JP5134784B2 - 空中写真測量方法 - Google Patents

Description

本発明は、空中写真測量方法に関するものである。

航空機等の飛行体から撮影した撮影画像を利用する空中写真測量は、例えば、非特許文献１に記載されるように、各撮影画像を標定して、同一地上対象物が撮影された複数枚の航空写真の対を撮影時の位置関係を解析的手法により再現し、得られた立体モデルの所定点を地上基準点に連結することにより写真上の任意点の位置情報を得るものである。

そして、モデル数の多い空中写真測量に当たっては、モデル毎の絶対標定を行うのではなく、空中三角測量が利用される。

しかし、空中三角測量において多数のコース、立体モデル等を構成単位とする撮影領域（ブロック）全体に渡って均質な精度を確保するためには、ブロック調整用の地上基準点を多数要するために、作業性が悪いという問題がある。
中村英夫・清水英範共著、「測量学」、技報堂出版株式会社、２０００年２月１０日、ｐ．３１５-３５５

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、作業性が良好で、かつ、高い精度を保持可能な空中写真測量方法の提供を目的とする。

本発明によれば上記目的は、
地上所定高度を飛行する飛行体１から撮影した複数の撮影画像２の外部標定要素および撮影画像２中に指定された求点の地上座標を求める空中写真測量方法であって、
飛行体１に搭載したＧＰＳ３及びＩＭＵ４により直接定位された各撮影画像２のカメラ位置及びカメラ姿勢と、撮影画像２の重複領域２０に指定されたタイポイント５とに基づく同時調整計算により、複数の撮影画像２を調整して連結させたブロック２１を求め、
次いで、測量範囲に配置された適数の地上基準点６に基づいて前記ブロック２１を幾何補正して外部標定要素及び求点座標を得る空中写真測量方法を提供することにより達成される。

撮影画像２の取得に際してカメラ位置、正確には投影中心位置（ｘ，ｙ，ｚ）は飛行体１に搭載したＧＰＳ３からの出力値により、カメラ姿勢（ロール角ω，ピッチ角φ，ヨー角κ）はＩＭＵ４（Inertial Measurement Unit：慣性測量装置）からの出力値により直接定位される。

一方、この直接定位をそのまま外部標定要素として撮影画像２の標定を行って求点座標を求めた場合の精度は、大縮尺図化時等の高い精度要求に応えるには限界がある。この主な要因としては、ＧＰＳ衛星数や配置に基づく精度の劣化、楕円体高を標高に変換する際のジオイドモデルに起因する定誤差などが想定される。また、ＧＰＳ３およびＩＭＵ４の誤差は、ステレオモデル上の視差となって現れる。

これら問題を解決するために、外部標定するために利用され、すでに外部標定要素がＧＰＳ３等の出力値として与えられている本発明においては本来無関係な空中三角測量などにおいて多用されるブロック調整を上記直接定位データを含めて実施する。

ブロック調整に際しては地上基準点６やタイポイント５を調整要素として利用することが可能であるが、上述した視差の除去には地上座標の情報までは必ずしも必要ではなく、タイポイント５を用いて調整すれば足りる。また、ブロック調整の手法としては、多項式法、独立モデル法が利用できるが、厳密解を提供するバンドル法を利用することにより精度をより向上させることが可能であり、したがってこの場合、ブロック調整は、重複する撮影画像２のそれぞれの投影中心から投影されるタイポイント５の交会を条件として行うことが望ましい。

一方、上述した定誤差を修正するためには、地上座標系の情報に基づいて行う必要があるが、誤差はほぼ一定の傾向を持つものであると仮定できるために上述したようなバンドル法を用いるまでもなく、幾何補正によっても所定の精度を満たすことが可能となる。したがってこの場合、上述した視差が調整されたブロック２１に対して地上基準点６に基づいて検証し、その傾向を把握し、幾何補正すれば足りる。特に、上述したようにタイポイント５によるブロック調整時にバンドル法による厳密な調整がなされた場合、幾何補正においては、平面成分及び高さ成分の定誤差はブロック２１全体で一律と仮定しても所定の精度を満たすことが可能になる。この為、空間相似変換による平面成分及び高さ成分の同時変換、あるいは平面成分の補正と高さ成分の補正を分離して行う手法により精度を満たすことが可能になる。

なお、タイポイント５および地上基準点６からなるブロック調整点に加えて地上座標が既知の検証点を設定し、タイポイント５の残差、地上基準点６の残差及び検証点による較差により精度検証するように構成した場合には、精度管理を確実に行うことができる。

