JPH07170443A - 航空機搭載総合撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 航空機より地上の画像を連続的に撮影して画
像データを直接デジタルデータでリアルタイムに記録す
る。 【構成】 斜め前方と斜め後方を向くラインセンサーの
中間に鉛直方向を向くラインセンサーを配置し、これら
３本の平行なラインセンサーにより構成したスリーライ
ンセンサーカメラを航空機に搭載する。そしてこのスリ
ーラインセンサーカメラと一体にジャイロを組み付け、
ジャイロより出力するカメラの姿勢データと、ＧＰＳよ
り得た航空機の位置データとスリーラインセンサーカメ
ラのデジタル画像データとにより地上の画像を記録再生
する。カメラにジャイロを一体的に組付けるので、カメ
ラの光軸を常に鉛直方向に向かせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地形の形状を測量する
ために、航空機に搭載して地上の画像データを撮影する
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、地形の形状を測量するために、航
空写真をよく利用していた。一般的な航空写真は、航空
機に搭載した撮影機によって撮影範囲を重複させながら
一定間隔で地表を撮影し、そのフィルムを現像して、印
画紙に焼き付けていた。

【０００３】また、衛星に搭載したスキャナーおよびラ
インセンサーによって、地表の画像をデジタルデータに
よって撮影していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の航空写真では、
写真は１枚毎に連続性のない種々の方向の反射光の集ま
りになってしまうという問題と、写真の感光特性、現像
・焼き付けの条件などで画質が変化するという問題があ
った。

【０００５】また、現像しなければ画像を確認できない
ので、現像後に撮り直さなければならないという無駄が
発生することもあった。

【０００６】航空写真から地形測量をするには、航空カ
メラの位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と３軸のまわりの傾き
（ω，φ，ｕ）の６つの標定要素を座標の既知な点（基
準点という）を利用して、解析的に解く必要があった。
このため、基準点を設置する膨大な作業が必要であり時
間を要していた。

【０００７】このような、航空写真測量を自動化するた
めには、現像後の航空写真またはフィルムをＡ／Ｄ変換
してデジタル化する必要があった。

【０００８】本発明は、これらの点に鑑み、スリーライ
ンセンサーカメラを航空機に搭載して、飛行しながら地
表の画像を連続的に撮影し、リアルタイムに地表の画像
データを直接デジタルデータで記録することを目的とす
る。また、スリーラインセンサーカメラに一体的に組付
けたジャイロにより計測した姿勢データを、フィードバ
ックさせることによって、常時カメラの光軸が鉛直方向
を向くようにして、歪みのない画像データを得ることを
目的とする。さらにデジタルデータで記録した画像デー
タの他に、ジャイロが計測した姿勢データとＧＰＳから
取得した位置データも合わせて記録して、後で詳細な補
正をソフトウエアで行えるようにすることを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、以下のように構成した。

【００１０】すなわち、航空機に搭載して地表の画像を
撮影するスリーラインセンサーカメラと、前記スリーラ
インセンサーカメラと同一の筐体に設置して前記スリー
ラインセンサーカメラの撮影時の姿勢データを計測する
ジャイロと、前記スリーラインセンサーカメラの撮影時
の３次元空間の位置データを求めるＧＰＳと、前記スリ
ーラインセンサーカメラの光軸が常に鉛直方向を向くよ
うにその姿勢を制御すると同時に航空機の振動を吸収す
る機能を有するスタビライザーと、前記ジャイロの姿勢
データと前記ＧＰＳの位置データから前記スタビライザ
ーを制御する信号を出力するデータ処理装置と、前記ス
リーラインセンサーカメラの画像データと前記ジャイロ
の姿勢データと前記ＧＰＳの位置データとを合わせて記
録するデータ記録装置と、前記スリーラインセンサーカ
メラの画像データを表示する画像表示装置と、前記デー
タ記録装置が記録する前記画像データと前記姿勢データ
と前記位置データとを基に前記スリーラインセンサーカ
メラの画像データを座標を確定した画像データに変換し
て出力するデータ解析装置とを備えてなる航空機搭載総
合撮影装置である。

