UAV土地測量ミッション用のUgCS写真測量ツール

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UAV土地調査ミッション用のUgCS写真測量ツール

無人航空機（UAV）またはドローンは、マッピングサービスに革命をもたらし、正確なオルソモザイク、点群、および標高モデルをより高速に生成するのに役立ちます。ドローンとカメラは驚くほど急速に進化しますが、結果として得られる製品の出力精度と精度は、フライトプランニングソフトウェアに大きく依存します。

従来の調査ソリューションと比較したUAVの主な利点

• より高速なデータ取得。リアルタイムキネマティック（RTK）および後処理キネマティック（PPK）テクノロジーを使用すると、多くのアプリケーションに地上制御点（GCP）を配置する必要がありません。
• UAV機器は、従来の土地測量機器よりも安価です
• ドローンは、徒歩や車で到達できないエリアに近づくことができます
   

UgCS by SPHエンジニアリング によるUgCSは、世界的に知られているUAVミッション計画および飛行制御ソフトウェアソリューションです。UgCSは、ほぼすべてのUAVプラットフォームをサポートし、面積および線形調査に便利なツールを提供し、ドローンを直接制御できるようにします。 UgCSは、写真測量技術を使用して、専門的な土地測量ミッションの計画を保証します。

 

図  3UgCS写真測量ツールを使用した測量エリアの設定

もう1つのオプションは、KMLからエリア境界をインポートすることです。新しいルートを追加し、[ファイルからインポート]を選択してから、KMLファイル内のすべてのLineRingオブジェクトに対して写真測量を使用することを選択します（図4）。

図4KMLからエリア境界をインポートしてドローン測量エリアを設定する

次に、写真測量ツールの設定ウィンドウでカメラのGSDとオーバーラップを設定します（図5）。

図 5オーバーラップとカメラの地上サンプリング距離（GSD）の設定

写真を撮るには、写真測量ツールの設定ウィンドウでカメラ制御アクションを設定します。 例（図5）では、デフォルト値を使用した距離トリガーアクションによるカメラの設定が使用されています。

この時点で、初期ルート計画は完了です。UgCSは写真測量ルートを自動的に計算します。

ただし、自動的に計算された写真測量ルートは、多くの場合最適ではなく、ドローンや周囲にとって危険な場合もあります。したがって、「ルート検証」のステップに進みます。

ルート検証

UgCSは、ドローンにアップロードされる軌道を生成します。パイロットはそれを緑色の3Dポリラインとして表示し、計算された飛行計画の他のパラメーターを確認できます。

[標高]ウィンドウを開くには（画面に表示されていない場合）、ルートカードの[パラメータ]アイコン（右下隅、図6を参照）をクリックし、ドロップダウンメニューから[標高を表示]を選択します。

図 6  ルートカードのパラメータ設定の[標高]ウィンドウへのアクセス

標高プロファイルウィンドウには、推定ルート長、期間、ウェイポイントカウント、および最小/最大高度が表示されます（図7）。

図 7  [標高プロファイル]ウィンドウのルート値

他の計算値（図8）を取得するには、ルートステータスインジケーター（ルートカードの緑色のチェックマーク（右上隅、図6を参照））をクリックしてルートログを開きます。

図 8  ルートカードとステータスインジケーター、ルートログ
 

ルートパラメータを使用して、パフォーマンスを最適化し、効率と安全性を向上させることができます。

高度タイプ

UgCS写真測量ツールには、高度に応じてルートトレース方法を定義するオプションがあります。地上高度（AGL）または平均海抜（AMSL）が一定です。

推奨される高度追跡方法については、UAVデータ処理ソフトウェアの要件を参照してください。

UgCSチームの経験によると、高度タイプの選択は目的の出力に依存します。オルソフォトマップ（標準の空中土地測量出力形式）の場合、マップ全体で一定のGSDを確保するためにAGLを選択することをお勧めします。DEMまたは3D再構築の場合、AMSLを使用してデータ処理ソフトウェアにさらに多くのデータを提供し、写真によって地面の標高を正しく決定し、より高品質の出力を取得します。

図 9 平均海抜（AMSL）より上の一定の高度での標高プロファイル
 

この場合、UgCSは調査エリアの最低点に基づいて飛行高度を計算します（図9）。

写真測量ツールの設定でAGLが選択されている場合、UgCSは各ウェイポイントの高度を計算しますが、この場合、「追加のウェイポイント」が追加されていない場合、地形追従は大まかになります（図10）。

