(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高さを維持して地球の周囲を周回しながら対象領域をステレオ撮影する機能を具備する衛星と、該衛星にてステレオ撮影されたステレオペア画像を用いて三次元データベースを生成するデータ解析処理手段とを少なくとも有してなる三次元データベース生成システムにおいて、
前記データ解析処理手段は、
前記衛星にて撮影されたステレオペア画像に基づいて、画像内に含まれる対象物の高さとなる一次高度データを算出するステレオ処理手段と、
前記衛星にて撮影されたステレオペア画像から前記対象物の輪郭を抽出する輪郭抽出処理手段と、
予め決められた建物の高度情報が登録された高度情報データベースと、
前記輪郭抽出処理手段にて輪郭が抽出された対象物毎に前記一次高度データを平均化処理して該平均値を前記対象物の高度データとして定義し、前記高度データの絶対値を前記高度情報データベースに登録された高度情報を用いて補正することにより、前記ステレオ処理手段にて算出された一次高度データを補正し、高度データとして出力する補正処理手段と、
前記補正処理手段から出力された高度データを用いて、前記衛星にて撮影されたステレオペア画像のうち１枚の画像を正射影投影変換するオルソ変換処理手段と、
前記補正処理手段から出力された高度データと前記輪郭抽出処理手段にて抽出された前記対象物の輪郭とを用いて、前記対象物を三次元ポリゴン化するポリゴン化処理手段と、
前記ポリゴン化処理手段にて三次元ポリゴン化された対象物に前記オルソ変換処理手段にて正射影投影変換された画像を貼り付けるテクスチャ貼付処理手段とを有することを特徴とする三次元データベース生成システム。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元データベース生成システムにおいて、
前記テクスチャ貼付処理手段は、前記衛星にて撮影されたステレオペア画像から前記対象物の側面の画像を抽出し、該画像を前記ポリゴン化処理手段にて三次元ポリゴン化された対象物の側面に貼付することを特徴とする三次元データベース生成システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元からなるデータベースを生成する三次元データベース生成システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、三次元地形図等の三次元からなるデータベースを生成する三次元データベース生成方法として、航空機を用いて三次元データベースを生成する方法や、衛星を用いて三次元データベースを生成する方法や、対象物を３Ｄ化することにより三次元データベースを生成する方法等がある。
【０００３】
上述した三次元データベース生成方法のうち、まず、航空機を用いた三次元データベース生成方法について説明する。
【０００４】
航空機を用いた三次元データベース生成方法においては、現在、主に３つの方法が実施されており、その１つとして、航空機から撮影されたカメラ画像を用いて三次元データベースを生成する方法がある。
【０００５】
航空機を用いた三次元データベース生成方法のうち、カメラ画像を用いて三次元データベースを生成する方法においては、航空機にカメラを搭載し、二次元画像をオーバーラップして撮影し、画像が重なる領域をステレオ処理することにより対象物の高さデータを得る。ここで、ステレオ処理においては、ステレオ眼鏡によって手動で高さを抽出したり、あるいは、既に登録されている三角点情報による位置合わせを利用したコンピュータエイドによって高さを抽出したりすることによって行う。
【０００６】
しかしながら、カメラ画像を用いて三次元データベースを生成する方法においては、航空機の高度が２ｋｍ〜３ｋｍと低いため、写真周辺部の歪が大きく、写真周辺部に建物が存在する場合、建物の倒れこみが大きくなり、それにより、建物の蔭が写真上の多くを占めることになり、広範囲な地域を３Ｄ化するシステムとしては効率が悪い。例えば、写真周辺部に１００ｍの建物が存在する場合、建物の裏約５０ｍが蔭となってしまう。
【０００７】
また、航空機を用いた三次元データベース生成方法のうち、合成開口レーダによる三次元データベース生成方法においては、航空機にステレオ合成開口レーダ（ＳＡＲ）を搭載し、双方の観測データを干渉処理することにより観測対象の高さデータを得る。しかしながら、この合成開口レーダによる三次元データベース生成方法は、その処理が複雑であるため、実用化されていない。
【０００８】
また、航空機を用いた三次元データベース生成方法のうち、レーザ高度計を用いて三次元データベースを生成する方法においては、航空機にレーザを搭載し、レーザから発射した光の反射時間差を計測することによって観測対象の高さデータを得る。
【０００９】
