JP6339245B2 - 高高度航空カメラシステム - Google Patents

Description

本発明は、航空カメラシステム、および、航空写真からモザイク写真を作成するための効率的な方法に関する。

正射写真の精確に地理参照されたモザイク写真は、航空写真から自動的に作成できるため、かつ、地上で実際に有用な詳細を示すため、従来の絵地図に代わって普及している。

航空写真からの精確なモザイク写真の作成については、例えば、Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＧＩＳ、第４版（Ｗｏｌｆら）、および、Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ、第６版（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ（ＡＳＰＲＳ））といった文献に明確に記載されている。

モザイク写真の作成は、関心領域を確実に完全な被写域とするために、かつ、写真の精確なバンドル調整、正射投影化、および位置合わせを可能にする形象において確実に十分な冗長性があるように、関心領域の航空写真を重複させるように系統的に撮ることを必要とする。

バンドル調整は、接地点およびカメラ姿勢の冗長的な予測が改良されることによるプロセスである。最新のバンドル調整は、「Ｂｕｎｄｌｅ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ−Ａ Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」（Ｔｒｉｇｇｓら）に詳細に記載されている。

バンドル調整は、手動で特定される接地点の位置で、または、多くなっているが、重複する写真の間で自動的に適合される自動特定地表特徴の位置で行うことができる。

重複する航空写真は通常は、関心領域にわたって蛇行パターンで測量機を操縦することによって撮られる。測量機は、航空カメラシステムを運搬し、蛇行飛行パターンは、カメラシステムによって撮られた写真が飛行パターンの範囲内の飛行経路に沿って、かつ、隣接した飛行経路間で確実に重複するようにする。

精確なバンドル調整のための十分な冗長性は通常は、少なくとも６０％の、すなわち、飛行経路に沿った連続する写真の間の縦方向（順方向）の重複、および、少なくとも４０％の、すなわち、隣接した飛行経路における写真の間の横方向（側方）の重複の選択を決定づける。これは、６０／４０重複と言及されることが多い。

選択された重複は、必要とされる飛行時間および撮られる（かつ後に処理される）写真の数両方を決定することになる。従って、重複が大きいことは、飛行時間および処理時間の両方に関しては費用がかかり、実際的な重複の選択には、費用とモザイク写真精度との間で妥協点を見出すことになる。

多重解像度カメラシステムの使用によって、精度を過度に妥協せずに重複を低減する効果的な方法がもたらされる。多重解像度航空写真を撮りかつ処理することは、米国特許第８，４９７，９０５号および第８，６７５，０６８号（Ｎｉｘｏｎ）に記載されており、これらの内容は本明細書において相互参照によって組み込まれている。多重解像度の写真一式は、モザイク写真精度が低解像度の概観写真の間の重複から得られることを可能にし、モザイク写真の詳細はより高い解像度の詳細写真から得られる。

米国特許第８，４９７，９０５号および第８，６７５，０６８号（Ｎｉｘｏｎ）は小型機に取り付け可能な外付けカメラポッドついて記載している。外付けポッドは、ポッドがきわめて航空機に特化していること、および、ポッド内の空間が制約されていることといった２つの重要な不利点を有する。航空機に特化したポッドは航空機の選択に限られるため、高度範囲といった操作パラメータを限定し、逆に言えば、異なる航空機に適応させるために設計、試験、および認定に対するかなりの労力を必要とする。ポッド内の制約のある空間は、カメラレンズのサイズ、ひいては焦点距離を限定し、さらには、特定の目標像の解像度について動作高度の範囲を限定する。

第１の態様では、本発明は、航空画像を撮るためのシステムを提供する。このシステムは、少なくとも１つの概観カメラ、複数の詳細カメラ、および、カメラを保持するためのフレームを含む。それぞれの詳細カメラは少なくとも１つの概観カメラより長い焦点距離を有する。それぞれの詳細カメラは異なる角度で横方向に装着されることで、詳細カメラの視野は重複して拡張された横方向の視野を形成する。フレームはカメラ穴より上に航空機の床面に取り付け可能であることによって、カメラ穴を通して航空機より下の地表の光景をカメラにもたらす。

システムは、航空機の床面に取り付け可能なアダプター板を含むことができ、フレームはアダプター板に取り付け可能である。例えば、アダプター板は、床面に設定された装着点に留め付けることによって床面に取り付けることができる、または、床面に取り付けられたシートトラックに留め付けることによって床面に取り付けることができる。

それぞれの詳細カメラはカメラ穴の中央の方へ内方に角度が付けられることによって、詳細カメラの視野に対応するために必要とされるカメラ穴のサイズを最小化することができる。

詳細カメラの焦点距離と少なくとも１つの概観カメラの焦点距離の比率は４〜８であってよい。

詳細カメラの焦点距離は８５ｍｍ〜８００ｍｍであってよい。それぞれの詳細カメラは、８５ｍｍ、１０５ｍｍ、１３５ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍ、または８００ｍｍなどの焦点距離のストックレンズを利用することができる。

