(57)【要約】  単一のＳＡＲ画像のみの解析により、レーダアンテナが揺動する場合でも、入射角を考慮せずに構造物の高さが算出できるように、観測対象物の前倒し歪み量を取得して出力する前倒し歪み量取得部と、観測対象物のレーダシャドウ長を取得して出力するレーダシャドウ長取得部と、前倒し歪み量をＦＴ３、レーダシャドウ長をＦＳ、観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、2017126547.tif 000013に従い観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する構造物高さ算出部と、を備える。
2017126547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影したＳＡＲ画像データに含まれる前記観測対象物の高さを計測する画像処理装置であって、
前記観測対象物の前倒し歪み量を取得して出力する前倒し歪み量取得手段と、
前記観測対象物のレーダシャドウ長を取得して出力するレーダシャドウ長取得手段と、
前記前倒し歪み量をＦＴ３、前記レーダシャドウ長をＦＳ、前記観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000010
に従い前記観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する構造物高さ算出手段と、
を備えることを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影したＳＡＲ画像データに含まれる前記観測対象物の高さを計測する画像処理方法であって、
前記観測対象物の前倒し歪み量を取得し、
前記観測対象物のレーダシャドウ長を取得し、
前記前倒し歪み量をＦＴ３、前記レーダシャドウ長をＦＳ、前記観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000011
に従い前記観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する、
ことを特徴とする画像処理方法。
【請求項３】
合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影した画像データを入力とし、前記観測対象物の高さを計測する画像処理プログラムであって、コンピュータに
前記観測対象物の前倒し歪み量を取得する処理と、
前記観測対象物のレーダシャドウ長を取得する処理と、
前記前倒し歪み量をＦＴ３、前記レーダシャドウ長をＦＳ、前記観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000012
に従い前記観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する処理と、
を実行させる画像処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
合成開口レーダ（ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｒａｄａｒ）は、地表や構造物（樹木、ビル、家屋等の地表上の物体を含む）のリモートセンシングに用いられるアクティブセンシングレーダである。ＳＡＲは、電波を送信してから、物体に当たって戻ってくるまでの時間を計測することで、地表や構造物のセンシングを行う。【０００３】
このようなＳＡＲを用いて広範囲にリモートセンシングすることにより構造物の高さが計測できるという特徴は、市街地の三次元マップ作成などにも有効である。一般に、電波の複素振幅を画像化したものをＳＡＲ画像と呼ぶ。ＳＡＲ画像は、可視光をセンシングして得られる画像と類似した画像である。しかし、ＳＡＲは、夜間のセンシングや雲を透過してのセンシングのような可視光センサでは不可能なセンシングが行える特徴がある。【０００４】
しかし、ＳＡＲ画像にはフォアショートニングやレイオーバなどの前倒し歪みが含まれる問題点もある。【０００５】
この問題点を、図４を参照して説明する。なお、図４は、ＳＡＲの主要要素であるレーダアンテナと、構造物との幾何学的関係を示した図である。図中、点Ｒはレーダアンテナの位置、距離Ｈはレーダアンテナの高度である。また、点Ｔ１は構造物の上端位置、点Ｆは構造物の下端位置、点Ｓは半直線ＲＴ１と地表との交点位置である。さらに、点Ｔ２は、半直線ＲＴ１を半径Ｒｇとする円弧が地表との交わる点の位置である。ここで、レーダアンテナを搭載した飛翔体（衛星、飛行機等）の進行方向は、図４の紙面を垂直に貫く方向とする。ＳＡＲでは、電波はレーダアンテナから必ず斜め下方向に送信されなくてはならないという性質がある。【０００６】
このような系で、レーダアンテナから地表に向けて電波を送信すると、電波は地表や構造物で反射されて、レーダアンテナで受信される。そこで、電波の送信から受信までの時間を計測し、この計測時間を用いて地上までの距離を算出することで、地形データが得られる。【０００７】
