JP6930840B2 - 測量システム - Google Patents

Description

本発明は、写真測量のための画像を撮影する移動撮影装置と、当該移動撮影装置の位置を測量する測量装置とを含む写真測量システムに関する。

従来から、移動体にカメラを搭載し、当該カメラにより２以上の異なる位置から撮影した画像（静止画像及び動画像を含む）を用いて測量を行ういわゆるステレオ写真測量が知られている。

特に近年では、移動体としてＵＡＶ（Unmanned aerial vehicle：小型無人飛行体）を用い、ＵＡＶにカメラを搭載して、上空から撮影した画像に基づく写真測量が行われている。

このような写真測量では、撮影した各画像の空間的な位置関係を合わせることにより対象地域のステレオモデルを生成している。

例えば、特許文献１では、飛行体が測定対象範囲の上空を葛折状に飛行しつつ画像を撮影する。この撮影は、各画像が進行方向にて隣接する画像、及び隣接するコースにて隣接する画像がそれぞれ所定量オーバーラップするよう、周期的に撮影される。そして、全ての撮影を終えた後、進行方向にて隣接する３画像について、１組の隣接する画像を相互標定して１つのステレオ画像を作成し、もう１組の隣接する画像も相互標定して他のステレオ画像を作成し、この２組のステレオ画像の共通した画像で且つ３画像が重複する部分から抽出した特徴点を用いて２組のステレオ画像を接続する。さらに隣接するコースで隣接する画像から共通のタイポイントを選択し、コースで隣接するステレオ画像を接続していくことで、全測定対象範囲をカバーし、共通の３次元座標系で表される統一ステレオ画像（ステレオモデル）を作成している。

特開２０１３−１０８９２７号公報

しかしながら、特許文献１のように撮影した画像を合成して生成されるステレオモデルからは、相対的な位置関係は解析できるが、絶対的なスケール（距離）、位置、回転等の要素は特定できず、最終的な絶対座標を決定することはできない。

特許文献１では、撮影時の飛行体の絶対座標をＧＰＳ（Global Positioning System）により測量しているが、ＧＰＳによる測量は、トータルステーションにより飛行体の位置を測量するよりも撮影位置を特定する精度が低いという問題がある。

一方、トータルステーションによりＵＡＶの位置を測量する場合、撮影時にはトータルステーションとＵＡＶのカメラとが離れているため、カメラでの撮影位置と測量結果との対応付けが必要となる。

この他にも、絶対座標を求めるべく全ての画像内に座標が既知である標定点を写り込ませることで撮影した画像と地上点とを対応付けることができるが、この場合少なくとも４つ以上の標定点を写り込ませる必要があり、撮影に制限がかかる。また、この標定点を設定するために事前に測量対象地域にて標定点の絶対座標を測定する必要がある上、撮影した画像内に標定点が明瞭に写り込むように、標定点を示す対空標識を設置する必要があり、労力がかかるという問題もある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、移動体のカメラにより撮影した撮影位置と測量装置により移動撮影装置を追尾測量した測量結果とを容易に対応付けて、精度の高い写真測量解析を行うことのできる測量システムを提供するものである。

上記した目的を達成するために、本発明に係る測量システムは、移動体に設けられ写真測量用の画像を複数撮影する撮影部と、前記撮影部を追尾して前記撮影部の位置を連続的に測量する測量部と、前記撮影部により撮影した複数の画像に基づき各画像の相対的撮影位置を算出する相対撮影位置算出部と、前記測量部による測量結果から前記移動体の移動軌跡を算出する移動軌跡算出部と、前記相対撮影位置算出部から標定解析により算出された相対的撮影位置の点群と、前記移動軌跡算出部により算出された移動軌跡とを移動、回転、拡大又は縮小することで重ね合わせて対応付けて、写真測量用のデータを生成する写真測量解析部と、を備える。

