JP2003083744A - 航空機搭載撮像装置および航空撮像データ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対空標識を多数必要とせず、多数の基準点を
基にした空中三角測量を可能とした航空機搭載撮像装置
および航空撮像データ処理装置を提供する。 【解決手段】 ラインセンサ１０Ｂ、１０Ｎ、１０Ｆで
取得した画像とジャイロ１１、ＩＮＳ装置１５、ＧＰＳ
受信機１６から求めたカメラ１０の位置・姿勢情報を対
にして記録手段１４１に記録させる航空機搭載撮像装置
であって、記憶手段１４２内に所定の構造物の３Ｄデー
タを格納しておき、取得した画像中からこの所定の構造
物に対応する像を画像処理部１３１により検出し、この
像位置と格納されている位置情報との偏差から位置・姿
勢判定部１３２は、カメラ１０の位置・姿勢情報を修正
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上空から地表画像
を取得する航空機搭載撮像装置とその撮像データを処理
する航空撮像データ処理装置に関し、特にラインセンサ
を用いて地表画像を取得するとともに取得時のカメラの
位置・姿勢データを併せて取得する航空機搭載撮像装置
および航空撮像データ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地形の形状を測量する手法として、航空
写真、衛星写真を利用する方法が知られている。こうし
た航空写真を撮影するシステムとして特許２８０７６２
２号公報に開示されている航空機搭載撮像装置が知られ
ている。

【０００３】この技術はスリーラインセンサカメラを利
用してカメラの位置・姿勢データとともに、連続的に撮
影した地表の画像データをデジタルデータとして記憶す
ることで後からソフトウェアによる詳細な補正等を可能
としたものである。こうして取得したデータを基にして
三角測量の原理により地表物の空間位置を求めることが
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、カメラの位
置・姿勢データのわずかな誤差が地表物の空間位置の大
きなずれの要因となることから、正確な測量を行うため
には、地上に基準点を設置し、その空間位置と取得した
データを基に演算した位置との偏差により補正を行う
（空中三角測量と呼ぶ）必要がある。測量精度を上げる
には基準点を多数設置することが好ましい。しかし、通
常、基準点として用いられる対空標識の設置には地権者
の許可も必要とし、設置・管理に手間がかかり、実用上
は多数設置することは困難である。

【０００５】そこで、本発明は対空標識を必要とせず、
多数の基準点を基にした空中三角測量を可能とした航空
機搭載撮像装置および航空撮像データ処理装置を提供す
ることを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る航空機搭載撮像装置は、航空機に搭載
されて地表画像を１次元画像として撮像するラインセン
サ複数個をそれぞれの視線を異ならせて配置して構成し
たカメラと、該カメラの撮像時の姿勢データを取得する
姿勢計測装置と、該カメラの撮像時の３次元位置情報を
取得する位置情報取得装置と、取得した１次元画像群と
撮像時の姿勢・位置情報を組にしてデジタルデータとし
て記録する記録装置と、を備える航空機搭載撮像装置に
おいて、(1)所定の構造物の３次元データが蓄積記憶さ
れている記憶手段と、(2)取得した１次元画像群からこ
の所定の構造物を撮像した画素を検出する画素検出手段
と、(3)記憶手段に記憶されている構造物の３次元デー
タと画素検出手段で検出した画素との対応関係から撮像
時のカメラの姿勢・位置情報の誤差を検出する誤差検出
手段と、(4)誤差検出手段の検出結果に基づいてカメラ
の姿勢・位置情報を補正する補正手段と、をさらに備え
ていることを特徴とする。

