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: Intergraph 社製 ) を導入した 本報告では DMCについて 従来のアナログ航空カメラとの比較 自動画像マッチングへの優位性の検討を報告する また 利点と課題を踏まえた今後の運用について述べる 2.DMCの概要 2.1 DMCの構成 DMCは CCDアレイを用いたエリアセンサ型 航空カメラである 図 -1にカメラヘッドの配置を示す 8つのカメラヘッドのうち中央 4つのヘッドが 7K 4Kのパンクロデータ (PAN) 外側 4つのヘッドで3K 2Kのマルチスペクトルデータ (MS: 構成は R/G/B/NIR) を取得する DMCは 各カメラヘッドの画像を合成しアナログカメラに匹敵する画像サイズを確保している 図 -2はDMCシステムの標準構成を示している 左側がDMCの外観 右側の3 段に積み重なっているものが大容量記憶装置 MDR(840GB) である 中央のノートPCを用いて撮影計画データおよび取得データなどの確認作業を機上で行う 図 -1 カメラヘッドの配置 図 -2 DMC システム標準構成 表 -1に示すように合成後の画像は 1 億画素を超える高解像力 12bit(4096 階調 ) の多階調のデータ生成が可能である また アナログカメラの像ぶれ補正機能 (Forward Motion Compensation: FMC) と類似の電子的な画像補正機能 (Time Delayed Intergration: TDI) およびApplanix 社の直接定位システム (Position and Orientation Systems: POS) を標準で装備している 表 -2に撮影縮尺 高度 地上解像度の関係を示す 従来のアナログ航空カメラの場合 1/4,000 縮尺による撮影でスキャニング解像度 10μmの画像データ -31-
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 13824 7680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 ) 44 ( 飛行方向 ) シャッター 絞り 可変式 1/50~1/300 秒 f/4~f/22 最短シャッター間隔 2 秒 ラディオメトリック 12ビット 表 -2 撮影縮尺と地上解像度 撮影縮尺 1:4,000 1:8,000 1:12,500 撮影高度 480m 960m 1,500m 地上解像度 4.8cm 9.6cm 15cm 2.2 DMCの撮影工程撮影計画から画像合成までの処理工程を述べる CADを用いて作成した撮影計画のデータ を航空機に搭載されている運行管理システム (Airborne Sensor Management System: ASMS) に直接デジタルデータとして取り込む 機上でのデータ取り込み CAD による撮影計画 GPS を用いた運行支援 地上後処理システムによる画像合成 機上でのサムネイルによるデータ確認 図 -3 DMC の処理内容 -32-
撮影飛行時には 航空機搭載のGPSと連動させることによって正確な位置でシャッターを切ることが可能である 撮影データは 840GB の大容量記憶装置に格納される 撮影後に地上の画像合成処理装置によって各カメラヘッドの画像の合成を行うことにより 単一のカラー画像データが生成される このように DMCの撮影工程は これまでのような紙出力した撮影計画図やフィルムロールのようなアナログ媒体を介さず 撮影計画から画像データの生成までデジタルデータの受け渡しにより行われる 3.DMC 導入による効果 DMCの導入に際して 写真測量作業工程および色深度についてアナログ式カメラと比較した また 通常の空中三角測量およびPOS 解析の精度検証結果とともに 画像合成の影響について報告する 3.1 写真測量作業工程の比較図 -4にアナログおよびデジタル撮影方式による写真測量作業工程を示す アナログ撮影方式によるアナログ撮影 現像 スキャニングの工程が デジタル撮影方式によるデジタル撮影のみで済むことが分かる このように 大幅な工程の削減により 工期および経費の圧縮が見込まれる また 災害など時間的な制約がある場合でも迅速な対応が可能となる 3.2 色深度の比較空中写真撮影では 冬季の陰影部などの明瞭な撮影が困難なことがある アナログ撮影方式の場合 撮影工程により得られるデジタル画像の品質は 現像処理やスキャニング処理の良否に大きく左右される これらの工程は 作業者の熟練度により人的較差が大きく現れることが知られている また 通常のスキャニングでは 機器の出力仕様により 8bit(256 階調 ) のデータに劣化する 加えて フィルム自体に傷があることやスキャニング時に埃が付着することもあるため 画像の品質に斑が出やすい 一方のDMCは 出力信号を劣化させずに 12bit(4096 階調 ) で格納する このため 太陽光量が相対的に少ない夕刻や冬季の撮影においてさえ アナログ撮影方式による画像データを大きく上回る色深度を保持している 鮮明な画質は 陰影部の判読に極めて有利であり 図化精度や作業効率の向上に寄与する ( 図 -5) 図 -4 写真測量作業工程 -33-
