JP6730502B1 - 点群分布可視化装置、点群分布可視化方法および点群分布可視化プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】三次元点群データから測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像である点群分布可視化画像を作成することができる点群分布可視化装置を提供する。【解決手段】点群分布可視化装置１００は、三次元点群データから点群の法線ベクトルｎを求める法線ベクトル算出部１１０と、水平面または垂直面に対する法線ベクトルｎの角度θ、φを求める角度算出部１２０と、角度θ、φに応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像Ｇを生成する点群分布可視化部１３０と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元点群データから点群分布可視化画像を生成するための装置、方法およびプログラムに関する。

近年、ドローン（ＵＡＶ、無人航空機）など飛行体を用いた航空レーザ測量技術の高度化が著しい。航空レーザ測量は、計測領域の上空を飛行する飛行体から地表に向けてレーザ光を照射しつつ、地物からの反射光を計測することにより行われる。航空レーザ測量によれば、地形や建物などをあらわす情報として三次元点群データを取得することが可能となる（たとえば特許文献１〜３参照）。

特開２０１６−１０７８４３号公報 特開２０１７−２０７４３８号公報 特開２０１９−０２７９６０号公報

ところで、土木、建設、防災、等の分野では、航空測量等により得られた三次元点群データを利用して、地形、道路、樹木、建物、等、測量対象を線で表現した地図が作成される。この場合、モニタに表示された三次元点群データの画像をオペレータが視認しながら地図の作成が行われる。

しかし、三次元点群データの画像は、レーザ光の反射した位置に対応する単なる点の集合により構成される白黒画像であるため、測量対象の境界や輪郭を判別し難い。日中に行われる航空測量であれば、レーザ測量装置とカラー撮像装置とを併用することにより、カラー化処理した三次元点群データを取得することも可能である。
しかしながら、多くの場合、道路を走行する自動車等を可能な限り除いた画像を取得したいことから、航空測量は深夜に行われるため、撮影した画像はモノクロ画像にならざるを得ない。点群の分布状態を色別に表現できれば撮影対象物を非常に判別しやすいものであるが、上記の事情によりカラー化処理した三次元点群データを取得することは難しいのが現状である。

そこで本発明は、三次元点群データから測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像である点群分布可視化画像を作成することができる装置、方法およびプログラムを提供する。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明にあっては、三次元点群データから点群分布可視化画像を生成するための装置であって、前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求める法線ベクトル算出部と、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出部と、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化部と、を有し、前記点群分布可視化部は、地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、前記点群分布可視化部は、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化装置である。

請求項２記載の発明にあっては、三次元点群データから点群分布可視化画像を生成する方法であって、前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求め法線ベクトル算出ステップと、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出ステップと、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化ステップと、を有し、前記点群分布可視化ステップは、地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、前記点群分布可視化ステップでは、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化方法である。

請求項３記載の発明にあっては、コンピュータを、三次元点群データから点群分布可視化画像を生成するための装置として機能させるためのプログラムであって、前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求め法線ベクトル算出ステップと、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出ステップと、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化ステップと、を有し、前記点群分布可視化ステップは、地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、前記点群分布可視化ステップでは、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化プログラムである。

請求項１の点群分布可視化装置及び請求項２記載の点群分布可視化方法によれば、三次元点群データから点群の法線ベクトルを求め、その法線ベクトルの水平面または垂直面に対する角度を求め、その角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成することにより、三次元点群データの計測時間帯が日中であるか夜間であるかを問わず、当該三次元点群データから測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像を生成することができる。
測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像が得られることにより、測量対象の境界や輪郭を判別し易くなるため、測量対象を線で表現した地図の作成を従来よりも容易に行えるようになる。
その結果、三次元点群データから地図を作成する作業において、地図作成者が測量対象物を明確に視認、認識できるようになることから、地図作成作業の工数を大幅に低減でき、地図作成者の負担を大幅に軽減することが可能となる。

また、請求項1の点群分布可視化装置および請求項２記載の点群分布可視化方法によれば、法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことにより、法線ベクトルの角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を比較的小さい計算量で生成することができる。
従って、色相環に基づいて着色することができることから、対象物に応じて適宜の多色の色分けをした状態で三次元点群データを作成することが可能となる。

