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-
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 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-
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-
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 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 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 -19 20) 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-
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-
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~p70 2004.6 4) 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 5) Klaus J. Neumann Z/I Imaging GmbH AERIAL MAPPING CAMERAS-DIGITAL VERSUS FILM THE BENEFITS OF A NEW TECHNOLOGY 2003 年 2 月 -30-