概観カメラの焦点距離は１０ｍｍ〜２００ｍｍであってよい。概観カメラは、１０．５ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍ、２４ｍｍ、２８ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍｍ、または６０ｍｍなどの焦点距離のストックレンズを利用することができる。

システムは５つの詳細カメラを備えることができる。

詳細カメラは、無限遠で焦点を合わせる固定焦点レンズ、または、可変焦点レンズおよび自動焦点機構を有することができる。

概観カメラは無限遠で焦点を合わせる固定焦点レンズ、または、可変焦点レンズおよび自動焦点機構を有する。

システムは、連続する詳細写真が縦方向に重複するように飛行中に詳細カメラを自動的に作動させるように構成されるコンピュータシステムを備えることができる。

システムは、少なくとも１つの全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機を備えることができる。コンピュータは、少なくとも１つのＧＮＳＳ受信機からの位置データをリアルタイムで受信しかつ記憶するように構成される。

システムは、ＩＭＵを備えることができ、コンピュータは、ＩＭＵからの方位データをリアルタイムで受信しかつ記憶するように構成される。

システムは、パイロット用ディスプレイを備えることができ、コンピュータは、コックピット用ディスプレイを介してパイロットに飛行指示を与えるように構成される。

システムは記憶される飛行計画を含むことができ、コンピュータは、飛行計画、航空機のリアルタイムの位置、および航空機のリアルタイムの速度から決定されるペースでカメラを作動させるように構成される。

例示の実施形態は、添付の図と併せて説明される少なくとも１つの好ましいが非限定的な実施形態の、例としてのみ示される以下の説明から明らかにされる。

ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａカメラ装置の前面図、すなわち、航空機の正面の方へ前方に向いている図である。 カメラ装置の背面図である。 カメラ装置の上面図である。 カメラ装置の底面図である。 カメラ装置の分解図である。 カメラの分解図、および、それぞれのカメラの視野と共にカメラ装置の中央支持部を示す図である。 下から見たカメラ装置を、航空機カメラ穴の開口部を通るそのカメラ装置の組み合わせられた視野と共に示す図である。 カメラ装置の概観視野、および、５つの重複する詳細視野を示す図である。 航空機の床面上のシートトラックに装着されるＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａのアダプター板を示す図である。 カメラ装置、アダプター板、および、航空機の床面上のシートトラックの分解図である。 カメラ、および、広角バージョンのカメラ装置の中央支持部の分解図である。 広角バージョンのカメラ装置の概観視野および５つの重複する詳細視野を示す図である。 セスナ２０８航空機に設置されるＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａの平面図である。 セスナ２０８航空機に設置されるＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａの詳細な平面図である。 ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａを運搬するセスナ２０８航空機の正面図であって、合成概観視野および集成詳細視野を示す図である。 ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａを運搬するセスナ２０８航空機の側面図であって、合成概観視野および集成詳細視野を示す図である。 ３つの連続したスナップショットの重複する視野を示す図である。 隣接した飛行経路におけるスナップショットの重複する視野を示す図である。 ３つの隣接した飛行経路に沿った連続したスナップショットの重複する集成詳細視野を示す図である。 ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａの電源および制御システムのブロック図である。 多重解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａの写真からモザイク写真を効率的に作成するための写真測量プロセスフローを示す図である。

例としてのみ示される以下の形態は、好ましい実施形態（複数可）の主題をより正確に理解してもらうために記載される。

ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａ（登録商標）は、大型および小型の広範な航空機に容易に配備するのに適したコンパクトな多重解像度航空カメラシステムであり、測量機の床面または航空機搭載ポッドから設けられることが多いが、標準の２０インチカメラ穴より上に設置されるように設計される。

好ましい実施形態では、図１〜図５に示されるように、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａは、５つの詳細カメラ１１０、および比較的広角の概観カメラ１１２を組み込むカメラ装置１００を含む。それぞれの詳細カメラ１１０は詳細レンズ１１４を有し、概観カメラ１１２は概観レンズ１１６を有する。

概観レンズ１１６は、詳細レンズ１１４よりもかなり広角であることによって特徴付けられる。この概観レンズ１１６は、本来の広角レンズとすることができる一方、詳細レンズ１１４よりかなり広角である限りは、標準レンズまたはさらには望遠レンズとすることもできる。同様に、詳細レンズ１１４は本来の望遠レンズとすることができる一方、概観レンズ１１６よりかなり狭角である限りは、標準レンズまたはさらには広角レンズとすることもできる。

カメラ１１０および１１２は、民生（ＣＯＴＳ）デジタルＳＬＲ（ＤＳＬＲ）カメラである。ＣＯＴＳカメラを使用することによって、システムを、利用可能な最新かつ最良のカメラに容易に適応させることができる。

ニコンおよびキャノンなどの供給業者による、２４Ｍ画素〜３６Ｍ画素の典型的な画素数の高解像度ＣＯＴＳカメラが利用可能である。３６Ｍ画素のニコンＤ８００ＤＳＬＲカメラは、本システムにとってとりわけ優れた選択である。