本発明による方法は、
地上所定高度を飛行する飛行体１から撮影した複数の撮影画像２の外部標定要素および撮影画像２中に指定された求点の地上座標を求める空中写真測量装置であって、
飛行体１に搭載したＧＰＳ３及びＩＭＵ４により直接定位された各撮影画像２のカメラ位置及びカメラ姿勢の情報からなる直接定位データを入力する直接定位データ入力部９と、
入力された前記直接定位データと、撮影画像２の重複領域２０に指定されたタイポイント５とに基づく同時調整計算により、複数の撮影画像２を調整して連結させたブロック２１を求めた後、測量範囲に配置された適数の地上基準点６に基づいて前記ブロック２１を幾何補正して外部標定要素及び求点座標を得るブロック調整部１０とを有する空中写真測量装置を使用することにより実現可能であり、この測量装置は、所定の実行手順が記載されたプログラムに従って実行される汎用のコンピュータシステムによって構成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、直接定位データを使用する場合の地上基準点数の低減という利点を活かしたまま、ブロック調整により精度向上を図ることができるために、精度を維持したままで測量効率を向上させることができる。

図１ないし図５に本発明の第１の実施の形態を示す。まず、空中写真測量に際し、図２（ｂ）に示すように、ＧＰＳ３、ＩＭＵ４を搭載した航空機１から測量領域を撮影し、これをスキャナにより読み込んでディジタル化された撮影画像２を取得する。この実施の形態において、撮影は、１／５００図化を想定して１／４０００の縮尺で行われる。なお、以上において、撮影画像２は航空写真ネガフィルムをスキャニングして得る場合を示したが、デジタルカメラを使用して直接デジタル化された撮影画像２を得ることもできる。

撮影は、図２（ａ）中において矢印で示す撮影コースに沿って隣接する撮影画像２、２同士と、コースが隣接する撮影画像２、２同士が各々所定のオーバラップ率（Ｒｏ）及びサイドラップ率（Ｒｓ）で重合するように行われる。

また、地上には、ブロック調整点７及び検証点８として使用される地上基準点６が設定される。これらの地上基準点６は、基準点測量により平面位置及び標高が予め測定され、複数の撮影画像２全体により構成されるブロック２１の四隅にブロック調整点７が位置し、さらに、検証点８がその近傍に位置するように各々配置される。図２（ａ）においてブロック調整点７を黒丸で、検証点８を白丸で示す。

撮影に際してＧＰＳ３、ＩＭＵ４の出力が同期して取得され、これらから撮影時のカメラ位置及びカメラ姿勢が定位される。

図１に示すように、空中写真測量装置は、直接定位データ入力部９、撮影画像入力部１１ａ及び地上基準点位置データ入力部１１ｂからなる入力部１１と、演算部１２とを有する。撮影時にＧＰＳ３、ＩＭＵ４から取得したカメラ位置（ＧＰＳ３出力）及びカメラ姿勢（ＩＭＵ４出力）情報は、直接定位データとして直接定位データ入力部９に、撮影画像２は撮影画像入力部１１ａに、地上基準点６の位置データは地上基準点位置データ入力部１１ｂに各々入力される。

演算部１２は、タイポイント設定部１２ａ、ブロック調整部１０及び検証部１３を有し、上記ディジタル化された各撮影画像２にはタイポイント設定部１２ａにおいて、少なくとも２枚以上に撮影されている領域がタイポイント５して抽出される。タイポイント５の抽出は、目視により、あるいはパターンマッチングによる自動抽出により地上基準点６あるいは目印となる地表物を抽出することにより行う。抽出されたタイポイント５を図２（ａ）において白抜きの矩形枠で示す。

タイポイント５の抽出により、複数の撮影画像２が互いに関連付けられた状態となって、全体としてブロック２１を構成することとなり、次いで、このブロック２１に対してブロック調整部１０においてブロック調整を行う。ブロック調整は、タイポイント５全点が立体モデル上の対応点に交会することを条件とする、いわゆるバンドル法ブロック調整により行われる。ブロック調整においては、上記直接定位データも調整対象とされる。

次いで、ブロック調整部１０におけるブロック調整の結果は検証部１３において精度検証され、精度が所定の閾値を超える場合には、再測等がなされる。検証項目には、公共測量作業規程等に定められている評価項目を含めるのが望ましく、この実施の形態においては、タイポイント交会残差が設定される。閾値も、上記公共測量作業規程等を満足するように設定するのが望ましく、この実施の形態において、１／５００図化の場合には、例えば、
タイポイント交会残差の平均二乗誤差が１５μｍ以内、最大値３０μｍ以内に設定される。

