Een Digital Twin bouwen van de bossen van Quebec uit 115.000 orthofoto's

De basis vóór alles

Een territoriale digital twin staat of valt met zijn data. Duizenden heterogene orthofototegels samenvoegen, incompatibele coördinatenreferentiesystemen absorberen, dekkingsgaten opvullen, kleuren harmoniseren tussen sensoren en opnamejaren. Het is het minst zichtbare werk, maar structureel het belangrijkste. Zolang deze basis niet solide staat, houdt niets van wat daarna komt (3D-rendering, multischaalnavigatie, territoriale analyse) stand.

Dit artikel is een voortgangsrapport over die fase, toegepast op het grondgebied van Quebec.

Waar we vandaag staan

De TerraLab-pipeline: één scène, elke bron

TerraLab-Twin is een planetaire virtuele globe. Zijn taak is het in realtime samenvoegen van heterogene geodatabronnen (publieke orthofoto's, hoogresolutie drone-orthofoto's, digitale terreinmodellen, vectorlagen, satellietbeelden) tot één navigeerbaar 3D-terrein, van planetaire schaal tot op perceelniveau.

Drie eigenschappen definiëren de state of the art die we nastreven:

• Schaalcontinuïteit: van heel Quebec (10.000 km diagonaal) tot een perceel van 50 m, zonder onderbrekingen, zonder CRS-wisselingen en zonder naden bij bestuurlijke grenzen.
• Dynamische multi-bronfusie: meerdere bronnen met wisselende kwaliteit en resolutie bestaan naast elkaar op hetzelfde terrein en worden dynamisch geselecteerd op basis van het gebied, de gevraagde resolutie en de databeschikbaarheid.
• Volledige abstractie vooraf: de eindgebruiker ziet nooit een bestandsformaat, een EPSG-code of een MTM-zone. Die navigeert gewoon.

Al het werk dat hieronder wordt beschreven, draait om het waarmaken van deze drie eigenschappen voor een concreet geval: het grondgebied van Quebec.

MRNF-tegels samengevoegd door TerraLab WorldMapServer. Doorlopend terrein, geen zichtbare naden tussen de originele kaartbladen.

Wat de data van Quebec uniek maakt

Quebec biedt een van de rijkste publieke datasets van Noord-Amerika voor dit soort werk. Het Quebecse ministerie van Natuurlijke Hulpbronnen en Bossen (MRNF, voorheen MERN) publiceert meer dan 115.000 orthofototegels, in totaal enkele honderden gigabytes aan data, met een native resolutie van 20 tot 30 cm per pixel. Dat is ruwweg dertig keer fijner dan de Sentinel-2-satellietbeelden die als aanvulling worden gebruikt.

MRNF-orthofoto op native resolutie van 20-30 cm over een bosgebied in Quebec.

Deze rijkdom brengt eigen uitdagingen met zich mee: een heterogene familie van kaartprojecties, meerdere bestandsformaten, beelden die over meerdere jaren en seizoenen zijn opgenomen. Dit is precies het soort dataset waarvoor een virtuele globe is ontworpen, waar een traditionele GIS-tool de gebruiker zou vragen een projectie, een seizoen en een formaat te kiezen, en met de gevolgen te leven.

En we weten hoe we deze schaal moeten aanpakken. De 115.000 tegels, de honderden gigabytes, de gemengde formaten, de data uit verschillende opnamejaren: de architectuur van TerraLab-Twin is ontworpen om dit volume native te verwerken, op een ontwikkelaarswerkstation, zonder speciale infrastructuur.

Originele MRNF-tegel op 20 cm. Bomen, wegen en percelen duidelijk zichtbaar vóór enige verwerking.

Het lastige deel: kaartprojecties

Ik wil hier even bij stilstaan, want voor iedereen die in de geodata heeft gewerkt, is dit een operationele nachtmerrie.

De publieke data van Quebec komt niet in één enkele projectie. Ze komt als een familie van NAD83-varianten: een variant van Quebec Lambert (EPSG:32198), modernere CSRS-gebaseerde varianten, en tien MTM-zones (Modified Transverse Mercator) die het grondgebied om historische cartografische redenen opdelen. In de praktijk kan elke tegel in een ander coördinatenreferentiesysteem binnenkomen. Elk datum heeft zijn eigen valkuilen. Elke tool in de geodataketen heeft zijn eigen legacy-gedrag rond de PROJ-bibliotheek. Het komt in productie ontzettend vaak voor dat een pipeline stilletjes faalt omdat een verouderde installatie transformaties teruggeeft die tien meter of meer afwijken.