請求項３の点群分布可視化プログラムによれば、これをコンピュータにインストールし実行することにより、当該コンピュータを、請求項１の点群分布可視化装置として機能させることができる。この点群分布可視化装置によれば、三次元点群データの計測時間帯が日中であるか夜間であるかを問わず、当該三次元点群データから測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像を生成することができる。測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像が得られることにより、測量対象の境界や輪郭を判別し易くなるため、測量対象を線で表現した地図の作成を従来よりも容易に行えるようになる。
その結果、三次元点群データから地図を作成する作業において、地図作成者が測量対象物を明確に視認、認識できるようになることから、地図作成作業の工数を大幅に低減でき、地図作成者の負担を大幅に軽減することが可能となる。

請求項３の点群分布可視化プログラムによれば、これをコンピュータにインストールし実行することにより、当該コンピュータを、請求項１の点群分布可視化装置として機能させることができる。この点群分布可視化装置によれば、法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことにより、法線ベクトルの角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を比較的小さい計算量で生成することができる。
従って、色相環に基づいて着色することができることから、対象物に応じて適宜の多色の色分けをした状態で三次元点群データを作成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る点群分布可視化装置を使用して測量対象を線で表現した平面図を作成する際の一連の作業工程を示す図である。 本発明の一実施形態の点群分布可視化装置のブロック図である。 本発明の実施形態における法線ベクトルと色相環とを示す説明図である。 図２に示す点群分布可視化装置の動作内容を示すフロー図である。 本発明に係る三次元点群データによる画像とその画像を処理して得られた点群分布可視化画像とを例示する説明図である。 本発明に係る三次元点群データによる画像とその画像を処理して得られた点群分布可視化画像とを例示する別の説明図である。

本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
１．平面図作成の作業工程
まず、航空測量により得られた三次元点群データを利用して、地形、道路、樹木、建物、等、測量対象を線で表現した平面図を作成する作業工程について説明する。ここでは、ドローンを用いた航空レーザ測量により得られた三次元点群データから平面図を作成する作業工程について、図１を参照して説明する。

図１には、ドローン撮影工程Ｐ１、三次元点群データ生成工程Ｐ２、点群分布可視化工程Ｐ３および平面図作成工程Ｐ４からなる一連の作業工程が示されている。

ドローン撮影工程Ｐ１は、計測領域の上空にドローンを飛行させ、そのドローンに搭載した光学カメラ、レーザ測距装置、高度計、等を用いて計測領域に存在する測量対象（地形、建物、等）に関する測量データ（画像データ、距離データ、高度データ、等）Ｄ１を取得する工程である。

三次元点群データ生成工程Ｐ２は、ドローン撮影工程Ｐ１により取得した測量データＤ１から、公知の三次元形状復元計算処理および点群編集処理を経て、三次元点群データＤ２を作成する工程である。この工程は、三次元点群データ作成用の公知のソフトウエアをインストールしたコンピュータ（図示省略）を使用することにより自動化される。

点群分布可視化工程Ｐ３は、三次元点群データ生成工程Ｐ２により得られた三次元点群データＤ２から、点群分布可視化画像Ｇを生成する工程である。この工程により、測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像である点群分布可視化画像Ｇが生成される。この工程は、図２に示す一実施形態の点群分布可視化装置１００により自動化される。

平面図作成工程Ｐ４は、点群分布可視化工程Ｐ３により生成された点群分布可視化画像（カラー画像）Ｇをモニタ１４０（図２）に表示させ、その画像Ｇをオペレータが視認しながら平面図Ｆを作成する工程である。

２．点群分布可視化装置の構成
図２に示すように、一実施形態の点群分布可視化装置１００は、法線ベクトル算出部１１０と、角度算出部１２０と、点群分布可視化部１３０と、を有する。この点群分布可視化装置１００は、一実施形態の点群分布可視化プログラムをコンピュータにインストールし実行することにより実現される。

法線ベクトル算出部１１０は、三次元点群データ生成工程Ｐ２（図１）により得られた三次元点群データＤ２から点群の法線ベクトルｎを求める機能ブロックである。点群の法線ベクトルｎを求める方法は任意である。

点群の法線ベクトルｎを求める方法には、点群から曲面を求め、その曲面から各点の法線を計算する方法と、点群から直接法線を計算する方法と、がある。前者の方法は、三次元点群データＤ２にノイズによる点が混在していると不正確な曲面が求められるため、ノイズに弱いという欠点がある。一方、後者の方法は、対象点近傍の点を複数個考慮して法線を求めるため、ノイズの効果は相対的に小さくなるという利点がある。

