ドローン写真測量の基礎 - SfMからオルソ画像まで
写真測量の原理
写真測量とは、複数の異なる位置から撮影した写真を用いて、対象物の3次元的な形状や位置を計測する技術です。人間が左右の目で物体を見ることで距離感を得る「立体視（ステレオ視）」と同じ原理に基づいています。2枚以上の写真において同一の地点が写っている場合、各写真上での位置の違い（視差・パララックス）から、三角測量の原理でその地点の3次元座標を算出できます。
従来の航空写真測量では、航空機から一定間隔で撮影したステレオペア写真を図化機で処理していました。この手法では、撮影時のカメラ位置や姿勢（外部標定要素）と、カメラの焦点距離やレンズ歪み（内部標定要素）を正確に把握する必要があります。ドローン写真測量ではこれらの工程をコンピュータビジョン技術で自動化し、数百枚〜数千枚の写真から高密度な3次元データを効率的に生成できるようになりました。
SfM（Structure from Motion）とは
SfM（Structure from Motion）は、複数の視点から撮影された写真群をもとに、カメラの位置・姿勢と3次元構造を同時に推定するコンピュータビジョン技術です。「動き（Motion）から構造（Structure）を復元する」という名前の通り、異なるカメラ位置から撮影された画像の変化を手がかりに3次元復元を行います。
SfM処理の流れは大きく3段階に分けられます。第1段階では、各写真からSIFTやORBなどのアルゴリズムで特徴点（キーポイント）を検出し、写真間で対応する特徴点をマッチングします。第2段階では、マッチング結果をもとにバンドル調整（Bundle Adjustment）を行い、全写真のカメラ位置・姿勢と特徴点の3次元座標を最適化します。この段階で生成されるのが疎な点群（Sparse Point Cloud）です。第3段階では、推定されたカメラパラメータを利用してMVS（Multi-View Stereo）処理を行い、密な点群（Dense Point Cloud）を生成します。
撮影計画の立て方
ドローン写真測量の成果品質は、撮影計画の適切さに大きく左右されます。最も重要なパラメータはオーバーラップ率と地上解像度（GSD: Ground Sample Distance）の2つです。
オーバーラップ率は、隣接する写真同士の重複領域の割合を示します。進行方向の重複をOL（オーバーラップ）、横方向の重複をSL（サイドラップ）と呼びます。一般的な推奨値はOL 80%以上、SL 60%以上です。i-Constructionの要領ではOL 80%・SL 60%が標準とされていますが、起伏の大きい地形ではSLを70%以上に設定することが推奨されます。オーバーラップ率が低いとマッチングに失敗する領域が生じ、穴あきや歪みの原因となります。
GSDは、写真の1ピクセルが地上で何cmに相当するかを表す値です。飛行高度、カメラのセンサーサイズ、焦点距離から算出されます。計算式は「GSD = (飛行高度 × センサー幅) / (焦点距離 × 画像幅ピクセル)」です。例えば、センサー幅13.2mm、焦点距離8.8mm、画像幅5472ピクセルのカメラで高度60mから撮影した場合、GSDは約1.6cm/pixとなります。公共測量では要求精度に応じてGSDの上限が定められています。
成果物の種類
ドローン写真測量から得られる主な成果物は4種類あります。それぞれ用途が異なるため、目的に応じた成果物を選択・生成することが重要です。
オルソ画像（正射投影画像）は、写真の幾何学的な歪みを除去し、地図と同じ正射投影に変換した画像です。一般的な写真は中心投影のため、建物が倒れ込んだり周辺部が歪んだりしますが、オルソ画像では地図上で距離や面積を直接計測できます。GeoTIFF形式で出力され、GISソフトでそのまま利用可能です。
DSM（Digital Surface Model：数値表層モデル）は、建物や植生を含む地表面の標高データです。一方、DTM（Digital Terrain Model：数値地形モデル）は建物や植生を除去した地盤面の標高データで、点群の分類処理を経て生成されます。どちらもラスターデータ（グリッドデータ）として出力されます。DSMは日照解析や景観シミュレーションに、DTMは土量計算や排水解析に適しています。
3Dメッシュモデルはポリゴンで構成された3次元モデルで、テクスチャを貼り付けることでフォトリアリスティックな表現が可能です。プレゼンテーションや現況の視覚的な記録に活用されます。点群データは前述の通り3次元の点の集合で、最も情報量が多い成果物です。
精度向上のポイント
ドローン写真測量の精度を向上させる最も効果的な方法は、GCP（Ground Control Point：地上基準点）の活用です。GCPとは、GNSS測量やトータルステーションで高精度に座標が測定された地上の基準点です。SfM処理においてGCP座標を拘束条件として与えることで、絶対精度を大幅に向上させることができます。GCPは対象エリアの外周と中央にバランスよく配置し、最低でも5点以上の設置が推奨されます。
飛行高度の設定も精度に直結します。高度を下げればGSDが小さくなり解像度は向上しますが、1枚あたりのカバー範囲が狭くなるため撮影枚数が増加します。逆に高度を上げれば効率は良くなりますが解像度は低下します。要求精度と作業効率のバランスを考慮して最適な飛行高度を設定することが重要です。
天候条件とカメラ設定も見落とされがちですが重要な要素です。曇天は影が出にくく均一な露出が得られるため、写真測量に適した条件とされています。直射日光下では強い影がコントラストの差を生み、マッチング精度の低下や影部分のテクスチャ欠損を引き起こします。カメラ設定ではISO感度を低く（100〜200）、シャッター速度を十分に速く（1/1000秒以上）設定し、モーションブラーを防止します。絞りはF4〜F5.6程度が解像力と被写界深度のバランスに優れています。