JP2005148790A - 水上水中物体の監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 多数の水上水中物体の位置、種別、数を衛星画像または航空写真を利用して、その異動を容易に監視する。
【解決手段】 高空から撮影した水上水中物体の画像を用い、予め登録された水上水中物体の存在される水域に対して、水上水中物体の状態パラメータ(種別、位置、数)の異動を認識することにより、水上水中物体の監視と管理を行う。水上水中物体の画像を取得する際に、太陽光による画像への擾乱を避けるため、水上水中物体に対する撮影姿勢を太陽光入射角の関数として管制する。さらに、水上水中物体の位置を決定するために補正を水流による位置変化を補正して行う。水上水中物体の種別、位置識別には予め登録された水上水中物体の形状情報により最尤の判定を行う。
【選択図】 図2
【解決手段】 高空から撮影した水上水中物体の画像を用い、予め登録された水上水中物体の存在される水域に対して、水上水中物体の状態パラメータ(種別、位置、数)の異動を認識することにより、水上水中物体の監視と管理を行う。水上水中物体の画像を取得する際に、太陽光による画像への擾乱を避けるため、水上水中物体に対する撮影姿勢を太陽光入射角の関数として管制する。さらに、水上水中物体の位置を決定するために補正を水流による位置変化を補正して行う。水上水中物体の種別、位置識別には予め登録された水上水中物体の形状情報により最尤の判定を行う。
【選択図】 図2
Description
本発明は、水上物体および水中物体の監視を行う装置に関し、特に、水中の固定点との間において索により連結され、浮上部の位置が移動し変化しうる水上に設置された浮遊体又は水中の固定点で水底に固定された水上物体又は水中の固定点で水底に固定された水中物体(以下、「水上水中物体」と称する)の種別、数、位置、沈下量、水上水中物体に対する付着物の量等の状態パラメータの変化を監視する技術に関する。
従来、水上水中物体の状態を監視する技術としては、例えば、下記特許文献1及び特許文献2に記載されている。特許文献1に記載の技術は、例えば魚介類栽培用の水上水中物体を持ち上げた場合、あるいは水中への吊り下げ部分が切断されて張力が変化した場合に、その状態変化を水上水中物体に設置されたセンサーにより変化を検知して通報することにより盗難を予防する装置であり、検知信号と水上水中物体のアドレスコードを無線により監視装置に伝送するものである。
また、特許文献2に記載の技術は、主として海上の船舶を対象としており、GPS受信機を搭載した船舶からその位置信号を観測衛星に対して送信し、観測衛星において撮影した画像と各船舶から受信した位置信号とを、観測衛星が地上の監視装置に送信する技術である。地上の監視装置では、衛星画像に撮影されている船舶と送信されてきた各船舶の位置信号とを照合し、位置信号を送信してこなかった船舶が衛星画像上に検出された場合、これを警報対象とする。
特開平8-235454号公報(魚介類盗難予防装置)
特開平9-35200号公報(移動体監視システム)
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術は、水上水中物体を監視するために、それぞれの水上水中物体に対して個々に測定器を設置する必要があり、また水上水中物体のアドレスコードによる識別は可能であるものの位置の特定が難しい。従って、広域に亘って、水上水中物体の位置分布状況の監視を行うためには、位置の特定のためのセンサーも追加して設ける必要がある。さらに、広範な範囲に設置された水上水中物体からの信号を全て集約して集中監視を行う装置を設けることに関してもコスト上の問題がある。加えて、監視装置を自発的に水上水中に設置しない限り監視の対象とはならないため、監視されることが水上水中物体の所有者の利益とならない場合には、この技術を用いることができないという問題点もある。
また、上記特許文献2に記載の技術は、衛星画像により船舶の存在と位置とを画像で把握すると同時に、船舶に搭載されたGPSにより計測された船舶の位置情報を観測衛星経由で地上の監視装置に伝送させて比較照合する技術を開示するものであり、位置を報告しない船舶を発見することを主目的とするものである。この技術は、広範な公海上を対象としており、限られた沿岸での密接する大量の、かつ、移動手段が曳航または潮流等に限定された水上水中物体の位置監視を行うため用いようとする場合には、しばしば1000個以上の大量となり、かつ大きさが10mから5m以下の水上水中物体に設置するにしては装置が大規模すぎること、さらに密接する水上水中物体には位置分解能の点でGPS信号による識別が難しいという問題点がある。
本発明の目的は、予め決められた水上領域に近接して設置される水上水中物体のそれぞれに特別の装置を設置することなく、また、水上水中物体と地上監視装置との間に通信手段などを設けることなく、水上水中物体の種別、数、配置、沈下量、該水上水中物体に対するの量およびそれらの変化を、低コストで監視し報告することができる技術を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、分解能が高い衛星画像または航空写真を利用して水上水中物体の個別映像を認識し、事前に登録された設置範囲における設置場所付近の水上水中物体の個別識別を行い、その種別、数、位置水上水中物体の変化を認識し、水上水中物体の異動を把握報告する手段とを備えることを特徴とする。
さらに、本発明は、衛星画像または航空写真の利用に際して、太陽の反射光による画像への悪影響を避けるため撮像姿勢管制機能を有し、また水上水中物体の設置位置を把握するために水上水中物体が同一標高面上に存在し、かつ水陸境界線も同一標高面に存在する性質を利用して、地表の標高分布を求めることなしに高精度に水上水中物体位置を確定し、水上水中物体の異動を把握する。
さらに、本発明は、水上水中物体が索により相互連結され水中ないし水底ないし水上の固定点に固定されている場合には、水流等による位置変化と方向の変化を除去し、予め登録された水上水中物体の形状と比較認識し、水上水中物体の種別、水上水中物体に対する付着物の量を認識する。また、事前に規定された水上水中物体設置場所に対する水上水中物体の異動を把握する。
