JP2019035685A - ３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より正確な３次元測量が可能な３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラムを実現する。【解決手段】３次元測量装置１００が取得した測定対象物１の３次元座標データを、その３次元座標データに関連付けられている情報のうち、測定対象物１との距離情報、測定対象物１の色情報、戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって補正することができるので、より正確な３次元測量を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、より正確な３次元測量を可能にする３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラムに関する。

鉄道設備では、各設備に対し建築限界等の実施基準上に定められた寸法管理が実施されている。例えば、駅構内ではホームの高さ、軌道中心からホーム端までの距離、ホームの傾斜等の項目において寸法を測定して管理することが行われている。
これまで上記寸法は、項目ごとにトータルステーション、ホームマスター、巻尺などの測定器を用いてそれぞれの項目ごとに別々の測定が行われていたため、作業量が多いという課題があった。
そこで、本発明者らは、３次元測量装置で一度に複数箇所を測定することを考えた。

従来、短時間に測定対象物の多数の３次元データ（３次元点群データ）を取得するための測量装置として、３次元レーザスキャナが知られている。
例えば、３次元レーザスキャナによる３次元測量を路面形状計測に適用し、補修対象となった道路の通行規制を行わずに道路形状を測定して、補修に要する舗装資材の量を算出することに活用されている。その他にも、土木工事における運土量、掘削量、埋め立て量を算出することなどにも活用されており、様々な分野で３次元レーザスキャナによる３次元測量が行われている。

３次元レーザスキャナで３次元点群データを精度よく取得する技術のひとつとして、ターゲットによる３次元レーザスキャナの設置位置を既知とする技術が知られている。３次元レーザスキャナで３次元点群データを取得する場合、３次元レーザスキャナの設置位置を既知とする必要がある。例えば、既知の点にターゲットを設置し、３次元レーザスキャナによりターゲットを測定し、ターゲットの設置位置と、ターゲットの測定結果に基づき３次元レーザスキャナの設置位置を既知とする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１の３次元レーザスキャナは、測距光を発生する光源部とは別に、複数の波長を含む照明光を照射する照明光源部を有しており、照明光源部にて照明した画像と、照明していない画像を撮像部にて取得し、両画像の差分画像を求め、その差分画像及び差分画像から検出される複数波長の反射光の検出強度に基づき再帰反射性を有するターゲットを確実に測定することが可能になっている。

特開２０１４−８５１３４号公報

しかしながら、駅構内のプラットホームなどの数ｍｍ単位の精度が要求される構造物の測量には３次元レーザスキャナによる３次元測量を適用することができなかった。
これは、許容寸法が１ｍｍ程度と小さく現状の３次元レーザスキャナの測定精度では、点数を数多く取得する等の工夫が必要であり、測量できる時間が限られる駅構内のプラットホームなどの測量では、長時間時間がかかることによる。

そこで、本発明者らは、３次元レーザスキャナが測定対象物に対して測距光を走査し、その反射光を受光して取得した３次元点群データには、測定対象物（測定点）までの距離に関する測定距離情報が含まれる３次元座標データに加え、測定対象物の色情報や反射光の受光感度情報が含まれていることに着目した。
そして、本発明者らは、３次元レーザスキャナが取得した３次元点群データに含まれている情報を利用して、３次元測量の精度をより正確に把握することが可能になる技術を見出した。

本発明の目的は、より正確な３次元測量が可能な３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラムを提供することである。

上記目的を達成するため、本出願に係る一の発明は、
レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを求める制御部を備えた３次元測量装置であって、
前記制御部は、前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する機能を有するようにした。

また、本出願に係る他の発明は、
レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを取得可能な３次元測量装置を用いた３次元測量方法であって、
前記３次元測量装置により前記測定対象物の３次元座標データを取得する工程と、
前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する工程と、
を備えるようにした。

また、本出願に係る他の発明は、
レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを取得可能な３次元測量装置を用いて、前記測定対象物の３次元測量を行うための３次元測量プログラムであって、
前記３次元測量装置に含まれるコンピュータに、
前記３次元測量装置を作動させ、前記測定対象物の３次元座標データを取得する処理と、
前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する処理と、
を実行させるようにした。

かかる構成の３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラムによれば、３次元測量装置が取得した測定対象物の３次元座標データを、その３次元座標データに関連付けられている情報のうち、測定対象物との距離情報、測定対象物の色情報、戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって補正することができるので、より正確な３次元測量を行うことができる。

本発明によれば、より正確な３次元測量を行うことができる。

本実施形態の３次元測量装置を示す概略構成図である。 ３次元測量装置による３次元測量に関する説明図である。 ３次元測量装置による３次元測量に関する説明図である。 ３次元測量に関する標準偏差についての説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る３次元測量装置、３次元測量方法及び３次元測量プログラムの実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、３次元測量を実施するにあたり、測定対象物１の３次元座標データを取得する３次元測量装置１００を示す概略構成図である。
図１に示すように、３次元測量装置１００は、レーザー光源１５（後述）からレーザー光Ｌ１を出射し、測定対象物１に照射する。そして、測定対象物１からの戻り光Ｌ２は、３次元測量装置１００の受光部１６（後述）に入射される。
なお、図１においては、レーザー光Ｌ１等を互いに区別し易いように、それぞれ異なる光路で示しているが、勿論、実際には、レーザー光Ｌ１の光路と戻り光Ｌ２の光路は同一である。

そして、３次元測量装置１００の制御部１１（後述）は、レーザー光源１５からレーザー光Ｌ１を出射した時間と、受光部１６で戻り光Ｌ２を受光した時間との時間差に基づいて、測定対象物１までの距離を求めることができる。
例えば、測定対象物１の測定点までの距離（光路長）は、レーザー光の伝搬速度に、レーザー光を出射した時間と戻り光を受光した時間との時間差を乗算した値の１／２の値として求めることができる。

３次元測量装置１００は、図１に示すように、制御部１１、操作入力部１２、表示部１３、記憶部１４、レーザー光源１５、受光部１６、走査部１７を備えている。上記各部は、内部バスや配線等により互いに接続され、制御部１１によって制御可能な状態にある。

操作入力部１２は、ユーザからの操作入力を受け付け、その操作入力に応じた操作信号を制御部１１へ出力する。
例えば、操作入力部１２は、３次元測量装置１００を設置した位置の座標情報の入力を受け付けたり、３次元測量装置１００（レーザー光源１５）から出射するレーザー光Ｌ１の出射角度を走査部１７が切り替えるための操作入力を受け付けたりする。
なお、操作入力部１２は、スマートフォンやタブレット端末等のように、表示部１３と一体的に形成されたタッチパネルなどであってもよい。

表示部１３は、制御部１１から出力された表示制御信号に基づいた画像を表示画面に表示する。例えば、表示部１３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を用いたＦＰＤ（Flat Panel Display）などであってよい。
なお、表示部１３は、スマートフォンやタブレット端末等のように、操作入力部１２と一体的に形成されたタッチパネルなどであってもよい。

記憶部１４は、プログラムデータ（例えば３次元測量プログラム）や各種設定データ等を制御部１１から読み書き可能に記憶する。例えば、記憶部１４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）や半導体メモリなどであってよい。

レーザー光源１５は、制御部１１の制御により、測定対象物１までの距離を測定したり、測定対象物１の測定点の座標データを取得したりするためのレーザー光Ｌ１を出射する。例えば、レーザー光源１５は、半導体レーザー素子等であってよい。
なお、レーザー光源１５から出射されるレーザー光の波長及び出力パワーは、距離の測定に適した波長等であればよく、また、人間の目に安全な波長及び出力パワーであることが望ましい。

受光部１６は、測定対象物１からの戻り光Ｌ２、つまり、レーザー光源１５から出射されたレーザー光Ｌ１の戻り光Ｌ２を受光して制御部１１に受光した情報を出力する。例えば、受光部１６は、フォトダイオードやＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の半導体受光素子であってよい。

走査部１７は、制御部１１の制御により、３次元測量装置１００から出射されるレーザー光の出射角度（出射方向）を走査するように切り替える。この走査部１７は、３次元測量装置１００（レーザー光源１５）から出射したレーザー光の出射角度情報を制御部１１に出力する。例えば、走査部１７は、光学的に出射されるレーザー光の出射角度を切り替えるものであってよいし、或いは機械的にレーザー光源１５の出射方向を変化させてレーザー光の出射角度を切り替えるものであってよい。また、レーザー光源１５自体が走査部１７の機能を併せ持つものであってもよい。

制御部１１は、３次元測量装置１００の動作を中央制御する。具体的には、制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有しており、ＲＡＭの作業領域に展開された記憶部１４（あるいはＲＯＭ）に記憶されているプログラムデータとＣＰＵとの協働により装置の各部を統括制御する。つまり、制御部１１は、３次元測量装置１００を統括制御するコンピュータとして機能する。

この制御部１１は、レーザー光源１５から出射したレーザー光Ｌ１を測定対象物１に照射し、測定対象物１からの戻り光Ｌ２を受光部１６で受光し、受光した時間とレーザー光Ｌ１を出射した時間との時間差から得られる距離と、レーザー光Ｌ１を測定対象物１に向けて出射した角度などから、測定対象物１の３次元座標データを求める処理を実行する。
なお、３次元測量装置１００（３次元レーザスキャナ）の制御部１１が、測定対象物１の３次元座標データを求める処理は従来公知のものと同様であるので、ここでは詳述しない。

ちなみに、取得した３次元座標データには各種情報が関連付けられている。
例えば、３次元座標データには、測定対象物１（測定点）までの距離情報、測定対象物１（測定点）の色情報、戻り光Ｌ２の受光感度情報のうち、少なくとも１つの情報が関連付けられている。
そして、制御部１１は、取得した３次元座標データに関連付けられている情報のうち、測定対象物１（測定点）との距離情報、測定対象物１（測定点）の色情報、戻り光Ｌ２の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、３次元座標データを補正する処理を実行する。

