JP2009545031A - 放射線分に基づいて地理空間モデル・データ標的点フィルタリングを提供する地理空間モデリング・システム及び関連した方法 - Google Patents

Abstract

地理空間モデリング・システム（２０）は、地理空間モデル・データベース（２１）と、地理空間モデル・データをフィルタリングするためにそれと協調するプロセッサ（２２）を含み得る。これは、少なくとも１つの標的点（Ｐ_ｃ）から外方向に延びる複数の放射線分（７０ａ−７０ｈ）に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新することによって行うことができる。

Description

本発明は、トポグラフィの分野に関し、特に、トポグラフィ・モデルを生成するシステム及び関連した方法に関する。

地域のトポグラフィ・モデルは多くの適用分野に使用することができる。例えば、トポグラフィ・モデルは、フライト・シミュレータ、及び軍事ミッションの計画に使用することができる。更に、人工の構造（例えば、都市）のトポグラフィ・モデルは、例えば、携帯電話用アンテナの配置、都市計画、災害への備え・分析や、地図作成などの適用分野において非常に有用であり得る。

トポグラフィ・モデルを作成するための種々のタイプ及び方法が現在、使用されている。一般的なトポグラフィ・モデルの１つに、ディジタル高度地図（ＤＥＭ）がある。ＤＥＭは、コンピュータにより、自動的に生成することができる地域のサンプリングされた行列表現である。ＤＥＭでは、座標点は高さ値に対応させる。ＤＥＭは通常、異なる高度（例えば、谷、山等）間の遷移が、１つの遷移から別の遷移まで略平滑である地形をモデリングするために使用される。すなわち、ＤＥＭは通常、複数の曲面として地形をモデリングし、それらの間の不連続性は、よって、「取り除かれる」。よって、通常のＤＥＭでは、地形上で目立つ物体は存在しない。

特に効果的な３Ｄサイト・モデリング製品の１つに、本発明の譲受人であるハリス（Ｈａｒｒｉｓ）社によるＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）がある。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）を使用して、関心地域の重なり合う画像を登録し、高分解能ＤＥＭを立体視手法及び天底観測手法を使用して抽出することができる。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）は、正確なテクスチャ及び構造物境界を有する、都市を含む地域の３次元（３Ｄ）トポグラフィ・モデルを作成する半自動処理を提供する。更に、ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）モデルは、地理空間的に正確である。すなわち、モデル内の何れかの特定の点の位置は、非常に高い正確性で、地域内の実際の位置に対応する。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）モデルを生成するために使用されるデータは、空中写真及び衛星写真、光波、赤外線、及び光検知測距（ＬＩＤＡＲ）を含み得る。

３Ｄサイト・モデルを生成するための別の効果的な手法は、本発明の譲受人に譲渡され、その内容全体を本明細書及び特許請求の範囲に援用するＲａｈｍｅｓらによる米国特許第６６５４６９０号明細書に開示されている。上記特許明細書には、高度対位置のランダムに間隔を空けたデータに基づいて、地形及び建物を含む領域のトポグラフィ・モデルを作成する自動化された手法が開示されている。上記手法は、ランダムに間隔を空けたデータを処理して、所定の位置グリッドに準拠した、高度対位置のグリッド・データを生成する工程、グリッド・データを処理して建物データを地形データと区別する工程、及び建物データの多角形抽出を行って、地形及び建物を含む領域のトポグラフィ・モデルを作成する工程を含む。

地形の特徴、草木の特徴、及び文化的な特徴（例えば、建物）の間の遷移が、できる限り平滑かつシームレスであるようにみえるようにＤＥＭを処理することが望ましい一方、ＤＥＭを過剰に平滑化すると、画像内の特徴の正確性は低減する。例えば、生起し得る特徴の不明瞭化には、建物が、平坦な丘のように見え始めること、寄棟屋根が平坦にみえること、及び樹木がドームのようにみえることが含まれる。更に、ＤＥＭの分解能は、良くなり続け、一メートルよりも大きな分解能が可能である。けれども、分解能が高いと通常、画像内に（特徴間の特に、隣接する境界領域内に）より多くの雑音が存在することになり、これにより、前述の問題点が悪化する。

更に、多くの場合、特定の特徴を平滑化するが、他の特徴は平滑化しないことが望ましい。例えば、雑音が多い入力データにより、平らでなくみえる、建物の屋根を平滑化することが望ましい。けれども、自然な外観を維持するように草木の不連続を維持することも望ましい。よって、特定の適用分野では、拡充された地理空間モデル・データ特徴を目立たせる機能、及びフィルタリングする（すなわち、平滑化する）機能を提供することが望ましいことがあり得る。

