(57)【要約】【課題】  本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち従来の計測精度を保ちつつ、蛇行する線状物に対して効率的に航空レーザ計測を行うことができる蛇行式航空レーザ計測方法を提供することである。【解決手段】  本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、蛇行飛行しながら線状物を航空レーザで計測する方法であって、計測計画工程と基準点設置工程、計測工程、調整計算工程を備えた方法である。このうち計測工程では、計画された飛行コースに基づいて蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行う。なお計測計画工程では、飛行時の曲がり角度が閾値を超えるときは飛行コースを分断して複数の分割飛行コースからなる飛行コースを計画する。そして、異なる分割飛行コース間を移動するときは、先行する分割飛行コースを抜け出した後に一旦飛行コースを外れて旋回したうえで後続の分割飛行コースに進入する。【選択図】図６
2020112462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛇行する線状物に沿って飛行しながら該線状物を航空レーザで計測する方法であって、
航空レーザ計測を行う際の飛行コース、及び基準点の設置位置を計画する計測計画工程と、
前記計測計画工程で計画された設置位置に基づいて、基準点を設置する基準点設置工程と、
前記計測計画工程で計画された前記飛行コースに基づいて、蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行う計測工程と、
前記計測工程で取得された計測点群に対して調整計算を行う調整計算工程と、を備え、
前記計測計画工程では、前記線状物に沿って蛇行飛行するような前記飛行コースを計画するとともに、飛行時の曲がり角度が閾値を超えるときは前記飛行コースを分断して複数の分割飛行コースからなる該飛行コースを計画し、
前記計測工程では、異なる前記分割飛行コース間を移動するときは、先行する該分割飛行コースを抜け出した後に一旦前記飛行コースを外れて旋回したうえで後続の該分割飛行コースに進入する、
ことを特徴とする蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項２】
前記計測計画工程では、飛行時の曲がり角度が閾値を超える屈折部に、前記線状物の両側２箇所に位置するように基準点の設置位置を計画する、
ことを特徴とする請求項１記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項３】
前記計測計画工程では、前記線状物の両側それぞれを飛行するように２以上の前記飛行コースを計画する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項４】
前記線状物が河川であり、
前記計測計画工程では、河川両岸それぞれを飛行する前記飛行コースに加え、河川上を飛行する河川飛行コースを計画し、
前記計測工程では、前記河川飛行コースを飛行するときはグリーンレーザを使用して航空レーザ計測を行う、
ことを特徴とする請求項３記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項５】
前記調整計算工程では、２以上の前記飛行コースで得られた計測結果、及び基準点に基づいて精度劣化計測点を抽出するとともに、該精度劣化計測点を取り除いたうえで調整計算を行う、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項６】
前記調整計算工程では、前記分割飛行コースを複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、河川や道路、線路、海岸線といった線状の対象物（以下、「線状物」という。）の計測方法に関する技術であり、より具体的には、蛇行する線状物に沿って蛇行飛行しながら航空レーザによって計測する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
広範囲に渡って地物を計測する場合、これまでは空中写真測量によるのが主流であったが、昨今では、航空レーザ計測や、衛星写真を利用した計測、あるいは合成開口レーダを利用した計測など様々な計測手法が出現し、状況に応じて好適な手法を適宜選択できるようになった。なおここでいう「地物」とは、橋梁やオフィスビルといった人工物、あるいは河川や海、森林といった自然物など、地上に存在するあらゆる「物」の総称である。
【０００３】
