JP2013096745A - Three-dimensional model creation method - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional model creation method capable of accurately reproducing shapes of a real landform and real features.SOLUTION: The three-dimensional model creation method includes the steps of: photographing aerial photographs of the ground by a flight vehicle loaded with a digital camera, a GPS and an IMU; measuring features 1 and a landform 2 by a flight vehicle loaded with a laser scanner, a GPS and an IMU; measuring the features 1 and the landform 2 by a vehicle loaded with a laser scanner, a GPS, an IMU, a digital camera, and an odometer; measuring the features 1 and the landform 2 by a ground type laser scanner; analyzing measurement data of respective measurements and acquiring respective three-dimensional data; and synthesizing and meshing respective three-dimensional data.

Description

Translated fromJapanese

本発明は、地物および地形の三次元モデルの作成方法に関する。  The present invention relates to a method for creating a three-dimensional model of a feature and terrain.

近年、国や地方自治体において、ハザードマップを活用した防災への取り組みが盛んに行われている。ハザードマップとは、津波や河川氾濫等の自然災害による被害を予測し、その被害範囲を地図上に表したものであり、その被害の予測は、主に数値シミュレーションにより行われる。そして、数値シミュレーションでは、境界条件の一つとして、メッシュ化した地形の三次元モデルまたはこれに構造物等の地物のデータを加えた三次元モデルが用いられる（以下、これらを三次元モデルとする）。
三次元モデルの精度は、数値シミュレーションの結果に大きく影響する。そのため数値シミュレーションでは、実際の地物や地形の形状を精度よく再現した三次元モデルを用いることが望ましい。In recent years, national and local governments are actively engaged in disaster prevention using hazard maps. A hazard map predicts damage caused by natural disasters such as tsunami and river flooding, and shows the damage range on a map. The damage prediction is mainly performed by numerical simulation. In numerical simulations, one of the boundary conditions is a meshed three-dimensional model of terrain or a three-dimensional model obtained by adding data of features such as structures (hereinafter referred to as a three-dimensional model). To do).
The accuracy of the three-dimensional model greatly affects the results of the numerical simulation. Therefore, it is desirable to use a three-dimensional model that accurately reproduces the shape of actual features and topography in numerical simulation.

しかしながら、従来の数値シミュレーションに用いられる三次元モデルは、図４（ａ）に示すように構造物が考慮されていないものや、図４（ｂ）に示すように構造物を考慮した場合であっても、地形の標高をフラットとしているものなど、図４（ｃ）に示した実際の地形や構造物の形状を十分に反映しているものではなかった。  However, the three-dimensional model used in the conventional numerical simulation is a case where a structure is not considered as shown in FIG. 4A or a case where a structure is considered as shown in FIG. 4B. However, it does not sufficiently reflect the actual topography and the shape of the structure shown in FIG. 4C, such as a flat topography.

そこで本発明は、実際の地物および地形の形状を精度良く再現する三次元モデルの作成方法を提供することを目的とする。  Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for creating a three-dimensional model that accurately reproduces the shape of an actual feature and topography.

本発明の三次元モデルの作成方法は、デジタルカメラ、ＧＰＳおよびＩＭＵを搭載した飛行体により地上の航空写真を撮影する工程と、レーザスキャナ、ＧＰＳおよびＩＭＵを搭載した飛行体により地物および地形を測量する工程と、レーザスキャナ、ＧＰＳ、ＩＭＵ、デジタルカメラおよびオドメータを搭載した車両により地物および地形を測量する工程と、地上型レーザスキャナにより地物および地形を測量する工程と、上記各測量の測量データを解析し、それぞれの三次元データを取得する工程と、各三次元データの合成及びメッシュ化を行う工程と、を含むことを特徴とする。  The method for creating a three-dimensional model of the present invention includes a step of taking an aerial photograph of the ground with a flying body equipped with a digital camera, GPS and IMU, and a feature and landform using a flying body equipped with a laser scanner, GPS and IMU. A step of surveying, a step of surveying features and terrain with a vehicle equipped with a laser scanner, GPS, IMU, digital camera and odometer, a step of surveying features and terrain with a ground-type laser scanner, It includes a step of analyzing survey data and acquiring each three-dimensional data, and a step of synthesizing and meshing each three-dimensional data.

