Cyfrowy bliźniak lasów Quebecu: 115 tys. ortofotomap

Fundament przed wszystkim innym

Quebec publikuje ponad 115 000 kafli ortofotomap o rozdzielczości od 20 do 30 cm na piksel, czyli kilkaset gigabajtów danych, a my umieściliśmy je wszystkie na jednym ciągłym terenie 3D. Prawie żadna z tych prac nie dotyczyła 3D. Chodziło o łączenie kafli, które nie mają wspólnego odwzorowania, uzupełnianie luk między nimi oraz dopasowanie kolorów między sensorami i latami pozyskania danych.

To ta część, której nikt nie pokazuje, a która decyduje o tym, czy wszystko powyżej będzie działać. Dopóki dane znajdujące się pod spodem nie są ciągłe, widok 3D, powiększenie od całej prowincji do działki oraz wszystkie obliczenia terytorialne opierają się na niestabilnych podstawach. Ten wpis jest raportem z postępów w tej fazie, zastosowanej do Quebecu.

Pipeline TerraLab: jedna scena, każde źródło

TerraLab-Twin to planetarny wirtualny globus. Jego zadaniem jest łączenie heterogenicznych źródeł geoprzestrzennych w czasie rzeczywistym (publiczne ortofotomapy, wysokorozdzielcze ortofotomapy z dronów, cyfrowe modele terenu, warstwy wektorowe, zobrazowania satelitarne) na jednym, nawigowalnym terenie 3D, od skali planetarnej po poziom działki.

Trzy właściwości definiują stan techniki, do którego dążymy:

• Ciągłość skali: od całego Quebecu (10 000 km po przekątnej) do działki o boku 50 m, bez przerw, zmian układu współrzędnych i szwów na granicach administracyjnych.
• Dynamiczne łączenie wielu źródeł: wiele źródeł o różnej jakości i rozdzielczości współistnieje na tym samym terenie i jest wybieranych na bieżąco na podstawie obszaru, żądanej rozdzielczości oraz dostępności danych.
• Pełna abstrakcja źródeł: użytkownik końcowy nigdy nie widzi formatu pliku, kodu EPSG ani strefy MTM. Po prostu nawiguje.

Cała opisana poniżej praca służy realizacji tych trzech właściwości dla konkretnego przypadku: terytorium Quebecu.

Kafle MRNF połączone przez TerraLab WorldMapServer. Ciągły teren, bez widocznych szwów między oryginalnymi arkuszami.

Co wyróżnia dane Quebecu

Quebec oferuje jeden z najbogatszych publicznych zbiorów danych w Ameryce Północnej do tego rodzaju pracy. Ministerstwo Zasobów Naturalnych i Leśnictwa Quebecu (MRNF, wcześniej MERN) publikuje ponad 115 000 kafli ortofotomap, łącznie kilkaset gigabajtów danych, w natywnej rozdzielczości od 20 do 30 cm na piksel. To około trzydziestokrotnie dokładniej niż zobrazowania satelitarne Sentinel-2 używane jako uzupełnienie.

Ortofotomapa MRNF w natywnej rozdzielczości 20-30 cm nad obszarem leśnym Quebecu.

Ta różnorodność niesie ze sobą własne wyzwania: heterogeniczną rodzinę odwzorowań kartograficznych, wiele formatów plików oraz zobrazowania pozyskane w różnych latach i porach roku. To dokładnie ten rodzaj zbioru danych, do którego zaprojektowano wirtualny globus, podczas gdy tradycyjne narzędzie GIS poprosiłoby użytkownika o wybór odwzorowania, pory roku i formatu oraz pogodzenie się z konsekwencjami.

I wiemy, jak obsługiwać tę skalę. 115 000 kafli, setki gigabajtów, mieszane formaty i dane z wielu roczników: architektura TerraLab-Twin została zaprojektowana tak, aby natywnie przyjąć tę ilość danych na standardowej stacji roboczej programisty, bez specjalnej infrastruktury.