このとき、電波は地表で反射されていると仮定して、距離の算出を行っている。しかし、高さを持つ構造物で反射された電波の光路長（図４においてＲＴ１）は、地表で反射された電波の光路長（図４においてＲＳ）より短くなる。このことは、構造物の上端位置Ｔ１は、この上端位置Ｔ１と同じ光路長にある地表上の点Ｔ２と区別することができないことを意味する。この結果、ＳＡＲ画像では、上端位置Ｔ１が点Ｔ２に倒れ込んだように見える。この現象が、前倒し歪みである。そして、構造物の陰になって電波が当たらない領域（図４において、点Ｆと点Ｓの間の領域）は、レーダシャドウと呼ばれ、ＳＡＲ画像中では輝度値が低くなって現れる。【０００８】
このような背景の下で、特許文献１には、ＳＡＲ画像中に写り込んだ構造物の高さを計測する手法が開示されている。即ち、特許文献１においては、ＳＡＲ画像中における構造物の前倒し歪み量をｄ、レーダの高度をＨ、レーダから構造物までの距離をＲｇ、及び、レーダ観測電波のオフナディア角をθ（鉛直下向き方向とレーダ送信方向がなす角）として、これらを式１に適用することで、構造物の高さＺを算出している。
2017126547.tif 000003
【０００９】
図５は、特許文献１に記載されている画像処理装置１のブロック図である。画像処理装置１は、画像読込部１０１、前倒し歪み量取得部１０２、構造物高さ算出部１０３を備える。外部装置２は、例えばハードディスクなどの記憶装置であり、画像処理装置１へＳＡＲ画像のデータと、レーダアンテナの高度、レーダアンテナから対象の構造物までの距離のデータを供給する。画像読込部１０１は、外部装置２より供給されたＳＡＲ画像のデータを画像として読み込む。前倒し歪み量取得部１０２は、外部装置２より転送されてきたＳＡＲ画像における構造物のレンジ方向（レーダアンテナの移動方向に垂直の方向かつ水平方向で、例えば図４の矢印Ｋを含む水平面）長さを前倒し歪み量として取得する。この前倒し歪み量の取得手法として、例えば非特許文献１に提案されているような、電波の位相情報を用い、干渉画像から検出する手法が適用できる。構造物高さ算出部１０３は式１に従い構造物の高さＺを算出する。【００１０】
また、特許文献２には、同一方向からスクイント角を変えて撮像を行うことで得た、同一箇所を撮像した２枚以上のＳＡＲ画像を入力画像として用い、ＳＡＲ画像の３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）形状の推定を行う、ＳＡＲ画像の３Ｄ形状算出装置及びＳＡＲ画像の歪補正装置が記載されている。特許文献２のＳＡＲ画像の歪み補正システム３を説明する。図６は特許文献２にかかるＳＡＲ画像の歪み補正システム３の構成図である。【００１１】
ＳＡＲ画像の歪み補正システム３は、形状推定処理部３０１、歪補正処理部３０３を備える。まず、形状推定処理部３０１にＳＡＲ画像４、ＳＡＲ画像５、ＧＣＰ（Ｇｒｏｕｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｏｉｎｔ）データ６が入力される。そして、形状推定処理部３０１は、入力されたＳＡＲ画像に撮像された箇所の３Ｄ形状データ３０２を生成し、この３Ｄ形状データ３０２、ＳＡＲ画像４、及び、ＳＡＲ画像５が歪補正処理部３０３に出力される。歪補正処理部３０３は、これらのデータに基づき歪補正画像７を出力する。【００１２】
特許文献２のＳＡＲ画像４とＳＡＲ画像５とからは、レーダアンテナの位置情報や各画素の地図情報が取得できる。なお、ＧＣＰデータ６は、地図データ等から取得した位置、高度のデータである。
また特許文献３には、撮像装置で得た映像における監視目標物の見かけの大きさから目標の高さ情報を求めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１１４１０１号公報
【特許文献２】特開２００８−１８５３７５号公報
【特許文献３】特開平１０−１７０６４６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】リュウ・ウェン、鈴木賢太郎、山崎文雄、笹川正、“TerraＳＡＲ-X干渉画像を用いた高層建物の高さ抽出”、日本リモートセンシング学会第58回学術講演会、2015年6月、pp.77-78
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１の画像処理装置は、ＳＡＲ画像中から構造物のレイオーバを検出し、既知である電波の入射角（ある地点における、地表の垂線と電波の入射方向とがなす角度）から構造物の高さを計測している。【００１６】
しかし、地球の丸みやレーダアンテナからの距離などの要因によって、電波の入射角は入射地点によって異なる。これを図７で説明する。なお、図７はレーダアンテナの位置と入射角との幾何学的関係を表した図である。【００１７】
点Ｒはレーダアンテナの位置であり、電波は地表に向かって送信される。電波は、ある程度の拡散性を持つために、地表の点Ｐ１から点Ｐ２の領域に入射する。図中破線は、点Ｐ１と点Ｐ２とにおける地表に対する垂線である。【００１８】
また、φは、点Rから地表への垂線と直線ＲＰ２とのなす角であり、このφはオフナディア角と呼ばれる。θ１とθ２とは、それぞれＰ１とＰ２との地点におけるレーダの入射角を表す。地球の丸みやレーダアンテナからの距離などの要因により、入射角は地点によって異なり、図７の場合はθ１＜θ２となる。入射角は、レーダ高度や飛翔体の軌跡情報などを別途保持し、これらを用いて逐次算出する必要があるが、飛翔体が揺動する場合には算出が困難となる。【００１９】
