2004年９月 APA No.87-4 財団 法人日本測量調査技術協会
４．デジタル航空カメラ（DMC）の導入と運用
石 垣 智明
※ 1．はじめに 航空測量用デジタルカメラは、技術面や価 格の問題により製品化が困難とされていたが、 この数年の間に諸問題が改善され実用化され た。弊社では2003年９月にデジタル航空カメ ラDMC(Digital Mapping Camera: Intergraph 社製)を導入した。本報告では、DMCについて、 従来のアナログ航空カメラとの比較、自動画 像マッチングへの優位性の検討を報告する。 また、利点と課題を踏まえた今後の運用につ いて述べる。 2．DMCの概要 2.1 DMCの構成 DMCは、CCDアレイを用いたエリアセンサ型 航空カメラである。図－１にカメラヘッドの 配置を示す。８つのカメラヘッドのうち中央 ４つのヘッドが、７Ｋ×４Ｋのパンクロデー タ(PAN)、外側４つのヘッドで３Ｋ×２Ｋのマ ル チ ス ペ ク ト ル デ ー タ (MS: 構 成 は R/G/B/NIR)を取得する。DMCは、各カメラヘッ ドの画像を合成しアナログカメラに匹敵する 画像サイズを確保している。図－２はDMCシス テムの標準構成を示している。左側がDMCの外 観、右側の３段に積み重なっているものが大 容量記憶装置MDR(840GB)である。中央のノー トPCを用いて撮影計画データおよび取得デー タなどの確認作業を機上で行う。 図－１ カメラヘッドの配置 図－２ DMCシステム標準構成 表－１に示すように合成後の画像は、１億 画素を超える高解像力、12bit(4096階調)の多 階調のデータ生成が可能である。また、アナ ロ グ カ メ ラ の 像 ぶ れ 補 正 機 能 (Forward Motion Compensation: FMC)と類似の電子的な 画像補正機能(Time Delayed Intergration:TDI)およびApplanix社の直接定位システム (Position and Orientation Systems: POS) を標準で装備している。表－２に撮影縮尺・ 高度・地上解像度の関係を示す。従来のアナ ログ航空カメラの場合、1/4,000縮尺による撮 影でスキャニング解像度10μmの画像データ
の地上解像度は約４cmである。同撮影縮尺時 のDMCの地上解像度は4.8cmであり、ほぼ同等 の解像力を有していることが分かる。 表－１ DMCの性能諸元 画像サイズ 13824×7680ピクセル（合成後） 焦点距離 PAN:120mm MS:25mm 撮影画角 74°（飛行方向に直角）×44°（飛行方向） シャッター・絞り 可変式1/50～1/300秒 f/4～f/22 最短シャッター間隔 2秒 ラディオメトリック 12ビット 表－２ 撮影縮尺と地上解像度 撮影縮尺 1:4,000 1:8,000 1:12,500 撮影高度 480m 960m 1,500m 地上解像度 4.8cm 9.6cm 15cm 2.2 DMCの撮影工程 撮影計画から画像合成までの処理工程を述 べる。CADを用いて作成した撮影計画のデータ を航空機に搭載されている運行管理システム (Airborne Sensor Management System: ASMS) に直接デジタルデータとして取り込む。 図－３ DMCの処理内容 GPSを用いた運行支援 機上でのデータ取り込み CADによる撮影計画 地上後処理システムによる画像合成 機上でのサムネイルによるデータ確認
撮影飛行時には、航空機搭載のGPSと連動さ せることによって正確な位置でシャッターを 切ることが可能である。撮影データは、840GB の大容量記憶装置に格納される。撮影後に地 上の画像合成処理装置によって各カメラヘッ ドの画像の合成を行うことにより、単一のカ ラー画像データが生成される。 このように、DMCの撮影工程は、これまでの ような紙出力した撮影計画図やフィルムロー ルのようなアナログ媒体を介さず、撮影計画 から画像データの生成までデジタルデータの 受け渡しにより行われる。 3．DMC導入による効果 DMCの導入に際して、写真測量作業工程およ び色深度についてアナログ式カメラと比較し た。また、通常の空中三角測量およびPOS解析 の精度検証結果とともに、画像合成の影響に ついて報告する。 3.1 写真測量作業工程の比較 図－４にアナログおよびデジタル撮影方式 による写真測量作業工程を示す。アナログ撮 影方式によるアナログ撮影・現像・スキャニ ングの工程が、デジタル撮影方式によるデジ タル撮影のみで済むことが分かる。このよう に、大幅な工程の削減により、工期および経 費の圧縮が見込まれる。また、災害など時間 的な制約がある場合でも迅速な対応が可能と なる。 図－４ 写真測量作業工程 3.2 色深度の比較 空中写真撮影では、冬季の陰影部などの明 瞭な撮影が困難なことがある。アナログ撮影 方式の場合、撮影工程により得られるデジタ ル画像の品質は、現像処理やスキャニング処 理の良否に大きく左右される。