WO2016159282A1 - 点群データ生成用画像の撮影方法、及び当該画像を用いた点群データ生成方法 - Google Patents

点群データ生成用画像の撮影方法、及び当該画像を用いた点群データ生成方法 Download PDF

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WO2016159282A1
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慶 幸 平
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Ｔｅｒｒａ Ｄｒｏｎｅ 株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C7/00—Tracing profiles
    • G01C7/02—Tracing profiles of land surfaces
    • G01C7/04—Tracing profiles of land surfaces involving a vehicle which moves along the profile to be traced
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/04—Interpretation of pictures
    • G01C11/06—Interpretation of pictures by comparison of two or more pictures of the same area
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T1/00—General purpose image data processing

Definitions

  • the present invention relates to a method of capturing an image for generating point cloud data representing a three-dimensional shape of a target area using a plurality of captured images, and a method of generating point cloud data using the captured images.
  • the present invention relates to a method of capturing an image for point cloud data generation capable of enhancing the accuracy of point cloud data, and a method of generating point cloud data using the image.
  • photogrammetry which precisely extracts geographical and topographical information in a wide area using photographs taken from aircraft or other flying objects, is used for topographic mapping, interpretation analysis of topographical and land use, and the like.
  • aerial photographs taken while overlapping 60% to 80% of vertical photographs of the ground surface along the flight course of the aircraft are found in detail, and differences in the images on the photographs are made three-dimensional It is possible to create an accurate three-dimensional image by measuring in a static manner and use it for measurement and topographical map creation.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-245741. That is, this document is an aerial photogrammetry method for obtaining the ground coordinates of a point specified in a plurality of photographed images photographed from an aircraft flying at a predetermined altitude on the ground, and the camera position at the time of acquiring each photographed image The camera pose is directly localized by the GPS and IMU mounted on the aircraft, and the entire block consisting of a plurality of photographs connected through the tie points specified in the photographed image is placed in the survey area with an appropriate number of points. There is proposed an aerial photogrammetry method for obtaining an external orientation element and a spot coordinate by performing simultaneous adjustment calculation including the direct localization data with the ground reference point as a block adjustment point.
  • a division unit which divides the distance data into a plurality of divisions in a two-dimensional plane corresponding to at least a coordinate position on an image plane defined by the image data, and each of the divided divisions Calculating a height group for one segment based on the distance data, and calculating the calculated height group
  • a terrain recognition device which includes: a calculation unit that calculates a frequency distribution related to the height; and a height specifying unit that specifies the height of the ground related to the section for which the frequency distribution is calculated based on the calculated frequency distribution There is.
  • Drilling line generating means for generating a digging shape of earthwork design according to the input of conditions, computing means for calculating a digging soil volume and a digging area based on the three-dimensional geological model and the digging shape, the three-dimensional geological model and And a design drawing creation means for creating a design drawing based on the excavated shape.
  • Patent Document 2 proposes a technique for calculating the height group of the ground using stereo images, but the calculation result was not accurate enough to be used as a survey.
  • the present invention uses a plurality of images taken from high places using a flying object, a crane, a lift, etc., to generate point cloud data representing the three-dimensional shape of the target area with high accuracy.
  • the first problem is to provide a photographing method and a method of generating the point cloud data.
  • the amount of soil calculation for making the designed land is often performed, and in that case, surveying is carried out to grasp the shape, slope, unevenness, etc. of the land to be built. It has been done. And, in this survey, it is a fact that lightwave surveying, three-dimensional laser surveying on the ground, or triangulation is being performed. However, when these surveys are performed, labor costs increase and the number of working days also increases. Furthermore, when carrying out light wave surveying, three dimensional laser surveying on the ground, etc. and calculating the amount of soil from the result, the amount of three dimensional coordinate data at the surveying points acquired based on the result of surveying is calculated. Had to enter manually on the computer.
  • the present invention makes it possible to perform topographical survey in a short time and with a small number of people, and further to make it possible to calculate the amount of soil using data acquired by the survey, the three-dimensional shape of the target area
  • a second object is to provide a method of capturing an image for generating point cloud data to be expressed with high accuracy, and a method of generating the point cloud data.
  • an image photographing method capable of generating point cloud data representing a three-dimensional shape of a target region more accurately, and the photographed image
  • the present invention provides a method of generating point cloud data.
  • the method of photographing an image according to the present invention is a method of photographing an image used to generate point cloud data representing a three-dimensional shape of a target area from a plurality of photographed images, and the point cloud data is generated Of the plurality of captured images to overlap each other by 30% or more, and at least one of the plurality of captured images is set at a predetermined interval within a target area for capturing the plurality of captured images At least one or more of the above-mentioned reference signs are included and photographed.
  • the present invention also provides a point cloud data generation method for generating point cloud data representing a three-dimensional shape of a target area using an image captured by the above-described imaging method. That is, a point cloud data generation method for generating point cloud data representing a three-dimensional shape of a target area from a plurality of photographed images, wherein at least three reference markers having a known mutual distance in the target area are generated. A plurality of captured images for setting and generating point cloud data representing the three-dimensional shape of the target area overlap each other by 30% or more, and at least one of the plurality of captured images Is a point cloud data generation method using a captured image capturing at least one of the reference markers.
  • the measured known position information is set as the three-dimensional position information of the reference mark shown in the photographed image, or the distance between the reference marks shown in the photographed image By setting the distance (measured value), it is possible to correct a photographed image or point cloud data generated from the photographed image.
  • a plurality of reference signs are set in advance in the target area, and the installation points of the respective reference signs are surveyed to acquire position information thereof, or the distance between the predetermined reference signs is measured. Then, as position information of the reference markers in the point cloud data created from the photographed image or as a distance between the reference markers, position information (measured value) of reference markers actually installed in the target area, or reference markers The distance measured between the points (measured distance) is used. Thereby, the three-dimensional position information (X, Y, Z direction position in the plane coordinates, or latitude, longitude, elevation) in the point cloud data is determined by the position information of the reference markers or the measured distance between the reference markers. Because it is corrected, it can be used as a more reliable and accurate value.
  • the reference marks can have a three-dimensional relationship. Based on the three-dimensional relationship, the point cloud data generated from the shooting screen is corrected for the width direction (X-Y direction, latitude-longitude direction) of the target area, and the height method (Z direction, elevation direction) You can do it. As a result, accurate point cloud data can be obtained in three dimensions, and can be used for evaluation of structures, surveying of land, and measurement of soil volume and the like. Therefore, it is desirable that three or more reference marks are not arranged in a straight line, but are provided so as to be ubiquitous throughout the target area, and be present at the edge and center of the target area. Is more desirable.
  • the distance between the reference markers is set to 100 m or less, preferably 50 m or less.
  • the area of the triangle is 13000 m 2 or less, further 10000 m 2 or less, particularly preferably disposed so as to be 7000 m 2 or less.
  • the plurality of photographed images are photographed overlapping each other by 30% or more, preferably 50% or more, particularly preferably 60% or more.
  • one measurement point can be contained in various images taken from different directions.
  • the measurement point can be obtained at the measurement point.
  • Three-dimensional coordinate data can be calculated. And, this set of three-dimensional coordinate data can be used as point cloud data.
  • the target area to be photographed by the photographing method according to the present invention may be any area of all or part of a building or a structure in addition to a certain area on the land. Therefore, an image captured by the imaging method according to the present invention can be used to evaluate the shape, area, or volume of a building or structure in addition to the survey of land size and unevenness.
  • a photographing device such as a digital camera using various image sensors can be used, and it is desirable to photograph using a standard lens in the photographing device.
  • a telephoto lens is used as a lens used by the photographing apparatus, the merit of acquiring an enlarged image can be obtained, but this point can be coped with even a standard lens by shortening the photographing distance.
  • a wide-angle lens can be used to photograph a wide range of area, on the other hand, a large distortion due to aberration occurs in most areas including the edge side in the photographed image.
  • the photographing method according to the present invention in order to reduce distortion at the edge portion of the photographed image as much as possible, it is desirable to photograph using a standard lens having almost no aberration.
  • the ground resolution at this time depends on the shooting device and shooting height, but for example, about 2.3 cm 2 / pixel at a shooting height of 100 m, the smaller the number is, the more precise the image is, and the point group generated Accuracy can be improved.
  • the image for creating the point cloud data has a constant angle when capturing the target area, but the angle does not have to be a constant angle.
  • the photographing device installed on the flying object in order to reduce distortion in the photographed image, it is desirable that the photographing device installed on the flying object always shoot the ground surface in a fixed direction.