ＤＳＬＲカメラは、広範な高品質レンズを提供し、システムをさまざまな高度および解像度で動作するように容易に構成できるようにする。

システムは、カメラの組み合わせに容易に適応される。例えば、より大きい画素数の比較的より高価なカメラは、概観カメラとして採用可能である。７０Ｍ画素のＤＳＬＲカメラは近い将来利用可能になることが見込まれ、７０Ｍ画素のカメラは概観カメラにとって優れた選択となるであろう。

好ましい実施形態では、詳細カメラ１１０の詳細レンズ１１４は全て、同じ焦点距離を有し、詳細カメラ１１０は全て、同じ画素サイズを有する。よって、カメラ装置１００は、概観および詳細といった、２つの別個のカメラ解像度を取り入れる。これは、異なる焦点距離を有する詳細レンズ１１４を使用することによって、および／または、異なる画素サイズの詳細カメラ１１０を使用することによって、２つ以上の複数の解像度に容易に拡張される。カメラ装置１００は、異なる解像度を有する複数の概観カメラを組み込むこともできる。

それぞれの詳細レンズ１１４および概観レンズ１１６は、無限遠で焦点を合わせる固定焦点レンズ、または、可変焦点レンズであってよい。可変焦点レンズの場合、対応するカメラ１１０および／または１１２は自動焦点機構を組み込む。

それぞれの詳細カメラ１１０は、カメラ架台１４０に留め付けられ、さらにまた中央支持部１２２に留め付けられる。それぞれの詳細カメラレンズ１１４は、詳細カメラ架台１４０に留め付けられるクランプ１４４によってさらに据え付けられる。

概観カメラは、カメラ架台１４２に留め付けられ、さらにまた中央支持部１２２に留め付けられる。概観カメラレンズ１１６は、概観カメラ架台１４２に留め付けられるクランプ１４６によってさらに据え付けられる。

カメラ架台１４０および１４２は、カメラ装置１００の構造の多くを個々のカメラモデルおよびレンズサイズの特性から切り離す。

中央支持部１２２は、一組の側部支持部１２４ａおよび１２４ｂに取り付けられ、それぞれの側部支持部１２４はさらにまた、後部支持部１２６および前部支持部１２８に取り付けられて堅固なフレーム１２０を形成する。

それぞれの側部支持部１２４は、４つのボルト一式を介して装着点ブロック１３０に取り付けられ、装着点ブロック１３０はさらにまた、さらなる４つのボルト一式を介して、後部支持部１２６または前部支持部１２８に適宜取り付けられる。その結果、装着点ブロック１３０は、側部支持部１２４と、後部支持部１２６および前部支持部１２８との間の取り付け機構をもたらす。

側部支持部１２４のそれぞれ、ならびに後部支持部１２６および前部支持部１２８は、重量を最低限に抑えかつ剛性を最大化するためにＣ形の断面形を有し、中央支持部１２２は重量を最低限に抑えかつ剛性を最大化するために包囲されている。

それぞれの装着点ブロック１３０は固体であり、以下に記載されるように、カメラ装置１００と測量機との間の取り付け点をもたらすというさらなる目的を果たす。

鋼鉄から作られる留め具以外の全ての部品は軽量のアルミニウムから作られる。

後部支持部１２６および前部支持部１２８は、３つの電源および制御分電箱１５０を保持する。それぞれの箱１５０は、電力および制御信号を一組のカメラに分配する。明確にするために、箱１５０とカメラ１１０および１１２との間の電源および制御ケーブル布線は図では省略される。

好ましい実施形態では、それぞれの詳細カメラ１１０は比較的高高度での高解像度撮像に適した焦点距離３００ｍｍのレンズ１１４を有する。例えば、（４．８８ｕｍ画素を有する）３６Ｍ画素のニコンＤ８００カメラを使用する時、３００ｍｍレンズは、２０，０００フィートで１０ｃｍ、１６，０００フィートで８ｃｍ、１２，０００フィートで６ｃｍ、８０００フィートで４ｃｍ、および、４，０００フィートで２ｃｍといった地上分解能（ＧＳＤ）を可能にする。

詳細カメラ１１０および概観カメラ１１２が同様の画素数および画素サイズを有すると仮定すると、概観カメラ１１２は、理想的には、さらに後述されるように、詳細レンズ１１４の焦点距離より４〜８倍短い焦点距離を有するレンズ１１６を有する。すなわち、３００ｍｍの詳細レンズ１１４について、概観レンズ１１６にとって適した焦点距離は約４０ｍｍ〜７５ｍｍである。例示の目的のために、本システムは５０ｍｍの概観レンズ１１６を利用する。

図６は、３００ｍｍレンズ１１４を有する５つの詳細カメラ１１０のそれぞれの６．９０度横方向視野１６２、および、５０ｍｍレンズ１１６を有する概観カメラ１１２の３９．６０度横方向視野を示す。

