JP6773473B2 - 測量情報管理装置および測量情報管理方法 - Google Patents
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Description
ここで、MMSとは、高精度な3次元位置情報を取得するシステムである。MMSは、カメラ、レーザースキャナ、GPS(Global Positioning System)、オドメータおよびIMU(Inertial Measurement Unit、慣性計測装置)等の機器を搭載した車両を走行させながら、それぞれの機器を用いてデータを取得する。そして、MMSは、カメラで撮像した画像情報にレーザースキャナで取得した道路周辺設備の位置座標等を重ねあわせ、さらにGPSで等から取得した車両位置、進行方向等の情報を用いて補正等を行う。こうして取得されるMMS参照データは、誤差10cm程度という、高い精度をもつ。
特許文献1によれば、GPSの電波が届かない場合であっても、位置座標値が予め分かっている地物(ランドマーク)等を利用することで、精度を高く維持する。
道路周辺設備の測量にあたっては、設備の保守・点検(メンテナンス)のために、定期的に測量を繰り返す必要がある。しかし、装置コストの高いMMSを利用した測量を、繰り返し行えば膨大な費用がかかってしまう。
一方、MMSを用いずに安価に測量を行うために、車載したGPSによる位置情報およびカメラで撮像した画像情報を用いて、位置合わせを行うことが考えられる。しかし、車載のGPSの位置情報の精度が、MMSの用いるGPSより大幅に低いために、測量精度が低下してしまう。
以下、本発明の第1の実施形態による測量情報管理装置について、図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態による測量情報管理装置が用いられる状況の一例を示す概要図である。本発明にかかる測量情報管理装置は、例えば、移動体である車両13に設けられた取得部10と、データ管理センター16内に設けられる管理部20とを含んで構成される。
本発明にかかる測量情報管理装置は、例えば、車両13周辺における観察対象である、道路12および道路周辺設備から成る、道路周辺環境1の測量データの収集に用いられる。道路周辺設備は、例えば、マンホール14および、電柱15等である。道路12では、本発明にかかる測量情報管理装置に備えられる取得部10を搭載した車両13が、道路周辺環境1のマンホール14等の3次元形状を含む3次元空間であるステレオ画像データを撮像するために走行する。
取得部10は、車両13の走行中に、定期的に、道路12の周囲にある、マンホール14や電柱15等の道路周辺設備を含む、道路周辺環境1の画像データを取得する。
また、本発明にかかる測量情報管理装置に備えられる管理部20は、取得部10が取得した画像データを管理する。管理部20は、MMSを用いて取得した3次元位置情報(以下、MMS参照データと称する。)が記録されている。そして、管理部20は、MMS参照データを用いて、取得部10が取得した画像データに基づいて求められる3次元形状を含む3次元空間に関する情報を補正し管理する。
本実施形態における測量情報管理装置は、取得部10および管理部20を備える。また、取得部10は、撮像制御部111と、カメラ112およびカメラ113と、GPS受信機114と、画像データ記録領域122とを備える。管理部20は、処理部201と、記録部202とを備える。
取得部10は、撮像制御部111に、GPS受信機114、カメラ112およびカメラ113制御させることで、車両13が走行している、道路周辺の画像データを取得する。
撮像制御部111は、カメラ112およびカメラ113に、道路周辺の画像を撮像させる。また、撮像制御部111は、GPS受信機114に、カメラ112およびカメラ113が画像データを取得した場所の位置情報を取得させる。
撮像制御部110は、GPS受信機114、カメラ112およびカメラ113から取得した、位置情報および画像データを、両者を関連付け、画像データ記録領域に記録させる。