Oryginalny kafel MRNF w rozdzielczości 20 cm. Drzewa, drogi i działki są wyraźnie widoczne przed jakimkolwiek przetwarzaniem.

Najtrudniejsza część: odwzorowania kartograficzne

Chcę zatrzymać się przy tym punkcie, ponieważ dla każdego, kto pracował z danymi geoprzestrzennymi, jest to operacyjny koszmar.

Publiczne dane Quebecu nie są dostarczane w jednym odwzorowaniu. Występują jako rodzina wariantów NAD83: odmiana Quebec Lambert (EPSG:32198), nowsze warianty oparte na CSRS oraz dziesięć stref MTM (Modified Transverse Mercator), które dzielą terytorium z powodów historyczno-kartograficznych. W praktyce każdy kafel może być dostarczony w innym układzie odniesienia.

Narzędzia to druga połowa problemu. Każdy datum ma swoje pułapki, a każde narzędzie w łańcuchu geoprzestrzennym niesie własne dziedzictwo zachowań związanych z biblioteką PROJ. W środowisku produkcyjnym bardzo często zdarza się, że pipeline cicho zawodzi, ponieważ nieaktualna instalacja zwraca transformacje przesunięte o dziesięć metrów lub więcej.

To właśnie abstrahuje wirtualny globus. TerraLab-Twin zna tylko jedno końcowe odwzorowanie: WGS84 na planetarnej elipsoidzie. Cała złożoność odwzorowań jest pochłaniana wcześniej, w pipeline pozyskiwania danych. Użytkownik końcowy nigdy nie widzi kodu EPSG. Widzi ciągłe, nawigowalne terytorium 3D, od całego Quebecu do pojedynczej działki leśnej, bez żadnych przerw na granicach stref.

Gdy ten trudny problem zostanie rozwiązany, wszystko inne staje się możliwe: łączenie wielu źródeł, ciągła nawigacja, 3D w czasie rzeczywistym.

Wewnętrzne narzędzie do dzielenia na kafle: każde źródło jest przekształcane do WGS84, a następnie komponowane w scenie 3D.

Dlaczego WGS84 w wirtualnym globusie i dlaczego ma to znaczenie

Wybór WGS84 na elipsoidzie nie jest przypadkowy. Klasyczne odwzorowanie kartograficzne jest z definicji kompromisem: spłaszcza obiekt 3D (elipsoidę Ziemi) do płaszczyzny 2D, co zawsze wprowadza zniekształcenia, dotyczące kątów, powierzchni, odległości albo wszystkich trzech. Na małych skalach są one akceptowalne, ale na skalę kontynentalną stają się nie do przyjęcia.

Wirtualny globus omija ten problem, zachowując 3D na każdym etapie. Silnik działa na rzeczywistej elipsoidzie, a nie na płaskim odwzorowaniu. Bezpośrednia konsekwencja dla użytkownika jest taka, że można swobodnie powiększać widok od całego Quebecu do działki o boku 50 m, bez przełączania układu współrzędnych, bez szwów na granicach stref MTM, bez rozciągania obszarów polarnych i bez artefaktów wyrównania krawędzi. To właśnie zapewnia ciągłość nawigacji, której nie może zaoferować żadne tradycyjne narzędzie GIS 2D.

Kalibracja kolorów i łączenie: wyzwanie wizualne

Gdy odwzorowania są już obsłużone, kolejne wyzwanie jest wizualne. 3D Digital Twin Quebecu łączy nie jedno, lecz trzy uzupełniające się źródła zobrazowań:

1. Lotnicza ortofotomapa MRNF: priorytet 1, 20-30 cm, warstwa szczegółowa
2. Zobrazowania satelitarne Sentinel-2: priorytet 2, 10 m, uzupełniają obszary bez pokrycia lotniczego (zwykle regiony przybrzeżne)
3. Planetarny podkład mapowy Blue Marble: ostateczne źródło awaryjne, gwarantuje, że żaden obszar nigdy nie pozostanie pusty

Każde z tych trzech źródeł ma własną sygnaturę kolorystyczną: inne sensory, inne warunki pozyskania, inne daty rejestracji i inne przetwarzanie wstępne. Wyzwaniem nie jest tylko wyświetlenie ich razem, ale dopilnowanie, aby granice pozostały niewidoczne dla oka, a sąsiednie kafle miały ten sam zakres kolorów.

