JP6674822B2 - 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

Description

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、±０．０５ｍ以内であれば符号「○」を、当該誤差が±０．０５ｍを超えて±０．１ｍ以内であれば符号「Ａ」を、当該誤差が±０．１ｍを超えて±０．１５ｍ以内であれば符号「Ｂ」を、当該誤差が±０．１５ｍを超えた場合には符号「Ｃ」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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (6)

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、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し、
   前記基準標識は、前記複数の撮影画像を撮影する対象領域全体の縁部分と中心部分であって、前記点群データを、当該基準標識を結んだ時の閉図形に内包するように存在させ、その位置情報として三角点の位置情報又は実際に測量した位置情報を使用し、
   前記点群データは、撮影画像において色、明るさ、トーンが異なっている地点を測量点の作成ポイントとして抽出して、当該測量点について三次元データを生成することで生成され、
   前記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に基づいて、生成した点群データを補正し、
   当該補正した点群データにおける測量点の座標値と、予め光波測量により測量した座標値とは、測量点におけるｚ値の誤差が、±０．１５ｍ以下であり、
   前記複数の撮影画像は、撮影装置を設置した飛行体を移動させながら、一定の時間ごとに画像を撮影して取得することを特徴とする、点群データ生成方法。
   
2. 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１３０００ｍ^２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１に記載の点群データ生成方法。
   
3. オーバーラップしている画像同士に写っている測定点又は測定点間の距離によって、各画像同士の尺度を補正して、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１に記載の点群データ生成方法。
   
4. 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１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１に記載の点群データ生成方法。
   
6. 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１〜５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。