JP6347064B2 - レーザー計測結果解析システム - Google Patents

Description

本願発明は、レーザー計測により得られた結果から地物を把握する技術に関するものであり、より具体的には、ウェーブフォームデータ（Ｗａｖｅ Ｆｏｒｍ Ｄａｔａ：以下、「ＷＦＤ」という。）と呼ばれる大量の計測データを解析し、計測対象となった地物の位置や形状を把握することのできるレーザー計測結果解析システムに関するものである。

広範囲に渡って地物を計測する場合、これまでは空中写真測量によるのが主流であったが、昨今では、航空レーザー計測や、衛星写真を利用した計測、あるいは合成開口レーダを利用した計測など様々な計測手法が出現し、状況に応じて好適な手法を適宜選択できるようになった。なおここでいう「地物」とは、建物や道路、鉄道、橋梁といった人工物、あるいは河川や海、山、樹木といった自然物など、地上に存在するあらゆる「物」の総称である。

このうち航空レーザー計測は、図１２に示すように計測したい地形ＧＲの上空を航空機ＰＬで飛行し、地形ＧＲに対して照射したレーザーパルスＬＰの反射波を受けて計測する手法である。航空機ＰＬには通常、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの測位計とＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）などの慣性計測器が搭載されているため、レーザーパルスＬＰ照射時における照射位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び照射姿勢（ω，φ，κ）を記録することができる。さらに照射時刻と受信時刻の時間差を得ることで、計測点（レーザーパルスＬＰが反射した地点）の３次元座標を得ることができる。

地形ＧＲで反射したレーザーパルスＬＰの反射波は、航空機ＰＬに搭載されたセンサで受信される。このとき、反射してセンサまで戻ってきた反射波の強度（以下、「反射強度」という。）とともに受信時刻が記録される。この反射強度は、いわば受信した反射波のエネルギーの大きさであり、直接的には電圧として計測され、この電圧を換算することでエネルギーの大きさが得られる。普通、一回の計測（フライト）で多数のレーザーパルスＬＰが照射されるので、そのレーザーパルスＬＰの数に応じた数の照射強度が記録される。

ところで航空レーザー計測は、密な点群データを取得できるのが一つの特徴である。飛行高度にもよるが、１ｍ^２当たり２〜３点程度でレーザーパルスＬＰを照射することが可能であり、一回の計測で１００ｋｍ^２程度を計測することを考えれば、数億からなる点群データを取得することとなる。また、照射した一つのレーザーパルスＬＰから複数の反射波を受信することもある。航空機ＰＬと地表面の間に障害物が存在しない場合は、地面に反射した反射波のみを得るが、図１３に示すように航空機ＰＬと地表面の間に樹木や草花がある場合は、樹冠に反射した反射波（いわゆるファーストパルス）、枝や草などに反射した反射波（いわゆるアザーパルス）、そして地面に反射した反射波（いわゆるラストパルス）と複数の反射波を得ることがある。

このように一回のレーザー計測で極めて大量の反射波を受信することになるが、従来では記憶領域（メモリの容量）の問題からこれらすべてを記録していなかった。つまり、所定の条件を設定することによって、記録する反射波の数を制限していたのである。この条件とは、照射した一つのレーザーパルスＬＰに対して記録する反射波数の最大値（３〜４以内）を設定することであり、記録する反射波の間隔の最小値（２．５〜３ｍ以上）を設定することであり、記録する反射パルスの反射強度の閾値を設定することである。

図１３は、従来方式によるレーザー計測を示す説明図である。この図の場合、樹木の枝で４回（１ｓｔパルス〜４ｔｈパルス）、草むらで１回（５ｔｈパルス）、地表面で１回（６ｔｈパルス）の都合６回の反射波を受信している。したがって６個の反射波を記録することができるが、図に示す従来方式では、４個の反射波を記録するにとどまっている。しかも、５ｔｈパルスと６ｔｈパルスの間隔が小さい（２．５ｍ未満）ことから、最も重要である地表面の反射波（６ｔｈパルス）が記録されていない。

このように従来方式によるレーザー計測では、記録する反射波の数を制限するため、目的とする地物（例えば、地表面）の計測結果が記録されないケースがあるという問題を抱えていた。そこで、昨今では新たにＷＦＤ方式によるレーザー計測が採用されるようになった。ＷＦＤ方式によるレーザー計測では、全ての反射波を波形（ウェーブフォーム）として記録することができる。具体的には、照射した一つのレーザーパルスＬＰが、様々な地物で反射して戻ってくる複数の反射波を、反射強度の時間変化として一連の波形で記録するわけである。

