2004年９月 APA No.87-３ 財団 法人日本測量調査技術協会
３．フルデジタル写真測量の確立に向けて
小 田 三千夫
※ 1．はじめに 1905年以降、航空写真測量が始まり、二度 の世界大戦を契機に発展してきた。戦後、ア ナログ図化機が次々に開発され、アナログ写 真測量が全盛を迎えた。1960年代からコン ピュータが登場し、解析写真測量が始まった。 1980年代からデジタル図化機が登場、現在で は多くの処理が自動化されている。デジタル カメラは画素数、データ転送速度の問題から 利用が限られていたが、CCD技術の向上ととも に、いくつかの航空デジタルカメラが実用化 された。また、GPS/IMU手法により、これまで は地上の座標値から空中三角測量により求め られていたカメラの外部標定要素が、直接的 に測定できるようになった。本稿では、写真 測量のフルデジタル化に向けての現状を把握 し、課題の検討を行った。 2．フルデジタルとは フルデジタル写真測量の確立とは、これま での写真測量で行ってきた作業工程をすべて デジタル化するということである。これには、 新しいデジタルツールの導入や、開発が必要 である。フルデジタル化を推し進めることに より「品質向上」「コスト削減」「高付加価値 な商品」を作成していくことが可能になり、 定型的な業務だけでなく、新しいニーズに柔 軟に応えることにも繋がる。 フルデジタル化を実現するための環境は、 ハード・ソフト面ともに整備されつつある。 それぞれの工程のデジタル化に向けた変革を 図－１に示す。 ③標 定③標 定 成 果 品成 果 品 ⑤現地調査⑤現地調査 ④図化・ 編集 ④図化・編 集 ②撮 影②撮 影 ①撮影計画①撮影計画 撮影管理 シス テム 撮影管理 システム カメ デジタル ラ デジタル カメラ GP S/ IMU 手法 GPS/I MU 手法 ツール 図化・図化・編集 編集 ツール シス 現地調査 成果品へ成果品へ 新たな新たな テム 現地調査 システム ③標 定③標 定 成 果 品成 果 品 ⑤現地調査⑤現地調査 ④図化・ 編集 ④図化・編 集 ②撮 影②撮 影 ①撮影計画①撮影計画 撮影管理 シス テム 撮影管理 システム カメ デジタル ラ デジタル カメラ GP S/ IMU 手法 GPS/I MU 手法 ツール 図化・図化・編集 編集 ツール シス 現地調査 成果品へ成果品へ 新たな新たな テム 現地調査 システム第26回 技術発表会論文特集
3．フルデジタル化に向けた変革 3.1 撮影計画 従 来 の 撮 影 計 画 図 は 、 業 務 担 当 者 が 1/25,000や1/50,000の地形図に撮影計画コー スを書き込んで作成してきた。撮影士は、飛 行機上で地形図と現地を比較しながらシャッ ターを切っていた。これまでにもいくつかの 撮影支援システムは存在したが、計画から撮 影、そしてデジタル図化機でステレオモデル を構築するまでの統合された撮影管理システ ムはなかった。 現在、デジタル航空カメラDMC（INTERGRAPH 社製：以後DMC）の撮影計画に使用されている 撮影管理システムは撮影スケール、オーバー ラップ（以後OL）、サイドラップ(以後SL)、撮 影範囲等のパラメータの指定をすれば、自動 で撮影計画コースを作成できる（図－２）。ま た計画時点で撮影データの積算、例えば撮影 延長距離や撮影枚数、コース数などの撮影計 画諸元（図－３）が出力される。 図－２ 撮影計画コース 図－３ 撮影計画諸元 3.2 撮影 コンパクトカメラとしてデジタルカメラは 普及しているが、航空写真測量の分野では導 入が遅れていた。しかし、CCDの画素数やデー タ転送速度といったハード面、画像のブレを 補正する画像形成技術や、複眼レンズによる 画像の合成技術といったソフト面の向上が、 航空写真測量におけるエリアセンサー型のデ ジタルカメラを実現した。まだ、航空フィル ムの画角には及ばないものの、いくつかのデ ジタルカメラが登場している。弊社では、2003 年８月に、エリアセンサー型のデジタルカメ ラDMCを導入した。DMCの概観を図－４に、レ ンズ部を図－５に示す。 図－４ DMC概観 図－５ DMCレンズ部
①DMC画像の特徴 DMCは、４つのパンクロカメラ、４つのマル チスペクトルカメラより構成される。それぞ れのカメラより合成された画像は、高いダイ ナミックレンジを持っているため、影の部分 でも十分な階調を有している。図－６に階調 補正による陰影部の見え方の違いを示す。ま た、近赤外のバンドも取得しているので、土 地利用や植生の判読が可能な付加価値の高い 画像を合成できる（図－７）。 画像処理時にレンズのディストーション情 報を用いて補正されるため、合成された画像 には歪みが存在しない。内部標定要素は事前 に算出されており、スキャニングによる傷や 汚れといった問題も生じることがない。 図－６ DMC画像の階調調整による陰影部の見え方の違い 左：調整前 右：調整後 図－７ 左：合成されたDMCのフォルスカラー画像と 右：ナチュラルカラー画像 ②撮影工程の比較 図－８にアナログ撮影方式とデジタル撮影 たが、デジタル方式では「画像処理」の1工程 で済むようになり、時間と経費の削減につな
