JP4202705B2

JP4202705B2 - レーザデータのノイズ除去方法

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Publication number: JP4202705B2
Application number: JP2002282661A
Authority: JP
Inventors: 正臣岡川
Original assignee: Pasco Corp
Current assignee: Pasco Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004118639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザデータのノイズ除去方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、地表データを直接取得することができる航空機レーザスキャナを使用した測量が注目されているが、レーザデータには、機器の性能上の制約等の原因によりノイズが含まれており、このノイズをレーザデータの劣化を来すことなく除去する必要がある。
【０００３】
そして、従来、このようなレーザデータのノイズ除去方法としては、ポイントデータであるレーザデータを補間して一旦画像化し、該画像を目視により確認することが行われている。
【０００４】
しかし、このような方法は、自動化が困難であるために、多大な労力を要する上に、レーザデータを一旦画像にすると、補間の手法に影響を受け、データの劣化がもたらされるという問題がある。
【０００５】
また、画像データ等のデジタルデータのノイズ除去方法としては、特許文献１に記載されたように、フィルタを使用するものも提案されているが、この場合には、フィルタによるデジタルデータの書き換えが行われるために、データの劣化が発生するという問題がある。
【０００６】
データの劣化は、上述したような画像データであれば見た目には影響を与えないために、さほど重大ではないが、ポイントベクトルデータであるレーザデータの場合には、取得点のずれにつながるために、例えば、レーザデータを使用して作成したサーフェイスモデルの信頼性等にも大きく影響するというように重大な問題を惹起する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８-２０２８７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、レーザデータの劣化をもたらすことなく、かつ自動処理可能なレーザデータのノイズ除去方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
航空機レーザスキャナを使用して取得されるレーザデータ群は、平面位置情報に加えて高さ情報（標高データ）を有するポイントデータであるが、地上における地物の把握を目的とするこの種の分野においては、測定系としては、正しいデータであっても、ノイズデータとして除去する必要が生じる場合がある。
【００１０】
例えば、レーザデータ群には、空中を浮遊する塵埃等からの反射光に基づくものが含まれるが、このデータは、実際に塵埃がレーザ掃射領域に存在し、該塵埃の位置、高さを示すという点では、測定系におけるノイズとは必ずしもいえないが、地物の把握を目的とした場合には、明らかにノイズデータとして削除が必要なデータということになる。
【００１１】
このように、航空測量で使用されるレーザデータからのノイズ除去は、測定系に起因するノイズに加えて地上の地物の把握という点からみたノイズをも有効に除去する必要があるという点で固有の困難性を有するものであるが、一方、測定対象である地物は、面積、高さ等の広がりが、常識的範囲に収まるという特殊性も有している。
【００１２】
本発明は、以上のように地物の特殊性を配慮することにより、効率よく、かつ、正確にノイズデータを除去するもので、
航空機レーザスキャナを使用して取得した平面位置データと標高データとを含むレーザデータ群からノイズデータを除去するレーザデータのノイズ除去方法であって、
レーザデータ群を平面位置データを基準に、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対のメッシュを設定した後、各メッシュ内の標高データを統計処理して代表値を設定し、
各標高データに対して該標高データの属する２種類のメッシュに付与された代表値の平均値を基準とする統計的検定を施してノイズデータを分別、除去するように構成される。