  • the direction of the aircraft may change due to the influence of Therefore, when the angle at the time of shooting is not constant due to an unavoidable reason or the like, image processing for correcting the shooting angle is performed on each photographed image, and an image which is photographed at a certain angle can be created.
  • a synthesis process is performed to connect the plurality of photographed images to represent the three-dimensional shape of the entire target area.
  • Create point cloud data for the created point cloud data, an actual measurement value (three-dimensional position information) measured by surveying or the like is used as position information of the reference mark in the point cloud data, or the reference marks in the point cloud data
  • the scale of the generated point cloud data is corrected on the basis of the distance of and the actual distance between the reference markers placed in the target area.
  • parameters such as focal distance, principal point distance, distortion coefficient, etc. that each image has as information are corrected, and distortion of the generated point cloud data is corrected. As a result, more accurate point cloud data can be generated.
  • the creation points of the survey points are extracted in the photographed image. It is desirable to extract the points that can be the marks appearing in the photographed image, for example, the color, brightness, and so on of the photographed image due to unevenness or unevenness, or the difference in geology or the existence of a structure. It is possible to extract points where tone etc. are different. Then, using a plurality of photographed images at these extracted points, stereo matching processing is performed such as determining the position in the three-dimensional space based on the principle of triangulation, etc. The three-dimensional data can be generated for the measurement points (points) by performing the orientation calculation using.
  • the earthwork design method which calculates the excavation line of the earthwork design and the amount and area of earthwork design using surveying data, and creates a design drawing, and the object field generated from a plurality of photography pictures as the surveying data
  • the point cloud data representing the three-dimensional shape of is used, and the point cloud data is provided by the earthworking design method generated by the point cloud data generation method.
  • a plurality of points are used when generating point group data representing the three-dimensional shape of a target area from a plurality of photographed images photographed using a standard lens with minimal aberration.
  • the photographed images are overlapped by 30% or more with each other, and at least one of the plurality of photographed images is set at three or more places set at predetermined intervals in the target area for photographing the plurality of photographed images. Since imaging is performed by including at least one or more markers, point cloud data representing the three-dimensional shape of the target area can be generated with high accuracy.
  • point cloud data representing the three-dimensional shape of the target area is generated, so that point cloud data is generated with high accuracy also in photogrammetry technology such as stereo matching processing. can do.
  • the imaging method of the above-mentioned image is carried out and point cloud data is generated using the photographed image, the scale is corrected using the value actually surveyed for the reference mark,
  • the three-dimensional position information in the point cloud data is accurate, so that it is possible to calculate the amount of soil accurately when calculating the amount of soil in civil engineering work such as construction.
  • point cloud data can be generated.
  • processing such as file conversion as necessary, and is input as it is to a computer for soil volume calculation, It can do quantity calculation.
  • the present invention it is possible to perform topographic survey in a short time and with a small number of people, and furthermore, it is possible to calculate soil volume using data acquired by survey, point cloud representing three-dimensional shape of target area
  • a method of capturing an image for generating data with high accuracy and a method of generating point cloud data can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a method of capturing an image according to the present embodiment.
  • the photographing device 12 such as a digital camera. Therefore, in order to capture the digital photo image, a capturing device 12 such as a digital camera using an image sensor is used.
  • the imaging device is installed on the flying object 10.
  • a flying object 10 uses a device capable of flying at a constant speed, and in the present embodiment, a radio-controlled unmanned flying object is used.
  • unmanned air vehicle 10 By using such unmanned air vehicle 10, it is possible to significantly reduce the cost and procedure required for flight compared to manned aircraft, and to easily capture the target area without requiring a precise flight plan. You can do it.
  • the photographed image 21 can be photographed from a certain height, it is not necessarily determined by the flying object, but is photographed by being installed in a balloon or the like, or photographed on the tip side of the extended portion in a lift or a crane
  • the device 12 can be installed and photographed.
  • photographing of the image is performed by photographing any region as shown in the schematic drawing showing the photographed image of FIG.
  • the captured image 21a and the image 21b obtained by capturing an area in contact with the area overlap so as to overlap by at least 30% or more, preferably 50% or more. Therefore, it is desirable that the image 21b photographed after photographing one area be photographed so as to overlap 30% or more, and further 50% of the photographing area.
  • the photographing of the target area is performed again, for example.
  • the images overlapping each other may be extracted and used.
  • the stereo matching using the parallax between the respective images at the measurement point can be set as the measurement point, with the target 22 appearing in common with each other as the measurement point. Processing can be performed, and three-dimensional coordinate data at the measurement point can be calculated.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the principle of performing this stereo matching process.
  • the photographing device 12 is installed on the flying object 10, and while moving the flying object 10, photographing is performed at predetermined intervals.
  • the interval at which this imaging is performed can be determined by the movement distance of the flying object 10, it is desirable that the imaging be performed at a constant time interval (every few seconds). This is because if the moving speed of the flying object 10 is constant to a certain degree, the moving distance of the flying object 10 can be correlated with the moving distance. Rather, when photographing according to the movement distance, it is necessary to specify the position of the flying object 10 by GPS or the like, which complicates the apparatus itself. Therefore, in the present embodiment, the image capturing device 12 is configured to capture an image at predetermined time intervals using a timer function or the like provided in advance.
  • the appearance of the slope of the relief in the target area 20 is different depending on the photographed position. That is, while moving the flying body, a part of the target area 20 is photographed by the photographing device 12 attached to the envy. At this time, since the flying body moves substantially horizontally and the imaging device 12 is attached to the flying body at a certain angle, the subject area 20 is always photographed in a certain direction. As a result, even if the same object 22 (such as an inclined surface) in the target region 20 is photographed, the way of capturing the object 22 (such as an inclined surface) with respect to the photographed image 21 by parallax based on the difference in the photographing position. (Especially the length) will be different.
  • three-dimensional coordinate data is generated for points P (points) in each object according to the principle of triangulation from the interrelationship among a plurality of objects appearing in the photographed image, and point cloud data as an aggregate thereof Can be generated.
  • a series of processes until generating point cloud data from such a plurality of photographed images can be performed by, for example, a computer that can execute a program for stereo matching process.
  • an object (measurement point) to be used in the stereo matching process it exists in a workpiece such as a road existing in the target area 20, an uneven portion in the target area, a vegetation in the target area, and the target area. It is possible to use a part such as a stone to be photographed that is reflected in a photo and that has different colors, tones, etc. on the photographing screen.
  • a part such as a stone to be photographed that is reflected in a photo and that has different colors, tones, etc. on the photographing screen.
  • the uneven portion not only the area of the target area but also the value of the height of the measurement point P (Z-axis direction) is important, so the uneven portion (raised or depressed) It is desirable to use the start point and the end point of the sloped part as the measurement point.
  • the point cloud data is created on the basis of an object appearing in an image such as a photograph, it is preferable that the captured image has less distortion. Therefore, in the present embodiment, it is desirable to use a standard lens as the lens in the photographing device 12, and it is desirable to select and use the object present at the center of the photographed image.
  • the object 22 to be the measurement point P be photographed in various images from various angles. This is to accurately calculate coordinate data at the measurement point. Further, it is desirable that the plurality of photographed images 21 have a wide overlapping area and use many overlapping images. This is to further improve the accuracy of the point cloud data.
  • the point group data obtained at this time is a relative value that specifies the positional relationship between the points, and by adding the distance to the flying object, the magnification of the lens at the time of shooting, and the focal length to this. , It can be calculated as the distance or length in the target area.
  • the calculated distance and length values are values calculated based on the shooting height (height) of the flying object, the magnification of the photographing apparatus, etc., there is a considerable error with the measured values. It will be a thing.
  • region 20 is provided with the reference mark 30 preset at three or more places.
  • This reference marker 30 can be installed at an arbitrary position after specifying the mutual positional relationship and distance, in addition to using triangular points (reference points).
  • the reference mark 30 it is desirable to set it near the boundary (peripheral side) of the target area 20 to be measured, and each reference mark 30 can be connected at any three places. It is desirable to arrange.
  • the reference mark 30 is preferably ubiquitous in the central portion of the target area 20 or the like, and it is desirable to install more reference marks 30 in order to improve the accuracy.
  • the reference mark 30 be disposed in a convex portion or a concave portion where the boundary portion is curved in the target area 20. This is to generate accurate point cloud data even on deformed land.
  • the reference mark 30 needs to be formed in a size that can be recognized in the captured image 21. Also in an image captured from the air, a point (measurement point P) such as a center for creating point cloud data is recognized It needs to be formed as large as possible.
  • a point such as a center for creating point cloud data is recognized It needs to be formed as large as possible.
