JP7344060B2 - ３次元測量装置、３次元測量方法および３次元測量プログラム - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置、３次元測量方法および３次元測量プログラムに関する。

特許文献１には、トータルステーションと、レーザスキャナユニットと、を備えた測量システムが開示されている。トータルステーションは、測定点の３次元座標（３次元データ）を高精度に測定する測量装置である。レーザスキャナユニットは、測距光としてパルスレーザ光を回転照射し、パルスレーザ光毎に測距を行い、点群データを取得する。より具体的には、レーザスキャナユニットは、測距光としてパルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射したパルスレーザ光毎の反射光を受光して、測定対象物までの距離を測定するとともに測距光の照射方向（水平角および鉛直角）を検出することにより、測定対象物の多数点の３次元データ（３次元点群データ）を取得する。

トータルステーションの測定精度は、工業計測を含めて非常に高い。例えば、トータルステーションは、測量の分野で使用される場合において、距離精度で１ｍｍ以下の測定精度を確保することができ、また、角度精度も一級経緯儀等で要求される充分な精度を確保することができる。レーザスキャナユニットは、１秒間に数十万点の点群測定を実行可能であり、非常に高速で高効率な測量を実現することができる。

例えば、トータルステーションが３次元データを高精度に測定し、レーザスキャナユニットが高速に点群データを取得した後では、トータルステーションにより取得された３次元データと、レーザスキャナユニットにより取得された点群データと、が測量装置とは異なる他のコンピュータなどに入力される。そして、トータルステーションにより取得された３次元データと、レーザスキャナユニットにより取得された点群データと、の位置合わせ、対応付け、あるいは関連付けなどを行う点群データのレジストレーションが他のコンピュータにより実行される。

しかし、トータルステーションにより取得された３次元データと、レーザスキャナユニットにより取得された点群データと、によっては、レジストレーションにおいて比較的長い処理時間が必要になったり、レジストレーションが完了できなかったりすることがある。また、レジストレーションの処理時間を短縮化したり、レジストレーションをより確実に完了させたりするために、点群データのレジストレーションを手動で行うことがある。このように、測定対象物の点群データを取得する３次元測量装置には、点群データのレジストレーションにおいて時間や手間がかかるという点において改善の余地がある。

特開２０１７－２２３５４０号公報

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる３次元測量装置、３次元測量方法および３次元測量プログラムを提供することを目的とする。

前記課題は、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、望遠鏡部の視準により前記測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、を備え、前記制御演算部は、前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標を算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、記憶された前記機械基準点の座標に基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行う制御を実行することを特徴とする本発明に係る３次元測量装置により解決される。

本発明に係る３次元測量装置によれば、測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットが、測定対象物に関する測距および測角を行う視準測距ユニットと一体で設けられている。制御演算部は、視準測距ユニットの望遠鏡部の視準により測量位置における視準測距ユニットの機械基準点の座標を算出して記憶する。また、制御演算部は、スキャナユニットを制御することにより測量位置において取得された点群データを記憶する。そして、制御演算部は、記憶された視準測距ユニットの機械基準点の座標に基づいてスキャナユニットにより取得された点群データの位置合わせを行う制御を実行する。これにより、スキャナユニットにより取得された点群データは、自動的に正しい位置にアライメントされる。そのため、点群データのレジストレーションが実行される際に、比較的長い処理時間が必要になったり、点群データのレジストレーションが完了できなかったり、点群データのレジストレーションを手動で行うことで手間がかかったりすることを抑えることができる。これにより、本発明に係る３次元測量装置は、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる。

本発明に係る３次元測量装置において、好ましくは、前記制御演算部は、前記スキャナユニットにより取得された前記点群データに含まれる複数の前記３次元データに基づいて、前記位置合わせを行った前記点群データの詳細位置合わせを行う制御を実行することを特徴する。

本発明に係る３次元測量装置によれば、制御演算部は、スキャナユニットにより取得された点群データに含まれる複数の３次元データに基づいて、位置合わせを行った点群データの詳細位置合わせを行う制御を実行する。そのため、視準測距ユニットにより取得された３次元データが仮に誤差を含む場合であっても、制御演算部は、スキャナユニットにより取得された多数の測定点の３次元データを用いることにより、点群データの位置合わせを修正し、より高精度な点群データの位置合わせを行うことができる。そのため、スキャナユニットにより取得された点群データは、より一層正しい位置にアライメントされる。これにより、本発明に係る３次元測量装置は、点群データのレジストレーションをより一層効率的に実行することができる。

本発明に係る３次元測量装置において、好ましくは、前記制御演算部は、互いに異なる複数の前記測量位置のそれぞれにおいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データに含まれる複数の前記３次元データに基づいて、前記詳細位置合わせを行うことを特徴とする。

本発明に係る３次元測量装置によれば、制御演算部は、互いに異なる複数の測量位置のそれぞれにおいてスキャナユニットにより取得された点群データに含まれる複数の３次元データに基づいて点群データの詳細位置合わせを行う。そのため、測定対象物が例えばビルなどの比較的高い建築物である場合において、計測用ターゲットの設置可能な箇所が所定の箇所に限定されるときであっても、制御演算部は、各測量位置においてスキャナユニットにより取得された多数の測定点の３次元データを用いることにより、測定対象物の所定の面などの特徴部分に関する各測量位置における３次元データの不整合を調整し、より高精度な点群データの位置合わせを行うことができる。そのため、スキャナユニットにより取得された点群データは、より一層正しい位置にアライメントされる。これにより、本発明に係る３次元測量装置は、点群データのレジストレーションをより一層効率的に実行することができる。

