レーザ計測方法及びレーザ計測システム
【課題】 飛行体と地上との間で行うレーザ計測において、即応性を高めるために、伝送データの圧縮率を高める。
【解決手段】 レーザの発射時刻データＴnの圧縮効率を高める。Ｔnの二次差分値Δ2,nはほとんどが−１，０，１のいずれかであり、連続する２つのΔ2,nの順列パターンを４ビットの保存データ要素で表す。さらに２つの保存データ要素を組み合わせて１バイトの保存データを生成することにより、４つのΔ2,nを１バイトのデータに圧縮することができる。
【解決手段】 レーザの発射時刻データＴnの圧縮効率を高める。Ｔnの二次差分値Δ2,nはほとんどが−１，０，１のいずれかであり、連続する２つのΔ2,nの順列パターンを４ビットの保存データ要素で表す。さらに２つの保存データ要素を組み合わせて１バイトの保存データを生成することにより、４つのΔ2,nを１バイトのデータに圧縮することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行体と地上との間で行うレーザ計測方法及びそれを用いたレーザ計測システムに関し、特にレーザパルスの発射時刻データの圧縮伝送に関する。
【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。
【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】
即応性を高めるには、航空機上で取得される膨大な観測データを無線伝送で地上に送ることが要求されるが、当該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難しいという問題があった。この問題に対しては、当該データを圧縮して伝送し、地上にて伸張するという方法を採りうる。圧縮効率は各種データの性質にも依存し、それを如何に高めるかはデータ種類毎に個別に検討すべき課題となる。
【０００５】
本発明は、特に、レーザパルスの発射時刻データに関して圧縮効率を高め、地上への迅速なデータ伝送を実現し、即応性の高いレーザ計測方法及びレーザ計測システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るレーザ計測方法は、飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得する観測ステップと、前記観測データを地上基地局に伝送する伝送ステップと、前記飛行体の飛行中に前記地上基地局において前記観測データを解析して地表形状を演算する演算ステップとを含むレーザ計測方法であって、前記伝送ステップが、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮ステップを有し、前記圧縮ステップが、前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分ステップと、前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付けステップと、前記対応付けステップにて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成ステップと、を有し、前記数値列パターンの集合が、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含む。
【０００７】
本発明の好適な態様は、前記代表差分値が、−１、０、及び＋１であるレーザ計測方法である。
【０００８】
他の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記ｍが３であり、前記ｋが２であり、前記数値列パターンの集合が、前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である３通りの特例パターンを含む。
【０００９】
また他の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記指標データが、４ビットのバイナリデータで表され、前記形成ステップが、前記対応付けステップにて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合ステップを有する。
【００１０】
別の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記ｋが２であり、前記結合ステップが、前記第１指標データが対応付けられた前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である場合又は前記第２指標データが存在しない場合に、当該第１指標データに、いずれの前記指標データとも識別可能な４ビットの例外識別データを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する。
【００１１】
また別の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記形成ステップが、前記圧縮データに格納された前記二次差分値のうち前記代表差分値以外の特例差分値を、当該圧縮データと後続の前記圧縮データとの間に所定のフォーマットで挿入する挿入ステップを有する。
【００１２】
本発明に係るレーザ計測システムは、飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得し、前記観測データを送信する機上装置と、地上に設置され、前記観測データを前記飛行体の飛行中に前記機上装置から受信し解析して地表形状を演算する地上装置と、を有し、前記機上装置が、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮手段を有し、前記圧縮手段が、前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分手段と、前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付け手段と、前記対応付け手段にて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成手段と、を有し、前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むものである。
【００１３】
他の本発明に係るレーザ計測システムにおいては、前記指標データが、４ビットのバイナリデータで表され、前記形成手段が、前記対応付け手段にて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合手段を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発射時刻データの複数の二次差分値を１つの指標データで表すことにより、発射時刻データの圧縮効率が一層向上し、即応性が向上したレーザ計測方法及びレーザ計測システムが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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計測の概要を示す説明図である。飛行体１は、レーザ計測部４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ＧＰＳ／ＩＭＵ（Global Positioning System/Inertial Measurement Unit）を含んで構成される。
【００１７】
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。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）は反射波受信センサ８により検出される。
【００１８】
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。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ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。
【００１９】
なお、レーザデータ及びＧＰＳ位置、傾き情報はレーザ計測部４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、例えば、計測開始からの経過時間であってもよい。
【００２０】
これらリターンパルスデータＰkn、ＧＰＳ／ＩＭＵ情報に加えて、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が観測データとして取得され、観測データは送信部６から地上基地局へ無線伝送される。後述するように、地上基地局では、ＧＰＳ／ＩＭＵ情報を評定要素として、リターンパルスデータＰknを中心とする観測データにより飛行体１と地表面との距離を演算し、地表の位置、高さを演算する。
【００２１】
図３はレーザ計測部４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ＧＰＳ／ＩＭＵを備え、レーザスキャナ２及び反射波受信センサ８における観測データはパルスデータ生成部９に出力され、またＧＰＳ／ＩＭＵにおける観測データはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。
【００２２】
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）。
【００２３】
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。これら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。
【００２４】
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にて取得される観測データは、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、入力された観測データから所定のデータ列を生成し送信部６の圧縮部１１へ出力する（ステップＳ１）。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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３種類のデータ列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(Ｔ)及びＳＤ(θ)それぞれにおける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。
【００２７】
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）。図６は、レーザ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。
【００２８】
図７は、圧縮処理部１１ｂにおける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）
【００２９】
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(Ｔn+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。
【００３０】
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の発射時刻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。
【００３１】
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、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Ｔn+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、Ｔn+1とＴnとの間で直線の乗り換えが生じ、Ｔn+1は次の直線に沿って位置していると考えられる。
【００３２】
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の挿入し、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、(Ｔk+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Ｔk+1が挿入される。
【００３３】
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回帰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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、Ｔn+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、Ｔn+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。
【００３８】
元の時刻データ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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）。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
既に述べたように、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発射時刻データの圧縮効率の一層の向上が実現される。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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）。符号化処理にはエントロピー符号化等が利用できる。
【００７２】
符号化処理が終了すると、まず、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部１２におけるストリーミングが行われ（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）。
【００７３】
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。
【００７４】
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発揮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。
【００７５】
図１６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）。
【００７６】
図１７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と結合化を解除して符号化前の状態に戻し、さらに、復元部１６ｂで復元処理を行う（ステップＳＧ３）。復元処理により、図１７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１７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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、ポイントデータはポイントデータ格納部１７に格納される（ステップＳＧ７）。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、当該機能を発揮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。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【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】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１７】圧縮データの復元処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 飛行体、２ レーザスキャナ、３ データブロック、４ レーザ計測部、５ データ解析部、６ 送信部、７ データ再生部、１１ 圧縮部、１１ａ データ分離部、１１ｂ 圧縮処理部、１１ｃ 符号化処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行体と地上との間で行うレーザ計測方法及びそれを用いたレーザ計測システムに関し、特にレーザパルスの発射時刻データの圧縮伝送に関する。
【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。
【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】
即応性を高めるには、航空機上で取得される膨大な観測データを無線伝送で地上に送ることが要求されるが、当該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難しいという問題があった。この問題に対しては、当該データを圧縮して伝送し、地上にて伸張するという方法を採りうる。圧縮効率は各種データの性質にも依存し、それを如何に高めるかはデータ種類毎に個別に検討すべき課題となる。
【０００５】
本発明は、特に、レーザパルスの発射時刻データに関して圧縮効率を高め、地上への迅速なデータ伝送を実現し、即応性の高いレーザ計測方法及びレーザ計測システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るレーザ計測方法は、飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得する観測ステップと、前記観測データを地上基地局に伝送する伝送ステップと、前記飛行体の飛行中に前記地上基地局において前記観測データを解析して地表形状を演算する演算ステップとを含むレーザ計測方法であって、前記伝送ステップが、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮ステップを有し、前記圧縮ステップが、前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分ステップと、前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付けステップと、前記対応付けステップにて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成ステップと、を有し、前記数値列パターンの集合が、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含む。
【０００７】
本発明の好適な態様は、前記代表差分値が、−１、０、及び＋１であるレーザ計測方法である。
【０００８】
他の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記ｍが３であり、前記ｋが２であり、前記数値列パターンの集合が、前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である３通りの特例パターンを含む。
【０００９】
また他の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記指標データが、４ビットのバイナリデータで表され、前記形成ステップが、前記対応付けステップにて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合ステップを有する。
【００１０】
別の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記ｋが２であり、前記結合ステップが、前記第１指標データが対応付けられた前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である場合又は前記第２指標データが存在しない場合に、当該第１指標データに、いずれの前記指標データとも識別可能な４ビットの例外識別データを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する。
【００１１】
また別の本発明に係るレーザ計測方法においては、前記形成ステップが、前記圧縮データに格納された前記二次差分値のうち前記代表差分値以外の特例差分値を、当該圧縮データと後続の前記圧縮データとの間に所定のフォーマットで挿入する挿入ステップを有する。
【００１２】
本発明に係るレーザ計測システムは、飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得し、前記観測データを送信する機上装置と、地上に設置され、前記観測データを前記飛行体の飛行中に前記機上装置から受信し解析して地表形状を演算する地上装置と、を有し、前記機上装置が、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮手段を有し、前記圧縮手段が、前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分手段と、前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付け手段と、前記対応付け手段にて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成手段と、を有し、前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むものである。
【００１３】
他の本発明に係るレーザ計測システムにおいては、前記指標データが、４ビットのバイナリデータで表され、前記形成手段が、前記対応付け手段にて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合手段を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発射時刻データの複数の二次差分値を１つの指標データで表すことにより、発射時刻データの圧縮効率が一層向上し、即応性が向上したレーザ計測方法及びレーザ計測システムが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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計測の概要を示す説明図である。飛行体１は、レーザ計測部４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ＧＰＳ／ＩＭＵ（Global Positioning System/Inertial Measurement Unit）を含んで構成される。
【００１７】
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。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）は反射波受信センサ８により検出される。
【００１８】
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。また、ＧＰＳ／ＩＭＵ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。
【００１９】
なお、レーザデータ及びＧＰＳ位置、傾き情報はレーザ計測部４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、例えば、計測開始からの経過時間であってもよい。
【００２０】
これらリターンパルスデータＰkn、ＧＰＳ／ＩＭＵ情報に加えて、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が観測データとして取得され、観測データは送信部６から地上基地局へ無線伝送される。後述するように、地上基地局では、ＧＰＳ／ＩＭＵ情報を評定要素として、リターンパルスデータＰknを中心とする観測データにより飛行体１と地表面との距離を演算し、地表の位置、高さを演算する。
【００２１】
図３はレーザ計測部４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ＧＰＳ／ＩＭＵを備え、レーザスキャナ２及び反射波受信センサ８における観測データはパルスデータ生成部９に出力され、またＧＰＳ／ＩＭＵにおける観測データはＧＰＳ／ＩＭＵデータ生成部１０へ出力される。
【００２２】
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）。
【００２３】
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。これら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。
【００２４】
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にて取得される観測データは、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、入力された観測データから所定のデータ列を生成し送信部６の圧縮部１１へ出力する（ステップＳ１）。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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３種類のデータ列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(Ｔ)及びＳＤ(θ)それぞれにおける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。
【００２７】
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）。図６は、レーザ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。
【００２８】
図７は、圧縮処理部１１ｂにおける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）
【００２９】
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(Ｔn+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。
【００３０】
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の発射時刻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。
【００３１】
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、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Ｔn+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、Ｔn+1とＴnとの間で直線の乗り換えが生じ、Ｔn+1は次の直線に沿って位置していると考えられる。
【００３２】
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の挿入し、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、(Ｔk+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Ｔk+1が挿入される。
【００３３】
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回帰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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、Ｔn+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、Ｔn+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。
【００３８】
元の時刻データ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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）。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
既に述べたように、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発射時刻データの圧縮効率の一層の向上が実現される。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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）。符号化処理にはエントロピー符号化等が利用できる。
【００７２】
符号化処理が終了すると、まず、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部１２におけるストリーミングが行われ（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）。
【００７３】
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。
【００７４】
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発揮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。
【００７５】
図１６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）。
【００７６】
図１７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と結合化を解除して符号化前の状態に戻し、さらに、復元部１６ｂで復元処理を行う（ステップＳＧ３）。復元処理により、図１７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１７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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、ポイントデータはポイントデータ格納部１７に格納される（ステップＳＧ７）。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、当該機能を発揮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。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【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】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１７】圧縮データの復元処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 飛行体、２ レーザスキャナ、３ データブロック、４ レーザ計測部、５ データ解析部、６ 送信部、７ データ再生部、１１ 圧縮部、１１ａ データ分離部、１１ｂ 圧縮処理部、１１ｃ 符号化処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得する観測ステップと、前記観測データを地上基地局に伝送する伝送ステップと、前記飛行体の飛行中に前記地上基地局において前記観測データを解析して地表形状を演算する演算ステップとを含むレーザ計測方法であって、