このようなレーザ高度計を用いた三次元データベース生成方法においては、観測対象の高さデータを細かく精度良く収集することができるものの、収集した高さデータの集まりから一塊のオブジェクト（建物等）を抽出する技術がまだ確立されていないため、同時に観測した写真画像に基づいて手動にて建物の輪郭を指定し、高さデータ（ＤＥＭ）をオブジェクト単位に纏める手法が採られている。また、この手法においては、高さデータに基づいてポリゴン化を行ったとしても、地表面や建物の屋上、側面等にテクスチャを貼り付ける場合に、同時観測した写真とＤＥＭデータとの位置合わせを行うことになるが、同時観測した写真とＤＥＭデータとは互いに別の機材で収集されているため、観測座標系が異なり、容易に位置合わせを行うことができない。
【００１０】
次に、衛星を用いた三次元データベース生成方法について説明する。
【００１１】
衛星を用いた三次元データベース生成方法においては、高度４００km〜９００kmという高高度に位置する衛星から地表面を撮影する。この衛星としてはＧＰＳ衛星を利用するため、地球観測衛星の軌道及び姿勢を高精度で決定することができ、それにより、位置精度の高い画像を得ることができる。また、高高度から地表面を撮影するため、広範囲でかつ周辺歪の少ない画像を得ることができる。
【００１２】
次に、対象物を３Ｄ化することにより三次元データベースを生成する方法について説明する。
【００１３】
上述した航空機や衛星を用いて三次元データベース生成方法は、広範囲な地表面に対する三次元データベースを生成する場合に主に用いられるが、類似技術を用いて小さな対象物を３Ｄ化することにより三次元データベースを生成する方法がある。
【００１４】
小さな対象物を３Ｄ化する場合は、小さな対象物を回転台の上に置き、これを複数の角度から写真撮影することによりステレオ画像を得て、対象物を３Ｄ化する。また、例えば不動産等の大きな対象物を３Ｄ化する場合は、撮影場所を変えて複数の角度から対象物を写真撮影することによりステレオ画像を得て、対象物を３Ｄ化する。
【００１５】
このように対象物を３Ｄ化することにより三次元データベースを生成する方法においては、対象物が小さなものであってこの対象物を回転台に置いて複数の角度から写真撮影する場合は、背景に暗幕等のような対象物を際立たせるものを置くことができ、また、対象物が大きなものである場合は、航空機や衛星の場合と比べて解像度が極端に高く、対象物と背景との分離がし易いため、対象物と物体との差異が明確になり、対象物の輪郭を容易に抽出することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の三次元データベース生成方法においては、以下に記載するような問題点がある。
【００１７】
（１）航空機を用いた三次元データベース生成方法においては、一回の飛行で撮影できる範囲が極端に狭いため、何度も飛行する必要があり、所望のデータベースを作成するために必要となる航空写真等のデータを得るために多額な費用がかかってしまう。
【００１８】
また、航空機が飛行可能な領域が国内に限定されているため、グローバルな三次元景観データベースを生成することが困難である。
【００１９】
（２）衛星を用いた三次元データベース生成方法においては、航空機を用いた三次元データベース生成方法に比べて解像度に制限があり、また、天候の影響を受け易い。
【００２０】
（３）対象物を３Ｄ化することにより三次元データベースを生成する方法においては、広範囲の領域を３Ｄ化することができず、また、対象物を撮影する場所を必ずしも確保することができるとは限らず、特に、大きな対象物については、対象物を複数の角度から写真撮影することが困難である。
【００２１】
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、多額な費用をかけずに広範囲な領域の三次元データベースを容易に生成することができる三次元データベース生成システムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、
所定の高さを維持して地球の周囲を周回しながら対象領域をステレオ撮影する機能を具備する衛星と、該衛星にてステレオ撮影されたステレオペア画像を用いて三次元データベースを生成するデータ解析処理手段とを少なくとも有してなる三次元データベース生成システムにおいて、
前記データ解析処理手段は、
前記衛星にて撮影されたステレオペア画像に基づいて、画像内に含まれる対象物の高さとなる一次高度データを算出するステレオ処理手段と、
前記衛星にて撮影されたステレオペア画像から前記対象物の輪郭を抽出する輪郭抽出処理手段と、
予め決められた建物の高度情報が登録された高度情報データベースと、
