3. フルデジタル化に向けた変革 3.1 撮影計画従来の撮影計画図は業務担当者が 1/25,000や1/50,000の地形図に撮影計画コースを書き込んで作成してきた撮影士は飛行機上で地形図と現地を比較しながらシャッターを切っていたこれまでにもいくつかの撮影支援システムは存在したが計画から撮

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さみいいはた
5 years ago
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1 2004 年 9 月 APA No.87-3 第 26 回技術発表会論文特集財団法人日本測量調査技術協会 3. フルデジタル写真測量の確立に向けて小田三千夫 1. はじめに 1905 年以降航空写真測量が始まり二度の世界大戦を契機に発展してきた戦後アナログ図化機が次々に開発されアナログ写真測量が全盛を迎えた 1960 年代からコンピュータが登場し解析写真測量が始まった 1980 年代からデジタル図化機が登場現在では多くの処理が自動化されているデジタルカメラは画素数データ転送速度の問題から利用が限られていたが CCD 技術の向上とともにいくつかの航空デジタルカメラが実用化されたまた GPS/IMU 手法によりこれまでは地上の座標値から空中三角測量により求められていたカメラの外部標定要素が直接的に測定できるようになった本稿では写真測量のフルデジタル化に向けての現状を把握し課題の検討を行った 2. フルデジタルとはフルデジタル写真測量の確立とはこれまでの写真測量で行ってきた作業工程をすべてデジタル化するということであるこれには新しいデジタルツールの導入や開発が必要であるフルデジタル化を推し進めることにより品質向上コスト削減高付加価値な商品を作成していくことが可能になり定型的な業務だけでなく新しいニーズに柔軟に応えることにも繋がるフルデジタル化を実現するための環境はハードソフト面ともに整備されつつあるそれぞれの工程のデジタル化に向けた変革を図 -1に示す成果品 5 現地調査 4 図化編集 3 標定 2 撮影 1 撮影計画新たな成果品へ現地調査システム図化編集ツール GPS/IMU 手法手法デジタルカメラ撮影管理システム図 -1 フルデジタル化に向けた作業工程の変革 -22-

飛行機上で地形図と現地を比較しながらシャッターを切っていたこれまでにもいくつかの撮影支援システムは存在したが計画から撮影

の撮影計画に使用されている撮影管理システムは撮影スケールオーバーラップ ( 以後 OL) サイドラップ( 以後 SL) 撮影範囲等のパラメータの指定をすれば

2 3. フルデジタル化に向けた変革 3.1 撮影計画従来の撮影計画図は業務担当者が 1/25,000や1/50,000の地形図に撮影計画コースを書き込んで作成してきた撮影士は飛行機上で地形図と現地を比較しながらシャッターを切っていたこれまでにもいくつかの撮影支援システムは存在したが計画から撮影そしてデジタル図化機でステレオモデルを構築するまでの統合された撮影管理システムはなかった現在デジタル航空カメラDMC(INTERGRAPH 社製 : 以後 DMC) の撮影計画に使用されている撮影管理システムは撮影スケールオーバーラップ ( 以後 OL) サイドラップ( 以後 SL) 撮影範囲等のパラメータの指定をすれば自動で撮影計画コースを作成できる ( 図 -2) また計画時点で撮影データの積算例えば撮影延長距離や撮影枚数コース数などの撮影計画諸元 ( 図 -3) が出力される図 -2 撮影計画コース図 -3 撮影計画諸元 3.2 撮影コンパクトカメラとしてデジタルカメラは普及しているが航空写真測量の分野では導入が遅れていたしかし CCDの画素数やデータ転送速度といったハード面画像のブレを補正する画像形成技術や複眼レンズによる画像の合成技術といったソフト面の向上が航空写真測量におけるエリアセンサー型のデジタルカメラを実現したまだ航空フィルムの画角には及ばないもののいくつかのデジタルカメラが登場している弊社では 2003 年 8 月にエリアセンサー型のデジタルカメラDMCを導入した DMCの概観を図 -4にレンズ部を図 -5に示す図 -4 DMC 概観図 -5 DMC レンズ部 -23-

1DMC 画像の特徴 DMCは 4つのパンクロカメラ 4つのマルチスペクトルカメラより構成されるそれぞれのカメラより合成された画像は高いダイナミックレンジを持っているため

