Aihearkisto: Takymetrit

Järjestelmäkalibroinnin tärkeydestä

Tauno Suominen mainitsi Maanmittauspäivien 2018 esityksessään Tampereen Hervannassa sijainneen takymetrien järjestelmäkalibrointiin tehdyn rakennusmittausten testikentän. Koska yrityksessämme on paljon muistoja tuohon kyseiseen, jo tuhoutuneeseen kenttään liittyen, niin kerrottakoon kentästä hieman lähemmin alla. Lisäksi Tampereella testattiin stereo-operaattoreita ja Ruskossa sijaitsi fotogrammetrinen testikenttä.

Silloisten TTY:n tutkijoiden nerokkaasti suunnittelemalla rakennusmittausten testikentällä oli peruskallioon mitattuja pisteitä, joiden välinen etäisyys oli tyypillisesti 50 -60 m ja joiden välillä oli huomattavia korkeuseroja.

Kuvassa Heinosen Hannu pohtii selvästi jalustan pystyttämistä lumen peittämälle monikulmiopisteelle 1990-luvulla.

Tampereen kentällä pisteiden välinen etäisyys oli optimaalinen haluttaessa eliminoida ympäristön ja sään vaikutus optisen mittauksen virhetekijöistä. Vaakatasosta poikkeavat tähtäyskulmat ovat myös tyypillisiä käytännön rakennusmittauksissa, mutta valmistajat ilmoittavat laitteiden tiedoissa mittaustarkkuuden vain vaakatasossa tehtäville mittauksille. Näin Tampereella saatiin selville, millaisiin tarkkuuksiin laitteistoilla voidaan päästä käytännön mittaustilanteissa.

Kentän pisteet oli mitattu huolellisesti – kulmat sveitsiläisen Kernin parhaalla DKM-3 optisella teodoliitillä ja etäisyydet saman valmistajan Mekometer ME5000 elektronisella, erittäin tarkalla etäisyyden mittauslaitteella sekä korkeudet sveitsiläisen WILD Heerbruggin valmistamalla WILD N3 tarkkavaaituskojeella. Näin toteutettiin vanha periaate astetta tarkemmilla instrumenteillä tehdyistä referenssimittauksista kuin vertailtavat laitteistot, tyypillisesti takymetrit. Kentän suunnittelusta ja mittauksista tehtiin huolellinen dokumentointi.

Kuvassa näemme kalliotöppäreelle sijoitetun pisteen.

Testaajat saapuivat kentälle mittauslaitteistoineen mukaan lukien laitteiden jalustat, pakkokeskistyslaitteet ja prismat eli koko oma mittauskalusto. He mittasivat neljän täyden havaintosarjan mukaisesti havaintoja pisteeltä toiselle kaikkiin suuntiin (kaikilta pisteiltä kaikille pisteille, jolloin myös pisteiden väliset lävistäjät mitattiin) ja näiden verkkomaisten havaintojen perusteella laskettiin geodeettinen verkko. Verkkomainen pisteistö antoi mahdollisuuden laskea monikulmiojonoja eri pisteiden kautta, jolloin laitteiden mittaustarkkuuksia pystyttiin analysoimaan ja laitteiden ja koko kaluston kuin myös havaitsijoiden virheet paikallistamaan sekä kohdistamaan virheen aiheuttajaan, virhelähteeseen.

Moni mittaryhmä lähti varsin nöyränä pois kentältä, kun millimetrien tarkkuuksia mittaavilla laitteistoilla saatiin useiden senttien virheitä verkkomittauksissa. Pitkän päälle virhelähteiden selvittäminen ja sitä kautta mittaustulosten parantuminen vaikutti positiivisesti mittaajien ammattitaitoon ja mittausjärjestelmistä alettiin pitää parempaa huolta. Tauno Suomisen mukaan iso osa virhelähdettä olivat jalustat.

Heinosen Hannun kokemukset virhelähteistä liittyvät puolestaan isolta osin prismoihin. Takymetreissä käytettävät prismat olivat asennetut runkoihinsa joko nodaalipisteensä kohdalta tai nollapisteensä kohdalta. Nollapistekiinnitteisissä prismoissa prismalasi oli kiinnitetty niin, että mittaussäteen prisman sisällä kulkema poikittainen matka oli huomioitu kiinnityksessä tuomalla prisma mitattavan pisteen etupuolelle (takymetriin päin) jolloin prismavakio oli nolla. Nodaalikiinnitteisessä prismassa prismalasi on kiinnitetty prisman sisällä näkyvän hiontasärmien kuvajaisen kohdalta ja prismalle on laskettu matemaattinen korjausarvo, prismavakio esim. 35,73 mm. Tällaiseen prismaan mitattu matka on tuon matemaattisen prismavakion verran liian pitkä, joten tässä tapauksessa takymetrin prismavakioksi on asetettava -35,73mm.

Eri läpimitan ja eri pituuden omaavilla prismalaseilla on siis erilainen matemaattinen prismavakio, joka mittaajan on tiedettävä. Riippumatta siitä onko kyseessä nolla- vai nodaalikiinnitteinen prisma, jokaisessa prismassa on vielä yksilöllinen nollapistevirhe, jopa pari kolme milliä, joten kaikki prismat olisi kalibroitava yksilöllisesti ja aina yhdessä kyseisen mittauslaitteen kanssa.

Kaiken tuon lisäksi prismojen soveltuvuuteen kyseisen takymetrin kanssa käytettäväksi vaikuttaa prismalasin lasiseos. Nikonin sekä Zeissin osalta laitevalmistajan oli helppo tehdä uudet prismat, sillä optisen lasin valmistus tapahtui molemmissa yrityksissä konsernin sisällä. Japanilaiset takymetrien valmistajat käyttivät tuolloin tyypillisesti Nikonin lasitehtaan valmistamia optisen lasin lasiseoksia ja eurooppalaiset puolestaan Zeiss Schottin lasitehtaan valmistamia optisen lasin lasiseoksia. Näin ollen mekaanisen rakenteen lisäksi prismat voitiin tehdä laitteiston mittaussäteen kannalta optimaalisesta lasiseoksesta. Ja mittaustulokset parantuivat.

