JP6680553B2 - 測量装置 - Google Patents

Description

本発明は測定対象物の鉛直状態を測定可能な測量装置に関するものである。

一般に測量の対象となる建設物、建築物、構造物等の構造体は、鉛直を基準として、建造されており、鉛直基準に対して傾斜（倒れ）を測定することが、保守上重要である。

従来、建設物、建築物、構造物等、測定対象物の倒れを測定する場合は、測定対象物の複数の測定点（例えば、柱の上下）を鉛直又は水平を基準に測定し、測定点の関係を求めて倒れを測定していた。又、近年では、測定対象物を鉛直基準に３次元（３Ｄ）スキャナで測定し、測定対象物の形状と傾斜（倒れ）を測定する方法も採られている。然し、これらの測定には時間を要し、又３Ｄスキャナによる測定では、３Ｄスキャナで得られるデータは膨大な量となり、解析に時間を要する。この為、現場での倒れ状態の判断には用いることができなかった。

特開２００７−２４８１５６号公報

本発明は、測定現場で、直ちに測定対象物の鉛直状態の判断が可能な測量装置を提供するものである。

本発明は、測距光を測定対象物に向って射出し、該測定対象物からの反射測距光を受光して測距を行う測定ユニットと、前記測距光の射出光軸と平行な撮像光軸を有し、前記測定対象物を含む画像を撮像する撮像ユニットと、該撮像ユニットと一体的に設けられた姿勢検出ユニットと、演算処理ユニットとを具備し、前記姿勢検出ユニットは、水平を検出する傾斜センサと、該傾斜センサが水平を検出する様に、該傾斜センサを傾動させると共に該傾斜センサが水平を検出する状態での前記測定ユニットの水平に対する傾斜角を検出する相対傾斜角検出部を有し、前記演算処理ユニットは、前記姿勢検出ユニットの検出結果に基づき、鉛直に対する画像の傾斜を演算し、この演算結果に基づき前記撮像ユニットが取得した画像中に鉛直線を表示する様構成された測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理ユニットは、画像中に示される前記鉛直線が平行となる様に、画像処理し、鉛直画像を作成する測量装置に係るものである。

又本発明は、前記測距光の前記射出光軸上に設けられた光軸偏向ユニットを更に具備し、該光軸偏向ユニットにより、前記測定対象物の所要点に前記測距光を照射し、前記所要点の測距を行う様にした測量装置に係るものである。

又本発明は、光軸偏向ユニットを更に具備し、前記演算処理ユニットは、前記測定対象物の鉛直部位（鉛直線に沿った部分）を抽出し、該鉛直部位を交差する様に前記光軸偏向ユニットを制御して前記測距光をスキャンし、前記鉛直部位と交差する交点を測距し、該鉛直部位の水平距離を求める測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理ユニットは、前記測定対象物の横部位（横方向の線）を抽出し、該横部位と前記鉛直部位との交点の高さを該鉛直部位の水平距離に基づいて演算し、同一高さの交点を結ぶ前記横部位を前記測定対象物の水平部位（水平線に沿った部分）として捉え、該水平部位の所要点を交差する様に前記測距光をスキャンして測距し、前記測定対象物の水平距離と高さを求める測量装置に係るものである。

更に又本発明は、前記演算処理ユニットは、前記鉛直部位と前記水平部位を基に前記測定対象物の３次元モデルを作製する測量装置に係るものである。

本発明によれば、測距光を測定対象物に向って射出し、該測定対象物からの反射測距光を受光して測距を行う測定ユニットと、前記測距光の射出光軸と平行な撮像光軸を有し、前記測定対象物を含む画像を撮像する撮像ユニットと、該撮像ユニットと一体的に設けられた姿勢検出ユニットと、演算処理ユニットとを具備し、前記姿勢検出ユニットは、水平を検出する傾斜センサと、該傾斜センサが水平を検出する様に、該傾斜センサを傾動させると共に該傾斜センサが水平を検出する状態での前記測定ユニットの水平に対する傾斜角を検出する相対傾斜角検出部を有し、前記演算処理ユニットは、前記姿勢検出ユニットの検出結果に基づき、鉛直に対する画像の傾斜を演算し、この演算結果に基づき前記撮像ユニットが取得した画像中に鉛直線を表示する様構成されたので、画像中に表示された鉛直線に基づき、測定現場で、直ちに測定対象物の鉛直状態の判断が可能となるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例の概略斜視図である。 本実施例に係る測量装置の概略構成図である。 図２のＡ矢視図である。 本実施例に用いられる姿勢検出ユニットの平面図である。 該姿勢検出ユニットの概略構成図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、光軸偏向ユニットの作用を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は、取得画像と走査軌跡の関係を示す説明図である。 測定対象物と鉛直線との関係を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、撮像画像と鉛直画像との関連を示す説明図である。 （Ａ）〜（Ｈ）は、鉛直画像より鉛直部位と水平部位を検出する過程を示す説明図である。 鉛直画像より鉛直部位と水平部位を検出する過程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本実施例に係る測量システムについて概略を説明する。