地利用や植生の判読が可能な付加価値の高い画像を合成できる ( 図 -7) 画像処理時にレンズのディストーション情報を用いて補正されるため合成された画像には歪みが存在しない

調整後図 -7 左 : 合成された DMC のフォルスカラー画像と右 : ナチュラルカラー画像 2 撮影工程の比較図 -8にアナログ撮影方式とデジタル撮影方式のフローを示す

3 1DMC 画像の特徴 DMCは 4つのパンクロカメラ 4つのマルチスペクトルカメラより構成されるそれぞれのカメラより合成された画像は高いダイナミックレンジを持っているため影の部分でも十分な階調を有している図 -6に階調補正による陰影部の見え方の違いを示すまた近赤外のバンドも取得しているので土地利用や植生の判読が可能な付加価値の高い画像を合成できる ( 図 -7) 画像処理時にレンズのディストーション情報を用いて補正されるため合成された画像には歪みが存在しない内部標定要素は事前に算出されておりスキャニングによる傷や汚れといった問題も生じることがない図 -6 DMC 画像の階調調整による陰影部の見え方の違い左 : 調整前右 : 調整後図 -7 左 : 合成された DMC のフォルスカラー画像と右 : ナチュラルカラー画像 2 撮影工程の比較図 -8にアナログ撮影方式とデジタル撮影方式のフローを示す従来方式では撮影後に現像スキャニングの 2 工程が必要だったがデジタル方式では画像処理の 1 工程で済むようになり時間と経費の削減につながっている実際の撮影は撮影管理システムのナビゲーションにより実施され撮影後 -24-

アナログ撮影方式デジタル撮影方式アナログ撮影デジタル撮影現像画像処理スキャンニング

4 同時に取得しているビデオカメラ ( 図 -9) の映像で雲や雲影撮影の漏れの有無を点検できる ( 図 -10) その後撮影レポート( 図 -11) を作成し外部標定要素をデジタル図化機に取り込むと自動的にステレオモデルが生成されるアナログ撮影方式デジタル撮影方式アナログ撮影デジタル撮影現像画像処理スキャンニングデジタル図化機へデジタル図化機へ図 -8 アナログ方式とデジタル方式のフロー図 -9 ビデオカメラ図 -10 ビデオ画像合成図 -11 撮影レポート -25-

GPS(Global Positioning System: 汎地球測位システム ) による位置測定と IMU(Inertial Measurement Unit: 慣性計測装置 ) による加速度角速度測定により位置と傾きを直接図 -13 GPS/IMUによる撮影算出するGPS/IMU 手法 ( 直接定位手法 : 図 -13)

5 3.3 標定 GPS 衛星機体の位置 xyz? 機体の傾き ωφκ? 機体の傾き ωφκ 機体の位置 xyz 三角点パスポイント地上 GPS 図 -12 アナログによる撮影これまで撮影時の航空機の位置や傾きは測定出来なかったそのため写真 1 枚につきカメラの位置 (x,y,z) と傾き (ω,φ,κ) の 6つの未知係数を空中三角測量により求める間接定位法を行ってきた ( 図 -12) 近年 GPS(Global Positioning System: 汎地球測位システム ) による位置測定と IMU(Inertial Measurement Unit: 慣性計測装置 ) による加速度角速度測定により位置と傾きを直接図 -13 GPS/IMUによる撮影算出するGPS/IMU 手法 ( 直接定位手法 : 図 -13) が行われるようになってきた GPS/IMU 手法は航空機搭載型レーザスキャナ ( 図 -14) で本格的に利用され始め今では 3ラインセンサーやアナログカメラ ( 図 -15) にも利用されているカナダのAPPLANIX 社とドイツのIGI 社のGPS/IMUシステムが広く利用されている ( 写真はともにAPPLANIX 社製 ) 図 -14 レーザスキャナに取り付けた IMU 図 -15 RC30 に取り付けた IMU しかし直接定位手法のみを使用する場合規定を超える残存縦視差が残ったり位置精度が不十分なケースがある大縮尺の地形図作成等を行うには相互標定と調整計算が必要である DMCによる作業では GPS/IMUの測定精度の -26-