本発明によると、実際の地物および地形の形状を精度良く再現した三次元モデルを作成することができる。そのため、本発明の三次元モデルを自然災害等の数値シミュレーションに用いると、数値シミュレーションの精度が向上する。  According to the present invention, it is possible to create a three-dimensional model that accurately reproduces the shape of an actual feature and topography. Therefore, when the three-dimensional model of the present invention is used for a numerical simulation such as a natural disaster, the accuracy of the numerical simulation is improved.

本発明の三次元モデルの作成方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the creation method of the three-dimensional model of this invention.（ａ）（ｂ）はそれぞれ地物および地形の三次元データの概要を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the outline | summary of the three-dimensional data of a feature and a landform, respectively.三次元モデルの一例を可視化した斜視図である。It is the perspective view which visualized an example of the three-dimensional model.（ａ）（ｂ）はそれぞれ従来の三次元モデルの概要を示す断面図であり、（ｃ）は実際の地形および地物の概要を示す断面図である。(A) (b) is sectional drawing which each shows the outline | summary of the conventional three-dimensional model, (c) is sectional drawing which shows the outline | summary of an actual topography and a feature.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の三次元モデルの作成方法を示すフローチャートである。本発明の三次元モデルは、航空写真測量、航空レーザ測量、車載レーザ測量および地上レーザ測量の測量データに基づいて作成される。なお、以下の説明において、三次元データとは、測量対象の表層の直交座標データを意味し、三次元モデルとは、その三次元データをメッシュ化したものを意味する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart showing a method for creating a three-dimensional model of the present invention. The three-dimensional model of the present invention is created based on survey data of aerial photogrammetry, aerial laser surveying, in-vehicle laser surveying, and ground laser surveying. In the following description, three-dimensional data means orthogonal coordinate data of the surface layer to be surveyed, and a three-dimensional model means a mesh of the three-dimensional data.

航空写真測量は、測量対象範囲において、デジタルカメラを搭載した航空機またはヘリコプタ等の飛行体により、飛行しながら地上の航空写真（デジタル画像）を撮影するものである（Ｓ１）。ここで、飛行体は、ＧＰＳ（全地球測位システム）およびＩＭＵ（慣性計測装置）を搭載しており（以下、ＧＰＳ／ＩＭＵとする）、ＧＰＳにより飛行体の位置を計測し、ＩＭＵにより飛行体の姿勢を計測する。
航空写真データ、飛行体の位置データおよび姿勢データに対して、公知の解析を行うことにより、構造物等の地物１の三次元データが求められる（Ｓ２）。
航空写真測量によると、従来のフィルム画像を用いた航空測量に比べ、より精度の高い三次元データを作成することができる。In the aerial photogrammetry, an aerial photograph (digital image) of the ground is photographed while flying with an aircraft such as an aircraft or a helicopter equipped with a digital camera in a survey target range (S1). Here, the flying object is equipped with GPS (Global Positioning System) and IMU (Inertial Measurement Device) (hereinafter referred to as GPS / IMU), the position of the flying object is measured by GPS, and the flying object is measured by IMU. Measure the posture.
By performing known analysis on the aerial photograph data, the position data and the attitude data of the flying object, three-dimensional data of the feature 1 such as a structure is obtained (S2).
According to aerial photogrammetry, three-dimensional data with higher accuracy can be created compared to conventional aerial survey using film images.

航空レーザ測量は、測量対象範囲において、レーザスキャナを備えた飛行体を飛行させつつ地表にレーザを照射し、かつ、地表から反射したレーザを受光し、地表から反射したレーザとの時間差から航空機とレーザが反射した地表（対象地点）との距離を計測するものである（Ｓ３）。ここで、飛行体は、上記と同様にＧＰＳ／ＩＭＵを搭載しており、飛行体の位置および姿勢も計測する。
そして、測距データ、飛行体の位置データおよび姿勢データに対し、公知の解析を行うことにより、地物１および地形２の三次元データが得られ、さらにこの三次元データをフィルタ処理することにより、地物１のデータを取り除いた地形２の三次元データが得られる（Ｓ４）。
航空レーザ測量によると、広範囲における高精度の地形２の三次元データを効率よく取得できる。
なお、航空レーザ測量は、航空写真測量と別々に測量するものであってもよいが、同一条件による測量及びコストの観点から航空写真測量と同時に測量することが好ましい。Aviation laser surveying is a method of irradiating a laser beam on a ground surface while flying a flying object equipped with a laser scanner, receiving a laser beam reflected from the ground surface, and receiving a laser reflected from the ground surface. The distance to the ground surface (target point) reflected by the laser is measured (S3). Here, the flying object is equipped with GPS / IMU in the same manner as described above, and also measures the position and orientation of the flying object.
Then, by performing known analysis on the distance measurement data, the position data and the attitude data of the flying object, three-dimensional data of the feature 1 and the terrain 2 is obtained, and further, the three-dimensional data is filtered. Then, three-dimensional data of the terrain 2 is obtained by removing the data of the feature 1 (S4).
According to the aerial laser surveying, it is possible to efficiently acquire highly accurate three-dimensional data of the terrain 2 in a wide range.
The aerial laser survey may be performed separately from the aerial photogrammetry, but it is preferable that the aerial laser survey is performed simultaneously with the aerial photogrammetry from the viewpoint of surveying under the same conditions and cost.

