(57)【要約】【課題】スペクトル画像の撮像時における空間分解能と露光時間とをそれぞれ任意に設定することができるとともに、スペクトル画像の空間的な歪みやズレを抑制することができる、スペクトルカメラ制御装置、スペクトルカメラ制御プログラム、スペクトルカメラ制御システム、このシステムを搭載した飛行体およびスペクトル画像撮像方法を提供する。【解決手段】静止飛行可能な飛行体１に液晶波長可変フィルタ３３を備えたスペクトルカメラ３とともに搭載されており、前記飛行体１の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタ３３の透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラ３にスナップショット方式で撮像させる。
2017179378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトルカメラ制御装置。
【請求項２】
前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定する、請求項１に記載のスペクトルカメラ制御装置。
【請求項３】
姿勢センサから前記スペクトルカメラの角速度を取得し、前記露光時間を下記の式（１）により算出する、請求項２に記載のスペクトルカメラ制御装置；
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
【請求項４】
撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスペクトルカメラ制御装置。
【請求項５】
同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を下記式（２）により算出する、請求項４に記載のスペクトルカメラ制御装置；
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２   ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のスペクトルカメラ制御装置と、このスペクトルカメラ制御装置により制御されるスペクトルカメラとを備えた、スペクトルカメラ制御システム。
【請求項７】
請求項６に記載のスペクトルカメラ制御システムを搭載した、静止飛行可能な飛行体。
【請求項８】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させるスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、スペクトルカメラ制御プログラム。
【請求項９】
前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項８に記載のスペクトルカメラ制御プログラム。
【請求項１０】
姿勢センサから前記スペクトルカメラの角速度を取得し、前記露光時間を下記の式（１）により算出するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項９に記載のスペクトルカメラ制御プログラム；
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
【請求項１１】
撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させるスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項８から請求項１０のいずれかに記載のスペクトルカメラ制御プログラム。
【請求項１２】
同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を下記式（２）により算出するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項１１に記載のスペクトルカメラ制御プログラム；
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２   ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値
【請求項１３】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されたスペクトルカメラ制御装置を用いて、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトル画像撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静止飛行可能な飛行体に搭載されるスペクトルカメラによってスペクトル画像を撮像するための、スペクトルカメラ制御装置、スペクトルカメラ制御プログラム、スペクトルカメラ制御システム、このシステムを搭載した飛行体およびスペクトル画像撮像方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル画像は、可視光および赤外線領域等をスペクトルカメラによって撮像することにより得られる。このスペクトル画像は、例えば、撮像対象のタンパク質の量等を把握することができるため、農作物の実入り状況を把握したり、収穫率の良い刈り入れ場所や刈り入れ順を把握することができる。【０００３】
また、スペクトル画像は、農作物の生育や病害虫・土壌の状態を把握できる他、樹木の種類を判別したり、炭素固定速度（成長速度）を把握したり、鉱物資源を探査したり、漁場を推定したり、塩害や汚染地域を把握したりすること等において、高い精度の情報を提供することができる。【０００４】
特に、航空機による上空からのスペクトル画像を撮像することは、人が踏査によってアクセスすることが困難な森林や海上、険しい山間部、汚染地域も含めて、圧倒的に広い範囲を短時間で調査することができるため、その応用範囲は極めて広い。【０００５】
ところで従来、波長幅が約２０ｎｍ以下の狭い波長分解能を持った数十バンド以上のスペクトル画像を撮像する際には、回折格子を備えたハイパースペクトルセンサと呼ばれる光学装置を固定翼の航空機に搭載し、プッシュブルーム方式と呼ばれる撮像方式を用いて行われている。このプッシュブルーム方式とは、航空機の進行方向に対して直角な方向に設定された一次元の空間視野を用いて１回の露光で全バンド（全波長帯）を同時に記録し、この記録を１画素相当を移動する時間間隔で連続的に行うことにより、進行方向に掃引して二次元空間のスペクトル画像を得る方式である。【０００６】
例えば、特開２０１１−１６９８９６号公報には、プッシュブルーム型センサを備えたハイパースペクトルイメージングシステムに関する発明が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１６９８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された発明を含め、航空機を使用したプッシュブルーム方式によるスペクトル画像を撮像する場合において、撮像中に航空機が擾乱を受けると、図１６に示すように、所定の露光時に得られる視野がその前後の露光時に得られる視野と空間的にずれてしまい、合成した二次元のスペクトル画像に空間的な歪みやズレが生じるという問題がある。【０００９】