【００１３】
航空機レーザスキャナを使用して取得したレーザデータ群は、まず、平面位置データを基準にメッシュ化され、各メッシュに代表値が設定される。メッシュサイズは、空白メッシュが発生しないように設定され、例えば、レーザデータ群の解像度、あるいはデータポイント間の平均間隔を考慮して決定される。
【００１４】
メッシュへの代表値には、ノイズデータによる影響が可及的に排除される統計的数値が使用され、例えば、メディアン値が使用できる。これに対し、例えば、平均値等の使用は、ノイズデータの影響をそのままうけるために望ましくない。
【００１５】
また、代表値の設定に際しては、着目メッシュに加えてその周囲のメッシュ内の生データも参照される。参照メッシュ数は、当該メッシュの総面積が、例えば、小規模ビルディング等１棟分程度の面積、例えば、４０〜８０ｍ²程度になるように設定される。このように着目メッシュの代表値を１個の地物に近い面積内の生データを参照して決定することにより、後述する仮説検定等の統計的処理の基礎が保証される。
【００１６】
レーザデータ群のノイズ除去は、各メッシュ内のデータと、メッシュに設定された代表値とを統計的手法により検定することにより行われる。統計的検定は、仮説検定のほかに、生データと代表値との差による検定であってもよい。
【００１７】
したがってこの発明において、レーザデータ群からのノイズ除去は、レーザデータ群に対する直接的な評価により行うことができるために、後述する各ステップが記載されたプログラムに基づいて動作するコンピュータシステム等を使用して全自動化することができる。
【００１８】
上述した代表値は、
メッシュサイズが前記着目メッシュの２倍で、かつ、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対の暫定メッシュ内での標高データを統計処理して暫定代表値を得た後、
各暫定メッシュを４分割して形成される前記着目メッシュに割り当てられる各分割前暫定メッシュからの暫定代表値の平均値として与えることが可能である。
【００１９】
さらに、レーザデータのノイズ除去方法は、
航空機レーザスキャナを使用して取得した平面位置データと標高データとを含むレーザデータ群からノイズデータを除去するレーザデータのノイズ除去方法であって、
レーザデータ群を平面位置データを基準に、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対のメッシュを設定した後、各着目メッシュの代表値を該着目メッシュ内の標高データを統計処理して設定し、
各標高データを該標高データの属する２種類の着目メッシュに付与された代表値を基準とした２回の統計的検定を施して、双方の検定により統計的異常値と検定された場合にのみノイズデータとして分別、除去するように構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、航空測量において取得されたレーザデータ１に対するノイズ除去を例にとって本発明の参考例、および実施の形態を示す。航空測量におけるレーザデータ１は、所定の飛行経路を飛行する飛行体に搭載されたレーザスキャナにより地表をスキャンして得られる平面位置情報と標高情報（高さ情報）とを有するポイントデータであり、１回の飛行により得られたレーザデータ群は、平面位置情報に対応した直交座標平面（ＸＹ平面）上においては、図２に示すように、レーザ走査線に対応する直線上に配置される。なお、図２においてＸＹ平面上にプロットされた点に付された数字は各点の標高データ１ａを示すもので、煩雑さを避けるために、必要箇所のみに示されている。
【００２１】
図１に以上のレーザデータ１からノイズを除去するフローチャートを示す。ノイズ除去に際し、先ず、上記ＸＹ平面に正方形のメッシュ２を設定する（Ｓ１１）。メッシュサイズ（メッシュの１辺の長さ）は、レーザデータ１を１個も含まない空白メッシュ２が発生することのない程度の大きさに設定され、隣接するポイント間のデータ間隔が平均約２．５（ｍ）であるこの実施の形態において、２．５（ｍ）に設定される。図２の上段にレーザデータ群にメッシュ２を設定した図を示し、図２の下段に上段の太線で囲ったメッシュ内のレーザデータを標高データ１ａを付して示す拡大図を示す。
【００２２】
