JP7525844B2 - Moisture content estimation method, cone index estimation method, cone index estimation system, vehicle and unmanned aerial vehicle - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 https://www.tc-iaip.org/dia/2020/php/reg_login/index.php 掲載日 令和2年3月9日 https://edas.info/index.php?c=25900 掲載日 令和1年10月15日 GCCE2019 千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市新千里東町1-4-2) 開催日 令和1年10月18日 https://confit.atlas.jp/guide/event/ssii2019/subject/IS1-14/detail 掲載日 令和1年6月12日 SSII2019 パシフィコ横浜アネックスホール(神奈川県横浜市西区みなとみらい1-1-1) 開催日 令和1年6月12日
本開示は、含水比推定方法、コーン指数推定方法、コーン指数推定システム、車両及び無人航空機に関する。 The present disclosure relates to a moisture content estimation method, a cone index estimation method, a cone index estimation system, a vehicle, and an unmanned aerial vehicle.
災害等が発生した地域において、災害対応のための車両や建設機械を当該地域に派遣する場合、当該地域の地盤に関する情報を事前に得る必要がある。例えば特許文献1には、土質判定装置の一例が記載されている。
When vehicles or construction machinery are dispatched to an area where a disaster has occurred, it is necessary to obtain information about the ground in that area in advance. For example,
しかしながら、特許文献1に記載の土質判定装置では、センサを対象土に接触させる必要がある。
However, the soil quality determination device described in
本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、非接触で高精度に対象物の含水比を推定できる含水比推定方法、コーン指数推定方法、コーン指数推定システム、車両及び無人航空機を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a moisture content estimation method, a cone index estimation method, a cone index estimation system, a vehicle, and an unmanned aerial vehicle that can estimate the moisture content of an object in a non-contact manner with high accuracy.
上記の目的を達成するため、本開示の一態様の含水比推定方法は、マルチスペクトルカメラによって対象物の画像を撮像する撮像ステップと、前記画像に基づき、前記対象物の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記対象物の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得する分光反射率取得ステップと、前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差に基づき前記対象物の含水比を推定する含水比推定ステップと、を含み、前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯である。 To achieve the above object, a water content estimation method according to one aspect of the present disclosure includes an imaging step of capturing an image of an object using a multispectral camera, a spectral reflectance acquisition step of acquiring a first spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the object in an infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the object in another wavelength band, based on the image, and a water content estimation step of estimating the water content of the object based on the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance, where the other wavelength band is a wavelength band of light having a shorter wavelength than the infrared wavelength band.
含水比推定方法の望ましい態様として、マルチスペクトルカメラによって撮像された前記対象物の画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する導出ステップと、前記ベクトルと予め記憶された前記対象物の種類毎の分光反射率スペクトルとに基づいて前記対象物の種類を推定する対象物推定ステップと、をさらに含み、前記含水比推定ステップでは、予め記憶された前記対象物の種類毎の前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータに基づいて前記対象物の含水比を推定する。 A preferred embodiment of the water content estimation method further includes a derivation step of deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from an image of the object captured by a multispectral camera, and an object estimation step of estimating the type of the object based on the vector and a pre-stored spectral reflectance spectrum for each type of object, and in the water content estimation step, the water content of the object is estimated based on pre-stored data indicating the correspondence between the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance for each type of object, and the water content.
含水比推定方法の望ましい態様として、前記対象物推定ステップでは、マルチスペクトルカメラによって予め撮像された前記対象物の種類毎の画像に基づいて学習済みのニューラルネットワークを利用して前記対象物の種類を推定する。 In a preferred embodiment of the water content estimation method, the object estimation step estimates the type of object using a trained neural network based on images of each type of object captured in advance by a multispectral camera.
含水比推定方法の望ましい態様として、前記ベクトルのうち、350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をαとし、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をβとした場合にα×10>βが成立するベクトルを前記対象物推定ステップで利用しない。 As a preferred embodiment of the water content estimation method, among the vectors, when the average spectral reflectance in the wavelength band from 350 [nm] to 450 [nm] is α and the average spectral reflectance in the wavelength band from 700 [nm] to 750 [nm] is β, the vector for which α×10>β holds is not used in the object estimation step.
含水比推定方法の望ましい態様として、既知の分光反射率を示す校正シートに基づいて前記画像の明るさが適切であるかを判定する判定ステップを含み、前記明るさが適切でない前記画像に基づいた前記対象物の含水比の推定を行わない。 A preferred embodiment of the moisture content estimation method includes a determination step of determining whether the brightness of the image is appropriate based on a calibration sheet showing known spectral reflectance, and does not estimate the moisture content of the object based on an image whose brightness is inappropriate.
上記の目的を達成するため、本開示の一態様のコーン指数推定方法は、マルチスペクトルカメラによって土を含む地面の画像を撮像する撮像ステップと、前記画像に基づき、前記地面の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記地面の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得する分光反射率取得ステップと、マルチスペクトルカメラによって撮像された前記地面の画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する導出ステップと、前記ベクトルと予め記憶された前記土の種類毎の分光反射率スペクトルとに基づいて前記土の種類を推定する対象物推定ステップと、予め記憶された前記土の種類毎の前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータに基づいて前記地面の含水比を推定する含水比推定ステップと、前記対象物推定ステップで推定された土の種類と、前記含水比推定ステップで推定された含水比とに基づいて前記地面のコーン指数を推定するコーン指数推定ステップと、を含み、前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯である。 In order to achieve the above object, the cone index estimation method of one aspect of the present disclosure includes an imaging step of capturing an image of the ground including soil using a multispectral camera, a spectral reflectance acquisition step of acquiring a first spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the ground in an infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the ground in another wavelength band, based on the image, a derivation step of deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from the image of the ground captured by the multispectral camera, an object estimation step of estimating the type of soil based on the vector and a pre-stored spectral reflectance spectrum for each type of soil, a moisture content estimation step of estimating the moisture content of the ground based on data indicating a correspondence between the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance for each type of soil and the moisture content, and a cone index estimation step of estimating the cone index of the ground based on the type of soil estimated in the object estimation step and the moisture content estimated in the moisture content estimation step, the other wavelength band being a wavelength band of light shorter than the infrared wavelength band.
含水比推定方法の望ましい態様として、前記コーン指数推定ステップでは、予め記憶された土の種類毎の含水比とコーン指数との対応関係を示すデータに基づいて前記土のコーン指数を推定する。 In a preferred embodiment of the moisture content estimation method, the cone index estimation step estimates the cone index of the soil based on pre-stored data showing the correspondence between the moisture content and the cone index for each type of soil.
上記の目的を達成するため、本開示の一態様のコーン指数推定システムは、土の画像を撮像するマルチスペクトルカメラと、前記画像に基づき、前記土のコーン指数を推定する情報処理装置と、を備え、前記情報処理装置は、前記画像に基づき、前記土の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記土の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得し、前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差に基づき前記土の含水比を推定し、前記土のコーン指数の推定に関する情報として推定された前記土の含水比を示す情報を利用する演算部を備え、前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯である。 To achieve the above object, a cone index estimation system according to one embodiment of the present disclosure includes a multispectral camera that captures an image of the soil, and an information processing device that estimates the cone index of the soil based on the image. The information processing device acquires a first spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the soil in an infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the soil in another wavelength band, based on the image, estimates the water content of the soil based on the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance, and includes a calculation unit that uses information indicating the estimated water content of the soil as information relating to the estimation of the cone index of the soil, and the other wavelength band is a wavelength band of light with a shorter wavelength than the infrared wavelength band.
上記の目的を達成するため、本開示の一態様の車両は、上述に記載の含水比推定システムに用いられ、前記マルチスペクトルカメラが搭載される。 To achieve the above object, a vehicle according to one embodiment of the present disclosure is used in the water content estimation system described above and is equipped with the multispectral camera.
上記の目的を達成するため、本開示の一態様の無人航空機は、上述に記載の含水比推定システムに用いられ、前記マルチスペクトルカメラが搭載される。 To achieve the above objective, an unmanned aerial vehicle according to one embodiment of the present disclosure is used in the water content estimation system described above and is equipped with the multispectral camera.
本開示によれば、非接触で高精度に対象物の含水比を推定できる。 According to this disclosure, it is possible to estimate the water content of an object in a non-contact and highly accurate manner.
以下に、本開示に係る推定システムについて実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本開示は、以下の実施形態の記載に限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能、且つ、容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した実施形態における構成要素は、本開示の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。以下の実施形態では、本開示に係る推定システムの実施形態を例示する上で、必要となる構成要素を説明し、その他の構成要素を省略する。 The following describes in detail an embodiment of the estimation system according to the present disclosure with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the description of the following embodiment. Furthermore, the components in the following embodiment include those that are replaceable and easy for a person skilled in the art, or those that are substantially the same. Furthermore, the components in the embodiments described below may be omitted, replaced, or modified in various ways without departing from the gist of the present disclosure. In the following embodiment, the components necessary to illustrate the embodiment of the estimation system according to the present disclosure are described, and other components are omitted.
図1は、推定システム1の主要構成例を示すブロック図である。推定システム1は、マルチスペクトルカメラ10と、情報処理装置20とを備える。マルチスペクトルカメラ10は、例えば、第1撮像装置11と第1撮像装置12とを含む。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the main configuration of an
図2は、第1撮像装置11と第2撮像装置12が搭載されたバックホウ100の例を示す図である。バックホウ100は、推定システム1に用いられる車両の一例である。第1撮像装置11と第2撮像装置12は、例えばバックホウ100の屋根部101の上側に設けられる。第1撮像装置11と第2撮像装置12は、例えばバックホウ100においてアーム102が延出する前方側の地面GRを撮像範囲SUB内に収めるよう設けられる。なお、図2では、屋根部101に立てられた支持部材13によって第1撮像装置11と第2撮像装置12が支持されるよう設けられ、第2撮像装置12が第1撮像装置11よりも上側に位置しているが、これはあくまで設置例の一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。
Figure 2 is a diagram showing an example of a
図2のバックホウ100は、あくまでマルチスペクトルカメラ10を搭載可能であって移動可能な構成の具体例であってこれに限られるものでない。後述する航空機のように、マルチスペクトルカメラ10は、他の構成に設けられてもよい。
The
マルチスペクトルカメラ10は、ヒトの可視光に対応したスペクトルの光を検知して当該波長帯全域を含む1つの撮像画像を生成する機能に限定された一般的な撮像装置と異なり、予め指定された特定のスペクトルの光を検知して撮像画像を生成する機能を有する撮像装置である。ここで、指定可能な特定のスペクトルの種類は、複数である。また、実施形態のマルチスペクトルカメラ10は、ヒトの不可視光を含むスペクトルの光を検知して撮像画像を生成できる。
Unlike general imaging devices that are limited to the function of detecting light in a spectrum corresponding to human visible light and generating a single captured image including the entire wavelength band, the
以下、「撮像画像のスペクトル」と記載した場合、マルチスペクトルカメラ10が撮像画像を生成する際に当該マルチスペクトルカメラ10が検知するよう指定された光のスペクトルをさす。また、「α[nm]の撮像画像」と記載した場合、マルチスペクトルカメラ10が「撮像画像のスペクトル」としてα[nm]を検知するよう指定された状態で生成された撮像画像をさす。αは、光の波長又は光の波長帯を表す数値である。また、「マルチスペクトル画像」と記載した場合、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された撮像画像全般を包括する。
Hereinafter, when we say "spectrum of captured image", it refers to the spectrum of light that the
第1撮像装置11と第2撮像装置12とは、検知可能な光のスペクトルが異なる。実施形態では、第1撮像装置11は、350[nm]から1100[mm]までの範囲内で5[nm]刻みで撮像画像のスペクトルを指定可能に設けられたマルチスペクトルカメラ10である。また、第2撮像装置12は、490[nm]、570[nm]、671[nm]、800[nm]、900[nm]及び950[nm]の6つの波長ならびに900[nm]から1700[mm]までの波長帯の計7種類のスペクトルを指定可能に設けられたマルチスペクトルカメラ10である。実施形態で例示している第1撮像装置11と第2撮像装置12が検知可能な光のスペクトルはあくまで一例であってこれに限られるものでなく、本実施形態と同様の効果を奏するためにこれらのスペクトルが必須であることを示すものでない。
The
図3は、可視光線に対応するRGB画像と、マルチスペクトル画像との比較例を示す模式図である。図3に示すx軸方向及びy軸方向は撮像面を示し、z軸方向は撮像に際して検知される光のスペクトルを示す。図3における上側がより短波長であり、下側がより長波長である。 Figure 3 is a schematic diagram showing a comparison between an RGB image corresponding to visible light and a multispectral image. The x-axis and y-axis directions in Figure 3 indicate the imaging plane, and the z-axis direction indicates the spectrum of light detected during imaging. The upper side in Figure 3 represents shorter wavelengths, and the lower side represents longer wavelengths.
RGB画像は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3波長帯の光の強さを示す記録が1つの画像に合成された画像である。これに対し、マルチスペクトル画像は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3波長帯に限られない、より多くの種類のスペクトルを撮像画像のスペクトルとして指定可能である。図3において「マルチスペクトル画像」として図示したイメージでz軸方向に積層された各撮像面が、撮像画像のスペクトルとして指定されたそれぞれの光のスペクトルに対応した画像(スペクトル画像)を示す。マルチスペクトル画像は、係るスペクトル画像を複数含む。各撮像面は、x軸方向とy軸方向に沿って二次元方向に複数の画素が配置された画像データとみなせる。より具体的には、当該画像データは、例えばx軸方向に640の画素が並び、y軸方向に480の画素が並ぶ二次元画像データであるが、これに限られるものでなく、具体的な画素数については適宜変更可能である。係る画像データの各画素の階調値は、撮像範囲SUBを撮像したマルチスペクトルカメラ10の撮像素子が当該画素の位置で検知した光の分光反射率に対応した値になる。すなわち、各撮像面は、同じ撮像範囲SUBを撮像したスペクトル画像であってそれぞれ異なるスペクトルでの分光反射率を階調値として記録した画像データとして扱える。また、各撮像面は、対応する光のスペクトルの分光反射率に特化していることから、各撮像面の各画素は、対応する光のスペクトルの光の強さを階調値で表すことになる。従って、各撮像面は、対応する光のスペクトルで撮像範囲SUBを撮像した所謂グレースケール状の画像データのようになる。また、マルチスペクトル画像は、光の波長範囲についてRGB画像よりも多い情報量を取得可能な画像として機能する。また、マルチスペクトル画像で採用可能な光の波長範囲は、可視光と不可視光の両方の波長範囲を含む。
An RGB image is an image in which records showing the light intensity of three wavelength bands, red (R), green (G), and blue (B), are combined into one image. In contrast, a multispectral image can specify many types of spectrum as the spectrum of the captured image, not limited to the three wavelength bands of red (R), green (G), and blue (B). In FIG. 3, each imaging surface stacked in the z-axis direction in the image shown as a "multispectral image" shows an image (spectral image) corresponding to each spectrum of light specified as the spectrum of the captured image. A multispectral image includes multiple such spectral images. Each imaging surface can be considered as image data in which multiple pixels are arranged in two-dimensional directions along the x-axis and y-axis directions. More specifically, the image data is two-dimensional image data in which, for example, 640 pixels are arranged in the x-axis direction and 480 pixels are arranged in the y-axis direction, but is not limited to this, and the specific number of pixels can be changed as appropriate. The gradation value of each pixel of the image data is a value corresponding to the spectral reflectance of light detected at the position of the pixel by the imaging element of the
このようなマルチスペクトル画像は、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRの性質の推定に利用できる。マルチスペクトル画像に基づいて推定できる地面GRの性質として、当該地面GRを覆う土の種類と、当該土の含水比とが挙げられる。実施形態では、マルチスペクトル画像に基づいて推定された土の種類と当該土の含水比とに基づいたコーン指数の推定が行われる。
Such a multispectral image can be used to estimate the properties of the ground GR captured by the
コーン指数は、土質パラメータの1つであり、コーンペネトロメータのコーンを土中に押し込む際の貫入抵抗力度である。なお、土質パラメータとは、土の性質の程度を示す指標をさす。具体的なコーンペネトロメータの構成例として、長さ91.4[cm]、直径0.95[cm]のシャフトの一端側に円錐状のコーンを付け、他端側に土の抵抗を測定するためのゲージとハンドルを搭載したものが知られる。コーンの円錐は、例えば先端角30[°]、底面積1.61[cm]である。コーンの円錐の底面側がシャフトの一端に付けられる。係るコーンペネトロメータの使用方法例として、使用者が一端側を地面に向けてシャフトが鉛直になるよう構え、コーンの先端を地面に付けて土中に押し込むように力を掛けた場合に土からコーンに働く抵抗力を上部のゲージで読み取る方法が知られている。係る抵抗力の値をコーンの底面積で除し、一定の係数をかけることでコーン指数が算出される。なお、ここで例示したコーンペネトロメータの諸元は1948年にアメリカ陸軍工兵隊で開発されたコーンペネトロメータのものであるに過ぎず、コーン指数の算出が係る諸元のコーンペネトロメータを用いるものに限定されることを示すものでない。 The cone index is one of the soil parameters and is the penetration resistance when the cone of a cone penetrometer is pushed into the soil. The soil parameter refers to an index that indicates the degree of the soil's properties. A specific example of the configuration of a cone penetrometer is one in which a cone-shaped cone is attached to one end of a shaft with a length of 91.4 cm and a diameter of 0.95 cm, and a gauge and handle for measuring the resistance of the soil are attached to the other end. The cone has, for example, a tip angle of 30° and a base area of 1.61 cm. The base side of the cone is attached to one end of the shaft. As an example of how to use such a cone penetrometer, a method is known in which a user holds the shaft vertically with one end facing the ground, places the tip of the cone on the ground, and applies force to push the cone into the soil, and then reads the resistance acting on the cone from the soil with a gauge on the top. The cone index is calculated by dividing the resistance value by the base area of the cone and multiplying it by a certain coefficient. Note that the cone penetrometer specifications given here are merely those of a cone penetrometer developed by the U.S. Army Corps of Engineers in 1948, and do not indicate that the calculation of the cone index is limited to those using cone penetrometers with these specifications.
