, 1891; Albertz, 1981) (Kuva 5). Ohjaimina
hän käytti puusäleitä.
Stereotarkastelu liittyi fotogrammetriseen mittaamiseen stereokomparaattorissa, jonka Carl Pulfrich
kehitti vuonna 1901. Siinä käytettiin avaruusmittamerkkiä, jolla vaakaparallaksihavainnot muunnettiin etäisyyden mittaamiseksi. Eduard von Orel ja Vivian Thompson kehittivät komparaattorista
automaattisen stereokartoituskojeen, jossa maakuvahavainnot munnettiin mekaanisten varsien
avulla kolmiulotteisiksi koordinaateiksi. Max Gasser kehitti 1915 Multiplex-projektorin, jolla
maanpintaa kartoitettiin ilmakuvilta, ja korkeuskäyrät piirtyivät stereomallia tulkitsemalla.
Koordinaattien laskemiseen ei tarvittu erillisiä laskutoimituksia, koska analogiset avaruusohjaimet
muunsivat koordinaatit kuvaparilta kartalle automaattisesti. (Konecny, 1983)
Ilmakuvaus kehittyi erityisesti maailmansotien välisenä aikana 1920- ja 1930-luvuilla.
Kartoituskuvauksissa lentokone korvasi ilmapallon ja ilmalaivan. Saksalainen E. O. Messter oli
12
kehittänyt sarjamittakameran jo vuonna 1915. Ilmakuvakameroilla kuvattiin koko kartoitusalue
niin, että kuvat peittivät toisensa. Peitot olivat alkuun niukkia, peräkkäisten kuvien ja vierekkäisten
jonojen välillä 20-30 %. Kuvaamista tehostettiin suurentamalla kuvakokoa ja käyttämällä
laajakulmaista optiikkaa. Lasilevyjen sijaan ryhdyttiin käyttämään mitanpitävää filmiä. Myös
filmivalikoima laajeni, kun pankromaattisen lisäksi voitiin kuvata lähi-infrapunaisella valolla.
Fotogrammetrian tärkeänä matemaattisena tutkimustehtävänä on alusta alkaen ollut kameran
ulkoisen orientoinnin eli kuvauspaikan ja -suunnan määrittäminen kohteen suhteen. Valokuvateodoliitin ulkoinen orientointi määräytyi asemapisteen koordinaattien ja tähtäyssuunnan mukaan.
Ilmakuvauksissa asemapistettä ei tunnettu, joten kuva oli orientoitava kohteen näkymän perusteella.
Kyse on ns. vapaan asemapisteen määrittämisestä. Kun kohde on kolmiulotteinen, orientointi
voidaan laskea kuvan perspektiivin suhteen tarkasti ja yksiselitteisesti.
Kuva 5. Vanhin tunnettu mekaaninen laskukoje fotogrammetriassa on Guido Hauckin
Perspectograph vuodelta 1884 (Brauer, 1891). Koje piirsi vaaka- ja pystyleikkauskuvien O1 ja O2
perusteella kohteesta perspektiivikuvan O3, kun kameran P ja kuvatason G orientaatio oli annettu
(Haggrén, 2004).
Alkuun ilmakuvat orientoitiin visuaalisesti. Esimerkiksi piirtomuuntokojeessa kuva heijastettiin
kartan päälle, jolloin kuvaa suurentamalla ja pöytälevyä kallistamalla kuva ja kartta voitiin sovittaa
yhteen. Sen jälkeen ilmakuvalla näkyvät uudet kohteet piirrettiin kartalle. Orientointi voitiin
määrittää laskemalla, mikäli kuvan alueella näkyi vähintään kolme kiintopistettä. Ratkaisu esitettiin
pyramidiprobleemana eli taaksepäinleikkauksena avaruudessa (Finsterwalder ym., 1903). Laskutoimitukset olivat hankalia ja kiintopisteiden mittaaminen hidasta.
