(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-06
(45)【発行日】2022-10-17
(54)【発明の名称】蛇行式航空レーザ計測方法
(51)【国際特許分類】
G01C 7/04 20060101AFI20221007BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20221007BHJP
B64D 47/00 20060101ALI20221007BHJP
【FI】
G01C7/04
B64C39/02
B64D47/00
(21)【出願番号】P 2019004107
(22)【出願日】2019-01-15
【審査請求日】2021-12-06
(73)【特許権者】
【識別番号】390023249
【氏名又は名称】国際航業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001335
【氏名又は名称】弁理士法人 武政国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】阿部 亮吾
(72)【発明者】
【氏名】井田 憲吾
(72)【発明者】
【氏名】王 ▲あ▼
(72)【発明者】
【氏名】前橋 尚弥
(72)【発明者】
【氏名】城 朋恵
【審査官】仲野 一秀
(56)【参考文献】
【文献】特表2018-511509(JP,A)
【文献】特開2015-200615(JP,A)
【文献】特開2012-242321(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01C 1/00-5/14
5/00-15/14
B64C 39/02
B64D 47/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蛇行する線状物に沿って飛行しながら該線状物を航空レーザで計測する方法であって、
航空レーザ計測を行う際の飛行コース、及び基準点の設置位置を計画する計測計画工程と、
前記計測計画工程で計画された設置位置に基づいて、基準点を設置する基準点設置工程と、
前記計測計画工程で計画された前記飛行コースに基づいて、蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行う計測工程と、
前記計測工程で取得された計測点群に対して調整計算を行う調整計算工程と、を備え、
前記計測計画工程では、前記線状物に沿って蛇行飛行するような前記飛行コースを計画するとともに、飛行時の曲がり角度が閾値を超えるときは前記飛行コースを分断して複数の分割飛行コースからなる該飛行コースを計画し、
前記計測工程では、異なる前記分割飛行コース間を移動するときは、先行する該分割飛行コースを抜け出した後に一旦前記飛行コースを外れて旋回したうえで後続の該分割飛行コースに進入する、
ことを特徴とする蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項2】
前記計測計画工程では、飛行時の曲がり角度が閾値を超える屈折部に、前記線状物の両側2箇所に位置するように基準点の設置位置を計画する、
ことを特徴とする請求項1記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項3】
前記計測計画工程では、前記線状物の両側それぞれを飛行するように2以上の前記飛行コースを計画する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項4】
前記線状物が河川であり、
前記計測計画工程では、河川両岸それぞれを飛行する前記飛行コースに加え、河川上を飛行する河川飛行コースを計画し、
前記計測工程では、前記河川飛行コースを飛行するときはグリーンレーザを使用して航空レーザ計測を行う、
ことを特徴とする請求項3記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項5】
前記調整計算工程では、2以上の前記飛行コースで得られた計測結果、及び基準点に基づいて精度劣化計測点を抽出するとともに、該精度劣化計測点を取り除いたうえで調整計算を行う、
ことを特徴とする請求項3又は請求項4記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【請求項6】
前記調整計算工程では、前記分割飛行コースを複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行う、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の蛇行式航空レーザ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、河川や道路、線路、海岸線といった線状の対象物(以下、「線状物」という。)の計測方法に関する技術であり、より具体的には、蛇行する線状物に沿って蛇行飛行しながら航空レーザによって計測する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