  • three-dimensional coordinate data is specified for the reference marker 30 arbitrarily installed by surveying from triangle points or the like, or the distance between at least any reference markers is measured in advance Keep it. Then, as the three-dimensional position information of the reference mark 30 in the photographed image, the three-dimensional coordinate data obtained by actual surveying is used, or the distance between the reference marks calculated in the photographed image is actually measured. Correct to the distance between the reference signs.
  • the correction of the distance between the reference marks is performed, for example, in the case where the reference marks are installed at intervals of 50 m in the measurement region, and the distance between the reference marks calculated from the photographed image 21 is 51 m.
  • the distance between the point cloud data generated in the vicinity of the reference mark can be corrected by multiplying the value of "50/51".
  • the value of the correction can be corrected for all of the three-dimensional coordinate data of the point cloud data, that is, all of the X axis, Y axis, and Z axis (or latitude, longitude, altitude), As a result, it is possible to correct even the value of height (altitude) on the ground surface, so that more accurate values can be obtained.
  • the three-dimensional coordinate data of the point cloud data is corrected in relation to the size of the reference mark 30 shown in the photographed image 21.
  • the three-dimensional coordinate data in the point cloud data can also be corrected based on the size of the reference mark 30 shown in the photographed image 21. For example, "99/100" when the length of one side of the reference mark 30 calculated from the photographed image 21 is 99 cm when the reference mark 30 actually installed is a quadrangle of 100 cm side. By performing a correction to multiply the value of s, it is possible to improve the accuracy of the three-dimensional coordinate data in the point cloud data.
  • the above-mentioned standard mark 30 installs arbitrarily in the place which can be surveyed by arbitrary survey methods from the triangle point used as the standard of survey, and surveys about each standard sign 30, or any 1 Set one reference mark 30 at an arbitrary place, and install the next reference mark at an arbitrary distance measured using a tape measure, an optical distance meter or the like from the reference mark set at the arbitrary place. .
  • By sequentially performing this work it is possible to set a plurality of reference marks whose mutual distances are known.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of work and processing from photographing to execution of soil volume calculation.
  • the reference mark installation work of installing the reference mark 30 in the target area is performed ( S51).
  • This reference sign is installed while measuring the distance in advance, or after setting the reference sign in any plural places, survey the three-dimensional information (latitude, longitude, altitude) about each reference sign, Alternatively, the distance between reference marks can be measured.
  • the surveying of the reference mark can be carried out using known surveying methods such as triangulation, lightwave survey, GPS survey, and the like.
  • the flying object 10 attached with the imaging device 12 is caused to fly, and an imaging process for imaging the entire target area 20 is performed (S52).
  • an imaging process for imaging the entire target area 20 is performed (S52).
  • a plurality of photographed images 21 obtained by photographing a part of the target area 20 are generated by the photographing device 12 using a standard lens with little aberration, and at least 30% or more of each image is over the other photographed images.
  • Shoot to wrap is performed.
  • an image combining process is performed to combine a plurality of captured images (S53). It is desirable that the image combining process be performed while correcting the scale of each image according to the object (measurement point) and the distance between the objects shown in the overlapping images.
  • the flying object 10 flies at a certain height, it may be considered that the flying height slightly changes due to natural factors such as wind because of work outdoors, and as a result, the photographed image 21 It is also possible to change the scale of
  • the stereo matching process described above can be performed to calculate three-dimensional coordinate data for the measurement point P, and correction of point cloud data based on the reference mark 30 can also be performed. Therefore, point cloud data consisting of three-dimensional coordinate data for each measurement point can be formed from the captured two-dimensional image by this image combining process.
  • parameters such as the focal length and distortion coefficient of the image are corrected.
  • Such image combining processing can be performed, for example, by a program for image processing installed in a computer.
  • noise cut processing is performed on the point cloud data created by the image composition processing (S 54) ).
  • this noise cut processing heavy machinery etc. exist in the target area, point cloud data is created for the heavy machinery, and processing to delete point cloud data for objects other than survey targets in order to prevent the ground from being calculated high. I do.
  • the file format can be handled by an application (software) for carrying out soil volume calculation using point cloud data in which noise is reduced for point cloud data to further improve accuracy and reduce data size.
  • the photographing device 12 was actually installed on the flying object 10, the land was photographed, coarse point group data was created from the photographed image 21, and the accuracy was evaluated by comparing the measurement points.
  • a flying object 10 capable of flying at a speed of about 5 m per second above 80 m above the ground is used.
  • a standard lens of the following specification was used as an imaging device 12 mounted on a flying object.
  • [Standard lens specification] ⁇ Focal length 25mm ⁇ F value 1.8 ⁇ Image sensor (13 mm long, 17.3 mm wide) -Shooting resolution (3456 pixels long, 4607 pixels wide) ⁇ Resolution (vertical 0.0037616mm / pixel, horizontal 0.0037543mm / pixel) -Angle of view 47 degrees
  • an image was photographed at a timing of about one sheet every three seconds with a shutter speed of 1/2000 seconds. While using a standard lens to reduce distortion on the frame side, in order to widen the range that can be taken on a single image, it was shot from above 100 m above the ground. By widening the range in which one image is taken, it is possible to have much information necessary for performing the image combining process on the image.
  • the ground resolution at this time is 2.26 (cm 2 / pixel).
  • the coordinate value of each reference mark was surveyed beforehand, and the coordinate information was grasped in all the marks. Then, at the time of shooting, the images were shot so as to overlap each other by 50% or more.
  • a plurality of images captured as described above are processed by software for performing image combining processing as shown in FIG. 6 to create coarse point group data.
  • the computer screen of FIG. 6 includes a display area 61 for displaying a three-dimensional point group model constituted by point group data, and a display area 62 for indicating a photographed image which is an origin of the three-dimensional point group model.
  • Arbitrary markers were selected from a total of 49 reference markers at a plurality of locations, which were used as reference markers, and point cloud correction was performed.
  • “error from the base coordinates” is the difference between the calculated coordinate value of the survey point and the coordinate value surveyed by light wave survey in advance
  • “z value evaluation” is the z value If the error with the base coordinate in ⁇ is ⁇ 0.05 or less, the code “ ⁇ ”, if the error exceeds ⁇ 0.05 and ⁇ 0.1 or less the code“ A ”, the error exceeds ⁇ 0.1 and ⁇ 0.15 If it is within the limit, the code "B” is given, and if the error exceeds ⁇ 0.15, the code "A” is given.
  • the distance to the nearest target is the distance from the measurement point to the three reference marks close to each other (however, 0 when the measurement point is the reference mark).
  • three sides of the smallest triangle to be included is a triangle in which the survey point is contained (if the survey point is a reference marker, the marker is present) and the reference marker is connected so as to be the minimum triangle.
  • the distance between the reference signs of The "minimum triangle area” is the area of the minimum triangle.
  • the item of "on coordinate connection” is attached
  • Table 1 below sets the points of A1, A3, A5, A7, C1, C3, C5, C7, E1, E3, E5, G7 on the coordinate axes shown in FIG. It is the result of having made the coordinate value of the other reference mark computed based on it into the coordinate value of a surveying point, and comparing this with the coordinate value surveyed beforehand by light wave surveying.
  • Table 2 below uses the points of A1, A4, A7, D1, D4, D7, G1, G4, G7 on the coordinate axes shown in FIG.
  • the coordinate value of the reference mark is taken as the coordinate value of the survey point, and the result is compared with the coordinate value surveyed by light wave survey in advance.
  • Table 3 below is another reference sign calculated based on the points of A1, A3, A5, A7, G1, G3, G5, G7 on the coordinate axes shown in FIG.
  • the coordinate value of is taken as the coordinate value of the survey point, which is compared with the coordinate value surveyed beforehand by light wave surveying.
  • the error range of all the measurement points is within the range of ⁇ 0.1 to ⁇ 0.05 m, which is high survey accuracy. That was confirmed.
  • the error range of all the measurement points is within the range of ⁇ 0.1 to ⁇ 0.05 m, which is high survey accuracy. That was confirmed.
  • the photographing device 12 was actually installed on the flying object 10, the land was photographed, point cloud data was created from the photographed image 21, and the accuracy was evaluated by comparison on the measurement surface.
  • the flying object using the flying object 10 capable of flying above the ground 80 m or more at a speed of about 5 m per second and using the standard lens of the specification of the first embodiment as the imaging device 12 prevents defocusing.
  • an image was taken at a timing of about one sheet every three seconds with a shutter speed of 1/2000 seconds.
