JP2018173388A - 位置計測装置及び位置計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットが動いていても、一枚の撮影画像で、精度高く、且つ、短時間に物体ターゲットの中心の座標値を計測する位置計測装置を提供する。【解決手段】視準望遠鏡で球体ターゲットの表面の中心を視準し、測量機のノンプリズムモードにより球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する。物体撮影部２０３は、前記視準望遠鏡のデジタルカメラで、前記球体ターゲットを含む球体画像を撮影する。画像中心算出部２０４は、前記球体画像中の球体ターゲットの境界を球体ターゲットの円周に変換し、当該変換された球体ターゲットの円周に基づいて、前記球体画像における球体ターゲットの中心位置を算出する。中心判定部２０５は、前記球体ターゲットの中心位置が所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する。中心算出部２０６は、前記球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値を用いて、前記球体ターゲットの芯の３次元座標値を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、位置計測装置及び位置計測方法に関する。

従来、３次元の位置（座標値）を計測したい位置にターゲットを設置し、当該ターゲットを撮影し、撮影したターゲットの画像を解析することで、ターゲットの３次元の位置を計測する技術が存在する。

例えば、特開２０００−２２１０３７号公報（特許文献１）には、ノンプリズム測定が可能な光波距離計と、画像処理により測定対象物を認識するための認識用演算処理手段とを備えた自動測量機が開示されている。この自動測量機では、測定対象物の測定点を含む平面α上の少なくとも３点の特定点までの距離、角度を測定し、測定点への角度を測角し、特定点までの距離、角度から平面αを特定する式を決定すると共に、前記測定点への角度から該測定点を結ぶ直線の式を決定し、更に、前記平面αと前記直線の交点に相当する測定点を演算する。これにより、反射プリズム等を用いないで、対象物までの距離を測定するノンプリズム型の自動測量装置で、距離、角度データ等から任意の３次元の座標位置、距離、面積等を演算することが出来るとしている。

又、特開２００７−１４７５２２号公報（特許文献２）には、複数方向から、同一のデジタルカメラにより、所定数の基準位置特定部を所定位置に備える標定基準体と計測対象とを共に写真撮影する写真計測方法が開示されている。この写真計測方法では、各写真について、基準位置特定部の写真上の位置と標定基準体における基準位置特定部相互の位置関係に基づき外部標定を行い、外部標定要素の値を用いて、２つの写真上における、計測対象上の所要点に対応する点の位置に基づき、前方交会により三次元座標を求める。これにより、計測対象に写真計測用のターゲット等の基準位置特定部を設ける必要が無く、多数の点について精度の良い写真計測を行うことが出来るとしている。

特開２００９−１９８３２９号公報（特許文献３）には、地中を掘進して掘進路に管状の構造物を形成する掘進機の位置および向きの計測に利用される位置計測システムが開示されている。このシステムでは、立体的な位置関係を有する４つ以上の撮像ターゲットを撮像し、撮像ターゲットの画像データと、基準撮像手段の位置および向きとに基づいて、撮像ターゲットを固定した掘進機の位置および向きを算出する。これにより、掘進機の位置および向きを迅速に計測できるとしている。

又、特開２００４−６１２４５号公報（特許文献４）には、測量機器と、測量機器の望遠鏡の接眼部に取付けられたＣＣＤカメラと、測点に配された、表面に粒子状反射プリズム素材が塗布された球体を備えたターゲットとを備えた全自動測量装置が開示されている。この装置では、望遠鏡のスケール中心がターゲットの像に入るように、自動追尾機構を用いて自動的に測量機器をターゲットに正対させて概略視準し、ターゲットの重心点の位置と望遠鏡のスケール中心の位置との水平及び鉛直の偏差を画像処理装置を用いて計算する。そして、この偏差を角度のβＨ、βＶとして概略視準で得られた水平角αＨ、鉛直角αＶに加えることにより、測点の水平角及び鉛直角を求め、この動作を測量対象物に設けられた全ての測点に対して繰り返す。これにより、視準する方向に影響を受けないターゲットを用いて、自動的に多数の測点を計測することが出来るとしている。

特開２０００−２２１０３７号公報 特開２００７−１４７５２２号公報 特開２００９−１９８３２９号公報

単一（単眼）のデジタルカメラ（撮像手段）でターゲットを撮像した撮影画像に基づいて、ターゲットの３次元座標値を計測するためには、ターゲットを２つ以上の異なる方向から撮像したり、立体的な位置関係が既知の特殊なターゲットを用いたりする等の工夫をする必要がある。

例えば、特許文献１に記載の技術では、平面α上の３点の特定点を捕える必要があり、３次元座標値を計測する対象が限定されるという課題がある。特許文献２、３に記載の技術では、極めて特殊なターゲットを用いる必要があり、計測条件が限定されるという課題がある。

又、特許文献４に記載の技術では、反射プリズム用の球体のターゲットを用いて、概略視準の自動化と、ターゲットの重心点と望遠鏡の中心点との位置合わせを画像処理作業により行うものであるが、反射プリズム用の球体が必要であるとともに、視準の水平角及び鉛直角を補正するだけで、球体の３次元座標値を算出するものではない。又、特許文献４に記載の技術では、球体のターゲットの静止を前提とし、反射プリズムのため、動いているターゲットを対象と出来ないという課題がある。

一方、一枚の撮影画像で、一つのターゲットの３次元座標値を容易に計測することが出来れば、様々な計測分野で利用することが可能であり、応用範囲が広い。

そこで、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、物体ターゲットが動いていても、一枚の撮影画像で、精度高く、且つ、短時間に物体ターゲットの中心の座標値を計測することが可能な位置計測装置及び位置計測方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、本発明に係る新規な位置計測装置及び位置計測方法を完成させた。即ち、本発明に係る位置計測装置は、視準合わせ部と、物体測距部と、物体撮影部と、画像中心算出部と、中心判定部と、実中心算出部と、を備える。視準合わせ部は、測量機の視準望遠鏡を球体ターゲットの表面の中心に視準させる。物体測距部は、前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する。物体撮影部は、前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記球体ターゲットを含む球体画像を撮影する。中心算出部は、前記球体画像中の球体ターゲットの外縁を球体ターゲットの円周に変換し、当該変換された球体ターゲットの円周に基づいて、前記球体画像における球体ターゲットの中心位置を算出する。中心判定部は、前記球体ターゲットの中心位置が、前記球体画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する。実中心算出部は、前記球体ターゲットの中心位置が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値から、前記測定された水平角度及び鉛直角度の方向に前記球体ターゲットの芯に向かって前記球体ターゲットの半径だけ移動させた３次元座標値を前記球体ターゲットの芯の３次元座標値として算出する。本発明に係る位置計測方法は、上述と同様に、視準合わせステップと、物体測距ステップと、物体撮影ステップと、画像中心算出ステップと、中心判定部と、実中心算出ステップと、を備える。

又、本発明に係る位置計測装置は、円柱ターゲットとしても良い。即ち、視準合わせ部は、測量機の視準望遠鏡を水平方向における円柱ターゲットの表面の中心に視準させる。物体測距部は、前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する。物体撮影部は、前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記円柱ターゲットを含む円柱画像を撮影する。画像中心算出部は、前記円柱画像中の水平方向における円柱ターゲットの外縁を円柱ターゲットの外側面に変換し、当該変換された円柱ターゲットの外側面に基づいて、前記円柱画像における円柱ターゲットの中心線を算出する。中心判定部は、前記円柱ターゲットの中心線が、前記円柱画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する。実中心算出部は、前記円柱ターゲットの中心線が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値のうち、水平方向における２次元座標値から、前記測定された水平角度の方向に前記円柱ターゲットの中心軸に向かって前記円柱ターゲットの半径だけ移動させた２次元座標値を水平方向における前記円柱ターゲットの中心軸の２次元座標値として算出する。本発明に係る位置計測方法は、上述と同様に、視準合わせステップと、物体測距ステップと、物体撮影ステップと、中心算出ステップと、中心算出ステップと、を備える。