同時に取得しているビデオカメラ（図－９） の映像で、雲や雲影、撮影の漏れの有無を点 検できる（図－10）。その後、撮影レポート（図 －11）を作成し、外部標定要素をデジタル図 化機に取り込むと、自動的にステレオモデル が生成される。
アナログ
撮影方式
デジタル
撮影方式
アナ
ロ
グ
撮影
●
現像
●
スキ
ャン
ニ
ン
グ
デジタル
図化機へ
デジタル図化機
へ
デジ
タル撮影
●
画像処理
アナログ
撮影方式
デジタル
撮影方式
アナ
ロ
グ
撮影
●
現像
●
スキ
ャン
ニ
ン
グ
デジタル
図化機へ
デジタル図化機
へ
デジ
タル撮影
●
画像処理
図－８ アナログ方式とデジタル方式のフロー 図－９ ビデオカメラ 図－10 ビデオ画像合成 図－11 撮影レポート3.3 標定
?
機体の位置 xyz 機体の傾き ωφκ 三角点?
パスポイント 機 体 の 位 置 xyz 機 体 の 傾 き ω φ κ 地 上 G P S G P S衛 星 図－12 アナログによる撮影 図－13 GPS/IMUによる撮影 これまで、撮影時の航空機の位置や傾きは 測定出来なかった。そのため写真1枚につき、 カメラの位置（x,y,z）と傾き（ω,φ,κ）の ６つの未知係数を空中三角測量により、求め る間接定位法を行ってきた（図－12）。近年、 GPS（Global Positioning System:汎地球測位 システム）による位置測定と、IMU(Inertial Measurement Unit: 慣性計測装置)による加 速度・角速度測定により、位置と傾きを直接 算出するGPS/IMU手法（直接定位手法：図－13） が行われるようになってきた。 GPS/IMU手法は航空機搭載型レーザスキャ ナ（図－14）で本格的に利用され始め、今で は、３ラインセンサーやアナログカメラ（図 －15）にも利用されている。カナダのAPPLANIX 社とドイツのIGI社のGPS/IMUシステムが広く 利用されている（写真はともにAPPLANIX社製）。 図－14 レーザスキャナに取り付けたIMU 図－15 RC30に取り付けたIMU しかし、直接定位手法のみを使用する場合、 作成等を行うには、相互標定と調整計算が必向上が報告されており*2）、相互標定および調 整計算なしで中縮尺の図化作業やオルソ作成 が可能である。理由としては以下の３つの要 因が考えられる。 (1) 内部標定要素が事前に算出済みであり、 合成された画像には歪みが存在しないた め、誤差要因が排除できる。 (2) 高性能なジャイロを装備しているため、 一定の姿勢を保持できる。 (3) IMUがレンズの直上に位置しオフセッ トが少ない設計になっているため、他の システムと比較して、正確な外部標定要 素の測定が可能。 3.4 図化・編集 フルデジタル化を実現するには、多様な図 化・編集ツールが不可欠である。それぞれの 特徴は以下の通りである。 ① デジタル図化機 1980年代に登場したデジタル図化機である が、機能の進化により、DEMやオルソの作成の 自動化が、今後も期待できる。現在、使用し ているデジタル図化機を図－16に示す。デジ タルカメラによる高階調の画像は、陰影部で の色調補正が可能であり、オペレータの、よ り正確な図化作業に貢献している。様々な機 能を併せ持ったデジタル図化機は非常に高価 であり、大量のデータ生産への適用には向い ていない。 図－16 デジタル図化機（左：ImageStation:INTERGRAPH社製 右：Diap:ISM社製） ② 簡易デジタル図化機 高品質な３次元データを迅速に生産するた めには、機能は限定されても低価格のデジタ ル図化機が必要である。弊社では、機能を限 定した廉価版のデジタル図化機、K-SCOPE（図 －17）の開発を行い、図化支援システムとし て稼動させている。多数のK-SCOPEの投入によ り、作業の分散処理と設備投資の軽減が図れ る。 特に、都市部におけるCG作成や、様々な解 析業務に利用が見込まれている都市モデルの 構築（図－18）をターゲットとしている。手 軽な操作性から、熟練オペレータでなくても 作業可能なのも特徴である。