この明細書では、横方向は飛行方向２２０に垂直な方向であり、縦方向は飛行方向２２０に平行な方向である。

示されるように、詳細カメラは、横方向に６度離して、すなわち、６．９０度の視野１６２をわずかに下回るように角度が付けられることで、視野１６２はわずかに重複する。

３６Ｍ画素のニコンＤ８００カメラを使用すると、５つの詳細カメラ１１０は、およそ１６０Ｍ画素の画素数を有する、すなわち重複を除いて、集成視野を有する。

詳細レンズ１１４としての使用に適したストック望遠レンズは、通常は、８５ｍｍ、１０５ｍｍ、１３５ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍ、および８００ｍｍを含む種々の焦点距離で利用可能である。

２０，０００フィートでは、ニコンＤ８００カメラにおける４００ｍｍレンズは、７．４ｃｍのＧＳＤを、６００ｍｍレンズは５．０ｃｍのＧＳＤを、８００ｍｍレンズは３．７ｃｍのＧＳＤを可能にする。

概観レンズ１１６としての使用に適したストック標準広角レンズは、通常は、１０．５ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍ、２４ｍｍ、２８ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍｍ、６０ｍｍ、および７０ｍｍを含む種々の焦点距離で利用可能である。

カメラ装置１００は、異なるカメラ架台１４０（および１４２）およびクランプ１４４（および１４６）を介して異なるモデルおよびサイズのカメラ１１０（および１１２）およびレンズ１１４（および１１６）に対して容易に適応される。極端に長いレンズには、より高い中央支持部１２２が使用できる。

図６および図７に示されるように、詳細カメラは内方へ角度が付けられ、それによって、それらカメラの視野１６２はカメラ装置１００の真下にわたって、視野がカメラ穴２１２を通る最小直径の腰状部をもたらす。これによって、カメラ装置１００は標準２０インチカメラ穴のみならず、約１７インチほどしかないカメラ穴に対応する。

図８は、詳細カメラ１１０および概観カメラ１１２の接地板上への三次元視野１６０および１７０の投影を示す。この図は、詳細視野１６０が飛行方向２２０に垂直の方向にどのように重複するかを示す。

図９は、標準シートトラック留め具２０２によって、航空機、この場合セスナ２０８のシートトラック２１４に取り付けるアダプター板２００を示す。アダプター板は、航空機の床面２１０からカメラ穴２１２を露出する開口部２１６を有する。

図１０は、カメラ装置１００、アダプター板２００、および航空機床面２１０の分解図を示す。アダプター板２００は、カメラ装置１００を特定の航空機に取り付けるように設計され、そのカメラ装置１００の設計を航空機特性から切り離す。例えば、さまざまなシートトラック間隔によって、または、航空機のカメラ穴設置がそれ自体の装着点を含むため、それぞれの航空機取り付けの変形に対して異なるアダプター板が設計される。

４つの装着点１３２は、その対応する装着点ブロック１３４の基部において凹部とはめ合わせるそれぞれの装着点１３２によって、アダプター板に留め付けられる。装着ボルト１４３は、それぞれの装着点ブロック１３４をその対応する装着点１３２にしっかりと取り付けることで、カメラ装置１００をアダプター板２００に取り付ける。

アダプター板２００によって、カメラ装置１００を、４つの装着ボルト１４３の設置および除去によって、航空機に容易に設置でき、かつ、後に航空機から除去できる。アダプター板２００はそれ自体、一般的に航空機に容易に設置されかつ航空機から除去され、（適したカメラ穴が既に設置されていると仮定すると）航空機への改修を一切必要としない。外付けカメラポッドの設置は一般的に、格段に複雑な動作である。

図１１は、詳細カメラ１１０にはより短い１８０ｍｍレンズ１１４を、および、概観カメラ１１２には適合する２８ｍｍレンズ１１６を利用するカメラ装置１００の変形を示す。

（４．８８ｕｍ画素を有する）３６Ｍ画素のニコンＤ８００カメラを使用する時、１８０ｍｍレンズは、１２，０００フィートで９．９ｃｍ、１０，０００フィートで８．３ｃｍ、８，０００フィートで６．６ｃｍ、６，０００フィートで５ｃｍ、および、４，０００フィートで３．３ｃｍといった地上分解能（ＧＳＤ）を可能にする。

図１１は、１８０ｍｍレンズ１１４を有する５つの詳細カメラ１１０のそれぞれの１１．４０度横方向視野１６２、および、２８ｍｍレンズ１１６を有する概観カメラ１１２の６５．５０度横方向視野を示す。

示されるように、詳細カメラは、横方向に１０．５０度離して、すなわち、１１．４０度視野１６２をわずかに下回るように角度が付けられることで、視野１６２はわずかに重複する。

図１２は、図１０の詳細カメラ１１０および概観カメラ１１２の接地板上への三次元視野１６０および１７０の投影を示す。この図は、詳細視野１６０が飛行方向２２０に垂直の方向にどのように重複するか、および、より短いレンズに関連付けられたより広い視野が地表面の同じフットプリントについて、すなわち、図８と比較して、どのようにより低い動作高度をもたらすのかを示す。

