【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：Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）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（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ） 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（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）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（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＧＰＳ）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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional data acquisition apparatus suitable for use in acquiring three-dimensional spatial information of structures along a track while being mounted on a railway vehicle and running the railway vehicle.
[0002]
[Prior art]
As a conventional three-dimensional data acquisition device mounted on a moving body, there is a device capable of acquiring three-dimensional spatial information while driving a vehicle by mounting a laser scanner device or a camera on the vehicle (for example, a patent) Reference 1 and Patent Document 2).
[0003]
In addition, an apparatus for creating a three-dimensional model from three-dimensional spatial information acquired using a laser scanner device mounted on a flying object has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-128158 A (3rd page, FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-31528 (page 4, FIG. 5)
[Patent Document 3]
JP 2002-74323 A (page 4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional technique, a rail vehicle is not considered as a moving body. Therefore, there is a problem that a measuring device such as a laser scanner device cannot be mounted on a railway vehicle as it is. That is, in the apparatuses described in Patent Document 1 and Patent Document 2, there is a protruding portion of the measuring device with respect to the lateral direction of the traveling direction of the vehicle. Therefore, there is a problem that a railway vehicle with a small margin in the side direction may not be mounted itself or may be restricted such as a limited measurement range in the measuring device.
[0006]
Further, in the apparatuses described in Patent Document 1 and Patent Document 2, a laser scanner device or the like is provided so as to be suitable for acquiring data in the road surface direction of the automobile in detail. For this reason, when it is intended to be used for a railway vehicle, there is a problem that the capture rate of structures along the railway line may be low, or the accuracy of acquiring data in the lateral direction may be deteriorated.
[0007]
This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the three-dimensional data acquisition apparatus more suitable to apply to a railway vehicle.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is an apparatus for radiating an object while rotating a laser, receiving reflected light, and measuring the distance to the object, and measuring the distance to the object. A first laser scanner mounted on the upper part of the railway vehicle and a target object while rotating the laser so that the measurement section forming the rotational section forms a vertical plane with respect to the traveling direction of the railway vehicle. Is a device that measures the distance to an object by measuring a surface in which a measurement cross section forming a rotational cross section in the laser radiation direction is inclined at a predetermined angle with respect to the measurement cross section of the first laser scanner. And a second laser scanner mounted on an upper part of the railway vehicle.
[0009]
According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the first and second laser scanners are mounted substantially at the center in the width direction on the upper rear side of the railway vehicle.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a position / orientation information measuring unit that measures position and attitude information of the railway vehicle, and measurement information and positions of the first and second laser scanners. The apparatus further includes a three-dimensional data calculation unit that calculates three-dimensional data based on the position and posture information acquired by the posture information measurement unit.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the position / orientation information measuring unit that measures position and attitude information of the railway vehicle has a vehicle upper element that acquires position information from a ground element on the track. It is characterized by being.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a three-dimensional model processing system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a three-dimensional model processing system including an embodiment of the present invention. In FIG. 1 and other drawings, the same components are denoted by the same reference numerals. The system shown in FIG. 1 includes a three-dimensional data acquisition device 10, a three-dimensional model creation device 20, and a three-dimensional model calculation device 30.
[0013]
The three-dimensional data acquisition device 10 is a device that is mounted on a moving body such as a railway vehicle and acquires three-dimensional spatial information while moving the moving body. Three-dimensional coordinate information and image information corresponding to each structure around the moving point of the moving body are continuously acquired. Here, the three-dimensional coordinate information indicates the three-dimensional coordinates of each point when the structure is represented by a plurality of points. In the present application, three-dimensional coordinate data indicating a plurality of points is referred to as three-dimensional point group data.
[0014]
The three-dimensional model creation device 20 is a device that creates a three-dimensional model based on the three-dimensional spatial information acquired by the three-dimensional data acquisition device 10. A polygon model is created by obtaining a connection relationship (connection information) between points in the three-dimensional point cloud data constituting the three-dimensional space information. The 3D model created by the 3D model creation device 20 is output as polygon model data. The three-dimensional model creation device 20 can also use the image information of the structure acquired by the three-dimensional data acquisition device 10 as necessary. For example, when creating a three-dimensional model, it is possible to correct errors in the connection information using image recognition processing, or to perform picture mapping, texture mapping, etc. on the polygon model using the image information. .