前記課題は、望遠鏡部の視準により測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、を備え、前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置が実行する３次元測量方法であって、前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標を算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、記憶された前記機械基準点の座標に基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行うステップを備えたことを特徴とする本発明に係る３次元測量方法により解決される。

本発明に係る３次元測量方法によれば、３次元測量方法を実行する３次元測量装置において、測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットは、測定対象物に関する測距および測角を行う視準測距ユニットと一体で設けられている。そして、視準測距ユニットの望遠鏡部の視準により測量位置における視準測距ユニットの機械基準点の座標が算出されて記憶される。また、スキャナユニットを制御することにより測量位置において取得された点群データが記憶される。そして、記憶された視準測距ユニットの機械基準点の座標に基づいてスキャナユニットにより取得された点群データの位置合わせを行うステップが実行される。これにより、スキャナユニットにより取得された点群データは、自動的に正しい位置にアライメントされる。そのため、点群データのレジストレーションが実行される際に、比較的長い処理時間が必要になったり、点群データのレジストレーションが完了できなかったり、点群データのレジストレーションを手動で行うことで手間がかかったりすることを抑えることができる。これにより、本発明に係る３次元測量方法は、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる。

前記課題は、望遠鏡部の視準により測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、を備え、前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置のコンピュータによって実行される３次元測量プログラムであって、前記コンピュータに、前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標を算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、記憶された前記機械基準点の座標に基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行うステップを実行させることを特徴とする本発明に係る３次元測量プログラムにより解決される。

本発明に係る３次元測量プログラムによれば、３次元測量プログラムを実行するコンピュータを備える３次元測量装置において、測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットは、測定対象物に関する測距および測角を行う視準測距ユニットと一体で設けられている。そして、視準測距ユニットの望遠鏡部の視準により測量位置における視準測距ユニットの機械基準点の座標が算出されて記憶される。また、スキャナユニットを制御することにより測量位置において取得された点群データが記憶される。そして、記憶された視準測距ユニットの機械基準点の座標に基づいてスキャナユニットにより取得された点群データの位置合わせを行うステップが実行される。これにより、スキャナユニットにより取得された点群データは、自動的に正しい位置にアライメントされる。そのため、点群データのレジストレーションが実行される際に、比較的長い処理時間が必要になったり、点群データのレジストレーションが完了できなかったり、点群データのレジストレーションを手動で行うことで手間がかかったりすることを抑えることができる。これにより、本発明に係る３次元測量プログラムは、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる。

本発明によれば、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる３次元測量装置、３次元測量方法および３次元測量プログラムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る３次元測量装置の構造系を主として表すブロック図である。 本実施形態に係る３次元測量装置の制御系を主として表すブロック図である。 本実施形態に係る３次元測量装置の第１動作を表すフローチャートである。 本実施形態に係る３次元測量装置の第２動作を表すフローチャートである。 本実施形態に係る３次元測量装置の第３動作を表すフローチャートである。 本実施形態に係る３次元測量装置が複数の測量位置で測定対象物の点群データを取得する状況を例示する模式図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る３次元測量装置の構造系を主として表すブロック図である。
図２は、本実施形態に係る３次元測量装置の制御系を主として表すブロック図である。

本実施形態に係る３次元測量装置２は、視準測距ユニット４と、スキャナユニット５と、を備え、例えば建築物などの測定対象物７の３次元データを取得する。視準測距ユニット４は、例えばトータルステーションなどと呼ばれ、望遠鏡部４５の視準により、測定対象物７に第１測距光４５５（図２参照）を照射し、第１測距光４５５が測定対象物７で反射した第１反射測距光４５６（図２参照）と第１内部参照光（図示せず）とに基づいて測定対象物７までの距離を測定するとともに、第１測距光４５５の照射方向すなわち望遠鏡部４５の視準の方向を検出する。つまり、視準測距ユニット４は、測距および測角を行う機器である。視準測距ユニット４の詳細については、後述する。

視準測距ユニット４が測距および測角を行う測定対象物には、例えばプリズムなどの計測用ターゲット６が含まれる。つまり、視準測距ユニット４は、測定対象物として例えばプリズムなどの計測用ターゲット６に関する測距および測角を行うことができる。計測用ターゲット６として用いられるプリズムは、特には限定されず、例えば全周プリズムや球状プリズムや面状プリズムなどである。

スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と一体で設けられている。本実施形態に係る３次元測量装置２では、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４の上部に固定されている。なお、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４に対して回転自在に設けられていてもよい。スキャナユニット５は、測定対象物７に第２測距光５６５（図２参照）を照射し、第２測距光５６５が測定対象物７で反射した第２反射測距光５６６（図２参照）と第２内部参照光（図示せず）とに基づいて測定対象物７までの距離を測定するとともに、第２測距光５６５の照射方向を検出する。スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と同様に、測距および測角を行う機器である。