このうち航空レーザ計測は、計測したい対象地物の上空を航空機で飛行し、この対象地物に対して照射したレーザパルスの反射波を受けて計測する手法である。この場合航空機には通常、ＧＮＳＳ（ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）などの測位計と、ＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）などの慣性測量装置が搭載されており、レーザパルスの照射時刻と受信時刻との時間差によって計測点（レーザパルスが反射した地点）までの距離が得られ、さらにＧＮＳＳとＩＭＵによってレーザパルス照射時における照射位置（ｘ，ｙ，ｚ）と照射姿勢（ω，φ，κ）を記録することができ、この結果、計測点の３次元座標を取得することができる。
【０００４】
また、従来の航空レーザ計測では近赤外パルスレーザ（波長１０６４ナノメートル：ｎｍ）を使用していたためレーザパルスが水面で反射して水底の地物は計測できなかったが、昨今では水底の地物（つまり水深）も取得できる航空レーザ計測が利用されるようになった。この手法は、ＡＬＢ（Ａｉｒｂｏｒｎｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｂａｔｈｙｍｅｔｒｙ）と呼ばれ、航空機から照射されたグリーンパルスレーザ（波長５３２ｎｍ）が水中を透過して水底から反射してくるため測深が可能となるわけである。
【０００５】
このような技術進歩もあって、近年では航空レーザ計測が多用されるようになり、これに伴って航空レーザ計測に関する新規な技術が数多く提案されてきた。例えば特許文献１では、航空レーザ計測（特にウェーブフォームデータＷＦＤ）によって得られる大量の点群データに対して、特徴的な解析処理を行うことで地物間に挟まれた空間も把握できる技術を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−２００６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで航空レーザ計測を実施するにあたっては、飛行するコース（以下、単に「飛行コース」という。）を事前に計画したうえで実際に飛行し、計測を行う。そして、この飛行コースは航空機が直線状に飛行するように計画され、対象とする計測範囲を網羅するように複数条の飛行コースが設定される。そのため、面状に広がる範囲を対象として航空レーザ計測を行うときは、直線状の飛行により極めて効率的に計測できるが、一方、河川や道路など蛇行する線状物を対象とする場合は、直線状の飛行が却って非効率的となる。
【０００８】
図９では、蛇行する河川に対して直線状の飛行コースが計画されており、図の左側で計画された５本の直線コース（Ｃ１〜Ｃ５）と、図の右側で計画された５本の直線コース（Ｃ６〜Ｃ１０）を示している。この図からも分かるように、蛇行する線状物に対して直線状の飛行コースを計画すると、飛行コースの数が増え、これに伴ってフライト時間や計測コストが増大してしまう。
【０００９】
蛇行する線状物に対しては、線状物に沿うように蛇行する飛行コースを計画することも考えられる。しかしながら、蛇行角度が大きい箇所では航空機が低速飛行（回転翼の場合はホバリング）になるためＩＭＵによる姿勢計測精度が低下し、また航空機のＲｏｌｌｉｎｇ角の増加に伴う計測点密度の低下や欠測、あるいはＧＮＳＳ受信状況の劣化が生じ、その結果、計測精度が著しく低下することが考えられる。したがって従来では、蛇行する線状物に沿うように蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行う例が見られなかった。
【００１０】
本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち従来の計測精度を保ちつつ、蛇行する線状物に対して効率的に航空レーザ計測を行うことができる蛇行式航空レーザ計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、線状物に沿って蛇行飛行するような飛行コースを計画するとともに、極端に曲がる場合は飛行コースを分断して複数の分割飛行コースで計画する、という点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。
【００１２】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、蛇行する線状物に沿って飛行しながら線状物を航空レーザで計測する方法であって、計測計画工程と基準点設置工程、計測工程、調整計算工程を備えた方法である。このうち計測計画工程では、航空レーザ計測を行う際の飛行コースと基準点の設置位置を計画し、基準点設置工程では、計測計画工程で計画された設置位置に基づいて基準点を設置する。また計測工程では、計測計画工程で計画された飛行コースに基づいて蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行い、調整計算工程では、計測工程で取得された計測点群に対して調整計算を行う。なお計測計画工程では、線状物に沿って蛇行飛行するような飛行コースを計画するとともに、飛行時の曲がり角度が閾値を超えるときは飛行コースを分断して複数の分割飛行コースからなる飛行コースを計画する。そして計測工程では、異なる分割飛行コース間を移動するときは、先行する分割飛行コースを抜け出した後に一旦飛行コースを外れて旋回したうえで後続の分割飛行コースに進入する。