Suomessa kehitettiin 1920-luvulla tykistön kartoitustarpeisiin horisonttikuvausta. Tykistökenraali
Vilho Nenosen ja K. G. Löfströmin ajatuksena oli korvata kiintopisteet havaitsemalla kameran
ulkoisen orientoinnin suureet kuvaushetkellä. Kallistuskulmat kuvattiin kahteen suuntaan horisontista (Löfström ym., 1930). Vilho Väisälän kehittämällä nestestatoskoopilla pidettiin lentokoneen
korkeus kuvanottovälillä vakaana (Väisälä ym., 1932). Näiden havaintojen perusteella kartoitusalueen kuvat oikaistiin yhtenäiseksi ilmakuvakartaksi. Ensimmäinen oikaisukoje, joka Suomeen
hankittiin vuonna 1927, oli ranskalaisen Roussilhen valmistama. Nenon-kameran prototyyppi
valmistui keväällä 1928 Asevarikko 1:n korjauspajalla Katajanokalla (Kuva 6). Onnistuneiden
koetöiden jälkeen Löfström patentoi keksinnön (Löfström ym., 1930). Zeiss Aerotopograph GmbH
valmisti ensimmäisen horisonttimittauskameran Nenon RMK C/6 15x15 vuonna 1930. Nenonkameran runkona oli Zeissin sarjavalmisteinen ilmakuvauskamera RMK P 10. Kamerassa oli Zeiss-
13
Tessar -objektiivi, jonka polttoväli oli 165 mm ja kuvakoko oli 15 x 15 cm. (Löfström, 1946;
Paulaharju, 1997).
Ilmakuvakartta soveltui suurimittakaavaiseen kartoitukseen 1:10000–20000. Horisonttimittauskameran kuvista koottu karttalehti ei vääristynyt, jos se valmistettiin oikaistuista pystykuvista
(Kuva 7). Menetelmä soveltui nopeaan kartoitukseen, koska maastossa mitattuja kiintopisteitä
tarvittiin vain koordinaattiruuduston sijoittamiseen kartalle. Jatkosodan aikana suomalaiset
valmistivat ilmakuvapikakarttoja, jotka olivat joukkojen käytössä runsaan vuorokauden kuluttua
kuvaamisesta. (Paulaharju, 1983)
Kuva 6. Nenosen horisonttikamera vuodelta 1929 Tykistömuseossa Hämeenlinnassa. Kameran
vieressä on Vilho Väisälän konstruoima statoskooppi. (Tykistömuseo, 2007)
Kuva 7. Zeiss-Aerotopograph’in valmistama oikaisukoje SEG I eli Kaisu Tekniikan museossa.
”Kojetta käytettiin Suomessa vuosina 1935-1960. Kaisuksi kutsuttu koje osallistui sotiin
seuraamalla tiedustelulentueita kenttien läheisyyteen” (Tekniikan museo, 2007).
14
Ilmakuvaus stereokartoitukseen soveltuvalla 60 % peräkkäispeitolla yleistyi rullafilmien myötä.
Stereokartoitusta tehtiin pienimittakaavaisille topografisille kartoille. Zeissin Aeromultiplexkojeessa oli useita projektoreita jonossa. Ilmakuvat pienennettiin diapositiiveiksi, joilla jonomallin
anaglyfikuva heijastettiin kartoituspöydälle. Zeissin stereoplanigrafia käytettiin kolmiointiin, kun
kartoille tihennettiin tukipisteitä. Pisteet mitattiin stereomalleilta ja ”ylivietiin” seuraavalle mallille.
Näin kuvajonolle muodostui yhtenäinen tiheä pisteverkko, joka sidottiin ilmakolmioinnilla
kiintopisteisiin. Maastossa mitattavien kiintopisteiden väliksi riitti jopa 20-30 km. (Paulaharju,
1997)
Suurimittakaavaisissa kartoituksissa stereokartoitus yleistyi 1950-luvulla. Yhtenä syynä oli
ortoilmakuvien valmistaminen, missä yksityiskohtainen oikaisu edellytti tarkkaa tietoa maanpinnan
topografiasta. Bean kehitti 1953 ortofotoskoopin asettamalla Balplex Plotter -stereokartoituskojeen
projektiotasolle valotusrummun. Oikaistu ilmakuvapari projisioitiin rummulle ja toinen kuvista
valottui kuvakselle pienestä aukosta. Aukko toimi samalla mittamerkkinä, jonka korkeutta
muutettiin maanpinnan parallaksihavaintojen mukaan. Maanpintaa havaittiin yhdensuuntaisin
profiilein, ja samaan aikaan rumpu pyöri ja valotti ortoilmakuvan kapeina kaistaleina. Jokainen
piste ja kaistale kuvautui samaan mittakaavaan. Gigas-Zeissin ortoprojektorissa ortokuvan
tarkkuutta lisättiin ottamalla oikaisussa huomioon myös maaston kaltevuus ja kuvan perspektiivi.
