JP4561972B2

JP4561972B2 - 圃（ほ）場被害エリア面積簡易測定方法

Info

Publication number: JP4561972B2
Application number: JP2004230577A
Authority: JP
Inventors: 幸男保坂; 清登香川; 信彦中村; 真典松田
Original assignee: Satake Corp
Current assignee: Satake Corp
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: JP2006047178A

Description

本発明は、圃場被害エリアの面積を簡易に測定する方法に関するものである。

作物を生育している圃場では、猪等の獣の侵入や台風などの自然災害による作物の倒伏被害等が発生してしまうことがある。従来、圃場内の倒伏した範囲(以下、「被害エリア」という)の面積を求める被害調査として、巻き尺などで直接被害エリアの面積を測ることが行われていた。この方法は最も容易な測定方法であるが、測定しようとする被害エリアの形状が複雑な場合には不向きであった。また、圃場を斜め上方から撮影し、撮影した画像に逆透視変換技術を用いて圃場内における任意のエリアの面積を求める方法が、既に本発明者らによって提案（特許文献１）されている。しかし、逆透視変換技術又は透視変換技術を用いる場合、例えば特許文献２に記載されているように、既知の４点の座標が必要となる。このようなことから、従来、圃場を斜め上方から撮影した画像に逆透視変換技術を用いて圃場内における任意のエリアの面積を求める場合、基準座標となる基準点として４つのマーカを圃場内に設置する必要があった。しかし、マーカを設置するためには人が圃場内に入ってマーカを一つずつ設置する必要があるが、水田等の圃場内を人が移動することは煩わしことであり、しかも、圃場内を人が歩いて移動することで作物の地上部及び根圏部を傷めるおそれがあった。

これらのことから、作業効率を上げること及び圃場内での人の移動距離を必要最低限とするために、マーカの設置数の削減が望まれていた。

特開２００１−４５８６８号公報特開２００１−８４３６５号公報

本発明の課題は、上記問題点にかんがみ、圃場内に基準座標となる基準点として設置するマーカの設置数を削減させることを可能とした圃場被害エリア面積の簡易測定方法を提供することである。

そこで本発明では、カメラで圃場内の被害エリアを含む撮影範囲を斜め上方から撮影する工程と、撮影した画像から逆透視変換によりオルソ画像を得る工程と、前記オルソ画像上の被害エリア面積を、被害エリアの情報を受光した画素の数と該画素の対応面積とから求める工程とからなる圃場被害エリアの面積測定方法において、前記撮影範囲に２つのマーカを設置した画像を取得し、該画像上の２つのマーカの位置をそれぞれ基準点とし、前記画像の中心線に対する２つの前記基準点の対称点をそれぞれ求め、これら２つの対称点を仮想基準点とし、２つの前記基準点と２つの前記仮想基準点との４点の座標を、前記画像の逆透視変換に必要な４点の基準座標とすることを特徴とする圃場被害エリアの面積簡易測定方法とした。

本発明のもう一つの方法は、前記面積簡易測定方法において、カメラと一直線上の位置になるように２つのマーカを設置することを特徴とする圃場被害エリアの面積簡易測定方
法とした。

本発明によれば、圃場内に設置した位置関係が既知である２つのマーカの基準座標と撮影した画像データとから、逆透視変換に必要な座標データを求めることにより、基準点の設置数を２点に削減することができる。つまり、測定の作業効率を上げることができ、また、圃場内での人の移動距離を必要最低限にすることできるので、圃場内を人が移動することによる圃場内作物の地上部及び根圏部の損傷を最小限に抑えることができる。なお、本発明の面積簡易測定方法は、圃場に限らず、斜め上方から撮影し、撮影した画像に逆透視変換を用いる全ての場合において有効に利用することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。ここでは圃場での水稲の撮影を例にして説明する。図１は、圃場１を撮影する一例を示している。作物の生育する圃場１に向けてカメラ２が所定の位置に設置されている。実施例ではＣＣＤカメラを使用しているが、本発明に使用するカメラは、撮影した情報をＣＣＤカメラで撮影した画像データと同様な状態にデジタル化できるカメラであれば、特に限定されない。圃場１は当然に自然光にさらされている。撮影範囲４には圃場１内の被害エリア全体が含まれている。

