DEIM Forum 2016 P-1
UAV による撮影画像の 5D World Map へのマッピングによる
時空間・環境データベースの構築
古瀬達哉
†佐々木史織
‡清木康
††慶應義塾大学総合政策学部〒252-0882 神奈川県藤沢市遠藤 5322
‡慶應義塾大学政策・メディア研究科〒252-0882 神奈川県藤沢市遠藤 5322
E-mail: †‡{s13789tf
，sashiori
，kiyoki}@sfc.keio.ac.jp
あらまし 本稿では、小型無人飛行機の操縦技術と撮影技術を応用し、5D World Map での画像マッピングによ って地表の検知をミクロに行うことで環境調査における新たな時空間・環境データベースの構築と学術連携を行う 専門ナレッジ共有システムの開発において述べる。主たる調査対象として湿地帯や森林地域における UAV 撮影を行 う。UAV には rgb カメラ及びマルチスペクトルカメラを搭載し、近赤外線画像を用いて NDVI(Normalized Difference Vegetation Index) 等の計算を行う。特に地表の植物の状態をモニタリングをするとともに、地表の物質微細な変 化を事前に取得を行い、重大な変化が起こる前に環境中の変化分析を行う。 キーワード UAV，小型無人飛行機，時空間，マルチスペクトルカメラ，マルチメディア
1. は じ め に
昨今 の経済発展 は産業革命 より 爆発的 に進行 し、環境 は世界 の経済発展 による 負担 を蓄積 させてきた 。環境 破壊 は、近年 になって 如実 に確認 されるようになっ た。今日 の環境破壊 の分野 は多岐 に渡るが 、その 中で も 、 地 球 温 暖 化 は 世 界 の 異常気象 と共にマスメディ ア を 介 し て 世 界 中 に 認 知 さ れ る こ と と な っ た 。 環境破壊 によってもたらされた 地球温暖化 の影響 は、世界各地 で様々な形として 確認 されるようにな り、北極圏 の海氷 のみならず 、シベリアの 永久凍土 は 徐々には 融解 し土中 に含まれていたメタンガスが 大 気 中 に 放 出 さ れ 地 球 温 暖 化 を 加 速させている 。また 、 海水温 の上昇 により 局地的 な砂漠化 が進 行 す る と と も に 、 各 地 の 雨 量 変 化 を 招 い て い る 。 こ の よ う に 様々な環境問題 が温暖化 によって 引き起こされている が、その 中でも 特に森林減少 は顕著 であり 、本 研 究 は 森 林 の 植 生 に 着 目 し て 行 う 。 世 界 の 森 林 面 積 は 約 40.3 億 ヘ ク タ ー ル 存 在 し て お り 、そ の 全 陸 地 面 積 は 約 31%を 占 め て い る 。さ ら に 、そ の 森 林 は 毎 年 520 万ヘクタールの 勢いで 減少 を続けており 、また 、これを 阻止 する 有効 な解決策 が 確 立 し て い な い 。森 林 の 減 少 は CO2 の 吸 収 率 を 減 少 さ せ る こ と は 良 く 知られているが 、森林 の減少 は特 にインドネシア 等の赤道 に沿った 熱帯雨林地域 に顕著 であり 、現代 においても 商品作物 の栽培 によって 森林 が犠牲 になっているという 現状 が存 在 す る 。 そ こ で 、本 研 究 に お い て は 上 記 の 課 題 を 解 決 す る 手 段 と し て 植 物 を 判 別 す る 手 段 と し て rgb カ メ ラ 及 び マ ル チ ス ペ ク ト ル カ メ ラ に て 近 赤 外 線 画 像 を 取 得 し 、画 像 解 析 を 行 い 時 空 間 環 境 と し て の 5D World Map[1]を 使 用 し た シ ス テ ム の 構 築 を 提 案 す る 。2. 時 空 間・環 境 デ ー タ ベ ー ス シ ス テ ム 構 築 の 手
法
2.1 シ ス テ ム の 基 本 構 造 本 シ ス テ ム は 、無 人 小 型 飛 行 機 (以 下 UAV)を 使 用 す る こ と に よ っ て こ れ ま で 航 空 写 真 や 衛 星 画 像 で は 撮 影 す る こ と の で き な か っ た 地 域 を 撮 影 す る こ と が 可 能 と な っ た 。UAV に よ っ て 撮 影 す る 画 像 、画 像 解 析 を 行 っ た 結 果 に よ る 現 時 点 で の 環 境 変 化 分 析 そ し て 、 5D World Map へ 画 像 マ ッ ピ ン グ を 行 う こ と に よ る 時 空 間 デ ー タ ベ ー ス の 形 成 を 行 う 3 つ の サ ブ シ ス テ ム に よ っ て 構 築 さ れ て い る 。 (図 1)図 1 シ ス テ ム 基 本 構 造 2.2 本 シ ス テ ム の 特 徴 本 シ ス テ ム は 環 境 分 析 ツ ー ル と し て の UAV を 活 用 し 、 様 々 な 角 度 と 範 囲 を 任 意 に デ ー タ 取 得 す る こ と が 可 能 で あ り 、 対 象 地 域 、 対 象 物 体 に 応 じ た 最 適 な マ ル チ メ デ ィ ア デ ー タ ベ ー ス の 構 築 を 行 う こ と が で き る 。 ま た 、 時 空 間 上 に マ ッ ピ ン グ す る こ と で 多 角 的 な 知 見 か ら 状 況 判 断 が 可 能 と な る 。 2.2.1 リ ア ル タ イ ム で の マ ッ ピ ン グ 反 映 UAV に よ っ て 撮 影 さ れ た 画 像 を リ ア ル タ イ ム に マ ッ ピ ン グ で き る こ と で 、 撮 影 者 が ど の 地 域 い て も 情 報 共 有 が 可 能 な シ ス テ ム が 構 築 可 能 で あ る 。 こ れ に よ っ て 新 た な オ ー プ ン ワ ー ル ド で の 閉 世 界 を 構 築 し ナ レ ッ ジ 共 有 を 行 う 共 有 シ ス テ ム が 構 築 さ れ る 。 (図 2) 図 2 リ ア ル タ イ ム で の マ ッ ピ ン グ