また、１／１０００図化の場合も同様に、例えば、
タイポイント交会残差の平均二乗誤差が１５μｍ以内、最大値３０μｍ以内に設定される。

ブロック調整の精度が検証部１３における閾値以内である場合には、出力部１４から例えば図化機に出力されて図化された後、必要位置が計測される。

以上、本発明の実施の形態を１／５００図化を想定して構成する場合を例にとって説明したが、１／１０００、あるいはこれよりも小さい縮尺の作業にも使用できることは勿論である。

図６ないし図８に本発明の第２の実施の形態を示す。なお、この実施の形態において上述した実施の形態と同一の構成要素は図中に同じ符号を付して説明を省略する。この実施の形態は直接定位データをそのまま外部標定要素とした場合に生じる誤差の原因、傾向に着目して誤差の調整手法を変更したもので、ブロック調整は、視差を除去するためのバンドル法と、定誤差を解消するための幾何補正とを複合して構成される。

この実施の形態におけるバンドル法によるブロック調整は直接定位データとタイポイント５を用い、上述した第１の実施の形態およびこれに対応する後述する実施例と同様に、ＧＰＳ３、ＩＭＵ４から撮影時のカメラ位置及びカメラ姿勢が定位され、タイポイント５はタイポイント設定部１２ａ、あるいは目視により適宜抽出される。

撮影は、図６（ａ）に示すように各撮影画像２がほぼ６０％のオーバーラップ率（Ｒｏ）、およびほぼ３０％のサイドラップ率（Ｒｓ）で重合するように行われる。また、図６（ａ）右端に示すように、撮影コースをほぼ直交方向に交差させた、いわゆるクロスストリップを利用することにより、重合率の低いサイドラップ方向の精度が補うことも可能である。

空中写真測量装置は、図７に示すように、演算部１２がタイポイント設定部１２ａとブロック調整部１０、検証部１３により構成される。検証部１３では、上述した実施の形態と同様に精度検証する。また、検証結果に応じて再測等を促すようにすることも可能である。また、上記ブロック調整部１０は、バンドル法によるブロック調整により基準となるブロック２１を作成するブロック作成部２２と、これにより得られたブロック２１に対して幾何補正を行うブロック補正部２３とを有する。

タイポイント５は、図８に示すように上述した実施の形態同様、各撮影画像２において隣接する他の撮影画像２と重合する領域（重複領域２０）において適宜抽出され（ステップＳ１）、ブロック２１の作成は、ＧＰＳ３、ＩＭＵ４のデータに基づいて決定された各撮影画像２取得時のカメラ位置及びカメラ姿勢に基づき、隣接する撮影画像２のそれぞれの投影中心から投影されるタイポイント５が交会することを条件とするバンドル法ブロック調整により、全ての撮影画像２を同時に調整して一体に連結させて行われる（ステップＳ２）。

作成されたブロック２１は、次いで、ブロック補正部２３により補正される。ブロック２１は、予め地上基準点６がその四隅部において撮影されるように適宜調節して形成されており、上述の補正に際しては、先ずブロック２１上において地上基準点６を反映しているブロック調整点７’が抽出される（ステップＳ３）。ブロック調整点７’の抽出は、目視により行われるが、パターンマッチングによる自動抽出を行っても良い。ブロック補正部２３は、地上基準点６、すなわち地上座標に基づくブロック調整点７と、上述したブロック２１上で抽出されるブロック調整点７’とを介してブロック２１の直接定位データ等に基づく座標系を地上座標系に合致させるように変換する（ステップＳ４）。

ブロック調整点７としての地上基準点６の地上座標値は地上基準点位置データ入力部１１ｂからの入力に基づき、上述した変換を行う。具体的には、４点の地上基準点６の地上座標とブロック２１上での座標とをＸ、Ｙ、Ｚ軸上で比べ、ＸＹ軸方向（平面位置）の相違についてはアフィン変換を行い、Ｚ軸方向（高さ位置）の相違については両座標系間の差異の平均値を一律に与えてブロック２１を垂直移動させることにより、ブロック２１上での座標と地上座標との整合を図る。図６（ｂ）はブロック２１を回転、拡大・縮小、平行移動等させるアフィン変換の一例である回転処理を施した場合を例示したもので、同図において実線はブロック２１上での座標に基づく位置を表し、二点鎖線は地上座標に基づく位置を、矢印は回転処理を表す。