撮影範囲４内には、基準座標となる基準点としてマーカ５ａとマーカ５ｂとを設置する必要がある。図２、図３によりマーカの設置の仕方について説明する。マーカ５ａ、５ｂは、圃場に立てたポール６の上部先端部に取り付ける。マーカ５ａ、５ｂの地上からの高さは、図２に示すように、マーカの中心部が撮影範囲周辺の倒伏していない作物の平均的な高さ(以下、「高さｈａ」という)とほぼ同一なるようにする。マーカの形状は、撮影した画像上で認識可能であれば特にこだわる必要はないが、直径１５ｃｍ程度の球形が良い。これより小さいと撮影後の画像上での認識が困難となる場合があり、これより大きいと被害エリアをマーカが覆うことになり面積計算に影響が出る。ポール６は、圃場に立てやすく、かつ、マーカを取り付けても傾斜しないものであればよく、例えば、植物の誘引に使用する園芸用のポールなどでもよい。

次に、マーカ５ａ、マーカ５ｂ及びカメラ２の位置関係について説明する。これらの位置関係については、図３に測定場面を上方から見た図で示している。マーカ５ａ及びマーカ５ｂは、当然、撮影範囲４内に設置する必要がある。ここでは、２つのマーカのうち、カメラ２から近い位置にあるものをマーカ５ａ、もう一方のものをマーカ５ｂとしている。カメラ２とマーカ５ａとをロープ７ａで直結し、カメラ２とマーカ５ｂとをロープ７ｂで直結する。このようにすることで容易にカメラ２とマーカの位置を決定することができる。カメラ２とマーカ５ａとの距離Ｘａと、カメラ２とマーカ５ｂとの距離Ｘｂとを測定する必要があるが、例えば、巻き尺のように目盛りのついたロープを用いれば、これらの距離を容易に求めることができる。また、点Ｔは、後述する計算に必要な仮想点であって、カメラ２の焦点Ｆから地表に向けた垂線における高さｈａの位置の点である。ロープ７ａ及びロープ７ｂは、距離Ｘａ及び距離Ｘｂを求めるためのものであるので、これらの距離を求めた後は、下側にたるんでいてもかまわない。また、実施例においては、ロープを用いているが、例えば棒状のものであっても代用可能である。

上記のような条件においてカメラ２で撮影した被害エリア全域を含む撮影範囲４の画像データは、画素単位で次のように処理される。図４は、圃場１内の被害エリアをカメラ２で撮影したときの原理説明用の斜視図である。図中の符号８はカメラ２のレンズ、Ｆは焦点、１０はＣＣＤであり、１１はＣＣＤ１０の任意の画素座標ｉｊにある画素を示し、１２はこの画素１１によって撮影した圃場面積Ａｉｊを示している。また、図５はＣＣＤ１０の画素座標ｉｊにある任意の画素１１を示しており、図６はこの座標画素ｉｊにある画素にて取得した圃場撮影面積Ａｉｊを示している。ＣＣＤカメラにより斜め上方から圃場を撮影した場合、ＣＣＤカメラと被写体である圃場との距離が画素ごとに異なることになるため、図６で示すように、各画素によって得られる撮影面積の大きさに差が生じる。したがって、この差を補正する必要がある。補正には一般的に逆透視変換といわれる数学的解析法を使用すればよい。この逆透視変換を行うためには、マーカ５ａ、マーカ５ｂとは別の２つの基準点が撮影範囲４内に必要となる。従来では、撮影範囲内にさらに２つのマーカを設置して基準点としていたが、本発明においては、マーカ５ａ及びマーカ５ｂの圃場上の座標と撮影した画像とから、２つの仮想の基準点を設定する。