  • the image was taken from above the ground 80 m above the ground in order to widen the range that can be taken on a single image. By widening the range in which one image is taken, it is possible to have much information necessary for performing the image combining process on the image.
  • the ground resolution at this time is 1.45 (cm 2 / pixel).
  • the distance between the reference marks is set so that the distance between the reference marks closest to each other is within 100 m. Then, at the time of shooting, the images were shot so as to overlap each other by 50% or more.
  • a plurality of images taken as described above were processed by software for image combination processing to create point cloud data. Then, in order to remove the noise in the point cloud data, processing was performed by software for cutting the noise as shown on the computer screen 61 of FIG.
  • the screen of FIG. 8 is provided with a display area 63 for displaying a three-dimensional point group model composed of point group data, and a display area 64 for indicating a cross-sectional shape at an arbitrary point in the three-dimensional point group model. There is. Then, in order to convert the noise-cut data into a file format that can be handled by software for calculating the amount of soil, the file format was changed as shown on the computer screen 70 of FIG.
  • the photography method according to the present invention can be widely used in photogrammetry, and the point cloud data generation method according to the present invention can be carried out in the survey of land on the constructed land and in the calculation of the amount of soil at the time of construction. It can also be used to measure the size, volume, position, etc. of buildings and structures.

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Abstract

【課題】　飛行体、クレーン、又はリフトなどを使用して高所から撮影した複数の画像を使用して、対象領域の三次元形状を表す点群データを高精度で生成する為の画像の撮影方法と、当該点群データの生成方法を提供する。かかる撮影方法は、複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為に使用する画像の撮影方法であって、当該点群データを生成する為の標準レンズを使用した複数の撮影画像を、相互に３０％以上オーバーラップさせて、且つ複数の撮影画像の少なくとも何れかは、当該複数の撮影画像を撮影する対象領域内に所定の間隔で設定した３か所以上の基準標識の少なくとも１つ以上を含ませて撮影する画像の撮影方法とする。

Description

点群データ生成用画像の撮影方法、及び当該画像を用いた点群データ生成方法
　本発明は複数の撮影画像を使用して、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為の画像を撮影する方法と、当該撮影画像を使用して点群データを生成する方法に関し、特に点群データの精度を高める事の出来る点群データ生成用画像の撮影方法、及び当該画像を用いた点群データ生成方法に関する。
　従来、航空機などの飛行体から撮影した写真を使用して、広域の地理・地形情報を精密に抽出する写真測量は、地形図作成や、地形・土地利用の判読解析などに利用されている。かかる写真測量は、地表の垂直写真を飛行体の飛行コースに沿って60％～80％ずつ重複させながら撮影した航空写真と地上の位置関係を詳細に求め、写真上での像の違いを立体的に測定することによって正確な３次元画像を作成し、計測、地形図作成に利用する事ができるものとなっている。
　このような空中写真測量方法は、特許文献１（特開２００４－２４５７４１号公報）でも提案されている。即ちこの文献では、地上所定高度を飛行する飛行体から撮影した複数の撮影画像中に指定された求点の地上座標を求める空中写真測量方法であって、前記各撮影画像取得時におけるカメラ位置及びカメラ姿勢を飛行体に搭載したＧＰＳ及びＩＭＵにより直接定位し、前記撮影画像中に指定されたタイポイントを介して連結された複数の写真からなるブロックの全体を、測量範囲に配置した適数の地上基準点をブロック調整点として前記直接定位データを含めて同時調整計算を行って外部標定要素及び求点座標を得る空中写真測量方法を提案している。
　また、特許文献２（特開２００４－２８７２８号公報）では、地面の起伏形状を認識する地形認識装置に関し、前記地面を含む景色を撮像し、一対の画像データを出力するステレオカメラと、前記一対のステレオ画像に基づき、ステレオマッチングにより視差を算出するとともに、１フレーム相当の画像データに関する視差群と、当該画像データにより規定される画像平面上の座標位置とが対応付けられた距離データを出力する画像処理部と、少なくとも前記画像データにより規定される画像平面上の座標位置に対応する二次元的な平面において前記距離データを複数の区分に分割する分割部と、前記分割された区分のそれぞれにおいて、前記距離データに基づき１区分に関する高さ群を算出するとともに、前記算出された高さ群について高さに関する頻度分布を算出する算出部と、前記算出された頻度分布に基づき、当該頻度分布が算出された区分に関する地面の高さを特定する高さ特定部とを有する地形認識装置が提案されている。
　また、特許文献３（特開２００２－８１００８号公報）では、デジタル地図データを用いて土工設計の掘削線及び土量・面積を計算し設計図面を作成するデジタル地図データを用いた土工設計支援システムを提案している。この土工設計支援システムは、３次元情報を有する地形データ及び地質・材質等の情報を有する地質データから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルを基に掘削条件の入力にしたがって土工設計の掘削形状を生成する掘削線生成手段と、前記３次元地質モデル及び前記掘削形状を基に掘削土量及び掘削面積を計算する計算手段と、前記３次元地質モデル及び前記掘削形状を基に設計図を作成する設計図作成手段とを備えている。
特開２００４－２４５７４１号公報 特開２００４－２８７２８号公報 特開２００２－８１００８号公報
　上記の通り、従前においては、飛行体を使用して航空写真を撮影し、此れを用いて測量を行う技術は種々提案されており、また一対のステレオ画像を使用して、地面の高さ群を算出し、地面の起伏形状を認識する地形認識装置も提案されている。
　しかしながら、従来提案されている空中写真測量方法は面積や距離等を測定する２次元の測量を行うものであり、高さや体積を含む三次元の立体形状を認識するものではなかった。この点、特許文献２では、ステレオ画像を使用して地面の高さ群を算出する技術が提案されているが、その算出結果は、測量として使用できる程の精度とはなっていなかった。
　そこで本発明は、飛行体、クレーン、又はリフトなどを利用して高所から撮影した複数の画像を使用し、対象領域の三次元形状を表す点群データを高精度で生成する為の画像の撮影方法と、当該点群データの生成方法を提供する事を第一の課題とする。
　また土木工事などにおいて造成を行うに際しては、設計した造成地にする為の土量計算が行われる事も多く、その際には造成する土地の形状、傾斜、凹凸等を把握する為に測量が行われている。そしてこの測量は、光波測量や地上における三次元レーザー測量、或いは三角測量などが行われているのが実情である。しかしながら、これらの測量を行った場合には、人件費が嵩む他、作業日数も膨大になってしまう。更に、光波測量や地上における三次元レーザー測量等を実施し、その結果から土量計算を行う場合には、測量結果に基づいて取得した測量点における三次元座標データを、土量計算を行う為のコンピュータに手入力しなければならなかった。