Niektóre kafle MRNF są również niekompletne: na krawędziach kampanii lotniczych pokrycie kończy się w połowie kafla, pozostawiając strefy nodata. Bez przetwarzania luki te pojawiają się jako czarne pasy na terenie 3D. To kolejny powód, dla którego pipeline musi łączyć wiele źródeł: uzupełniać te luki danymi Sentinel-2 wszędzie tam, gdzie ortofotomapa lotnicza nie zapewnia pełnego pokrycia.

Kafel MRNF z częściowym pokryciem. Pipeline automatycznie uzupełnia luki danymi Sentinel-2.

Po stronie Sentinel-2 tworzymy kompozycję przy użyciu mediany z wielu dat w ustalonym zakresie współczynnika odbicia. Usuwa to wartości odstające (chmury, cienie, nietypowe dni) i zapewnia tę samą kalibrację wszystkich kafli.

Niebieskie zabarwienie kampanii z 2015 roku

Po stronie Quebecu niektóre starsze kampanie lotnicze, szczególnie z 2015 roku, wykazują systematyczne niebieskie zabarwienie. Dokładne pochodzenie tej wady nie jest udokumentowane przez dostawcę danych, ale nietypowo wysoki stosunek niebieskiego do czerwonego (B/R ~1.30 w porównaniu z ~0.88 dla normalnych kampanii) wpływa na dużą część kafli z tego roku. Pipeline filtruje dane według pory roku (letnie pozyskania zapewniają spójne odcienie zieleni), ale problem pozostaje na obszarach, na których istnieją wyłącznie kafle z 2015 roku.

Dla tych obszarów możliwe jest kilka podejść: automatyczna korekcja kolorów (dopasowanie histogramu między sąsiednimi kaflami) albo zastąpienie zobrazowaniami satelitarnymi (Sentinel-2 jako pierwszy wybór, bezpłatny przy rozdzielczości 10 m, lub komercyjne źródła, takie jak Airbus Pleiades i Maxar, dla wyższej rozdzielczości, ale przy znacznym koszcie). Żadna z tych opcji nie jest idealna samodzielnie. Najbardziej prawdopodobne połączenie to filtrowanie według rocznika wraz z awaryjnym użyciem Sentinel-2 na obszarach bez alternatywy.

Czas działa tu na naszą korzyść. MRNF nadal regularnie publikuje nowe kampanie lotnicze, a ortofotomapy z lat 2023 i 2024 są już dostępne jako open data dla niektórych regionów. Obszary pokryte wyłącznie wadliwymi kaflami z 2015 roku prawdopodobnie zostaną zastąpione nowszymi i lepiej skalibrowanymi pozyskaniami.

U góry: kafel MRNF z 2015 roku z niebieskim zabarwieniem (B/R ~1.30). Na dole: 2016 rok z normalnym kolorem (B/R ~0.88).

Niebieskie kafle z 2015 roku obok prawidłowo skalibrowanych: widoczna mozaika zaburzająca jednorodność terenu.

Gdzie ortofotomapa Quebecu spotyka się z Sentinel-2

Na granicy obu źródeł przejście geometryczne jest niezauważalne. Przejście kolorystyczne pozostaje jednak widoczne na niektórych obszarach przybrzeżnych.

Ta granica kolorystyczna jest świadomym kompromisem. Mieszanie na poziomie pikseli wzdłuż setek kilometrów wybrzeża kosztowałoby więcej przetwarzania, niż wart jest zysk wizualny, szczególnie przy skalach nawigacji typowych dla Digital Twin. Pipeline nadaje priorytet pokryciu i ciągłości, a nie kosmetycznej perfekcji na obrzeżach.