図１中、１は測量装置であり、２は設置基準点Ｒに設置される三脚を示す。前記測量装置１は、前記三脚２に基台ユニット３を介して設けられている。又、図中、４は測距光軸、５は撮像光軸を示している。前記測距光軸４と前記撮像光軸５は平行であり、前記測距光軸４と前記撮像光軸５との間は既知の距離となっている。

前記測量装置１は、測定対象物をプリズムとするプリズム測定モードによる測定、測定対象物が構造物である場合等で、プリズムを使用しないノンプリズム測定モードによる測定が可能である。

前記基台ユニット３は、水平方向に回転し、回転角度が検出可能な分度盤８、鉛直方向に回転可能で、所望の角度で固定可能な鉛直回転部９を有し、前記測量装置１は前記鉛直回転部９に取付けられている。

又、前記測量装置１は機械基準点を有しており、該機械基準点に対して前記測距光軸４、前記撮像光軸５等が既知の関係となっている。前記機械基準点は、例えば、前記鉛直回転部９の回転中心に設定される。

前記測距光軸４が水平の状態で、前記機械基準点は前記設置基準点Ｒを通過する鉛直線６上に位置する様に設定される。前記設置基準点Ｒと前記測量装置１の前記機械基準点との距離は、メジャー等で測定され、既知となっている。

前記測量装置１は、前記機械基準点を中心に鉛直方向に回転し、又該機械基準点を中心に水平方向に回転する。又、鉛直回転角は後述する様に姿勢検出ユニット２６により検出され、水平回転角は前記分度盤８によって検出される。

図２、図３を参照して、前記測量装置１について説明する。

該測量装置１は筐体７の背面に表示部１１、操作部１２を有し、又前記筐体７の内部に、前記測距光軸４を有する測定ユニット２０、演算処理ユニット２４、測距光の射出方向を検出する射出方向検出部２５、前記測量装置１の水平２方向の傾斜を検出する前記姿勢検出ユニット２６、前記撮像光軸５を有する撮像ユニット２７、前記測距光軸４を偏向する光軸偏向ユニット３６等を、主に有している。従って、前記測定ユニット２０、前記姿勢検出ユニット２６、前記撮像ユニット２７、前記光軸偏向ユニット３６は、一体化されている。尚、前記表示部１１はタッチパネルとし、前記操作部１２と兼用させてもよい。

前記測定ユニット２０は、測距光射出部２１、受光部２２、測距部２３により構成されている。

前記測距光射出部２１は、測距光を射出する。該測距光射出部２１は、射出光軸３１を有し、該射出光軸３１上に発光素子３２、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられ、更に、前記射出光軸３１上に投光レンズ３３が設けられる。

又、前記射出光軸３１上には、偏向光学部材としての第１反射鏡３４が設けられる。更に、該第１反射鏡３４に対峙させ、且つ受光光軸３７（後述）上に偏向光学部材としての第２反射鏡３５を配設する。

前記第１反射鏡３４、前記第２反射鏡３５によって、前記射出光軸３１は、前記測距光軸４と合致される。該測距光軸４上に、前記光軸偏向ユニット３６が配設される。

前記受光部２２は、測定対象物からの反射測距光を受光する。該受光部２２は、前記射出光軸３１と平行な前記受光光軸３７を有し、該受光光軸３７は前記測距光軸４と共通となっている。

前記受光光軸３７上に受光素子３８、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられ、又結像レンズ３９が配設されている。該結像レンズ３９は、反射測距光を前記受光素子３８に結像する。該受光素子３８は反射測距光を受光し、受光信号を発生する。該受光信号は、前記測距部２３に入力される。