【００１３】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、飛行時の曲がり角度が閾値を超える屈折部に、線状物の両側２箇所に位置するように基準点の設置位置を計画する方法とすることもできる。
【００１４】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、線状物の両側それぞれを飛行するように２以上の飛行コースを計画する方法とすることもできる。
【００１５】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、蛇行する河川を計測する方法とすることもできる。この場合、計測計画工程では、河川両岸それぞれを飛行する飛行コースに加え、河川上を飛行する河川飛行コースを計画し、この河川飛行コースを飛行するときは近赤外に加えてグリーンレーザも使用して航空レーザ計測を行う。
【００１６】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、２以上の飛行コースで得られた計測結果と基準点に基づいて精度劣化計測点を抽出するとともに、この精度劣化計測点を取り除いたうえで調整計算を行う方法とすることもできる。
【００１７】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、分割飛行コースを複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行う方法とすることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法には、次のような効果がある。
（１）線状物に沿って蛇行飛行することから、フライト時間や計測コストを抑えることができ、すなわち効率的に航空レーザ計測を行うことができる。
（２）極端に曲がる場合は飛行コースを分断して複数の分割飛行コースで計画することから、蛇行角度が大きい箇所でも航空機の低速飛行やＲｏｌｌｉｎｇ角の増加を回避することができ、従来の計測精度を維持したうえで航空レーザ計測を行うことができる。
（３）分割飛行コースをさらに複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行うことによって、より高い精度で点群の座標を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】蛇行する河川を示す平面図。
【図２】本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の主な工程を示すフロー図。
【図３】計測計画工程の各工程を示すフロー図。
【図４】蛇行する河川に沿った線形で計画される右岸側の飛行コースと左岸側の飛行コース、河川飛行コースを示すモデル図。
【図５】（ａ）は屈折点を判定するための角度閾値を９０°で設定したケースを説明するモデル図、（ｂ）は屈折点を判定するための角度閾値を６０°で設定したケースを説明するモデル図。
【図６】基本的な飛行コースが屈折点で２分されることによって設定される第１の分割飛行コースと第２の分割飛行コースを示すモデル図。
【図７】計測工程の各工程を示すフロー図。
【図８】計算工程の各工程を示すフロー図。
【図９】蛇行する河川に対して計画された１０本の直線状飛行コースを示す平面画。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。なお本願発明は、蛇行する線状物を航空レーザで計測する方法であり、蛇行する線状物であれば河川や道路、線路、海岸線などあらゆる地物を対象として実施することができるが、便宜上ここでは図１に示す河川ＲＶを対象とした例で説明する。
【００２１】
１．全体概要
はじめに、図２を参照しながら本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の概要について説明する。図２は、本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の主な工程を示すフロー図である。この図に示すように、従来手法と同様まずは計測計画を策定する（Ｓｔｅｐ１００）。この計測計画工程では、航空レーザ計測を行う際の飛行コースや、基準点の設置位置など、航空レーザ計測に必要な内容が計画される。計測計画が策定されると、その計画にしたがって基準点を設置する（Ｓｔｅｐ２００）。
【００２２】
ここまでの準備が整うと、計画された飛行コースにしたがって実際に飛行しながら航空レーザ計測を行う（Ｓｔｅｐ３００）。そして、飛行コースを複数のブロック（以下、「計算ブロック」という。）に分割し、隣接する計算ブロック内の点群データを用いて調整計算（バンドル調整法、多項式法、独立モデル法等）を行って（Ｓｔｅｐ４００）、河川ＲＶの位置や形状を図面や地図等に出力する。以下、本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法について、主な工程ごとにさらに詳しく説明する。