コーン指数は、移動可能な建設機械の走破性の高さを示す指標として利用できる。一般的に、図2に示すような無限軌道103を備えた建設機械は、コーン指数が200以上の地面を走行できるよう製造されている。従って、係る建設機械の移動経路を決定する際、移動経路の候補となる地面のコーン指数を予め測定したいという需要がある。
The cone index can be used as an indicator of the drivability of a mobile construction machine. Generally, construction machines equipped with
一方、コーンペネトロメータを用いて地面のコーン指数を求めようとする作業を行う場合、当該地面にコーンペネトロメータの使用者が赴く必要がある。このため、例えば災害等で進入に危険を伴う地域内では当該使用者がコーンペネトロメータを持ち込むことが困難になることで、コーン指数の算出が困難になる。また、コーンペネトロメータを用いて求められた地面のコーン指数は、コーンが貫入した位置における点的なコーン指数である。このため、より広い範囲の地面のコーン指数を求めようとすると、複数個所でコーンを貫入させる作業が必要になる。 On the other hand, when using a cone penetrometer to find the cone index of ground, the user of the cone penetrometer must go to the ground in question. For this reason, in areas where it is dangerous to enter due to a disaster, for example, it may be difficult for the user to bring the cone penetrometer into the area, making it difficult to calculate the cone index. In addition, the cone index of ground found using a cone penetrometer is a point-wise cone index at the position where the cone penetrates. For this reason, if one tries to find the cone index of a wider area of ground, it is necessary to penetrate the cone in multiple places.
そこで、実施形態では、上述のように、マルチスペクトル画像に基づいて推定された土の種類と当該土の含水比とに基づいたコーン指数の推定を行う。これによって、コーンペネトロメータを持ち込むことが困難な地域内でもコーン指数の推定を行える。また、マルチスペクトル画像によって面的に地面GRを撮像範囲SUB内に収めることで、撮像範囲SUBに含まれる地面GR全体の面的なコーン指数の推定を行える。実施形態のマルチスペクトルカメラ10は、地面GRを撮像対象としてマルチスペクトル画像の撮像を行う。情報処理装置20は、マルチスペクトルカメラ10が撮像したマルチスペクトル画像に基づいたコーン指数の推定に係る各種の処理を行う。
In the embodiment, as described above, the cone index is estimated based on the type of soil estimated based on the multispectral image and the water content of the soil. This makes it possible to estimate the cone index even in areas where it is difficult to bring in a cone penetrometer. In addition, by fitting the ground surface GR within the imaging range SUB using the multispectral image, the cone index can be estimated for the entire ground surface GR included in the imaging range SUB. The
具体的には、マルチスペクトル画像は、撮像された土の分光反射率スペクトルを反映する。分光反射率スペクトルとは、物質に入射してくる光のエネルギーに対して、その物質が反射した光のエネルギーの割合を波長ごとに並べたものである。 Specifically, a multispectral image reflects the spectral reflectance spectrum of the captured soil. A spectral reflectance spectrum is the ratio of the energy of light reflected by a material to the energy of light incident on that material, arranged by wavelength.
分光反射率スペクトルを示すは、以下の式(1)のように表せる。式(1)において、ρ(λ)は物質の分光反射率を示す。また、Ls(λ)は物質が反射する光の強さを示す。また、Li(λ)は物質に入射する光の強さをそれぞれ示す。また、λは波長を示す。 The spectral reflectance spectrum can be expressed as the following formula (1). In formula (1), ρ(λ) represents the spectral reflectance of a material. Furthermore, L s (λ) represents the intensity of light reflected by the material. Furthermore, L i (λ) represents the intensity of light incident on the material. Furthermore, λ represents the wavelength.
物質は、その分子や原子の構造、または物質を構成する微粒子の大きさや形、表面の凹凸によって、光の波長ごとの反射、散乱、吸収及び放射の度合いが異なる。光の波長ごとの反射、散乱、吸収及び放射の度合いが異なるということは、分光反射率スペクトルが異なるということである。 The degree of reflection, scattering, absorption, and emission of each wavelength of light varies depending on the molecular and atomic structure of the material, or the size and shape of the particles that make up the material, and the unevenness of its surface. The different degrees of reflection, scattering, absorption, and emission of each wavelength of light means that the spectral reflectance spectrum is different.
分光反射率スペクトルに影響を与える土質パラメータとして、土の粒子の鉱物組成、土の有機物含有量、土の粒度分布、土を構成する粒子の球形率、土の含水比等が挙げられる。このうち、土の粒子の鉱物組成と、土の有機物含有量と、土の粒度分布と、土を構成する粒子の球形率との組み合わせは、係る土の種類毎に特有の土質パラメータは、土の種類毎の粒子の材質や直径の分布、形、表面の粗さ等に反映され、土の種類毎に特有の土質パラメータとして機能する。マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土の種類に応じた当該組み合わせによって、分光反射率スペクトルに与えられる影響が異なる。より具体的には、図3において「マルチスペクトル画像」として図示したイメージでz軸方向に積層された各撮像面は、それぞれ異なる光のスペクトルの分光反射率を反映する。ここで、各撮像面がz軸方向に沿ってスペクトル順に並んでいる「マルチスペクトル画像」は、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土の分光反射率スペクトルを反映する。従って、マルチスペクトル画像に基づいて、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土の種類を推定できる。
Soil parameters that affect the spectral reflectance spectrum include the mineral composition of soil particles, the organic matter content of soil, the particle size distribution of soil, the sphericity of the particles that make up the soil, and the water content of soil. Among these, the combination of the mineral composition of soil particles, the organic matter content of soil, the particle size distribution of soil, and the sphericity of the particles that make up the soil is reflected in the material, diameter distribution, shape, surface roughness, etc. of the particles of each type of soil, and functions as a soil parameter that is specific to each type of soil. The effect on the spectral reflectance spectrum differs depending on the combination according to the type of soil covering the ground GR captured by the
また、土質パラメータのうち、土の含水比は、土の種類から独立した土質パラメータとして機能する。詳細は後述するが、同種の土であっても土の含水比が異なる場合、分光反射率スペクトルは異なるものになる。このように、土の含水比は、分光反射率スペクトルに影響を与える。すなわち、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土の含水比によって、マルチスペクトル画像から得られる分光反射率スペクトルに与えられる影響が異なる。従って、マルチスペクトル画像に基づいて、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土の含水比を推定できる。これは、地面GRに対して非接触で当該地面GRを覆う土の種類と当該土の含水比を推定できることを示す。土の種類と当該土の含水比とは、当該土で構成された地面GRのコーン指数に大きな影響を与える。従って、地面GRを覆う土の種類と当該土の含水比とを推定することで、コーン指数を推定できる。
Among the soil parameters, the moisture content of the soil functions as a soil parameter independent of the type of soil. As will be described in detail later, even if the soil is of the same type, if the moisture content of the soil is different, the spectral reflectance spectrum will be different. In this way, the moisture content of the soil affects the spectral reflectance spectrum. That is, the moisture content of the soil covering the ground GR captured by the
撮像画像のスペクトルとされる光の波長帯は、土の含水比の影響を受けない又は相対的により受けにくい波長と、含水比の影響が相対的により受けやすい波長とを含む。土の種類の推定に用いるマルチスペクトル画像の撮像においては、土の含水比の影響を受けない又は相対的により受けにくい波長が撮像画像のスペクトルとされる。また、土の含水比の影響を受けない又は相対的により受けにくい波長と含水比の影響が相対的により受けやすい波長との両方が撮像画像のスペクトルとされる。 The wavelength band of light that is the spectrum of the captured image includes wavelengths that are not affected or are relatively less affected by the moisture content of the soil, and wavelengths that are relatively more affected by the moisture content. When capturing a multispectral image used to estimate the type of soil, the wavelengths that are not affected or are relatively less affected by the moisture content of the soil are considered to be the spectrum of the captured image. In addition, both the wavelengths that are not affected or are relatively less affected by the moisture content of the soil and the wavelengths that are relatively more affected by the moisture content are considered to be the spectrum of the captured image.
なお、一般的に、土は地下方向に深い位置にあるものほど、より地面側に位置する上側の土の質量からの圧力を受けることでより固くなる傾向がある。言い換えれば、露出する地面は、土の積層構造において最も軟らかい部分であることが多い。また、同じ場所ならば、地面に露出する土もより地下方向に深い位置にある土も同じ種類の土であることが多い。また、コーン指数は、軟らかい土ほど低くなる傾向がある。これらの事情から、地面を覆う土から推定されたコーン指数が当該土で覆われた地盤のコーン指数を超えることはほとんどない。従って、マルチスペクトルカメラ10によって撮像された地面GRを覆う土のコーン指数を推定できれば、当該土で覆われた地盤の走破性を推定するための十分な情報を得られる。なぜなら、地面GRで露出する一番軟らかい土のコーン指数が建設機械の重量に耐えられるならば、より地下方向に深い部分にある固い土のコーン指数も当然建設機械の重量に耐えられることになるからである。すなわち、地面GRで露出する一番軟らかい土のコーン指数に基づいた当該建設機械の走破性の判定を行えば、当該地面GRの走破性の判定として十分であると考えられる。
In general, the deeper the soil is underground, the harder it tends to be due to pressure from the mass of the upper soil located closer to the ground. In other words, the exposed ground is often the softest part in the soil layer structure. In addition, in the same place, the soil exposed on the ground and the soil located deeper underground are often the same type of soil. In addition, the softer the soil, the lower the cone index tends to be. Due to these circumstances, the cone index estimated from the soil covering the ground rarely exceeds the cone index of the ground covered by the soil. Therefore, if the cone index of the soil covering the ground GR imaged by the
情報処理装置20は、マルチスペクトル画像に基づいた土の種類の推定、土の含水比の推定及びコーン指数の推定に係る処理を行う。図1に示すように、情報処理装置20は、演算部21と、記憶部22と、インタフェース23と、入力部24と、出力部25とを備える。
The
演算部21は、例えばCPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)のような演算装置を備える。演算部21は、記憶部22に記憶されているソフトウェア・プログラム及びデータ等を読み出して実行処理する。以下、単にプログラムと記載した場合、演算部21に読み出されるソフトウェア・プログラム及び当該ソフトウェア・プログラムの実行処理に際して参照されるデータ等をさす。
The
記憶部22は、プログラムを記憶する二次記憶装置を含む。具体的には、記憶部22は、図1に示すように、土種類推定プログラム221、含水比推定プログラム222及びコーン指数推定プログラム223を記憶する。係る二次記憶装置の具体的な構成例として、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリーその他の不揮発性記憶装置が挙げられる。実施形態の記憶部22は、これらのうち1つ以上を備える。また、記憶部22は、演算部21が行うプログラムの実行処理に際して記憶領域として利用されるRAM(Random access memory)として機能する一次記憶装置を含む。係る一時記憶装置の具体的な構成例として、DRAM(Dynamic Random Access Memory)として機能する半導体メモリ等が挙げられる。
The
インタフェース23は、情報処理装置20とマルチスペクトルカメラ10とを接続する。具体的には、インタフェース23は、マルチスペクトルカメラ10の出力形態に対応したインタフェースである。例えば、第1撮像装置11及び第2撮像装置12のうち少なくとも一方の入出力インタフェースがUSB(Universal Serial Bus)である場合、インタフェース23は、USBケーブルの端子を接続可能なUSBインタフェースを含む。また、第1撮像装置11及び第2撮像装置12のうち少なくとも一方が通信を介したデータ出力を行う場合、インタフェース23は、当該通信の規格に対応したネットワークインタフェースを含む。当該通信の経路は、有線によるものであってもよいし、無線によるものであってもよいし、有線と無線とが混在するものであってもよい。また、通信経路の一部又は全部がインターネット等の公共通信回線を利用するものであってもよいし、通信経路の一部又は全部が実施形態専用に設けられたものであってもよい。これら例示したインタフェースの具体的形態はマルチスペクトルカメラ10と情報処理装置20との接続形態を限定するものでなく、マルチスペクトルカメラ10が撮像して生成した撮像画像を情報処理装置20に伝送可能な形態であればよい。
The
なお、情報処理装置20は、バックホウ100に搭載されていてもよいし、バックホウ100の外部に設けられて有線又は無線を介してバックホウ100に設けられたマルチスペクトルカメラ10と接続されるようにしてもよい。
The
入力部24は、例えばタッチパネル、キーボード、マウス、複数のスイッチ等、情報処理装置20に対する入力を受け付けるための入力装置を含む。出力部25は、例えばディスプレイ、プリンタ等、情報処理装置20の処理結果に対応した出力を行うための構成を含む。
The
図4は、推定システム1の機能ブロック図である。図4に示すように、情報処理装置20は、取得部31、土種類推定部32、含水比推定部33、コーン指数推定部34及び出力部35として機能する。実施形態の情報処理装置20は、図1を参照して説明した各構成を備え、図4を参照して説明する各種の機能を奏する情報処理装置であるが、これに限られるものでない。情報処理装置20は、図4を参照して説明する各種の機能を奏する専用の装置であってもよい。
Figure 4 is a functional block diagram of the
取得部31は、マルチスペクトル画像を取得する。具体的には、取得部31は、マルチスペクトルカメラ10から出力され、インタフェース23を介して情報処理装置20に入力されたマルチスペクトル画像を取得部31が取得することで実現される。
The
土種類推定部32は、マルチスペクトルカメラ10で撮像された地面GRを覆う土の種類を推定する。具体的には、土種類推定部32は、演算部21が土種類推定プログラム221を実行処理することで実現する。含水比推定部33は、マルチスペクトルカメラ10で撮像された地面GRを覆う土の含水比を推定する。具体的には、含水比推定部33は、演算部21が含水比推定プログラム222を実行処理することで実現する。コーン指数推定部34は、マルチスペクトルカメラ10で撮像された地面GRのコーン指数を推定する。具体的には、コーン指数推定部34は、演算部21がコーン指数推定プログラム223を実行処理することで実現する。土種類推定部32、含水比推定部33、コーン指数推定部34の各々の機能の詳細については後述する。
The soil
出力部35は、コーン指数推定部34が推定したコーン指数を示す出力を行う。具体的には、出力部35は、出力部25が備えるディスプレイによる表示出力、プリンタによる画像形成出力、スピーカによる音、音声の少なくともいずれか1つ以上によって当該コーン指数を示す出力を行う。
The
以下、土種類推定部32による土の種類の推定と、含水比推定部33による土の含水比の推定と、コーン指数推定部34によるコーン指数の推定の各々の詳細について順次説明する。
The following describes in detail the estimation of soil type by the soil
(土の種類の推定)
マルチスペクトル画像に基づいた土の種類の推定では、土の種類に応じてそれぞれ別の分光反射率スペクトルを持つことを利用する。土の種類の推定の際には、水分子が吸収しない波長における分光反射率スペクトルの詳細な形状が必要になる。従って、土の種類の推定のために指定される撮像画像のスペクトルの数(第1指定数)をより多くすることで、土の種類の推定精度をより高められる。実施形態では、当該第1指定数は、含水比の推定のために指定される撮像画像のスペクトルの数(第2指定数)に比して大きい。なお、撮像画像のスペクトルが実施形態における第1指定数のように非常に多いマルチスペクトル画像のことを、マルチスペクトル画像の中でも特にハイパースペクトル画像ということがある。
(Estimation of soil type)
In estimating the type of soil based on a multispectral image, it is utilized that each type of soil has a different spectral reflectance spectrum. When estimating the type of soil, a detailed shape of the spectral reflectance spectrum at a wavelength that is not absorbed by water molecules is required. Therefore, by increasing the number of spectra of the captured image specified for estimating the type of soil (first designated number), the estimation accuracy of the type of soil can be improved. In the embodiment, the first designated number is larger than the number of spectra of the captured image specified for estimating the water content (second designated number). Note that a multispectral image in which the spectra of the captured image are very large, such as the first designated number in the embodiment, is sometimes referred to as a hyperspectral image, especially among multispectral images.