さらに、本発明は、周期パターンを有する標識を水面に一定の角度を持たせて設置することにより該水上水中物体の水面に対する沈下状態を衛星画像または航空写真のみから測定可能とすることを特徴とする。
以上、説明したように、本発明によれば、水上水中物体の衛星画像または航空写真を用いて、水流による位置変化を補正し、画像撮影点および地形による画像歪による位置誤差の補正を行い、また予め登録されている水上水中物体の種類別形状との最尤度比較により個別の水上水中物体の種別と位置を正確に標定する為、水上水中物体の前回画像撮影時点からの設置の異動を正確に求めることが出来る。本発明によれば、水上水中物体には何ら識別信号発信機または位置報告信号発信機を設置する必要はなく、専ら衛星画像または航空写真にのみに拠って水上水中物体の種別、位置、数の異動を認識し管理することが出来る。また、本発明によれば、水上水中物体の個別の位置が画像として、水流による位置変化と、画像撮影点および地形による画像歪を補正した状態で正確に得られるので、撮影時期の異なる画像を計算機により画像処理で比較することにより、容易に個別の水上水中物体の設置状態を把握し比較が行える。
水上水中物体とは、水上または水中の固定点に索により連結され、浮上部の位置が移動し変化しうる水上に設置された浮遊体あるいは水中の固定点で水底に固定された水上物体あるいは水中の固定点で水底に固定された水中物体(以下、「水上水中物体」と称する。)である。
固定点とは、水上又は水中においても、ほとんど移動せずに水上水中物体を保持するための基点である。
水中の索とは、固定点と水上水中物体とを連結する連結体であり、例えば線状の連結体により、固定点との間である程度の移動に関する自由度を持たせつつ、水上水中物体を保持するものである。
インターフェイス手段とは、画像情報に基づいて画像を表示する表示手段と、情報を入力する情報入力手段と、情報を出力する情報出力手段と、外部との情報のやり取りを行う通信手段であって、監視した状況を外部に報告するための通信も行う通信手段と、のうちから選択される一部又は全てを含む。
状態パラメータとは、水上水中物体の種別、数、配置、沈下量、該水上水中物体に対する付着物の量など、水上水中物体の状態を示すパラメータである。
本発明に係る水上物体又は水中物体などの水上水中物体(浮遊物)の監視システムは、軌道衛星などにより高空から撮影された水上水中物体の画像に基づいて、水上水中物体の異動を精度良く監視することができるシステムである。軌道衛星から撮影された水上水中物体の画像に基づいて、水上水中物体の異動を精度良く監視するためには、衛星軌道、衛星姿勢による歪みを除去し、太陽光線の影響も低減させることが必要となり、これにより、水上水中物体の経度緯度を正確に管理することができる。
以下、本発明の第1の実施の形態による水上物体および水中物体の監視装置について図面を参照して具体的に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態による水上水中物体の監視システムの構成例を示す図である。図1に示すように、本実施の形態による水上水中物体の監視システムにおいては、水面12上またはその直下に浮遊する水上水中物体11の画像を高空より、例えば観測衛星10により撮影し、地上局9へダウンリンクデータ14として伝送する。
尚、水上水中物体は、例えば図23(a)から(c)までのいずれかに示される構造を有している。図23(a)は、水上浮遊体30が、索29により連接され、水面12に浮遊し、杭128を介して水底127の固定点26において固定されている構成を示す図である。図23(b)は、水底127の固定点26において杭128で支持された水上物体129を示す図である。図23(c)は、水底127の固定点26において杭128で支持された水中物体130を示す。尚、固定点は、完全に固定されている場合の他に、ある点を基準に多少移動できるように構成されていても良い。
図1に示したように、このような水上水中物体11を撮影するための地上局9からの撮影指令は、例えば、地上局9から観測衛星10に対してアップリンクデータ13として伝送される。入力装置3は、例えば、パーソナルコンピュータ(以下、「PC」と称する。)のキーボードなどでもよく、入力装置3により、監視対象の水上水中物体11を含む監視すべき緯度経度範囲を入力することができる。この入力データは、中央処理装置1を経て衛星指揮装置7に撮影指令として伝えられる。地上局9は観測衛星10が水上水中物体11の上空に来たときに撮影を行うようにアップリンクデータ13を伝送する。
撮影された水上水中物体11の画像は、観測衛星10からダウンリンクデータ14により送られた後、水上水中物体監視装置の画像入力装置8を経由して中央処理装置1による処理を経て画像記憶装置5内に蓄積される。画像入力装置8は、インターネットによる通信回線からの入力を行うことができる装置でもよく、或いは、DVD読み込み装置などでもよい。衛星画像は、Tiff、Ntiff、あるいはJPEGなどの業界標準データ形式で記述されているのが好ましく、これらの読み込み等のインターフェイス処理は公知の方法で行うことができる。
画像入力装置8により読み込まれた画像は、撮影時期、撮影対象の位置(緯度経度)、衛星姿勢角情報などとともに画像記憶装置5内に蓄積される。この画像記憶装置5には、例えば、撮影時期の異なる衛星画像が、撮影時期、撮影対象緯度経度、衛星姿勢角情報と対応付けされて記憶されており、さらに、水上水中物体に関して画像に基づいて認識された情報、ユーザが入力装置3(図1)又は19(図2)より入力した情報から、監視、管理対象である水上水中物体の経時的変化を求めることが可能である。表示装置2は、パーソナルコンピュータ(以下「PC」)のCRT又は液晶表示装置を用いることができる。
次に、本発明の第2の実施の形態による水上水中物体の監視システムについて説明する。図2は、本実施の形態による水上水中物体の監視システムのシステム構成例を示す図である。