また、プッシュブルーム方式における空間分解能の下限値は、任意に選択することができず、露光時間も許容範囲が狭いという問題がある。つまり、航空機の対地速度をＶ、露光時間をＴとすると、進行方向に対する空間分解能ＸはＸ＝Ｖ×Ｔとなる。ここで、固定翼の飛行機では、安全に飛行できる最低速度が機体能力に基づき定められている。また、露光時間Ｔは撮像対象の明るさに基づいて十分なＳＮ比（シグナル・ノイズ比）を確保するために自ずと決定される数値である。よって、空間分解能の下限値は、既定の航空機の最低速度と、スペクトルカメラの能力により自動的に決定される露光時間とにより定まる一定値となり、任意に選択することができない。また、撮像中において天候変化等により明るさが変化する場合には、予め露光時間を遅くしておく必要があり、最適な露光時間を選択することができないという問題がある。【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、スペクトル画像の撮像時における空間分解能と露光時間とをそれぞれ任意に設定することができるとともに、スペクトル画像の空間的な歪みやズレを抑制することができる、スペクトルカメラ制御装置、スペクトルカメラ制御プログラム、スペクトルカメラ制御システム、このシステムを搭載した飛行体およびスペクトル画像撮像方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るスペクトルカメラ制御装置およびスペクトルカメラ制御プログラムは、静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる。【００１２】
また、本発明の一態様として、前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定するようにしてもよい。【００１３】
さらに、本発明の一態様として、姿勢センサから前記スペクトルカメラの角速度を取得し、前記露光時間を下記の式（１）により算出するようにしてもよい；
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）【００１４】
また、本発明の一態様として、撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させるようにしてもよい。【００１５】
さらに、本発明の一態様として、同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を下記式（２）により算出してもよい。
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２   ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値【００１６】
また、本発明に係るスペクトルカメラ制御システムは、前記スペクトルカメラ制御装置と、このスペクトルカメラ制御装置により制御されるスペクトルカメラとを備えている。【００１７】
さらに、本発明に係る静止飛行可能な飛行体は、前記スペクトルカメラ制御システムを搭載している。【００１８】
また、本発明に係るスペクトル画像撮像方法は、静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載された前記スペクトルカメラ制御装置を用いて、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、スペクトル画像の撮像時における空間分解能と露光時間とをそれぞれ任意に設定することができるとともに、スペクトル画像の空間的な歪みやズレを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るスペクトルカメラ制御システムを搭載した飛行体の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１における本実施形態の飛行体を示す平面図である。
【図３】本実施形態のスペクトルカメラ制御システムを示すブロック図である。
【図４】本実施形態のスペクトルカメラ制御装置を示すブロック図である。
【図５】本実施形態において、スペクトル画像にブレが生じる原因を説明する図である。
【図６】本実施形態において、液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換えるタイミングと、イメージセンサによる撮像を行うタイミングとの関係を示す図である。
【図７】本実施形態において、同じ透過波長による複数枚のスペクトル画像を連続して取得する場合の透過波長を切り換えるタイミングと撮像を行うタイミングとの関係を示す模式図である。
【図８】本実施形態のスペクトルカメラ制御装置の処理動作を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態のスペクトルカメラ制御装置における最適露光時間設定部の処理動作を示すフローチャートである。
【図１０】本実施例１におけるスペクトル画像の撮像状況を表す模式図である。
【図１１】本実施例１により取得されたスペクトル画像に基づき算出された正規化植生指数を色の濃淡で示したカラーマップである。
【図１２】本実施例２において露光時間を２０ｍｓとした場合に得られたスペクトル画像である。
【図１３】本実施例２において露光時間を５０ｍｓとした場合に得られたスペクトル画像である。
【図１４】本実施例３において露光時間を１０ｍｓとし、透過波長を６５０ｎｍとした場合に得られたスペクトル画像である。
【図１５】本実施例３において図１４に示すスペクトル画像を含む連続して撮像された３枚のスペクトル画像を重ね合わせて得られたスペクトル画像である。
【図１６】従来の航空機を使用したプッシュブルーム方式に基づくスペクトル画像の撮像における問題点を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るスペクトルカメラ制御装置、スペクトルカメラ制御プログラム、スペクトルカメラ制御システム、このシステムを搭載した飛行体およびスペクトル画像撮像方法の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００２２】
本実施形態の飛行体１は、静止飛行可能に構成されており、図１に示すように、スペクトルカメラ制御装置６と、このスペクトルカメラ制御装置６により制御されるスペクトルカメラ３とを有するスペクトルカメラ制御システム２を搭載している。以下、各構成について詳細に説明する。
【００２３】
飛行体１は、空中で静止飛行する機能、いわゆるホバリング機能を有する飛行体であり、本実施形態では、図１および図２に示すように、複数枚の回転翼を有するマルチコプタ型のドローン（無人航空機）によって構成されている。また、本実施形態の飛行体１は、予め指定された飛行経路を自律飛行する機能および通信装置等からの遠隔操作によって飛行する機能を有している。さらに、飛行体１は、図示しないが、飛行中の自機の位置（緯度・経度）および高度を検出するためのＧＰＳ（Global Positioning System）受信機と、飛行中の自機の姿勢を検出する姿勢センサとを有している。
【００２４】
なお、本実施形態において、飛行体１は、マルチコプタ型のドローンを使用しているが、静止飛行可能な飛行体であればこれに限定されるものではなく、例えば、ヘリコプタ、飛行船、気球等から適宜選択してもよい。
【００２５】
つぎに、スペクトルカメラ制御システム２は、図３に示すように、主として、液晶波長可変フィルタ３３（ＬＣＴＦ：Liquid Crystal Tunable Filter）を備えたスペクトルカメラ３と、このスペクトルカメラ３の姿勢および位置の情報を検出する姿勢位置検出器４と、前記スペクトルカメラ３の液晶波長可変フィルタ３３を制御する液晶波長可変フィルタ制御回路５と、前記スペクトルカメラ３を制御するスペクトルカメラ制御装置６と、これら各機器に電力を供給するバッテリ７とを有する。
【００２６】
スペクトルカメラ３は、スナップショット方式でスペクトル画像を撮像するためのものであり、図３に示すように、主に、レンズ群３１と、偏光を非偏光にするための偏光解消板３２と、透過波長を任意に選択できる液晶波長可変フィルタ３３と、二次元のスペクトル画像を撮像するイメージセンサ３４とを有している。
【００２７】
そして、スペクトルカメラ３は、図１および図３に示すように、飛行体１が静止飛行中に、地表面が撮像対象となるように鉛直下方に向けて飛行体１に搭載されている。本発明において、スナップショット方式とは、イメージセンサ３４に対する一回の露光により、所定の単一波長について、二次元の視野内における位置座標ごとのスペクトル強度を全て同時にイメージとして取得する方式をいうものとする。
【００２８】
