2004年９月 APA No.87-4 日本測量調査技術協会財団法人第26回技術発表会論文特集４．デジタル航空カメラ（DMC）の導入と運用石垣 1．はじめに航空測量用デジタルカメラは、技術面や価格の問題により製品化が困難とされていたが、この数年の間に諸問題が改善され実用化された。弊社では2003年９月にデジタル航空カメラDMC(Digital Mapping Camera: Intergraph 社製)を導入した。本報告では、DMCについて、従来のアナログ航空カメラとの比較、自動画像マッチングへの優位性の検討を報告する。また、利点と課題を踏まえた今後の運用について述べる。智明※ 航空カメラである。図－１にカメラヘッドの配置を示す。８つのカメラヘッドのうち中央４つのヘッドが、７Ｋ×４Ｋのパンクロデータ(PAN)、外側４つのヘッドで３Ｋ×２Ｋのマルチスペクトルデータ (MS: 構成は R/G/B/NIR)を取得する。DMCは、各カメラヘッドの画像を合成しアナログカメラに匹敵する画像サイズを確保している。図－２はDMCシステムの標準構成を示している。左側がDMCの外観、右側の３段に積み重なっているものが大容量記憶装置MDR(840GB)である。中央のノートPCを用いて撮影計画データおよび取得デー 2．DMCの概要 2.1 DMCの構成 DMCは、CCDアレイを用いたエリアセンサ型図－１タなどの確認作業を機上で行う。カメラヘッドの配置図－２ DMCシステム標準構成表－１に示すように合成後の画像は、１億 TDI)およびApplanix社の直接定位システム画素を超える高解像力、12bit(4096階調)の多 (Position and Orientation Systems: POS) 階調のデータ生成が可能である。また、アナを標準で装備している。表－２に撮影縮尺・ログカメラの像ぶれ補正機能 (Forward 高度・地上解像度の関係を示す。従来のアナ Motion Compensation: FMC)と類似の電子的なログ航空カメラの場合、1/4,000縮尺による撮画像補正機能(Time Delayed Intergration: 影でスキャニング解像度10μmの画像データ－31－の地上解像度は約４cmである。同撮影縮尺時の解像力を有していることが分かる。のDMCの地上解像度は4.8cmであり、ほぼ同等表－１画像サイズ焦点距離撮影画角シャッター・絞り最短シャッター間隔ラディオメトリック DMCの性能諸元 13824×7680ピクセル（合成後） PAN:120mm MS:25mm 74°（飛行方向に直角）×44°（飛行方向）可変式1/50～1/300秒 f/4～f/22 2秒 12ビット表－２撮影縮尺撮影高度地上解像度撮影縮尺と地上解像度 1:4,000 480m 4.8cm 1:8,000 960m 9.6cm 2.2 DMCの撮影工程 1:12,500 1,500m 15cm を航空機に搭載されている運行管理システム撮影計画から画像合成までの処理工程を述 (Airborne Sensor Management System: ASMS) べる。CADを用いて作成した撮影計画のデータに直接デジタルデータとして取り込む。機上でのデータ取り込み CADによる撮影計画 GPSを用いた運行支援地上後処理システムによる画像合成機上でのサムネイルによるデータ確認図－３ DMCの処理内容－32－撮影飛行時には、航空機搭載のGPSと連動さ 3.2 色深度の比較せることによって正確な位置でシャッターを空中写真撮影では、冬季の陰影部などの明切ることが可能である。撮影データは、840GB 瞭な撮影が困難なことがある。アナログ撮影の大容量記憶装置に格納される。撮影後に地方式の場合、撮影工程により得られるデジタ上の画像合成処理装置によって各カメラヘッル画像の品質は、現像処理やスキャニング処ドの画像の合成を行うことにより、単一のカ理の良否に大きく左右される。これらの工程ラー画像データが生成される。は、作業者の熟練度により人的較差が大きくこのように、DMCの撮影工程は、これまでの現れることが知られている。また、通常のスような紙出力した撮影計画図やフィルムローキャニングでは、機器の出力仕様によりルのようなアナログ媒体を介さず、撮影計画 8bit(256階調)のデータに劣化する。加えて、から画像データの生成までデジタルデータのフィルム自体に傷があることやスキャニング受け渡しにより行われる。時に埃が付着することもあるため、画像の品質に斑が出やすい。 3．DMC導入による効果 DMCの導入に際して、写真測量作業工程および色深度についてアナログ式カメラと比較した。また、通常の空中三角測量およびPOS解析の精度検証結果とともに、画像合成の影響について報告する。 