Testikentällä mitattaessa huomattiin melko nopeasti, että nollakiinnitteisillä prismoilla ei saatu tarkkoja lopputuloksia, joten testimittauksissa siirryttiin käyttämään nodaalikiinnitteisiä prismoja. Syy tähän on yksinkertainen ja yksiselitteinen. Tarkkoja havaintoja tehtäessä takymetrillä on kohdistettava tähtäys prisman sisällä näkyvään hiontasärmien muodostamaan kuvajaiseen eli nodaalipisteeseen, joka on aina tarkasti mitattavan pisteen päällä vaikka prisma ei olisikaan absoluuttisen tarkasti suunnattuna takymetriin.

Nollakiinnitteisessä prismassa tuo kyseinen kuvajaispiste, nodaalipiste, on aina hieman suunnaltaan poissa mittaussuunnassa mitattavaan pisteeseen nähden joko korkeussuunnassa tai sivusuunnassa ja useimmiten molemmissa. Tätä virheen eliminoimista testattiin useaan otteeseen Hervannassa ja todettiin, että nollakiinnitteinen prisma ei koskaan ollut suunnattuna riittävän tarkasti kohti takymetriä ellei mittaaja takymetrillä tähtäämällä prismaan antanut hienosäätöohjeita jalustalla pakkokeskisteisesti olevan prisman kohdistamiseksi kohti takymetriä. 5-10 minuutin ähellyksen jälkeen prisma oli saatu yleensä suunnatuksi riittävän hyvin, mutta näinhän ei voida normaalissa mittauksessa menetellä, joten nodaalikiinnitteiset prismat todettiin ainoiksi toimiviksi tuotteiksi.

Nikonin prismat olivat tuolloin nollakiinnitteisiä, joten Hannu suunnitteli ja piirsi piirustukset nodaaliprisman valmistamiseksi. Zeissilta löytyi Nikonin takymetrin aallonpituudelle sopiva lasiseos ja kun Zeiss hioi tarvittavat prismat, syntyi GTP1 nodaaliprisma ja Nikonin takymetrikalustosta tuli tarkka ja menestyksekäs laitteisto markkinoille.

Mikähän mahtaa olla nykyisten automaattisesti kohdistavien robottitakymetrien 360-prismojen todellinen mittaustarkkuus sivu-, korkeus- ja etäisyydenmittaussuunnassa – sentti taitaa olla jo vaikeasti saavutettavissa? Hervannan vanhaa testirataa tarvittaisiin tuon asian toteamiseksi.

Kuvassa Zeissin silloinen geodesian myyntipäällikkö Hansselman ja mittaajana Zeissin kehityspuolen tohtori.

Eräs mielenkiintoisimpia kentän mittausten avulla havaittuja laiteongelmia oli Taunon ja Hannun Zeissin tarkkuustakymetrissa havaitsema vaakatason kallistuma, 10,8 cc. Valmistajan omalla kalibrointiradalla virhettä ei havaittu, eikä sitä vuosien mittaan olleet huomanneet muutkaan asiakkaat tai tutkijat sen enempää Saksassa kuin muualla maailmalla. Tauno oli itsenäisissä laskelmissaan tullut tämän kaltaiseen tulokseen ja epäilykseen laitteiston systemaattisesta virheestä. Tilanne varmistettiin toistotesteillä Hervannan kentällä ja lisäksi Hannu meni tekemään havaintoja Otaniemeen TKK:n isoon ja tarkkaan kollimaattoriin. Kun tiesi mitä etsiä, niin sieltähän se samainen virhe löytyi myös kollimaattoritestissä. Ei tosin normaaleilla kollimaattorihavainnoilla vaan pitkän pohdinnan jälkeen keksityllä tavalla. Tämän jälkeen kädessä olikin vankkaa keskustelunaihetta Saksaan vietäväksi. Pari kolme päivää tuota asiaa Hannu piirteli ja selvitteli Zeissin tohtoreille ja epäilyjen jälkeen tohtorit joutuivat toteamaan valmistusvirheen sekä korjaamaan sen. Lopputulemana Zeissilla todettiin virheen olleen ainakin 10 vuotta kaikissa laitteissa.

Eivät myöskään tuolloin tarkkoina mittauslaitteina tunnetut merkit kuten Nikon ja Wild/Leica, selvinneet puhtain paperein testikentästä. Molemmista edellä mainituista löytyi muun muassa mitoitusvirheitä prismakannattimien korkeuksista, jotka eivät vastanneet takymetrin akselikorkeuksia ja tehtaat korjasivat nuo virheet tuotannossaan välittömästi.

Kuvassa Zeissin tohtori ja Tauno Suominen. Kuvan mittaukset liittyvät pakkastestehin, joita Zeiss teki kentällä yli 25 asteen pakkasissa ylläkuvatun virheen jo selvittyä.

Tampereen vanhan kentän jäätyä rakennusten alle Tampereella toteutettiin myös uudempi testikenttä 2000-luvun alussa, standardien mukaan. Sen pisteet sijaitsivat keskinäisesti varsin samoilla korkeuksilla ja pisteiden välinen etäisyys oli jo tuplasti suurempi, jolloin vanhan kentän hyödyt jäivät saavuttamatta. Lisäksi pisteiden päällä on kiinteä pilari, jolle mittauslaite sijoitettiin. Näin mittausjärjestelmän kokonaistarkkuus ei selviä, sillä normaalimittauksessa käytetyn jalustan ja pakkokeskistyslaitteiden vaikutus jää huomioimatta.

Kehitys ei aina vie suoraviivaisesti eteenpäin ja Taunon ja Hannun mielestä ennen valmistettiin tarkempia optisia mittauslaitteita. Ne olivat kalliita ja kaupallinen paine/koventunut kilpailu on heikentänyt laatua. Kalleimmat mittauslaitteet jätetään nykyisin myös valmistamatta kalliiden tuotantokustannusten vuoksi, vaikkei niitä ennenkään tehty kuin muutama kappale erikoismittauksiin. Siitä huolimatta niitä haluttiin valmistaa yksittäisten laitteiden tuotantokustannuksista piittaamatta, koska valmistajat halusivat pitää yllä kokonaistuotantoa.

Tämän hetken mittaustrendien mukaan halvoilla laitteilla pitää mitata vain paljon havaintoja, jolloin mittauksen keskiarvo on automaagisesti oikea. Matemaattisesti ajateltunahan asia on näin, keskiarvo tarkentuu, mutta mittauksissa on yksi määrätty vakio, joka ei ole suurten lukujen keskiarvo vaan tarkasti määritetty metri. Tästä syystä emme ole vielä nähneet tämän keskiarvotusteorian toteutuneen kertaakaan halvoilla laitteilla tarkkuusmittauksissa.