より具体的には、スキャナユニット５は、第２測距光５６５を回転照射し、測定対象物７までの距離を測定するとともに第２測距光５６５の照射方向を検出することにより、測定対象物７に関する多数の測定点の３次元座標（３次元データ）を取得する。すなわち、スキャナユニット５は、測定対象物７における多数の測定点の３次元データ（点群データ）を取得する。スキャナユニット５の詳細については、後述する。

本実施形態の視準測距ユニット４は、整準部４１と、第１托架部４２と、第１水平回転部４３と、第１鉛直回転部４４と、望遠鏡部４５と、制御演算部４６と、操作表示部４７と、基盤部４８と、傾斜計４９と、を有する。なお、視準測距ユニット４は、傾斜計４９を必ずしも有していなくともよい。視準測距ユニット４は、測定対象物としての計測用ターゲット６を自動的に探す自動追尾機能を有していてもよい。

制御演算部４６は、演算部４６１と、第１距離測定部４６２と、第１水平回転駆動部４６３と、第１鉛直回転駆動部４６４と、第２距離測定部４６５と、第２鉛直回転駆動部４６７と、記憶部４６８と、画像処理部４６９と、を有する。演算部４６１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などであり、操作表示部４７の操作入力部４７２から送信された信号（指令）に基づいて、プログラムの起動や、信号の制御処理や、演算や、操作表示部４７の表示部４７１などの駆動制御などを実行する。すなわち、演算部４６１は、３次元測量装置２の全体の制御を行うとともに、測量条件や、測定結果（測距結果および測角結果）や、画像処理された結果（２Ｄ受光光量の画像）などを表示部４７１に表示させる。

なお、制御演算部４６は、スキャナユニット５に設けられていてもよく、視準測距ユニット４およびスキャナユニット５の両方に設けられていてもよい。すなわち、制御演算部４６は、視準測距ユニット４およびスキャナユニット５の少なくともいずれかに設けられる。

第１距離測定部４６２、第１水平回転駆動部４６３、第１鉛直回転駆動部４６４、第２距離測定部４６５、第２鉛直回転駆動部４６７、および画像処理部４６９は、記憶部４６８に格納（記憶）されているプログラムを演算部４６１が実行することにより実現される。なお、第１距離測定部４６２、第１水平回転駆動部４６３、第１鉛直回転駆動部４６４、第２距離測定部４６５、第２鉛直回転駆動部４６７、および画像処理部４６９は、ハードウェアによって実現されてもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。

記憶部４６８には、例えば、測定のためのシーケンスプログラムや、画像処理のための画像処理プログラムや、演算プログラムなどが格納されている。記憶部４６８としては、例えば、３次元測量装置２に内蔵された半導体メモリなどが挙げられる。あるいは、記憶部４６８としては、３次元測量装置２に接続可能なＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＲＡＭ（Random access memory）、ＲＯＭ（Read only memory）、ハードディスク、メモリカードなどの種々の記憶媒体が挙げられる。

制御演算部４６を含むコンピュータによって実行されるプログラムは、本発明の「３次元測量プログラム」に相当する。ここでいう「コンピュータ」とは、パソコンには限定されず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本発明の機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。

整準部４１は、三脚（図示せず）に取付けられる部分であり、例えば３つの調整螺子４１１を有する。整準部４１の整準は、測量位置において、第１托架部４２に設けられた傾斜センサ（図示せず）が水平を検出するように調整螺子４１１が調整されることにより行われる。すなわち、第１托架部４２は、測量位置において、調整螺子４１１による整準が行われることで水平に維持される。

第１水平回転部４３は、第１水平回転軸４３１と、軸受４３２と、第１水平駆動モータ４３３と、第１水平角検出器（例えばエンコーダ）４３４と、を有する。第１水平回転軸４３１は、鉛直に延びた第１鉛直軸心４３６を有し、軸受４３２を介して基盤部４８に回転自在に支持されている。第１托架部４２は、第１水平回転軸４３１に支持され、第１水平駆動モータ４３３から伝達された駆動力により第１鉛直軸心４３６を中心として水平方向に第１水平回転軸４３１と一体的に回転する。

基盤部４８に対する第１水平回転軸４３１の回転角（すなわち第１托架部４２の回転角）は、第１水平角検出器４３４によって検出される。第１水平角検出器４３４の検出結果は、演算部４６１に入力される。第１水平駆動モータ４３３の駆動は、第１水平角検出器４３４の検出結果に基づいて第１水平回転駆動部４６３により制御される。

第１鉛直回転部４４は、第１鉛直回転軸４４１と、軸受４４２と、第１鉛直駆動モータ４４３と、第１鉛直角検出器（例えばエンコーダ）４４４と、を有する。第１鉛直回転軸４４１は、水平に延びた第１水平軸心４４６を有し、軸受４４２を介して第１托架部４２に回転自在に支持されている。第１鉛直回転軸４４１の一方の端部は、第１托架部４２の間隙部４２１に突出している。望遠鏡部４５は、第１托架部４２の間隙部４２１に突出した第１鉛直回転軸４４１の一方の端部に支持され、第１鉛直駆動モータ４４３から伝達された駆動力により第１水平軸心４４６を中心として鉛直方向に第１鉛直回転軸４４１と一体的に回転する。

