JP3661187B2

JP3661187B2 - ３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラム

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Publication number: JP3661187B2
Application number: JP2002089966A
Authority: JP
Inventors: 康紀大戸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: US20040027344A1; US7133539B2; JP2003287422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地表の凹凸を含む地形情報を生成する３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、飛行機や衛星などによって取得された地表の高さ情報を基に地表の３次元的な形状の抽出を行なう３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、２次元平面上にマッピングされた高さ情報と建物・道路情報を利用して地表の３次元的な形状の抽出を行なう３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、建物を除去した土地の３次元形状の抽出を行なう３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
昨今の情報技術の革新に伴い、さまざまな情報コンテンツがコンピュータ上で作成・編集され、情報蓄積、情報配信などのサービスが行われるようになってきた。例えば、建物や道路などの地図情報や地理情報がコンピュータ上で統合されて、道案内や観光案内など地図画像を利用した地域情報提供サービスが行なわれている。また、ＧＰＳ（Global Positioning System）などで検出されたユーザの現在位置情報を利用して、車や船舶などの移動体に対するリアルタイムのナビゲーション・サービスなども提供されている。
【０００４】
地図、地形地勢又は地理情報は、地表での測量によって得られる他、飛行機や衛星などを利用して上空からの観察結果を基に作成することができる。最近では、飛行機に測距センサを搭載して、計測された地表の高さ情報を基に地表の３次元形状を算出することもできる。地図は一般に正射投影であるのに対して、航空写真や衛星写真は中心投影である。上空から測定された高さ情報に対して地理的な誤差を補正し、正確な地理情報を与えてオルソ化することにより、地図上の各観測点に高さ情報をマッピングすることができる（以下、本明細書中では、２次元平面上の各観測点に高さ情報がマッピングされたデータのことを「エレベーション・データ」と呼ぶことにする）。
【０００５】
地図情報は基本的には２次元平面的な位置情報であるが、このような高さ情報と統合することにより、地形の起伏などを扱うことができる。この結果、ナビゲーション・システムなどにおいては地形の起伏や景観などを考慮して、立体的、３次元的な地図画像を表示することができるなど、より高品位な地図情報表示サービスを提供することができる。あるいは、このような３次元的な地図情報を、治水シミュレーションなどの公共サービス、仮想空間を利用したシステムへ適用することができる。
【０００６】
郊外や山間部では上空から地表への測距により、高さ情報を広域的に直接且つ容易に得ることができる。ところが、ビルが密集する都心部や市街地においては、地面ではなく、家屋や建物などの地表被覆物までの距離を測っていることになり、地形情報の誤差成分となってしまう。
【０００７】
平面（ｘ，ｙ）上に配置された高さ情報（ｚ）の利用においては、高さ情報に対して移動平均フィルタなどを適用することによって、建物などの地表被覆物による凹凸の影響を少なくするか、又は、建物地図から取得した建物領域に相当する部分の高さ情報を除去した後、各高さ情報を（ｘ，ｙ，ｚ）の空間点とみなして、隣接する空間点を結ぶことによってポリゴン・メッシュを作成し、ポリゴン・リダクションを行って、地形の３次元形状を取得することができる。
【０００８】
しかしながら、このような手法に頼った場合、建物の高さ情報が地形データに加わるという誤差が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、飛行機や衛星などによって取得された地表の高さ情報を基に地表の３次元的な形状の抽出を好適に行なうことができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、２次元平面上にマッピングされた高さ情報と建物・道路情報を利用して地表の３次元的な形状の抽出を好適に行なうことができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、建物を除去した土地の３次元形状を正確に抽出することができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去してより正確な地形地勢を生成する３次元地形情報生成システム又は方法であって