Yhtenä johtopäätöksenä tuosta noin 15 vuotta kestäneestä takymetrien testaustoiminnasta voidaan todeta, että mittauskalustolle pitäisi tehdä jatkuvasti kenttätestauksia. Tuotannossa tapahtuu vääjäämättömästi aina virheitä, ne ovat joko alihankkijoiden mitoitusvirheitä tai materiaalivirheitä, jotka vaikuttavat kenttämittauksessa mittausten lopputuloksiin merkittävästi, mutta eivät välttämättä tule esille sisällä vakio-olosuhteissa tehdyissä pelkän mittalaitteen testeissä.

TVH/Tielaitos hyödynsi testikentän tuloksia kilpailutuksissaan, sillä vain kentän läpäisseet laitteistot saivat osallistua kilpailutuksiin. Koska mittaustulokset ovat myös riippuvaisia mittaajista, niin aikoinaan keskusteltiin myös mittaajien testauttamisesta. Ymmärrettävästi ammattiyhdistysliikkeet eivät innostuneet ajatuksesta eli ihmisten asettamisesta paremmuusjärjestykseen. Kenttätestissä, jota Hervannan verkko edusti parhaimmillaan, testattiin kuitenkin käytännössä koko kalusto mittaajineen.

Rakentamisen mittaustoleranssit vs. kustannukset

Puuinfon opintomatkalla on tällä kertaa perehdytty rakentamisen kustannuksiin Suomessa ja muualla Euroopassa. Samasta aihepiiristä löytyy säännöllisiä selvityksiä vuosikymmenten varrelta ja yhtä syytä kustannuseroon ei löydy. Keski-Euroopan (esim. Itävalta, Ranska) rakentaminen on kustannustehokasta verrattuna Suomen rakentamiseen ja se tunnetaan mm. mittatarkkuudestaan, laadustaan ja työn viimeistelystä.

Työvoima- ja materiaalikustannukset ovat mm. Itävallassa ja Ranskassa kalliimpia kuin Suomessa, mutta toisaalta rakennusprojektit ovat suunnittelijavetoisia jopa niin, että suunnittelun kustannukset ovat jopa kolminkertaiset Suomeen verrattuna. Suunnittelija myy laadukasta lopputulosta, ei tuntihintaa. Kuitenkin asuinrakennusten neliöhinnat Itävallassa ja Ranskassa ovat puolet Suomen hintatasosta. Lakisääteiset julkiset tilat ja väestösuojat eivät myöskään selitä hintaeroja.

Paikalliset rakentajat nostavat suureksi kustannustekijäksi mittatarkkuuden ja mittauksen toleranssit ovat tiukemmat edellä mainituissa maissa. Urakoitsijat pyrkivät jopa lakisääteisiä toleransseja tiukempiin mittoihin, sillä kustannussäästöt lisääntyvät tiukempien toleranssien myötä. Esimerkiksi RYLin 15 mm mittapoikkeama on Itävallassa 10 mm Ja rakentajat siis pyrkivät parempaan pyrkien mm. erään wieniläisen rakennuttajan mukaan 5 mm toleranssiin.

Työmaalla kaikki sopii paikoilleen, eikä osatoimittajien tarvitse erikseen käydä työmailla tarkistamassa mittoja. Hyvästä laadusta ja mittauksista ollaan valmiita maksamaan kustannussäästöjen takia eikä lähtökohta ole kuten Suomessa ”halvin hinta”.

Mittalaitteiden kohdalla tämä tarkoittaa tarkkojen laitteiden ja osaavan henkilökunnan käyttämistä. Suomalaisen rakentamisen tilanne on niin surullinen.

 

Paikkatietomarkkinat huomenna!

Huomenna se alkaa! Vuosittaiset Paikkatietomarkkinat alkavat Pasilan Messukeskuksen Kokoustamossa tiistaina klo 9 ja päättyvät keskiviikkona klo 15. Ethän unohda tiistai-iltana vietettävää LinkkiBuffeeta eli vapaamuotoisempaa seurustelua messuosastoilla. Voit ilmoittautua markkinoille ilmaiseksi tästä linkistä

RIEGL VZ-400i

Riegl VZ-400i julkaistaan Suomessa Paikkatietomarkkinoilla.

Osastollamme A1 on tänä vuonna runsaudenpula: mukana on kaikenlaista staattisesta mobiiliin ja miehittämättömiin ilma-aluksiin, tuotemerkkeinä Riegl, Sokkia ja Topcon. Mukana on myös Topcon Europen asiantuntijoita ja asiakkaitamme.

Lisäksi pidämme kaksi tietoiskua. Tiistaina Tauno Suominen kertoo mobiiliskannauksen koulutuksen haasteista ja keskiviikkona Nina Heiska ja Jarkko Kuoppamäki kertovat uutuustuotteistamme – Riegl VZ-400i on huima laserskanneri!

Älä unohda torstaista lennokkinäytöstämme Kulosaaressa. Messuilla nähtävillä oleva Topcon Falcon 8 laitetaan testiin torstaina sään niin salliessa ja mobiiliskanneri Topcon IP-S3:een voi tutustua silloin myös tarkemmin. Kysy lisätietoja osastollamme ja tervetuloa mukaan!

Uutuustuotteita sivuillamme

Päivitämme parhaillamme sivuille syksyn uutuustuotteemme, joiden skaala on tällä kertaa harvinaisen laaja. Laserskannerien lisäksi otimme jälleen myyntiin GNSS-paikannuslaitteet, takymetrit ja vaaituskojeet. Tuotemerkkinä niissä on Sokkia – perinteinen japanilainen valmistaja.

Päivitämme tuotteita vähitellen lisää, mutta käykääpä tässä vaiheessa tutustumassa

Sokkian pikkaraiseen GNSS-vastaanottimeen GCX2

SOKKIA GCX2

Vain 375 g painava Sokkian GNSS-vastaanotin.

Sokkian robotti- ja teollisuustakymetreihin

SOKKIA AXII

RIEGLin uuden sukupolven laserkeilaimeen VZ-400i

RIEGL VZ-400i

RIEGL VZ-400i -skanneria voidaan ohjata takaosan isosta kosketusnäytöstä tai etäkäytössä padistä/tabletista/tietokoneelta.

