市販デジタルカメラによる三次元計測とその活用例

【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.