Joustavat maastomallituotannon menetelmät

Tiesitkö, että maastomallituotannossa on muitakin mahdollisuuksia, kuin pelkkä takymetrimittaus? Maastomallinnuskokeen tarkoituksena oli tutkia SX10 ja GS18i -kojeilla tehtävää laserkeilausta sekä kuvista tehtävää mittausta ja näistä tuotettavaa pistepilveä. Toteutuksen puolesta ja siitä saatavan aineiston käsittelyä ajatellen vertailussa oli esillä myöskin Rovaniemen kaupungin itse tuottama taiteviiva-aineisto. Paneudun kokeeseen niin laadullisesti, ajallisesti sekä ajatellen, minkä tyyppinen mittausmenetelmä sopii mihinkin tilanteeseen.

Kunnat ja kaupungit tuottavat paljon maastomalleja erilaisiin suunnittelutarpeisiin, kuten esimerkiksi infran saneerauksien tai muun rakentamisen lähtötietoaineistoksi. Maastomalli tarkoittaa kohteesta luotua digitaalista mallia, joka kuvaa kohteen muotoja, piirteitä ja ominaisuuksia (Maanmittauslaitos 2023a). Perinteisesti maastomalleja on tuotettu ja usein tuotetaan edelleen takymetri- ja satelliittipaikannusmittauksin. Näissä mittauksissa mittaaja tai mittaajat valitsevat maastosta kuvattavan geometrian suoraan paikan päällä ja tuottavat niin kutsuttua taiteviiva-aineistoa. Maanmittausalan kehityskokeet 2022 -, eli DEMOMAMI22-hankkeessa kokeiltiin ja demottiin laserkeilaavan hybriditakymetrin sekä kuvantavan GNSS-paikantimen hyödyntämistä Rovaniemen kaupungin maastomallituotannossa.

Lähtötilanne

Testialueena oli n. 5,5 hehtaarin suuruinen Lainaanrannan alue, josta kaupungin paikkatieto- ja tonttipalvelut laativat suunnittelutarpeeseen perinteisen taiteviivamuotoisen maastomallin. Mittaukset suoritettiin tavanomaisin takymetri- ja satelliittipaikannusmenetelmin, sisältäen mittausperustan luomisen alueelle. Hankkeen kokeessa käytettiin keilaavaa Trimble SX10 -takymetria sekä kuvantavaa Leica GS18i -satelliittipaikanninta. Aineiston käsittelyyn käytettiin muun muassa Trimble RealWorks, Trimble Business Center, Leica Infinity ja CloudCompare -ohjelmistoja. Alueesta on saatavilla myös Maanmittauslaitoksen samana kesänä tuottama uusi 5 p/m^2 laserkeilausaineisto (Maanmittauslaitos 2023b).

Lähestymistapa

Tarkoituksena oli verrata takymetrilaserkeilauksen ja kuvantavan GNSS-laitteen tuottamien pistepilvien laatua, kustannustehokkuutta, ympäristöystävällisyyttä sekä aineistojen visuaalista esiteltävyyttä perinteisiin menetelmiin. Vertailuja suoritettiin siis perinteisten taiteviivamittausten, keilaavan takymetrin, kuvantavan satelliittipaikantimen ja MML:n 5 p aineiston kesken. MML:n 5 p aineistoa käytettiin vertailukohtana.

Trimble SX10:n aineistot esikäsiteltiin Trimble Business Center ja RealWorks -ohjelmistoilla ja Leica GS18i:n aineistot Leica Infinity -ohjelmistolla. Molempien lopputuotteena oli pistepilvi mitattavasta alueesta. Varsinaiset vertailut aineistojen kesken suoritettiin avoimen lähdekoodin CloudCompare (2023) -ohjelmiston ”cloud to mesh distance” -vertailuina (C2M), jossa pistepilven jokaiselle pisteelle lasketaan uudeksi ominaisuustiedoksi etäisyys vertailupinnasta.

Takymetrikeilaus

Takymetrikeilaus yhdistää perinteisen taiteviivamittauksen, laserkeilauksen ja georeferoidun kuvantamisen yhdeksi kokonaisuudeksi. Käytetylle Trimble SX 10 -laitteelle mainostetaan 2,5 mm:n 3D-sijaintitarkkutta 100 m keilausetäisyyksillä (Trimble 2017), jota käytettiin tässä tapauksessa enimmäisetäisyytenä.

