固定翼無人小型機 UX5 航空写真による沿岸調査と解析評価 エミー測量設計有限会社 浅野祐司 1．はじめに ＵＸ5 の概要 現在の航空写真測量では、飛行機と高額な機材・ 滑走路が必要である。しかし、UAV（小型無人機）が 実用化され、航空写真を容易に取得できるようになっ た。UAV での航空写真測量で狭い地域、自然災害直 後の現況把握に役立たれることが期待されている。 今回は、UAV（固定翼無人小型機 UX5）を使い、 航空写真測量による沿岸調査（汀線測量、地形デー タ）の実測値を解析し、評価を検証する事を目的とし 図-1 機体 て実施した。 2. 固定翼無人小型機 UX5 Trimble UX5 (Unmanned aerial vehicle) の仕様概要 表-１ 固定翼無人小型機 Trimble UX5 性能 飛行タイプ 翼長 固定翼、 質量 2.5kg 翼面積 34dm2 1m 寸法 100cm×65cm×10.5cm 素材 EPP フォーム、カーボンフレーム 推進力 ブラシレスモータ(700W) バッテリ 14.8V、6000mAh カメラ ミラーレス、APSC(15mm ｶｽﾀﾑﾚﾝｽﾞ) コントローラ Trimble Tablet Rugged PC 後続時間・距離 時間 50 分・距離 60km 最大速度・高度 時速 80km・高度 5000ｍ 離陸・着陸 カタパルト・胴体着陸 最少着陸 20ｍ×6ｍ 天候制限 18m/s 及び小雨 通信周波数・範囲 2.4GHz/最大 5km 解像度（GSD） 2.1cm～24cm 離陸場所・上空高度 75ｍ～750ｍ 図-2 機体各部名称 3. 空中写真測量の概要 ①重複する 2 枚以上の空中写真を用いて撮影時の状態 を再現する。 ②空間の位置関係を合わせる事により、対象地域の立 体モデルを作成する。 ③立体モデルと実際の地形との整合性を取る事により 縮尺や空間位置(方向や座標)を決定する。 ④整合性の取れた立体モデルから(デジタル図化)により 平面図化、地形図(数値地形図)を作成する。 表-2 飛行範囲表 高さ 75 m 100 m 150 m 200 m 250 m 300 m 400 m 500 m 750 m GSD(解像度) データ収集範囲/飛行 70% 80% 90% 2.4 cm 1.1km² 0.8km² 0.4km² 3.2cm 1.8km² 1.2km² 0.6km² 4.8cm 3.1km² 2.1km² 1.0km² 6.4cm 4.4km² 3.0km² 1.5km² 8cm 5.8km² 3.8km² 1.9km² 9.6cm 7.1km² 4.7km² 2.4km² 12.8cm 9.7km² 6.4km² 3.2km² 16cm 12.4km² 8.2km² 4.1km² 24cm 19.0km² 12.7km² 6.3km² データ収集範囲/日 70% 80% 90% 6.85km² 4.5km² 2.3km² 10.8km² 7.2km² 3.6km² 18.7km² 12.5km² 6.2km² 26.6km² 17.8km² 8.9km² 34.6km² 23.1km² 11.5km² 42.5km² 28.3km² 14.2km² 58.0km² 38.7km² 19.3km² 74.2km² 49.5km² 24.7km² 113.9km² 75.9km² 38.0km² 図-3 空中写真から地形図（数値地形図）作成モデル 3.1 空中写真測量作業の流れ 分に取り込まれず、撮影時の写真データが暗めになり 本測量の作業工程で、作業計画から地形図等の成果 作成までの流れを示す。 1 作 業 2 標 3 対 定 空 らに十分注意する。 4 撮 5 同 標 点 時 識 計 画 の の 設 設 置 置 9 数 調 影 10 補 値 測 編 編 成果に影響する。精度を損ねる可能性があるのでこれ 整 11 フ数 ァ値 イ地 形 ル 図 のデ 作ー 7 刺 針 6 現 地 調 査 12 品 8 数 値 4．UX5 による撮影 UAV（固定翼無人小型機 UX5）を使い、航空写真測 量による沿岸調査（汀線測量、地形データ）での活用に 図 注目し、評価を検証する事を目的として実施した。 試験飛行は、茨城県神栖市にある国立研究開発法 化 13 成 人港湾空港技術研究所波崎海洋研究施設周辺で実施 した。航空写真測量と汀線部の測量、地形データの実 測値を交えてデータを解析し、評価を検証した。 