よって、前述の背景に鑑みて、本発明の目的は、地理空間モデリング・システム、及び、地理空間モデル・データの拡充されたフィルタリングのための関連した方法を提供することである。

前述並びに他の目的、特徴及び効果は、地理空間モデル・データベース、及び地理空間モデル・データをフィルタリングするために協調するプロセッサを含み得る地理空間モデリング・システムによってもたらされる。これは、少なくとも１つの標的点から外方向に延びる複数の放射線分に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新することによって行うことができる。

特に、プロセッサは、放射線分それぞれの線形性を判定することができる。プロセッサは、各放射線分の線形性が線形性閾値未満である場合、少なくとも１つの標的点を更新しない。更に、放射線分それぞれは、端点の対、及びそれらの間の少なくとも１つの中間点を含み得る。よって、プロセッサは、少なくとも１つの中間点と、端点を結ぶ線との間の差に基づいて各線分の線形性を判定することができる。

プロセッサは、少なくとも１つの線形放射線分の外挿に基づいて少なくとも１つの標的点の投影された更新位置も求めることができる。更に、標的点と、投影された更新位置との間の第１の差が第１の閾値未満の場合、プロセッサは、標的点を、投影された更新位置に更新することができる。特に、プロセッサは、第１の差が第１の閾値よりも大きく、かつ、少なくとも一放射線分と反対側の点と、投影された更新位置との間の第２の差の、第１の差との比が第２の閾値を超える場合、標的点を、投影された更新位置に更新することができる。

複数の放射線分の数は８であり得る。更に、各放射線分はＮ個の点を含み得る。ここで、Ｎは３以上である。更に、地理空間モデル・データは、約１メートルを超える分解能を有するディジタル高度モデル（ＤＥＭ）であり得る。

地理空間モデリング方法の局面は、地理空間モデル・データを提供する工程、及び地理空間モデル・データをフィルタリングする工程を含み得る。特に、これは、プロセッサを使用して、少なくとも１つの標的点から外方向に延びる複数の放射線分に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新することによって行うことができる。

本発明による地理空間モデリング・システムを示す概略ブロック図である。 本発明による地理空間モデリング方法を示す流れ図である。 高い画像キャプチャ分解能による建物のエッジにおける雑音を示すＤＥＭである。 理想的には、ＬＩＤＡＲ、ＩＦＳＡＲ、画像立体視相関、又は他のデータ・ソースから生成される建物のシミュレートされたＤＥＭビューである。 雑音の影響により、建物がどのようにしてレンダリングされるかをより厳密に近似した、図４の建物の、シミュレートされた理想的な、雑音のないＤＥＭビューである。 ５点、４点及び３点それぞれの線分の標的点フィルタリングにおいて使用するための放射線分を示す図である。 ５点、４点及び３点それぞれの線分の標的点フィルタリングにおいて使用するための放射線分を示す図である。 ５点、４点及び３点それぞれの線分の標的点フィルタリングにおいて使用するための放射線分を示す図である。 本発明による、放射線分を使用したフィルタリングを示す図５の建物のシミュレートされたＤＥＭビューである。 本発明による、放射線分を使用したフィルタリングを示す図５の建物のシミュレートされたＤＥＭビューである。 図７及び図８におけるデータをフィルタリングするために使用される放射線分フィルタリング手法を表す一連の図である。 図７及び図８におけるデータをフィルタリングするために使用される放射線分フィルタリング手法を表す一連の図である。 図７及び図８におけるデータをフィルタリングするために使用される放射線分フィルタリング手法を表す一連の図である。 図７及び図８におけるデータをフィルタリングするために使用される放射線分フィルタリング手法を表す一連の図である。 本発明による、放射線分フィルタリングを使用する前の建物、及び放射線分フィルタリングを使用した後の建物のデータ画像の対を示す図である。

次に、添付図面を参照して本発明を以下に更に詳細に説明する。本発明の好ましい実施例を示す。しかし、本発明は、種々の多くの形態において実施することができ、本明細書及び特許請求の範囲記載の実施例に限定されるものとして解されるべきでない。むしろ、前述の実施例は、本明細書及び特許請求の範囲が詳細かつ完全であるように記載しており、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるものとなる。同じ数字は図にわたって同じ構成要素を表し、プライムの記号及び複数プライムの記号は、別の実施例において同様な構成要素を示すために使用される。

