7 IKONOS-STEREOKUVIEN TARKKUUS
7.5 T arkkuus absoluuttisen orientoinnin jälkeen .............................................HO
8.2.1 Erotuskyky .......................................................................................................... M 8
Tietosisältöön vaikuttaa kuvien erotuskyky, joka voidaan jakaa alueelliseen, spektraaliseen ja radiometriseen erotuskykyyn. Satelliittikuvan erotuskykyyn vaikuttavat yhdessä seuraavat tekijät (Simonet 1983, s. 341-347):
• näytteenottoväli maastossa
• ilmakehän aiheuttama pisteenleviäminen ja taustakohina
• optiikan aiheuttama pisteenleviäminen
• ilmaisimesta aiheutuva kohina
• signaalin vahvistamisesta aiheutuva kohina
• uudelleen näytteistys
• binäärikoodaus
• signaalin prosessointi loppukäyttäjälle
Satelliittikuvauksessa kohteesta fokaalitasolle tuleva säteily digitoidaan fokaalistasolla
fokaalitasolla selvästi toisistaan, jolloin osa maastossa fokaalitasolle tulevasta informaatiosta katoaa jo matkalla. Pisteenleviämisen lisäksi ilmakehä heikentää kohteiden välistä kontrastia. CCD-ilmaisimesta aiheutuva kohina ja binäärikoodaus heikentävät edelleen fokaalitasolle tulleen säteilyn intensiteettierojen mittaustarkkuutta, jolloin pienet valoisuuserot hukkuvat helposti kohinan sekaan (Simonet 1983, s. 344).
Erotuskykyä tarkastellaan yleensä koko kuvausjärjestelmän kannalta.
Kuvausjärjestelmän erotuskyvyn indikaattorina käytetään usein pienintä viivanväliä (viivaparia/mm), jonka kuvausjärjestelmä pystyy erottelemaan tietyllä kriteerillä. Sitä voidaan pitää eräänlaisena standardimittana, jolloin se soveltuu hyvin eri kuvausjärjestelmien väliseen vertailuun. Erotuskyvyn luotettavaan määrittämiseen käytetään modulaationsiirtofunktiota (modulation transfer functio - MTF).
Kuvausjärjestelmän modulaationsiirtofunktio ilmoittaa toistuvan kuvion kontrastin niiden toistotaajuuden (viivaparia/mm) funktiona. Modulaationsiirtofunktio antaa vastauksen, minkälaisella taajuudella toistuvat kuviot on vielä erotettavissa kuvalta, kun tietty erotettavuudelle asetettu raja-arvo ns. rajamodulaatio6J ylitetään. Tämän taajuuden avulla voidaan määritellä kuvausjärjestelmän todellinen erotuskyky (Simonett, 1983 s. 239).
IKONOS-kuvan erotuskyvyksi on tietyn raja-arvon mukaan määritelty modulaationsiirtofunktioilla 1,0 m, joka on siis yhtä suuri kuin kuvausjärjestelmän nimellinen näytteenottoväli maastossa (ks. Kuva 43.) Ilmakuvien erotuskykynä pidetään keskimäärin 30 viivaparia/mm (Jaakkola & Orava 1993). Tämän perusteella IKONOS- kuvan alueellinen erotuskyky vastaisi noin 1 : 60 000 mittakaavaisen analogisen ilmakuvan alueellista erotuskykyä. Vertailu ei kuitenkaan ole näin yksinkertaista johtuen kuvien erilaisesta radiometrisestä ja spektraalisesta resoluutiosta sekä erilaisesta
kuvageometriasta.
IFOV
I--- 1
a
Kuva 42. Näytteenottovälin suhde toistuvan neliön mallisen kuvion aallonpituuteen nähden. Tässä esitetty taajuuksien suhde (f - f kuvio/föso) on 0,5 eli näytteenottotaajuus kohteessa on kaksinkertainen maastokuvion toistotaajuuteen nähden. IKONOS-kuvalta voidaan näin ollen periaatteessa erottaa 2,0 metrin välein toistuva säännöllinen kuvio.