果 質 評 等 の 整 集 集 成タ 価 理 重要事項「写真測量の作業工程と内容」（Ver1.0）を参考 図-4 作業工程 4.1 障 害 物 撮影地近隣に風力発電の風車（発射位置からの高さで 96m）あり、撮影コース・高度設定を考慮する必要がある。 他の注意点としては、上記のような高い構造物、住宅密集 地、幹線道路の有無を考慮し計画する必要がある。 3.2 撮影計画(作業計画)事前調査 3.2.1 現地調査(予察による現地調査) 現地調査を行い、撮影状況等を確認する。 ・障害物の有無や離着陸地点等の現況把握 ・空中写真撮影後の変化状況(大規模工事等) ・注記に必要な事項及び境界 ・撮影環境の把握、発着陸地点の確認 （風、着陸時の状態等） ・標定点の選点、設置 以上、現地調査の結果を整理して、立ち入り手続き及び 撮影計画を行う。 3.2.2 作業計画 空中写真、参考資料と現地調査結果を使い撮影計 画を立てる。作業範囲の指定を PC 上で指定する。撮影 計画は、事前に調査した結果に留意して、タブレット端 末に、今回撮影予定地である波崎海洋研究施設の区 域の入力を行う。 3.2.3 標定点 標定点（基準点）は空中写真測量の解析精度の要で ある。標定点数は撮影範囲内に 5 点以上を設置する。 観測精度は基準点測量基準による。 3.2.4 撮影 撮影時に注意すべき点は、撮影時のカメラ設定で、 シャッタ速度を決める。シャッタ速度を速めると光が十 図-5 風車と防砂柵 4.2 撮影計画 今回は、精度確認のため高度 75ｍと 125ｍの 2 回の 飛行を計画し行なった。 撮影には標定点・配置位置が大事で、現地にある既知 点を中心に考慮し、撮影条件を設定した。 ・面積 210m×400m 0.0844km² ・撮影時間 20 分（高度 75m 撮影ラップ率 80%） 15 分（高度 125m 撮影ラップ率 80%） ・標定点 10 点（精度確認点を含む） ※ラップ率は、オーバーラップ、サイドラップとも 80％ 定点の大きさを表‐3 に記載した。 表-3 対空標識板の標準 地図情報レベル 500 1000 2500 5000 10000 A・C型 20×10cm 30×10cm 45×15cm 90×30cm 150×50cm B・E型 20×20cm 30×30cm 45×45cm 90×90cm 150×150cm D型 厚さ 内側30ｃｍ・外側70cm 内側50cm・外側100cm 4～5cm 内側100ｃｍ・外側200cm 4.5 撮影準備と記録データ 図-6 計画撮影飛行コース 撮影環境に合わせ撮影条件の設定を行う。 図-6 のように Google Earth の画像上に区域を設定す 図-8 の UX5 機体は、発射直前にデータをインプットし ることで撮影計画を作成し、高度、ラップ率を設定する 発射する。撮影計画に基づき、予定高度・予定経路に ことで作業を行えるようにする。基本的に航路は、現場 達すると撮影を開始する。 環境に依存するため、シミュレーションを行ってから現 ・撮影位置 : DGPS データ 場にて設定を行う。 ・高度 : 気圧高度データ(発射位置を高度 0) ・速度 : ピトー管による計測速度、GPS の移動速度 4.3 標定点 ・傾斜等姿勢 : 慣性装置による機体の向き傾きを記録 標定点は現地の既設基準点を利用し、撮影エリア内 に 10 点観測し設置した。 上記諸元が本体に撮影諸元と撮影の同期番号が 記録される。カメラには、基本的に JPG データとして 標定点には木杭を打設、位置は GNSS 測量、標高は SD カードに記録される。カメラに JPG で保存する理由 水準測量により既設基準点（桟橋基準点 A） は、書き込まれる速度が速いためである。本機体は、 DL=6.857m（TP+6.170）を基準に直接水準測量により 時速 80 ㎞で航行するため、一コマ間の撮影速度は、 決定した。 高度とラップ率が影響することになる。 LAW データで 4.4 対空標識の設置 対空標識の形状は図-7 の形式を検討した。 撮影を行う場合は、SD カードの記録速度と撮影高度 を変えラップ率を調整する必要がある。（当社では 80％、210ｍでの LAW データで撮影を確認していま す。） 図-8 UX5 発射装置（カタパルト） 図-7 対 空 標 識 4.5 風向き 対空標識は、試験撮影を行い撮影写真上での標定点 固定翼機 UX5 は、風向きに影響されやすく、発射時は 視認、設置が容易で、経済性等の観点から B 型を選択し 揚力をつけるため風に向かって飛び立ち、撮影高度を確 た。