まず、図１を参照すれば、地理空間モデリング・システム２０は、例証的には、地理空間モデル・データベース２１及びプロセッサ２２を含む。例として、プロセッサ２２は、例えば、ＰＣ、マック、又は他の計算機ワークステーションの中央処理装置（ＣＰＵ）であり得る。ディスプレイ２３は、以下に更に説明するように、更に、地理空間モデリング・データを表示するために、プロセッサ２２に結合され得る。当業者が認識するように、プロセッサ２２は、以下に更に説明する種々の動作を行うためのハードウェア及びソフトウェアの構成部分の組合せを使用して実現することができる。

例として、地理空間データは、立体光学撮像、光検知測距（ＬＩＤＡＲ）、インフェロメトリック合成開口レーダ（ＩＦＳＡＲ）等などの種々の手法を使用してキャプチャすることができる。概して、データは、当業者が認識するように、飛行機、衛星等により、関心地域の上空（例えば、天底）観測によってキャプチャされる。しかし、関心地域の斜め画像は、更なる３Ｄの詳細を地理空間モデルに付加するために天底画像に加えて、又は天底画像の代わりに使用することもできる。ＬＩＤＡＲ等を使用してキャプチャされた未処理画像データは、ディジタル高度モデル（ＤＥＭ）などの所望の形式に、地理空間モデル・データベース２１から上流に処理することができるか、又はこれはプロセッサ２２によって行うことができる。

更に、プロセッサ２２は地理空間モデル・データベース２１と協調して、記憶された地理空間モデル・データ（例えば、ＤＥＭデータ）をフィルタリングする。前述の通り、ＬＩＤＡＲ及び他の地理空間データ・キャプチャ装置により、現在可能な、比較的高い分解能（すなわち、１メートル超）により、それによって、特に、境界若しくは遷移領域内、又は、境界若しくは遷移領域付近で生成される地理空間モデル画像内の領域が高雑音になり得る。図３を参照すれば、例えば、ＬＩＤＡＲデータから生成された建物４０のＤＥＭは、図示された建物のエッジ付近の雑音ポスト４１の行を有する。雑音ポスト４１は通常、建物の最上部、側部、及び地上部からの混ざったＬＩＤＡＲが戻ってくることにより、建物又は他の文化的な特徴の垂直エッジにおいて生じる。

この現象は、図４及び図５における建物５０及び６０のシミュレートされたＤＥＭ表現を参照して更に理解されるであろう。特に、建物５０のシミュレートされた表現は、未処理ＬＩＤＡＲ画像データから、プロセッサを使用して自動生成させたい鮮明な、直線の垂直方向の境界（すなわち、屋根）の描写を伴う理想的なケースである。しかし、前述の雑音が理由で、標準的なＤＥＭ生成処理を使用して生成される通常のＤＥＭは、図５に示す建物６０のようにみえる。すなわち、理想的な建物５０と比較すれば、建物の中心線６２の上のいくつかの点６１は、線形境界エッジを作るために上方向に移動させるべきである。更に、中線６２の下の他の点６３は、地面６４に対する所望の線形境界を設けるために下方に移動させるべきである。

ユーザが、上下に移動させる対象の点６１、６３を手作業で選択することが可能である一方、この処理は、特に、大規模都市地域の地理空間モデルの場合、労力を要し、したがって、費用が高くつく。そういうものとして、建物の垂直方向のエッジに隣接した所にどの点を移動する必要があるかをプロセッサ２２が求めることが可能な自動処理を有することが望ましい。しかし、当業者が認識するように、同時に、画像内の特定の特徴（草木など。高さ及びそれに関連付けられた不連続のために自然に「高雑音」である）を修正しない状態に留めることが、多くの場合、望ましい。

そういうものとして、プロセッサ２２は、効果的には、各標的点から外方向に延びる複数の放射線分に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新することにより、前述のデータ点をフィルタリング又は「平滑化」する。特に、地理空間モデル・データをフィルタリングする方法を次いで、図２及び図６乃至１２を参照して説明する。ブロック３０に始まり、特定の標的点（又はポスト）Ｐ_ｃ（例えば、建物６０の屋根に沿った点６１のうちの１つ）について、プロセッサ２２は、標的点から外方向に延びる複数の放射線分７１を求める。