65 minimikontrasti
1 0.9 0.8
0.7 0.6
0.4 0.3 0.2 0.1
о
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Frequency
Kuva 43. Pankromaattiselle sensorille radalta mitattu koko kuvausjärjestelmän modulaationsiirtofunktio (kuvassa mustalla). Frekvenssi 0,5 tarkoittaa Nyqvistin raja- taajuutta 41,7 (viivaparia/mm) eli näytteenottotaajuus on kaksinkertainen verrattuna viivaparin toistotaajuuteen (näytteenottoväli 12 pm on puolet viivaparien toistovälistä 24 pm). Samassa kuvassa on esitetty myös MS-kanavien modulaationsiirtofunktiot.
(Gerlach 2000)
8.2.2 Erotuskyvyn ja mittakaavan suhde.
Mikä on kartan mittakaavan suhde kuvan erotuskykyyn eli minkä mittakaavaista karttaa tietyn erotuskykyisellä kuvalla voitaisiin teoriassa kartoittaa? Jotta tietyn mittakaavaisen kartan kohdemallin mukaiset kohteet voitaisiin tunnistaa ja tulkita kuvilta, täytyy kuvilta saada riittävästi tietoa kohteiden laajuudesta, muodosta, teksturista, orientoinnista ja kontekstista. Kuvalta erottuvan kohteen koon yläraja maastossa (R) on riippuvainen kartan mittakaavasta (Af), joka voidaan esittää esim. seuraavanlaisella epäyhtälöllä (Schiewe 1997):
Kaava 76
R < 0,2mm ■ Af
Koska näytteenottoteoreeman mukaan näytteenottovälin maastossa tulee olla enintään puolet kohteen koosta, olisi esimerkki yhtälön [Kaava 76] perusteella laskettuna IKONOS-kuvalta mahdollisuus erottaa 1 : 10 000 ja tätä pienempimittakaavaisen kartan
Pelkkä alueellinen erotuskyky ei kuitenkaan välttämättä kerro kuvan tietosisältöä, vaan siihen vaikuttaa myös kuvien radiometrinen ja spektraalinen erotuskyky, kuvauskulma, kuvauksen aikaiset olosuhteet sekä itse kuvan tarkasteluprosessi. Esimerkiksi kuvilta saadaan tulkittua huomattavasti enemmän tietoa stereotarkastelulla kuin monotarkastelulla (Ridley ym. 1997). Lisäksi kuvalta ei pystytä tulkitsemaan ja luokittelemaan kaikkia maaston kohteita esim. peitteisyyden takia, jolloin kartoituksessa edellytetään lähes aina myös muiden tietolähteiden käyttöä.
8.2.3 Geometrinen tarkkuus ja mittakaava
Tasotarkkuuden vaatimus julkaistavilla kartoilla on yleensä 0,2 - 0,3 mm, jolloin esim.
1 : 25 000 mittakaavaisessa kartoituksessa mittaustarkkuuden tulee olla on noin ±5 m.
Korkeustarkkuus riippuu yleensä maaston korkeusvaihtelusta. Pisteen määrityksen korkeustarkkuutena pidetään yleensä 1/5 käytetystä käyrävälistä, jolloin esim. 20 metrin käyrävälille pisteen määrityksen tarkkuus korkeussuunnassa on oltava ±4 metriä.
(Konecny & Schiewe 1996.)
IKONOS-stereokuville luvussa 7.6.3 saatujen tarkkuusarvioiden perusteella kuvat soveltuisivat tasotarkkuudeltaan (noin metri) 1 : 3300 - 1 : 5 000 mittakaavaisen kartan tiedon keruuseen. Korkeustarkkuuden (noin 0,6 m) osalta IKONOS-stereokuvia voitaisiin käyttää korkeuskäyrien kartoitukseen 3,0 metrin käyrävälillä.
8.3 IKONOS-kuvien mahdolliset käyttökohteet
Suurimmat tarpeet 1,0 m:n erotuskykyisten satelliittikuvien käyttöön topografisessa kartoituksessa ovat painottuneet alueille, joilta ei ole ollut saatavissa sopivan mittakaavaista eikä tarpeeksi ajantasaista aineistoa maankäytön ja luonnonvarojen seurantaan ja suunnitteluun. Tällaisia alueita on paljon mm. Afrikassa, Australiassa, Oceaniassa ja Etelä-Amerikassa (ks. Taulukko 10). (Konecny & Schiewe 1996.)