広範囲に渡って地物を計測する場合、これまでは空中写真測量によるのが主流であったが、昨今では、航空レーザ計測や、衛星写真を利用した計測、あるいは合成開口レーダを利用した計測など様々な計測手法が出現し、状況に応じて好適な手法を適宜選択できるようになった。なおここでいう「地物」とは、橋梁やオフィスビルといった人工物、あるいは河川や海、森林といった自然物など、地上に存在するあらゆる「物」の総称である。
【0003】
このうち航空レーザ計測は、計測したい対象地物の上空を航空機で飛行し、この対象地物に対して照射したレーザパルスの反射波を受けて計測する手法である。この場合航空機には通常、GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)などの測位計と、IMU(InertialMeasurementUnit)などの慣性測量装置が搭載されており、レーザパルスの照射時刻と受信時刻との時間差によって計測点(レーザパルスが反射した地点)までの距離が得られ、さらにGNSSとIMUによってレーザパルス照射時における照射位置(x,y,z)と照射姿勢(ω,φ,κ)を記録することができ、この結果、計測点の3次元座標を取得することができる。
【0004】
また、従来の航空レーザ計測では近赤外パルスレーザ(波長1064ナノメートル:nm)を使用していたためレーザパルスが水面で反射して水底の地物は計測できなかったが、昨今では水底の地物(つまり水深)も取得できる航空レーザ計測が利用されるようになった。この手法は、ALB(Airborne Laser Bathymetry)と呼ばれ、航空機から照射されたグリーンパルスレーザ(波長532nm)が水中を透過して水底から反射してくるため測深が可能となるわけである。
【0005】
このような技術進歩もあって、近年では航空レーザ計測が多用されるようになり、これに伴って航空レーザ計測に関する新規な技術が数多く提案されてきた。例えば特許文献1では、航空レーザ計測(特にウェーブフォームデータWFD)によって得られる大量の点群データに対して、特徴的な解析処理を行うことで地物間に挟まれた空間も把握できる技術を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで航空レーザ計測を実施するにあたっては、飛行するコース(以下、単に「飛行コース」という。)を事前に計画したうえで実際に飛行し、計測を行う。そして、この飛行コースは航空機が直線状に飛行するように計画され、対象とする計測範囲を網羅するように複数条の飛行コースが設定される。そのため、面状に広がる範囲を対象として航空レーザ計測を行うときは、直線状の飛行により極めて効率的に計測できるが、一方、河川や道路など蛇行する線状物を対象とする場合は、直線状の飛行が却って非効率的となる。
【0008】
図9では、蛇行する河川に対して直線状の飛行コースが計画されており、図の左側で計画された5本の直線コース(C1~C5)と、図の右側で計画された5本の直線コース(C6~C10)を示している。この図からも分かるように、蛇行する線状物に対して直線状の飛行コースを計画すると、飛行コースの数が増え、これに伴ってフライト時間や計測コストが増大してしまう。
【0009】
蛇行する線状物に対しては、線状物に沿うように蛇行する飛行コースを計画することも考えられる。しかしながら、蛇行角度が大きい箇所では航空機が低速飛行(回転翼の場合はホバリング)になるためIMUによる姿勢計測精度が低下し、また航空機のRolling角の増加に伴う計測点密度の低下や欠測、あるいはGNSS受信状況の劣化が生じ、その結果、計測精度が著しく低下することが考えられる。したがって従来では、蛇行する線状物に沿うように蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行う例が見られなかった。
【0010】
本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち従来の計測精度を保ちつつ、蛇行する線状物に対して効率的に航空レーザ計測を行うことができる蛇行式航空レーザ計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本願発明は、線状物に沿って蛇行飛行するような飛行コースを計画するとともに、極端に曲がる場合は飛行コースを分断して複数の分割飛行コースで計画する、という点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。
