JP6425353B2 - 空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識、空中写真測量方法 - Google Patents

Description

この発明は、空中写真測量、および空中写真を用いた立体モデル分解能評価に資する空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識、およびこれを用いた空中写真測量方法に関するものである。

空中写真測量を行う際の写真撮影は、一般的に垂直写真の方法が採られており、カメラを垂直に取り付けた航空測量専用の航空機が使用され、高度計で飛行の高さを一定に保持し、搭乗カメラマンがファインダーで撮影ポイントを確認しながら撮影を行っている。

一方、近年、急速に性能が向上したＵＡＶ（Unmanned aerial vehicle）を空中写真測量に利用することが広まりつつある。このようなＵＡＶを用いた被測量地の写真撮影では、従来の有人航空機を用いた手法同様に、撮影した被測量地の写真を用いて処理、解析を実施する。その際、測量結果の精細さは、実際に撮影した写真の分解能に大きく依存する。よって、適切な精度の測量結果を得るためには、常に撮影する写真の分解能を正確に把握する必要がある。

被測量地の上空から撮影した写真の分解能を知る方法は、撮影高度とカメラの設計性能から求める方法と、実際の撮影物の大きさから類推する方法等がある。しかし、実際に得られた写真は、空気中の水蒸気量や振動によるカメラのブレ等により、必ずしも設計性能と撮影高度から算出される分解能を有しておらず、写真の正確な分解能を知ることは困難であった。また、現在は写真の高解像度化が飛躍的に向上しており、またＵＡＶ等により低空から撮影した場合、分解能を類推するための適切な目標物（標識）を被測量地に見出すことが困難である。

一方で、空中写真測量では測量位置精度向上のために地上に基準点をあらかじめ設置する事がある。この基準点上で地上測量を実施し、高い精度の位置情報を取得する。取得した位置情報を、空中写真中の基準点に付与、幾何補正を行うことで、写真全体の精度を向上させることが可能である（例えば、特許文献１を参照）。この基準点を示す標識は金属板や木板に正方形、十字形、三角形等の図形を平面的に記したものが使用されていた。

さらに、現在では、撮影した空中写真とSfM（Structure from Motion）とを用いて、被測量地の三次元立体モデルを得ることが可能である。こうした三次元立体構造を得る際に、写真の分解能は生成される三次元立体モデルの分解能、および精度を左右する。そのため、立体モデル生成の際も撮影した写真の分解能を把握することが重要となる。また、生成された三次元立体モデルの鉛直方向の分解能についても評価を行う必要がある。

特開平１０−０５４７１９号公報

しかしながら、特許文献１に示したように、従来の標識は、板状の部材に図形を平面的に記したものであり、三次元座標のうち平面の２方向の分解能は得られるものの、鉛直方向（高さ方向）の分解能を定量的に評価する事ができないという課題があった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、空中写真測量および三次元立体モデル生成を行う際に、撮影した写真の分解能および生成した三次元立体モデルの三次元全ての方向の分解能を類推可能な空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識、およびこれを用いた空中写真測量方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識は、空中から地上を撮影した空中写真の分解能を特定するための空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識であって、平坦面を有する基材と、前記平坦面から突出する複数個の突起からなる第一マークと、を備え、前記突起どうしは、前記平坦面に接する底面の面積、および前記平坦面からの突出高さが異なるように形成されていることを特徴とする。

本発明の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識によれば、被測量地の写真に写っている空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識の第一マークのそれぞれの突起の像のサイズを測ることによって、得られた写真の三次元座標のうち平面の２方向の分解能に加えて、更に鉛直方向（高さ方向）の分解能を定量的に評価する事が可能になる。

本発明は、前記複数個の突起に隣接して、前記平坦面に形成された平面状の第二マークを有することを特徴とする。

本発明では、前記突起は多角錐を成し、前記複数個の突起は、前記平坦面の一線上に配列され、互いに隣接する前記突起どうしは、前記底面を成す多角形の一辺の長さ、および前記突出高さを所定の割合で変化させてなることを特徴とする。

