JP6713847B2 - 測量システム - Google Patents

Description

本発明は、測量現場の三次元データを取得する測量システムに関する。

近年、立体物の三次元測量が頻繁に行われており、立体物の三次元データ付き画像への需要が増えている。そのため、測量現場では、レーザスキャナを使用して、パルスレーザを所定の測定エリアに走査し、パルスレーザ照射点の三次元位置データを測距して、測定エリアの点群データを取得している（例えば特許文献１参照）。

特許第５０５７７３４号

しかし、従来のレーザスキャナでは、測定したい立体物の点群データを十分に得るためには、測定エリアを好適に設定する必要があり、特に、詳細に点群データを得たい場合にはより綿密な設定が必要であった。

本発明は、面倒な設定をすることなく、測定したい立体物の点群データを取得することのできる測量システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量システムは、追尾光を出射しターゲットで反射した前記追尾光を受光して前記ターゲットを追尾する追尾部を有する測量機と、前記測量機と一体に水平回転し、一軸回りに鉛直方向に走査するスキャナと、を備え、前記スキャナと前記追尾部は水平方向にオフセットされたことを特徴とする。

上記態様において、前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上にあり、前記追尾光の光軸から水平方向に固定角θだけオフセットされるのも好ましい。

上記態様において、前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上になく、前記追尾部の光軸に対して水平方向に距離ｄだけオフセットされるのも好ましい。

上記態様において、前記測量機は測距光を出射し前記ターゲットで反射した前記測距光を受光して前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部をさらに備え、前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上にあり、前記追尾部は追尾送光部と追尾受光部を備え、前記追尾光の反射光の像が常に前記追尾受光部の画像上の所定位置にくるように追尾し、前記スキャナの反射光の像は前記追尾受光部の画像上で前記所定位置から少なくとも水平方向にオフセットされた位置で検出するのも好ましい。

上記態様において、前記測量システムは測定した前記ターゲットの高度角付近の点群データ以外は取得しないのも好ましい。

本発明の測量システムによれば、面倒な設定をすることなく、測定したい立体物の点群データを取得することができる。

第１の実施の形態に係る測量システムの外観斜視図である。 第１の実施の形態に係る測量システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る測量システムの平面図である。 第２の実施の形態に係る測量システムの平面図である。 第３の実施の形態に係る測量システムにより取得した画像の図とともに示す測量システムによりの外観斜視図である。 上記実施の形態の変形例１を説明する図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施の形態に係る測量システムの外観斜視図である。図１における符号１が、本形態に係る測量システムである。測量システム１は、外観上は、測量機２と、スキャナ２２を有する。符号９は、測量機２のターゲットであるプリズムである。

図２は測量システム１の制御ブロック図である。測量システム１は、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、水平回転駆動部１３と、鉛直回転駆動部１４と、表示部１５と、操作部１６と、演算制御部１７と、追尾光送光部１８と、追尾光受光部１９と、測定部２０と、記憶部２１と、スキャナ２２とを備える。

水平角検出器１１、鉛直角検出器１２、水平回転駆動部１３、鉛直回転駆動部１４、演算制御部１７、および記憶部２１は、測量機２の托架部２ｂ（後述）に収容され、表示部１５と操作部１６は托架部２ｂの外部に設けられている。追尾光送光部１８、追尾光受光部１９、および測定部２０は、測量機２の望遠鏡２ａ（後述）に収容されている。スキャナ２２は、後述する配置で望遠鏡２ａに固定されている。

測量機２は、いわゆるモータドライブトータルステーションであり、三脚を用いて既知の点に据え付けられている。測量機２は、下方から、整準部と、整準部の上に設けられた基盤部と、該基盤部上を水平回転軸Ｈ-Ｈ周りに回転する托架部２ｂと、托架部２ｂの中央で鉛直回転軸Ｖ-Ｖ周りに回転する望遠鏡２ａと、を有する。

水平回転駆動部１３と鉛直回転駆動部１４はモータであり、演算制御部１７に制御されて、それぞれ水平回転軸Ｈ−Ｈと鉛直回転軸Ｖ-Ｖを駆動する。測量機２では、托架部２ｂの水平回転と望遠鏡２ａの鉛直回転の協働により、望遠鏡２ａから測距光または追尾光が出射される。

表示部１５と操作部１６は、測量システム１のインターフェースであり、測量作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。

水平角検出器１１と鉛直角検出器１２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダである。水平角検出器１１は水平回転軸Ｈ−Ｈに対して設けられ托架部２ｂの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出器１２は鉛直回転軸Ｖ-Ｖに対して設けられ望遠鏡２ａの鉛直方向の回転角を検出する。

追尾光送光部１８は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等を追尾光として出射する。図１の符号４は、追尾光の光軸を示している。追尾光の光軸４は、測量機２の水平回転軸Ｈ-Ｈ上となるように設計されている。追尾光受光部１９は、イメージセンサであり、例えばＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサである。追尾光受光部１９は、追尾光を含む風景画像と追尾光を除いた風景画像を取得する。両画像は、演算制御部１７に送られる。演算制御部１７では、両画像の差分からターゲット像の中心を求め、ターゲット像の中心と望遠鏡２ａの視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まる位置をターゲットの位置として検出し、常に望遠鏡２ａがターゲットの方向を向くように自動で追尾を行う。追尾光送光部１８、追尾光受光部１９および演算制御部１７が「追尾部」である。

測定部２０は、測距光送光部と測距光受光部を備え、例えば赤外レーザ等の測距光をターゲットに射出しその反射光を受光する。そして、追尾部と同様に、測距光を含む画像と除いた画像の差分からターゲットを捕捉し、視準が完了するとターゲットまでの測距と測角を行う。

スキャナ２２は、いわゆる一軸レーザスキャナであり、符号５はある時間のスキャナ２２の光軸を示し、符号１０はその時の照射点（測定位置）を示している。スキャナ２２は、一軸の回転軸Ｒ-Ｒ周りにパルスレーザを照射しその反射光を検出して、パルスレーザ光線毎に測距・測角を行って、点群データを取得する。

演算制御部１７は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラであり、回転駆動部１３,１４の制御、測定部２０および追尾部の発光制御を行い、ターゲットの自動追尾、自動視準、測距および測角を行い、測量データを得る。また、スキャナ２２の回転制御、発光制御を行い、照射点１０の点群データを取得する。記憶部２１は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した測量データおよび点群データが記憶される。

測量システム１は、以上の要素を有するとともに、次の配置を有する。測量システム１では、図１に示すように、スキャナ２２は、回転軸Ｒ-Ｒが水平方向に延在し、鉛直方向のスキャンラインＳＬが得られるように配置される。さらに、スキャナ２２は、図３は測量システム１の平面図であるが、図３に示すように、スキャナの光軸５は測量機２の水平回転軸Ｈ-Ｈ上にあり、かつ、スキャナの光軸５が追尾光の光軸４から水平方向に固定角θだけオフセットするように望遠鏡２ａの上部に固定される。なお、固定角θは、スキャナ２２がプリズム９をスキャンすることがない角度であって、最小限の値で設定されているのが好ましい。

以上の測量システム１を使用すると、次のように点群データを取得することができる。

まず、測量システム１で、追尾プログラムを実行する。この上で、スキャナ２２による測量プログラムも開始する。すると、自動追尾により望遠鏡２ａは常にプリズム９を向くように制御される。望遠鏡２ａに固定されているスキャナ２２も、望遠鏡２と同様にプリズム９のほうを向くこととなるが、スキャナの光軸５が追尾光の光軸４から水平方向に固定角θだけオフセットしているため、スキャンラインＳＬはプリズム９と一致することはなく、常にプリズム９の周辺（プリズム９から距離を隔てた位置）で制御される。（図１に示す矢印は、プリズム９の移動に伴いスキャンラインＳＬが移動する様子を示している）。測量機２の座標系でみた照射点１０の三次元位置は、固定角θの値は予め分かっているため、測量機２の水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得た回転角、およびスキャナ２２での測距値から計算することができる。

上述のように、測量システム１を用いれば、プリズム９をスキャンすることなく、プリズム９の動きに合わせてスキャンラインＳＬを移動させることができる。即ち、ターゲット付近でスキャンラインＳＬを制御できるため、測定エリアを設定しなくても、測定対象物およびその周辺のデータを取得することができる。

また、次のような使用をすることもできる。測量システム１を用いれば、ある場所の点群データを取得したい場合、その場所でターゲットを往復させれば、自動追尾がなされて、測定エリアを設定しなくてもその場所の点群データを取得することができる。即ち、測定したい場所でターゲットを移動させることで、測定エリアを能動的に決めることができる。このとき、表示部１５または有線無線を問わずに接続されたパーソナルコンピュータ等に、取得した点群データをリアルタイムで表示すれば、その場でスキャン密度を確認しながら測量することができる。