図5は、10種類の土の各々の可視光画像の例を示す図である。図6は、図5に示す10種類のうち3種類の土の各々の500[nm]から900[nm]までの波長帯における分光反射率スペクトルを示すグラフである。図6のグラフにおいて、縦軸は分光反射率を示し、横軸は波長を示す。図6における線L1は、種類Aの分光反射率スペクトルを示す。図6における線L2は、種類Bの分光反射率スペクトルを示す。図6における線L3は、種類Cの分光反射率スペクトルを示す。 Figure 5 is a diagram showing example visible light images of each of the ten types of soil. Figure 6 is a graph showing the spectral reflectance spectra in the wavelength band from 500 nm to 900 nm for three of the ten types of soil shown in Figure 5. In the graph of Figure 6, the vertical axis represents the spectral reflectance, and the horizontal axis represents the wavelength. Line L1 in Figure 6 shows the spectral reflectance spectrum of type A. Line L2 in Figure 6 shows the spectral reflectance spectrum of type B. Line L3 in Figure 6 shows the spectral reflectance spectrum of type C.
図5では、日本国内のそれぞれ異なる場所で採取された10種類の土を例示している。当該10種類の土のうち5種類は、土を構成する土粒子のうち半分以上の直径が0.075[mm]以上75[mm]未満の粗粒土である。また、他の5種類は、土を構成する土粒子のうち半分以上の直径が0.075[mm]未満の細粒土である。また、他の5種類の細粒土は、さらにその土の起源によって、粘性土と火山灰質粘性土に分けられる。具体的には、図5に示す種類A、種類D及び種類Gは、粘性土である。また、図5に示す種類B及び種類Fは、火山灰質粘性土である。また、図5に示す種類C、種類E、種類H、種類I及び種類Jは、粗粒土である。 Figure 5 shows ten types of soil collected at different locations in Japan. Five of the ten types of soil are coarse-grained soils in which more than half of the soil particles have a diameter of 0.075 mm or more and less than 75 mm. The other five types are fine-grained soils in which more than half of the soil particles have a diameter of less than 0.075 mm. The other five types of fine-grained soils are further divided into clay soils and volcanic ash clay soils based on the origin of the soil. Specifically, types A, D, and G shown in Figure 5 are clay soils. Types B and F shown in Figure 5 are volcanic ash clay soils. Types C, E, H, I, and J shown in Figure 5 are coarse-grained soils.
図6に示すように、線L3(種類C)は、500[nm]から900[nm]までの波長帯の全般に渡って、分光反射率スペクトルが線L1(種類A)及び線L2(種類B)とは異なる。従って、撮像画像のスペクトルを500[nm]から900[nm]までの波長帯の範囲内で指定すれば、マルチスペクトル画像に基づいて種類Cを種類A及び種類Bと判別できる。 As shown in FIG. 6, the spectral reflectance spectrum of line L3 (type C) is different from that of line L1 (type A) and line L2 (type B) over the entire wavelength range from 500 nm to 900 nm. Therefore, if the spectrum of the captured image is specified within the wavelength range from 500 nm to 900 nm, type C can be distinguished from types A and B based on the multispectral image.
これに対し、種類Aの分光反射率スペクトルと種類Bの分光反射率スペクトルとを比較した場合、600[nm]から700[nm]までの波長帯では差がほとんどない。一方、500[nm]の波長では、種類Aの分光反射率の方が種類Bの分光反射率よりも高い。また、700[nm]を超えた波長帯でも、種類Aの分光反射率が種類Bの分光反射率よりも高い。このように、500[nm]の波長や700[nm]を超えた波長帯が撮像画像のスペクトルとして指定されていれば、マルチスペクトル画像に基づいて種類Aと種類Bとを判別できる。 In contrast, when comparing the spectral reflectance spectrum of type A with that of type B, there is almost no difference in the wavelength band from 600 nm to 700 nm. On the other hand, at a wavelength of 500 nm, the spectral reflectance of type A is higher than that of type B. Also, in wavelength bands exceeding 700 nm, the spectral reflectance of type A is higher than that of type B. In this way, if a wavelength of 500 nm or a wavelength band exceeding 700 nm is specified as the spectrum of the captured image, type A and type B can be distinguished based on the multispectral image.
なお、粗粒土、粘性土又は火山灰質粘性土のいずれかであるかという観点で同種のものに分類されるとしても、図5で例示した10種類の土の各々は、第1撮像装置11で指定可能な撮像画像のスペクトルの範囲内においてそれぞれ異なる分光反射率スペクトルを示す。
Even if the soils are classified as the same type in terms of whether they are coarse-grained soil, clay soil, or volcanic ash clay soil, each of the 10 types of soils illustrated in FIG. 5 exhibits a different spectral reflectance spectrum within the spectral range of the captured image that can be specified by the
図6を参照して説明したように、指定された撮像画像のスペクトルが仮に600[nm]から700[nm]までの波長帯に限定されていた場合、種類Aと種類Bとの判別の難易度が高くなる。このような土の種類と分光反射率スペクトルとの関係を考慮し、指定される撮像画像のスペクトルの数と撮像画像のスペクトルが含む波長帯とはより大きいことが望ましい。 As described with reference to FIG. 6, if the spectrum of the specified captured image were limited to the wavelength band from 600 nm to 700 nm, it would be more difficult to distinguish between types A and B. Considering the relationship between the type of soil and the spectral reflectance spectrum, it is desirable for the number of spectra of the specified captured image and the wavelength bands included in the spectrum of the captured image to be large.
図7は、指定された撮像画像のスペクトルの数と土の種類の判別精度との関係の一例を示すグラフである。以下、「指定数」と記載した場合、特筆しない限り、撮像画像のスペクトルとして指定された光の波長又は光の波長体の種類の数をさす。図7では、指定数が3である場合と、指定数が6である場合と、指定数が151である場合の各々の土の種類の判別精度の高さを例示している。図7に示すように、指定数が151である場合、指定数が3である場合及び指定数が6である場合に比して、土の種類の判別をより高精度に行える。また、指定数が6である場合、指定数が3である場合に比して、土の種類の判別をより高精度に行える。このように、指定数がより大きいほど、土の種類の判別精度をより高めやすい。したがって、指定数が大きいほど好ましく、限定はされない。 Figure 7 is a graph showing an example of the relationship between the number of spectra of the specified captured image and the accuracy of soil type discrimination. Hereinafter, unless otherwise specified, "designated number" refers to the number of wavelengths of light or types of wavelength bodies of light specified as the spectrum of the captured image. Figure 7 illustrates the high accuracy of soil type discrimination when the designated number is 3, when the designated number is 6, and when the designated number is 151. As shown in Figure 7, when the designated number is 151, the soil type can be discriminated with higher accuracy than when the designated number is 3 and when the designated number is 6. Also, when the designated number is 6, the soil type can be discriminated with higher accuracy than when the designated number is 3. Thus, the larger the designated number, the easier it is to increase the accuracy of soil type discrimination. Therefore, a larger designated number is preferable, and is not limited.
実施形態の第1撮像装置11は、上述のように、350[nm]から1100[mm]までの範囲内で5[nm]刻みで撮像画像のスペクトルを指定可能に設けられたマルチスペクトルカメラ10である。すなわち、第1撮像装置11は、350[nm],355[nm],360[nm],…,1100[nm]のように、5[nm]刻みで撮像画像のスペクトルを指定することで、最大151種類の光の波長に対する撮像画像を取得可能である。実施形態では、このように広範囲のスペクトル毎の撮像画像を取得することで、土の種類の判別精度を確保している。
As described above, the
第1撮像装置11は、上述のように、151種類の光の波長を撮像画像のスペクトルとして指定される。第1撮像装置11は、係る指定条件下で地面GR(図2参照)を撮像する。演算部21は、第1撮像装置11が撮像したマルチスペクトル画像を取得する。土種類推定部32は、当該マルチスペクトル画像に基づいて、第1撮像装置11が撮像した地面GRを覆う土の種類を推定する。具体的には、土種類推定部32は、ニューラルネットワークNNを利用して当該土の種類を推定する。
As described above, the
図8は、マルチスペクトル画像とニューラルネットワークNNの入出力との関係の一例を示す模式図である。土種類推定部32は、マルチスペクトル画像を、単位領域Cr単位で抽出し、単位領域Crが示す分光反射率スペクトルのベクトルに含まれる成分を個別にニューラルネットワークNNへの入力とする。ここで、単位領域Crにおいてz軸方向に並ぶ複数の撮像面の各々の階調値が示す分光反射率をz軸方向の一端側(長波長側)から他端側(短波長側)に並べた行ベクトルは、単位領域Crが示す分光反射率スペクトルのベクトルとして機能する。すなわち、より具体的には、土種類推定部32は、各単位領域Crにおける複数の撮像面の各々の階調値を要素とするベクトルを各単位領域Crが示す分光反射率スペクトルのベクトルとして導出し、導出されたベクトルをニューラルネットワークNNへの入力とする。
Figure 8 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the multispectral image and the input and output of the neural network NN. The soil
実施形態における分光反射率スペクトルのベクトルは、第1撮像装置11が撮像するマルチスペクトル画像において撮像画像のスペクトルとして指定されたスペクトルの数の成分を持つベクトルとなる。各成分が、マルチスペクトル画像の各撮像面における単位領域Crの位置の階調値で表される。なお、成分は、0以上1以下の値となるよう変換される。具体的には、各撮像面で階調値がhビットのデータとして扱われる場合、当該hビットのデータの最低値を0とし、最高値を1として扱う。一例として、h=16である場合、階調値が0である場合に成分が0になり、階調値が65535である場合に成分が1になる。
In the embodiment, the vector of the spectral reflectance spectrum is a vector having components equal to the number of spectra specified as the spectrum of the captured image in the multispectral image captured by the
単位領域Crとは、予め定められた1画素以上を含む画素領域である。実施形態では、単位領域Crは、1画素である。なお、単位領域Crは、x軸方向に1画素分の領域であって、かつ、y軸方向に撮像面の一端側から他端側までに渡る画素列領域であってもよい。また、単位領域Crは、y軸方向に1画素分の領域であって、かつ、x軸方向に撮像面の一端側から他端側までに渡る画素行領域であってもよい。また、単位領域Crは、撮像面をx軸方向及びy軸方向に複数に分割した領域の各々であってもよい。 The unit region Cr is a pixel region including one or more predetermined pixels. In the embodiment, the unit region Cr is one pixel. The unit region Cr may be a region of one pixel in the x-axis direction and a pixel column region extending from one end of the imaging surface in the y-axis direction. The unit region Cr may be a region of one pixel in the y-axis direction and a pixel row region extending from one end of the imaging surface in the x-axis direction. The unit region Cr may be each of a plurality of regions obtained by dividing the imaging surface in the x-axis and y-axis directions.
なお、実施形態の第1撮像装置11は、撮像範囲SUBを走査するように撮像するマルチスペクトルカメラ10である。具体的には、実施形態の第1撮像装置11は、マルチスペクトル画像を構成する単位領域Cr毎に入射光を分光させて得た分光反射率スペクトルを記録し、それを終えると、次の単位領域Crの入射光を分光して分光反射率スペクトルの記録を開始する処理を最初の単位領域Crから最後の単位領域Crまで順次行う。このため、実施形態の第1撮像装置11は単位領域Cr毎に、撮像時にその単位領域Cr内に映し出された物質の分光反射率スペクトルが記録されている。従って、土種類推定部32が行う処理において第1撮像装置11が撮像するマルチスペクトル画像から分光反射率スペクトルを取得するには、単位領域Crごとに取得する。
The
ニューラルネットワークNNは、入力層と、出力層と、中間層とを含む。入力層、出力層及び中間層は、それぞれ複数のノードを有する。実施形態のニューラルネットワークNNは、土種類推定部32によって導出された分光反射率スペクトルを示すベクトルを入力層とする。すなわち、ニューラルネットワークNNの入力層のノードの数は、第1撮像装置11によるマルチスペクトル画像の撮像において指定される「撮像画像のスペクトル」の数に対応する。図8の「ニューラルネットワーク」欄で示す単位領域Crを構成する矩形の列の各々は、分光反射率スペクトルを示すベクトルに含まれる複数の成分の各々である。
The neural network NN includes an input layer, an output layer, and an intermediate layer. The input layer, output layer, and intermediate layer each have a plurality of nodes. In the embodiment, the neural network NN has an input layer that is a vector indicating the spectral reflectance spectrum derived by the soil
また、ニューラルネットワークNNは、マルチスペクトル画像として撮像された地面GRの土が、予め定められたi種類の土のうちいずれの種類の土に該当するかを推定するためのニューラルネットワークである。従って、ニューラルネットワークNNの出力層(j class)のノードの数(j)は、ニューラルネットワークを利用した推定において区別可能な土の種類の数に対応する。 The neural network NN is a neural network for estimating which of the i predetermined types of soil the soil of the ground GR captured as a multispectral image corresponds to. Therefore, the number of nodes (j) in the output layer (j class) of the neural network NN corresponds to the number of types of soil that can be distinguished in estimation using the neural network.
ニューラルネットワークNNの中間層のノード数は、当該ニューラルネットワークNNの入力層のノード数より少ないことが好ましい。より好ましくは、当該中間層のノード数は、当該入力層のノード数の半分以下であることが好ましい。なお、実施形態では、ニューラルネットワークNNの中間層のノードの数(i)を入力層のノードの約半分の数としているが、これは一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。より具体的には、実施形態では、ニューラルネットワークNNの入力層のノードの数(単位領域Cr)が151であり、中間層のノードの数(i)が65であり、出力層のノードの数(j)が10(図5参照)である。 The number of nodes in the intermediate layer of the neural network NN is preferably smaller than the number of nodes in the input layer of the neural network NN. More preferably, the number of nodes in the intermediate layer is less than half the number of nodes in the input layer. In the embodiment, the number of nodes (i) in the intermediate layer of the neural network NN is approximately half the number of nodes in the input layer, but this is an example and is not limited to this, and can be changed as appropriate. More specifically, in the embodiment, the number of nodes (unit area Cr) in the input layer of the neural network NN is 151, the number of nodes (i) in the intermediate layer is 65, and the number of nodes (j) in the output layer is 10 (see FIG. 5).
中間層のノードは、入力層のノードと出力層のノードとの間に介在する。中間層のノードの各々には、全ての入力層のノードから入力が行われる。すなわち、中間層のノードの各々には、1つの単位領域Crにおける分光反射率スペクトルのベクトルが入力される。また、中間層のノードの各々には、全ての出力層のノードが接続される。中間層のノードの各々は、重み付けの結果を示す値を各出力層のノードへ出力する。 The intermediate layer nodes are located between the input layer nodes and the output layer nodes. Each intermediate layer node receives input from all input layer nodes. That is, a vector of the spectral reflectance spectrum in one unit region Cr is input to each intermediate layer node. In addition, all output layer nodes are connected to each intermediate layer node. Each intermediate layer node outputs a value indicating the weighting result to each output layer node.
より具体的な例を挙げると、中間層のノードは、例えば、分光反射率スペクトルのベクトルが種類Aの土のものである可能性が高い場合に、種類Aの土であるという推定結果に対応する出力層のノードにより高い重み付け値を出力するノードを含む。また、中間層のノードは、例えば、分光反射率スペクトルのベクトルが種類Bの土のものである可能性が高い場合に、種類Bの土であるという推定結果に対応する出力層のノードにより高い重み付け値を出力するノードを含む。このようなノードが、土の種類毎に設けられる。また、単純な土の種類A、種類B、…、に限られず、土の種類毎の粒子の材質や直径の分布、形、表面の粗さ等の土質パラメータに基づいた重み付けで土の種類の推定結果の確からしさをより高めるノードがさらに設けられていてもよい。また、粗粒土と、細粒土と、細粒土のうち粘性土と、細粒土のうち火山灰質粘性土と、を区別するようなより粗い区別によって土の種類の推定結果の確からしさをより高めるノードがさらに設けられていてもよい。これらは中間層のノードの一例であってこれに限られるものでなく、実施形態では、土の種類の推定結果の確からしさをより高めるために利用可能な重み付け処理に対応したノードを中間層のノードとして設定できる。 To give a more specific example, the intermediate layer nodes include a node that outputs a high weighting value to the node of the output layer corresponding to the estimation result that the soil is type A when the vector of the spectral reflectance spectrum is highly likely to be that of soil type A. The intermediate layer nodes also include a node that outputs a high weighting value to the node of the output layer corresponding to the estimation result that the soil is type B when the vector of the spectral reflectance spectrum is highly likely to be that of soil type B. Such nodes are provided for each type of soil. In addition, nodes that are not limited to simple types of soil A, B, ..., and that increase the accuracy of the estimation result of the soil type by weighting based on soil parameters such as the material and diameter distribution, shape, and surface roughness of the particles of each type of soil may be further provided. In addition, nodes that increase the accuracy of the estimation result of the soil type by a rougher distinction such as between coarse soil, fine soil, clayey soil among fine soil, and volcanic ash clayey soil among fine soil may be further provided. These are examples of intermediate layer nodes and are not limited to these. In an embodiment, nodes corresponding to weighting processes that can be used to further increase the accuracy of the soil type estimation results can be set as intermediate layer nodes.