本発明では、前記突起は三角錐または四角錐であることを特徴とする。

本発明では、前記突起の表面は粗面を成すことを特徴とする。

本発明の空中写真測量方法は、前記各項記載の空中写真測量用標識を用いた空中写真測量方法であって、空中写真を撮影する被測量地に前記空中写真測量用標識を設置する標識設置工程と、デジタルカメラを備えた無人航空機を前記被測量地の上空に飛行させ、前記空中写真測量用標識を含む前記被測量地の写真を撮影する撮影工程と、前記写真を用いて作成した三次元立体モデルにおける前記突起の像の見え方である再現性に基づいて三次元立体モデルの分解能を評価する評価工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の空中写真測量方法によれば、被測量地に空中写真測量用標識を設置して、この空中写真測量用標識を含むように被測量地を空中から撮影して、得られた写真に写っている空中写真測量用標識の第一マークのそれぞれの突起の像のサイズを測ることによって、得られた写真の三次元座標のうち平面の２方向の分解能を知ることが出来る。さらに、三次元立体モデルにて再現された第一マークのそれぞれの突起の像のサイズを測ることによって、鉛直方向の分解能を定量的に評価する事が可能になる。

本発明によれば、空中写真測量を行う際に、撮影した写真の分解能を評価する事が可能であり、また、空中写真を用いて生成した三次元立体モデルの三次元全ての方向の分解能を類推可能な空中写真測量用標識、およびこれを用いた空中写真測量方法を提供することができる。

第一実施形態の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を示す外観斜視図である。 第二実施形態の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を示す外観斜視図である。 本発明の空中写真測量方法を段階的に示したフローチャートである。 本発明の空中写真測量方法における撮影工程を示した模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識、空中写真測量方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識：第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を示した外観斜視図である。
空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識（以下、単に空中写真測量用標識と称することがある）１０は、空中写真測量時の被測量地に設置されるものであり、撮影した写真の分解能を特定するために、空中から地上を撮影する際にこの空中写真測量用標識１０を被写体範囲内に含めて撮影を行う。

第一実施形態の空中写真測量用標識１０は、平坦面１１ａを有する板状の基材１１と、この平坦面１１ａから突出する複数個の突起１２ａ〜１２ｅからなる第一マーク１２と、これら複数個の突起１２ａ〜１２ｅに隣接して、平坦面１１ａに形成された平面状の第二マーク１３と、を備えている。

基材１１は、プラスチック板、金属板、あるいは木板からなる。基材１１の平坦面１１ａは、後述する第一マーク１２や第二マーク１３を撮影した際の視認性を高めるために、例えば白色にされていることが好ましい。

第一マーク１２は、平坦面１１ａから突出する複数個、本実施形態では５個の突起１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅからなる。突起１２ａ〜１２ｅは、例えば多角錐を成し、本実施形態では三角錐を成している。

これら複数の突起１２ａ〜１２ｅは、例えば、基材１１の平坦面１１ａの任意の一線上に直線的に配列されている。そして、それぞれの突起１２ａ〜１２ｅどうしは、平坦面１１ａに接する底面Ｓの面積、および平坦面１１ａから鉛直方向Ｚに沿った突出高さＨが異なるように形成されている。

具体的には、本実施形態では、三角錐を成す突起１２ａ〜１２ｅは、三角形の底面ＳのＸ方向またはＹ方向に沿った一辺Ｌの長さ、および突出高さＨが、突起１２ａから突起１２ｅに向かって段階的に減少するように形成されている。即ち、突起１２ａを最大サイズの三角錐として、突起１２ｅに向かって段階的に三角錐のサイズが小さくなるように形成されている。

一例として、本実施形態では、三角錐を成す突起１２ａ〜１２ｅの底面Ｓの一辺Ｌの長さが、突起１２ａから突起１２ｅに向かって順に100mm、75mm、50mm、25mm、10mmとされている。また、三角錐を成す突起１２ａ〜１２ｅの突出高さＨが、突起１２ａから突起１２ｅに向かって順に100mm、75mm、50mm、25mm、10mmとされている。

また、これらそれぞれの突起１２ａ〜１２ｅの表面は、微細な凹凸を伴った粗面を成していることが好ましい。こうした粗面は、SfM（Structure from Motion）による被測量地の三次元立体構造のデジタルデータの生成を容易にする。

このような突起１２ａ〜１２ｅは、例えば、コルクや木材など、表面が粗面を成す材料を用いて形成し、基材１１の平坦面１１ａに接合することで得られる。また、突起１２ａ〜１２ｅを基材１１と一体に形成することもできる。