（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態に係る測量システム１の平面図である。第１の実施形態と同一の要素については同一の符号を用いて説明を割愛する。第２の実施形態では、スキャナの光軸５と追尾光の光軸４は平行で、スキャナの光軸５は測量機２の水平回転軸Ｈ-Ｈ上に無い。その代わり、スキャナ２２は、スキャナの光軸５が追尾光の光軸４から水平方向に距離ｄだけオフセットするように、望遠鏡２ａの上部に固定される。

第２の実施形態では、スキャナ２２が望遠鏡２ａ（追尾部）に対して水平方向にオフセットした位置に固定されているので、スキャンラインＳＬがプリズム９と一致することはなく、常にプリズム９の周辺（プリズム９から距離を隔てた位置）で制御される。測量機２の座標系でみた照射点１０の三次元位置は、オフセット距離ｄの値は予め分かっているため、測量機２の水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得た回転角およびスキャナ２２での測距値から計算することができる。このため、第１の実施形態と同様、測定エリアを設定しなくても、測定対象物およびその周辺のデータを取得することができ、測定したい場所でターゲットを移動させることで測定エリアを能動的に決めることができる。

なお、スキャナ２２を固定する位置は、図示の位置に限定されるものではなく、スキャナの光軸５が追尾光の光軸４から水平方向にオフセットしていれば、どの位置、距離であってもよい。測量機２のデザインが許せば、望遠鏡２ａの下部でも、側部であっても、または測量機２本体の下部（例えば表示部１５の下）であってもよい。

（第３の実施の形態）
第３の実施形態では、スキャナの光軸５は図３のように測量機２の水平回転軸Ｈ-Ｈ上とし、固定角θは０を含む任意の角度としてよい。第１の実施形態と同一の要素については同一の符号を用いて説明を割愛する。

図５は第３の実施の形態に係る測量システム１により取得した画像の図である。図５は、追尾光受光部１９で取得した画像であり、符号８は追尾光の反射光の像である。スキャナ光と追尾光は異なる波長を採用しているため、追尾受光部１９にはスキャナの像は写らない。従って、図５では、実際には写らないが、スキャナ光を、スキャンラインＳＬとして仮想的に図示している。符号Ｏは、追尾受光部１９の画像中心を示している。そして、第３の実施形態では、追尾光の反射光の像８はスキャンラインＳＬから水平方向に所定距離離れた位置Ｓに映るように制御がなされる。

即ち、第３の実施形態では、追尾光の反射光の像８（ターゲット像の中心）が位置Ｓから一定値以内に収まる位置をターゲット位置として検出し、追尾を行う。そして、ターゲットまでの距離に応じて、追尾受光部１９の位置Ｓを可変し、実際での追尾光の光軸４とスキャナの光軸５の角度θ３を任意に変えることで、実際でのターゲット（プリズム９）と照射点１０の間隔を常に固定距離Ｄだけオフセットさせることができる。上記ターゲットまでの距離は、例えば（１）追尾開始時には画像中心Ｏの位置で追尾し、測定部２０で測距し、取得した値に応じて追尾位置（位置Ｓ）を決定し、以降は位置Ｓを変更しない、（２）追尾開始時に画像中心Ｏを追尾し、測定部２０で測距し、その後追尾位置（位置Ｓ）を変更してからは、遠近によるプリズム像の大小を測定して距離を出す、（３）追尾中に時々追尾位置を画像中心Ｏに戻して測距する、ことで得られる。なお、図５の破線は、スキャナの光軸５を追尾光の光軸４と同じ平面上に投影させた線である。このように、追尾イメージセンサ上の追尾位置を水平方向にずらすことでも、スキャンラインＳＬを常にプリズム９に対して固定距離Ｄだけオフセットした位置で制御することができる。このため、第１の実施形態と同様、測定エリアを設定しなくても、測定対象物およびその周辺のデータを取得することができ、測定したい場所でターゲットを移動させることで測定エリアを能動的に決めることができる。なお、少なくとも水平方向に離れていればよく、鉛直方向にずれていてもよい。即ち、追尾イメージセンサ上の追尾位置をスキャナの検出位置から固定角だけオフセットさせてもよい。