このように、区別可能な土の種類に対応した出力層のノードの各々に対して、中間層のノードの各々によって行われた重み付け処理の結果を示す値が出力される。第1撮像装置11による1回の撮像に対して、理想的にはマルチスペクトル画像に含まれる単位領域Crの数だけ入力層に対する入力が繰り返され、各入力に対する重み付け処理が中間層によって行われ、出力層には土の種類の推定結果の確からしさを示す値が与えられる。ここで、例えば出力層の各ノードのうち、推定結果が種類Aであることを示すノードの値が他の出力層のノードの値よりも高い場合、土種類推定部32は、第1撮像装置11によって撮像された地面GRを覆う土の種類が種類Aであると推定する。また、出力層の各ノードのうち、推定結果が種類Bであることを示すノードの値が他の出力層のノードの値よりも高い場合、土種類推定部32は、第1撮像装置11によって撮像された地面GRを覆う土の種類が種類Bであると推定する。このように、実施形態の土種類推定部32は、ニューラルネットワークNNを利用して土の種類を推定する。
In this way, a value indicating the result of the weighting process performed by each of the intermediate layer nodes is output for each of the nodes of the output layer corresponding to the distinguishable types of soil. For one imaging by the
なお、理想的には、と記載したのは、実際には単位領域Crの一部又は全部から取得される分光反射率スペクトルのベクトルが土の種類の推定に適さないベクトルになる可能性があるためである。実施形態では、土種類推定部32は、係る土の種類の推定に適さないベクトルをニューラルネットワークNNに対する入力から除外し、土の種類の推定に適したベクトルをニューラルネットワークNNへ入力する前処理(第1前処理)を行う。係る第1前処理の詳細については後述する。実施形態では、土種類推定部32は、1回の撮像で得られたマルチスペクトル画像から土の種類の推定に適したベクトルが所定数以上得られた場合、当該マルチスペクトル画像に基づいた土の種類の推定を行う。当該所定数は例えば100であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。
The reason why "ideally" is stated is that in reality, the vector of the spectral reflectance spectrum acquired from a part or all of the unit region Cr may be a vector that is not suitable for estimating the soil type. In the embodiment, the soil
土種類推定プログラム221は、演算部21が土種類推定プログラム221を実行処理することでニューラルネットワークNNとして機能するためのプログラム等である。また、土種類推定プログラム221は、図6を参照して説明したような、土の種類毎に固有の分光反射率スペクトルを示すデータを含む。当該データは、ニューラルネットワークNNの中間層のノードで行われる重み付け処理で参照される。この他、土種類推定プログラム221は、中間層の各ノードが重み付け処理のために参照するデータをさらに含む。
The soil
より具体的な形態について説明すると、実施形態では、ニューラルネットワークNNにおける中間層のノードの活性化関数としてReLU(Rectified Linear Unit)を使用する。また、ニューラルネットワークNNにおける出力層のノードの活性化関数としてソフトマックス関数(Softmax function)を使用する。また、ニューラルネットワークNNにおける中間層と出力層の間ではドロップアウトを行い、ドロップアウトする割合は0.2に設定する。また、ニューラルネットワークNNの最適化にはRMSpropを使用し、学習率は0.001に設定する。実施形態の土種類推定プログラム221は、例えばこれらの活性化関数、ドロップアウトの割合、最適化手法及び学習率を実現したニューラルネットワークNNとして機能するためのプログラム等である。これらの活性化関数、ドロップアウトの割合、最適化手法及び学習率はあくまで一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。
To explain a more specific form, in the embodiment, ReLU (Rectified Linear Unit) is used as the activation function of the intermediate layer nodes in the neural network NN. A softmax function is used as the activation function of the output layer nodes in the neural network NN. Dropout is performed between the intermediate layer and the output layer in the neural network NN, and the dropout rate is set to 0.2. RMSprop is used to optimize the neural network NN, and the learning rate is set to 0.001. The soil
図9は、土の種類の推定に係る検証実験環境の一例を示す模式図である。図9では、土が入れられた鉢状の容器CAを中心とし、当該容器CAの上部開口部から露出する土を照明する3つのハロゲンランプHLを配置した構成例を示している。図2で例示したような建設機械に設けられた第1撮像装置11によるマルチスペクトル画像の撮像時には屋外で太陽光を光源とするが、検証実験では、太陽光に似たスペクトルを持っているハロゲンランプHLを光源としてマルチスペクトル画像を撮像することにした。これにより、太陽光を光源とした場合と似た分光反射率スペクトルをマルチスペクトル画像から取得することができる。さらに、当該検証実験環境によれば、雨天や曇り空等、環境の条件の変化による光量の不足等の悪条件の発生を抑制でき、十分な光量が得られる環境下でマルチスペクトル画像の撮像を行える。
Figure 9 is a schematic diagram showing an example of a verification experiment environment for estimating soil types. Figure 9 shows an example of a configuration in which three halogen lamps HL are arranged around a pot-shaped container CA containing soil, illuminating the soil exposed from the upper opening of the container CA. When capturing a multispectral image using the
図9で例示するような検証実験環境を利用することで、土の種類毎の分光反射率スペクトルを得られる。すなわち、容器CA内の土の種類をそれぞれ異ならせた条件下で第1撮像装置11による撮像を個別に行うことで、土の種類毎の分光反射率スペクトルを得られる。このようにして得られた土の種類毎の分光反射率スペクトルを示すデータは、ニューラルネットワークNNにおける中間層のノードが行う重み付け処理で参照されるデータとして利用可能である。実施形態では、係る検証実験環境で土の種類毎のマルチスペクトル画像を第1撮像装置11によって撮像し、バッチサイズを128とし、エポック数を12とし、ニューラルネットワークNNの学習を行っている。バッチサイズとは、データ全体(データセット)を複数の分割データ(サブセット)に分割し、ニューラルネットワークNNが処理を行う場合の分割データの大きさである。エポック数は、同じデータセットを利用したニューラルネットワークNNによる処理の繰り返し回数を示す。なお、実施形態において図9の検証実験環境で撮像された土は、含水比を0%とするよう統一されているが、これは必須条件でなく、土の種類毎に異なる条件での撮像とならないよう行われた対処に過ぎない。
By using the verification experiment environment as illustrated in FIG. 9, the spectral reflectance spectrum for each type of soil can be obtained. That is, the first
図10は、バッチサイズを128とし、エポック数を12としてニューラルネットワークNNの学習を行った場合の土の種類の推定精度を示す混同行列である。当該混同行列は、縦軸が第1撮像装置11によって撮像されたマルチスペクトル画像の各画素の分光反射率スペクトルが示す実際の土の種類を示し、横軸がその分光反射率スペクトルに基づいて土種類推定部32がニューラルネットワークNNを利用して土の種類を推定した結果を示す。縦軸及び横軸のアルファベット(A,B,…,J)は、図5を参照して説明した土の種類の符号に付されているアルファベットに対応する。第1撮像装置11によって実際の土の種類と、土種類推定部32によって推定された土の種類が一致した場合、混同行列の対角成分の部分の確率が高くなる。この混同行列における確率は、高くなるほど濃い色になる。図10では、混同行列における確率と色の濃さの対応関係を混同行列の右側のカラーバーで示している。
10 is a confusion matrix showing the accuracy of soil type estimation when the neural network NN is trained with a batch size of 128 and the number of epochs of 12. In the confusion matrix, the vertical axis shows the actual soil type indicated by the spectral reflectance spectrum of each pixel of the multispectral image captured by the
図10に示すように、第1撮像装置11によって撮像されたマルチスペクトル画像から得られた分光反射率スペクトルに基づいて図5を参照して例示した10種類の土全てにおいて高い確率で実際の土の種類を推定識別できている。土種類推定部32は、光源をハロゲンランプHLから太陽光に変更しても同様の推定精度で土の種類を推定可能である。
As shown in FIG. 10, the actual soil type can be estimated and identified with a high probability for all 10 types of soil exemplified with reference to FIG. 5 based on the spectral reflectance spectrum obtained from the multispectral image captured by the
(含水比の推定)
図11は、土の含水比の説明図である。含水比は,固体に含まれる水の量を示す。土の含水比は、水の重量を土の個体成分(土の粒子)の重量で除し、土に含まれる水分の割合[%]を示す土質パラメータである。土の含水比をw[%]とすると、wは、以下の式(2)で求められる。図11及び式(2)のmwは、土に含まれる水の質量を示す。また、図11及び式(2)のmsは、土の個体成分(土の粒子)の質量を示す。ここで、図11に示すように、mw+msが土の質量になる。
(Estimation of water content)
FIG. 11 is an explanatory diagram of the moisture content of soil. The moisture content indicates the amount of water contained in a solid. The moisture content of soil is a soil parameter that indicates the percentage [%] of moisture contained in soil by dividing the weight of water by the weight of the solid component of soil (soil particles). If the moisture content of soil is w [%], w can be calculated by the following formula (2). mw in FIG. 11 and formula (2) indicates the mass of water contained in soil. Also, ms in FIG. 11 and formula (2) indicates the mass of the solid component of soil (soil particles). Here, as shown in FIG. 11, mw + ms is the mass of soil.
w=mw/ms×100…(2) w=m w /m s ×100…(2)
なお、土は、個体成分と水分に加えて、土の粒子間の空気(ma)をさらに含む。係る空気(ma)は、土の質量に含まれず、含水比の算出に関わらない。 In addition to solid components and moisture, soil also contains air (m a ) between the soil particles. This air (m a ) is not included in the mass of the soil and is not involved in the calculation of the moisture content.
土の含水比は、当該土のコーン指数に大きく影響する土質パラメータである。含水比推定部33は、土の含水比を推定する。
The moisture content of soil is a soil parameter that significantly affects the cone index of the soil. The moisture
図12は、土の含水比と分光反射率スペクトルとの関係の一例を示す模式的なグラフである。図12では、縦軸が土による光の分光反射率を示し、横軸が光の波長を示す。図12で示す線L4、線L5、線L6は同じ土の種類の分光反射率スペクトルである。なお、図12に示す線L4は、相対的に土の含水比が低い場合の分光反射率スペクトルを示す。図12に示す線L6は、相対的に土の含水比が高い場合の分光反射率スペクトルを示す。図12に示す線L5は、土の含水比が、線L4が示す場合と線L6が示す場合の間の含水比である場合の分光反射率スペクトルを示す。 Figure 12 is a schematic graph showing an example of the relationship between the moisture content of soil and the spectral reflectance spectrum. In Figure 12, the vertical axis shows the spectral reflectance of light by the soil, and the horizontal axis shows the wavelength of the light. Lines L4, L5, and L6 shown in Figure 12 are spectral reflectance spectra of the same type of soil. Line L4 shown in Figure 12 shows the spectral reflectance spectrum when the moisture content of the soil is relatively low. Line L6 shown in Figure 12 shows the spectral reflectance spectrum when the moisture content of the soil is relatively high. Line L5 shown in Figure 12 shows the spectral reflectance spectrum when the moisture content of the soil is between the moisture content shown by line L4 and the moisture content shown by line L6.
土の含水比は、土の分光反射率スペクトルに影響を与える。従って、同種の土であっても土の含水比が異なる場合、分光反射率スペクトルは異なるものになる。具体的には、水分子は、水分子を構成する酸素原子と水素原子の間の振動収縮と変角運動によって光を吸収する。ここで、水分子は、一部のスペクトルの光を他のスペクトルに比してより顕著に吸収する。具体的には、水分子は、赤外光をより顕著に吸収することが知られている。 The moisture content of soil affects the spectral reflectance spectrum of the soil. Therefore, even if the soil is the same type, if the moisture content of the soil is different, the spectral reflectance spectrum will be different. Specifically, water molecules absorb light through the vibrational contraction and bending motion between the oxygen and hydrogen atoms that make up the water molecule. Here, water molecules absorb light in some spectrums more significantly than in other spectrums. Specifically, it is known that water molecules absorb infrared light more significantly.
土の含水比が高まると、土粒子の隙間に水が入り込む割合が高くなる。このように土粒子の隙間に水が入り込む割合が高まると、土と、土の上方の空気との間の屈折率の差が減少する。係る屈折率の差が減少するということは、空気中から土への入射光が反射せずに土の中に屈折して進入する割合が高まることである。従って、一般的に、土の含水比が高まる程、土が反射する光の分光反射率スペクトルは全体的に低くなる傾向を示す。この傾向に加えて、上述のように、水分子は、赤外光をより顕著に吸収する。従って、土が反射する光の分光反射率スペクトルは、土の含水比が高まる程、赤外線の波長帯の分光反射率が他の波長帯の分光反射率に比してより顕著に低くなる傾向を示す。 As the moisture content of soil increases, the rate at which water seeps into the gaps between soil particles increases. As the rate at which water seeps into the gaps between soil particles increases, the difference in refractive index between the soil and the air above the soil decreases. This decrease in the difference in refractive index means that the rate at which light incident on the soil from the air is not reflected but is refracted and enters the soil increases. Therefore, generally, the higher the moisture content of soil, the lower the spectral reflectance spectrum of light reflected by the soil tends to be overall. In addition to this tendency, as mentioned above, water molecules absorb infrared light more significantly. Therefore, the higher the moisture content of soil, the lower the spectral reflectance spectrum of light reflected by soil tends to be in the infrared wavelength band compared to the spectral reflectance of other wavelength bands.
図12では、可視光線に該当するスペクトルw1と、赤外光に該当するスペクトルw2とをピックアップし、スペクトルw1における分光反射率とスペクトルw2における分光反射率との差を示している。差d1は、線L4が示す分光反射率スペクトルにおける当該差を示す。差d2は、線L5が示す分光反射率スペクトルにおける当該差を示す。差d3は、線L6が示す分光反射率スペクトルにおける当該差を示す。 12, a spectrum w1 corresponding to visible light and a spectrum w2 corresponding to infrared light are picked up, and the difference between the spectral reflectance in spectrum w1 and the spectral reflectance in spectrum w2 is shown. The difference d1 shows the difference in the spectral reflectance spectrum shown by line L4. The difference d2 shows the difference in the spectral reflectance spectrum shown by line L5. The difference d3 shows the difference in the spectral reflectance spectrum shown by line L6.
