Digitale tweeling van het bos in Quebec: 115.000 orthofoto's

De basis vóór al het andere

Quebec publiceert meer dan 115.000 orthofototegels van 20 tot 30 cm per pixel, samen goed voor enkele honderden gigabytes, en we hebben ze allemaal op één doorlopend 3D-terrein geplaatst. Bijna niets van dat werk was 3D. Het ging om het samenvoegen van tegels die geen projectie delen, het opvullen van de hiaten ertussen en het afstemmen van kleuren tussen sensoren en opnamejaren.

Dat is het deel dat niemand laat zien, en het is het deel dat bepaalt of alles erboven werkt. Zolang de onderliggende gegevens niet doorlopend zijn, rusten de 3D-weergave, de zoom van provincie naar perceel en elke territoriale berekening op drijfzand. Dit bericht is een voortgangsrapport over die fase, toegepast op Quebec.

De TerraLab-pipeline: één scène, elke bron

TerraLab Twin is een planetaire virtuele globe. Zijn taak is om heterogene georuimtelijke bronnen in realtime (openbare orthofoto's, hoge-resolutie-droneorthofoto's, digitale terreinmodellen, vectorlagen, satellietbeelden) samen te voegen op één navigeerbaar 3D-terrein, van planetaire schaal tot perceelniveau.

Drie eigenschappen bepalen de stand van de techniek die we nastreven:

• Schaalcontinuïteit: van heel Quebec (10.000 km diagonaal) tot een perceel van 50 m, zonder onderbrekingen, CRS-wijzigingen of naden bij administratieve grenzen.
• Dynamische fusie van meerdere bronnen: meerdere bronnen van uiteenlopende kwaliteit en resolutie bestaan naast elkaar op hetzelfde terrein en worden dynamisch geselecteerd op basis van het gebied, de gevraagde resolutie en de beschikbaarheid van gegevens.
• Volledige abstractie aan de bronzijde: de eindgebruiker ziet nooit een bestandsformaat, een EPSG-code of een MTM-zone. Die navigeert gewoon.

Al het hieronder beschreven werk draait om het realiseren van deze drie eigenschappen voor een concreet geval: het grondgebied van Quebec.

MRNF-tegels samengevoegd door TerraLab WorldMapServer. Doorlopend terrein, zonder zichtbare naden tussen de oorspronkelijke bladen.

Wat de gegevens van Quebec uniek maakt

Quebec biedt een van de rijkste openbare datasets in Noord-Amerika voor dit soort werk. Het Quebec Ministry of Natural Resources and Forests (MRNF, voorheen MERN) publiceert meer dan 115.000 orthofototegels, samen goed voor enkele honderden gigabytes aan gegevens, met een native resolutie van 20 tot 30 cm per pixel. Dat is ongeveer dertig keer fijner dan de satellietbeelden van Sentinel-2 die als aanvulling worden gebruikt.

MRNF-orthofoto met native resolutie van 20-30 cm boven een bosgebied in Quebec.

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

En we weten hoe we met deze schaal omgaan. De 115.000 tegels, de honderden gigabytes, de gemengde formaten en de gegevens uit meerdere jaargangen: 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 zijn duidelijk zichtbaar vóór enige verwerking.

Het pijnlijke deel: kaartprojecties

Ik wil bij dit punt stilstaan, want voor iedereen die in de georuimtelijke sector heeft gewerkt, is dit een operationele nachtmerrie.

De openbare gegevens van Quebec komen niet in één enkele projectie aan. Ze bestaan uit 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 aankomen.

De tools vormen de tweede helft van het probleem. Elk datum heeft zijn valkuilen en elke tool in de georuimtelijke keten draagt zijn eigen historische gedrag rond de PROJ-bibliotheek met zich mee. In productie is het heel gebruikelijk dat een pipeline stilletjes faalt omdat een verouderde installatie transformaties oplevert die tien meter of meer afwijken.

Dit is precies wat een virtuele globe abstraheert. TerraLab Twin kent slechts één eindprojectie: WGS84 op de planetaire ellipsoïde. Alle projectiecomplexiteit wordt stroomopwaarts in de ingestiepipeline opgevangen. De eindgebruiker ziet nooit een EPSG-code. Die ziet een doorlopend, navigeerbaar 3D-grondgebied, van heel Quebec tot één bosperceel, zonder onderbrekingen aan de zonegrenzen.

Zodra dit moeilijke probleem is opgelost, wordt al het andere mogelijk: fusie van meerdere bronnen, continue navigatie, realtime 3D.

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

Waarom WGS84 in een virtuele globe en waarom dat ertoe doet

De keuze voor WGS84 op de ellipsoïde is niet willekeurig. Een klassieke kaartprojectie is per definitie een compromis: ze maakt een 3D-object (de ellipsoïde van de aarde) plat op een 2D-vlak, wat altijd vervorming veroorzaakt (in hoeken, oppervlakken, afstanden of alle drie). Aanvaardbaar op kleine schalen, onaanvaardbaar op continentale schaal.

Een virtuele globe omzeilt het probleem door alles door de hele keten heen in 3D te houden. De engine werkt op de echte ellipsoïde, niet op een vlakke projectie. Het directe gevolg voor de gebruiker: je kunt vrij inzoomen van heel Quebec tot een perceel van 50 m, zonder van CRS te wisselen, zonder naden bij MTM-zonegrenzen, zonder uitrekking aan de polen en zonder artefacten door randuitlijning. Dat maakt de navigatie continu, en het is iets wat geen traditionele 2D GIS-tool kan bieden.