【０００７】一方、本発明に係る撮像データ処理装置
は、航空機に搭載されて地表画像を１次元画像として撮
像するラインセンサ複数個をそれぞれの視線を異ならせ
て配置して構成したカメラと、該カメラの撮像時の姿勢
データを取得する姿勢計測装置と、該カメラの撮像時の
３次元位置情報を取得する位置情報取得装置と、取得し
た１次元画像群と撮像時の姿勢・位置情報を組にしてデ
ジタルデータとして記録する記録装置と、を備える航空
機搭載撮像装置で取得したデジタルデータを処理する撮
像データ処理装置において、(1)所定の構造物の３次元
データが蓄積記憶されている記憶手段と、(2)取得した
１次元画像群からこの所定の構造物を撮像した画素を検
出する画素検出手段と、(3)記憶手段に記憶されている
構造物の３次元データと画素検出手段で検出した画素の
画素位置との対応関係から撮像時のカメラの姿勢・位置
情報の誤差を検出する誤差検出手段と、(4)誤差検出手
段の検出結果に基づいてカメラの姿勢・位置情報を補正
する補正手段と、を備えていることを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、所定の構造物の３次元デ
ータを予め記憶しているので、構造物の任意の部分の空
間位置情報を知ることができるとともに、この任意の部
分がどのようなイメージとしてラインセンサで取得され
るかも推定可能であるから、画像群中から該当する画素
を検出することも容易となる。こうして検出した画素位
置と撮像されるべき位置との偏差、あるいは検出された
画素位置から推定される空間位置と実際の空間位置との
偏差を基に空中三角測量を行うことで、所定の構造物を
いわば基準点として用いることができ、基準点として対
空標識を多数設置せずとも測量精度を向上させることが
できる。ここで姿勢・位置情報の補正とは、姿勢・位置
データを修正する場合に限らず、カメラの姿勢をコント
ロールする場合や、補正データを別途作成し、測量のた
めのデータ処理時に測量結果の補正用に使用する場合を
含む。

【０００９】また、画素検出手段手段の検出結果により
記憶手段の記憶内容を更新する更新手段をさらに備えて
いることが好ましい。これにより、照合に利用する３次
元データの追加、更新が容易になる。また、算出手段の
算出結果による更新であるから、再度の検出可能性も高
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１１】図１は、本発明に係る航空機搭載撮像装置
１の構成を説明する図である。この装置１は、図１
（ａ）に示されるように、航空機等の飛翔体３の下部に
取り付けられ、飛翔体３の飛行中に上空から地表の画像
を取得するものである。飛翔体３は、図に示される固定
翼機に限られるものではなく、ヘリコプター等の回転翼
機や飛行船、気球等を含むものとする。

【００１２】図１（ｂ）は、撮像装置１の構成を示す図
である。図では、飛翔体３の通常の進行方向を左向きと
して示している。ここで、撮像部（カメラ）１０は、多
数の画素を１次元に配列して構成されたラインセンサ１
０Ｂ、１０Ｆ、１０Ｎを飛翔体３の通常の進行方向に対
して直交させる形で平行に配列し、かつ、それぞれの視
線がクロスするように配置している。この結果、ライン
センサ１０Ｆは飛翔体３の前寄りの下方を、ラインセン
サ１０Ｎは飛翔体３の直下の、ラインセンサ１０Ｂは飛
翔体３の後ろ寄り下方の画像をそれぞれ取得することに
なる。

