JP2005069700A

JP2005069700A - 三次元データ取得装置

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Publication number: JP2005069700A
Application number: JP2003208634A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kato; 尚志加藤; Tetsunori Hattori; 鉄範服部
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】鉄道車両に適用するのにより適した三次元データ取得装置を提供する。
【解決手段】レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面１０１ａｓが、鉄道車両１の進行方向に対して鉛直面をなすように鉄道車両の上部中心付近に搭載されたレーザスキャナ１０１ａと、レーザスキャナ１０１ａの計測断面１０１ａｓに対して計測断面１０１ｂｓが所定角度上向きの面を形成するように鉄道車両１の上部中心付近に搭載されたレーザスキャナ１０１ｂと、レーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂの計測情報を記憶する記憶部とを備えている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両に搭載し、鉄道車両を走行させながら軌道沿線の構造物の三次元空間情報を取得する際に用いて好適な三次元データ取得装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動体に搭載する三次元データ取得装置としては、自動車にレーザスキャナ装置やカメラを搭載することで、自動車を走行させながら三次元空間情報を取得できるようにしたものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
また、飛行体に搭載したレーザスキャナ装置を用いて取得した三次元空間情報から、三次元モデルを作成するための装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２８１５８号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−３１５２８号公報（第４頁、第５図）
【特許文献３】
特開２００２−７４３２３号公報（第４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術においては、移動体として鉄道車両を考慮したものではなかった。そのため、そのままではレーザスキャナ装置等の測定装置を鉄道車両に搭載することができないといった課題があった。すなわち、特許文献１や特許文献２に記載された装置では、車両の進行方向の側面方向に対して測定装置の突出部がある。したがって、側面方向の余裕が小さい鉄道車両では、搭載そのものができなかったり、あるいは測定装置における測定範囲が限定される等の制限が加わったりすることがあるという課題があった。
【０００６】
また、特許文献１や特許文献２に記載されている装置では、自動車の路面方向のデータを詳細に取得する際に適するようにレーザスキャナ装置等が設けられていた。そのため、鉄道車両に使用しようとすると、沿線構造物の捕捉率が低くなってしまったり、側面方向のデータの取得精度が悪くなってしまったりする場合があるという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鉄道車両に適用するのにより適した三次元データ取得装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が鉄道車両の進行方向に対して鉛直面をなすように、鉄道車両の上部に搭載された第１のレーザスキャナと、レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が第１のレーザスキャナの計測断面に対して略進行方向に所定角度傾いた面を形成するように、鉄道車両の上部に搭載された第２のレーザスキャナとを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、第１および第２のレーザスキャナは、鉄道車両の上部後方の幅方向の略中心に搭載されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、鉄道車両の位置および姿勢情報を計測する位置姿勢情報計測部と、第１および第２のレーザスキャナの測定情報と位置姿勢情報計測部で取得した位置および姿勢情報とに基づいて三次元データを算出する三次元データ算出部とをさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記鉄道車両の位置および姿勢情報を計測する位置姿勢情報計測部が、軌道上の地上子から位置情報を取得する車上子を有するものであることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態に係る三次元モデル処理システムについて説明する。図１は本発明の一実施の形態を含む三次元モデル処理システムの構成を示すシステム図である。なお、図１および他の図において、同一の構成には同一の符号を付けている。図１に示すシステムは、三次元データ取得装置１０と、三次元モデル作成装置２０と、三次元モデル演算装置３０とから構成されている。
【００１３】
三次元データ取得装置１０は、鉄道車両等の移動体に搭載され、移動体を移動させながら、三次元空間情報を取得する装置である。移動体の移動地点周辺の各構造物に対応する三次元座標情報や画像情報が連続的に取得される。ここで、三次元座標情報は、構造物を複数の点によって表した場合の各点の三次元座標を示すものである。そして、本願においては、複数の点を示す三次元座標データを、三次元点群データと呼ぶことにする。
【００１４】
三次元モデル作成装置２０は、三次元データ取得装置１０が取得した三次元空間情報に基づいて、三次元モデルを作成する装置である。三次元空間情報を構成する三次元点群データにおける各点間の接続関係（結線情報）を求めることで、ポリゴンモデルを作成する。三次元モデル作成装置２０が作成した三次元モデルは、ポリゴンモデルデータとして出力される。三次元モデル作成装置２０は、また、必要に応じて三次元データ取得装置１０で取得した構造物の画像情報を利用することができる。例えば三次元モデルを作成する際に画像認識処理を利用して結線情報の誤りを修正するようにしたり、画像情報を用いてポリゴンモデルに対してピクチャマッピング、テクスチャマッピング等を行えるようになっている。
【００１５】
三次元モデル演算装置３０は、三次元モデル作成装置２０で作成された三次元モデルを用いて、各種シミュレーション用の演算処理を行ったり、地理情報システム（ＧＩＳ：ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）用のデータ作成処理等の演算処理を行ったりする装置である。
【００１６】
図１に示すように、三次元データ取得装置１０は、それぞれが１または複数の装置から構成されている各部１０１〜１１１によって構成されている。この場合、各部１０１〜１１１は、図２に示すような鉄道車両１に搭載されている。レーザスキャナ部１０１は、図２の鉄道車両１の屋根上に搭載されている２台のレーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂと、図示していない制御装置とから構成されている。各レーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂは、例えばスキャン周波数（レーザ放射周期）２０Ｈｚで３６０度回転しながらレーザを放射するとともに、電柱３、架線３ａ、建物４、トンネル５等の構造物を対象物とする反射信号を受信する。すなわち、レーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂはそれぞれ、レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置である。
【００１７】
レーザスキャナ部１０１によって測定されたデータは、対象物までの角度情報と距離情報とからなる。そしてこれらの情報は、レーザスキャナデータとして測定時の時刻情報とともに記憶部１０６に記憶される。２台のレーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂが測定したデータは、それぞれ独立したデータとして記憶される。記憶部１０６は不揮発性の半導体記憶装置、ハードディスク等の記憶装置から構成されている。
【００１８】