【００１１】

【作用】スリーラインセンサーカメラは、航空機に搭載
して地表の画像を撮影する。

【００１２】ジャイロは、前記スリーラインセンサーカ
メラと同一の筐体に設置して、前記スリーラインセンサ
ーカメラの撮影時の姿勢データを計測する。

【００１３】ＧＰＳは、前記スリーラインセンサーカメ
ラの撮影時の３次元空間の位置データを求める。

【００１４】スタビライザーは、前記スリーラインセン
サーカメラの光軸が常に鉛直方向を向くようにその姿勢
を制御すると同時に、航空機の振動を吸収する機能を有
する。

【００１５】データ処理装置は、前記ジャイロが計測し
た姿勢データと前記ＧＰＳから求めた位置データから、
前記スタビライザーを制御する信号を出力する。

【００１６】データ記録装置は、前記スリーラインセン
サーカメラが撮影した地表の画像データと前記ジャイロ
が計測した姿勢データと前記ＧＰＳから求めた位置デー
タを合わせて記録する。

【００１７】画像表示装置は、前記スリーラインセンサ
ーカメラが撮影した地表の画像データを表示する。

【００１８】データ解析装置は、前記データ記録装置が
記録する前記スリーラインセンサーカメラの画像データ
と前記ジャイロの姿勢データと前記ＧＰＳの位置データ
を基に、前記スリーラインセンサーカメラの画像データ
を座標を確定した地表画像データに変換して出力する。

【００１９】以上により、航空カメラないしスリーライ
ンセンサーの位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と傾き（ω，
φ，ｕ）が微小時間毎に、つまり、時間の関数として計
測可能になり、従来の標定作業が不要となるだけでな
く、基準点の設置が不要または最小限になり、更に、ス
テレオ画像の対応点認識（ステレオマッチング）が計算
機で可能になることになり、大きな技術革新が達成でき
る。

【００２０】従来のステレオマッチングでは、２枚一
組、すなわち２本の異なる角度の光束の交合点を求める
ことにより、地表の３次元座標を求めていたが、本発明
のスリーラインセンサー方式は、鉛直光束、前方斜方向
光束、後方斜方向光束の３本の光束の交合点を求める方
式であるため、リダンダンシー（剰余性）があり、エラ
ーチェックが確実となるとともに、精度の向上が望め
る。

【００２１】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。

【００２２】図１は本発明の実施例のブロック図であ
る。

【００２３】図１において、１はスリーラインセンサー
カメラであり、ＣＣＤのラインセンー１ａ，１ｂ，１ｃ
を３個平行に並べたカメラで、それぞれ異なった３つの
方向から見た地表の画像を撮影して得られた地上画像デ
ータを、デジタルデータに変換してデータ処理装置５に
転送する。

【００２４】２はジャイロであり、本発明ではスリーラ
インセンサーカメラ１と同一の筐体に設置して一体化す
ることにより、撮影時のスリーラインセンサーカメラ１
の姿勢を３軸の傾き（ω，φ，ｕ：ロール角・ピッチ角
・ヨー角）で計測する。

【００２５】３はＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）であり、人工衛星から送ら
れてくる電波によるデータを使って、３次元空間の受信
者（船や航空機など）の位置を求めるためのシステムで
ある。

【００２６】本発明では航空機の機体に設置して、撮影
時のスリーラインセンサーカメラ１の位置を３次元空間
の位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）として求める。

【００２７】図２は本発明のスリーラインセンサー方式
の説明図である。

【００２８】図２に示すように、スリーラインセンサー
の場合デジタル画像上で認識可能な対応点が３つでき、
それを（ｘi ，ｙi ） で表す。ここでｉ＝１，２，３
である。

【００２９】また、そのとき計測されるセンサーの位置
を（Ｘoi，Ｙoi，Ｚoi）で、傾きをωi ，φi ，ｕi ）
で表す。

【００３０】対応点の１つを（ｘ，ｙ）とし、焦点距離
をｆとすると、ｘ，ｙは、それぞれ次式のように表せら
れる。

【００３１】

【数１】 上式はまた、次のように変換できる。

【００３２】

【数２】 但し、

【００３３】

【数３】 である。

【００３４】ここで、ａ₁ ・・・ａ₉ は次の回転行列式
で表せられる。

【００３５】

【数４】 以上の２式を、それぞれ３つの対応点について計算する
合計６式から最小二乗法により、地表の３次元座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。

