JP5384316B2 - 変位計測装置、変位計測方法、及び変位計測プログラム - Google Patents

Description

本発明は、地表面の三次元的な変位を計測する変位計測装置、変位計測方法、及び変位計測プログラムに関する。

変位計測技術は、例えば、地滑りの解析・対策、土工事や土構造物の構築・管理等において重要である。

変位計測技術にはいろいろな方式が提案されており、地滑り現象に関しては、例えば、測量を行いたい対象物上に予め反射板を設置し、光の照射及び反射光の観測により移動量を計測するものなどが知られている。また、航空・衛星写真測量技術を用いるものも知られている。航空・衛星写真測量技術を用いる方式は反射板等の設置が不要であるので、広い範囲や近寄りにくい場所の地滑り観測に好適である。従来、航空・衛星写真測量技術を利用して地滑り解析を行う場合、地滑り前後の空中・衛星写真や地形データを用いて、地滑りによる地形変化を把握している。

当該地形変化の解析の従来の基本的な手法では、人間が目視により画像から変位追跡点を探し出し、画像間の変位特徴点の対応付けをマニュアル操作で行って、変位ベクトルを求める。

地形データは、例えば航空レーザ計測により高精度に取得することができる。なお、レーザ計測は画像のような色彩情報、テクスチャ情報を取得することができず、レーザ計測データのみでは変位計測点を高精度に特定することが難しい。そのため、従来、色彩やテクスチャの情報が得られる空中写真と合わせて変位計測に用いられている。

小岩弘道、福澤由美子、稲澤保行、「八幡平澄川地すべり計測及び解析−ＧＩＳを利用した解析例−」、ＡＰＡ、財団法人日本測量調査技術協会、１９９９年１２月、Ｎｏ．７４、ｐ．６０−６５

地滑りのように広範囲で変位特徴点が多数となり得る解析は、人間の作業への負荷が大きく、従来手法では正確かつ効率的な変位追跡や変位ベクトルの取得は容易ではない。

また、航空・衛星写真測量技術を用いる場合、地滑り等の発生前後の撮影時期に大きな間隔が空いたり、撮影の季節が異なり得る。このような場合、地表面の変位以外の要因で航空・衛星写真の内容に相違が生じ、航空・衛星写真測量技術を用いた自動変位計測では精度が低下し得るという問題がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、航空・衛星写真を必要とせずに地形データに基づいて、観測対象領域内の注目部分の三次元的な変位を効率的に検出し良好な精度で計測する変位計測装置、変位計測方法及び変位計測プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る変位計測装置は、観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換部と、複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理部と、前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算部と、前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算部と、を有する。

本発明に係る変位計測方法は、観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換ステップと、複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理ステップと、前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算ステップと、前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算ステップと、を有する。

本発明に係る変位計測プログラムは、コンピュータを変位計測手段として機能させるための変位計測プログラムであって、コンピュータに、観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換機能と、複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理機能と、前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算機能と、前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算機能と、を実現させる。

本発明によれば、撮影間隔の影響を受け易い航空・衛星写真を必要とせずに、地形データに基づいて、観測対象領域内の変位追跡点の三次元的な変位を効率的かつ良好な精度で計測することができる。

本発明の実施形態に係る変位計測システムの概略のブロック図である。 演算処理装置における処理の概略のフロー図である。 起伏特徴画像上での追跡処理を説明する模式図である。 図３の処理から得られる二次元変位ベクトルを示す模式図である。 地形データの模式図である。 二次元変位ベクトルから三次元変位ベクトルを求める処理を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）である変位計測システム２について、図面に基づいて説明する。本システムは地滑り等により生じる地表の変位計測に用いられる。図１は、変位計測システム２の概略の構成を示すブロック図である。本システムは、演算処理装置４、記憶装置６、入力装置８及び出力装置１０を含んで構成される。演算処理装置４として、本システムの各種演算処理を行う専用のハードウェアを作ることも可能であるが、本実施形態では演算処理装置４は、コンピュータ及び、当該コンピュータ上で実行されるプログラムを用いて構築される。

当該コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）が演算処理装置４を構成し、後述するウェーブレット変換部２０、追跡処理部２２、三次元座標演算部２４及び変位ベクトル演算部２６として機能する。