本発明によれば、物体ターゲットが動いていても、一枚の撮影画像で、精度高く、且つ、短時間に物体ターゲットの中心の座標値を計測することが可能となる。

本発明に係る位置計測装置の概略図である。 本発明に係る位置計測装置の機能ブロック図である。 本発明に係る位置計測方法の実行手順を示すためのフローチャートである。 測量機と球体ターゲットと対象物との位置関係を示す概略図（図４Ａ）と、３次元座標系における測量機と球体ターゲットとの位置関係を示す概略図（図４Ｂ）と、である。 球体画像と球体二値化画像の一例を示す図（図５Ａ）と、球体ターゲットの外縁を構成する所定数の画素を円周で近似した画像と、球体ターゲットの中心位置と所定の中心判定範囲との関係の一例を示す図（図５Ｂ）と、である。 ＸＹ座標系の水平面における測量機と球体ターゲットの芯との位置関係を示す概略図（図６Ａ）と、Ｚ座標系の鉛直面における測量機と球体ターゲットの芯との位置関係を示す概略図（図６Ｂ）と、である。 球体画像のＸＹ座標系における球体ターゲットの中心位置と球体画像の中心位置とのＸＹ座標値の差分の一例を示す図（図７Ａ）と、３次元座標系における視準望遠鏡の観測方向を補正した場合の一例を示す概略図（図７Ｂ）と、である。 実施例１に係る位置計測装置の概略図（図８Ａ）と、上面に球体ターゲットを設置した振動試験機と変位計の概略図（図８Ｂ）と、である。 球体ターゲットが静止した場合の球体ターゲットの芯のＺ座標値の経時変化を示すグラフ（図９Ａ）と、球体ターゲットが上下に振動した場合の球体ターゲットの芯のＺ座標値と変位計で測定した基準振幅Ｚ座標値の経時変化を示すグラフ（図９Ｂ）と、である。 球体二値化画像をサポートベクタマシンに入力し、球体ターゲットの形状が写っている領域のみを抽出した画像の一例を示す図（図１０Ａ）と、球体ターゲットの形状が一部隠れている場合の球体ターゲットの半径の算出の一例を示す図（図１０Ｂ）と、である。 本発明の位置計測装置を用いたシールドマシンの位置計測監視システムの概略図（図１１Ａ）と、位置計測監視システムの第二の測量機の測距の一例を示す図（図１１Ｂ）と、である。 位置計測監視システムの第二の測量機の位置計測方法の一例を示す図（図１２Ａ）と、位置計測監視システムの第一の測量機の位置計測方法の一例を示す図（図１２Ｂ）と、である。 本発明の位置計測装置を用いた造成現場での出来形測量の概略図（図１３Ａ）と、本発明の位置計測装置を用いた建設物での鉄骨建ち測量の概略図（図１３Ｂ）と、である。 本発明の位置計測装置を用いたドローンでの車輌の位置計測の概略図である。 円柱画像と円柱二値化画像の一例を示す図（図１５Ａ）と、円柱ターゲットの外縁を構成する所定数の画素を直線で近似した画像と、円柱ターゲットの中心位置と所定の中心判定範囲との関係の一例を示す図（図１５Ｂ）と、である。 実施例２において左面に円柱ターゲットを設置した振動試験機の概略図（図１６Ａ）と、円柱ターゲットが上下に振動した場合の円柱ターゲットの中心軸のＹ座標値と基準振幅Ｙ座標値の経時変化を示すグラフ（図１６Ｂ）と、である。

以下に、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

本発明に係る位置計測装置１（位置計測システムと称しても良い）は、図１に示すように、測量機１０と、端末装置１１と、物体ターゲット１２とを備えている。

測量機１０は、一般に建設現場や土木現場で使用され、本体部１００と、視準望遠鏡１０１とを備えている。本体部１００は、水平方向に回転可能に構成される。視準望遠鏡１０１は、本体部１００に対して鉛直方向に回転可能に設けられる。そのため、視準望遠鏡１０１は、測量機１０に対して水平方向及び鉛直方向に回転可能である。又、視準望遠鏡１０１は、デジタルカメラの機能を有し、視準望遠鏡の観測方向（光軸の方向）にある対象物の画像を撮影することが出来る。デジタルカメラは、視準望遠鏡１０１のレンズの光軸に平行に設置されたＣＣＤカメラ素子を備え、ＣＣＤカメラ素子の撮影画像の中心は、視準望遠鏡の光軸と一致するため、デジタルカメラで撮影した撮影画像の中心位置は、視準望遠鏡が視準して測距した対象物の表面の測定位置と一致する。

前記物体ターゲット１２に視準望遠鏡１０１の視準が合わされ、測定指示の信号が測量機１０に入力されると、測量機１０は、視準望遠鏡１０１から物体ターゲット１２に対して走査光を照射し、その走査光が物体ターゲット１２から反射され、再び視準望遠鏡１０１に入射される。入射された反射光は、測量機１０の受光素子により受光信号に変換される。又、測量機１０は、視準望遠鏡１０１の水平角度及び鉛直角度を角度検出器で検出する。そして、測量機１０の光波距離計は、前記受光信号を用いて、測量機１０から物体ターゲット１２までの斜距離を計測する。光波距離計は、反射プリズムをターゲットとするプリズム型と、反射プリズムをターゲットとせず、所定の対象物をターゲットとするノンプリズム型とを有するが、本発明では、反射プリズムと関係無い物体ターゲット１２を対象物とするため、ノンプリズム型を基本とする。測量機１０の計側部は、検出した視準望遠鏡１０１の水平角度及び鉛直角度と、計測した斜距離とに基づいて、物体ターゲット１２の表面の中心の３次元座標値を計測する。この物体ターゲット１２の表面の中心の３次元座標値は、例えば、既知点の測量機１０の３次元座標値を基準として算出される。

端末装置１１は、一般に使用されるコンピュータであり、記憶部と、キーボード、マウス等の入力部と、液晶ディスプレイ等の出力部とを備えている。端末装置１１は、タッチパネル付きの携帯端末装置、タブレット型端末装置、ウェアラブル型端末装置を含む。

本発明において、物体ターゲット１２は、球体ターゲット又は円柱ターゲットを想定する。球体ターゲット１２は、水平方向及び鉛直方向のどの角度から観測しても同じ形状となるため、その特性を活かして、球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を算出する。球体ターゲット１２は、真球の球体部と球体部を下から支持する支持部とで構成される。

又、円柱ターゲット１２は、水平方向のどの角度から観察しても同じ形状となるため、その特性を活かして、水平方向における円柱ターゲット１２の軸の２次元座標値を算出する。円柱ターゲット１２は、円柱の円柱部と円柱部を下から支持する支持部とで構成されるが、杭打設の杭を円柱ターゲットとみなしても良い。

物体ターゲット１２の表面の色に特に限定は無いが、背景の建物や光が画像に入っても物体ターゲット１２を優先的に識別出来るように、物体ターゲット１２の表面の色を白色、黄色、緑色等に着色したり、特定の識別模様を付したり、物体ターゲット１２の内部に発光部を搭載して物体ターゲット１２を発光させたりしても良い。

測量機１０、端末装置１１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を内蔵しており、ＣＰＵは、例えば、ＲＡＭを作業領域として利用し、ＲＯＭ等に記憶されているプログラムを実行する。後述する各部についても、ＣＰＵがプログラムを実行することで各部の機能を実現する。

次に、図２、図３を参照しながら、本発明の実施形態に係る構成及び実行手順について説明する。先ず、測量者は、所定の座標系において３次元座標値を計測したい対象物に物体ターゲット１２を設置する。ここで、対象物は、例えば、建築物等の固定物でも良いし、車輌、シールドマシン、無人飛行機（ドローン）等の移動物でも良い。又、物体ターゲット１２は、球体ターゲットとして説明する。