ＷＦＤ方式は比較的新しい技術であり、実用化するためこれまでにも種々の技術が提案されている。引用文献１もその一つであり、ＷＦＤ方式で得られた反射波を基に真の地物反射を示す波形を抽出（推定）することのできる発明を開示している。ＷＦＤ方式では全ての反射波を記録するが故に、「ノイズ」と呼ばれる反射波でないものまで記録される。そのため、ＷＦＤ方式で得られた反射波からノイズを除去し、適切な波形を抽出する必要があるが、この抽出処理を容易かつ的確に実行し得る技術を提示しているのが特許文献１である。

特開２０１４−０３５２３２号公報

ところで、ＷＦＤ方式で得られる波形データが反射強度の時間変化であることは既に述べたとおりであるが、このうち強い反射強度を示す反射波（以下、「高反射データ」という。）は解析処理に利用されるものの、比較的弱い反射強度を示す反射波（以下、「低反射データ」という。）を積極的に評価することはなかった。レーザー計測が、航空写真測量と同様、地物位置の把握を本来の目的としてきたことから、地物で反射したと考えられる高反射データを重要視する一方で、地物で反射していないと考えられる低反射データにはそれほど価値を認めていなかったわけである。

しかしながら昨今では、地物の位置に加えその形状を把握することが必要となるケースも増えてきた。例えば、ある領域の温室効果ガスの吸収量を算定するためには、森林の規模を数値化する必要があるが、この場合、平面的な広がりである面積として数値化するよりも、枝や葉の空間的な広がりを体積として数値化する方が望ましい。そして、枝葉の体積を把握するためには、樹木の形状を把握する必要がある。これは、樹木内部や、下方の枝葉枝、あるいは下方にある空間も適切に認識する必要があることを意味しており、言い換えれば高反射データに加え低反射データも適切に評価する必要があることを意味している。ところが、これまでは低反射データが積極的に評価されることが少なく、当然ながら低反射データを評価したうえで地物の形状を把握することもなかった。

本願発明の課題は従来手法が抱える問題を解決することであり、すなわちＷＦＤ方式によるレーザー計測で得られる波形データを用い、高反射データと低反射データを適切に評価することによって、地物の位置と形状を明らかにすることのできるレーザー計測結果解析システムを提供することにある。