【００３６】なお、ｕi およびｖi は計測データから算
出される。

【００３７】図３はＧＰＳによる位置計測方法の説明図
である。

【００３８】図３に示すように、ＧＰＳの受信機を持つ
船や航空機Ａは、人工衛星Ｓから送られた信号を受信
し、このうち測定に最適な４個以上の衛星を選んで、そ
れぞれの衛星と受信局（航空機Ａ）間の距離を測定す
る。また、地上の固定局Ｐより入手する人工衛星Ｓの軌
道予測情報を使って、観測時における衛星の位置を求め
れば、受信局（航空機Ａ）はその衛星の位置を中心と
し、測定された距離を半径とする球の表面にあることに
なる。このような計算を４個以上の衛星それぞれについ
て行い、キネマティックモードもしくはディファレンシ
ャルモードで連続的に受信局（航空機Ａ）の位置を求め
る。

【００３９】４はスタビライザーであり、航空機の振動
を吸収するとともに、データ処理装置５からの信号によ
って、姿勢を制御することができる。

【００４０】図４は、スタビライザーの制御機構の説明
図である。

【００４１】図４に示すように、本発明ではスリーライ
ンセンサーカメラ１とジャイロ２を一体的に取り付け、
ジャイロ２で計測した姿勢データ（ロール角・ピッチ角
・ヨー角）によって、３軸の姿勢制御機構のモータ（Ｍ
１，Ｍ２，Ｍ３）をコントロールする電圧を出力して、
スリーラインセンサーカメラ１の向きを任意の一定方向
に一致させる制御を行う。

【００４２】図５ないし図８は、スリーラインセンサー
カメラ１が撮影する地表画像の状態図である。

【００４３】そのうち図５に示すように、スリーライン
センサーカメラ１を搭載した航空機Ａが理想的なコース
（一定高度・一定方位）で飛行する場合は、スリーライ
ンセンサーカメラ１は常に鉛直方向を向き、データの飛
びや歪みのない地表画像が得られる。

【００４４】しかし、実際には風などの影響で航空機が
理想的なコースで飛行するのは不可能である。たとえ
ば、図６はカメラ１のロール角が変化した場合を示し、
図７はピッチ角が変化した場合を、また図８はヨー角が
変化した場合をそれぞれ示す。

【００４５】そこで撮影時にはスリーラインセンサーカ
メラ１が常に一定方向、鉛直方向で一定方位に対してセ
ンサーが直交するように３軸の姿勢制御機構をリアルタ
イムに制御する必要がある。

【００４６】この制御をせずに、画像データと一緒にこ
の時の姿勢データを記録しておくだけでは、一定のコー
スを航空機が飛行するために機体を傾けた時に、目的の
地上エリアから外れてしまい、撮影できなかったエリア
は後でコンピュータのプログラムで画像を補正すること
はできない。さらに範囲を外さずに飛行できたとしても
図６乃至８に示すように、画像の有効区間が狭くなるこ
と、前後の飛びが発生した場合は回復不能であったり、
コンピュータの処理に多くの時間がかかることなど問題
が多い。

【００４７】図９は、データ処理装置が行うデータ処理
の流れ図である。

【００４８】図９に示すように、データ処理装置５はジ
ャイロ２によって得られた姿勢データとＧＰＳ３から得
られた位置データによって、スタビライザー４を制御す
る信号を出力する。

【００４９】ＧＰＳ３のデータから、航空機が設置され
たコースを直進しているか否かをチェックできる。ま
た、ジャイロ２の３軸データ、特にヨー角から機体がコ
ースに対して偏角を有しているか否かが分かる（特に、
横風の時）。このため、センサーの向き（走査方向）を
常にコースに対して直角になるよう補正をすることがで
きる（これを、偏流角補正またはヨー角補正という）。

【００５０】データ処理装置５は、更に、スリーライン
センサーカメラ１から得られた画像データとジャイロ２
によって得られた姿勢データとＧＰＳ３から得られた位
置データをデータ記録装置６に転送する。これらのデー
タからスリーラインセンサーカメラ１の光軸が鉛直方向
を向くようにスタビライザーのモータを動かす信号を出
力する。

