データ符号化装置、方法、及びプログラム
【課題】 飛行体上にて取得した複数種類のレーザ計測データを地上に伝送する際の符号化効率を向上させる。
【解決手段】 圧縮部１１に入力されたレーザ計測データは、データ分離部１１ａにてデータ種類毎に分離される。各種類毎の分離データはそれぞれ圧縮処理部１１ｂにてデータ圧縮された後、符号化処理部１１ｃに入力される。符号化処理部１１ｃは、各分離データの偏り度合いＤdを算出し、Ｄdが大きい分離データから順番に結合して併合データを生成し、この併合データに対して動的なエントロピー符号化を施す。
【解決手段】 圧縮部１１に入力されたレーザ計測データは、データ分離部１１ａにてデータ種類毎に分離される。各種類毎の分離データはそれぞれ圧縮処理部１１ｂにてデータ圧縮された後、符号化処理部１１ｃに入力される。符号化処理部１１ｃは、各分離データの偏り度合いＤdを算出し、Ｄdが大きい分離データから順番に結合して併合データを生成し、この併合データに対して動的なエントロピー符号化を施す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデータ符号化装置に関し、特に複数種類のデータ群を結合したデータに対する符号化効率の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機等の飛行体からレーザビームを照射して地上の凹凸情報を取得するレーザ計測方法として、下記特許文献１に記載されるものが知られている。一般に、航空機上で取得される観測データは、発射するレーザパルス単位に発射時刻、発射位置、発射方向、複数のリターンパルスに関する情報を含み、データサイズが膨大なものとなる。そのため、従来技術においては、航空機上で取得されたデータは、航空機に搭載したデータ記録部に格納され、計測終了後に地上のデータ処理装置に移され処理、解析される。
【０００３】
しかし、例えば、災害時における地上の状況把握等のような利用目的では、即応性が要求される。そこで、航空機の着陸を待たずにデータ解析を行うことを可能とするレーザ計測システムの開発が進められている。具体的には、航空機上で取得される観測データを無線伝送で地上に送るレーザ計測システムの開発が進められている。当該システムでは、観測データの量が膨大となり、その一方で当該観測データを限られた伝送容量で短時間に地上に送ることが要求されるため、当該観測データを圧縮・符号化して伝送し、地上にて復号化・伸張するという方法が検討されている。
【特許文献１】特開２００３−１５６３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膨大な観測データを地上に効率よく伝送するためには、符号化の効率向上が一つの課題となる。
【０００５】
本発明は、上述のレーザ計測システムにおける課題を解決するためになされたものであり、特に複数種類のデータ群を結合したデータに対する符号化効率が向上するデータ符号化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るデータ符号化装置は、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析手段と、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合手段と、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化手段と、を有するものである。
【０００７】
他の本発明に係るデータ符号化装置においては、前記データ分布解析手段が、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【０００８】
本発明に係るデータ符号化方法は、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析ステップと、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合ステップと、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化ステップと、を有するものである。
【０００９】
他の本発明に係るデータ符号化方法においては、前記データ分布解析ステップが、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【００１０】
本発明に係るデータ符号化プログラムは、コンピュータに、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析機能と、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合機能と、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化機能と、を実現させるものである。
【００１１】
他の本発明に係るデータ符号化プログラムにおいては、前記データ分布解析機能が、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析し、その結果に基づいてデータ群の結合順序を決定することで、符号化対象として入力される具体的なデータ群に対応して好適な符号化効率が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。本実施形態は、航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ計測システムに関するものであって、そのシステムにおいて飛行体に搭載される符号化処理部が本発明を用いて実施される。
【００１４】
図１は、航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ測量の概要を示す説明図である。飛行体１は、レーザ計測部４、ＧＰＳ／ＩＭＵ（Global Positioning System/Inertial Measurement Unit）２２及び送信部６を搭載し、レーザ計測部４はレーザスキャナ２、反射波受信センサ８及びＰＯＳ（Position Orientation System）２０を含んで構成される。
【００１５】
レーザスキャナ２は、制御部（図示せず）により、所定時間間隔でレーザパルスを発射するレーザ発射部２ａと、レーザパルスの照射方向を所定角度範囲内で振って地上のスキャンを可能とする回転ミラー２ｂとを備える。
【００１６】
反射波受信センサ８は、レーザの発射パルスに対する地表からの反射パルス（リターンパルス）を検出する。
【００１７】
ＰＯＳ２０は、データ取得時の時刻情報であるタイムスタンプを生成する。
【００１８】
ＧＰＳ／ＩＭＵ２２は飛行状態データとして、飛行体１のＧＰＳ位置及び傾き情報を出力する。
【００１９】
送信部６は、レーザ計測部４にて得られたデータ（レーザ計測データ）及びＧＰＳ／ＩＭＵ２２から得られるデータ（飛行状態データ）を、圧縮等の処理を施した上で地上基地局へ無線送信する。
【００２０】
図２は、リターンパルスを示す説明図である。発射された１発のレーザパルスに対して、地上物による複数回（通常１ないし５回程度）の反射が生じ、それに応じてリターンパルスも複数回検出され得る。反射波受信センサ８は、ｎ発目の発射パルスに対するｋ番目のリターンパルスの捕捉時刻情報をリターンパルスデータＰknとして出力する。ここで、リターンパルスデータＰknは発射されたレーザパルスが地表や地物に反射し、反射波受信センサ８に戻って来るまでの時間である。また反射波受信センサ８からは、レーザの反射強度情報であるインテンシティを得ることもできる。このインテンシティを解析することで、レーザパルスを反射した物体が何かを判断することが可能となる。
【００２１】
レーザ計測部４は、リターンパルスデータＰknの他に例えば、レーザパルスの発射時刻データＴn、そのときの回転ミラー２ｂの回転角データθn及びタイムスタンプＴＳnをレーザ計測データとして取得する。ここで、レーザ発射部２ａから発射されたレーザパルスは回転ミラー２ｂの反射により照射方向を変化されるため、回転角データθnは、レーザパルスの照射角度を意味する。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２は、レーザスキャナ２のレーザパルス発射タイミングに同期して、レーザパルス発射時の飛行体１のＧＰＳ位置、傾き情報等を出力する。
【００２２】
なお、レーザ計測データ及び飛行状態データはレーザ計測部４やＧＰＳ／ＩＭＵ２２の構造により適宜無次元化された数値として出力されるものであってもよく、またレーザパルス発射時刻、或いはリターンパルスデータ等の時刻情報は、例えば、計測開始からの経過時間であってもよい。
【００２３】
図３はレーザ計測部４、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２及び送信部６の構成を示すブロック図である。上述したようにレーザ計測部４は、レーザスキャナ２、反射波受信センサ８、及びＰＯＳ２０を備え、レーザ計測データはパルスデータ生成部９に出力される。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２が出力する飛行状態データはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。
【００２４】
図４は、パルスデータ生成部９からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。また、図５は、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。パルスデータ生成部９は、上述したように、発射パルス（レーザパルス）を単位として、当該発射パルスに対応する各出力値を所定の順序で配列したデータ列を出力する。図４に示す例は、各発射パルスに対して最大５次までのリターンパルスデータＰknが取得され得ることを想定した場合のデータフォーマットを示すものであり、先頭からタイムスタンプＴＳn、レーザパルスの発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn、及びリターンパルスデータＰknの順に格納される。ちなみに、上述したように、リターンパルスデータＰknは必ずしも５次まで取得されるとは限らないため、取得されなかった次数の格納位置には、例えば“０”を格納する（図１４参照）。
【００２５】
一方、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からは、図５に示すように、ＧＰＳ時間ＴＡn、ＩＭＵ時間ＴＢn、ｘ方向加速度ＶＸn、ｘ方向角度ＡＸn、ｙ方向加速度ＶＹn、ｙ方向角度ＡＹn、ｚ方向加速度ＶＺn、ｚ方向角度ＡＺnが出力される。ここで、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２のデータ取得タイミングは、レーザパルスより低い頻度ではあるが、レーザパルスの発射タイミングに同期するように設定される。そこで、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からの出力値は、パルス番号を表す添え字“ｎ”を介して、パルスデータ生成部９の出力値と対応付けられる。
【００２６】
飛行体１におけるレーザ計測が開始されると、レーザ計測部４及びＧＰＳ／ＩＭＵ２２にて取得されるデータは、パルスデータ生成部９或いはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。パルスデータ生成部９及びＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０は、入力されたデータから所定のデータ列を生成し送信部６へ出力する。例えば、パルスデータ生成部９の出力は送信部６の圧縮部１１へ入力される（ステップＳ１）。
【００２７】
圧縮部１１は、データ分離部１１ａ、圧縮処理部１１ｂ及び符号化処理部１１ｃを含んで構成され、入力されたデータを圧縮する。この圧縮処理は、即時性の向上を図るために、データ全体の容量に対し、例えば、４Ｍバイト程度の比較的小さな単位で行われる。
【００２８】
データ分離部１１ａは、図４に示すように、パルスデータ生成部９から出力されたパルスデータを、タイムスタンプＴＳn、レーザパルス発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn及びリターンパルスデータＰknの４種類のデータ列ＳＤ(ＴＳ)、ＳＤ(Ｔ)、ＳＤ(θ)及びＳＤ(Ｐ)に分割し（ステップＳ２）、これら各分離データＳＤを圧縮処理部１１ｂへ出力する。図４に示すように、分離データ列ＳＤ(ＴＳ)、ＳＤ(Ｔ)及びＳＤ(θ)それぞれにおけるタイムスタンプＴＳn、レーザパルス発射時刻データＴn、ミラー回転角データθnは、パルス発射順に並ぶ。また、分離データ列ＳＤ(Ｐ)におけるリターンパルスデータＰknは、パルス発射順が同じ５個のデータからなるデータ群がパルス発射順に並び、各データ群の中では、５個のデータが反射次数順に並んだフォーマットを有する。この分離データＳＤ(Ｐ)には、必要に応じて、データ群の境界にデータ終端マークが挿入される。
【００２９】
圧縮処理部１１ｂは、各分離データ列ＳＤの特徴を利用して、それぞれ異なったアルゴリズムでデータ圧縮を行う（ステップＳ３）。
【００３０】
例えば、本実施形態のＰＯＳ２０はその仕様上、タイムスタンプＴＳnとして、ほとんどの場合に、ミラー回転角データθnの下位２桁と同じ値を出力するものを使用している。そこで、ＴＳnとθnとの差分値で置き換える圧縮法を採用することにした。これにより、ほとんどのＴＳnは０に置き換えることができ、データ量が圧縮される。
【００３１】
次に図６は、レーザパルス発射時刻データの変化を示すグラフであり、横軸がレーザパルス発射順序、縦軸が発射時刻である。この図に示されるように、レーザパルス発射順序に対して発射時刻は、周期的に繰り返す右上がりの直線上に分布する傾向がある。この性質から、隣接するレーザパルス発射時刻データＴnの二次差分値は０近傍に分布する小さな値となることが期待され、この二次差分値を用いることにより発射時間データの圧縮を図ることができる。
【００３２】
図７は、圧縮処理部１１ｂにおけるレーザパルス発射時刻データの圧縮処理の概要を示すブロック図である。圧縮処理部１１ｂは、まず、二次差分値列を順次、生成し（処理Ｐ１）、生成される二次差分値を順番に２つずつ組み合わせた二次差分値対を生成する（処理Ｐ２）。圧縮処理部１１ｂは、二次差分値対に現れる数値列パターンと指標データとの関連付けを定義するインデックステーブルＴＢＬを予め設定し、処理Ｐ２で生成された二次差分値対とテーブルＴＢＬに登録された指標データとの対応付け処理を行う（処理Ｐ３）。この処理では、二次差分値対と一致する数値列パターンがテーブルＴＢＬに存在する場合に、その二次差分値対に、当該数値列パターンに対応する指標データが対応付けられる。圧縮処理部１１ｂは、この指標データを用いて圧縮データを形成する（処理Ｐ４）
【００３３】
図８は、レーザパルス発射時刻データＴnの圧縮処理における二次差分値生成処理Ｐ１を示す概略のフロー図である。なお、以下の説明において、記号“Ｔn”はｎ発目のレーザパルスの発射時刻、記号“Δ1,n”は発射時刻Ｔnの一次差分値Ｔ（n+1)−Ｔn、記号“Δ2,n”は発射時刻Ｔnの二次差分値(Δ1,n+1)−(Δ1,n)を表す。
【００３４】
二次差分値列Ｓ(Δ2,n)の生成に際し、まず、二次差分値列生成用のバッファエリアＢＵＦをメモリ上に設定し、先頭にＳＯＢ（Start of Block）マークを挿入する（ステップＳＴ１）。ＳＯＢは予め定められた所定のビット長を有しており、以下の処理で出現することのないコードに設定される。この後、ＳＯＢマークの後にレーザパルス発射時刻Ｔnを挿入する。このＴnは、二次差分値列から元の発射時刻の分離データ列ＳＤ(Ｔ)を復元する際に用いられる。
【００３５】
次に、一次差分値Δ1,nを算出し（ステップＳＴ２）、その正負を判定する（ステップＳＴ３）。上述したように、レーザパルス発射時刻データＴnは周期的に繰り返す右上がりの直線上に分布する傾向があるため、一次差分値の符号が正の場合には、その一次差分値の関係するＴ（n+1）とＴnとは同じ直線に沿って位置し、一方、一次差分値の符号が負の場合には、Ｔ（n+1）とＴnとの間で直線の乗り換えが生じ、Ｔ（n+1）は次の直線に沿って位置していると考えられる。
【００３６】
符号が負の場合には、パルス番号ｎを１だけ増加させ、ステップＳＴ１から処理を繰り返す。すなわち、改めてＳＯＢマークをバッファリングされているデータの後尾に挿入し、続けてＴnを挿入する。例えば、直前のステップＳＴ１からの処理がｎ＝ｋに対するものでありＴkを挿入した後、Ｔ（k+1)−Ｔk＜０であった場合には、次のステップＳＴ１からの処理においては、ＳＯＢマークの次にＴ（k+1）が挿入される。
【００３７】
ちなみに、一次差分値の符号が負の場合には上述のようにＳＯＢマークが挿入され、このＳＯＢマークは評価対象のＴ値が直前のＴ値が帰属する直線からはずれて新たな直線に移動したことを示すこととなる。すなわち、ＳＯＢマークは、それぞれ１つの直線に対応するデータブロックのデリミタとしての意味を有する。
【００３８】
一方、符号が正の場合には、求めた一次差分値Δ1,nを直前に挿入されたＴnの後に挿入する（ステップＳＴ４）。このΔ1,nは、直前に挿入されているＴnと共に、二次差分値列から元の発射時刻の分離データ列ＳＤ(Ｔ)を復元する際に用いられる。
【００３９】
符号が正の場合、さらに一次差分値Δ1,n+1を求める（ステップＳＴ５）。この一次差分値Δ1,n+1についてもステップＳＴ３と同様の理由から符号の判定が行われ（ステップＳＴ６）、符号が負の場合には、パルス番号ｎを２だけ増加させステップＳＴ１から処理を繰り返し、新たなデータブロックの生成が開始される。
【００４０】
Δ１,n+1の符号が正の場合には、二次差分値Δ2,nを求め（ステップＳＴ７）、ステップＳＴ４で挿入したΔ1,nの後に当該Δ2,nを挿入する（ステップＳＴ８）。二次差分値の生成は、ｎを１ずつ増加させながら（ステップＳＴ９）、繰り返され、上述のようにＴ値が次の直線に帰属することになるか（ステップＳＴ６）、Ｔ値の終わりに達するまで（ステップＳＴ１０）、順次、二次差分値がバッファされる。
【００４１】
なお、発射時刻データＴnの観測精度によっては図６の直線が多少変動する場合がある。この場合、一次差分値が負でかつその絶対値が所定値より大きい場合には、Ｔ（n+1）とＴnとの間で直線の乗り換えが生じているものと判断する。一方、一次差分値が正、または一次差分値が負でかつその絶対値が所定値以下の場合には、Ｔ（n+1）とＴnが同じ直線に沿って位置しているものと判断する。
【００４２】
元のレーザパルス発射時刻データＴnは大きな値を取り得るが、二次差分値Δ2,nは、上述のように０近傍の小さな値であり、元のレーザパルス発射時刻データＴnに比べて短いデータ長で表すことができる。例えば、元のレーザパルス発射時刻データＴnが４バイトを要するとしても、基本的に二次差分値Δ2,nは１バイトで表現することが可能である。すなわち、二次差分値は既に圧縮されていると言える。しかし、圧縮処理部１１ｂは、バッファに次々と挿入される二次差分値を、これから述べる処理Ｐ２〜Ｐ４によりさらに圧縮し、保存データを生成する。以下、この二次差分値列の圧縮処理について説明する。
【００４３】
図９は処理Ｐ３で用いるインデックステーブルＴＢＬの構造を示す模式図である。図には、左欄に示すインデックスＩに対応する二次差分値対の１つ目の値（先行二次差分値Δ2P）、２つ目の値（後続二次差分値Δ2F）、及び保存データ要素Ｅが横方向に配列されている。ここで、二次差分値は既に述べたように、０近傍にほとんどが分布する。経験的に、二次差分値列において−１，０，＋１が高い出現確率で現れる。そこで、本実施形態では、二次差分値列における出現確率が所定値以上である代表差分値として、−１，０，＋１を設定し、これに対応して、インデックステーブルが定義されている。ＥはＩをバイナリ表示したデータである。後述するようにインデックスＩは１３種類であるので、Ｅは実質的に４ビットで表現可能である。
【００４４】
インデックスＩ＝０〜５及び１０〜１２は、Δ2P、Δ2Fからなる数値パターンが、３種類の代表差分値（−１，０，＋１）を２個並べる９通りの順列パターンに対応する。
【００４５】
インデックスＩ＝６〜８は、Δ2Pが３種類の代表差分値（−１，０，＋１）のいずれかであり、Δ2Fが代表差分値以外の値（Δ2Fが存在しない場合を含む）である３つの特例パターンである。図９において、代表差分値以外であることは記号“ＮＵＬＬ”で表されている。
【００４６】
インデックスＩ＝９は、例外的な場合に用いられる例外識別データを定義するものである。ここで例外的な場合の１つは、Δ2Pとして取り出した二次差分値が代表差分値以外である場合（特例差分値）である。この場合には、後続する二次差分値をΔ2Fとして組み合わせることなく、Δ2Pとして取り出した二次差分値だけを以て、インデックスＩとして９を割り当てる。例外的な場合のもう１つは、Δ2P、Δ2Fのいずれも存在しないことを表す場合である。
【００４７】
圧縮処理部１１ｂは、圧縮処理Ｐ１〜Ｐ４の開始に際して、圧縮データ格納用のデータエリアＳＴＲをメモリ上に設定する。圧縮処理部１１ｂは、二次差分値列生成処理Ｐ１において、上述のバッファＢＵＦへのデータ格納を行う一方、処理Ｐ２〜Ｐ４において、当該バッファＢＵＦから順次、データを取り出し処理を行う。
【００４８】
圧縮処理部１１ｂは、処理Ｐ２において、バッファＢＵＦから取り出したデータがＳＯＢマーク、Ｔn、Δ1,nである場合は、それらデータをそのままデータエリアＳＴＲに転写する。
【００４９】
一方、バッファＢＵＦから取り出したデータが二次差分値Δ2,nである場合には、圧縮処理部１１ｂはさらにそれに続く二次差分値Δ2,n+1も取り出し、二次差分値対を生成し（処理Ｐ２）、テーブルＴＢＬのΔ2P、Δ2Fからなるパターンとのマッチングを行って当該二次差分値対に対応する保存データ要素Ｅ１を決定する（処理Ｐ３）。
【００５０】
二次差分値対が代表差分値の組み合わせであるＩ＝０〜５、１０〜１２であった場合、圧縮処理部１１ｂは、原則として、さらに後続する二次差分値Δ2,n+2、Δ2,n+3からなる二次差分値対について同様に保存データ要素Ｅ２を決定する。そして、Ｅ１を上位４ビット、Ｅ２を下位４ビットとして両者を結合して１バイトの保存データＥＳを生成し、これを圧縮データ格納用データエリアＳＴＲに追加格納する（処理Ｐ４）。
【００５１】
図１０は、圧縮データ形成処理Ｐ４を説明する模式図である。図１０（ａ）〜（ｃ）が、上述した先行する二次差分値対のインデックスＩが０〜５，１０〜１２である場合を表している。図１０（ａ）（ｂ）は４つの二次差分値に基づいて保存データＥＳが生成される原則的な場合に対応し、図１０（ａ）は、後続の二次差分値対のインデックスＩも０〜５，１０〜１２である場合であり、図１０（ｂ）は、後続の二次差分値対のインデックスＩが６〜８である場合である。
【００５２】
一方、図１０（ｃ）（ｄ）は、３つ、又は２つの二次差分値に基づいて保存データＥＳが生成される例外的な場合であり、保存データ要素Ｅ２として、インデックスＩ＝９に対応するデータが割り当てられる。そして、図１０（ａ）（ｂ）の場合と同様、Ｅ１を上位４ビット、Ｅ２を下位４ビットとして両者を結合して１バイトの保存データＥＳが生成され、これが圧縮データ格納用データエリアＳＴＲに追加格納される（処理Ｐ４）。
【００５３】
ここで、図１０（ｃ）は、Δ2,n+2として取り出した二次差分値が代表差分値以外であった場合である。後述するように、代表差分値以外の二次差分値（特例差分値）が現れた場合、処理Ｐ４の一部として、当該特例差分値をデータエリアＳＴＲに格納する処理が行われ、後続の二次差分値についての処理はその特例差分値を格納する処理後に継続される。そのため、当該Δ2,n+2として取り出した二次差分値の後続の二次差分値はΔ2,n+3としては取り出さず、保存データ要素Ｅ２としてインデックスＩ＝９に対応するデータを割り当てる。
【００５４】
また、図１０（ｄ）は、Δ2,n+1が特例差分値である場合である。この場合も、特例差分値を格納する処理に移行する都合上、後続の二次差分値はΔ2,n+2、Δ2,n+3として取り出さず、保存データ要素Ｅ２としてインデックスＩ＝９に対応するデータを割り当てる。
【００５５】
ちなみに、図１０（ｂ）に示す場合は、Δ2,n+3が特例差分値であり、この保存データＥＳをデータエリアＳＴＲに格納した後、特例差分値の格納処理が行われる。また、Δ2,nが特例差分値であった場合が図１０には示されていないが、この場合は、保存データ要素の組み合わせからなる保存データＥＳは生成せずに、直接、先行する保存データＥＳに続けて、当該特例差分値が追加格納される。
【００５６】
特例差分値の格納処理は、先行する保存データＥＳ及び後続する保存データＥＳとの間に挿入されたことが識別可能な所定のフォーマットのデータ（特例保存データＥＥ）をデータエリアＳＴＲに追加する処理である。例えば、特例保存データＥＥの第１バイトはいずれの保存データＥＳとも区別可能なデータヘッダとする。例えば、データヘッダは“0xFF”とすることができる。データヘッダに続けて、１〜４バイトの可変長データを追加する。可変長データのデータ長は例えば、第２バイトのいくつかの所定ビットを用いて表すように定義される。地上基地局側で圧縮データを伸張する際には、その所定ビットの内容に基づいて、データヘッダから始まる特例保存データＥＥがどのバイトまでか、そしてその後のバイトから再び保存データＥＳであることを把握することができる。特例差分値は、可変長データの残りのビットを用いて表される。
【００５７】
既に述べたように、レーザパルス発射時刻データの性質として、ほとんどの二次差分値は代表差分値となる。上述の処理Ｐ２〜Ｐ４により、代表差分値が連続する場合には４つの代表差分値が１バイトの保存データＥＳで表される。すなわち、個々の二次差分値を保存データとして格納する場合よりもレーザパルス発射時刻データの圧縮効率の一層の向上が実現される。
【００５８】
次に、ミラー回転角データθnに対する圧縮操作を説明する。縦軸にミラー回転角データθn、横軸にレーザパルスの発射順序をとった、レーザパルス発射順序-ミラー回転角線図は正弦曲線に近似可能であり、連続性に着目して、二次差分値を保存データとする。また、回帰線図が上述したレーザパルス発射時刻とは異なり、全領域に不連続点が存在しない。このため、跳躍点での差分値保存によってデータ長が過度に大きくなる心配がないので、ＳＯＢマークで区切られたデータブロックを設定する必要がなく、単に二次差分値を連ねるだけで足りる。二次差分値である各圧縮値から元データを算出可能とするために、圧縮データの最初に元データ、次に一次差分値が挿入され、これに続いて二次差分値が記述される。
【００５９】
図１１は、ミラー回転角データθnの圧縮例を示す模式図である。左側のテーブルは元データと演算経過を示し、このテーブルの中のどの要素が、その右に示す保存データ（圧縮データ）として格納されるかが示されている。元データは縦に並べて示されており、“行”コラムがレーザパルスの発射順序に対応し、例示のミラー回転角データθnは、１発目が１００で、この後、２００，３０１，４００，…と続くことを示している。
【００６０】
このような元データがある場合、まず、先頭の元データ“１００”を保存データ１として抽出する（ステップＳθ１）。この後、ステップＳθ２で第２の元データ“２００”と先頭元データ“１００”との一次差分を演算し、その演算結果“１００”を保存データ２として保存データ１の後続データとして登録する。次いで、第３の元データ“３０１”と第２の元データ“２００”との一次差分“１０１”と、上記ステップＳθ２で求めた一次差分“１００”とから求めた二次差分“１”を保存データ３として、保存データ２に続けて登録する（ステップＳθ３）。以降、ステップＳθ３と同様の手順を繰り返し、二次差分を順次、保存データとして登録して処理を完了する。
【００６１】
図１２は、以上の手順により得られる圧縮データの二次差分収納分のデータフォーマットを示す模式図である。上述したように、このデータフォーマットの前に第１の元データ、一次差分データが存在するが、ここでは図示が省略されている。図１２に示すように、二次差分は、小さな値であるので６ビット程度で表現可能であり、これに２種類の状態判定ビットを付加した８ビット（１バイト）長で格納される。
【００６２】
上記状態判定ビットは各々１ビット長を持つ正負判定ビットとエラー判定ビットである。正負判定ビットは、二次差分の正負により決定される。また、エラー判定ビットは、６ビット長で記述不可能な場合をエラー値として格納したことを示す。本実施形態において、エラービットが立っている状態では、二次差分は２バイト長拡張された領域に格納される。
【００６３】
図１３〜図１５を用いてリターンパルスＰknの圧縮手順を説明する。図１３は、圧縮処理の流れを示す模式図であり、上段の枠内は図４で示した分離データ列ＳＤ(Ｐ)である。図１３に示すように、分離データ列ＳＤ(Ｐ)には、１発のレーザパルスに対して５個のリターンパルスデータ（Ｐ1n，Ｐ2n，…，Ｐ5n）の領域が確保され、リターンパルスデータＰknのない部分には“０”が格納されている。図２に示すように、リターンパルスは森林等における樹木での葉の間から漏れたレーザパルスが、さらに地表側に位置する他の反射物に反射して得られるもので、全ての領域が埋まることは比較的少なく、さらに“０”等の小さな値で“値なし”を示す場合であっても、そうでない他のリターンパルスデータの値を格納するのと同じ所定のビット長の領域が割り当てられる。
【００６４】
このようなデータ構造に伴うデータの冗長性を解消するために、まず、データ構造を変更する（ステップＳＰ１）。ステップＳＰ１の実施に際して、ｎ発目のレーザパルスに対するリターンパルスデータ群（Ｐ1n，Ｐ2n，…，Ｐ5n）を格納する領域中でのデータ充填を表示するヘッダ情報“Head_n”を導入し、“値なし”データを削除する。本実施形態において、ヘッダ情報Head_nには１バイトの領域が与えられ、下位５ビットで最終次数及びリターンパルスデータ格納位置を示す。例えば、１次リターンパルスデータＰ1nのみが存在し、２次以降が“値なし”である場合には、ヘッダ情報Head_nは“０００００００１”で与えられ、３次リターンパルスデータＰ3nまで存在し、かつ２次リターンパルスが存在せず、１次及び３次のリターンパルスが存在するときには“０００００１０１”、全て埋まっている場合には、“０００１１１１１”で与えられる。この結果、データ列は、図１３の中段の枠内に示すように、ヘッダ情報Head_nと実データとにより記述されることとなる。
【００６５】
次いで、データ間の差分をとって保存データとする（ステップＳＰ２）。ステップＳＰ２は、Ｑ計算とＲ計算とを行いながら保存データを決定していき、圧縮データ列は、図１３の下段の枠内に示すように、パルス番号“ｎ”に対するヘッダ情報Head_n、Ｑ値“Ｑ1n”、Ｒ値“Ｒkn”の順に格納される。Ｒ値Ｒknの添え字“ｋ”はリターンパルスの次数を示す。後述するように、１次のリターンパルスデータＰ1nに対しては、直前の１次リターンパルスデータ（Ｐ1,n-1）との差分であるＱ値Ｑ1nを保存データとするので、ｋは２以上５以下の整数となる。
【００６６】
Ｑ計算及びＲ計算を図１４、図１５に示す例で説明する。ここで、図１４は分離データ列ＳＤ(Ｐ)の具体的な例を示す模式図である。また、図１５は、図１４の分離データ列に対応して生成される保存データの模式図である。
【００６７】
図１４に示す元データでは、レーザパルス番号“１”に対して１次リターンパルスのみが得られ、その値は“１００”であることが示されている。また、レーザパルス番号“７”に対しては５次までのリターンパルスが捕捉され、その値は、１次側から、“７００，８００，８１０，８２０，８５０”であることが示されている。
【００６８】
まず、初期情報として、レーザパルス番号“１”のリターンパルスは１次のみが取得されているので、ヘッダ情報Head_nに“０００００００１”を格納した後、１次リターンパルスデータＰ11として“１００”をそのまま格納する。説明を容易にするために、保存データはｋ行ｎ列の配列Ｃｍｐ、元データはｋ行ｎ列の配列Ｏｒｇを用いて表す。例えば、先頭データ“１００”が保存データとして格納されたことは、Ｃｍｐ(1,1)にＯｒｇ(1,1)が代入されていることで知ることができる。
【００６９】
ここで、ヘッダ情報Head_1は１次パルスデータのみを格納していることを示していることから、この後、２次リターンパルスを検索することなく、１発目のレーザパルスに対する処理が終了し、次に２発目（ｎ＝２）のレーザパルスの処理に移行する。
【００７０】
ｎ＝２以降では、まずＱ値計算を行う。Ｑ計算は、隣接するレーザパルスに対する１次リターンパルス間の差分を求める演算であり、
Ｑ1n＝Ｐ1n−Ｐ1,n-1
で与えられる。
【００７１】
この例では、ｎ＝２であるから、
Ｑ12＝Ｐ12−Ｐ11
＝Ｏｒｇ(1,2)−Ｏｒｇ(1,1)
＝２００−１００＝１００
で与えられ、これがＣｍｐ(1,2)に代入される。
【００７２】
Ｑ計算が終了すると、同一のｎ値でＲ計算を行う。Ｒ計算はＯｒｇ配列の同一行での隣接値間の差分を取る演算であり、
Ｒkn＝Ｐkn−Ｐk-1,n
で与えられる。図１４、図１５の例では、
Ｒ22＝Ｐ22−Ｐ12
＝Ｏｒｇ(2,2)−Ｏｒｇ(1,2)
＝３００−２００＝１００
がＣｍｐ(2,2)に代入される。
【００７３】
Ｒ計算は、同一レーザパルス番号のリターンパルスデータＰknが終了するまで続けられ、この後、上述した手順、すなわち、ヘッダ情報Head_nの付与、１回のＱ計算、適数回のＲ計算が繰り返される。
【００７４】
このようにして得られたＣｍｐ配列は一次元配列（ビット列）に並べられ、圧縮対象のデータ列にされる。
【００７５】
以上のようにして各々の分離データ列ＳＤに対する圧縮処理が終了すると、結合処理がなされて１ファイルにまとめられ、次いで、図３に示す符号化処理部１１ｃにおける符号化処理を行う（ステップＳ４）。符号化処理部１１ｃは、４つの分離データ列ＳＤそれぞれのデータ分布の偏り度合いを解析し、偏り度合いの大きい順にＳＤを結合して併合データを生成する処理を行うと共に、その併合データに対して動的なエントロピー符号化を行う。
【００７６】
図１６〜図１９は、飛行体１上の装置で得られる観測データの一例であり、それぞれ横軸を出現するデータ値、縦軸を出現頻度とするデータ分布を表すグラフである。図１６はタイムスタンプＴＳn、図１７はレーザパルス発射時刻データＴn、図１８はミラー回転角データθn、図１９はリターンパルスデータＰknのそれぞれ上記圧縮処理後のデータ値の分布を表している。以下、これらのデータ例を用いて本システムの符号化処理を説明する。これら図に示すデータ例に現れる各データの特徴を述べる。まず、タイムスタンプに関しては、極端に出現頻度が高い値が存在すること、及び当該データ値以外の値の出現頻度は全て低く、バラツキも小さいことが挙げられる。一方、リターンパルスに関しては、極端に出現頻度が高いデータ値が存在する点ではタイムスタンプと同様であるが、当該データ値以外の値の出現頻度はタイムスタンプに比べれば、高いものから低いものまで存在し、多少のばらつきがある。なお、リターンパルスについては、全体のデータ量が非常に大きくなる。ミラー角度に関しては、出現値の種類が多いこと、及び出現頻度は高いものから低いものまで存在し、多少のばらつきがあるという特徴がある。レーザ発射時間に関しては、出現値の種類が少ない、出現頻度に多少のばらつきがある、全体のデータ量が非常に小さいといった特徴がある。
【００７７】
符号化処理部１１ｃは上述のような特徴を有する各データの分布の偏り度合いを、統計量等を用いて算出する。例えば、符号化処理部１１ｃは、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいてデータ分布の偏り度合いを求める。ここで、符号化処理部１１ｃでの符号化においては、データの出現頻度に応じて異なる長さの符号が割り当てられ、これにより符号化後の全体のデータサイズを小さくすることができる。また、出現する値の種類が少ないほど符号の種類も少なくて済み、符号長が抑制される結果、符号化後の全体のデータサイズを小さくすることができる。同じ値の出現頻度は、例えば、各データのデータ総数に対する最頻値のデータ数の比率Ｒdで定義することができる。また、出現する値の種類Ｓdは、出現頻度が１以上のデータ値の数を数えることによって取得することができる。
【００７８】
符号化処理部１１ｃは２つのパラメータＲd，Ｓdに基づいてデータの偏り度合いを示す一元化されたパラメータＤdを所定の演算により算出し、当該パラメータＤdに基づいて、４種類の圧縮データ群を偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成する。例えば、パラメータＤdとして、ＲdとＳdとの比を用いることができる。
【００７９】
図１６〜図１９の例では、出現頻度が特に高い値を有するタイムスタンプ及びリターンパルスについてのＲdはそれぞれ99.7％（＝523,958/525,508×100％）と28.3％（＝522,441/1,845,178×100％）とであり、レーザパルス発射時刻とミラー角度とについてのＲdは前記２種類のデータに比べて低く、かつ両者のＲdは同程度である。ここで、図１７及び図１８から理解されるように、レーザパルス発射時刻はミラー角度に比べてデータ種類が少なく、またばらつきが小さい。符号化処理部１１ｃは、これら特徴を有するデータに対して、データの偏り度合いＤdの算出結果に基づいて、タイムスタンプ、リターンパルス、レーザパルス発射時刻、ミラー角度の順に圧縮データを結合し併合データを生成する。
【００８０】
ちなみに、各圧縮データの偏り度合いは、計測により取得されるデータに応じて変動し得るが、符号化処理部１１ｃは、その変動に対して圧縮データの結合順序を随時変更することができる。
【００８１】
符号化処理部１１ｃは、得られた併合データに対して動的なエントロピー符号化を施す。ここで符号化には静的な符号化、動的な符号化の２種類が存在する。静的な符号化とは、一度、符号化するデータを全て確認し、出現する値の分布を利用して次の文字、あるいは文字列の出現頻度を保存し、圧縮する手法である。一方の動的な符号化とは、一定範囲で出現する値の分布を取得し、そのタイミングで最適な出現頻度を保存し、利用するというものである。エントロピー符号化の代表的な手法としてはハフマン法が知られている。本システムでは動的なエントロピー符号化の一手法であるＰＰＭ（Prediction by Partial Matching）を採用している。
【００８２】
また符号化処理部１１ｃは、併合データにおけるデータ種類の配列順序を示す識別情報と共に、符号化結果のデータを後段のストリーミング処理部１２へ出力する。
【００８３】
ストリーミング処理部１２は、データ伝送中にて地上基地局での解析を可能とするためにストリーミング処理を行う（ステップＳ５）。次いで伝送データ変換処理部１３において搬送波の整形が行われ（ステップＳ６）、出力部１４から伝送される（ステップＳ７）。
【００８４】
なお、以上の実施形態では、パルスデータのみが圧縮処理され、ＧＰＳ／ＩＭＵデータについてはそのまま直接伝送する構成を示したが、ＧＰＳ／ＩＭＵデータについても圧縮処理を行って伝送するように構成することも可能である。ちなみに、ＧＰＳ／ＩＭＵデータは計測航路への旋回、移動の期間を使用して伝送することができる。
【００８５】
また、上記送信部６及びパルスデータ生成部９、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０は、コンピュータに当該機能を実行させるコンピュータプログラムを使用して達成可能である。
【００８６】
図２０は、飛行体からの伝送情報を受領する地上基地局のブロック図である。地上基地局は受信処理部１５と復元処理部１６とからなるデータ再生部７を有する。受信処理部１５の受信部１５ａで上記飛行体１からの圧縮データを受信すると、受信しながら後段のデータ解析を行うことができるように、ストリーミング処理部１５ｂにおいてストリーミング処理を行い（ステップＳＧ１）、復元処理部１６の復号部１６ａへ出力する（ステップＳＧ２）。
【００８７】
図２１は、圧縮データの復元処理を示す説明図である。復号部１６ａでは、上記圧縮データファイルの符号化及び結合処理を解除して符号化前の状態に戻す。このとき、復号部１６ａは、符号化処理部１１ｃにて符号化データファイルに付加された識別情報に基づいて符号化時における圧縮データの結合順序を把握し、その結合順序に従って、圧縮データのデータ種類を把握する。
【００８８】
さらに、復元部１６ｂでは、圧縮されたデータを伸張し復元する復元処理を行う（ステップＳＧ３）。復元処理により、図２１の中段に示すように、発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn及びリターンパルスデータＰknは各々分離データ列ＳＤの状態となり、これをデータ結合部１６ｃにおいてデータ結合すると（ステップＳＧ４）、図２１の下段に示すように、パルスデータ生成部９からの出力が再現される。
【００８９】
この結合データは、データ解析部５において解析されて、リターンパルス群による計測結果が演算される。解析に際して、観測データは一旦、パルスデータ・ＧＰＳ／ＩＭＵデータ格納部５ａに格納され（ステップＳＧ５）、実距離化・座標化処理部５ｂで実位置等が演算される（ステップＳＧ６）。実距離化・座標化処理部５ｂは、飛行体１の光学系の特性に基づく内部評定要素、及びＧＰＳ／ＩＭＵデータに基づく外部評定要素を利用してリターンパルスの反射部の所定投影空間上での位置、高さを演算する。なお、一般にＧＰＳ／ＩＭＵからのデータ数は、レーザパルス発射数に比して小数であり、一対一で対応しないために、上述したように、添え字“ｎ”に対応するレーザデータ以外のレーザデータに対する外部評定要素には、取得されたＧＰＳ／ＩＭＵデータに対する補間値が使用される。
【００９０】
このようにして得られた各ポイントデータは三次元情報を有しているために、これを使用して地表面を点描状に表示することも可能であり、これらの用に供するために、ポイントデータ群はポイントデータ格納部１７に格納される（ステップＳＧ７）。
【００９１】
さらに本実施形態において、地上基地局には３Ｄ処理部１８が設けられる。３Ｄ処理部１８は、上記ポイントデータ群をもとに、例えば、三次元ポリゴン、テクスチャ等を備えた３Ｄ画像を形成するための３Ｄデータ生成部１８ａを備える。この３Ｄデータ生成部１８ａでの生成データは生成３Ｄデータ１８ｂに格納され、所望により３Ｄデータ表示部１８ｃで表示される。
【００９２】
また、地上基地局には、即応性を利用して例えば地殻変動、災害等の情報を直ちに得ることができるように、比較部１９を備える。比較部１９は、既存３Ｄデータ１９ａと差分データ生成部１９ｂと、上記３Ｄデータ表示部１８ｃとを有して構成される。３Ｄデータ生成部１８ａからの出力は、差分データ生成部１９ｂにおいて既存３Ｄデータ１９ａとの比較が行われ、画像上の相違点を検出する。検出結果は、上記３Ｄデータ表示部１８ｃに表示し、必要に応じて上空の飛行体１に再計測、或いは計測範囲の拡大等を指示することができる。
【００９３】
なお、以上において、データ再生部７、データ解析部５、３Ｄ処理部１８及び比較部１９は、当該機能を実行させるようにコンピュータを動作させるコンピュータプログラムによっても達成可能である。
【００９４】
また、上述の構成ではタイムスタンプ、レーザパルス発射時刻、ミラー角度及びリターンパルスの４種類のデータについての符号化に際してのデータ結合順序を説明したが、本発明のデータ符号化は他の種類のデータの組み合わせに対しても実施することができ、またデータ種類の数も４種類には限定されない。上述したように複数種類のデータを結合して符号化する際に、データ分布の偏り度合いが大きいものから順に結合することにより、符号化効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ計測の概要を示す説明図である。
【図２】リターンパルスを示す説明図である。
【図３】レーザ計測部、ＧＰＳ／ＩＭＵ及び送信部の構成を示すブロック図である。
【図４】パルスデータ生成部からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。
【図５】ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。
【図６】レーザパルス発射時刻データの変化を示すグラフである。
【図７】圧縮処理部におけるレーザパルス発射時刻データの圧縮処理の概要を示すブロック図である。
【図８】レーザパルス発射時刻データＴnの圧縮処理における二次差分値列生成処理Ｐ１を示す概略のフロー図である。
【図９】対応付け処理Ｐ３で用いるインデックステーブルＴＢＬの構造を示す模式図である。
【図１０】圧縮データ形成処理Ｐ４を説明する模式図である。
【図１１】ミラー回転角データθnの圧縮例を示す模式図である。
【図１２】圧縮データの二次差分収納分のデータフォーマットを示す模式図である。
【図１３】ミラー回転角データθnの圧縮処理の流れを示す模式図である。
【図１４】分離データ列ＳＤ(Ｐ)の具体的な例を示す模式図である。
【図１５】図１４の分離データ列に対応して生成される保存データの模式図である。
【図１６】タイムスタンプに関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１７】レーザパルス発射時刻に関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１８】ミラー角度に関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１９】リターンパルスに関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図２０】飛行体からの伝送情報を受領する地上基地局のブロック図である。
【図２１】圧縮データの復元処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 飛行体、２ レーザスキャナ、２ａ レーザ発射部、２ｂ 回転ミラー、４ レーザ計測部、５ データ解析部、５ａ パルスデータ・ＧＰＳ／ＩＭＵデータ格納部、５ｂ 実距離化・座標化処理部、６ 送信部、７ データ再生部、８ 反射波受信センサ、９ パルスデータ生成部、１０ ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部、１１ 圧縮部、１１ａ データ分離部、１１ｂ 圧縮処理部、１１ｃ 符号化処理部、１２ ストリーミング処理部、１３ 伝送データ変換処理部、１４ 出力部、１５ 受信処理部、１５ａ 受信部、１５ｂ ストリーミング処理部、１６ 復元処理部、１６ａ 復号部、１６ｂ 復元部、１６ｃ データ結合部、１７ ポイントデータ格納部、１８ ３Ｄ処理部、１８ａ ３Ｄデータ生成部、１８ｂ 生成３Ｄデータ、１８ｃ ３Ｄデータ表示部、１９ 比較部、１９ａ 既存３Ｄデータ、１９ｂ 差分データ生成部、２０ ＰＯＳ、２２ ＧＰＳ／ＩＭＵ。
【技術分野】
【０００１】
本発明はデータ符号化装置に関し、特に複数種類のデータ群を結合したデータに対する符号化効率の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機等の飛行体からレーザビームを照射して地上の凹凸情報を取得するレーザ計測方法として、下記特許文献１に記載されるものが知られている。一般に、航空機上で取得される観測データは、発射するレーザパルス単位に発射時刻、発射位置、発射方向、複数のリターンパルスに関する情報を含み、データサイズが膨大なものとなる。そのため、従来技術においては、航空機上で取得されたデータは、航空機に搭載したデータ記録部に格納され、計測終了後に地上のデータ処理装置に移され処理、解析される。
【０００３】
しかし、例えば、災害時における地上の状況把握等のような利用目的では、即応性が要求される。そこで、航空機の着陸を待たずにデータ解析を行うことを可能とするレーザ計測システムの開発が進められている。具体的には、航空機上で取得される観測データを無線伝送で地上に送るレーザ計測システムの開発が進められている。当該システムでは、観測データの量が膨大となり、その一方で当該観測データを限られた伝送容量で短時間に地上に送ることが要求されるため、当該観測データを圧縮・符号化して伝送し、地上にて復号化・伸張するという方法が検討されている。
【特許文献１】特開２００３−１５６３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膨大な観測データを地上に効率よく伝送するためには、符号化の効率向上が一つの課題となる。
【０００５】
本発明は、上述のレーザ計測システムにおける課題を解決するためになされたものであり、特に複数種類のデータ群を結合したデータに対する符号化効率が向上するデータ符号化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るデータ符号化装置は、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析手段と、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合手段と、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化手段と、を有するものである。
