JP5991821B2 - 写真測量装置 - Google Patents

Description

この発明は、人工衛星や航空機から撮影された写真から、地物の大きさや面積や高さ、地物間の距離を計測する、あるいはＤＥＭ(Digital Elevation Model)を生成する、オルソ幾何補正した写真を生成すると共に、写真測量の精度を評価する写真測量装置に関するものである。

写真測量とは、実測を行わず、計測対象を撮影した写真から、対象の長さや面積などを算定する技術である。
従来の写真測量の技術として、特許文献１には異なるセンサを有する撮影手段によって取得した航空映像と衛星映像を統合して空中三角測量を行い、地上オブジェクトの３次元位置を決定する写真測量方法が開示されている。

特開２００９−１４５３１４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、評価対象である装置の写真測量の精度を評価する場合には、実際の撮影映像データを用いた実験評価によって算出する必要があり、写真測量の性能を装置の製造前あるいは装置の設計後に評価することができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、評価対象である装置の実際の撮影画像が存在しない場合にも、写真測量の精度を評価することができる写真測量装置を得ることを目的とする。

この発明に係る写真測量装置は、外部撮像装置により撮影された撮影画像を記憶する撮影画像記憶部と、測量性能を評価する評価対象装置の少なくとも光学系の位置情報および姿勢情報を含む光学パラメータを記憶する光学パラメータ記憶部と、撮影画像記憶部に記憶された撮影画像の３次元データを格納する撮影対象モデル記憶部と、撮影画像記憶部に記憶された撮影画像と、光学パラメータ記憶部に記憶された光学パラメータと、撮影対象モデル記憶部に記憶された３次元データに基づいて、評価対象装置により得られると推定される画像を合成する画像合成処理部と、画像合成処理部が合成した画像の３次元形状を測量する写真測量処理部と、写真測量処理部の測量結果と３次元データとを比較し、写真測量処理部による測量精度を評価する精度評価処理部とを備えるものである。

この発明によれば、評価対象である装置の撮影画像が存在しない場合にも、当該評価対象装置による写真測量の精度を評価することができる。

実施の形態１による写真測量装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による写真測量装置の撮影写真記憶部に記憶された衛星写真の一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置の撮影対象モデル記憶部に記憶された３次元形状モデル一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置の光学パラメータ記憶部に記憶された光学パラメータの一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置の動作を示すフローチャートである。 幾何学計算の原理を示す説明図である。 実施の形態１による写真測量装置の合成画像の前方視の一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置の合成画像の後方視の一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置のＤＥＭ生成を示す説明図である。 実施の形態１による写真測量装置が生成したＤＥＭの一例を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置の精度評価処理を示す図である。 実施の形態１による写真測量装置のその他の構成を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による写真測量装置の構成を示すブロック図である。
図１において、写真測量装置１００は、プログラムを実行する演算部１０、人工衛星および航空機などに搭載された撮影手段Ａ（不図示）により撮影された写真（以下、撮影写真と称する）、撮影を想定する人工衛星や航空機（以下、想定する撮影主体Ｂと称する）の光学系のパラメータ、および撮影写真の３次元データを記憶した記憶部２０、および写真測量の精度評価結果を表示する表示部３０で構成されている。

各構成をより詳細に説明すると、まず記憶部２０は、撮影写真記憶部（撮影画像記憶部）２１、光学パラメータ記憶部２２および撮影対象モデル記憶部２３で構成されている。
撮影写真記憶部２１は、撮影手段Ａにより撮影された撮影写真を記憶する。光学パラメータ記憶部２２は、想定する撮影主体Ｂの光学パラメータを記憶する。撮影対象モデル記憶部２３は、撮影写真の撮影範囲を含む３次元形状モデルと、撮影写真と３次元形状モデルとの組み合わせである３次元データを記憶する。

次に、演算部１０は、画像合成処理部１１、写真測量処理部１２、精度評価処理部１３および評価結果表示処理部１４で構成されている。
画像合成処理部１１は、画像合成プログラムを有し、撮影写真記憶部２１から取得した撮影写真、光学パラメータ記憶部２２から取得した光学パラメータ、および撮影対象モデル記憶部２３から取得した３次元データに基づいて、想定する撮影主体Ｂにより撮影されると推定される画像を幾何計算により合成する。写真測量処理部１２は、写真測量プログラムを有し、画像合成処理部１１において生成された合成画像について写真測量を行う。精度評価処理部１３は、精度評価プログラムを有し、写真測量処理部１２による写真測量の測量結果と、撮影対象モデル記憶部２３に記憶された３次元データとを比較し、写真測量の精度を評価する。評価結果表示処理部１４は、表示プログラムを有し、精度評価処理部１３による評価結果を表示部３０に表示するための表示処理を行う。