[0015]
The three-dimensional model calculation device 30 performs calculation processing for various simulations using the three-dimensional model created by the three-dimensional model creation device 20 or data creation processing for a geographic information system (GIS). And the like.
[0016]
As shown in FIG. 1, the three-dimensional data acquisition apparatus 10 is configured by units 101 to 111 each including one or more apparatuses. In this case, each part 101-111 is mounted in the railway vehicle 1 as shown in FIG. The laser scanner unit 101 includes two laser scanners 101a and 101b mounted on the roof of the railway vehicle 1 in FIG. 2 and a control device (not shown). Each of the laser scanners 101a and 101b emits a laser while rotating 360 degrees at a scan frequency (laser radiation period) of 20 Hz, for example, and reflects the structure such as the utility pole 3, the overhead line 3a, the building 4 and the tunnel 5 as an object. Receive a signal. In other words, each of the laser scanners 101a and 101b is an apparatus that radiates to an object while rotating the laser, receives reflected light, and measures the distance to the object.
[0017]
Data measured by the laser scanner unit 101 includes angle information and distance information to the object. These pieces of information are stored in the storage unit 106 together with time information at the time of measurement as laser scanner data. Data measured by the two laser scanners 101a and 101b are stored as independent data. The storage unit 106 includes a nonvolatile semiconductor storage device, a storage device such as a hard disk.
[0018]
The INS unit 102 is composed of an inertial navigation system (Internal Navigation System). The INS unit 102 measures the acceleration in three directions on a measurement table stabilized by, for example, a gyroscope, and integrates the time to obtain the displacement in the three directions, thereby indicating position information indicating the position change of the rail vehicle 1. And posture information indicating a posture such as a direction and a tilt.
[0019]
The GPS unit 103 is a global positioning system, and includes an antenna 103a mounted on the roof of the railway vehicle 1 and its control device. The GPS unit 103 obtains and outputs position information including latitude, longitude, altitude, and the like by receiving signals transmitted from a plurality of GPS satellites 6a, 6b,... Using the antenna 103a. The GPS unit 103 can be a D-GPS (Differential GPS) that uses correction information obtained using a mobile phone, FM broadcast, or the like.
[0020]
The on-board unit 104 transmits and receives information to and from a plurality of ground units 7 arranged at predetermined positions along the track 2 as shown in FIG. 2 by an ATS system (automatic train stop device system) or the like. It is a device for. It comprises a coil 104a attached to the railway vehicle 1 and a control device, and obtains and outputs travel position information based on signals received from each ground element 7. The position information and attitude information output from the INS unit 102, the GPS unit 103, and the vehicle upper unit 104 are stored in the storage unit 107 together with time information as INS data, GPS data, and ground unit data. In the case where the INS unit 102, the GPS unit 103, and the vehicle upper unit 104 constitute a position / orientation information measurement unit and only one of the GPS unit 103 and the vehicle upper unit 104 is provided. You may not be prepared.
[0021]
The line camera unit 105 is an apparatus that captures an image of a structure using a line camera 105a as shown in FIG. 2 and outputs image data. The line camera 105a is attached in the lateral direction of the railway vehicle 1 and uses three line sensor cameras to display images in directions diagonally forward, right side, and diagonally rearward with respect to the traveling direction indicated by arrows. Shoot in the longitudinal direction with a period of. By continuously arranging the captured images, it is possible to obtain images that are continuous in the traveling direction. The images in the respective directions are used for mutually complementing the images in the directions that could not be captured by an obstacle or the like. In the present embodiment, it is assumed that the same line camera as the line camera 105a is attached to the side surface of the railway vehicle 1 opposite to the surface on which the line camera 105a is attached. An image captured by the line camera unit 105 is stored in the storage unit 108 as image information together with time information.
[0022]
The data synchronization unit 109 includes a computer and peripheral devices, and executes processing using a predetermined program. The data synchronization unit 109 is a synchronization that associates each value of the laser scanner data stored in the storage unit 106 with each value of the INS data, GPS data, and ground data stored in the storage unit 107 based on time information. Process.