本願発明は、ＷＦＤ方式で得られる波形データから高反射データと低反射データを抽出するとともに、それぞれ地物データ、非地物データ、不明データ、無効データのいずれかに分類することによって地物の形状を明確にする、という従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、レーザー計測によって記録される波形データを解析するシステムであり、反射強度区分手段とデータ種別分類手段を備えたものである。このうち反射強度区分手段は、波形データを構成する複数の離散データ（アナログ形式の連続波形を時間方向に分割し平均値を求め離散化したもの）を読み込み、この離散データが有する反射強度と反射強度閾値とを比較することで、離散データを高反射データ又は低反射データに区分する。また、データ種別分類手段は、高反射データと低反射データを、地物で反射した「地物データ」、地物で反射していない「非地物データ」、地物での反射か否か不明な「不明データ」、解析の対象外とする「無効データ」のいずれかに分類する。なお、データを分類する基準は次のとおりである。まず、高反射データとされたものは「地物データ」に分類する。そして、同一のレーザーパルスから得られる離散データを高さ順に配列したとき、高反射データと高反射データに挟まれた低反射データは「非地物データ」に分類し、この非地物データを除く低反射データであって高反射データの下方に位置する低反射データは「不明データ」に分類する。また、非地物データと不明データを除く低反射データは「無効データ」に分類される。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、無効データ種別分類手段を備えたシステムとすることもできる。この無効データ種別分類手段では、レーザー計測の対象範囲の地盤高を有する数値標高モデルと離散データを比較し分類する。この場合における低反射データの分類基準は次のとおりである。同一のレーザーパルスから得られる離散データを高さ順に配列したとき、先ず、地盤より下方にある離散データは「無効データ」として分類する。そして、高反射データと高反射データに挟まれた低反射データは「非地物データ」に分類し、高反射データと地盤に挟まれた低反射データは「不明データ」に分類する。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、ボクセル設定手段と空間地物度算出手段を備えたシステムとすることもできる。ボクセル設定手段は、レーザー計測の対象範囲上に所定領域の空間を設定するとともに、この空間を分割して複数のボクセルを得る手段であり、空間地物度算出手段は、ボクセル内に含まれる地物データ、非地物データ、及び不明データのうち、地物データが占める比率を求め、この比率をボクセルの地物度として得る手段である。この場合、得られたボクセルごとの地物度に基づいて、地物の位置及び形状を３次元で出力することができる。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、ボクセル設定手段と空間地物度算出手段を備えたシステムとすることもできる。ボクセル設定手段は、レーザー計測の対象範囲上に所定領域の空間を設定するとともに、この空間を分割して複数のボクセルを得る手段であり、空間地物度算出手段は、ボクセル内に含まれる地物データ、及び非地物データのうち、地物データが占める比率を求め、この比率をボクセルの地物度として得る手段である。この場合、得られたボクセルごとの地物度に基づいて、地物の位置及び形状を３次元で出力することができる。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、空間不明度算出手段を備えたシステムとすることもできる。この空間不明度算出手段は、ボクセル内に含まれる地物データ、非地物データ、及び不明データのうち、不明データが占める比率を求め、この比率をボクセルの不明度として得る手段である。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、柱状空間設定手段と平面地物度算出手段を備えたシステムとすることもできる。柱状空間設定手段は、レーザー計測の対象範囲を平面分割して複数の分割領域を得る手段であり、平面地物度算出手段は、柱状空間内に含まれる地物データ、非地物データ、及び不明データのうち、地物データが占める比率を求め、この比率を分割領域の地物度として得る手段である。この場合、得られた分割領域ごとの地物度に基づいて、地物の位置及び形状を２次元で出力することができる。さらに、レーザー計測の対象範囲を表す画像と重ね合わせて、地物の位置及び形状を２次元で出力することもできる。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、柱状空間設定手段と平面地物度算出手段を備えたシステムとすることもできる。柱状空間設定手段は、レーザー計測の対象範囲を平面分割して複数の分割領域を得る手段であり、平面地物度算出手段は、柱状空間内に含まれる地物データ、及び非地物データのうち、地物データが占める比率を求め、この比率を分割領域の地物度として得る手段である。この場合、得られた分割領域ごとの地物度に基づいて、地物の位置及び形状を２次元で出力することができる。さらに、レーザー計測の対象範囲を表す画像と重ね合わせて、地物の位置及び形状を２次元で出力することもできる。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、平面不明度算出手段を備えたシステムとすることもできる。この平面不明度算出手段は、柱状空間内に含まれる地物データ、非地物データ、及び不明データのうち、不明データが占める比率を求め、この比率を分割領域の不明度として得る手段である。

本願発明のレーザー計測結果解析システムには、次のような効果がある。
（１）ＷＦＤ方式で得られた波形データのうち高反射データに加え低反射データも解析対象とすることで、地物が存在しない空間も把握することができる。したがって、枝や葉などの形状を把握することができ、その体積も推定することができる。
（２）レーザー計測の対象範囲上の空間を分割し、複数のボクセルを得るとともに、それぞれのボクセルに空間地物度を設定することで、地物及び地物が存在しない空間を３次元で表示することができる。
（３）レーザー計測の対象範囲の平面分割し、複数の分割領域を得るとともに、それぞれの分割領域に平面地物度を設定することで、地物の有無を２次元で表示することができる。さらに、写真画像などと重ねて表示することも可能で、この場合、平面地物度により得られる画像上表現されたものが、実存する地物か否か明確に判別することができる。この結果、森林の内部構造等についての情報を得ることができる。

本願発明の主な処理の流れを示すフロー図。 アナログ形式の連続波形を時間方向に分割した「離散データ」が、多数集合することで構成される波形データを示すモデル図。 高反射データ又は低反射データに区分された離散データからなる波形データを示すモデル図。 反射強度の区分とデータ種別の分類の詳細を示すフロー図。 地盤高が既知である場合のデータ種別の分類の詳細を示すフロー図。 解析結果を出力する流れを示すフロー図。 地盤高が得られていない場合の手法で分類した結果を示すモデル図。 地盤高が得られている場合の手法で分類した結果を示すモデル図。 ボクセル内に含まれる離散データを示すモデル図。 （ａ）は実際の樹木を示すモデル図、（ｂ）は本願発明によって３次元で表現された樹木を示すモデル図。 柱状空間内に含まれる離散データを示すモデル図。 航空レーザー計測の実施状況を示す説明図。 従来方式によるレーザー計測を示す説明図。