次に、本実施形態の３次元測量装置１００による３次元測量について説明する。
本実施形態では、図２に示した駅構内において、一方のプラットホームＰ１に設置した３次元測量装置１００により、軌道Ｒを挟んだ他方のプラットホームＰ２を測定対象物１とした３次元測量を例に説明する。

まず、図２、図３に示すように、３次元測量装置１００から出射するレーザー光Ｌ１を走査して、測定対象物１であるプラットホームＰ２の３次元座標データを多数取得する。
そして、プラットホームＰ２の上面の高さ（ｚ座標）をより正確に求める場合には、取得した３次元座標データに関連付けられている情報に基づく重み付き残差法によって、３次元座標データを補正する処理を実行する。
本実施形態では、測定対象物１（プラットホームＰ２）との距離情報（つまり、計測距離）に基づく重み付き残差法によって、３次元座標データを補正する。

補正処理の第１工程では、取得した多数の３次元座標データのうち、プラットホームＰ２の上面にレーザー光Ｌ１が当たった３次元座標データを抽出する。
次いで、補正処理の第２工程では、抽出した３次元座標データのｚ座標がプラットホームＰ２の上面の高さに対応することから、そのｚ座標の値の平均値（ｚバー）を算出し、その平均値をプラットホームＰ２の上面の高さとして仮設定する。
次いで、補正処理の第３工程では、測定対象物との距離情報、測定対象物の色情報、戻り光の受光感度情報による誤差特性に関する補正関数に基づき標準偏差σを算出する。例えば、図４に示すように、実測データに基づく補正関数に基づいて標準偏差σを算出する。なお、図３、図４では、距離情報である計測距離が１７ｍである測定点（ｉ＝１，ｚ座標（ｚ_１＝５５．２））での距離情報に基づく標準偏差σの算出について例示している。
次いで、補正処理の第４工程では、下記の式（１）に基づき、重み付きの残差二乗和Ｊを算出し、そのＪの値が最小になるｚバーを定める。
こうして定めたｚバーの値が、重み付き残差法によって３次元座標データのｚ座標の値を補正したものに相当する。

このように、３次元測量装置１００は、重み付き残差法による補正処理を実行することによって、プラットホームＰ２の上面の高さ（ｚ座標）をより正確に求めることができる。
ここでは、プラットホームＰ２の上面の高さに対応するｚ座標の補正について説明したが、プラットホームＰ２の側面や、プラットホームＰ２上の柱や壁面などに対応する座標（ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標）の補正も同様に行うことができる。

以上のように、本実施形態の３次元測量装置１００であれば、３次元測量にて取得した３次元座標データに、重み付き残差法による補正処理を施すことができるので、３次元測量の精度をより正確に把握でき、より正確な３次元測量を行うことができる。

なお、以上の実施の形態においては、取得した３次元座標データに関連付けられている測定対象物１（測定点）との距離情報に基づく重み付き残差法によって、３次元座標データを補正する処理を実行したが、本発明はこれに限定されるものではなく、測定対象物１（測定点）の色情報に基づく重み付き残差法によって３次元座標データを補正する処理を実行したり、戻り光Ｌ２の受光感度情報に基づく重み付き残差法によって３次元座標データを補正する処理を実行したり、それら幾つかの情報に基づく重み付き残差法によって３次元座標データを補正する処理を実行したりしてもよい。

また、測定対象物１の所定位置にターゲットを貼付し、ターゲットに基づいて取得した３次元座標データを、ターゲット以外の３次元座標データよりも高い重み付けをする残差法を適用するようにしてもよい。なお、ターゲットは、特殊な色や反射性あるいは形状を有していることが好ましい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 測定対象物
１１ 制御部
１２ 操作入力部
１３ 表示部
１４ 記憶部
１５ レーザー光源
１６ 受光部
１７ 走査部
１００ ３次元測量装置
Ｐ１ 一方のプラットホーム
Ｐ２ 他方のプラットホーム
Ｌ１ レーザー光
Ｌ２ 戻り光

Claims (3)

1. レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを求める制御部を備えた３次元測量装置であって、
   前記制御部は、前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する機能を有することを特徴とする３次元測量装置。
2. レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを取得可能な３次元測量装置を用いた３次元測量方法であって、
   前記３次元測量装置により前記測定対象物の３次元座標データを取得する工程と、
   前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する工程と、
   を備えたことを特徴とする３次元測量方法。
3. レーザー光源から出射したレーザー光を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの戻り光を受光部で受光し、受光した時間と出射した時間との時間差から得られる距離から、前記測定対象物の３次元座標データを取得可能な３次元測量装置を用いて、前記測定対象物の３次元測量を行うための３次元測量プログラムであって、
   前記３次元測量装置に含まれるコンピュータに、
   前記３次元測量装置を作動させ、前記測定対象物の３次元座標データを取得する処理と、
   前記３次元座標データに関連付けられている情報のうち、前記測定対象物との距離情報、前記測定対象物の色情報、前記戻り光の受光感度情報の少なくとも１つの情報に基づく重み付き残差法によって、前記３次元座標データを補正する処理と、
   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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