Kleurkalibratie en fusie: de visuele uitdaging

Zodra de projecties zijn afgehandeld, is de volgende uitdaging visueel. Een 3D Digital Twin van Quebec voegt niet één, maar drie aanvullende beeldbronnen samen:

1. Luchtorthofoto van MRNF: prioriteit 1, 20-30 cm, de detaillaag
2. Satellietbeelden van Sentinel-2: prioriteit 2, 10 m, vullen gebieden zonder luchtdekking op (meestal kustgebieden)
3. Planetaire basiskaart Blue Marble: laatste terugvaloptie, zorgt ervoor dat geen enkel gebied ooit leeg blijft

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

Sommige MRNF-tegels zijn ook onvolledig: aan de randen van vluchtcampagnes stopt de luchtdekking midden in een tegel, waardoor nodata-zones ontstaan. Zonder verwerking worden deze hiaten zichtbaar als zwarte banden in het 3D-terrein. Dit is nog een reden waarom de pipeline meerdere bronnen moet samenvoegen: deze hiaten worden waar nodig automatisch opgevuld met Sentinel-2 wanneer de luchtorthofoto tekortschiet.

MRNF-tegel met gedeeltelijke dekking. De pipeline vult de hiaten automatisch op met Sentinel-2.

Aan de kant van Sentinel-2 maken we een composiet met een mediaan over meerdere datums binnen een vast reflectantiebereik: hierdoor worden uitschieters (wolken, schaduwen, atypische dagen) verwijderd en delen alle tegels dezelfde kalibratie.

De blauwe zweem van de campagnes uit 2015

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

Voor deze gebieden zijn verschillende benaderingen mogelijk: automatische kleurcorrectie (histogrammatching tussen aangrenzende tegels) of vervanging door satellietbeelden (Sentinel-2 als eerste optie, gratis op 10 m, of commerciële bronnen zoals Airbus Pleiades en Maxar voor een hogere resolutie, maar tegen aanzienlijke kosten). Geen van deze opties is op zichzelf ideaal. De waarschijnlijkste combinatie is filteren op jaargang, gekoppeld aan een Sentinel-2-terugvaloptie voor gebieden zonder alternatief.

De tijd werkt hier in ons voordeel. MRNF blijft regelmatig nieuwe luchtcampagnes publiceren en orthofoto's uit 2023 en 2024 zijn al beschikbaar als open data voor bepaalde regio's. Gebieden die alleen door defecte tegels uit 2015 worden gedekt, zullen waarschijnlijk worden vervangen door recentere en beter gekalibreerde opnamen.

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

Blauw getinte tegels uit 2015 naast normaal gekalibreerde tegels: zichtbare lappendeken die de homogeniteit van het terrein doorbreekt.

Waar de orthofoto van Quebec Sentinel-2 raakt

Op de grens tussen de twee bronnen is de geometrische overgang onmerkbaar. De colorimetrische overgang blijft in sommige kustgebieden echter zichtbaar.

Die kleurnaad is een bewuste afweging. Blending op pixelniveau over honderden kilometers kustlijn zou meer verwerking kosten dan de visuele winst waard is, 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. De blendingzone is zichtbaar langs de kustlijn.

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

Riviere-du-Loup. Boven: zonder kleurafstemming. Onder: met kleurafstemming.

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

De huidige stand van zaken

Per 7 april 2026 liggen we op schema. De NAD83-familie wordt stroomopwaarts verwerkt en de ingestiepipeline verwerkt stapsgewijs de ongeveer 115.000 MRNF-tegels.

De dekking van het grondgebied is in deze fase gedeeltelijk. Gebieden die al zijn verwerkt (bijvoorbeeld het schiereiland Gaspe) zijn navigeerbaar met de orthofoto van Quebec, terwijl andere gebieden voorlopig met Sentinel-2 worden gevuld. De compositie met drie lagen is gevalideerd aan de kust van Gaspe en het gegevensvolume draait probleemloos op een standaard ontwikkelaarswerkstation.

Resolutie vandaag

De engine levert momenteel 10 m per pixel. Dit is een bewuste keuze voor deze eerste iteratie: door eerst op wereldschaal te werken kunnen we de volledige pipeline valideren (projecties, fusie, kleurkalibratie, gegevensvolume) voordat we de resolutie per zone verhogen. De MRNF-brongegevens op 20-30 cm zijn beschikbaar. Verfijning tot 30 cm gebeurt per geval, afhankelijk van de behoefte.

Hoogteligging

Aan de kant van de hoogteligging steunt het 3D-terrein op een SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) digitaal hoogtemodel. Dit is niet de meest gedetailleerde beschikbare bron, maar dekt het volledige grondgebied en stelt ons in staat de volledige keten te valideren. Voor prioriteitsgebieden kan worden overgeschakeld op nauwkeurigere Quebec-DTM's.

Dit 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 al het andere wordt gebouwd.

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

Een belangrijke conclusie: de kwaliteit van de rendering kan niet hoger zijn dan de kwaliteit van de brongegevens. Waar de MRNF-gegevens schoon en goed gekalibreerd zijn (campagnes na 2015), is het resultaat uitstekend. Waar ze gebreken vertonen (blauw getinte campagnes uit 2015), kan de pipeline geen correcte kleurkalibratie verzinnen.

Wat vandaag live is:

• Luchtorthofoto van Quebec (MRNF), gefuseerd met Sentinel-2
• 3D-reliëf via SRTM
• Volledige pipeline gevalideerd aan de kust van Gaspe

Wat hierna komt:

• Resolutie van 20-30 cm bij sterk inzoomen
• OSM-vectorgegevens van Quebec
• 3D-bomen over het grondgebied van Quebec