エレベーション・データからフロー部分として抽出するフロー解析部又はステップと、
抽出されたフロー部分を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なうマッチング部又はステップと、
エレベーション・データから３次元地形データを作成するための参照領域を取得する参照領域取得部又はステップと、
参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう曲面フィッティング部又はステップと、
を具備することを特徴とする３次元地形情報生成システム又は方法である。
【００１３】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
【００１４】
本発明の第１の側面に係る３次元地形情報生成システム又は方法によれば、２次元に配置された高さ情報から道路領域を抽出し、これと建物・道路地図と照合して位置と縮尺を調整する。次に、建物・道路地図から指定された幅以上の道路領域に対する高さ情報を取得して３次元に配置し、また、数箇所で重なり合うこともあるリボン形状を形成する。さらに建物・道路地図から公園など建物の存在が３次元地形に及ぼす影響の少ない場所の高さ情報を取得した後、これらを内包する曲面を作成することによって、３次元地形データを取得することができる。
【００１５】
本発明によれば、２次元平面に配置された高さ情報と建物・道路地図から、建物などの地表被覆物の影響を好適に除去して、より正確な３次元地形情報（地形地勢）を取得することができる。したがって、治水シミュレーションなどの公共サービスへの利用や、仮想空間を利用したシステムへの利用において、より正確な３次元地形データを得ることが可能となる。
【００１６】
ここで、前記フロー解析部又はステップは、エレベーション・データ中から高さ情報が細長く緩やかで滑らかに連続的に変化する領域をフロー部分として抽出するようにしてもよい。
【００１７】
幹線道路領域は、道幅が広いため、街路脇に立っている建物の影響を受けない。また、幹線道路領域は細長く、緩やかであり、また、滑らかに連続的に変化する高さを持っていることから、この知識を利用して、エレベーション・データから幹線道路領域を抽出することができる。
【００１８】
より具体的には、前記フロー解析部又はステップは、高さ情報に相当する画素値がマッピングされた画像を生成し、該画像をフーリエ変換して周波数成分に分解し、道路領域に相当する周波数成分を抽出してから逆フーリエ変換して、輪郭を抽出して道路領域とする。
【００１９】
また、前記マッチング部又はステップは、前記フロー解析部又はステップによって得られたフロー部分を建物・道路地図情報に含まれる道領域とマッチングを行なうことによって、建物・道路地図情報からエレベーション・データへの変換式を求める。そして、建物立地以外における高さを建物・道路地図に対応するエレベーション・データの高さデータから取得して、該変換式を用いて曲面近似を行なうことができる。
【００２０】
また、前記参照領域取得部又はステップは、公園のような建物の影響を受けない領域を参照領域として抽出するようにしてもよい。
【００２１】
また、前記曲面フィッティング部又はステップは、ＮＵＲＢＳ曲面の近似により参照領域を含む曲面を生成するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記曲面フィッティング部又はステップは、ＮＵＲＢＳパラメータを２乗誤差が最小となるようにＮＵＲＢＳ曲面を調整するとともに、調整不可能な場合にはさらにＮＵＲＢＳ曲面を細分化するようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明の第２の側面は、２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去して３次元地形情報を生成する処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって
エレベーション・データからフロー部分として抽出するフロー解析ステップと、
抽出されたフロー部分を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なうマッチング・ステップと、
