(57)【要約】 【課題】解像度１２００万画素程度のカメラを搭載したＵＡＶを使用した上空撮影による平面写真を用いた場合でも、精度のよい工事管理に供される三次元測量写真を作成することのできる、三次元測量写真の作成方法を提供すること。【解決手段】工事現場において、所定の間隔で三次元座標を有する複数の基準点Ｓを設置し、カメラ３を搭載したＵＡＶ１０(マルチコプター)を飛行させ、共通ポイントＰを含む複数の異なる平面写真を上空から撮影し、これを複数の共通ポイントＰごとに実施し、それぞれの共通ポイントＰごとに、共通ポイントＰを含む複数の平面写真を対応する共通ポイントＰを一致させながら重ね合わせ、基準点Ｓの三次元情報に基づく工事現場の高さ情報を備えた平面合成写真を作成し、これを三次元測量写真とする、三次元測量写真の作成方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工事現場において、所定の間隔で三次元座標を有する複数の基準点を設置し、
カメラを搭載したＵＡＶ(マルチコプター)を飛行させ、共通ポイントを含む複数の異なる平面写真を上空から撮影し、これを複数の共通ポイントごとに実施し、
それぞれの共通ポイントごとに、共通ポイントを含む複数の平面写真を対応する共通ポイントを一致させながら重ね合わせ、基準点の三次元情報に基づく工事現場の三次元情報を備えた平面合成写真を作成し、これを三次元測量写真とする、三次元測量写真の作成方法。
【請求項２】
工事現場で使用される整地用機器の走行装置として用いられるクローラによって発生する圧接痕の高さを許容誤差として、共通ポイントを有する複数の平面写真の重ね合わせ枚数、隣接する基準点間距離、飛行高度、およびカメラの画素数を設定する請求項１に記載の三次元測量写真の作成方法。
【請求項３】
共通ポイントを有する複数の平面写真の重ね合わせにおいて、９枚以上の平面写真を重ね合わせる請求項１または２に記載の三次元測量写真の作成方法。
【請求項４】
隣接する基準点間距離が１００ｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の三次元測量写真の作成方法。
【請求項５】
ＵＡＶの飛行高度が４０ｍ±４ｍの範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の三次元測量写真の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラを搭載したＵＡＶ(マルチコプター)によって撮影された平面写真を用いた、三次元測量写真の作成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、三次元の物体を複数の観測点から撮影し、二次元画像の特異点の視差情報を解析して点群座標（ｘ、ｙ、ｚ）を求め、三次元測量写真を作成する、写真測量技術が開発されている。
【０００３】
この方法では、全ての点群座標を繋ぐことにより、面情報（サーフェイス）が作成される。
【０００４】
上記写真測量技術において、従来は、デジタルカメラを搭載した高価な地形測量用のＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle：マルチコプター）を使用して上空からの撮影がおこなわれていた。
【０００５】
このデジタルカメラを搭載したＵＡＶは、その導入費用が１０００万円程度と高価であり、たとえば土工事をおこなう建設現場では、その価格が導入の障害となっていた。ＵＡＶが高価になる理由として、搭載するカメラがたとえば望遠性能を備えているデジタルカメラ等であることから、搭載重量が重くなり、これを支えるＵＡＶ本体も重くなり、重くなった機体を飛行させるプロペラも大型化することなどが挙げられる。
【０００６】
したがって、実際の土工事における土工量管理（盛土量（盛土高）の管理や切土量（切土高）の管理）では、高価なＵＡＶを所有する専門測量業者に上空撮影の依頼をおこない、撮影された上空写真を合成して三次元測量写真を作成し、逐次変化する土工量管理をおこなっていた。