例として、複数の放射線分の数は、図６Ａ乃至図６Ｃに示すように、８であり得る。すなわち、線分は、互いに４５°離れて存在し、概念的には、図６Ａ乃至図６Ｃの２Ｄ図における標的点Ｐ_ｃから、上方向、下方向、左方向、右方向、及びコーナー対角線上に延びるものとしてみることができる。更に、各放射線分は、Ｎ個の点を含み得、Ｎは５である（図６Ａ）か、４である（図６Ｂ）か、又は３である（図６Ｃ）。しかし、別の実施例において、異なる数の点を放射線分７０において使用することができる。

プロセッサ２２は、ブロック３２で、中間点７２と、端点をつなぐ線との間の差に基づいて各放射線分７０の線形性を判定する。前述の線形性判定の例は、図９乃至図１１に示す。放射線（６，^＊）について、ｘ−ｙプロファイルを図１０に示す一方、線（６，１）_…線（６，ＲＬＰ）における点のｚプロファイルは図１０乃至図１１に示し、ここで、（６．１）は、放射線の近端点であり、（６，ＲＬＰ）は線の遠端点である。端点（６．１）、（６，ＲＬＰ）をつなぐ直線からのｚプロファイルにおける偏差は図１１に示す。

例えば、ＤＥＭにおける一メートルのポスト間隔の場合、一般的な非線形閾値は、

として表すことができる。ここで、Ｋは、各点の許容される垂直偏差（メートル単位）である。例えば、Ｋ＝１メートルというデフォールト値を使用すれば、各中間点７２の±１メートルの垂直偏差が可能になる。Ｋの値が比較的小さい（例えば、０に近い）場合、数点を調節することができる一方、Ｋが比較的大きい場合、望ましい点よりも多くの点を調節することができる。よって、特定のアプリケーションの場合のＫの適切な値は、当業者が認識するように、ポスト間隔及び所望のフィルタリング結果に依存して変わり得る。

端点（６，１）と端点（６，ＲＬＰ）との間の垂直方向の距離Ｄ_ｚ（図１１）は、

である。よって、以下の非線形等式を、特定の標的点Ｐ_ｃの線形性が前述の線形性閾値未満であるか否かを判定するために使用することができる。

ブロック３３で、特定の線分７０の線形性が、線形性閾値を下回っている（すなわち、線分が、非線形過ぎる場合）場合、プロセッサ２２は、その特定の線分に基づいて標的点Ｐ_ｃを更新しない。ブロック３９で、放射線分７０の何れも、線形性閾値未満の線形性を有していない場合、標的点Ｐ_ｃには更新は何らされず、よって、ブロック３８で、図２に示す方法を終了する。すなわち、標的点Ｐ_ｃは変更なしで出力される。実際のフィルタリング動作では、プロセッサ２２は、次いで、次の標的点Ｐ_ｃに移動し、当業者が認識するように、標的点全てが処理されるまで、図示されたフィルタリング工程を繰り返す。

一方、放射線分７０の１つ又は複数の線形性が、上記（１）記載の線形性閾値未満であると判定された場合、プロセッサ２２は、放射線分の１つ又は複数の外挿に基づいて標的点Ｐ_ｃの投影された更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}を求める。図８に示す例では、放射線分７０ｆ’’、７０ｇ’’及び７０ｈ’’のみがこの基準を満たす。特定の放射線分（６，^＊）の外挿処理は、図１１及び図１２に示す。プロセッサ２２は、端点７１を結ぶ線を延ばし、次いで、図示するｚ方向における線と標的点Ｐ_ｃが交差する位置を求める。これにより、投影された更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}が得られる。

前述の通り、プロセッサ２２は、点を更新するか否かを判定するうえで２つ以上の投影された更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}を使用することができる。すなわち、プロセッサ２２は、図８に示すように、放射線分７０それぞれから生じる投影された更新位置全てに基づいて平均投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}を生成することができる。別の手法は、単に、線形閾値未満の線形性を有する線分全てのうちの最も線形性の高い放射線分７０からの投影更新位置を使用することである。

いずれの場合にも、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}が求められると、プロセッサ２２は次いで、ブロック３５で、標的点Ｐ_ｃと投影更新位置との間の第１の差Ｄ_１が第１の閾値未満か否かを判定する。特に、第１の差Ｄ_１は標的点Ｐ_ｃと、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}との間の差の絶対値に等しいことがあり得る。肯定の場合、標的点Ｐ_ｃは、ブロック３７で、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}に更新される。例として、第１の閾値は値Ｋであり得、これはこの例では一メートルであるが、使用される分解能及び当該実施例に応じて他の値を使用することもできる。