撮像制御部111は、画像データを取得するタイミングを示す信号(以下、タイミング信号とも称する。)を、カメラ112およびカメラ113に、同時に送信する。これは、カメラ112およびカメラ113から得られる、2枚の画像データから、いわゆるステレオ画像を生成できるようにするためである。また、撮像制御部111は、GPS受信機114が位置情報を取得するタイミングが、カメラ112およびカメラ113が画像データを取得するタイミングと同時になるように制御する。このように、撮像制御部111は、道路周辺を撮像した画像データおよび撮像位置についての情報を取得する。
撮像制御部110は、カメラ112およびカメラ113を起動させ、同期して撮影させるトリガー信号として、例えば、CPUデバイスの処理クロックの所定回数毎に生成した一定間隔時間で発生する、ハードウェア的なタイミング信号を用いる。
また、車両には、トランスミッションの出力軸またはタイヤの回転速度に比例した時間間隔にて車速パルスを出力する車速センサが搭載され、この車速パルスが、通常GPS受信機114に取り込まれる。このことから、撮像制御部110は、車速パルスを取得して積分し、一定距離を走行したことを示すタイミング信号を生成する。撮像制御部110は、こうして生成したタイミング信号を、カメラ112およびカメラ113に対して送信し、これらカメラに対し同時に起動撮影を行わせる構成としても良い。
こうして得られる、カメラ112およびカメラ113からの2枚の画像データは、視差を有しており、同じ領域が撮像されている。この視差を用いることで、撮像された領域にある撮像対象物を立体視することができる。
また、カメラ112およびカメラ113は、ステレオカメラであってもよい。その場合、撮像制御部111は、カメラ112およびカメラ113の撮像タイミングを同期させる必要はない。この場合、撮像制御部111は、ステレオカメラに対して、定期的に撮像タイミングを通知する信号を送信する。
画像データ記録領域122は、可搬型記録媒体(例えば、SD(Secure digital)カード等)または、可搬型ではない記録媒体(例えば、ハードディスク等)を有して構成される。また、画像データ記録領域122は、管理部20内の記憶手段の一部であってもよい。この場合、撮像制御部111は、無線等の通信手段を介して、画像データ記録領域122に記録させる画像データ等を、管理部20に送信する。
処理部201は、例えば、ステレオ画像処理部210と、補正部211と、入力部212と、表示部213とを備える。
ステレオ画像処理部210は、取得部10が取得した2枚の画像の画像データから、撮像面の座標上の3次元情報(以下、ステレオ画像データと称する。)を算出する。
ステレオ画像処理部210は、それぞれの画像データにおける同一の撮像対象物の、それぞれの画像座標における位置の関係を求める。そうすることで、ステレオ画像処理部210は、その撮像された領域の3次元形状の立体的な空間情報(3次元座標系における位置情報)が算出できる。その結果、ステレオ画像処理部210は、カメラ112およびカメラ113が撮像した画像データから、それらの画像データに撮像された撮像対象物である、道路周辺環境1の3次元情報を得る。
ステレオ画像処理部210は、算出したステレオ画像データを、補正部211に送信する。
補正部211は、ステレオ画像データ210より、ステレオ画像データを受信する。また、補正部211は、参照データ記録領域222より、世界座標系で示されているMMS参照データを読み込む。そして、補正部211は、ステレオ画像データに対して、ステレオ画像データに撮像された撮像対象物の所定の箇所に対応する、地上面の座標点である3次元情報(以下、3次元情報と称する。)を算出する。補正部211は、算出した3次元情報を、3次元データ記録領域221に書き込み、記録させる。
補正部211は、ステレオ画像データに撮像された撮像対象物の所定の箇所以外の箇所について3次元情報を算出するために、MMS参照データおよび、カメラ撮像面と地表面の幾何学的な条件から、カメラの回転量等算出する。そして、補正部211は、算出したカメラの回転量等を用いて、3次元情報を補正する。補正部211が行う、3次元情報の算出および補正処理については、後述する。
補正部211は、上記3次元情報を得るために、入力部212より、ステレオ画像データ上の選択点情報を取得する。また、補正部211は、入力部より、ステレオ画像データ上の選択点に対応する、MMS参照データ上の対応点情報を取得する。