　そこで本発明は、短期且つ少人数で地形測量を行う事ができるようにし、更に測量によって取得したデータを使用して土量計算を行う事ができるようにするべく、対象領域の三次元形状を表す点群データを高精度で生成する為の画像の撮影方法と、当該点群データの生成方法を提供する事を第二の課題とする。
　上記課題の少なくとも何れかを解決するべく、本発明では、対象領域の三次元形状を表す点群データを、より正確に生成する事ができるようにした画像の撮影方法と、当該撮影画像を用いた点群データの生成方法を提供するものである。
　即ち、本発明にかかる画像の撮影方法は、複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為に使用する画像の撮影方法であって、当該点群データを生成する為の複数の撮影画像を、相互に３０％以上オーバーラップさせて、且つ複数の撮影画像の少なくとも何れかは、当該複数の撮影画像を撮影する対象領域内に所定の間隔で設定した３か所以上の基準標識の少なくとも１つ以上を含ませて撮影するものである。
　また本発明では、上記撮影方法で撮影した画像を使用して、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する、点群データ生成方法を提供する。即ち、複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する、点群データ生成方法であって、対象領域に、相互間の距離が既知の基準標識を３か所以上設定し、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為の複数の撮影画像として、相互に３０％以上オーバーラップしており、且つ当該複数の撮影画像の内の少なくとも何れかの画像が、前記基準標識の少なくとも何れかを撮影している撮影画像を使用する点群データ生成方法である。
　上記撮影方法により撮影した画像や、点群データ生成方法で使用する撮影画像においては、３か所以上の基準標識を撮影しており、当該基準標識は作業者等が、予め任意に設置したものであって、それぞれの位置情報（緯度、経度、標高からなる三次元情報など）や、相互の距離は既知である。よって、当該撮影画像に写っている基準標識の三次元位置情報として、実測した既知の位置情報を設定するか、或いは当該撮影画像に写っている基準標識間の距離として、既知の基準標識同士の距離（実測値）を設定する事により、撮影画像や当該撮影画像から生成した点群データを補正することができる。
　具体的には、予め対象領域に複数の基準標識を設定し、各基準標識の設置点を測量してその位置情報を取得したり、或いは予め設定した基準標識間の距離を測定する。そして、撮影画像から作成した点群データにおける基準標識の位置情報として、又は基準標識同士の間の距離として、実際に対象領域に設置した基準標識の位置情報（実測値）、又は基準標識同士の間を測定した距離（実測距離）を使用するものである。これにより、当該点群データにおける三次元位置情報（平面座標におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向位置、又は緯度、経度、標高）は、当該基準標識の位置情報、又は基準標識同士の間の実測距離によって補正されることから、より信頼性の高い正確な値として使用する事ができる。
　また、基準標識について実際に測量を行う事により、正確な位置情報を得る事ができ、これを使用して点群データの尺度を補正できることから、点群データも正確な値とする事ができる。よって本発明では、対象領域の点群データを作成する基準として、実際に測量した位置情報を使用する事により、正確性を確保する事ができる。
　また、基準標識を三か所以上に設置する事により、当該基準標識に立体的な関係を持たせることができる。その立体的な関係を基準として、撮影画面から生成した点群データを、対象領域の広さ方向（Ｘ－Ｙ方向，緯度－経度方向）、及び高さ方法（Ｚ方向，標高方向）について補正する事ができる。これにより、三次元において正確な点群データを取得する事ができ、構造物の評価や土地の測量、更には土量計測等にも利用することができる。よって、三か所以上の基準標識は、直線状に配置するのでは無く、対象領域の全体に遍在するように設けてあることが望ましく、対象領域の縁部分と中心部分とに存在する事が更に望ましい。そして当該点群データを作成する対象領域が土地の様に広範囲な場合には、前記基準標識同士の間隔を１００ｍ以内、特に望ましくは５０ｍ以内に設定する。また、当該基準標識を頂点とする三角形において、その1辺の距離が２００mを超えないように、望ましくは１５０mを超えないように、特に望ましくは１００mを超えないよう設定するのが良い。更に三角形の３辺の合計が６５０mを超えないように、望ましくは４５０mを超えないように、特に望ましくは３００mを超えないよう、各辺をバランスよく設定するのが良い。そして、その三角形の面積が１３０００m2以下、更に１００００m2以下、特に７０００m2以下となるように配置するのが望ましい。撮影した画像から生成する点群データの正確性をより高める為である。基準標識間の距離が小さいほど精度が上昇する。また、前記基準標識を頂点とする三角形における１辺の距離、３辺の合計、及び面積の要件は、何れか１つ又は２つ以上が、前記要件を充たすことが望ましい。
　また、上記の画像を撮影する際、複数の撮影画像は、相互の３０％以上、望ましくは５０％以上、特に望ましくは６０％以上、オーバーラップさせて撮影する。複数の画像をオーバーラップさせて撮影する事により、１つの測定点を異なる方向から撮影した様々な画像に収める事ができ、これにより視差を利用したステレオマッチング等を行う事により、当該測定点における三次元の座標データを算出する事ができる。そしてこの三次元の座標データの集合体を点群データとして使用する事ができる。
　上記本発明にかかる撮影方法で撮影する対象領域は、土地における一定の領域の他、建築物や構造物の全て又は一部の領域の何れであっても良い。したがって、本発明にかかる撮影方法で撮影した画像は、土地の広さや起伏の測量の他、建築物や構造物の形状や面積又は体積を評価する為に使用する事ができる。
　上記本発明の撮影方法を実施するに際しては、各種のイメージセンサを使用したデジタルカメラなどの撮影装置を使用する事ができ、当該撮影装置では標準レンズを使用して撮影する事が望ましい。撮影装置が使用するレンズとして望遠レンズを使用すれば拡大画像を取得するメリットが得られるが、この点は撮影距離を短くすれば標準レンズにおいても対応する事ができる。また広角レンズを使用すれば広範囲の領域を撮影する事ができるが、その反面で撮影画像における縁側をはじめとした大部分の領域には収差による大きな歪みが生じてしまう。この歪みを全て取り除くことは物理的に不可能なため、補正操作を行っても三次元位置情報は正確にはならないことから、点群における三次元位置情報の正確性を確保するのが著しく困難になる。よって本発明にかかる撮影方法では、撮影画像の縁部分における歪みを極力減じる為に、収差が殆どない標準レンズを使用して撮影することが望ましい。このときの地上解像度は、撮影装置や撮影高度にもよるが、例えば撮影高度１００mの場合で２.３cm2/pixel程度で、この数値が小さいほど画像の緻密さが向上し、生成する点群の正確性を向上させることができる。なお、標準レンズによる撮影画像といっても微小な収差は存在するため、画像に関する焦点距離・主点距離・歪み係数等のパラメータを補正し、歪みを最小に抑えた後に点群を作成する。これにより、更なる正確性を確保した点群を生成することができる。
　また、上記のように点群データを作成する為の画像は、対象領域を撮影する際の角度が一定である事が望ましいが、必ずしも一定の角度である必要はない。例えば飛行体によって土地を測量する場合には、撮影画像における歪みを減じる為に、飛行体に設置した撮影装置は常に一定の向きで地表を撮影するようにするのが望ましいが、飛行時における風などの影響により飛行体の向きが変化する事もある。そこで、不可避的な理由等により撮影時の角度が一定でない場合には、各撮影画像について撮影角度を補正する画像処理を行い、恰も一定の角度で撮影したような画像を作成することができる。
　上記複数の撮影画像を使用して、対象領域の全体についての点群データを生成する為には、当該複数の撮影画像を繋ぎ合わせる合成処理を実施して、対象領域全体の三次元形状を表す点群データを作成する。そして、作成した点群データについては、当該点群データにおける前記基準標識の位置情報として測量などにより測定した実測値（三次元位置情報）を使用するか、或いは当該点群データにおける前記基準標識同士の距離と、対象領域に設置した基準標識同士の実際の距離に基づいて、生成した点群データの尺度を補正する。最後に、各画像が情報として持つ焦点距離・主点距離、歪み係数等のパラメータを補正し、生成した点群データの歪みを補正する。その結果、より正確な点群データを生成する事ができる。
　上記点群データの生成に際しては、撮影画像において、測量点の作成ポイントを抽出する。この測量点の作成ポイントは、撮影画像に写っている目印となり得るポイントを抽出する事が望ましく、例えば起伏や凹凸、或いは地質の違いや建造物の存在などにより、撮影画像において色、明るさ、トーンなどが異なっている地点を抽出する事ができる。そしてこの抽出した複数の地点について、複数の撮影画像を使用し、三角測量の原理に基づいて３次元空間内の位置を決定する等のステレオマッチング処理を実行するなど、通常の解析写真測量の手法を用いて標定計算を行うことにより、当該測量点（点）について三次元データを生成する事ができる。
　特に、上記の撮影方法や、当該撮影方法で撮影した画像を使用した点群データ生成方法は、対象領域が広い場合、例えば造成などの土木建築工事に際しての設計（特に土量計算等）において作業効率の向上等の効果を発揮する事ができる。そこで本発明では、測量データを用いて土工設計の掘削線及び掘削土量・面積を計算し設計図面を作成する土工設計方法であって、前記測量データとして、複数の撮影画像から生成した対象領域の三次元形状を表す点群データを使用し、当該点群データが、前記点群データ生成方法によって生成されている土工設計方法を提供する。