第二マーク１３は、基材１１の平坦面１１ａに形成された平面状のマークであり、例えば、基材１１の平坦面１１ａに任意の形状を直接プリントしたり、焼きつけたりすることによって得られる。

本実施形態では、第二マーク１３は、四角形の内側に対角線を描き、互いに対向する２つの三角領域を、平坦面１１ａの色彩とは異なる色で塗りつぶしたものからなる。また、こうした第二マーク１３内に、複数の空中写真測量用標識１０どうしを区別（識別）するための符号１５などを書き込むこともできる。

以上のような構成の本発明の第一実施形態の空中写真測量用標識１０によれば、被測量地に空中写真測量用標識１０を設置して、この空中写真測量用標識１０を含むように被測量地を空中から撮影して、得られた写真に写っている空中写真測量用標識１０の第一マーク１２のそれぞれの突起１２ａ〜１２ｅの像のサイズを測ることによって、得られた写真の三次元座標のうち平面の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の分解能に加えて、更に鉛直方向Ｚ（高さ方向）の分解能を定量的に評価する事が可能になる。

（空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識：第二実施形態）
図２は、本発明の第二実施形態の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を示した外観斜視図である。
なお、前述した第一実施形態と同一の構成には同一の番号を付し、その詳細な説明は省略する。
第二実施形態の空中写真測量用標識２０は、平坦面１１ａを有する板状の基材１１と、この平坦面１１ａから突出する複数個の突起２２ａ〜２２ｅからなる第一マーク２２と、これら複数個の突起２２ａ〜２２ｅに隣接して、平坦面１１ａに形成された平面状の第二マーク１３と、を備えている。

第一マーク２２は、平坦面１１ａから突出する複数個、本実施形態では５個の突起２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅからなる。突起２２ａ〜２２ｅは、例えば多角錐を成し、本実施形態では四角錐を成している。

本実施形態では、四角錐を成す突起２２ａ〜２２ｅは、四角形の底面ＳのＸ方向またはＹ方向に沿った一辺Ｌの長さ、および突出高さＨが、突起２２ａから突起２２ｅに向かって段階的に減少するように形成されている。即ち、突起２２ａを最大サイズの四角錐として、突起２２ｅに向かって段階的に四角錐のサイズが小さくなるように形成されている。

一例として、本実施形態では、四角錐を成す突起２２ａ〜２２ｅの底面Ｓの一辺Ｌの長さが、突起２２ａから突起２２ｅに向かって順に100mm、75mm、50mm、25mm、10mmとされている。また、四角錐を成す突起２２ａ〜２２ｅの突出高さＨが、突起２２ａから突起２２ｅに向かって順に100mm、75mm、50mm、25mm、10mmとされている。

また、これらそれぞれの突起２２ａ〜２２ｅの表面は、微細な凹凸を伴った粗面を成していることが好ましい。こうした粗面は、SfM（Structure from Motion）による被測量地の三次元立体構造のデジタルデータの生成を容易にする。

このような突起２２ａ〜２２ｅは、例えば、コルクや木材など、表面が粗面を成す材料を用いて形成し、基材１１の平坦面１１ａに接合することで得られる。また、突起２２ａ〜２２ｅを基材１１と一体に形成することもできる。

以上のような構成の本発明の第二実施形態の空中写真測量用標識２０によれば、被測量地に空中写真測量用標識２０を設置して、この空中写真測量用標識２０を含むように被測量地を空中から撮影して、得られた写真に写っている空中写真測量用標識２０の第一マーク２２のそれぞれの突起２２ａ〜２２ｅの像のサイズを測ることによって、得られた写真の三次元座標のうち平面の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の分解能に加えて、更に鉛直方向Ｚ（高さ方向）の分解能を定量的に評価する事が可能になる。

（空中写真測量方法）
次に、上述した空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を用いた本発明の空中写真測量方法について説明する。
図３は、本発明の空中写真測量方法を段階的に示したフローチャートである。また、図４は、撮影工程を示した模式図である。
本発明の空中写真測量方法によって、例えば、崖地などの被測量地Ｄの三次元立体モデルを生成する際には、まず、被測量地Ｄに空中写真測量用標識１０を設置する（標識設置工程Ｓ１）。空中写真測量用標識１０は、被測量地Ｄに少なくとも３箇所配置するか、もしくは所定の間隔ごとに複数配置してもよい。