また、補正部211は、表示部213に、ステレオ画像データおよびMMS参照データを表示させる。こうすることで、例えば、操作者に、表示部213の表示を確認させた上で、上記ステレオ画像データ上の選択点およびMMS参照データ上の対応点を、入力部212から入力させることができる。
表示部213は、例えば、液晶ディスプレイ、有機EL(Electroluminescence)ディスプレイ、等を有する。表示部213は、複数の表示装置で、ステレオ画像データおよび、MMS参照データを別々に表示するようにしてもよいし、1の表示装置で、これらの画像を並べて表示するようにしてもよい。
3次元データ記録領域221は、補正部211が算出した、3次元情報を記録させるための記録領域である。参照データ記録領域222は、MMS参照データが記録されるための記録領域である。
ここでは、図3を用いて、補正部211が、ステレオ画像データおよび、MMS参照データを用いて、ステレオ画像データの3次元情報を算出および補正する方法について説明する。図3は、空中から地上を撮影した場合の位置関係を示す模式図である。
図3(a)は、カメラの撮像面(例えば、カメラ112で撮像した撮像面)と、地上面との位置関係を示す。主点Oはレンズの中心、地物Pは地上面にある任意の点、像点pは地物Pが撮像面に投影された像点、をそれぞれ示している。
図3(a)に示す通り、主点Oから、地上面と反対方向に、焦点距離f離れて、実際の撮像面がある。ここでは、説明を簡単にするために、主点Oから、地上面方向にf移動した座標を中心として撮像面があるとみなして(図3(a)において「見なし撮像面」と称している。)説明する。以下の説明では、みなし撮像面のことを、単に、撮像面と称する。
図3(b)は、図3(a)をXZ断面および、YZ断面からみた図を示す。
図3(c)は、図3(a)における各点の撮像面座標系(図3(c)において、カメラ座標系と称している。)および地上座標系における、それぞれの座標を示す。
図3(a)に示すように、主点Oから、鉛直方向下向きに引いた直線と、地上面との交点をO´とする。また、撮像面の中心を、o´とする。
図3(c)に示すように、地上座標系における、主点O、像点p、地物Pのそれぞれの座標を、(X0、Y0、Z0)、(Xp、Yp、Zp)、(X,Y、Z)とする。また、撮像面上の座標(以下、カメラ座標と称する。)における、主点O、像点p、地物Pのそれぞれの座標を、(0,0,0)、(x、y、-f)、(xP、yP、zP)とする。
このとき、図3(b)に示すように、図3(a)をXZ断面および、YZ断面からみた、三角形OO´Pおよび、三角形Oo´pは、相似する。このため、以下の(1)および(2)式で示す関係がある。
Z−Z0:f=Y−Y0:y …(2)
y=f×(Y−Y0)/(Z−Z0) …(4)
y=f×C/D …(6)
ただし、上記(5)および(6)式における、A、B、C、Dの各々は、以下の(7)、(8)、(9)、(10)式でそれぞれ表される。
A=a11(X−X0)+a21(Y−Y0)+a31(Z−Z0) …(7)
B=a13(X−X0)+a23(Y−Y0)+a33(Z−Z0) …(8)
C=a12(X−X0)+a22(Y−Y0)+a32(Z−Z0) …(9)
D=a12(X−X0)+a22(Y−Y0)+a32(Z−Z0) …(10)
そして、地表上の任意の2点、地物P座標(X、Y、Z)および地物P1座標(X1、Y1、Z1)について、MMS参照データを用いて既知の値を代入する。そして、それぞれに対して、(5)から(10)式で示す方程式を立てる。
そうすると、未知数4に対して、4つの方程式が立てられる。こうすることで、未知数を解くことができる。すなわち、主点O座標(X0、Y0、Z0)およびカメラの回転(0、0、φ)の値が明らかとなる。
そのうえで、ステレオ画像処理部210から得られるステレオ画像のカメラ座標系での任意の地点の座標について、(5)から(10)式で示される方程式に代入し、ステレオ画像に映されている任意の地点に対応する地上座標(X、Y、Z)を求めることができる。
すなわち、ステレオ画像データの3次元情報を求めることができる。
以上説明したように、ステレオ画像を生成する2枚の画像の双方に共通に撮像されている像を2点抽出し、各々の像のカメラ座標に対応する地表上の位置座標(緯度経度)を特定する。こうすることで、ステレオ画像上に撮像された他の地点について、3次元情報を算出することができる。