前記輪郭抽出処理手段にて輪郭が抽出された対象物毎に前記一次高度データを平均化処理して該平均値を前記対象物の高度データとして定義し、前記高度データの絶対値を前記高度情報データベースに登録された高度情報を用いて補正することにより、前記ステレオ処理手段にて算出された一次高度データを補正し、高度データとして出力する補正処理手段と、
前記補正処理手段から出力された高度データを用いて、前記衛星にて撮影されたステレオペア画像のうち１枚の画像を正射影投影変換するオルソ変換処理手段と、
前記補正処理手段から出力された高度データと前記輪郭抽出処理手段にて抽出された前記対象物の輪郭とを用いて、前記対象物を三次元ポリゴン化するポリゴン化処理手段と、
前記ポリゴン化処理手段にて三次元ポリゴン化された対象物に前記オルソ変換処理手段にて正射影投影変換された画像を貼り付けるテクスチャ貼付処理手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
また、前記テクスチャ貼付処理手段は、前記衛星にて撮影されたステレオペア画像から前記対象物の側面の画像を抽出し、該画像を前記ポリゴン化処理手段にて三次元ポリゴン化された対象物の側面に貼付することを特徴とする。
【００２８】
（作用）
上記のように構成された本発明においては、所定の高さから対象領域をステレオ撮影する機能を有する衛星にて対象物がステレオ撮影され、このステレオ撮影されたステレオペア画像がデータ解析処理手段に入力されると、まず、ステレオ処理手段において、衛星にて撮影されたステレオペア画像に基づいて、画像内に含まれる対象物の高さとなる一次高度データが算出され、また、輪郭抽出処理手段において、衛星にて撮影されたステレオペア画像から対象物の輪郭が抽出される。ここで、ステレオ処理手段にて算出された一次高度データにおいては、特に、対象物と地表面との境に誤差が生じており、補正処理手段において、輪郭抽出処理手段にて抽出された対象物の輪郭と既知の高度情報とを用いて、ステレオ処理手段にて算出された一次高度データが補正され、それにより、一次高度データに含まれていた誤差が取り除かれる。次に、オルソ変換処理手段において、補正処理手段にて補正された高度データを用いて、衛星にて撮影されたステレオペア画像のうち１枚の画像が正射影投影変換され、また、ポリゴン化処理手段において、補正処理手段にて補正された高度データと輪郭抽出処理手段にて抽出された対象物の輪郭とを用いて、対象物が三次元ポリゴン化される。その後、テクスチャ貼付処理手段において、ポリゴン化処理手段にて三次元ポリゴン化された対象物にオルソ変換処理手段にて正射影投影変換された画像が貼り付けられ、テクスチャ付き三次元データが得られる。
【００２９】
このように、衛星にてステレオ撮影されたステレオペア画像から対象物の高度データが算出されるとともに輪郭情報が抽出され、この高度データとステレオペア画像とが統合されることにより現実のテクスチャーを使用した建物等を含む三次元データベースが生成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明の三次元データベース生成システムの実施の一形態を示すブロック図である。
【００３２】
本形態は図１に示すように、所定の高さを維持して地球の周囲を周回しながら地表面を撮影する人工衛星１０と、人工衛星１０にて撮影され、送られてくる衛星画像を受信する対衛星通信局２０と、対衛星通信局２０にて受信された衛星画像を用いて三次元データベースを生成するデータ解析処理部３０とから構成されている。また、データ解析処理部３０は、人工衛星１０にて角度を変えて撮影された同一の領域の２枚のステレオペア衛星画像が対衛星通信局２０を介して入力され、入力されたステレオペア衛星画像に基づいて、画像内に含まれる建物等の対象物の高さを含む一次高度データを算出するステレオ処理部３１と、対衛星通信局２０を介して入力された２枚のステレオペア衛星画像から建物等の対象物の輪郭を抽出する輪郭抽出処理部３２と、予め決められた建物等の高度情報が登録された高度情報データベース３３と、輪郭抽出処理部３２にて抽出された建物等の輪郭と高度情報データベース３３に格納された既知の高度情報とを用いて、ステレオ処理部３１にて算出された一次高度データを補正し、高精度な高度データを出力する補正処理部３４と、補正処理部３４から出力された高度データを用いて、対衛星通信局２０を介して入力された２枚のステレオペア衛星画像のうち１枚の衛星画像を正射影投影変換するオルソ変換処理部３５と、補正処理部３４から出力された高度データと輪郭抽出処理部３２にて抽出された輪郭情報とを用いて建物等の対象物を三次元ポリゴン化するポリゴン化処理部３６と、ポリゴン化処理部３６にて三次元ポリゴン化された建物等の対象物にオルソ変換処理部３５にて正射影投影変換された衛星画像をテクスチャとして貼り付け、テクスチャ付き三次元データとして出力するテクスチャ貼付処理部３７とから構成されている。
【００３３】