第１鉛直角検出器４４４は、第１鉛直回転軸４４１の他方の端部に設けられている。第１托架部４２に対する第１鉛直回転軸４４１の回転角（すなわち望遠鏡部４５の回転角）は、第１鉛直角検出器４４４により検出される。第１鉛直角検出器４４４の検出結果は、演算部４６１に入力される。第１鉛直駆動モータ４４３の駆動は、第１鉛直角検出器４４４の検出結果に基づいて第１鉛直回転駆動部４６４により制御される。

望遠鏡部４５は、前述したように、第１鉛直回転軸４４１に支持され、第１鉛直駆動モータ４４３から伝達された駆動力により第１水平軸心４４６を中心として鉛直方向に回転する。望遠鏡部４５は、視準望遠鏡４５８を有し、計測用ターゲット６を含む測定対象物７に視準され第１測距光４５５を照射する。第１測距光４５５は、望遠鏡部４５の測距光軸上に射出される。望遠鏡部４５の測距光軸は、第１鉛直軸心４３６と交差するとともに、第１水平軸心４４６と直交する。望遠鏡部４５の測距光軸と、第１鉛直軸心４３６と、の交差点は、視準測距ユニット４の機械基準点に設定されてもよい。本実施形態の説明では、視準測距ユニット４の機械基準点が、望遠鏡部４５の測距光軸と、第１鉛直軸心４３６と、の交差点である場合を例に挙げる。

望遠鏡部４５は、第１測距発光部４５１と、第１測距受光部４５２と、視準受光部４５３と、を有する。

第１測距発光部４５１は、第１距離測定部４６２により駆動制御される。第１測距発光部４５１は、望遠鏡部４５の内部に設けられ、例えばレーザ光などの第１測距光４５５を第１水平軸心４４６に直交する方向に射出する。第１測距発光部４５１から射出された第１測距光４５５は、測定対象物７に照射される。なお、前述したように、視準測距ユニット４が測距および測角を行う測定対象物は、建築物などの測定対象物７に限定されるわけではなくプリズムなどの計測用ターゲット６であってもよい。測定対象物７で反射した第１反射測距光４５６は、望遠鏡部４５の内部に設けられた第１測距受光部４５２において受光される。第１測距受光部４５２は、受光した第１反射測距光４５６による明暗（受光結果）を電子信号（受光信号）に変換し、受光信号を第１距離測定部４６２に送信する。また、第１測距受光部４５２は、参照光光学部（図示せず）から導かれた内部参照光（図示せず）を受光し電気信号に変換して、第１距離測定部４６２に送信する。

第１距離測定部４６２は、第１測距受光部４５２から送信された受光信号に基づいて測定対象物７までの距離を演算する。すなわち、第１反射測距光４５６および内部参照光は、第１反射測距光電気信号および内部参照光電気信号のそれぞれに変換され、第１距離測定部４６２に送られる。測定対象物７までの距離は、第１反射測距光電気信号と内部参照光電気信号との間の時間的間隔の差に基づいて測定される。第１距離測定部４６２の演算結果は、演算部（ＣＰＵ）４６１に入力される。

演算部４６１は、測定した測定対象物７までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、測定対象物７の座標を算出する。あるいは、演算部４６１は、測定した測定対象物７までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、所定位置を基準とした視準測距ユニット４の機械基準点の座標を算出してもよい。

視準受光部４５３は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などのイメージセンサであり、第１反射測距光４５６の波長域とは異なる波長域の反射視準光４５７を受光する。反射視準光４５７は、第１反射測距光４５６の波長域とは異なる波長域を有する光であって、測定対象物７で反射した光である。すなわち、視準受光部４５３は、測定対象物７で反射した反射視準光４５７を受光し、測定対象物７の画像を受光する。反射視準光４５７としては、例えば自然光や赤外光などが挙げられる。但し、反射視準光４５７は、これだけには限定されない。反射視準光４５７は、望遠鏡部４５の内部に設けられた視準受光部４５３において受光される。視準受光部４５３は、反射視準光４５７による明暗（受光結果）を電子信号（画像信号）に変換し、画像信号を画像処理部４６９に送信する。

画像処理部４６９は、視準受光部４５３から送信された画像信号の画像処理を実行し、画像データ信号として演算部４６１に送信する。演算部４６１は、画像処理部４６９から送信された画像データ信号に基づいて演算を実行し、望遠鏡部４５による視準範囲の画像を操作表示部４７の表示部４７１に表示させる制御を実行する。

傾斜計４９は、重力に対する視準測距ユニット４の傾き（傾斜角）を計測する。傾斜計４９の計測結果は、演算部４６１に入力される。

本実施形態のスキャナユニット５は、第２托架部５２と、第２鉛直回転部５４と、走査鏡５５と、第２測距発光部５６と、第２測距受光部５７と、を有し、視準測距ユニット４の上部に固定されている。なお、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４の第１水平回転部４３と同様の水平回転部を有していてもよい。この場合には、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４に対して水平方向に回転自在に設けられる。

