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ドローン測量にカメラ知識は必須!カメラやレンズで違うノウハウとは

2017年10月13日 測量

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ドローンにおける測量では、撮影された写真の品質が重要となります。なぜなら測量の精度は写真の精緻さが成否を担うからです。

では、その撮影をどのように行ったら良いでしょうか?

オートフォーカスにて写真を撮っている方もいるかもしれませんが、状況によっては全自動システムによる撮影に頼ると写真がピンボケしてしまい、コンピュータが認識できずに測量としての精度が低くなることもあります。

ここでは、空撮におけるドローンの必要なカメラの知識と、ドローンに搭載されているカメラやレンズによって異なるノウハウを見ていきましょう。

搭載されているカメラとレンズの種類

ドローンに搭載されているカメラには、大きく分けて2種類のタイプがあります。「使い捨てカメラ」タイプと「一眼レフカメラ」タイプです。

「使い捨てカメラ」タイプ

「使い捨てカメラ」は使ったことがある方はご存じかもしれませんが、このタイプはどこに向けてシャッターを押しても全体に対してピントがクリアに合います。

実はドローンを使った測量の場合は、この「使い捨てカメラ」タイプは非常に有用です。どこにでもピントが合っているので、鮮明な写真を撮ることが可能です。

写真が緻密で鮮明であればあるほど、コンピュータが計測地点を正確に認識してくれます。そのため、常にピントを合わせてくれる「使い捨てカメラ」タイプは測量に相応しいといえます。

「使い捨てカメラ」タイプが搭載されているドローンの種類としては、「ファントム4」や「ファントム4pro」、「インスパイヤー2 ×4Sカメラ仕様」が挙げられます。

「一眼レフカメラ」タイプ

ではもう一方の「一眼レフカメラ」タイプはどうでしょうか。

「一眼レフカメラ」タイプの場合は、事前にピント調整が必要ですが、その場合には画面内の全ての対象物にピントを合わせる技術が必要となります。

例えば、座標の基準となる「評定点」にはピントがあっているが、測量したい山はぼやけてしまい、山の形がきれいに出なかったというケースもあります。そうした写真を使うとコンピュータがうまく画像の認識をできずに混乱してしまい、誤った結果が導き出されることもあります。

「一眼レフカメラ」タイプが搭載されているドローンの種類としては、「インスパイヤー2」が挙げられます。実は「インスパイヤー2」には「使い捨てカメラ」タイプとして「インスパイヤー2 ×4Sカメラ仕様」があり、「一眼レフカメラ」タイプとして「インスパイヤー2 ×5Sカメラ仕様」があります。

これらのカメラを、必要に応じて使い分けて写真を撮ることが可能なのです。

「一眼レフカメラ」タイプで使うのは単焦点レンズ

「一眼レフカメラ」タイプでドローン測量を行う際にはズームレンズは使わずに、単焦点レンズを使います。単焦点レンズとは、焦点距離が決まっており、ズーム機能がないレンズのことです。

例えば50mmの単焦点レンズの場合は、50mm以外は使えません。反対に70ー200mmのズームレンズの場合には、70mmから200mmまでの間で焦点距離を変えながら写真撮影をすることができます。そのため、被写体を大きく映したい場合にはカメラが被写体に近づき、逆に被写体を小さく映したい場合にはカメラが被写体から遠ざかる必要があります。

そんな一般的には不便そうな単焦点レンズですが、測量の現場ではそうした特徴が優位に働きます。なぜなら被写体との距離が一定ということは、いつどんな状況で撮影していても、同じ距離から同じ大きさの被写体の写真を撮ることが可能ということです。測量においては、同じ大きさの被写体を違う角度から撮ることで、精度の高い3D写真を作れることができます。

測量の現場では、バッテリーが切れたり天候が悪化した際には測量を一時中断してドローンが戻ってくることがあります。その際にズームカメラの場合には焦点距離の自動調整が必ずしも同じになるとは限らないため、一度目の撮影の写真と再開後の二度目の写真との間に誤差が生じることがあるのです。そうした誤差を排除するために、単焦点レンズを用います。

では、こうした「一眼レフカメラ」の単焦点レンズを使って写真を必要性が出るのはどのようなときでしょうか。さらに詳細を確認していきましょう。

どんなシチュエーションの時にカメラ知識が必要?

どの高さ(高度)で飛ぶのか

実は、「使い捨てカメラ」は30メートルより下の高度の写真を取る際には最高のカメラなのですが、30メートルよりも高くなると写真の緻密度が薄くなり、測量における精度が低くなってしまいます。

カメラの解像度というのは、近くから撮っても遠くから撮っても一枚の写真の画素数(ピクセル数)は同じです。そのためドローンが高く飛べば飛ぶほど、撮った写真の解像度が悪くなってしまいます。

測量場所や測量物によってドローンが飛行する高度が高くなる場合には、光学で単焦点レンズの交換を行った「一眼レフカメラ」を用いて写真を撮影する必要が出てきます。

撮影時の天候

撮影時の天候によっても写真撮影のノウハウが必要となります。

例えば曇っているときは空全体が暗いので、写真を撮っても撮影対象の細部まで明確に写らない可能性があります。空がどんよりと暗い時には、目でも対象物の認識が難しくなるのと同じ原理です。

そうすると、後で写真のデータをコンピュータが認識して分析をする際に、対象物のデータの読み取りができずに精度が落ちることもあります。その場合にはカメラの露出を変更したり、飛行ルートを微調整する等の写真撮影の工夫が必要なケースもあります。

また晴れている日も、写真の中の対象画像が太陽光で白くつぶれて写っていると、その部分の色飛びをしていて精度が出ないこともあります。写真撮影時には、光の量も考慮に入れる必要があるのです。

天候によってドローン撮影の手法が異なるという点に関しては、以下のサイトで詳細をお伝えしています。どうぞご参考にしてください。

求められるカメラ知識とは

シャッタースピード

シャッタースピードとは、シャッターが開いている時間のこととなり、1秒、1/2秒、1/4秒・・・1/250秒、1/500秒とのように表現されます。シャッタースピードを速くすると、光が撮影対象にあたる時間は短くなり、シャッタースピードを遅くすると、光が撮影対象にあたる時間は長くなります。

また一般的に、シャッタースピードが速いと、ドローンのように高速で動いているカメラでも、撮影対象をブレることなく撮影することができます。一方、シャッタースピードが遅いとシャッターが開いている間にカメラが大きく移動しているので、対象がブレやすくなります。

絞り(F値)

写真は、レンズを通った光を一定時間フィルムや撮像素子(カメラ内蔵のセンサー)などに当てることが必要です。そのためカメラのレンズには光の入り具合を調整できる穴があります。

この穴は猫の目のように大きくしたり小さくしたりすることができ、その調整を「絞り羽根」という部品が行っています。この絞り穴を大きくすることを「絞りを開ける」といい、一方で絞り穴を小さくすることを「絞り込む」といいます。

また羽根を全く使用していない状態を開放といい、そのレンズにおいて最大限に光を取り込むことができます。この開き具合は「F値」という単位で表され、絞りの程度の指標として扱われています。絞りは、撮影する場所の明るさや条件などによって調整されて、光の量がコントロールされています。

日中の明るい屋外でのドローン撮影はとても眩しく、絞りを開放したまま撮影するとイメージセンサーに光が当たりすぎて写真が真っ白になることもあります。そのような場合には、ほどよく絞り光の入る量を調整する必要もあります。光の量をうまくコントロールすることにより、精度の高い写真撮影が可能となります。

明るさ(ISO感度)

撮った写真の明るさは、ISO感度という指標で表すことができます。ISO感度とは感光部が光を感じる感度の良さを数値化したものです。もともとはフィルムの感度の指標ですが、今はカメラ本体の光の感度の指標としても使われています。