これらの工程 は、作業者の熟練度により人的較差が大きく 現れることが知られている。また、通常のス キャニングでは、機器の出力仕様により 8bit(256階調)のデータに劣化する。加えて、 フィルム自体に傷があることやスキャニング 時に埃が付着することもあるため、画像の品 質に斑が出やすい。 一方のDMCは、出力信号を劣化させずに 12bit(4096階調)で格納する。このため、太陽 光量が相対的に少ない夕刻や冬季の撮影にお いてさえ、アナログ撮影方式による画像デー タを大きく上回る色深度を保持している。鮮 明な画質は、陰影部の判読に極めて有利であ り、図化精度や作業効率の向上に寄与する（図 －５）。
図－５ 色深度の違い（左；アナログカメラ / 右；DMC） 3.3 精度検証 ①画像合成の精度検証 DMCは、４枚のパンクロ画像を合成して１枚 の画像を生成している。このため、撮影縮尺 1/8,000で約0.2ピクセルの幾何補正による誤 差を含んでいる[1]。その誤差がどの程度計測 精度に影響するのか確認する必要があった。 そ こ で 、 デ ジ タ ル 写 真 測 量 シ ス テ ム ImageStationを用いて、POS解析および空中三 角測量による精度検証を実施し、画像合成が 起因となる突出した結果が現れることがない か検証した。 図－６に示す５コース140モデル撮影縮尺 1/4,000の撮影を実施し、POS解析結果の外部 標定要素を用いたステレオモデルとVRS-GPS により設置した地上検証点（34点）を比較し た。 図－６ POS解析による撮影主点位置 表－３に水平方向および高さ方向の較差の 標準偏差と最大値を示す。公共測量作業規定 では、通常の空中三角測量の基準点残差の制 限値を、標準偏差が対地高度の0.02％以内、 最大値が同0.04％以内と規定している（バン ドル法適用時）。撮影縮尺が1/4,000であると き対地高度は480ｍとなる。標準偏差で0.096 ｍ最大値で0.192ｍの精度が要求される。本検 証結果は、POS解析結果の外部標定要素のみの 成果でありこの制限値を満たしていない。今 後、異なる撮影縮尺でも検証することによっ て、POS解析のみの成果でどの程度の精度があ るか検証する必要がある。 表－３ 検証結果（検証点数34点） 最大値 0.22ｍ 水平(xyの合成) 標準偏差 0.10ｍ 最大値 0.53ｍ 高さ 標準偏差 0.17ｍ ここで、任意の１画像を抽出しその画像が 画像合成の歪による、何らかの特出した影響 が現れるかを検証した。VRS-GPSの検証点は22
点、４つの画像合成境界付近から外側にかけ て偏りなく配置した。図－７は、左側に VRS-GPSの検証点位置を、右側にステレオモデ ルによる計測とVRS-GPSとの残差ベクトルを 表している。残差ベクトルは、大きさ方向と もに突出した傾向が出ていないことが分かる。 図－７ VRS検証点位置と残差ベクトル 次に、図－８に示す５コース97モデル撮影 縮尺1/6,500、基準点15点の通常の空中三角測 量を行った。基準点をマニュアル観測し、パ スポイントおよびタイポイントは自動相互標 定機能で取得した。表－４に示すようにこの 精度は、作業規定の制限値を満足するもので あり、先にあげた幾何補正の精度は通常の写 真測量には十分耐えうるものであることが分 かる。これは、DMCがアナログカメラの代替え として精度的に問題がないことを示している。 図－８ 空中三角測量による検証コース 表－４ DMCによる空中三角測量結果 水平(ｍ) 高さ(ｍ) 制限値(ｍ) Std 0.10 0.15 0.16 Max 0.22 0.27 0.31 ②残存縦視差の状況 DMCのPOS解析結果によるステレオモデルは、 これまでの知見（アナログカメラや他のデジ タルカメラ）と比較して、残存縦視差が安定 して微小である。
(Μm) 0 2 4 6 8 10 12 14 01 ~0 001+0 1~ 0002 01 ~0 011+0 1~ 0012 01 ~0 021+0 1~ 0022 02 ~0 005+0 2~ 0004 02 ~0 015+0 2~ 0014 02 ~0 025+0 2~ 0024 03 ~0 007+0 3~ 0008 03 ~0 017+0 3~ 0018 03 ~0 027+0 3~ 0028 04 ~0 011+0 4~ 0010 04 ~0 021+0 4~ 0020 05 ~0 003+0 5~ 0004 05 ~0 013+0 5~ 0014 05 ~0 023+0 5~ 0024 (ステレオモデル) 図－９ 残存縦視差の状況 図－９は、図－６で示した５コース140モデ ルのPOS解析の成果のみによるステレオモデ ルの残存縦視差を示したものである。縦軸に 縦視差（μm）、横軸に各モデルを示している。 これまでPOS解析の成果のみによるモデルで は、半数以上のモデルで残存縦視差が20μm を超えるという報告[2]がなされている。