次に、測量者は、図４Ａに示すように、対象物Ｔの特定の位置Ｐ（例えば、芯）の３次元座標値（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）と球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）との相対距離Ｑ及び相対角度Ｒを予め計測し、この相対距離Ｑ及び相対角度Ｒをオフセット値として位置計測装置１の端末装置１１に入力しておく。これにより、球体ターゲット１２の芯の３次元座標値が計測出来れば、対象物Ｔの特定の位置Ｐの三次元座標値を、相対距離Ｑ及び相対角度Ｒを用いて逆算することが出来る。

そして、測量者は、位置計測装置１の測量機１０へ赴き、位置計測装置１を起動し、位置計測装置１の視準合わせ部２０１は、測量機１０の視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに視準させる（図３：Ｓ１０１）。

ここで、視準合わせ部２０１が視準を合わせる方法に特に限定は無い。例えば、最初に視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心に視準する場合は、測量者が、視準望遠鏡１０１を覗きながら、測量機１０の本体部１００を水平方向に回転させて視準望遠鏡１０１の向きを球体ターゲット１２に合わせ、視準望遠鏡１０１を介してターゲット１２を観測しながら、視準望遠鏡１０１を鉛直方向に回転させて、視準望遠鏡１０１の観測角度（水平角度、垂直角度）を決定する。これにより、視準望遠鏡１０１のデジタルカメラの撮影画像の中心が球体ターゲット１２の形状の中心に概略配置され、概略視準される。後述するように、位置計測装置１が視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２に視準した後に、球体ターゲット１２が移動すれば、画像処理により、自動視準する。そのため、測量者による測定誤差が生じることなく、測量の精度向上と測量者の省力化を図ることが出来る。

次に、視準合わせ部２０１が、視準を完了すると、視準合わせ部２０１（又は測量者）が、測量機１０に測定指示の信号を入力し、位置計測装置１の物体測距部２０２は、前記視準望遠鏡１０１の水平角度Ｈ、鉛直角度Ｖ及び前記測量機１０のノンプリズムモードにより球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を測定する（測距する）（図３：Ｓ１０２）。

ここで、物体測距部２０２が視準後の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓを測距する方法に特に限定は無い。例えば、図４Ｂに示すように、物体測距部２０２が、先ず、視準望遠鏡１０１の水平角度Ｈ及び鉛直角度Ｖを既設の角度検出器で測定する。次に、物体測距部２０２は、測量機１０のノンプリズム型光波距離計を用いて、視準望遠鏡１０１から球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに向かって走査光を照射し、当該球体ターゲット１２の表面の中心Ｓから反射された反射光を受光し、当該受光信号を用いて、測量機１０から球体ターゲット１２の表面の中心Ｓまでの斜距離Ｌを測定する。

尚、水平角度Ｈは、例えば、３次元座標値の座標系のうち、Ｘ方向（例えば、真北）を０度とし、Ｙ方向（真西）へ回転する方向を正の値として定義され、鉛直角度Ｖは、３次元座標値の座標系のうち、Ｚ方向（例えば、真上）を０度とし、上方から下方へ回転する方向を正の値として定義される。水平角度Ｈ、鉛直角度Ｖ及び斜距離Ｌは、測量機１０を基準に測定される。

物体測距部２０２は、視準望遠鏡１０１の水平角度Ｈ、鉛直角度Ｖ及び測量機１０から球体ターゲット１２の表面の中心Ｓまでの斜距離Ｌを用いて、球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を算出する。

球体ターゲット１２に対して水平角度Ｈ、鉛直角度Ｖ及び球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が測定されると、位置計測装置１の物体撮影部２０３は、測量機１０の視準望遠鏡１０１の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記球体ターゲット１２を含む球体画像を撮影する（図３：Ｓ１０３）。

ここで、物体撮影部２０３が球体画像を撮影する方法に特に限定は無い。視準望遠鏡１０１が球体ターゲットに視準されれば、視準望遠鏡１０１のデジタルカメラは、球体ターゲット１２を含む画像を撮影することが出来る。そのため、物体撮影部２０３が、視準望遠鏡１０１のデジタルカメラに撮影指示の信号を入力すれば、デジタルカメラで球体画像を自動的に撮影することが出来る。

球体画像が撮影されると、次に、位置計測装置１の画像中心算出部２０４は、前記球体画像中の球体ターゲット１２の外縁（球体ターゲット１２の領域と他の領域との境界）を球体ターゲット１２の円周（円）に変換し、当該変換された球体ターゲット１２の円周に基づいて、前記球体画像における球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する（図３：Ｓ１０４）。

ここで、画像中心算出部２０４が球体画像における球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する方法に特に限定は無い。例えば、画像中心算出部２０４は、図５Ａに示すように、撮影された球体画像５００（例えば、フルカラー画像）を二値化処理して、球体ターゲット１２の外縁が特定される球体二値化画像５０１を生成する。

球体画像５００がフルカラー画像である場合は、画像中心算出部２０４が、球体画像５００をグレースケール画像に変換し、画素の濃度が所定の閾値以上であるグレースケール画像の画素を１とし、画素の濃度が所定の閾値未満であるグレースケール画像の画素を０として、球体二値化画像５０１を生成する。閾値は、球体画像５００中の球体ターゲット１２の外縁を特定出来るように調整される。

次に、画像中心算出部２０４は、球体二値化画像５０１から球体ターゲット１２の外縁を構成する画素５０２を所定数抽出し、図５Ｂに示すように、当該抽出した所定数の画素５０２を点として円周５０３で近似する。ここでは、所定数の画素５０２（点）に対して円周５０３の式を最小二乗法で近似する。これにより、球体ターゲット１２の外縁を球体ターゲット１２の円周に変換することが出来る。そして、画像中心算出部２０４は、近似した円周５０３の中心位置Ｃ１（Ｘｃ１、Ｙｃ１）を球体画像５００における球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１として算出する。

ここで、算出される球体画像５００における球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１（Ｘｃ１、Ｙｃ１）は、球体画像５００の画素（ピクセル）であるため、実サイズ（ｍｍ）に変換する。球体画像５００の画素（ピクセル）から実サイズ（ｍｍ）に変換する場合は、下記のようになされる。即ち、視準望遠鏡１０１のデジタルカメラの視野角と、撮影画像の横及び縦の画素数が一定である場合、斜距離Ｌが求まれば、画素（ピクセル）に対する実サイズ（ｍｍ）のスケール（ｍｍ／ピクセル）は一義的に決定される。そのため、球体画像５００の球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を構成するピクセル数にスケールを乗算することで、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を実サイズに変換することが出来る。尚、変換される球体画像５００の球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１は、球体画像５００中の所定の位置（例えば、左下の端部）を基準とした２次元座標値となる。

球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が算出されると、次に、位置計測装置１の中心判定部２０５は、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が、前記球体画像５００の中心位置Ｃ０を基準とした所定の中心判定範囲Ｄに含まれるか否かを判定する（図３：Ｓ１０５）。

ここで、中心判定部２０５が判定する方法に特に限定は無い。例えば、中心判定部２０５は、予め登録されている球体画像５００の中心位置Ｃ０（Ｘｃ０、Ｙｃ０）を中心とし、予め設定された閾値ｄ（例えば、１ｍｍ、０．５ｍｍ等に相当する量）を半径とした円形を中心判定範囲Ｄとして設定し、図５Ｂに示すように、球体画像５００における二次元座標系において、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が中心判定範囲Ｄに含まれるか否かを判定する。尚、球体画像５００における二次元座標系の縦軸はＸ座標系の軸であり、横軸はＹ座標系の軸である。

前記判定の結果、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が前記中心判定範囲Ｄに含まれる場合（図３：Ｓ１０５ＹＥＳ）、中心判定部２０５は、測定された球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が実際の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに対応すると判定する。