図2に示すシステムと、図1に示すシステムとの主要な相違点は、図2に示すシステムにおいては、通信装置が、例えばインターネットを経由する分散システムを構成した点である。図2に示すシステムでは、中央処理装置1及び画像記憶装置5は、衛星画像を集中管理するサーバであり、中央処理装置17、表示装置18、入力装置19、出力装置20、画像記憶装置21、通信装置16は、水上水中物体を監視するサイト毎に分散設置され、入力装置19からの衛星画像要求指令に基づき、対象となる地域に関する画像のみを画像記憶装置5より通信回線経由で伝送する。
次に、図1、図2に示すシステムに関する動作について説明する。本発明の第1又は第2の実施の形態による水上水中物体監視装置を用いて水上水中物体11を監視するためには、まず、入力装置3から、監視対象水面の緯度経度範囲を入力する。図10は、水上水中物体設置水域の例を示す平面図である。図10に示すような地図を表示装置18に表示させ、水域境界線52、53、54を表示して監視すべき水域を入力装置より選択することができる。或いは、図10の地図上において、入力装置3を利用して任意の水域境界線を入力してもよい。尚、符号55は海岸線を示す。
図10に示す地図は、画像記憶装置5又は21に記憶されており、監視対象水域が指定されたことにより、当該対象水域の衛星画像撮影指令を出す準備が整う。中央処理装置1から、衛星指揮装置7を経由し地上局9より観測衛星10に対して撮影指令を出す。衛星の軌道は、積極的に変えないことを前提としているため、撮影対象を決定すると、軌道に基づいて撮影時期と撮影時の衛星の姿勢とを決定することができる。
この撮影指令と撮影時期及び衛星の姿勢の決定にあたっては、撮影時に太陽の反射光が水面に反射しないように撮影時期と衛星姿勢とを制御するのが好ましい。
図14は、本実施の形態による制御アルゴリズムを示す図であり、図3(a)は、観測衛星10と太陽光の衛星への影響に関連する図である。図3(a)において、符号31は太陽入射光が実質的にS1の方向より来ることを示す。太陽入射光は、撮影地表範囲22の端Aにおいて反射し観測衛星10により撮像される。符号33は、太陽入射光がS2の方向より来ることを示し、撮影地表範囲22の反対側の端Bで反射し観測衛星10で撮像される。
図14の処理ブロック71において、まず、撮影対象領域を確定する。処理ブロック72において、画像分解能が劣化しないようにオフナディア角が例えば25度以下となる範囲に入る軌道部分を選択する。尚、オフナディア角とは撮影する場合に衛星の直下視からの姿勢のずれを角度で示したものであり、撮影対象地表が直下点より離れるにつれて大きくなる。軌道が定まれば、軌道上での観測衛星10の通過時刻が定まる。通過時刻が定まれば、太陽光の観測衛星10への入射方向が定まる。
処理ブロック73においては、図3(a)において、地表22の範囲内で太陽光が反射して衛星に入射する時刻を求める。処理ブロック72で求めた時刻から処理ブロック73で求めた時刻を除外した時間内に撮影を行うように、衛星指揮装置7より地上局9を介して観測衛星10に指令を出す。
次に、図3(b)および図3(c)を参照して、太陽光線に対する衛星の撮影方向の許容範囲の算出方法について述べる。ここで、3次元空間の点Oは、地球の中心142で座標系の原点である。衛星位置137は3次元ベクトルSで示される。地球表面134上の撮影個所の中心Cはベクトルrで示される。Pは、衛星光軸136を示すベクトルである。符号135は、地球表面134における衛星が撮影する画像範囲(衛星視野)を示す。衛星光軸136と地球表面134とは、地球表面交点138である点Cにおいて交わる。衛星視野135は、地球表面134上のCで地球表面134に接する平面である。3次元ベクトルQは反射光方向144であり、この方向から太陽光線が入射すると水面で反射して衛星光軸136に一致し、衛星画像の中央が太陽反射光で損なわれる。
3次元ベクトルLは太陽方向143を表す。以上の関係を数式化すると下記(1)、(2)となる。
衛星画像撮影範囲を衛星光軸136に対してγ の角度をなす範囲とし、δは水面の波浪によって太陽光の反射角度が拡散する効果に対応するものであり、波浪状態に依存する。また、撮影画像の分解能と歪とを許容限度以下に保つため、オフナディア角を25°以下とすれば、下記(4)を満足する必要がある。
以上の(2)〜(4)式までを満足する条件が撮影可能な条件である。
衛星が撮影した画像は衛星姿勢、衛星位置と地表の相対位置関係、地表の形状により無限遠点から鉛直平行光線で投射した画像に比較して歪を生じる。そこで、水上水中物体およびその監視の特徴を最大限に利用して効率的に歪を除去する方法について以下に説明する。
衛星が撮影した画像は衛星姿勢、衛星位置と地表の相対位置関係、地表の形状により無限遠点から鉛直平行光線で投射した画像に比較して歪を生じる。そこで、水上水中物体およびその監視の特徴を最大限に利用して効率的に歪を除去する方法について以下に説明する。
図4は、撮影時の地表と衛星との位置関係を示す図である。撮影地表範囲22内に陸地表面24とジオイド面23とが存在する。水上水中物体は、それ自体高さがほとんど無く、海面に存在すればジオイド面23上に存在すると考えてよい。尚、内陸部の水面であれば、ジオイド面に一定標高を加えた面と考えることができる。
図15は、水上水中物体位置計算アルゴリズムにおける衛星による撮影画像から、水上水中物体の正確な位置を計算するための原理を示す相互関連図である。地表面は標高ゼロの海面の場合、ジオイド面に接する球面で近似される。これを近似ジオイド面(E面)76と称する。近似ジオイド面(E面)76は、撮影により衛星内の撮像面(S面)75に投射される。撮像光軸84は撮像面(S面)75に点I0で撮像面と撮像光軸の交点78で直交する。撮像光軸84は衛星の軌道と姿勢により定まる。図15における点S0は撮影光軸焦点89であり、近似ジオイド面(E面)上の点xは投影軸86により、撮像面(S面)75上の点yに投影される。