記憶装置６はコンピュータに内蔵されるハードディスクなどで構成される。記憶装置６は演算処理装置４をウェーブレット変換部２０、追跡処理部２２、三次元座標演算部２４及び変位ベクトル演算部２６として機能させるためのプログラム及びその他のプログラムや、本システムの処理に必要な各種データを記憶する。例えば、記憶装置６は、処理対象データとして複数の時期に取得された観測対象領域の航空レーザ計測データ又は地形データを格納する。例えば、観測対象領域として地滑りが生じた地域を設定し、当該領域において地滑りの前後に航空レーザ計測データ又は地形データを取得する。

入力装置８は、キーボード、マウスなどであり、ユーザが本システムへの操作を行うために用いる。

出力装置１０は、ディスプレイ、プリンタなどであり、本システムにより求められた変位計測結果を画面表示、印刷等によりユーザに示す等に用いられる。また、変位計測結果に関するデータを他のシステムで利用できるよう、データとして出力してもよい。

ウェーブレット変換部２０は、観測対象領域の地形データをウェーブレット変換する。当該変換により生成される画像を、ここでは起伏特徴画像と称する。

追跡処理部２２は複数時刻の地形データそれぞれから生成される起伏特徴画像について時刻相互間でのパターンマッチングを行う。パターンマッチング処理により、或る時刻にて観測対象領域の起伏特徴画像上の変位追跡点が、他の時刻における起伏特徴画像のどの位置と対応するかが探索される。パターンマッチング処理については、後述する。

三次元座標演算部２４は、変位追跡点の起伏特徴画像上での位置、及び当該位置での地形データの高さ情報に基づいて、当該変位追跡点の三次元座標を求める。

変位ベクトル演算部２６は、各時刻での変位追跡点の三次元座標に基づいて変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める。

以下、演算処理装置４にて行われる処理について説明する。図２は、演算処理装置４における処理の概略のフロー図である。航空レーザ計測では、レーザ測距データとＧＰＳ／ＩＭＵ（Global Positioning System/Inertial Measurement Unit）データとからなる航空レーザ計測データが航空機等の飛行中に蓄積され、当該航空レーザ計測データを処理することにより数値表層モデル（Digital Surface Model：ＤＳＭ)や数値地形モデル(Digital Terrain Model：ＤＴＭ)が生成される。ここで、ＤＳＭは建物や樹木の高さを含み、一方、ＤＴＭは、建物や樹木の高さを取り除いた地表の高さを表す。ＤＴＭは、航空レーザ計測データから作成したＤＳＭをフィルタリング処理することにより生成することができる。

地滑りに伴う地表の変位を計測する際に、演算処理装置４は例えば、処理対象データとして航空レーザ計測データを与えられている場合には、当該航空レーザ計測データから地形データとしてＤＴＭ、又はＤＳＭを生成する（Ｓ４０）。当該処理Ｓ４０は複数時期の処理対象データそれぞれについて行われる。

一方、処理対象データとしてＤＴＭ、又はＤＳＭが与えられている場合には、これを地形データとして用いてもよい。この場合、地形データの生成処理Ｓ４０は省略できる。

地形データは、地形の三次元座標のデータである。例えば、地形データは、ｘｙｚ直交座標系を用いて表され、水平面をなすｘｙ平面の各点に、地表の高さを表すｚ座標値が対応付けられる。

ウェーブレット変換部２０は観測対象領域の複数時期の地形データをそれぞれウェーブレット変換し、起伏特徴画像を生成する（Ｓ４２）。ウェーブレット変換では、ウェーブレット関数と呼ばれる局在性を有する波の関数を地表の起伏にあてはめ、その波と起伏との相関関係の程度を表すウェーブレット係数を求める。地形データに対するウェーブレット変換は、地形面の微細な起伏（微地形）を強調することができる。

ウェーブレット関数には様々なものが存在するが、連続ウェーブレット変換によく用いられるものとしてメキシカンハット（Mexican Hat）関数があり、離散ウェーブレット変換に用いられるものとしてハール（Haar）関数がある。ｘｙ平面で定義される２次元のメキシカンハット関数ψ(x,y)は次式で表される。