第２鉛直回転部５４は、第２鉛直回転軸５４１と、軸受５４２と、第２鉛直駆動モータ５４３と、第２鉛直角検出器（例えばエンコーダ）５４４と、を有する。第２鉛直回転軸５４１は、水平に延びた第２水平軸心５４６を有し、軸受５４２を介して第２托架部５２に回転自在に支持されている。第２鉛直回転軸５４１の一方の端部は、第２托架部５２の凹部５２１に突出している。走査鏡５５は、第２托架部５２の凹部５２１に突出した第２鉛直回転軸５４１の一方の端部に支持され、第２鉛直駆動モータ５４３から伝達された駆動力により第２水平軸心５４６を中心として鉛直方向に第２鉛直回転軸５４１と一体的に回転する。

第２鉛直角検出器５４４は、第２鉛直回転軸５４１の他方の端部に設けられている。第２托架部５２に対する第２鉛直回転軸５４１の回転角（すなわち走査鏡５５の回転角）は、第２鉛直角検出器５４４により検出される。第２鉛直角検出器５４４の検出結果は、演算部４６１に入力される。第２鉛直駆動モータ５４３の駆動は、第２鉛直角検出器５４４の検出結果に基づいて第２鉛直回転駆動部４６７により制御される。

第２水平軸心５４６は、第１水平軸心４４６と平行である。第１水平軸心４４６と第２水平軸心５４６との間の距離は、既知である。すなわち、第１水平軸心４４６に対する第２水平軸心５４６の位置は、既知である。

走査鏡５５は、偏向光学部材であり、水平方向から入射した第２測距光５６５を直角に反射する。すなわち、走査鏡５５は、水平方向から入射した第２測距光５６５を第２水平軸心５４６に直交する方向に反射する。走査鏡５５は、前述したように、第２鉛直回転軸５４１に支持され、第２鉛直駆動モータ５４３から伝達された駆動力により第２水平軸心５４６を中心として鉛直方向に回転する。これにより、走査鏡５５は、第２測距光５６５を第２水平軸心５４６に交差（具体的には直交）する面内で回転照射させる。また、走査鏡５５は、測定対象物７で反射され走査鏡５５に入射した第２反射測距光５６６を第２測距受光部５７に向かって反射する。すなわち、走査鏡５５は、測定対象物７で反射され走査鏡５５に入射した第２反射測距光５６６を第２水平軸心５４６に平行な方向に反射する。

第２水平軸心５４６と、走査鏡５５と、の交差点は、スキャナユニット５の機械基準点に設定されている。例えば、視準測距ユニット４の機械基準点と、スキャナユニット５の機械基準点と、は、同一直線としての第１鉛直軸心４３６の上に存在する。つまり、スキャナユニット５の機械基準点を通過する鉛直線は、第１鉛直軸心４３６に合致する。視準測距ユニット４の機械基準点と、スキャナユニット５の機械基準点と、の間の距離は、既知である。

図２に表したように、第２測距発光部５６は、発光素子５６１と、対物レンズ等を含む投光光学部５６２と、を有し、第２距離測定部４６５により駆動制御される。発光素子５６１は、例えば半導体レーザ等であり、投光光学部５６２を介して第２測距光５６５を第２水平軸心５４６に合致する光軸上に射出する。第２測距光５６５は、不可視光としての赤外光のパルスレーザ光線である。発光素子５６１は、第２距離測定部４６５に制御され、所要の光強度や所要のパルス間隔などを含む所要の状態でパルス光を発光する。

図２に表したように、第２測距受光部５７は、受光素子５７１と、集光レンズなどを含む受光光学部５７２と、を有する。受光素子５７１は、第２測距光５６５が測定対象物７で反射した第２反射測距光５６６であって、走査鏡５５で反射し受光光学部５７２を透過した第２反射測距光５６６を受光する。受光素子５７１は、受光した第２反射測距光５６６による明暗（受光結果）を電子信号（受光信号）に変換し、受光信号を第２距離測定部４６５および演算部４６１に送信する。また、受光素子５７１は、参照光光学部（図示せず）から導かれた内部参照光（図示せず）を受光し電気信号に変換して、第２距離測定部４６５に送信する。

第２距離測定部４６５は、第２測距受光部５７（具体的には受光素子５７１）から送信された受光信号に基づいて測定対象物７までの距離を演算する。すなわち、第２反射測距光５６６および内部参照光は、第２反射測距光電気信号および内部参照光電気信号のそれぞれに変換され、第２距離測定部４６５に送られる。測定対象物７までの距離は、第２反射測距光電気信号と内部参照光電気信号との間の時間的間隔の差に基づいて測定される。第２距離測定部４６５の演算結果は、演算部４６１に入力される。

演算部４６１は、測定した測定対象物７までの距離と、第２鉛直角検出器５４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、測定対象物７の座標を算出する。また、演算部４６１は、パルス光毎の測定対象物７の座標を記録することで、測定範囲全域に関する点群データ、あるいは測定対象物７に関する点群データを得ることができる。

さらに、演算部４６１は、第２測距受光部５７の受光素子５７１から送信された受光信号に基づいて第２反射測距光５６６の強度（反射強度）を演算し、第２反射測距光５６６の強度を示す画像を望遠鏡部４５による視準範囲の画像に重合させて操作表示部４７の表示部４７１に表示させる制御を実行する。これにより、作業者等は、測定対象物７のうちで、３次元データが取得された測定箇所（点や領域）と、３次元データが取得されなかった測定箇所（点や領域）と、を表示部４７１において確認することができる。すなわち、作業者等は、スキャナユニット５が点群データを取得したときに、測定対象物７のうちに３次元データが取得されていない「抜け部」などと呼ばれるデータ不足部が存在するか否かを表示部４７１において確認することができる。