近似ジオイド面(E面)上の点xはオルソ面(M面)77に投影された場合、位置的歪の無い像となる。点X0は近似ジオイド面の中心に直交するオルソ投影光軸85の足であり、点J0でオルソ投影光軸85とオルソ面(M面)77が直交する。点R0は近似ジオイド面(E面)76と点X0で接する近似球面の中心点である。近似ジオイド面(E面)76上の点xは投影軸87によりオルソ面(M面)77上の点zに投影される。これらの変数は3次元ベクトルであり、下記の(5)から(11)の関係が成り立つ。
点xは、点R0を中心とする半径Rの球面上にあるから、
点xは、点R0を中心とする半径Rの球面上にあるから、
撮像面(S面)75上の点yにおけるピクセル値P(y)が与えられたとき、上記の式(5)から(10)を満足するM面上のピクセル値ベクトルQ(z)を求めることが出来る。このM面上のピクセル値Q(z)は近似ジオイド面(E面)76上に対して衛星軌道、衛星姿勢による歪を除去した画像となる。
図16は、上記M面上のピクセル値Q(z)の性質を利用して水上水中物体に関する歪のない画像を得るためのアルゴリズムを示す図である。処理ブロック90において撮像光軸84を定め、処理ブロック91、92において、撮像面(S面)75上の総ての座標 に対してピクセル値P(y)から近似ジオイド面(E面)76を介してM面上のピクセル値Q(z)を求める。処理ブロック93において、M面上の点zが図4において水陸境界線25の陸側に存在するときには、計算したM面上のピクセル値を結果画像として採用しない。これにより、不正確な位置情報を排除することができる。以上の処理により、水上水中物体の位置較正済み画像が得られる。図7は、上記のようにして得られた水上水中物体の集合体について強調処理を施した衛星画像の例を示す図である。衛星画像の処理方法は、まず微分演算系の輪郭強調フィルター(Sobelフィルターなど)を施し、次にヒストグラムを計算し、濃淡分布がフルスケールとなるようにする。さらに、必要に応じて平滑化処理又は微分演算フィルター処理を行い、輪郭を強調する。
図8は、水上水中物体の集合体に関して強調処理を施したもう一つの衛星画像の例である。図8に示す画像の場合には、さらに、画像を閾値により2値化する。2値化した画像は一般に、微小な点状の白黒のノイズを含む。そこで、2値化画像の膨張と細線化とを繰り返し、水上水中物体の輪郭を抽出する。
図19(c)は、図7の強調画像より抽出した輪郭線画像である。図19(c)の画像に対して、ラベリング処理を行うことにより個別の図形を識別し、認識番号を振ることが出来る。認識番号を付した個別図形に対して、例えば長方形の長辺、短辺のように、特徴量を種別毎に予め登録されている水上水中物体の数値と比較し、比較の結果、差異が一定の偏差範囲であればその種別として確定する。既に抽出された輪郭図形毎に認識番号が付されているため、ここで求めた種別により、種別毎の数量、各水上水中物体の位置を確定することが出来る。
図24は、付着物の量が異なる水上水中物体の例を示す。図25はその一部を拡大した図である。図25に示すように、水上水中物体への付着物の量により画像の濃度が異なることを利用し、例えば予め10%、50%、100%の付着量に対応した画像の基準濃度を求めておき、測定対象の水上水中物体の濃度を基準濃度と比較し、内挿および外挿などの演算処理により水上水中物体への付着物量を推定することができる。
また、本実施の形態によるシステムを用いると、例えば、水上水中物体の各種別毎の基準形状と、水上水中物体に対する付着物の量の度合いと、に関する複数の代表的な数値に該当する画像を、表示画面上に表示されている単数又は複数の該水上水中物体を指定する指定手段を設けることにより、得られた水上水中物体の位置較正済み画像から、水上水中物体種別識別用標準画像と特徴パラメータとを得ることが可能である。図9は水上水中物体の集合体に関して強調された衛星画像と水上水中物体との種別設定用表示枠の例を示す図である。
図17は、水上水中物体種別識別用の標準水上水中物体取込処理のアルゴリズムを示すフローチャート図である。図17に示すように、処理ブロック95において図9に示すような水上水中物体存在水域の位置較正済画像を表示装置2に表示する。処理ブロック96において、カーソルを表示装置2(図1)または18(図2)に表示し、処理ブロック97において、入力装置3(図2)又は19(図2)からの操作により、標準的な水上水中物体の画像にカーソルを移動し、取込キー操作によりカーソルに囲まれる画像を中央処理装置1(図1)又は17(図2)に取り込む。
図9における符号49、50、51は、水上水中物体標準形指定カーソルを示す。水上水中物体は、一般に長方形又は正方形の形状を有しているため、処理ブロック98において、水上水中物体の向きをカーソル中水上水中物体各辺がカーソル枠に平行となるように移動及び回転させる。処理ブロック99において、水上水中物体の長辺および短辺の長さを計測する。さらに、水上水中物体の長方形又は正方形の内部が水面であるか或いは水上構造物で被覆されているかなどの特徴情報を抽出する。
処理ブロック100において、処理ブロック99で抽出した情報と、カーソル内画像に水上水中物体種別認識番号を付して画像記憶装置5(図1)又は21(図2)に記憶する。さらに上記実施例の変形例について図25を参照して説明する。図25に示すように、水上水中物体の付着物量により濃度が異なって撮影されている代表的水上水中物体を、表示装置画面上でカーソルにより指定し、対応する付着物量を実地で測定する等して入力装置よりカーソルで指定した水上水中物体と対応させて記憶させる。図25において、標準画面指定カーソル131、標準画面指定カーソル132、標準画面指定カーソル133、の各々に対応して水中付着物量を10%、50%、100%などと入力する。以上に説明した処理結果を用いて、水上水中物体管理情報を画像より抽出し管理する。