【０００７】
そのため、専門測量業者による上空撮影に時間を要し、撮影された上空写真を合成して三次元測量写真が作成され、作成された三次元測量写真を点群データ化して三次元測量モデルが作成されるまでに多くの時間を要していた。さらに、三次元測量写真や三次元測量モデルの作成費用も割高となっていた。
【０００８】
そこで、解像度が１２００万画素程度で軽量なカメラを搭載した、せいぜい３０万円程度の安価なＵＡＶが開発されている。価格が安価であることから工事現場でもＵＡＶを直接購入することが可能になる。また、工事現場自身が所有するＵＡＶを使用することから、これを所望のタイミングで飛行させて上空撮影をおこなうことができ、撮影された平面写真を現場にて即座に合成して三次元測量写真や三次元測量モデルを作成できることから、三次元測量写真、三次元測量モデルの作成までの時間が格段に短縮される。
【０００９】
しかしながら、解像度１２００万画素程度のカメラを使用した上空撮影による平面写真は写真精度に問題があり、作成された三次元測量写真も土工量を精度よく特定できるものとなり難いといった問題がある。
【００１０】
実際に、土工事における土工量管理において、土工量の高さの誤差はせいぜい±１０ｃｍ程度の範囲である。この±１０ｃｍは、土工事において土を敷き並べる重機のクローラによって形成される土表面の凹凸や大型のタイヤなどによって発生するタイヤ痕が１０ｃｍ程度であることから、これらクローラによって形成される土表面の凹凸やタイヤ痕の高低を許容誤差としたものである。
【００１１】
本発明者が検証した結果、上記する解像度１２００万画素程度のカメラを使用した安価なＵＡＶにて撮影された平面写真に基づく三次元測量写真では、土工量の高さ誤差が最大で１ｍ程度にも及んでしまうことが分かっており、このような誤差を内在した測量写真は土工量管理には到底使用することはできない。
【００１２】
ここで、公開技術に目を向けると、特許文献１には、測定対象物表面の多数の測定点の三次元座標を求める光学式測定方法が開示されている。具体的には、測定対象物表面に、複数の異なるパターンから成るパターンシーケンスを投影器によって照射し、パターンシーケンスが照射された測定対象物表面の画像シーケンスをカメラシステムによって撮影し、画像シーケンスを評価することによって測定点の三次元座標を求めるものである。少なくとも画像シーケンスの個別画像の露光時間中に、少なくとも投影器、カメラシステムおよび／または測定対象物の並進加速度および／または回転加速度を、画像シーケンスの各個別画像の露光時間中に、それぞれ複数の値、殊に多数の値が加速度に対して検出される測定レートで測定する。このことにより、画像シーケンスの各個別画像の露光時間中に生じる、画像シーケンスの各個別画像内でぶれおよび／またはモーションブラーを引き起こす、投影器、カメラシステムおよび／または測定対象物の運動を、測定された加速度に基づいてアルゴリズムを用いて三次元座標の特定時に考慮することができるというものである。
【００１３】
しかしながら、この光学式測定方法によっても、上記する課題、すなわち、解像度１２００万画素程度のカメラを搭載したＵＡＶを使用した上空撮影による平面写真を用いた場合でも、精度のよい工事管理に供される三次元測量写真を作成するといった課題を解消することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表２０１３−５３１２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、解像度１２００万画素程度のカメラを搭載したＵＡＶを使用した上空撮影による平面写真を用いた場合でも、精度のよい工事管理に供される三次元測量写真を作成することのできる、三次元測量写真の作成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】
【００１６】