前記伝送ステップは、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮ステップを有し、
前記圧縮ステップは、
前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分ステップと、
前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付けステップと、
前記対応付けステップにて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成ステップと、
を有し、
前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ計測方法において、
前記代表差分値は、−１、０、及び＋１であること、を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のレーザ計測方法において、
前記ｍは３であり、
前記ｋは２であり、
前記数値列パターンの集合は、前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である３通りの特例パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のレーザ計測方法において、
前記指標データは、４ビットのバイナリデータで表され、
前記形成ステップは、前記対応付けステップにて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合ステップを有すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ計測方法において、
前記ｋは２であり、
前記結合ステップは、前記第１指標データが対応付けられた前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である場合又は前記第２指標データが存在しない場合に、当該第１指標データに、いずれの前記指標データとも識別可能な４ビットの例外識別データを結合して１バイトの前記圧縮データを生成すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のレーザ計測方法において、
前記形成ステップは、前記圧縮データに格納された前記二次差分値のうち前記代表 差分値以外の特例差分値を、当該圧縮データと後続の前記圧縮データとの間に所定のフォーマットで挿入する挿入ステップを有すること、を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項７】
飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得し、前記観測データを送信する機上装置と、
地上に設置され、前記観測データを前記飛行体の飛行中に前記機上装置から受信し解析して地表形状を演算する地上装置と、
を有し、
前記機上装置は、
前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮手段を有し、
前記圧縮手段は、
前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分手段と、
前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付け手段と、
前記対応付け手段にて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成手段と、
を有し、
前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測システム。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ計測システムにおいて、
前記指標データは、４ビットのバイナリデータで表され、
前記形成手段は、前記対応付け手段にて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合手段を有すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項１】
飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得する観測ステップと、前記観測データを地上基地局に伝送する伝送ステップと、前記飛行体の飛行中に前記地上基地局において前記観測データを解析して地表形状を演算する演算ステップとを含むレーザ計測方法であって、
前記伝送ステップは、前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮ステップを有し、
前記圧縮ステップは、
前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分ステップと、
前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付けステップと、
前記対応付けステップにて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成ステップと、
を有し、
前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ計測方法において、
前記代表差分値は、−１、０、及び＋１であること、を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のレーザ計測方法において、
前記ｍは３であり、
前記ｋは２であり、
前記数値列パターンの集合は、前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である３通りの特例パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のレーザ計測方法において、
前記指標データは、４ビットのバイナリデータで表され、
前記形成ステップは、前記対応付けステップにて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合ステップを有すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ計測方法において、
前記ｋは２であり、
前記結合ステップは、前記第１指標データが対応付けられた前記部分列を構成する２つの前記二次差分値のうち後の当該二次差分値だけが前記代表差分値以外の任意の値である場合又は前記第２指標データが存在しない場合に、当該第１指標データに、いずれの前記指標データとも識別可能な４ビットの例外識別データを結合して１バイトの前記圧縮データを生成すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のレーザ計測方法において、
前記形成ステップは、前記圧縮データに格納された前記二次差分値のうち前記代表 差分値以外の特例差分値を、当該圧縮データと後続の前記圧縮データとの間に所定のフォーマットで挿入する挿入ステップを有すること、を特徴とするレーザ計測方法。
【請求項７】
飛行体に搭載され、所定周期に応じてレーザパルスを反復的に発射し地表面をスキャンするレーザスキャナを用いて、前記レーザパルスの発射時刻データを含む観測データを前記飛行体上で取得し、前記観測データを送信する機上装置と、
地上に設置され、前記観測データを前記飛行体の飛行中に前記機上装置から受信し解析して地表形状を演算する地上装置と、
を有し、
前記機上装置は、
前記観測データのうち少なくとも前記発射時刻データを前記飛行体上でデータ圧縮し、圧縮時刻データを生成する圧縮手段を有し、
前記圧縮手段は、
前記発射時刻データのデータ列から二次差分値列を生成する差分手段と、
前記二次差分値列から生成順に取り出したｋ個（ｋは２以上の整数）の二次差分値からなる部分列が、予め登録された数値列パターンのいずれかに一致する場合に、当該数値列パターンに関連付けられた指標データを当該部分列に対応付ける対応付け手段と、
前記対応付け手段にて前記部分列に対応付けられた前記指標データに基づいて、前記圧縮データを形成する形成手段と、
を有し、
前記数値列パターンの集合は、前記二次差分値列における出現確率が所定値以上であるｍ個（ｍは自然数）の代表差分値からなるｍｋ通りの順列パターンを含むこと、
を特徴とするレーザ計測システム。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ計測システムにおいて、
前記指標データは、４ビットのバイナリデータで表され、
前記形成手段は、前記対応付け手段にて、連続する２つの前記部分列のうち先行部分列に対応付けられた第１指標データと後続部分列に対応付けられた第２指標データとを結合して１バイトの前記圧縮データを生成する結合手段を有すること、
を特徴とするレーザ計測方法。
【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】
【公開番号】特開２００６−２８４２７０（Ｐ２００６−２８４２７０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０２２２８（Ｐ２００５−１０２２２８）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【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１６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１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【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１６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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