【００１３】カメラ１０はカメラ１０の姿勢（向き）を
検出するジャイロ１１とともにその姿勢変動を抑制する
スタビライザ１２内に配置されている。また、飛翔体３
の位置、ひいてはカメラ１０の位置を検出するため、慣
性航法（ＩＮＳ：Inertial Navigation System）装置１
５と、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星かか
らの信号を受信するアンテナ１７とこれに接続されたＧ
ＰＳ受信機１６とが装備されている。撮像装置１全体を
制御する制御装置１３には、カメラ１０で取得した画像
について所定の画像処理を行う画像処理部１３１と、Ｉ
ＮＳ装置１５とＧＰＳ受信機１６、ジャイロ１１の出力
を基にしてカメラの位置・姿勢を判定する位置・姿勢判
定部１３２と、カメラの姿勢制御を行う姿勢制御部１３
３、カメラの位置・姿勢と取得した１次元画像群を対応
づけて記録データを生成する記録データ作成部１３４と
を含む。記録装置１４には、記録データ作成部１３４で
作成したデータを記録するための記録手段１４１と、画
像処理部１３１が利用する所定のデータを格納している
記憶手段１４２とを有している。ここで、記録手段１４
１と、記憶手段１４２とは同一の記録装置（例えばハー
ドディスク）であってもよい。なお、記録手段１４１、
記憶手段１４２は記憶媒体が装置から着脱可能な光磁気
ディスク等であってもよい。また、記録手段１４１は書
き込み可能な記録媒体である必要があるが、記憶手段１
４２は必ずしも書き込み消去可能な記録媒体である必要
はなく、読み取り専用の記録媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ
やＤＶＤ−ＲＯＭ等であってもよい。

【００１４】図２は地表の対象物４をカメラ１０で上空
から撮像したときのカメラ１０と対象物４との位置関係
を説明する図である。対象物４の任意の点Ｐは、カメラ
１０の３つのラインセンサ１０Ｆ、Ｂ、Ｎで同時にその
像が取得されるわけでなく、飛翔体３（図２では省略）
が図の右側から左側に向かって移動しているとすると、
まず、飛翔体３が対象物４の上空に近づいてきたがまだ
直上には達していない段階で、前向きに配置されている
ラインセンサ１０Ｆが点Ｐの画像を取得する。そして、
飛翔体３が対象物４の直上に達した時点で、下向きに配
置されているラインセンサ１０Ｎが点Ｐの画像を取得す
る。そして、飛翔体３が対象物４の上空を通過して、離
れていく段階で、後ろ向きに配置されているラインセン
サ１０Ｂが点Ｐの画像を取得することになる。

【００１５】図３はこのようにして取得した画像群から
被写体の空間位置情報を算出する原理を説明する図であ
る。ここで、座標系としては地上座標系を用い、被写体
Ｐの空間位置を座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表す。各ラインセ
ンサ１０Ｂ、Ｎ、Ｆで取得した画像中の被写体位置、つ
まり像点をｐ_B（Ｘ_PB，Ｙ_PB，Ｚ_PB）、ｐ_N（Ｘ_PN，
Ｙ _PN，Ｚ_PN）、ｐ_F（Ｘ_PF，Ｙ_PF，Ｚ_PF）とする。ま
た、このときの各ラインセンサ１０Ｂ、Ｎ、Ｆの投影中
心をそれぞれＯ_B（Ｘ_OB，Ｙ_OB，Ｚ_OB）、Ｏ_N（Ｘ_ON，Ｙ
_ON，Ｚ_ON）、Ｏ_F（Ｘ_OF，Ｙ_OF，Ｚ_OF）とする。ここ
で、図３に示されるように、被写体Ｐと像点ｐ、投影中
心Ｏは一直線上に並ぶから、次式が成立する。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、ラインセンサ１０Ｂ、Ｎ、Ｆの投
影中心Ｏ_B、Ｏ_N、Ｏ_Fと像点ｐ_B、ｐ_N、ｐ_Fの空間座標位
置はカメラの姿勢・位置情報から既知であるから対応す
る投影中心と像点を結ぶ直線を延長して交差する点が被
写体Ｐの位置である。実際の計算では測定誤差等により
３本の直線が交差しないことがありうる。その場合に
は、例えば最小２乗法を用いてこれら３本の直線との距
離が最も小さい点を被写体の位置Ｐとすればよい。