図18は、水上水中物体認識管理処理のアルゴリズムを示すフローチャート図である。図18に示すように、処理ブロック101において画像記憶装置5に記憶されている水上水中物体存在水域における位置較正済画像を中央演算装置1または17に読み出す。監視対象水域は、図10において水域境界線52、53、54のように示され、処理ブロック102において、全ての監視対象水域に対して順次処理を行う。処理ブロック103において、水域境界線52、53、54の境界線座標を、中央演算装置1(図1)又は17(図2)に読み出す。処理ブロック104で、監視水域内画像に対してエッジ強調による輪郭抽出を行った後、2値化する。
図19(a)は、2値化処理後の画像例を示す図である。この図に示すように、2値化後の画像は、一般に画像ノイズを含んだ画像となる。図19(b)は、図19(a)に示される画像について膨張と細線化とを繰り返して水上水中物体集合体を連結した画像である。図19(b)に示される画像を細線化することにより、図19(d)に示す弧状の形状を得ることができ、水上水中物体集合体を連結する索成分を抽出することができる。図19(d)に示すように水上水中物体集合体が湾曲して配置されているのは、水流および風により索が流された結果であり、図19(d)のA、Bに示す索の基準位置は、索基準位置端点112を結んだ線分ABである。索基準位置は、図11に示す水上水中物体設置水域における水上水中物体集合体の表示例で示す、水域境界線52の内部に水上水中物体集合体No.1アドレス56、水上水中物体集合体No.2アドレス57、水上水中物体集合体No.nアドレス58のように示される。
図19(d)に示す総ての索成分に対してラベリング処理を行い、識別番号を付す。処理ブロック105においては、処理ブロック104のラベリング処理で識別番号を付した図19(d)において例示する総ての索成分について順次処理を行う。処理ブロック106において、図10の水上水中物体設置水域画像の端点の緯度経度が確定しており、かつその内部の画像は近似ジオイド面(E面)76に対して位置が較正されているため、図10の画像または水域境界線52、53、54に対して、図19(d)で求めた索成分の両端の索基準位置端点112の相対位置が定まれば、該索基準位置端点112の緯度経度を求めることが出来る。
図20に示す水上水中物体集合体管理表は、水域認識番号欄66で示される水域毎にラベリングされた索成分に対する該識別番号を水上水中物体集合体認識番号欄67に記憶し、その両端点の緯度経度情報を表形式にしてそれぞれ索基準位置端点1緯度欄114、索基準位置端点1経度欄115、索基準位置端点2緯度欄116、索基準位置端点2経度欄117に記憶して管理するものである。
処理ブロック107においては、図19(b)に示すように、索成分を索の幅方向に膨張させ水上水中物体の幅員を超える幅に広げ、水上水中物体の存在する範囲を包含するようにする。膨張させた範囲内に関して水上水中物体集合体の画像を輪郭抽出し2値化した後、膨張と細線化とを行って図19(c)のような水上水中物体集合体を抽出する。抽出した水上水中物体に対してラベリング処理を行い、各々の水上水中物体に識別Noを付す。水上水中物体集合体内の水上水中物体に対する識別Noの付し方は、図12において水上水中物体集合体の認識番号付与例に示すように、索64に沿って、水上水中物体No.1アドレス59、水上水中物体No.2アドレス60、水上水中物体No.3アドレス61、水上水中物体No.4アドレス62、水上水中物体No.5アドレス63というように水上水中物体認識番号が付される。
処理ブロック108は、処理ブロック107で求められた水上水中物体集合体に含まれる各水上水中物体について順次処理するものである。処理ブロック109は、水流又は風により水上水中物体の位置が移動することによる影響を除去し、水上水中物体の位置を正確に把握し異なる時点の状況の比較を容易にし、管理をし易くするための処理である。すなわち、処理ブロック107においては、図5において、水上水中物体1を示す351、水上水中物体2を示す361、水上水中物体3を示す371、水上水中物体4を示す381、水上水中物体5を示す391の画像が得られているが、これらの画像より、水上水中物体1中心点基準位置35、水上水中物体2中心点基準位置36、水上水中物体3中心点基準位置37、水上水中物体4中心点基準位置38、水上水中物体5中心点基準位置39を算出する。
索27の両端における固定点26、27を結んだ線分が索基準位置であり、この索基準位置と水上水中物体1中心点異動位置40、水上水中物体2中心点異動位置41、水上水中物体3中心点異動位置42、水上水中物体4中心点異動位置43、水上水中物体5中心点異動位置44との間の偏移である水上水中物体1偏移352、水上水中物体2偏移362、水上水中物体3偏移372、水上水中物体4偏移382、水上水中物体5偏移392を算出する。
この算出処理は、水上水中物体1中心点異動位置40から索基準位置である固定点26、27を結んだ線分に垂線を下ろし、その交点を水上水中物体1中心点基準位置35とすることにより求めることができる。以下、水上水中物体2を示す符号361、水上水中物体3を示す符号371、水上水中物体4を示す符号381、水上水中物体5を示す符号391、に対して同様の処理を行う。最後に符号351の水上水中物体1を水上水中物体1中心点基準位置35の回りで四辺が固定点26、27を結んだ線分が索基準位置に平行ないし直交するように回転させる。
この処理を符号391の水上水中物体5まで順次行う。処理ブロック110では図12に示す水上水中物体No.1アドレス59から水上水中物体No.5アドレス63である索上の水上水中物体標準配置位置に最も近い水上水中物体に水上水中物体認識番号を割り当て、図13に示す水上水中物体管理表の水上水中物体認識番号欄68に記載する。尚、水域認識番号欄66と、水上水中物体集合体認識番号欄67とは、図20において作成した当該情報を転記する。処理ブロック111は、図17に示す水上水中物体種別識別用の標準水上水中物体取込アルゴリズムにより求めた水上水中物体の長辺長と、短辺長と、その他の特徴情報を水上水中物体1から順次、各水上水中物体と比較して最類似の水上水中物体種別認識番号を図13の水上水中物体種別認識番号欄69に記載する。尚、所有者情報70は画像自体からは判別できないため、別途、入力装置3又は19を用いて水域認識番号66、水上水中物体集合体認識番号67、水上水中物体認識番号68、との対応により、手動又は記憶媒体から入力設定する。