上記航空写真測量および航空レーザ測量では測量することが困難な地物１および地形２については、車載レーザ測量を行う。
車載レーザ測量は、レーザスキャナ、ＧＰＳ／ＩＭＵ、デジタルカメラおよびオドメータを搭載した車両を移動させつつ、車両とレーザの反射地点（対象地点）との距離の計測および対象地点の撮影を行う（Ｓ５）。ここで、レーザスキャナ、ＧＰＳ／ＩＭＵおよびこれらの計測データは、基本的には航空レーザ測量のものと同様である。またオドメータにより、車両移動量も計測する。
そして、測距データ、車両の位置データ、車両の姿勢データ、写真データおよび車両移動量データに対し、公知の解析を行うことにより地物１および地形２の三次元データが得られる（Ｓ６）。
車載レーザ測量によると、航空写真測量および航空レーザ測量ではデータを取得することが困難な場所や構造物の側面等において、詳細な三次元データを取得することができる。For the feature 1 and the terrain 2 which are difficult to be measured by the aerial photogrammetry and the aerial laser survey, the in-vehicle laser survey is performed.
In-vehicle laser surveying measures the distance between the vehicle and the laser reflection point (target point) and shoots the target point while moving the vehicle equipped with the laser scanner, GPS / IMU, digital camera, and odometer (S5). . Here, the laser scanner, GPS / IMU, and measurement data thereof are basically the same as those of the aviation laser surveying. Moreover, the amount of vehicle movement is also measured with an odometer.
Then, three-dimensional data of the feature 1 and the terrain 2 is obtained by performing known analysis on the distance measurement data, vehicle position data, vehicle attitude data, photo data, and vehicle movement amount data (S6).
According to in-vehicle laser surveying, detailed three-dimensional data can be acquired in places where it is difficult to acquire data by aerial photogrammetry and aerial laser surveying, in aspects of structures, and the like.

上記航空写真測量、航空レーザ測量および車載レーザ測量では測量することが困難な地物１および地形２については、地上レーザ測量を行う。
地上レーザ測量は、地上型レーザスキャナ装置を用い、当該装置とレーザの反射地点（対象地点）の距離を計測する（Ｓ７）。
そして、測距データに対し、公知の解析を行うことにより、地物１および地形２の三次元データが得られる（Ｓ８）。
地上レーザ測量によると、航空写真測量、航空レーザ測量および車載レーザ測量では測量が困難な場所や構造物の側面等において、詳細な三次元データを取得することができる。The ground laser survey is performed for the feature 1 and the terrain 2 that are difficult to survey by the aerial photogrammetry, the aerial laser survey, and the in-vehicle laser survey.
The ground laser survey uses a ground type laser scanner device and measures the distance between the device and the reflection point (target point) of the laser (S7).
Then, three-dimensional data of the feature 1 and the terrain 2 is obtained by performing a known analysis on the distance measurement data (S8).
According to ground laser surveying, detailed three-dimensional data can be obtained in places where it is difficult to survey by aerial photogrammetry, aerial laser surveying, and in-vehicle laser surveying, and on the side surfaces of structures.

なお、各測量データの解析（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８）は、測量データの取得後であれば何れの段階で行うものであってもよい。  The analysis of each survey data (S2, S4, S6, S8) may be performed at any stage as long as the survey data is acquired.