前記目的を達成すべく、本発明による三次元測量写真の作成方法は、工事現場において、所定の間隔で三次元座標を有する複数の基準点を設置し、カメラを搭載したＵＡＶ(マルチコプター)を飛行させ、共通ポイントを含む複数の異なる平面写真を上空から撮影し、これを複数の共通ポイントごとに実施し、それぞれの共通ポイントごとに、共通ポイントを含む複数の平面写真を対応する共通ポイントを一致させながら重ね合わせ、基準点の三次元情報に基づく工事現場の三次元情報を備えた平面合成写真を作成し、これを三次元測量写真とするものである。
【００１７】
本発明の三次元測量写真の作成方法は、解像度１２００万画素程度のカメラを搭載した安価なＵＡＶにて撮影された平面写真から三次元測量写真を作成するものである。この作成方法では、撮影エリアに所定の間隔で三次元座標を有する複数の基準点を設置することを特徴の一つとしている。さらに、共通ポイントを含む複数の異なる平面写真を上空から撮影することを複数の共通ポイントごとに実施し、共通ポイントを含む複数の平面写真を対応する共通ポイントを一致させながら重ね合わせ、複数の共通ポイントごとにこのような平面写真の重ね合わせを実施し、重ね合わされた平面写真を合成し、三次元座標を有する複数の基準点が内在された平面合成写真を作成することを他の特徴の一つとしている。
【００１８】
平面写真の重ね合わせ枚数により、写真から点群データに処理をおこなう際に画像の組み合わせ数が異なる。そして、本発明者によれば、平面写真の重ね合わせ枚数が三次元測量写真の精度に大きく影響することが分かっている。
【００１９】
複数の平面写真同士を重ね合わせるに際し、各平面写真がその一部に共通ポイントを有していて、共通ポイント同士を一致させながら平面写真の重ね合わせをおこなう。
【００２０】
すなわち、「共通ポイント」とは、複数の平面写真を重ね合わせる際に重ね合わせの基準となるポイントのことであり、「撮影ポイント」などと称してもよい。
【００２１】
複数の平面写真（データ）を重ね合わせ、合成する（合成データを作成する）ことで、一枚の写真は解像度１２００万画素程度のカメラで撮影されたものであっても、合成写真（データ）の精度は向上する。
【００２２】
平面合成写真エリア中に、多数の共通ポイントが存在し、共通ポイントごとに複数の平面写真が重ね合わされて平面合成写真が形成され、三次元測量写真となる。たとえば、撮影対象エリアにおいて格子の格点に共通ポイントが配置された多数の共通ポイントが存在し、各共通ポイントでは、共通ポイントを一致させるようにして複数の平面写真が重ね合わされた合成写真（データ）が形成され、この合成写真が平面的に展開されることで平面合成写真（データ）が形成される。なお、撮影された多数の平面写真（データ）から三次元測量写真を作成する際には、クラウドの画像処理ソフトに平面写真（データ）を取り込んで作成することができる。
【００２３】
この平面合成写真の中には、所定の間隔で三次元座標を有する複数の基準点が内在している。本発明者によれば、基準点間距離が長すぎると三次元情報が不十分となり、平面合成写真の精度が低くなることが特定されている。
【００２４】
本発明の三次元測量写真の作成方法を適用することにより、工事現場が解像度１２００万画素程度のカメラを搭載した安価なＵＡＶを所有し、所望のタイミングでＵＡＶを飛行させて平面写真を撮影し、短時間で各平面写真を重ね合わせ、平面的に展開して合成することで三次元測量写真を製作することが可能になる。
【００２５】
ここで、工事現場で使用される整地用機器の走行装置として用いられるクローラによって発生する圧接痕の高さを許容誤差として、共通ポイントを有する複数の平面写真の重ね合わせ枚数、隣接する基準点間距離、飛行高度、およびカメラの画素数を設定するのが好ましい。
【００２６】
既述するように、クローラによって発生する圧接痕の高さは±１０ｃｍ程度となることから、これを許容誤差としてる複数の平面写真の重ね合わせ枚数等を設定する。
【００２７】
まず、共通ポイントを有する複数の平面写真の重ね合わせ枚数に関しては、９枚以上の平面写真を重ね合わせるのが望ましい。