【００５１】６はデータ記録装置であり、高速な記録レ
ートを持つデジタルの記録装置で、データ処理装置５か
ら転送されたスリーラインセンサーカメラ１から得られ
た画像データをリアルタイムに記録する。同時に、１ラ
インの画像データ毎に、同期させて、ジャイロ２によっ
て得られた姿勢データとＧＰＳ３から得られた位置デー
タを記録する。

【００５２】７は画像表示装置であり、スリーラインセ
ンサーカメラ１が撮影する地表の画像をリアルタイムに
表示する。この表示画像は、航空機のパイロットが予定
飛行コースのずれがないかを判断するのに役立つ。

【００５３】８は地上に設置したデータ解析装置であ
り、データ記録装置６に記録された画像データと姿勢デ
ータと位置データを基に、レンズの収差の補正、ＣＣＤ
特性の補正などを行って１ピクセル毎に座標を確定した
地表画像データに変換する。

【００５４】この地表画像データから、デジタル写真測
量に関するいろいろなコンピュータソフトを動かすこと
ができる。

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明では、スリーライン
センサーカメラを航空機に搭載して、飛行しながら地表
の画像を連続的に撮影し、リアルタイムに地表の立体地
形の解析ができる３つの異なった方向から撮影された画
像データを直接デジタルデータで記録する。また、スリ
ーラインセンサーカメラと一体化したジャイロが計測し
た姿勢データをフィードバックさせることによって常時
カメラの光軸を鉛直方向に、またラインセンサーを進行
方向に対して直角方向にそれぞれ向くようにして、歪み
のない画像データを得ている。この手法により、従来は
安定した衛星でしか利用できなかったラインセンサーを
用いたデジタル画像記録が可能になった。

【００５６】また、デジタルデータで記録した画像デー
タの他に、ジャイロが計測した姿勢データとＧＰＳから
取得した位置データも合わせて記録している。

【００５７】従って本発明によれば、これらの記録デー
タを総合的に利用して写真処理および基準点測定を不要
とする高精度で高効率のデジタル写真測量が可能になる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のブロック図である。

【図２】本発明の作用説明図である。

【図３】ＧＰＳによる位置計測方法の説明図である。

【図４】スタビライザーの外観と制御機構の説明図であ
る。

【図５】スリーラインセンサーカメラが撮影する地表画
像の状態図であり、航空機が理想的なコースで飛行した
場合を示す。

【図６】スリーラインセンサーカメラが撮影する地表画
像の状態図であり、航空機のロール角が変化した場合を
示す。

【図７】スリーラインセンサーカメラが撮影する地表画
像の状態図であり、航空機のピッチ角が変化した場合を
示す。

【図８】スリーラインセンサーカメラが撮影する地表画
像の状態図であり、航空機のヨー角が変化した場合を示
す。

【図９】データ処理装置が行うデータ処理の流れ図であ
る。

【符号の説明】

１ スリーセンサーラインカメラ ２ ジャイロ ３ ＧＰＳ ４ スタビライザー ５ データ処理装置 ６ データ記録装置 ７ 画像表示装置 ８ データ解析装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 航空機に搭載して地表の画像を撮影する
   スリーラインセンサーカメラと、 前記スリーラインセンサーカメラと同一の筐体に設置し
   て前記スリーラインセンサーカメラの撮影時の姿勢デー
   タを計測するジャイロと、 前記スリーラインセンサーカメラの撮影時の３次元空間
   の位置データを求めるＧＰＳと、 前記スリーラインセンサーカメラの光軸が常に鉛直方向
   を向くようにその姿勢を制御すると同時に航空機の振動
   を吸収する機能を有するスタビライザーと、 前記ジャイロの姿勢データと前記ＧＰＳの位置データか
   ら前記スタビライザーを制御する信号を出力するデータ
   処理装置と、 前記スリーラインセンサーカメラの画像データと前記ジ
   ャイロの姿勢データと前記ＧＰＳの位置データとを合わ
   せて記録するデータ記録装置と、 前記スリーラインセンサーカメラの画像データを表示す
   る画像表示装置と、 前記データ記録装置が記録する前記画像データと前記姿
   勢データと前記位置データとを基に前記スリーラインセ
   ンサーカメラの画像データを座標を確定した画像データ
   に変換して出力するデータ解析装置と、 を備えてなる航空機搭載総合撮影装置。