ドローンの写真はどうやって地図になるの？
重ねて撮る理由と点群・オルソ画像を親子で学ぼう

工事現場の土の山が、パソコンの中でくるくる回る。ドローンが撮った写真は、どんな計算で地図や立体の模型に変わるのでしょう。今回は、写真を重ねて撮る理由と、高さを求めるしくみを、クイズと紙の工作でたどります。
第4弾「ドローンの目には何が見える？」など、これまでの回を読んでいなくても、ここから読めます。

今回のナビゲーター

スカイ博士：ドローン研究ひとすじ40年。「なぜだと思う？」と問いを返します。

ひなた：小学4年生。口ぐせは「なんで？ やってみたい！」。みんなの代わりに、気になることを聞きます。

ひなた

おじさんが働いている工事現場で、ドローンが飛んでいたの。あとで事務所のパソコンを見せてもらったら、現場の土の山が立体になって、くるくる回せたんだよ！ 写真を撮っただけなのに、どうして立体になるの？

スカイ博士

写真を1枚撮っただけでは、立体にはならん。撮り方と、そのあとの計算に工夫があるんじゃ。

ひなた

工夫って？

スカイ博士

ドローンは、少しずつ重ねながら、たくさんの写真を撮る。コンピューターはその中から同じ場所を探して、高さを計算するんじゃ。両目で見ると物の近さがわかるのと、よく似た考え方じゃよ。

第1章 写真1枚は、まだ地図ではない

地図は、町を小さくして真上から見たようにかいたものです。たとえば、本当は同じ長さの2本の道なら、地図でも同じ長さになるようにかきます。だから、地図の上の長さを使って、本当の長さを調べられます。

では、ドローンで町の写真を撮ったら、そのまま地図として使えるでしょうか。下の図の、右上にある高いビルを見てください。左の写真ではビルの横の面が見え、屋上が外側へずれて見えます。本当のビルがななめになっているわけではありません。カメラから見る向きのために、そう写るのです。

ひなた

真上から撮っても、ビルがななめになっちゃうの？

スカイ博士

そうじゃ。屋上はカメラに近く、根もとは遠い。近い所と遠い所では、写真に写る場所がずれるんじゃ。土地のでこぼこも同じで、山の上と谷の底では、ずれ方がちがう。

高さによるずれを直して、地図のように真上から見た形にした写真を、オルソ画像といいます。ここでは「地図のように使える写真」と覚えてください。仕事で長さや面積を測るときは、できあがった写真のずれが十分に小さいことも確かめます。ずれを直すには、「どこが、どれくらい高いか」を知る必要があります。高さは、どうやって調べるのでしょう。

第2章 写る位置のずれから、高さを調べる

やってみよう｜親指でたしかめる

うでをまっすぐのばして、親指を立てます。親指を、遠くにある物（窓のわく、時計など）に重ねてください。顔と親指を動かさずに、右目だけで見たあと、左目だけで見ます。親指は、遠くの物に対してどちらへ動いて見えますか？

今度は、親指を顔に近づけて、同じことをしてみましょう。動き方は大きくなりましたか？ 右目と左目は少しはなれているので、同じ物でも見える向きが少しちがいます。そのちがいは、近い物ほど大きく、遠い物ほど小さくなります。わたしたちは、このちがいを手がかりの一つにして、物が近いか遠いかを感じとっています。

ひなた

ほんとだ！ 顔に近づけたら、すごく動いた。

スカイ博士

ドローンの写真でも、同じことが起きる。同じ高さでカメラを真下に向け、少し場所を変えて撮った2枚の写真をくらべると、高い所、つまりカメラに近い所ほど、写る場所が大きくずれる。そのずれと、カメラの位置や向きなどを使って、高さを計算できるんじゃ。

コンピューターも、少しずつ場所を変えて撮った写真を見くらべます。写る位置のずれと、撮影した場所やカメラの向きなどを使って、たくさんの点の位置と高さを計算します。

第3章 少しずつ重ねて、たくさん撮る

高さを計算するには、同じ場所が2枚以上の写真に写っていなければなりません。そこで地図づくりのドローンは、決められたコースを自動で飛びながら、一定の間かくで真下の写真を撮っていきます。まっすぐのコースを同じ高さで何本も並べ、行ったり来たりするように飛ぶのが基本です。

写真は、ほんの少しだけでなく、大きく重ねて撮ります。図3の「8割」は、写真の長さを同じ大きさに10こに分けたうちの8こ分。「6割」は6こ分です。長さ10cmの写真なら、8割は8cm、6割は6cmが重なると考えるとわかりやすいですね。数字を暗記するより、同じ家や道が何枚にも写ることに注目しましょう。

ひなた

そんなに重ねたら、写真がいっぱいになっちゃうよ。

スカイ博士

そのとおり。じゃが重なりが足りないと、写真と写真のあいだにすき間ができたり、高さを計算できない場所が生まれたりする。同じ場所をいろいろな位置から写して、高さを計算できるようにするんじゃ。

同じ目印が、はっきり写るように撮る

写真がぼやけていたら、小さなマンホールや屋根のかどを見分けられません。地図づくりでは、見つけたい目印がはっきり写るように、飛ぶ高さやカメラを選びます。

天気や時間にも気をつける

国土地理院のマニュアルは、風が強くない、明るい時間に撮ることをすすめています。太陽が低いと影が長くなり、影の中は暗く写って、形や色を見分けにくくなります。雨や雪の日、突風のおそれがある日も、撮影には向きません。

第4章 コンピューターが「同じ場所」を探す

地図づくりの写真は、多くの場合、ドローンのカメラの記録カードに保存されます。第5弾で見た映像の電波は、操縦するための映像です。飛行が終わったら写真をパソコンに取りこみ、専用のソフトウェアで計算します。

最初の仕事は、写真の中から目立つ点を見つけることです。道路の白線のかど、マンホール、石、屋根のはしなど、まわりと色や明るさがはっきりちがう場所が目印になります。こうした点を特徴点とくちょうてんといいます。

次に、別の写真にも同じ特徴点が写っていないかを探します。「写真Aのマンホールと写真Bのマンホールは同じ物だ」とわかれば、それが2枚の写真をつなぐ手がかりになります。この作業を、たくさんの写真の組み合わせでくり返します。

同じ点がいくつもの写真で見つかると、コンピューターは「それぞれの写真を、どこから、どの向きで撮ったのか」と「それぞれの点が、どこに、どの高さにあるのか」を、まとめて計算できます。親指の実験で見た「ずれ」を、たくさんの写真で調べるのです。

計算で位置と高さがわかった点に、写真の色をつけて並べると、色のついた点がびっしり集まった立体ができます。これが点群てんぐんです。小さなビーズを空間に並べて、家や木の形を作るところを想像してみてください。写真を細かく切ったものではなく、一つ一つの点に「場所と高さ」が入ったデータです。

ひなた

写真を見くらべるのって、まちがいさがしみたいだね。

スカイ博士

おもしろいたとえじゃ。ただしこちらは「同じところさがし」じゃな。しかも数えきれないほどの点を、コンピューターがいっぺんに探すんじゃ。

「同じところ」が見つけにくい場所

写真を計算するソフトウェアの説明書や国のマニュアルは、苦手な場所をいくつも挙げています。

• 水面：一面が同じような色で、波や光の反射が写真ごとに変わるため、同じ点を見つけにくくなります。
• 雪原や砂浜：模様がほとんどなく、どこを見ても同じに見えます。
• 鏡やガラス：まわりの景色が写りこみ、見る向きで見え方が変わります。
• 動く物：車や人は、写真ごとに位置が変わります。
• 似た模様のくり返し：ちがう場所を、同じ場所だとまちがえることがあります。

こうした場所では、点がまばらになったり、まちがった高さの点が混じったりします。国のマニュアルには、まちがった点を取りのぞく作業（点群編集）や、模様の少ない場所に目印を置いたり白線を引いたりする工夫が書かれています。

第5章 点の集まりから、地図と立体の模型へ

点群ができれば、そこからいろいろな形のデータを作れます。おもなものを3つ見てみましょう。

地図のように使える写真「オルソ画像」

第1章で、写真は高い物ほどずれて写ると書きました。場所ごとの高さがわかれば、そのずれを計算で直せます。直した写真をつなぎ合わせると、真上から見た地図のような1枚の大きな写真になります。これがオルソ画像です。必要な精度を満たしていれば、長さや面積を測ったり、地図に重ねたりできます。国土地理院は、空中写真から作ったオルソ画像を、国の地図を新しくする作業にも使っています。

好きな角度から見られる「立体の模型」

点と点を三角形につないでいくと、面ができます。その面に写真をはりつけると、工事現場の土の山や建物を、好きな角度から見られる立体の模型（3Dモデル）になります。ひなたがパソコンで見たのは、これです。国のマニュアルにも、点群から作った面に写真をはりつけて、立体の写真地図を作れることが書かれています。

「表面の高さ」と「地面の高さ」

写真から作った点群には、写真に写った面の高さが入ります。真上から撮れば、木は葉の上、建物は屋根の上です。これが「表面の高さ」。それに対して、木や建物の下にある「地面の高さ」を知りたい仕事もあります。下の図で、木の上を通る線と、地面を通る線を見くらべてください。