30 vuotta keihäskullasta

Tänään muistellaan Tiina Lillakin maailmanmestaruutta, josta on kulunut 30 vuotta. Parhaillaan meneillä olevissä Moskovan kisoista ei enää montaa suomalaisurheilijaa nähdä, mutta toivottavasti edes keihäänheittäjät pärjäävät.

Lillakin voittoheiton videossa vilahtaa myös Helsingin MM-kisojen mittausryhmän johtaja Hannu Heinonen, joka näkyy 20 s kohdalla kuvan keskellä valkoinen lippalakki päässään. Hiukset taisivat tuolloin olla vielä tummat 🙂 Lisää yleisurheilun pituusmittauksista ja kisatunnelmista löydät täältä.

UAV & laserskannaus

Tanskalaisfirma kunnostautui viime syksynä kuvauslennokilla (UAS) ja maalaserskannerilla tehdyssä kartoituksessa tulivuorenpurkauksessa vuonna 79 jaa tuhoutuneessa Pompejin muinaiskaupungissa – daeligt! Suomalainen työryhmä, EPUH, on tutkinut kaupungin korttelia IX 3 jo vuodesta 2002 alkaen tehden mittausdokumentointia takymetrilla ja lähifotogrammetrisesti. Viimeiselle kenttätyökaudelle paikan päälle saapui tanskalainen kartoitusalan yritys tavoitteenaan kuvata kortteli hyvin matalalta ja samanaikaisesti skannata noin 160 huoneen kokonaisuus Faro Focus3D -laserskannerilla. Työn alustaviin tuloksiin voi tutustua täällä (linkki vasemmalla) ja itse kohteesta voi lukea lisää Tieteen Kuvalehti Historian uusimmassa numerossa.

Pompei Aerial Survey projektin kuvauskopteri ja oikealla kameran kalibrointikenttä Marcus Lucretiuksen talon atriumissa.

Pompejin ilmakartoitusprojektin kuvauslennokki ja oikealla kameran kalibrointikenttä Marcus Lucretiuksen talon atriumissa. Kuten kuvasta näkyy, kohteessa on korkeita seiniä ja osittain myös kattoja, joten maasta tapahtuvaa kuvausta/skannausta on pakko käyttää koko kohteen kartoituksessa.

Joulutarina GT-formaatista

Suomalaisessa maanmittausmaailmassa on jo yli 25 vuotta kukoistanut siirtoformaattina GT, johon viitataan usein myös Tielaitoksen formaattina. Tässä GT:n lyhyt historiikki niille, jotka eivät tunne kyseisen tiedostomuodon alkuperää.

Kauan aikaa sitten, aikojen alussa, takymetreihin oli saatavilla hyvin vähän ohjelmia, mutta eri maissa ryhdyttiin heti koodaamaan sovelluksia kun siihen tuli mahdollisuus 1980-luvulla. Suomessa syntyi tässä vaiheessa GT-ohjelmisto, jonka vuokaavion Hannu Heinonen hahmotteli joulun pyhinä 1986. Tällöin ”hitaat aavistukset” ja kokemukset käytännön mittauksesta, opetuksesta, laitemyynnistä ja eri alan asiakkaiden mittaustarpeista kulminoituivat uuden luomiseen.

GT-formaatti syntyi osana vuokaavion suunnittelua, koska lähtöajatus oli mittatiedon sujuva tiedonsiirto sen ajan tärkeimpiin jatkokäsittelysovelluksiin, joista vastasivat Kunnallistieto Oy (nyk.Logica, v. 2012 alkaen CGI) ja Teknillinen laskenta Oy (nyk. Tekla). Molempien ohjelmissa oli käytössä 4 eri pituista ja eri järjestyksessä olevaa koodikenttää, jotka sisälsivät kaupunkinosan (T1), korttelin (T2), pistenumeron (T3) ja maastokoodin (T4). Näiden ohjelmien pisimmät kentät olivat 7 merkkisiä, joten Hannu päätyi 8 merkin pituisiin kenttiin. Näin molempien ohjelmien tiedot voitiin lukea GT:hen kentän pituudesta huolimatta ja päinvastoin eli GT mahdollisti ensimmäisenä myös tiedonsiirron eri ohjelmien välillä.

GT-ohjelmiston eri osia. Ajatus oli aikoinaan vallankumouksellinen: kaikki mittaukset ja laskennat voitiin tehdä kentällä ja työn lopussa oli mahdollista tulostaa vaikka valmis kartta.

GT-ohjelmiston eri osia. Ohjelma oli aikoinaan ”häiritsevä” keksintö olemassa olevaan tekniikkaan nähden: kaikki mittaukset ja laskennat voitiin tehdä kentällä ja työn lopussa oli mahdollista tulostaa vaikka valmis kartta.

Kun formaattiajatus oli valmis, niin se toimi alkuna maastomittausohjelman suunnittelulle. Ohjelman tarkoituksena oli mittaajien käytännön työn tarpeiden nopeuttaminen ja helpottaminen. Päällimmäisenä ajatuksena oli myös yhteensopivuus 3D-suunniteluun ja CAD maailmaan, joka juuri teki tuloaan myös tien- ja katujen suunnitteluun. Hannun visiona oli kehittää ”objektiorientoitunut, reaaliaikainen 3D-mittausohjelmisto”. Tämä tarkoitti sitä, että maastotietokoneen muistiin ladattiin olemassa oleva kiintopisterekisteri, maastoon merkittävien pisteiden tiedosto CAD’istä tai kaavalaskennasta ja tiegeometriatiedostot parametritiedostoineen. Takymetri orientoidaan koordinaatistoon ja kaikki mittaukset tehdään suoraan kohteen (objektin) koordinaatistossa, olipa sitten kyseessä maantieteellinen tai paikallinen vaakatasokoordinaatisto tai teollisuusmittauksen mielivaltaisessa asennossa oleva koordinaatisto. Mittauksen aikana syntyi myös loki, johon tallentui mittauksen tapahtumat niin, että sitä voitiin käyttää jälkikäteen työn oikeellisuuden todentamisessa. Maastossa GT mahdollisti helpon ja nopean tavan kartoittaa ja mitata 3D-maastomalli symboleineen, pisteineen ja viivoineen samanaikaisesti. Kuullostaako tutulta?