図 10  追加のウェイポイントなしのAGLを使用した標高プロファイル
 

したがって、AGLを使用する場合は、いくつかの「追加のウェイポイント」フラグを追加すると、UgCSは高度プロファイルに従って飛行計画を計算します（図11）。

図 11  標高プロファイル（AGL）と追加のウェイポイント
 

測量線の方向

デフォルトでは、UgCSはエリアの最も長い側に沿って方向付けられた転送パスを生成します。 このデフォルト設定を変更するには、パイロットは写真測量ツールの[方向角]フィールドを変更し、ポリゴン自体の回転矢印を使用して同じパラメーターを調整します（図12、13）。

図 12  方向角=北から246度
 

図 13  測量線の角度を変更して、線を最長の境界に平行にします。新しい方向角=北から328度

ターンタイプ

ほとんどのオートパイロットまたはマルチロータードローンは、ウェイポイントでさまざまなターンタイプをサポートしています。最も人気のあるDJIドローンには2つのターンタイプがあります（図14）。

• 停止して回転：ドローンは固定点に正確に飛行し、その固定点に留まり、次の固定点に飛行します。
• アダプティブバンクターン：パフォーマンスはバンクターンモード（図14）に似ていますが、実際の飛行ルーチンはより正確になります。

ドローンはウェイポイントを見逃す可能性があり、カメラのトリガーは開始されないため、アダプティブバンクターンは注意して使用する必要があります。

図 14  バンクターンおよびアダプティブバンクターンタイプの典型的なDJIドローンの軌道

（ストップアンドターンと比較して）飛行時間を短縮するには、アダプティブバンクターンを使用します。 写真測量領域では、アダプティブバンクターンとオーバーシュート（オーバーシュートのセクションを参照）を組み合わせることをお勧めします。

オーバーシュート

当初、オーバーシュートは、固定翼（飛行機）ドローンがUターン操作に十分なスペースを持つように設計されていました。

写真測量ツールでオーバーシュートを設定して、各測量線の両端にセグメントを追加できます。
 

図 15  各測量線の両端に40mのオーバーシュートを追加する
 

図15は、UgCSが各測量線の両端に40 mのセグメントを追加したことを示しています（図13と比較して）。

ヘリコプターUAVのオーバーシュートを追加すると、次の 2つの状況で役立ちます。

• アダプティブバンクターンが使用されている場合（または非DJIドローンの場合は同様の方法）、オーバーシュートを追加すると、ドローンが正確に測量ラインに入り、カメラ制御アクションがトリガーされる可能性が高くなります。 UgCSチームは、オーバーシュートを平行な測量線間の距離とほぼ等しくなるように設定することをお勧めします。
• ストップアンドターンタイプをウェイポイントでのカメラトリガーと組み合わせると、ショットを作成する前にドローンが次のウェイポイントへの回転を開始し、方向が間違っているかぼやけた写真が戻ってくるリスクがあります（図16）。 これを回避するには、オーバーシュートを短く設定します（たとえば、5 m）。 一部のドローンは近すぎるウェイポイントを無視できるため、短すぎる値（ < 3 m）を設定しないでください。

図 16  次のウェイポイントへの回転でドローンによって撮影されたぼやけた画像の例

カメラ制御方式

UgCSは、次の3つのカメラ制御アクションをサポートしています。

• 「カメラモードを設定」で、指定した位置に正確に撮影できます
• N秒ごとに撮影する「時間でカメラを設定」
• Nメートルごとに撮影する「距離でカメラを設定」

3つの方法すべての利点と欠点は次のとおりです。

表 2カメラのトリガー方法の利点と欠点

トリガー方法	利点	欠点
距離で （最良のオプション！）	多くの追加のウェイポイントは必要なく、非常に優れた精度です。	精度は、選択したターンタイプ（下記のターンタイプの設定を参照）と特定のオートパイロットの距離計算アルゴリズムによって異なります。
ウェイポイントで	計画された場所でショットを撮る唯一の方法。	多くの追加のウェイポイントが必要です。多くのDJIドローンには99​​ウェイポイントの制限があります。これを覚えておいてください
時間までに	多くの追加のウェイポイントは必要ありません	この方法の精度は、UAVの実際の速度に依存し、風、温度​​、ペイロードの重量、加速/減速などに依存するため、予測が困難です。