また、以上のブロック２１の補正に際しては、ブロック２１上での座標により特定される仮想としてのブロック調整点７’と、地上座標値により特定される実体としての地上基準点６（ブロック調整点７）との残差が検査部２４により点検され（ステップＳ３）、この残差に基づいて幾何補正の変換パラメータが決定される（ステップＳ４）。

なお、上述した幾何補正においては、それぞれ４点の地上基準点６（ブロック調整点７）およびブロック調整点７’に基づいて平面成分にはアフィン変換を行い、高さ成分には誤差の平均値を一律に与える場合を示したが、例えば平面成分の残差の傾向に応じて地上基準点６（ブロック調整点７）を３点にして平面成分についてヘルマート変換を用いたり、高さ成分について多項式を用いて算出したり、あるいは平面、高さ成分を空間的な相似変換により一括変換するなど、地上基準点６数、幾何補正方法については、実験的に適宜決定することが可能である。また、地上基準点６はタイポイント５を兼ねて構成することも可能で、この場合ブロック２１作成時には地上基準点６はブロック２１上の座標系に基づくタイポイント５のみの対象とし、一方、ブロック２１補正時には、ブロック調整点７’としての役割と、地上座標値を示す役割とを果たすように用いればよい。

次に、ステップＳ５にて、幾何補正後の精度点検を行う。具体的には、幾何補正を行った後、各ブロック調整点の残差を求めることにより、測量精度の評価を実施することができる。

以下に、上述した第１の実施の形態に示す本発明の有効性を確認するために行った実験を示す。実験は、ＧＰＳ３、ＩＭＵ４からの出力を標定要素として使用したモデルを構築し、検証点８を観測して実測値と比較することにより精度等の観測を行った。

また、直接定位データを用いたブロック同時調整の精度検証を行うため、いくつかの条件でブロック調整を行い比較、検証した。
１．実験ブロックの概要
実験は大縮尺図化の範疇に入ると思われる１／５００図化時を想定した１／４０００撮影で実施した。撮影諸元を表１に示す。なお、カメラ座標系に対するＧＰＳアンテナの位置関係及びＩＭＵ座標系との位置関係、取り付け角度等のキャリブレーションは、実測及び事前のボアサイトキャリブレーションにより決定済みである。位置関係はｃｍレベル、角度は０．００５度以下のレベルで調整されている。

図３に各々のブロックの主点位置とブロック調整点７、検証点８の配置を示す。図中主点位置は白丸で、ブロック調整点７または検証点８は三角形で示される。地上参照局にはつくば３の１秒間隔データを用い、ＧＰＳ３のイニシャライズを飛行中に行う、インエアーアライメントを実施した。

ブロック調整点７（検証点８）には写真上で明瞭に判読できる路面表示等を選択し、電子基準点つくば１を予点としてＧＰＳ３測量により実測を行った。
２．直接定位計算
撮影ミッション時に取得されたＧＰＳ３およびＩＭＵデータと地上参照局のＧＰＳ３データを用いて直接定位計算を実施した。直接定位の計算はキネマティックＧＰＳ解析、ＩＭＵデータの合成解析、各写真の外部標定要素の算出の順に実施される計算機プログラムを使用した。

キネマティックＧＰＳ解を求める際に、時系列正反方向の較差と、位置の標準偏差を求めて、これらを検証したところ、較差は１０ｃｍ以内、標準偏差は数ｃｍであることが確認できた。また、ＧＰＳ３とＩＭＵ４の合成後の位置の標準偏差も数ｃｍであり、直接定位の解析は良好であると判断した。
３．写真画像のデジタル化
以降の解析をデジタル・フォトグラメトリックワークステーション上で行うために、取得された航空写真ネガフィルムをフォトグラメトリックスキャナーによりデジタルデータ化した。スキャナーはLeica DSW500を使用し、解像度１０μmでスキャニングを実施した。
４．直接定位による検証点の観測
比較のために、デジタル・フォトグラメトリックワークステーションを用いて、直接定位により算出された外部標定要素のみを使用してステレオモデルを構築し、検証点を観測した。
５．ブロック調整
デジタル・フォトグラメトリックワークステーション上で稼働する自動空中三角測量プログラムによりブロック調整を行った。この際、外部標定要素には、直接定位で得られたものが使用され、タイポイント５は、５×５の格子状に配置されるように設定し、自動空中三角測量プログラムにより自動抽出した。自動抽出された点は異常値検索により検出された点及び視差が大きな点が削除されて必要に応じて再観測される。