本フローチャートを説明する前提として、取得部10は、車両13に搭載されている。また、車両13は、測量する道路周辺設備の周辺の道路を走行しているものとする。
まず、撮像制御部111は、GPS受信機114から、最初の位置情報を取得する(ステップS1)。以降、撮像制御部111は、定期的に位置情報を取得し、位置情報の差分から走行距離を算出する。撮像制御部111は、走行距離が所定の値(ここでは2.5m毎)となったら(ステップS2 YES)、情報を取得するためのタイミング信号を、GPS受信機114、カメラ112およびカメラ113へ送信する(ステップS3)。
また、GPS受信機114は、撮像制御部111からのタイミング信号を受けたら、位置情報を取得し、撮像制御部111に、この位置情報を送信する。
撮像制御部111は、カメラ112およびカメラ113から取得した画像データを、位置情報と関連づけ、画像データ記録領域122に書き込み、記録させる(ステップS4)。
取得部10は、車両13が測量を終了する地点に到着したら、測量に用いるデータの取得を終了する(ステップS5)。そして、本フローチャートは終了する。
本フローチャートを説明する前提として、作業者は、画像データ記録領域122に記録させた画像データを、可搬型記録媒体等に記録させ、データ管理センター16の管理部20のドライブ装置(図示なし)に装着等している。すなわち、取得部10が画像データ記録領域122に記録させた画像データは、管理部20の記録部202から読み取り可能な状態にあるものとする。
まず、ステレオ画像処理部210は、カメラ112およびカメラ113が同時に撮像した2枚の画像の画像データから、ステレオ画像処理を行う。そして、ステレオ画像処理部210は、撮像面座標上の3次元情報である、ステレオ画像データを算出する。ステレオ画像処理部210は、算出したステレオ画像データを、補正部211に送信する。
ステレオ画像処理部210は、画像データに関連づけて記録させている、撮像場所の位置情報を、ステレオ画像データと関連付けて、補正部211に送信する。
操作者は、ステレオ画像データおよびMMS参照データに基づいて表示部213に表示された、2つの画像を視認する。そして、両画像に共通に存在する像である3次元形状の同一箇所を示す点を、入力部212のマウス等を用いて、選択する。さらにもう一点、操作者は、両画像に共通に存在する像の同一箇所を示す点を、選択する。以下の説明では、この選択された点を、選択点とも称する。
入力部212のキーボードのENTERキーが操作者により押下されるなどして、選択点が指定されると、入力部212から、各々の選択点の、画像上の位置を示す信号が、補正部211へ入力される(ステップS9)。
補正部211は、入力部212から取得した選択点の緯度経度を、MMS参照データを用いて、特定する(ステップS10)。
また、補正部211は、ステップS10で算出した2つの選択点の緯度経度に基づいて、カメラ112およびカメラ113の各々の主点座標と回転量を算出する。そして、補正部211は、算出した主点座標および回転量を用いて、ステレオ画像データの選択点以外の任意の点の緯度経度を求める。こうすることで、ステレオ画像データに示されたあらゆる地点の3次元情報を補正する(ステップS11)。
補正部211は、ステップS11で求めた3次元情報を、3次元データ記録領域221に書込んで記録させる(ステップS12)。こうすることで、管理部20は、3次元情報を管理する。
補正部211は、取得部10が取得した画像すべてについて3次元情報を求めるまで、ステップS7に戻り、処理を繰り返す(ステップS13 NO)。
こうして求めた3次元情報を用いることで、少ないコストで、道路周辺設備の位置の変化が容易に把握でき、かかる道路周辺設備の保守、点検を効率よく行うことができる。
本実施形態では、MMS参照データを用いて3次元情報を算出したが、これに限定されない。補正部211は、MMS参照データに代わって、地図の位置座標を用いることもできる。この場合、参照データ記録領域222には、その地図のデータが記録される。また、この場合、得られる3次元情報の精度は、その地図の精度に依存する。
第2の実施形態について説明する。本実施形態は、第1の実施形態と同様に、取得部10および管理部20を備える測量情報管理装置を用いる。