以下に、上記のように構成された三次元データ生成システムにおける三次元データ生成方法について説明する。
【００３４】
図２は、図１に示した三次元データ生成システムにおける三次元データ生成方法を説明するためのフローチャートである。
【００３５】
人工衛星１０にて角度を変えて撮影された同一の領域の２枚のステレオペア衛星画像は、対衛星通信局２０にて受信され、データ解析処理部３０に入力される。なお、人工衛星１０にて撮影されるステレオペア衛星画像は、１つの人工衛星１０にて撮影時間を変えることにより地表面の所定の領域を角度を変えて撮影されたものや、２つの人工衛星１０にて地表面の所定の領域を角度を変えて撮影されたものが考えられる。
【００３６】
人工衛星１０にて撮影されたステレオペア衛星画像がデータ解析処理部３０に入力されると（ステップＳ１）、データ解析処理部３０内のステレオ処理部３１において、入力されたステレオペア衛星画像に基づいて、画像内に含まれる建物等の対象物の高さを含む一次高度データを算出する（ステップＳ２）。
【００３７】
ここで、ステレオ処理部３１における一次高度データの算出処理について詳細に説明する。
【００３８】
まず、ステレオ処理部３１においては、入力された２枚のステレオ衛星画像の幾何学的位置合わせ（レジストレーション）を行う。
【００３９】
２枚のステレオ衛星画像が有する幾何学的歪は、人工衛星１０の軌道や姿勢変動、及び観測機器構体の熱変形により生じ、画像の位置精度を劣化させる。この歪は、衛星画像プロバイダーによって補正処理されるが、その補正処理は、三次元データベースを生成するのに十分な精度を有しているとはいえない。
【００４０】
そこで、位置合わせ精度をさらに向上させるために、入力された２枚のステレオ衛星画像のうち一方の衛星画像上において特徴的なポイントをＲＣＰ（参照点）として選択し、他方の衛星画像上においてこのＲＣＰに対応するポイント（対応点）を探し出し、この両者の対応関係から所定の変換式を立てて座標変換を行い、位置合わせを行う。
【００４１】
図３は、図１に示したステレオ処理部３１における幾何学的位置合わせの処理を説明するための図である。
【００４２】
図３に示すように、入力された２枚のステレオ衛星画像のうち一方の衛星画像上において特徴的なポイントをＲＣＰ（参照点）として選択し、他方の衛星画像上においてこのＲＣＰに対応するポイント（対応点）を探し出し、この両者の幾何学的関係から下式における係数ａ，ｂを算出して下式に代入し、それにより、レジストレーション済画像を得る。
【００４３】
ｕ＝ａ１ｘｙ＋ａ２ｘ＋ａ３ｙ＋ａ４
ｖ＝ｂ１ｘｙ＋ｂ２ｘ＋ｂ３ｙ＋ｂ４
次に、ステレオ処理部３１においては、入力された２枚のステレオ衛星画像のうち一方の衛星画像の各ピクセル毎に他方の衛星画像において対応するピクセルを自動サーチし（マッチング処理）、画素１ピクセル毎に両画像の視差を算出し、この視差から各１ピクセル毎の高度となる一次高度データを算出する。
【００４４】
図４は、図１に示したステレオ処理部３１における一次高度データの算出処理を説明するための図である。
【００４５】
図４に示すように、人工衛星１０にて角度を変えて撮影された同一の領域の２枚のステレオペア衛星画像においては、同一の建物が異なる角度から撮影されているため、同一のピクセルにおいてもその形状にずれが生じている。このずれ量は、高さが高いほど大きくなるため、このずれ量に基づいて一次高度データを算出する。
【００４６】
また、データ解析処理部３０内の輪郭抽出処理部３２において、データ解析処理部３０に入力されたステレオペア衛星画像に含まれる建物等の対象物の輪郭を抽出する（ステップＳ３）。
【００４７】
ここで、従来の一次高度データは、建物を含まない地表面高度データとして定義されていた。このため、衛星画像から建物を含む高度データを抽出しようとする場合、抽出された高度データの集まりの中で１つの建物をいかに識別するかが問題となっていた。
【００４８】
本形態においては、ステレオ処理部３１にてステレオ処理される衛星画像と同一の衛星画像から建物等の対象物の輪郭を抽出している。この方法には、手動抽出とコンピュータエイドを含む自動抽出とがあるが、従来のコンピュータによる自動輪郭抽出においては、一枚の衛星画像の中で微分法等によるエッジ抽出を行い、抽出された線分を結ぶ方法が採られていたが、建物が建て込んでいる地域では精度良く輪郭を抽出することが困難であるため、手動抽出が主に行われていた。本形態においては、ステレオ撮影された２枚のステレオ衛星画像を用いてステレオ輪郭抽出を行い、それにより、輪郭の抽出精度の向上を図っている。
【００４９】
ステレオ処理部３１にて算出された一次高度データは、補正処理部３４に入力される。ここで、この補正処理部３４に入力される一次高度データにおいては、ステレオ処理部３１におけるマッチング処理時のマッチングエラー等による誤差が含まれている。この誤差は、特に、建物と地表面との境に多く発生する傾向がある。