Takymetrin käyttäminen laserkeilaukseen ei poikkea juurikaan normaalista laserkeilauksesta. Yleisesti laserkeilausta tehtäessä on hyvä muistaa sääolosuhteet, luonnonvalo ja itse kojeen asemointi, koska sen vaikutus keilauksen onnistumiseen tai epäonnistumiseen on suuri. Meidän kokeessamme sateinen ilma aiheutti laserkeilatessa peili-ilmiön, missä laser heijastuu takaisin kohteeseen tai läpäisee kohteen täysin ja mitattu pinta jää havainnoimatta tai muuttui epätarkaksi. Luonnonvalon vähentyminen taas vaikeuttaa visualisoinnissa kuvien pimenemistä ja epätarkkuus lisääntyy etenkin maanpinnan tasossa.

Itse kojetta pystyttäessä eli orientoidessa on samat periaatteet, kuin normaaleissa takymetrimittauksissakin. Hyvinä muistisääntöinä toimii kärsivällisyys ja tarkkuus etenkin, kun havainnoidaan mittausperustan tähyksien hyödynnettävyyttä. Orientoidessa kuuluu käyttää vähintään kahta tunnettua pistettä. Mitä enemmän pisteitä, sitä paremmin orientoinnin onnistumista pystytään seuraamaan. Kojetta asemoidessa tulee ottaa huomioon itse alusta. Pehmeällä alustalla laite on altis värähtelyille kuin taas kovalla ja liukkaalla kaatumiselle.

Mittausten laajuus tuli osittain yllätyksenä, sillä alueelle perustettiin kaiken kaikkiaan 72 asemapistettä, jotta pistepilvi olisi tarpeeksi kattava. Itse pisteitä kertyi noin 400 miljoonaa ja pistetiheys oli 6000. /m^2. Takymetrikeilauksen hyöty normaaliin takymetrimittaukseen ja laserkeilaukseen nähden on helppo lähestyttävyys etenkin kuntien ja kaupunkien puolelta, koska investointien ei tarvitse olla läheskään niin suuria, kuin vaikka pelkkää laserkeilainta hankkiessa. Joka tapauksessa nykyaikainen robottitakymetri täytyy kuitenkin hankkia, koska vanhempien sukupolvien takymetreissä ei keilainta ole. Aineistot ovat visuaalisesti myöskin helposti tulkittavia, mutta usein on otettava huomioon, että tarvitseeko joka tarpeeseen miljoonia pisteitä. Aineiston esikäsittely tulee myös ottaa huomioon, sillä pistepilvien laskenta ja käsittely on ajallisesti enemmän vaativaa, kun taiteviiva-aineistojen kokonaisvaltainen käsittely sujuu nopeammin.

GNSS-kuvantaminen

Kokeessa käytetty Leica GS18i -satelliittipaikannin hyödyntää RTK-GNSS-paikannuksen lisäksi laitteen kameraa ja inertiamittausyksikköä muodostaakseen asemoituja kuvasarjoja, joilta voidaan laskea joko yksittäisiä pisteitä suoraan hallintalaitteen Captivate-ohjelmistolla, tai pistepilviä Leica Infinity -työpöytäympäristössä (Leica 2023). Toiminto on tarkoitettu käytettäväksi kävellen ja kuvasarjojen pituus on rajoitettu 60 sekunnin mittaisiksi. Tässä kokeessa vastaanotin kiinnitettiin mittaajan selkään ja alue kuvattiin sähköpotkulaudalla liikkuen, jolloin alueen kuvaamisessa väyliä pitkin kului noin kaksi tuntia. Tuloksena oli 2271 kuvaa, joista laskettiin n. 6 miljoonan pisteen pilvi n. 600 p/m^2 pistetiheydellä. Toiminto on hyvin helppokäyttöinen ja nopea, mutta sitä koskevat samat fotogrammetristen menetelmien rajoitteet, kuin muitakin kuvantavia laitteita. Lopullinen pistepilven laatu on yleissuunnittelutarpeisiin tämänkaltaisilla alueilla kuitenkin riittävä, eritoten ottaen huomioon tehokkaan keräämistavan. Tässä kokeessa väylät ajettiin edestakaisin siten, että kamera osoitti menosuuntaan, mutta aineiston laatua ja kattavuutta voitaisiin parantaa kuvaamalla myös siten, että kamera osoittaa sivulle menosuuntaan nähden. Sähköpotkulaudasta ei laitekokonaisuuden rajoitteiden vuoksi havaittu olevan mainittavaa hyötyä, sillä kävelyvauhtia merkittävästi suuremmat nopeudet eivät ole satelliittipaikannukselle ja tämänkaltaiselle kameralle edullisia. Mittausohjelmisto käsittelee RTK-katkoja siten, että ne tekevät koko kuvasarjasta kelvottoman, joten suuri vauhti yhdistettynä rakennettuun ympäristöön johtavat usein kuvasarjan uudelleen mittaamisen.