水上水中物体が索29により連接されておらず、図23(b)又は図23(c)のように水底に固定されている場合には、索29が、水流、風により流され変形することはないため、以上に述べたアルゴリズムを簡略化し、索の変形が当初よりない場合として処理することにより対応できる。すなわち、図24に示すように、水上水中物体が行および列を構成する場合には、この行または列のそれぞれを水上水中物体集合体とすればよい。また、処理ブロック109において得られた索基準位置に水上水中物体を整列させた画像(以下、「水上水中物体整列画像」と称す。)を、画像記憶装置5又は21に記憶させておき、撮影時点の異なる水上水中物体整列画像を、表示位置をずらせて重畳表示することも出来る。水面を黒色表示し、撮影時期の異なる水上水中物体を異なった色で表示させることにより、水上水中物体の時系列的な変化を把握することができる。図22に、上記処理のアルゴリズムを示す。図22に示すように、まず、処理を開始し、ステップ122において、監視対象水域の緯度・経度範囲又は識別番号を入力装置より取り込む。ステップ123において、ステップ122で指定された水域の水上水中物体の位置較正済み画像を画像記憶装置より取り出して表示する。ステップ124において、ステップ122で指定された水域の「位置較正済み画像を、画像記憶装置より取り出し、ステップ123と異なる色で移動表示量だけステップ123とずらして表示する。ステップ125において、入力装置より移動表示量を取り込むか否かを判断する。取り込む場合には、移動表示量を更新し、ステップ124に戻る。入力装置より移動表示量を取り込まない場合には、そのまま処理を終了する。
さらに、処理ブロック125及び処理ブロック126により、入力装置3(図1)又は19(図3)より表示偏移量を例えばマウスの操作によって入力し、表示装置2(図1)又は18(図3)上で異なる時点の水上水中物体整列画像の表示を制御して比較するのに最適な偏移量を手動設定することが出来る。図6に示すように、異なる時点であって同一個所の索により連接され、固定点に係留された水上水中物体の集合体を並列表示し、水域の総ての水上水中物体の集合体について並列表示をすることができる。
また、総ての水上水中物体の画面上の位置と管理情報が、図13に示す水上水中物体管理表と図20に示す水上水中物体集合体管理表により把握されているため、表示画面上でカーソルを前回又は今回の水上水中物体に合わせ、異動を入力装置より入力すれば、図13の水上水中物体管理表における異動情報701を記入することが出来る。この異動情報には、水上水中物体の有無の変化、水上水中物体の種別の変化、水上水中物体の所有者の変化、設置許可の有無等が含まれる。尚、異動情報701は、画像処理により自動生成された前回及び今回の図13に示す水上水中物体管理表と図20に示す水上水中物体集合体管理表とを比較することにより自動生成することも出来る。
図13に示す水上水中物体管理表と図20に示す水上水中物体集合体管理表とを印字出力することにより、水上水中物体監視、管理情報として使用することも出来る。
また、図13に示す水上水中物体管理表における各水域毎、種別毎の水上水中物体数を集計すれば、水上水中物体管理数値が得られ、その時系列的変化を把握し管理することもできる。
さらに、水上水中物体の監視と管理のためには、水上水中物体の水面からの沈下量を衛星画像から計測することが有効である。沈下量を衛星画像から計測する手段としては、図21に示す沈下量計測棒の設置例で示す沈下度表示計118を水面に対して傾けて設置する。図21の上の図は沈下量計測棒118を上方より見た図であり、図21の下の図は側方より見た図である。図21に示すように、沈下量計測棒118の上面は沈下量計測棒黒色マーク部119と沈下量計測棒白色マーク部120とが交互に周期的に配置されている。
また、沈下量計測棒118は図21に示すように、水平長Lに対して高低差hだけ傾けて設置される。衛星画像はディジタル画像であるため、ピクセルで表現される。ピクセルサイズ(分解能)以下の地表情報は得られないため、上記のように沈下量計測棒118を傾斜させることにより、等価的分解能をh/Lにすることが出来る。
実用的には、沈下量計測棒白色マーク部120または沈下量計測棒黒色マーク部119のいずれかの水平距離をピクセルサイズ(分解能)の2倍以上に設定すれば、衛星画像では必ず濃淡の縞が撮影される。衛星画像の1ピクセル内に、沈下量計測棒の黒い部分と白い部分とが混在すると、ピクセル値は白と黒の中間の濃度となる。沈下量計測棒の黒い部分と白い部分とをそれぞれピクセル値として完全に捉えるとS/N比が最も良くなる。そのためには、ピクセル内で沈下量計測棒の黒い部分と白い部分が混在しえないように、それぞれの長さを規定すればよく、それぞれピクセルサイズの2倍以上とすればよい。
このようにすることによって、完全な黒のピクセル値と完全な白のピクセル値とが画像上に記録され、白および黒の完全なピクセル値の出現ピーク数を数えることにより、以下の式で表される誤差を有する沈下量を測定できる。
誤差=2Rh/L
ここで、Rはピクセルサイズ(分解能)を示す。
誤差=2Rh/L
ここで、Rはピクセルサイズ(分解能)を示す。
以上、説明したように、本発明に各実施の形態によれば、水上水中物体の衛星画像または航空写真を用いて、水流による位置変化を補正し、画像撮影点および地形による画像歪による位置誤差の補正を行い、また予め登録されている水上水中物体の種類別形状との最尤度比較により個別の水上水中物体の種別と位置を正確に標定する為、水上水中物体の前回画像撮影時点からの設置の異動を正確に求めることが出来る。
また、水上水中物体には何ら識別信号発信機または位置報告信号発信機を設置する必要はなく、専ら衛星画像または航空写真にのみに拠って水上水中物体の種別、位置、数の異動を認識し管理することが出来る。