法線ベクトル算出部１１０では、後者の方法すなわち、点群から直接法線を計算する方法を採用している。この方法では、点群の位置座標について主成分分析を行い、得られた3つの固有値のうち一番小さい固有値に対応する固有ベクトルを法線ベクトルｎとして求める。

角度算出部１２０は、水平面または垂直面に対する法線ベクトルｎの角度を求める機能ブロックである。水平面（ｘｙ平面）に対する法線ベクトルｎの角度θは、式１により求められる。ここで、ａ_１、ａ_２およびａ_３は法線ベクトルの成分である。

また、垂直面（ｘｚ平面、ｙｚ平面）に対する法線ベクトルｎの角度φは、式２により求められる。

点群分布可視化部１３０は、角度算出部１２０により求めた法線ベクトルｎの角度θまたはφに応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像Ｇを生成する。この実施形態では、点群分布可視化部１３０は、図３に示すように、法線ベクトルｎの角度θまたはφと予め設定した色相環ＨＣとの関係とに基づいて、法線ベクトルｎの始点ごとに色付けを行うことによりカラー画像Ｇを生成する。

色相環ＨＣは、色相のみの変化を平面上に表したものである。色相は、心軸Ｏ回りの矢印Ｈ方向に赤〜緑〜青と変化していく。赤と緑の間にはこれらを混ぜ合わせた黄色（２５５、２５５、０）があり、緑と青の間、青と赤の間にもこれらを混ぜ合わせた色があり、色相は徐々に変化していく。法線ベクトルｎの角度θまたはφと予め設定した色相環ＨＣとの関係とに基づいて、法線ベクトルｎの始点ごとに色付けを行うことは、具体的には、法線ベクトルｎの始点の色をその法線ベクトルｎが指し示す色相環ＨＣ上の点の色に決定することを意味する。

３．点群分布可視化装置の動作
つぎに、点群分布可視化装置１００の動作を、図４のフロー図に従って説明する。ここで説明する動作内容は、点群分布可視化工程Ｐ３（図１）の内容に相当する。すなわち、点群分布可視化工程Ｐ３は、図４に示すように、法線ベクトル算出ステップＳ１と、角度算出ステップＳ２と、点群分布可視化ステップＳ３と、により構成される。これらのステップＳ１〜Ｓ３は、一実施形態の点群分布可視化プログラムにより実現される処理内容を示すものである。

法線ベクトル算出ステップＳ１は、三次元点群データ生成工程Ｐ２（図１）により得られた三次元点群データから点群の法線ベクトルｎを求めるステップである。

角度算出ステップＳ２は、法線ベクトル算出ステップＳ１により求めた法線ベクトルｎの水平面に対する角度θまたは垂直面に対する角度φを求めるステップである。

点群分布可視化ステップＳ３は、角度算出ステップＳ２により求めた法線ベクトルｎの角度θまたはφに応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像Ｇを生成するステップである。この実施形態では、点群分布可視化ステップＳ３では、図３に示すように、法線ベクトルｎの角度θまたはφと予め設定した色相環ＨＣとの関係とに基づいて、法線ベクトルｎの始点ごとに色付けを行うことによりカラー画像Ｇを生成する。

４．一実施形態の作用・効果
つぎに、上記のように構成された点群分布可視化装置１００の作用・効果について説明する。
点群分布可視化装置１００は、ドローン撮影により得られた三次元点群データＤ２から点群の法線ベクトルｎを求め、その法線ベクトルｎの水平面に対する角度θまたは垂直面に対する角度φを求め、その角度θまたはφに応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像Ｇを生成する。このように、法線ベクトルｎの角度θまたはφに基づいてカラー画像Ｇを生成することにより、ドローン撮影により得られた三次元点群データＤ２の計測時間帯が日中であるか夜間であるかを問わず、当該三次元点群データＤ２から測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像Ｇすなわち点群分布可視化画像Ｇを生成することができる。法線ベクトルｎの水平面に対する角度θに基づく彩色は、地形などの平面図Ｆを作成するのに適している。法線ベクトルｎの垂直面に対する角度φに基づく彩色は、建物・構造物などの平面図Ｆを作成するのに適している。