本実施形態では、補正部211は、GPS受信機114が取得した位置情報を用いて、撮像位置およびカメラの方向を算出する。そして、補正部211は、これらを用いて、3次元情報を求める。こうすることで、補正部211は、第1の実施形態で用いた、ステレオ画像データ上の選択点およびその選択点に対応する対応点の数を減らすことができる。
本実施形態においては、主点O座標(X0、Y0、Z0)は、GPS受信機114が取得した位置情報と、GPS受信機114とカメラ112およびカメラ113との位置関係から、求めることができる。さらに、カメラの回転(ω、γ、φ)は、GPS受信機114が取得した位置情報の差分により、求められる。これらの値を代入することにより、(5)から(10)式に示される未知数、主点O座標(X0、Y0、Z0)およびカメラの回転(ω、γ、φ)を算出できる。さらに、精度の高い測定点(基準点)がステレオ画像データ上にあれば、これを用いて、主点O座標およびカメラの回転量を、調整することができる。
また、補正部211は、ステレオ画像データを、表示部213に表示させる。そして補正部211は、表示部213に表示させたステレオ画像データに示される何らかの基準点を指定した信号を、入力部212から、入力させる。入力部212からの入力は、第1の実施形態と同様に、操作者等がマウスやキーボード等を用いて行う。補正部211は、入力部212から指定された基準点の情報に対し、参照データ記録領域222を参照する等により、その基準点の緯度経度を特定する。
そして、補正部211は、算出した、主点位置とカメラの方向と、特定した基準点の緯度経度とを用いて、ステレオ画像データのあらゆる地点の3次元情報を求める。補正部211は、求めた3次元情報を、3次元データ記憶領域221に書き込んで記録させる。
また、補正部211は、1点の基準点の緯度経度について特定できればよく、第1の実施形態で説明したように2点の基準点の緯度経度を特定させる必要がない。これは、MMS参照データがなくとも、ステレオ画像データに、何かしら測量精度の高い地点が少なくとも1点示されていれば、3次元情報を取得できることを意味する。
基準点の精度は、より精度の高い場所の緯度経度情報を用いることで、3次元情報の精度を高く算出できる。
撮像位置の情報の精度は、GPS受信機の受信精度、受信状況および、情報取得のタイミングのずれ等に依存する。ここで、GPS受信機114は、例えば、汎用GPS受信機である。汎用GPS受信機は、衛星から送信される、周波数の異なった2つの送信波のうち、1波を受信するのみであり、測量用GPS受信機と比較して、誤差が大きい。また、トンネル内部や、高架下など、衛星からの信号が届きにくい場所を、車両13が走行している間、GPS受信機は、十分な台数の衛星からの信号を受信するできないことも考えられる。この場合、GPS受信機から取得する位置情報は、途絶する、または、相応の誤差が含まれることになる。
補正部211は、経路から大きく外れた地点を抽出する処理として、例えば、車両13の走行ルート上に、GPS取新規114が取得した位置情報をプロットした図を、表示部213に表示させる。そして、補正部211は、その表示画面を操作者に視認させ、ルートから外れている部分を特定させ、その部分に関する情報を、入力部212から、入力させる。こうすることで、経路から大きく外れた地点を抽出する。または、補正部211は、位置の変化量を抽出し、しきい値を設け、変化量がしきい値より大きければ、経路から外れた誤差の含まれる位置情報であると認識してもよい。また、誤差が含まれる位置情報が連続する場合などは、走行ルートに沿った方向を、進行方向(カメラ方向)としてもよい。
補正部211は、このようにして、必要に応じて、より確からしいカメラ方向を用いることで、より精度の高い3次元情報を求めることが可能となる。
例えば、ステレオ画像上に、キロポスト等の基準点の像があれば、その基準点の位置座標を用いることができる。測量用の基準点およびキロポストは、位置情報が正確に測定されており、キロポストであれば35cmの精度を有する。
基準点およびキロポストは通常、1km毎かそれ以上の間隔で設置されているため、本発明にかかる測量情報管理装置で取得する画像に、2点以上の基準点等が撮像されることは想定しにくい。それでも、第2に実施形態を用いれば、1点の基準点で、3次元情報を得ることができる。