【００２８】
本発明者による検証の結果、共通ポイントを有する平面写真の重ね合わせ枚数が９枚の場合に三次元測量写真の精度誤差が±１０ｃｍ程度以下を満たすことが分かっており、したがって、重ね合わせ枚数を９枚以上に規定したものである。
【００２９】
また、隣接する基準点間距離は１００ｍ以下であるのが望ましい。
【００３０】
本発明者による検証の結果、三次元座標を有する基準点間距離が１００ｍの場合に三次元測量写真の精度誤差が±１０ｃｍ程度以下を満たすことが分かっており、したがって、基準点間距離を１００ｍ以下に規定したものである。
【００３１】
さらに、ＵＡＶの飛行高度が４０ｍ±４ｍの範囲であるのが望ましい。
【００３２】
ＵＡＶの飛行高度によって撮影される画像の範囲や解像度が異なってくる。すなわち、飛行高度が高い場合は撮影範囲が広くなる一方で解像度は低くなり、飛行高度が低い場合はその逆となる。
【００３３】
本発明者による検証の結果、ＵＡＶの飛行高度が４０ｍの場合に三次元測量写真の精度誤差が±１０ｃｍ程度以下を満たすことが分かっており、したがって、飛行高度を４０ｍに規定したものである。
【００３４】
なお、飛行高度を常に「４０ｍ」に管理しようとしても風等の条件によってその高度は若干上下することから、４０ｍの１割程度、すなわち、４０ｍ±４ｍの範囲程度を望ましい飛行高度としたものである。
【００３５】
本発明の三次元測量写真の作成方法は、上記するように土工事の土工量管理に供されることの他にも、構造物の構築に応じて高さが高くなっていく構造物の出来高管理などにも供される。そして、構造物の出来高管理の際の誤差は、土工事よりも厳格となり、±３ｃｍ程度に設定されるのがよい。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から理解できるように、本発明の三次元測量写真の作成方法によれば、カメラを搭載したＵＡＶを飛行させ、共通ポイントを含む複数の異なる平面写真を上空から撮影し、これを複数の共通ポイントごとに実施し、それぞれの共通ポイントごとに、共通ポイントを含む複数の平面写真を対応する共通ポイントを一致させながら重ね合わせ、基準点の三次元情報に基づく工事現場の三次元情報を備えた平面合成写真を作成する方法を適用することで、解像度１２００万画素程度のカメラを搭載した安価なＵＡＶにて撮影された平面写真を使用する場合でも、精度のよい工事管理に供される三次元測量写真を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ＵＡＶを飛行させて上空から撮影している状況を説明した模式図である。
【図２】測量エリアを格子状に区画し、撮影ポイント（共通ポイント）を示すとともに、三次元座標を有する基準点を設けた平面図である。
【図３】一つの共通ポイントを一致させながら複数の平面写真を重ね合わせた状態を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の三次元測量写真の作成方法の実施の形態を説明する。なお、図示例の三次元測量写真は土工事の土工量管理に適用されるものであるが、構造物の構築に応じて高さが高くなっていく構造物の出来高管理などに三次元測量写真が適用されてもよいことは勿論のことである。
【００３９】
（三次元測量写真の作成方法の実施の形態）
図１はＵＡＶを飛行させて上空から撮影している状況を説明した模式図であり、図２は測量エリアを格子状に区画し、撮影ポイント（共通ポイント）を示すとともに、三次元座標を有する基準点を設けた平面図であり、図３は一つの共通ポイントを一致させながら複数の平面写真を重ね合わせた状態を説明した図である。
【００４０】
図１で示すように、本発明の三次元測量写真の作成方法では、ＵＡＶ１０を飛行させ、上空から土工事区域Ｅにおける測量写真作成エリアＡの撮影をおこない、多数の平面写真（データ）を得る。
【００４１】