(Halonen, 1968)
4. ILMAKOLMIOINTI
Automaattinen tietojenkäsittely kehittyi fotogrammetrian sovelluksissa 1950-luvulta alkaen. Uki
Helava patentoi Kanadassa National Research Councilissa analyyttisen plotterin keksinnön (Helava,
1958). Italialainen OMI Ottica Meccanica Italiana alkoi valmistaa kojeita siviilikäyttöön 1960luvulla (Konecny, 1983). Analyyttisessä stereokartoituskojeessa mekaaniset orientointiliikkeet ja
avaruusohjaimet korvattiin tietokoneohjelmilla. Kuvakannattimet ja mittausoptiikka kytkeytyivät
toisiinsa sähköisesti. Kun operaattori kartoitti maastoa stereomallilta, avaruusmittamerkin liike
muunnettiin tietokoneella mittausoptiikan liikkeeksi. Murros analogisista kojeista analyyttisiin kesti
20 vuotta. Kun Kansainvälisen fotogrammetrian seuran ISP:n kongressi järjestettiin vuoden 1976
kesällä Helsingissä, analyyttiset plotterit olivat syrjäyttäneet analogiakojeet alan laitekehityksen
kärjestä.
Analyyttisen fotogrammetrian kehitys oli erityisen nopeaa ilmakolmioinnissa. Tämä johtui
avaruustekniikan tutkimuksen tarpeista ja automaattisen tietojenkäsittelyn suomista uusista
mahdollisuuksista. Hellmut Schmid ja Duane Brown kehittivät 1950-luvulla fotogrammetriaan
tarkat kuvausyhtälöt, jotka soveltuivat ballististen kameroiden kalibroimiseen ja satelliittien
ratalaskuihin (Konecny, 1983). Kuvaamalla liikkuvaa tähtitaivasta saatiin aikaiseksi kuvasarja,
josta samassa blokkitasoituksessa ratkaistiin kuvien ulkoiset orientoinnit, satelliittien ratapisteiden
3D-koordinaatit, kameran sisäinen orientointi ja objektiivin kuvausvirheet. Suomessa geodesian
professori R. A. Hirvonen esitti vuonna 1959 tarkat kuvausyhtälöt, joita sovellettiin sädekimppukolmiointiin kartoitusilmakuvauksissa (Hirvonen, 1959; Hirvonen, 1965).
Teknillisen korkeakoulun fotogrammetrian professoriksi nimitettiin vuonna 1960 R.S. Halonen.
Analyyttisen fotogrammetrian tutkimus nousi kansainvälisesti merkittävälle uralle, kun Halonen
hankki laboratorioon Zeissin PSK II -stereokomparaattorin. Einari Kilpelän väitöstutkimus
sädekimppualuetasoituksen blokkideformaatioista loi perustan ilmakolmioinnin käytännön
soveltamiselle. Hannu Salmenperä kehitti fotogrammetrista kolmiointia lisäämällä tasoitukseen
geodeettiset havainnot maakuvasovellusten tarpeisiin. Juhani Hakkarainen rakensi horisontaali-
15
goniometrin ja kehitti ilmakuvakameroiden kalibrointia yhdessä optiikan alan saksalaisten ja
sveitsiläisten laitevalmistajien ja tutkimuslaitosten kanssa. Einari Kilpelä johti 1980-luvulla laajaa
kansainvälistä yhteistutkimusta, jossa perusteellisin koetöin selvitettiin kamerakalibroinnin
lisäparametrien käyttö ilmakolmioinnissa. Aktiivinen osallistuminen alan tutkimusyhteistyöhön
ISPRS:n ja OEEPE:n puitteissa loi sen kansallisen perustan, jonka varaan suomalaiset yritykset
rakensivat ilmakuvakartoituksesta yhä tänä päivänä menestyvän vientituotteen (Kuva 8).
Kuva 8. Suomalaiset kartoitusalan yritykset kansainvälistyivät 1960-luvulla. Vientiprojekteissa oli
mahdollisuus investoida uusimpaan ilmakuvaus- ja kartoitustekniikkaan, tasata työhuippuja
kotimaassa ja saada tarpeellista kokemusta yhä haastavampiin asiantuntijatehtäviin (Wik, 1990).