本願発明のレーザー計測結果解析システムの実施形態の一例を、図に基づいて説明する。

１．全体概要
はじめに、図１を参照しながら本願発明の概要について説明する。図１は、本願発明の主な処理の流れを示すフロー図であり、中央の列に実施する処理（手段）を示し、左列にはその処理に必要な入力情報を、右列にはその処理から生まれる出力情報を示している。なお、本願発明のレーザー計測結果解析システムは、所定のプログラムをコンピュータで実行するシステムとすることができるため、ここでもコンピュータを利用した場合で説明する。

図１に示すように、まずは計測対象地で実施したレーザー計測結果を用意し、その中から一つの波形データを読み込む（Ｓｔｅｐ１０）。このレーザー計測結果はＷＦＤ方式によって記録されたもので、反射波の反射強度を連続波形として取得され、離散データの集合である波形データとして記録される。具体的には、レーザー計測を実施する中で照射された一つのレーザーパルスは、地物で反射して反射波として戻ってくるが、このとき反射波の反射強度（つまり電圧）の時間変化を示す連続したデータ、つまりアナログ形式の連続波形として取得される。そして、この連続波形を時間方向に区分したデジタルデータ（以下、「離散データＤｄ」という。）に変換し、複数の離散データＤｄで構成される「波形データ」として記録される。

図２は、アナログ形式の連続波形を時間方向に分割した「離散データＤｄ」が、多数（ここではＭ_ｉ個）集合することで構成される波形データを示すモデル図である。なお、ここでいう時間は、反射波を受信した時刻、あるいはその時刻差のことであり、レーザーの速度値を用いればこの時間を距離、すなわち所定水準面からの「高さ」に変換することができる。そこで、図２では縦軸を時間に代えて高さとしている。換言すれば、図２に示す波形データは、高さ方向に変化する反射強度を示すグラフである。

ところで、記述のとおり１回のレーザー計測で多数のレーザーパルスが照射され、それぞれのレーザーパルスに対して波形データが記録され、その結果、多数（図１ではＮ個）の波形データが記録されることになる。Ｓｔｅｐ１０では多数の波形データの中から順に一つずつ波形データを読み込み、後続の処理も１波形ごとに実行される（図１に示すループＢ）。

波形データを読み込むと、次にこの波形データから複数（図１ではＭ_ｉ個）の離散データＤｄを取得する（Ｓｔｅｐ２０）。なお、波形データから取得される離散データＤｄの数は、センサの種類や観測設定によって異なるため図１の離散データＤｄの数（Ｍ_ｉ）にはレーザーパルスを示す添え字ｉを記している。

離散データＤｄが得られると、これを高反射データ又は低反射データに区分し（Ｓｔｅｐ２０）、さらに地物で反射したもの、あるいは地物で反射しなかったものなどの種別に分類する（Ｓｔｅｐ３０）。一つの波形データを構成する全ての離散データＤｄ（図１ではＫ＝１〜Ｍ_ｉ）につき一連の処理（Ｓｔｅｐ２０〜Ｓｔｅｐ３０）が終わり、さらに全ての波形データ（図１ではＩ＝１〜Ｎ）に対して一連の処理（Ｓｔｅｐ１０〜Ｓｔｅｐ３０）が完了すると、その結果を３次元形式、あるいは２次元形式で出力する（Ｓｔｅｐ４０）。

以下、本願発明を構成する主要な要素について詳述する。

２．離散データの区分
図３は、高反射データＤｓ又は低反射データＤｗに区分された離散データＤｄからなる波形データを示すモデル図であり、図４は、「反射強度の区分（図１のＳｔｅｐ２０）」と「データ種別の分類（図１のＳｔｅｐ３０）」の詳細を示すフロー図である。図２に示すように、離散データＤｄはその反射強度に応じて、高反射データＤｓ（図では網掛けしたもの）と低反射データＤｗ（図では白抜きのもの）のいずれかに区分される。その区分手法は図４に示すとおりであり、あらかじめ設定した反射強度閾値Ｖａと離散データＤｄの反射強度とを比較し、反射強度閾値Ｖａ以上の反射強度を有する離散データＤｄは「高反射データＤｓ」とされ、反射強度閾値Ｖａ未満の反射強度を有する離散データＤｄは「低反射データＤｗ」とされる。図３で確認すると、反射強度閾値Ｖａを超える（図では閾値Ｖａの左側まで伸びる）離散データＤｄは高反射データＤｓに区分され、反射強度閾値Ｖａを超えない（図では閾値Ｖａの右側にある）離散データＤｄは低反射データＤｗに区分されていることが分かる。