【００２３】
２．計測計画工程
図３は、計測計画工程（図２のＳｔｅｐ１００）の各工程を示すフロー図である。計測計画工程では、はじめに基本的な飛行コースを計画する（Ｓｔｅｐ１０１）。この飛行コースＦＣは、図４に示すように蛇行する河川ＲＶに沿った線形で計画され、しかも河川の右岸側に沿った飛行コースＦＣＲと左岸側に沿った飛行コースＦＣＬの２本の飛行コースＦＣで計画するとよい。もちろん、計測対象や計測目的に応じて、１本の飛行コースＦＣで計画することもできるし、３本以上の飛行コースＦＣで計画することもできる。また、河川ＲＶの水底を把握したい場合は、右岸側の飛行コースＦＣＲや左岸側の飛行コースＦＣＬに加え、河川ＲＶの上方を飛行する河川飛行コースＦＣＯを計画する。なお、この河川飛行コースＦＣＯを飛行するとき、つまり河川ＲＶの水底地形を計測（測深）するときは、グリーンパルスレーザを照射するＡＬＢによる計測が望ましい。
【００２４】
基本的な飛行コースＦＣを計画すると、その飛行コースＦＣ上における極端に曲がる箇所（以下、「屈折点」という。）の有無について判定を行う（Ｓｔｅｐ１０２）。既述したとおり屈折点では、航空機が低速飛行（回転翼の場合はホバリング）になるためＩＭＵによる姿勢計測精度が低下し、あるいは航空機のＲｏｌｌｉｎｇ角の増加に伴う計測点密度の低下や欠測、ＧＮＳＳ受信状況の劣化が生じやすく、その結果、計測精度が著しく低下することがある。そこで本願発明では、屈折点においては河川ＲＶに沿って蛇行するのではなく、一旦コースアウトする（飛行コースを外れる）こととし、Ｓｔｅｐ１０１で計画した一連の飛行コースＦＣを屈折点で分断することとした。
【００２５】
屈折点を判定するにあたっては、変化前の飛行コースＦＣにおける方向軸（以下、「第１方向軸」という。）と、変化後の飛行コースＦＣにおける方向軸（以下、「第２方向軸」との挟角θを求める。そして、その挟角θがあらかじめ定めた閾値（以下、「角度閾値」という。）を超えるときに、その地点を屈折点として判定することができる。例えば、図５（ａ）では角度閾値を９０°で設定しており、図５（ｂ）では角度閾値を６０°で設定している。したがって、図５（ａ）のケースでは、第１方向軸ＡＸ１と第２方向軸ＡＸ２との挟角θが９０°以上であれば「屈折点」と判定され、図５（ｂ）のケースでは、第１方向軸ＡＸ１と第２方向軸ＡＸ２との挟角θが６０°以上であれば「屈折点」と判定される。
【００２６】
Ｓｔｅｐ１０１で計画した飛行コースＦＣ上に屈折点が確認されると、図６に示すように、この屈折点で飛行コースＦＣを分断する（Ｓｔｅｐ１０３）。図６では、飛行コースＦＣ上に第１の飛行分割ブロックＤＢ１（破線で示す領域）と第２の飛行分割ブロックＤＢ２（やはり破線で示す領域）を設定することで飛行コースＦＣを２分しており、第１の飛行分割ブロックＤＢ１内の飛行コースを第１の分割飛行コースＦＣ１とし、第２の飛行分割ブロックＤＢ２内の飛行コースを第２の分割飛行コースＦＣ２として設定している。
【００２７】
また図６に示すように、第１の分割飛行コースＦＣ１と第２の分割飛行コースＦＣ２との間には第３の分割飛行コースＦＣ３を設定する。すなわち、第１の分割飛行コースＦＣ１、第３の分割飛行コースＦＣ３、第２の分割飛行コースＦＣ２の順で接続することによって全体の飛行コースＦＣを計画するわけである（Ｓｔｅｐ１０４）。この第３の分割飛行コースＦＣ３は、急角度での飛行を回避するためのいわば緩衝区間であり、Ｓｔｅｐ１０１で計画した飛行コースＦＣから外れた領域で計画される。より詳しくは図６に示すように、先行する第１の分割飛行コースＦＣ１を抜け出した後、飛行コースＦＣ外で旋回し、第２の分割飛行コースＦＣ２に円滑に進入するように、第３の分割飛行コースＦＣ３は計画される。
【００２８】
ここまで説明した一連の工程（Ｓｔｅｐ１０１〜Ｓｔｅｐ１０４）は、計画される飛行コースＦＣごとに行われる。例えば図４に示すケースでは、右岸側の飛行コースＦＣＲと左岸側の飛行コースＦＣＬ、河川飛行コースＦＣＯそれぞれに対して、Ｓｔｅｐ１０１〜Ｓｔｅｐ１０４の工程が繰り返し行われる。
【００２９】
第１の分割飛行コースＦＣ１と第３の分割飛行コースＦＣ３、第２の分割飛行コースＦＣ２を接続した全体の飛行コースＦＣが確定すると、基準点の設置位置を計画する（Ｓｔｅｐ１０５）。航空レーザ計測において所定の計測精度を確保するうえでは、基準点の設置位置が極めて重要となる。特に、本願発明のように蛇行飛行を行う場合は、基準点の設置位置が計測精度に大きな影響を与える。そこで発明者らは、シミュレーションを含む種々の検討を行った結果、屈折部付近であって、河川ＲＶの両岸側にそれぞれ１箇所以上の基準点を設置すると、高い精度で計測を行うことができることを見出した。具体的には図６に示すように、第１の飛行分割ブロックＤＢ１と第２の飛行分割ブロックＤＢ２が重複する領域内に、河川ＲＶの右岸側と左岸側にそれぞれ１箇所以上（図６ではそれぞれ１箇所）の基準点ＰＳを配置するよう計画するとよい。