また、上述の測量システムとして、前記写真測量解析部は、前記相対撮影位置の点群と前記移動軌跡とのずれが最小となるように前記相対的撮影位置の点群を前記移動軌跡に調整することで前記対応付けを行ってもよい。

また、上述の測量システムとして、前記写真測量解析部は、前記移動軌跡中に前記相対撮影位置と一致する測量結果が存在しない場合には、当該相対撮影位置に最も近い測量結果を当該相対撮影位置としてもよい。

上記手段を用いる本発明によれば、移動体のカメラにより撮影した撮影位置と測量装置により移動撮影装置を追尾測量した測量結果とを容易に対応付けて、精度の高い写真測量解析を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る測量システムの全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る測量システムの制御ブロック図である。 相対撮影位置の点群の一例（ａ）及び飛行軌跡の一例（ｂ）を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る測量システムの写真測量用データ生成ルーチンを示すフローチャートである。 相対撮影位置の点群と飛行軌跡との対応付け手順の一例（ａ）〜（ｄ）を示す説明図である。 飛行経路の第１変形例（ａ）及び第２変形例（ｂ）の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１には本発明の一実施形態に係る測量システムの全体構成図が示されており、図２には当該測量システム１の制御ブロック図、図３には相対撮影位置の点群の一例（ａ）及び飛行軌跡の一例（ｂ）の説明図が示されている。本発明の実施形態に係る測量システム１の全体構成と制御系を図１〜図３を用いて説明する。

測量システム１は、写真測量を行う測量システムであり、移動しつつ写真測量用の画像を複数撮影する移動撮影装置２と、当該移動撮影装置２の位置を測量する測量装置３と、撮影結果と測量結果を解析して写真測量のためのデータを生成し、当該データを用いて写真測量解析を行う解析装置４を有している。

移動撮影装置２は、移動体であるＵＡＶ１０に、写真測量用の画像を撮影するカメラ１１（撮影部）が搭載されて構成されている。なお、カメラ１１が撮影する画像は静止画像及び動画像でもよい。

詳しくは、ＵＡＶ１０は、予め定められた飛行経路を飛行したり、遠隔操作により自由に飛行したりすることが可能な飛行移動体である。当該ＵＡＶ１０には飛行を行うための飛行機構１０ａの下部にジンバル機構１０ｂが設けられている。

カメラ１１はＵＡＶ１０のジンバル機構１０ｂより支持されており、当該ジンバル機構１０ｂによって撮影方向を自由に変更可能であるとともに、所定の方向を撮影するよう姿勢を安定化させることが可能である。

また、カメラ１１は、本体正面にレンズ部１２が形成されており、当該レンズ部１２の先端横にプリズム１３が設けられている。

測量装置３は、測量対象を自動追尾可能なトータルステーションであり、水平方向に回転駆動可能な水平回転駆動部３０上に、鉛直方向に回転可能な鉛直回転駆動部３１を介して望遠鏡部３２が設けられている。また望遠鏡部３２には、ターゲットまでの斜距離を測定する、例えば光波距離計等の測距部３３（測量部）が設けられている。

詳しくは、測量装置３は、プリズム１３を測量対象としたプリズム測量により、測量装置３からプリズム１３までの距離測定（測距）が可能であると共に水平角、鉛直角が測定可能である。したがって、測量装置３を既知の位置に設置して、姿勢を整準させてプリズム１３の測量を行うことで、測量結果（斜距離、水平角、鉛直角）からプリズム１３の絶対座標を算出可能である。このように測量装置３は、カメラ１１のレンズ部１２の先端横に設けられているプリズム１３の位置を測量しているが、測量時又は測量後にレンズ部１２の中心位置とプリズム１３の位置関係に基づき測量結果を補正してカメラ１１のレンズ中心位置の測量結果を算出する。以下の説明では、測量結果とはこの補正した測量結果のことをいう。