図１３および図１４は、カメラ穴にわたって中央に設置されるカメラ装置１００を運搬するセスナ２０８測量機２３０の平面図を示す。この図は、カメラ装置１００の制御および電力供給を行うために使用されるカメラ制御装置３１０（ＣＣＵ）およびバッテリ装置３２０も示す。これらは下記でより詳細に説明される。明確にするために、ＣＣＵ３１０、バッテリ装置３２０、およびカメラ装置１００を接続するケーブル布線は省略される。

図１５は、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａを運搬するセスナ２０８測量機２３０の正面図を示し、カメラ装置１００の横方向概観視野１７２、および、カメラ装置１００の集成横方向詳細視野１８２を示す。集成横方向詳細視野１８２は、５つの個々の重複する横方向詳細視野１６２の集成である。

図１６は、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａを運搬するセスナ２０８測量機２３０の側面図を示し、カメラ装置１００の縦方向概観視野１７４、および、カメラ装置１００の縦方向詳細視野１６４を示す。

図１７は、飛行方向２２０における３つの連続するスナップショットの重複する概観視野１７０および集成詳細視野１８０を示す。集成詳細視野１８０は、５つの個々の重複する詳細視野１６０の集成である。図に示される（すなわち、縦方向の重複によって暗に示されるような）カメラ作動率では、集成詳細視野１８０は縦方向に約２０％重複し、概観視野１７０は縦方向に約８５％重複する。

図１８は、隣接した飛行航路からの、すなわち、相対する方向２２０に飛行した際の、２つのスナップショットの重複する概観視野１７０および集成詳細視野１８０を示す。図に示される飛行航路間隔では、集成詳細視野１８０は横方向に２０％〜２５％重複し、概観視野１７０は横方向に約４０％重複する。

詳細カメラ１１０および概観カメラ１１２が同様の画素数および画素サイズを有すると仮定すると、詳細カメラレンズ１１４の焦点距離と概観カメラレンズ１１６の焦点距離の比率が約６の時、横方向概観視野１７２のサイズおよび横方向詳細視野１８２のサイズは同様であり、約４〜８の焦点距離の比率の有用なレンズの組み合わせが選択できる。

図１９は、典型的な蛇行飛行航路２２２の一部である３つの隣接した飛行航路、すなわち、典型的な広域測量を構成することになる飛行航路のサブセットに沿った連続したスナップショットの重複する集成詳細視野１８０を示す。明確にするために、対応する概観視野１７０は省略される。この図は、それぞれの集成詳細視野１８０に対応するスナップショット位置２２４、すなわち、測量機２３０の位置も示す。

既に記したように、従来の単一解像度の航空測量は通常は、６０／４０の重複で、すなわち、６０％前方への（または縦方向の）重複で、および４０％側方への（横方向の）重複で行われる。図１７〜図１９に示されるように操作される多重解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａによって、８５／４０より良好な重複で概観写真が撮られ、最高でも２０／２０のみの重複で詳細写真が撮られる。

従来の単一解像度の航空カメラシステムおよび相当する集成詳細画素数（例えば１６０Ｍ画素）と比較すると、後述されるように、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａは、測量飛行時間の低減および処理する写真がより少ないことの両方に関して、２〜３倍より効率的である。ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａはまた、ただその高（詳細）画素数だけで、多くの航空カメラシステムより高効率である。

概観写真および詳細写真の両方を撮るための代替策として、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａは、より大きい重複（例えば、２０／２０ではなく６０／４０）で詳細写真を撮るためだけに使用できて、より高い空間精度でモザイク写真を作成可能となるが、多くの撮影を要し、処理費用がかさむ。この場合、概観カメラ１１２は省略できる。

多重解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａの相対効率を解析するために、多重解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａが、横方向にＸ％重複し、縦方向にＹ％重複し、詳細カメラ１１０がＮ個あり、概観カメラ１１２がＭ個あるように構成されると想定し、比較のために、単一解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａが、横方向にＡ％重複し、縦方向にＢ％重複し、詳細カメラがＮ個あり、概観カメラは１つもないと想定する。ＸがＡより小さいと仮定すると、飛行航路の間隔が大きくなり、飛行時間が短くなり、撮られる詳細写真が少なくなるというように、横方向の効率が改善され、これは（１−Ｘ）／（１−Ａ）で示される。同様に、ＹがＢより小さいと仮定すると、スナップショット間隔が大きくなり、飛行時間が短くなり、撮られる詳細写真が少なくなるというように、縦方向の効率が改善され、これは（１−Ｙ）／（１−Ｂ）で示される。全体的な効率の改善は、（１−Ｘ）（１−Ｙ）／（１−Ａ）（１−Ｂ）で示される。これは、概観写真を撮る分のオーバーヘッドを割り引く、すなわち、（Ｎ／（Ｎ＋Ｍ））の係数で乗算される必要がある。Ｘ／Ｙ＝２０／２０、Ａ／Ｂ＝６０／４０、Ｎ＝５、およびＭ＝１として、改善した正味効率は２．２である。