【0012】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、蛇行する線状物に沿って飛行しながら線状物を航空レーザで計測する方法であって、計測計画工程と基準点設置工程、計測工程、調整計算工程を備えた方法である。このうち計測計画工程では、航空レーザ計測を行う際の飛行コースと基準点の設置位置を計画し、基準点設置工程では、計測計画工程で計画された設置位置に基づいて基準点を設置する。また計測工程では、計測計画工程で計画された飛行コースに基づいて蛇行飛行しながら航空レーザ計測を行い、調整計算工程では、計測工程で取得された計測点群に対して調整計算を行う。なお計測計画工程では、線状物に沿って蛇行飛行するような飛行コースを計画するとともに、飛行時の曲がり角度が閾値を超えるときは飛行コースを分断して複数の分割飛行コースからなる飛行コースを計画する。そして計測工程では、異なる分割飛行コース間を移動するときは、先行する分割飛行コースを抜け出した後に一旦飛行コースを外れて旋回したうえで後続の分割飛行コースに進入する。
【0013】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、飛行時の曲がり角度が閾値を超える屈折部に、線状物の両側2箇所に位置するように基準点の設置位置を計画する方法とすることもできる。
【0014】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、線状物の両側それぞれを飛行するように2以上の飛行コースを計画する方法とすることもできる。
【0015】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、蛇行する河川を計測する方法とすることもできる。この場合、計測計画工程では、河川両岸それぞれを飛行する飛行コースに加え、河川上を飛行する河川飛行コースを計画し、この河川飛行コースを飛行するときは近赤外に加えてグリーンレーザも使用して航空レーザ計測を行う。
【0016】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、2以上の飛行コースで得られた計測結果と基準点に基づいて精度劣化計測点を抽出するとともに、この精度劣化計測点を取り除いたうえで調整計算を行う方法とすることもできる。
【0017】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、分割飛行コースを複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行う方法とすることもできる。
【発明の効果】
【0018】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法には、次のような効果がある。
(1)線状物に沿って蛇行飛行することから、フライト時間や計測コストを抑えることができ、すなわち効率的に航空レーザ計測を行うことができる。
(2)極端に曲がる場合は飛行コースを分断して複数の分割飛行コースで計画することから、蛇行角度が大きい箇所でも航空機の低速飛行やRolling角の増加を回避することができ、従来の計測精度を維持したうえで航空レーザ計測を行うことができる。
(3)分割飛行コースをさらに複数の計算ブロックに分割したうえで調整計算を行うことによって、より高い精度で点群の座標を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【
図2】本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の主な工程を示すフロー図。
【
図4】蛇行する河川に沿った線形で計画される右岸側の飛行コースと左岸側の飛行コース、河川飛行コースを示すモデル図。
【
図5】(a)は屈折点を判定するための角度閾値を90°で設定したケースを説明するモデル図、(b)は屈折点を判定するための角度閾値を60°で設定したケースを説明するモデル図。
【
図6】基本的な飛行コースが屈折点で2分されることによって設定される第1の分割飛行コースと第2の分割飛行コースを示すモデル図。
【
図9】蛇行する河川に対して計画された10本の直線状飛行コースを示す平面画。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。なお本願発明は、蛇行する線状物を航空レーザで計測する方法であり、蛇行する線状物であれば河川や道路、線路、海岸線などあらゆる地物を対象として実施することができるが、便宜上ここでは
図1に示す河川RVを対象とした例で説明する。
【0021】
1.全体概要
はじめに、
図2を参照しながら本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の概要について説明する。
図2は、本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法の主な工程を示すフロー図である。この図に示すように、従来手法と同様まずは計測計画を策定する(Step100)。この計測計画工程では、航空レーザ計測を行う際の飛行コースや、基準点の設置位置など、航空レーザ計測に必要な内容が計画される。計測計画が策定されると、その計画にしたがって基準点を設置する(Step200)。
【0022】