3.1 写真測量作業工程の比較図－４にアナログおよびデジタル撮影方式による写真測量作業工程を示す。アナログ撮影方式によるアナログ撮影・現像・スキャニングの工程が、デジタル撮影方式によるデジタル撮影のみで済むことが分かる。このように、大幅な工程の削減により、工期および経費の圧縮が見込まれる。また、災害など時間的な制約がある場合でも迅速な対応が可能となる。図－４一方のDMCは、出力信号を劣化させずに 12bit(4096階調)で格納する。このため、太陽光量が相対的に少ない夕刻や冬季の撮影においてさえ、アナログ撮影方式による画像データを大きく上回る色深度を保持している。鮮明な画質は、陰影部の判読に極めて有利であり、図化精度や作業効率の向上に寄与する（図－５）。写真測量作業工程－33－図－５色深度の違い（左；アナログカメラ / 右；DMC） 3.3 精度検証角測量による精度検証を実施し、画像合成が ①画像合成の精度検証起因となる突出した結果が現れることがないか検証した。 DMCは、４枚のパンクロ画像を合成して１枚の画像を生成している。このため、撮影縮尺図－６に示す５コース140モデル撮影縮尺 1/8,000で約0.2ピクセルの幾何補正による誤 1/4,000の撮影を実施し、POS解析結果の外部差を含んでいる[1]。その誤差がどの程度計測標定要素を用いたステレオモデルとVRS-GPS 精度に影響するのか確認する必要があった。により設置した地上検証点（34点）を比較しそこで、デジタル写真測量システムた。 ImageStationを用いて、POS解析および空中三図－６ POS解析による撮影主点位置て、POS解析のみの成果でどの程度の精度があ表－３に水平方向および高さ方向の較差の標準偏差と最大値を示す。公共測量作業規定るか検証する必要がある。では、通常の空中三角測量の基準点残差の制限値を、標準偏差が対地高度の0.02％以内、表－３検証結果（検証点数34点）水平(xyの合成) 最大値が同0.04％以内と規定している（バンドル法適用時）。撮影縮尺が1/4,000であるとき対地高度は480ｍとなる。標準偏差で0.096 高さ最大値標準偏差最大値標準偏差 0.22ｍ 0.10ｍ 0.53ｍ 0.17ｍｍ最大値で0.192ｍの精度が要求される。本検証結果は、POS解析結果の外部標定要素のみのここで、任意の１画像を抽出しその画像が成果でありこの制限値を満たしていない。今画像合成の歪による、何らかの特出した影響後、異なる撮影縮尺でも検証することによっが現れるかを検証した。VRS-GPSの検証点は22 －34－点、４つの画像合成境界付近から外側にかけルによる計測とVRS-GPSとの残差ベクトルをて偏りなく配置した。図－７は、左側に表している。残差ベクトルは、大きさ方向と VRS-GPSの検証点位置を、右側にステレオモデもに突出した傾向が出ていないことが分かる。図－７ VRS検証点位置と残差ベクトル次に、図－８に示す５コース97モデル撮影表－４縮尺1/6,500、基準点15点の通常の空中三角測 Std Max 量を行った。基準点をマニュアル観測し、パスポイントおよびタイポイントは自動相互標定機能で取得した。表－４に示すようにこの水平(ｍ) 0.10 0.22 高さ(ｍ) 0.15 0.27 制限値(ｍ) 0.16 0.31 ②残存縦視差の状況精度は、作業規定の制限値を満足するもので DMCのPOS解析結果によるステレオモデルは、あり、先にあげた幾何補正の精度は通常の写これまでの知見（アナログカメラや他のデジ真測量には十分耐えうるものであることが分タルカメラ）と比較して、残存縦視差が安定かる。これは、DMCがアナログカメラの代替えとして精度的に問題がないことを示している。図－８ DMCによる空中三角測量結果空中三角測量による検証コース－35－して微小である。 (Μm) 14 12 10 8 6 4 図－９ 05~0023+05~0024 05~0013+05~0014 05~0003+05~0004 04~0021+04~0020 04~0011+04~0010 03~0027+03~0028 03~0017+03~0018 03~0007+03~0008 02~0025+02~0024 02~0015+02~0014 02~0005+02~0004 01~0021+01~0022 01~0011+01~0012 0 01~0001+01~0002 2 (ステレオモデル) 残存縦視差の状況図－９は、図－６で示した５コース140モデれていることなどが考えられる（図－10）。こルのPOS解析の成果のみによるステレオモデれにより、相互標定をせずにPOS解析の成果のルの残存縦視差を示したものである。縦軸にみによる、中縮尺の図化やオルソ作成で充分縦視差（μm）、横軸に各モデルを示している。な精度を保持できる。