Kuvat ovat FM-International Oy FINNMAP:in 60-vuotishistoriikista (FM-International, 2011).
5. DYNAAMISET 3D-MALLIT
Digitaalisen fotogrammetrian kehitys alkoi puolijohdetekniikasta, mikä toi mukanaan transistorit,
mikropiirit ja CCD-kennot. Jo vuonna 1955 P. Rosenberg julkaisi Photogrammetric Engineering –
lehdessä teorian siitä, miten ilmakuvat prosessoidaan kuvauslennolla (Rosenberg, 1955). Ensimmäiset Landsat-satelliittikuvat yleistyivät tutkijoiden siviilikäytössä 1970-luvulla. Kuvat olivat
monikaistaisia keilainkuvia ja soveltuivat luonnonvarojen inventointiin (Kuittinen ym., 2011).
Vuonna 1986 saatiin ranskalaisen SPOT-satelliitin kuvia, jotka oli otettu rivikeilaimella ja
geometrisesti riittävän tarkkoja, jotta ne soveltuivat maanpinnan stereokartoitukseen.
Digitaaliset kuvat, tietokoneen kuvamuistit ja kuvankäsittelytekniikka tekivät mahdolliseksi
rakentaa mittaus- ja kartoitusjärjestelmiä, jossa ei käytetty lainkaan mekaanisia ohjaimia. Suomessa
tätä kehitystyötä tehtiin 1980-luvulla Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa VTT:ssä. Tapani
Sarjakoski esitti digitaalisen stereokartoituskojeen konseptin vuonna 1981 (Sarjakoski, 1981).
Tosiaikainen 3D–kuvamittausjärjestelmän prototyyppi teollisuuden laadunvarmistussovelluksiin
kehitettiin digitaalisen kuvankäsittelyn tutkimusohjelmassa vuosina 1982-1984 (Haggrén, 1986).
Ensimmäinen väärävärivideokamera toimitettiin Karelsilva Oy:lle vuonna 1991 ja AISA-spektrometri valmistui vuonna 1992. (Parmes, 2011)
Tultaessa 2000-luvulle digitaaliset ilmakuvakamerat ovat korvanneet filmiskannerit ja koko
tuotantoprosessi ilmakuvauksesta kartoiksi on muuttunut digitaaliseksi. Kameroilla kuvataan
samanaikaisesti mustavalko-, väri- ja väri-infrakuvaa. Sovellukset kehittyvät uusien kuvaus- ja
16
paikannustekniikoiden myötä. Hyperspektrikameralla mitataan spektri jokaiselle kuvan pisteelle.
Interferometrisella SAR-kuvalla tutkitaan maanpinnan muotoja ja polarimetrisella SAR-kuvalla
puustotietoja. Laserkeilaimella kuvataan 3D-ympäristöä tiheänä pistepilvenä. Kuvausten navigointiin ja kuvien suoraan georeferointiin käytetään satelliitti- ja inertiapaikannusta. Mobiilit kartoitusjärjestelmät ovat matalalla tai maan päällä liikkuvia kartoitusjärjestelmiä, joissa kuvaus- ja
paikannustekniikoita integroidaan yhteiseen alustaan (Kuva 9). Jatkuvan laite- ja sovelluskehityksen
myötä Suomeen on syntynyt uusia fotogrammetrian ja kaukokartoituksen vientituotteita (Kuva 10).
Kartoituksen digitalisoitumisen myötä kuvat muuttuvat dynaamisiksi 3D-malleiksi. Uudet
visuaaliset sovellukset – esimerkkeinä geograafiset 3D-käyttöliittymät, Imax-teatterien panoraamakuvat, stereoelokuvien tuotanto, ympäristömuutosten havainnollistaminen, henkilökohtaiseen
navigointiin liittyvät fly through ja walk through -esitykset edellyttävät rakennetusta ja luonnonympäristöstä kerätyn 3D-tiedon tarkkaa yhteensovitusta, yksityiskohtaisuuden mittakaavattomuutta,
geometrista oikeellisuutta ja värien ja valaistuksen luonnonmukaisuutta. Merkittävä tutkimustarve
kohdistuukin kuvaavien sensorien mallintamiseen, integroitujen järjestelmien kalibroimiseen ja
alkuperäisten havaintojen epävarmuuden huomioimiseen (Hyyppä ym., 2009).