図 -5 色深度の違い ( 左 ; アナログカメラ / 右 ;DMC) 3.3 精度検証 1 画像合成の精度検証 DMCは 4 枚のパンクロ画像を合成して1 枚の画像を生成している このため 撮影縮尺 1/8,000で約 0.2ピクセルの幾何補正による誤差を含んでいる [1] その誤差がどの程度計測精度に影響するのか確認する必要があった そこで デジタル写真測量システム ImageStationを用いて POS 解析および空中三 角測量による精度検証を実施し 画像合成が起因となる突出した結果が現れることがないか検証した 図 -6に示す5コース140モデル撮影縮尺 1/4,000の撮影を実施し POS 解析結果の外部標定要素を用いたステレオモデルとVRS-GPS により設置した地上検証点 (34 点 ) を比較した 図 -6 POS 解析による撮影主点位置 表 -3に水平方向および高さ方向の較差の標準偏差と最大値を示す 公共測量作業規定では 通常の空中三角測量の基準点残差の制限値を 標準偏差が対地高度の0.02% 以内 最大値が同 0.04% 以内と規定している ( バンドル法適用時 ) 撮影縮尺が1/4,000であるとき対地高度は480mとなる 標準偏差で0.096 m 最大値で0.192mの精度が要求される 本検証結果は POS 解析結果の外部標定要素のみの成果でありこの制限値を満たしていない 今後 異なる撮影縮尺でも検証することによっ て POS 解析のみの成果でどの程度の精度があ るか検証する必要がある 表 -3 検証結果 ( 検証点数 34 点 ) 水平 (xyの合成) 最大値 0.22m 標準偏差 0.10m 高さ 最大値 0.53m 標準偏差 0.17m ここで 任意の1 画像を抽出しその画像が 画像合成の歪による 何らかの特出した影響 が現れるかを検証した VRS-GPSの検証点は22-34-
点 4つの画像合成境界付近から外側にかけて偏りなく配置した 図 -7は 左側に VRS-GPSの検証点位置を 右側にステレオモデ ルによる計測とVRS-GPSとの残差ベクトルを表している 残差ベクトルは 大きさ方向ともに突出した傾向が出ていないことが分かる 図 -7 VRS 検証点位置と残差ベクトル 次に 図 -8に示す5コース97モデル撮影縮尺 1/6,500 基準点 15 点の通常の空中三角測量を行った 基準点をマニュアル観測し パスポイントおよびタイポイントは自動相互標定機能で取得した 表 -4に示すようにこの精度は 作業規定の制限値を満足するものであり 先にあげた幾何補正の精度は通常の写真測量には十分耐えうるものであることが分かる これは DMCがアナログカメラの代替えとして精度的に問題がないことを示している 表 -4 DMCによる空中三角測量結果 水平 (m) 高さ (m) 制限値 (m) Std 0.10 0.15 0.16 Max 0.22 0.27 0.31 2 残存縦視差の状況 DMCのPOS 解析結果によるステレオモデルは これまでの知見 ( アナログカメラや他のデジタルカメラ ) と比較して 残存縦視差が安定して微小である 図 -8 空中三角測量による検証コース -35-
(Μm) 14 12 10 8 6 4 2 0 01~0001+01~0002 01~0011+01~0012 01~0021+01~0022 02~0005+02~0004 02~0015+02~0014 02~0025+02~0024 03~0007+03~0008 03~0017+03~0018 03~0027+03~0028 04~0011+04~0010 図 -9 残存縦視差の状況 04~0021+04~0020 05~0003+05~0004 05~0013+05~0014 05~0023+05~0024 ( ステレオモデル ) 図 -9は 図 -6で示した5コース140モデルのPOS 解析の成果のみによるステレオモデルの残存縦視差を示したものである 縦軸に縦視差 (μm) 横軸に各モデルを示している これまでPOS 解析の成果のみによるモデルでは 半数以上のモデルで残存縦視差が20μm を超えるという報告 [2] がなされている しかし DMCのこの例では Max=13.3μm, Avg= 8.4μmであった