図５の左側の画像Ｇ１１は、日中に取得したカラー情報を有する三次元点群データＤ２による地形の画像を例示している。この画像Ｇ１１を点群分布可視化装置１００で処理することにより、図５の右側に例示する点群分布可視化画像Ｇ１２が得られる。点群分布可視化画像Ｇ１２では、測量対象を表す点群の分布状態が色の違いで表現されている。

図６の左側の画像Ｇ２１は、夜間に取得した三次元点群データＤ２による建物を多く含む画像を例示している。画像Ｇ２１は、カラー情報を有していないモノトーンの画像である。この画像Ｇ２１を点群分布可視化装置１００で処理することにより、図６の右側に例示する点群分布可視化画像Ｇ２２が得られる。点群分布可視化画像Ｇ２２では、測量対象を表す点群の分布状態が色の違いで表現されている。

このように、測量対象を表す点群の分布状態を色の違いで表現したカラー画像である点群分布可視化画像Ｇ１２、Ｇ２２が得られることにより、測量対象の境界や輪郭を目視で判別し易くなるため、測量対象を線で表現した平面図Ｆの作成を従来よりも容易に行えるようになる。

また、点群分布可視化装置１００は、法線ベクトルｎの角度θまたはφと予め設定した色相環ＨＣとの関係とに基づいて、法線ベクトルｎの始点ごとに色付けを行うことにより、測量対象の各部に色付けをしたカラー画像すなわち点群分布可視化画像Ｇ１２、Ｇ２２を生成するので、点群分布可視化画像Ｇ１２、Ｇ２２を比較的小さい計算量で生成することができる。

なお、上記実施形態では、平面図作成工程Ｐ４が、モニタ１４０に表示された点群分布可視化画像（カラー画像）Ｇをオペレータが視認しながら平面図Ｆを作成する工程であるとしたが、点群分布可視化画像Ｇは測量対象の各部を色の違いにより機械的に判別可能であるので、点群分布可視化画像Ｇから測量対象の各部の境界や輪郭などを自動判別し、図１に示す、測量対象を線で表現した平面図Ｆを自動作成するシステムを構築することも可能である。

また、上記実施形態では、航空測量により得られた三次元点群データを用いているが、その他の手段により得られた三次元点群データを用いてもよい。

１００ 点群分布可視化装置
１１０ 法線ベクトル算出部
１２０ 角度算出部
１３０ 点群分布可視化部
Ｄ１ 測量データ
Ｄ２ 三次元点群データ
Ｆ 平面図
Ｇ 点群分布可視化画像、カラー画像
Ｇ１２ 点群分布可視化画像
Ｇ２２ 点群分布可視化画像
ＨＣ 色相環
ｎ 法線ベクトル
Ｐ１ ドローン撮影工程
Ｐ２ 三次元点群データ生成工程
Ｐ３ 点群分布可視化工程
Ｐ４ 平面図作成工程
Ｓ１ 法線ベクトル算出ステップ
Ｓ２ 角度算出ステップ
Ｓ３ 点群分布可視化ステップ
θ 角度
φ 角度

Claims (3)

1. 三次元点群データから点群分布可視化画像を生成するための装置であって、
   前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求める法線ベクトル算出部と、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出部と、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化部と、を有し、
   前記点群分布可視化部は、
   地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、
   前記点群分布可視化部は、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化装置。
2. 三次元点群データから点群分布可視化画像を生成する方法であって、
   前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求め法線ベクトル算出ステップと、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出ステップと、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化ステップと、を有し、
   前記点群分布可視化ステップは、
   地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、前記点群分布可視化ステップでは、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化方法。
3. コンピュータを、三次元点群データから点群分布可視化画像を生成するための装置として機能させるためのプログラムであって、
   前記三次元点群データから点群の法線ベクトルを求め法線ベクトル算出ステップと、水平面または垂直面に対する前記法線ベクトルの角度を求める角度算出ステップと、前記角度に応じて測量対象の各部に色付けをしたカラー画像を生成する点群分布可視化ステップと、を有し、
   前記点群分布可視化ステップは、
   地形の平面図を作成する場合には、水平面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて地形の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、または、建物及び構造物の平面図を作成する場合には、垂直面に対する前記法線ベクトルの角度に応じて建物及び構造物の各部に色付けをしたカラー画像を生成し、
   前記点群分布可視化ステップでは、前記法線ベクトルの角度と予め設定した色相環との関係とに基づいて、前記法線ベクトルの始点ごとに色付けを行うことを特徴とする点群分布可視化プログラム。