線L4が示す分光反射率スペクトルでは、スペクトルw1における分光反射率SP1に比してスペクトルw2における分光反射率SP4が相対的に高い。このため、差d1は、正の値になる。これに対し、線L5が示す分光反射率スペクトルでは、スペクトルw1における分光反射率SP2に比してスペクトルw2における分光反射率SP5が相対的に低い。これは、線L5の場合が線L4の場合に比して土の含水比が相対的に高い場合であるため、スペクトルw2の光が土に含まれる水分子により顕著に吸収されたことによる。このため、差d2は、負の値になる。従って、差d2の値は、差d1の値よりも小さい。また、線L6が示す分光反射率スペクトルでは、スペクトルw1における分光反射率SP3に比してスペクトルw2における分光反射率SP6が相対的に低い。このため、差d3は、負の値になる。さらに、分光反射率SP3と分光反射率SP6との乖離の度合いは、分光反射率SP2と分光反射率SP5との乖離の度合いよりも大きい。これは、線L6の場合が線L5の場合に比して土の含水比が相対的に高い場合であるため、スペクトルw2の光が土に含まれる水分子により顕著に吸収されたことによる。従って、差d3の値は、差d2の値よりもさらに小さい。つまり、d1>d2>d3が成立する。このように、土の含水比が高まると、土に含まれる水が光をより顕著に吸収する赤外線の波長帯の分光反射率から他の波長帯(例えば、可視光線に該当する波長帯)の分光反射率を引いた差の値が減少することが分かる。含水比推定部33は、このような土の分光反射率スペクトルの傾向に基づいて、土の含水比を推定する。なお、実施形態の説明では、他の波長帯として可視光線に該当する波長帯(例えば、後述する570[nm]を含む波長帯)が採用されているが、他の波長帯は赤外線よりも短波長の光の波長帯であればよい。例えば、他の波長帯は、紫外線の波長帯であってもよい。
In the spectral reflectance spectrum indicated by line L4, the spectral reflectance SP4 in spectrum w2 is relatively higher than the spectral reflectance SP1 in spectrum w1. Therefore, the difference d1 is a positive value. In contrast, in the spectral reflectance spectrum indicated by line L5, the spectral reflectance SP5 in spectrum w2 is relatively lower than the spectral reflectance SP2 in spectrum w1. This is because the water content of the soil in the case of line L5 is relatively higher than that in the case of line L4, and the light in spectrum w2 is significantly absorbed by the water molecules contained in the soil. Therefore, the difference d2 is a negative value. Therefore, the value of the difference d2 is smaller than the value of the difference d1 . In addition, in the spectral reflectance spectrum indicated by line L6, the spectral reflectance SP6 in spectrum w2 is relatively lower than the spectral reflectance SP3 in spectrum w1. Therefore, the difference d3 is a negative value. Furthermore, the degree of deviation between the spectral reflectance SP3 and the spectral reflectance SP6 is greater than the degree of deviation between the spectral reflectance SP2 and the spectral reflectance SP5. This is because the water content of the soil in the case of line L6 is relatively higher than that in the case of line L5, and the light of spectrum w2 is significantly absorbed by the water molecules contained in the soil. Therefore, the value of the difference d3 is even smaller than the value of the difference d2 . In other words, d1 > d2 > d3 holds. In this way, it can be seen that when the water content of the soil increases, the value of the difference obtained by subtracting the spectral reflectance of another wavelength band (for example, a wavelength band corresponding to visible light) from the spectral reflectance of the infrared wavelength band in which the water contained in the soil absorbs light more significantly decreases. The water
図12では説明を分かりやすくする目的で、赤外線の波長帯IRに含まれるスペクトルw2をピックアップした説明を行っているが、土の含水比が赤外線の波長帯の光の吸収の度合いに与える影響をより高精度に求めるためには、より広い範囲で赤外線の波長帯の光を取得するスペクトル画像を用いる必要がある。単一の波長によって取得されたスペクトル画像を用いることが好ましいが、実施形態では、赤外線に該当する波長帯の光を撮像画像のスペクトルとして指定できるマルチスペクトルカメラ10を第2撮像装置12として採用し、同等の効果を得ている。実施形態では、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像において、赤外線に該当する900[nm]から1700[mm]までの波長帯を撮像画像のスペクトルとして指定する。また、実施形態では、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像において、赤外線に該当しない撮像画像のスペクトルとして570[nm]を指定する。これら例示した第2撮像装置12の撮像画像のスペクトルはあくまで一例であり、赤外線に該当するスペクトルの範囲及び赤外線に該当しない他のスペクトルをこの例に限定するものでない。なお、570[nm]の波長は、第2撮像装置12で取得できる波長範囲において、赤外線の波長帯(900[nm]から1700[mm])から十分離れており、さらに、土の含水比の高まりによって赤外線の波長帯の分光反射率と可視光の波長帯の分光反射率との差が単調減少するデータを他の可視光波長(490[nm]、570[nm]、671[nm]、800[nm])に比して最も多く取得できたため採用されている。
12, in order to make the explanation easier to understand, the spectrum w2 included in the infrared wavelength band IR is picked up and explained. However, in order to obtain the effect of the soil water content on the degree of absorption of light in the infrared wavelength band with higher accuracy, it is necessary to use a spectral image that captures light in the infrared wavelength band over a wider range. Although it is preferable to use a spectral image acquired by a single wavelength, in the embodiment, a
以下の説明で第1スペクトルと記載した場合、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像における赤外線に該当する撮像画像のスペクトルをさす。また、以下の説明で第2スペクトルと記載した場合、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像における赤外線に該当しない撮像画像のスペクトルをさす。また、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像から得られた第1スペクトルの分光反射率を第1分光反射率と記載する。また、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像から得られた第2スペクトルの分光反射率を第2分光反射率と記載する。
In the following description, when the term "first spectrum" is used, it refers to the spectrum of the captured image that corresponds to infrared light in the capture of a multispectral image by the
図13は、第1分光反射率と、第2分光反射率と、第1分光反射率と第2分光反射率との差と、土の含水比との関係の一例を示すグラフである。図13では、縦軸が含水比を示し、横軸が分光反射率を示す。図13に示すプロットSP11は、相対的に土の含水比が低い場合の第2分光反射率を示す。図13に示すプロットSP31は、相対的に土の含水比が高い場合の第2分光反射率を示す。図13に示すプロットSP21は、土の含水比が、プロットSP11が示す場合とプロットSP31が示す場合の間(相対的中間)の含水比である場合の第2分光反射率を示す。図13に示すプロットSP41は、相対的に土の含水比が低い場合の第1分光反射率を示す。図13に示すプロットSP61は、相対的に土の含水比が高い場合の第1分光反射率を示す。図13に示すプロットSP21は、土の含水比が、相対的中間の含水比である場合の第1分光反射率を示す。 Figure 13 is a graph showing an example of the relationship between the first spectral reflectance, the second spectral reflectance, the difference between the first and second spectral reflectances, and the moisture content of the soil. In Figure 13, the vertical axis indicates the moisture content, and the horizontal axis indicates the spectral reflectance. Plot SP11 shown in Figure 13 shows the second spectral reflectance when the moisture content of the soil is relatively low. Plot SP31 shown in Figure 13 shows the second spectral reflectance when the moisture content of the soil is relatively high. Plot SP21 shown in Figure 13 shows the second spectral reflectance when the moisture content of the soil is between the case shown by plot SP11 and the case shown by plot SP31 (relatively intermediate). Plot SP41 shown in Figure 13 shows the first spectral reflectance when the moisture content of the soil is relatively low. Plot SP61 shown in Figure 13 shows the first spectral reflectance when the moisture content of the soil is relatively high. Plot SP21 in FIG. 13 shows the first spectral reflectance when the soil moisture content is a relatively intermediate moisture content.
差d11は、プロットSP11とプロットSP41との差の値を示す。すなわち、差d11は、相対的に土の含水比が低い場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。差d21は、プロットSP21とプロットSP51との差の値を示す。すなわち、差d21は、土の含水比が、相対的中間の含水比である場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。差d31は、プロットSP31とプロットSP61との差の値を示す。すなわち、差d31は、土の含水比が、相対的に土の含水比が高い場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。 The difference d11 indicates the difference between the plot SP11 and the plot SP41. That is, the difference d11 indicates the difference between the first and second spectral reflectances when the soil moisture content is relatively low. The difference d21 indicates the difference between the plot SP21 and the plot SP51. That is, the difference d21 indicates the difference between the first and second spectral reflectances when the soil moisture content is a relatively intermediate moisture content. The difference d31 indicates the difference between the plot SP31 and the plot SP61. That is, the difference d31 indicates the difference between the first and second spectral reflectances when the soil moisture content is relatively high.
図14は、図13に示す第1分光反射率と第2分光反射率との差とを表すプロットが付されたグラフである。図14では、縦軸が含水比を示し、横軸が第1分光反射率と第2分光反射率との差の値の大きさを示す。図14に示すプロットSP71は、相対的に土の含水比が低い場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。図14に示すプロットSP81は、土の含水比が、相対的中間の含水比である場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。図14に示すプロットSP91は、相対的に土の含水比が高い場合の第1分光反射率と第2分光反射率との差の値を示す。 Figure 14 is a graph with plots showing the difference between the first and second spectral reflectances shown in Figure 13. In Figure 14, the vertical axis shows the moisture content, and the horizontal axis shows the magnitude of the difference between the first and second spectral reflectances. Plot SP71 shown in Figure 14 shows the difference between the first and second spectral reflectances when the moisture content of the soil is relatively low. Plot SP81 shown in Figure 14 shows the difference between the first and second spectral reflectances when the moisture content of the soil is relatively intermediate. Plot SP91 shown in Figure 14 shows the difference between the first and second spectral reflectances when the moisture content of the soil is relatively high.
図15は、図14におけるプロットSP71,SP81,SP91に基づいて生成されたフィッティングカーブFC1を示すグラフである。以下、図13から図15を参照して、含水比推定部33が土の含水比の推定に利用する参照データの作成の仕組みについて説明する。以下の説明では、係る参照データの作成に含水比推定部33が利用されているが、参照データの作成専用のプログラムを別途用意してもよい。
Figure 15 is a graph showing a fitting curve FC1 generated based on plots SP71, SP81, and SP91 in Figure 14. Below, with reference to Figures 13 to 15, a mechanism for creating reference data used by the water
まず、同一の種類の土について、土の含水比が相対的に低い場合と、土の含水比が相対的中間の含水比である場合と、土の含水比が相対的に高い場合と、の各々の場合で第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像が行われる。係るマルチスペクトル画像の撮像における撮像画像のスペクトルは、第1スペクトルと第2スペクトルである。
First, for the same type of soil, multispectral images are captured by the
含水比推定部33は、第2撮像装置12によってマルチスペクトル画像のうち、第1スペクトルに対応するスペクトル画像からプロットSP11,SP21,SP31を取得する。また、含水比推定部33は、第2撮像装置12によってマルチスペクトル画像のうち、第2スペクトルに対応するスペクトル画像からプロットSP41,SP51,SP61を取得する。含水比推定部33は、プロットSP11とプロットSP41との差d11と、プロットSP21とプロットSP51との差d21と、プロットSP31とプロットSP61との差d31とを算出する。
The water
含水比推定部33は、図14に示すように、同一の原点位置に対する差d11,d21,d31の大きさを示すプロットSP71,SP81,SP91として差d11,d21,d31を管理する。そして、含水比推定部33は、曲線あてはめ処理を行い、図15に示すように、プロットSP71とプロットSP81とプロットSP91に対応するフィッティングカーブFC1を導出する。係るフィッティングカーブFC1が示す土の含水比と第1分光反射率と第2分光反射率との差の値との関係は、プロットSP11,SP21,SP31,SP41,SP51,SP61が得られたマルチスペクトル画像で撮像された土の含水比を推定するための参照データとして機能する。
The moisture
なお、曲線あてはめ処理であてはめられる曲線は、例えば指数近似線であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。また、曲線あてはめ処理の具体的な手法については、例えば最小二乗法による最適関数の推定等、周知の手法を利用可能であるため、その詳細については省略する。 The curve that is fitted in the curve fitting process is, for example, an exponential approximation line, but is not limited to this and can be changed as appropriate. Also, the specific method of the curve fitting process can be a well-known method, such as estimating an optimal function using the least squares method, so details are omitted.
なお、図13及び図14で示すプロットSP11,SP21,SP31,SP41,SP51,SP61,SP71,SP81,SP91は、ほぼ同じ位置に重なるように2つのプロットが図示されているものを含んでいるが、等条件下の撮像でも完全に一致するプロットが必ずしも得られない必然的な誤差を示すものであって、それ以上のものでない。プロットに基づいたフィッティングカーブFC1の導出においては、ほぼ同じ位置に重なる全てのプロットを考慮(平均等)してもよいし、代表値として扱われるプロットを限定してもよい。 The plots SP11, SP21, SP31, SP41, SP51, SP61, SP71, SP81, and SP91 shown in Figures 13 and 14 include two plots that are illustrated as overlapping at approximately the same position, but this represents an inevitable error in which perfectly matching plots are not necessarily obtained even when imaging under the same conditions, and nothing more. In deriving the fitting curve FC1 based on the plots, all plots that overlap at approximately the same position may be taken into consideration (average, etc.), or the plots that are treated as representative values may be limited.
次に、上述の含水比推定部33による参照データの生成が可能な検証実験環境について、図16及び図17を参照して説明する。図16は、土の含水比の推定に係る検証実験環境の一例を示す模式図である。図17は、図16における撮像対象SSの構成例を示す模式図である。図16に示すように、第2撮像装置12は、撮像対象SSを撮像範囲に含むよう設置され、マルチスペクトル画像の撮像を行う。係るマルチスペクトル画像の撮像における撮像画像のスペクトルは、第1スペクトルと第2スペクトルである。
Next, a verification experiment environment in which the above-mentioned moisture
図17に示すように、撮像対象SSは、第1サンプルSS1と、第2サンプルSS2と、第3サンプルSS3と、校正シートPRSとを含む。第1サンプルSS1は、土の含水比が相対的に低い土である。第2サンプルSS2は、土の含水比が、相対的中間の含水比である土である。第3サンプルSS3は、土の含水比が相対的に高い土である。なお、第1サンプルSS1と、第2サンプルSS2と、第3サンプルSS3は、同じ種類の土である。 As shown in FIG. 17, the image target SS includes a first sample SS1, a second sample SS2, a third sample SS3, and a calibration sheet PRS. The first sample SS1 is soil with a relatively low moisture content. The second sample SS2 is soil with a relatively medium moisture content. The third sample SS3 is soil with a relatively high moisture content. Note that the first sample SS1, the second sample SS2, and the third sample SS3 are the same type of soil.
一例を挙げると、第1サンプルSS1は、土の含水比が10[%]の土である。第2サンプルSS2は、土の含水比が25[%]の土である。第3サンプルSS3は、土の含水比が40[%]の土である。これら例示した含水比はあくまで一例であってこれに限られるものでなく、適宜変更可能である。また、図17に示すように、第1サンプルSS1、第2サンプルSS2及び第3サンプルSS3は、例えば第2撮像装置12側が開放された皿又は鉢状の容器に入れた状態で撮像対象SS内に設置される。係る皿又は容器の形状は、土の含水比の相違によらず共通であることが望ましい。
As an example, the first sample SS1 is soil with a moisture content of 10%. The second sample SS2 is soil with a moisture content of 25%. The third sample SS3 is soil with a moisture content of 40%. These moisture contents are merely examples and are not limited to these, and can be changed as appropriate. As shown in FIG. 17, the first sample SS1, the second sample SS2, and the third sample SS3 are placed in the imaging target SS, for example, in a dish or bowl-shaped container with the
校正シートPRSは、撮像時の明るさに関する条件を示すデータを取得するためのシート状の部材である。校正シートPRSは、少なくとも第2撮像装置12に面する側の一面の分光反射率がほぼ一様であって、既知の分光反射率を示す。
The calibration sheet PRS is a sheet-like member for acquiring data indicating the conditions related to brightness during imaging. The calibration sheet PRS has a nearly uniform spectral reflectance on at least one surface facing the
このような撮像対象SSを第2撮像装置12によって撮像したマルチスペクトル画像に基づいて、図13から図15を参照して説明したようなフィッティングカーブFC1を導出できる。すなわち、係るマルチスペクトル画像において第1サンプルSS1が撮像された領域から、プロットSP11,SP41を取得できる。また、係るマルチスペクトル画像において第2サンプルSS2が撮像された領域から、プロットSP21,SP51を取得できる。係るマルチスペクトル画像において第3サンプルSS3が撮像された領域から、プロットSP31,SP61を取得できる。
Based on a multispectral image of such an imaging target SS captured by the
なお、実施形態で行われている土の分光反射率を導出する処理をより具体的に説明すると、第2撮像装置12で地面GRを覆う土(又は第1サンプルSS1等のサンプル)と分光反射率スペクトルが既知の校正シートPRSを撮像し、赤外線の波長帯において土が写っている部分の輝度値を校正シートPRSが写っている部分の輝度値で除す。さらに、係る除算後の値に、当該赤外線の波長帯における校正シートの分光反射率の平均を乗ずる。これによって、土の分光反射率を算出できる。
To explain in more detail the process of deriving the spectral reflectance of soil performed in this embodiment, the
また、図16及び図17を参照して説明した検証実験環境における光源は太陽光であるが、第1スペクトル及び第2スペクトルの光を十分に照射可能な専用の光源を利用してもよい。 In addition, the light source in the verification experiment environment described with reference to Figures 16 and 17 is sunlight, but a dedicated light source capable of sufficiently irradiating light of the first and second spectra may also be used.
図18は、種類A、種類B、種類D、種類F、種類Gの各々のフィッティングカーブFC1,FC2,FC3,FC4,FC5の例を示すグラフである。図13から図17を参照してある一種類の土の含水比に関する参照データについて説明したが、実施形態では、第1サンプルSS1、第2サンプルSS2及び第3サンプルSS3として採用される土の種類を変更し、同様のマルチスペクトル画像の撮像及びフィッティングカーブの導出に係る処理を行うことで、図18で例示するように、複数種類の土の含水比に関する参照データを生成できる。無論、図18で例示されていない他の種類の土についても同様に、マルチスペクトル画像に基づいてフィッティングカーブを導出できる。 Figure 18 is a graph showing examples of fitting curves FC1, FC2, FC3, FC4, and FC5 for types A, B, D, F, and G. Reference data relating to the moisture content of one type of soil has been described with reference to Figures 13 to 17, but in an embodiment, by changing the types of soil used as the first sample SS1, the second sample SS2, and the third sample SS3 and performing similar processing related to capturing multispectral images and deriving fitting curves, reference data relating to the moisture content of multiple types of soil can be generated, as illustrated in Figure 18. Of course, fitting curves can be derived similarly based on multispectral images for other types of soil not illustrated in Figure 18.