エレベーション・データから３次元地形データを作成するための参照領域を取得する参照領域取得ステップと、
参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう曲面フィッティング・ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００２４】
本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第１側面に係る３次元地形情報生成システム又は方法と同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２７】
図１には、２次元平面上に高さ情報がマッピングされている様子を示している。同図に示す２次元平面は、平野部、山岳部、郊外、都心などの地表面を表わし、ｘｙ各方向に一定間隔で高さ情報（エレベーション・データ）が取得され、各点（ｘ，ｙ）におけるｚ座標値として表わされている。ここで言うｘ及びｙ各軸は例えば緯度や経度に相当する。
【００２８】
このような高さ情報を含んだ２次元平面情報は、例えば、飛行機や衛星などを利用して、上空からの地表への測距により、広域的に直接且つ容易に得ることができる。上空から測定された高さ情報に対して地理的な誤差を補正し、正確な地理情報を与えてオルソ化することにより、地図上の各観測点に高さ情報をマッピングすることができる。
【００２９】
図１に示すような高さ情報がマッピングされている２次元平面は、擬似的に地形の起伏などを表わしている。但し、飛行機や衛星などの上空からの測距により直接得られた高さ情報は、ビルが密集する都心部や市街地においては家屋や建物などの地表被覆物までの地面ではなく建物まで距離を測っていることになり、地形情報の誤差成分を含んでいる。
【００３０】
高さ情報に含まれる建物などの地表被覆物による凹凸の影響を除去するために、従来は移動平均フィルタなどの平滑化フィルタを用いていた。図２には、平滑化フィルタを用いた場合における、実際の地形地勢に対する建物の影響を示している。同図において、参照番号１は、実際に地形地勢であり、参照番号２は、建物などの地表被覆物であり、参照番号３は平滑化フィルタで取得した地形データである。
【００３１】
図２からも分かるように、従来の地表被覆物除去処理によれば、地形データ３は、建物データ２の影響を受けて、実際の地表面１よりも高い位置になってしまう。また、平均化する広さによっては、建物群の凹凸が地形データに反映されることもある。
【００３２】
図３には、本実施形態において地形形状を取得するための参照領域を例示している。同図において、参照番号４は幹線道路領域を示している。幹線道路領域は、道幅が広いため、街路脇に立っている建物の影響を受けない。また、幹線道路領域は細長く、緩やかであり、また、滑らかに連続的に変化する高さを持っていることから、この知識を利用して、エレベーション・データから幹線道路領域を抽出することができる。
【００３３】
また、参照番号５は、上記の知識ベースの手法では安定して抽出することができない、道幅が比較的狭い道路を示している。また、参照番号６は、建物の影響を受けない、公園や空き地のような領域を示している。本実施形態では、これらの領域６における高さ情報は、建物の影響を受けていないことから、これらの領域における高さ情報を表面に含む曲面を作成することにしている。
【００３４】
図４には、本発明の実施形態に係る３次元地形情報生成システム１０の機能構成を模式的に示している。
【００３５】
この３次元地形情報生成システム１０内では、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４が、オペレーティング・システム（ＯＳ）が提供する実行環境下で、さまざまなアプリケーション・プログラムを起動する。ＣＰＵ１４は、バス２２経由でシステム１０内の各部と相互接続している。
【００３６】
ＲＡＭ（Random Access Memory）１５は、揮発性の半導体メモリ装置であり、ＣＰＵ１４において実行されるプログラム・コードを記録部１３（後述）などの外部記憶装置からロードしたり、実行プログラムが処理中の作業データを１次格納したりするために使用される。
【００３７】
ＣＰＵ１４が実行するプログラムには、エレベーション・データを２次元平面上にマッピングするとともに建物の影響を除去する３次元地形情報生成アプリケーションなどが含まれる。また、作業データとしては、建物情報、道路地図情報などの２次元平面情報並びにこれにマッピングされたエレベーション・データ、建物の影響を除去中及び除去処理後のエレベーション・データ、該除去処理中の計算値などが含まれる。
【００３８】