解析装置４は、写真測量用のソフトウェアを有するパーソナルコンピュータ等の情報処理端末である。詳しくは、解析装置４は、測量装置３により測量した測量結果を、移動撮影装置２により撮影した各画像の撮影位置に対応付けて写真測量用のデータを生成し、当該データに基づき写真測量解析を行ってステレオモデルを生成可能である。

測量システム１は、図１に示すように、移動撮影装置２により予め定められた所定の飛行経路を移動しながら所定の撮影周期で写真測量用の画像Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎを複数撮影するとともに、測量装置３によりカメラ１１を追尾して連続的に測量を行い、解析装置４により移動撮影装置２により撮影した画像Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎの撮影位置と測量装置３により測量した測量結果Ｒ１、Ｒ２、…Ｒｍとを対応付けることで写真測量用のデータを生成する。

次に図２を参照しつつ、測量システム１のカメラ１１、測量装置３、及び解析装置４が搭載するコンピュータに基づく制御系の構成を説明する。

図２に示すように、カメラ１１は、撮影制御部１４を有しており、当該撮影制御部１４には操作部１５、撮像部１６、及び画像記憶部１７が電気的に接続されている。なお、図示しないが、撮影制御部１４にはこの他にも表示部等が接続されていたり、センサ等が接続されていたりしてもよい。

操作部１５は撮影制御部１４に対する各種の動作指示や設定を入力するための操作手段である。例えば、動作指示としては、電源のオン、オフの切替、撮影開始とするトリガ、撮影モードの切替、撮影周期の設定、画質の設定、測量装置３との接続オン、オフの切替等がある。また操作部１５は、スイッチ、ボタン、ダイアルなど、任意の操作デバイスや入力デバイスを含んでいてもよい。

撮像部１６は、撮影動作を行う部分であり、光学像を電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳ素子等の撮像素子やシャッターを有する。

画像記憶部１７は、カメラ１１により撮影した画像データを記憶する部分であり、記憶された画像データはメモリカード等の記憶媒体や通信手段を介して外部へ伝達可能である。

撮影制御部１４は、例えば１〜３ｓ（秒）の予め設定した撮影周期で撮影を行うよう撮像部１８を制御し、撮影された画像データを画像記憶部１７に記憶させる。

測量装置３は、測量制御部３４に上述の水平回転駆動部３０、鉛直回転駆動部３１、測距部３３の他に、水平角検出部３５（測量部）、鉛直角検出部３６（測量部）、表示部３７、操作部３８、追尾光送光部３９、追尾光受光部４０、通信部４１、及び測量記憶部４２が接続されている。

水平角検出部３５は、水平回転駆動部３０による水平方向の回転角を検出することで、望遠鏡部３２で視準している水平角を検出可能である。鉛直角検出部３６は、鉛直回転駆動部３１による鉛直方向の回転角を検出することで、望遠鏡部３２で視準している鉛直角を検出可能である。これら水平角検出部３５及び鉛直角検出部３６により、測量結果としての水平角及び鉛直角を検出する。

表示部３７は、例えば液晶モニタであり、測量結果（斜距離、水平角、鉛直角）等の各種情報を表示可能である。

操作部３８は、測量制御部３４に各種の動作指示や設定を入力するための操作手段である。例えば、動作指示としては、電源のオン、オフの切替、測量開始とするトリガ、測量モードの切替、測量周期の設定等がある。また当該操作部３８はカメラ１１の操作部と同様、スイッチ、ボタン、ダイアルなど、任意の操作デバイスや入力デバイスを含んでいてよい。

追尾光送光部３９は追尾光を照射し、追尾光受光部４０はプリズム１３により反射された追尾光を受光する部分である。測量制御部３４が、この追尾光送光部３９からの追尾光を追尾光受光部４０が受光し続けるよう水平回転駆動部３０及及び鉛直回転駆動部３１を制御することでターゲットの追尾機能を実現している。