また、補正部211は、補正に用いた選択点についての情報を、記録部202に記録させてもよい。道路周辺設備においては、設備の保守点検のために測量を繰り返し行う。このため、ステレオ画像およびその3次元情報を取得する際に用いた選択点についての情報が蓄積されれば、次回の測定で選択点を、抽出しやすくなる。
さらに、補正部211は、入力部212から、ステレオ画像上の選択点に関する信号を、入力させているが、これに限定されない。補正部211は、例えば、ステレオ画像およびMMS参照データに共通する特徴ある点を、画像認識技術を用いて自動的に抽出してもよい。この場合、補正部211は、画像認識機能を有し、ステレオ画像およびMMS参照データに共通する特徴ある点を抽出する。そして、その選択点に応じた緯度経度をMMS参照データから特定する。
111…撮像制御部、112…カメラ、113…カメラ、114…GPS受信機、122…画像データ記録領域、
201…処理部、210…ステレオ画像処理部、211…補正部、212…入力部、213…表示部、202…記録部、221…3次元データ記録領域、222…参照データ記録領域。
Claims (6)
- 移動体に設けた2個の撮像装置の各々から得た視差を有する2枚の画像データから、移動体周辺における観察対象3次元形状を含む3次元空間であるステレオ画像を生成する画像生成部と、
前記撮像装置の各々により撮像された位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記ステレオ画像における3次元位置情報を示すステレオ画像データ、およびモービルマッピングシステムにより予め取得されたMMS参照データであって、前記位置情報に相当する位置の周辺の3次元位置情報を示すMMS参照データに、共通に存在する3次元形状の同一箇所を示す点を選択し、前記MMS参照データにおいて前記選択された点に対応する点を基準点とし、前記ステレオ画像データにおける前記選択された点の3次元座標が、前記基準点の3次元座標となるように補正する補正部と、
を備えることを特徴とする測量情報管理装置。 - 前記撮像装置は、前記観察対象が撮像可能な位置を移動する移動体である車両に搭載されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の測量情報管理装置。 - 前記基準点は、モービルマッピングシステムにより取得した世界座標系における座標点である、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の測量情報管理装置。 - 前記基準点は地図上の所定の箇所の緯度経度で示される座標値である、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の測量情報管理装置。 - 前記基準点は距離標が設置された緯度経度で示される座標値である、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の測量情報管理装置。 - 移動体に設けた2個の撮像装置の各々から得た視差を有する2枚の画像データから、移動体周辺における観察対象3次元形状を含む3次元空間であるステレオ画像を生成するステップと、
前記撮像装置の各々により撮像された位置を示す位置情報を取得するステップと、
前記ステレオ画像における3次元位置情報を示すステレオ画像データ、およびモービルマッピングシステムにより予め取得されたMMS参照データであって、前記位置情報に相当する位置の周辺の3次元位置情報を示すMMS参照データに、共通に存在する3次元形状の同一箇所を示す点を選択し、前記MMS参照データにおいて前記選択された点に対応する点を基準点とし、前記ステレオ画像データにおける前記選択された点の3次元座標が、前記基準点の3次元座標となるように補正するステップと、
を備えることを特徴とする測量情報管理方法。
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JP2018017652A (ja) | 2018-02-01 |
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