さらに、水上水中物体の個別の位置が画像として、水流による位置変化と、画像撮影点および地形による画像歪を補正した状態で正確に得られるので、撮影時期の異なる画像を計算機により画像処理で比較することにより、容易に個別の水上水中物体の設置状態を把握し比較が行える。さらに、水上水中物体の個別の位置と形状が画像として正確に得られ、計算機で処理可能なディジタルデータとして記憶されていることにより、次に列挙する効果がある。
第1に、形状と大きさを正確に補正した水上水中物体の画像を表示装置に表示させ人間が指定することにより、水上水中物体の種類別形状を水上水中物体監視装置に登録することが出来る。この登録した画像と形状、大きさが類似の水上水中物体を同一種別の水上水中物体として認識することが出来、水上水中物体の監視が容易になる効果がある。
第2に、水面上で水上水中物体の存在する水域を表示装置上から、あるいは入力装置から緯度経度あるいは地図または海図で入力し水上水中物体監視装置に取り込むことが出来、正確に把握した個別の水上水中物体の位置と比較して、当該水域ごとの水上水中物体の種別、位置、数を監視し管理することが出来る。
第3に、個別の水上水中物体の位置が把握できるため、水上水中物体の存在が許された水域ごとに、個別の水上水中物体の座標、存在の有無、所有者を個別の水上水中物体に対して把握することが出来、水上水中物体監視装置より表示装置あるいは出力装置を経由して報告することが出来る。
第4に、正確に個別の位置と形状が画像として把握された撮影時期の異なる水上水中物体の画像を重複ないし表示位置をずらせて隣接表示することにより、表示装置を通して水上水中物体の異動を目視確認することが出来る。尚、上記各実施の形態において説明したフローチャート図に沿った方法又はこの方法をコンピュータに実行させるためのプログラムも本発明の範疇に入るものとする。
本発明は、水上水中物体として港に停留している船舶群などの監視にも応用可能である。
1、17…中央処理装置、2、18…表示装置、3、19…入力装置、4、20…出力装置、5、21…画像記憶装置、6…記憶装置、7…衛星指揮装置、8…画像入力装置、9…地上局、10…観測衛星、11…水上水中物体、12…水面、13…アップリンクデータ、14…ダウンリンクデータ、15、16…通信装置、22…撮影地表範囲、23…ジオイド面、24…陸地表面、25…水陸境界線、26、27…固定点、28、29…索、30…水上浮遊体、31…太陽入射光S1、32…太陽反射光S1、33…太陽入射光S2、34…太陽反射光S2、35…水上水中物体1中心点基準位置、351…水上水中物体1中心点基準位置、352…水上水中物体1偏移、36…水上水中物体2中心点基準位置、361…水上水中物体2、362…水上水中物体2偏移、37…水上水中物体3中心点基準位置、371…水上水中物体3、372…水上水中物体3偏移、38…水上水中物体4中心点基準位置、381…水上水中物体4、382…水上水中物体4偏移、39…水上水中物体5中心点基準位置、391…水上水中物体5、392…水上水中物体5偏移、40…水上水中物体1中心点異動位置、41…水上水中物体2中心点異動位置、42…水上水中物体3中心点異動位置、43…水上水中物体4中心点異動位置、44…水上水中物体5中心点異動位置、45…固定点、46…索、47、48…水上水中物体集合体、49、50,51…水上水中物体標準形指定カーソル、52、53、54…水域境界線、55…水陸境界線、56…水上水中物体集合体No.1アドレス、57…水上水中物体集合体No.2アドレス、58…水上水中物体集合体No.nアドレス、59…水上水中物体No.1アドレス、60…水上水中物体No.2アドレス、61…水上水中物体No.3アドレス、62…水上水中物体No.4アドレス、63…水上水中物体No.5アドレス、64…索、65…水上水中物体管理表、66…水域認識番号欄、67…グループ認識番号欄、68…水上水中物体認識番号欄、69…水上水中物体種別認識番号欄、70…所有者情報認識番号欄、701…異動情報欄、71、72,73,74…処理ブロック、75…撮像面(S面)、76…近似ジオイド面(E面)、77…オルソ面(M面)、78…撮像面と撮像光軸の交点、79…近似ジオイド面と撮像光軸の交点、80…オルソ面とオルソ投影光軸の交点、81…撮像面(S面)上の点y、82…近似ジオイド面(E面)上の点X、83…オルソ面(M面)上の点z、84…撮像光軸、85…オルソ投影光軸、86…近似ジオイド面(E面)上の点Xの撮像面(S面)上の点yに対する投影軸、87…近似ジオイド面(E面)上の点Xのオルソ面(M面)上の点zに対する投影軸、88…オルソ投影光軸焦点、89…撮像光軸焦点、112…索基準位置端点、113…水上水中物体集合体管理表、114…索基準位置端点1緯度欄、115…索基準位置端点1経度欄、116…索基準位置端点2緯度欄、117…索基準位置端点2経度欄、118…沈下量計測棒、119…沈下量計測棒黒色マーク部、120…沈下量計測棒白色マーク部、121…沈下量計測棒増設部、122,123,124,125,126…処理ブロック、127…水底、128…杭、129…水上物体、130…水中物体、131…水上水中物体付着物量1対応標準画面指定カーソル、132…水上水中物体付着物量2対応標準画面指定カーソル、133…水上水中物体付着物量3対応標準画面指定カーソル、134…地球表面、135…衛星視野、136…衛星光軸、137…衛星、138…衛星光軸と地球表面交点、139…X軸、140…Y軸、141…Z軸、142…地球中心、143…太陽方向、144…反射光方向。
Claims (15)
- 索により固定点に連結され位置が変化しうる水上水中物体を監視する装置であって、
高空から撮影した前記水上水中物体の画像情報を取得する画像情報取得手段と、
該画像情報取得手段により取得した画像情報を蓄積する画像情報蓄積手段と、
高空から撮影した以前の画像情報と現在の画像情報とを比較分析する画像情報比較分析手段と、
画像情報を含む情報の入出力を行うインターフェイス手段と、を具備し、前記水上水中物体の状態パラメータに関する情報を監視する水上水中物体監視装置。 - さらに、
太陽の高度を認識する太陽高度認識手段と、
