多目的3次元フィールドマッピングシス テムの開発 北海道大学大学院農学研究院 ○海津 裕 北海道大学大学院農学研究科 崔 鍾民 フィールドマッピングシステム • フィールドマッピングシステム(FMS)を，広い農地で，作物の個体レベルま で，その3次元情報と，生育の情報を取得できるシステムと定義する • 精密農業の重要なツールとなり得る • 近い将来，農業がロボット化されたときに必要不可欠な技術となる • 要素技術としては，モバイルマッピングシステムに類似している • ICT（Information and communication technology)を用いて農地・農作 物の状態を良く観察し、きめ細かく制御し、その結果に基づき次年度 の計画を立てる一連の農業管理手法であり、農作物の収量及び品質 の向上を目指す。 • 現在，分光計測や，収量センサによる可変施肥や収量マップの作成 が行われている。 • FMSによって，圃場と，作物の3次元計測を行うことで，収量予測や圃 場の改修計画の立案などさらに精密な管理を行うことが可能となる。 Topcon IP-S2（カタログより抜粋） モバイルマッピングシステムとは • 自動車にカメラやレーザ距離計, GPS(Global positioning system), IMU(Inertial measurement unit)を搭載し，道路を走行 しながら，道路や周囲の建物の画像や3次元座標を計測する システム • トプコンや三菱電機，トリンブルその他多くの企業が製品を出 してきている • モバイルマッピングシステムを用いたサービスの一つに， Google Street Viewがある モバイルマッピングシステムの用途 • On-road – – – – – 地図の自動作成 道路地物のデータベース化 道路面の保守管理 除雪機のコントロール用マップの作成 観光案内 • Off-road – 土木工事における現況測量，施工後のチェック – 精密農業への応用 – 農作業ナビゲーションマップの作成 モバイルマッピングシステムの例 Topcon IP-S2（カタログより抜粋） 三菱電機 MMS（カタログより抜粋） Trimble MX8（ウェブサイトより抜粋） FMSのコンセプト • 市販のセンサーの組み合わせによって安価にシステムを構築 する • 測定範囲は近距離（＜8m）に特化し，距離精度を高める • トラクターや，軽トラックに簡単に載せ替えができる • オフロードにおける振動や姿勢の変化に対応する トラクタに装着されたFMS システム構成 移動しながら計測を行うためにはレーザスキャ ナとIMU, GPSを同期させる必要がある GPSアンテナ GPSアンテナ クロック同期用 GPS 1 Hz レーザスキャナ RTK-GPS 10 MHz RTK-GPS 20 Hz 信号発生器 75 Hz レーザ スキャナ PC 1 レーザ スキャナ IMU 100 Hz IMU GPS シリアルUSB 変換器 PC 2 レーザスキャナのキャリブレーション • GPSとレーザスキャナの変換行列を求める zf xf yf GPS2 GPS1 ys 2 xs 2 LS2 zs 2 zs1 LS1 ys1 等角度間隔に発射されたレーザスポット xs1 • • 同じ角度を通過する直線の交点から，レーザスキャナのス キャン原点の位置が求められる。推定位置の標準偏差 < 2mm すべての点を通る平面の法線ベクトルから，レーザスキャ ナの姿勢が求められる。 基礎実験 • 2010年9月14日当別にて基礎実験を行った – 道路，盛土整形，農地等でスキャニングを行った – データの精度を検証するため，3次元スキャナで同一の地 域を計測した 盛土 農地 道路 FMSによる道路のマッピング • 走行速度0.47 m s-1，約150m走行 立木 法面 雑草 3次元スキャナとの比較 • トゥルーカラーが3次元スキャナ，水色の点群がFMS による測定点 断面図 3次元スキャナ FMS [m] [m] 道路陥没部の測定 • 舗装が剥がれている所の検出 • 本来のGPS，レーザスキャナの精度以下だが，相対 的な位置関係は検出可能 直径約20cm，深さ2cm程 度の陥没部 対応するFMSの測定結果 盛土のマッピング 計画図面 スキャン結果 盛土のマッピング 設計上の道幅は6m，中心部が6cm端よりも高 くなっている 構造物のマッピング • ベニヤ板と鉄骨による構造物のマッピングを行った。 • 角度の補正がなされていることが確認できた 走行方向 静止したGPSから計測した構造物 等高線 まとめ • フィールドマッピングシステムの構築及びキャリブレーションを 行った • アスファルト，植物，土，ベニヤ板など異なる対象物に対して，3 次元マッピングを行えることが確認できた • 計測の精度は，GPS(水平1cm、垂直1.5cm)やレーザスキャナ (±15mm)の誤差と同程度であった 今後の課題 – 誤差の評価 – データのフィルタリング – データの圧縮，多項式による近似 – 作物への適用可能性の検討 謝辞 本研究にご協力いただいた 株式会社岩崎，株式会社トプコン販売の 皆様に感謝いたします SICKレーザスキャナ LMS-291 • IP-67 • 測定距離80m • スポット径12mm@8m LMS-200 • IP-65 • 測定距離10m • スポット径5mm@8m 3次元レーザスキャナを用いて計測した 作物の三次元情報 Grass height [m] 0 - 0.05 0.05 - 0.1 0.1 - 0.15 0.15 - 0.2 0.2 - 0.25 0.25 - 0.3 356300 / 0.3 - 0.35 0.35 - 0.4 0.4 - 0.45 0.45 - 0.5 356400 356500 UTM Easting [m] 牧草の草高分布マップ デントコーンの3次元マップ
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