レンズ群３１は、光の屈折を利用して撮像対象からの光を液晶波長可変フィルタ３３に透過させるとともに、透過後の光をイメージセンサ３４に集光させるものである。本実施形態におけるレンズ群３１は、図３に示すように、撮像対象の光を集光して液晶波長可変フィルタ３３に入光させる入光レンズ３１１と、前記液晶波長可変フィルタ３３を透過後の透過波長のみの光をイメージセンサ３４に集光する集光レンズ３１２とによって構成されている。なお、各レンズの種類や枚数は特に限定されるものではなく、スペクトルカメラ３の性能等に応じて適宜選択してよい。
【００２９】
偏光解消板３２は、偏光を解消して非偏光にするためのものである。本実施形態において、偏光解消板３２は、液晶波長可変フィルタ３３の入光側に設けられ、液晶波長可変フィルタ３３を透過する前の光の偏光を解消し、偏光特性を軽減するようになっている。
【００３０】
液晶波長可変フィルタ３３は、予め定めた波長範囲内から透過波長を任意に選択できる光学フィルタである。液晶波長可変フィルタ３３は、図示しないが、板状の液晶素子と板状の偏光素子とを交互に複数枚重ね合わせた構成を有している。各液晶素子は、液晶波長可変フィルタ制御回路５から供給される印加電圧によって配向状態が独立に制御される。このため、液晶波長可変フィルタ３３は、前記液晶素子の配向状態と前記偏光素子との組み合わせにより、任意の波長の光を透過させられるようになっている。
【００３１】
なお、本実施形態において、液晶波長可変フィルタ３３の透過波長の幅は、約２０ｎｍ以下であり、透過中心波長を１ｎｍごとに設定でき、波長切り換え時間は１０ｍｓ〜数１００ｍｓ程度である。
【００３２】
イメージセンサ３４は、スナップショット方式でスペクトル画像を撮像するものである。本実施形態において、イメージセンサ３４は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の視野内を同じタイミングで撮像可能な二次元イメージセンサからなる。また、イメージセンサ３４は、図３に示すように、スペクトルカメラ制御装置６から送信される撮像指令信号に基づいて撮像を実行するようになっている。
【００３３】
姿勢位置検出器４は、スペクトルカメラ３の姿勢および位置の状態を検出する機器である。本実施形態における姿勢位置検出器４は、スペクトルカメラ３の位置情報および高度情報を検出するＧＰＳ受信機４１と、前記スペクトルカメラ３の姿勢情報を検出する姿勢センサ４２とを有する。
【００３４】
ＧＰＳ受信機４１は、複数の人工衛星の位置を補足することで現在の位置情報および高度情報を取得するものである。本実施形態におけるＧＰＳ受信機４１は、位置情報として経度情報および緯度情報を取得するとともに、高度情報として標高の情報を取得するようになっている。なお、位置情報および高度情報は、ＧＰＳ受信機４１により取得するものに限定されるものではなく、他の方法により取得してもよい。例えば、基準点を定めレーザー光や音響の反射を用いた距離計測器等によって前記基準点からの距離や高度情報として取得してもよい。
【００３５】
姿勢センサ４２は、スペクトルカメラ３の傾斜角度、角速度および加速度の姿勢情報を検出するものである。本実施形態における姿勢センサ４２は、図示しないが、ジャイロ特性を利用したジャイロセンサと加速度センサとから構成され、姿勢情報として傾斜角度、角速度および３軸方向の加速度を取得するようになっている。
【００３６】
なお、本実施形態では、スペクトルカメラ制御システム２として備えられている姿勢位置検出器４から位置情報および姿勢情報を取得しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、飛行体１が既に備えているＧＰＳ受信機および姿勢センサから位置情報および姿勢情報を取得するようにしてもよい。
【００３７】
液晶波長可変フィルタ制御回路５は、液晶波長可変フィルタ３３を制御するものである。本実施形態において、液晶波長可変フィルタ制御回路５は、図３に示すように、スペクトルカメラ制御装置６から送信される波長特定信号を受信すると、当該波長特定信号に応じた印加電圧を液晶波長可変フィルタ３３の液晶素子に供給するようになっている。また、波長特定信号には、液晶波長可変フィルタ３３により透過させる透過波長の情報が含まれており、液晶波長可変フィルタ制御回路５では、前記透過波長の情報に基づいてどの液晶素子に印加電圧を供給するかを判別し、特定された液晶素子に印加電圧を供給するようになっている。
【００３８】
なお、本実施形態における液晶波長可変フィルタ制御回路５は、スペクトルカメラ制御装置６等の他の構成から独立して構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、スペクトルカメラ制御装置６またはスペクトルカメラ３が備えていてもよい。
【００３９】
つぎに、本実施形態のスペクトルカメラ制御装置６について説明する。
【００４０】
スペクトルカメラ制御装置６は、スペクトルカメラ３によるスペクトル画像の撮像を制御するものであり、図４に示すように、主に、スペクトルカメラ制御プログラム６ａや各種のデータ等を記憶する記憶手段６１と、この記憶手段６１等から各種のデータを取得して演算処理する演算処理手段６２とから構成されている。また、本実施形態におけるスペクトルカメラ制御装置６は、外部の通信装置等との無線通信を可能とするための無線通信手段６３を備えている。
【００４１】
記憶手段６１は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、フラッシュメモリ等によって構成されており、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段６２が演算を実行する際のワーキングエリアとして機能するものである。本実施形態における記憶手段６１は、主に、スペクトルカメラ制御プログラム６ａを記憶するプログラム記憶部６１１と、スペクトルカメラ３によってスペクトル画像を撮像する開始条件を記憶する撮像開始条件記憶部６１２と、スペクトル画像を撮像する露光時間等の撮像条件を記憶する撮像条件記憶部６１３と、各種の閾値を記憶する閾値記憶部６１４と、スペクトルカメラ３により撮像されたスペクトル画像とともに撮像時刻等を記憶するスペクトル画像記憶部６１５とを有する。
【００４２】
プログラム記憶部６１１には、本実施形態のスペクトルカメラ制御プログラム６ａがインストールされている。そして、演算処理手段６２が、前記スペクトルカメラ制御プログラム６ａを実行し、後述する各構成部として機能させることにより、コンピュータをスペクトルカメラ制御装置６として機能させるようになっている。
【００４３】
なお、スペクトルカメラ制御プログラム６ａの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＵＳＢメモリ等のように、コンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体にスペクトルカメラ制御プログラム６ａを記憶させておき、この記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からクラウドコンピューティング方式やＡＳＰ（application service provider）方式等で利用してもよい。
【００４４】
撮像開始条件記憶部６１２には、スペクトルカメラ３による撮像開始条件に関する情報が記憶されている。本実施形態において、撮像開始条件としては、図４に示すように、スペクトルカメラ３がスペクトル画像を撮像する開始の時刻である撮像開始時刻、前記スペクトル画像を撮像する開始の経度情報および緯度情報である位置条件および前記スペクトル画像を撮像する開始の高度情報である高度条件が記憶されている。
【００４５】
ここで、高度条件は、所望するスペクトルカメラ３の空間分解能に応じて設定される。具体的には、スナップショット方式で撮像されるスペクトル画像の空間分解能Ｘは、イメージセンサ３４の１画素の大きさをｄ、スペクトルカメラ３の焦点距離をｆ、撮像を行う高度をＨとすると、Ｘ＝Ｈ×ｄ／ｆで表される。ここで、ｄ／ｆはスペクトルカメラ３の仕様で決まる一定値である。よって、スペクトルカメラ３の空間分解能Ｘは、スペクトルカメラ３の高度Ｈの関数となる。言い換えると、本実施形態における空間分解能は、スペクトルカメラ３の露光時間とは関係なく、撮像開始条件としての高度条件に基づき任意に設定することが可能である。
【００４６】
撮像条件記憶部６１３は、スペクトル画像を撮像する際の各種の撮像条件を記憶するものである。本実施形態において、撮像条件記憶部６１３には、図４に示すように、初期設定された露光時間、後述する処理によって最適化または再設定された露光時間、およびスペクトル画像として撮像するのに必要な特定の透過波長が記憶されるようになっている。前記撮像条件記憶部６１３において記憶される特定の透過波長は、必要な特定の透過波長のみを選択して記憶されている。ここで記憶される特定の透過波長は、所定の波長範囲を一定の波長間隔で特定した透過波長でもよく、不等間隔で特定した透過波長でもよい。
【００４７】
つぎに、閾値記憶部６１４には、スペクトルカメラ３を制御するための各種の閾値が記憶されている。本実施形態における閾値記憶部６１４には、図４に示すように、イメージセンサ３４が処理可能な明度の限界値である飽和限界値と、撮像するスペクトル画像にブレが生じるスペクトルカメラ３の角速度の限界値である角速度閾値と、撮像したスペクトル画像から農作物の生育等の各種情報を取得するのに必要となるＳＮ比（シグナル・ノイズ比）の限界値であるＳＮ比閾値とが記憶されている。なお、飽和限界値、ブレが生じる角速度およびＳＮ比に関する詳細情報は後述する。
【００４８】
スペクトル画像記憶部６１５には、スペクトルカメラ３によって撮像されたスペクトル画像等が記憶される。本実施形態におけるスペクトル画像記憶部６１５には、図４に示すように、前記スペクトル画像とともに、撮像時刻、撮像時におけるスペクトルカメラ３の位置情報、高度情報および姿勢情報が記憶される。なお、本実施形態におけるスペクトル画像記憶部６１５は、スペクトルカメラ制御装置６の記憶手段６１に設けられているが、これに限定されるものではなく、スペクトルカメラ３あるいは前記スペクトルカメラ制御装置６と無線通信可能な記憶装置側に備えるようにしてもよい。
【００４９】
次に、演算処理手段６２について説明する。スペクトルカメラ制御装置６における演算処理手段６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されており、記憶手段６１にインストールされたスペクトルカメラ制御プログラム６ａを実行させることにより、図４に示すように、スペクトルカメラ制御装置６としてのコンピュータを、撮像開始条件判別部６２１と、最適露光時間設定部６２２と、姿勢位置情報取得部６２３と、姿勢位置変化判別部６２４と、露光時間再設定部６２５と、スペクトル画像取得部６２６と、ＳＮ比判別部６２７と、連続撮像枚数算出部６２８と、追加スペクトル画像取得部６２９と、撮像終了判別部６３０と、波長特定信号送信部６３１として機能させるようになっている。以下、各構成部についてより詳細に説明する。
【００５０】
撮像開始条件判別部６２１は、スペクトルカメラ３による撮像開始条件を判別するように機能する。具体的には、撮像開始条件判別部６２１は、現在の時刻、姿勢位置検出器４により検出されたスペクトルカメラ３の位置情報および高度情報が撮像開始条件記憶部６１２に記憶されている撮像開始時刻、位置条件および高度条件を満たすか否かの判別処理を実行する。そして、撮像開始条件が満たされた場合、撮像開始条件判別部６２１は、スペクトルカメラ３による撮像処理を開始させるようになっている。
【００５１】
最適露光時間設定部６２２は、スペクトルカメラ３の最適な露光時間を自動的に設定するように機能する。具体的には、最適露光時間設定部６２２は、まず、撮像条件記憶部６１３に初期設定されている露光時間でスペクトル画像を１枚撮像させ、当該スペクトル画像中の最大画素値を取得する。つぎに、最適露光時間設定部６２２は、前記最大画素値が閾値記憶部６１４に記憶されている飽和限界値未満であるか否かを判別する。
【００５２】
そして、判別の結果、前記最大画素値が前記飽和限界値未満の場合、最適露光時間設定部６２２は、初期設定の露光時間を最適な露光時間として設定する。一方、前記最大画素値が前記飽和限界値以上の場合、最適露光時間設定部６２２は、露光時間を短くして再度、スペクトル画像を撮像させ、最大画素値が前記飽和限界値未満となるまで上記処理を繰り返す。そして、最大画素値が前記飽和限界値未満となったときの露光時間を最適な露光時間として撮像条件記憶部６１３に設定する。
【００５３】
ここで、最適露光時間設定部６２２による上記処理の意味について説明する。スペクトルカメラ３のイメージセンサ３４では、撮像対象から放射される光をアナログの電気信号として検出し、そのアナログの電気信号をデジタル化して画像情報としている。そのため、撮像対象から放射させる光が暗いと相対的にノイズが大きくなる。よって、露光時間を長くして十分な光を受光する必要がある。しかし、イメージセンサ３４が、処理できる限界よりも明るい光を受けた場合には前記アナログの電気信号が飽和して正確な値の信号を取得することができない。よって、最適露光時間設定部６２２は、アナログの電気信号が飽和しない範囲でできるだけ明るい画像が得られる露光時間を最適な露光時間として設定するようになっている。
【００５４】
なお、一般的に、露光時間は、撮像対象の明度、つまり分光放射輝度（Ｗ／ｍ２／ｓｒ／ｎｍ）に基づき決定される。この分光放射輝度Ｉ（λ）は、取得されるスペクトル画像の各画素に対する画素値Ｄと、Ｉ（λ）＝Ｃ（λ）×Ｄ／Ｔという関係がある。ここで、Ｃ（λ）は、波長λにおける校正係数であり、既知の光源を用いた実験によって得られる値である。よって、最適露光時間設定部６２２は、撮像対象の明度と比例関係にある画素値に基づいて、露光時間を設定するようになっている。
【００５５】
このように、本実施形態のスペクトルカメラ制御装置６は、空間分解能と別途独立にスペクトルカメラ３の露光時間を設定することができるように構成されている。
【００５６】
つぎに、姿勢位置情報取得部６２３は、姿勢位置検出器４からスペクトルカメラ３の露光時間当たりにおけるスペクトルカメラ３の姿勢変化量または位置変化量を取得するように機能する。本実施形態における姿勢位置情報取得部６２３は、姿勢センサ４２からスペクトルカメラ３の角速度を取得する。
【００５７】
姿勢位置変化判別部６２４は、飛行体１の姿勢および静止位置が、スペクトル画像にブレを生じさせる程度に変化したか否かを判別するものである。本実施形態において、姿勢位置変化判別部６２４は、姿勢位置情報取得部６２３により取得されたスペクトルカメラ３の露光時間当たりにおけるスペクトルカメラ３の姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラ３の空間分解能に基づく所定の閾値以内か否かを判別するように機能する。
【００５８】
ここで、スペクトル画像にブレが生じる要因等について説明する。本実施形態において、スペクトル画像の撮像は飛行体１の静止飛行中に行われる。しかし、静止飛行中において、飛行体１が突風等の外的要因を受けると、図５（ａ）に示すように飛行体１の姿勢変化や、図５（ｂ）に示すように静止飛行の位置変化が起こる。そして、前記飛行体１の姿勢変化または位置変化によって露光時間内に撮像対象の直下点の変化量（図５におけるＡ点からＢ点への変化量）がスペクトルカメラ３の空間分解能を超える動きをしたときに、撮像されたスペクトル画像にブレが生じることとなる。
【００５９】
また、スペクトルカメラ３は、撮像対象までの距離が長い高所から撮像するものであるため、露光時間内に撮像対象の直下点の変化量は高度に比例して増大する。したがって、露光時間をＴ、空間分解能をＸ、スペクトル画像を撮像する時におけるスペクトルカメラ３の高度をＨとすると、露光時間Ｔ当たりの角度変化がＸ／Ｈよりも大きくなると、すなわち飛行体１の角速度がＸ／（Ｈ×Ｔ）以上になると、撮像されるスペクトル画像にブレが生じる。
【００６０】
以上を踏まえ、本実施形態における姿勢位置変化判別部６２４は、姿勢位置情報取得部６２３により取得したスペクトルカメラ３の角速度と、閾値記憶部６１４に記憶されている所定の角速度閾値とを比較し、前記角速度が前記角速度閾値を超えたか否かを判別するように機能する。
【００６１】
なお、本実施形態における姿勢位置変化判別部６２４では、スペクトルカメラ３の角速度に基づきスペクトル画像にブレが生じるか否かの判別を行ったが、これに限定されるものではなく、図５（ｂ）に示すように、位置変化によるブレも生じることから、姿勢センサ４２の加速度センサから取得した位置変化率またはＧＰＳ受信機４１から取得した位置の変化量に基づきスペクトル画像のブレが生じるか否かを判別してもよい。
【００６２】
つぎに、露光時間再設定部６２５は、スペクトル画像にブレが生じないようにスペクトルカメラ３の露光時間を再設定するように機能する。具体的には、露光時間再設定部６２５は、姿勢位置変化判別部６２４によって角速度が角速度閾値を超えたと判別された場合、現在設定されている現露光時間よりも短い時間を新たな露光時間として撮像条件記憶部６１３に再設定するようになっている。
【００６３】
本実施形態における露光時間再設定部６２５は、スペクトルカメラ３の姿勢変化量として角速度を検出する姿勢センサ４２から前記スペクトルカメラ３の角速度を取得し、下記式（１）により新たな露光時間を算出するとともに、前記スペクトルカメラ３の露光時間として撮像条件記憶部６１３に記憶させて再設定する。
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
なお、飛行体１の高度Ｈは撮像開始条件記憶部６１２から取得され、空間分解能Ｘは、上記のとおり、前記高度Ｈに基づいて算出される。
【００６４】
スペクトル画像取得部６２６は、イメージセンサ３４に撮像させる撮像指令信号を前記スペクトルカメラ３に送信し、スナップショット方式で撮像されたスペクトル画像を取得するように機能する。本実施形態において、スペクトル画像取得部６２６は、図６に示すように、液晶波長可変フィルタ制御回路５により液晶波長可変フィルタ３３の透過波長が切り換えられる度に、スペクトル画像を一回撮像し、スペクトル画像記憶部６１５に保存するようになっている。
【００６５】
ＳＮ比判別部６２７は、取得されたスペクトル画像が、各種情報の取得に必要な画質を確保しているか否かを確認するため、ＳＮ比が所定のＳＮ比閾値未満か否かを判別するように機能する。そして、判別の結果、前記ＳＮ比が前記ＳＮ比閾値未満の場合のみ、スペクトル画像取得部６２６に同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させるようになっている。
【００６６】
ここで、ＳＮ比とは、信号レベル（シグナル）を雑音レベル（ノイズ）で除算した数値のことである。ただし、雑音レベルは、同じスペクトルカメラ３、同じ液晶波長可変フィルタ３３、同じレンズ構成、同じ設定条件および同じ撮像環境においてほぼ一定値を示すため、予め計測しておくことができる。よって、スペクトル画像のＳＮ比は、画素値に基づく信号レベルのみ算出すれば求めることが可能である。
【００６７】
したがって、本実施形態において、ＳＮ比判別部６２７は、撮像によって取得したスペクトル画像から信号レベルを算出し、これを予め計測した雑音レベルで除算してＳＮ比を算出する。そして、前記ＳＮ比と閾値記憶部６１４に記憶されているＳＮ比閾値とを比較するようになっている。
【００６８】
連続撮像枚数算出部６２８は、スペクトル画像の画質を向上させるために追加で撮像すべきスペクトル画像の撮像枚数を算出するものである。ＳＮ比が低いスペクトル画像であっても、画像処理によって同じ透過波長のスペクトル画像を複数枚重ね合わせることにより得られるスペクトル画像のＳＮ比が向上することが期待される。このため、連続撮像枚数算出部６２８は、ＳＮ比判別部６２７の判別処理により取得されたスペクトル画像のＳＮ比が、ＳＮ比閾値未満であると判別された場合、何枚の画像を重ね合わせればそのスペクトル画像のＳＮ比が前記ＳＮ比閾値より大きくなるかを算出するように機能する。
【００６９】
具体的には、Ｎ枚の画像を重ね合わせた場合の信号レベルはＮ倍となるのに対し、ノイズレベルは一般的に√Ｎ倍となる性質を有する。このため、Ｎ枚の画像を重ね合わせた場合のＳＮ比は（Ｎ／√Ｎ）倍、つまり、最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比の√Ｎ倍となる。よって、連続撮像枚数算出部６２８は、下記の式（２）を満たす整数値を、連続して取得すべきスペクトル画像の枚数Ｎとして算出する。
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２   ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値
【００７０】
なお、連続して取得するスペクトル画像の枚数は、上記式（２）により算出される方法に限定されるものではなく、予め定められた枚数としてもよい。
【００７１】
追加スペクトル画像取得部６２９は、スペクトル画像の画質を向上させるため、スペクトル画像を追加で取得するものである。本実施形態において、追加スペクトル画像取得部６２９は、ＳＮ比判別部６２７によって、取得されたスペクトル画像のＳＮ比がＳＮ比閾値未満と判別された場合、連続撮像枚数算出部６２８により算出された枚数Ｎから最初の１枚目を差し引いたＮ−１枚分の撮像指令信号をスペクトルカメラ３に送信し、同じ透過波長のスペクトル画像を連続して取得するようになっている。
【００７２】
具体的には、図７に示すように、追加スペクトル画像取得部６２９は、液晶波長可変フィルタ制御回路５により液晶波長可変フィルタ３３の透過波長が切り換えられる前に、スペクトル画像取得部６２６による撮像指令信号に続けて、Ｎ−１回分の撮像指令信号を前記スペクトルカメラ３に送信し、同じ透過波長のスペクトル画像をスナップショット方式で連続して取得する。
【００７３】
撮像終了判別部６３０は、スペクトル画像の撮像が終了したか否かを判別するように機能する。本実施形態において、撮像終了判別部６３０は、撮像条件記憶部６１３に記憶されている透過波長範囲と、撮像済みのスペクトル画像とを比較し、全ての波長についてスペクトル画像が撮像されたとき、撮像終了と判定するようになっている。
【００７４】
波長特定信号送信部６３１は、液晶波長可変フィルタ制御回路５に波長特定信号を送信し、液晶波長可変フィルタ３３の透過波長を切り換えるためのものである。本実施形態において、波長特定信号送信部６３１は、撮像が終了していない限り、液晶波長可変フィルタ制御回路５に波長特定信号を順次送信するように機能する。具体的には、波長特定信号送信部６３１は、撮像条件記憶部６１３に記憶されている特定の透過波長のうち、まだ撮像されていない特定の透過波長に対応する波長特定信号を予め設定された順に液晶波長可変フィルタ制御回路５に送信する。前記波長特定信号の送信は、各透過波長により撮像してスペクトル画像が取得される度に繰り返し実行され、すべての特定の透過波長によるスペクトル画像が取得されると撮像が終了するようになっている。
【００７５】
無線通信手段６３は、通信装置と無線通信を行うためのものである。無線通信手段６３は、携帯電話等の通信網や無線LAN、Wi-Fi、Bluetooth（登録商標）等の任意の無線通信方式により無線通信を行うための送受信機である。無線通信手段６３は、無線通信を介してスペクトルカメラ制御装置６の遠隔操作や各種設定、およびスペクトル画像等のデータの送受信ができるようになっている。
【００７６】
バッテリ７は、各機器に電源を供給するものであり、本実施形態では、図３に示すように、姿勢位置検出器４、スペクトルカメラ制御装置６、液晶波長可変フィルタ制御回路５およびスペクトルカメラ３のイメージセンサ３４のそれぞれに接続されており電源を供給するようになっている。なお、本実施形態におけるイメージセンサ３４のバッテリ７は、スペクトルカメラ制御装置６等と共通で使用しているが、これに限られるものではなく、スペクトルカメラ３が独自のバッテリを装備していてもよい。
【００７７】