3. 実 現 方 法
3.1 画 像 の 補 正 UAV を 使 用 す る に 当 た り 、静 止 画 を 取 得 す る 都 合 上 安 定 し た 飛 行 を 実 現 す る こ と が 求 め ら れ る た め 、 GPS と 超 音 波 で 安 定 飛 行 を 実 現 可 能 な dji 社 の inspire1[2]を 機 材 と し て 使 用 す る 。 ま た 、 UAV で の 撮 影 に お い て は 広 角 レ ン ズ を 搭 載 す る ア ク シ ョ ン カ メ ラ を 活 用 す る こ と か ら 、 画 像 に 歪 み が 生 じ て し ま う 。 そ の た め 、 画 像 解 析 を 行 う 前 に 画 像 の 補 正 を 行 う 。 画 像 を 補 正 及 び 解 析 す る 手 段 と し て MATLAB_R2014b[3]を 使 用 す る 。 3.1 NDVI の 活 用NDVI と は 、Normalized Difference Vegetation Index の 略 称 で あ り 、 植 生 の 分 布 状 況 や 活 性 度 を 示 す 正 規 化 植 生 指 標 で あ り 、 衛 生 画 像 解 析 で 植 生 を 把 握 す る た め に 用 い ら れ る 指 標 で あ る 。[4]本 シ ス テ ム で は こ の 指 標 を 用 い て 地 表 の 環 境 中 の 変 化 分 析 を 行 っ て い る 。
NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)
4. 実 験 結 果 と そ の 検 証
4.1 実 験 概 要 実 験 に は デ ー タ を 取 得 す る 機 材 設 定 か ら 行 わ れ る が 、シ ス テ ム の 目 標 で あ る と こ ろ の 5D World Map で の 画 像 マ ッ ピ ン グ に よ っ て 地 表 の 検 知 を ミ ク ロ に 行 う こ と で 環 境 調 査 に お け る 新 た な 時 空 間 ・ 環 境 デ ー タ ベ ー ス の 構 築 と 学 術 連 携 を 行 う 専 門 ナ レ ッ ジ 共 有 シ ス テ ム の 開 発 に 重 点 を 置 く た め に 、 獲 得 し た 画 像 デ ー タ の 補 正 か ら 述 べ て い く こ と と す る 。 4.2 画 像 の 補 正 ま ず 、 元 の 画 像 と 修 正 デ ー タ の 比 較 か ら 行 っ て い き た い 。 図 3 RGB 補 正 前 画 像 図 4 NIR 補 正 前 画 像 こ れ ら 2 つ の 画 像 を 見 る と 広 角 レ ン ズ カ メ ラ 特 有 の 歪 み が 画 像 4 端 に 向 か う ほ ど 大 き く な っ て い る こ と が 確 認 で き る 。 こ れ ら の 画 像 を MATLAB を 用 い て レ ン ズ 補 正 し た も の が 以 下 の 図 5，6 で あ る 。な お 、NDVI と し て の 正規 化 を 行 う た め に 補 正 画 像 は グ レ ー ス ケ ー ル と し て 出 力 し て い る 。 図 5， RGB 補 正 後 画 像 図 6， NIR 補 正 後 画 像 補 正 後 の 画 像 は 画 像 の 4 端 の 歪 の 大 き い 部 分 を カ ッ ト し 、 中 心 に 近 い 部 分 の レ ン ズ 補 正 が 行 わ れ て い る こ と が わ か る 。 外 側 に 位 置 す る 建 物 や 空 き 地 が 直 線 的 に 補 正 さ れ て お り 、 そ の 補 正 具 合 を 確 認 す る こ と が で き た 。 な お 、 レ ン ズ 補 正 は パ ラ メ ー タ の 定 義 に よ っ て 行 わ れ て お り 、 レ ン ズ に よ っ て パ ラ メ ー タ を 変 え る 必 要 が あ る 。 4.3 画 像 の 特 徴 点 の 抽 出 正 規 化 を 行 う に 当 た り 、 2 枚 の 画 像 を 合 成 す る こ と が 求 め ら れ る 。 そ の た め 、 実 験 で は 2 台 の カ メ ラ を 用 い て そ れ ぞ れ の 歪 み 補 正 を 行 う 必 要 が 生 じ た 。NDVI の 画 像 を 生 成 す る に あ た り 、 2 枚 の 画 像 の 特 徴 点 を 抽 出 し 、 そ れ に 基 い て 画 像 の 合 成 を 行 っ て い く 。 画 像 の 特 徴 点 を 抽 出 し た 結 果 が 以 下 の 図 7， 8 で あ る 。 図 7， RGB 画 像 特 徴 点 の 抽 出 図 8， NIR 画 像 特 徴 点 の 抽 出 こ の よ う に 特 徴 点 を 抽 出 し 、 そ れ を マ ッ チ ン グ さ せ る こ と に よ り 、 画 像 の 重 ね あ わ せ 精 度 を 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 そ の こ と に よ り 、 NDVI 画 像 の 生 成 が 可 能 と な る 。 4.4 NDVI 画 像 の 生 成 図 7 及 び 図 8 を 用 い て NDVI を 生 成 し た 結 果 が 図 9 で あ る 。 図 9， NDVI 画 像 の 生 成