Tulokset ja vertailut

Vertailun tulokset on saatu CloudComparen Histogram toiminnolla, josta on mahdollista saada ulos mm. Gauss sekä Weibull-jakaumia.  Näkyvät prosentit ovat noin arvoja, koska aineistoissa on pisteitä, jotka sijoittuvat vertailuarvojen ulkopuolelle. Vertailukohtana käytetty Maanmittauslaitoksen aineisto ei missään nimessä ole absoluuttista, mutta voidaan olettaa sen olevan vertailukelpoisinta.

Muut menetelmät

Muita mahdollisia laserkeilausmenetelmiä ovat lentokoneisiin ja erilaisiin lennokkeihin asennettavat keilaimet. Lisäksi autoihin ja erilaisiin kulkuneuvoihin pistettävät keilaimet ovat oma kirjonsa. Kehitteillä on myös päälle puettavia reppuja, joissa on kamerat ja keilaimet. Näiden lisäksi on olemassa paljon erityyppisiä käsiskannereita. Uskon, että älypuhelintenvalmistajatkin pystyvät jatkossa hyödyntämään enemmän omaa teknologiaansa ja puhelimilla voitaisiin reaaliajassa skannata ympäristöä.

Ilmakuvaus ja UAV

Ilmakuvauksella voidaan tarkoittaa monia asioita, mutta esimerkiksi sillä voidaan tuottaa korkeusmalleja, ortokuvia, esittelyvideoita, pistepilviä tai yleisesti georeferoituja aineistoja erinäisistä kohteista. Ilmakuvausta voidaan hyödyntää varsin hyvin suurien maastoalueiden ja samaten erinäisten kaupunkiympäristöjen mallintamiseen. Miehittämättömillä lennokeilla, yleisimmin UAV-kopterilla, nykyaikainen ilmakuvaus varsinkin pienemmistä kohteista voidaan toteuttaa vaivattomasti, nopeasti, kustannustehokkaasti ja turvallisesti automatiikan avulla. Näkisin, että ilmakuvausta voidaan hyödyntää varsin hyvin erinäisissä markkinoinneissa, kun kohteita voidaan esittää varsin selvästi, jopa näyttävästi visuaalisella puolella. Lennätyksessä tulee huomioida vallitsevat sääolosuhteet, koska kovemmissa pakkasissa lennokin siivekkeisiin veden jäätyminen voi olla hyvinkin kohtalokasta. Lumi, vesisade ja satunnaiset tuulenpuuskat vaikeuttavat myös omiltaan osin lentämistä.

Lennokkien käyttö pitää myöskin sisällään useita lupa asioita ja säännöksiä, jotka kytkeytyvät etenkin yksityisyyden suojaan ja vahingonkorvausoikeuteen. Kuka kantaan vastuun, jos lennokilla aiheutetaan vahinkoa henkilöille, rakennuksille tai muulle irtaimistolle? Onko vastuu työjohdolla, lentäjällä vai laitteiston valmistajalla. Yksityisyydensuoja nousee puheenaiheeksi, kun kuvataan alueilla missä on asutusta ja onko suoraan ylhäältäpäin kuvattava aineisto muutenkaan yksityisyydensuojaa loukkaavaa?  EU säätelee säännöksiä, joita Trafi tällä hetkellä valvoo. Ongelma on, ettei suomessa ole sellaista tahoa, joka voisi määräysten puitteissa antaa koulutusta tai jonkinasteisen lupakirjan. Lupakirjassa voitaisiin todeta henkilön tiedot, taidot ja koulutus lennokkien lennättämiseen. Mielestäni on hyvä muistaa, että liiallinen byrokratia voi omaltaan osin vaikeuttaa uusien ammattikuntien syntymistä ilmailun saralla. Hyvänä nyrkkisääntönä toimii, että sääntelyn pitäisi tukea kehitystä eikä jarruttaa sitä, mutta turvallisuuden tulee samalla pysyä tärkeimpänä asiana. Näiden asioiden tasapainon etsiminen vie oman aikansa. (Asianajotoimisto Castrén & Snellman 2014.)