３．データ種別の分類
高反射データＤｓあるいは低反射データＤｗに区分された離散データＤｄは、さらに、「地物データ」、「非地物データ」、「不明データ」、「無効データ」からなるデータ種別に細分化される。ここで、「地物データ」とは地物で反射したと考えられる離散データＤｄであり、「非地物データ」とは地物で反射しなかったと考えられる離散データＤｄである。また、「不明データ」は地物で反射したか否か判別できない離散データＤｄであり、「無効データ」はノイズなどの異常値であり解析には含めない離散データＤｄである。

データ種別の分類（図１のＳｔｅｐ３０）について、図４を参考にしながら詳しく説明する。まず、その離散データＤｄが高反射データＤｓであるか低反射データＤｗであるか判別し（Ｓｔｅｐ４１）、高反射データＤｓはそのまま「地物データ」に分類され、低反射データＤｗは次のステップ（Ｓｔｅｐ４２）に進む。

Ｓｔｅｐ４２に進んだ低反射データＤｗは、それが高反射データＤｓと高反射データＤｓの間に挟まれたものか否か判断される。離散データＤｄは、反射波の受信時刻、すなわち高さ（水準面からの距離）情報を備えているので、一つの照射レーザーパルスに由来する多数の離散データＤｄは高さ順に並べることができる。なお、ここでは便宜上、一つの照射レーザーパルスに由来する多数の離散データＤｄを高さ順に配列したものを、「上下配列した離散データＤｄ群」ということとする。上下配列した離散データＤｄ群を、上方から下方に（高い順に）見ていくと、高反射データＤｓの下方に低反射データＤｗが存在するケースがある。さらに下方に進むと、その低反射データＤｗの下に高反射データＤｓが存在する場合と、引き続き低反射データＤｗが連続する場合がある。高反射データＤｓは地物の存在を示すため、高反射データＤｓが断続的（不連続）に記録されるときは、異なる複数の地物が存在すると考えるのが自然であり、つまり、地物と地物の間には空間が存在すると考えるのが自然である。したがって、上下の高反射データＤｓに挟まれた低反射データＤｗは、地物が存在しない空間を意味する非地物データに分類することとした。

一方、上下配列した離散データＤｄ群を見たとき、低反射データＤｗの下に高反射データＤｓが現れないこともある。つまり、低反射データＤｗが最下端まで連続するケースである。この場合は、地物と地盤に挟まれた空間と考えることもできるし、地盤よりも下方と考えることもできるし、ノイズ等の異常値と考えることもできる。なぜなら、地盤の下からの反射波として記録されるノイズがあることが知られているからである。したがって、上方にのみ高反射データＤｓが存在し、下方には高反射データＤｓが現れない低反射データＤｗは、不明データに分類することとした（Ｓｔｅｐ４３）。そして、低反射データＤｗであって、非地物データにも不明データにも分類されないものは、無効データに分類する。

ところで、あらかじめ計測対象地の地盤の高さ（以下、「地盤高」という。）が分かっていることがある。通常、広範囲の地盤高を表す場合は、「数値標高モデル」が用いられ、その代表的なものとしてＤＴＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｒｒａｉｎ Ｍｏｄｅｌ）が知られている。なおＤＴＭは、建物や緑被物（森林など）など地面上に存在する被覆物を除いた地表面モデルであり、被覆物を含む表面モデルであるＤＳＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｄｅｌ）と対比される。

図５は、地盤高が既知である場合の「データ種別の分類（図１のＳｔｅｐ３０）」の詳細を示すフロー図である。この図に示すように、例えばＤＴＭが既に取得されているなど、計測対象地の地盤高が既知であれば、まず無効データ分類手段によって地盤下の低反射データＤｗを無効データに分類する（Ｓｔｅｐ６０）。記述のとおり、地盤の下からの反射波として記録される高反射データＤｓは、ノイズであると考えられるからである。以降は、地盤高よりも上方の離散データＤｄが対象とされ、図４と同じ流れでそれぞれのデータ種別に分類される。