使用するＵＡＶ１０は、本体１から複数の腕部材が突出し、各腕部材にプロペラ２が装着され、本体１の中央にバッテリ５とＧＰＳ６が搭載され、本体１の下方に姿勢制御装置４を介してカメラ３が取り付けられてその全体が構成されている。
【００４２】
カメラは解像度１２００万画素程度で軽量であり、このことに起因してＵＡＶ１０の機体全体の重量も軽量であり（たとえば２ｋｇ程度）、購入費用は３０万程度と廉価である。
【００４３】
また、最高飛行速度は１０ｍ／ｓ程度、最高飛行高度は１５０ｍ程度のものを使用できる。
【００４４】
このＵＡＶ１０は、地上からの飛行高度ｈを４０ｍ程度に制御して測量写真作成エリアＡの上空を飛行させ、測量写真作成エリアＡの撮影をおこなうのがよい。
【００４５】
飛行高度によって最終的に作成される三次元測量写真の精度が変化することが本発明者によって特定されており、本発明者による検証の結果、精度の高い三次元測量写真が作成できる飛行高度として４０ｍ程度が特定されていることによるものである。
【００４６】
図１で示すように、測量写真作成エリアＡには、所定の距離ｄを離して複数の基準点Ｓを設置する。
【００４７】
この基準点は三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）を有しており、最終的に作成される平面合成写真に対して三次元情報を付与し、三次元測量写真とするものである。
【００４８】
ここで、基準点間距離ｄは１００ｍ以下に設定されるのがよい。
【００４９】
基準点間距離が三次元測量写真の精度に影響することが本発明者によって特定されており、本発明者による検証の結果、精度の高い三次元測量写真が作成できる基準点間距離ｄとして１００ｍ以下が特定されていることによるものである。
【００５０】
次に、基準点Ｓを含む平面上に、撮影された多数の平面写真をそれぞれに共通する共通ポイントを一致させながら重ね合わせ、これを平面内で展開して平面合成写真を作成する方法を図２，３を参照して説明する。
【００５１】
図２において、距離ｄをおいて基準点Ｓが格子の格点に配置され、多数の共通ポイントＰが多数の升目に配置されている。
【００５２】
１枚の平面写真は縦長さａ、横長さｂを有し、図において９つの升目で１枚の平面写真を形成している。
【００５３】
図３で示すように、任意の共通ポイントＰに注目した際に、この共通ポイントＰを含む平面写真を全部で９枚重ね合わせることができる。すなわち、共通ポイントＰを中央に有する平面写真、上段中央に有する平面写真、下段中央に有する平面写真、右段上に有する平面写真、右段中央に有する平面写真、右段下に有する平面写真、左段も同様に上、中央、下に有する平面写真である。
【００５４】
このように、１つの共通ポイントを一致させるようにして複数の平面写真（データ）を重ね合わせて合成写真（データ）を作成することにより、解像度１２００万画素程度のカメラで撮影された１枚の平面写真の精度は低いものの、合成写真の精度は極めて高くなる。
【００５５】
そして、このように１つの共通ポイントを一致させるようにして複数の平面写真（データ）を重ね合わせて合成写真（データ）を作成する操作を図２で示す全ての共通ポイントＰでおこなうことにより、精度の高い平面合成写真が作成される。
【００５６】
ここで、共通ポイントを有する平面写真の重ね合わせ枚数は９枚以上がよい。
【００５７】
平面写真の重ね合わせ枚数が三次元測量写真の精度に影響することが本発明者によって特定されており、本発明者による検証の結果、精度の高い三次元測量写真が作成できる平面写真の重ね合わせ枚数として９枚以上が特定されていることによるものである。
【００５８】
実際の三次元測量写真の作成においては、多数の平面写真を上空で撮影した後、写真の選別をおこない、選別された写真データをコンピュータにアップロードし、クラウドの画像処理ソフトに写真データを取り込んで点群データを作成し、ノイズカット処理をおこなうことで、三次元情報を備えた三次元測量写真（サーフェイスモデル）が作成される。
【００５９】