Ajoneuvolaserkeilaus

Ajoneuvosta, kuten esimerkiksi autosta tehtävä laserkeilaus on hyväksi todettu menetelmä, joka on viime vuosina alkanut korvaamaan takymetri ja muita vaaitusmenetelmiä. Ajoneuvosta tehtävä laserkeilaus ei tarvitse läheskään niin paljon maastotöitä. Etenkin tiestöjen ja rataympäristöjen mittauksissa laserkeilaus on todettu toimivaksi niin taloudellisesta, kuin käytännöllisestä näkökulmastakin. Keilaamalla tiestöistä voidaan esimerkiksi määrittää suunnitteluntarvetta, routimista, hulevesien ja muiden tienpintojen seurantaan liittyvien toimenpiteiden perusteellisuutta.

Ajoneuvolaserkeilauksen eli mobiililaserkeilauksen järjestelmät koostuvat yleensä yhdestä tai useammista laserkeilaimista, kameroista, inertiamittausyksiköistä ja GNSS-tekniikasta. Kaikki järjestelmässä pelaa yhteen, inertiamittausyksikkö kompensoi auton kallistuksesta johtuvaa koordinaattien virhettä. Auton eteen, taakse ja katolle sijoitetut kamerat sekä keilaimet, joiden sijaintia taasen GNSS-paikannin jatkuvasti havainnoi. (Lanu Nuutti 2023.)

Muut mobiilit laserkeilausmenetelmät

On jo olemassa menetelmiä, joissa laserkeilausta voidaan suorittaa reaaliajassa varsin kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisemmin kevyinten keilaimien tai päälle puettavien laserkeilaimien avulla. Varsinkin, jos alueelle ollaan suorittamassa alustavaa katselmointia, niin pukemalla reppukeilaimen päälle voitaisiin aluetta kuvata ja keilata samanaikaisesti. Tämä omaltaan osin helpottaisi datan käsittelyvaiheessa, jos esimerkiksi repussa olevalla kameralla otettua materiaali käytettäisiin visualisoinnin lisäksi mahdollisten alueen ongelmakohtien tarkasteluun. Voidaan ajatella, että mitä kevyempää ja pienempään tilaan mahtuvampaa keilaavalaitteisto on, sen helpompaa sen vieminen on paikkaan, mihin ei ole pääsyä kulkuneuvoilla. Itse mitattavalle alueelle tuodaan samalla vähemmän kulutusta, koska raskaamman mittauskaluston, kuten autojen käyttö ei ole tarpeen.

Maanmittauslaitos onkin alkanut miettimään asioita suuremman kaavan kautta ja tehnyt lähes 10 vuotta yhteistyötä yhdysvaltalaisen avaruushallinto Nasan kanssa ja mahdollisesti tulevaisuudessa näemme reppukeilaimen kuunpinnalla. Teknologia on kovaa vauhtia yleistymässä, mutta jarruna toimii tietysti puutteellinen tutkimusnäyttö sekä raha. Tutkimuksia tullaan tekemään nyt sekä tulevaisuudessa ja teknologia kehittyy samalla vauhdilla mukana, joka taas mahdollistaa laitteiden saatavuuden kasvun ja niiden halpenemisen. (Maanmittauslaitos 2022a.)

Pohdinta

Mittausten toteutus sujui kaikki huomioiden odotusten mukaisesti, itse aineiston vertailussa huomasimme perinteisen takymetrikeilauksen pärjäävän hyvin ja uudemman menetelmän GNSS- kuvantaminen pärjäsi myös odotetulla tavalla. Toki aineiston laatu oli standardit täyttävää takymetrillä laserkeilatessa, koska olihan siihen käytetty 36 tuntia ja verrannollisesti GNSS mittaukseen 2 tuntia. Pistepilvien vertailussa voitiin todeta mittaukset onnistuneeksi, vaikka aineistossa oli keskeisiä eroja koroissa, mihin toki vaikuttaa mittauksien ajankohdat ja erityyppiset mittausmenetelmät sekä luokittelu.

Kasvillisuutta Trimble SX10 ei läpäise juuri ollenkaan, kuten saimme huomata alueen istutuksista ja nurmialueista. Leican GS18 I mittaukset eivät koskeneet, kuin pinnoitettuja tiealueita, joten kasvillisuuden läpäisy jäi mietinnän alle. Rovaniemen kaupunkia ajatellen ja alkuperäisen kokeen idean toteutuksen myötä tulevaisuuden toimivana ratkaisuna voi toimia esimerkiksi erinäisten mittausmenetelmien yhdistäminen kaupunkisuunnittelun tarpeeseen.