特許文献２では、ＳＡＲ画像中の歪み（フォアショートニング、レイオーバ）を用いて３Ｄ形状の算出を行っている。しかし、特許文献２は入力した複数のＳＡＲ画像間の歪み量の差を用いて歪み補正を行うものであり、単一のＳＡＲ画像の歪み量だけでは歪み補正が行えない。このため、歪み補正には多くの情報が必要になるとともに、歪み補正処理の演算負荷が増大する問題があった。【００２０】
そこで、本発明の主目的は、単一のＳＡＲ画像のみの解析により、レーダアンテナが揺動する場合でも、入射角を考慮せずに構造物の高さが算出できる画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影したＳＡＲ画像データに含まれる観測対象物の高さを計測する画像処理装置にかかる発明は、観測対象物の前倒し歪み量を取得して出力する前倒し歪み量取得部と、観測対象物のレーダシャドウ長を取得して出力するレーダシャドウ長取得部と、前倒し歪み量をＦＴ３、レーダシャドウ長をＦＳ、観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000004
に従い観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する構造物高さ算出部と、を備える、ことを特徴とする。【００２２】
また、合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影したＳＡＲ画像データに含まれる観測対象物の高さを計測する画像処理方法にかかる発明は、観測対象物の前倒し歪み量を取得し、観測対象物のレーダシャドウ長を取得し、前倒し歪み量をＦＴ３、レーダシャドウ長をＦＳ、観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000005
に従い観測対象物の高さＴ１Ｆを算出する、ことを特徴とする。【００２３】
さらに、合成開口レーダを用いて観測対象物を撮影した画像データを入力とし、観測対象物の高さを計測する画像処理プログラムにかかる発明は、観測対象物の前倒し歪み量を取得するステップと、観測対象物のレーダシャドウ長を取得するステップと、前倒し歪み量をＦＴ３、レーダシャドウ長をＦＳ、観測対象物の高さをＴ１Ｆとして、
2017126547.tif 000006
に従い観測対象物の高さＴ１Ｆを算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、単一のＳＡＲ画像のみの解析により、レーダアンテナが揺動する場合でも、入射角を考慮せずに構造物の高さが算出できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は本発明に依る実施の形態の構成図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態の画像処理方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、図４中の弧Ｔ１Ｔ２が直線であると近似した場合のレーダアンテナと構造物の幾何関係を示した図である。
【図４】図４はレーダアンテナと構造物の幾何関係を示した図である。
【図５】図５は公知技術（特許文献１）の構成図である。
【図６】図６は公知技術（特許文献２）の構成図である。
【図７】図７はレーダアンテナの位置と入射角・オフナディア角の幾何関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
先ず、本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明にかかる構造物（観測対象物）の高さ算出原理を説明する。図４を参照すれば、地表が水平で、かつ、平面であるという仮定の下で、前倒し歪み量ＦＴ２から構造物の高さＴ１Ｆを求めるためには、レーダアンテナの高度、オフナディア角が必要となる。
【００２７】
レーダアンテナの高度をＨ、レーダアンテナからＴ１までの距離をＲｇ、オフナディア角をφ、レーダアンテナから距離Ｒｇの位置にあり、かつ、地表上にある点をＴ2とすると、構造物の高さｈ（＝Ｔ１Ｆ）は、式２により算出できる。
2017126547.tif 000007
【００２８】
ところで、通常レーダアンテナは、構造物の高さと比べてはるか上空を飛行している。このため、円弧Ｔ１Ｔ２は図３に示すように電波に垂直な直線として近似することが可能である。ここで、Ｔ３は電波に垂直な直線と地表の交点を表している。
【００２９】
なお、図３は、図４中の円弧Ｔ１Ｔ２が直線であると近似した場合のレーダアンテナと構造物の幾何関係を示した図である。
【００３０】
円弧Ｔ１Ｔ２を直線に近似した場合、ＳＡＲ画像中の前倒し歪み量ＦＴ３、レーダシャドウ長ＦＳ、構造物の高さｈ（＝Ｔ１Ｆ）の間には、式３が成り立つ。この式３を構造物の高さｈ（＝Ｔ１Ｆ）について解くと、式４が得られる。式４にはＳＡＲ画像中から抽出可能な情報（前倒し量ＦＴ３、レーダシャドウ長ＦＳ）以外の情報は含まれない。即ち、構造物の高さｈ（＝Ｔ１Ｆ）は、前倒し歪み量ＦＴ３、レーダシャドウ長ＦＳだけから算出できることを示している。
