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市販デジタルカメラによる三次元計測とその活用例

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【14】
全地連「技術e-フォーラム2008」高知
市販デジタルカメラによる三次元計測とその活用例
㈱開発工営社
○新妻
重明
安藤
勧
河又
久雄
1. はじめに
近年,高分解能の市販デジタルスチルカメラが普及し
ており,これらを用いた三次元写真計測技術が実用化さ
れている。この技術は,自然斜面や構造物等の様々な計
測で用いられるが,危険で人の近づけない急斜面の調査
において特に有効となる。しかし,三次元写真計測の精
度は,解析写真の撮影環境や基準点の設定,解析方法に
より大きく左右される。ここでは,三次元写真計測にお
いて有効と思われる写真撮影位置やターゲットの形状お
よび配置方法を紹介する。また,現場計測における活用
事例を紹介するとともに,計測精度ついても検証する。
2. 三次元写真計測の方法
三次元写真計測は,撮影した写真画像の平面座標を測
定し,対象物,レンズ,CCD を結ぶ光の幾何学条件を利
用して,対象物の空間的な位置,すなわち三次元座標を
求めるものである1)。
三次元写真計測の流れを以下に示すとともに,現場で
の適応事例についても述べる。計測フローを図-1に示す。
<1. 撮影計画準備>
・対象物,撮影位置等の確認(形状,植生等の障害物)
・対応点,スケール配置(ターゲット,測量基準点等)
写真-1 十字型ターゲット(左)と円形ターゲット(右)
(2) 写真撮影
写真の撮影枚数は,2枚でも解析は可能だが,枚数を増
やすことで精度が向上する2)。撮影角度は,左右だけでな
く上下にも視差を確保することで精度の向上を図る。
(3) 画像解析
対象物の三次元座標を求めるには,実際の対象物の標
的と CCD 面に写された二次元画像上の標的(対応点)
との関連付けを行い,内部標定要素,外部標定要素を算
出する必要がある1)。
内部標定要素は焦点距離や主点位置のずれ,レンズ歪
み等,個々のカメラが持つパラメータであり,事前に求
めることができる2)。一方,外部標定要素は計測時におけ
るカメラの位置や姿勢等で,解析ごとに毎回算出する必
要がある。
<2. 写真撮影>
・角度を変えて2箇所以上の画像撮影
・画像内に対応点
<3. 画像解析>
・対応点付け
・内部標定 (事前に実施可)
・外部標定要素 (解析ごとに算出)
内部標定要素,外部標定要素が決定されると,対象物
の相対三次元座標が求められる。これに測量座標や点間
距離,鉛直の基準等を入力することで,対応点の三次元
座標を求めることができる。
(4)結果出力
解析により求められた三次元座標は,サーフェイスを
作成して3D モデリング(図-2 右上)が可能となる。ま
<4. 結果出力>
・3Dモデリング
・CADデータ出力等(等高線図・縦横断図作成,体積計算等)
た,等高線図(図-2 右下),縦横断図(図-2 左下),点
群データ等を CAD データ等に出力できる。
図-1 三次元写真計測フロー
(1) 撮影計画準備
写真を撮影する前には,対象物の形状や植生等の障害
物を把握した上で,写真の撮影位置を計画する。
配置するターゲットは対象物の状況や継続観測等に合
わせて選定する。対象物が植生や積雪に覆われる可能性
がある場合は,十字型ターゲットが有効である。
(写真-1
左)。この場合,ターゲットの一部が陰になっても交点が
見えれば点の抽出が可能となる。一方,障害物がない場
合は円形ターゲットを使用して,解析時に円の面積重心
を精度よく算出する方法が有効である(写真-1 右)。
図-2 計測結果出力例
全地連「技術e-フォーラム2008」高知
3. 現場計測における精度に関する検証
観測開始後1年間は,解析画像を2枚で計測を行なった
写真-2は2002年12月から2003年1月の間でダム湖岸斜
が,観測ごとや解析者ごとのバラツキが数 m にも及ぶこ
面に発生した風化岩地すべりで,発生当初からパイプ歪
とから,画像を4枚以上に変更した。結果,ターゲット間
計および地表伸縮計による観測を実施している。三次元
の距離でのバラツキが平均31~35mm(撮影距離約64m に
写真解析は2006年6月から行なっており,ターゲットを用
対して約0.05%),最大102mm(約0.14%)となった(図-4)。
いた移動岩塊の動態観測を実施している。表-1に三次元
写真計測の概要を示す。
2006年
写真-2 ダム湖岸の地すべり全景(赤丸はターゲット)
象
2008年
図-4 ターゲット間の距離のバラツキ
表-1 三次元写真計測の概要
対
2007年
2007年
ダム湖岸斜面に発生した風化岩地すべり
(幅約50~60m,奥行き100m)
目
的 地すべりの移動岩槐の動態観測
観 測 開 始 日 2006年6月30日
解析画像を4枚以上用いた場合のターゲットの座標の
バラツキは,Y(左右)方向および Z(鉛直)方向で,平
均18~38mm(約0.03~0.06%),最大45~117mm(約0.07
~0.18%)なのに対して,X(奥行)方向では,平均61~
タ ー ゲ ッ ト 観測点3箇所、基準点3箇所
撮 影 位 置 ダム湖面のボート上、凍結した湖面上
146mm(約0.10~0.23%),最大161~454mm(約0.25~
撮
0.71%)と大きくなる(図-5)。
影 距
離 約64m
観測に用いるターゲットは,冬季の積雪や樹木が多い
こと等を考慮して,十字型ターゲットを採用した。ター
ゲットは移動岩塊に3箇所,地すべり外側の不動地盤に3
箇所,計6箇所を設置した(図-3)。
解析における対応点付けはターゲット6点に加え,任意
一般的に三次元写真計測における誤差は,X(奥行)
方向に最も大きくなると言われているが1),当事例におい
ても同様の結果が得られた。X(奥行)方向のバラツキ
は,Y(左右)方向および Z(鉛直)方向のバラツキより
も,約4倍程度大きい傾向を示す。
の14点で行なった。スケールとしてターゲット間の距離
(実測値)を用い,基準点3箇所の初期座標を決定した。
動態観測は,ターゲットの座標およびターゲット間の
距離について,初期値からの相対的な変化を見ることに
より行なっている。同時に実施しているパイプ歪計およ
び地表伸縮計の観測結果からは,地すべりに大きな変動
は認められないことから,ターゲットの移動はほぼない
ものと推定して,計測の精度について検証する。
2007年
2008年
図-5 ターゲットの座標のバラツキ
No.5(基準点)
《引用・参考文献》
No.3(観測点)
1) ㈳日本写真測量学会 動態計測研究会編:デジタル写真
No.1(基準点)
No.2(観測点)
No.6(基準点)
測量の理論と実践,343pp,2004.6.
No.4(観測点)
2) 國井洋一,村井俊治:デジタルスチルカメラのキャリ
ブレーションにおける最適状況の検討,写真測量とリ
ターゲット
図-3 地すべり観測おけるターゲット位置図
モートセンシング,Vol47,No.1,pp.44-51,2008.3.
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