[0023]
The three-dimensional coordinate value calculation unit 110 includes a computer and a peripheral device that are the same as or different from the data synchronization unit 109, and executes processing using a predetermined program. The three-dimensional coordinate value calculation unit 110 calculates the three-dimensional coordinate value of each value of the laser scanner data using the synchronization result from the data synchronization unit 109. Each value of the laser scanner data indicates a plurality of points corresponding to each object with information on angles and distances based on the installation position of the laser scanner 101a or 101b. On the other hand, the INS data, the GPS data, and the ground data indicate the moving position and posture of the railway vehicle 1 with respect to the ground. The three-dimensional coordinate value calculation unit 110 uses the INS data, the GPS data, and the ground element data to calculate the angle / distance information of each point indicated by the laser scanner data from the ground, that is, the third order based on the longitude / latitude / altitude. Convert to original coordinate value. Then, the data of each point of each object indicated by the three-dimensional coordinate value is stored in the storage unit 111 as three-dimensional point group data.
[0024]
Note that the three-dimensional coordinate value calculation unit 110 uses each position information of INS data, GPS data, and ground child data under the following conditions. First, regarding the acquisition interval, INS data can always be acquired at predetermined time intervals. GPS data can usually be acquired at predetermined time intervals, but signals from the GPS satellites 6a, 6b,... Cannot be received when passing through the tunnel 5 in FIG. In other words, there is a time zone that cannot be acquired in some cases. And the ground element data can be acquired only at the point where the ground element 7 of FIG. 2 is installed. On the other hand, regarding the accuracy, the ground child data is stable and highly accurate, and the GPS data and the INS data may have a larger error than the ground child data. The INS data also has a characteristic that errors are accumulated.
[0025]
Therefore, in the present embodiment, the position and orientation information indicated by the INS data is used while being corrected with the ground child data and the GPS data. In addition, ground correction data is used with priority over GPS data as a correction reference. That is, when both the ground child data and the GPS data are acquired at the same time or close time zones, the position information indicated by the ground child data is adopted. However, both the ground child data and the GPS data do not necessarily have to exist. In either case, sufficient positional information accuracy may be obtained depending on the application.
[0026]
In the three-dimensional coordinate value calculation unit 110, the outputs of the two laser scanners 101a and 101b are simply used together, or, for example, a portion of data that cannot be acquired by the laser scanner 101a is acquired by the laser scanner 101b. It is possible to complement the acquired data, or to use the average of both data for the same object. In this case, both data are used together as they are.
[0027]
Here, the arrangement of the two laser scanners 101a and 101b in FIG. 2 will be described with reference to FIG. 3A is a side view of the railway vehicle 1, and FIG. 3B is a plan view. The laser scanner 101a is installed in the horizontal direction (in the same direction) with respect to the traveling direction indicated by the arrow near the center of the rear part of the roof of the railway vehicle 1 (near the center in the width direction behind the upper part of the railway vehicle 1). In other words, the laser scanner 101a is arranged so that the measurement cross section (rotational cross section) 101as of the laser is a vertical plane orthogonal to the traveling direction. On the other hand, the laser scanner 101b is tilted obliquely upward from the horizontal direction in the side view (FIG. 3A) at the top of the laser scanner 101a, and in the same direction as the laser scanner 101a in the plan view (FIG. 3B). It is installed in. That is, the laser scanner 101b is arranged so that the measurement cross section 101bs of the laser is a surface inclined in the traveling direction with respect to the measurement cross section 101as of the laser scanner 101a. The inclination angle of the laser scanner 101b is, for example, 45 degrees.
[0028]
According to such an arrangement, the portions where the laser scanners 101 a and 101 b protrude from the vehicle body of the railway vehicle 1 are only in the upper direction and the rear direction of the railway vehicle 1. By the way, in a railway vehicle, there is a restriction on a margin dimension of a protruding portion called a vehicle limit. Vehicle limits are more severe on the side than on top and front and rear edges. For example, when the laser scanner is installed perpendicularly to the side surface or at an angle, it is considered that the portion where the laser scanner protrudes from the side surface increases. However, such installation is often not allowed due to vehicle limitations. In the present embodiment, the above arrangement is adopted in consideration of such a vehicle limit in the railway vehicle 1 so that accurate measurement can be performed with as few laser scanners as possible. The installation positions of the laser scanners 101a and 101b are not necessarily near the center of the rear part of the roof of the railway vehicle 1, and may be shifted in the width direction or the front-rear direction within a range within the vehicle limit.