1987 alussa Hannu palkkasi ensimmäisen ohjelmoitsijan, Markku Salorannan, joka aloitti ohjelman koodaamisen Hannun ohjelmarungon perusteella. Syyskesällä ohjelmaa päästiin jo testaamaan maastomallimittauksissa ja ohjelmaa kehitettiin alusta alkaen käyttäjälähtöisesti testiryhmien palautteen perusteella. Vuoden lopulla ohjelmistosta ja takymetrijärjestelmästä saatiin ensimmäiset tilaukset. Ohjelman kehitystä jatkettiin vuosien ajan, vaikka takymetrimerkit vaihtuivat ja eräs versio myytiin Japaniin Nikonille. Loppujen lopuksia ohjelmalisenssejä myytiin yli 2200 kappaletta erityisesti Pohjois-Eurooppaan, mutta myös Kairon kaupunki osti niitä Egyptiin. Suomessa jo edesmennyt Tielaitos otti formaatin ja mittausohjelmat myös käyttöönsä, josta johtunee GT:n toinen nimi: Tielaitos-formaatti.

GT toimi aluksi ulkoisessa GeoNic/MicroNic-maastotietokoneessa. Vuonna 1988 Hannu teki sopimuksen uuden takymetrin kehittämisestä Nikonin kanssa, joten vuoden 1993 jälkeen GT toimi suoraan Nikonin ja myöhemmin Zeissin takymetreissä. Tämä monipuolisti ja nopeutti mittausta. Sittemmin tämä mahdollisuus suljettiin pois ja tyypillisesti takymetrit eivät ole vielä tänä päivänäkään avautuneet kunnolla uudestaan ulkopuolisille ohjelmille. Näin valmistajat voivat toisaalta suojata omaisuuttaan ja kilpailukykyään, mutta suljetut systeemit on loppujen lopuksi vaikea pitää hengissä pitkällä tähtäimellä. Steven Johnsonin sanoin: ” Suljettujen ympäristöjen ongelmana on, että ne estävät onnekkuutta ja pienentävät ongelmaa potentiaalisesti selvittävien mielten verkostoa”.

Kun käyttäjät ja ulkopuoliset sovelluskehittäjät pääsevät prosessoimaan suoraan raakadataa ja ohjelmoimaan suoraan omia sovelluksiaan laitteisiin, niin niiden käyttö yleensä monipuolistuu eri tarpeiden mukaan ja näin luodaan uutta kysyntää. Sellainen kehitys olisi myös suotavaa laserskannerien puolella, mutta osa laitteista pysyy tiukasti suljettuna. Onneksi avautumistakin on, sillä esimerkiksi Rieglin skannereihin voi ohjelmoida oman käyttöliittymäsovelluksen ja niiden tuottamaa täyden aallonmuodon dataa voi prosessoida halutessa itse. Kokonaisuudessaan ulko- ja sisäpaikannus sekä laserskannausmaailma ovat kehittyviä aloja sekä laiteiden, ohjelmien että palveluiden osalta, joten sinäkin, hyvä lukija, voit ideoillasi muokata tulevaisuutta.

Hyvät lukijamme, GT:n tarinan siivittämänä toivotamme teille hyvää, rentouttavaa ja idearikasta Joulua sekä menestyksekästä Uutta Vuotta 2013!

3D-skanneri vs. ”skannaava takymetri”

Muutama vuosi sitten kommentoin ns. skannaavia takymetreja Maankäytön artikkelissa. Kysymys on siis niiden käytettävyydestä 3D-laserskannereihin verrattuna – voiko skannerin korvata skannaavalla takymetrilla?

Maailma ei ole mustavalkoinen, joten vastaus riippuu siitä mitä mittalaitteella suunnitellaan tehtäväksi. Jos halutaan hyödyntää maalaserskannerin nopeus eikä kohteessa ole varaa roikkua kuukausikaupalla, niin silloin 3D-skanneri on ainoa mahdollinen valinta skannaustehtävään.

Aihe tähän juttuun tuli siitä, että parhaillaan Suomessakin moni firma lähtee skannauskuvioihin ns. pitkän kaavan mukaan: ensin ostetaan se skannaava takymetri ja sitten huomataan, ettei sillä voikaan tehdä haluttua työtä kun aika on myös rahaa. Sen kun vaan, kantapään kautta tapahtuva oppiminen, joka vielä tuntuu kukkarossa, on lopulta sitä ainoaa kunnolla perille menevää oppia 🙂

Kun katselee tyypillisen skannaavan takymetrin teknisiä tietoja, niin mittausnopeus normaalitilanteessa on 5 pistettä/s. Kun esimerkiksi Faro Focus mittaa lähes 1 000 000 pistettä/s ja Riegl lähettää 122 000 pulssia/s vastaanottaen max. 2 000 000 pistettä/s, niin kyllä jonkinlainen herästyskello voisi hälyttää ostajan päässä. Eikä takymetrin prismaton mittausetäisyyskään ole kovin kummoinen, jos skannatessa päästää vain hiukan vaihe-ero-keilaimia pidemmälle.

Mittausnopeudella ja pistetiheydellä on suurta merkitystä mallinnuksen kannalta, sillä vaikka kohdetta mitattaisiin monta päivää, niin mallinnus ei kuitenkaan ole mahdollista. Näin näyttää havainneen myös Jukka Tolonen vuonna 2011 diplomityössään, jossa vertaillaan saman valmistajan skannaavaa takymetriä ja 3D-skanneria. Monista hienoista yksityiskohdista kuten sillan kaiteista ei sittenkään ole mitattu tarpeeksi pisteitä mallinnukseen. Tässä työssä laitteiden nopeusero ei edes ole merkittävä, sillä ranskalaisen Mensin alunperin suunnittelema skanneri oli kymmenisen vuotta sitten nopea state-of-the -art -laite, mutta nykyskannereihin verrattuna auttamattoman hidas.

Rahansäästö on laitteistoa ostaessa nopeasti näennäinen säästöerä. Laskettaessa myöhemmin kokonaistyöaika mittauksesta mallinnukseen, huomataan rahan kulumisen olevan hyvinkin konkreettista.