ここまでの準備が整うと、計画された飛行コースにしたがって実際に飛行しながら航空レーザ計測を行う(Step300)。そして、飛行コースを複数のブロック(以下、「計算ブロック」という。)に分割し、隣接する計算ブロック内の点群データを用いて調整計算(バンドル調整法、多項式法、独立モデル法等)を行って(Step400)、河川RVの位置や形状を図面や地図等に出力する。以下、本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法について、主な工程ごとにさらに詳しく説明する。
【0023】
2.計測計画工程
図3は、計測計画工程(
図2のStep100)の各工程を示すフロー図である。計測計画工程では、はじめに基本的な飛行コースを計画する(Step101)。この飛行コースFCは、
図4に示すように蛇行する河川RVに沿った線形で計画され、しかも河川の右岸側に沿った飛行コースFCRと左岸側に沿った飛行コースFCLの2本の飛行コースFCで計画するとよい。もちろん、計測対象や計測目的に応じて、1本の飛行コースFCで計画することもできるし、3本以上の飛行コースFCで計画することもできる。また、河川RVの水底を把握したい場合は、右岸側の飛行コースFCRや左岸側の飛行コースFCLに加え、河川RVの上方を飛行する河川飛行コースFCOを計画する。なお、この河川飛行コースFCOを飛行するとき、つまり河川RVの水底地形を計測(測深)するときは、グリーンパルスレーザを照射するALBによる計測が望ましい。
【0024】
基本的な飛行コースFCを計画すると、その飛行コースFC上における極端に曲がる箇所(以下、「屈折点」という。)の有無について判定を行う(Step102)。既述したとおり屈折点では、航空機が低速飛行(回転翼の場合はホバリング)になるためIMUによる姿勢計測精度が低下し、あるいは航空機のRolling角の増加に伴う計測点密度の低下や欠測、GNSS受信状況の劣化が生じやすく、その結果、計測精度が著しく低下することがある。そこで本願発明では、屈折点においては河川RVに沿って蛇行するのではなく、一旦コースアウトする(飛行コースを外れる)こととし、Step101で計画した一連の飛行コースFCを屈折点で分断することとした。
【0025】
屈折点を判定するにあたっては、変化前の飛行コースFCにおける方向軸(以下、「第1方向軸」という。)と、変化後の飛行コースFCにおける方向軸(以下、「第2方向軸」との挟角θを求める。そして、その挟角θがあらかじめ定めた閾値(以下、「角度閾値」という。)を超えるときに、その地点を屈折点として判定することができる。例えば、
図5(a)では角度閾値を90°で設定しており、
図5(b)では角度閾値を60°で設定している。したがって、
図5(a)のケースでは、第1方向軸AX1と第2方向軸AX2との挟角θが90°以上であれば「屈折点」と判定され、
図5(b)のケースでは、第1方向軸AX1と第2方向軸AX2との挟角θが60°以上であれば「屈折点」と判定される。
【0026】
Step101で計画した飛行コースFC上に屈折点が確認されると、
図6に示すように、この屈折点で飛行コースFCを分断する(Step103)。
図6では、飛行コースFC上に第1の飛行分割ブロックDB1(破線で示す領域)と第2の飛行分割ブロックDB2(やはり破線で示す領域)を設定することで飛行コースFCを2分しており、第1の飛行分割ブロックDB1内の飛行コースを第1の分割飛行コースFC1とし、第2の飛行分割ブロックDB2内の飛行コースを第2の分割飛行コースFC2として設定している。
【0027】
また
図6に示すように、第1の分割飛行コースFC1と第2の分割飛行コースFC2との間には第3の分割飛行コースFC3を設定する。すなわち、第1の分割飛行コースFC1、第3の分割飛行コースFC3、第2の分割飛行コースFC2の順で接続することによって全体の飛行コースFCを計画するわけである(Step104)。この第3の分割飛行コースFC3は、急角度での飛行を回避するためのいわば緩衝区間であり、Step101で計画した飛行コースFCから外れた領域で計画される。より詳しくは
図6に示すように、先行する第1の分割飛行コースFC1を抜け出した後、飛行コースFC外で旋回し、第2の分割飛行コースFC2に円滑に進入するように、第3の分割飛行コースFC3は計画される。
【0028】
ここまで説明した一連の工程(Step101~Step104)は、計画される飛行コースFCごとに行われる。例えば
図4に示すケースでは、右岸側の飛行コースFCRと左岸側の飛行コースFCL、河川飛行コースFCOそれぞれに対して、Step101~Step104の工程が繰り返し行われる。
【0029】
第1の分割飛行コースFC1と第3の分割飛行コースFC3、第2の分割飛行コースFC2を接続した全体の飛行コースFCが確定すると、基準点の設置位置を計画する(Step105)。航空レーザ計測において所定の計測精度を確保するうえでは、基準点の設置位置が極めて重要となる。特に、本願発明のように蛇行飛行を行う場合は、基準点の設置位置が計測精度に大きな影響を与える。そこで発明者らは、シミュレーションを含む種々の検討を行った結果、屈折部付近であって、河川RVの両岸側にそれぞれ1箇所以上の基準点を設置すると、高い精度で計測を行うことができることを見出した。具体的には