仮想の基準点の設定方法について図７を用いて説明する。図７では、マーカ５ａ及びマーカ５ｂを設置した基準点を、それぞれ点Ａ及び点Ｂと表示している。符号１３ａは、撮影範囲４の中心線である。符号αは、点Ｔ（カメラ２）と点Ａとを直結した直線と中心線１３ａとでなす角である。符号βは、点Ｔ（カメラ２）と点Ｂとを直結した直線と中心線１３ａとでなす角である。本発明では、点Ａ、点Ｂの中心線１３ａに対する対称点である点Ａ’、点Ｂ’をそれぞれ求め、これらを仮想の基準点とする。

まず、点Ａ’の座標の求め方について図８（ａ）を用いて説明する。点Ａ’は、点Ａの中心線１３ａに対する対称点である。点ａは、マーカ５ａの映像（点Ａ）が焦点Ｆを通ってＣＣＤ１０に受光された点である。符号１３ｂはＣＣＤ１０の中心線である。点ａ’は、点ａの中心線１３ｂに対する対称点であり、点Ａ’が焦点Ｆを通ってＣＣＤに受光された場合の仮想点になる。なお、点ａ、点ａ’のＣＣＤ１０上の座標は、撮影した画像データから求めることができる。点Ｃは、点Ａと点Ａ’の中点である。点ｃは、点ａと点ａ’の中点であり、中心線１３ｂ上に位置し、また、点ＣがＣＣＤ１０に受光された場合の仮想点でもある。符号α’は、点Ａと焦点Ｆとを結んだ直線ＡＦと、点Ｃと焦点Ｆとを結んだ直線ＣＦとがなす角であり、また、点ａと焦点Ｆとを結んだ直線ａＦと、点ｃと焦点Ｆとを結んだ直線ｃＦとがなす角でもある。点ＯはＣＣＤ１０の中心点である。直線ｃＯの長さは、カメラ２に搭載しているＣＣＤ１０のサイズ、総画素数及び点ｃ−Ｏ間の画素数により求めることができる。よって、直線ｃＦの長さは、直線ｃＯの長さとカメラ２の固有値である焦点距離（直線ＦＯ）とから計算できる。直線ａｃの長さは、ＣＣＤ１０のサイズ、総画素数及び点ａ−ｃ間の画素数により求めることができる。したがって、α’は、三角関数を用いて、直線ｃＦ及び直線ａｃの長さから計算できる。そして、αは、求めたα’と、点Ｔから焦点Ｆまでの高さｈｂと、点Ａから点Ｔまでの距離Ｘａとから求めることができる。ここで、図９に示すように、点Ａが、点Ｔを原点（０，０）とするＸ軸上にあるとし、点Ａの座標を（Ｘａ，０）とすると、点Ａの中心線１３ａに対する対称点は、Ｘ軸から２αだけ回転した点Ａ’となる。つまり、点Ａ’の座標は（Ｘａ・ｃｏｓ２α，Ｘａ・ｓｉｎ２α）となる。