NADIR /斜め写真

ほとんどの場合、写真測量測量カメラは真下を向いている必要があります。写真測量セグメントでは、傾斜角が90度の「カメラの設定」姿勢アクションが選択されていることを確認してください（図17）。

図  1790度の傾斜角度でのカメラの姿勢と位置の設定

垂直面のある都市部では、カメラを45度傾けた領域をもう一度通過することをお勧めします（図18）。 これにより、壁をキャプチャして点群の品質を向上させることができます。

図  1845度の傾斜角度でのカメラの姿勢と位置の設定
 

上記のように、このウェイポイントはStop＆Turnタイプとして設定する必要があります。そうしないと、ドローンがこのアクションをスキップする可能性があります。カメラを水平位置に設定するには、最後の測量ルートのウェイポイントを選択し、[カメラの姿勢/ズームの設定]をクリックして、[傾斜]フィールドに「0」と入力します。

アクションの実行

写真測量ツールには、3つの可能な値を持つ高度なアクション実行パラメーターがあります。

• すべてのポイント
• 開始時
• フォワードパス

このパラメータは、写真測量ツールに指定されたカメラアクションを実行する方法と場所を定義します。

写真測量/測量ミッションの最も便利なオプションは、フォワードパスを設定することです。ドローンは測量線でのみ写真を撮り、垂直線で余分な写真を撮ることはありません。

複雑な調査地域

たとえば、「T」字型で接続された2つのフィールドが単一の写真測量領域としてマークされている場合、測量線の方向に関係なく、ルートは最適ではありません（図19）。

図 19  最適化前の複雑な調査エリア
 

UgCS機能を使用すると、1つのルートに任意の数の写真測量エリアを組み合わせて、エリアを別々のルートに分割することを回避できます。各エリアの測量線は個別に最適化できます（図20）。

図 20  複雑な写真測量領域の各部分の最適化された調査フライトパス

ダブルグリッドを作る

ダブルグリッドは、都市部や複雑な標高や植生の多い地域で点群の品質を向上させる非常に効率的な方法です。写真測量設定でダブルグリッドオプションを使用します（図21）。

図 21  写真測量設定で有効になっているダブルグリッドオプション

AGL飛行中のウェイポイントの数を減らす

地上の一定の高度で飛行すると、過度のウェイポイントが発生します。 オートパイロットは限られた数のウェイポイントをサポートできるため、パイロットはこの数を減らしたい場合があります。 詳細の軌道レベルを下げると、ドローンの動きもスムーズになります（図22と図23を比較してください）。 写真測量測量のAGL許容パラメータは、AGL高度モードに使用できます。 AGL公差は、垂直コリドーを指定します。 軌道がこのコリドーの上限と下限の範囲内にある限り、UgCSによって追加のポイントは生成されません。

図  22AGL許容値= 2 m
 

図  23AGL許容値= 10 m
 

スピード

一般的に、飛行速度が速いほど、飛行時間は短くなります。 ただし、高速と大量のカメラ露出を組み合わせると、画像がぼやける可能性があります。 ほとんどの場合、10 m / sが最良の選択です。

離陸地点

ミッションを飛行する前に、サイトの離陸エリアを確認することが重要です。 離陸ポイントを設定するためのベストプラクティスをよりよく説明するために、最初に、それを実行してはならない方法の例を確認しましょう。 ミッション例（図24）の離陸地点には飛行機のアイコンが付いており、ドローンパイロットは自動離陸の自動ミッションを設定して地上にルートをアップロードします。

図 24  離陸地点の例
 

自動離陸モードのほとんどのドローンは、約3〜10メートルの低高度に上昇し、最初のウェイポイントに向かってまっすぐ飛行します。 他のドローンは、地面からまっすぐに最初のウェイポイントに向かって飛行します。 サンプルマップ（図24）では、離陸地点と最初のウェイポイントの間のいくつかの木に気付くことができます。 この例では、ドローンが安全な高度に到達せず、木にぶつかる可能性が高くなります。

周囲だけが離陸計画に影響を与える可能性はありません。 ドローンメーカーは、ドローンファームウェアの仰角動作を変更する場合があります。したがって、ファームウェアの更新後にドローンの自動離陸モードを確認することをお勧めします。

ほとんどの小型UAVは、ミッション計画に相対高度を使用することを忘れないでください。 最初のウェイポイントに基づく高度カウントは、実際の離陸ポイントが最初のウェイポイントの近くで同じ地形レベルにある必要がある2番目の理由です。