Dit is precies wat een virtuele globe wegabstraheert. TerraLab-Twin kent maar één uiteindelijke projectie: WGS84 op de planetaire ellipsoïde. Alle projectieve complexiteit wordt vooraf geabsorbeerd, in de ingestion-pipeline. De eindgebruiker ziet nooit een EPSG-code. Die ziet een doorlopend, navigeerbaar 3D-grondgebied, van heel Quebec tot op een enkel bospercel, zonder dat iets breekt bij zonegrenzen.

Zodra dit lastige probleem is opgelost, wordt al het andere mogelijk: multi-bronfusie, doorlopende navigatie, real-time 3D.

Interne tegeltool: elke bron wordt herprojecteerd naar WGS84 en vervolgens samengesteld in de 3D-scène.

Waarom WGS84 in een virtuele globe, en waarom dat belangrijk is

De keuze voor WGS84 op de ellipsoïde is niet arbitrair. Een klassieke kaartprojectie is, per definitie, een compromis: ze verplat een 3D-object (de ellipsoïde van de aarde) tot een 2D-vlak, wat altijd vervorming introduceert (in hoeken, oppervlakten, afstanden, of alle drie). Acceptabel op kleine schaal, onhoudbaar op continentale schaal.

Een virtuele globe omzeilt het probleem door alles volledig in 3D te houden. De engine werkt op de echte ellipsoïde, niet op een platte projectie. Het directe gevolg voor de gebruiker: je kunt vrij inzoomen van heel Quebec tot op een perceel van 50 m, zonder van CRS te wisselen, zonder naden bij MTM-zonegrenzen, zonder poolvervorming, zonder uitlijningsartefacten aan de randen. Dit is wat de navigatie doorlopend maakt, en dat is iets wat geen traditionele 2D GIS-tool kan bieden.

Kleurcalibratie en fusie: de visuele uitdaging

Zodra de projecties zijn opgelost, is de volgende uitdaging visueel. Een 3D digital twin van Quebec voegt niet één, maar drie complementaire beeldbronnen samen:

1. MRNF-luchtorthofoto: prioriteit 1, 20-30 cm, de detaillaag
2. Sentinel-2-satellietbeelden: prioriteit 2, 10 m, vult gebieden zonder luchtdekking op (doorgaans kustgebieden)
3. Blue Marble planetaire basiskaart: laatste redmiddel, zorgt dat geen enkel gebied ooit leeg blijft

Elk van deze drie bronnen heeft zijn eigen colorimetrische signatuur: andere sensoren, andere opnamecondities, andere opnamedata, andere voorafgaande verwerking. De uitdaging is niet alleen om ze samen weer te geven, maar ook om ervoor te zorgen dat grenzen onzichtbaar blijven voor het oog en dat naburige tegels hetzelfde kleurbereik delen.

Sommige MRNF-tegels zijn ook incompleet: aan de randen van vluchtcampagnes stopt de luchtdekking midden in een tegel, wat nodata-zones achterlaat. Zonder verwerking verschijnen deze gaten als zwarte banden in het 3D-terrein. Dit is nog een reden waarom de pipeline meerdere bronnen moet samenvoegen: deze gaten opvullen met Sentinel-2 waar de luchtorthofoto tekortschiet.

MRNF-tegel met deels dekking. De pipeline vult gaten automatisch op met Sentinel-2.

Voor Sentinel-2 stellen we het beeld samen met een mediaan over meerdere data binnen een vast reflectiebereik: dit verwijdert uitschieters (wolken, schaduwen, atypische dagen) en zorgt dat alle tegels dezelfde calibratie delen.

Aan de Quebec-kant vertonen sommige oudere vluchtcampagnes (met name 2015) een systematische blauwtint. De exacte oorsprong van dit defect is niet gedocumenteerd door de dataleverancier, maar de abnormaal hoge blauw-rood-verhouding (B/R ~1,30 tegenover ~0,88 voor normale campagnes) treft een groot deel van de tegels van dat jaar. De pipeline filtert op seizoen (zomeropnames voor consistente groentinten), maar het probleem blijft bestaan voor gebieden waar alleen tegels uit 2015 beschikbaar zijn.

Voor deze gebieden zijn meerdere aanpakken mogelijk: automatische kleurcorrectie (histogram matching tussen naburige tegels), of vervanging door satellietbeelden (Sentinel-2 als eerste optie, gratis op 10 m, of commerciële bronnen zoals Airbus Pleiades en Maxar voor fijnere resolutie, maar tegen aanzienlijke kosten). Geen van deze opties is op zichzelf ideaal. De meest waarschijnlijke combinatie is filteren op opnamejaar, gekoppeld aan een Sentinel-2-fallback voor gebieden zonder alternatief. Positief is dat de MRNF regelmatig nieuwe luchtcampagnes blijft publiceren (orthofoto's van 2023 en 2024 zijn voor bepaalde regio's al beschikbaar als open data). Na verloop van tijd zullen gebieden die alleen door gebrekkige tegels uit 2015 worden gedekt, vermoedelijk vervangen worden door recentere en beter gecalibreerde opnames.