Voimajohtojen vaikutus mittaustulokseen

Etäisyysmittausten kanssa puuhastellessa virhelähteiden miettiminen on tai ainakin sen pitäisi olla arkipäivää. Pääsääntöisesti virheet aiheituvat laitteista, ympäristöstä ja mittaajista. Laitteiden käytettävyys on nykyään niin hyvä, että napin painalluksen luullaan riittävän hyvin tulosten aikaansaamiseksi. Tämä on haaste myös alan koulutuksessa, sillä opiskelijat jopa kieltäytyvät tekemästä mittauksia vaatimusten mukaan. Virheet täytyisi selkeästi saada ilmennettyä paremmin, jotta niiden olemassaolon ja merkityksen ymmärtäisi.

Ilmakehästä aiheutuu monenmoista murhetta mittauksilla kaikilla sähkömagneettisissa mittauksissa käytetyillä aallonpituuksilla. Eräs virheiden aiheuttajista on refraktio oli mittaussäteen taittuminen rajapinnassa. Refraktio on erityisen voimakas lämpiminä päivinä ilman seisoessa, jolloin ilmaan syntyy eri lämpötilan omaavia kerroksia ja niiden rajapintoihin eri taitekertoimia. Myrskysäällä ilma on puolestaan hyvin sekoittunutta, jolloin refraktio on normaalisti olematon. Refraktio olisi helppo hallita ja mallintaa, jos tietäisimme olosuhteet koko mittaussäteen kulkumatkalta, mutta näinhän ei ole.

Refraktio tulee vahvasti esille haluttaessa mitata kuumia kohteita, koska mittaussäde kohtaa matkallaan useita taittavia rajapintoja – erilämpöisiä ilmakerroksia. Lisäksi kuumasta kohteesta heijastuva säteily voi häiritä/vahingoittaa mittalaitteen vastaanottokennoa. Kuumien kohteiden mittaaminen on tunnetusti haastavaa ja se ei onnistu millä tahansa laitteilla.

Mutta kuinka moni tulee miettineeksi korkeajännitevoimajohtojen sähkökenttien aiheuttamaa refraktiota sen virhettä mittauksiin? Aihepiiri on tunnettu jo ainakin 140 vuoden ajalta, mutta sitä on tutkittu vähän. Voimajohtojen läheisyydessä tunnetumpi ilmiö lienee sähkö&magneettikenttien aiheuttamat ongelmat itse mittalaitteista, jotka sähkölaitteina voivat seota liian voimakkaissa kentissä.

Esimerkiksi 330 kV (30-50 A) voimajohdon läheisyydessä on havaittu systemaattisen horisontaalipoikkeaman olevan luokkaa -0,81 mgon ja vertikaalipoikkeaman +4,32 mgon. Korkeus- ja vaakakulman poikkeamat aiheuttavat mitatun pisteen sijaintivirheen, joka 100 m etäisyydellä on jo senttimetriluokkaa.

Kartoituksen tarkkuudessa virheet voivat vaikuttaa pieniltä ja projektin vaatimuksista riippuen niitä ei tarvitse edes huomioida. Sähköjohtoja sisältävissä tunneleissa geodeettisten tarkkuusmittausten tekeminen onkin jo haastavampaa, koska voimajohtojen läheisyydestä ei pääse eroon. Lisäksi voimajohtojen koon kasvaminen on maailmanlaajuinen tendenssi, joten virheen koko alkaa helposti olla jo merkittävä isojen voimalinjojen läheisyydessä.

Lähde: Henrik Brys: Refraktionseinflüsse durch elektriche Gleichstromfelder. Avn 5/2012.

Urheilun pituusmittauksista

Näin yleisurheilun EM-kilpailujen ja kesäolympialaisten lähestyessä on ajankohtaista luoda katsaus tiettyihin yleisurheilukilpailujen pituusmittauksiin – milloin ja miten mittanauhoista päästiin eroon? Keihäässä, kuulassa, kiekonheitossa, pituushypyssä ja kolmiloikassa tuloksen mittaamiseen käytetään nykyään maanmittareille tuttua takymetriä ja samalla tekniikalla tarkastetaan myös seiväshypyn rimankorkeus. Nuoremmille sukupolville ei kuitenkaan ole tuttua, millainen rooli suomalaisilla ja erityisesti Heinosen Hannulla on ollut kisamittausten kehittämisessä, joten tässä lyhyt katsaus asiaan.

Hannu harrasti nuorena juoksua, hiihtoa ja mäkihyppyä, joten vuonna 1974 Zeissin silloisen maahantuojan Keijo Rainesalon tarjoama tilaisuus kehittää urheilumittausta oli nuorelle maanmittausteknikolle hyvin mieluinen. Tuolloin pituusmittaukset hoidettiin mittanauhoilla eli tarkoituksena oli kehittää elekro-optista mittausta samaan tarkoitukseen. Suomi oli hakenut myös 1977 yleisurheilun Eurooppacupin loppukilpailua, joten aikaa harjoitella mittausta maaotteluissa oli 3 kesää ennen suurta koitosta. 1977 Hannu todella pääsi ensimmäistä kertaa mittaamaan luomallaan järjestelmällä kansainvälisissä arvokisoissa. Maaottelussa laskenta tapahtui HP:n ohjelmoitavilla laskimilla, mutta 1977 käytössä oli jo Wangin tietokone. Noina vuosina yleisurheilu oli koko Euroopassa voimissaan ja Eurooppa Cupiin kuuluvia maaotteluita järjestettiin Helsingin Olympiastadionilla useita joka kesä. Luonnollisesti mukaan kuului myös Suomi-Ruotsi maaottelut.

Vuoden 1983 järjestetyissä ensimmäisissä yleisurheilun maailmanmestaruuskilpailussa Hannu toimi mittauksen johtajana ja elektro-optisesti mitattaviin lajeihin tulivat nyt myös mukaan pituushyppy, kolmiloikka ja kuula aiemmin mitattujen pitkien heittojen lisäksi. Helsingissä tämä tapahtui ensimmäisen kerran maailmassa.