つぎに、本実施形態のスペクトルカメラ制御装置６、スペクトルカメラ制御プログラム６ａ、スペクトルカメラ制御システム２、このシステムを搭載した飛行体１およびスペクトル画像撮像方法の作用について説明する。
【００７８】
まず、本実施形態における飛行体１が、飛行体１の制御プログラムによって予め指定された飛行経路に沿って自律飛行を行い、所定の位置および所定の高度の撮像地点まで飛行し、前記撮像地点において静止飛行を行う。このとき、スペクトル画像の空間分機能は、飛行体１の高さと比例関係にあるため、前記高さによって任意の値に制御することが可能である。
【００７９】
つぎに、スペクトルカメラ制御装置６が、図８に示すように、撮像開始条件判別部６２１によってスペクトルカメラ３が撮像開始条件を充足するか否かの判別処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、撮像開始条件記憶部６１２から撮像開始条件として撮像開始時刻、位置条件および高度条件を取得するとともに、ＧＰＳ受信機４１からスペクトルカメラ３の位置情報および高度情報を取得し、前記撮像開始条件を満たすか否かを判別する。この判別は、スペクトルカメラ３の状態がすべての撮像開始条件を満たすまで繰り返し実行される（ステップＳ１：ＮＯ）。
【００８０】
つづいて、撮像開始条件判別部６２１がすべての撮像開始条件を満たすと判別した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、最適露光時間設定部６２２が、スペクトルカメラ３の最適な露光時間を自動的に設定する（ステップＳ２）。具体的には、図９に示すように、まず、最適露光時間設定部６２２が、スペクトルカメラ３に対して初期設定された露光時間でスペクトル画像を１枚撮像させ（ステップＳ２１）、このスペクトル画像中の最大画素値を取得する（ステップＳ２２）。
【００８１】
つぎに、最適露光時間設定部６２２は、前記最大画素値が閾値記憶部６１４に記憶された飽和限界値未満か否かを判別する（ステップＳ２３）。判別の結果、前記最大画素値が前記飽和限界値以上であると判別された場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、最適露光時間設定部６２２が、露光時間を初期設定された露光時間よりも短時間に設定し、再度、スペクトルカメラ３にスペクトル画像を１枚撮像させる（ステップＳ２４）。そして、ステップＳ２２からの処理を繰り返し、最大画素値が前記飽和限界値未満であると判別された場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、最適露光時間設定部６２２が、その時点で設定されている露光時間をスペクトルカメラ３の最適露光時間に設定する。これにより、飛行中に太陽高度や雲量の変化により明るさが変化したような場合であっても、最適な露光時間での撮像が可能となる。
【００８２】
つぎに、姿勢位置情報取得部６２３が、姿勢センサ４２から角速度を取得すると（ステップＳ３）、姿勢位置変化判別部６２４が、前記角速度と閾値記憶部６１４に記憶された角速度閾値とを比較し、前記角速度が前記角速度閾値を超えたか否かを判別する（ステップＳ４）。判別の結果、スペクトルカメラ３の角速度が角速度閾値以下と判別された場合（ステップＳ４：ＮＯ）、飛行体１が安定的に静止飛行しているものとして露光時間の再設定は行わず、最適露光時間設定部６２２により設定された露光時間を前記スペクトルカメラ３の露光時間とする。
【００８３】
一方、姿勢位置変化判別部６２４が、スペクトルカメラ３の角速度が角速度閾値を超えていると判別した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、露光時間再設定部６２５が、現露光時間よりも短い時間からなる新たな露光時間に前記スペクトルカメラ３の露光時間を再設定する（ステップＳ５）。これにより、スペクトル画像にブレが生じない程度に露光時間が自動的に調整されるため、空間分解能の低下が抑制される。
【００８４】
以上のように、本実施形態のスペクトルカメラ制御装置６では、露光時間と空間分解能とを独立に設定することが可能である。このため、高い空間分解能を確保しながら、スペクトルカメラ３の姿勢変化量や位置変化量に応じて前記露光時間をリアルタイムに調整し、スペクトル画像のブレを抑制する。
【００８５】
つぎに、スペクトル画像取得部６２６が、スペクトルカメラ３に撮像指令信号を送信してスペクトル画像を取得する（ステップＳ６）。このとき、取得したスペクトル画像は、撮像時刻、位置情報、高度情報および姿勢情報とともにスペクトル画像記憶部６１５に記憶される。このため、最終的に視野を一致させるための幾何補正などの画像処理が容易になる。
【００８６】
つづいて、ＳＮ比判別部６２７が、取得されたスペクトル画像のＳＮ比がＳＮ比閾値未満か否かを判別する（ステップＳ７）。これにより、最適露光時間設定部６２２により設定された最適な露光時間が、その後、スペクトルカメラ３の姿勢変化量や位置変化量に応じて再設定された場合でも、ＳＮ比の適否が判別される。
【００８７】
上記判別の結果、取得されたスペクトル画像のＳＮ比が所定のＳＮ比閾値未満であると判別された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、連続撮像枚数算出部６２８が、上記式（２）に基づいて、重ね合わせるべきスペクトル画像の撮像枚数を算出する（ステップＳ８）。
【００８８】
そして、追加スペクトル画像取得部６２９が、連続撮像枚数算出部６２８により算出された撮像枚数に基づいて撮像指令信号を送信し、図７に示すように、同じ透過波長のスペクトル画像を連続的に取得する（ステップＳ９）。これにより、単一のスペクトル画像では、所定のＳＮ比を確保できない撮像条件下であっても、重ね合わせることで前記ＳＮ比を確保しうる枚数のスペクトル画像が取得される。
【００８９】
一方、ＳＮ比判別部６２７が、取得されたスペクトル画像のＳＮ比が前記ＳＮ比閾値以上であると判別した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、追加でスペクトル画像を取得することなく次の処理に進む（ステップＳ１０）。
【００９０】
必要数のスペクトル画像が取得されると、撮像終了判別部６３０が、スペクトル画像の撮像が終了したか否かを判別する（ステップＳ１０）。そして、判別の結果、スペクトル画像の撮像が終了していないと判別された場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、波長特定信号送信部６３１が、未撮像の波長特定信号を液晶波長可変フィルタ制御回路５に送信する（ステップＳ１１）。
【００９１】
これにより、液晶波長可変フィルタ制御回路５が、受信した波長特定信号に応じた印加電圧をスペクトルカメラ３の液晶波長可変フィルタ３３へと供給する。そして、前記液晶波長可変フィルタ３３では、印加電圧に応じて液晶素子の配向状態が制御され、波長特定信号によって特定されている透過波長への切り換えが行われる。
【００９２】
そして、波長特定信号が送信されると（ステップＳ１１）、上記ステップＳ３へと戻り、各透過波長でのスペクトル画像が取得される度に繰り返し実行される。これにより、目的に応じて必要最小限の透過波長のみのスペクトル画像を取得することにより、一連のスペクトル画像の撮像に係る時間を大幅に短縮することが可能になり、飛行体１の移動可能範囲も広げることにもなる。そして、すべての透過波長によるスペクトル画像が取得されると撮像が終了する（ステップＳ１０：ＹＥＳ）。
【００９３】
スペクトルカメラ３による撮像終了後、飛行体１は、静止飛行状態から自律飛行に変わり、次の撮像地点まで飛行する。スペクトルカメラ制御装置６は、次の撮像地点において、それまでの撮像地点において撮像した透過波長と同じ透過波長または異なる透過波長のスペクトル画像を撮像する。そして、飛行体１は、全ての撮像地点による撮像終了後、所定の場所に帰還ないし着陸する。
【００９４】
以上のような本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