2017126547.tif 000008
2017126547.tif 000009
【００３１】
ここで、式４と、式２との相対誤差δを検証する。
【００３２】
一般に、レーダアンテナを搭載した飛翔体の高度は３０００ｍ〜１２０００ｍであり、オフナディア角は３５度〜４５度の値である。そこで、高度Ｈ＝６０００ｍ、オフナディア角φ＝４０度、Ｔ１Ｆ＝１００ｍの場合の相対誤差を求めると、約１．０％となり、式４は実用上十分に利用可能な精度を持つことが分かる。
【００３３】
このような原理に基づく本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる画像処理装置８のブロック図である。画像処理装置８は、画像読込部８０１、前倒し歪み量取得部８０２、レーダシャドウ長取得部８０３、構造物高さ算出部８０４、制御部８０５を備える。
【００３４】
なお、外部装置９はメモリやハードディスク等のデータ記憶手段であり、構造物が写ったＳＡＲ画像のデータ（ＳＡＲ画像データ）を記憶している。制御部８０５は、前倒し歪み量取得部８０２、レーダシャドウ長取得部８０３を後述するように制御する。
【００３５】
以下、各要素を図２に示すフローチャートに従い詳細に説明する。なお、図２は、本発明の実施の形態の画像処理方法を示すフローチャートである。
【００３６】
画像読込部８０１は、外部装置９より供給されたＳＡＲ画像データを読み込み、前倒し歪み量取得部８０２、及び、レーダシャドウ長取得部８０３に出力する。
【００３７】
ステップＳ１：  そこで、前倒し歪み量取得部８０２は、制御部８０５からの動作指示に応じて、ＳＡＲ画像データから、このＳＡＲ画像データに含まれる構造物のレンジ方向の長さを前倒し歪み量として取得する。ＳＡＲ画像中における構造物の前倒し歪み量を取得する手法として、非特許文献１に記載された方法が適用できる。即ち、構造物の壁面では電波の反射が弱いため安定した干渉が見られる。画像は複数の画素が並んで構成されている。そして、干渉が生じると、隣接する画素（ピクセル）間での位相差が発生する。そこで、この位相差と干渉縞の長さとを検出して前倒し歪み量を取得する。取得された前倒し歪み量は、構造物高さ算出部８０４に出力される。
【００３８】
ステップＳ２：  一方、レーダシャドウ長取得部８０３は、制御部８０５からの動作指示に応じて、ＳＡＲ画像データから構造物のレンジ方向のレーダシャドウ長を取得する。そして、取得したレーダシャドウ長を、構造物高さ算出部８０４に出力する。ＳＡＲ画像における、構造物のレンジ方向のレーダシャドウ長を取得する手法の例としては、レーダシャドウは他の箇所と比べ輝度値が低いため適当な値で閾値処理する方法が適用できる。
【００３９】
ステップＳ３：  構造物高さ算出部８０４には、前倒し歪み量取得部８０２から前倒し歪み量、レーダシャドウ長取得部８０３からレーダシャドウ長が入力している。そこで、構造物高さ算出部８０４は、これら前倒し歪み量、レーダシャドウ長を式４に適用して構造物高さを算出する。
【００４０】
以上説明したように、地表を平面と近似し、かつ、円弧Ｔ１Ｔ２を電波に垂直な直線と近似したことにより、前倒し歪み量とレーダシャドウ長のみから、一意的に構造物の高さを算出することが可能となったため、入射角を考慮する必要がなくなる。
【００４１】
また、レーダアンテナを搭載した飛翔体の揺動によってレーダアンテナの高度やオフナディア角が不正確であったり、あるいは、レーダアンテナの高度やオフナディア角が未知となったりする場合がある。そのような場合でも、１枚のＳＡＲ画像のみから構造物の高さが計測できるようになる。
【００４２】
なお、ステップＳ１とステップＳ２とは順不同であり、直列処理でも構わないし、図２のように並列処理でも構わない。
【００４３】
また、上記画像処理方法は、コンピュータで実行できるようにプログラム化することも可能であり、またこのプログラムを情報記録媒体に記録することも可能である。
【００４４】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００４５】
この出願は、２０１６年１月２２日に出願された日本出願特願２０１６−０１０４３４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
ＳＡＲ画像を用いた市街地の三次元マップ作成への利用などが考えられる。
【符号の説明】
【００４７】
８    画像処理装置
９    外部装置
８０１    画像読込部
８０２    前倒し歪み量取得部
８０３    レーダシャドウ長取得部
８０４    構造物高さ算出部
８０５    制御部
【図１】
2017126547.tif 000014
【図２】
2017126547.tif 000015
【図３】
2017126547.tif 000016
【図４】
2017126547.tif 000017
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2017126547.tif 000021
2017126547.tif 000022
2017126547.tif 000023
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