図４の手法で分類した結果が図７のモデル図であり、同じく図５の手法で分類した結果が図８のモデル図である。これらの図も、一つの照射レーザーパルスに由来する「上下配列した離散データＤｄ群」である。図７及び図８では、低反射データＤｗの塊である第２ブロックＢＬ２０と第３ブロックＢＬ３０が上下の高反射データＤｓに挟まれており、それぞれ非地物データに分類される。また、図７の第４ブロックＢＬ４０の低反射データＤｗは、上方にのみ高反射データＤｓが存在し、下方には高反射データＤｓが現れないことから、不明データとして分類される。図８は、ＤＴＭが用意されているなどあらかじめ地盤高Ｇｈが分かっているケースであり、第４ブロックＢＬ４０のうち上方の第４ブロックＢＬ４０ｕは不明データに分類されるが、下方の第４ブロックＢＬ４０ｄは無効データに分類される。図７及び図８で最も上に配置される第１ブロックＢＬ１０の低反射データＤｗは、図４や図５に示すＳｔｅｐ４３で判定された結果、無効データに分類される。

４．結果の出力
図１に示すように、一つの照射レーザーパルスに由来するすべての離散データＤｄ（Ｋ＝１〜Ｍ_ｉ）についてデータ種別の分類が終わり、これがすべての照射レーザーパルス（Ｉ＝１〜Ｎ）で繰り返し行われると、すべての離散データＤｄとその分類に基づいて結果が出力される。図６は、解析結果を出力する流れを示すフロー図である。この図に示すように、３次元で出力する方法と、２次元で出力する方法の２種類があり、利用目的に応じて適宜選択することができる。なお、ここでいう出力は、ディスプレイに表示したり、プリンタで紙面に印刷したり、電子ファイルとして外部媒体に保存するなど、いわゆる出力とされる様々な処理が含まれる。

図６に基づいて、３次元で出力する方法について説明する。はじめに、ボクセル設定手段によって、計測対象地の上方にボクセルを設定する（Ｓｔｅｐ５１）。具体的には、計測対象の範囲上に所定高さの空間を設定し、この空間を平面的に分割して複数の柱状の空間を設定し、さらにそれぞれの柱状空間を鉛直方向に分割する。この結果、得られる分割空間がボクセルである。

ボクセルが得られると、そのボクセル内に含まれる離散データＤｄを抽出する（Ｓｔｅｐ５２）。図９は、ボクセル内に含まれる離散データＤｄを示すモデル図である。この図では、ボクセル内に１５個の離散データＤｄが含まれ、その内訳は地物データが９個、非地物データが２個、不明データが４個である。

ボクセル内の離散データＤｄが抽出できると、空間地物度算出手段によって「空間地物度」を算出する（Ｓｔｅｐ５３）。この空間地物度は、そのボクセルに含まれる離散データＤｄ（ただし無効データは除く）のうち、地物データが占める比率として求められる。具体的には、地物データ、非地物データ、及び不明データを有効データとし、同じボクセル内にある有効データの個数の和を求め、地物データの個数を有効データの個数で除した値が「空間地物度」である。図９の例で説明すると、有効データが１５個、このうち地物データが９個であるから、このボクセルの空間地物度は９／１５＝０．６０となる。あるいは、不明データを有効データルに含めずに「空間地物度」を算出することもできる。図９の例で説明すると、有効データが地物データ９個と非地物データ２個の１１個となり、このうち地物データが９個であるから、このボクセルの空間地物度は９／１１＝０．８２となる。

「空間地物度」のほか、不明データに着目した「空間不明度」を算出することもできる。この空間不明度は、空間不明度算出手段で求められ、ボクセルに含まれる離散データＤｄ（ただし無効データは除く）のうち、不明データが占める比率として求められる。不明データが得られたということは、光が届かない部分があることを意味しており、例えば森林のうっぺい度として示すことができる。具体的には、地物データ、非地物データ、及び不明データを有効データとし、同じボクセル内にある有効データの個数の和を求め、不明データの個数を有効データの個数で除した値が「空間不明度」である。図９の例で説明すると、有効データが１５個、このうち不明データが４個であるから、このボクセルの空間地物度は４／１５＝０．２７となる。