ＲＯＭ（Read Only Memory）１６は、不揮発性の半導体記憶装置であり、所定のプログラム・コードやデータを恒久的に保存するために使用される。例えば、システム１０起動時の初期化・自己診断プログラム（ＰＯＳＴ）やシステム１０内の各部をハードウェア操作するための基本入出力ソフトウェア（ＢＩＯＳ）などがＲＯＭ１６上に格納されている。
【００３９】
入力部１１は、例えばキーボードやマウスなどのユーザ入力装置からなり、建物・道路地図情報、エレベーション・データなど、３次元地形情報生成のための素データを手付けあるいはその他の形式で入力したり、３次元地形情報生成やその他のユーザ・コマンドを入力するために使用される。
【００４０】
表示部１２は、ディスプレイやプリンタなど、ＣＰＵ１４による演算結果を可視化してユーザに出力する装置で構成される。例えば、建物・道路地図情報を表示出力したり、２次元平面上にマッピングされたエレベーション・データから建物の影響を除去して生成された３次元地形情報、あるいは建物の影響を除去処理中の計算結果などを表示出力する。
【００４１】
記録部１３は、例えばハード・ディスク装置（ＨＤＤ）などの固定型の大容量外部記憶装置や、ＣＤ（ＤＶＤ）−ＲＯＭドライブのような可搬型の記録メディアを装填する記録再生装置などで構成されている。
【００４２】
ハード・ディスク装置は、記憶担体としての磁気ディスクを固定的に搭載した外部記憶装置であり（周知）、記憶容量やデータ転送速度などの点で他の外部記憶装置よりも優れている。ソフトウェア・プログラムを実行可能な状態でＨＤＤ上に置くことをプログラムのシステムへの「インストール」と呼ぶ。通常、ＨＤＤには、ＣＰＵ１４が実行すべきオペレーティング・システムのプログラム・コードや、アプリケーション・プログラム、デバイス・ドライバなどが不揮発的に格納されている。例えば、エレベーション・データを２次元平面上にマッピングするとともに建物の影響を除去する３次元地形情報生成アプリケーションを、ＨＤＤ上にインストールすることができる。また、このような３次元地形情報生成の処理対象となる建物情報、道路地図情報などの２次元平面情報やエレベーション・データ（初期値）、並びに２次元平面上にマッピングされるとともに建物の影響を除去した後のエレベーション・データ、その他のライブラリをＨＤＤ上に保存することもできる。
【００４３】
また、可搬型の記録メディアは、主として、ソフトウェア・プログラムやデータ・ファイルなどをコンピュータ可読形式のデータとしてバックアップすることや、これらをシステム間で移動（すなわち販売・流通・配布を含む）する目的で使用される。例えば、エレベーション・データを２次元平面上にマッピングするとともに建物の影響を除去する３次元地形情報生成アプリケーションを、これら可搬型メディアを利用して複数の機器間で物理的に流通・配布することができる。また、このような３次元地形情報生成の処理対象となる建物情報、道路地図情報などの２次元平面情報やエレベーション・データ（初期値）、その他のライブラリの供給を受けたり、地図情報にマッピングされるとともに建物の影響を除去した後のエレベーション・データをシステム外部に提供するために、これら可搬型記録メディアが利用される。
【００４４】
通信インターフェース２１は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などの所定の通信プロトコルに従って、本システム１０をＬＡＮ（Local Area Network）などの局所的ネットワーク、さらにはインターネットのような広域ネットワークに接続することができる。ネットワーク上では、複数のホスト端末（図示しない）がトランスペアレントな状態で接続され、分散コンピューティング環境が構築されている。ネットワーク上では、ソフトウェア・プログラムやデータ・コンテンツなどの配信サービスを行うことができる。例えば、エレベーション・データを２次元平面上にマッピングするとともに建物の影響を除去する３次元地形情報生成アプリケーションを、ネットワーク経由でダウンロードすることができる。また、このような３次元地形情報生成の処理対象となる建物情報、道路地図情報などの２次元平面情報やエレベーション・データ（初期値）、その他のライブラリの供給を受けたり、地図情報にマッピングされるとともに建物の影響を除去した後のエレベーション・データをシステム外部に提供するために、ネットワークが利用される。
【００４５】
フロー解析部１７、マッチング部１８、参照領域取得部１９、並びに曲面フィッティング部２０は、ＣＰＵ１４と協働的に動作して、２次元平面上にマッピングされたエレベーション・データから建物の影響を除去する３次元地形情報生成処理を実現する。フロー解析部１７は、入力されたエレベーション・データ（初期値）から道領域（幹線道路領域）を抽出する。マッチング部１８は、抽出された道領域を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なう。参照領域取得部９は、３次元地形データを作成するための参照領域を取得する。そして、曲面フィッティング部２０は、参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう。