このメキシカンハット関数ψを用いた場合のｘｙ平面内の任意の座標（ａ，ｂ）でのウェーブレット係数Ｃは次式で表される。

ここで、ｚ(x,y)は座標（ｘ，ｙ）でのｚ座標値であり、地形データにより与えられる。また、ｓは関数ψのスケールである。スケールｓに応じてウェーブレット関数の波の波長が変化し、z(x,y)に含まれる様々な周波数成分のうち係数Ｃに寄与する周波数が変化する。スケールｓは、関心がある空間変化の周波数ｆ（又は波長λ）に応じて設定される。なお、スケールｓは、係数Ｃに寄与する成分の代表周波数ｆとの間に以下の関係を有する。
ｆ＝(５／２)^１／２／２πｓ≒０．２５２／ｓ

また、波長λと周波数ｆとはλ＝１／ｆの関係にあることから、
λ≒４ｓ
となる。

起伏特徴画像は、ウェーブレット係数Ｃ(s,a,b)を、ｘｙ平面内の座標（ａ，ｂ）に対応する画素値とする画像であり、当該画像には段差、亀裂、凹地、小丘等の微地形が強調されて表現される。

ハール関数を用いた離散ウェーブレット変換による解析においては、次式で表されるハール関数ψ及びスケーリング関数φを用いて、縦、横、対角方向それぞれに解析が進められる。

追跡処理部２２は、起伏特徴画像を追跡用画像として用いて、水平面内で変位追跡点を追跡して（Ｓ４４）、二次元変位ベクトルを求める（Ｓ４６）。変位追跡点の追跡には、例えば粒子画像流速測定法（Particle Image Velocimetry：ＰＩＶ）やオプティカルフローなどの画像相関法を用いることができる。ＰＩＶは変位ベクトル検出の代表的な手法の１つであり、対象領域内における複数点での変位ベクトルを同時に取得することができる。具体的には、或る時刻にて観測対象領域に対応する起伏特徴画像上の変位追跡点を中心あるいは重心とする所定領域（例えば５×５画素）の画像をテンプレートとして用い、他の時刻における起伏特徴画像上でのマッチングを行って相互相関値を求める。他の時刻における起伏特徴画像上でのテンプレートとのマッチングを行う領域を順次ずらして、最も相互相関値が高くなる領域を対応領域とし、その中心あるいは重心を対応点とすることができる。ここで、探索に用いる画像領域は予め定めておく。あるいは、利用者が観測対象領域の地形データあるいは起伏特徴画像上で設定してもよく、例えば、作業者がディスプレイに表示された起伏特徴画像を見ながら入力装置８を操作して画像領域を設定することができる。

図３は、この起伏特徴画像上での追跡処理Ｓ４４を説明する模式図である。図３（ａ）は、先行する時刻ｔ_０の起伏特徴画像６０ａにおける変位追跡点６２ａ，６４ａを表している。当該変位追跡点を含む画像領域６６ａ，６８ａを相関テンプレートとして、後続の時刻ｔ_０＋Δｔの起伏特徴画像６０ｂに対するパターンマッチング処理を行う。その結果、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ_０＋Δｔの起伏特徴画像６０ｂにおける画像領域６６ａ，６８ａの対応した領域の中心点あるいは重心点として、変位追跡点の対応点６２ｂ，６４ｂが探索される。

パターンマッチングにより、変位追跡点６２ａは後続時刻の起伏特徴画像６０ｂにおける対応点６２ｂに対応し、同様に、変位追跡点６４ａは対応点６４ｂに対応すると判断される。すなわち、変位追跡点ごとに２時刻ｔ_０，ｔ_０＋Δｔでの対応点の対応が求められる。これにより、二次元変位ベクトルの始点となる時刻ｔ_０での変位追跡点の座標と、終点となる時刻ｔ_０＋Δｔでの対応点の座標とが求められる（Ｓ４６）。図４は、時刻ｔ_０での変位追跡点６２ａ，６４ａの位置を始点とし、時刻ｔ_０＋Δｔでの対応点６２ｂ，６４ｂの位置を終点とする二次元変位ベクトル７０，７２を示す模式図である。

起伏特徴画像上にて得られた二次元変位ベクトルの始点、終点は三次元座標演算部２４により地形データを用いて三次元座標に変換され（Ｓ４８）、当該三次元座標を用いて変位ベクトル演算部２６は三次元変位ベクトルを求める（Ｓ５０）。