向上が報告されており *2) 相互標定および調整計算なしで中縮尺の図化作業やオルソ作成が可能である理由としては以下の3つの要因が考えられる (1) 内部標定要素が事前に算出済みであり合成された画像には歪みが存在しないため誤差要因が排除できる (2) 高性能なジャイロを装備しているため一定の姿勢を保持できる (3) IMUがレンズの直上に位置しオフセットが少ない設計になっているため

6 向上が報告されており *2) 相互標定および調整計算なしで中縮尺の図化作業やオルソ作成が可能である理由としては以下の3つの要因が考えられる (1) 内部標定要素が事前に算出済みであり合成された画像には歪みが存在しないため誤差要因が排除できる (2) 高性能なジャイロを装備しているため一定の姿勢を保持できる (3) IMUがレンズの直上に位置しオフセットが少ない設計になっているため他のシステムと比較して正確な外部標定要素の測定が可能 3.4 図化編集フルデジタル化を実現するには多様な図化編集ツールが不可欠であるそれぞれの特徴は以下の通りである 1 デジタル図化機 1980 年代に登場したデジタル図化機であるが機能の進化により DEMやオルソの作成の自動化が今後も期待できる現在使用しているデジタル図化機を図 -16に示すデジタルカメラによる高階調の画像は陰影部での色調補正が可能でありオペレータのより正確な図化作業に貢献している様々な機能を併せ持ったデジタル図化機は非常に高価であり大量のデータ生産への適用には向いていない図 -16 デジタル図化機 ( 左 :ImageStation:INTERGRAPH 社製右 :Diap:ISM 社製 ) 2 簡易デジタル図化機高品質な3 次元データを迅速に生産するためには機能は限定されても低価格のデジタル図化機が必要である弊社では機能を限定した廉価版のデジタル図化機 K-SCOPE( 図 -17) の開発を行い図化支援システムとして稼動させている多数のK-SCOPEの投入により作業の分散処理と設備投資の軽減が図れる特に都市部におけるCG 作成や様々な解析業務に利用が見込まれている都市モデルの構築 ( 図 -18) をターゲットとしている手軽な操作性から熟練オペレータでなくても作業可能なのも特徴である -27-

図 -17 K-SCOPE 操作画面図 -18 都市モデルの構築 3 地理情報標準データ構築ツール昨今あらゆる分野で構造化された高度な3

CADを基にしたツールのみでは不十分である弊社では地理情報標準に準拠したデータ構築ツールとしてK-DM( 図 -19 20)

様々な要求に合わせた製品仕様書へ対応しデータの構築ノウハウの蓄積を図っていく図 -19 KDM のクラス図図 -20 KDM

5 現地調査成果品を作成する上で写真上で判読できないものは紙図面を用いた現地調査を行ってきたしかし調査結果の重複入力や転写ミス

7 図 -17 K-SCOPE 操作画面図 -18 都市モデルの構築 3 地理情報標準データ構築ツール昨今あらゆる分野で構造化された高度な3 次元空間データの取得が求められている 3 次元環境でのデータ取得編集トポロジー構築属性入力を行うには汎用 CADを基にしたツールのみでは不十分である弊社では地理情報標準に準拠したデータ構築ツールとしてK-DM( 図 ) の開発を進め統一した社内生産体制を確立している K-DMはデジタル図化機 K-SCOPE 上で動作可能である今後様々な要求に合わせた製品仕様書へ対応しデータの構築ノウハウの蓄積を図っていく図 -19 KDM のクラス図図 -20 KDM の操作画面 3.5 現地調査成果品を作成する上で写真上で判読できないものは紙図面を用いた現地調査を行ってきたしかし調査結果の重複入力や転写ミスその後のデータの連携がとれないなど多くの問題が存在した現地調査システムにはデータの連携を図るためのデータの汎用性の確保モバイルツールによる現地作業の省力化論理検査による手戻り作業の防止が不可欠である弊社では K-FIELD( 図 -21) という現地調査システムを開発し現地調査での使用を開始している *3) -28-