詳細カメラ１１０のより高い解像度ではなく概観カメラ１１２のより低い解像度でいくつかのモザイク写真の計算を行うという代償を払って、効率を高めることができる。しかしながら、これは、従来のやり方よりも概観写真の間でより多く重複させることによって、少なくとも部分的に補償される。

図２０は、カメラ装置１００の電源および制御システムのブロック図を示す。詳細カメラ１１０および概観カメラ１１２は、アナログ−デジタル変換器３０８（ＡＤＣ）一式を介してコンピュータ３００によって制御される。

コンピュータ３００は、１つまたは複数の全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機３０４を使用して、測量機２３０の位置および速度をリアルタイムで監視する。ＧＮＳＳ受信機（複数可）は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、およびＢｅｉＤｏｕを含む、種々の宇宙ベースの衛星ナビゲーションシステムに対応可能である。

コンピュータ３００は、ＡＤＣ３０８によってカメラ１１０および１１２に正確な時限の作動信号をもたらして、記憶された飛行計画、ならびに航空機のリアルタイムの位置および速度に従ってカメラを露出させる。カメラ１１０および／または１１２が自動焦点機構を組み込む場合、コンピュータ３００はまた、それぞれのこのようなカメラに焦点信号をもたらして、露出の前に自動焦点を始動させる。

コンピュータ３００は同じ比率で概観カメラ１１２および詳細カメラ１１０を作動させる。代替的には、コンピュータ３００は、詳細カメラ１１０に対して異なる比率で、すなわち、より高い比率かより低い比率で、概観カメラ１１２を作動させて、連続する詳細写真の間の重複とは関係なく、連続する概観写真の間の異なる重複、すなわち、より大きい重複かより小さい重複を実現することができる。コンピュータ３００は、カメラを同時に作動させて、または、作動させるタイミングをずらして、例えば、写真の縦方向の異なる位置合わせを実現することができる、または、ピーク電力消費を低減することができる。

飛行計画には、測量を構成するそれぞれの飛行経路、および、連続するスナップショット間で必要な重複が確実に維持されるようにすることが必要とされる、それぞれの飛行経路に沿った公称カメラ作動比率を記載する。作動比率は、航空機下の地形の標高の影響を受ける、すなわち、地形が高いほど、作動比率を高くする必要がある。この比率は、風、およびパイロットによる航空機の操作によって公称速度から変化する場合がある、航空機の実対地速度に従って、コンピュータ３００によって調整される。

コンピュータ３００はまた、飛行計画およびリアルタイムのＧＮＳＳ位置を使用して、パイロット用ディスプレイ３０２を介してそれぞれの飛行航路に沿ってパイロットを誘導する。

図２０に示されるように、ＧＮＳＳ受信機からの位置データは、オプションとして、慣性計測装置３０６（ＩＭＵ）からの方位情報で補われる。これによって、コンピュータ３００は、パイロットが飛行計画にどれくらい綿密に従っているかについてのパイロットへのフィードバックを向上させることができる。ＩＭＵ３０６が無い場合、ＧＮＳＳ受信機はコンピュータ３００に直接接続する。

コンピュータは、それぞれのスナップショットのＧＮＳＳ位置（および、ＩＭＵ３０６がある場合、オプションとしてＩＭＵ方位）を記憶する。これは、精確なモザイク写真を製作するために、写真の後の処理中に使用される。

それぞれのカメラ１１０および１１２は、例えば取り外し可能なフラッシュメモリに、スナップショットをローカルに記憶する。これによって、ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａにおける集中記憶の必要性、および、カメラと集中記憶との間の高帯域幅データ通信チャネルの必要性が排除される。

それぞれのスナップショットのＧＮＳＳ位置は、それぞれのカメラ１１０および１１２に送出されて、カメラがそれぞれの写真をそのＧＮＳＳ位置にタグ付け可能とすることができる。

カメラ１１０および１１２は、バッテリ装置３２０によって電力供給される。バッテリ装置３２０は、接続される全てのコンポーネントによって必要とされる電圧より高い電圧、例えば２４Ｖ〜２８Ｖをもたらし、接続されるそれぞれのコンポーネントによって要求される電圧は、ＤＣ−ＤＣ変換器３２６によってもたらされる。例えば、ニコンＤ８００カメラは１０Ｖ未満を必要とする。さらなるＤＣ−ＤＣ変換器３２６はまた、コンピュータ３００、パイロット用ディスプレイ３０２、ＧＮＳＳ受信機３０４、およびＩＭＵ３０６に電力供給するために適切な電圧をもたらす。明確にするために、これらの電源接続は図２０では省略される。

バッテリ装置３２０は、２つの１２Ｖまたは１４Ｖバッテリ、または、単一の２４Ｖまたは２８Ｖバッテリを含む。このバッテリ装置３２０は、適した補助電源３２２によって航空機から細流充電できるようにする充電回路を含み、常に充電された状態を可能にする。この装置はまた、地上電源車３２４（ＧＰＵ）から地上で充電可能である。