図５は上述した地形データの模式図であり、水平面であるｘｙ平面への投影図８０と、ｚｘ平面への投影図８２とを示している。図６は、二次元変位ベクトルから三次元変位ベクトルを求める処理Ｓ４８，Ｓ５０を説明する模式図である。図６は、地形データのｘｙ平面への投影図８０上に配置した二次元変位ベクトル９０と、当該二次元変位ベクトル９０から得られる三次元変位ベクトル９２とを示している。

三次元座標演算部２４は、投影図８０上での二次元変位ベクトルの始点Ｐ_Ｓ、終点Ｐ_Ｅに、地形データから得られるそれぞれの位置でのｚ座標値を付与し、Ｐ_Ｓ，Ｐ_Ｅをそれぞれ三次元空間での点Ｑ_Ｓ，Ｑ_Ｅに対応付ける。これにより、三次元変位ベクトルの始点Ｑ_Ｓ及び終点Ｑ_Ｅの座標が求められる（Ｓ４８）。このとき、時刻ｔ_０で与えられる始点Ｐ_Ｓに対応する始点Ｑ_Ｓのｚ座標は、時刻ｔ_０の地形データを用いて求められ、時刻ｔ_０＋Δｔで与えられる終点Ｐ_Ｅに対応する終点Ｑ_Ｅのｚ座標は時刻ｔ_０＋Δｔの地形データを用いて求められる。

変位ベクトル演算部２６は、Ｑ_Ｓ及びＱ_Ｅの座標に基づいて三次元変位ベクトルを求める。

上述したウェーブレット変換を用いた地形解析手法は、従来の開度、傾斜量、固有値比、地表面粗度、ラプラシアン、曲率、水系網、セミバァリオグラム等の地形解析手法と比べ、次に述べる特徴を有している。まず、ウェーブレット変換により生成される起伏特徴画像は微地形の状況を良く反映し、当該画像から地表面の細部まで明瞭に読み取れる。当該画像には微妙な起伏も表現され、地表面の凹凸情報が明瞭になっている。また、地形的な勾配急変化点などが強調され、それらの点を読み取りやすい。このため、地表面の変状を確実に捉えることができ、非常に効果的に地すべり地形を判読できる。さらに、起伏特徴画像は、非常に多くの地表面情報を反映する豊富なテクスチャを有しており、地形や地すべりの解析において目視判読に適するだけではなく、画像解析技術を用いた自動処理にも適する。

変位計測システム２で用いる地形データは航空レーザ計測データ以外のデータから生成したものでもよい。例えば、地上レーザ計測データを処理対象データとして地形データを生成してもよい。また、航空機・衛星合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar：ＳＡＲ）で取得した地形データ、航空・衛星写真測量で取得した地形データを用いてもよい。

２ 変位計測システム、４ 演算処理装置、６ 記憶装置、８ 入力装置、１０ 出力装置、２０ ウェーブレット変換部、２２ 追跡処理部、２４ 三次元座標演算部、２６ 変位ベクトル演算部。

Claims (3)

1. 観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換部と、
   複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理部と、
   前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算部と、
   前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算部と、
   を有することを特徴とする変位計測装置。
2. 観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換ステップと、
   複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理ステップと、
   前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算ステップと、
   前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算ステップと、
   を有することを特徴とする変位計測方法。
3. コンピュータを変位計測手段として機能させるための変位計測プログラムであって、コンピュータに、
   観測対象領域の地形データをウェーブレット変換して起伏特徴画像を生成するウェーブレット変換機能と、
   複数時刻の前記地形データそれぞれから生成される前記起伏特徴画像について前記時刻相互間でのパターンマッチングを行い、前記観測対象領域内に設定された変位追跡点の前記起伏特徴画像上での対応点を追跡する追跡処理機能と、
   前記起伏特徴画像上での前記対応点の位置、及び前記地形データの高さ情報に基づいて、前記変位追跡点の三次元座標を求める三次元座標演算機能と、
   前記各時刻での前記変位追跡点の前記三次元座標に基づいて当該変位追跡点の三次元変位ベクトルを求める変位ベクトル演算機能と、
   を実現させることを特徴とする変位計測プログラム。

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