U góry: samo Sentinel-2. Na dole: kompozycja Quebecu i Sentinel-2. Strefa mieszania widoczna wzdłuż linii brzegowej.

Pipeline obejmuje etap dopasowania kolorów, który wygładza te przejścia. Poniższy przykład z obszaru Riviere-du-Loup pokazuje różnicę: bez dopasowania kolorów granica między ortofotomapą Quebecu a Sentinel-2 jest wyraźnie widoczna. Po dopasowaniu kolorów przejście staje się znacznie subtelniejsze.

Riviere-du-Loup. U góry: bez dopasowania kolorów. Na dole: z dopasowaniem kolorów.

Półwysep Gaspe, szeroki widok. Strefa cyjanowa (po lewej) = niebieskie kafle z 2015 roku, ląd stały = ortofotomapa Quebecu, ocean = Sentinel-2.

Aktualny stan prac

Na 7 kwietnia 2026 roku jesteśmy zgodnie z planem. Rodzina NAD83 jest obsługiwana na wcześniejszym etapie, a pipeline pozyskiwania danych stopniowo przetwarza około 115 000 kafli MRNF.

Pokrycie terytorium jest na tym etapie częściowe. Obszary już przetworzone, na przykład Półwysep Gaspe, można przeglądać z użyciem ortofotomapy Quebecu, podczas gdy pozostałe obszary są tymczasowo uzupełniane danymi Sentinel-2. Kompozycja trójwarstwowa została zweryfikowana na wybrzeżu Gaspe, a ilość danych działa bez problemu na standardowej stacji roboczej programisty.

Dzisiejsza rozdzielczość

Silnik obecnie generuje dane w rozdzielczości 10 m na piksel. To świadomy wybór dla pierwszej iteracji: rozpoczęcie od skali globalnej pozwala nam zweryfikować cały pipeline (odwzorowania, łączenie, kalibrację kolorów i ilość danych), zanim zwiększymy rozdzielczość strefa po strefie. Źródłowe dane MRNF w rozdzielczości 20-30 cm są dostępne. Zwiększenie szczegółowości do 30 cm będzie odbywać się indywidualnie, zależnie od potrzeb.

Wysokość

Po stronie wysokości teren 3D opiera się na SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), czyli cyfrowym modelu wysokościowym. Nie jest to najdokładniejsze dostępne źródło, ale obejmuje całe terytorium i pozwala nam zweryfikować cały łańcuch. Przejście na dokładniejsze modele DTM Quebecu jest możliwe dla obszarów priorytetowych.

Oto obecny rezultat: ortofotomapa Quebecu w rozdzielczości 10 m nałożona na rzeźbę SRTM, bez roślinności 3D i bez danych wektorowych. To surowy fundament terenu, na którym zostanie zbudowana cała reszta.

Pierwsze widoki 3D Quebecu. Ortofotomapa 10 m + rzeźba SRTM. Od góry do dołu: rozpraszanie atmosferyczne, oświetlenie bezpośrednie, brak oświetlenia.

Ważny wniosek jest następujący: jakość renderowania nie może przewyższać jakości danych źródłowych. Tam, gdzie dane MRNF są czyste i prawidłowo skalibrowane (kampanie po 2015 roku), rezultat jest znakomity. Tam, gdzie występują wady (kampanie z 2015 roku z niebieskim zabarwieniem), pipeline nie może wymyślić poprawnej kalibracji kolorów.

Działa już dziś:

• Lotnicza ortofotomapa Quebecu (MRNF) połączona z Sentinel-2
• Rzeźba 3D za pośrednictwem SRTM
• Pełny pipeline zweryfikowany na wybrzeżu Gaspe

Wkrótce:

• Rozdzielczość 20-30 cm przy bliskim powiększeniu
• Dane wektorowe OSM dla Quebecu
• Drzewa 3D na całym terytorium Quebecu