Mittauksia ajatellen UAV:llä esimerkiksi dronella, voitaisiin kartoittaa alueen tarpeita ilmasta käsin ja mahdollisesti takymetrillä tai reppukeilaimella täydennettäisiin katvealueita, oli kyseessä sitten takymetrillä tehtävä keilaus, mobiililaserkeilaus tai autosta tehtävä keilaus. Pelkän pohjakartan käyttäminenkin voi olla tarpeeksi riittävä tiettyjen asioiden selvittämiseen, myös perinteinen takymetrillä ja prismalla tuotettu taiteviiva-aineisto vastasi riittävästi kaupungin tarpeeseen. Mahdollisesti luodessa alueesta niin sanottua yhdistelmämallia kaikkia näitä menetelmiä voitaisiin käyttää yhdessä. Yhdistelmämalli voi olla yhdistelmä pintamallista, rakennuksen tietomallista ja maaperämallista.

Mitä menetelmiä ikinä käytettäisikään, on tärkeintä muistaa mihin tarpeeseen mittauksia ollaan tekemässä. Alueelle minne ollaan tekemässä suuria rakenteellisia muutoksia jo muutaman kuukauden sisään, voi koko maanpinnan tarkka laserkeilaaminen olla ylimitoitettua, kun taas alueelle mihin ollaan suunnittelemassa kaavaa voi pelkkien olemassa olevien aineistojen hyödyntäminen jättää paljon informaatiota saamatta. Aineiston visuaalisuus nousee omaksi tekijäkseen vähintäänkin silloin, kuin sitä tarvitsee esittää alueen asukkaille. Pistepilvi tyyppiset aineistot ovat hyviä tässä näyttävyytensä ja hahmotettavuutensa vuoksi. Siksi on hyvä huomioida, että mitkä osa-alueet nousevat muita tärkeämmäksi. Aika, raha ja tulevaisuuden käyttötarve määrittävät aineiston määreet pääosittain.

Lähteet

Asianajotoimisto Castrén & Snellman. Blogi & uutiset 2014. Miehittämättömät ilma-alukset sääntelysumussa. Viitattu 24.5.2023. https://www.castren.fi/fi/blogijauutiset/blogi-2014/miehittamattomat-ilma-alukset-saantelysumussa/

CloudCompare. 2023. Open-source project: 3D point cloud and mesh processing software. https://www.danielgm.net/cc/

Lanu, N. 2023. Mobiililaserkeilauksen tuottaminen ja hyödyntäminen kuntateknisessä suunnittelussa. Lapin ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Viitattu 24.5.2023. https://www.theseus.fi/handle/10024/790529

Leica 2023. Leica GS18 I GNSS RTK –vastaanotin. Viitattu 29.5.2023. https://leica-geosystems.com/fi-fi/products/gnss-systems/smart-antennas/leica-gs18i

Maanmittauslaitos 2022a. Suomesta Kuuhun – Nasa ponnistaa kartoittamaan Kuuta Suomessa keksityllä innovaatiolla. Viitattu 29.5.2023. https://www.maanmittauslaitos.fi/ajankohtaista/suomesta-kuuhun-nasa-ponnistaa-kartoittamaan-kuuta-suomessa-keksitylla-innovaatiolla

Maanmittauslaitos 2023a. Korkeusmallit. Viitattu 25.5.2023. https://www.maanmittauslaitos.fi/tutkimus/teematietoa/korkeusmallit

Maanmittauslaitos 2023b. Laserkeilausaineisto 5 p. Viitattu 26.5.2023 https://www.maanmittauslaitos.fi/kartat-ja paikkatieto/asiantuntevalle-kayttajalle/tuotekuvaukset/laser-scanning-data-5-p.

Traficom Liikenne- viestintävirasto 2023. Usein kysyttyä rekisteröitymisestä ja koulutuksista. Viitattu 24.5.2023. https://droneinfo.fi/fi/usein-kysyttya-rekisteroitymisesta-ja-koulutuksista

Trimble 2017. Trimble SX10 Keilaintakymetri.  Viitattu 29.5.2023. https://geospatial.trimble.com/sites/geospatial.trimble.com/files/2019-03/Datasheet%20-%20SX10%20Scanning%20Total%20Station%20-%20Finnish%20-%20Screen.pdf

Asiantuntija Ari Tuuliainen (insinööri AMK) työskentelee Älykäs rakennettu ympäristö -osaamisryhmän TEQU- ja maanmittaustekniikan tiimeissä DEMOMAMI22-hankkeen parissa.