このような、土の含水比と第1分光反射率と第2分光反射率との差の値との関係を示すフィッティングカーブを参照データとして、含水比推定部33は、第2撮像装置12によって撮像された地面GRを覆う土の含水比を推定できる。すなわち、含水比推定部33は、第2撮像装置12によって撮像されたマルチスペクトル画像から第1分光反射率と第2分光反射率を求め、求められた第1分光反射率と第2分光反射率の差の値を参照データが示すフィッティングカーブにあてはめて、当該差の値がフィッティングカーブ上で一致する含水比を推定された含水比として導出する。
Using such a fitting curve indicating the relationship between the moisture content of the soil and the difference between the first and second spectral reflectances as reference data, the moisture
ただし、土の含水比の推定において、第2撮像装置12によって撮像されたマルチスペクトル画像は、校正シートPRSを利用した前処理(第2前処理)を適用される。係る第2前処理については後述する。
However, when estimating the soil moisture content, the multispectral image captured by the
なお、マルチスペクトル画像の中でも取得する波長帯の数が第1撮像装置11に比して相対的に少ない第2撮像装置12のようなマルチスペクトルカメラでは、一般的に、それぞれ異なるスペクトルの光を透過させる光学フィルタを装着した複数の撮像素子を用いて各波長帯の分光反射率を記録する方式が採用されることがある。
In a multispectral camera such as the
従って、第2撮像装置12の具体的構成によっては、撮像画像のスペクトルの種類によって撮像する場所が異なるという事象が生じる。このような事象が生じる場合では、赤外線に該当する撮像画像のスペクトルで撮像を行う撮像素子と他の撮像画像のスペクトルで撮像を行う撮像素子とが個別に撮像を行い、各々の撮像画像で重複する撮像範囲を抽出するようにしてもよい。係る抽出には、所謂パターンマッチングのような画像処理を適用可能であるし、このようなパターンマッチングをより高精度に行うために図示しないニューラルネットワークを利用してもよい。具体例を挙げると、畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)を係る抽出に利用できる。
Therefore, depending on the specific configuration of the
上述の事象が生じる場合、含水比推定部33は、第2撮像装置12が複数の撮像素子で撮像した各々の撮像画像で重複する撮像範囲を抽出する。含水比推定部33は、抽出された撮像範囲で各々の撮像素子が撮像したスペクトル画像の分光反射率を係るスペクトル画像の画素の階調値から取得、計算する。そして、各々の撮像素子が撮像したスペクトル画像の分光反射率同士の差に基づいて、撮像された地面GRを覆う土の含水比を推定する。なお、第2撮像装置12が、第1撮像装置11と同様に1つの撮像素子で、それぞれ異なる撮像画像のスペクトルの各々に対応したスペクトル画像を複数撮像する形態のマルチスペクトルカメラ10である場合、抽出に係る処理は省略される。
When the above-mentioned event occurs, the water
(前処理)
次に、前処理について、第1前処理、第2前処理の順に説明する。まず、第1前処理について、図19を参照して説明する。
(Preprocessing)
Next, the pre-processing will be described in the order of the first pre-processing and the second pre-processing. First, the first pre-processing will be described with reference to FIG.
図19は、第1前処理が適用される第1部分領域AA1及び第1前処理が適用されない第2部分領域AA2を含むマルチスペクトル画像と、これらの部分領域の分光反射率スペクトルの比較の一例を示すグラフと、の関係を示す図である。なお、図19に示すマルチスペクトル画像は、第1撮像装置11によって撮像されたマルチスペクトル画像である。また、グラフにおける線L11は、第1部分領域AA1に含まれる複数の画素の分光反射率スペクトルの平均を示す。また、グラフにおける線L12は、第2部分領域AA2に含まれる複数の画素の分光反射率スペクトルの平均を示す。
Figure 19 is a diagram showing the relationship between a multispectral image including a first partial area AA1 to which the first preprocessing is applied and a second partial area AA2 to which the first preprocessing is not applied, and a graph showing an example of a comparison of the spectral reflectance spectra of these partial areas. Note that the multispectral image shown in Figure 19 is a multispectral image captured by the
上述のように、土種類推定部32は、土の種類の推定に適さないベクトルをニューラルネットワークNNに対する入力から除外し、土の種類の推定に適したベクトルをニューラルネットワークNNへ入力する前処理(第1前処理)を行う。具体的には、土種類推定部32は、第1撮像装置11によって撮像されたマルチスペクトル画像の単位領域Cr毎に、350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均(第1平均)と、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均(第2平均)を算出する。ここで、第1平均をαとし、第2平均をβとすると、土種類推定部32は、αを10倍した値がβより大きい関係(α×10>β)が成立する単位領域Crを土の種類の推定に適さないベクトルとして扱い、ニューラルネットワークNNに対する入力から除外する。言い換えると、土種類推定部32は、αを10倍した値がβ以下である関係(α×10≦β)が成立する単位領域Crを土の種類の推定に適するベクトルとして扱い、ニューラルネットワークNNに対する入力として採用する。
As described above, the soil
より具体例な例を挙げると、図19のマルチスペクトル画像における第1部分領域AA1は、土粒子の影が撮像されている部分領域である。第1部分領域AA1に含まれる複数の画素の分光反射率スペクトルの平均は、グラフの線L11が示すように、第1平均と第2平均とにほとんど差がなく、横軸に対して扁平なグラフになっている。これに対し、影になっている部分がほとんどない第2部分領域AA2に含まれる複数の画素の分光反射率スペクトルの平均は、グラフの線L12が示すように、第1平均に対して第2平均が有意に高く、山なりのグラフになっている。土の種類の推定は、第2部分領域AA2のように、第1平均に対して第2平均が有意に高く、βがαを10倍した値以上になる(α×10≦β)部分領域の分光反射率スペクトルに基づくことが望ましい。従って、実施形態では、第1部分領域AA1のように、αを10倍した値がβより大きい関係(α×10>β)が成立する部分領域に含まれる画素を、ニューラルネットワークNNに対する入力から除外する。 To give a more specific example, the first partial area AA1 in the multispectral image of FIG. 19 is a partial area in which the shadows of soil particles are captured. The average of the spectral reflectance spectra of the pixels included in the first partial area AA1 is a flat graph with almost no difference between the first average and the second average, as shown by the line L11 in the graph. In contrast, the average of the spectral reflectance spectra of the pixels included in the second partial area AA2, which has almost no shadowed areas, is a mountain-shaped graph with the second average significantly higher than the first average, as shown by the line L12 in the graph. It is desirable to estimate the type of soil based on the spectral reflectance spectrum of a partial area such as the second partial area AA2, where the second average is significantly higher than the first average and β is equal to or greater than 10 times α (α×10≦β). Therefore, in this embodiment, pixels included in a partial area such as the first partial area AA1 where α multiplied by 10 is greater than β (α×10>β) are excluded from the input to the neural network NN.
なお、図19を参照した説明では、第1部分領域AA1及び第2部分領域AA2を複数の画素を含む部分領域として説明したが、第1部分領域AA1及び第2部分領域AA2は1つの単位領域Crであってもよい。 In the explanation with reference to FIG. 19, the first partial area AA1 and the second partial area AA2 are described as partial areas including multiple pixels, but the first partial area AA1 and the second partial area AA2 may be a single unit area Cr.
次に、第2前処理について、図20及び図21を参照して説明する。実施形態では、第2前処理を行う場合、第2撮像装置12で撮像範囲SUBを撮像する場合、撮像範囲SUB内に校正シートPRSを置き、地面GRと校正シートPRSとが同時に撮像されるようにする。
Next, the second pre-processing will be described with reference to Figs. 20 and 21. In the embodiment, when the second pre-processing is performed, when the imaging range SUB is imaged by the
図20は、第2前処理が行われた場合に土の含水比の推定に係る処理で採用されるマルチスペクトル画像と採用されないマルチスペクトル画像の例を示す図である。第2前処理では、第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像において校正シートPRSが撮像された部分画像の輝度値と校正シートPRS以外が撮像された部分画像の輝度値との平均が、所定の下限値から所定の上限値で定められた範囲内に収まらない画像を土の含水比の推定に係る処理で用いられるマルチスペクトル画像として採用しないようにする。ここで、当該平均が所定の下限値を下回るマルチスペクトル画像は、図20に示す「不採用(暗すぎ)」のように、暗すぎる画像であるものとして不採用とされる。また、当該平均が所定の上限値を上回るマルチスペクトル画像は、図20に示す「不採用(明るすぎ)」のように、明るすぎる画像であるものとして不採用とされる。当該平均が所定の下限値から所定の上限値で定められた範囲内に収まるマルチスペクトル画像は、土の含水比の推定に係る含水比推定部33による処理において採用される。なお、所定の下限値及び所定の上限値は、第2撮像装置12の撮像素子が性能上検知可能な最高輝度値を100[%]とした場合の値として表せる。所定の下限値は、例えば7.62[%]であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。また、所定の上限値は、例えば91.6[%]であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。
20 is a diagram showing examples of multispectral images that are adopted and not adopted in the process related to the estimation of the moisture content of soil when the second pre-processing is performed. In the second pre-processing, an image in which the average of the brightness value of the partial image in which the calibration sheet PRS is captured and the brightness value of the partial image in which other than the calibration sheet PRS is captured in the multispectral image captured by the
明るすぎによるホワイトアウトや暗すぎによるブラックアウトをマルチスペクトルの画像の閾値で判定するようにしてもよい。その場合、ホワイトアウトとされる輝度値の閾値は例えば16ビットの階調値でマルチスペクトル画像の画素の階調値の平均値が60000を上回ることである。また、ブラックアウトとされる輝度値の閾値は例えば16ビットの階調値でマルチスペクトル画像の画素の階調値の平均値が5000を下回ることである。これらの閾値の例はあくまで一例に過ぎず、任意に設定可能である。 Whiteout due to being too bright and blackout due to being too dark may be determined by the threshold value of the multispectral image. In this case, the brightness threshold value for whiteout is, for example, a 16-bit gradation value where the average gradation value of the pixels of the multispectral image exceeds 60,000. Also, the brightness threshold value for blackout is, for example, a 16-bit gradation value where the average gradation value of the pixels of the multispectral image falls below 5,000. These threshold values are merely examples and can be set arbitrarily.
なお、第2前処理で輝度値と記載しているものは、第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像の画素の階調値が示す分光反射率の高さである。
Note that what is referred to as the luminance value in the second pre-processing is the level of spectral reflectance indicated by the gradation value of the pixel of the multispectral image captured by the
また、第2前処理では、第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像において校正シートPRSが撮像された部分画像における輝度値の変動係数に基づいて、所定採用条件を満たさないマルチスペクトル画像を土の含水比の推定に係る含水比推定部33による処理において採用しないようにする。以下、単に「変動係数」と記載した場合、校正シートPRSが撮像された部分画像における輝度値の変動係数をさす。また、「所定採用条件」と記載した場合、変動係数に基づいたマルチスペクトル画像の採用条件をさす。
In addition, in the second pre-processing, a multispectral image that does not satisfy a specified adoption condition is not adopted in the processing by the moisture
図21は、マルチスペクトル画像において校正シートPRSが撮像された部分画像の輝度値の変動係数のグラフと、土の含水比の推定に係る含水比推定部33による処理における採用の可否との関係の一例を示す図である。具体的には、実施形態における所定採用条件は、変動係数が0.05未満であることである。変動係数が0.05以上である場合、実施形態では、含水比推定部33は、校正シートPRSの適切な分光反射率を取得できていないマルチスペクトル画像が撮像されたと判定し、当該マルチスペクトル画像を土の含水比の推定に係る含水比推定部33による処理において採用しない。
FIG. 21 is a diagram showing an example of a graph of the coefficient of variation of the brightness values of a partial image in which the calibration sheet PRS is captured in a multispectral image, and a relationship between the propriety of adoption in processing by the moisture
所定採用条件を満たすマルチスペクトル画像が撮像された場合、例えば、図21の「採用」欄の「グラフ」で示すように、校正シートPRSが撮像された部分画像の輝度値のピークが単一箇所であり、かつ、輝度値のピークを中心とした輝度値の分散の度合いが極めて小さい突出した輝度値のピークが得られる。これに対し、所定採用条件を満たさないマルチスペクトル画像が撮像された場合、例えば、図21の「不採用」欄の「グラフ」で示すように、校正シートPRSが撮像された部分画像の輝度値のピークが複数箇所となって輝度値に明確な起伏が生じ、かつ、輝度値のピークを中心とした輝度値の分散の度合いが「採用」の場合に比して大きい輝度値が得られる。このように所定採用条件が満たされない場合として、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像範囲内に二次光源として機能するような光の反射体が含まれる場合が挙げられる。図21の「不採用」欄の「マルチスペクトル画像」では、校正シートPRSのすぐそばに草が生えており、この草が太陽光を反射する二次光源として機能してしまったことで輝度値のピークが複数個所になる起伏が発生したものと考えられる。
When a multispectral image that satisfies the specified adoption conditions is captured, for example, as shown in the "graph" in the "Adopted" column of FIG. 21, the partial image in which the calibration sheet PRS is captured has a single luminance value peak, and the degree of variance of the luminance values around the luminance value peak is extremely small. In contrast, when a multispectral image that does not satisfy the specified adoption conditions is captured, for example, as shown in the "graph" in the "Not Adopted" column of FIG. 21, the partial image in which the calibration sheet PRS is captured has multiple luminance value peaks, and the luminance values have clear undulations, and the degree of variance of the luminance values around the luminance value peak is larger than in the "Adopted" case. An example of a case in which the specified adoption conditions are not satisfied in this way is when a light reflector that functions as a secondary light source is included within the imaging range of the multispectral image captured by the
なお、前処理は、第1前処理も第2前処理も必須でないが、これらの一部又は全部を行うことで、マルチスペクトル画像に基づいた各種の推定の精度をより高めやすくなる。 Note that, although neither the first nor the second preprocessing is required, performing some or all of these preprocessing steps can improve the accuracy of various estimations based on multispectral images.
(コーン指数の推定)
図22は、土の含水比とコーン指数との関係の一例を示すグラフである。図22のグラフにおけるプロットCP11,CP12,…,CP19の各々は、コーンペネトロメータを用いて測定されたコーン指数の測定値を示す。プロットCP11,CP12,…,CP19の各々は、共通の種類の土が積層され、かつ、それぞれ異なる含水比である状態の地面で測定された測定値を示す。すなわち、図22に示すコーン指数は、ある一種類の土の含水比とコーン指数との関係を示す。
(Estimation of the Corn Index)
Fig. 22 is a graph showing an example of the relationship between the moisture content of soil and the cone index. Each of the plots CP11, CP12, ..., CP19 in the graph of Fig. 22 shows a measurement value of the cone index measured using a cone penetrometer. Each of the plots CP11, CP12, ..., CP19 shows a measurement value measured on a ground surface where a common type of soil is layered and each soil has a different moisture content. In other words, the cone index shown in Fig. 22 shows the relationship between the moisture content of a certain type of soil and the cone index.
図22では、プロットCP11,CP12,…,CP19と、これらのプロット同士を結ぶ直線とによってコーン指数を表している。当該直線は、プロットCP11,CP12,…,CP19のうち2つのプロットであって、測定時の含水比がより近しい2つのプロット同士を結ぶ直線である。 In FIG. 22, the cone index is represented by plots CP11, CP12, ..., CP19 and a straight line connecting these plots. The straight line connects two plots out of the plots CP11, CP12, ..., CP19 that have closer moisture content at the time of measurement.
図22で例示するように、同じ種類の土であっても、土の含水比の変動に応じてコーン指数は変動する。コーン指数推定部34は、図22を参照して説明したようなコーンペネトロメータを用いて実際に測定されたコーン指数と土の含水比との関係を示すデータ(コーン指数データ)を、土の種類毎に記憶している。土の含水比とコーン指数との関係は、土の種類毎に異なる。
As illustrated in FIG. 22, even for the same type of soil, the cone index varies according to the variation in the soil moisture content. The cone
そこで、実施形態では、マルチスペクトルカメラ10が撮像したマルチスペクトル画像に基づいて、土種類推定部32が土の種類を推定し、含水比推定部33が土の含水比を推定する。そして、コーン指数推定部34は、土種類推定部32が推定した土の種類に対応するコーン指数データを参照し、含水比推定部33が推定した土の含水比に対応するコーン指数を特定する。コーン指数推定部34は、このように特定されたコーン指数を、推定されたコーン指数として扱う。
Therefore, in the embodiment, the soil
なお、含水比推定部33が推定した土の含水比に直接対応するデータがコーン指数データにおけるプロットCP11,CP12,…,CP19のような直接的な測定値であるとは限らない。そこで、実施形態では、上述のプロットCP11,CP12,…,CP19同士を結ぶ直線で表されているような補間処理を行うことで、直接的な測定値に対応しない土の含水比に対応するコーン指数を推定する。
The data that directly corresponds to the soil moisture content estimated by the moisture
図23は、補間処理の具体例を示す図である。コーン指数推定部34は、補間処理に際して図22におけるプロットCP11,CP12,…,CP19のようにコーンペネトロメータを用いて実際に測定された測定値が得られた際の土の含水比のうち、2つの含水比をピックアップする。当該2つの含水比の一方は、含水比推定部33が推定した土の含水比(推定含水比)未満であって最も推定含水比に近い1つの含水比である。また、当該2つの含水比の他方は、推定含水比を超え、最も推定含水比に近い1つの含水比である。コーン指数推定部34は、当該2つの含水比間を推定含水比が内分する比率mw:nwを求める。コーン指数推定部34は、プロットCP11,CP12,…,CP19のような測定値のうち、当該2つの含水比に対応する2つの測定値同士の間を結ぶ直線を、mw:nw=mqc:nqcとなる内分比率mqc:nqcで内分する点VPが示すコーン指数を、推定されたコーン指数として特定する。図23では、土の含水比が低い側から順にCPq,CP(q+1),CP(q+2),CP(q+3)の順で並ぶコーン指数の測定値のうち、CP(q+1)とCP(q+2)が、ピックアップされた2つの含水比に対応する2つの測定値として扱われている例を示している。qは、自然数である。
Figure 23 is a diagram showing a specific example of the interpolation process. The cone
なお、コーンペネトロメータによって測定されるコーン指数には、誤差が生じ得る。係る誤差の具体例として、コーンを土に押し込む速度や力の大きさ等、コーンペネトロメータの使用者を原因とした誤差がある。また、係る誤差の他の具体例として、コーンが押し込まれた土の中にたまたま石や空洞があった場合等、土の状況を原因とした誤差がある。これらの誤差を完全に除外することは困難であるが、コーンペネトロメータによるコーン指数の測定回数を十分に多くし、測定されたコーン指数の平均値を記録することで、コーン指数の測定精度を確保できる。 Note that errors may occur in the cone index measured by a cone penetrometer. Specific examples of such errors include errors caused by the user of the cone penetrometer, such as the speed or force with which the cone is pressed into the soil. Another specific example of such errors is errors caused by the condition of the soil, such as when a stone or cavity happens to be present in the soil into which the cone is pressed. It is difficult to completely eliminate these errors, but the measurement accuracy of the cone index can be ensured by measuring the cone index using a cone penetrometer a sufficient number of times and recording the average value of the measured cone index.