Kuva 9. Geodeettisen laitoksen mobiili kartoitusjärjestelmä FGI Roamer (Chen, 2009).
Kuva 10. Suomalaisia fotogrammetrian ja kaukokartoituksen alan vientituotteita 2000-luvulla.
17
6. TULEVA KEHITYS
Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historian aikana kuvaus- ja laskentatekniikat ovat
muuttuneet analogisista digitaalisiksi. Tämä on lyhentänyt tiedon keruusen kuluvan ajan
vuorokausista sekunnin murto-osiin ja kuvien käsittelyyn kuluvan ajan vuosista sekunneiksi (Kuva
11). Maanmittauslaitos aloitti ilmakuvilta tehtävän peruskartoituksen Suomessa 1940-luvulla ja
kartta valmistui koko maasta vuonna 1977. Tällä hetkellä maastotietokannan ajantasaisuus on viisi
vuotta (Maanmittauslaitos, 2011). Sebastian Finsterwalder kuvasi vuonna 1899 Gars am Innissä
ilmapallolla kuvaparin, mittasi näkymää piste pisteeltä ja sai kartan valmiiksi kolmen vuoden
kuluttua (Konecny, 2010). Nyt laserkeilaimilla mitataan tuhansia 3D-pisteitä sekunnissa (Zhu,
2011). Amerikkalaisen Digital Globe -yrityksen WorldView-satelliitit kuvaavat maanpintaa puolen
metrin pikselikoolla ja toistavat kuvan 30 sekunnissa (Jordan, 2010; Deilami ym., 2011).
Kuva 11. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia kuvattuna kartoitusnopeuden ja
ajantasaisuuden kehityskäyrin.
Samassa ajassa ilmakuvakarttojen sisältö on moninkertaistunut ja tietojen yksityiskohtaisuus
lisääntynyt (Kuva 12). Kun valokuvauksen alkaessa kuvat olivat pankromaattisia ja mustavalkoisia,
uusi AisaDUAL hyperspektrikamera jakaa kuvan 400-2500 nm välisellä aallonpituusalueella 498
kanavaan (Specim Imaging, 2011).
Kuva 12. Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia kuvattuna kartan sisällön
moniulotteisuuden ja erotuskyvyn kehityskäyrin.
18
Aikasarjat lisäävät karttojen dynaamisuutta. Illka Korpela kolmioi Hyytiälästä 370 ilmakuvaa
vuosilta 1946-2004 ja sitoi eriaikaiset kuvat yhteen luonnollisilla liitospisteillä kuten yksittäisillä
puilla (Korpela, 2005). Petri Rönnholm käytti pistepilvien ja kuvien yhteensovitukseen maanpinnan
muotoja ja rakennusten piirteitä (Rönnholm, 2010). Pienpiirteiset korkeusmallit ja niitä täydentävät
yksityiskohtaiset kaupunkimallit tihentävät geodeettisen koordinaatiston kaikkialle lähiympäristöömme. Maanmittauslaitoksen tuottaman ja laserkeilaukseen perustuvan valtakunnallisen korkeusmallin pistetiheys on 0,7 pistettä neliömetrillä. Sen ruutukoko on 2 m x 2 m ja korkeustiedon
tarkkuus ruudun keskellä 0,3 m (Maanmittauslaitos, 2011). Googlen Street View –sovelluksessa
kuvat projisioidaan kolmiulotteisen kaupunkimallin pinnalle (Google, 2011). Tälle kehitykselle ei
näy loppua: “The best way to predict the future is to invent it.” (Jordan, 2010).
7. YHTEENVETO
Tässä kirjoituksessa on esitetty fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historia 200 vuoden ajalta
lyhyin tuokiokuvin ja liitetty ne yhteen eri ajanjaksoille tunnusomaisten tekniikoiden ja sovellusten
kautta. Ajanjaksot alkavat jostain oman aikansa merkittävästä keksinnöstä, joita ovat olleet valokuva, lentokone, tietokone ja satelliitit. Tärkeinä kartoitussovelluksina on esitetty maakuvaus,
ilmakuvaus, ilmakolmiointi ja dynaamiset 3D-mallit.