8 図 -21 左 : 従来手法による現地作業図面右 :K-FIELD による操作画面と現場作業風景 4. フルデジタル化の効果フルデジタル化の効果をいくつかの事例で検討した 1 撮影デジタルカメラの導入による撮影コストの削減によりこれまでのOL SLを見直し高ラップ比の撮影方法 ( 図 -22) が可能になったこれにより中心画像を使用したオルソフォトの作成や調整計算の精度向上を図っていくことが可能になった *4) ±9 ±7.5 ±5 ±15.5 ±13 ±8 Flight Direction Case 1 Ordinary style OL=60%, SL=30% Case 2 OL=67%, SL=67% Case 3 Proposal OL=80%, SL=80% 図 -22 OL:SL の違いによる画像の使用範囲 2 計画撮影標定 DMCによる撮影を行いステレオモデルを作成して図化作業を行うという業務では通常のケースと比較して半分の工数で図化の作業準備まで整えることができ 20~ 25% の経費削減が図れた *5) 3 図化編集様々な図化編集ツールを利用することにより業務に適合したツールを選択し作業ミスを軽減作業効率を向上させることが可能になった 4 現地調査 K-FIELDを使用した道路 GISのデータ構築業務では通常の現地調査に比べて 3 分の2の時間でデータの構築ができ取得漏れや記入ミス等による手戻り作業を防止できた *3) 5. 課題フルデジタル写真測量に向けての課題について以下の2 点に着目して整理した 1 工程を通して存在する課題データの管理デジタル化により膨らんだデータの管理が緊急の課題となる膨大なデータを有効に活用していくための元データから製品に至る統合的なデータ管理システムが必要になっている -29-

9 画像データの有効活用様々なセンサーにより取得されたデータの活用法を完成させ有効活用していく必要がある 2 各工程での課題高度なGPS/IMU 技術直接定位手法のみでの処理を可能にするにはより高い精度のGPS/IMU 技術が求められている取得頻度の向上やジャイロの性能向上などが更に期待されている現地調査システムの改良現場での操作性の改良とともに他のCADソフトに依存しているデータ出力機能をK-FIELDに組み組む必要がある 6. おわりに今後はフルデジタル化を加速させて 3 年から5 年のうちにすべての作業をデジタル化する予定であるデータの有効活用と経費の削減を同時に実現しデータの統合管理を行うことができるチャンスでもあるデータの規模種類アクセス頻度などを総合的に判断し設備投資していく必要があるフルデジタルの先にはフルオートなデジタル写真測量に向けて動く必要があるだろうデジタル化は進んでいるがまだまだ対話型の処理工程が多く存在している今後はデジタル図化機を中心に対話型からオート処理に向けて展開していくだろうフルデジタル写真測量の確立はその導入部として重要な役割を担っていると考えている ( 国際航業株式会社 ) 参考文献 1) デジタル写真測量 (Digital Photogrammetry VolumeⅠ) Toni Schenk 著 2) 石垣智明 : デジタル航空カメラ (DMC) の導入と実績 2004 年第 26 回測量調査技術発表会 3) 渡辺一博小出和政磯部浩平 :GISデータ作成のための現地計測システムの構築応用測量論文集 p63~p ) 大山容一南義彦村井俊治 : デジタル航空測量に適した撮影手法の提案応用測量論文集 p45~p ) Klaus J. Neumann Z/I Imaging GmbH AERIAL MAPPING CAMERAS-DIGITAL VERSUS FILM THE BENEFITS OF A NEW TECHNOLOGY 2003 年 2 月 -30-

の地上解像度は約 4cmである同撮影縮尺時のDMCの地上解像度は4.8cmでありほぼ同等の解像力を有していることが分かる表 -1 DMCの性能諸元画像サイズピクセル ( 合成後 ) 焦点距離 PAN:120mm MS:25mm 撮影画角 74 ( 飛行方向に直角 )

の地上解像度は約 4cmである同撮影縮尺時のDMCの地上解像度は4.8cmでありほぼ同等の解像力を有していることが分かる表 -1 DMCの性能諸元画像サイズピクセル ( 合成後 ) 焦点距離 PAN:120mm MS:25mm 撮影画角 74 ( 飛行方向に直角 ) 2004 年 9 月 APA No.87-4 第 26 回技術発表会論文特集財団法人日本測量調査技術協会 4. デジタル航空カメラ (DMC) の導入と運用石垣智明 1. はじめに航空測量用デジタルカメラは技術面や価格の問題により製品化が困難とされていたがこの数年の間に諸問題が改善され実用化された弊社では2003 年 9 月にデジタル航空カメラDMC(Digital Mapping Camera: