第131号「オルソ補正もここまで便利に!!」　【メルマガ・バックナンバー】


 Subject: [ts-mag:00139] OpenGIS Mail Magazine for T.S.U 【第 131号】
    Date: Sun, 28 Dec 2003 17:07:13 +0900
    From: Taichi FURUHASHI

OpenGIS Mail Magazine for Technical Support Users      2003/12/27
Keywords: OpenGIS,TNTmips,RPC,Ortho,QuickBird,rpb,Replace,3DGroup


オープンGIS
テクニカル・サポート専用メールマガジン

第131号「　　オ ル ソ 補 正 も こ こ ま で 便 利 に ! !　　」
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　株式会社 オープンGIS




12/24 のクリスマスイブに TNTmips ver6.9 がリリースと、楽しみされて
いた方も多いと思いますが、いつの間にか、マイクロイメージ社のサイト
は、12/31 と１週間延期されておりました。
　多少遅れておりますが、お正月明けには、最新版のダウンロードが可能
になると思われます。もう少々お待ちいただけますでしょうか(まだ日付
に about と付いているのが気になりますが...)。



さてさて、それでも早く新機能が知りたい!! というパワーユーザさまの
為に、ver6.9 開発版にて先取りチェックをしてみました。

今週は、ver6.9 の新機能の一つ「高解像度衛星 RPC オルソ補正機能」
について、ご紹介いたしましょう!!


●●●


なにはともあれ、この結果をご覧ください。

[左：RPCオルソ補正前]　　[右：RPCオルソ補正後]



黒いメッシュは 50m 間隔に引いています。

補正前(左)の画像ですと、西武球場の位置が実際の南西側にずれており
ますが、補正後(右)の画像ですと、西武球場もほぼピッタリ地図と重な
っています。



いきなり、「RPC」とか「オルソ」といった言葉がでてきまして、一体
何のことかと思われるかもしれませんので、ちょこっと解説しますと、
まず、「オルソ」とは日本語では「正射投影」といい、真上から地上を
見下ろしてそのままトレースしたような、水平方向に正確な空間表現方
法です。『人工衛星だって上から見下ろしているじゃないか!!』と思わ
れるかもしれませんが、確かに地上から数百kmと遥か上空でも、正確に
みてみると、少し斜めに撮影をしています。飛行機で撮影する航空写真
などは、もっと斜めに撮影しています。
　ですので、衛星や航空機から撮影された画像を TNTmips 上で他の地図
と重ねても、そのままでは、起伏のある山岳地域などでは、斜めから見
てしまうために、どうしてもカメラや衛星のある方向とは反対側に倒れ
こんでしまいます。

この斜め撮影の倒れこみを計算して、真上から見た「正射投影」つまり
「オルソ」の状態に補正するテクニックを「オルソ補正」とか「オルソ
変換」と呼ばれます (倒れこみを補正すると言いましても、倒れこんだ
画像自体がムクムクと起き上がるような補正ではありません)。

簡単に「オルソ補正」の利点をご紹介しますと、

　☆地図とピッタリ重ねられるようになります
　☆他の衛星画像との比較も行えます
　☆標高データを使うと、よりリアルな三次元画像が作成できます

といった具合です。

ただ、今までの TNTmips (ver6.8まで)は空中写真の画像用として「オル
ソ補正」機能があり、衛星画像を用いたオルソ補正はできませんでした。
( [Process]-[Raster]-[Photogrametric Modeling...] )が、ついに!!
TNTmips ver6.9 では、空間解像度が非常に細かいクイックバード(Quick
Bird: 61cm)やイコノス(IKONOS: 1m)といった「衛星画像のオルソ補正」
機能が搭載されました。



さてさて、次に RPC の話をしましょう。

通常は、オルソ補正といいましても、人間が手作業で、GCP(グランド・
コントロールポイント)といった画像と地上間との位置づけを手作業で
行う必要が出てきます。これは逆に言いますと、オルソ補正も、人手の
作業が間に入ってくることで、その補正精度に差が生じてきます。また
変換のために必要な、衛星の様々なパラメータを必要とすることで、
なかなか一筋縄ではいきません。このオルソ補正作業だけで、かなりの
一仕事になってしまいます。

そんな問題点を解決する方法として、最近普及してきましたのが、先ほ
どから頻繁に登場してきます「RPC」という言葉。有理多項式係数(Rati-
onal Polynomial Coefficient )の頭文字をとって RPC と呼ばれていま
すが、この衛星画像と地上の幾何学関係を関連付ける変換係数が、別
ファイルとして高解像度衛星画像とともに販売されております。
　この RPC 情報を利用することで、地形や、地球表面の湾曲や、地図投
影法による歪みを加味した、高精度の正射投影(オルソ)画像を、誰でも
同じように処理することが可能になります。

但し、本来の基準点GCP を入力した上で、RPCオルソ変換を行いますと、
更に精度良く補正できますので、今回の話題は、あくまで簡易的な RPC
オルソ補正機能に限定してご紹介していきます。


●●●


ずーっと堅い話ばかりでは面白くありませんので、実際にこの機能が日
本国内でも十分利用できるのか、試してみました。

サンプルデータは、現在(2003年12月)のところ、日本国内では唯一 RPC
ファイルが標準添付されている高解像度衛星を販売されている日立ソフ
トさんより、QuickBird 衛星画像プロダクト "Ortho Ready Standard
Product" をお借りしました。





[1]使用データはこのような内容です。

 a) 衛星画像

　■QuickBird マルチバンド(1～4)：場所は東京西北部、多摩湖周辺
        約10km×10km[4096x4096ピクセル]
　　02JUN07012731-M2AS_R1C1-000000049403_01_P001.TIF [131MB]

　■QuickBird パンクロバンド(1)：場所は東京西北部、多摩湖周辺
        約10km×10km [16384x16384ピクセル]
　　02JUN07012731-P2AS_R1C1-000000049403_01_P001.TIF [524MB]

 b) RPC 変換用ファイル(RPBファイル)

　●QuickBird マルチバンド用 RPB ファイル
　　02JUN07012731-M2AS-000000049403_01_P001.RPB [2KB]

　●QuickBird パンクロバンド用 RPB ファイル
　　02JUN07012731-P2AS-000000049403_01_P001.RPB [2KB]

 c) 標高データ
　標高データ
　▲数値地図50mメッシュ [標高]　日本II

 d) ジオイド高情報(以下のWEBサイトより取得)
　▼国土地理院：日本のジオイド・モデル「日本のジオイド2011」(Ver.1)(GSIGEO2011(Ver.1))
　vldb.gsi.go.jp/sokuchi/geoid/index.html

　▼NIMA EGM96 GEOID CALCULATOR
　http://earth-info.nima.mil/GandG/egm96/intpt.htm

　▼The UNAVCO Facility in Boulder:EGM96 Correction Calculator
　http://sps.unavco.org/geoid/

 e) 検証用地図画像データ
　□数値地図25000 [地図画像] 東京図幅 H9


ご覧になってわかるかと思いますが、衛星画像の他に、最低限必要な情報は
「付属する RPC ファイル」「標高データ」「その場所のジオイド←楕円体高」
の３つの情報です。

では具体的にこれらの情報を使ってどのように作業していくのかご紹介し
ていきましょう。





[2]作業手順をまとめてみました。

 a) 衛星画像データの表示
　QuickBird 画像データは、GeoTIFF という形式の画像で提供されます。
　TNTmips ver6.9 では、GeoTIFF 画像であれば、シングルデータも、
　複数画像が埋め込まれた、マルチバンドデータも直接アクセス可能で
　すので、とくに独自形式である RVC 形式に変換しなくても簡単に、
　[Display]-[Spatial Data...]機能などで利用可能です。まずは、
　データを表示して、対象範囲の緯度経度などをメモしておきましょう。

 b) 同じ範囲・空間解像度の標高データを用意
　次に、標高データを用意します。今回は、国土地理院さんの数値地図
　50mメッシュ [標高] を必要な範囲分モザイク処理し、マルチバンド用
　標高メッシュ[空間解像度240cm]、パンクロバンド用標高メッシュ[空
　間解像度60cm]として、空間解像度を合わせる為に、それぞれリサンプ
　リングを行いました。

 c) 変換対象地域のジオイド高を求める。
　３番目として、TNTmips 上で QuickBird 画像データを表示しながら、
　対象地域のジオイド高を求めました。具体的な操作ですが、対象地域
　の緯度経度情報などは TNTmips のExtents 機能などを利用します。
　得られた緯度経度から、以下の WEB サイトを利用しまして、ジオイド
　高を求めました。(今回の検証では、北緯35度45分48秒／東経139度25分
　16秒 としてジオイド高 39m という値を求めました。)

　▼国土地理院ジオイド・モデル「日本のジオイド 2000：GSIGEO2000」
　http://vldb.gsi.go.jp/sokuchi/geoid/calcgh/calcframe.html
　▼NIMA EGM96 GEOID CALCULATOR
　http://earth-info.nima.mil/GandG/egm96/intpt.htm
　▼The UNAVCO Facility in Boulder:EGM96 Correction Calculator
　http://sps.unavco.org/geoid/

 d) TNTmips によるリサンプリング処理を実行
　ここまでで、下準備はすべて完了です。最後に、TNTmips のリサンプ
　リング処理にて、変換する QuickBird マルチバンドとパンクロバンド
　のラスタをすべて選択し、それぞれ必要な情報を指定しました。