次に、各メッシュ２毎に代表値を設定する（Ｓ２１）。着目メッシュ２（代表値設置対象メッシュ２）への代表値の設定に際し、まず、着目メッシュ２を領域中心とするｍ×ｍ（この実施の形態においては３×３）のメッシュ群が抽出され、これらメッシュ群内の全標高データ１ａのメディアンが着目メッシュ２の代表値とされる。図２の上段において太線で囲まれたメッシュ群の中心に位置するメッシュ２（着目メッシュ）への代表値の設定を例に取ると、まず、図２の下段に示すように、太線で囲った３×３＝９個のメッシュ２、２・・内の２０個の標高データを値によりソートし、数列の中心に位置する標高データ（メディアン）＝１２．２１を代表値とする。
【００２３】
図３（ａ）に以上のようにして求められた代表値が着目メッシュに設定された状態を、図３（ｂ）に同様の手順ですべてのメッシュに代表値を設定した状態を示す。
【００２４】
次いで、ステップＳ３１において、上記着目メッシュ２内の各標高データ１ａの検定を行う。検定には、「調査点は常に他に取得された点と比べ精度の差はない」との帰無仮説に対する仮説検定が使用され、まず、着目メッシュ２を領域中心とするｎ×ｎ（この実施の形態においては１１×１１）のメッシュ群を抽出し（Ｓ３１１）、メッシュ群中の各メッシュ２の代表値の標準偏差をとる（Ｓ３１２）。抽出メッシュ数（ｎ値）は、標準偏差を求めるためのデータ量が十分であり、かつ、面積が地物の状況が大きく変化しない程度に狭いことが考慮される。また、標準偏差は、実際の標高データ１ａを使用することなく、各メッシュ２の代表値を使用するのは、標高データ１ａにはノイズが含まれているために、標準偏差が大きくなり、後述する検定の際の許容値が過大となってノイズ除去が不可能となるのを防止するためである。なお、図３（ａ）において、１１×１１のメッシュ群の境界線を太線で示す。
【００２５】
このようにして求められた標準偏差を図３（ｂ）に示す。なお、煩雑さを回避するために、図３（ｂ）においては、２個のメッシュについてのみ、代表値の下にカッコ付きで示されている。
【００２６】
以上のようにして標準偏差を求めた後、ステップＳ３１３において着目メッシュ２内の標高データ１ａの各点を有意水準ｐ％（この実施の形態においては９９％）で両側検定し、棄却される場合には、ノイズとして除去、廃棄し、棄却されない場合には、標高データ１ａとして採用する。
【００２７】
図３（ｂ）において代表値が１２．２１、標準偏差が０．８０のメッシュ内における１１．９１の標高データ（図２下段参照）は、
abs((11.91-12.21)/0.80)=0.375
となり、有意水準９９％のｘ値は２．５８であるから、
0.37<2.58
より、与点は棄却されず、ノイズとは見なされない。
【００２８】
これに対し、図３（ｂ）において代表値１２．１３、標準偏差０．８２のメッシュ内における９９７．４７の標高データ（図２下段参照）は、
abs((997.47-12.13)/0.82)=1201.634
>2.58
より、与点は棄却され、ノイズとして排除される。
【００２９】
このようにして、すべてのレーザデータについて検定を行った後、棄却されないデータのみをレーザデータ群として使用する。
【００３０】
図４に本発明の第１の実施の形態を示す。この実施の形態において、先ず、レーザデータ１のＸＹ平面にメッシュ２を設定する。上述した参考例において、メッシュサイズは、データ間隔にほぼ一致する寸法に設定されたが、この実施の形態において、メッシュサイズは、その倍、すなわち、５（ｍ）に設定される。また、ＸＹ平面へのメッシュ２は、互いに半メッシュ、すなわち、２．５（ｍ）ずれた２種類について設定される（Ｓ１２）。
【００３１】
この後、各メッシュ２について代表値を設定した（Ｓ２２）後、メッシュ２を合成する（Ｓ２３）。図５に半メッシュ相互にずれた２種類のメッシュを上下段に、各メッシュに設定された代表値をメッシュ内に示す。
【００３２】
メッシュサイズが上述した参考例に比して大きなこの実施の形態において、メッシュ２への代表値には着目メッシュ２内の標高データ１ａのメディアンが使用される。これは、例えば、３×３行列のメッシュ２を対象にメディアンを取ると、対象面積は（５×３）2＝２２５（ｍ2）となり、着目メッシュ２の個性が過度に希釈化されて検定精度の低下をもたらすことによる。
【００３３】
メッシュ２の合成の方法を図６（ａ）に示す。図６（ａ）は、図５の上段において１２．０７の代表値をもつメッシュの分割方法を示すもので、まず、各メッシュ２を半分のサイズに４分割した後、分割後の各メッシュ２に代表値を割り当てる。図６（ａ）においては、矩形枠が図５の上段メッシュ、矩形枠を縦横断する線が下段メッシュ（代表値１２．０５、１３．０３、１２．５５、１２．３２）の境界を示す。この図から明らかなように、矩形枠の左上の分割メッシュは、１２．０７と１２．０５の２種類の代表値が割り当てられることとなり、これらの平均値１２．０６がこのメッシュの代表として設定される。