【００１８】ところが、カメラの位置・姿勢情報には誤
差が存在することから、このようにして求めた被写体の
位置Ｐ（以下、計算で求めた位置をＰｃで表す）は、本
来の対象物の位置Ｐからずれてしまう。図４はこのずれ
を説明する図である。対象物４の頂部の被写体となる点
Ｐの像は、実際にはｐ_f、ｐ_n位置で取得される。しか
し、この時のカメラの位置・姿勢情報に誤差があり、像
点の位置はｐ_n’、ｐ_f’であると誤り、視線方向も実際
とは異なる方向として空間位置Ｐｃを求めた場合、Ｐｃ
は本来の位置Ｐからずれる。特に飛翔体３の高度を高く
とると、カメラの姿勢のずれ（つまり視線方向のずれ）
は、カメラの位置のずれに比して算出される位置情報の
ずれに大きく影響する。

【００１９】このような位置情報のずれ、つまり誤差を
軽減して高精度の測量を行うため、空間位置情報が予め
既知である基準点を複数個配置し、計算により求めた空
間位置Ｐｃと既知の空間位置Ｐとの偏差を基にして、誤
差修正を行うのが空中三角測量と呼ばれている手法であ
る。

【００２０】本発明は、地表の所定の構造物を空中三角
測量の基準点として用いるものであり、以下にその具体
的な動作について説明する。ここで、構造物とは家屋、
建造物に限られるものではなく、立体的で人為的な構造
物一般を指し、屋外に設置された大規模なオブジェ等も
含む。図５はその処理を示すフローチャートである。こ
の処理は、航空機搭載撮像装置１の撮像処理と平行して
制御装置１３により実行されるものである。また、図６
は、航空機搭載撮像装置１による建造物５の撮像を説明
する図であり、図７は、これにより得られた画像を説明
する図である。

【００２１】まず、ステップＳ１では、画像処理部１３
１がパターン認識により取得したライン画像中から構造
物を検出する。ここで、図６に示されるように建造物５
をラインセンサ１０Ｆ、１０Ｎ、１０Ｂにより撮像する
場合、そのそれぞれの取得画像は図７に示されるように
なると予想される。すなわち、前方カメラ１０Ｆでは、
構造物５の屋根５_rと手前側の壁５_sの像が斜め上方から
取得される。また、下向カメラ１０Ｎでは、構造物５の
屋根５_rのみの像が真上から取得される。さらに、後方
カメラ１０Ｂでは、構造物の屋根５_rと奥側の壁５_n1、
_n2の像が斜め上方から取得されることになる。そこで、
画像処理部１３１は、記憶手段１４２内に格納されてい
る構造物５の３Ｄ（３次元）形状、位置データと、位置
・姿勢判定部１３２から得られるカメラ１０の位置・姿
勢データとから、ライン画像群における構造物５の像の
形状、撮像される位置を推定し、推定したパターンとの
合致判定により、実際に取得された像を検出する。

【００２２】そして、画像処理部１３１は、こうして検
出した構造物５の空間位置を図３の原理により算出す
る。次に、ステップＳ３では、画像処理部１３１は格納
されている構造物の空間位置情報と算出した空間位置と
の位置とを比較する。この位置ずれが閾値より大きい場
合には、構造物の検出を誤った可能性があると判定し、
構造物を基準としたカメラの姿勢・位置情報の較正を行
わずにそのまま処理を終了する。

【００２３】一方、位置ずれが閾値以下であった場合に
は、ステップＳ４へと移行して位置・姿勢判定部１３２
がこの位置ずれが最小となるようカメラの姿勢・位置情
報を更新する。そして、必要ならば姿勢制御部１３３に
指示して、スタビライザ１２によってカメラの姿勢を制
御する（ステップＳ５）。

【００２４】このように地表に多数存在する構造物を基
準点として用いることで、対空標識を多数用いることな
く多数の基準点を用いた空中三角測量を行うことがで
き、測量精度を向上させることができる。