　上記本発明にかかる画像の撮影方法によれば、収差の極力少ない標準レンズを使用して撮影した複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する際に使用する複数の撮影画像を、相互に３０％以上オーバーラップさせて、且つ複数の撮影画像の少なくとも何れかは、当該複数の撮影画像を撮影する対象領域内に所定の間隔で設定した３か所以上の基準標識の少なくとも１つ以上を含ませて撮影している事から、対象領域の三次元形状を表す点群データを高精度で生成することができる。
　そして、かかる撮影方法により撮影した画像を使用して、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する事により、ステレオマッチング処理などの写真測量技術においても、高精度に点群データを生成することができる。
　更に、上記画像の撮影方法を実施し、当該撮影画像を使用して点群データを生成した場合には、基準標識について実際に測量した値を使用して尺度を補正していることから、当該点群データにおける三次元の位置情報は正確であり、よって造成などの土木工事で土量計算を行う際にも、正確に土量計算を行う事ができる。
　更に、各画像が情報として持つ焦点距離・主点距離、歪み係数等のパラメータを補正し、生成した点群データの歪みを補正することから、当該点群データにおける三次元の位置情報はより正確であり、よって造成などの土木工事で土量計算を行う際にも、正確に土量計算を行う事ができる。
　更に、点群データの生成に使用する複数の写真画像を、飛行体やリフトなどを使用して高所から撮影した場合には、測量点を多数設定する事ができ、且つ当該測量点について正確な点群データを生成することができる。そして測量点の抽出は複数の撮影画像に基づいて行う事ができるのであるから、測量点ごとに作業者が測量を実施しなければならないという手間も省くことができる。よって、測量時における手間や作業時間を大幅に減じる事ができる。そして、複数の撮影画像から生成した点群データ（測量点における三次元座標データ）は、必要に応じてファイル変換等の処理を行って、そのまま土量計算を行う為のコンピュータに入力し、土量計算を行う事ができる。
　よって、本発明により、短期且つ少人数で地形測量を行う事ができるようにし、更に測量によって取得したデータを使用して土量計算を行う事ができる、対象領域の三次元形状を表す点群データを高精度で生成する為の画像の撮影方法と、当該点群データの生成方法を提供する事ができる。
本実施の形態にかかる画像の撮影方法を示す略図 撮影画像を示す略図 ステレオマッチング処理を行う原理を示す略図 基準標識の設置状態を示す平面図 写真撮影から土量計算を実施するまでの作業・処理の流れを示すフローチャート 画像合成処理を示すコンピュータ画面 表1～７における基準標識の配置位置を示す図面 ノイズカット処理を示すコンピュータ画面 ファイル形式の変更状態を示すコンピュータ画面 実施例２の結果を示す図面
　以下、図面を参照しながら本発明にかかる画像の撮影方法、この撮影画像を使用した点群データの生成方法、及びこの点群データを使用した土量計算方法の実施の形態を説明する。
　図１は、本実施の形態にかかる画像の撮影方法を示す略図である。本実施の形態では、特に土地20を測量する為の画像を撮影する場合を示しており、使用する画像はデジタルカメラなどの撮影装置12によって撮影したデジタル写真画像21を使用している。よって当該デジタル写真画像を撮影する為に、イメージセンサを使用したデジタルカメラなどの撮影装置12を使用している。
　また、当該撮影画像を高所から撮影する為に、当該撮影装置を飛行体10に設置している。かかる飛行体10は、一定の速度で飛行する事のできる装置が使用されており、本実施の形態では無線によって操縦可能な無人飛行体を使用している。かかる無人飛行体10を使用する事により、有人飛行機と比べても飛行に要する費用や手続を大幅に削減する事ができ、また緻密な飛行計画を要せずして、簡易に対象領域を撮影する事ができる。但し、当該撮影画像21は、一定の高さから撮影できれば良い事から、必ずしも飛行体によることなく、気球などに設置して撮影したり、或いはリフトやクレーン等において伸長した部分の先端側に撮影装置12を設置して撮影する事もできる。
　かかる撮影装置12による撮影は、撮影した複数の画像21が、対象領域の全体を網羅するように撮影する必要があることから、当該撮影装置12は移動しながら撮影する事が必要である。そして、撮影画像21を使用してステレオマッチングなどにより三次元の点群データを生成させる為に、当該画像の撮影は、図２の撮影画像を示す略図に示す様に、何れかの領域を撮影した画像21aと、当該領域に接する領域を撮影した画像21bとが、少なくとも３０％以上、望ましくは５０％以上、オーバーラップするように撮影する。したがって、一の領域を撮影した後に撮影する画像21bは、当該撮影領域の３０％以上、更に５０％におい重複するように撮影するのが望ましい。但し、複数の撮影画像は、相互に３０％以上オーバーラップしていれば良い事から、当該対象領域全体を撮影した後に、もう一度当該対象領域を撮影する等、複数回の撮影を実施した後において、オーバーラップしている画像同士を抽出して使用しても良い。
　このように、オーバーラップしている撮影画像同士を使用する事により、相互の画像に共通して写っている対象物22を測定点とし、当該測定点における各画像同士の視差を利用したステレオマッチング処理を行う事ができ、当該測定点における三次元の座標データを算出する事ができる。
　図３は、このステレオマッチング処理を行う原理を示す略図である。この図に示す様に、飛行体10に撮影装置12を設置し、飛行体10を移動させながら所定の間隔で撮影を行う。この撮影を行う間隔は、飛行体10の移動距離によって定める事もできるが、一定の時間間隔（数秒間隔）で、撮影するように構成するのが望ましい。飛行体10の移動速度がある程度一定であれば、飛行体10の移動距離と相関関係を保つことができる為である。むしろ、移動距離に応じて撮影する場合には、ＧＰＳ等により、飛行体10の位置を特定しなければならず、装置自体が複雑化してしまう。よって、本実施の形態では、撮影装置12があらかじめ備えているタイマー機能などを利用して、一定の時間ごとに画像を撮影するように構成する。
　移動しながら撮影する事により、撮影した位置によって、対象領域20における起伏の斜面の見え方が異なってくる。即ち、飛行体を移動させながら、此れに取り付けた撮影装置12で対象領域20の一部の領域を撮影する。この時、飛行体は略水平に移動し、撮影装置12は一定の角度で飛行体に取り付けられていることから、常に一定の向きで対象領域20を撮影することになる。その結果、対象領域20における同じ対象物22（傾斜面など）を撮影した場合であっても、その撮影位置の違いに基づく視差によって、撮影画像21に対する対象物22（傾斜面など）の写り方（特に長さ）が異なるようになる。そして撮影画像内に写っている複数の対象物同士の相互関係から、三角測量の原理によって、各対象物におけるポイントP（点）について三次元座標データを生成させ、その集合体としての点群データを生成させることができる。このような複数の撮影画像から点群データを生成するまでの一連の処理は、例えばステレオマッチング処理のためのプログラムを実行可能なコンピュータによって行う事ができる。
　また、前記ステレオマッチング処理に際して使用する対象物（測定点）としては、対象領域20に存在する道路等の工作物や、当該対象領域における凹凸部、当該対象領域における植生物、当該対象領域に存在する石等、写真に写り込んでおり、かつ当該撮影画面上において色彩やトーン等が異なっている部分を使用する事ができる。特に土量計算を行う場合には、対象領域の広さのみならず、測定点Pの高さ（Ｚ軸方向）の値も重要である事から、凹凸している部分（隆起または陥没している部分）や、傾斜している部分の開始地点や終了地点を測定点として使用するのが望ましい。なお、写真などの画像に写っている対象物に基づいて点群データを作成する事から、当該撮影した画像は歪みが少ない方が望ましい。そこで本実施の形態では、前記撮影装置12におけるレンズとして標準レンズを使用する事が望ましく、更に前記対象物は、撮影した画像において中心に存在するものを選んで使用する事が望ましい。
　また、本実施の形態ではステレオマッチングにより三次元の座標データを算出することから、測定点Pとなる対象物22は、様々な角度から、様々な画像に撮影する事が望ましい。当該測定点における座標データを正確に算出する為である。また複数の撮影画像21は、オーバーラップしている領域が広く、かつ多くのオーバーラップ画像を使用する事が望ましい。点群データの精度をより一層高める為である。
　以上の様に対象領域全体について撮影を行う事により、撮影領域全体についての点群データを生成することができる。このとき得られる点群データは、相互のポイント（点）同士の位置関係を特定する相対的な値となり、これに飛行体との距離や撮影時におけるレンズの倍率や焦点距離を加味する事により、対象領域における距離や長さとして算出する事ができる。しかしながら、この算出した距離や長さの値は、飛行体の撮影高度（高さ）や撮影装置の倍率などに基づいて算出した値である事から、実測値との間で少なからず誤差が生じる事になる。