すべてのボクセルに対して一連の処理（Ｓｔｅｐ５２〜Ｓｔｅｐ５３）が繰り返し行われると（ＬｏｏｐＣ）、その結果を出力する（Ｓｔｅｐ５４）。ボクセルは３次元で表されるため、空間地物度も３次元で表現することができる。図１０は、その一例を示す図であり、（ａ）は実際の樹木を示すモデル図、（ｂ）は本願発明によって３次元で表現された樹木を示すモデル図である。なお図１０は、紙面の都合上、断面図として表現している。この図のうち（ｂ）で示すモデル図は、実際の枝葉の部分が濃く網掛けされており、枝葉と地盤との間の空間は淡く網掛けされている。濃く網掛けされた部分は、高い空間地物度を示すボクセルの集合であり、何らかの（ここでは枝葉）地物が存在することが推定できる。一方、淡く網掛けされた部分は、低い空間地物度を示すボクセルの集合であり、地物がない空間であることが推定できる。

次に、２次元で出力する方法について説明する。はじめに、柱状空間設定手段によって、計測対象地の上方に柱状空間を設定する（Ｓｔｅｐ５５）。具体的には、計測対象の範囲上に所定高さの空間を設定し、この空間を平面分割して多数の柱状空間を得る。

柱状空間が得られると、その柱状空間内に含まれる離散データＤｄを抽出する（Ｓｔｅｐ５６）。図１１は、柱状空間に含まれる離散データＤｄを示すモデル図である。この図では、ボクセル内に２８個の離散データＤｄが含まれ、その内訳は地物データが１２個、非地物データが１２個、不明データが４個である。

柱状空間内の離散データＤｄが抽出できると、平面地物度算出手段によって「平面地物度」を算出する（Ｓｔｅｐ５７）。この平面地物度は、その柱状空間に含まれる離散データＤｄ（ただし無効データは除く）のうち、地物データが占める比率として求められる。具体的には、地物データ、非地物データ、及び不明データを有効データとし、同じ柱状空間内にある有効データの個数の和を求め、地物データの個数を有効データの個数で除した値が「平面地物度」である。図１１の例で説明すると、有効データが２８個、このうち地物データが１２個であるから、この柱状空間の平面地物度は１２／２８＝０．４３となる。あるいは、不明データを有効データルに含めずに「平面地物度」を算出することもできる。図９の例で説明すると、有効データが地物データ１２個と非地物データ４個の１６個となり、このうち地物データが１２個であるから、この柱状空間の平面地物度は１２／１６＝０．７５となる。

「平面地物度」のほか、不明データに着目した「平面不明度」を算出することもできる。この平面不明度は、平面不明度算出手段で求められ、ボクセルに含まれる離散データＤｄ（ただし無効データは除く）のうち、不明データが占める比率として求められる。不明データが得られたということは、光が届かない部分があることを意味しており、例えば森林のうっぺい度として示すことができる。具体的には、地物データ、非地物データ、及び不明データを有効データとし、同じボクセル内にある有効データの個数の和を求め、不明データの個数を有効データの個数で除した値が「平面不明度」である。図９の例で説明すると、有効データが２８個、このうち不明データが１２個であるから、このボクセルの平面地物度は１２／２８＝０．４３となる。

すべての柱状空間に対して一連の処理（Ｓｔｅｐ５６〜Ｓｔｅｐ５７）が繰り返し行われると（ＬｏｏｐＤ）、その結果を出力する（Ｓｔｅｐ５８）。柱状空間にある離散データＤｄはすべて同じ平面内にあるといえるため、平面地物度も２次元で表現することができる。なお、レーザー計測の対象範囲を撮影した航空写真などの画像があれば、この画像と位置を合わせたうえで、２次元で表現した平面地物度を重ね合わせることもできる。この場合、高い平面地物度を示す範囲（例えば、林内の空間が少ない森林が多い領域）、あるいは低い平面地物度を示す範囲（例えば、林内の空間が広い森林が多い領域）と、実際の地物状況を照らし合わせることができて好適である。

本願発明のレーザー計測結果解析システムは、航空レーザー計測のほか、車載型のいわゆるモバイルマッピングシステム（Ｍｏｂｉｌｅ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＭＳ）でのレーザー計測、固定式のレーザー計測など、様々なレーザー計測に利用できる。また、本願発明のレーザー計測結果解析システムは、森林の規模を３次元で数値化できることから、温室効果ガスの排出問題に取り組む環境分野でも大いに活用でき、産業上利用できるとともに、社会的に大きな貢献を期待し得る発明である。

Ｄｄ 離散データ
Ｄｓ 高反射データ
Ｄｗ 低反射データ
Ｇｈ 地盤高
Ｖａ 反射強度閾値
ＧＲ 地形
ＬＰ レーザーパルス
ＰＬ 航空機

Claims (9)