１．液晶波長可変フィルタ３３を備えたスペクトルカメラ３を静止飛行可能な飛行体１に搭載してスナップショット方式で撮像させるため、スペクトル画像の空間分解能を撮像高度に応じて任意に設定することができる。
２．スペクトルカメラ３の露光時間は、スペクトルカメラ３の空間分解能に対して独立して設定でき、スペクトルカメラ３の姿勢変化量または位置変化量に基づきリアルタイムに再設定されるためスペクトル画像の空間的な歪みやブレを抑制することができる。
３．空間分解能の制御機能と、飛行体１に起因するブレの抑制機能とが独立に制御可能であるため、空間解像度の高いスペクトル画像を撮像することができる。
４．スペクトル画像として撮像対象とする全ての波長において、所定のＳＮ比を確保することができる。
５．所定のＳＮ比を確保するために必要な撮像枚数を自動的に算出することができる。
６．スナップショット方式のイメージセンサ３４や液晶波長可変フィルタ３３は、比較的軽量でかつ安価であり、市販の静止飛行可能な飛行体１に搭載することが可能であるため、製造コストを抑制でき、一般にも広く普及できる。
７．スナップショット方式の液晶波長可変フィルタ３３を静止飛行可能な飛行体１に搭載することにより、指定時刻に指定位置においてスペクトル画像を自動的に撮像することができる。
【００９５】
つぎに、本発明に係るスペクトルカメラ制御装置６、スペクトルカメラ制御プログラム６ａ、スペクトルカメラ制御システム２、このシステムを搭載した飛行体１およびスペクトル画像撮像方法の具体的な実施例について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって示される特徴に限定されるものではない。
【実施例１】
【００９６】
実施例１では、液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラを、マルチコプタ型のドローンに搭載し、スペクトル画像を撮像した。【００９７】
スペクトルカメラは、図１０に示すように、対角視野角が約９０度のレンズを備えている。イメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサであり、６５９×４９４の画素数を有している。飛行体は、高度約１２０ｍに静止飛行させた。このとき、地上に投影した視野の大きさは１９２ｍ×１４４ｍである。また、イメージセンサの１画素は１辺が約０．２２ｍに相当する。つまり、本実施例１におけるスペクトルカメラの空間分解能は約０．２２ｍである。【００９８】
本実施例１における撮像は、４６０ｎｍから７８０ｎｍまで、１０ｎｍ間隔で３３透過波長に対して行った。撮像に係る諸元は下記表１の通りである。
（表１）
2017179378.tif 000003
【００９９】
つぎに、撮像されたスペクトル画像の応用例として、取得された３３個の透過波長のスペクトル画像うち、２つ透過波長のスペクトル画像から正規化植生指数（ＮＤＶＩ）を算出した。図１１は、正規化植生指数の数値を色の濃淡で表したカラーマップである。この図１１において、指数の値が１に近いほど（色の濃淡が白いほど）、植生が濃いことを示している。このように、スペクトル画像により、植生の育成状態を定量的に評価できる。【０１００】
以上より、本実施例１によれば、約１００ｍの高度からスペクトル画像を撮像することにより、約２０ｃｍの空間分解能で詳細なスペクトル情報が得られることが示された。
【実施例２】
【０１０１】
実施例２では、本発明によって、スペクトル画像のブレが抑制されることを確認する実験を行った。具体的には、露光時間を２０ｍｓと５０ｍｓに設定してスペクトル画像を撮像するとともに、姿勢センサによりスペクトルカメラの角速度の測定を行った。その他の撮像に係る諸元は実施例１と同じである。【０１０２】
図１２は、露光時間を２０ｍｓとした場合に得られたスペクトル画像である。この図１２に示すように、取得されたスペクトル画像では、中央や左側に撮像された建物および生い茂る植物をはっきり視認することができる。【０１０３】
一方、図１３は、露光時間を５０ｍｓとした場合に得られたスペクトル画像であるが、図１２とは異なり、建物および植物がぼやけておりスペクトル画像のブレが生じているのが見て取れる。【０１０４】
そこで、各々の露光時間に基づき、ブレを生じさせずに空間分解能を保てる角速度について算出した。具体的には、露光時間をＴ、空間分解能をＸ、スペクトル画像を撮像した時におけるスペクトルカメラの高度をＨとして、角速度Ω＝Ｘ／（Ｈ×Ｔ）を算出した。その結果、露光時間２０ｍｓにおけるブレが生じない角速度Ωは、
Ω＝０．２２／（１２０×０．０２）＝０．０９２ｒａｄ／ｓｅｃであった。
同様に、露光時間５０ｍｓにおけるブレが生じない角速度Ωは、
Ω＝０．２２／（１２０×０．０５）＝０．０３７ｒａｄ／ｓｅｃであった。【０１０５】
一方、姿勢センサにより計測されたスペクトルカメラの角速度は、風の影響により約０．０８７ｒａｄ／ｓｅｃであった。【０１０６】
つまり、スペクトルカメラの角速度約０．０８７ｒａｄ／ｓｅｃは、露光時間２０ｍｓにおけるブレが生じない角速度Ω＝０．０９２ｒａｄ／ｓｅｃよりも遅かった。よって、露光時間２０ｍｓで撮像されたスペクトル画像にはブレが生じなかった。【０１０７】
それに対し、スペクトルカメラの角速度約０．０８７ｒａｄ／ｓｅｃは、露光時間５０ｍｓにおけるブレが生じない角速度Ω＝０．０３７ｒａｄ／ｓｅｃよりも速かった。よって、露光時間５０ｍｓで撮像されたスペクトル画像にはブレが生じたものと考えられる。【０１０８】
以上より、本実施例２によれば、スペクトル画像のブレが抑制されること、およびスペクトル画像のブレを抑制するためには、スペクトルカメラの角速度に基づき、ブレが生じないように露光時間を設定してスペクトルカメラを制御することが有効であることが示された。
【実施例３】
【０１０９】
実施例３では、撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定のＳＮ比閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像し、それらのスペクトル画像を重ね合わせることで前記ＳＮ比閾値以上のＳＮ比のスペクトル画像が得られることを確認する実験を行った。【０１１０】
スペクトル画像は、実施例１で用いたマルチコプタ型のドローンに搭載したスペクトルカメラにより撮像した。このとき、撮像時の露光時間は１０ｍｓであり、液晶波長可変フィルタによる透過波長は ６５０ｎｍであった。【０１１１】
図１４は、上記条件により撮像された１枚目のスペクトル画像の一部を拡大したものである。この１枚目のスペクトル画像におけるＳＮ比はＳＮ１＝２７．３であった。そこで、ＳＮ比閾値をＳＮｔ＝４０とし、上記式（２）を用いて同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を算出した。その結果、式（２）はＮ＞２．２となり、必要なスペクトル画像の枚数は３枚であることが算出された。【０１１２】
そこで、１枚目のスペクトル画像を含む連続して撮像された３枚のスペクトル画像の重ね合わせを行った。図１５は、連続する３枚のスペクトル画像を重ね合わせたスペクトル画像である。【０１１３】
図１４のスペクトル画像は全体的にざらついているように見える。一方、図１５のスペクトル画像は、ざらつきが減ってコントラストがより明瞭に見えており、ノイズが少なくなったことがわかる。また、図１５に示すスペクトル画像のＳＮ比は４０．５であり、連続する３枚のスペクトル画像を重ね合わせることでＳＮ比閾値４０を超えるＳＮ比のスペクトル画像を得ることができた。【０１１４】
以上より、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像し、それらのスペクトル画像を重ね合わせることでスペクトル画像のＳＮ比を向上させることができた。また、上記式（２）が、最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比からＳＮ比閾値を超えるＳＮ比のスペクトル画像を得るために必要となる撮像枚数を算出する手段として有効であることが示された。【０１１５】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、露光時間再設定部６２５において、式（１）により算出する際に用いられる飛行体の高度値は、位置姿勢検出器により実測された値を用いてもよい。また、各種閾値の設定、各信号の送信等は、通信装置から無線通信手段６３を介して行ってもよい。