本発明の三次元測量写真の作成方法によれば、解像度１２００万画素程度のカメラ３を搭載した安価なＵＡＶ１０にて撮影された平面写真を使用する場合でも、精度のよい工事管理に供される三次元測量写真を作成することが可能になる。
【００６０】
（ＵＡＶの飛行高度、平面写真の重ね合わせ枚数、基準点間距離それぞれの最適値を検証した実験とそれらの結果）
本発明者は、ＵＡＶの飛行高度、平面写真の重ね合わせ枚数、基準点間距離それぞれの最適値を検証する実験をおこなった。この実験は、Ｎ実験場にて２０１５年３月１２日、２４日の両日に亘っておこなった。
【００６１】
ＵＡＶの飛行高度に関しては、飛行高度を２０ｍ、４０ｍ、６０ｍの３種としてそれぞれ上空からの撮影をおこない、それぞれの撮影による平面写真をもとに三次元測量写真を作成し、三次元測量写真の最大誤差を測定した。
【００６２】
また、平面写真の重ね合わせ枚数に関しては、各共通ポイントの重ね合わせ枚数を２枚、４枚、９枚の３種としてそれぞれ平面合成写真（三次元測量写真）を作成し、三次元測量写真の最大誤差を測定した。
【００６３】
さらに、基準点間距離に関しては、基準点間距離を１００ｍ、２００ｍの２種としてそれぞれ三次元測量写真を作成し、三次元測量写真の最大誤差を測定した。
【００６４】
以下、表１にＵＡＶの飛行高度に関する実験結果を、表２に平面写真の重ね合わせ枚数に関する実験結果を、表３に基準点間距離に関する実験結果をそれぞれ示す。なお、実験結果において、ｘ、ｙ平面内における最大誤差と、高さ方向ｚにおける最大誤差、およびそれらの合成成分の絶対値を示す。
【００６５】
【表１】
2017026577.tif 000003
【００６６】
【表２】
2017026577.tif 000004
【００６７】
【表３】
2017026577.tif 000005
【００６８】
表１より、ＵＡＶの飛行高度が４０ｍの場合に、最大誤差の絶対値は、No.2で０．０９４ｍ（９．４ｃｍ）で１０ｃｍ以下となり、No.3で０．１０６ｍ（１０．６ｃｍ）でほぼ１０ｃｍとなること、４０ｍよりも高い６０ｍ、４０ｍよりも低い２０ｍではともに許容誤差１０ｃｍを大きく超える誤差となることより、ＵＡＶの飛行高度は４０ｍが望ましいことが分かる。
【００６９】
また、表２より、平面写真の重ね合わせ枚数に関しては、No.2の９枚の場合に最大誤差の絶対値は０．０９４ｍ（９．４ｃｍ）で１０ｃｍ以下となった。ここで、No.1も９枚であるものの、飛行高度が６０ｍと高すぎるために最大誤差の絶対値は０．２０５ｍ（２０．５ｃｍ）と許容値を大きく超えた。
【００７０】
また、重ね合わせ枚数が２枚、４枚のケースはいずれも最大誤差の絶対値が許容誤差を大きく超える結果となった。
【００７１】
この結果より、重ね合わせ枚数は９枚が望ましいことが分かる。
【００７２】
さらに、表３より、基準点間距離に関しては、No.3の１００ｍの場合に最大誤差の絶対値は０．０９４ｍ（９．４ｃｍ）で１０ｃｍ以下となり、No.5の１００ｍの場合に最大誤差の絶対値は０．１０６ｍ（１０．６ｃｍ）でほぼ１０ｃｍとなった。ここで、No.1も基準点間距離は１００ｍであるものの、飛行高度が６０ｍと高すぎるために最大誤差の絶対値は０．２０５ｍ（２０．５ｃｍ）と許容値を大きく超えた。また、No.7も基準点間距離は１００ｍであるものの、飛行高度が２０ｍと低すぎ、平面写真の重ね合わせ枚数も４枚と少な過ぎるために最大誤差の絶対値は０．４４２ｍ（４４．２ｃｍ）と許容値を大きく超えた。
【００７３】
この結果より、基準点間距離は１００ｍが望ましいことが分かる。
【００７４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７５】
１…本体、２…プロペラ、３…カメラ、４…姿勢制御装置、５…バッテリ、６…ＧＰＳ、１０…ＵＡＶ、Ｅ…土工事区域、Ａ…測量写真作成エリア、Ｐ…共通ポイント（撮影ポイント）、Ｓ…基準点、ｈ…飛行高度
【図１】
2017026577.tif 000006
【図２】
2017026577.tif 000007
【図３】
2017026577.tif 000008