1. レーザー計測によって記録される波形データを解析するレーザー計測結果解析システムにおいて、
   前記波形データを構成する複数の離散データを読み込み、該離散データが有する反射強度と反射強度閾値とを比較することで、該離散データを高反射データ又は低反射データに区分する反射強度区分手段と、
   前記高反射データと前記低反射データを、地物で反射した地物データ、地物で反射していない非地物データ、地物で反射したか否かが不明な不明データ、解析の対象外とする無効データのいずれかに分類するデータ種別分類手段と、を備え、
   前記データ種別分類手段は、
   前記高反射データを前記地物データに分類し、
   同一のレーザーパルスから得られる前記離散データを高さ順に配列したとき、前記高反射データと前記高反射データに挟まれた前記低反射データを前記非地物データに分類するとともに、該非地物データを除く前記低反射データであって前記高反射データの下方に位置する前記低反射データを前記不明データに分類し、
   前記非地物データと前記不明データを除く前記低反射データを前記無効データに分類する、
   ことを特徴とするレーザー計測結果解析システム。
2. レーザー計測の対象範囲の地盤高を有する数値標高モデルと、前記離散データとを比較し、地盤より下方にある前記離散データは前記無効データに分類する無効データ種別分類手段を、さらに備え、
   前記データ種別分類手段は、同一のレーザーパルスから得られる前記離散データを高さ順に配列したとき、前記高反射データと前記高反射データに挟まれた前記低反射データを前記非地物データと判定するとともに、前記高反射データと地盤に挟まれた前記低反射データを前記不明データと判定する、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザー計測結果解析システム。
3. レーザー計測の対象範囲上に所定領域の空間を設定するとともに、該空間を分割して複数のボクセルを得るボクセル設定手段と、
   前記ボクセル内に含まれる前記地物データ、前記非地物データ、及び前記不明データのうち、前記地物データが占める比率を求め、該比率をボクセルの地物度として得る空間地物度算出手段と、をさらに備え、
   前記ボクセルごとの前記地物度に基づいて、地物の位置及び形状を３次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー計測結果解析システム。
4. レーザー計測の対象範囲上に所定領域の空間を設定するとともに、該空間を分割して複数のボクセルを得るボクセル設定手段と、
   前記ボクセル内に含まれる前記地物データ、及び前記非地物データのうち、前記地物データが占める比率を求め、該比率をボクセルの地物度として得る空間地物度算出手段と、をさらに備え、
   前記ボクセルごとの前記地物度に基づいて、地物の位置及び形状を３次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー計測結果解析システム。
5. 前記ボクセル内に含まれる前記地物データ、前記非地物データ、及び前記不明データのうち、前記不明データが占める比率を求め、該比率をボクセルの不明度として得る空間不明度算出手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のレーザー計測結果解析システム。
6. レーザー計測の対象範囲を平面分割して複数の分割領域を得るとともに、該分割領域上に所定高の柱状空間を設定する柱状空間設定手段と、
   前記柱状空間内に含まれる前記地物データ、前記非地物データ、及び前記不明データのうち、前記地物データが占める比率を求め、該比率を前記分割領域の地物度として得る平面地物度算出手段と、をさらに備え、
   前記分割領域ごとの前記地物度に基づいて、地物の位置及び形状を２次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー計測結果解析システム。
7. レーザー計測の対象範囲を平面分割して複数の分割領域を得るとともに、該分割領域上に所定高の柱状空間を設定する柱状空間設定手段と、
   前記柱状空間内に含まれる前記地物データ、及び前記非地物データのうち、前記地物データが占める比率を求め、該比率を前記分割領域の地物度として得る平面地物度算出手段と、をさらに備え、
   前記分割領域ごとの前記地物度に基づいて、地物の位置及び形状を２次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー計測結果解析システム。
8. 前記柱状空間内に含まれる前記地物データ、前記非地物データ、及び前記不明データのうち、前記不明データが占める比率を求め、該比率を前記分割領域の不明度として得る平面不明度算出手段と、をさらに備え、
   前記分割領域ごとの前記地物度に基づいて、地物の位置及び形状を２次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載のレーザー計測結果解析システム。
9. 前記レーザー計測の対象範囲を表す画像と重ね合わせて、地物の位置及び形状を２次元で出力し得る、ことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載のレーザー計測結果解析システム。
   

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