次に、点Ｂ’の座標の求め方について図８（ｂ）を用いて説明する。点Ｂ’は、点Ｂの中心線１３ａに対する対称点である。点ｂは、マーカ５ｂの映像（点Ｂ）が焦点Ｆを通ってＣＣＤ１０に受光された点である。点ｂ’は、点ｂの中心線１３ｂに対する対称点であり、点Ｂ’が焦点Ｆを通ってＣＣＤ１０に受光された場合の仮想点になる。なお、点ｂ、点ｂ’のＣＣＤ１０上の座標は、撮影した画像データから求めることができる。点Ｄは、点Ｂと点Ｂ’の中点である。点ｄは、点ｂと点ｂ’の中点であり、中心線１３ｂ上に位置し、また、点ＤがＣＣＤ１０に受光された場合の仮想点でもある。符号β’は、点Ｂと焦点Ｆとを結んだ直線ＢＦと、点Ｄと焦点Ｆとを結んだ直線ＤＦとがなす角であり、また、点ｂと焦点Ｆとを結んだ直線ｂＦと、点ｄと焦点Ｆとを結んだ直線ｄＦとがなす角でもある。直線ｄＯの長さは、ＣＣＤ１０のサイズ、総画素数及び点ｄ−Ｏ間の画素数により求めることができる。よって、直線ｄＦの長さは、直線ｄＯの長さとカメラ２の固有値である焦点距離（直線ＦＯ）とから計算できる。直線ｂｄの長さは、ＣＣＤ１０のサイズ、総画素数及び点ｂ−ｄ間の画素数により求めることができる。したがって、β’は、三角関数を用いて、直線ｄＦ及び直線ａｃの長さから計算できる。そして、βは、求めたβ’と、点Ｔから焦点Ｆまでの高さｈｂと、点Ｂから点Ｔまでの距離Ｘｂとから求めることができる。ここで図９に示すように、点Ｂが、点Ｔを原点（０，０）とする点Ａと同一の平面上にあるとし、かつ、点ＡがＸ軸上にあるとすると、点Ｂの座標は、（Ｘｂ・ｃｏｓθ，Ｘｂ・ｓｉｎθ）となり、点Ｂの中心線１３ａに対する対称点である点Ｂ’は、Ｘ軸から（２β＋θ）だけ回転した点Ｂ’と考えることができる。つまり、点Ｂ’の座標は（Ｘｂ・ｃｏｓ（２β＋θ），Ｘｂ・ｓｉｎ（２β＋θ））となる。なお、前記θは、αとβの差である。

上記のようにすることで、点Ａの座標を（Ｘａ，０）とした場合における点Ｂ、点Ａ’及び点Ｂ’の座標を求めることができる。すなわち、圃場１の撮影範囲４内に２つのマーカ（マーカ５ａ及びマーカ５ｂ）を設置した画像を取得し、該画像から逆透視変換に必要な４つの基準座標を相対座標として得ることができる。

次に本発明のもう一つの方法について説明する。図１０に示すように、圃場１の被害エリアを含む撮影範囲４内にカメラ２、マーカ５ａ及びマーカ５ｂが一直線上になるように設置して画像を取得するのがもう一つの方法である。すなわち、前述の方法において、カメラ２とマーカ５ｂ（点Ｂ）とを直結した直線上にマーカ５ａ（点Ａ）を設置したケースである。このようにマーカを設置する利点は、図１１、１２に示すように、点Ｔと点Ａとを直結した直線と中心線１３ａとがなす角（図中の符号β）と、点Ｔと点Ｂとを直結した直線と中心線１３ａとがなす角が等しくなることである。このことにより、本発明の第１の方法に比べ、逆透視変換に必要な４つの基準座標である相対座標を容易に計算することができる。

図１３に示すように、点Ｂが、点Ｔを原点（０，０）とするＸ軸上にあるとし、点Ｂの座標を（Ｘｂ，０）とすると、中心線１３ａに対する点Ｂの対称点は、Ｘ軸から２βだけ回転した点Ｂ’となる。つまり、点Ｂ’の座標は（Ｘｂ・ｃｏｓ２β，Ｘｂ・ｓｉｎ２β）となる。点Ａも、点Ｔを原点（０，０）とするＸ軸上にあることになるので、点Ａの座標を（Ｘａ，０）とすると、点Ａの中心線１３ａに対する対称点は、Ｘ軸から２βだけ回転した点Ａ’となる。つまり、点Ａ’の座標は（Ｘａ・ｃｏｓ２β，Ｘａ・ｓｉｎ２β）となる。こうして、点Ａの座標を（Ｘａ，０）、点Ｂの座標を（Ｘｂ，０）とした場合の点Ａ’及び点Ｂ’の座標を求めることができるので、逆透視変換に必要な４つの基準座標を相対座標として得ることができる。