Boven: MRNF-tegel uit 2015 met blauwtint (B/R ~1,30). Onder: 2016 met normale kleur (B/R ~0,88).

Blauwgetinte tegels uit 2015 naast normaal gecalibreerde tegels: zichtbare lappendeken die de homogeniteit van het terrein doorbreekt.

Aan de grens tussen de bronnen van Quebec en Sentinel-2 is de geometrische overgang onmerkbaar. De colorimetrische overgang blijft echter zichtbaar in sommige kustgebieden. Dit is een bewuste trade-off: blending op pixelniveau over honderden kilometers kustlijn zou een onevenredige verwerkingskost betekenen ten opzichte van de visuele winst, vooral op de navigatieschalen die typisch zijn voor de digital twin. De pipeline geeft voorrang aan dekking en continuïteit boven cosmetische perfectie aan de randen.

Boven: alleen Sentinel-2. Onder: composiet van Quebec + Sentinel-2. Overgangszone zichtbaar langs de kustlijn.

De pipeline bevat een stap voor color matching die deze overgangen vloeiender maakt. Het voorbeeld hieronder uit de regio Riviere-du-Loup laat het verschil zien: zonder color matching is de grens tussen de orthofoto van Quebec en Sentinel-2 duidelijk zichtbaar. Met color matching wordt de overgang veel subtieler.

Riviere-du-Loup. Boven: zonder color matching. Onder: met color matching.

Gaspe-schiereiland, breed overzicht. Cyaan zone (links) = blauwgetinte tegels uit 2015, vasteland = orthofoto van Quebec, oceaan = Sentinel-2.

Waar we nu staan

Op 7 april 2026 liggen we op schema. De NAD83-familie wordt vooraf geabsorbeerd, en de ingestion-pipeline verwerkt geleidelijk de ~115.000 MRNF-tegels. De dekking van het grondgebied is momenteel nog gedeeltelijk: al verwerkte gebieden (bijvoorbeeld het Gaspe-schiereiland) zijn navigeerbaar met de orthofoto van Quebec, terwijl andere gebieden ondertussen met Sentinel-2 zijn opgevuld. De compositie van de drie lagen is gevalideerd op de kust van Gaspesie, en het datavolume draait probleemloos op een standaard ontwikkelaarswerkstation.

De engine geeft momenteel output op 10 m per pixel. Dit is een bewuste keuze voor deze eerste iteratie: eerst op globale schaal werken laat ons toe de volledige pipeline te valideren (projecties, fusie, kleurcalibratie, datavolume) voordat we zone per zone de resolutie verhogen. De bron-MRNF-data op 20-30 cm is aanwezig. Verfijning tot 30 cm zal per geval gebeuren, gedreven door behoefte.

Voor de hoogte steunt het 3D-terrein op een SRTM-hoogtemodel (Shuttle Radar Topography Mission). Het is niet de fijnste beschikbare bron, maar het dekt het volledige grondgebied en laat ons toe de volledige keten te valideren. Een overstap naar preciezere DTM's van Quebec is haalbaar voor prioritaire gebieden.

Hier is het huidige resultaat: de orthofoto van Quebec op 10 m, gedrapeerd over het SRTM-reliëf, zonder 3D-vegetatie en zonder vectordata. Dit is de ruwe terreinbasis waarop alles verder wordt gebouwd.

Eerste 3D-weergaven van Quebec. Ortho van 10 m + SRTM-reliëf. Van boven naar onder: atmosferische verstrooiing, directe belichting, geen belichting.

Een belangrijke conclusie: de renderkwaliteit kan de kwaliteit van de brondata niet overtreffen. Waar de MRNF-data schoon en correct gecalibreerd is (campagnes na 2015), is het resultaat uitstekend. Waar ze gebreken vertoont (blauwgetinte campagnes van 2015), kan de pipeline geen correcte kleurcalibratie verzinnen.

Wat vandaag al live is:

• Luchtorthofoto van Quebec (MRNF) samengevoegd met Sentinel-2
• 3D-reliëf via SRTM
• Volledige pipeline gevalideerd op de kust van Gaspesie

Binnenkort:

• Resolutie van 20-30 cm bij dichte zoom
• OSM-vectordata van Quebec
• 3D-bomen over het hele grondgebied van Quebec