図6に示すように、第1の飛行分割ブロックDB1と第2の飛行分割ブロックDB2が重複する領域内に、河川RVの右岸側と左岸側にそれぞれ1箇所以上(
図6ではそれぞれ1箇所)の基準点PSを配置するよう計画するとよい。
【0030】
3.計測工程
図7は、計測工程(
図2のStep300)の各工程を示すフロー図である。計測工程では、あらかじめ計画された飛行コースFCにしたがって飛行しながら航空レーザ計測を行う。具体的には
図6に示すように、同一の第1の分割飛行コースFC1(つまり第1の飛行分割ブロックDB1内)にしたがって飛行するときは、蛇行する河川RVに沿って飛行し(Step301)、この第1の分割飛行コースFC1を退出すると(Step302)、第3の分割飛行コースFC3にしたがって飛行コースFC外で旋回し(Step303)、第2の分割飛行コースFC2に進入する(Step303)。なお、第3の分割飛行コースFC3にしたがって飛行している間は、レーザパルスの照射を停止しておくことが望ましい。このように、異なる分割飛行コース間(
図6では第1の分割飛行コースFC1~第2の分割飛行コースFC2)を移動するときは、先行する分割飛行コース(
図6では第1の分割飛行コースFC1)を抜け出した後に、一旦飛行コースFCを外れた領域で旋回したうえで、後続の分割飛行コース(
図6では第2の分割飛行コースFC2)に進入する。
【0031】
ここまで説明した一連の工程(Step301~Step304)は、計画される飛行コースFCごとに行われる。例えば
図4に示すケースでは、右岸側の飛行コースFCRと左岸側の飛行コースFCL、河川飛行コースFCOそれぞれに対して、Step301~Step304の工程が繰り返し行われる。
【0032】
4.計算工程
計測工程(
図2のStep300)が行われると、河川RVの位置や形状を図面や地図等に出力するために計測結果である点群データに対して計算処理を実行する。
図8は、計算工程(
図2のStep300)の各工程を示すフロー図である。この図に示すように点群データを計算するにあたっては、計測した範囲を2以上の計算ブロックに分割する(Step401)。計測範囲全体をまとめて計算するのではなく、計算ブロックごとに計算するのは、類似した位置姿勢情報を持つ範囲ごとに実施することで計算精度の向上を図るためである。
【0033】
計算ブロックは、飛行分割ブロック(
図6に示す第1の飛行分割ブロックDB1や第2の飛行分割ブロックDB2)をそのまま使用して設定することもできるし、飛行分割ブロックをさらに分割して計算ブロックを設定することもできる。飛行分割ブロック内では蛇行飛行となりその飛行姿勢も変化するが、通常、同一の飛行コースの中で飛行姿勢が複数回変わる範囲をそのまま調整計算の対象とすると、その飛行コース内では詳細にパラメーターを設定することができない。飛行分割ブロックをさらに分割(例えば、飛行姿勢が変化する位置を境界に分割)し、その分割範囲を計算ブロックとして調整計算等を行うことで、詳細なパラメーターを設定することができ、その結果、計算された座標等の精度が向上するわけである。
【0034】
ところで、本願発明では蛇行飛行を行うことから、その飛行速度は比較的低速となりやすく、通常の飛行計測に比べて高密度の点群データを取得することができる。一方、
図4に示すように2以上の飛行コース(右岸側の飛行コースFCRと左岸側の飛行コースFCL、河川飛行コースFCO)で航空レーザ計測を行う場合、複数の飛行コースによる計測結果と基準点PSに基づいて検証すれば、明らかに精度が劣化した計測点(以下、「精度劣化計測点」という。)を抽出することができる。蛇行飛行では明らかな精度劣化箇所が生じる可能性があるため、取得された高密度の点群データをそのまま計算すると、そのデータが含まれた状態となってしまう。あらかじめ精度劣化計測点を抽出し、取得された点群データからこの精度劣化計測点を除去した(Step402)うえで調整計算等を行うと(Step403)、計算された座標等の精度向上を図ることができて好適となる。
【産業上の利用可能性】
【0035】
本願発明の蛇行式航空レーザ計測方法は、河川のほか海岸線や道路、線路など蛇行した線状物を計測するために特に有効に利用することができる。本願発明によれば、より効率的に河川や海岸線を計測することができ、その結果、河川等を原因とする氾濫に対して適切な対策を講じることができ、すなわち氾濫災害を未然に防ぐことができることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献が期待できる発明といえる。
【符号の説明】
【0036】
AX1 第1方向軸
AX2 第2方向軸
DB1 第1の分割ブロック
DB2 第2の分割ブロック
FCR 右岸側の飛行コース
FCL 左岸側の飛行コース
FCO 河川飛行コース
FC1 第1の分割飛行コース
FC2 第2の分割飛行コース
FC3 第3の分割飛行コース
PS 基準点
RV 河川