一方、第１の差Ｄ_１が、第１の閾値以上の場合、プロセッサ２２は、ブロック３６で、特定の放射線分７０に対向する点Ｐ_{ｏｐｐｏｓｉｔｅ}と、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}との間の第２の差Ｄ_２の、第１の差に対する比が第２の閾値を超えているか否かを判定する（図１２）。第２の差Ｄ_２は、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}と、対向点Ｐ_{ｏｐｐｏｓｉｔｅ}との間の差の絶対値に等しいものであり得る。特に、第１の距離Ｄ_１が第１の閾値（Ｋ）よりも大きい場合は、第２の距離Ｄ_２が、第１の距離Ｄ_１の２倍よりも大きい場合、投影更新位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}が標的点Ｐｃについて出力される（ブロック３７）。すなわち、Ｄ_１＞Ｋの場合は、Ｄ_２＞２^＊Ｄ_１の場合のみ、Ｐ_ｃ＝Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ}である。

前述のフィルタリング手法の結果は図１３を参照してみることができる。この例では、建物９０ａの元のフィルタリングされていないデータは、左の画面プリント上に示す。建物９０ａの遷移又は境界エッジは、雑音が理由でぼやけてみえる。同じ建物９０ｂは、前述の手法を使用してフィルタリングした後の、図１３の右側の画面プリントに示す。ここでは、建物９０ａ及びその屋根のエッジ部分はかなり平滑化されている、すなわち、描写がより鮮明である。けれども、画像の右上の角における草木のテクスチャは、この自動化手法により、実質的に維持される。

前述の手法は、よって、地理空間画像データ・フィルタリングにおいてかなりの効果をもたらす。例えば、放射線の線形性の使用は、壁、屋根、地面等の最も直ぐな傾きを維持することに寄与する。更に、線形性許容差も、当然、高雑音である草木及び他の領域の平滑化を妨げることに寄与する。更に、高さシフト許容差も、例えば、壁が、丘に縮減されることを妨げることに寄与する。

Claims (10)

1. 地理空間モデリング・システムであって、
   地理空間モデル・データベースと、
   少なくとも１つの標的点から外方向に延びる複数の放射線分に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新することにより、地理空間モデル・データをフィルタリングするために、前記地理空間モデル・データベースと協調するプロセッサとを備える地理空間モデリング・システム。
2. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記プロセッサは、各放射線分の線形性を判定する地理空間モデリング・システム。
3. 請求項２記載の地理空間モデリング・システムであって、各放射線分の線形性が線形性閾値未満である場合、前記プロセッサが、前記少なくとも１つの標的点を更新しない地理空間モデリング・システム。
4. 請求項２記載の地理空間モデリング・システムであって、各放射線分は、端点の対と、それらの間の少なくとも一中間点とを備え、前記プロセッサは、前記少なくとも１つの中間点と、前記端点を結ぶ線との間の差に基づいて各放射線分の線形性を判定する地理空間モデリング・システム。
5. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記プロセッサは、少なくとも１つの線形放射線分の外挿に基づいて前記少なくとも１つの標的点の投影された更新位置を求める地理空間モデリング・システム。
6. 地理空間モデリング方法であって、
   地理空間モデル・データを提供する工程と、
   プロセッサを使用して前記地理空間モデル・データをフィルタリングして、少なくとも１つの標的点から外方向に延びる複数の放射線分に沿って位置する隣接点に基づいて標的点を選択的に更新する工程とを含む方法。
7. 請求項６記載の方法であって、フィルタリングは、前記プロセッサを使用して、各放射線分の線形性を判定する工程を更に含む方法。
8. 請求項７記載の方法であって、前記プロセッサは、各放射線分の線形性が線形性閾値未満である場合、前記少なくとも１つの標的点を更新しない方法。
9. 請求項７記載の方法であって、各放射線分は、端点の対と、それらの間の少なくとも一中間点とを備え、フィルタリングは、前記プロセッサを使用して、前記少なくとも１つの中間点と、前記端点を結ぶ線との間の差に基づいて各線分の線形性を判定する工程を更に含む方法。
10. 請求項６記載の方法であって、前記フィルタリングは、前記プロセッサを使用して、少なくとも１つの線形放射線分の外挿に基づいて前記少なくとも１つの標的点の投影された更新位置を求める工程を更に含む方法。

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