Kansainvälisiin kilpailuihin uuden tekniikan tuominen vaatii kansainvälisen yleisurheiluliiton IAAF:n hyväksynnän uudelle mittaustavalle. Hannu oli esitellyt mittaustekniikkansa Suomen Urheiluliitolle ja Suomen tekninen delekaatio esitteli sen edelleen Rooman EM-kisojen yhteydessä IAAF:lle. Roomassa ajatukselle naurettiin ja väitettiin kyseisen mittauksen olevan mahdotonta. Suomeen palattuaan delekaation johtaja Nils ”Nisse” Hagman soitti Hannulle jo Helsingin lentoasemalta terveisiä Roomasta ja kyseli oliko Hannu tahallaan laittanut heidät ”pellen osaan” Roomassa, esittämään aivan mahdotonta ratkaisua. Puhelussa kuitenkin sovittiin, että Hannu saisi todistaa väitteensä paikkansapitävyyden parin päivän kuluttua Olympiastadionilla delegaation jäsenille. Niinpä viritettiin mittalaitteet Stadionille katsomon eteen ja kun Nisse Hagman ja stadionin isännöitsija Jorma Lindell hyppäsivät pituutta kentän toisella laidalla, Hannu mittasi tulokset kentän ylitse ja kontrollit mitattiin mittanauhalla millilleen. Poikkeamat olivat 0…1 mm luokkaa, jonka jälkeen Nisse totesi pontevasti ja päättäväisesti, että ensikesänä me mitataan sitten takymetrillä ja näytetään, että me Suomessa osaamme nämä hommat.

Uutta oli myös mittauslaitteiden siirtyminen pois kentältä – Olympiastadionille rakennettiin A-katsomon yläosaan katettu mittausasema, jossa oli 2 betonipilaria takymetreille ja datayhteys Stadionin keskustietokoneelle. Lajien valinta automatisoitiin, joten kahdella takymetrillä hoidettiin jopa neljän samanaikaisen lajin mittauksia.

Elta S urheilumittauksessa

Maria Heinonen mittaamassa Olympiastadionilla vuonna 1998. Takymetrinä Hannulle hyvin rakas Zeiss Elta S-sarjan laite, jonka suunnittelussa Hannu oli Zeissilla mukana. Kuvalähde: Zeiss Geo Newsletter 12 (98)

Tässä vaiheessa mittauspaikat pystyttiin vielä valitsemaan optimaalisesti hyvien mittaustulosten varmistamiseksi, mutta nykyään sponsori & muut ”poliittiset” tekijät vaikuttavat tai ainakin pyrkivät vaikuttamaan laitteiden sijoitteluun. Näin mittauksen kokonaisepävarmuus kasvaa, jolleivat alan ammattilaiset pidä puoliaan markkinavoimia vastaan.

Los Angelesin menetetyt Olympiakisat

Los Angelesin 1984 olympialaisten tekninen delegaatio oli Helsingissä tutustumassa järjestelyihin ja kiinnostui uudesta mittausratkaisuista. Pian Hannu allekirjoitti sopimuksen olympiakisojen mittaustehtävistä ja alan johtaviin laitevalmistajiin kuulunut Wild Heerbrugg Ag lupautui toimittamaan tarvittavat mittauslaitteet Hannulle paikan päälle. Hannu toimi tuolloin A. Ilmonen Oy:n Geodesian osaston myyntipäällikkönä. Mainittakoon, että 1983 Wild esitteli T2000 elektroniteodoliitin maastotallentimella ja ohjelmointimodulilla, jota toimitettiin Suomeen noin 30 kappaletta heti ensimmäisenä vuonna. Muualla maailmassa ohjelmointimodulia ei myyty, mutta Suomessa oli heti ohjelmointivalmius ja ideoita mittausohjelmien tekoon. Hannukin kävi Sveitsissä Wildin ohjelmointikursseja.

Pian Suomen urheiluliitto pyysi järjestämään Nokialle mahdollisuuden tulla mukaan osittain 1984 Olympialaisten tulospalveluun tavoitteena 1988 Olympialaisten kokonaistulospalvelun saaminen Nokialle. Tämän vaatimuksen esittäminen jälkikäteen, sopimuksen allekirjoituksen jälkeen, aiheutti hankalan neuvottelutilanteen, kun yritettiin väkisin saada ovi auki Nokialle. Järjestäjät eivät hyväksyneet Nokian mukaantuloa, joten mittaussopimus purettiin vain muutama kuukausi ennen olympiakisojen alkamista. Näin Losin Olympialaisissa kuula ja hypyt mitattiin perinteisesti mittanauhalla mitaten. Mitäpä asiaan voi muuta todeta kuin että Nokia on historiansa aikana ollut monasti vahvasti läsnä suomalaisten elämässä, hyvässä ja pahassa.

Hannun seuraava suuri kansainvälinen koitos olivat 2005 MM-kisat Helsingissä mittausjohtajan pallilla. Tapahtumasta jäi erityisesti mieleen rankka vesisade ja selitysten antaminen kansainväliselle televisiolle vesisateen aiheuttamista tietoliikenneongelmista. Yksittäinen mittaustulos jäi tietokoneen puskurimuistiin niin, että jokainen urheilija sai edeltäjänsä tuloksen taululle. Näin esimerkiksi kisan aloittanut Tero Pitkämäki sai noin 80-metriselle avausheitolleen taululle tulokseksi 60 m, joka oli edeltävän kontrollimittauksen lukema. Yleisö buuasi ja mittausjohtaja juoksi kovaa tulospalveluun… Vuonna 2005 laitteisto tuli kokonaisuudessaan Seikon ja Epsonin toimesta eli nykyään kisoissa ei näe enää takymetrien valmistajamerkkejä. Mittausjohtaja jäi kaipaamaan omia laitteita ja systeemiä, joiden kanssa oli pärjätty hyvin myös vesisateessa.

Kilpailumittausten lisäksi Hannun toimeen on kuulunut kisamittaajien koulutus. Kisamittaus on perinteisesti toiminut vapaaehtoisvoimin, joten halukkaita koulutetaan tehtäviin aina ennen kisoja. Kuten kaikki prisman kanssa takymetrilla mitanneet tietävät, suurin äly täytyy löytyä prismapäästä, joten prisman asettaminen kentällä on tärkeä tehtävä. Oman lisämausteensa mittauksiin tuo lisäksi valtava katsojamäärä, korvissa vihlova huutomyrsky ja koko kisatilanteen tuoma paine, joka myös kisahenkilökunnan on kestettävä.