【００４６】
図５には、本実施形態に係る３次元地形情報生成システム１０によって２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去した地形地勢を生成するための概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、実際には、ＣＰＵ１４が、フロー解析部１７、マッチング部１８、参照領域取得部１９、並びに曲面フィッティング部２０との協働的動作により３次元地形情報生成アプリケーションを実行するという形態で実現される。
【００４７】
まず、高さ情報マップ（エレベーション・データ）をシステム１０に入力する（ステップＳ１）。エレベーション・データは、図１に示すように、２次元ｘｙ平面上にマッピングされている。
【００４８】
次いで、フロー解析部７により２次元平面上にマッピングされたエレベーション・データのフローを解析して、細長く、緩やかであり、滑らかで連続的に変化する高さを持つ領域を幹線道路などのフロー部分として抽出する（ステップＳ２）。
【００４９】
次いで、建物・道路地図をシステム１０に入力して（ステップＳ３）、先行ステップＳ２により抽出されたフロー部分とのマッチングを行なうことによって、建物・道路地図からエレベーション・データへの変換式（後述）を求める（ステップＳ４）。
【００５０】
次いで、建物立地以外における高さを建物・道路地図に対応するエレベーション・データの高さデータから取得する（ステップＳ５）。そして、ＮＵＲＢＳ曲面による近似を行なっている（ステップＳ６）。
【００５１】
上記のステップＳ２では、フロー解析部１７は、エレベーション・データ中からフロー部分として道路領域を抽出する。図１２には、エレベーション・データから道路領域を抽出するための詳細な処理手順をフローチャートの形式で示している。また、図１３には、道路領域を抽出する様子を図解している。
【００５２】
まず、観測点における標高値がピクセル値となるような画像へ変換する（ステップＳ２１）。図１３の参照番号１３０１には、画像変換した結果を示している。
【００５３】
次いで。この変換画像に対して２次元フーリエ変換を行い（ステップＳ２２）、画素情報を周波数情報に変換する。図１３の参照番号１３０２には、２次元フーリエ変換した結果を示している。同図に示す例では、建物が存在する領域１３１２では、建物の高さのばらつきから高周波成分が多くなる。これに対して、道路領域１３１１では、比較的滑らかに変化していることから低周波成分が多くなる。
【００５４】
次いで、道路領域を通すようなバンドパス・フィルタを作用させた後（ステップＳ２３）、逆２次元フーリエ変換を行い（ステップＳ２４）、周波数情報を画素情報に変換する。図１３の参照番号１３０３には、道路領域に相当する周波数成分１３３１を通すようなバンドパス・フィルタを示している。また、参照番号１３０４には、バンドパス・フィルタ適用後に逆２次元フーリエ変換した画素情報を示している。
【００５５】
この後、道路領域が比較的低位置に存在することから、さらに２値化して（ステップＳ２５）、輪郭抽出を行う（ステップＳ２６）。この輪郭で示される領域が道路領域となる。図１３の参照番号１３０４には、逆２次元フーリエ変換した画素情報を２値化した結果を示している。また、参照番号１３０５には、輪郭抽出した結果を示している。
【００５６】
上述したような方法で道路領域を抽出する場合、エレベーション・データにおける各観測点位置の高さ情報を画素すなわち濃淡値に置き換える必要がある。ここで、画素位置における濃度値を求める方法について、図１４を参照しながら説明しておく。
【００５７】
参照番号１４０１〜１４０９はそれぞれ画像ピクセルを示し、また、参照番号１４１１及び１４１２は観測点位置を示している。各画像ピクセル値は、その中に含まれる観測点の標高値の平均を用いる。
【００５８】
画像ピクセル１４０１に示すピクセル値は、各観測点１４１１及び１４１２における標高値の平均となる。
【００５９】
ここで、参照番号１４０５に示すように、その画像ピクセルの中に観測点が入っていない場合には、その周辺ピクセルの値の平均を用いる。同図に示す例では、画像ピクセル１４０５に示すピクセル値は、その周辺の画像ピクセル１４０１〜１４０４、１４０６〜１４０９で示される画像ピクセルの値の平均となる。また、隣接する画像ピクセルの中に観測点がない場合、さらにその周りにある画像ピクセルの値を用いて補間を行う。
【００６０】