以上、土種類推定部32による土の種類の推定と、含水比推定部33による土の含水比の推定と、コーン指数推定部34によるコーン指数の推定について説明した。次に、実施形態で情報処理装置20が行うコーン指数の推定に係る処理の流れについて、図24から図27を参照して説明する。
The above describes the estimation of soil type by the soil
図24は、実施形態で情報処理装置20が行うコーン指数の推定に係る処理の流れの一例を示すフローチャートである。情報処理装置20が行うコーン指数の推定に係る処理では、まず、土種類推定部32が土の種類の推定処理を行う(ステップST1)。次に、含水比推定部33が、土の含水比の推定処理を行う(ステップST2)。そして、コーン指数推定部34が、コーン指数の推定処理を行う(ステップST3)。
Figure 24 is a flowchart showing an example of the flow of processing related to the estimation of the cone index performed by the
図25は、図24に示す土の種類の推定処理(ステップST1)の流れの一例を示すフローチャートである。土の種類の推定処理では、まず、第1撮像装置11によるマルチスペクトル画像の撮像が行われる(ステップST11)。次に、土種類推定部32が、ステップST11で撮像されたマルチスペクトル画像に含まれる複数の単位領域Crの各々から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する(ステップST12)。土種類推定部32が、第1前処理を行う。すなわち、土種類推定部32は、ステップST12で取得されたベクトルのうち、上述のα×10>βを満たすベクトルを除外する(ステップST13)。また、土種類推定部32は、ステップST11で撮像されたマルチスペクトル画像に含まれる複数の単位領域Crから土の種類の推定に適した分光反射率スペクトルのベクトルが所定数以上得られたか判定する(ステップST14)。ここで、当該ベクトルが所定数以上得られていないと判定された場合(ステップST14;No)、ステップST11に移行する。すなわち、再度第1撮像装置11によるマルチスペクトル画像の撮像が行われる。一方、当該ベクトルが所定数以上得られていると判定された場合(ステップST14;Yes)、土種類推定部32は、マルチスペクトル画像から得られた分光反射率スペクトルのベクトルとニューラルネットワークNNを利用した土の種類の推定を行う(ステップST15)。すなわち、土種類推定部32は、マルチスペクトル画像から得られた分光反射率スペクトルのベクトルをニューラルネットワークNNに入力し、ニューラルネットワークNNの出力層のノードの値に基づいて土の種類を推定する。
Figure 25 is a flowchart showing an example of the flow of the soil type estimation process (step ST1) shown in Figure 24. In the soil type estimation process, first, a multispectral image is captured by the first imaging device 11 (step ST11). Next, the soil
図26は、図24に示す土の含水比の推定処理(ステップST2)の流れの一例を示すフローチャートである。まず、第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像が行われる(ステップST21)。次に、含水比推定部33が、第2前処理を行う。すなわち、含水比推定部33は、ステップST21で撮像されたマルチスペクトル画像に含まれる校正シートPRSの部分画像を利用した輝度値に係る判定を行い、係る輝度値に係る判定結果によって当該マルチスペクトル画像が土の含水比の推定に適切なマルチスペクトル画像であることを示すかチェックする(ステップST22)。より具体的には、校正シートPRSの部分画像を利用した輝度値に係る判定とは、例えば図20を参照して説明した判定と図21を参照して説明した判定の一方であってもよいし両方であってもよい。図20を参照して説明した判定とは、第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像において校正シートPRSが撮像された部分画像の輝度値と校正シートPRS以外が撮像された部分画像の輝度値との平均が、所定の下限値から所定の上限値で定められた範囲内に収まるかの判定をさす。図21を参照して説明した判定とは、第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像において校正シートPRSが撮像された部分画像における輝度値の変動係数が所定採用条件を満たすかの判定をさす。
Figure 26 is a flow chart showing an example of the flow of the soil moisture ratio estimation process (step ST2) shown in Figure 24. First, the
ステップS22において、土の含水比の推定に適切なマルチスペクトル画像でないと判定された場合(ステップST22;No)、ステップST21に移行する。すなわち、再度第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像が行われる。一方、ステップS22において、土の含水比の推定に適切なマルチスペクトル画像であると判定された場合(ステップST22;Yes)、含水比推定部33は、マルチスペクトル画像の赤外線波長帯と可視光波長帯の各々の分光反射率を取得する(ステップST23)。含水比推定部33は、マルチスペクトル画像の赤外線波長帯と可視光波長帯の各々の分光反射率の差に基づいた土の含水比の推定を行う(ステップST24)。ここで、実施形態では、ステップST1で推定された土の種類に対応する参照データを用いて土の含水比の推定を行う。
If it is determined in step S22 that the multispectral image is not suitable for estimating the moisture content of the soil (step ST22; No), the process proceeds to step ST21. That is, the
図27は、図24に示すコーン指数の推定処理(ステップST3)の流れの一例を示すフローチャートである。コーン指数推定部34は、ステップST1の処理で推定された土の種類に対応したコーン指数データを読み出す(ステップST31)。係るコーン指数データは、コーン指数推定部34に予め含まれる。コーン指数推定部34は、ステップST2の処理で推定された土の含水比に対応するコーン指数をコーン指数データに基づいて特定し(ステップST32)、特定されたコーン指数を推定されたコーン指数として扱う。
Figure 27 is a flow chart showing an example of the flow of the cone index estimation process (step ST3) shown in Figure 24. The cone
なお、図25及び図26を参照した説明では、マルチスペクトル画像の撮像が1回であるが、より高精度な推定を行う目的でマルチスペクトル画像を複数回撮像し、これによって得られた複数のマルチスペクトル画像を用いて複数回(k)に渡る分割交差検証を行うようにしてもよい。kは、2以上の自然数である。具体的には、kは例えば5であるがこれに限られるものでなく、4以下であってもよいし6以上であってもよい。 In the description with reference to Figures 25 and 26, the multispectral image is captured once, but in order to perform estimation with higher accuracy, the multispectral image may be captured multiple times and the multiple multispectral images thus obtained may be used to perform divided cross-validation multiple times (k). k is a natural number of 2 or more. Specifically, k is, for example, 5, but is not limited to this, and may be 4 or less or 6 or more.
次に、コーン指数の推定に係る検証実験について、図28から図31を参照して説明する。図28は、検証実験におけるバックホウ100と撮像範囲SUB(図2参照)の関係を示す模式図である。バックホウ100の前方に位置する撮像範囲SUBの、前後方向の奥行きSUB1は、例えば5[m]である。また、地面GRに沿い、奥行きSUB1に直交する方向の撮像範囲SUBの幅SUB2は、例えば3[m]である。検証実験では、このような寸法の撮像範囲SUBを地下方向に0.5[m]掘削した後、掘削によって生じた土に水を加えて含水比を調整した土で埋め戻した。
Next, a verification experiment for estimating the cone index will be described with reference to Figs. 28 to 31. Fig. 28 is a schematic diagram showing the relationship between the
図29は、図28を参照して説明した検証実験で掘削されて埋め戻された土の含水比とコーン指数との関係を示すグラフである。図29では、コーンペネトロメータを用いて測定されたコーン指数を示すプロットCP21,CP22,…,CP30と、これらのプロット同士を結ぶ直線とによってコーン指数を表している。なお、図示しないが、予め検証実験で掘削されて埋め戻された土の参照データは含水比推定部33に含まれている。また、土種類推定部32は、当該土の種類を推定可能な機械学習を実施済みである。
Figure 29 is a graph showing the relationship between the moisture content and the cone index of the soil excavated and backfilled in the verification experiment described with reference to Figure 28. In Figure 29, the cone index is represented by plots CP21, CP22, ..., CP30 showing the cone index measured using a cone penetrometer, and lines connecting these plots. Although not shown, reference data for the soil excavated and backfilled in the verification experiment is previously included in the moisture
検証実験では、土の含水比がそれぞれ異なる3つのパターンの撮像範囲SUBを作成し、係る3つのパターンの撮像範囲SUBをそれぞれマルチスペクトルカメラ10で撮像して個別にコーン指数を推定する処理を行った。なお、検証実験では、晴天下で十分に太陽光が得られる環境下で撮像を行った。
In the verification experiment, three patterns of imaging ranges SUB with different soil moisture contents were created, and the three patterns of imaging ranges SUB were each imaged with the
図30は、3つのパターンの土の含水比及びコーン指数の実測値と推定値との関係を示す表である。図30に示すように、パターン1の土の含水比の実測値は38.8[%]であった。これに対し、第2撮像装置12によって撮像されたマルチスペクトル画像に基づいて含水比推定部33が推定したパターン1の土の含水比は42[%]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は3.3[%]であった。また、パターン2の土の含水比の実測値は46.2[%]であった。これに対し、第2撮像装置12によって撮像されたマルチスペクトル画像に基づいて含水比推定部33が推定したパターン1の土の含水比は47.4[%]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は1.2[%]であった。また、パターン3の土の含水比の実測値は45.3[%]であった。これに対し、第2撮像装置12によって撮像されたマルチスペクトル画像に基づいて含水比推定部33が推定したパターン1の土の含水比は48.5[%]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は3.2[%]であった。また、土の含水比の実測値と推定値との3つのパターンの平均誤差は約2.6[%]であった。
Figure 30 is a table showing the relationship between the measured and estimated values of the soil moisture content and cone index for three patterns. As shown in Figure 30, the measured value of the soil moisture content for
また、パターン1のコーン指数の実測値は461[kN/m2]であった。これに対し、コーン指数推定部34が推定したパターン1のコーン指数の推定値は233[kN/m2]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は228[kN/m2]であった。また、パターン2のコーン指数の実測値は72.1[kN/m2]であった。これに対し、コーン指数推定部34が推定したパターン1のコーン指数の推定値は71.7[kN/m2]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は0.4[kN/m2]であった。また、パターン3のコーン指数の実測値は64.1[kN/m2]であった。これに対し、コーン指数推定部34が推定したパターン1のコーン指数の推定値は71.4[kN/m2]であった。従って、パターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差は7.3[kN/m2]であった。また、コーン指数の実測値と推定値との3つのパターンの平均誤差は約79[kN/m2]であった。
The actual measured value of the cone index for
図31は、3つのパターンのコーン指数の実測値と推定値との関係を示すグラフである。検証実験で掘削されて埋め戻された土は、40[%]前後(38[%]から42[%])の含水比の範囲で1[%]程度の含水比の変動でコーン指数が50以上変動している。このため、土の含水比が40[%]前後である当該土をコーン指数の推定の対象としたパターン1では、土の含水比の実測値と推定値との誤差がコーン指数の実測値と推定値との誤差に与える影響の度合いが大きい。パターン1の検証実験結果は、このような影響が極めて顕著に表れた例であった。一方、当該土は、45[%]を超えたあたりから、含水比が変動してもコーン指数がほとんど変動しない。このため、土の含水比が45[%]を超えた当該土をコーン指数の推定の対象としたパターン2及びパターン3では、土の含水比の実測値と推定値との誤差がコーン指数の実測値と推定値との誤差に与える影響の度合いが小さい。パターン2及びパターン3の検証実験結果は、このことを裏付ける例であった。
Figure 31 is a graph showing the relationship between the measured and estimated values of the cone index for three patterns. In the soil excavated and backfilled in the verification experiment, the cone index fluctuates by 50 or more with a moisture content fluctuation of about 1% in the moisture content range of about 40% (38% to 42%). Therefore, in
以上、コーン指数の推定について説明したが、推定システム1は、コーン指数の推定に基づいたバックホウ100の走破性の判定をさらに行うようにしてもよい。具体的には、コーン指数推定部34は、推定されたコーン指数と、バックホウ100の走破に要求されるコーン指数とを比較し、バックホウ100の走破に要求されるコーン指数以上のコーン指数が推定された場合にバックホウ100の走破が可能であると推定し、そうでない場合にバックホウ100の走破が困難又は不可能であると推定する機能をさらに有していてもよい。この場合、コーン指数推定プログラム223は、当該機能に対応するプログラム等をさらに含む。
The above describes the estimation of the cone index, but the
図32は、図30に示す3つのパターンで推定されたコーン指数に基づいて行われたバックホウ100の走破性の判定結果の一例を示す表である。例えば、バックホウ100が所謂超湿地ブルドーザに分類される建設機械である場合、バックホウ100は、コーン指数が200[kN/m2]以上の地面であれば走破できる。従って、コーン指数推定部34は、図32に示すように、228[kN/m2]のコーン指数が推定されたパターン1の地面について、バックホウ100が走破可能(可)であると判定する。一方、コーン指数推定部34は、71.7[kN/m2]のコーン指数が推定されたパターン2の地面及び71.4[kN/m2]のコーン指数が推定されたパターン3の地面について、バックホウ100の走破が困難であると判定する。
FIG. 32 is a table showing an example of the determination result of the traversability of the
なお、コーン指数の推定及び推定されたコーン指数に基づいた走破性の判定において、コーン指数を推定する土の種類を限定するようにしてもよい。例えば、砂質土や礫質土が、含水比の増減にほとんど関係なく建設機械の走破が可能な程度のコーン指数を維持する一方で、火山灰質粘性土も含む粘性土は、含水比が上昇すると建設機械の走破が困難になるほどコーン指数を低下させる傾向を示す土であることが知られている。そこで、土種類推定部32が推定した土の種類が粘性土であった場合に含水比の推定及びコーン指数の推定を行い、土種類推定部32が推定した土の種類が粘性土でない場合に含水比の推定及びコーン指数の推定を省略するようにしてもよい。含水比の推定及びコーン指数の推定が省略された場合、走破性の判定では自動的に走破可能であると判定される。また、含水比の推定及びコーン指数の推定が行われた場合、推定されたコーン指数に基づいて走破性の判定が行われるようにしてもよい。
In addition, in the estimation of the cone index and the determination of the traversability based on the estimated cone index, the type of soil for which the cone index is estimated may be limited. For example, while sandy soil and gravel soil maintain a cone index at a level that allows construction machinery to traverse almost regardless of the increase or decrease in water content, it is known that clayey soil, including volcanic ash clayey soil, tends to have a lower cone index as the water content increases, making it difficult for construction machinery to traverse. Therefore, if the type of soil estimated by the soil
以上、実施形態の対象物推定方法は、マルチスペクトルカメラ(例えば、第1撮像装置11)によって対象物の画像を撮像する撮像ステップ(ステップST11)と、当該撮像ステップで撮像された画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する導出ステップ(ステップST12)と、当該ベクトルと、当該マルチスペクトルカメラによって予め撮像された対象物の種類毎の画像に基づいて学習済みのニューラルネットワークNNと、に基づいて対象物を推定する対象物推定ステップ(ステップST15)と、を含む。これによって、非接触で撮像の対象物の推定等を行える。学習済みのニューラルネットワークNNを利用することで、対象物の推定の精度をより高められる。 As described above, the object estimation method of the embodiment includes an imaging step (step ST11) of capturing an image of an object using a multispectral camera (e.g., first imaging device 11), a derivation step (step ST12) of deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from the image captured in the imaging step, and an object estimation step (step ST15) of estimating the object based on the vector and a trained neural network NN based on images of each type of object captured in advance by the multispectral camera. This allows estimation of the imaged object, etc., to be performed without contact. By using the trained neural network NN, the accuracy of the object estimation can be further improved.
また、対象物推定ステップ(ステップST15)において、分光反射率スペクトルのベクトルのうち、350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をαとし、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をβとした場合にα×10>βが成立するベクトルを対象物の推定に係る処理で利用しないことで、対象物の推定の精度をより高められる。 In addition, in the object estimation step (step ST15), among the vectors of the spectral reflectance spectrum, when the average of the spectral reflectance in the wavelength band from 350 [nm] to 450 [nm] is α and the average of the spectral reflectance in the wavelength band from 700 [nm] to 750 [nm] is β, the vectors for which α×10>β holds are not used in the process related to the estimation of the object, thereby further improving the accuracy of the estimation of the object.