つまり、視準望遠鏡１０１の中心位置を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに合わせて測距したとしても、現場では、視準望遠鏡１０１の中心位置と球体ターゲット１２の表面の中心Ｓとのズレが生じる場合がある。そこで、画像処理により、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が、球体画像５００の中心位置Ｃ０を基準とした所定の中心判定範囲Ｄに含まれていれば、視準望遠鏡１０１の中心位置と球体ターゲット１２の表面の中心Ｓとのズレが生じておらず、画像処理の結果も適切と考えらえる。そのため、測距した球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が実際の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓにほぼ一致すると判断し、この３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を利用することが出来る。この画像処理により、後述するように、省人化しても、有効なデータだけを取得することが可能となる。

さて、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が中心判定範囲Ｄに含まれると判定されると、次に、位置計測装置１の実中心算出部２０６は、前記球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）から、前記測定された水平角度Ｈ及び鉛直角度Ｖの方向に前記球体ターゲット１２の芯Ｃに向かって前記球体ターゲット１２の半径だけ移動させた３次元座標値を前記球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）として算出する（図３：Ｓ１０６）。

ここで、実中心算出部２０６が球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値を算出する方法に特に限定は無い。例えば、実中心算出部２０６は、球体画像５００において、先ほど変換された球体ターゲット１２の円周５０３から、球体ターゲット１２の円周５０３の半径ｒを算出する。算出された半径ｒは、上述のスケールにより、実サイズに変換される。尚、球体ターゲット１２の半径ｒは、予め登録された球体ターゲット１２の実寸法の半径Ｒを用いても良い。

次に、実中心算出部２０６は、図６Ａに示すように、下記の２式（１）、（２）に、球体ターゲット１２の表面の中心ＳのＸＹ座標値（Ｘｓ、Ｙｓ）と、水平角Ｈと、球体ターゲット１２の半径ｒとを代入することで、球体ターゲット１２の芯ＣのＸＹ座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出する。
Ｘｃ＝Ｘｓ＋ｒ×ｃｏｓＨ （１）
Ｙｃ＝Ｙｓ＋ｒ×ｓｉｎＨ （２）

又、実中心算出部２０６は、図６Ｂに示すように、下記の１式（３）に、球体ターゲット１２の表面の中心ＳのＺ座標値（Ｚｓ）と、鉛直角Ｖと、球体ターゲット１２の半径ｒとを代入することで、球体ターゲット１２の芯のＺ座標値（Ｚｃ）を算出する。
Ｚｃ＝Ｚｓ−ｒ×ｓｉｎ（Ｖ−９０度） （３）

又は、実中心算出部２０６は、下記の１式（４）に、斜距離Ｌと、鉛直角Ｖと、球体ターゲット１２の半径ｒと、測量機１０のＺ座標値（Ｚｍ）とを代入することで、球体ターゲット１２の芯のＺ座標値（Ｚｃ）を算出しても良い。尚、測量機１０のＺ座標値（Ｚｍ）は、既知点として測量機１０に予め与えられる。
Ｚｃ＝Ｚｍ−（Ｌ＋ｒ）×ｓｉｎ（Ｖ−９０度） （４）

これにより、一枚の撮影画像で、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）を算出することが出来る。ここで、実中心算出部２０６が、算出した球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）に、オフセット値の相対距離Ｑ及び相対角度Ｒを用いて、球体ターゲット１２が設置された対象物Ｔの特定の位置Ｐ（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）を算出しても良い。算出された球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）は、端末装置１１の出力部を介して表示され、測量者が確認することが出来る。

ところで、Ｓ１０５において、前記判定の結果、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が前記中心判定範囲Ｄに含まれない場合（図３：Ｓ１０５ＮＯ）、中心判定部２０５は、測定された球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が実際の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに一致しないと判定する。この場合は、現場では、視準望遠鏡１０１の中心位置と球体ターゲット１２の表面の中心Ｓとのズレが生じている。そこで、位置計測装置１の差分算出部２０７は、先ほど測定された３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を破棄し、前記球体画像５００のＸＹ座標系における球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１と前記球体画像５００の中心位置Ｃ０とのＸＹ座標値の差分（ｄＸ１、ｄＹ１）を算出し（図３：Ｓ１０７）、当該算出したＸＹ座標値の差分（ｄＸ１、ｄＹ１）に対応する水平角偏差ｄＨ１及び鉛直角偏差ｄＶ１に基づいて前記視準望遠鏡１０１の観測方向を補正する（図３：Ｓ１０８）。

ここで、差分算出部２０７が差分（ｄＸ１、ｄＹ１）を算出する方法に特に限定は無い。例えば、図７Ａに示すように、差分算出部２０７は、球体画像５００のＸＹ座標系において、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１のＸ座標値（Ｘｃ１）から、球体画像５００の中心位置Ｃ０のＸ座標値（Ｘｃ０）を減算することで、Ｘ座標の差分（ｄＸ１）を算出する。同様に、差分算出部２０７は、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１のＹ座標値（Ｙｃ１）から、球体画像５００の中心位置Ｃ０のＹ座標値（Ｙｃ０）を減算することで、Ｙ座標の差分（ｄＹ１）を算出する。

ここで、球体画像５００における二次元座標系のＸ方向は、実空間の３次元座標系における鉛直方向に対応し、球体画像５００における二次元座標系のＹ方向は、実空間の３次元座標系における水平方向に対応する。差分算出部２０７は、ＸＹ座標値の差分（ｄＸ１、ｄＹ１）から、水平角偏差ｄＨ１及び鉛直角偏差ｄＶ１を算出する。

そして、差分算出部２０７は、水平角偏差ｄＨ１及び鉛直角偏差ｄＶ１を視準合わせ部２０１に入力することで、視準合わせ部２０１は、図７Ｂに示すように、現在の視準望遠鏡１０１の水平角Ｈを水平角偏差ｄＨ１だけ移動させ、現在の視準望遠鏡１０１の鉛直角Ｖを鉛直角偏差ｄＶ１だけ移動させる。これにより、視準望遠鏡１０１の中心位置を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに自動的に合わせることが出来る。特に、ターゲット１２が動く場合や測量者が一度概略視準した後に、その場を立ち去り、位置計測装置１に自動計測させる場合には、上述した差分算出による視準望遠鏡１０１の観測方向の補正は重要となる。

視準望遠鏡１０１の観測方向が補正されると、差分算出部２０７は、前記視準望遠鏡１０１の視準をやり直すために、Ｓ１０１に戻って、視準合わせ部２０１は、視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに視準させる（図３：Ｓ１０１）。これにより、視準望遠鏡１０１の中心位置と球体ターゲット１２の表面の中心Ｓとのズレが解消されているため、Ｓ１０２において、実際の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに対応した３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を測距することが可能となり、測定精度を高めることが出来る。

さて、Ｓ１０６において、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）が算出されると、位置計測装置１の継続測定部２０８は、継続測定するか否かを判定する（図３：Ｓ１０９）。

ここで、測量者が、所定の期間（又は所定の回数）だけ継続測定する継続測定指示の信号を測量機１０に入力していた場合、継続測定部２０８は、所定の期間が経過したか否か（又は測定回数が所定の回数を超過したか否か）を判定する。所定の期間が経過していない場合（又は測定回数が所定の回数を超過していない場合）は、継続測定部２０８は、継続測定すると判定し（図３：Ｓ１０９ＹＥＳ）、Ｓ１０１へ移行し、視準合わせ部２０１は、視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに視準させる（図３：Ｓ１０１）。これにより、Ｓ１０１からＳ１０５へ行き、測定された球体ターゲット１２の表面の中心Ｓの３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が実際の球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに対応する場合だけ、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）が新たに算出され、繰り返し測定される。

一方、所定の期間が経過した場合（又は測定回数が所定の回数を超過した場合）は、継続測定部２０８は、処理を終了する（図３：Ｓ１０９ＮＯ）。又、測量者が、継続測定指示の信号を測量機１０に入力していない場合（一回だけの測定で済む場合）は、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）が算出されると、継続測定部２０８は、処理を終了する（図３：Ｓ１０６ＮＯ）。

＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１〜図３に基づいて本発明に係る位置計測装置１を設計し、図８Ａに示すように、測量機１０と端末装置１１と球体ターゲット１２とを組み合わせて実施例１の位置計測装置１を作製した。尚、測量機１０と端末装置１１は無線ＬＡＮで接続し、測量機１０で測定したデータを端末装置１１へ無線送信し、端末装置１１で球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）を算出するよう構成した。

ここで、球体ターゲット１２を設置した対象物Ｔが動く（振動する）ことを想定し、図８Ｂに示すように、振動試験機を対象物Ｔとし、この上に球体ターゲット１２を設置して、特定の周波数で球体ターゲット１２を振動させるようにした。一方、振動する球体ターゲット１２の振幅（変位）を変位計Ｕで測定し、位置計測装置１で測定した球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値の振幅と、変位計Ｕで測定した振幅とを比較出来るようにした。

＜位置計測試験１＞
先ず、振動試験機Ｔを停止し、球体ターゲット１２を静止させた状態で、位置計測装置１を用いて球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）を所定の期間（例えば、３秒間）を算出した。最初に設置した球体ターゲット１２の芯ＣのＸ座標値を基準Ｚ座標値として０ｍｍに設定し、算出した球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｘｃ）と、基準Ｚ座標値（０ｍｍ）とを共に表示することで、測定精度を確認した。その結果、図９Ａに示すように、実験値である球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）は、設定値である基準Ｚ座標値（０ｍｍ）に対して０．５ｍｍ以下の範囲内で推移しており、測定精度が高いことが確認出来た。又、画像処理で球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）を算出するため、１点の算出時間が０．５秒以下であり、測定時間が短いことが確認出来た。尚、球体ターゲット１２の芯ＣのＸＹ座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）でも同様の結果が得られた。

＜位置計測試験２＞
次に、振動試験機Ｔを動作させ、球体ターゲット１２を特定の周波数（例えば、１０Ｈｚ）で上下に振動させた状態で、位置計測装置１を用いて球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）を所定の期間（例えば、３秒間）を算出した。一方、振動する球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）を変位計Ｕで測定し、算出した球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｘｃ）と、変位計Ｕで測定した基準振幅Ｚ座標値とを共に表示することで、測定精度を確認した。その結果、図９Ｂに示すように、実験値である球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）は、設計値である基準振幅Ｚ座標値の波形に従って推移しており、基準振幅Ｚ座標値にほぼ一致していることが確認出来た。ここで、算出した球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）の最大値は５．９４ｍｍ、基準振幅Ｚ座標値の最大値は６．１６ｍｍであり、両者の差分は０．２２ｍｍであった。又、算出した球体ターゲット１２の芯ＣのＺ座標値（Ｚｃ）の最小値は−７．０８ｍｍ、基準振幅Ｚ座標値の最小値は−６．９４ｍｍであり、両者の差分は０．１４ｍｍであった。つまり、球体ターゲット１２が振動していても、その測定誤差は０．３ｍｍ未満であり、測定精度が高いことが確認出来た。又、１点の算出時間は、上述と同様に、０．５秒以下であり、測定時間が短いことが確認出来た。

プリズムモードで光波距離計を用いて反射プリズム等のターゲットに対して３次元座標値を算出する場合、ターゲットが反射プリズムである必要があるとともに、ターゲットに光波距離計が適切に視準される必要があり、光波距離計がターゲットから少しでもずれると、測定される３次元座標値に誤差が生じる。本発明では、反射プリズムでは無い球体ターゲット１２であって、動いている球体ターゲット１２であっても、画像処理で球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値を算出するため、測定精度を高めることが出来るのである。

ところで、Ｓ１０１では、最初において、測量者が、視準望遠鏡１０１を覗いて、ターゲット１２の方向へ向けるようにして視準したが、その際に、視準望遠鏡１０１の視野に視準のための十字線（レチクル）を設けても良い。この十字線の中心に、測距の走査光が照射される。そのため、測量者は、視準望遠鏡１０１を覗きながら、視準望遠鏡１０１の視野における十字線を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに一致するように視準しても良い。

ところで、Ｓ１０４において、画像中心算出部２０４は、機械学習を用いて、撮影された球体画像から前記球体ターゲット１２が写っている領域を抽出しても良い。例えば、画像中心算出部２０４が、先ず、前記球体ターゲット１２が写っている球体画像を機械学習部に入力し、前記球体ターゲット１２の形状（円形）を機械学習部に学習させる。機械学習部で学習させた後は、画像中心算出部２０４は、前記球体画像を用いて前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する。次に、画像中心算出部２０４は、新たに取得した他の球体画像を学習後の機械学習部に入力し、当該機械学習部で、前記球体ターゲット１２の形状が球体画像に写っている領域を識別する。そして、画像中心算出部２０４は、前記球体ターゲット１２の形状が写っている領域のみを抽出して、抽出した領域の画像を用いて前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する。これにより、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出し易くすることが出来る。

機械学習部は、例えば、機械学習分類器のサポートベクタマシンを採用することが出来る。図１０Ａに示すように、画像中心算出部２０４が、先ず、生成した球体二値化画像５０１を、球体ターゲット１２の形状を学習したサポートベクタマシンに入力すると、サポートベクタマシンで球体ターゲット１２の形状を示す領域と他の領域とを識別する識別画像１０００が生成させる。識別画像１０００では、球体ターゲット１２の形状が写っている領域が明確であるため、中心算出部２０４は、当該領域に対応する球体二値化画像５０１の領域を抽出して、抽出した領域の画像１００１を用いて前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する。前記抽出した領域の画像１００１は、球体ターゲット１２の外縁が明確に表れていることが分かる。

又、他の構成として、画像中心算出部２０４は、機械学習部を用いて、前記球体ターゲット１２の形状が球体画像の中心位置Ｃ０に写っているか否かを識別し、前記球体ターゲット１２の形状が物体画像の中心位置Ｃ０に写っている場合、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出する。一方、前記球体ターゲット１２の形状が物体画像の中心位置Ｃ０に写っていない場合、画像中心算出部２０４は、前記球体ターゲット１２の形状の中心位置Ｃ２と前記球体画像の中心位置Ｃ０とのＸＹ座標値の差分（ｄＸ２、ｄＹ２）を算出し、当該算出したＸＹ座標値の差分（ｄＸ２、ｄＹ２）に対応する水平角偏差ｄＨ２及び鉛直角偏差ｄＶ２に基づいて前記視準望遠鏡１０１の観測方向を補正する。そして、Ｓ１０１へ戻って、視準合わせ部２０１は、視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに視準させる（図３：Ｓ１０１）。このように、前記球体ターゲット１２の形状が球体画像の中心位置Ｃ０から大きくズレた場合に、視準望遠鏡１０１を球体ターゲット１２の表面の中心Ｓに追跡させ、再度、視準望遠鏡１０１を視準し、球体ターゲット１２の表面の中心Ｓを測距し、球体画像を撮影し直すことで、球体ターゲット１２が大きく動いたとしても、自動計測を可能とする。

又、画像中心算出部２０４は、障害物で前記球体ターゲット１２の形状の一部が隠れている球体画像であっても、機械学習部を用いて、前記球体ターゲット１２の形状が写っている他部から前記球体ターゲット１２の形状の全てを概算し、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を算出しても良い。例えば、図１０Ｂに示すように、球体画像１００２に障害物１００３が写って球体ターゲット１２の形状が一部隠れた場合、画像中心算出部２０４が、前記球体ターゲット１２の形状が写っている他部１００４に球体ターゲット１２の円周１００５を外挿して、球体ターゲット１２の形状の全てを概算する。前記球体ターゲット１２の円周１００５は、機械学習部で今まで算出し、学習してきたものを用いる。これにより、球体ターゲット１２が一部隠れても、球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１を精度高く算出することが出来る。