次に、本実施形態に係る３次元測量装置の動作を、図面を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係る３次元測量装置の第１動作を表すフローチャートである。
なお、図３ならびに後述する図４および図５は、すなわち、本実施形態に係る３次元測量方法により実行されるステップと、本実施形態に係る３次元測量プログラムが３次元測量装置２のコンピュータに実行させるステップと、を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、３次元測量装置２の制御演算部４６は、例えば後方交会法などにより測量位置における視準測距ユニット４の機械基準点の座標と、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の基準視準の方向と、を決定し記憶部４６８に記憶する。すなわち、制御演算部４６は、測量位置において、視準測距ユニット４から例えばプリズムなどの計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、視準測距ユニット４の機械基準点の座標と、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の基準視準の方向と、を算出し記憶部４６８に記憶する。

続いて、ステップＳ１２において、制御演算部４６は、スキャナユニット５を制御することにより、測定対象物７に関する多数の測定点の３次元データ（点群データ）を測量位置において取得し記憶する。

続いて、ステップＳ１３において、制御演算部４６は、記憶された視準測距ユニット４の機械基準点の座標に基づいて、スキャナユニット５により取得された点群データの位置合わせを行う。具体的には、制御演算部４６は、視準測距ユニット４に対するスキャナユニット５の相対的な位置および姿勢をキャリブレーションによって予め与えておくことにより、視準測距ユニット４の機械基準点の座標と、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の基準視準の方向と、に基づいてスキャナユニット５により取得された点群データの位置合わせを行うことができる。このように、本実施形態に係る３次元測量装置２は、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の視準により視準測距ユニット４の機械基準点の座標を算出し、視準測距ユニット４の機械基準点の座標に基づいてスキャナユニット５により取得された点群データのアライメントを行う。

本実施形態に係る３次元測量装置２によれば、スキャナユニット５により取得された点群データは、自動的に正しい位置にアライメントされる。そのため、点群データのレジストレーションが実行される際に、比較的長い処理時間が必要になったり、点群データのレジストレーションが完了できなかったり、点群データのレジストレーションを手動で行うことで手間がかかったりすることを抑えることができる。これにより、本実施形態に係る３次元測量装置２は、点群データのレジストレーションを効率的に実行することができる。なお、点群データのレジストレーションとしては、ＩＣＰ（Interactive Closest Point）アルゴリズムや、ＩＣＰアルゴリズムを拡張した手法など、種々の公知技術が利用可能である。

図４は、本実施形態に係る３次元測量装置の第２動作を表すフローチャートである。
まず、ステップＳ２１～Ｓ２３の処理は、図３に関して前述したステップＳ１１～Ｓ１３の処理と同じである。

ここで、視準測距ユニット４は、測定点の３次元データを高精度に取得することができる。一方で、視準測距ユニット４により取得された３次元データは、誤差を含んでいることがある。視準測距ユニット４により取得された３次元データが誤差を含んでいると、ステップＳ２３において位置合わせを行った点群データが誤差を含むことがある。

これに対して、図４に表した第２動作では、ステップＳ２４において、制御演算部４６は、スキャナユニット５により取得された点群データに含まれる複数の３次元データに基づいて、位置合わせを行った点群データの詳細位置合わせを行う。スキャナユニット５は、例えば１秒間に数十万点の点群測定を実行可能であり、非常に高速で高効率な測量を実現することができる。そのため、スキャナユニット５により取得された３次元データの数は、視準測距ユニット４により取得された３次元データの数よりもはるかに多い。そこで、ステップＳ２４において、制御演算部４６は、スキャナユニット５により取得された多数の測定点の３次元データを用いることにより、点群データの位置合わせを修正する。

本実施形態に係る３次元測量装置２によれば、制御演算部４６は、スキャナユニット５により取得された多数の測定点の３次元データを用いて点群データの位置合わせを修正することにより、より高精度な点群データの位置合わせを行うことができる。そのため、スキャナユニット５により取得された点群データは、より一層正しい位置にアライメントされる。これにより、本実施形態に係る３次元測量装置２は、点群データのレジストレーションをより一層効率的に実行することができる。

図５は、本実施形態に係る３次元測量装置の第３動作を表すフローチャートである。
図６は、本実施形態に係る３次元測量装置が複数の測量位置で測定対象物の点群データを取得する状況を例示する模式図である。

図５および図６を参照して説明する第３動作では、測定対象物７が例えばビルなどの比較的高い建築物である場合を例に挙げる。この場合には、例えば作業者等が計測用ターゲット６を測定対象物７の高層階に設置することができないことがある。つまり、計測用ターゲット６の設置可能な箇所が、例えば低層階などの所定の箇所に限定されることがある。このような場合に、図５および図６を参照して説明する第３動作は、有効な動作の１つの例である。

まず、ステップＳ３１において、３次元測量装置２の制御演算部４６は、例えば後方交会法などにより測量開始位置Ｐ１における視準測距ユニット４の機械基準点の座標と、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の基準視準の方向と、を決定し記憶部４６８に記憶する。すなわち、制御演算部４６は、測量開始位置Ｐ１において、視準測距ユニット４から例えばプリズムなどの計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、視準測距ユニット４の機械基準点の座標と、視準測距ユニット４の望遠鏡部４５の基準視準の方向と、を算出し記憶部４６８に記憶する。図６に表した例では、計測用ターゲット６は、例えばビルの１階や２階などの低層階に設置されている。

続いて、ステップＳ３２において、制御演算部４６は、スキャナユニット５を制御することにより、測定対象物７に関する多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）を測量開始位置Ｐ１において取得し記憶する。なお、図６は、スキャナユニット５が測定対象物７の壁面７１に関する多数の測定点の３次元データ８１を含む点群データ８を測量開始位置Ｐ１、第２測量位置Ｐ２および第３測量位置Ｐ３において取得する例を表している。測定対象物７の壁面７１は、本発明の測定対象物の「特徴部分」の一例である。

続いて、ステップＳ３３において、図６に表した矢印Ａ１のように、作業者等は、測量開始位置Ｐ１から第２測量位置Ｐ２に３次元測量装置２を移動させる。第２測量位置Ｐ２は、作業者等により任意に決定される。続いて、ステップＳ３４において、制御演算部４６は、スキャナユニット５を制御することにより、測定対象物７に関する多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）を他の測量位置（ここでは第２測量位置Ｐ２）において取得し記憶する。

続いて、スキャナユニット５による多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）の取得を終了しない場合には（ステップＳ３５：ＮＯ）、ステップＳ３３において、図６に表した矢印Ａ２のように、作業者等は、第２測量位置Ｐ２から第３測量位置Ｐ３に３次元測量装置２を移動させる。続いて、ステップＳ３４において、制御演算部４６は、スキャナユニット５を制御することにより、測定対象物７に関する多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）を他の測量位置（ここでは第３測量位置Ｐ３）において取得し記憶する。

一方で、スキャナユニット５による多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）の取得を終了する場合には（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、ステップＳ３６において、制御演算部４６は、記憶された視準測距ユニット４の機械基準点の座標に基づいて、スキャナユニット５により取得された点群データ８の位置合わせを行う。ステップＳ３６の処理は、図３に関して前述したステップＳ１３の処理と同じである。

続いて、ステップＳ３７において、制御演算部４６は、互いに異なる複数の測量位置（図６に表した例では、測量開始位置Ｐ１、第２測量位置Ｐ２および第３測量位置Ｐ３）のそれぞれにおいてスキャナユニット５により取得された点群データ８に含まれる複数の３次元データ８１に基づいて、位置合わせを行った点群データ８の詳細位置合わせを行う。

より具体的に説明すると、図４に関して前述したように、視準測距ユニット４により取得された３次元データ８１は、誤差を含んでいることがある。そうすると、ステップＳ３６において位置合わせを行った点群データ８が誤差を含むことがある。例えば、図６に表した測定対象物７の壁面７１に関する点群データ８について、測量開始位置Ｐ１においてスキャナユニット５により取得された点群データ８が、第２測量位置Ｐ２および第３測量位置Ｐ３のそれぞれにおいてスキャナユニット５により取得された点群データ８とずれたり、第２測量位置Ｐ２においてスキャナユニット５により取得された点群データ８が、第３測量位置Ｐ３においてスキャナユニット５により取得された点群データ８とずれたりすることがある。そうすると、スキャナユニット５により取得された点群データ８が各測量位置において互いに不整合になり、測定対象物７の壁面７１が二重や三重になった状態で表示部４７１などに表示されることがある。

これに対して、前述したように、本実施形態に係る３次元測量装置２の制御演算部４６は、ステップＳ３７において、各測量位置においてスキャナユニット５により取得された点群データ８に含まれる複数の３次元データ８１に基づいて、位置合わせを行った点群データ８の詳細位置合わせを行う。例えば、制御演算部４６は、スキャナユニット５により取得された多数の測定点の３次元データ８１を用いて測定対象物７の壁面７１の平均的な位置合わせを行うことにより、ビルの壁面などの比較的広い範囲の領域において高精度な点群データ８を取得することができる。すなわち、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４ほどの高精度な３次元データ８１を取得できない一方で、視準測距ユニット４よりもはるかに多数の測定点の３次元データ８１を取得できる。そのため、制御演算部４６は、各測量位置においてスキャナユニット５により取得された点群データ８に含まれる複数の３次元データ８１に基づいて、測定対象物７の全体的な形状を安定的に認識し、測定対象物７の壁面７１などの平均的な位置合わせを行うことができる。

本実施形態に係る３次元測量装置２によれば、測定対象物７が例えばビルなどの比較的高い建築物である場合において、計測用ターゲット６の設置可能な箇所が所定の箇所に限定されるときであっても、制御演算部４６は、各測量位置においてスキャナユニット５により取得された多数の測定点の３次元データ８１を用いることにより、測定対象物７の壁面７１などの特徴部分に関する各測量位置における３次元データ８１の不整合を調整し、より高精度な点群データ８の位置合わせを行うことができる。そのため、スキャナユニット５により取得された点群データ８は、より一層正しい位置にアライメントされる。これにより、本実施形態に係る３次元測量装置２は、点群データ８のレジストレーションをより一層効率的に実行することができる。