通信部４１は、外部機器と通信可能な部分であり、例えば無線通信手段である。

測量記憶部４２は、上述の追尾機能のプログラムや、所定の測量周期で測量を行うプログラム等の測量に関する各種プログラムや、測量データを記憶する部分であり、記憶された測量データはメモリカード等の記憶媒体や通信部４１等の通信手段を介して外部へ伝達可能である。

測量制御部３４は、プリズム１３の追尾が成立すると、例えば１〜１００ｍｓの所定の測量周期で連続的に移動撮影装置２のカメラ１１の位置の測量を行う。そして、測量結果としての測量データを測量記憶部４３に記憶させる。

解析装置４は、相対撮影位置算出部５０、飛行軌跡算出部５１（移動軌跡算出部）、及び写真測量解析部５２を有している。

詳しくは、相対撮影位置算出部５０は、カメラ１１の画像記憶部１７に記憶されている画像データを取得して、各画像の標定解析を行い各画像の相対的な撮影位置を示す相対撮影位置を算出する。つまり、相対撮影位置は、絶対的なスケール（距離）、位置、回転は定まっていない各画像間の相対的な位置情報となり、例えば図３（ａ）に示すように各相対撮影位置は点群として表すことが可能である。

飛行軌跡算出部５１は、測量装置３の測量記憶部４２に記憶されている測量データを取得して、当該測量データから移動撮影装置２の飛行軌跡（移動軌跡）を算出する。測量装置３は短い周期で連続的にカメラ１１を追尾測量していることから、これらの測量結果に基づく位置情報を表示すると、例えば図３（ｂ）に示すように移動撮影装置２の飛行軌跡として表すことが可能である。

写真測量解析部５２は、相対撮影位置算出部５０により算出された相対撮影位置の点群と、飛行軌跡算出部５１により算出された飛行軌跡とを対応付けて、写真測量用のデータを生成する。具体的には、写真測量解析部５２は、相対撮影位置の点群と飛行軌跡とのずれが最小となるように相対的撮影位置の点群を飛行軌跡に調整することで対応付けを行い、各画像の絶対的な撮影位置、即ち撮影位置の絶対座標を設定する。そして、写真測量解析部５２は、この写真測量用のデータに基づき写真測量解析を行い、ステレオモデルを生成する。

ここで、図４には本実施形態の測量システムにおける写真測量ルーチンを示すフローチャートが、図５には相対撮影位置の点群と飛行軌跡との対応付け手順の一例（ａ）〜（ｄ）が、それぞれ示されており、以下、途中図５を参照しつつ、図４のフローチャートに沿って本実施形態の測量システムの写真測量用データの生成手法について説明する。

まず、図４に示す写真測量ルーチンを開始する前提として、移動撮影装置２は写真測量の対象となる範囲の上空を、例えば図３（ｂ）で示したような葛折状の経路で飛行し且つ所定の撮影周期でカメラ１１による撮影を行うよう設定され、当該設定に基づいた飛行を行う。

そして、写真測量ルーチンのステップＳ１として、測量装置３は、飛行している移動撮影装置２の追尾測量を開始する。

続くステップＳ２として、移動撮影装置２はカメラ１１による撮影を開始する。

そして、ステップＳ３で、移動撮影装置２が設定された飛行経路の飛行を完了し、全ての撮影を終える。ここで、カメラ１１の画像記憶部１７に記憶された画像データ及び測量装置３の測量記憶部４２に記憶された測量データを解析装置４に入力する。

すると、ステップＳ４にて、解析装置４の相対撮影位置算出部５０は、画像データに基づき、図３（ａ）で示したような相対撮影位置の点群を算出する。

また、ステップＳ５にて、解析装置４の飛行軌跡算出部５１は、測量データに基づき、図３（ｂ）で示したような移動撮影装置２の飛行軌跡を算出する。

そして、ステップＳ６において、写真測量解析部５２は、ステップＳ４にて算出された相対撮影位置の点群と、ステップＳ５にて算出された飛行軌跡との対応付けを行う。

この対応付け手順について、詳しくは、まず写真測量解析部５２は、図５（ａ）に示すように飛行軌跡Ｔ上に相対撮影位置の点群Ｐを重ね合わせ、各々の中心位置を合わせるように、点群Ｐを移動させる。