UgCSチームは、最初のウェイポイントを実際の離陸地点のできるだけ近くに配置し、安全な離陸高度を指定することをお勧めします（ほとんどの状況で、樹木より30 mほど上になります。図25を参照）。 これは、ミッションの安全な離陸を保証し、奇妙なドローンの動作、予測できないファームウェアの更新などから安全を保つ唯一の方法です。

図 25  安全な離陸を伴うルート

調査グリッドのエントリポイント 

離陸ポイントを追加すると、測量グリッドのエントリポイントが変更され、ルート全体が最適化されます（図25を参照）。

サーベイグリッドのエントリポイントを変更するには、目的の開始コーナーの近くに追加のウェイポイントを設定します（図26）。

図 26  ウェイポイントを追加して調査グリッドのエントリポイントを変更する
 

着陸地点

写真測量エリアの外側に着陸地点が追加されていない場合、調査ミッションの後、ドローンは最後のウェイポイントで飛行してホバリングします。 2つの着陸オプションがあります：

• ドローンを手動で制御し、着陸地点に向けます
• UgCS またはリモートコントローラ（RC）からReturnHomeコマンドをアクティブにします

広い調査エリアまたはリモートコントローラーの問題により、ドローンとの無線接続が失われる可能性があります。この場合、ドローンとその設定に応じて、次のシナリオが発生する可能性があります。

• 地上局との無線リンクが失われると、ドローンは自動的にホームロケーションに戻ります
• ドローンは最後のウェイポイントに飛んでホバリングします。バッテリーの充電が十分な場合は、次のようにします。
  • ドローンは緊急着陸を実行しますまたは
  • ドローンはホームロケーションに飛ぶことを試みます

予測できないドローンの動作や設定に依存しないように、ルートに明示的な着陸地点を追加することをお勧めします。

ドローンが自動着陸をサポートしていない場合、またはパイロットが手動着陸を好む場合は、計画された着陸ポイントの上に最後のウェイポイントを追加する必要があります。 最後のウェイポイントの高度は、安全な降下と快適な着陸を確保するために、周辺地域の障害物の上に設定する必要があります。 一般的に、30メートルが最良の選択です。

ステップ4：地上制御ポイントを展開する（オプション）

この手順は、調査出力マップを地球上の座標に正確に位置合わせするために必須でした。 現在、地上制御ポイントを展開するか、PPKのみを使用するかは、パイロットと顧客次第です。 ただし、マップの精度を確保するには、GCPを使用することが依然として唯一の方法です。

Agisoft Metashape、Pix4d、およびその他のデータ処理ソフトウェアは、ジオタグ付き画像を使用して正確な地図を作成できますが、とにかく、真の精度を達成するには地上の制御点が必要です。

測量グレードの出力には、地上のコントロールポイントを使用する必要があります。「十分な」精度の地図を取得するには、RTKGPSとデータ処理ソフトウェアの機能だけで問題ありません。

ステップ5：ミッションを飛ばす

慎重に計画されたミッションの場合、このステップは本当に簡単です。 ミッションの実行は、UAVのタイプと使用中の機器によって異なる可能性があるため、ここでは説明しません（機器と UgCSマニュアルを参照してください）。飛行前の重要な注意事項：

• ほとんどの国には、多かれ少なかれ厳格なUAV関連の規制があり、通常は地元の航空当局のWebサイトで入手できます。
• 一部の国では、あらゆる種類の航空写真/ビデオ撮影のための特別な許可が必要です。地域の規制を確認してください（罰金やその他の結果は高額になる可能性があります）。
• ミッションの計画が優れているように見えても、特定の調査地域の詳細や地域の飛行条件を考慮して、現場に来るときは常にそれを再確認してください。

ステップ6：PPK処理と画像ジオタグ（オプション）

最新のドローンでは、画像のジオタグ付けはオプションです。これは、飛行中に自動的に実行することも、ドローンの着陸後にUgCSで実行することもできます。

ほとんどの場合、PPK処理で十分であることに注意してください。このようなお気に入りのツールを使用してください。

ただし、地上のコントロールポイントのみが、必要なマップの精度を保証します。

ステップ7：データ処理

データ処理には、市販されているサードパーティのソフトウェアまたはサービスを使用してください。現場での高速処理には 、インターネットに接続しなくても機能するUgCS Mapperが適しています。飛行忠実度の処理には、Pix4D Mapper、Agisoft Metashape、または高密度の点群生成とGCPをサポートするその他の専門的なツールを使用します。