また、対空標識の色合いについても検討を行った。結 保する。UX5 は、電池の消耗を防ぐため撮影時はできる 果、視認がしやすい白黒の物を採用することにした。 だけ風に向かって飛び立たせる必要がある。 標定点は、視認と中心位置、大きさが重要であることか 撮影方向は、飛行経路が風を真横から受けるように設 ら、現状の空中写真測量で使用されている視認できる標 定し、現場内で風向きを見て計画を変更する。発着直前 まで、その時の風向きに合わせた設定が必要である。これ 時間を比較した。これから解析時間が解析データ数に が撮影進路に反映され、計画進路内、進路変更旋回時 比例しているのが表れている。 の安全、着陸態勢に入るまでの旋回経路を現場の風を見 5.2 刺 針 て計画する。 4.6 UX5 写真撮影飛行 刺針をすることで座標や写真の歪みを矯正し、全体 の位置を定かにするものである。 (1) 離陸準備 対空標識を写真上で確認し、写真一枚一枚に刺針 飛行計画及び飛行はコントローラ Trimble Tablet をする。また対空標識が明瞭に確認出来ない場合や緊 Rugged P.C（タブレット端末）により、UX5 の離陸から撮 急時等で対空標識が設置できない場所などでは道路 影手順、範囲、撮影タイミング、撮影時の記録、帰着の にある白線や明瞭な構造物を刺針点として、作業後、 飛行経路、着陸地点まで設定値をインプットする。 測定することで使用することができる。 (2) 離陸 離陸は折り畳み式カタパルト（3ｍ長）から風上に向け て仰角 30°設置で発射させる。（図-8 参照） (3) 撮影飛行 発射後は、通信による(5ｋｍ範囲)飛行経路確認を行 う。着陸まで事前設定による飛行撮影計画に沿った 自立飛行となる。この間の安全確保については、安 全機構と通信機能（タブレット端末）による回避ができ る。安全機構とは、飛行に必要な機能の 1 つに飛行 図-9 測量地の地盤現状 中故障が起きた時に作動する機能(計画位置への着 陸)がある。着陸は、撮影が終了し、飛行計画に沿っ 5.3 出力データ 解析を終えたデータからは、オルソモザイク画像（歪み て飛行高度を（75m）まで下げ着陸予定付近で旋回 し、着陸態勢に入る。飛行進入路及び、着陸地点で の安全確認後、指令で胴体着陸をする。 5. 解析 のない画像）と 3D 点群データ、DSM データ（鳥瞰図）を出 力することができる。 6. 解析による精度検証と評価 解析結果から出力される 3D 点群データの精度 5.1 オルソモザイク画像の調整 撮影データと自動整合性の取れた、飛行撮影諸元 ( ロ グ デ ー タ ) を 画 像 解 析 ソ フ ト （ Trimble Business Center)で取り込み相対平均計算を行いオルソモザイク 画像が形成される。 撮影高度によるデータ量等の相違点 75m 125m 撮 影 高 度 210m×400m 210m×400m 撮 影 範 囲 0.0844km² 0.0844km² 撮 影 面 積 撮 影 方 向 南～西 南～西 表-4 は相対平均計算、標定点取り込みと絶対平均計 14分 9分 撮 影 時 間 23 14 撮 影 コ ー ス 数 373枚 254枚 撮 影 写 真 枚 数 2.1cm 3.5cm 解 像 度 6.8ｈ 2.5h 相対 平均 計算 時間 8ｈ. 4.5h 標 定 点 写 真 標 定 6.8ｈ 2.5h 絶対 平均 計算 時間 算にそれぞれの時間を費やしており、PC と撮影高度 190.5百万 68.5百万 解 析 デ ー タ 数 表-4 撮影高度によるデータ量等の相違点 75m 及び 125m の 2 回の撮影データの解析量、解析 標定点の値と点群データとの比較で精度の検証を表-5 において行った。 表-5 標定点の精度管理表 標定点(撮影解析の標定点使用成果） 高さは簡易水準DL+ 番号 1 2 5 7 9 10 X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ 成果 -17133.044 83646.812 8.773 -17098.072 83704.922 3.237 -17339.642 83851.049 3.509 -17442.085 83913.520 3.611 -17398.996 83750.701 9.651 -17235.942 83787.792 3.621 高度75m -17133.04 83646.816 8.773 -17098.064 83704.915 3.255 -17339.637 83851.048 3.519 -17442.077 83913.501 3.650 -17399.005 83750.739 9.664 -17235.935 83787.77 3.627 X差平均 Y差平均 標高差平均 差 0.004 0.004 0.000 0.008 -0.007 0.018 0.005 -0.001 0.010 0.008 -0.019 0.039 -0.009 0.038 0.013 0.007 -0.022 0.006 0.004 -0.001 0.014 高度125m -17133.028 83646.784 8.743 -17098.039 83704.902 3.31 -17339.674 83851.086 3.579 -17442.035 83913.544 3.538 -17398.991 83750.687 9.7054 -17235.942 83787.767 3.592 標準偏差 0.007 X差平均 0.020 Y差平均 0.019 標高差平均 差 0.016 -0.028 -0.030 0.033 -0.020 0.073 -0.032 0.037 0.070 0.050 0.024 -0.073 0.005 -0.014 0.054 0.000 -0.025 -0.029 0.012 -0.004 0.011 標準偏差 0.029 0.026 0.058 表-6 は、表-5 を取りまとめたものである。 える。これらの事象と事前調査を如何に反映するかが課 表-6 標定点の数値差 題である。 高度 差 Ｘ座標 Ｙ座標 標高 75ｍ 最大差 9 mm 38mm 39 mm 標準偏差 7mm 20mm 19mm 最大差 50mm 37mm 73mm 標準偏差 29mm 26mm 58mm 125ｍ 表-7 は、標定点として設置したが、出力(数値図化)デ ータの成果形成の基点として使用しなかった予備標定点 成果を形成データと比較（精度確認）。 表-7 予備標定点の精度管理表 精度確認点(設置は標定点として、対空標識設置点） 番号 3 4 6 8 X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ X座標 Y座標 高さ 成果 -17065.470 83759.818 2.949 -17306.142 83907.924 3.118 -17410.947 83964.734 3.347 -17497.478 83822.762 10.354 高度75m -17065.49 83759.847 2.932 -17306.133 83907.911 3.124 -17410.94 83964.737 3.378 -17497.449 83822.739 10.389 X差平均 Y差平均 標高差平均 差 -0.020 0.029 -0.017 0.009 -0.013 0.006 0.007 0.003 0.031 0.029 -0.023 0.035 0.006 -0.001 0.014 高度125m -17065.474 83759.797 2.93 -17306.138 83907.943 3.105 -17410.977 83964.71 3.397 -17497.489 83822.738 10.315 標準偏差 0.019 X差平均 0.020 Y差平均 0.025 標高差平均 図-10 差 -0.004 -0.021 -0.019 0.004 0.019 -0.013 -0.030 -0.024 0.050 -0.011 -0.024 -0.039 -0.010 -0.012 -0.005 横断図比較 6.3 汀線際の解析画像 図-11、-12 は、汀線際の解析画像、横断図で、汀線際 は、砕波帯であるため画像は波の測定時間が異なること から、必要な写真データになっていない。ノイズの消去で 平均的な位置が見えてくればいいのだが、通常削除では 標準偏差 0.019 0.020 0.025 難しく、必要部分を残し汀線際の立体視が出来れば解析 も可能。今後の課題とする。 これらの精度管理表から撮影高度差（50ｍ）があってもあ まり影響が出ていない事がわかる。（高度差のある撮影） 6.1 刺針点 表-8 明朗構造物の位置を刺針点として計測比較。高度 125m での精度で開きが大きく、図-9 にある選定した構造 物が地盤より離れていることから解像度が荒い分周りの影 響がでていると考える。