該太陽高度認識手段により認識された太陽高度に基づいて、水面に太陽光線が反射し画像の少なくとも一部が判別不可能になることを避けるように撮影方向を設定する画像撮影方向設定手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の水上水中物体監視装置。 - さらに、前記水上水中物体の画像取得位置が前記水上水中物体の直上でないことに起因する画像の歪を除去する歪み除去手段であって、前記水上水中物体の水上部分又は高空より可視の水中物体の形状と位置とを求め、水面の標高分布が一様であることを利用して水面上の物体および地形の標高分布を用いることなしに該水上水中物体の該水面上の形状または上空より視認できる該水中物体の正射画像を得ることにより歪みを除去する歪み除去手段と、該歪み除去手段により歪みを除去した後の画像情報に基づいて前記水上水中物体の位置を確定する手段と、を有する請求項1又は2に記載の水上水中物体監視装置。
- 前記水上水中物体の輪郭を認識する輪郭認識手段であって、水面上より視認できる前記水上水中物体の画像の輪郭を強調し、あるいは濃淡分布を補正し、あるいは色彩成分分布を補正し、あるいは、これらの処理を組合せ、さらに該処理後の画像を2値化することにより、あるいは事前に登録された該水上水中物体の基準形状との相関により、前記水上水中物体の水面上のあるいは水中の輪郭形状を認識する輪郭認識手段と、
該輪郭認識手段によって認識された輪郭に基づいて、前記水上水中物体の種別を識別する種別認識手段と、
該種別認識手段により認識された種別に基づいて、前記水上水中物体の種別毎の状態パラメータを推定する手段と
を有することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。 - さらに、前記水上水中物体との各種別毎の基準形状と、前記水上水中物体に対する付着物の量の度合いと、に関する代表的な数値に対応する基準画像と、表示画面上に表示されている水上水中物体の対象画像とを比較し、該対象画像に対応する水上水中物体への付着量を推定する手段を有することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。
- さらに、前記水上水中物体を高空から撮影した以前の画像情報と、今回の画像情報とを比較することにより、前記水上水中物体の状態パラメータの変化を計測する計測手段を有することを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。
- 画像情報比較分析手段は、索により連接され、かつ、該索の一端又は両端が水中又は水面上又は水中の固定点に固定される複数の水上水中物体を連接した構造により構成される前記上水中物体に関する以前の水面上の輪郭形状と今回の水面上の輪郭形状とを比較する比較手段と、
前記水上水中物体の水流による湾曲を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された湾曲に関して以前と今回との画像間に存在する水流又は固定点の変位により発生する前記水上水中物体の水面上での位置および方向の差分を補正により消去する補正手段と、
該補正手段により補正された前記水上水中物体の状態パラメータを推定する手段と
を有することを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。 - 前記水上水中物体が存在することを許容された水域に対して、
前記水上水中物体が連結された集合体又は配置上の列をなす集合体(以下、「水上水中物体集合体」と称する。)に対して第1の認識番号を付し、該水上水中物体集合体を構成するそれぞれの水上水中物体に対して、前記第1の認識番号に対して下位の第2の認識番号を付し、該第2の認識番号に対して前記水上水中物体の所有者情報を対応付けすることによりその異動を管理する管理手段を有することを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。 - さらに、前記水上水中物体の前回の画像と今回の画像とを、重複しないように表示又は印刷可能に変位させる変位手段と、
前回の前記水上水中物体集合体の両端の固定点を連結する直線方向に直角に平行移動した領域に、今回の前記水上水中物体の両端を連結した線分が位置するように配置する手段と
を有することを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。 - さらに、前回と今回との前記水上水中物体を、識別可能に並列表示させるように制御する表示制御手段を有することを特徴とする請求項8に記載の水上水中物体監視装置。
- 前回の前記水上水中物体の画像と今回の前記水上水中物体の画像とを並列表示させる際に、それらの表示位置を連続的に移動させることができる位置指定手段を有することを特徴とする請求項10に記載の水上水中物体監視装置。
- 表示された前回の前記水上水中物体の画像と今回の前記水上水中物体の画像とに基づいて、前記水上水中物体を構成する水中物体物体の異動の有無を判定し、その判定結果を、前記物体水中物体を指示することにより特定して入力する入力手段と、
を 該入力手段からの入力内容に基づいて、前記水上水中物体の状態パラメータに関する変化を示す手段と
を有することを特徴とする請求項11に記載の水上水中物体監視装置。 - 予め地図又は海図上で定義されるか、又は、位置情報により定義された水面閉領域内に対して、前記水上水中物体の状態パラメータの変化を計測する手段であって、前記水面閉領域が複数存在する場合には、該水面閉領域の一部又は全てに対して前記水上水中物体の状態パラメータの変化を計測する計測手段を有することを特徴とする請求項1から12までのいずれか1項に記載の水上水中物体監視装置。
- 水上水中物体の状況と対応して水没又は浮上する位置に縞模様状の標識を付した棒状体。
- 請求項14に記載の棒状体を上下方向に斜めに設置し、高空より該棒状標識を観測することにより、前記水上水中物体の沈下状況を計測する方法。
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