次に、演算部１０への入力データである、撮影写真、光学パラメータおよび３次元データの具体例を図２から図４に示す。
図２は、実施の形態１による写真測量装置の撮影写真記憶部に記憶された衛星写真の一例を示す図である。図２に示す衛星写真は、この時点でオルソ幾何補正が行われ、緯度・経度座標系を直角座標とみなした座標系に投影されているものとする。
図３は、実施の形態１による写真測量装置の撮影対象モデル記憶部に記憶された３次元形状モデルの一例を示す図である。図２で示した衛星写真の撮影範囲を含む、１ｋｍ四方の３次元形状モデルを示している。図２に示したオルソ幾何補正された衛星写真と３次元形状モデルの組み合わせが３次元データを構成する。

図４は、実施の形態１による写真測量装置の光学パラメータ記憶部に記憶された光学パラメータの一例を示す図である。図４の光学パラメータは、想定される撮影主体Ｂである、例えば人工衛星に関する軌道（位置）、姿勢およびカメラモデルからなる光学パラメータを示している。図４におけるｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ）は人工衛星の位置を示し、時間ｔの関数で表現される。また、図４のθｘ，θｙ，θｚは人工衛星の姿勢を示し、時間ｔの関数で表現される。また、図４のαは人工衛星の視野角を示している。

次に、実施の形態１による写真測量装置の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、画像合成処理部１１は、撮影写真記憶部２１から撮影写真、光学パラメータ記憶部２２から光学パラメータ、および撮影対象モデル記憶部２３から３次元データを取得し、想定される撮影主体Ｂにより撮影されると推定される画像を幾何計算により合成する（ステップＳＴ１）。
この幾何計算の原理を図６に示す。撮影主体Ｂ、すなわち評価対象である人工衛星Ｏのセンサの中心Ｏｃからセンサの受光素子Ｐに向かって延伸した直線（以下、視線ベクトルＱと称する）と地表面との交点を絶対位置Ｒとして算出し、当該絶対位置Ｒの明度を、撮影対象モデル記憶部２３に記憶された３次元モデル、すなわち図２に示したオルソ幾何補正の行われた衛星写真と、図３で示された３次元形状モデルの組み合わせから取得し、取得した明度を受光素子Ｐが受光するものと仮定し、画像を１画素ずつ合成する。なお、図６では、人工衛星から撮影される場合を示しており、センサの受光素子Ｐは１次元配列となっている。
ステップＳＴ１の合成処理により得られる画像の一例を図７および図８に示している。図７は、実施の形態１による写真測量装置の画像合成処理部により合成された画像の前方視を示し、図８は画像の後方視を示している。

次に、写真測量処理部１２は、ステップＳＴ１において合成された画像の前方視と、画像の後方視とのステレオペア画像に基づいて、ＤＥＭ生成処理を行う。ＤＥＭの生成では、まずステレオマッチングと呼ばれる、２画像間の画素の対応を算出する（ステップＳＴ２）。この２画像間の画素の対応の算出を図９に示す。図９（ａ）および図９（ｂ）は対応を算出する２画像であり、図９（ｃ−１）から図９（ｃ−５）において対応する領域の算出を示している。まず始めに、図９（ｃ−１）では、まず始めに処理領域を大きく分割し、分割領域毎に対応を算出する。図９の例では、図９（ａ）に示す画像を複数の領域に分割し、各分割領域を図９（ｂ）の画像の領域内に再配置する例を示している。さらに図９（ｃ−２）から図９（ｃ−５）では、分割した領域をさらに分割し、分割後の各分割領域の対応を算出する処理を繰り返し行う。最終的に１画素毎の対応を算出する。

１画素毎の対応の算出が終了すると、写真測量処理部１２は、各画素に対応する視線ベクトルＱの地表面との交点の座標を絶対位置Ｒとして算定し、ＤＥＭを生成する（ステップＳＴ３）。生成したＤＥＭの一例を図１０に示す。