しか し、DMCのこの例では、Max＝13.3μm, Avg＝ 8.4μmであった。このよう良好な結果が得ら れた要因としては，1)ジャイロマウントが備 わっているためにカメラの振動が比較的小さ いこと 2)内部標定の観測誤差がないこと 3)IMUがカメラ中心の真上に近接して設置さ れていることなどが考えられる（図－10）。こ れにより、相互標定をせずにPOS解析の成果の みによる、中縮尺の図化やオルソ作成で充分 な精度を保持できる。 ③自動相互標定 DMCにより生成される12bitと8bit画像を用 いて自動相互標定を行い、それぞれの交会残 差を比較したところ、12bit画像の方が概ね ５％の精度向上がみられた。12bitと８bitに ついてタイポイントおよびパスポイントの取 得数を比較したところ精度との相関はなかっ た。したがって、取得点数には関わらず、12bit 画像を用いた方が常に正確なポイント取得が なされることが分かった。このように12bit 画像を用いることは、今後、あらゆる工程で 行われている自動化の精度向上およびフル オートメーションに寄与するものと考えられ る。 4．運用実績と課題 2003年９月の導入以来、DMCを地形図作成・ 固定資産評価・環境調査など、多種多様な業 務に利用している。また、公共測量への利用 実績もあり、利用機会は拡大する一方である。 ここで、今後の運用も考慮しデジタルカメラ の課題について整理する。 現在の航空デジタルカメラの主な課題は、 図－10 IMUの設置位置
①画角が小さくモデルおよびコース数が増加 すること ②焦点距離（レンズ）が換えられ ないこと ③撮影間隔を２秒以下に設定でき ないことなどが挙げられる。モデル数の増加 は、公共測量作業規定に準拠した空中三角測 量を行う際の基準点数の増加を意味しており、 対空標識の設置など現場作業の増加に繋がる。 また、アナログ式カメラでは、用途によって 焦点距離f=153mm、f=210mmなどを使い分けて きた。デジタルカメラの場合、焦点距離の変 更ができないため、要求される撮影縮尺に対 して、対地高度のみで調整する必要がある。 したがって、飛行高度を下げられないような 場所では大縮尺撮影が困難となる。撮影間隔 の制限は、データ転送速度に依存し大縮尺に よる高ラップ撮影が難しくなる。 5．今後の展開 デジタルカメラのメリットは、一つにス キャニングや現像が不要なため、撮影コスト がコース数や写真枚数に比例しないことであ る。大容量の記憶装置を備えたDMCは一日の撮 影で2,200枚以上（ロールフィルム３本相当） のデータが取得できる。これらの長所は、従 来の撮影手法にとらわれることなく、広域か つ高いオーバーラップとサイドラップを適用 する撮影法[3]を可能とする。この撮影法は、 オクルージョン（建物の倒れこみによる隠蔽） を少なくできるため、図－11に示すような トゥルーオルソ(TrueOrtho)の生成に適して いる。 図－11 DMCによるOrtho(左)とTrueOrtho(右) DMCによって取得されたデータは、近赤外画 像の生成も可能であることから、地図作成以 外の分野（農業や防災など）への利用も期待 できる。 図－12に撮影縮尺1/4,000の近赤外画像を 示す。こうした近赤外画像を用いることに よって環境調査や土地利用調査などに活用で きる。写真右では、人影が認識できるのが分 かる。これまでの衛星画像データを主とした リモートセンシングで表現できない、より高 解像度のデータを必要とするような分野への 利用も可能であると考えている。 図－12 海岸の近赤外画像
6．まとめ 本報告では、DMCの紹介から導入時の精度検 証結果、今後の展開について述べた。 航空デジタルカメラの導入は、スキャンレ ス（工程削減）のみならず、図化判読の向上、 自動相互標定の精度向上、新たな市場への利 用など多くの可能性が期待できる。 アナログ解析図化機がデジタル図化機に置 き換わったように、近い将来、アナログ航空 カメラは急激にデジタル航空カメラに取って 換わられていくであろう。 今後、デジタル航空カメラの進化とともに、 取得できるデータの解像度やバンド数も変化 するだろう。高品質なデータのメリットを最 大限に活かすための処理環境の整備も重要で ある。 （※国際航業株式会社） 参考文献
[１] Tang L, Doerstel C, Jacobsen K, Heipke C, Hinz A; GEOMETRIC ACCURACY POTENTIAL OF THE DIGITAL MODULAR CAMERA, ISPRS, Vol.XXXⅢ, Working Group Ⅰ/3, 2000 [２] 内田修・織田和夫・真屋学・土居原健：POS撮影精度
管理法、APA No85-3 p23～p45、2003.9
[３] 大山容一・南義彦・村井俊治：デジタル航空測量に 適した撮影手法の提案、応用測量論文集p45～p49、2004.6