75ｍには影響が出ていない。 表-8 構造物の精度管理表 構造物(構造物の角の測定成果 刺針点） 番号 成果 高度75m 差 X座標 -17266.884 -17266.849 0.035 Y座標 83807.821 83807.866 0.045 4.325 4.309 -0.016 高さ X座標 -17266.588 -17266.599 -0.011 Y座標 83808.330 83808.322 -0.008 4.323 4.331 0.008 高さ X差平均 0.012 Y差平均 0.018 -0.004 標高差平均 総平均 X差平均 0.007 Y差平均 0.005 0.008 標高差平均 高度125m -17266.826 83807.706 4.393 -17266.626 83808.324 4.284 X差平均 Y差平均 標高差平均 差 0.058 -0.115 0.068 -0.038 -0.006 -0.039 0.010 -0.060 0.014 X差平均 Y差平均 標高差平均 0.004 -0.026 0.007 図-11 汀線際 3D 画像 6.2 横断数値編集 数値図化より現況図、等高線、横断図を作成することが できる。図-10 は実測横断と 125ｍ、75ｍデータの比較横 図-12 汀線際横断図 断で柵の高さが詳細に表示されているが、125ｍでは周り のデータに影響されて柵の位置と高さが曖昧になってい 図-13 の現況緑地帯、等高線の表示においても植生の るのが観測された。75ｍでの観測では柵の高さによる影 影響で解析困難と考えられるが植生の衰える晩秋からの 響は片側に表れており、それぞれの撮影高度の解像度の 撮影で基本作業が補えることに期待できる。 違いによる影響と、これに撮影方向も加わっているのが伺 横断測量は砂浜上を観測しているので数センチの変 化は有るものと思われる。 表-9 横断測量との比較結果 横断測量 定期横断実測値と撮影出力(数値図化）データとの 比較結果(標高2.0m以上の件対数を対象） 撮 図-13 海浜部現況図 7.横断測量地盤高の比較 図-14、図-15 は、出力(数値図化・地盤高)データの成 件 解 標 相 影 高 度 75m 125m 偏 関 数 度 差 数 271 2.1cm 6.76cm 0.99986 274 3.5cm 8.35cm 0.99981 対 像 準 関 果と港湾空港技術研究所で定期横断測量を実施してい 表-9、図-14、図-15 から、高度差から得た結果は、標 る同一コースで実施した。測量実測成果の比較を、それ 準偏差でそれぞれ 8.35cm、6.76cm 結果を得ており、相 ぞれの撮影高度で比較したグラフにまとめた。 関関数おいては、0.9998 と近似値を得た。 8 8. まとめ 実測値と UX5(125m) 7 撮影において、天候に余り左右されず広範囲の撮影が 短時間で可能な事、迅速性を利点としている。 UX5 による高さ (m) 6 解析結果から解析研究する課題も多いのですが、撮影 5 の高度差があっても目的を果たし、予察、現地調査で十 分な調査を行い反映できれば期待以上のものが得ら 4 れ、沿岸調査おける有効性が実証されたものと考え 3 られます。 2 1 0 昨今 UAV が話題なっており、導入を検討する会社も N = 274 0 1 2 3 4 実測高さ r = 0 .99981 多く増え、活躍する場も多くなる事が予測されます。 σ = 8.35 cm 航空写真撮影が身近になり、解析の方法もいろいろと 5 6 7 ありますが、ここに一つの方法をお示しできたものと考 8 (m) えます。 図-14 高度 125m データと実測値比較 今後とも海洋調査に大いに貢献できるよう務めてまい りたいと思います。 8 今回の撮影飛行につき撮影地の許可及び、地形実 実測値と UX5(75ｍ) 7 測データを提供してくださった国立研究開発法人港湾 空港技術研究所、発表の機会をくださったオーシャンエ UX5 による高さ (m) 6 ンジニアリング株式会社様にこの場を借りて御礼申し上 5 げます。 4 3 2 N = 271 r = 0 .99986 1 0 σ = 6.76 cm 0 1 2 3 4 実測高さ 5 6 (m) 図-15 高度 75ｍデータと実測値比較 7 8
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