【００３４】
この後、上述した参考例と同様に、ステップＳ３１を実施し、ノイズデータの除去を行う。図６（ｂ）に合成後のメッシュ２を示す。
【００３５】
図７に本発明の第２の実施の形態を示す。この実施の形態において、先ず、レーザデータ１のＸＹ平面には、上述した第１の実施の形態と同様に、５（ｍ）サイズで、互いに半メッシュずれた２種類のメッシュ２を設定し（Ｓ１２）、各々のメッシュ２に代表値を設定する（Ｓ２２）。代表値には、メディアンが使用され、同一データを使用しているために、代表値の設定結果は、図５と同様になる。
【００３６】
この後、ステップＳ３２において標高データ１ａの検定を行う。標高データ１ａの検定に際し、まず、各メッシュ２からｍ×ｍ行列メッシュ２を抽出し（Ｓ３２１）、標準偏差を求める（Ｓ３２２）。メッシュサイズが上述した参考例の場合の２倍であるこの実施の形態において、ｍ値は、対象面積がほぼ同一となる７に設定される。
【００３７】
次いで、ステップＳ３２３で、各メッシュ２内の標高データ１ａを上述した実施の形態と同一条件で仮説検定する。この実施の形態において、同一の標高データ１ａは、異なった２種類のメッシュ２内に包含されるために、仮説検定は、同一標高データ１ａについて２度行われ、双方のメッシュ２において帰無仮説が棄却された場合にのみノイズとして標高データ１ａを廃棄する。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、レーザデータの劣化をもたらすことなく、かつ自動処理も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例を示すフローチャートである。
【図２】メッシュが設定されたＸＹ平面上のレーザデータを示す図である。
【図３】メッシュへの代表値の設定状態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示すフローチャートである。
【図５】２種類のメッシュを示す図である。
【図６】メッシュの合成方法を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１レーザデータ
１ａ標高データ
２メッシュ

Claims

航空機レーザスキャナを使用して取得した平面位置データと標高データとを含むレーザデータ群からノイズデータを除去するレーザデータのノイズ除去方法であって、
レーザデータ群を平面位置データを基準に、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対のメッシュを設定した後、各メッシュ内の標高データを統計処理して代表値を設定し、
各標高データに対して該標高データの属する２種類のメッシュに付与された代表値の平均値を基準とする統計的検定を施してノイズデータを分別、除去するレーザデータのノイズ除去方法。
航空機レーザスキャナを使用して取得した平面位置データと標高データとを含むレーザデータ群からノイズデータを除去するレーザデータのノイズ除去方法であって、
レーザデータ群を平面位置データを基準にメッシュ化した後、着目メッシュの代表値を該着目メッシュに加えて周辺メッシュ内の標高データを統計処理して設定し、
着目メッシュ内の各標高データに対して該着目メッシュに付与された代表値を基準とする統計的検定を施してノイズデータを分別、除去してなり、
前記代表値は、
メッシュサイズが前記着目メッシュの２倍で、かつ、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対の暫定メッシュ内での標高データを統計処理して暫定代表値を得た後、
各暫定メッシュを４分割して形成される前記着目メッシュに割り当てられる各分割前暫定メッシュからの暫定代表値の平均値として与えられるレーザデータのノイズ除去方法。
航空機レーザスキャナを使用して取得した平面位置データと標高データとを含むレーザデータ群からノイズデータを除去するレーザデータのノイズ除去方法であって、
レーザデータ群を平面位置データを基準に、縦横方向にそれぞれ半メッシュずれた一対のメッシュを設定した後、各着目メッシュの代表値を該着目メッシュ内の標高データを統計処理して設定し、
各標高データを該標高データの属する２種類の着目メッシュに付与された代表値を基準とした２回の統計的検定を施して、双方の検定により統計的異常値と検定された場合にのみノイズデータとして分別、除去するレーザデータのノイズ除去方法。
前記代表値が着目メッシュと周辺メッシュ内の標高データのメディアンである請求項２または３記載のレーザデータのノイズ除去方法。