ＡＤＣ３０８およびＤＣ−ＤＣ変換器３２６は、カメラ制御装置３１０（ＣＣＵ）に収容されてよい。これはさらに、コンピュータ３００がＡＤＣを制御できるようにするためにＵＳＢインターフェイスを含むことができる。

カメラ１１０および１１２に電力をもたらすＤＣ−ＤＣ変換器３２６は、ＣＣＵ３１０に、または、分電箱１５０においてカメラにさらに近くに位置することができる。

ＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａによって撮られる写真は、連続的にモザイク写真にまとめられるようにされ、図２１は、多重解像度のＨｙｐｅｒＣａｍｅｒａ写真からのモザイク写真を効率的に作成するための写真測量プロセスフローを示す。このプロセスは、詳細カメラ１１０によって撮られる詳細写真４００、および、概観カメラ１１２によって撮られる概観写真４０２について行われる。

プロセスは、次の４つの主要なステップ：（１）写真４００および４０２のそれぞれにおいて特徴が自動的に検出され、かつ、写真間で適合されること（ステップ４１０）と；それぞれの特徴の実世界の三次元位置、ならびにそれぞれの写真に関連付けられるカメラ姿勢（三次元位置および方位）およびカメラ較正（焦点距離および径方向ゆがみ）の当初予測を繰り返し改良するためにバンドル調整が使用されること（ステップ４１２において）と；それぞれの詳細写真４００がそのカメラ姿勢および地形標高データに従って正射投影されること（ステップ４１４において）と；正射投影された写真（正射写真）がブレンドされて最終的なモザイク写真４０４を形成すること（ステップ４１６において）と、から成る。

モザイク写真４０４の精度は、低解像度の概観写真４０２の間の大きな重複から得て、モザイク写真４０４における詳細はより高い解像度の詳細写真４００から得る。

代替策として、上で記されるように、詳細写真４００の間のより大きな重複による測量内容が飛ばされてよく、モザイク写真は詳細写真４００からのみ作成可能である。

モザイク写真は通常は、画像ピラミッドとして、すなわち、その範囲内ではさまざまな（バイナリ）ズームレベルが任意のズームレベルにおける高速アクセスのために事前計算されるように記憶される。ピラミッドにおけるより低いズームレベルは、低域フィルタ処理および二次抽出法によってより高いズームレベルから生成されるため、ピラミッド全体は、詳細解像度のモザイク写真から生成可能である。代替策として、より低いズームレベルは概観写真４０２から作成されるモザイク写真から生成可能であり、この場合、概観写真４０２はまた、詳細写真４００について上述されるように正射投影されかつブレンドされる。

後にバンドル調整プロセスによって改良される、それぞれの写真のカメラ姿勢の当初予測（ステップ４１２において）は、それぞれの写真のＧＮＳＳ位置、および利用可能である場合そのＩＭＵから得られる方位から得られる。

詳細写真４００を（ステップ４１４において）正射投影するために使用される地形データは、（ステップ４１２における）バンドル調整から得られる３Ｄ特徴位置に基づくことができる、または、他の所から（ＬｉＤＡＲ航空測量などから）供給される地形データであってよい。

自動的に検出される地表特徴は、手動で特定される接地点で補われてよく、このそれぞれは、精確に測量された実在の位置（地上制御点とも呼ばれる）を有することができる。

本発明は、いくつかの好ましい実施形態に関して説明されている。本発明のいくつかの代替的実施形態が存在し、かつ、本発明の範囲が添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることは、当業者には理解されるであろう。

この明細書、およびそれに続く特許請求の範囲の全体にわたって、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」という用語、および、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形は、記述された完全体、ステップ、または完全体もしくはステップの群が含まれるものを暗に示すが、その他の完全体、ステップ、または完全体もしくはステップの群を除外するものではないことは理解されるであろう。

この明細書における任意の先行文献（またはそれから派生する情報）または公知な任意の事項への言及は、この明細書に関する努力傾注分野において先行文献（またはそれから派生する情報）または公知の事項が共通一般知識の一部を形成するといった示唆の、承認、許諾またはいかなる形式とも見なされるものではなく、見なされるべきではない。