図６には、図５に示したフローチャートのステップＳ４において建物・道路地図からエレベーション・データへの座標変換式の取得するための仕組みを図解している。
【００６１】
参照番号６０１は、フロー解析部１７によりフロー抽出を行ったエレベーション・データである。このエレベーション・データには、参照番号６１２で示されるフロー部分が含まれている。このフロー部分は、幹線道路領域に相当し、また、高さ情報が滑らかに連続的に変化する領域が細長く且つ緩やかに続いていることから抽出される。幹線道路領域は、道幅が広いため、街路脇に立っている建物の影響を受けない。
【００６２】
一方、参照番号６０２は建物・道路地図である。建物・道路地図には、参照番号６２２で示される幹線道路と、幹線道路６２２以外でユーザが指定した幅を持つ道路領域６２３を含んでいる。これら幹線道路領域６２２並びにその他の道路領域６２３は、３次元地形を取得するために利用することができる道領域である。
【００６３】
参照番号６０３は、これらフロー抽出を行なったエレベーション・データ６０１と、道路・地図情報６０２とを、マッチング部１８によりマッチングを行なった結果を示している。
【００６４】
マッチング部１８は、以下に示すような、建物・道路地図座標（ｕ，ｖ，１）からエレベーション・データ（ｘ，ｙ，１）への座標変換式を求める。
【００６５】
【数１】

【００６６】
上記の座標変換式において、行列Ｓは拡大・縮小変換を示しており、拡大率ａ及びｂによって特徴付けられる。
【００６７】
【数２】

【００６８】
また、上記の座標変換式において、行列Ｒは回転変換を示しており、回転θによって特徴付けられる。
【００６９】
【数３】

【００７０】
また、上記の座標変換式において、行列Ｔは平行移動を示しており、移動ベクトル（ｃ，ｄ）で表わされる。
【００７１】
【数４】

【００７２】
また、図７には、エレベーション・データから参照領域を取得するとともに、参照領域をその表面に含む曲面を取得するための処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、３次元地形情報生成システム上で、ＣＰＵ１４が参照領域取得部１９並びに曲面フィッティング部２０との協働的動作により３次元地形情報生成アプリケーションを実行するという形態で実現される。
【００７３】
まず、曲面フィッティング部２０は、対象領域に対するＮＵＲＢＳ（Non-Uniform Rational B-Spline）平面を作成する（ステップＳ１１）。なお、ＮＵＲＢＳ曲面は、平面、２次曲面、自由曲面を表現する代表的な幾何形状表現方法であり、調整可能なパラメータとして操作点（knots）を持つが、本実施形態では３×３の操作点が均等に並んでいる平面を作成している。
【００７４】
次いで、参照領域取得部１９は、道幅の広い順に道領域を参照リストへスタックし（ステップＳ１２）、これに続いて、公園などの面積の広い順に参照領域をスタックする（ステップＳ１３）。
【００７５】
次いで、参照リストが空になるまで、参照領域を１つずつ取り出して（ステップＳ４，Ｓ５）、ＮＵＲＢＳの操作点を調整して、当てはめていく。
【００７６】
本実施形態では、アニーリングによって参照領域の最適化を行なっている。すなわち、ＮＵＲＢＳパラメータとしての３×３操作点の２乗誤差が最小化するように調整して（ステップＳ１６）、誤差があらかじめ指定した値より大きいときには（ステップＡ１７）、ＮＵＲＢＳ曲面をさらに細分化していく（ステップＳ１８）。
【００７７】
ちなみに、アニーリング手法では、一般的には局所解に陥ることが知られているが、目的としている地形の３次元形状は、一般に複雑な形状をしておらず、また、ＮＵＲＢＳ曲面の特徴である操作点の局所への影響という特性によって、最適解へ向かう探索が行われることになる。そうして、誤差が指定した値よりも大きいまま平衡状態に達する場合、誤差が大きいメッシュ部分を再分割したのち、当てはめを継続する。
【００７８】
図７に示した参照領域を抽出する処理手順において、面積が広い順に参照領域を抽出しているが、本実施形態では、建物がない領域を短冊の集合として取り扱うようにしている。図８には、建物がない領域に対する面積の求め方を図解している。
【００７９】
建物がない領域８０１を、参照番号８１１〜８１８で示す短冊の集合とみなす。このとき、短冊は、図示のｕｖ座標系を基準として、ｕ方向に刻んだ短冊とし、短冊の右端が領域のｖ方向の値と一致するように短冊の生成を行う。そして、各々の短冊の面積を計算してこれらの合計を領域８０１の面積とする。勿論、図示した以外の方法によって建物がない領域の面積を算出するようにしてもよい。
【００８０】
また、図７に示した曲面フィッティングの処理手順において、曲面を記述する操作点を移動することによって、参照領域が曲面に埋め込まれるよう最適化を行なっている。図９には、ＮＵＲＢＳ曲面の操作点を移動して参照領域が埋め込まれるようにする様子を示している。