Kisalähetyksiä seuratessanne kiinnittäkääpä huomionne siihen, miten mittauslaitteet on sijoitettu. Laitemerkit hyvin tuntevat voivat puolestaan tunnistaa laitevalmistajat sponsoritarrojen alta. Prismatekniikan toimivuutta voi puolestaan tarkastella varsinkin television lähikuvista, joissa välillä vilahtelee mittamieskin.

Aiheesta lisää Maankäytön artikkelissa 1/2006

Etäisyysmittauksesta takymetrillä ja laserskannerilla

Muutama asia nousee aina vaan uudelleen esiin keskusteltaessa etäisyysmittauksen tarkkuuksista oli sitten kyseessä laserskannaus tai prismaton takymetrimittaus. Mitkä seikat vaikuttavat mittaustarkkuuteen (tietysti mittaajan lisäksi)? Miksi rakennuksen julkisivu alkaa kaartumaan? Miksi mitattu sisäkulman paikka sijaitsee väärässä paikassa?

Lähtökohtaisesti kannattaa muistaa, että laitevalmistajien ilmoittamat mittauslaitteiden tarkkuusarvot on mitattu laboratorioolosuhteissa kohtisuoriin pintoihin. Pintojen heijastuarvot ilmoitetaan tyypillisesti Kodakin harmaasävykorteilla korkeasti heijastavaan (90 %) ja matalasti heijastavaan (10…20 %) pintaan.

Rakennetussa ympäristössä mitattavat pinnat ovat kuitenkin paljon moninaisempia sekä materiaaleiltaan, heijastavuudeltaan, väreiltään että pinnan karkeudeltaan. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat mittaustulokseen, vaikka käytännössä niitä ei usein huomioida. Vastaavanlainen vaikutus on myös kohtauskulmalla mitattavaan kohteeseen. Aiheesta on julkaistu aika vähän tutkimuksia, mutta esimerkiksi Lambrou ja Pantazis ovat kaivautuneet pintaa syvemmälle vuonna 2010 julkaistussa artikkelissa ”Evaluation of the Credibility of Reflectorless Distance Measurement”.

Lambrou ja Pantazis mittasivat alle 50 m etäisyyksiä 4 eri takymetrillä kohteisiin, jotka edustivat 26 eri materiaalia. Kohteita mitattiin lisäksi kolmessa eri kohtauskulmassa. Lopputuloksena todettiin, että prismattomissa takymetreissä on vielä paljon kehittämistä, sillä esimerkiksi 50 m etäisyydellä 20-85% mittauksista oli ilmoittujen arvojen ulkopuolella. Valtaosa mittauksista kaikilla laitteilla oli lyhyempiä kuin todelliset etäisyydet.

Lisäksi käytännön ongelmia aiheuttavat ulko- ja sisäkulmat, johtuen säteen fyysisestä halkaisijasta kohteessa.

Yllä olevasta kuvasta voi miettiä, mikä mittauksen tulokseksi saadaan. Oikeasti mittaustulokseen vaikuttaa vielä mittauslaitteessa käytetty laskenta-algoritmi, joka siis vaihtelee laitteiden välillä. Näin ollen eri laitteet antavat samanlaisessa tilanteessa erilaiset tulokset. Mittaaja voi välttyä arpapelilta mittaamalla esimerkiksi kulman sijasta seinien tasot, jolloin kulman sijainti lasketaan tasojen leikkauksesta. Nikon tarjosi aikoinaan toista lähestymistapaa, sillä mittaaja joutui tarkentamaan sen säteen kohteeseen. Käytännössä säteen halkaisija kohteessa säädettiin hyvin pieneksi ja laite suostui mittaamaan kohteeseen vasta tarkennuksen jälkeen. Menetelmän johdosta mittaustapahtuma hidastui, mikä ei puolestaan ilahduttanut mittaajia sorvin ääressä.

Takymetrimittauksessa usein ihmetellään esimerkiksi julkisivun yläosan kaartumista sisään tai ulospäin tai seinän kaartumista pituussuunnassaan, joka puolestaan johtuu sekä etäisyyden laskenta-algoritmista että säteen kohtauskulmasta mitattavaan pintaan nähden. Sama mittausvirhe syntyy myös sisä- ja ulkonurkkien mittauksessa, kuten yllä olevasta kuvasta havaitaan.

Mikä on siis tilanne laserskannauksessa? Optisen mittauksen lainalaisuudet eivät katoa minnekään, vaan laserskannaus on pikemminkin tuonut selkemämmin esille esimerkiksi materiaalin vaikutuksen mittaustulokseen. Käytännössä tämän on voinut nähdä vaikkapa kohteissa, joissa on suuria värikontrastieroja. Vaikka kohteen pinta on tasainen, niin pistepilviaineistossa voi pahimmillaan nähdä korkeuseron värien kontrastirajalla. Prismattomassa takymetrimittauksessa tämä virhe on jäänyt huomaamatta, sillä harvoin kukaan mittaa takymetrillä pintoja yhtä tiheällä pistevälillä kuin 3D skannerilla mitataan.

Sisä- ja ulkokulmien sijaintitarkkuuden määrittää tarkimmin mallintamalla viereiset seinät ja muodostalla kulmapisteen tasojen leikkauksista. Yleisestikin ottaen pistepilviaineistojen todellinen tarkkuus tulee esille vasta käsiteltäessä mallinnettuja pintoja ja suorat mittaukset pistepilvestä ovat herkästi epätarkkoja. Luonnollisesti jos tarkkuuvaatimus ei ole suuri, niin karkeammilla mittauksilla voidaan toki päästä pitkälle.

Laserskannauksessa mittausten tarkkuutta voidaan parantaa kehittämällä signaalinkäsittelytekniikkaa esimerkiksi Rieglin kehittämällä tavalla. Täyden aallonmuodon analyysissä verrataan palautuvan signaalin muotoa valmiiksi kirjastoituihin vertailuarvoihin ja näin oikea etäisyys kohteen pinnasta saadaan lasketuksi tarkemmin. On kuitenkin huomattava, että kohtauskulman kasvaessa suureksi vertailu ei enää tuota optimaalista tulosta.

Sekä skannauksen että erityisesti takymetrimittausten kohdalla kannattaa muistaa, että parhaan mittaustuloksen saa aina mitattaessa mahdollimman kohtisuoraan kohteen pintaan nähden.

Joeckel, R. ; Stober, M. ; Huep, W. 2008. Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung und ihre Integration in aktuelle Positionierungsverfahren. Wichmann.