Area Percent mapped
at 1:25,000
Africa 2.9 41.1 21.7 89.1
Asia 15.2 84.0 66.4 100.0
Australia and Oceania 18.3 24.3 54.4 100.0
Europe 86.9 96.2 87.5 90.9
North America 45.1 - 77.7 37.3 99.2
South America 7.0 33.0 i 57.9 84.4
Former USSR 100.0 100.0 r' 100.0 100.0
World 1993 33.5 65.6 55.7 . . 95.1
World 1987 17.0 59.0 56.0 90.0
Annual progress 1987-1993 2.8 1.1 o.o 0.9
Map updating progress 1987 4.9 2.3 0.7 3.4
Taulukko 10. Eri mittakaavoihin kartoitettujen alueiden osuudet koko maailman maapinta-alasta vuonna 1993. (Konecny & Schiewe 1996)
Kokemuksen perusteella on todettu, että Euroopan alueen kartoilla olevien kohteiden kuten taajama-alueiden rakennusten ja kevyen liikenteen väylien kartoittamiseen
vaaditaan satelliittikuvilta vähintään 2 m:n maastoerotuskykyä. Pohjois-Amerikassa ja Aasiassa pienempien teiden ja pienempien vesistöjen kartoitukseen vaaditaan vähintään 5 m:n maastoerotuskykyä. Afrikassa ja Etelä-Amerikassa tapahtuvaan pääteiden ja rakennusryhmien kartoitukseen vaaditaan vähintään 10 m:n maastoerotuskykyä.
(Konecny & Schiewe 1996.)
Erilaisia satelliittikuvia voitaisiin käyttää yhdessä eri mittakaavaisten karttojen ajantasaistukseen laajoilla alueille valikoimalla erikseen aina tietyn mittakaavaiseen tarkoitukseen soveltuvat kuvat. Esimerkiksi SPOT- ja IRS-kuvia voitaisiin käyttää alueilla, joissa riittävä kartan mittakaava olisi 1 : 25 000 ja IKONOS- kuvia voitaisiin hyödyntää pienemmillä alueilla, josta tarvitaan suurempimittakaavaista esim. 1:10 000 karttaa. IKONOS-kuvien on arvioitu soveltuvan kaupunkialueiden ajantasaistukseen.
Ajantasaistuksen tarve on suuri etenkin niissä suurkaupungeissa, joissa väkiluku kasvaa nopeasti ja maankäytön suunnittelu on puutteellista (Jürgens 2001).
IKONOS-stereokuvat soveltuvat televerkkojen suunnitteluun käytettävien 3D- kaupunkimallien tiedonkeräämiseen kaupunkialueilla, jossa vaadittava mikrotason solukoko on yleensä 2 metriä. Mallien tarkkuudeksi vaaditaan tasossa ja korkeudessa noin 1 metri, mikä on saavutettavissa IKON O S -stereoku vi lta, jos tarjolla on riittävän tarkkoja tukipisteitä. Kartoitettavat kohteet kuten rakennukset, tiestö ja maan pinnanmuodot ovat kaupunkialueella selväpiirteisiä. Lisäksi alueen avoimuus helpottaa tarvittavien kohteiden tulkintaa kuvilta.
IKONOS-satelliittikuvien ominaisuudet kuten tiheä kuvausväli, stereomahdollisuus sekä kuvien oikaisuja stereomallin orientointi ilman maaston tukipisteitä mahdollistavat järjestelmän soveltumisen nopeaan tiedonkeruuseen erilaisten katastrofien sekä nopeasti
kartoille päivitettävien muutosten yhteydessä.
Tämän työn aikana tuotettiin IKONOS-stereomallilta myös maaston pintamalli, mutta sen tarkkuutta ei sopivan vertailuaineiston puuttuessa ollut mahdollista arvioida.
Automaattisesti tuotetun korkeusmallin todettiin visuaalisessa tarkastelussa seuraavan tarkasti maaston pintakohteita kuten puuston latvuksia. Käytetystä korrelaatioalgoritmista johtuen jotkut maanpinnan yläpuolella olevat epäjatkuvat kohteet kuten rakennukset, esiintyivät korkeusmallilla hyvin epämääräisesti tai puuttuivat kokonaan. Tulos vastasi kuitenkin aikaisemmin samalla algoritmilla ilmakuvilta tuotettujen korkeusmallien laatua. Tuotetun maaston pintamallin perusteella arvioitiin IKONOS-stereokuvien olevan riittävän hyvälaatuisia automaattisen kuvakorrelaation suorittamiseen. IKONOS-stereokuvat soveltuisivat näin ollen pintamaiden automaattiseen tuottamiseen esim. näkyvyysanalyysejä varten.