上記実施の形態に対する好適な変形例について述べる。上記実施の形態と同一の要素については同一の符号を用いて説明を割愛する。

（変形例１）
トータルステーションである測量機２は、プリズム９の測距・測角値から、プリズム９の高度角を測定することができる。そこで、変形例１の測量システム１では、プリズム９の高度角を中心に鉛直方向上下に所定角拡張したエリア以外の点群データは、記憶部２１に保存しないようにする。図６は変形例１を説明する図である。図６に示す矢印は、プリズム９の移動に伴いスキャンラインＳＬが移動する様子を示している。符号３１はプリズム９の高度角に相当する位置の水平ラインを示しており、符号３２は水平ライン３１から鉛直方向に±α（数°〜数十°）拡張した水平ラインを示している。即ち、変形例１では、スキャンラインＳＬの軌跡と拡張した水平ライン３２・３２で囲まれる測定エリア（図６の斜線のエリア）の点群データを保存し、この測定エリア以外の点群データは保存しない。これにより、保存するデータ量を減らすことができる。なお、測定エリアの鉛直方向の範囲を規定するαは、上述のように角度でもよいし、例えば±１ｍなど、長さで設定されてもよい。長さの場合、距離に応じて角度が自動に決定されるように設定すればよい。

（変形例２）
測量システム１では、スキャナ２２のレーザ光線は、非可視光でも可視光でもよいが、非可視光の場合、照射点１０が作業者には分からないという問題がある。そこで、スキャナの光軸５と水平方向に光軸を一致させた可視光のラインレーザを、例えば測量機２の本体下部に設けて、ガイド光として出射するのも好ましい。これにより、スキャン方向が作業者に明確となる。

（変形例３）
測量システム１では、スキャナ２２は鉛直方向に走査されるが、サンプリング位置が固定されていると、往復してスキャンを繰り返しても、鉛直角が同じ位置の点群データしか得られないおそれがある。そこで、走査の開始点を微小角ずつずらすのも好ましい。例えば、往復運動の折り返し時にスキャナ２２のレーザ光の発光タイミングをランダムにずらす、または規則的に例えば０．５secずつずらしていけば、行きと帰りで走査のサンプリング位置（鉛直角）が異なるので、より緻密できれいに点群データを得ることができる。

以上、本発明の好ましい測量システムについて、実施の形態および変形例を述べたが、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１ 測量システム
２ 測量機
２ａ 望遠鏡
４ 追尾光の光軸
５ スキャナの光軸
７ 追尾光の反射光の像
８ スキャナの反射光の像
９ プリズム（ターゲット）
１０ 照射点
１７ 演算制御部（追尾部）
１８ 追尾光送光部（追尾部）
１９ 追尾光受光部（追尾部）
２０ 測定部
２１ 記憶部
２２ スキャナ
Ｈ-Ｈ線 測量機の水平回転軸

Claims (4)

1. 追尾光を出射しターゲットで反射した前記追尾光を受光して前記ターゲットを追尾する追尾部を有する測量機と、
   前記測量機と一体に水平回転し、一軸回りに鉛直方向に走査するスキャナと、を備え、
   前記測量機は測距光を出射し前記ターゲットで反射した前記測距光を受光して前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部をさらに備え、前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上にあり、前記追尾部は追尾送光部と追尾受光部を備え、前記追尾光の反射光の像が常に前記追尾受光部の画像上の所定位置にくるように追尾し、前記スキャナの反射光の像は前記追尾受光部の画像上で前記所定位置から少なくとも水平方向にオフセットされた位置で検出すること特徴とする測量システム。
   
2. 追尾光を出射しターゲットで反射した前記追尾光を受光して前記ターゲットを追尾する追尾部を有する測量機と、
   前記測量機と一体に水平回転し、一軸回りに鉛直方向に走査するスキャナと、を備え、
   前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上にあり、前記追尾光の光軸から水平方向に固定角θだけオフセットされたこと特徴とする測量システム。
   
3. 追尾光を出射しターゲットで反射した前記追尾光を受光して前記ターゲットを追尾する追尾部を有する測量機と、
   前記測量機と一体に水平回転し、一軸回りに鉛直方向に走査するスキャナと、を備え、
   前記スキャナの光軸は、前記測量機の水平回転軸上になく、前記追尾部の光軸に対して水平方向に距離ｄだけオフセットされ、
   前記追尾部による追尾と前記スキャナによる走査を同時に行って、前記ターゲットの動きに合わせて、前記ターゲットをスキャンすることなくスキャンラインを自動制御する
   こと特徴とする測量システム。
   
4. 前記測量システムは測定した前記ターゲットの高度角付近の点群データ以外は取得しないこと特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測量システム。

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