次に、例えば、デジタルカメラを備えた無人航空機（Unmanned aerial vehicle，Drone）Ｑを用いて、被測量地Ｄの上空を所定の高度で飛行させ、被測量地Ｄを撮影する（撮影工程Ｓ２）。この撮影工程Ｓ２においては、デジタルカメラの撮影範囲内に、空中写真測量用標識１０が写り込むように撮影を行う。また、互いに異なる少なくとも２以上の撮影角度（位置）から空中写真測量用標識１０を撮影することが好ましい。これによって、視差がある２つ以上の空中写真測量用標識１０を含む被測量地Ｄの写真を得ることができる。得られた被測量地Ｄの写真に写り込んだ第一マーク２２の各突起１２ａ〜１２ｅの実際のサイズを確認することで、撮影した写真が有する分解能を把握する事ができる。その結果より、必要とする分解能を有するか判断することが可能となり、撮影高度の変更等臨機応変な対応を行うことができる。

次に、得られた被測量地Ｄのデジタル写真に基づいて、被測量地Ｄの三次元立体モデルを生成する。こうした三次元立体モデルは、画像処理手段、例えば、画像処理ソフトウェアを実行可能なパーソナルコンピュータを用いて生成する。被測量地Ｄのデジタル写真データから三次元数値モデルを生成するには、例えば、ＳｆＭ（Structure from Motion）技術によって行う。

ＳｆＭは、被測量地Ｄをデジタルカメラの視点を変えながら撮影した視差のある複数枚の写真から、被測量地Ｄの三次元形状データを生成する手法である。ＳｆＭソフトウェアとしては、例えば、VisualSFM、Agisoft PhotoScanなどが挙げられる。こうしたＳｆＭソフトウェアを用いて、被測量地Ｄの三次元立体モデル（デジタルデータ）を生成する。

こうしたＳｆＭによる被測量地Ｄの三次元立体モデルに再現された空中写真測量用標識１０の第一マーク２２を構成する突起１２ａ〜１２ｅの像のサイズと、実際の第一マーク２２の各突起１２ａ〜１２ｅの実際のサイズを比較する事で、得られた写真の三次元座標のうち平面の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の分解能と、鉛直方向Ｚ（高さ方向）の分解能とを算出することができる（評価工程Ｓ３）。

こうして得られた被測量地Ｄの写真の三次元方向の分解能は生成された三次元立体モデルの精度を反映する指標となる。複数の箇所に空中写真測量用標識１０設置することでモデル全体が持つ平均的な分解能や局地的な分解能を評価する事が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…空中写真測量用標識（空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識）
１１…基材
１１ａ…平坦面
１２…第一マーク
１２ａ〜１２ｅ…突起
１３…第二マーク

Claims (6)

1. 空中から地上を撮影した空中写真の分解能を特定するための空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識であって、
   平坦面を有する基材と、前記平坦面から突出する複数個の突起からなる第一マークと、を備え、前記突起どうしは、前記平坦面に接する底面の面積、および前記平坦面からの突出高さが異なるように形成されていることを特徴とする空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識。
2. 前記複数個の突起に隣接して、前記平坦面に形成された平面状の第二マークを有することを特徴とする請求項１記載の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識。
3. 前記突起は多角錐を成し、前記複数個の突起は、前記平坦面の一線上に配列され、互いに隣接する前記突起どうしは、前記底面を成す多角形の一辺の長さ、および前記突出高さを所定の割合で変化させてなることを特徴とする請求項１または２記載の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識。
4. 前記突起は三角錐または四角錐であることを特徴とする請求項３記載の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識。
5. 前記突起の表面は粗面を成すことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識。
6. 請求項１ないし５いずれか一項記載の空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を用いた空中写真測量方法であって、
   空中写真を撮影する被測量地に前記空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を設置する標識設置工程と、
   デジタルカメラを備えた無人航空機を前記被測量地の上空に飛行させ、前記空中写真測量および三次元立体モデル生成用標識を含む前記被測量地の写真を撮影する撮影工程と、
   前記写真を用いて作成した三次元立体モデルにおける前記突起の像の見え方である再現性に基づいて三次元立体モデルの分解能を評価する評価工程と、を備えたことを特徴とする空中写真測量方法。

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