又、Ｓ１０５において、中心判定部２０５は、更に、球体ターゲット１２の実寸法の半径Ｒを用いて判定処理を行っても良い。例えば、前記球体ターゲット１２の中心位置Ｃ１が前記中心判定範囲Ｄに含まれる場合（図３：Ｓ１０５ＹＥＳ）、次に、中心判定部２０５は、前記球体画像５００の球体ターゲット１２の円周の半径ｒが、予め登録された球体ターゲット１２の実半径Ｒを基準とした所定の半径判定範囲Ｅに含まれるか否かを判定する。半径判定範囲Ｅは、例えば、球体ターゲット１２の実半径Ｒを中心とし、予め設定された幅値ｅ（例えば、１ｍｍ等）を加算した上限値と、幅値ｅを減算した下限値とで構成される範囲に設定される。

前記判定の結果、前記球体画像５００の球体ターゲット１２の円周の半径ｒが前記半径判定範囲Ｅに含まれる場合は、球体画像５００の撮影条件が良好であり、画像処理で算出した球体ターゲット１２の円周の半径ｒは実半径Ｒに近いと判断出来る。そのため、中心判定部２０５は、次の処理へ進み、実中心算出部２０６は、例えば、球体画像５００の球体ターゲット１２の円周の半径ｒを用いて、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値を算出する。

一方、前記判定の結果、前記球体画像５００の球体ターゲット１２の円周の半径ｒが前記半径判定範囲Ｅに含まれない場合は、球体画像５００の撮影条件（周囲の色や外光等）が劣悪であり、画像処理の結果が不適切である可能性が高く、画像処理で算出した球体ターゲット１２の円周の半径ｒに誤差が生じると判断出来る。この場合は、例えば、Ｓ１０３に戻って、物体撮影部２０３が、再度、デジタルカメラで、前記球体ターゲット１２を含む球体画像を撮影し直しても良い。又、視準望遠鏡１０１の中心位置と球体ターゲット１２の表面の中心Ｓとのズレが生じておらず、撮影条件と画像処理の結果が悪いと判断して、実中心算出部２０６は、例えば、球体ターゲット１２の実半径Ｒ（設定値）を用いて、球体ターゲット１２の芯Ｃの３次元座標値を算出しても良い。

＜応用例＞
本発明に係る位置計測装置１の応用例について説明する。例えば、シールドトンネル計測では、トンネルを掘進するシールドマシンの位置を正確に把握する必要がある。従来であれば、トンネル側面（セグメント）を組み立て後、セグメントの所定の位置に測量機を固定し、一方で、シールドマシンの所定の位置に反射プリズムターゲットを固定し、この測量機で反射プリズムターゲットを測距することで、シールドマシンの位置を計測している。そのため、シールドマシンの掘進が進むと、測量機を前方に固定し直す盛替えが生じ、その盛替えによる測定誤差が生じる。又、シールドマシンに固定された反射プリズムターゲットは、シールドマシンの掘進により振動し、固定された測量機と振動する反射プリズムターゲットでは、正確な測量が出来ない。反射プリズムターゲットを用いた測量では、反射プリズムターゲット及び測量機が共に静止状態であることを基本とし、振動する反射プリズムターゲットや測量機では、自動視準が狂う。更に、測量機と反射プリズムターゲットとは正対する必要があるものの、トンネルの急曲線や急勾配では、正対が崩れるため、測定誤差が生じる。

そこで、本発明に係る位置計測装置１を用いることで、反射プリズムターゲットを球体ターゲット１２に代えた上で、シールドマシン（移動体）に測量機を搭載することで、測定精度を向上させる。シールドマシンの位置計測監視システムでは、図１１Ａに示すように、シールドマシン１１００に２つの球体ターゲット１１０１、１１０２を設置し、４台ある後続台車の前方から第一の後続台車に、上方に球体ターゲット１２を設置した第一の測量機１１０３と、第四の後続台車に、上方に球体ターゲット１２を設置した第二の測量機１１０４とをそれぞれ固定する。そして、掘進後のトンネルの側面に２つの反射プリズムターゲット１１０５、１１０６をそれぞれ固定する。この２つの反射プリズムターゲット１１０５、１１０６は、基準点となる３次元座標値を有する。ここで、第一の測量機１１０３と、第二の測量機１１０４とは、振動する後続台車に設置される。

シールドマシンの位置計測監視システムでは、先ず、図１１Ｂに示すように、第二の測量機１１０４が、２つの反射プリズムターゲット１１０５、１１０６をそれぞれ測距し、２つの測距点に基づいて後方公会法で第二の測量機１１０４の３次元座標値を算出する。次に、図１２Ａに示すように、第二の測量機１１０４が、第一の測量機１１０３の球体ターゲット１２に対して本発明の位置計測方法を採用することで、球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を算出し、第一の測量機１１０３の３次元座標値を算出する。そして、第二の測量機１１０４が、第一の測量機１１０３に第一の測量機１１０３の３次元座標値を送信し、図１２Ｂに示すように、第一の測量機１１０３が、シールドマシン１１００の２つの球体ターゲット１１０１、１１０２に対して本発明の位置計測方法を採用することで、球体ターゲット１１０１、１１０２の芯の３次元座標値を算出する。第一の測量機１１０３は、自身の３次元座標値と２つの球体ターゲット１１０１、１１０２の３次元座標値を用いてバックサイト法によりシールドマシン１１００の３次元座標値を算出する。最後に、２つの反射プリズムターゲット１１０５、１１０６とシールドマシン１１００との間の距離を算出することで、シールドマシンの位置測量が可能となる。

ここで、本発明の位置計測方法では、シールドマシンのような振動が伴う車輌に適用しても、振動中の球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を精度高く測定することが出来るため、シールドマシンの位置も正確に測定することが出来る。又、従来では、３Ｄスキャナを移動体に搭載するシステムは存在するものの、このシステムでは、即時にターゲットの芯の３次元座標値を算出するものでは無い。本発明の位置計測方法では、球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を即時に測定することが出来る。

又、例えば、造成現場での出来形測量において、図１３Ａに示すように、測量対象に球体ターゲット１２を設置し、位置計測装置１で球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を測定し、測量対象の出来形を計測する。ここで、位置計測装置１の測量機１０を自走式の台車１３００に搭載し、台車１３００のリモコン１３０１で台車１２を遠隔操作するとともに、位置計測装置１の端末装置１１で測量機１０を遠隔操作することで、遠隔測量を可能にする。

又、例えば、建設物での鉄骨建ち測量において、図１３Ｂに示すように、鉄骨の柱頭に球体ターゲット１２を設置し、位置計測装置１で球体ターゲット１２の芯の３次元座標値を測定する。鉄骨の芯の上方に球体ターゲット１２の芯を設置することで、柱の捻りに影響を受けない鉄骨の柱頭の芯の３次元座標値を測定することが出来る。ここで、反射プリズムターゲットやターゲットシールに対する測量機１０の３次元座標値の測定では、正対を必要とする。一方、本発明では、測量機１０の単眼のデジタルカメラによる球体ターゲット１２の撮影は、精度高い正対を必要とせず、撮影可能範囲を広くすることが出来るため、測量機１０の盛替え頻度を少なくすることが出来る。又、鉄骨の柱頭に測量機１０を設置することで、位置計測装置１の端末装置１１で測量機１０を遠隔操作し、鉄骨建ち測量を可能にする。

又、例えば、図１４に示すように、ドローン１４００の上方に球体ターゲット１２を設置し、ドローン１４００の下方で、車輌の上方には、ドローン１４００の下方にある読取部が読取可能なバーコード１４０１が設置される。ドローン１４００は、ホバリングによりその場に静止するとともに、ドローン１４００の読取部は、車輌のバーコード１４０１を読み取る。車輌が移動すると、バーコード１４０１が移動するため、ドローン１４００の読取部がバーコード１４０１を読み取ることで、車輌の移動量を取得する。一方、ドローン１４００の球体ターゲット１２の芯の３次元座標値は、固定された測量機１０で測定されるため、球体ターゲット１２の芯の３次元座標値と車両の移動量から、車輌の３次元座標値を算出することが出来る。

ところで、上述では、物体ターゲット１２を球体ターゲットとして説明したが、円柱ターゲットとしても良い。この場合は、上述とほぼ同様であるが、下記のようになる。先ず、視準合わせ部２０１は、測量機１０の視準望遠鏡１０１を水平方向における円柱ターゲット１２の表面の中心に視準させる（図３：Ｓ１０１）。次に、物体測距部２０２は、前記視準望遠鏡１０１の水平角度、鉛直角度及び前記測量機１０のノンプリズムモードにより円柱ターゲット１２の表面の中心の３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を測定する（図３：Ｓ１０２）。そして、物体撮影部２０３は、前記視準望遠鏡１０１のデジタルカメラで、前記円柱ターゲット１２を含む円柱画像を撮影する（図３：Ｓ１０３）。

更に、画像中心算出部２０４は、前記円柱画像中の水平方向における円柱ターゲット１２の外縁を円柱ターゲット１２の外側面に変換し、当該変換された円柱ターゲット１２の外側面に基づいて、前記円柱画像における円柱ターゲット１２の中心線ＣＬを算出する（図３：Ｓ１０４）。

例えば、画像中心算出部２０４は、図１５Ａに示すように、撮影された円柱画像１５００を二値化処理して、円柱ターゲット１２の外縁が特定される円柱二値化画像１５０１を生成する。ここでは、例えば、デジタルカメラの視野から円柱ターゲット１２の上下が隠れて、円柱ターゲット１２が長方形状に写っている。

次に、中心算出部２０４は、円柱二値化画像１５０１から円柱ターゲット１２の外縁（ここでは、左右の外縁）を構成する画素（左の外縁の画素１５０２、右の外縁の画素１５０３）を所定数抽出する。中心算出部２０４は、図１５Ｂに示すように、当該抽出した左の外縁の所定数の画素１５０２を点として第一の直線で近似するとともに、右の外縁の所定数の画素１５０３を点として第二の直線で近似する。ここでは、円柱ターゲット１２の左の外縁を構成する所定数の画素１５０２（点）に対して第一の直線１５０４の式を最小二乗法で近似し、右の外縁を構成する所定数の画素１５０３（点）に対して第二の直線１５０５の式を最小二乗法で近似する。近似の際に、第一の直線１５０４及び第二の直線１５０５は、円柱画像１５００における二次元座標系（Ｘ座標系）の縦軸に対して平行となる。これにより、円柱ターゲット１２の左右の外縁を円柱ターゲット１２の左右の外側面に変換することが出来る。そして、画像中心算出部２０４は、近似した第一の直線１５０４と第二の直線１５０５との間の中心線ＣＬ（Ｙｃｌ）を円柱画像１５００における円柱ターゲット１２の中心線として算出する。

そして、中心判定部２０５は、前記円柱ターゲット１２の中心線ＣＬが、前記円柱画像１５００の中心位置Ｃ０を基準とした所定の中心判定範囲Ｄに含まれるか否かを判定する（図３：Ｓ１０５）。

例えば、中心判定部２０５は、円柱画像１５００の中心位置Ｃ０（Ｘｃ０、Ｙｃ０）のうち、Ｙ座標値（Ｙｃ０）を中心とし、閾値ｄを左右の幅とした帯状の中心判定範囲Ｄとして設定し、図１５Ｂに示すように、円柱画像１５００における二次元座標系において、球体ターゲット１２の中心線ＣＬが中心判定範囲Ｄに含まれるか否かを判定する。

前記判定の結果、前記円柱ターゲット１２の中心線ＣＬが前記中心判定範囲Ｄに含まれる場合（図３：Ｓ１０５ＹＥＳ）、実中心算出部２０６は、前記円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）のうち、水平方向における２次元座標値（Ｘｓ、Ｙｓ）から、前記測定された水平角度Ｈの水平方向に前記円柱ターゲット１２の中心軸Ｃに向かって前記円柱ターゲット１２の半径ｒだけ移動させた２次元座標値を水平方向における前記円柱ターゲット１２の中心軸Ｃの２次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）として算出する（図３：Ｓ１０５）。

ここで、円柱ターゲット１２の中心軸Ｃは、円柱ターゲット１２を鉛直方向から見た場合の円柱ターゲット１２の中心を意味する。例えば、実中心算出部２０６は、上記の２式（１）、（２）に、円柱ターゲット１２の表面の中心ＳのＸＹ座標値（Ｘｓ、Ｙｓ）と、水平角Ｈと、円柱ターゲット１２の半径ｒとを代入することで、円柱ターゲット１２の中心軸ＣのＸＹ座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出する。

尚、円柱ターゲット１２の半径ｒは、例えば、下記のように算出される。即ち、上述で近似した第一の直線１５０４と第二の直線１５０５との間の距離Ｂが算出されると、この距離Ｂが円柱ターゲット１２の直径になり、この距離Ｂの中心が円柱ターゲット１２の中心軸Ｃとなる。この距離Ｂは、鉛直方向のどの位置でも同じ値となる。そのため、この距離Ｂに１／２を乗算した値が円柱画像１５００における円柱ターゲット１２の半径ｒとして算出される。又、予め登録された円柱ターゲット１２の実寸法の半径Ｒを用いても良い。

これにより、一枚の撮影画像で、円柱ターゲット１２の中心軸Ｃの２次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出することが出来る。尚、円柱ターゲット１２の中心軸Ｃの鉛直方向のＺ座標値（Ｚｃ）は、円柱ターゲット１２の表面の中心の鉛直方向のＺ座標値（Ｚｓ）と同等であるため、この値を用いても良い。又、球体ターゲット１２と同様に、円柱ターゲット１２が動いていてもその算出は可能である。円柱ターゲット１２の中心軸Ｃの２次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）の算出の応用例として、例えば、杭打設の杭を円柱ターゲットとみなして、その中心軸Ｃの２次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を経時的に算出し、監視する例を挙げることが出来る。

尚、前記判定の結果、前記円柱ターゲット１２の中心線ＣＬが前記中心判定範囲Ｄに含まれない場合（図３：Ｓ１０５ＮＯ）、差分算出部２０７は、前記円柱画像１５００のＹ座標系における円柱ターゲット１２の中心線ＣＬと前記円柱画像１５００の中心位置Ｃ０とのＹ座標値の差分（ｄＹ１）を算出し（図３：Ｓ１０７）、当該算出したＹ座標値の差分（ｄＹ１）に対応する水平角偏差ｄＨ１に基づいて前記視準望遠鏡１０１の観測方向を補正する（図３：Ｓ１０８）。そして、上述と同様に、Ｓ１０１に戻って、視準が再度なされる。

＜実施例２＞
実施例１において、球体ターゲットを円柱ターゲットに代えた位置計測装置１を用い、円柱ターゲット１２の中心軸Ｃの２次元座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出するよう構成した。ここで、円柱ターゲット１２を設置した対象物Ｔが動くことを想定し、図１６Ａに示すように、振動試験機を横に倒したものを対象物Ｔとし、この左側に円柱ターゲット１２を設置して、特定の周波数で水平方向で円柱ターゲット１２を振動させるようにした。

＜位置計測試験３＞
次に、振動試験機Ｔを動作させ、円柱ターゲット１２を特定の周波数（例えば、１０Ｈｚ）で左右に振動させた状態で、位置計測装置１を用いて円柱ターゲット１２の中心軸ＣのＹ座標値（Ｙｃ）を所定の期間（例えば、３秒間）を算出した。一方、振動試験機Ｔの基準振幅Ｙ座標値を予め計測し、測定精度を確認した。その結果、図１６Ｂに示すように、実験値である円柱ターゲット１２の中心軸ＣのＹ座標値（Ｙｃ）は、設計値である基準振幅Ｙ座標値の波形に従って推移しており、基準振幅Ｙ座標値にほぼ一致していることが確認出来た。

ここで、算出した円柱ターゲット１２の中心軸ＣのＹ座標値（Ｙｃ）の最大値は６．４９ｍｍ、基準振幅Ｙ座標値の最大値は６．１４ｍｍであり、両者の差分は０．３５ｍｍであった。又、算出した円柱ターゲット１２の中心軸ＣのＹ座標値（Ｙｃ）の最小値は−９．１３ｍｍ、基準振幅Ｙ座標値の最小値は−７．７５ｍｍであり、両者の差分は１．３８ｍｍであった。つまり、円柱ターゲット１２が振動していても、その測定誤差は２．０ｍｍ未満であり、測定精度が高いことが確認出来た。又、１点の算出時間は、上述と同様に、０．５秒以下であり、測定時間が短いことが確認出来た。

本発明では、測量機１０と端末装置１１が各部を備えるよう構成したが、当該各部を実現するプログラムを記憶媒体に記憶させ、当該記憶媒体を提供するよう構成しても構わない。当該構成では、プログラムを所定の処理装置に読み出させ、当該処理装置が各部を実現する。その場合、記録媒体から読み出されたプログラム自体が本発明の作用効果を奏する。更に、各部が実行するステップを本発明の位置計測方法として提供することも可能である。

以上のように、本発明に係る位置計測装置及び位置計測方法は、一般的な構造物、建築物、機器装置、地盤、道路、車輌、鉄道、シールドマシン、ドローン等の３次元又は２次元座標値を計測する計測分野、土木技術分野、測量分野等に有用であり、物体ターゲットが動いていても、一枚の撮影画像で、精度高く、且つ、短時間に物体ターゲットの中心の座標値を計測することが可能な位置計測装置及び位置計測方法として有効である。

１ 位置計測装置
１０ 測量機
１１ 端末装置
１２ 物体ターゲット
２０１ 視準合わせ部
２０２ 物体測距部
２０３ 物体撮影部
２０４ 画像中心算出部
２０５ 中心判定部
２０６ 実中心算出部
２０７ 差分算出部
２０８ 継続測定部

Claims (7)

1. 測量機の視準望遠鏡を球体ターゲットの表面の中心に視準させる視準合わせ部と、
   前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する物体測距部と、
   前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記球体ターゲットを含む球体画像を撮影する物体撮影部と、
   前記球体画像中の球体ターゲットの外縁を球体ターゲットの円周に変換し、当該変換された球体ターゲットの円周に基づいて、前記球体画像における球体ターゲットの中心位置を算出する画像中心算出部と、
   前記球体ターゲットの中心位置が、前記球体画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する中心判定部と、
   前記球体ターゲットの中心位置が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値から、前記測定された水平角度及び鉛直角度の方向に前記球体ターゲットの芯に向かって前記球体ターゲットの半径だけ移動させた３次元座標値を前記球体ターゲットの芯の３次元座標値として算出する実中心算出部と、
   を備えることを特徴とする位置計測装置。
2. 前記球体ターゲットの中心位置が前記中心判定範囲に含まれない場合、前記球体画像のＸＹ座標系における球体ターゲットの中心位置と前記球体画像の中心位置とのＸＹ座標値の差分を算出し、当該算出したＸＹ座標値の差分に対応する水平角偏差及び鉛直角偏差に基づいて前記視準望遠鏡の観測方向を補正し、前記視準望遠鏡の視準をやり直す差分算出部
   を更に備える
   請求項１に記載の位置計測装置。
3. 前記画像中心算出部は、撮影された球体画像を二値化処理して、前記球体ターゲットの外縁が特定される球体二値化画像を生成し、当該生成した球体二値化画像から前記球体ターゲットの外縁を構成する画素を所定数抽出し、当該抽出した所定数の画素を点として円周で近似し、当該近似した円周の半径を前記球体ターゲットの半径として算出する
   請求項１又は２に記載の位置計測装置。
4. 前記実中心算出部は、下記の２式（１）、（２）に、前記球体ターゲットの表面の中心のＸＹ座標値（Ｘｓ、Ｙｓ）と、前記水平角Ｈと、前記球体ターゲットの半径ｒとを代入することで、前記球体ターゲットの芯のＸＹ座標値（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出し、下記の式（３）に、前記球体ターゲットの表面の中心のＺ座標値（Ｚｓ）と、前記鉛直角Ｖと、前記球体ターゲットの半径ｒとを代入することで、前記球体ターゲットの芯のＺ座標値（Ｚｃ）を算出する
   Ｘｃ＝Ｘｓ＋ｒ×ｃｏｓＨ （１）
   Ｙｃ＝Ｙｓ＋ｒ×ｓｉｎＨ （２）
   Ｚｃ＝Ｚｓ−ｒ×ｓｉｎ（Ｖ−９０度） （３）
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の位置計測装置。
5. 測量機の視準望遠鏡を球体ターゲットの表面の中心に視準させる視準合わせステップと、
   前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する物体測距ステップと、
   前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記球体ターゲットを含む球体画像を撮影する物体撮影ステップと、
   前記球体画像中の球体ターゲットの境界を球体ターゲットの円周に変換し、当該変換された球体ターゲットの円周に基づいて、前記球体画像における球体ターゲットの中心位置を算出する画像中心算出ステップと、
   前記球体ターゲットの中心位置が、前記球体画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する中心判定ステップと、
   前記球体ターゲットの中心位置が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記球体ターゲットの表面の中心の３次元座標値から、前記測定された水平角度及び鉛直角度の方向に前記球体ターゲットの芯に向かって前記球体ターゲットの半径だけ移動させた３次元座標値を前記球体ターゲットの芯の３次元座標値として算出する実中心算出ステップと、
   を備えることを特徴とする位置計測方法。
6. 測量機の視準望遠鏡を水平方向における円柱ターゲットの表面の中心に視準させる視準合わせ部と、
   前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する物体測距部と、
   前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記円柱ターゲットを含む円柱画像を撮影する物体撮影部と、
   前記円柱画像中の水平方向における円柱ターゲットの外縁を円柱ターゲットの外側面に変換し、当該変換された円柱ターゲットの外側面に基づいて、前記円柱画像における円柱ターゲットの中心線を算出する画像中心算出部と、
   前記円柱ターゲットの中心線が、前記円柱画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する中心判定ステップと、
   前記円柱ターゲットの中心線が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値のうち、水平方向における２次元座標値から、前記測定された水平角度の方向に前記円柱ターゲットの中心軸に向かって前記円柱ターゲットの半径だけ移動させた２次元座標値を水平方向における前記円柱ターゲットの中心軸の２次元座標値として算出する実中心算出部と、
   を備えることを特徴とする位置計測装置。
7. 測量機の視準望遠鏡を水平方向における円柱ターゲットの表面の中心に視準させる視準合わせステップと、
   前記視準望遠鏡の水平角度、鉛直角度及び前記測量機のノンプリズムモードにより円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値を測定する物体測距ステップと、
   前記視準望遠鏡の光軸と撮影画像の中心が一致するデジタルカメラで、前記円柱ターゲットを含む円柱画像を撮影する物体撮影ステップと、
   前記円柱画像中の水平方向における円柱ターゲットの外縁を円柱ターゲットの外側面に変換し、当該変換された円柱ターゲットの外側面に基づいて、前記円柱画像における円柱ターゲットの中心線を算出する画像中心算出ステップと、
   前記円柱ターゲットの中心線が、前記円柱画像の中心位置を基準とした所定の中心判定範囲に含まれるか否かを判定する中心判定ステップと、
   前記円柱ターゲットの中心線が前記中心判定範囲に含まれる場合、前記円柱ターゲットの表面の中心の３次元座標値のうち、水平方向における２次元座標値から、前記測定された水平角度の方向に前記円柱ターゲットの中心軸に向かって前記円柱ターゲットの半径だけ移動させた２次元座標値を水平方向における前記円柱ターゲットの中心軸の２次元座標値として算出する中心算出ステップと、
   を備えることを特徴とする位置計測方法。