【００２５】なお、ここでは、ステップＳ２で構造物の
空間位置を算出し、求めた空間位置と格納されている空
間位置との偏差を基にしてカメラ１０の位置・姿勢情報
を較正する例を説明したが、予想される撮像位置（画素
位置）と実際の像の位置（画素位置）との偏差を基にし
てカメラ１０の位置・姿勢情報を較正することもでき
る。この場合には、各ライン画像で画素点の対応を採る
必要がなく、処理がより容易となる。

【００２６】以上の説明では、航空機搭載撮像装置にお
いて処理を行う例を説明してきたが、撮像装置で取得し
たカメラの姿勢・位置情報を含む画像データを処理する
際に空中三角測量を行うこともまた可能である。図８は
この航空撮像データ処理装置２の構成を示す図である。
この装置は、パーソナルコンピュータやワークステーシ
ョン等からなる計算機２０とモニタ２３、入力装置であ
るキーボード２４、マウス２５を備えており、計算機２
０には、内蔵の記憶装置であるハードディスク２２と、
ＣＰＵ、メモリから構成される演算部２１を有する。演
算部２１は、画像処理部２１１と位置姿勢情報補正部２
１２とを含む。これら画像処理部２１１、位置姿勢情報
補正部２１２はハードウェア的に構成されていても、ソ
フトウェア的に構成されていてもいずれでもよい。

【００２７】このデータ処理装置２は、図１（ｂ）に示
される様な航空機搭載撮像装置１の撮像データを処理す
る装置であるが、従来の航空機搭載撮像装置で取得した
撮像データについても処理可能であることはいうまでも
ない。

【００２８】このデータ処理装置２の動作は図５の動作
からカメラの姿勢制御を取り除いた制御に相当するた
め、その詳細な説明は省略する。このように後処理を行
う場合でも本発明によれば空中三角測量の精度を向上さ
せて、測量精度を向上させることが可能である。

【００２９】以上の説明では、構造物の３Ｄデータを予
め記憶手段１４２またはハードディスク２２に記憶して
おく例について説明してきた。この構造物の３Ｄデータ
は地表における測量データから作成してもよいが、ライ
ン画像群から作成することも可能である。図９はその作
成処理を示すフローチャートである。以下、図８に示さ
れるデータ処理装置２で処理を行う場合について説明す
る。以下、特に断らない限り、その処理は画像処理部２
１１によって実施されるものである。

【００３０】ステップＳ１１では、ライン画像群から構
造物を構成していると考えられる構成部分を抽出する。
この抽出は、代表的な構造物の構成部分（屋根や壁、窓
等）を画像群中からパターン認識によって抽出するか、
コントラスト、明度の異なる領域を抽出することによっ
て行われる。また、これらのパターンの連結状態、複数
のラインカメラでの対応する像の形状の違いから構造物
か地表の模様かを判定することが可能である。

【００３１】ステップＳ１２では、こうして抽出した構
成部分それぞれの空間位置を検出する。そして、ステッ
プＳ１３で検出した空間位置を基にして構造物の３Ｄデ
ータを作成し、ステップＳ１４で作成した３Ｄデータを
ハードディスク２２に書き込む。

【００３２】このように航空撮像データを基にして構造
物の３Ｄデータを作成した場合、撮像およびパターン認
識が容易な構造物の３Ｄデータを多数取得することがで
きるので、その後基準点として使用する場合にも、認識
が容易で、空中三角測量も容易に行うことが可能であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、構
造物を空中三角測量における基準点として用いることが
できるので、空中三角測量の精度を向上させ、ひいては
測量精度を向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る航空機搭載撮像装置の概略構成図
である。