三次元モデルは、上記の航空写真測量による地物１の三次元データ、航空レーザ測量による地形２の三次元データ、車載レーザ測量による地物１および地形２の三次元データおよび地上レーザ測量による地物１および地形２の三次元データを合成およびメッシュ化することにより作成される（Ｓ９）。
なお、三次元データは、フィルタ処理を施すことにより、図２に示すような地物１のデータと地形２のデータとに分けておいてもよく、この場合、三次元モデルは、地物１のデータと地形２のデータをメッシュ化した後、それぞれのメッシュデータを合成して作成すればよい。The three-dimensional model includes the three-dimensional data of the feature 1 by the aerial photogrammetry, the three-dimensional data of the terrain 2 by the aerial laser survey, the three-dimensional data of the feature 1 and the terrain 2 by the in-vehicle laser survey, and the ground by the ground laser survey. It is created by synthesizing and meshing the three-dimensional data of the object 1 and the terrain 2 (S9).
Note that the three-dimensional data may be divided into feature 1 data and terrain 2 data as shown in FIG. 2 by performing filtering. In this case, the three-dimensional model is the feature 1. And the terrain 2 data may be meshed, and then the respective mesh data may be synthesized and created.

三次元モデルの作成は、例えば、計測された各測量データを、解析モジュールを搭載したパーソナルコンピュータまたはワークステーション等（以下、ＰＣ等とする）に入力し、解析モジュールを実行して三次元データを出力する。さらに、その三次元データを、合成モジュールおよびメッシュ化モジュールを搭載したＰＣ等に入力し、合成モジュールまたはおよびメッシュ化モジュールを実行して三次元モデルを出力する。なお、三次元データの合成およびメッシュ化の順序は問わない。  The creation of a three-dimensional model is, for example, by inputting each measured survey data to a personal computer or workstation equipped with an analysis module (hereinafter referred to as a PC or the like), and executing the analysis module to obtain the three-dimensional data. Output. Further, the three-dimensional data is input to a PC or the like equipped with a synthesis module and a meshing module, and the synthesis module or the meshing module is executed to output a three-dimensional model. Note that the order of synthesis and meshing of the three-dimensional data does not matter.

このように作成した三次元モデルの一例を図３に示す。本発明により作成した三次元モデルは、津波、土砂災害、河川氾濫または風況等の数値シミュレーションの境界条件として活用したり、そのシミュレーション結果と組み合わせてハザードマップに活用したりすることができる。  An example of the three-dimensional model created in this way is shown in FIG. The three-dimensional model created by the present invention can be used as boundary conditions for numerical simulations such as tsunamis, landslide disasters, river floods or wind conditions, or can be used in hazard maps in combination with the simulation results.

本発明により作成した三次元モデルは、実際の地物１および地形２の形状を精度よく再現している。そのため、これを用いて自然災害等の数値シミュレーションを行うと、数値シミュレーションの精度が向上する。さらに、その数値シミュレーション結果により、精度の高いハザードマップを提供することができる。  The three-dimensional model created by the present invention accurately reproduces the shapes of the actual feature 1 and the terrain 2. Therefore, when a numerical simulation such as a natural disaster is performed using this, the accuracy of the numerical simulation is improved. Furthermore, a highly accurate hazard map can be provided from the numerical simulation results.

１ 地物
２ 地形1 Feature 2 Topography

Claims (1)

Translated fromJapanese

デジタルカメラ、ＧＰＳおよびＩＭＵを搭載した飛行体により地上の航空写真を撮影する工程と、
レーザスキャナ、ＧＰＳおよびＩＭＵを搭載した飛行体により地物および地形を測量する工程と、
レーザスキャナ、ＧＰＳ、ＩＭＵ、デジタルカメラおよびオドメータを搭載した車両により地物および地形を測量する工程と、
地上型レーザスキャナにより地物および地形を測量する工程と、
上記各測量の測量データを解析し、それぞれの三次元データを取得する工程と、
各三次元データの合成及びメッシュ化を行う工程と、
を含むことを特徴とする三次元モデルの作成方法。Taking aerial photographs of the ground with a flying body equipped with a digital camera, GPS and IMU;
Surveying features and terrain with a flying vehicle equipped with a laser scanner, GPS and IMU;
Surveying features and terrain with a vehicle equipped with a laser scanner, GPS, IMU, digital camera and odometer;
Surveying features and terrain with a terrestrial laser scanner;
Analyzing the survey data of each of the above surveys and obtaining the respective three-dimensional data;
A process of synthesizing and meshing each three-dimensional data;
A method for creating a three-dimensional model characterized by comprising: