モバイルマッピングとは?
モバイルマッピングとは、移動する車両から地理空間情報を収集する方法です。 自動車からトラック、電車、RV車に至るまで、様々なプラットフォームに適用されます。モバイルマッピングは、環境を効率的かつ動的にマッピングする手段を提供します。 モバイルマッピング車両は、デジタル写真カメラ、ビデオ、レーザースキャナーなどのさまざまなイメージングセンサを使用して、ルートに沿って地物をマッピングするためのデータを収集します。 マッピングされる地物には、車両のルートに沿った傾斜や輪郭、標識や騒音バリアなどの道路資産の位置と種類、周囲の植生の高さと構造、または路面そのものの状態などがあります。これらの地物をマッピングするために必要な測定の正確さ、精度、周波数は劇的に異なるため、カメラは1秒あたり複数の画像を撮影したり、レーザースキャナーは毎秒100万個の個別のデータポイントを収集することがあります。
したがって、モバイルマッピングシステムは、移動中にモバイルマッピング車両が収集したデータから、ユーザが関心のある地物を見つけて位置を特定できるようにデータを収集する必要があります。 これらのデータを配置するには、車両の位置だけでなく、車両の向きや速度を知ることも必要です。 データの取得頻度が高いため、移動中も断続的に情報を把握する必要があります。 全地球測位システム（GPS）などの測量技術はよく知られており、広く使用されていますが、GPSのみに依存すると、不完全なモバイルマッピングの結果につながります。 完全なモバイルマッピングソリューションを提供するためには、慣性ナビゲーションシステムを使用することが重要です。
図1:作業中のモバイルマッピング車両 画像提供: WSP Sweden
GPSのみでモバイルマッピング車両を測位しないのはなぜか？
測量技師によるGPSの使用は、20年以上前から一般的でした。 これらのシステムは、地球を常に周回しているグローバルナビゲーション衛星システム（GNSS）のネットワークから受信したタイミング情報を用いて、地球表面上の位置を計算します。 GNSSシステムがアクセスする衛星コンステレーションには、米国主導の全地球測位システム（GPS）プロジェクトやロシアのGLONASSコンステレーション、または欧州主導のGALILEOや中国ベースのBeiDouプロジェクトのような開発中の他のコンステレーションが含まれます。これらを描写するために、ここでは一般的な用語であるGPSとGNSSを使用します。
モバイルマッピングを行う際には、GPSデータだけに依存することに伴う課題があります。 GPSの使用に関する問題には、GPS受信機が経度、緯度、高度の座標を取得するためには、少なくとも4基のGNSSがはっきりと見えていることが必要であるという点が含まれます。 また、ある時点の地球の特定の部分上でのGNSS衛星が全体的に分布していても、衛星がはっきり見える状態だとは限らないこともあります。 また、高い建物や張り出した木はGPS停止の原因となり、位置計算を妨げることがあるため、位置座標を取得できるかどうかは、環境内の構造物によって受信機がはっきりと空を見ることを妨げられているかどうかにも左右されます。この問題は、都市の中心部や森林などのGPSが遮断されやすい地域のモバイルマッピングを行う際にさらに深刻になる可能性があります。 また、必要な数の衛星が見えても、GPSから位置情報計測を記録する頻度は、車両のセンサが画像を取得する頻度とは異なる可能性があります。 その結果、GPSが利用できない時に車両の位置を理解し、読み取られたGPS測定値の間を車両が通過した場所を測定または予測する必要があります。
図 2: 都市環境でモバイルマッピングを行う際のGPS停止時の説明図
最後に、モバイルマッピングシステムはモバイルマッピング車両に搭載されたセンサの外部標定を継続的に計算する必要があります。 車両走行中、データポイント間の直線距離を測定することに加えて、車両の動きをそのロール、ピッチおよびヨーとして描写する必要があります。 GPSは車両の向きの理解に加えて、特定の時間における車両の地理座標に関する情報を提供することができますが、システムは車両が傾斜を上っているのか、または風景の中の地物に向かって動いているか（または通り過ぎたのか）などのパラメータを把握することはできません。
慣性ナビゲーションシステムを使用した完全なモバイルマッピング
実際には、移動中に車両の位置、方角、向きを特定するためにさまざまなセンサが使用されている場合にモバイルマッピングを行うのが最適です。 これらの追加的なセンサは、場所が不明なときにギャップを埋めるのに役立ちます。通常は次のようなものが含まれます。
- 緯度、経度、標高を計算するためのGPS受信機
- 走行距離を測定するための走行距離計
- 車両と搭載されたセンサのロール、ピッチ、および向きを測定する慣性測定ユニット（IMU）
- 上述のセンサからの累積読み取り値に基づいてモバイルマッピング車両の位置を予測するための各種統計アルゴリズムを含むコンピューター処理ユニット
慣性ナビゲーションシステム（INS）は、IMUを含むコンピューティングシステムで、GPSおよび走行距離計システム（利用可能な場合）からの入力から、全体的に最も可能性の高い車両の位置を計算します。
図3: モバイルマッピング車両の構成要素
モバイルマッピング車両の動きのダイナミクスに関連する情報の多くを提供するハードウェアコンポーネントはIMUです。 ジャイロスコープと加速度計を組み立てて構成されたIMUは、3つの回転パラメータと共に、3軸上の車両の直線加速に関連する連続的なデータストリームを提供します。 モバイルマッピング車両が走行した距離に関する追加測定を提供し、困難なGNSS環境でのドリフトを低減するために、ほとんどの陸上車両は機械式またはレーザー式のホイールセンサ（走行距離計）を装着して車輪の回転数を測定します。
最後に、INS上の処理装置として、または別のオンボードコンピューターとして統合されたアルゴリズムが、GPSに接続されたセンサからの入力データをチェックして分析します。カルマンフィルタなどのさまざまな統計アルゴリズムを使用して、モバイルマッピング車両とその測量センサの絶対位置と向きは、時間内の各インスタンスで利用可能なすべての情報に基づいて計算されます。 これらのアルゴリズムの統計的要素は、INSに供給するセンサからの情報を照合する手段を提供し、車両が移動してきた軌道を計算することができます。デッドレコニングと呼ばれるプロセスを通じて、GPSデータが利用できないときに統計的に最も可能性の高い車両の位置を計算することができます。
INSシステムによりモバイルマッピングシステムは、車両の走行中にさまざまな環境で空間的に参照された情報を、高い信頼度で継続的に収集することができます。 移動する車両プラットフォームのダイナミクスをよりよく理解することで、モバイルマッピングシステムのオペレーターは、取り付けられたイメージングセンサによって取得されたデータを見つけて配置することができます。