【図２】図１の装置における地表画像の取得の様子を説
明する図である。

【図３】図１の装置における空間位置座標の測定原理を
説明する図である。

【図４】姿勢・位置情報の誤差が測量結果に及ぼす影響
を説明する図である。

【図５】本発明に係る航空撮像データ処理装置における
姿勢・位置情報の補正処理を示すフローチャートであ
る。

【図６】航空機搭載撮像装置１による建造物５の撮像を
説明する図である。

【図７】図６で得られた画像を説明する図である

【図８】本発明に係る航空撮像データ処理装置を示す概
略構成図である。

【図９】航空撮像データからの３Ｄデータ作成を説明す
るフローチャートである。

【符号の説明】

１…航空機搭載撮像装置、２…航空撮像データ処理装
置、３…飛翔体、４…対象物、５…構造物、１０…カメ
ラ、１１…ジャイロ、１２…スタビライザ、１３…制御
装置、１４…記録装置、１５…ＩＮＳ装置、１６…ＧＰ
Ｓ受信機、１７…アンテナ、２０…計算機、２１…演算
部、２２…ハードディスク、２３…モニタ、２４…キー
ボード、２５…マウス、１３１…画像処理部、１３２…
位置・姿勢判定部、１３３…姿勢制御部、１３４…デー
タ作成部、１４１…記録手段、１４２…記憶手段、２１
１…画像処理部、２１２…位置・姿勢情報補正部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 航空機に搭載されて地表画像を１次元画
   像として撮像するラインセンサ複数個をそれぞれの視線
   を異ならせて配置して構成したカメラと、該カメラの撮
   像時の姿勢データを取得する姿勢計測装置と、該カメラ
   の撮像時の３次元位置情報を取得する位置情報取得装置
   と、取得した１次元画像群と撮像時の姿勢・位置情報を
   組にしてデジタルデータとして記録する記録装置と、を
   備える航空機搭載撮像装置において、 所定の構造物の３次元データが蓄積記憶されている記憶
   手段と、 取得した１次元画像群から前記所定の構造物を撮像した
   画素を検出する画素検出手段と、 前記記憶手段に記憶されている構造物の３次元データと
   前記画素検出手段で検出した画素の画素位置との対応関
   係から撮像時のカメラの姿勢・位置情報の誤差を検出す
   る誤差検出手段と、 前記誤差検出手段の検出結果に基づいてカメラの姿勢・
   位置情報を補正する補正手段と、 をさらに備えていることを特徴とする航空機搭載撮像装
   置。
2. 【請求項２】 前記補正手段は前記カメラの姿勢制御を
   行うことを特徴とする請求項１記載の航空機搭載撮像装
   置。
3. 【請求項３】 前記画素検出手段の検出結果により前記
   記憶手段の記憶内容を更新する更新手段をさらに備えて
   いる請求項１または２のいずれかに記載の航空機搭載撮
   像装置。
4. 【請求項４】 航空機に搭載されて地表画像を１次元画
   像として撮像するラインセンサ複数個をそれぞれの視線
   を異ならせて配置して構成したカメラと、該カメラの撮
   像時の姿勢データを取得する姿勢計測装置と、該カメラ
   の撮像時の３次元位置情報を取得する位置情報取得装置
   と、取得した１次元画像群と撮像時の姿勢・位置情報を
   組にしてデジタルデータとして記録する記録装置と、を
   備える航空機搭載撮像装置で取得したデジタルデータを
   処理する航空撮像データ処理装置において、 所定の構造物の３次元データが蓄積記憶されている記憶
   手段と、 取得した１次元画像群から前記所定の構造物を撮像した
   画素を検出する画素検出手段と、 前記記憶手段に記憶されている３次元データとこれに対
   応する前記画素検出手段で検出した画素の画素位置との
   対応関係から撮像時のカメラの姿勢・位置情報の誤差を
   検出する誤差検出手段と、 前記誤差検出手段の検出結果に基づいてカメラの姿勢・
   位置情報を補正する補正手段と、 を備えていることを特徴とする航空撮像データ処理装
   置。
5. 【請求項５】 前記画素検出手段の検出結果により前記
   記憶手段の記憶内容を更新する更新手段をさらに備えて
   いる請求項４記載の航空撮像データ処理装置。