　具体的には
　▼メインメニューより
　[Process]-[Raster]-[Resampling]-[Automatic...]を実行

　▼[Rasters...] ボタンを押して、衛星画像を選択。

　▼メニューより[Model]-[Rational Polynomial] を選択

　▼すると RPC ファイルを聞いてきますので、QuickBird の場合は、
　拡張子.RPB ファイルを選択(この際、複数ラスタ処理の場合、それ
　ぞれのラスタごとに対応する .RPB ファイルを聞いてきます)

　▼次に、衛星画像と同じ範囲・空間解像度の標高データを聞いてきま
　すので、準備していました標高データをそれぞれ選択

　▼今度は、WGS84 という地球楕円体からのジオイド高を聞いてきます
　ので入力します(今回は 39 と入力しました)

　▼あとは、出力するラスタのライン数やカラム数設定などを行い、
　[File]-[Run...]メニューを選択します。

　■最後に、出力ラスタオブジェクト名を入力すると、処理が開始され
　ます。

なにやら、たくさんの事を書きましたが、一言でまとめてしまいますと、
TNTmips のリサンプリング機能を使って、画像とRPCファイルと標高情報
とジオイド高を入力したら実行されます。誰が作業を行っても、ほぼ
同じ結果が得られるというわけです。





[3]さて一番気になる変換結果はどうでしょうか？

 a)処理時間
　マルチバンド画像の場合、１バンドあたり約７分～15分で変換処理が終了しましたが、
　パンクロ画像と同等の空間解像度を扱う場合は、かなり処理に時間がかかりました。

　[マルチバンド４バンドのみの場合]
　４枚のマルチバンド → 約30分(WinXP Pentium4 1.8GHz/Memory 512MB)
　４枚のマルチバンド → 約１時間(Mac G4-800MHz/Memory 768MB)
　ラスタ画像１バンドあたり、約７分～15分

　[パンクロ１バンドのみの場合]
　１枚のパンクロ → 約２時間(WinXP Pentium4 1.8GHz/Memory 512MB)
　１枚のパンクロ → 約３時間(Mac G4-800MHz/Memory 768MB)

　　[すべてのバンドを選択した場合]
　出力結果はマルチバンドもすべて、空間解像度60cmで出力します
　５枚のファイルまとめて → ７時間30分(WinXP Pentium4 1.8GHz/Memory 512MB)
　５枚のファイルまとめて → 18時間30分(Mac G4-800MHz/Memory 768MB)
　60cm解像度ラスタ１枚あたり、約1.5時間～3.5時間(パンクロと同等)



 b)補正の効果
　補正前と補正後の水平誤差について見てみましょう。ただし、ここで
　重要な点は、本来基準点 GCP を使用した上で RPC オルソ補正を行っ
　たほうが、より精度良く(DigitalGlobe社によると 3～6m)処理を行え
　ますが、今回はあえて GCP を配置するような人的作業を入れずに、
　処理を行っていますので、理想的な RPC 変換よりも精度が悪くなって
　います。また比較する数値地図25000 [地図画像] も、昭和61年1/2.5万
　地形図図式によると、その位置精度(標準偏差)は、水平方向に17.5mと
　今回の精度を比較するには、十分な精度を持っておりません。
　　そういった点を配慮しますと、この結果がどこまで信用できるのか
　改めて比較する必要がありますが、今回使用しました数値地図画像の
　Affine変換によるGCP水平誤差は、3m でしたので、大まかな配置とし
　ては、まったく当てにならない精度ではないかと思います。ですので
　あくまで、おおまかな目安としまして、地図画像と比較しながら、ご
　覧いただけると幸いです。
　(見やすいように、縮尺目盛りは最後の画像のみ入れてあります)

　▽変換前(WindowsXP)

　マルチバンド(水平方向に約50m程度の水平誤差があります)

　


　


　


　パンクロバンド(水平方向に約50m程度の水平誤差があります)

　


　▽変換後：(GCP指定なし)
　マルチバンド(水平方向に約10m程度と水平誤差が縮まりました)

　


　


　


　パンクロバンド(水平方向に約10m程度と水平誤差が縮まりました)

　



　Macintosh でもまったく同様の変換が可能です。

　▽変換前(MacOSX10.3)

　マルチバンド(水平方向に約50m程度の水平誤差があります)

　


　パンクロバンド(水平方向に約50m程度の水平誤差があります)

　


　▽変換後(MacOSX10.3)：(GCP指定なし)

　マルチバンド(水平方向に約10m程度と水平誤差が縮まりました)

　


　パンクロバンド(水平方向に約10m程度と水平誤差が縮まりました)

　



　Windows/Macintosh マルチバンド/パンクロバンド いずれの組み合わせ
　でも、GeoTIFF そのままの状態で約50m の水平誤差がみられた画像(左)
　が、GCP を使用していない簡易的な RPC オルソ変換をすることで水平
　誤差約10mに収まりました(右)。