　そこで本実施の形態では、図４の基準標識の設置状態を示す平面図に示す様に、対象領域20には、予め設定した基準標識30を３か所以上に設ける。この基準標識30は、三角点（基準点）を使用する他、相互の位置関係や距離を特定した上で、任意の箇所に設置することができる。任意に基準標識30を設置する際には、測定する対象領域20の境界近傍（周辺側）に設置する事が望ましく、また各基準標識30は、任意の3か所を結ぶことができるように配置するのが望ましい。更に、望ましくは、当該基準標識30は、対象領域20の中心部分等にも遍在する事が望ましく、精度を高める上ではより多く設置する事が望ましい。また、この基準標識30は対象領域20において境界部分が湾曲している凸部又は凹部に設置する事が望ましい。変形した土地においても正確な点群データを生成する為である。但し、当該基準標識30の設置に際しては、それぞれの基準標識30における三次元座標データを測量するか、或いは少なくとも何れかの基準標識30との距離を測定しておく必要があることから、作業効率を考慮した上で、適切な数の基準標識30を設置する事が望ましい。おおよその目安としては、各基準標識同士は、座標を点群上で確定させるために最低３か所以上、かつ精度を高めるために、各基準標識を頂点とする三角形の1辺の距離が２００mを超えないように、望ましくは１５０mを超えないように、特に望ましくは１００mを超えないように設置し、及び／又は三角形の３辺の合計が６５０mを超えないように、望ましくは４５０mを超えないように、特に望ましくは３００mを超えないように設置し、及び/又は、その三角形の面積が１３０００m2以下、更に１００００m2以下、特に７０００m2以下となるように、対象領域の縁部分と中心部分とに偏在させるのが望ましい。
　また、基準標識30は、撮影画像21において認識できる大きさに形成される必要があり、空中から撮影した画像においても、点群データを作成する為の中心などのポイント（測定点P）を認識できる大きさに形成される必要がある。かかる基準標識30の設置に際しては、任意に設置した基準標識30について、三角点等からの測量等によって三次元座標データを特定しておくか、或いは少なくとも何れかの基準標識同士の距離を予め測定しておく。そして撮影した画像における基準標識30の三次元位置情報として、実際に測量して得た三次元座標データを使用するか、或いは撮影した画像において算出した当該基準標識間の距離を、実際に測定した基準標識同士の距離に補正する。基準標識間の距離の補正は、例えば、測定領域内に５０ｍ間隔で基準標識を設置している場合において、撮影画像21から算出した当該基準標識間の距離が５１ｍであった場合には、当該基準標識近傍で生成した点群データ同士の距離について、「５０／５１」の値を乗算する補正を行う事ができる。その際、当該補正の値は、点群データの三次元座標データの全て、即ちＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸（又は、緯度、経度、標高）の全てについて補正を行う事ができ、その結果、地表における高さ（標高）の値についても補正を行うことができる事から、より正確な値を得る事ができる。
　また、本実施の形態において、基準標識30の大きさを特定しておけば、撮影画像21に写っている基準標識30の大きさとの関係で、点群データの三次元座標データを補正する事もできる。即ち、当該基準標識30を四角形に形成した場合には、その一辺の長さや対角線の長さを特定し、また基準標識30を円形に形成した場合には、その直径を特定しておけば、撮影画像21に写っている基準標識30の大きさに基づいて、点群データにおける三次元座標データを補正する事もできる。例えば、実際に設置している基準標識30が、一辺１００ｃｍの四角形である場合において、撮影画像21から算出される基準標識30の一辺の長さが９９ｃｍである場合には、「９９／１００」の値を乗算する補正を行う事により、点群データにおける三次元座標データの正確性を高める事ができる。
　なお、上記の基準標識30の設置に際しては、測量の基準となる三角点から任意の測量方法により測量可能な場所に任意に設置して、各基準標識30について測量を行うか、又は何れか１つの基準標識30を任意の場所に設置し、当該任意の場所に設置した基準標識から、巻尺や光波測距儀等を使用して測定した任意の距離の場所に、次の基準標識を設置する。この作業を順次行っていくことにより、相互の距離が既知の基準標識を複数設置する事ができる。
　画像に映り込んだ基準標識に座標値を与えることで、より正確な値を得ることができるが、収差の少ない標準レンズを使用した画像にも微小な収差が存在する。そこで、点群を形成する元となる各画像に対し、焦点距離fx・fy、主点距離cx・cy、歪み係数k1,k2,k3,k4,p1,p2などのパラメータを補正する。このような補正操作は、例えばコンピュータに導入した画像処理用のプログラムによって行う事ができる。これにより微小な画像の収差による誤差を極小に抑えることができ、より正確な点群データを作成することができる。
　以上の様に、複数の撮影画像21から、補正された正確な点群データを生成する事により、此れを用いた三次元点群モデルを形成することができる。そしてこの三次元点群モデルを使用して、造成などに際しての土量計算を実施する事ができる。
　図５は、写真撮影から土量計算を実施するまでの作業・処理の流れを示すフローチャートである。この処理の流れにおいて、最初に土量計算を行う対象となる領域（即ち、「対象領域20」）を測量する為に、当該対象領域内に基準標識30を設置する基準標識設置作業を行う（S51）。この基準標識は、予め距離を測定しながら設置していく他、任意の複数の場所に基準標識を設定した後に、各基準標識についての三次元情報（緯度、経度、標高）を測量するか、或いは基準標識相互間の距離を計測しておくことができる。基準標識の測量は、三角測量、光波測量、ＧＰＳ測量等、公知の測量方法を実施することができる。
　次に、撮影装置12を取り付けた飛行体10を飛行させて、当該対象領域20の全体を撮影する撮影処理を実施する（S52）。この撮影では、収差の少ない標準レンズを使用した撮影装置12により、当該対象領域20の一部を撮影した複数の撮影画像21を生成させ、各画像は少なくとも３０％以上が他の撮影画像とオーバーラップするように撮影する。そして、当該対象領域全体についての撮影が完了した後に、撮影した複数の画像を合成する画像合成処理を実施する（S53）。この画像合成処理は、オーバーラップしている画像同士に写っている対象物（測定点）や対象物間の距離によって、各画像同士の尺度を補正しながら行う事が望ましい。飛行体10は一定の高さを飛行するものではあるが、屋外での作業の為、風などの自然要因により、僅かながら飛行する高さが変化する事も考えられ、その結果、撮影画像21の尺度も変化する事も考えられるためである。また、この画像合成処理に際しては、同時に、前記したステレオマッチング処理を行い、測定点Ｐについての三次元座標データを算出すると共に、基準標識30に基づいた点群データの補正を行うこともできる。したがって、この画像合成処理により、撮影した二次元の画像から、各測定点についての三次元座標データからなる点群データを形成する事ができる。最後に、画像に存在する微小な収差を補正するため、画像が持つ焦点距離や歪み係数などのパラメータを補正する。この処理により、誤差が極小となった点群モデルを生成することができる。このような画像合成処理は、例えばコンピュータに導入した画像処理用のプログラムによって行う事ができる。
　次に、点群データについての精度を向上させる為、及びデータサイズを抑えて処理速度を向上させる為に、画像合成処理で作成した点群データについて、ノイズをカットするノイズカット処理を行う（S54）。このノイズカット処理では、対象領域に重機などが存在しており、当該重機について点群データが作成され、地盤が高く算出されることを防ぐために、測量対象以外についての点群データを削除する処理を行う。
　そして、点群データについてノイズをカットし、より精度を高めると共に、データサイズを軽量化した点群データを使用し、土量計算を実施する為のアプリケーション（ソフトウエア）で扱う事ができるファイル形式に変換するファイル変換処理を行う（S55）。
　その後、土量計算を行う為のアプリケーションにおいて、上記の処理によって生成した点群データを使用し、設計面にする為の土量の搬入・搬出量を計算する土量計算を行う事ができる（S56）。
　以上の処理により、対象領域を撮影した複数の画像を用いて、より高い精度で点群データを作成する事ができ、この高精度の点群データを使用する事により、土量計算も正確に行う事ができる。
　以下の実施例では、実際に飛行体10に撮影装置12を設置して、土地を撮影し、当該撮影画像21から粗点群データを作成し、その精度を測定点の対比で評価した。
　本実施例において、飛行体としては地上８０ｍ以上の上空を秒速５ｍ程度で飛行可能な飛行体10を使用した。飛行体に搭載した撮影装置12として、以下の仕様の標準レンズを使用した。
　〔標準レンズ仕様〕
　　・焦点距離25ｍｍ
　　・Ｆ値1.8
　　・撮像素子（縦13mm、横17.3mm）
　　・撮影解像度（縦3456pixel、横4607pixel）
　　・分解能（縦0.0037616mm/pixel、横0.0037543mm/pixel）
　　・画角47度
　この撮影装置で、ピンボケを防止する為に、シャッター速度を1/2000秒にして３秒に１枚程度のタイミングで画像を撮影した。フレーム側の歪みを減じる為に標準レンズを使用しながらも、１枚の画像に撮影できる範囲を広くする為に、地上１００ｍの上空から撮影した。１枚の画像に撮影する範囲を広くすることにより、当該画像について、前記画像合成処理を行うのに必要な情報も多く存在させることができる。このときの地上解像度は、2.26(cm2/pixel)となる。
　また、本実施例において、３０m×６=１８０m、５０m×６=３００mのグリッドを設定し（図７）、各交点Ｐに基準標識30を設置した。各基準標識の座標値は予め測量をしておき、全ての標識において座標情報を把握した。そして、撮影に際しては、各画像同士が５０％以上、オーバーラップするように撮影した。
　以上の様に撮影した複数の画像を、図６に示すように画像合成処理を行うためのソフトウェアで処理し、粗点群データを作成した。この図６のコンピュータ画面は、点群データで構成された三次元点群モデルを表示する表示領域61と、この三次元点群モデルの元となる撮影画像を示す表示領域62を備えている。合計４９箇所の基準標識の中から任意の標識を複数個所選定して、これを基準標識として採用し、点群の補正を行った。
　以上の様に作成した点群データ上の採用しなかった基準標識の座標値を測量点として扱い、同じ基準標識について予め光波測量により測量した座標値と対比した。その結果を以下の表１～７に示す。