中心位置が略一致した後、写真測量解析部５２は、図５（ｂ）に示すように、相対撮影位置の点群Ｐと飛行軌跡Ｔとの方向が合うよう、例えば略直線部分の延在方向が合うように、点群Ｐを回転させる。

点群Ｐと飛行軌跡Ｔとの方向が略一致した後、写真測量解析部５２は、図５（ｃ）に示すように、相対撮影位置の点群Ｐが飛行軌跡Ｔ上に重なるように、点群Ｐを拡大させる。なお、ここで点群Ｐの方が飛行軌跡Ｔよりも範囲が広がっている場合は点群Ｐを縮小させる。

最終的に写真測量解析部５２は、点群Ｐの移動、回転、拡大又は縮小の微調整を行って図５（ｄ）に示すように、相対撮影位置の点群Ｐが飛行軌跡Ｔ上に略一致させる。なお、図５（ａ）〜（ｄ）では説明を簡略化するため２次元的な調整についてのみ示しているが、実際には３次元的な調整を行う必要がある。また、図５（ａ）〜（ｄ）は、簡易に説明するための概念図であって、ここでの各調整は一例であり、その他一般的な調整（マッチング）を適用可能である。また、図５（ａ）〜（ｄ）の調整作業及び微調整は写真測量解析部５２による自動調整の他、作業者が手動で行うことも可能である。

このように写真測量解析部５２は、相対撮影位置の点群Ｐと飛行軌跡Ｔとのずれが最小となるように相対的撮影位置の点群Ｐを飛行軌跡Ｔに調整し、各相対撮影位置に一致する測量結果を当該相対撮影位置の絶対座標として対応付ける。なお、相対撮影位置の各点全てが飛行軌跡上に一致するとは限らず、飛行軌跡中に相対撮影位置と一致する測量結果が存在しない場合には、当該相対撮影位置に最も近い測量結果を当該相対撮影位置とする。このように各画像に対して測量装置３による測量結果を撮影位置に設定し、この絶対座標の付与された画像を写真測量用のデータとする。

そして、図４のステップＳ７にて、ステップＳ６にて生成された写真測量用のデータに基づき写真測量解析を行って、絶対的なスケール（距離）、位置、回転も定まったステレオモデルを生成し、当該ルーチンを終了する。

以上のように、本実施形態の測量システム１では、移動撮影装置２のカメラ１１で撮影した画像から相対的撮影位置の点群Ｐを算出するとともに、測量装置３による測量結果から飛行軌跡Ｔを算出し、この点群Ｐと飛行軌跡Ｔとを対応付けることで、絶対的な撮影位置を得ることができる。

つまり、従来のように、ＧＰＳにより撮影位置を得る必要がないことから、ＧＰＳ信号を受信できない建物内やトンネル内等での写真測量も可能な上、ＧＰＳによる測量よりも高精度なトータルステーション等の測量装置３による測量結果に基づく撮影位置情報を得ることができる。また、画像内に標定点を含める必要もないことから、撮影に制限もなく、標定点を設置する労力もかからない。

これにより移動撮影装置２のカメラ１１により撮影した相対撮影位置と測量装置３により移動撮影装置２を追尾測量した測量結果とを容易に対応付けて、精度の高い写真測量解析を行うことができる。

特に、点群Ｐと飛行軌跡Ｔとの対応付けは、図５（ａ）〜（ｄ）で示したように、点群Ｐと飛行軌跡Ｔとのずれが最小となるように、点群Ｐを移動、回転、拡大又は縮小等して飛行軌跡Ｔに調整することで、容易に点群Ｐと飛行軌跡Ｔとを対応付けることができる。