【００３０】
３．計測工程
図７は、計測工程（図２のＳｔｅｐ３００）の各工程を示すフロー図である。計測工程では、あらかじめ計画された飛行コースＦＣにしたがって飛行しながら航空レーザ計測を行う。具体的には図６に示すように、同一の第１の分割飛行コースＦＣ１（つまり第１の飛行分割ブロックＤＢ１内）にしたがって飛行するときは、蛇行する河川ＲＶに沿って飛行し（Ｓｔｅｐ３０１）、この第１の分割飛行コースＦＣ１を退出すると（Ｓｔｅｐ３０２）、第３の分割飛行コースＦＣ３にしたがって飛行コースＦＣ外で旋回し（Ｓｔｅｐ３０３）、第２の分割飛行コースＦＣ２に進入する（Ｓｔｅｐ３０３）。なお、第３の分割飛行コースＦＣ３にしたがって飛行している間は、レーザパルスの照射を停止しておくことが望ましい。このように、異なる分割飛行コース間（図６では第１の分割飛行コースＦＣ１〜第２の分割飛行コースＦＣ２）を移動するときは、先行する分割飛行コース（図６では第１の分割飛行コースＦＣ１）を抜け出した後に、一旦飛行コースＦＣを外れた領域で旋回したうえで、後続の分割飛行コース（図６では第２の分割飛行コースＦＣ２）に進入する。
【００３１】
ここまで説明した一連の工程（Ｓｔｅｐ３０１〜Ｓｔｅｐ３０４）は、計画される飛行コースＦＣごとに行われる。例えば図４に示すケースでは、右岸側の飛行コースＦＣＲと左岸側の飛行コースＦＣＬ、河川飛行コースＦＣＯそれぞれに対して、Ｓｔｅｐ３０１〜Ｓｔｅｐ３０４の工程が繰り返し行われる。
【００３２】
４．計算工程
計測工程（図２のＳｔｅｐ３００）が行われると、河川ＲＶの位置や形状を図面や地図等に出力するために計測結果である点群データに対して計算処理を実行する。図８は、計算工程（図２のＳｔｅｐ３００）の各工程を示すフロー図である。この図に示すように点群データを計算するにあたっては、計測した範囲を２以上の計算ブロックに分割する（Ｓｔｅｐ４０１）。計測範囲全体をまとめて計算するのではなく、計算ブロックごとに計算するのは、類似した位置姿勢情報を持つ範囲ごとに実施することで計算精度の向上を図るためである。
【００３３】
計算ブロックは、飛行分割ブロック（図６に示す第１の飛行分割ブロックＤＢ１や第２の飛行分割ブロックＤＢ２）をそのまま使用して設定することもできるし、飛行分割ブロックをさらに分割して計算ブロックを設定することもできる。飛行分割ブロック内では蛇行飛行となりその飛行姿勢も変化するが、通常、同一の飛行コースの中で飛行姿勢が複数回変わる範囲をそのまま調整計算の対象とすると、その飛行コース内では詳細にパラメーターを設定することができない。飛行分割ブロックをさらに分割（例えば、飛行姿勢が変化する位置を境界に分割）し、その分割範囲を計算ブロックとして調整計算等を行うことで、詳細なパラメーターを設定することができ、その結果、計算された座標等の精度が向上するわけである。
【００３４】
ところで、本願発明では蛇行飛行を行うことから、その飛行速度は比較的低速となりやすく、通常の飛行計測に比べて高密度の点群データを取得することができる。一方、図４に示すように２以上の飛行コース（右岸側の飛行コースＦＣＲと左岸側の飛行コースＦＣＬ、河川飛行コースＦＣＯ）で航空レーザ計測を行う場合、複数の飛行コースによる計測結果と基準点ＰＳに基づいて検証すれば、明らかに精度が劣化した計測点（以下、「精度劣化計測点」という。）を抽出することができる。蛇行飛行では明らかな精度劣化箇所が生じる可能性があるため、取得された高密度の点群データをそのまま計算すると、そのデータが含まれた状態となってしまう。あらかじめ精度劣化計測点を抽出し、取得された点群データからこの精度劣化計測点を除去した（Ｓｔｅｐ４０２）うえで調整計算等を行うと（Ｓｔｅｐ４０３）、計算された座標等の精度向上を図ることができて好適となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、河川のほか海岸線や道路、線路など蛇行した線状物を計測するために特に有効に利用することができる。本願発明によれば、より効率的に河川や海岸線を計測することができ、その結果、河川等を原因とする氾濫に対して適切な対策を講じることができ、すなわち氾濫災害を未然に防ぐことができることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献が期待できる発明といえる。
【符号の説明】
【００３６】
ＡＸ１  第１方向軸
ＡＸ２  第２方向軸
ＤＢ１  第１の分割ブロック
ＤＢ２  第２の分割ブロック
ＦＣＲ  右岸側の飛行コース
ＦＣＬ  左岸側の飛行コース
ＦＣＯ  河川飛行コース
ＦＣ１  第１の分割飛行コース
ＦＣ２  第２の分割飛行コース
ＦＣ３  第３の分割飛行コース
ＰＳ    基準点
ＲＶ    河川
【図１】
2020112462.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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