精度評価処理部１３は、ステップＳＴ３で生成されたＤＥＭと、撮影対象モデル記憶部２３に記憶された３次元形状モデルとを比較し（ステップＳＴ４）、標高値の差分の平均および標準偏差などの精度評価値を算定する（ステップＳＴ５）。この精度評価値の算定を図１１に示す。図１１（ａ）は写真測量処理部１２が生成したＤＥＭを示し、図１１（ｂ）は撮影対象モデル記憶部２３に記憶された３次元形状モデルを示している。ＤＥＭと３次元形状モデルとを比較することにより、図１１（ｃ）に示すような精度評価値が算定される。評価結果表示処理部１４は、ステップＳＴ５で算定された精度評価値を表示部３０に出力し（ステップＳＴ６）、処理を終了する。

なお、算定された精度評価値を用いて、以下のような制御を行うことができる。例えば、ステレオペア画像の合成において、複数の侠角を設定し、設定したそれぞれの侠角についてＤＥＭと精度評価を行った結果、もっとも精度の高いＤＥＭが生成された際の侠角によって撮影が実行されるように装置設計を変更する。

以上のように、この実施の形態１によれば、撮影写真記憶部２１に記憶された撮影写真と、光学パラメータ記憶部２２に記憶された撮影手段の光学パラメータと、撮影対象モデル記憶部２３に記憶された撮影対象の３次元データとに基づいて、想定される撮影主体によって得られると推定される画像を合成する画像合成処理部１１と、合成した画像を用いて写真測量を行う写真測量処理部と、写真測量の精度を評価する精度評価処理部とを備えるように構成したので、評価対象となる人工衛星や航空機などに撮影手段が搭載されていない場合であっても、当該人工衛星や航空機から得られると推定される撮影写真の写真測量精度を評価することができる。

なお、上述した実施の形態１では、写真測量を行う画像例として、人工衛星に搭載した撮影手段により撮影された画像を用いる例を示したが、航空機や車両に搭載された撮影手段により撮影された画像を用いるように構成してもよい。

また、上述した実施の形態１では、オルソ幾何補正された画像からＤＥＭを生成する構成を示したが、画像に対してオルソ幾何補正を行い、オルソ幾何補正画像を生成する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１では、受光素子Ｐを一次元に配列したラインセンサを例に説明したが、例えばデジタルカメラのように受光素子Ｐを２次元に配列したフレームセンサで構成してもよい。

また、上述した実施の形態１では、撮影対象モデル記憶部２３に記憶される３次元データとして、撮影された衛星写真と３次元形状モデルとの組み合わせを用いる場合を例に示したが、衛星写真に限定されるものではなく、航空写真などを用いる構成としてもよい。
また、図３で示した標高値を濃淡で表現した３次元形状モデルに替えて、図１２（ａ）の撮影写真に対して図１２（ｂ）に示すようなワイヤーフレームを用いて構成してもよい。さらに、画像の解像度が高い場合には、図１２（ｃ）に示すような建物の高さや形状が表現された３次元都市モデルを用いて構成してもよい。

なお、本願発明の範囲内において、実施の形態を適宜変更、省略等することが可能である。

１０ 演算部、１１ 画像合成処理部、１２ 写真測量処理部、１３ 精度評価処理部、１４ 評価結果表示処理部、２０ 記憶部、２１ 撮影写真記憶部、２２ 光学パラメータ記憶部、２３ 撮影対象モデル記憶部、３０ 表示部、１００ 写真測量装置。

Claims (3)

1. 外部撮像装置により撮影された撮影画像を記憶する撮影画像記憶部と、
   測量性能を評価する評価対象装置の少なくとも光学系の位置情報および姿勢情報を含む光学パラメータを記憶する光学パラメータ記憶部と、
   前記撮影画像記憶部に記憶された撮影画像の３次元データを格納する撮影対象モデル記憶部と、
   前記撮影画像記憶部に記憶された撮影画像と、前記光学パラメータ記憶部に記憶された光学パラメータと、前記撮影対象モデル記憶部に記憶された３次元データに基づいて、前記評価対象装置により得られると推定される画像を合成する画像合成処理部と、
   前記画像合成処理部が合成した画像の３次元形状を測量する写真測量処理部と、
   前記写真測量処理部の測量結果と、前記３次元データとを比較し、前記写真測量処理部による測量精度を評価する精度評価処理部とを備えた写真測量装置。
2. 前記画像合成処理部は、前記評価対象装置により得られると推定されるステレオペア画像を合成し、
   前記写真測量処理部は、前記画像合成処理部が合成したステレオペア画像から数値標高モデルを生成することを特徴とする請求項１記載の写真測量装置。
3. 前記撮影対象モデル記憶部に記憶された３次元データは、前記撮影画像と、当該撮影画像の数値標高データとの組み合わせであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の写真測量装置。

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