更に、前記受光光軸３７上で、前記結像レンズ３９の対物側には、前記光軸偏向ユニット３６が配置されている。

前記測距部２３は、前記発光素子３２を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。前記光軸偏向ユニット３６（測距光偏向部３６ａ（後述））により、測定点に向う様、前記測距光軸４が偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光は前記光軸偏向ユニット３６（反射測距光偏向部３６ｂ（後述））、前記結像レンズ３９を介して前記受光部２２に入射する。前記反射測距光偏向部３６ｂは、前記測距光偏向部３６ａで偏向された前記測距光軸４を基の状態に復帰させる様再偏向し、反射測距光を前記受光素子３８に受光させる。

該受光素子３８は受光信号を前記測距部２３に送出し、該測距部２３は、前記受光素子３８からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記演算処理ユニット２４は、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成され、該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、モータ４７ａ，４７ｂ（後述）の駆動を制御する制御プログラム、画像マッチング等の画像処理を行う画像プログラム、入出力制御プログラム、前記射出方向検出部２５からの射出方向の演算結果に基づき前記測距光軸４の方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム等のプログラムが格納され、更に前記記憶部には測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

前記光軸偏向ユニット３６について説明する。

該光軸偏向ユニット３６には、一対の光学プリズム４１ａ，４１ｂが配設される。該光学プリズム４１ａ，４１ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３７に直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向ユニット３６の中央部は、測距光が透過する前記測距光偏向部３６ａとなっており、中央部を除く部分は前記反射測距光偏向部３６ｂとなっている。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に配置されたプリズム要素４２ａ，４２ｂと多数のプリズム要素４３ａ，４３ｂによって構成され、板形状を有する。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂ及び各プリズム要素４２ａ，４２ｂ及びプリズム要素４３ａ，４３ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、前記測距光偏向部３６ａを構成し、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは前記反射測距光偏向部３６ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂはそれぞれ前記受光光軸３７を中心に個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光の前記測距光軸４を任意の偏向方向に偏向し、受光される反射測距光の前記受光光軸３７を前記測距光軸４と平行に偏向する。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３７を中心とする円板状であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム４１ａの外周にはリングギア４４ａが嵌設され、前記光学プリズム４１ｂの外周にはリングギア４４ｂが嵌設されている。

前記リングギア４４ａには駆動ギア４６ａが噛合し、該駆動ギア４６ａは前記モータ４７ａの出力軸に固着されている。前記リングギア４４ｂには、駆動ギア４６ｂが噛合し、該駆動ギア４６ｂは前記モータ４７ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４７ａ，４７ｂは前記演算処理ユニット２４に電気的に接続されている。

前記モータ４７ａ，４７ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転検出器、例えばエンコーダ（図示せず）等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。前記射出方向検出部２５により前記モータ４７ａ，４７ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記射出方向検出部２５の検出結果に基づき前記演算処理ユニット２４により前記モータ４７ａ，４７ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４６ａ，４６ｂ、前記モータ４７ａ，４７ｂは前記測距光射出部２１と干渉しない位置、例えば前記リングギア４４ａ，４４ｂの下側に設けられている。

前記投光レンズ３３、前記測距光偏向部３６ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光偏向部３６ｂ、前記結像レンズ３９等は受光光学系を構成する。

前記射出方向検出部２５は、前記モータ４７ａ，４７ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで該モータ４７ａ，４７ｂの回転角を検出し、或はエンコーダからの信号に基づき該モータ４７ａ，４７ｂの回転角を検出する。

更に、前記射出方向検出部２５は、前記モータ４７ａ，４７ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置を演算し、前記測距光偏向部３６ａ（即ち、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）の屈折率と回転位置に基づき測距光の偏角（偏向方向）、射出方向を演算し、演算結果は前記演算処理ユニット２４に入力される。

前記測量装置１に於いて、前記姿勢検出ユニット２６は、前記測距部２３の前記射出光軸３１に対する姿勢（傾斜角、傾斜方向）を検出する。検出結果は、前記演算処理ユニット２４に入力される。

以下、図４、図５を参照して、前記姿勢検出ユニット２６について説明する。尚、図４は平面図を示し、以下の説明に於いて、上下は図４中での上下に対応し、左右は図４中での左右に対応する。