また、対象物の画像に含まれる単位領域から分光反射率スペクトルのベクトルを導出し、当該ベクトルと、マルチスペクトルカメラ(例えば、第1撮像装置11)によって予め撮像された対象物の種類毎の画像に基づいて学習済みのニューラルネットワークNNと、に基づいて対象物を推定する処理を演算部21が実現するので、所謂ソフトウェア処理によって非接触での撮像の対象物の推定に係る処理を実現できる。
In addition, the
また、ニューラルネットワークNNの中間層のノード数が、ニューラルネットワークNNの入力層の数よりも少ないことで、より低負荷で対象物の推定に係る処理を実現できる。 In addition, since the number of nodes in the intermediate layer of the neural network NN is less than the number of nodes in the input layer of the neural network NN, processing related to estimating the object can be achieved with a lower load.
また、バックホウ100等の車両にマルチスペクトルカメラ10が搭載されることで、車両が走破する見込みの地面を撮像する等、車両に関わる対象物に関する推定を非接触で行える。
In addition, by mounting a
さらに、実施形態の含水比推定方法は、マルチスペクトルカメラ(例えば、第2撮像装置12)によって対象物の画像を撮像する撮像ステップ(ステップST21)と、当該画像に基づき、対象物の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と対象物の他の波長帯(例えば、可視光線の波長帯)の分光反射率である第2分光反射率とを取得する分光反射率取得ステップ(ステップST23)と、第1分光反射率と第2分光反射率との差に基づき対象物の含水比を推定する含水比推定ステップ(ステップST24)と、を含む。これによって、非接触で高精度に対象物の含水比を推定できる。 Furthermore, the water content estimation method of the embodiment includes an imaging step (step ST21) of capturing an image of the object using a multispectral camera (e.g., the second imaging device 12), a spectral reflectance acquisition step (step ST23) of acquiring a first spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the object in the infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is the spectral reflectance of the object in another wavelength band (e.g., the wavelength band of visible light), based on the image, and a water content estimation step (step ST24) of estimating the water content of the object based on the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance. This makes it possible to estimate the water content of the object in a non-contact manner with high accuracy.
さらに、上述の含水比推定ステップでは、予め記憶された対象物の種類毎の第1分光反射率と第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータ(例えば、上述の参照データ)に基づいて対象物の含水比を推定する。これによって、対象物の含水比の推定精度をより高められる。 Furthermore, in the water content estimation step described above, the water content of the object is estimated based on data (e.g., the above-mentioned reference data) that indicates the correspondence between the difference between the first and second spectral reflectances for each type of object stored in advance and the water content. This further improves the accuracy of estimating the water content of the object.
さらに、実施形態の含水比推定方法は、既知の分光反射率を示す校正シートPRSに基づいて第2撮像装置12が撮像したマルチスペクトル画像の明るさが適切であるかを判定する判定ステップ(ステップST22)を含み、明るさが適切でないマルチスペクトル画像に基づいた対象物の含水比の推定を行わない。これによって、対象物の含水比の推定精度をより高められる。
Furthermore, the moisture content estimation method of the embodiment includes a determination step (step ST22) of determining whether the brightness of the multispectral image captured by the
さらに、実施形態において、対象物は、土で覆われた地面GRである。実施形態のコーン指数推定方法は、推定された土の種類と、上述の含水比推定ステップで推定された含水比とに基づいて、当該地面GRのコーン指数を推定するコーン指数推定ステップ(ステップST32)を含む。従って、土で覆われた地面GRを撮像することで、当該地面GRのコーン指数を推定できる。 Furthermore, in the embodiment, the target object is ground GR covered with soil. The cone index estimation method of the embodiment includes a cone index estimation step (step ST32) of estimating the cone index of the ground GR based on the estimated type of soil and the moisture content estimated in the moisture content estimation step described above. Therefore, by capturing an image of the ground GR covered with soil, the cone index of the ground GR can be estimated.
さらに、上述のコーン指数推定ステップでは、予め記憶された土の種類毎の含水比とコーン指数との対応関係を示すデータに基づいて地面GRのコーン指数を推定する。これによって、コーン指数の推定精度をより高められる。 Furthermore, in the above-mentioned cone index estimation step, the cone index of the ground surface GR is estimated based on pre-stored data showing the correspondence between the moisture content and the cone index for each type of soil. This further improves the accuracy of the cone index estimation.
なお、推定システム1を適用した具体的な態様は、バックホウ100にマルチスペクトルカメラ10を設ける態様に限られない。例えば、飛行する航空機から下方の地面を撮像できるようにマルチスペクトルカメラ10を設けてもよい。これによって、航空機が飛行した地域における地面を覆う土の種類、土の含水比及びコーン指数の推定情報を得られる。従って、災害等に対処するために建設機械等を進入させることが求められる地域において、非接触で当該地域における建設機械等の走破性に関する情報を得られる。なお、航空機は、所謂ドローンと呼ばれる無人航空機も含む。また、航空機に代えて人工衛星にマルチスペクトルカメラ10を設けるようにしてもよい。
Note that the specific application of the
一例として、所定範囲(例えば、10[m]×10[m])の推定情報をマルチスペクトル画像に基づいて取得できる場合、当該所定範囲についてバックホウ100等の機械の走行の可能または不可能を判断することができる。異なる例として、マルチスペクトル画像を複数の分割領域に分けて分割領域毎に推定を行うようにしてもよい。例えば、所定範囲のマルチスペクトル画像を、x軸方向に100分割、y軸方向に100分割して10000の分割領域を設定する。これによって、各分割領域についてバックホウ100等の車両の走行の可能または不可能を判断することができる。
As an example, if estimated information for a specified range (e.g., 10 m x 10 m) can be obtained based on a multispectral image, it is possible to determine whether a machine such as the
なお、分割領域の数は、限定されず、分割領域の最小単位は1画素とすることができ、最大単位は制限がない。マルチスペクトルカメラ10が撮像を行う際の地面に対する高度と角度によってマルチスペクトル画像に含まれる面積が決定されていれば、分割領域単位で推定可能な地面の面積範囲を容易に判断できる。従って、推定情報を得ようとする分割領域をより小さな領域とすることで、走行ルートをよりきめ細かにより適切に選択できる。また、推定情報を得ようとする分割領域をより小さな領域とすることは、無限軌道を含む車両に設けられたマルチスペクトルカメラ10またはより高高度に位置する航空機や人工衛星に設けられたマルチスペクトルカメラ10によって撮像されたマルチスペクトル画像に基づいた推定を行うのに適している。このように、地上を走行する車両に比してより高高度からのマルチスペクトル画像をより広範囲で撮像することが容易な航空機等を利用可能な構成について、図33を参照して説明する。
The number of divided regions is not limited, and the minimum unit of the divided regions can be one pixel, and the maximum unit is not limited. If the area included in the multispectral image is determined by the altitude and angle with respect to the ground when the
図33は、実施形態の変形例が適用されたバックホウ100の構成例を示す図である。図33に示すバックホウ100は、図2に示すマルチスペクトルカメラ10に代えて飛行体発着部105が屋根部101の上側に設けられる。飛行体発着部105は、航空機200が発着可能な平面部を有する台状の構造物である。
Figure 33 is a diagram showing an example of the configuration of a
航空機200は、筐体201によって回転可能に支持された複数のロータ202を回転させることで飛行可能な無人航空機である。図33に示すように、航空機200は、マルチスペクトルカメラ10を搭載して飛行し、マルチスペクトルカメラ10の画角を下方に向けることで撮像範囲SUBを撮像する飛行体として機能する。なお、図33に示す撮像装置14は、上述の第1撮像装置11と第2撮像装置12の両方の機能を奏するマルチスペクトルカメラ10である。マルチスペクトルカメラ10がバックホウ100に固定されている場合に比して、航空機200は、より広い範囲の撮像範囲SUBをより容易に撮像できる。従って、撮像範囲SUBを覆う土の種類、当該土の含水率及びコーン指数ならびに当該バックホウ100が撮像範囲SUBする場合の走破性に関する情報をより迅速に得られる。また、図33に示す航空機200は、バックホウ100とケーブル205を介して接続されている。図33に示す構成によれば、当該ケーブル205を介して、撮像装置14による撮像で得られたマルチスペクトル画像のデータをリアルタイムにバックホウ100側に伝送できる。なお、ケーブル205はマルチスペクトル画像のデータの伝送に限らず、ロータ201を回転させるための電力供給に利用されてよいし、さらに他の目的で利用されてもよい。また、航空機200からバックホウ100へのマルチスペクトル画像のデータの伝送経路は、その一部又は全部が無線によるものであってもよい。また、ケーブル205を電力供給に利用することで、航空機200へのバッテリーの搭載が不要になる。従って、航空機200の最大離陸重量に対して、当該航空機200に搭載されるマルチスペクトルカメラ10が占めることができる重量により余裕を持たせられる。
The
また、マルチスペクトルカメラ10の撮像対象は、土に限られない。例えば、コンクリートをマルチスペクトルカメラ10で撮像し、セメントの含水比を推定するようにしてもよい。これによって、コンクリート等、セメント水和物に混ぜられた水の量が適当であるかを推定できる。また、セメントに限られず、含水比が品質に影響を与える物質であれば、当該物質をマルチスペクトルカメラ10の撮像対象とすることで、当該物質の品質に関する推定情報を得られる。
The object of imaging by the
また、マルチスペクトルカメラ10の具体的形態は、第1撮像装置11と第2撮像装置12に限られない。例えば、第1撮像装置11と第2撮像装置12の両方の機能を備える1台のマルチスペクトルカメラをマルチスペクトルカメラ10として採用するようにしてもよい。その場合、上述の第1撮像装置11又は第2撮像装置12によるマルチスペクトル画像の撮像は、係る1台のマルチスペクトルカメラによるマルチスペクトル画像の撮像とすることができる。
Furthermore, the specific form of the
また、バックホウ100に限らず、無限軌道や車輪で走行する他の車両も図3や図33を参照して説明したバックホウ100と同様、マルチスペクトルカメラ10を搭載して推定システム1によるコーン指数推定方法及び当該コーン指数推定方法に含まれる各種の推定方法を利用できる。
In addition to the
1 推定システム
10 マルチスペクトルカメラ
11 第1撮像装置
12 第2撮像装置
20 情報処理装置
21 演算部
31 取得部
32 土種類推定部
33 含水比推定部
34 コーン指数推定部
100 バックホウ
PRS 校正シート
Claims (8)
前記画像に基づき、前記対象物の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記対象物の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得する分光反射率取得ステップと、
前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差に基づき前記対象物の含水比を推定する含水比推定ステップと、
を含み、
前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯であり、
マルチスペクトルカメラによって撮像された前記対象物の画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する導出ステップと、
前記ベクトルと予め記憶された前記対象物の種類毎の分光反射率スペクトルとに基づいて前記対象物の種類を推定する対象物推定ステップと、をさらに含み、
前記含水比推定ステップでは、予め記憶された前記対象物の種類毎の前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータに基づいて前記対象物の含水比を推定し、
前記ベクトルのうち、350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をαとし、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をβとした場合にα×10>βが成立するベクトルを前記対象物推定ステップで利用しない
含水比推定方法。 capturing an image of an object using a multispectral camera;
a spectral reflectance acquisition step of acquiring a first spectral reflectance, which is a spectral reflectance of the object in an infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is a spectral reflectance of the object in another wavelength band, based on the image;
a moisture content estimating step of estimating a moisture content of the object based on a difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance;
Including,
the other wavelength band is a wavelength band of light having a shorter wavelength than the infrared wavelength band,
A derivation step of deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from an image of the object captured by a multispectral camera;
and an object estimation step of estimating a type of the object based on the vector and a pre-stored spectral reflectance spectrum for each type of the object,
In the water content estimation step, the water content of the object is estimated based on data indicating a correspondence relationship between the water content and a difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance for each type of the object, the data being stored in advance;
a vector for which α×10>β holds when the average spectral reflectance in the wavelength band from 350 [nm] to 450 [nm] is α and the average spectral reflectance in the wavelength band from 700 [nm] to 750 [nm] is β, is not used in the object estimation step.
請求項1に記載の含水比推定方法。 The water content estimation method according to claim 1 , wherein in the object estimation step, the type of the object is estimated using a trained neural network based on images of the object for each type captured in advance by a multispectral camera.
前記明るさが適切でない前記画像に基づいた前記対象物の含水比の推定を行わない
請求項1又は2に記載の含水比推定方法。 a determining step of determining whether the brightness of the image is appropriate based on a calibration sheet showing a known spectral reflectance;
The water content estimating method according to claim 1 or 2, further comprising the step of: not estimating the water content of the object based on the image having inappropriate brightness.
前記画像に基づき、前記地面の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記地面の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得する分光反射率取得ステップと、
マルチスペクトルカメラによって撮像された前記地面の画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出する導出ステップと、
前記ベクトルと予め記憶された前記土の種類毎の分光反射率スペクトルとに基づいて前記土の種類を推定する対象物推定ステップと、
予め記憶された前記土の種類毎の前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータに基づいて前記地面の含水比を推定する含水比推定ステップと、
前記対象物推定ステップで推定された土の種類と、前記含水比推定ステップで推定された含水比とに基づいて前記地面のコーン指数を推定するコーン指数推定ステップと、
を含み、
前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯であり、
前記ベクトルのうち、350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をαとし、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をβとした場合にα×10>βが成立するベクトルを前記対象物推定ステップで利用しない
コーン指数推定方法。 An imaging step of capturing an image of ground including soil by a multispectral camera;
a spectral reflectance acquisition step of acquiring a first spectral reflectance, which is a spectral reflectance of the ground in an infrared wavelength band, and a second spectral reflectance, which is a spectral reflectance of the ground in another wavelength band, based on the image;
A derivation step of deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from an image of the ground captured by a multispectral camera;
an object estimation step of estimating the type of soil based on the vector and a pre-stored spectral reflectance spectrum for each of the soil types;
a moisture content estimating step of estimating the moisture content of the ground based on data indicating a correspondence relationship between the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance for each type of soil, the difference being stored in advance, and the moisture content;
a cone index estimating step of estimating a cone index of the ground based on the type of soil estimated in the object estimating step and the moisture content estimated in the moisture content estimating step;
Including,
the other wavelength band is a wavelength band of light having a shorter wavelength than the infrared wavelength band ,
a vector for which α×10>β holds when the average spectral reflectance in the wavelength band from 350 [nm] to 450 [nm] is α and the average spectral reflectance in the wavelength band from 700 [nm] to 750 [nm] is β, is not used in the object estimation step.
請求項4に記載のコーン指数推定方法。 The cone index estimating method according to claim 4 , wherein in the cone index estimating step, the cone index of the soil is estimated based on pre-stored data indicating a correspondence between the moisture content and the cone index for each type of soil.
前記画像に基づき、前記土のコーン指数を推定する情報処理装置と、を備え、
前記情報処理装置は、前記画像に基づき、前記土の赤外線波長帯の分光反射率である第1分光反射率と前記土の他の波長帯の分光反射率である第2分光反射率とを取得し、予め記憶された前記土の種類毎の前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差と、含水比と、の対応関係を示すデータに基づいて前記第1分光反射率と前記第2分光反射率との差に基づき前記土の含水比を推定し、前記土のコーン指数の推定に関する情報として推定された前記土の含水比を示す情報を利用する演算部を備え、
前記他の波長帯は、前記赤外線波長帯よりも短波長の光の波長帯であり、
前記演算部は、
マルチスペクトルカメラによって撮像された前記土の画像から分光反射率スペクトルのベクトルを導出し、
前記ベクトルのうち350[nm]から450[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をαとし、700[nm]から750[nm]までの波長帯の分光反射率の平均をβとした場合にα×10>βが成立するベクトルを除いたベクトルと予め記憶された前記土の種類毎の分光反射率スペクトルとに基づいて前記土の種類を推定する
コーン指数推定システム。 A multispectral camera that captures images of the soil;
and an information processing device that estimates a cone index of the soil based on the image,
the information processing device includes a calculation unit that acquires a first spectral reflectance which is a spectral reflectance of the soil in an infrared wavelength band and a second spectral reflectance which is a spectral reflectance of the soil in another wavelength band based on the image, estimates the moisture content of the soil based on a difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance based on pre-stored data indicating a correspondence relationship between the difference between the first spectral reflectance and the second spectral reflectance for each type of soil and the moisture content, and uses information indicating the estimated moisture content of the soil as information related to estimating a cone index of the soil,
the other wavelength band is a wavelength band of light having a shorter wavelength than the infrared wavelength band,
The calculation unit is
Deriving a vector of a spectral reflectance spectrum from an image of the soil captured by a multispectral camera;
a vector for which α×10>β holds, where α is the average spectral reflectance in a wavelength band from 350 nm to 450 nm and β is the average spectral reflectance in a wavelength band from 700 nm to 750 nm, and the vectors for which α×10>β holds are excluded, and the soil type is estimated based on the pre-stored spectral reflectance spectra for each soil type.
請求項6に記載のコーン指数推定システム。 The multispectral camera is mounted on a vehicle.
The cone index estimation system of claim 6 .
請求項6に記載のコーン指数推定システム。 The multispectral camera is mounted on an unmanned aerial vehicle.
The cone index estimation system of claim 6 .
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