【００５０】
補正処理部３４においては、まず、ステレオ処理部３１にて算出された一次高度データを輪郭抽出処理部３２にて抽出された建物の輪郭毎に平均化処理し、それにより、一次高度データの誤差を取り除いている。これは、輪郭抽出処理部３２にて抽出された輪郭によって建物等の対象物が１つずつ認識され、その建物等の対象物１つずつにおける一次高度データを平均化し、その平均値をその建物等の対象物の高さと再定義することによって行う。なお、この際、建物の屋上においては、高さが均一でない場合が多く、これを一律に平均化した場合、対象としている建物自体の高さに誤差が生じてしまうため、建物の屋上の輪郭を複数に分割し、それぞれ平均化する。
【００５１】
このように求められた高度データの精度は、輪郭抽出処理部３２に入力された２枚のステレオ衛星画像の位置精度に左右されるが、高さ精度に影響する誤差要因は均一とみなし、その後、補正処理部３４において、高度情報データベース３３に予め登録された建物の高度情報を用いて、平均化処理された高度データの絶対値を補正し、それにより、高精度の高度データを得る（ステップＳ４）。ここで、高度情報データベース３３には、予め決められた建物の高度情報が登録されており、その建物の高度情報を利用して対象物の高さを補正する。
【００５２】
次に、ポリゴン化処理部３６において、補正処理部３４にて得られた高度データと、輪郭抽出処理部３２にて抽出された輪郭情報とを用いて、対象物それぞれを三次元ポリゴン化（立方体化、ワイヤフレーム化）する（ステップＳ５）。この際、建物の屋上の形状においては、必ずしも平坦ではなく、円形または弧状のものが最近では多く存在するため、本形態においては、このような形状の建物についても三次元ポリゴン化する。
【００５３】
この時点で三次元ポリゴン化は終了するが、この時点での三次元ポリゴン化されたデータは、単なる直方体の集合あるいはワイヤフレーム状態のものであり、地表面や建物の屋上等が全て単一色で構成されており、実世界を感じさせるテクスチャは含まれていない。この三次元ポリゴン化されたデータに衛星画像を重ねると実世界と同じ臨場感ある三次元データベースになるが、この三次元ポリゴン化されたデータは、対象領域が斜めから撮影されたステレオ画像をポリゴン化したものであるため、そのままでは重ねることができない。
【００５４】
そこで、オルソ変換処理部３５において、データ解析処理部３０に入力されたステレオペア衛星画像のうち１枚の衛星画像を、補正処理部３４にて得られた高度データを用いて、対象領域が真上から撮影された画像に投影変換する（ステップＳ６）。
【００５５】
その後、テクスチャ貼付処理部３７において、ポリゴン化処理部３６にて三次元ポリゴン化されたデータにオルソ変換処理部３５にて正射投影変換された画像を貼り付け、それにより、地表面と建物等の屋上に実世界のテクスチャを貼り付ける（ステップＳ７）。また、データ解析処理部３０に入力された衛星画像を用いて、建物の側面のテクスチャーを抽出し、建物の側面にこのテクスチャーを貼り付ける。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、衛星にてステレオ撮影されたステレオペア画像から対象物の高度データが算出されるとともに輪郭情報が抽出され、この高度データとステレオペア画像とが統合されることにより現実のテクスチャーを使用した建物等を含む三次元データベースが生成される構成としたため、多額な費用をかけずに広範囲な領域の三次元データベースを容易に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三次元データベース生成システムの実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示した三次元データ生成システムにおける三次元データ生成方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１に示したステレオ処理部における幾何学的位置合わせの処理を説明するための図である。
【図４】図１に示したステレオ処理部における一次高度データの算出処理を説明するための図である。
【符号の説明】
１０    人工衛星
２０    対衛星通信局
３０    データ解析処理部
３１    ステレオ処理部
３２    輪郭抽出処理部
３３    高度情報データベース
３４    補正処理部
３５    オルソ変換処理部
３６    ポリゴン化処理部
３７    テクスチャ貼付処理部
【図１】
0003776787.tif 000002
【図２】
0003776787.tif 000003
【図３】
0003776787.tif 000004
【図４】
0003776787.tif 000005