Keksinnöt eivät muutu sovelluksiksi itsestään. Siihen tarvitaan tutkijoita ja käyttäjiä. Tutkijat
kehittävät tekniikoita ja luovat niistä sovelluksia, käyttäjät pyrkivät hyödyntämään näitä. Suomen
fotogrammetrian ja kaukokartoituksen historiassa esimerkkejä onnistuneista ja tarpeellisista
sovelluksista ovat esimerkiksi 1920- ja 1930-luvun tykistön ilmakuvakartat ja 1960- ja 1970-luvun
suurikaavaisen kartoituksen pistetihennys. Digitaalisen fotogrammetrian sovelluksista arvioita ei
vielä voi tehdä, vaikka edellä on esimerkinomaisesti esitetty joitakin. Onnistuneet sovellukset
riippuvat tulevista käyttäjistä. Tässä esityksessä sovellukset on projisioitu käyrillä, jotka esittävät
fotogrammetrian ja kaukokartoituksen tekniikoiden tulevaa kehitystä.
LÄHTEET
Albertz, J., 1981. 50 Jahre Photogrammetrie an der Technischen Universität Berlin, 1930-1980, Festschrift zum
70. Geburtstag von Rudolf Burkhardt (1981), 299 s.
Albertz, J., 2001. Albrecht Meydenbauer – Pionier der photogrammetrischen Dokumentation des Kulturerbes.
Proceedings 18th International Symposium CIPA 2001 Potsdam (Germany), September 18 - 21, 2001.
Brauer, E., 1891. Hauck-Brauer´s Perspektiv-Zeichenapparat, Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure
35(1891), s. 782-786.
Chen, R., Hyyppä, J., Kuittinen, R., Pei, L., Chen, Y., Zhu, L., Wang, J., Zhang, L., Zhang, J., Liu, Z., Takala, J.,
Leppäkoski, H. & Ye, L., 2010. 3D Personal Navigation and Location-Based Service for the World Exposition in
Shanghai in 2010, esitelmä http://www.fgi.fi/3D-NAVI-EXPO/ 30.9.2011.
Deilami, K. & Hashim, M., 2011. Very High Resolution Optical Satellites for DEM Generation: A Review,
European Journal of Scientific Research, Vol.49 No.4 (2011), s. 542-554.
FM-International Oy, 2011. Kartoituksen kuusi vuosikymmentä. http://www.finnmap.com/finnmap60/, 30.9.2011.
Finsterwalder, S., & Scheufele, W., 1903. Das Rückwärtsschneiden im Raum. Sitzung der math.-phys. Klasse
vom 7. November 1903, s. 591-614.
Google, 2011. Valokuvien muuntaminen Street View –kuviksi. Google Maps,
http://maps.google.fi/intl/fi/help/maps/streetview/technology/photos-into-street-view.html, 30.9.2011.
19
Gruber, O., 1911. Der Hochjochferner im Jahre 1907. Seine Vermessung in den Jahren 1907 und 1908.
Inauguralsdissertation der philosophischen Fakultät Sekt. II der Ludwig-Maximilians-Universität München, 1911,
42 s.
Haggrén, H., 1986. Method for the three-dimensional surveillance of the object space, patentti, US
4928175, 11.4.1986.
Haggrén, H., 2004. Applications of projective transformation for stereo photogrammetry. Väliraportti, Suomen
Akatemia, 12.5.2004.
Halonen, R. S., 1968. Fotogrammetria I, Moniste n:o 216, 2. painos, Teknillisen korkeakoulun ylioppilaskunta,
Otaniemi 1968, 213 s.
Helava, U. V., 1958. Photogrammetric Plotter, patentti, CA 651958.
Hyyppä. J., Jaakkola, A. & Kaasalainen, S., 2009. Laser Scanning Research Activities in Finland. Esitelmä,
EuroSDR Meeting, Masala, 21-23 October, 2009, http://www.eurosdr.net/meetings/115/presentations/h-2.pdf
Jordan, L., 2010. GeoImagery: A New Paradigm for GeoInformatics, esitelmä, ISPRS Centenary Conference Vienna, Austria, 4.7.2010.
Jordan, W., 1897. Handbuch der Vermessungskunde. Zweiter Band: Feld- und Land-Messung, Fünfte verbesserte
und erweiterte Auflage, J. B. Metzlerscher Verlag, Stuttgart, 1897, 785 s.