また、相対撮影位置に対して一致する測量結果が存在しない場合には、当該相対撮影位置に最も近い測量結果を当該相対撮影位置の絶対座標として置き換えることで、相対撮影位置と飛行軌跡Ｔとの間に誤差がある場合でも、容易に対応付けを行うことができ、精度の高い写真測量解析を維持することができる。

以上で本発明の一実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、移動撮影装置２は葛折状の飛行経路を飛行しているが、移動体の移動経路はこれに限られるものではない。特に相対撮影位置の点群と飛行経路との対応付けの精度を向上させるべく、特徴的な飛行経路を形成してもよい。

例えば、図６には、飛行経路の第１変形例（ａ）及び第２変形例（ｂ）の説明図が示されている。

図６（ａ）に示す第１変形例では、クランク状に屈曲を繰り返した飛行経路が示されており、このような飛行経路は直線状の飛行経路よりも屈曲部分が特徴部分となることで対応付けが明確となる。当該第１変形例の飛行経路は、特に細長い飛行範囲において有効である。

また図６（ｂ）に示す第２変形例では、上記実施形態の葛折状の飛行経路に、平面視の四隅に位置する部分で矩形状の飛行経路を追加している。この矩形状の飛行経路部分が特徴部分となることで、対応付けが明確となる。なお、この四隅の飛行経路は矩形状に限らず、例えば円形状等でもよい。

以上のような変形例以外にも、上記実施形態では、移動撮影装置２はＵＡＶ１０を移動体として用いているが、移動体はこれに限られない。例えば、ヘリコプターや飛行機等の有人の飛行体や、車や人間等、地上を移動する移動体であってもよく、この移動軌跡を相対撮影位置の点群と対応付けて写真測量用のデータを生成してもよい。

また、上記実施形態では、相対撮影位置算出部５０及び飛行軌跡算出部５１は解析装置４に設けられているが、例えば相対撮影位置算出部を移動撮影装置に、飛行軌跡算出部を測量装置に備えていてもよい。また、解析装置の機能を全て測量装置に備えてもよい。

１ 測量システム
２ 移動撮影装置
３ 測量装置
４ 解析装置
１０ ＵＡＶ（移動体）
１１ カメラ（撮影部）
１４ 撮影制御部
１７ 画像記憶部
３３ 測距部（測量部）
３４ 測量制御部
３５ 水平角検出部（測量部）
３６ 鉛直角検出部（測量部）
４３ 測量記憶部
５０ 相対撮影位置算出部
５１ 飛行軌跡算出部（移動軌跡算出部）
５２ 写真測量解析部

Claims (3)

1. 移動体に設けられ写真測量用の画像を複数撮影する撮影部と、
   前記撮影部を追尾して前記撮影部の位置を連続的に測量する測量部と、
   前記撮影部により撮影した複数の画像に基づき各画像の相対的撮影位置を算出する相対撮影位置算出部と、
   前記測量部による測量結果から前記移動体の移動軌跡を算出する移動軌跡算出部と、
   前記相対撮影位置算出部から標定解析により算出された相対的撮影位置の点群と、前記移動軌跡算出部により算出された移動軌跡とを移動、回転、拡大又は縮小することで重ね合わせて対応付けて、写真測量用のデータを生成する写真測量解析部と、
   を備える測量システム
2. 前記写真測量解析部は、前記相対撮影位置の点群と前記移動軌跡とのずれが最小となるように前記相対的撮影位置の点群を前記移動軌跡に調整することで前記対応付けを行う請求項１記載の測量システム。
3. 前記写真測量解析部は、前記移動軌跡中に前記相対撮影位置と一致する測量結果が存在しない場合には、当該相対撮影位置に最も近い測量結果を当該相対撮影位置とする請求項１又は２記載の測量システム。
   

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