【０００７】
他の本発明に係るデータ符号化装置においては、前記データ分布解析手段が、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【０００８】
本発明に係るデータ符号化方法は、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析ステップと、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合ステップと、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化ステップと、を有するものである。
【０００９】
他の本発明に係るデータ符号化方法においては、前記データ分布解析ステップが、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【００１０】
本発明に係るデータ符号化プログラムは、コンピュータに、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析機能と、前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合機能と、前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化機能と、を実現させるものである。
【００１１】
他の本発明に係るデータ符号化プログラムにおいては、前記データ分布解析機能が、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定める。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析し、その結果に基づいてデータ群の結合順序を決定することで、符号化対象として入力される具体的なデータ群に対応して好適な符号化効率が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。本実施形態は、航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ計測システムに関するものであって、そのシステムにおいて飛行体に搭載される符号化処理部が本発明を用いて実施される。
【００１４】
図１は、航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ測量の概要を示す説明図である。飛行体１は、レーザ計測部４、ＧＰＳ／ＩＭＵ（Global Positioning System/Inertial Measurement Unit）２２及び送信部６を搭載し、レーザ計測部４はレーザスキャナ２、反射波受信センサ８及びＰＯＳ（Position Orientation System）２０を含んで構成される。
【００１５】
レーザスキャナ２は、制御部（図示せず）により、所定時間間隔でレーザパルスを発射するレーザ発射部２ａと、レーザパルスの照射方向を所定角度範囲内で振って地上のスキャンを可能とする回転ミラー２ｂとを備える。
【００１６】
反射波受信センサ８は、レーザの発射パルスに対する地表からの反射パルス（リターンパルス）を検出する。
【００１７】
ＰＯＳ２０は、データ取得時の時刻情報であるタイムスタンプを生成する。
【００１８】
ＧＰＳ／ＩＭＵ２２は飛行状態データとして、飛行体１のＧＰＳ位置及び傾き情報を出力する。
【００１９】
送信部６は、レーザ計測部４にて得られたデータ（レーザ計測データ）及びＧＰＳ／ＩＭＵ２２から得られるデータ（飛行状態データ）を、圧縮等の処理を施した上で地上基地局へ無線送信する。
【００２０】
図２は、リターンパルスを示す説明図である。発射された１発のレーザパルスに対して、地上物による複数回（通常１ないし５回程度）の反射が生じ、それに応じてリターンパルスも複数回検出され得る。反射波受信センサ８は、ｎ発目の発射パルスに対するｋ番目のリターンパルスの捕捉時刻情報をリターンパルスデータＰknとして出力する。ここで、リターンパルスデータＰknは発射されたレーザパルスが地表や地物に反射し、反射波受信センサ８に戻って来るまでの時間である。また反射波受信センサ８からは、レーザの反射強度情報であるインテンシティを得ることもできる。このインテンシティを解析することで、レーザパルスを反射した物体が何かを判断することが可能となる。
【００２１】
レーザ計測部４は、リターンパルスデータＰknの他に例えば、レーザパルスの発射時刻データＴn、そのときの回転ミラー２ｂの回転角データθn及びタイムスタンプＴＳnをレーザ計測データとして取得する。ここで、レーザ発射部２ａから発射されたレーザパルスは回転ミラー２ｂの反射により照射方向を変化されるため、回転角データθnは、レーザパルスの照射角度を意味する。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２は、レーザスキャナ２のレーザパルス発射タイミングに同期して、レーザパルス発射時の飛行体１のＧＰＳ位置、傾き情報等を出力する。
【００２２】
なお、レーザ計測データ及び飛行状態データはレーザ計測部４やＧＰＳ／ＩＭＵ２２の構造により適宜無次元化された数値として出力されるものであってもよく、またレーザパルス発射時刻、或いはリターンパルスデータ等の時刻情報は、例えば、計測開始からの経過時間であってもよい。
【００２３】
図３はレーザ計測部４、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２及び送信部６の構成を示すブロック図である。上述したようにレーザ計測部４は、レーザスキャナ２、反射波受信センサ８、及びＰＯＳ２０を備え、レーザ計測データはパルスデータ生成部９に出力される。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２が出力する飛行状態データはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。
【００２４】
図４は、パルスデータ生成部９からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。また、図５は、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。パルスデータ生成部９は、上述したように、発射パルス（レーザパルス）を単位として、当該発射パルスに対応する各出力値を所定の順序で配列したデータ列を出力する。図４に示す例は、各発射パルスに対して最大５次までのリターンパルスデータＰknが取得され得ることを想定した場合のデータフォーマットを示すものであり、先頭からタイムスタンプＴＳn、レーザパルスの発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn、及びリターンパルスデータＰknの順に格納される。ちなみに、上述したように、リターンパルスデータＰknは必ずしも５次まで取得されるとは限らないため、取得されなかった次数の格納位置には、例えば“０”を格納する（図１４参照）。
【００２５】
一方、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からは、図５に示すように、ＧＰＳ時間ＴＡn、ＩＭＵ時間ＴＢn、ｘ方向加速度ＶＸn、ｘ方向角度ＡＸn、ｙ方向加速度ＶＹn、ｙ方向角度ＡＹn、ｚ方向加速度ＶＺn、ｚ方向角度ＡＺnが出力される。ここで、ＧＰＳ／ＩＭＵ２２のデータ取得タイミングは、レーザパルスより低い頻度ではあるが、レーザパルスの発射タイミングに同期するように設定される。そこで、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０からの出力値は、パルス番号を表す添え字“ｎ”を介して、パルスデータ生成部９の出力値と対応付けられる。
【００２６】
飛行体１におけるレーザ計測が開始されると、レーザ計測部４及びＧＰＳ／ＩＭＵ２２にて取得されるデータは、パルスデータ生成部９或いはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。パルスデータ生成部９及びＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０は、入力されたデータから所定のデータ列を生成し送信部６へ出力する。例えば、パルスデータ生成部９の出力は送信部６の圧縮部１１へ入力される（ステップＳ１）。
【００２７】
圧縮部１１は、データ分離部１１ａ、圧縮処理部１１ｂ及び符号化処理部１１ｃを含んで構成され、入力されたデータを圧縮する。この圧縮処理は、即時性の向上を図るために、データ全体の容量に対し、例えば、４Ｍバイト程度の比較的小さな単位で行われる。
【００２８】
データ分離部１１ａは、図４に示すように、パルスデータ生成部９から出力されたパルスデータを、タイムスタンプＴＳn、レーザパルス発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn及びリターンパルスデータＰknの４種類のデータ列ＳＤ(ＴＳ)、ＳＤ(Ｔ)、ＳＤ(θ)及びＳＤ(Ｐ)に分割し（ステップＳ２）、これら各分離データＳＤを圧縮処理部１１ｂへ出力する。図４に示すように、分離データ列ＳＤ(ＴＳ)、ＳＤ(Ｔ)及びＳＤ(θ)それぞれにおけるタイムスタンプＴＳn、レーザパルス発射時刻データＴn、ミラー回転角データθnは、パルス発射順に並ぶ。また、分離データ列ＳＤ(Ｐ)におけるリターンパルスデータＰknは、パルス発射順が同じ５個のデータからなるデータ群がパルス発射順に並び、各データ群の中では、５個のデータが反射次数順に並んだフォーマットを有する。この分離データＳＤ(Ｐ)には、必要に応じて、データ群の境界にデータ終端マークが挿入される。
【００２９】
圧縮処理部１１ｂは、各分離データ列ＳＤの特徴を利用して、それぞれ異なったアルゴリズムでデータ圧縮を行う（ステップＳ３）。
【００３０】
例えば、本実施形態のＰＯＳ２０はその仕様上、タイムスタンプＴＳnとして、ほとんどの場合に、ミラー回転角データθnの下位２桁と同じ値を出力するものを使用している。そこで、ＴＳnとθnとの差分値で置き換える圧縮法を採用することにした。これにより、ほとんどのＴＳnは０に置き換えることができ、データ量が圧縮される。
【００３１】
次に図６は、レーザパルス発射時刻データの変化を示すグラフであり、横軸がレーザパルス発射順序、縦軸が発射時刻である。この図に示されるように、レーザパルス発射順序に対して発射時刻は、周期的に繰り返す右上がりの直線上に分布する傾向がある。この性質から、隣接するレーザパルス発射時刻データＴnの二次差分値は０近傍に分布する小さな値となることが期待され、この二次差分値を用いることにより発射時間データの圧縮を図ることができる。
【００３２】
図７は、圧縮処理部１１ｂにおけるレーザパルス発射時刻データの圧縮処理の概要を示すブロック図である。圧縮処理部１１ｂは、まず、二次差分値列を順次、生成し（処理Ｐ１）、生成される二次差分値を順番に２つずつ組み合わせた二次差分値対を生成する（処理Ｐ２）。圧縮処理部１１ｂは、二次差分値対に現れる数値列パターンと指標データとの関連付けを定義するインデックステーブルＴＢＬを予め設定し、処理Ｐ２で生成された二次差分値対とテーブルＴＢＬに登録された指標データとの対応付け処理を行う（処理Ｐ３）。この処理では、二次差分値対と一致する数値列パターンがテーブルＴＢＬに存在する場合に、その二次差分値対に、当該数値列パターンに対応する指標データが対応付けられる。圧縮処理部１１ｂは、この指標データを用いて圧縮データを形成する（処理Ｐ４）
【００３３】
図８は、レーザパルス発射時刻データＴnの圧縮処理における二次差分値生成処理Ｐ１を示す概略のフロー図である。なお、以下の説明において、記号“Ｔn”はｎ発目のレーザパルスの発射時刻、記号“Δ1,n”は発射時刻Ｔnの一次差分値Ｔ（n+1)−Ｔn、記号“Δ2,n”は発射時刻Ｔnの二次差分値(Δ1,n+1)−(Δ1,n)を表す。
【００３４】
二次差分値列Ｓ(Δ2,n)の生成に際し、まず、二次差分値列生成用のバッファエリアＢＵＦをメモリ上に設定し、先頭にＳＯＢ（Start of Block）マークを挿入する（ステップＳＴ１）。ＳＯＢは予め定められた所定のビット長を有しており、以下の処理で出現することのないコードに設定される。この後、ＳＯＢマークの後にレーザパルス発射時刻Ｔnを挿入する。このＴnは、二次差分値列から元の発射時刻の分離データ列ＳＤ(Ｔ)を復元する際に用いられる。
【００３５】
次に、一次差分値Δ1,nを算出し（ステップＳＴ２）、その正負を判定する（ステップＳＴ３）。上述したように、レーザパルス発射時刻データＴnは周期的に繰り返す右上がりの直線上に分布する傾向があるため、一次差分値の符号が正の場合には、その一次差分値の関係するＴ（n+1）とＴnとは同じ直線に沿って位置し、一方、一次差分値の符号が負の場合には、Ｔ（n+1）とＴnとの間で直線の乗り換えが生じ、Ｔ（n+1）は次の直線に沿って位置していると考えられる。
【００３６】
符号が負の場合には、パルス番号ｎを１だけ増加させ、ステップＳＴ１から処理を繰り返す。すなわち、改めてＳＯＢマークをバッファリングされているデータの後尾に挿入し、続けてＴnを挿入する。例えば、直前のステップＳＴ１からの処理がｎ＝ｋに対するものでありＴkを挿入した後、Ｔ（k+1)−Ｔk＜０であった場合には、次のステップＳＴ１からの処理においては、ＳＯＢマークの次にＴ（k+1）が挿入される。
【００３７】
ちなみに、一次差分値の符号が負の場合には上述のようにＳＯＢマークが挿入され、このＳＯＢマークは評価対象のＴ値が直前のＴ値が帰属する直線からはずれて新たな直線に移動したことを示すこととなる。すなわち、ＳＯＢマークは、それぞれ１つの直線に対応するデータブロックのデリミタとしての意味を有する。
【００３８】
一方、符号が正の場合には、求めた一次差分値Δ1,nを直前に挿入されたＴnの後に挿入する（ステップＳＴ４）。このΔ1,nは、直前に挿入されているＴnと共に、二次差分値列から元の発射時刻の分離データ列ＳＤ(Ｔ)を復元する際に用いられる。
【００３９】
符号が正の場合、さらに一次差分値Δ1,n+1を求める（ステップＳＴ５）。この一次差分値Δ1,n+1についてもステップＳＴ３と同様の理由から符号の判定が行われ（ステップＳＴ６）、符号が負の場合には、パルス番号ｎを２だけ増加させステップＳＴ１から処理を繰り返し、新たなデータブロックの生成が開始される。
【００４０】
Δ１,n+1の符号が正の場合には、二次差分値Δ2,nを求め（ステップＳＴ７）、ステップＳＴ４で挿入したΔ1,nの後に当該Δ2,nを挿入する（ステップＳＴ８）。二次差分値の生成は、ｎを１ずつ増加させながら（ステップＳＴ９）、繰り返され、上述のようにＴ値が次の直線に帰属することになるか（ステップＳＴ６）、Ｔ値の終わりに達するまで（ステップＳＴ１０）、順次、二次差分値がバッファされる。
【００４１】
なお、発射時刻データＴnの観測精度によっては図６の直線が多少変動する場合がある。この場合、一次差分値が負でかつその絶対値が所定値より大きい場合には、Ｔ（n+1）とＴnとの間で直線の乗り換えが生じているものと判断する。一方、一次差分値が正、または一次差分値が負でかつその絶対値が所定値以下の場合には、Ｔ（n+1）とＴnが同じ直線に沿って位置しているものと判断する。
【００４２】
元のレーザパルス発射時刻データＴnは大きな値を取り得るが、二次差分値Δ2,nは、上述のように０近傍の小さな値であり、元のレーザパルス発射時刻データＴnに比べて短いデータ長で表すことができる。例えば、元のレーザパルス発射時刻データＴnが４バイトを要するとしても、基本的に二次差分値Δ2,nは１バイトで表現することが可能である。すなわち、二次差分値は既に圧縮されていると言える。しかし、圧縮処理部１１ｂは、バッファに次々と挿入される二次差分値を、これから述べる処理Ｐ２〜Ｐ４によりさらに圧縮し、保存データを生成する。以下、この二次差分値列の圧縮処理について説明する。
【００４３】
図９は処理Ｐ３で用いるインデックステーブルＴＢＬの構造を示す模式図である。図には、左欄に示すインデックスＩに対応する二次差分値対の１つ目の値（先行二次差分値Δ2P）、２つ目の値（後続二次差分値Δ2F）、及び保存データ要素Ｅが横方向に配列されている。ここで、二次差分値は既に述べたように、０近傍にほとんどが分布する。経験的に、二次差分値列において−１，０，＋１が高い出現確率で現れる。そこで、本実施形態では、二次差分値列における出現確率が所定値以上である代表差分値として、−１，０，＋１を設定し、これに対応して、インデックステーブルが定義されている。ＥはＩをバイナリ表示したデータである。後述するようにインデックスＩは１３種類であるので、Ｅは実質的に４ビットで表現可能である。
【００４４】
インデックスＩ＝０〜５及び１０〜１２は、Δ2P、Δ2Fからなる数値パターンが、３種類の代表差分値（−１，０，＋１）を２個並べる９通りの順列パターンに対応する。
【００４５】
インデックスＩ＝６〜８は、Δ2Pが３種類の代表差分値（−１，０，＋１）のいずれかであり、Δ2Fが代表差分値以外の値（Δ2Fが存在しない場合を含む）である３つの特例パターンである。図９において、代表差分値以外であることは記号“ＮＵＬＬ”で表されている。
【００４６】
インデックスＩ＝９は、例外的な場合に用いられる例外識別データを定義するものである。ここで例外的な場合の１つは、Δ2Pとして取り出した二次差分値が代表差分値以外である場合（特例差分値）である。この場合には、後続する二次差分値をΔ2Fとして組み合わせることなく、Δ2Pとして取り出した二次差分値だけを以て、インデックスＩとして９を割り当てる。例外的な場合のもう１つは、Δ2P、Δ2Fのいずれも存在しないことを表す場合である。
【００４７】
圧縮処理部１１ｂは、圧縮処理Ｐ１〜Ｐ４の開始に際して、圧縮データ格納用のデータエリアＳＴＲをメモリ上に設定する。圧縮処理部１１ｂは、二次差分値列生成処理Ｐ１において、上述のバッファＢＵＦへのデータ格納を行う一方、処理Ｐ２〜Ｐ４において、当該バッファＢＵＦから順次、データを取り出し処理を行う。
【００４８】
圧縮処理部１１ｂは、処理Ｐ２において、バッファＢＵＦから取り出したデータがＳＯＢマーク、Ｔn、Δ1,nである場合は、それらデータをそのままデータエリアＳＴＲに転写する。
【００４９】
一方、バッファＢＵＦから取り出したデータが二次差分値Δ2,nである場合には、圧縮処理部１１ｂはさらにそれに続く二次差分値Δ2,n+1も取り出し、二次差分値対を生成し（処理Ｐ２）、テーブルＴＢＬのΔ2P、Δ2Fからなるパターンとのマッチングを行って当該二次差分値対に対応する保存データ要素Ｅ１を決定する（処理Ｐ３）。
【００５０】
二次差分値対が代表差分値の組み合わせであるＩ＝０〜５、１０〜１２であった場合、圧縮処理部１１ｂは、原則として、さらに後続する二次差分値Δ2,n+2、Δ2,n+3からなる二次差分値対について同様に保存データ要素Ｅ２を決定する。そして、Ｅ１を上位４ビット、Ｅ２を下位４ビットとして両者を結合して１バイトの保存データＥＳを生成し、これを圧縮データ格納用データエリアＳＴＲに追加格納する（処理Ｐ４）。
【００５１】
図１０は、圧縮データ形成処理Ｐ４を説明する模式図である。図１０（ａ）〜（ｃ）が、上述した先行する二次差分値対のインデックスＩが０〜５，１０〜１２である場合を表している。図１０（ａ）（ｂ）は４つの二次差分値に基づいて保存データＥＳが生成される原則的な場合に対応し、図１０（ａ）は、後続の二次差分値対のインデックスＩも０〜５，１０〜１２である場合であり、図１０（ｂ）は、後続の二次差分値対のインデックスＩが６〜８である場合である。
【００５２】
一方、図１０（ｃ）（ｄ）は、３つ、又は２つの二次差分値に基づいて保存データＥＳが生成される例外的な場合であり、保存データ要素Ｅ２として、インデックスＩ＝９に対応するデータが割り当てられる。そして、図１０（ａ）（ｂ）の場合と同様、Ｅ１を上位４ビット、Ｅ２を下位４ビットとして両者を結合して１バイトの保存データＥＳが生成され、これが圧縮データ格納用データエリアＳＴＲに追加格納される（処理Ｐ４）。
【００５３】
ここで、図１０（ｃ）は、Δ2,n+2として取り出した二次差分値が代表差分値以外であった場合である。後述するように、代表差分値以外の二次差分値（特例差分値）が現れた場合、処理Ｐ４の一部として、当該特例差分値をデータエリアＳＴＲに格納する処理が行われ、後続の二次差分値についての処理はその特例差分値を格納する処理後に継続される。そのため、当該Δ2,n+2として取り出した二次差分値の後続の二次差分値はΔ2,n+3としては取り出さず、保存データ要素Ｅ２としてインデックスＩ＝９に対応するデータを割り当てる。
【００５４】
また、図１０（ｄ）は、Δ2,n+1が特例差分値である場合である。この場合も、特例差分値を格納する処理に移行する都合上、後続の二次差分値はΔ2,n+2、Δ2,n+3として取り出さず、保存データ要素Ｅ２としてインデックスＩ＝９に対応するデータを割り当てる。
【００５５】
ちなみに、図１０（ｂ）に示す場合は、Δ2,n+3が特例差分値であり、この保存データＥＳをデータエリアＳＴＲに格納した後、特例差分値の格納処理が行われる。また、Δ2,nが特例差分値であった場合が図１０には示されていないが、この場合は、保存データ要素の組み合わせからなる保存データＥＳは生成せずに、直接、先行する保存データＥＳに続けて、当該特例差分値が追加格納される。
【００５６】
特例差分値の格納処理は、先行する保存データＥＳ及び後続する保存データＥＳとの間に挿入されたことが識別可能な所定のフォーマットのデータ（特例保存データＥＥ）をデータエリアＳＴＲに追加する処理である。例えば、特例保存データＥＥの第１バイトはいずれの保存データＥＳとも区別可能なデータヘッダとする。例えば、データヘッダは“0xFF”とすることができる。データヘッダに続けて、１〜４バイトの可変長データを追加する。可変長データのデータ長は例えば、第２バイトのいくつかの所定ビットを用いて表すように定義される。地上基地局側で圧縮データを伸張する際には、その所定ビットの内容に基づいて、データヘッダから始まる特例保存データＥＥがどのバイトまでか、そしてその後のバイトから再び保存データＥＳであることを把握することができる。特例差分値は、可変長データの残りのビットを用いて表される。
【００５７】
既に述べたように、レーザパルス発射時刻データの性質として、ほとんどの二次差分値は代表差分値となる。上述の処理Ｐ２〜Ｐ４により、代表差分値が連続する場合には４つの代表差分値が１バイトの保存データＥＳで表される。すなわち、個々の二次差分値を保存データとして格納する場合よりもレーザパルス発射時刻データの圧縮効率の一層の向上が実現される。
【００５８】
次に、ミラー回転角データθnに対する圧縮操作を説明する。縦軸にミラー回転角データθn、横軸にレーザパルスの発射順序をとった、レーザパルス発射順序-ミラー回転角線図は正弦曲線に近似可能であり、連続性に着目して、二次差分値を保存データとする。また、回帰線図が上述したレーザパルス発射時刻とは異なり、全領域に不連続点が存在しない。このため、跳躍点での差分値保存によってデータ長が過度に大きくなる心配がないので、ＳＯＢマークで区切られたデータブロックを設定する必要がなく、単に二次差分値を連ねるだけで足りる。二次差分値である各圧縮値から元データを算出可能とするために、圧縮データの最初に元データ、次に一次差分値が挿入され、これに続いて二次差分値が記述される。
【００５９】
図１１は、ミラー回転角データθnの圧縮例を示す模式図である。左側のテーブルは元データと演算経過を示し、このテーブルの中のどの要素が、その右に示す保存データ（圧縮データ）として格納されるかが示されている。元データは縦に並べて示されており、“行”コラムがレーザパルスの発射順序に対応し、例示のミラー回転角データθnは、１発目が１００で、この後、２００，３０１，４００，…と続くことを示している。
【００６０】
このような元データがある場合、まず、先頭の元データ“１００”を保存データ１として抽出する（ステップＳθ１）。この後、ステップＳθ２で第２の元データ“２００”と先頭元データ“１００”との一次差分を演算し、その演算結果“１００”を保存データ２として保存データ１の後続データとして登録する。次いで、第３の元データ“３０１”と第２の元データ“２００”との一次差分“１０１”と、上記ステップＳθ２で求めた一次差分“１００”とから求めた二次差分“１”を保存データ３として、保存データ２に続けて登録する（ステップＳθ３）。以降、ステップＳθ３と同様の手順を繰り返し、二次差分を順次、保存データとして登録して処理を完了する。
【００６１】
図１２は、以上の手順により得られる圧縮データの二次差分収納分のデータフォーマットを示す模式図である。上述したように、このデータフォーマットの前に第１の元データ、一次差分データが存在するが、ここでは図示が省略されている。図１２に示すように、二次差分は、小さな値であるので６ビット程度で表現可能であり、これに２種類の状態判定ビットを付加した８ビット（１バイト）長で格納される。
【００６２】
上記状態判定ビットは各々１ビット長を持つ正負判定ビットとエラー判定ビットである。正負判定ビットは、二次差分の正負により決定される。また、エラー判定ビットは、６ビット長で記述不可能な場合をエラー値として格納したことを示す。本実施形態において、エラービットが立っている状態では、二次差分は２バイト長拡張された領域に格納される。
【００６３】
図１３〜図１５を用いてリターンパルスＰknの圧縮手順を説明する。図１３は、圧縮処理の流れを示す模式図であり、上段の枠内は図４で示した分離データ列ＳＤ(Ｐ)である。図１３に示すように、分離データ列ＳＤ(Ｐ)には、１発のレーザパルスに対して５個のリターンパルスデータ（Ｐ1n，Ｐ2n，…，Ｐ5n）の領域が確保され、リターンパルスデータＰknのない部分には“０”が格納されている。図２に示すように、リターンパルスは森林等における樹木での葉の間から漏れたレーザパルスが、さらに地表側に位置する他の反射物に反射して得られるもので、全ての領域が埋まることは比較的少なく、さらに“０”等の小さな値で“値なし”を示す場合であっても、そうでない他のリターンパルスデータの値を格納するのと同じ所定のビット長の領域が割り当てられる。
【００６４】
このようなデータ構造に伴うデータの冗長性を解消するために、まず、データ構造を変更する（ステップＳＰ１）。ステップＳＰ１の実施に際して、ｎ発目のレーザパルスに対するリターンパルスデータ群（Ｐ1n，Ｐ2n，…，Ｐ5n）を格納する領域中でのデータ充填を表示するヘッダ情報“Head_n”を導入し、“値なし”データを削除する。本実施形態において、ヘッダ情報Head_nには１バイトの領域が与えられ、下位５ビットで最終次数及びリターンパルスデータ格納位置を示す。例えば、１次リターンパルスデータＰ1nのみが存在し、２次以降が“値なし”である場合には、ヘッダ情報Head_nは“０００００００１”で与えられ、３次リターンパルスデータＰ3nまで存在し、かつ２次リターンパルスが存在せず、１次及び３次のリターンパルスが存在するときには“０００００１０１”、全て埋まっている場合には、“０００１１１１１”で与えられる。この結果、データ列は、図１３の中段の枠内に示すように、ヘッダ情報Head_nと実データとにより記述されることとなる。
【００６５】
次いで、データ間の差分をとって保存データとする（ステップＳＰ２）。ステップＳＰ２は、Ｑ計算とＲ計算とを行いながら保存データを決定していき、圧縮データ列は、図１３の下段の枠内に示すように、パルス番号“ｎ”に対するヘッダ情報Head_n、Ｑ値“Ｑ1n”、Ｒ値“Ｒkn”の順に格納される。Ｒ値Ｒknの添え字“ｋ”はリターンパルスの次数を示す。後述するように、１次のリターンパルスデータＰ1nに対しては、直前の１次リターンパルスデータ（Ｐ1,n-1）との差分であるＱ値Ｑ1nを保存データとするので、ｋは２以上５以下の整数となる。
【００６６】
Ｑ計算及びＲ計算を図１４、図１５に示す例で説明する。ここで、図１４は分離データ列ＳＤ(Ｐ)の具体的な例を示す模式図である。また、図１５は、図１４の分離データ列に対応して生成される保存データの模式図である。
【００６７】
図１４に示す元データでは、レーザパルス番号“１”に対して１次リターンパルスのみが得られ、その値は“１００”であることが示されている。また、レーザパルス番号“７”に対しては５次までのリターンパルスが捕捉され、その値は、１次側から、“７００，８００，８１０，８２０，８５０”であることが示されている。
【００６８】
まず、初期情報として、レーザパルス番号“１”のリターンパルスは１次のみが取得されているので、ヘッダ情報Head_nに“０００００００１”を格納した後、１次リターンパルスデータＰ11として“１００”をそのまま格納する。説明を容易にするために、保存データはｋ行ｎ列の配列Ｃｍｐ、元データはｋ行ｎ列の配列Ｏｒｇを用いて表す。例えば、先頭データ“１００”が保存データとして格納されたことは、Ｃｍｐ(1,1)にＯｒｇ(1,1)が代入されていることで知ることができる。
【００６９】
ここで、ヘッダ情報Head_1は１次パルスデータのみを格納していることを示していることから、この後、２次リターンパルスを検索することなく、１発目のレーザパルスに対する処理が終了し、次に２発目（ｎ＝２）のレーザパルスの処理に移行する。
【００７０】
ｎ＝２以降では、まずＱ値計算を行う。Ｑ計算は、隣接するレーザパルスに対する１次リターンパルス間の差分を求める演算であり、
Ｑ1n＝Ｐ1n−Ｐ1,n-1
で与えられる。
【００７１】
この例では、ｎ＝２であるから、
Ｑ12＝Ｐ12−Ｐ11
＝Ｏｒｇ(1,2)−Ｏｒｇ(1,1)
＝２００−１００＝１００
で与えられ、これがＣｍｐ(1,2)に代入される。
【００７２】
Ｑ計算が終了すると、同一のｎ値でＲ計算を行う。Ｒ計算はＯｒｇ配列の同一行での隣接値間の差分を取る演算であり、
Ｒkn＝Ｐkn−Ｐk-1,n
で与えられる。図１４、図１５の例では、
Ｒ22＝Ｐ22−Ｐ12
＝Ｏｒｇ(2,2)−Ｏｒｇ(1,2)
＝３００−２００＝１００
がＣｍｐ(2,2)に代入される。
【００７３】
Ｒ計算は、同一レーザパルス番号のリターンパルスデータＰknが終了するまで続けられ、この後、上述した手順、すなわち、ヘッダ情報Head_nの付与、１回のＱ計算、適数回のＲ計算が繰り返される。
【００７４】
このようにして得られたＣｍｐ配列は一次元配列（ビット列）に並べられ、圧縮対象のデータ列にされる。
【００７５】
以上のようにして各々の分離データ列ＳＤに対する圧縮処理が終了すると、結合処理がなされて１ファイルにまとめられ、次いで、図３に示す符号化処理部１１ｃにおける符号化処理を行う（ステップＳ４）。符号化処理部１１ｃは、４つの分離データ列ＳＤそれぞれのデータ分布の偏り度合いを解析し、偏り度合いの大きい順にＳＤを結合して併合データを生成する処理を行うと共に、その併合データに対して動的なエントロピー符号化を行う。
【００７６】
図１６〜図１９は、飛行体１上の装置で得られる観測データの一例であり、それぞれ横軸を出現するデータ値、縦軸を出現頻度とするデータ分布を表すグラフである。図１６はタイムスタンプＴＳn、図１７はレーザパルス発射時刻データＴn、図１８はミラー回転角データθn、図１９はリターンパルスデータＰknのそれぞれ上記圧縮処理後のデータ値の分布を表している。以下、これらのデータ例を用いて本システムの符号化処理を説明する。これら図に示すデータ例に現れる各データの特徴を述べる。まず、タイムスタンプに関しては、極端に出現頻度が高い値が存在すること、及び当該データ値以外の値の出現頻度は全て低く、バラツキも小さいことが挙げられる。一方、リターンパルスに関しては、極端に出現頻度が高いデータ値が存在する点ではタイムスタンプと同様であるが、当該データ値以外の値の出現頻度はタイムスタンプに比べれば、高いものから低いものまで存在し、多少のばらつきがある。なお、リターンパルスについては、全体のデータ量が非常に大きくなる。ミラー角度に関しては、出現値の種類が多いこと、及び出現頻度は高いものから低いものまで存在し、多少のばらつきがあるという特徴がある。レーザ発射時間に関しては、出現値の種類が少ない、出現頻度に多少のばらつきがある、全体のデータ量が非常に小さいといった特徴がある。
【００７７】
符号化処理部１１ｃは上述のような特徴を有する各データの分布の偏り度合いを、統計量等を用いて算出する。例えば、符号化処理部１１ｃは、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいてデータ分布の偏り度合いを求める。ここで、符号化処理部１１ｃでの符号化においては、データの出現頻度に応じて異なる長さの符号が割り当てられ、これにより符号化後の全体のデータサイズを小さくすることができる。また、出現する値の種類が少ないほど符号の種類も少なくて済み、符号長が抑制される結果、符号化後の全体のデータサイズを小さくすることができる。同じ値の出現頻度は、例えば、各データのデータ総数に対する最頻値のデータ数の比率Ｒdで定義することができる。また、出現する値の種類Ｓdは、出現頻度が１以上のデータ値の数を数えることによって取得することができる。
【００７８】
符号化処理部１１ｃは２つのパラメータＲd，Ｓdに基づいてデータの偏り度合いを示す一元化されたパラメータＤdを所定の演算により算出し、当該パラメータＤdに基づいて、４種類の圧縮データ群を偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成する。例えば、パラメータＤdとして、ＲdとＳdとの比を用いることができる。
【００７９】
図１６〜図１９の例では、出現頻度が特に高い値を有するタイムスタンプ及びリターンパルスについてのＲdはそれぞれ99.7％（＝523,958/525,508×100％）と28.3％（＝522,441/1,845,178×100％）とであり、レーザパルス発射時刻とミラー角度とについてのＲdは前記２種類のデータに比べて低く、かつ両者のＲdは同程度である。ここで、図１７及び図１８から理解されるように、レーザパルス発射時刻はミラー角度に比べてデータ種類が少なく、またばらつきが小さい。符号化処理部１１ｃは、これら特徴を有するデータに対して、データの偏り度合いＤdの算出結果に基づいて、タイムスタンプ、リターンパルス、レーザパルス発射時刻、ミラー角度の順に圧縮データを結合し併合データを生成する。
【００８０】
ちなみに、各圧縮データの偏り度合いは、計測により取得されるデータに応じて変動し得るが、符号化処理部１１ｃは、その変動に対して圧縮データの結合順序を随時変更することができる。
【００８１】
符号化処理部１１ｃは、得られた併合データに対して動的なエントロピー符号化を施す。ここで符号化には静的な符号化、動的な符号化の２種類が存在する。静的な符号化とは、一度、符号化するデータを全て確認し、出現する値の分布を利用して次の文字、あるいは文字列の出現頻度を保存し、圧縮する手法である。一方の動的な符号化とは、一定範囲で出現する値の分布を取得し、そのタイミングで最適な出現頻度を保存し、利用するというものである。エントロピー符号化の代表的な手法としてはハフマン法が知られている。本システムでは動的なエントロピー符号化の一手法であるＰＰＭ（Prediction by Partial Matching）を採用している。
【００８２】
また符号化処理部１１ｃは、併合データにおけるデータ種類の配列順序を示す識別情報と共に、符号化結果のデータを後段のストリーミング処理部１２へ出力する。
【００８３】
ストリーミング処理部１２は、データ伝送中にて地上基地局での解析を可能とするためにストリーミング処理を行う（ステップＳ５）。次いで伝送データ変換処理部１３において搬送波の整形が行われ（ステップＳ６）、出力部１４から伝送される（ステップＳ７）。
【００８４】
なお、以上の実施形態では、パルスデータのみが圧縮処理され、ＧＰＳ／ＩＭＵデータについてはそのまま直接伝送する構成を示したが、ＧＰＳ／ＩＭＵデータについても圧縮処理を行って伝送するように構成することも可能である。ちなみに、ＧＰＳ／ＩＭＵデータは計測航路への旋回、移動の期間を使用して伝送することができる。
【００８５】
また、上記送信部６及びパルスデータ生成部９、ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０は、コンピュータに当該機能を実行させるコンピュータプログラムを使用して達成可能である。
【００８６】
図２０は、飛行体からの伝送情報を受領する地上基地局のブロック図である。地上基地局は受信処理部１５と復元処理部１６とからなるデータ再生部７を有する。受信処理部１５の受信部１５ａで上記飛行体１からの圧縮データを受信すると、受信しながら後段のデータ解析を行うことができるように、ストリーミング処理部１５ｂにおいてストリーミング処理を行い（ステップＳＧ１）、復元処理部１６の復号部１６ａへ出力する（ステップＳＧ２）。
【００８７】
図２１は、圧縮データの復元処理を示す説明図である。復号部１６ａでは、上記圧縮データファイルの符号化及び結合処理を解除して符号化前の状態に戻す。このとき、復号部１６ａは、符号化処理部１１ｃにて符号化データファイルに付加された識別情報に基づいて符号化時における圧縮データの結合順序を把握し、その結合順序に従って、圧縮データのデータ種類を把握する。
【００８８】
さらに、復元部１６ｂでは、圧縮されたデータを伸張し復元する復元処理を行う（ステップＳＧ３）。復元処理により、図２１の中段に示すように、発射時刻データＴn、ミラー回転角データθn及びリターンパルスデータＰknは各々分離データ列ＳＤの状態となり、これをデータ結合部１６ｃにおいてデータ結合すると（ステップＳＧ４）、図２１の下段に示すように、パルスデータ生成部９からの出力が再現される。
【００８９】
この結合データは、データ解析部５において解析されて、リターンパルス群による計測結果が演算される。解析に際して、観測データは一旦、パルスデータ・ＧＰＳ／ＩＭＵデータ格納部５ａに格納され（ステップＳＧ５）、実距離化・座標化処理部５ｂで実位置等が演算される（ステップＳＧ６）。実距離化・座標化処理部５ｂは、飛行体１の光学系の特性に基づく内部評定要素、及びＧＰＳ／ＩＭＵデータに基づく外部評定要素を利用してリターンパルスの反射部の所定投影空間上での位置、高さを演算する。なお、一般にＧＰＳ／ＩＭＵからのデータ数は、レーザパルス発射数に比して小数であり、一対一で対応しないために、上述したように、添え字“ｎ”に対応するレーザデータ以外のレーザデータに対する外部評定要素には、取得されたＧＰＳ／ＩＭＵデータに対する補間値が使用される。
【００９０】
このようにして得られた各ポイントデータは三次元情報を有しているために、これを使用して地表面を点描状に表示することも可能であり、これらの用に供するために、ポイントデータ群はポイントデータ格納部１７に格納される（ステップＳＧ７）。
【００９１】
さらに本実施形態において、地上基地局には３Ｄ処理部１８が設けられる。３Ｄ処理部１８は、上記ポイントデータ群をもとに、例えば、三次元ポリゴン、テクスチャ等を備えた３Ｄ画像を形成するための３Ｄデータ生成部１８ａを備える。この３Ｄデータ生成部１８ａでの生成データは生成３Ｄデータ１８ｂに格納され、所望により３Ｄデータ表示部１８ｃで表示される。
【００９２】
また、地上基地局には、即応性を利用して例えば地殻変動、災害等の情報を直ちに得ることができるように、比較部１９を備える。比較部１９は、既存３Ｄデータ１９ａと差分データ生成部１９ｂと、上記３Ｄデータ表示部１８ｃとを有して構成される。３Ｄデータ生成部１８ａからの出力は、差分データ生成部１９ｂにおいて既存３Ｄデータ１９ａとの比較が行われ、画像上の相違点を検出する。検出結果は、上記３Ｄデータ表示部１８ｃに表示し、必要に応じて上空の飛行体１に再計測、或いは計測範囲の拡大等を指示することができる。
【００９３】
なお、以上において、データ再生部７、データ解析部５、３Ｄ処理部１８及び比較部１９は、当該機能を実行させるようにコンピュータを動作させるコンピュータプログラムによっても達成可能である。
【００９４】
また、上述の構成ではタイムスタンプ、レーザパルス発射時刻、ミラー角度及びリターンパルスの４種類のデータについての符号化に際してのデータ結合順序を説明したが、本発明のデータ符号化は他の種類のデータの組み合わせに対しても実施することができ、またデータ種類の数も４種類には限定されない。上述したように複数種類のデータを結合して符号化する際に、データ分布の偏り度合いが大きいものから順に結合することにより、符号化効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】航空機、ヘリコプター等の飛行体を使用したレーザ計測の概要を示す説明図である。
【図２】リターンパルスを示す説明図である。
【図３】レーザ計測部、ＧＰＳ／ＩＭＵ及び送信部の構成を示すブロック図である。
【図４】パルスデータ生成部からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。
【図５】ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部からのデータの出力フォーマットを示す模式図である。
【図６】レーザパルス発射時刻データの変化を示すグラフである。
【図７】圧縮処理部におけるレーザパルス発射時刻データの圧縮処理の概要を示すブロック図である。
【図８】レーザパルス発射時刻データＴnの圧縮処理における二次差分値列生成処理Ｐ１を示す概略のフロー図である。
【図９】対応付け処理Ｐ３で用いるインデックステーブルＴＢＬの構造を示す模式図である。
【図１０】圧縮データ形成処理Ｐ４を説明する模式図である。
【図１１】ミラー回転角データθnの圧縮例を示す模式図である。
【図１２】圧縮データの二次差分収納分のデータフォーマットを示す模式図である。
【図１３】ミラー回転角データθnの圧縮処理の流れを示す模式図である。
【図１４】分離データ列ＳＤ(Ｐ)の具体的な例を示す模式図である。
【図１５】図１４の分離データ列に対応して生成される保存データの模式図である。
【図１６】タイムスタンプに関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１７】レーザパルス発射時刻に関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１８】ミラー角度に関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図１９】リターンパルスに関する圧縮データのデータ分布の一例を示すグラフである。
【図２０】飛行体からの伝送情報を受領する地上基地局のブロック図である。
【図２１】圧縮データの復元処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 飛行体、２ レーザスキャナ、２ａ レーザ発射部、２ｂ 回転ミラー、４ レーザ計測部、５ データ解析部、５ａ パルスデータ・ＧＰＳ／ＩＭＵデータ格納部、５ｂ 実距離化・座標化処理部、６ 送信部、７ データ再生部、８ 反射波受信センサ、９ パルスデータ生成部、１０ ＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部、１１ 圧縮部、１１ａ データ分離部、１１ｂ 圧縮処理部、１１ｃ 符号化処理部、１２ ストリーミング処理部、１３ 伝送データ変換処理部、１４ 出力部、１５ 受信処理部、１５ａ 受信部、１５ｂ ストリーミング処理部、１６ 復元処理部、１６ａ 復号部、１６ｂ 復元部、１６ｃ データ結合部、１７ ポイントデータ格納部、１８ ３Ｄ処理部、１８ａ ３Ｄデータ生成部、１８ｂ 生成３Ｄデータ、１８ｃ ３Ｄデータ表示部、１９ 比較部、１９ａ 既存３Ｄデータ、１９ｂ 差分データ生成部、２０ ＰＯＳ、２２ ＧＰＳ／ＩＭＵ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析手段と、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合手段と、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化手段と、
を有することを特徴とするデータ符号化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のデータ符号化装置において、
前記データ分布解析手段は、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化装置。
【請求項３】
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析ステップと、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合ステップと、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化ステップと、
を有することを特徴とするデータ符号化方法。
【請求項４】
請求項３に記載のデータ符号化方法において、
前記データ分布解析ステップは、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化方法。
【請求項５】
コンピュータに、
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析機能と、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合機能と、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化機能と、
を実現させるためのデータ符号化プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のデータ符号化プログラムにおいて、
前記データ分布解析機能は、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化プログラム。
【請求項１】
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析手段と、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合手段と、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化手段と、
を有することを特徴とするデータ符号化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のデータ符号化装置において、
前記データ分布解析手段は、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化装置。
【請求項３】
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析ステップと、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合ステップと、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化ステップと、
を有することを特徴とするデータ符号化方法。
【請求項４】
請求項３に記載のデータ符号化方法において、
前記データ分布解析ステップは、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化方法。
【請求項５】
コンピュータに、
複数のデータ群それぞれのデータ分布の偏り度合いを解析するデータ分布解析機能と、
前記複数のデータ群を前記偏り度合いの大きい順に結合して併合データを生成するデータ併合機能と、
前記併合データに対して動的なエントロピー符号化を行うデータ符号化機能と、
を実現させるためのデータ符号化プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のデータ符号化プログラムにおいて、
前記データ分布解析機能は、同じ値の出現頻度と出現する値の種類とに基づいて前記データ分布の偏り度合いを定めること、を特徴とするデータ符号化プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００７−６７８６９（Ｐ２００７−６７８６９Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５１７４７（Ｐ２００５−２５１７４７）
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、総務省、「次世代ＧＩＳの実用化に向けた情報通信技術の研究開発」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１３５７７１）株式会社パスコ (102)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、総務省、「次世代ＧＩＳの実用化に向けた情報通信技術の研究開発」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１３５７７１）株式会社パスコ (102)
【Ｆターム（参考）】
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