　なお、以下の表１～７において、「ベース座標との誤差」は算出した測量点の座標値と、予め光波測量により測量した座標値との差であり、「ｚ値評価」は、ｚ値におけるベース座標との誤差が、±0.05以内であれば符号「○」を、当該誤差が±0.05を超えて±0.1以内であれば符号「Ａ」を、当該誤差が±0.1を超えて±0.15以内であれば符号「Ｂ」を、当該誤差が±0.15を超えた場合には符号「Ａ」を付している。
　また表１～７において、「直近のターゲットまでの距離」は、測量点から近い３つの基準標識までの距離（但し、測量点が基準標識の場合は０）である。また「包含される最小三角形の三辺」は、測量点が内包（測量点が基準標識の場合は、当該標識が存在）する三角形であって、最小三角形となる様に基準標識を結んだ時の基準標識同士の距離である。また「最小三角形の面積」は、前記最小三角形の面積である。また「座標結線上」の項目は、測量点が何れかの基準標識同士を結んだ線上に存在する場合に「○」の符号を付している。また「閉図形内」の項目は、測量点が前記最小三角形内に存在する場合に「○」の符号を付している。
　以下の表１は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、全ての測量点が－０．０５～０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　以下の表２は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ４、Ａ７、Ｄ１、Ｄ４、Ｄ７、Ｇ１、Ｇ４、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、全ての測量点が－０．０５～０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　以下の表３は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ｇ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、全ての測量点の誤差範囲が±０．１～±０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　以下の表４は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ７、Ｄ４、Ｇ１、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、全ての測量点が－０．０５～０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　以下の表５は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ７、Ｂ５、Ｇ１、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、全ての測量点の誤差範囲が±０．１～±０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　以下の表６は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＡ１、Ａ７、Ｇ１、Ｇ７の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定した場合には、誤差範囲が±０．１５を超える測量点も存在していたことから、要求される測量精度に応じて基準標識の配置や設置距離を調整する事が必要なことが明らかになった。
　以下の表７は、前記グリッドの交点において、図７に示す座標軸におけるＢ２、Ｂ６、Ｆ２、Ｆ６の地点を基準標識とし、これに基づいて算出した他の基準標識の座標値を測量点の座標値とし、これを予め光波測量により測量した座標値と対比した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　この結果から明らかなように、基準標識を上記のように設定し、測量点が閉図形の外に存在する場合には、誤差範囲が±０．１５を超える測量点も存在していたことから、要求される測量精度に応じて基準標識の配置や設置距離を調整する事が必要なことが明らかになった。
　以下の実施例では、実際に飛行体10に撮影装置12を設置して、土地を撮影し、当該撮影画像21から点群データを作成し、その精度を測定面での対比で評価した。
　本実施例において、飛行体としては地上８０ｍ以上の上空を秒速５ｍ程度で飛行可能な飛行体10を使用し、撮影装置12として前記実施例１の仕様の標準レンズを使用して、ピンボケを防止する為に、シャッター速度を1/2000秒にして３秒に１枚程度のタイミングで画像を撮影した。フレーム側の歪みを減じる為に標準レンズを使用していながらも、１枚の画像に撮影できる範囲を広くする為に、地上８０ｍの上空から撮影した。１枚の画像に撮影する範囲を広くすることにより、当該画像について、前記画像合成処理を行うのに必要な情報も多く存在させることができる。このときの地上解像度は、1.45(cm2/pixel)となる。
　また、本実施例において基準標識同士の距離は、相互に最も近い基準標識同士の距離が100ｍ以内となるように設置した。そして、撮影に際しては、各画像同士が５０％以上、オーバーラップするように撮影した。
　以上の様に撮影した複数の画像を、画像合成処理を行う為のソフトウエアで処理し、点群データを作成した。そしてこの点群データにおけるノイズを除去する為に、図８のコンピュータ画面61に示す様にノイズをカットする為のソフトウエアで処理を行った。この図８の画面には、点群データで構成された三次元点群モデルを表示する表示領域63と、この三次元点群モデルにおける任意の地点での断面形状を示す表示領域64を備えている。そしてノイズカットしたデータを、土量計算を行うソフトウエアで扱う事の出来るファイル形式に変換するべく、図９のコンピュータ画面70に示す様にファイル形式の変更を行った。
　以上の様に作成した点群データの値を、同じ対象領域について地上三次元レーザー計測により測量した結果と対比した。その結果を図１０に示す。この図１０からも明らかなように、本実施例によって得られた点群データによる測量においては、対象領域８１５３．５６m2に対して－０．０５～＋０．０５mの領域が８０５４．４９m2であることがわかる。即ち殆どの点群(９８．７９％)が－０．０５～０．０５ｍの範囲の精度であり、高い測量精度であることが確認された。
　上記本発明にかかる写真撮影方法は、写真測量において広く利用する事ができ、また本発明にかかる点群データ生成方法は、造成地における土地の測量や、造成時の土量計算において実施する事ができ、更に建築物や構造物の大きさや容積、位置などを計測する為にも使用する事ができる。
10　　無人飛行体
12　　撮影装置
20　　対象領域
21　　撮影画像
22　　対象物
30　　基準標識
P　　測定点（交点）

Claims (7)

  1. 　複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為に使用する画像の撮影方法であって、
    　当該点群データを生成する為の複数の撮影画像を、相互に３０％以上オーバーラップさせて、且つ複数の撮影画像の少なくとも何れかは、当該複数の撮影画像を撮影する対象領域内に所定の間隔で設定した３か所以上の基準標識の少なくとも１つ以上を含ませて撮影する事を特徴とする、画像の撮影方法。
  2. 　複数の撮影画像から、対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する、点群データ生成方法であって、
    　対象領域に、相互間の距離が既知の基準標識を３か所以上設定し、
    　対象領域の三次元形状を表す点群データを生成する為の複数の撮影画像として、相互に３０％以上オーバーラップしており、且つ当該複数の撮影画像の内の少なくとも何れかの画像が、前記基準標識の少なくとも何れかを撮影している撮影画像を使用することを特徴とする、点群データ生成方法。
  3. 　前記基準標識同士は、各基準標識を頂点とする三角形の1辺の距離が２００mを超えることなく、且つ当該三角形の３辺の合計が６５０mを超えることなく、且つ当該三角形の面積が１３０００m2以下となるように、対象領域の縁部分と中心部分とに偏在させて配置されている、請求項２に記載の点群データ生成方法。
  4. 　前記基準標識の既知の座標を画像上の基準標識に与えることによって、前記複数の撮影画像の尺度を補正して、対象領域全体の三次元形状を表す点群データを生成すると共に、当該点群データにおける前記基準標識同士の距離と実際の基準標識同士の距離との比に基づいて、生成した点群データを補正する、請求項２に記載の点群データ生成方法。
    　
  5. 　前記撮影画像は標準レンズを使用して撮影することにより、収差の極力少ない画像を使用する、請求項２に記載の点群データ生成方法。
  6. 　前記撮影画像は標準レンズを使用した撮影装置によって撮影されており、
    　前記複数の撮影画像の尺度を補正して、対象領域全体の三次元形状を表す点群データを生成すると共に、当該点群データにおける前記基準標識同士の距離と実際の基準標識同士の距離との比に基づいて、生成した点群データを補正し、撮影画像の持つ焦点距離、主点距離、歪み係数を含む撮影パラメータを補正する、請求項２に記載の点群データ生成方法。
  7. 　測量データを用いて土工設計の掘削線及び掘削土量・面積を計算し設計図面を作成する土工設計方法であって、
    　前記測量データとして、複数の撮影画像から生成した対象領域の三次元形状を表す点群データを使用し、当該点群データが請求項２～６の何れか一項に記載の点群データ生成方法によって生成されていることを特徴とする土工設計方法。
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