ただし、写真に写らない地面の高さは、写真からは計算できません。葉のすき間から地面に光が届けば測れるため、森の下の地面を知りたいときは、第4弾で見たLiDARのほうが向いています。

ひなた

じゃあ、工事現場の土の量も、点群があればわかるの？

スカイ博士

土の山の形がたくさんの点でわかれば、土がどれくらいあるか、量を計算できる。工事の前と後をくらべれば、どれだけ土を動かしたかもわかるんじゃ。じゃが、それには位置と高さが正しくなければならん。最後の章で、その話をしよう。

第6章 位置を正しくする目印と、答え合わせ

写真の計算でまずわかるのは、点どうしの位置関係、つまり「形」です。地図として使うには、それを地球の上の正しい位置と高さに合わせなければなりません。ドローンは第3弾で見たGNSS（GPSなど）で撮影した場所を記録できますが、測量の仕事では、地上に置いた目印で位置をそろえたり、確かめたりします。

位置合わせの基準になる「標定点」

撮影の前に、地面に白と黒の大きな目印（対空標識たいくうひょうしき）を置き、その場所の位置と高さを、測量の機械で正確に測っておきます。このように位置と高さを測り、写真の位置合わせの基準に使う点が標定点ひょうていてんです。目印は、その点を写真の中で見つけるためのものです。空から写真を撮ると、目印も写ります。コンピューターは、写真に写った目印と地上で測った位置を結びつけて、点群全体を正しい位置と高さにそろえます。

答え合わせの点「検証点」

目印とは別に、答え合わせのための点も置きます。これを検証点けんしょうてんといいます。検証点も地上で正確に測っておきますが、位置をそろえる目印としては使いません。できあがった点群で検証点の場所を調べ、地上で測った値とのちがいをくらべます。ちがいが決められた範囲におさまれば合格、おさまらなければ、写真や計算を見直したり、撮り直したりします。

答え合わせの点は、位置を合わせる目印からはなれた所にも置きます。目印のすぐそばだけでは、ほかの場所のずれに気づけないからです。

ひなた

テストの答え合わせみたい！

スカイ博士

そのとおり。目印にぴったり合わせただけでは、ほかの場所が本当に合っているかはわからん。だから、目印とは別の場所で確かめるんじゃよ。

地図と立体の模型は、どこで役立つ？

• 工事：工事の前と後で地面の高さをくらべ、運んだ土の量を計算します。国のマニュアルにも、工事でできあがった形や、工事の進み具合を確かめるのに使えることが書かれています。
• 災害：2026年7月の熊本の地震では、国土地理院が地震の翌日に飛行機から空中写真を撮り、正射画像（オルソ画像）を作って公開しました。その画像を読み取って、斜面がくずれたと考えられる場所などを地図にもまとめています。2024年の能登半島地震では、空中写真から計算で作った表面の高さのデータを使い、地形の変化を立体で確かめられるサイトも公開されています。
• まちづくり：国土交通省は、建物の形や高さを再現した3D都市モデルを整備しており、2025年度末までに329都市で作られています。防災やまちづくりの計画に役立てられています。

飛行機から撮った空中写真でも、ドローンの写真でも、重ねて撮って高さを計算し、目印でそろえるという考え方は同じです。

親子で挑戦｜窓わくドローンで地図づくり

ひなた

同じ家を探したら、カードがつながったよ。★で位置を合わせても、●には少しずれが残ることがあるんだね。

スカイ博士

それが目印と答え合わせの力じゃ。本物の地図づくりでも、空から撮るドローンと、地上で目印を測る人が、力を合わせておるんじゃよ。

今日わかったこと

1. 同じ場所を見くらべるために、写真を重ねて撮る。同じ家や道のかどが、写真どうしをつなぐ手がかりになります。
2. 写る位置のずれから、高さを計算する。カメラの位置や向きなども使って、場所と高さのわかる点の集まり「点群」を作ります。
3. 点群を使って、地図や立体の模型を作る。高さによる写真のずれを直したものが、地図のように使える「オルソ画像」です。

仕事で使う前には、位置を合わせ、別の点で答え合わせをします。見た目がきれいでも、正しい位置とは限らないからです。

ひなた

写真がたくさん集まって、点になって、地図や模型になるんだね。

スカイ博士

うむ。きれいな立体ができても、位置や高さが合っているとは限らん。別の点で答え合わせをして、使いたい仕事に十分な正確さかを確かめるんじゃ。