図－17 K-SCOPE操作画面 図－18 都市モデルの構築 ③ 地理情報標準データ構築ツール 昨今、あらゆる分野で、構造化された高度 な３次元空間データの取得が求められている。 ３次元環境でのデータ取得、編集、トポロジー 構築、属性入力を行うには、汎用CADを基にし たツールのみでは不十分である。弊社では、 地理情報標準に準拠したデータ構築ツールと してK-DM（図－19、20）の開発を進め、統一 した社内生産体制を確立している。K-DMは、 デジタル図化機、K-SCOPE上で動作可能である。 今後、様々な要求に合わせた製品仕様書へ対 応し、データの構築、ノウハウの蓄積を図っ ていく。 図－19 KDMのクラス図 図－20 KDMの操作画面 3.5 現地調査 成果品を作成する上で、写真上で判読でき ないものは紙図面を用いた現地調査を行って きた。しかし、調査結果の重複入力や、転写 ミス、その後のデータの連携がとれないなど、 多くの問題が存在した。現地調査システムに は、データの連携を図るための「データの汎 用性の確保」、モバイルツールによる「現地作 業の省力化」、論理検査による「手戻り作業の 防止」が不可欠である。 弊社では、K-FIELD（図－21）という現地調 査システムを開発し、現地調査での使用を開 始している*3）。
図－21 左:従来手法による現地作業図面 右:K-FIELDによる操作画面と現場作業風景 4．フルデジタル化の効果 フルデジタル化の効果をいくつかの事例で 検討した。 ①撮影 デジタルカメラの導入による撮影コスト の削減により、これまでのOL・SLを見直し、 高ラップ比の撮影方法（図－22）が可能に なった。これにより、中心画像を使用した オルソフォトの作成や、調整計算の精度向 上を図っていくことが可能になった*4）。 ±5° ±8 ° ±7.5° ±1 3° ±1 5. 5° ±9° Case 3 Proposal OL=80%, SL=80% Case 2 OL=67%, SL=67% Case 1 Ordinary style OL=60%, SL=30% Flight Direction 図－22 OL:SLの違いによる画像の使用範囲 ②計画・撮影・標定 DMCによる撮影を行い、ステレオモデルを 作成して、図化作業を行うという業務では、 通常のケースと比較して、半分の工数で図 化の作業準備まで整えることができ、20～ 25％の経費削減が図れた。*5) ③図化・編集 様々な図化・編集ツールを利用すること により、業務に適合したツールを選択し、 作業ミスを軽減、作業効率を向上させるこ とが可能になった。 ④現地調査 K-FIELDを使用した道路GISのデータ構築 業務では、通常の現地調査に比べて、３分 の２の時間でデータの構築ができ、取得漏 れや記入ミス等による手戻り作業を防止で きた*3）。 5．課 題 フルデジタル写真測量に向けての課題につ いて以下の２点に着目して整理した。 ①工程を通して存在する課題 ・データの管理 デジタル化により膨らんだデータの 管理が緊急の課題となる。膨大なデー タを有効に活用していくための元デー タから製品に至る統合的なデータ管理 システムが必要になっている。
・画像データの有効活用 様々なセンサーにより取得された データの活用法を完成させ、有効活用 していく必要がある。 ②各工程での課題 ・高度なGPS/IMU技術 直接定位手法のみでの処理を可能に するには、より高い精度のGPS/IMU技術 が求められている。取得頻度の向上や、 ジャイロの性能向上などが更に期待さ れている。 ・現地調査システムの改良 現場での操作性の改良とともに、他 のCADソフトに依存しているデータ出 力機能をK-FIELDに組み組む必要があ る。 6．おわりに 今後は、フルデジタル化を加速させて、３ 年から５年のうちにすべての作業をデジタル 化する予定である。データの有効活用と経費 の削減を同時に実現し、データの統合管理を 行うことができるチャンスでもある。データ の規模、種類、アクセス頻度などを総合的に 判断し、設備投資していく必要がある。 フルデジタルの先には、フルオートなデジ タル写真測量に向けて動く必要があるだろう。 デジタル化は進んでいるが、まだまだ対話型 の処理工程が多く存在している。今後はデジ タル図化機を中心に対話型からオート処理に 向けて展開していくだろう。フルデジタル写 真測量の確立はその導入部として重要な役割 を担っていると考えている。 （※国際航業株式会社） 参考文献
1) デジタル写真測量（Digital Photogrammetry VolumeⅠ） Toni Schenk著 2) 石垣智明：デジタル航空カメラ（DMC）の導入と実績2004 年第26回測量調査技術発表会 3） 渡辺一博・小出和政・磯部浩平：GISデータ作成のため の現地計測システムの構築 応用測量論文集p63～p70、 2004.6 4） 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 5) Klaus J. Neumann、Z/I Imaging GmbH AERIAL MAPPING CAMERAS-DIGITAL VERSUS FILM THE BENEFITS OF A NEW TECHNOLOGY 2003年２月