矩形枠形状の外フレーム５１の内部に矩形枠形状の内フレーム５３が設けられ、該内フレーム５３の内部に傾斜検出ユニット５６が設けられる。

前記内フレーム５３の上面、下面から縦軸５４，５４が突設され、該縦軸５４，５４は前記外フレーム５１に設けられた軸受５２，５２と回転自在に嵌合する。前記縦軸５４，５４は縦軸心１４を有し、前記内フレーム５３は前記縦軸５４，５４を中心に左右方向に３６０゜回転自在となっている。該縦軸５４，５４の前記縦軸心１４が、前記測距光軸４と合致するか、或は平行、或は該測距光軸４に直交する水平基準線（図示せず）と平行となっている。

前記傾斜検出ユニット５６は横軸５５に支持され、該横軸５５の両端部は、前記内フレーム５３に設けられた軸受５７，５７に回転自在に嵌合する。前記横軸５５は前記縦軸心１４と直交する横軸心１５を有し、前記傾斜検出ユニット５６は前記横軸５５を中心に上下方向に３６０゜回転自在となっている。該横軸５５の前記横軸心１５が、前記測距光軸４と合致するか、或は平行、或は該測距光軸４に直交する前記水平基準線と平行となっている。

つまり、前記傾斜検出ユニット５６は前記外フレーム５１に対して２軸方向に３６０°回転自在のジンバル機構を介して支持された構成になっている。

前記縦軸５４，５４の一方、例えば下側の縦軸５４には第１ギア５８が取付けられ、該第１ギア５８には第１駆動ギア５９が噛合している。又、前記外フレーム５１の下面には第１モータ６１が設けられ、前記第１駆動ギア５９は前記第１モータ６１の出力軸に取付けられている。

前記縦軸５４，５４の他方には第１エンコーダ６２が取付けられ、該第１エンコーダ６２は前記内フレーム５３の前記外フレーム５１に対する左右方向の回転角を検出する様に構成されている。即ち、図１を参照すれば、前記第１エンコーダ６２は煽り角ωを検出する。

前記横軸５５の一端部には、第２ギア６３が取付けられ、該第２ギア６３には第２駆動ギア６４が噛合している。又、前記内フレーム５３の側面（図示では左側面）には第２モータ６５が取付けられ、前記第２駆動ギア６４は前記第２モータ６５の出力軸に取付けられている。

前記横軸５５の他端部には第２エンコーダ６６が取付けられ、該第２エンコーダ６６は前記内フレーム５３に対する前記傾斜検出ユニット５６の上下方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６は、演算部６８に電気的に接続され、検出結果は該演算部６８に入力される。

前記傾斜検出ユニット５６は、第１傾斜センサ７１、第２傾斜センサ７２を有しており、該第１傾斜センサ７１、該第２傾斜センサ７２は、前記演算部６８に電気的に接続されている。前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２の検出結果は、前記演算部６８に入力される。

前記姿勢検出ユニット２６について、図５により更に説明する。

該姿勢検出ユニット２６は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２、前記演算部６８、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の他に、更に記憶部７３、入出力制御部７４を具備している。

前記記憶部７３には、姿勢検出の為の演算プログラム等のプログラム、及び演算データ等のデータ類を格納している。

前記入出力制御部７４は、前記演算部６８から出力される制御指令に基づき前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、前記演算部６８で演算した傾斜検出結果を検出信号として出力する。

前記第１傾斜センサ７１は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ７２は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

尚、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２のいずれも、前記第１エンコーダ６２が検出する回転方向（傾斜方向）、前記第２エンコーダ６６が検出する回転方向（傾斜方向）の２軸方向の傾斜を個別に検出可能となっている。

前記演算部６８は、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角により前記測量装置１の鉛直に対する傾斜角を演算する。

演算された前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角を合成することで傾斜角、傾斜方向が演算される。該傾斜角、傾斜方向は水平に対する前記筐体７、即ち前記測定ユニット２０の傾斜角、傾斜方向（相対傾斜角）に対応する。

而して、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記演算部６８は相対傾斜角検出部を構成する。

尚、前記姿勢検出ユニット２６は、前記外フレーム５１が水平に設置された場合に、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する様に設定され、更に前記第１エンコーダ６２の出力、前記第２エンコーダ６６の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。

以下、前記姿勢検出ユニット２６の作用について説明する。

先ず、高精度に傾斜を検出する場合について説明する。

前記姿勢検出ユニット２６が傾斜すると、前記第１傾斜センサ７１が傾斜に応じた信号を出力する。

前記演算部６８は、前記第１傾斜センサ７１からの信号に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に演算結果に基づき傾斜角、傾斜方向を０にする為の、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の回転量を演算し、前記入出力制御部７４を介して前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を前記回転量駆動する駆動指令を発する。