【符号の説明】
【０１１６】
１  飛行体
２  スペクトルカメラ制御システム
３  スペクトルカメラ
４  姿勢位置検出器
５  液晶波長可変フィルタ制御回路
６  スペクトルカメラ制御装置
６ａ  スペクトルカメラ制御プログラム
７  バッテリ
３１  レンズ群
３２  偏光解消板
３３  液晶波長可変フィルタ
３４  イメージセンサ
４１  ＧＰＳ受信機
４２  姿勢センサ
６１  記憶手段
６２  演算処理手段
６３  無線通信手段
３１１  入光レンズ
３１２  集光レンズ
６１１  プログラム記憶部
６１２  撮像開始条件記憶部
６１３  撮像条件記憶部
６１４  閾値記憶部
６１５  スペクトル画像記憶部
６２１  撮像開始条件判別部
６２２  最適露光時間設定部
６２３  姿勢位置情報取得部
６２４  姿勢位置変化判別部
６２５  露光時間再設定部
６２６  スペクトル画像取得部
６２７  ＳＮ比判別部
６２８  連続撮像枚数算出部
６２９  追加スペクトル画像取得部
６３０  撮像終了判別部
６３１  波長特定信号送信部
【図１】
2017179378.tif 000004
【図２】
2017179378.tif 000005
【図３】
2017179378.tif 000006
【図４】
2017179378.tif 000007
【図５】
2017179378.tif 000008
【図６】
2017179378.tif 000009
【図７】
2017179378.tif 000010
【図８】
2017179378.tif 000011
【図９】
2017179378.tif 000012
【図１０】
2017179378.tif 000013
【図１１】
2017179378.tif 000014
【図１２】
2017179378.tif 000015
【図１３】
2017179378.tif 000016
【図１４】
2017179378.tif 000017
【図１５】
2017179378.tif 000018
【図１６】
2017179378.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月22日(2017.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトルカメラ制御装置であって、
前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定する、前記スペクトルカメラ制御装置。
【請求項２】
姿勢センサから前記スペクトルカメラの角速度を取得し、前記露光時間を下記の式（１）により算出する、請求項１に記載のスペクトルカメラ制御装置；
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
【請求項３】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトルカメラ制御装置であって、
撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させる、前記スペクトルカメラ制御装置。
【請求項４】
同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を下記式（２）により算出する、請求項３に記載のスペクトルカメラ制御装置；
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２  ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のスペクトルカメラ制御装置と、このスペクトルカメラ制御装置により制御されるスペクトルカメラとを備えた、スペクトルカメラ制御システム。
【請求項６】
請求項５に記載のスペクトルカメラ制御システムを搭載した、静止飛行可能な飛行体。
【請求項７】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させるスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、スペクトルカメラ制御プログラムであって、
前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、前記スペクトルカメラ制御プログラム。
【請求項８】
姿勢センサから前記スペクトルカメラの角速度を取得し、前記露光時間を下記の式（１）により算出するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項７に記載のスペクトルカメラ制御プログラム；
Ｔ＜Ｘ／（Ｈ×Ω）  ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｔ：露光時間（ｓｅｃ）
Ｘ：空間分解能（ｍ）
Ｈ：飛行体の高度（ｍ）
Ω：スペクトルカメラの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）
【請求項９】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されており、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させるスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、スペクトルカメラ制御プログラムであって、
撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させるスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、前記スペクトルカメラ制御プログラム。
【請求項１０】
同じ透過波長で連続して撮像するスペクトル画像の枚数を下記式（２）により算出するスペクトルカメラ制御装置としてコンピュータを機能させる、請求項９に記載のスペクトルカメラ制御プログラム；
Ｎ＞（ＳＮｔ／ＳＮ１）２  ・・・式（２）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：撮像するスペクトル画像の枚数
ＳＮ１：最初の１枚目のスペクトル画像のＳＮ比
ＳＮｔ：ＳＮ比閾値
【請求項１１】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されたスペクトルカメラ制御装置を用いて、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトル画像撮像方法であって、
前記スペクトルカメラにおける露光時間当たりの前記スペクトルカメラの姿勢変化量または位置変化量のうち少なくともいずれかが、前記スペクトルカメラの空間分解能に基づく所定の閾値を超えた場合に、前記スペクトルカメラの露光時間を現露光時間よりも短い時間に設定する、前記スペクトル画像撮像方法。
【請求項１２】
静止飛行可能な飛行体に液晶波長可変フィルタを備えたスペクトルカメラとともに搭載されたスペクトルカメラ制御装置を用いて、前記飛行体の静止飛行中において前記液晶波長可変フィルタの透過波長を切り換える度に前記スペクトルカメラにスナップショット方式で撮像させる、スペクトル画像撮像方法であって、
撮像されたスペクトル画像のＳＮ比が所定の閾値未満の場合に、同じ透過波長で複数枚のスペクトル画像を連続して撮像させる、前記スペクトル画像撮像方法。
【国際調査報告】
2017179378.tif 000020
2017179378.tif 000021
2017179378.tif 000022
2017179378.tif 000023