　

　[黒いメッシュは 50m 間隔です]



 c) 気になるファイルサイズの変化は？

　▽マルチバンド＋パンクロ　解像度はそのまま
　131MB＋524MB ＝655MB(GeoTIFFのまま) → 492MB(RVC形式標準圧縮)

　▽パンシャープンを作成するために、すべて解像度60cmへリサンプリング
　524MB×５＝2,620MB(GeoTIFFのまま)　→　1,150MB(RVC形式標準圧縮)


　わざわざ、マルチバンドまで60cm 解像度にしなくてもいいのに...と
　思われるかもしれませんが、パンクロにあわせてリサンプリングしま
　すと、このように簡単にパンシャープン表示ができるメリットが生ま
　れます。

　

　また、ver6.9 から RVC形式内での JPEG2000 圧縮が可能ですので、
　RVC標準圧縮よりもさらに圧縮効率を上げることが可能です。





[4] 結果をまとめてみますと!!

 a) TNTmips での RPC オルソ変換補正は十分に効果がありました！
        水平誤差 約50m → 水平誤差 約10m (但し、GCP地上基準点の使用なし)

　　

　　今後高解像度衛星のデジタイジングなどで、非常に有用ですね。

 b) 準備作業は非常に簡単で、今までのような GCP 入力と比較して圧倒
　的に人的要因が減り、精度のバラツキが少なくなると思います。

 c) TNTmips ver6.9 からは、マルチバンドの GeoTIFF も、直接扱えるので
　変換処理も必要ない点で、更に操作性が増しました。(ver6.8 までは、
　マルチバンド GeoTIFF の場合、一度 RVC 形式に変換する必要がありま
　した)

 d) Macintosh 上で RPC オルソ変換が可能な GIS/RS アプリケーション
　は現在のところ TNTmips のみであるため貴重かと思います。また、
　その計算速度も Windows マシンにひけをとっていないですね。
　デュアルG5 マシンで試してみたくなります!!

 e) マルチバンドとパンクロを同時に処理することが可能ですので、
　処理時間はかかるものの、帰り際に補正処理を開始すれば、朝には終
　わっています。　それぞれをバラバラで行うよりも、実行作業効率は
　良いですね。

 f) また、一括で変換してしまえば、得られた結果をすぐに、パンシャー
　プンとして表示することが可能ですのでこれまた便利です。

　


 g) 結果として得られた RVC ファイルは、欠損のない圧縮方式を用いると、
　約75%～45%に圧縮することができ、ディスク容量の節約が可能です。
　ハードディスクも効率的よく活用できます!!



●●●


いかがですか？
だんだん自分でもやりたくなってきましたか？

是非ともこのデータを購入したい!! という方は、各高解像度衛星プロダ
クトの提供会社さまへお問い合わせください。とくに、日本国内では、
現在(2003年12月)のところ日立ソフトさんのみでの取り扱いとなっており
ますのでご注意ください。


■QuickBird　"Ortho Ready Standard Product"
日立ソフトウェアエンジニアリング株式会社
http://www.hgiis.com/index_jp.html

■IKONOS　"Geo Ortho Kit"
日本スペースイメージング株式会社
http://www.spaceimaging.co.jp/



さあ、あとは、TNTmips ver6.9 のリリースを待つばかりです!!







今週の新プチ・テクニック
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
"
"　標高100m の値だけを 9999 に置き換えたい!!
"
"
"　ラスタデータが持つ値(DN値)を１つだけ指定して、別の値に置き換え
"　るとき、どんな方法を使いますか？
"
"　SML を使ったり、GeoFormula を使ったり、いろいろな方法があります
"　が、例えばこんな方法があります。
"
"　▼メインメニューより [Process]-[Raster]-[Combine]-[Predefined...]
"　 機能を実行しまして
"
"　▼Type: を Algebraic に切り替え
"
"　▼Operation: を Replace All に切り替えます。
"
"　▼読み込むラスタを指定しまして...
"
"　▼Replace With: 欄に、例えば 9999 といった、置き換える値を入力
"
"　▼本来、上限と下限と決めて、値の幅を設定する Lower Limit: 欄と
"　 Upper Limit: 欄を、例えば 100 と１つの値だけを指定します。
"
"　■あとは、[Run...]ボタンを押して、出力ラスタを選択すれば完了です。
"
"　同じ値ではさみこめば、対象の値も１つだけですね。
"
"
""""  隔 週 で 新 / 過 去 テ ク ニ ッ ク を 交 互 に 発 信  """"




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=　http://www.opengis.co.jp/htm/patch/patch.htm#THIRD
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=　TNTmips ver6.9 が12月31日にリリース延期!!
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