１００ カメラ装置
１１０ 詳細カメラ
１１２ 概観カメラ
１１４ 詳細カメラレンズ
１１６ 概観カメラレンズ
１２０ フレーム
１２２ フレーム中央支持部
１２４ フレーム側部支持部
１２６ フレーム後部支持部
１２８ フレーム前部支持部
１３０ 装着点ブロック
１３２ 装着点
１３４ 装着ボルト
１４０ 詳細カメラの架台
１４２ 概観カメラの架台
１４４ 詳細カメラレンズのクランプ
１４６ 概観カメラレンズのクランプ
１５０ 電源および制御分電箱
１６０ 詳細視野
１６２ 横方向詳細視野
１６４ 縦方向詳細視野
１７０ 概観視野
１７２ 横方向概観視野
１７４ 縦方向概観視野
１８０ 集成詳細視野
１８２ 横方向集成詳細視野
２００ アダプター板
２０２ シートトラック留め具
２１０ 航空機床面
２１２ カメラ穴
２１４ シートラック
２１６ アダプター板開口部
２２０ 飛行方向
２２２ 航路
２２４ スナップショット位置
２３０ 航空測量機
３００ コンピュータ
３０２ パイロット用ディスプレイ
３０４ 慣性計測装置（ＩＭＵ）
３０６ 全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機
３０８ アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
３１０ カメラ制御装置（ＣＣＵ）
３２０ バッテリ装置
３２２ 航空機補助電源
３２４ 地上電源車（ＧＰＵ）
４００ 詳細写真
４０２ 概観写真
４０４ モザイク写真
４１０ 特徴適合ステップ
４１２ 姿勢および位置解決ステップ
４１４ 正射投影ステップ
４１６ ブレンドステップ

Claims (19)

1. 航空画像を撮るためのシステムであって、
   少なくとも１つの概観カメラと、
   複数の詳細カメラと、
   前記概観カメラ及び前記詳細カメラを保持するためのフレームと、を含み、
   それぞれの前記詳細カメラは前記少なくとも１つの概観カメラより長い焦点距離を有し、それぞれの前記詳細カメラは異なる角度で横方向に装着されることで、前記詳細カメラの視野は重複して拡張された横方向の視野を形成し、
   前記フレームはカメラ穴より上に航空機の床面に取り付け可能であり、
   該床面に取り付け可能であることによって、前記カメラ穴を通して前記航空機より下の地表の光景を前記概観カメラ及び前記詳細カメラに提供し、
   それぞれの前記詳細カメラは、前記カメラ穴の中央に向かって内側に角度を付けて取り付けられるとともに、前記詳細カメラの撮影軸が交差するように該角度を付けて取り付けられることによって、前記詳細カメラの視野を実現するために必要とされる前記カメラ穴のサイズを最小化する、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記航空機の前記床面に取り付け可能なアダプター板をさらに含み、
   前記フレームは前記アダプター板に取り付け可能である、システム。
3. 請求項２に記載のシステムであって、
   前記アダプター板は、前記床面に設定された装着点に留め付けることによって前記床面に取り付けられる、システム。
4. 請求項２に記載のシステムであって、
   前記アダプター板は、前記床面に取り付けられたシートトラックに留め付けることによって前記床面に取り付けられる、システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のシステムであって、
   前記詳細カメラの前記焦点距離と、前記少なくとも１つの概観カメラの前記焦点距離の比率は４乃至８である、システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のシステムであって、
   前記詳細カメラの前記焦点距離は、８５ｍｍ乃至８００ｍｍである、システム。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載のシステムであって、
   前記詳細カメラ前記焦点距離は、８５ｍｍ、１０５ｍｍ、１３５ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍ、および８００ｍｍを含む群から選択される、システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のシステムであって、
   少なくとも１つの前記概観カメラの前記焦点距離は、１０ｍｍ乃至２００ｍｍである、
   システム。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のシステムであって、
   少なくとも１つの前記概観カメラの前記焦点距離は、１０．５ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍ、２４ｍｍ、２８ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍｍ、および６０ｍｍ含む群から選択される、システム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のシステムであって、
    ５つの前記詳細カメラを有する、システム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステムであって、
    前記詳細カメラは、無限遠で焦点を合わせる固定焦点レンズを有する、システム。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステムであって、
    前記詳細カメラは、可変焦点レンズおよび自動焦点機構を有する、システム。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステムであって、
    少なくとも１つの前記概観カメラは、無限遠で焦点を合わせる固定焦点レンズを有する、システム。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステムであって、
    前記少なくとも１つの前記概観カメラは、可変焦点レンズおよび自動焦点機構を有する、システム。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステムであって、
    連続する詳細写真が縦方向に重複するように、飛行中に前記詳細カメラを自動的に作動させるように構成されるコンピュータのシステムをさらに備える、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    少なくとも１つの全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機をさらに備え、
    前記コンピュータは、前記少なくとも１つのＧＮＳＳ受信機からの位置データをリアルタイムで受信しかつ記憶するように構成される、システム。
17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    慣性計測装置（ＩＭＵ）をさらに備え、
    前記コンピュータは、前記ＩＭＵからの方位データをリアルタイムで受信しかつ記憶するように構成される、システム。
18. 請求項１５から１７のいずれか一項に記載のシステムであって、
    パイロット用ディスプレイをさらに備え、
    前記コンピュータは、パイロット用ディスプレイを介してパイロットに飛行指示を与えるように構成される、システム。
19. 請求項１５から１８のいずれか一項に記載のシステムであって、
    記憶される飛行計画をさらに含み、
    前記コンピュータは、前記飛行計画、前記航空機のリアルタイムの位置、および前記航空機のリアルタイムの速度から決定されるペースで前記概観カメラ及び前記詳細カメラを作動させるように構成される、システム。

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