これまでPOS解析の成果のみによるモデルで ③自動相互標定は、半数以上のモデルで残存縦視差が20μm DMCにより生成される12bitと8bit画像を用を超えるという報告[2]がなされている。しかいて自動相互標定を行い、それぞれの交会残し、DMCのこの例では、Max＝13.3μm, Avg＝差を比較したところ、12bit画像の方が概ね 8.4μmであった。このよう良好な結果が得ら５％の精度向上がみられた。12bitと８bitにれた要因としては，1)ジャイロマウントが備ついてタイポイントおよびパスポイントの取わっているためにカメラの振動が比較的小さ得数を比較したところ精度との相関はなかっいこと 2)内部標定の観測誤差がないことた。したがって、取得点数には関わらず、12bit 3)IMUがカメラ中心の真上に近接して設置さ画像を用いた方が常に正確なポイント取得がなされることが分かった。このように12bit 画像を用いることは、今後、あらゆる工程で行われている自動化の精度向上およびフルオートメーションに寄与するものと考えられる。図－10 4．運用実績と課題 2003年９月の導入以来、DMCを地形図作成・固定資産評価・環境調査など、多種多様な業務に利用している。また、公共測量への利用実績もあり、利用機会は拡大する一方である。ここで、今後の運用も考慮しデジタルカメラの課題について整理する。現在の航空デジタルカメラの主な課題は、 IMUの設置位置－36－ ①画角が小さくモデルおよびコース数が増加すること ②焦点距離（レンズ）が換えられないこと ③撮影間隔を２秒以下に設定できないことなどが挙げられる。モデル数の増加は、公共測量作業規定に準拠した空中三角測量を行う際の基準点数の増加を意味しており、対空標識の設置など現場作業の増加に繋がる。また、アナログ式カメラでは、用途によって焦点距離f=153mm、f=210mmなどを使い分けてきた。デジタルカメラの場合、焦点距離の変更ができないため、要求される撮影縮尺に対して、対地高度のみで調整する必要がある。したがって、飛行高度を下げられないような場所では大縮尺撮影が困難となる。撮影間隔 5．今後の展開デジタルカメラのメリットは、一つにスキャニングや現像が不要なため、撮影コストがコース数や写真枚数に比例しないことである。大容量の記憶装置を備えたDMCは一日の撮影で2,200枚以上（ロールフィルム３本相当）のデータが取得できる。これらの長所は、従来の撮影手法にとらわれることなく、広域かつ高いオーバーラップとサイドラップを適用する撮影法[3]を可能とする。この撮影法は、オクルージョン（建物の倒れこみによる隠蔽）を少なくできるため、図－11に示すようなトゥルーオルソ(TrueOrtho)の生成に適している。の制限は、データ転送速度に依存し大縮尺による高ラップ撮影が難しくなる。図－11 DMCによるOrtho(左)とTrueOrtho(右) DMCによって取得されたデータは、近赤外画像の生成も可能であることから、地図作成以外の分野（農業や防災など）への利用も期待できる。図－12に撮影縮尺1/4,000の近赤外画像を示す。こうした近赤外画像を用いることによって環境調査や土地利用調査などに活用できる。写真右では、人影が認識できるのが分かる。これまでの衛星画像データを主としたリモートセンシングで表現できない、より高図－12 解像度のデータを必要とするような分野への利用も可能であると考えている。－37－海岸の近赤外画像 6．まとめ本報告では、DMCの紹介から導入時の精度検証結果、今後の展開について述べた。航空デジタルカメラの導入は、スキャンレス（工程削減）のみならず、図化判読の向上、自動相互標定の精度向上、新たな市場への利用など多くの可能性が期待できる。アナログ解析図化機がデジタル図化機に置き換わったように、近い将来、アナログ航空カメラは急激にデジタル航空カメラに取って換わられていくであろう。今後、デジタル航空カメラの進化とともに、取得できるデータの解像度やバンド数も変化するだろう。高品質なデータのメリットを最大限に活かすための処理環境の整備も重要である。（※国際航業株式会社）－38－参考文献 [１] Tang L, Doerstel C, Jacobsen K, Heipke C, Hinz A; GEOMETRIC ACCURACY POTENTIAL OF THE DIGITAL MODULAR CAMERA, ISPRS, Vol.XXXⅢ, Working Group Ⅰ/3, 2000 [２] 内田修・織田和夫・真屋学・土居原健：POS撮影精度管理法、APA No85-3 p23～p45、2003.9 [３] 大山容一・南義彦・村井俊治：デジタル航空測量に適した撮影手法の提案、応用測量論文集p45～p49、2004.6