【００８１】
同図において、参照番号９０１は、対象となる曲面９０２を特徴付ける制御多角形を示している。また、参照番号９１１は制御点を示し、参照番号９２１、９２２はそれぞれ曲面の表面に埋め込まれる道路領域を示している。
【００８２】
ここで、ＮＵＲＢＳ曲面のパラメータ調整方法について説明しておく。図１０には、操作点の移動可能方向を示す。
【００８３】
同図において、参照番号１０１１、１０４１、１０１４、１０４４で示される各操作点は上下方向（ｗ）のみ移動が許可されている。また、参照番号１０２１、１０３１、１０２４、１０３４で示される各操作点はｕ及びｗ方向のみ移動が許可されている。また、参照番号１０１２、１０１３、１０４２、１０４３で示される各操作点はｖ及びｗ方向のみ移動が許可されている。また、その他の操作点１０２２、１０３２、１０２３、１０３３はすべての方向（ｕ，ｖ，ｗ）への移動が許可されている。
【００８４】
ただし、これは細分化された操作多角形に対しては、最外郭を共有する場合においては、この性質を継承するものとする。
【００８５】
また、図７に示した曲面フィッティングの処理手順において、ＮＵＲＢＳ曲面の調整が不可能な場合にはさらにＮＵＲＢＳ曲面を細分化する。図１１には、参照領域の埋め込みができない場合に、その誤差が大きい部分を細分化することによって対応する様子を示している。
【００８６】
ここで、参照番号１１０１は制御多角形を示し、参照番号１１０２はその一部が再分割された場所における制御多角形を示し、また、参照番号１１０３はそれをコントロールするための操作点を示している。なお、ここで、古くからの曲面と、新しく細分化した曲面が滑らかに繋がるような制約が、制御点の移動において発生している。
【００８７】
［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、飛行機や衛星などによって取得された地表の高さ情報を基に地表の３次元的な形状の抽出を好適に行なうことができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００８９】
また、本発明によれば、２次元平面上にマッピングされた高さ情報と建物・道路情報を利用して地表の３次元的な形状の抽出を好適に行なうことができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００９０】
また、本発明によれば、建物を除去した土地の３次元形状を正確に抽出することができる、優れた３次元地形情報生成システム及び方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００９１】
本発明によれば、２次元平面に配置された高さ情報と建物・道路地図から、建物などの地表被覆物の影響を好適に除去して、より正確な３次元地形情報（地形地勢）を取得することができる。したがって、治水シミュレーションなどの公共サービスへの利用や、仮想空間を利用したシステムへの利用において、より正確な３次元地形データを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元平面上に高さ情報がマッピングされている様子を示した図である。
【図２】平滑化フィルタを用いた場合における、実際の地形地勢に対する建物の影響を示した図である。
【図３】本実施形態において地形形状を取得するための参照領域を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る３次元地形情報生成システム１０の機能構成を模式的に示した図である。
【図５】本実施形態に係る３次元地形情報生成システム１０によってエレベーション・データを２次元平面上にマッピングするとともに建物の影響を除去するための概略的な処理手順を示したフローチャートである。
【図６】建物・道路地図からエレベーション・データへの座標変換式の取得するための方法を説明するための図である。
【図７】エレベーション・データから参照領域を取得するとともに、参照領域をその表面に含む曲面を取得するための処理手順を示したフローチャートである。
【図８】建物がない領域に対する面積の求め方を説明するための図である。
【図９】曲面を記述する操作点を移動して参照領域が埋め込まれるようにする様子を示した図である。
【図１０】ＮＵＲＢＳ曲面の操作点の移動方向を示した図である。
【図１１】参照領域の埋め込みができない場合に、その誤差が大きい部分を細分化することによって対応する様子を示した図である。
【図１２】エレベーション・データから道路領域を抽出するための詳細な処理手順を示したフローチャートである。
【図１３】道路領域を抽出する様子を示した図である。