前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動により、演算された傾斜角、傾斜方向の逆に傾斜する様、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５が駆動される。モータの回転量（回転角）は前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６によって検出され、回転角が前記演算結果となったところで前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動が停止される。

この状態では、前記外フレーム５１、前記内フレーム５３が傾斜した状態で、前記傾斜検出ユニット５６が水平に制御される。

従って、該傾斜検出ユニット５６を水平とする為に、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５により、前記内フレーム５３、前記傾斜検出ユニット５６を傾斜させた傾斜角は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６で検出した回転角に基づき求められる。

前記演算部６８は、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出した時の、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の検出結果に基づき前記姿勢検出ユニット２６の水平に対する傾斜角、傾斜方向を演算する。この演算結果が、該姿勢検出ユニット２６の傾斜後の姿勢を示す。

従って、前記演算部６８が演算する傾斜角、傾斜方向は、前記測量装置１の水平に対する傾斜角、傾斜方向となる。

前記演算部６８は、演算された傾斜角、傾斜方向を前記姿勢検出ユニット２６の検出信号として前記入出力制御部７４を介して外部に出力する。

前記姿勢検出ユニット２６では、図４に示される構造の通り、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３の回転を制約するものがなく、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３は共に３６０゜以上の回転が可能である。即ち、前記姿勢検出ユニット２６がどの様な姿勢となろうとも（例えば、前記姿勢検出ユニット２６の天地が逆になった場合でも）、全方向での姿勢検出が可能である。

高応答性を要求する場合は、前記第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき姿勢検出と姿勢制御が行われるが、該第２傾斜センサ７２は前記第１傾斜センサ７１に比べ検出精度が悪いのが一般的である。

本実施例では、高精度の該第１傾斜センサ７１と高応答性の前記第２傾斜センサ７２を具備することで、該第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき姿勢制御を行い、前記第１傾斜センサ７１により高精度の姿勢検出を可能とする。

つまり、該第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角に基づき、該傾斜角が０°になる様に前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、更に前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する迄前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動を継続することにより、高精度に姿勢を検出することが可能となる。前記第１傾斜センサ７１が水平を検出した時の前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の値（即ち実際の傾斜角）と前記第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角との間で偏差を生じれば、該偏差に基づき前記第２傾斜センサ７２の傾斜角を較正することができる。

従って、予め、該第２傾斜センサ７２の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ７１による水平検出と前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の検出結果に基づき、求めた傾斜角との関係を取得しておけば、前記第２傾斜センサ７２に検出された傾斜角の較正（キャリブレーション）をすることができ、該第２傾斜センサ７２による高応答性での姿勢検出の精度を向上させることができる。

上述した様に、前記姿勢検出ユニット２６により、前記測量装置１の設置状態での傾斜角、傾斜方向が高精度で検出でき、検出結果に基づき測定結果を補正できるので、前記測量装置１を水平に整準する必要がない。即ち、どの様な設置状態でも高精度の測定が可能であり、前記測量装置１が整準装置を具備する必要がない。

次に、前記撮像ユニット２７は、前記撮像光軸５を有している。該撮像光軸５は、前記光軸偏向ユニット３６が前記測距光軸４を偏向していない状態で、該測距光軸４と平行となる様に設定されている。前記撮像光軸５上に結像レンズ４８、撮像素子４９が設けられている。

前記撮像ユニット２７の画角は、前記光軸偏向ユニット３６により光軸を偏向可能な範囲と同等、又は若干大きく設定されており、前記撮像ユニット２７の画角は、例えば５゜となっている。

又、前記撮像素子４９は、画素の集合体である、ＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、各カメラの光軸を原点とした座標系で位置が特定される。

先ず、前記測量装置１による測定作動について、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）を参照して説明する。尚、図６（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂについて、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂを分離して示している。又、図６（Ａ）で示される前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線の光軸（前記測距光軸４）は前記射出光軸３１と平行となる。

前記発光素子３２から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ３３で平行光束とされ、前記測距光偏向部３６ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透過して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部３６ａを透過することで、測距光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記反射測距光偏向部３６ｂ（前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ）を透過して入射され、前記結像レンズ３９により前記受光素子３８に集光される。

前記反射測距光が前記反射測距光偏向部３６ｂを透過することで、前記反射測距光の光軸は、前記受光光軸３７と合致する様に前記プリズム要素４３ａ，４３ｂによって偏向される（図６（Ａ））。

前記プリズム要素４２ａと前記プリズム要素４２ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。

又、前記プリズム要素４２ａと前記プリズム要素４２ｂとの位置関係を固定した状態で（前記プリズム要素４２ａと前記プリズム要素４２ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４７ａ，４７ｂにより、前記プリズム要素４２ａと前記プリズム要素４２ｂとを一体に回転することで、前記測距光偏向部３６ａを透過した測距光が描く軌跡は前記測距光軸４を中心とした円となる。

従って、前記発光素子３２よりレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向ユニット３６を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、前記反射測距光偏向部３６ｂは、前記測距光偏向部３６ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図６（Ｂ）は前記プリズム要素４２ａと前記プリズム要素４２ｂとを相対回転させた場合を示している。前記プリズム要素４２ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記プリズム要素４２ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによる光軸の偏向は、該プリズム要素４２ａ，４２ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、角度差θを変化させる度に、前記光軸偏向ユニット３６を１回転させれば、直線状に測距光を走査させることができる。

更に、図６（Ｃ）に示される様に、前記プリズム要素４２ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記プリズム要素４２ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記プリズム要素４２ａ、前記プリズム要素４２ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記射出光軸３１を中心とした照射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記光軸偏向ユニット３６（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記光軸偏向ユニット３６の偏角を変更しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで走査軌跡上の測定点についての測距データを取得することができる。

又、各測距光の射出方向角は、前記モータ４７ａ，４７ｂの回転角により検出でき、射出方向角と測距データとを関連付けることで、３次元の測距データを取得することができる。

更に、前記射出光軸３１の水平に対する傾きは、前記姿勢検出ユニット２６によって検出することができ、該姿勢検出ユニット２６が検出した傾きに基づき前記測距データを補正し、高精度の測距データとすることができる。

次に、本実施例では、３次元の測距データを取得すると共に画像データを取得することもできる。

測定対象物が選択されると、該測定対象物が前記撮像ユニット２７によって捕捉される様、前記測量装置１を測定対象物へ向ける。前記撮像ユニット２７で取得された画像は、前記表示部１１に表示される。

前記撮像ユニット２７で取得された画像は、前記測量装置１の測定範囲と一致、又は略一致しているので、測定者は視覚によって容易に測定範囲を特定できる。

又、前記測距光軸４と前記撮像光軸５は、平行であり、且つ両光軸は既知の関係であるので、前記演算処理ユニット２４は前記撮像ユニット２７による画像上で画像中心と前記測距光軸４とを一致させることができる。更に、前記演算処理ユニット２４は、測距光の射出方向角を検出することで、該射出方向角に基づき画像上に測定点を特定できる。従って、測定点の３次元データと画像の関連付けを容易に行え、前記撮像ユニット２７で取得した画像を３次元データ付の画像とすることができる。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、前記撮像ユニット２７で取得した画像と、測定点の取得軌跡との関係を示している。尚、図７（Ａ）では、測距光が同心多重円状に走査された場合を示しており、図７（Ｂ）では、測距光が直線状に往復走査された場合を示している。図中、１７は走査軌跡を示しており、測定点は該走査軌跡１７上に位置する。

尚、上記説明では、前記測距光偏向部３６ａと前記反射測距光偏向部３６ｂとを同一の光学プリズム上に形成し、一体としたが、前記射出光軸３１と前記受光光軸３７とを分離し、前記射出光軸３１と前記受光光軸３７にそれぞれ個別に前記測距光偏向部３６ａと前記反射測距光偏向部３６ｂとを設け、更に前記測距光偏向部３６ａと前記反射測距光偏向部３６ｂによる偏向方向が合致する様、前記測距光偏向部３６ａと前記反射測距光偏向部３６ｂとを同期回転する様にしてもよい。

以下、前記測量装置１の測定作用について説明する。

先ず、図８、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）を参照して、測定対象物の鉛直を測定する場合を説明する。

尚、以下の説明では、図８に示される様に、測定対象物８１の倒れとは、鉛直線８３に対する傾きを意味する。

図９（Ａ）は、前記撮像ユニット２７で撮像した前記測定対象物８１の画像８２を示している。該画像８２は、前記撮像ユニット２７の傾きを含んでいるので、前記画像８２自体から得られる鉛直は、実際の鉛直とは異なっている。

前記画像８２を撮像した時の、前記撮像ユニット２７、即ち前記測量装置１の水平に対する傾斜角、傾斜方向は前記姿勢検出ユニット２６によって検出することができる。検出された傾斜角、傾斜方向は、撮像時の画像の傾き、傾斜方向となっている。前記演算処理ユニット２４は、この傾き、傾斜方向に基づき画像の水平、又は鉛直に対する傾斜を演算し、この演算結果に基づき、画像中に複数の前記鉛直線８３、複数の水平線８４を表す（図９（Ｂ））。

前記画像８２は、遠近画像（近くのものが大きく、遠くのものが小さく表示された画像）となっているので、該画像８２中では、前記鉛直線８３間の距離が上方ほど狭くなっている（図９（Ｂ））。前記演算処理ユニット２４は、前記鉛直線８３が平行となる様に画像処理する。以後、画像処理（鉛直画像に変換）後の画像を、鉛直画像８２′と称す（図９（Ｃ））。

以下、図１０（Ａ）〜図１０（Ｈ）、図１１を参照して、前記鉛直画像８２′とスキャン測定による建物（前記測定対象物８１）の鉛直部位と水平部位の検出、測定について説明する。

（鉛直部位、横部位検出）
ＳＴＥＰ：０１ 前記鉛直画像８２′にＳｏｂｅｌフィルタ（空間１次微分）を施し、画像の建物の鉛直部位８７を抽出した鉛直部位画像８８（図１０（Ｂ））を取得する。

ＳＴＥＰ：０２ 前記鉛直画像８２′にＳｏｂｅｌフィルタ（空間１次微分）を施し、画像の建物の水平部位８９を抽出した横部位画像９０（図１０（Ｃ））を取得する。

（連結鉛直部位検出）
ＳＴＥＰ：０３ 前記鉛直部位画像８８に鉛直成分平滑するＢｏｘフィルタを施し、鉛直部位画像の途切れを連結した連結鉛直部位画像９１（図１０（Ｄ））を取得する。

（特徴的連結鉛直部位の検出）
ＳＴＥＰ：０４ 該連結鉛直部位画像９１に於いて、所定の長さや強度を選定基準に建物の特徴を示す特徴的連結鉛直部位画像９２を取得し、建物を特徴付ける鉛直部位推定線（以後、建物の鉛直部位推定線９３と称す）を求める（図１０（Ｅ））。

該建物の鉛直部位推定線９３を取得することで、該建物の鉛直部位推定線９３の状態から建物、即ち測定対象物の鉛直状態を即座に測定値として得ることができる。

（スキャン候補部位検出）
ＳＴＥＰ：０５ 前記鉛直部位画像８８と前記特徴的連結鉛直部位画像９２のＡＮＤ処理により、スキャンすべき位置候補となるスキャン候補部位９４を取得する（図１０（Ｆ））。

（スキャン測定）
ＳＴＥＰ：０６ 建物の各鉛直部位推定線９３の内、スキャン候補部位９４について、それぞれ少なくとも１点を測定点９５として抽出する。各測定点９５について、前記測距光軸４の方向角と、前記測定点９５の画像中の位置に基づき測定点９５の位置が演算される。又、画像中の測定点９５の位置から、前記測距光軸４に対する偏角、偏向方向が演算される。

（建物の鉛直部位の水平距離測定）
ＳＴＥＰ：０７ 前記モータ４７ａ，４７ｂを駆動し、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂを所要の方向に回転させスキャンする（図６（Ａ）〜図６（Ｃ）参照）。更に、スキャンする過程で演算された偏角、偏向方向に基づき前記測距光軸４を測定点９５を通過（鉛直部位を交差）させながら、該測定点９５の水平距離を測定する。

鉛直線上にある全ての点は水平距離が同じであることから、測定対象物が傾きがなく、前記鉛直部位や前記連結鉛直部位が正確に鉛直なら、測定は前記鉛直部位の任意の１点のみでよい。測定対象物が傾きを生じた場合でも、測定は前記連結鉛直部位の数点で済み、測定点を大幅に減らすことができる。

又、スキャンの方向は、前記スキャン候補部位９４と交差すればよく、水平に限らない。

よって、鉛直線上の全ての点の水平距離は同一であり、建物の鉛直部位を基準として建物の水平平面図を作成することができる。

（高さの測定）
ＳＴＥＰ：０８ 鉛直部位と横部位との交点を求める。該交点について、交点を含む鉛直部位の水平距離と交点の画像中の位置に基づき交点の高さを求める。所要の交点について、それぞれ高さを算出する（図１０（Ｇ））。

（水平部位の推定）
ＳＴＥＰ：０９ 交点の内、同一高さを結ぶ横部位を前記建物の水平部位８９として捉え、水平線９６を推定できる（図１０（Ｈ））。

（３次元モデルの作製）
ＳＴＥＰ：１０ 上記した様に、建物は、通常鉛直部位と水平部位によって構成されており、画像中の建物について、鉛直部位、水平部位を推定する（抽出する）ことで、鉛直部位、水平部位で形成される３次元モデルを簡単に得ることができる。

而して、極めて少ない測定点の数で、建物の外形測定を行うことができる。

１ 測量装置
２ 三脚
４ 測距光軸
５ 撮像光軸
６ 鉛直線
１１ 表示部
１２ 操作部
１４ 縦軸心
１５ 横軸心
１７ 走査軌跡
２１ 測距光射出部
２２ 受光部
２３ 測距部
２４ 演算処理ユニット
２５ 射出方向検出部
２６ 姿勢検出ユニット
２７ 撮像ユニット
３１ 射出光軸
３２ 発光素子
３６ 光軸偏向ユニット
３６ａ 測距光偏向部
３６ｂ 反射測距光偏向部
３７ 受光光軸
３８ 受光素子
４１ａ，４１ｂ 光学プリズム
４２ａ，４２ｂ プリズム要素
４３ａ，４３ｂ プリズム要素
４４ａ，４４ｂ リングギア
４７ａ，４７ｂ モータ
４９ 撮像素子
５１ 外フレーム
５３ 内フレーム
５６ 傾斜検出ユニット
６１ 第１モータ
６２ 第１エンコーダ
６５ 第２モータ
６６ 第２エンコーダ
７１ 第１傾斜センサ
７２ 第２傾斜センサ
７３ 記憶部
７４ 入出力制御部
８３ 鉛直線
８４ 水平線
８７ 建物の鉛直部位
８９ 建物の水平部位
９５ 測定点

Claims (4)

1. 測距光を測定対象物に向って射出し、該測定対象物からの反射測距光を受光して測距を行う測定ユニットと、前記測距光の射出光軸と平行な撮像光軸を有し、前記測定対象物を含む画像を撮像する撮像ユニットと、該撮像ユニットと一体的に設けられた姿勢検出ユニットと、
   前記測距光の前記射出光軸上に設けられた光軸偏向ユニットと、
   演算処理ユニットとを具備し、前記姿勢検出ユニットは、水平を検出する傾斜センサと、該傾斜センサが水平を検出する様に、該傾斜センサを傾動させると共に該傾斜センサが水平を検出する状態での前記測定ユニットの水平に対する傾斜角を検出する相対傾斜角検出部を有し、
   前記演算処理ユニットは、前記姿勢検出ユニットの検出結果に基づき、鉛直に対する画像の傾斜を演算し、この演算結果に基づき前記撮像ユニットが取得した画像中に鉛直線を表示し、
   又、前記演算処理ユニットは、画像中に示される前記鉛直線が平行となる様に、画像処理し、鉛直画像を作成し、
   又、前記演算処理ユニットは、前記測定対象物の鉛直部位を抽出し、該鉛直部位を交差する様に前記光軸偏向ユニットを制御して前記測距光をスキャンし、前記鉛直部位と交差する交点を測距し、該鉛直部位の水平距離を求める様構成された測量装置。
2. 前記測距光の前記射出光軸上に設けられた光軸偏向ユニットを更に具備し、該光軸偏向ユニットにより、前記測定対象物の所要点に前記測距光を照射し、前記所要点の測距を行う様にした請求項１に記載の測量装置。
3. 前記演算処理ユニットは、前記測定対象物の横部位を抽出し、該横部位と前記鉛直部位との交点の高さを該鉛直部位の水平距離に基づいて演算し、同一高さの交点を結ぶ前記横部位を前記測定対象物の水平部位として捉え、該水平部位の所要点を交差する様に前記測距光をスキャンして測距し、前記測定対象物の水平距離と高さを求める請求項１に記載の測量装置。
4. 前記演算処理ユニットは、前記鉛直部位と前記水平部位を基に前記測定対象物の３次元モデルを作製する請求項３に記載の測量装置。