Konecny, G., 1983. Development of Photogrammetric Instrumentation and Its Future, in: Finnish Society of
Photogrammetry 1931-1981, Anniversary Publication, The Finnish Society of Photogrammetry and Institute of
Photogrammetry, Helsinki University of Technology, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, s. 21-48.
Konecny, G., 1985. The International Society for Photogrammetry and Remote Sensing - 75 Years Old, or 75
Years Young", Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 51(7), s. 919-933.
Konecny, G., 2010. 100 Years ISPRS, esitelmä, ISPRS Centenary Conference - Vienna, Austria, 4.7.2010.
Korpela, I., 2005. Metsäalueen historian rekonstruointi ilmakuva-aikasarjoista, esitelmä, Paikkatietomarkkinat,
Helsinki 27.9.2005.
Kuittinen, R. & Kilpelä, E., 2011. Kaukokartoituksen alkutaipaleelta, Maanmittaus 86:1 (2011), s. 8-24.
Löfström, K. G. & Lehtonen, T. K., 1930. Verfahren zur Bestimmung der Neigung und Verkantung einer
Flugphotographie im Belichtungsaugenblicke, patentti, DE 507266, 13.9.1930.
Löfström, K. G., 1946. Ilmakuvakartoitus Suomessa. Suomen Fotogrammetrinen Seura 1931-1946, s. 76-109.
Niemelä, O., 1998. Suomen karttojen tarina 1633-1997, Näin Suomi kartoitettiin katseltavaksi. Maanmittauslaitos,
Karttakeskus Oy, Suomen Kartografinen Seura, Helsinki 1998, 176 s.
Parmes, R., 2011. Satelliittikuviin liittyvä tutkimustyö VTT:ssä 1980–1995, Maanmittaus 86(1), s. 25-38.
Paulaharju, J., 1983. Suomen sotilaskartoitus, Topografikunta, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, 139
s.
Paulaharju, J., 1997. Sotilaat kartoittavat, Suomen sotilaskartoituksen historia, Topografikunta, Topografikunnan
Karttapaino, Helsinki 1997, 239 s.
Rosenberg, P., 1955. Information theory and electronic photogrammetry. Photogrammetric Engineering, 21(4), s.
543-555.
Rönnholm, P., 2010. Orientation and Integration of Images and Image Blocks with Laser Scanning Data, Doctoral
Dissertation, Aalto University, School of Science and Technology, Espoo 2010, 63 s.
Sarjakoski, T., 1981. Concept of a Completely Digital Stereoplotter, The Photogrammetric Journal of Finland,
Vol. 8, No. 2, 1981, s. 95-100.
20
Savolainen, A., 1983. A Look into the History of Photogrammetry in Finland. In: Finnish Society of
Photogrammetry 1931-1981, Anniversary Publication, The Finnish Society of Photogrammetry and Institute of
Photogrammetry, Helsinki University of Technology, Topografikunnan Karttapaino, Helsinki 1983, s. 21-48.
Specim Imaging, 2011. Specim Imaging Ltd.,
datasheets/dual_datasheet_ver1-2011.pdf, 3.10.2011.
AisaDUAL-esite,
http://www.specim.fi/media/aisa-
Teiskonlahti, V. G., 1923. Fotogrammetrinen kartotus, diplomityö, TKK:n Insinööriosasto, Helsinki 1923.
Tekniikan museo, 2007. Oikaisukoje SEG I, 1935. Näyttelyteksti, 18.6.2007.
Tykistömuseo, 2007. Nenon-kamera, 1929. Näyttelyteksti, 23.11.2007.
Väisälä, V., Löfström, K. G. & Lehtonen, T. K., 1932. Menettelytapa ilmanpainevaihtelujen mittaamiseen
käytetyn nestemanometrin suljetun ilmamäärän lämpötilan muuttumattomana pitämiseksi, patentti, FI 14619,
9.9.1932.
Wik, S., 1990. Suomalaisten yritysten kansainvälinen toiminta. MIL 100 vuotta 1990, Maanmittausinsinöörien
Liitto ry, Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä 1990, s. 70-74.
Zhu, L., Hyyppä, J., Kukko, A., Kaartinen, H. & Chen, R., 2011. Photorealistic Building Reconstruction from
Mobile Laser Scanning Data. Remote Sensing, 2011, 3, 1406-1426; doi:10.3390/rs3071406, 30.9.2011.
21