【図１４】画素位置における濃度値を求める方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…３次元地形情報生成システム
１１…入力部，１２…表示部，１３…記録部
１４…ＣＰＵ，１５…ＲＡＭ，１６…ＲＯＭ
１７…フロー解析部，１８…マッチング部
１９…参照領域取得部，２０…曲面フィッティング部
２１…通信インターフェース，２２…バス

Claims

２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去して３次元地形情報を生成する３次元地形情報生成システムであって
エレベーション・データからフロー部分として抽出するフロー解析部と、
抽出されたフロー部分を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なうマッチング部と、
エレベーション・データから３次元地形データを作成するための参照領域を取得する参照領域取得部と、
参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう曲面フィッティング部と、
を具備することを特徴とする３次元地形情報生成システム。
前記フロー解析部は、エレベーション・データ中から高さ情報が細長く緩やかで滑らかに連続的に変化する領域をフロー部分として抽出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元地形情報生成システム。
前記フロー解析部は、高さ情報に相当する画素値がマッピングされた画像を生成し、該画像をフーリエ変換して周波数成分に分解し、道路領域に相当する周波数成分を抽出してから逆フーリエ変換して、輪郭を抽出して道路領域とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元地形情報生成システム。
前記マッチング部は、前記フロー解析部によって得られたフロー部分を建物・道路地図情報に含まれる道領域とマッチングを行なうことによって、建物・道路地図情報からエレベーション・データへの変換式を求め、建物立地以外における高さを建物・道路地図に対応するエレベーション・データの高さデータから取得して、該変換式を用いて曲面近似を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元地形情報生成システム。
前記参照領域取得部は、公園のような建物の影響を受けない領域を参照領域として抽出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元地形情報生成システム。
前記曲面フィッティング部は、ＮＵＲＢＳ曲面の近似により参照領域を含む曲面を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元地形情報生成システム。
前記曲面フィッティング部は、ＮＵＲＢＳパラメータを２乗誤差が最小となるようにＮＵＲＢＳ曲面を調整するとともに、調整不可能な場合にはさらにＮＵＲＢＳ曲面を細分化する、
ことを特徴とする請求項６に記載の３次元地形情報生成システム。
２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去して３次元地形情報を生成する３次元地形情報生成方法であって
エレベーション・データからフロー部分として抽出するフロー解析ステップと、
抽出されたフロー部分を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なうマッチング・ステップと、
エレベーション・データから３次元地形データを作成するための参照領域を取得する参照領域取得ステップと、
参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう曲面フィッティング・ステップと、
を具備することを特徴とする３次元地形情報生成方法。
２次元平面上にマッピングされた高さ情報からなるエレベーション・データを建物・道路地図情報にマッピングするとともに建物の影響を除去して３次元地形情報を生成する処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって
エレベーション・データからフロー部分として抽出するフロー解析ステップと、
抽出されたフロー部分を受けて、エレベーション・データの座標と建物・道路地図上の座標とのマッチングを行なうマッチング・ステップと、
エレベーション・データから３次元地形データを作成するための参照領域を取得する参照領域取得ステップと、
参照領域を表面に含むように曲面のフィッティングを行なう曲面フィッティング・ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。