ISO感度を上げることによって暗い場所でも明るく撮影が可能です。 ISO感度は、一般的にはISO100程度が最も低感度で200・400・800と上がります。ただしISOの数字を上げて撮影をすればするほど写真にノイズが出て、画質が荒くなってしまいます。

ただし最近のカメラは性能が良いため、ISO1600程度で写真を撮影しても、それほどノイズは気になりません。ISO感度を上げるとノイズが出やすいのですが、明るい場所ではノイズが目立ちにくく、暗い場所ほどノイズが目立つ傾向があります。

露出を決める3つの組み合わせ

露出とは撮像素子やフィルムに光を当てることです。写真が明るすぎず暗すぎず、ちょうどいい具合に仕上がり、露出がうまい具合に調整されていることを、適正露出といいます。

基本的に写真の精度を左右する露出は、シャッター速度と絞りの関係で決まります。絞りを大きくして光が入る量を少なくしても、その分シャッタースピードを遅く調整することで、適正露出にすることができます。

反対に、絞りを小さくして光が入る量を大きくしてもシャッタースピードを速くすることで、同じような明るさの写真を撮ることができます。さらにISO感度も露出を決める際の重要な要素となります。

露出を調整することで、天候の良い明るい日には光で画像が白く潰れていない、クリアで明瞭な写真を撮ることが可能です。また曇りで薄暗い日でも明るさを保った精度の高い写真を撮ることができるのです。

ドローン測量時のノウハウ

高度の違う数か所のピントを同時に合わせる

ドローンで測量するための空撮の際には、露出も重要な要素となりますが、さらに一枚の写真の中で数か所のピントを合わせるノウハウも必要となってきます。

例えば、地面に置いた標定点(座標の基準地)と測量する測量物(建物や山など)との高さが違う場合には、地面とそれよりも20メートル上の測量物にもピントを合わせる必要があります。

そのためには、基本的には絞りやF値によって調整することでピントを合わせますが、それでも合わない場合は、ドローンを写真撮影する高度をどの高さにするかによって調整し、数か所のピントが合うように工夫が必要です。

3D知識との融合

シャッタースピードや、F値、ISO感度といった、一般的な写真のカメラ知識も必要ですが、実はそうしたカメラの知識に合わせて、3Dなどの立体造形の知識がないと本格的なドローンによる測量写真の撮影は難しくなります。

ドローンを飛行させる前に地形の起伏や障害物を正確に把握し、頭の中で立体造形をイメージして操縦します。コンピュータにて作り出す際に、どの角度からのどういった写真が必要かといった重要なポイントを押さえていなければ、絶対的な品質の測量写真の精度が出ないのです。

この立体造形知識をどこまで理解できるのかというのが、今後ドローン測量における革新的な領域となってくるでしょう。カメラ知識と3D知識を融合することにより、ドローンの測量写真の新しい可能性が広がっていきます。

まとめ

ドローン測量における写真撮影のノウハウとカメラ知識の重要性をご理解いただけましたでしょうか。

ドローンでの測量においては、ドローンにより撮影した写真の品質の高さにより、測量自体の精度が決まってくるだけに、基本的な知識を押さえておく必要があります。

実際に経験を積む中で得られるノウハウもあり、現場では試行錯誤を経た上での発見があります。ドローン測量で写真を撮影される際の一つの参考としてご活用ください。

 

株式会社ensembleでのドローン測量の流れ

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ドローンの機能が従来に比べて格段に高性能になり、ドローン測量が一般的となりつつあります。

ただし、難易度の高い測量の現場においては、求められる精度を実現できるか不安に思われる点もあるかもしれません。

株式会社ensembleでは、経験豊富な操縦士によるドローンの運転と共に、3次元コンピュータグラフィックス知識や撮影技術などを保有しております。

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