ＩＮＳ部１０２は、慣性航法装置（ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）から構成されている。ＩＮＳ部１０２は、例えばジャイロスコープで安定化した計測台の上で３方向の加速度を計測し、これを時間積分して３方向の変位を求めることで、鉄道車両１の位置変化を示す位置情報と、向きや傾きといった姿勢を示す姿勢情報を出力する。
【００１９】
ＧＰＳ部１０３は、全地球測位システム（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）であり、鉄道車両１の屋根上に取り付けられたアンテナ１０３ａとその制御装置とから構成されている。ＧＰＳ部１０３は、アンテナ１０３ａを用いて複数のＧＰＳ用衛星６ａ、６ｂ、…から送られてくる信号を受信することで、緯度、経度、高度等からなる位置情報を求めて出力する。このＧＰＳ部１０３は、携帯電話、ＦＭ放送等を用いて得た補正情報を利用するＤ−ＧＰＳ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＧＰＳ）とするこができる。
【００２０】
車上子部１０４は、ＡＴＳシステム（自動列車停止装置システム）などで図２に示すように軌道２に沿って所定の位置に配置されている複数の地上子７との間で情報を送受信するための装置である。鉄道車両１に取り付けられたコイル１０４ａと、制御装置とから構成されていて、各地上子７から受信した信号に基づいて走行位置情報を求めて出力する。これらのＩＮＳ部１０２、ＧＰＳ部１０３、および車上子部１０４から出力された位置情報や姿勢情報は、ＩＮＳデータ、ＧＰＳデータ、および地上子データとして時刻情報とともに記憶部１０７に記憶される。尚、ＩＮＳ部１０２、ＧＰＳ部１０３、および車上子部１０４が位置姿勢情報計測部を構成しており、ＧＰＳ部１０３、および車上子部１０４のいずれか一方のみ備えるような場合、いずれも備えないような場合でもよい。
【００２１】
ラインカメラ部１０５は、図２に示すようなラインカメラ１０５ａを用いて構造物の画像を撮影し、画像データを出力する装置である。ラインカメラ１０５ａは、鉄道車両１の側面方向で取り付けられていて、３個のラインセンサカメラを用いて矢印で示す進行方向に対して斜め前方、真横、斜め後方の各方向の画像を、周波数１００Ｈｚの周期で縦断方向に撮影する。その各撮影画像を連続させて配置することで、進行方向に連続した画像を得ることができる。各方向の画像は、障害物等で撮影できなかった方向の画像を相互に補完するために使用される。本実施の形態では、鉄道車両１のラインカメラ１０５ａが取り付けられた面と反対側の側面にもラインカメラ１０５ａと同一のラインカメラが取り付けられているものとする。ラインカメラ部１０５による撮影画像は、画像情報として、時刻情報とともに記憶部１０８に記憶される。
【００２２】
データ同期部１０９は、コンピュータと周辺装置とから構成されていて、所定のプログラムを用いて処理を実行する。データ同期部１０９は、記憶部１０６に記憶されたレーザスキャナデータの各値と、記憶部１０７に記憶されたＩＮＳデータ、ＧＰＳデータ、および地上子データの各値とを時刻情報に基づいて対応付ける同期処理を行う。
【００２３】
三次元座標値算出部１１０は、データ同期部１０９と同一または別のコンピュータと周辺装置とから構成されていて、所定のプログラムを用いて処理を実行する。三次元座標値算出部１１０は、データ同期部１０９による同期結果を用いて、レーザスキャナデータの各値の三次元座標値を算出する。レーザスキャナデータの各値は、レーザスキャナ１０１ａまたは１０１ｂの設置位置を基準として各対象物に対応する複数の点を角度と距離の情報で示すものである。一方、ＩＮＳデータ、ＧＰＳデータ、および地上子データは、地面を基準として鉄道車両１の移動位置や姿勢を示すものである。三次元座標値算出部１１０は、ＩＮＳデータ、ＧＰＳデータ、および地上子データを用いて、レーザスキャナデータが示す各点の角度・距離情報を、地面、すなわち経度・緯度・高度を基準とする三次元座標値に変換する。そして、三次元座標値で示した各対象物の各点のデータを三次元点群データとして記憶部１１１に記憶する。
【００２４】
なお、三次元座標値算出部１１０では、ＩＮＳデータ、ＧＰＳデータ、および地上子データの各位置情報を次のような条件で利用している。まず取得間隔についてみると、ＩＮＳデータは、所定の時間間隔で常に取得可能である。ＧＰＳデータは、通常、所定の時間間隔で取得可能ではあるが、図２のトンネル５を通過する際などはＧＰＳ衛星６ａ、６ｂ、…からの信号が受信できない。つまり場合によっては取得不可能な時間帯が存在する。そして、地上子データは、図２の地上子７が設置されている地点でのみ取得可能である。一方、精度についてみると、地上子データは安定して精度が高く、ＧＰＳデータやＩＮＳデータは地上子データに比べて誤差が大きくなる場合がある。ＩＮＳデータにはまた誤差が累積される特性がある。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、地上子データとＧＰＳデータで補正しながらＩＮＳデータが示す位置および姿勢情報を利用することとしている。また、補正基準としてはＧＰＳデータよりも地上子データを優先して利用することにしている。すなわち、同一時刻または接近した時間帯で、地上子データとＧＰＳデータとの両者を取得した場合には、地上子データが示す位置情報の方を採用するようにしている。ただし、地上子データとＧＰＳデータは必ずしも両者がなければならないものではない。どちらか一方でも用途によっては十分な位置情報精度が得られる場合がある。
【００２６】
また、三次元座標値算出部１１０では、２台のレーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂの出力を、単純にまとめて使用するようにしたり、例えばレーザスキャナ１０１ａで取得できていない部分のデータをレーザスキャナ１０１ｂで取得したデータで補完するようにしたり、あるいは同一対象物について両者のデータの平均化したものを使用するようにしたりすることができる。この場合は、両者のデータをそのまままとめて使用することにする。
【００２７】
ここで図３を参照して、図２の２台のレーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂの配置について説明する。図３（ａ）は鉄道車両１の側面図、図３（ｂ）は平面図である。レーザスキャナ１０１ａは、鉄道車両１の屋根後部の中心付近（鉄道車両１の上部後方の幅方向の中心付近）に矢印で示す進行方向に対して水平方向（同一方向）に設置する。すなわち、レーザスキャナ１０１ａは、そのレーザの計測断面（回転断面）１０１ａｓが進行方向に直交した鉛直面となるように配置されている。一方、レーザスキャナ１０１ｂは、レーザスキャナ１０１ａの上部で、側面図（図３（ａ））で水平方向から上方に斜めに傾けて、平面図（図３（ｂ））でレーザスキャナ１０１ａと同一方向に設置している。すなわち、レーザスキャナ１０１ｂは、そのレーザの計測断面１０１ｂｓがレーザスキャナ１０１ａの計測断面１０１ａｓに対して進行方向に傾いた面となるように、配置されている。レーザスキャナ１０１ｂの傾斜角度としては例えば４５度とする。
【００２８】
このような配置によれば、レーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂが鉄道車両１の車体から突出する部分は、鉄道車両１の上部方向および後部方向のみとなる。ところで鉄道車両では、車両限界と呼ばれる突出部の余裕寸法に関する制限がある。車両限界は、上部や前後の端部よりも、側面の方が厳しい。例えば側面に垂直に、あるいはある角度をつけてレーザスキャナを設置しようとすると、レーザスキャナが側面から突出する部分が多くなると考えられる。しかし、このような設置は車両限界から許容されないことが多い。本実施の形態では、このような鉄道車両１における車両限界を考慮して、かつできるだけ少ないレーザスキャナの台数で、精度良い計測が行えるように上記の配置を採用した。なお、レーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂの設置位置は、必ずしも鉄道車両１の屋根後部の中心付近である必要はなく、車両限界内に収まる範囲内で幅方向や前後方向にずれていてもよい。
【００２９】
上記配置において、レーザスキャナ１０１ａの計測断面１０１ａｓは進行方向に直交する鉛直面である。したがって、軌道２に直交する方向で進むレーザによって軌道２の沿線構造物等の対象物に対する計測が行われることになる。鉄道では沿線の壁、建物等の構造物が軌道２に沿って鉛直に設けられていることが多い。よって、進行方向に垂直かつ鉛直な計測断面１０１ａｓを用いることで、より多くの対象物からの反射光が受信しやすくなる。また、架線３ａ、トンネル５の上部５ａ等、鉄道車両１の上部にも多くの対象物がある。これらの上部対象物からの反射光も受信しやすい。ただし、レーザスキャナ１０１ａではトンネル５の端部垂直面５ｂのような進行方向に鉛直な面から精度良いデータを安定して得ることは難しい。
【００３０】
一方、レーザスキャナ１０１ｂの計測断面１０１ｂｓは鉛直から所定の角度を有する面である。したがって、トンネル５の端部垂直面５ｂのように進行方向に直交する面でも、所定の角度でレーザが照射されることになる。よって、そのような面でも安定した反射光を得ることが可能となる。また、レーザスキャナ１０１ｂでは、上部対象物からも安定した反射光を得ることが可能となる。なお、これらのレーザスキャナ１０１ａおよび１０１ｂと異なり、例えば進行方向に水平な計測断面を持つレーザスキャナでは上部対象物にレーザを反射させて精度良いデータを安定して得ることは難しい。
【００３１】
次に図４を参照してレーザスキャナ１０１ａの計測順序と方向について説明する。図４はレーザスキャナ１０１ａを回転軸方向から示す正面図（図２で進行方向後ろから進行方向を見た図）である。本実施の形態においてレーザスキャナ１０１ａは、光学系部分の一回転で１つの断面形状を計測するタイプのものである。計測は回転角度で０．５度間隔で行われる。ただし、この場合、全周３６０度のうち６０度分が機器内の調整に利用され計測データが得られない。例えば、計測不可方向を真下に設定して、鉄道車両１から計測した例では、列車が走行した真下の路面形状データに欠損が生じることになる。本実施の形態では０．５度間隔で６０１点のデータが計測される。
【００３２】
次に図５を参照してレーザスキャナ１０１ａの計測方向の変化について説明する。レーザスキャナ１０１ａは回転して２次元断面を計測する。したがって、進行方向に垂直な計測断面１０１ａｓを計測しながら走行するような場合、計測方向は鉄道車両１の走行に伴って図５のように螺旋状に変化する。図５では、同一回転の計測断面を第１〜第３計測断面としている。
【００３３】
図５に示すように、計測点の密度は、進行方向（間隔Ａの方向）と計測断面方向（間隔Ｂの方向）とで異なる。スキャン周波数が一定のレーザスキャナ１０１ａでは進行方向の点群間隔Ａは車両の走行速度に依存し、車両速度が速いほど間隔が粗く、遅いほど間隔が密になる。進行方向における単位時間当たりの計測点数はスキャン周波数に依存し、本実施の形態の２０Ｈｚの場合では、進行方向に１秒間で２０点が計測される。例えば時速８０ｋｍの場合は進行方向の点群間隔は約１．１ｍとなり、時速２０ｋｍの場合は０．２８ｍとなる。
【００３４】
一方、レーザスキャナの計測断面方向の点群間隔Ｂは、対象物までの距離によって変化する。ここで点群間隔Ｂは、対象物の反射面上における反射点間の間隔である。本実施の形態のレーザスキャナ１０１ａの計測角度間隔は、計測断面方向で０．５度となっている。計測する対象物までの距離が遠いほど計測点の間隔は広がり、対象物が近くにあるほど計測点間隔は密になる。例えばレーザスキャナ１０１ａから１０ｍ以内にある線路付近の施設などは概ね１０ｃｍ以下の間隔で、レーザスキャナ１０１ａから２０ｍ〜５０ｍにある線路周辺の建築物、法面などは数十ｃｍの間隔で点群が取得される。
【００３５】
図６に、図２に示すようなトンネル５の出入り口部を計測した場合の三次元点群データの一例を示す。レーザスキャナ１０１ａから対象物までの距離が短くなるため、計測断面方向に密に点が並んだ形状で表現される。その結果、点群によるトンネルの三次元表現はその形状が把握しやすくなっている。
【００３６】
次に再び図１を参照して、三次元モデル作成装置２０の構成について説明する。三次元モデル作成装置２０は、ポリゴンモデル作成部２０１と、ポリゴンデータ記憶用の記憶部２０２とから構成されている。ポリゴンモデル作成部２０１は、コンピュータと周辺装置とから構成されていて、所定のプログラムを用いて処理を実行する。ポリゴンモデル作成部２０１は、記憶部１１１に記憶された図６に示すような三次元点群データに基づいてポリゴンモデルを作成する。ポリゴンモデル作成部２０１が作成したポリゴンモデルは、ポリゴンモデルデータとして記憶部２０２に記憶される。
【００３７】
ここで図７〜図１２を参照して、ポリゴンモデル作成部２０１によるポリゴンモデル作成手順について説明する。点群からポリゴンを作成する方法としては、隣り合った点どうしを結んで三角形を作成する方法がある。そのような方法は、汎用のモデリングのソフトウェアによっても実現することができる。しかしながら、ポリゴンモデル作成部２０１が用いる点群データは、実際に鉄道車両１を走行させて計測したデータである。そのようなデータには、誤差成分を含んでいることがある。このようなデータを汎用のソフトウェアで処理した場合、レーザの反射点の取得精度によって、実際には存在しない凹凸が発生してしまうことがある。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、汎用のモデリングのソフトウェアには無い、進行方向という概念を導入することで、誤差成分にできるだけ影響されないポリゴンモデルの作成を可能とした。なお、汎用のモデリングソフトウェアでは、一般に、方位（東経緯度）を基準にポリゴンを作成している。
【００３９】
ポリゴンモデル作成部２０１では、凹凸発生を防止するために、進行方向に沿ってポリゴンを作成するようにしている。対象物のデータは、進行方向やレーザスキャナの回転方向に対して連続性等の一定の関係を有している場合が多いと考えられる。すなわち、進行方向や回転方向で隣り合う計測点のデータ（対象物までの距離）の差は、比較的小さいと予想される。そこで、ポリゴンを作成する際に、進行方向と回転方向（すなわちデータ取得周期）を考慮した上でポリゴンの頂点座標の候補を選択する。さらに頂点間のデータの間隔に一定の制限を設ける。これによって、誤った点間を結線して実際と異なるポリゴンを作成してしまう問題をできるだけ回避することができる。
【００４０】
図７は、図５に示す各計測断面のうちの第ｎ計測断面と、第（ｎ＋１）計測断面における計測点の間隔を示す模式図である（ここでｎは自然数）。レーザスキャナ１０１ａでは、同一距離にある反射面からは同一間隔で反射信号が計測される。この関係は、進行方向またはレーザスキャナの回転方向の隣り合う各２点の計４点の測定点において最も深くなると考えられる。図７の例では、第ｎ計測断面の１点目と２点目、第（ｎ＋１）計測断面の１点目と２点目が、最も関係が深い４点であると考えられる。このような１周期毎の点をペアとして、周囲の点と組み合わせて、例えば三角形のポリゴンを形成する。ただし点同士の距離が離れている場合には同一の面であるとは限らないため、判定条件としてレーザスキャナ回転方向（縦方向）では例えばＬａ＝０．５ｍ、列車走行方向には例えばＬｂ＝１．８ｍ以下の条件でのみ結線を行うこととする制限を加えることにした。
【００４１】
なお、回転方向で隣り合う２点と、進行方向で対応する２点の計４点のデータについては、４点のデータが常に存在するとは限らない。例えば反射光を受信できなかった場合には計測データが存在しない計測点が発生することになる。三角形のポリゴンを形成するには、４点のうち最低３点のデータが必要である。４点のうち３点未満の計測点しか存在しないのは、図８に示す４つのケースである。図８は横方向を進行方向、縦方向を回転方向として、図７に示すような４点の計測点の組み合わせを示している。ここで黒丸はデータが存在する場合、白丸が存在しない場合である。ケース１および２が２点、ケース３が１点、そしてケース４が０点のデータが存在する場合である。
【００４２】
一方、４点のうち４点すべてのデータが存在する場合には２個のポリゴンを作成することができる。また、３点のデータが存在する場合には１個のポリゴンを作成することができる。ただし、３点のデータが存在する場合には生成されるポリゴンの三角形の向きが異なることになる。図９に３点以上のデータが存在する場合の５つのケースを示す。図９は、図８と同様に横方向を進行方向、縦方向を回転方向として、図７に示すような４点の計測点の組み合わせを示している。黒丸がデータが存在する場合、白丸が存在しない場合である。ケース１が４点のデータが存在して２個の三角形が生成される場合、ケース２〜５が３点のデータが存在して１個の三角形が生成される場合である。
【００４３】
一方、軌道２の沿線構造物には、例えば架線、樹木、電柱などがある。例えば電柱の場合には、図１０に示すように、進行方向と回転方向でデータを比較することでその特徴を検知できることがある。本実施の形態では、一例として、電柱の場合について、回転方向で連続してデータが存在し、かつ、進行方向の隣り合う計測断面でデータが存在しないような場合に、それが電柱であるとして、該当する計測点を上記のポリゴン作成対象から除外するようにした。そして、電柱であると判定したデータには、レーザスキャナでは電柱径が測定できないので、一定半径を考慮して仮想的にポリゴンを生成するようにした。
【００４４】
図１１に、ポリゴンモデル作成部２０１における上記の進行方向を考慮したポリゴン生成処理のフローチャートを示す。図１のポリゴンモデル作成部２０１は、まず、記憶部１１から三次元点群データを読み込む（ステップＳ１１）。ここで、レーザが受信できなかった点を「データが存在しない点データ」（図８の白丸に相当）として三次元点群データに追加する（ステップＳ１２）。次に三次元点群データから電柱の判定条件を満足する点データを抽出する（ステップＳ１３）。そして、該当する点データの属性を電柱に設定する（ステップＳ１４）。
【００４５】
次に、三次元点群データから回転に伴う連続する２点および１回転した対応する２点の計４点の点データを抽出する（ステップＳ１４）。そして、各点の属性が電柱か否かを確認する（ステップＳ１５）。電柱でなかった場合は、３点以上の点データが存在するか否かを確認する（ステップＳ１６）。そして、３点以上のデータが存在した場合には、進行方向および回転方向で点間距離条件を満足するか否かを確認する（ステップＳ１７）。そして、満足した場合には、各点を接続する結線データを作成する（ステップＳ１８）。これらを、すべての点群データを処理するまで継続する（ステップＳ１９）。一方、属性が電柱の場合（ステップＳ１５で「ｙｅｓ」）や、データが存在しない場合（ステップＳ１６で「ｎｏ」）、点間距離条件を満足しない場合（ステップＳ１７で「ｎｏ」）には、結線データは作成されない。
【００４６】
図１２に走行方向等を考慮して作成されたポリゴンの一例を示す。図１２は、図６に示す三次元点群データにおいて、３つの計測断面１０１ａｓ１〜１０１ａｓ３に関する部分で三角形のポリゴンを作成した場合の一例を示している。例えば、ポリゴン２０２ａ〜２０２ｃ等のポリゴンが、各計測断面１０１ａｓ１〜１０１ａｓ３に関連して作成される。
【００４７】
ポリゴンモデル作成部２０１は、走行方向等を考慮してポリゴンを作成した後、作成した複数のポリゴンデータから三次元モデルを表すポリゴンモデルデータを作成する。その際、ポリゴンが作成されていない領域については、走行方向等を考慮して作成されたポリゴンを基準として補間処理等によって新たなポリゴンを作成することができる。また、図１の記憶部１０８に記憶されている画像データを利用して、結線情報の誤りを修正するようにしたり、ピクチャマッピング、テクスチャマッピング等を行うようにしたりすることができる。
【００４８】
図１３および図１４にポリゴンモデルデータの作成例を示す。図１３および図１４は、同一の三次元点群データからトンネル内部のポリゴンモデルを作成した場合を示した図である。図１３は、走行方向等を考慮して作成されたポリゴンを基準とした場合であり、図１４は、走行方向等を考慮しないで作成されたポリゴンを用いたものである。図１３では壁面５１ａ、５２ａ、天井５３ａが進行方向に対して直線状に延びているのに対して、図１４では壁面５１ｂ、５２ｂ、天井５３ｂに実際には存在しない凹凸が多く現れている。また、図１３では退避抗５４ａ等の形状も明確に表現されている。
【００４９】
次に図１の三次元モデル演算装置３０について説明する。本実施の形態では、三次元モデル演算装置３０が、電波伝搬シミュレーション部３０１によって構成されているのものとする。電波伝搬シミュレーション部３０１は、記憶部２０２に記憶されているポリゴンモデルデータを用い、電波伝搬シミュレーションを行う。電波伝搬シミュレーション部３０１は、受信レベルのシミュレーション手法（受信電界強度の理論的算定手法）として、従来からある無線に関するレイトレーシング法を採用する。本手法では受信点に到達する電波の伝搬路を幾何学的に算定することで電界強度を算定する。図１５にそのイメージを、図１６に受信レベルの計算結果の一例と実測値（実験結果）とを示す。図１５に示すように、ポリゴンモデルにおいてトンネル５内部で受信点４１ａ、４１ｂ、…を移動させ、各受信点４１ａ、４１ｂ、…で受信レベルを計算する。図１６に示すように、実測値Ｄ１のトンネル５内のデータ範囲Ｔ１と、同範囲の計算値Ｄ２の傾向には共通性が確認され、また、受信レベルは精度良く求めることができた。
【００５０】
このように、本実施の形態では、電波伝搬シミュレーション部３０１では、三次元モデル作成装置２０によって作成されたポリゴンモデルデータを無線回線設計の伝搬シミュレーションに応用することで、構造物の遮蔽や反射等を考慮した厳密な伝搬シミュレーションが可能となった。これによって、基地局の変更、増設等の影響をシミュレーションで確認できるので、設計品質の向上と測定の簡素化が期待できる。
【００５１】
なお、本発明の実施の形態は、上記のものに限らず、例えば各部を統合したり、各部を通信回線等を介して分散配置したりする変更が適宜可能である。また、上記実施の形態においてコンピュータで実行されるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体や通信回線を介して頒布することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が鉄道車両の進行方向に対して鉛直面をなすように、鉄道車両の上部に搭載された第１のレーザスキャナと、レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が第１のレーザスキャナの計測断面に対して略進行方向に所定角度傾いた面を形成するように、鉄道車両の上部に搭載された第２のレーザスキャナとを備えるようにしたので、架線やトンネル上部、進行方向に対して垂直な面などに対応でき、かつ鉄道車両上の車両限界の制約を満たすことができる。よって鉄道車両に適用するのにより適した三次元データ取得装置が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元モデル処理システムの構成を示すシステム図。
【図２】図１の三次元データ取得装置とその周辺構造物とを示す模式図。
【図３】図２のレーザスキャナの配置を示す側面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図４】図２のレーザスキャナの計測方向を示す正面図。
【図５】図２のレーザスキャナの計測断面の変化を示す模式図。
【図６】図１の記憶部に記憶される三次元点群データの一例を説明するための透視図。
【図７】図４のレーザスキャナによる計測データを説明するための模式図。
【図８】図７の４点の計測データの状態を説明するための説明図。
【図９】図７の４点の計測データの他の状態を説明するための説明図。
【図１０】図４のレーザスキャナによる計測データの特定の条件例を説明するための模式図。
【図１１】図１のポリゴンモデル作成部における処理の一例を示すフローチャート。
【図１２】図１のポリゴンモデル作成部におけるポリゴンの作成例の一例を示す透視図。
【図１３】図１のポリゴンモデル作成部におけるポリゴンモデルデータの作成例の一例を示す透視図。
【図１４】従来例によるポリゴンモデルデータの作成例の一例を示す透視図。
【図１５】図１の電波伝搬シミュレーション部によるシミュレーション例を説明するための透視図。
【図１６】図１の電波伝搬シミュレーション部によるシミュレーション結果を説明するための受信レベルの距離特性図。
【符号の説明】
１０…三次元データ取得装置、２０…三次元モデル作成装置、３０…三次元モデル演算装置、１０１…レーザスキャナ部、１０１ａ，１０１ｂ…レーザスキャナ、１０２…ＩＮＳ部、１０３…ＧＰＳ部、１０４…車上子部、１０５…ラインカメラ部、１０６…レーザスキャナデータ用の記憶部、１０７…ＩＮＳ／ＧＰＳ／地上子データ用記憶部、１０８…画像データ用記憶部、１０９…データ同期部、１１０…三次元座標値算出部、１１１…三次元点群データ用記憶部、２０１…ポリゴンモデル作成部、２０２…ポリゴンモデルデータ用の記憶部、３０１…電波伝搬シミュレーション部、７…地上子

Claims

レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が鉄道車両の進行方向に対して鉛直面をなすように、鉄道車両の上部に搭載された第１のレーザスキャナと、
レーザを回転させながら対象物に放射し、反射光を受信して対象物までの距離を測定する装置であって、レーザの放射方向の回転断面をなす計測断面が第１のレーザスキャナの計測断面に対して略進行方向に所定角度傾いた面を形成するように、鉄道車両の上部に搭載された第２のレーザスキャナと
を備えることを特徴とする三次元データ取得装置。
第１および第２のレーザスキャナは、鉄道車両の上部後方の幅方向の略中心に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元データ取得装置。
鉄道車両の位置および姿勢情報を計測する位置姿勢情報計測部と、
第１および第２のレーザスキャナの測定情報と位置姿勢情報計測部で取得した位置および姿勢情報とに基づいて三次元データを算出する三次元データ算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元データ取得装置。
前記鉄道車両の位置および姿勢情報を計測する位置姿勢情報計測部が、軌道上の地上子から位置情報を取得する車上子を有するものであることを特徴とする請求項３記載の三次元データ取得装置。