なお、カメラを設置するに際して、カメラの左右方向の水平を正確に確保することで、より高い精度の測定を行える。ここでいうＣＣＤカメラの左右方向の水平とは、図８（ａ）中のＣＣＤ１０の下部（直線ＰＱ）が地表面と平行な位置にあることである。カメラの左右方向の水平は、水準器などにより確保することができる。

次に、ＣＣＤ上の点ａ・点ｂ・点ａ’・点ｂ’が、オルソ画像上の点Ａ・点Ｂ・点Ａ’・点Ｂ’に変換されるような逆透視変換行列を算出する。この逆透視変換行列は、４組の対応点から計算できる透視変換行列の逆行列であることが知られているので、ここでは概要のみを説明する。まず、透視変換行列Ｈは、次の数式１に示すように、３行３列の行列で表される。

数式１の行列は、その要素の比だけが問題となるので、点ｐ（ｘ，ｙ）から点ｐ’（ｘ’，ｙ’）への変換は、同次座標を使って、次の数式２で記述される。

数式２を書き換えると、次の数式３となる。

数式３をさらに書き換えると、次の数式４となる。

点Ａと点ａ・点Ｂと点ｂ・点Ａ’と点ａ’・点Ｂ’ と点ｂ’の４組の対応点を考えて、それらを連立させると、次の数式５を得る。

数式５の左辺の最初の８行８列の行列をＥ、左辺の列ベクトルをＭ、右辺の列ベクトルをＧとすると、数式５は次の数式６に書き換えられる。

ここで、求めたいのは、列ベクトルＭであるので、通常の行列演算によって、列ベクトルＭは、次の数式７に基づいて算出することができる。

なお、本発明は逆透視変換であるので、変換式は次の数式８になる。

上記数式７で求められたｍ₁〜ｍ₈と上記数式８の変換式とを用いて、撮影した原画像を逆透視変換する。これにより、各画素の撮影面積を補正したオルソ画像が得られる。得られたオルソ画像上の被害エリアの面積は、該被害エリアを受光した画素数と該画素の対応面積で計算できる。この計算方法については、画像データを２値化して、画素ごとに正常エリア、被害エリアに分別するなど、一般的な画像処理方法を用いればよい。

撮影状態を示した説明図である。撮影時のマーカの高さ方向の位置関係を示した説明図である。撮影時のカメラとマーカの位置関係を示した説明図である。被害エリアをカメラで撮影したときの原理説明用の斜視図である。ＣＣＤの任意の位置にある画素を示した図である。受光する面積が画素ごとに異なることを示したイメージ図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。撮影時のカメラとマーカの位置関係を示した説明図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。仮想の基準点を設定するための説明図である。

符号の説明

１圃場
２カメラ
４被害エリア
５ａマーカ
５ｂマーカ
６ポール
７ａロープ
７ｂロープ
８レンズ
１０ＣＣＤ
１１画素
１２任意の位置の画素で撮影した圃場面積
１３ａ圃場の撮影範囲における中心線
１３ｂＣＣＤ上の中心線

Claims

カメラで圃場内の被害エリアを含む撮影範囲を斜め上方から撮影する工程と、
撮影した画像から逆透視変換によりオルソ画像を得る工程と、
前記オルソ画像上の被害エリア面積を、被害エリアの情報を受光した画素の数と該画素の対応面積とから求める工程とからなる圃場被害エリアの面積測定方法において、
前記撮影範囲に２つのマーカを設置した画像を取得し、該画像上の２つのマーカの位置をそれぞれ基準点とし、前記画像の中心線に対する２つの前記基準点の対称点をそれぞれ求め、これら２つの対称点を仮想基準点とし、２つの前記基準点と２つの前記仮想基準点との４点の座標を、前記画像の逆透視変換に必要な４点の基準座標とすることを特徴とする圃場被害エリア面積簡易測定方法。
カメラと一直線上の位置になるように２つのマーカを設置する請求項１に記載の圃場被害エリア面積簡易測定方法。