このよう良好な結果が得られた要因としては,1) ジャイロマウントが備わっているためにカメラの振動が比較的小さいこと 2) 内部標定の観測誤差がないこと 3)IMUがカメラ中心の真上に近接して設置さ れていることなどが考えられる ( 図 -10) これにより 相互標定をせずにPOS 解析の成果のみによる 中縮尺の図化やオルソ作成で充分な精度を保持できる 3 自動相互標定 DMCにより生成される12bitと8bit 画像を用いて自動相互標定を行い それぞれの交会残差を比較したところ 12bit 画像の方が概ね 5% の精度向上がみられた 12bitと8bitについてタイポイントおよびパスポイントの取得数を比較したところ精度との相関はなかった したがって 取得点数には関わらず 12bit 画像を用いた方が常に正確なポイント取得がなされることが分かった このように12bit 画像を用いることは 今後 あらゆる工程で行われている自動化の精度向上およびフルオートメーションに寄与するものと考えられる 図 -10 IMU の設置位置 4. 運用実績と課題 2003 年 9 月の導入以来 DMCを地形図作成 固定資産評価 環境調査など 多種多様な業務に利用している また 公共測量への利用実績もあり 利用機会は拡大する一方である ここで 今後の運用も考慮しデジタルカメラの課題について整理する 現在の航空デジタルカメラの主な課題は -36-
1 画角が小さくモデルおよびコース数が増加すること 2 焦点距離 ( レンズ ) が換えられないこと 3 撮影間隔を2 秒以下に設定できないことなどが挙げられる モデル数の増加は 公共測量作業規定に準拠した空中三角測量を行う際の基準点数の増加を意味しており 対空標識の設置など現場作業の増加に繋がる また アナログ式カメラでは 用途によって焦点距離 f=153mm f=210mmなどを使い分けてきた デジタルカメラの場合 焦点距離の変更ができないため 要求される撮影縮尺に対して 対地高度のみで調整する必要がある したがって 飛行高度を下げられないような場所では大縮尺撮影が困難となる 撮影間隔の制限は データ転送速度に依存し大縮尺による高ラップ撮影が難しくなる 5. 今後の展開デジタルカメラのメリットは 一つにスキャニングや現像が不要なため 撮影コストがコース数や写真枚数に比例しないことである 大容量の記憶装置を備えたDMCは一日の撮影で2,200 枚以上 ( ロールフィルム3 本相当 ) のデータが取得できる これらの長所は 従来の撮影手法にとらわれることなく 広域かつ高いオーバーラップとサイドラップを適用する撮影法 [3] を可能とする この撮影法は オクルージョン ( 建物の倒れこみによる隠蔽 ) を少なくできるため 図 -11に示すようなトゥルーオルソ (TrueOrtho) の生成に適している 図 -11 DMC による Ortho( 左 ) と TrueOrtho( 右 ) DMCによって取得されたデータは 近赤外画像の生成も可能であることから 地図作成以外の分野 ( 農業や防災など ) への利用も期待できる 図 -12に撮影縮尺 1/4,000の近赤外画像を示す こうした近赤外画像を用いることによって環境調査や土地利用調査などに活用できる 写真右では 人影が認識できるのが分かる これまでの衛星画像データを主としたリモートセンシングで表現できない より高解像度のデータを必要とするような分野への利用も可能であると考えている 図 -12 海岸の近赤外画像 -37-
6. まとめ本報告では DMCの紹介から導入時の精度検証結果 今後の展開について述べた 航空デジタルカメラの導入は スキャンレス ( 工程削減 ) のみならず 図化判読の向上 自動相互標定の精度向上 新たな市場への利用など多くの可能性が期待できる アナログ解析図化機がデジタル図化機に置き換わったように 近い将来 アナログ航空カメラは急激にデジタル航空カメラに取って換わられていくであろう 今後 デジタル航空カメラの進化とともに 取得できるデータの解像度やバンド数も変化するだろう 高品質なデータのメリットを最大限に活かすための処理環境の整備も重要である ( 国際航業株式会社 ) 参考文献 [1] Tang L, Doerstel C, Jacobsen K, Heipke C, Hinz A; GEOMETRIC ACCURACY POTENTIAL OF THE DIGITAL MODULAR CAMERA, ISPRS, Vol.XXXⅢ, Working Group Ⅰ/3, 2000 [2] 内田修 織田和夫 真屋学 土居原健 :POS 撮影精度管理法 APA No85-3 p23~p45 2003.9 [3] 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~p49 2004.6-38-