以降の解析はＧＰＳ／ＩＭＵデータを同時調整できるバンドル法空中三角測量プログラムを用いて実施した。
６． 結果
表にブロック４隅の４点を固定してブロック調整を行った場合、ブロック中央部の１点のみを固定してブロック調整を行った場合の基準点・検証点残差の最大・平均二乗誤差を示す。ブロック調整に際しては、主点位置（ｘｙｚ）に約７ｃｍ、ω、φに０．００５度、κに0.008度、固定する基準点にはＸ、Ｙ、Ｚそれぞれ５ｃｍの重量を与えた。

また、表には、本発明との比較のために、直接定位データのみを用いて構築したモデル上で観測した場合と、直接定位のデータを使用せず、４隅の基準点だけでブロック調整を行った場合における基準点・検証点８残差の最大・平均二乗誤差を示した。

図４はこれらの結果を検証点位置上にプロットした図を示すもので、本発明において４点を固定した場合が図４（ａ）に、１点を固定した場合が図４（ｂ）に、また、比較例である直接定位データのみの場合が図５（ａ）に、直接定位データを使用しない場合が図５（ｂ）に各々対応する。なお、図４、５において平面較差が対象点からのベクトルで、高さ方向の較差が円の半径により示される。また、ブロック調整時における固定点は方形枠で囲って示される。

表２及び図４、５から明らかなように、直接定位データを同時調整することにより、直接定位データをそのまま使用する場合に比して、精度向上が得られることが明らかになった。

また、ブロック調整に当たっては、１点固定の場合であっても、４点固定に比して大きな精度の低下が見られないことから、１点の基準点の場合であっても、十分な精度が得られることが確認できた。

さらに、１／５００地形図の精度基準は平面および高さとも標準偏差で０．２５ｍとされており、また、従来のバンドル法空中三角測量における１／４０００撮影時の基準点残差の制限値は、平面、高さともに標準偏差で１２ｃｍ、最大値が２４ｃｍに相当するが、本発明の実施例における結果は、これらの範囲内に入っていることから、１／５００の大縮尺図化に使用可能であることが確認できた。

本発明の第１の実施の形態の空中写真測量装置を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態の実施方法を示す説明図で、（ａ）は撮影画像の取得状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 実施例の撮影コースを示す図である。 実験結果を示す図である。 比較例の実験結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の実施方法を示す説明図で、（ａ）は撮影画像の取得状態を示す図、（ｂ）は幾何補正を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の空中写真測量装置を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態の空中写真測量装置の処理手順を示す図である。

符号の説明

１ 飛行体
２ 撮影画像
３ ＧＰＳ
４ ＩＭＵ
５ タイポイント
６ 地上基準点
９ 直接定位データ入力部
１０ ブロック調整部
２０ 重複領域
２１ ブロック

Claims (4)

1. 地上所定高度を飛行する飛行体から撮影した複数の撮影画像の外部標定要素及び撮影画像中に指定された求点の地上座標を求める空中写真測量方法であって、
   飛行体に搭載したＧＰＳ及びＩＭＵにより直接定位された各撮影画像のカメラ位置及びカメラ姿勢と、撮影画像の重複領域に指定されたタイポイントとに基づく同時調整計算により、複数の撮影画像を調整して連結させたブロックを求め、
   次いで、測量範囲に配置された適数の地上基準点に基づいて前記ブロックを幾何補正して外部標定要素及び求点座標を得る空中写真測量方法。
2. 前記幾何補正は、高さ成分の補正をブロック全体に一律に行う請求項１記載の空中写真測量方法。
3. 前記幾何補正は、平面成分の補正をブロック全体に一律に行う請求項１または２記載の空中写真測量方法。
4. 地上所定高度を飛行する飛行体から撮影した複数の撮影画像の外部標定要素及び撮影画像中に指定された求点の地上座標を求める空中写真測量装置であって、
   飛行体に搭載したＧＰＳ及びＩＭＵにより直接定位された各撮影画像のカメラ位置及びカメラ姿勢の情報からなる直接定位データを入力する直接定位データ入力部と、
   入力された前記直接定位データと、撮影画像の重複領域に指定されたタイポイントとに基づく同時調整計算により、複数の撮影画像を調整して連結させたブロックを求めた後、測量範囲に配置された適数の地上基準点に基づいて前記ブロックを幾何補正して外部標定要素及び求点座標を得るブロック調整部とを有する空中写真測量装置。
   
   
   

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