なお、図６に表した例では、スキャナユニット５が３箇所の測量位置において多数の測定点の３次元データ８１（点群データ８）の取得する例を挙げた。但し、３次元測量装置２の測量位置の箇所数は、３箇所には限定されず、２箇所あるいは４箇所以上であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

２：３次元測量装置、 ４：視準測距ユニット、 ５：スキャナユニット、 ６：計測用ターゲット、 ７：測定対象物、 ８：点群データ、 ４１：整準部、 ４２：第１托架部、 ４３：第１水平回転部、 ４４：第１鉛直回転部、 ４５：望遠鏡部、 ４６：制御演算部、 ４７：操作表示部、 ４８：基盤部、 ４９：傾斜計、 ５２：第２托架部、 ５４：第２鉛直回転部、 ５５：走査鏡、 ５６：第２測距発光部、 ５７：第２測距受光部、 ７１：壁面、 ８１：３次元データ、 ４１１：調整螺子、 ４２１：間隙部、 ４３１：第１水平回転軸、 ４３２：軸受、 ４３３：第１水平駆動モータ、 ４３４：第１水平角検出器、 ４３６：第１鉛直軸心、 ４４１：第１鉛直回転軸、 ４４２：軸受、 ４４３：第１鉛直駆動モータ、 ４４４：第１鉛直角検出器、 ４４６：第１水平軸心、 ４５１：第１測距発光部、 ４５２：第１測距受光部、 ４５３：視準受光部、 ４５５：第１測距光、 ４５６：第１反射測距光、 ４５７：反射視準光、 ４５８：視準望遠鏡、 ４６１：演算部、 ４６２：第１距離測定部、 ４６３：第１水平回転駆動部、 ４６４：第１鉛直回転駆動部、 ４６５：第２距離測定部、 ４６６：第２水平回転駆動部、 ４６７：第２鉛直回転駆動部、 ４６８：記憶部、 ４６９：画像処理部、 ４７１：表示部、 ４７２：操作入力部、 ５２１：凹部、 ５４１：第２鉛直回転軸、 ５４２：軸受、 ５４３：第２鉛直駆動モータ、 ５４４：第２鉛直角検出器、 ５４６：第２水平軸心、 ５６１：発光素子、 ５６２：投光光学部、 ５６５：第２測距光、 ５６６：第２反射測距光、 ５７１：受光素子、 ５７２：受光光学部、 Ｐ１：測量開始位置、 Ｐ２：第２測量位置、 Ｐ３：第３測量位置

Claims (5)

1. 測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、
   望遠鏡部の視準により前記測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、
   前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、
   前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、
   を備え、
   前記制御演算部は、前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標と前記望遠鏡部の基準視準の方向とを算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、前記視準測距ユニットに対する前記スキャナユニットの相対的な位置および姿勢をキャリブレーションによって予め与えておくことにより、記憶された前記機械基準点の座標と前記基準視準の方向とに基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行い、前記スキャナユニットにより取得された前記点群データに含まれる複数の前記３次元データを用いて前記測定対象物の平面の平均的な位置合わせを行うことにより前記位置合わせを行った前記点群データの詳細位置合わせを行う制御を実行することを特徴とする３次元測量装置。
2. 前記平面は、前記測定対象物の壁面であることを特徴する請求項１に記載の３次元測量装置。
3. 前記壁面は、ビルの壁面であることを特徴とする請求項２に記載の３次元測量装置。
4. 望遠鏡部の視準により測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、
   前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、
   前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、
   を備え、前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置が実行する３次元測量方法であって、
   前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標と前記望遠鏡部の基準視準の方向とを算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、前記視準測距ユニットに対する前記スキャナユニットの相対的な位置および姿勢をキャリブレーションによって予め与えておくことにより、記憶された前記機械基準点の座標と前記基準視準の方向とに基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行い、前記スキャナユニットにより取得された前記点群データに含まれる複数の前記３次元データを用いて前記測定対象物の平面の平均的な位置合わせを行うことにより前記位置合わせを行った前記点群データの詳細位置合わせを行うステップを備えたことを特徴とする３次元測量方法。
5. 望遠鏡部の視準により測定対象物に第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記測定対象物で反射した第１反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記視準の方向を検出する視準測距ユニットと、
   前記視準測距ユニットと一体で設けられ、第２測距光を回転照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物に関する点群データを取得するスキャナユニットと、
   前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、
   を備え、前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置のコンピュータによって実行される３次元測量プログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記望遠鏡部の視準により測量位置における前記視準測距ユニットの機械基準点の座標と前記望遠鏡部の基準視準の方向とを算出して記憶し、前記スキャナユニットを制御することにより前記測量位置において取得された前記点群データを記憶し、前記視準測距ユニットに対する前記スキャナユニットの相対的な位置および姿勢をキャリブレーションによって予め与えておくことにより、記憶された前記機械基準点の座標と前記基準視準の方向とに基づいて前記スキャナユニットにより取得された前記点群データの位置合わせを行い、前記スキャナユニットにより取得された前記点群データに含まれる複数の前記３次元データを用いて前記測定対象物の平面の平均的な位置合わせを行うことにより前記位置合わせを行った前記点群データの詳細位置合わせを行うステップを実行させることを特徴とする３次元測量プログラム。
   
   

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