[0029]
In the above arrangement, the measurement cross section 101as of the laser scanner 101a is a vertical plane orthogonal to the traveling direction. Therefore, the measurement of an object such as a structure along the track 2 is performed by the laser traveling in a direction orthogonal to the track 2. In railroads, structures such as walls and buildings along railway lines are often provided vertically along the track 2. Therefore, by using the measurement cross section 101as perpendicular to the traveling direction, it becomes easy to receive reflected light from more objects. There are also many objects on the upper part of the railway vehicle 1 such as the overhead line 3a and the upper part 5a of the tunnel 5. Reflected light from these upper objects is also easily received. However, in the laser scanner 101a, it is difficult to stably obtain accurate data from a surface perpendicular to the traveling direction such as the end vertical surface 5b of the tunnel 5.
[0030]
On the other hand, the measurement cross section 101bs of the laser scanner 101b is a surface having a predetermined angle from the vertical. Therefore, the laser is irradiated at a predetermined angle even on a surface orthogonal to the traveling direction, such as the end vertical surface 5 b of the tunnel 5. Therefore, it is possible to obtain stable reflected light even on such a surface. Further, the laser scanner 101b can obtain stable reflected light from the upper object. Unlike these laser scanners 101a and 101b, for example, a laser scanner having a measurement cross section that is horizontal in the direction of travel is difficult to stably obtain accurate data by reflecting the laser beam on the upper object.
[0031]
Next, the measurement order and direction of the laser scanner 101a will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a front view showing the laser scanner 101a from the direction of the rotation axis (viewed from the back in the direction of travel in FIG. 2). In the present embodiment, the laser scanner 101a is of a type that measures one cross-sectional shape by one rotation of the optical system portion. Measurement is performed at an angle of 0.5 degrees in rotation angle. However, in this case, 60 degrees out of the entire 360 degrees is used for adjustment in the device, and measurement data cannot be obtained. For example, in an example in which the measurement impossible direction is set directly below and measurement is performed from the railcar 1, a defect occurs in the road surface shape data directly below the train travels. In the present embodiment, 601 points of data are measured at intervals of 0.5 degrees.
[0032]
Next, a change in the measurement direction of the laser scanner 101a will be described with reference to FIG. The laser scanner 101a rotates to measure a two-dimensional cross section. Therefore, when traveling while measuring the measurement cross section 101as perpendicular to the traveling direction, the measurement direction changes spirally as shown in FIG. In FIG. 5, the measurement cross section of the same rotation is defined as the first to third measurement cross sections.
[0033]
As shown in FIG. 5, the density of the measurement points is different in the traveling direction (direction of the interval A) and the measurement cross-sectional direction (direction of the interval B). In the laser scanner 101a having a constant scan frequency, the point group interval A in the traveling direction depends on the traveling speed of the vehicle. The higher the vehicle speed, the coarser the interval, and the slower, the closer the interval. The number of measurement points per unit time in the traveling direction depends on the scan frequency. In the case of 20 Hz in the present embodiment, 20 points are measured in one second in the traveling direction. For example, when the speed is 80 km / h, the distance between the point clouds in the traveling direction is about 1.1 m, and when the speed is 20 km / h, the distance is 0.28 m.
[0034]
On the other hand, the point group interval B in the measurement cross-section direction of the laser scanner varies depending on the distance to the object. Here, the point group interval B is an interval between reflection points on the reflection surface of the object. The measurement angle interval of the laser scanner 101a of this embodiment is 0.5 degrees in the measurement cross-sectional direction. The distance between the measurement points increases as the distance to the object to be measured increases, and the distance between the measurement points becomes closer as the object is closer. For example, facilities around the track within 10 m from the laser scanner 101a have a distance of approximately 10 cm or less, and buildings and slopes around the track 20 m to 50 m from the laser scanner 101a have a point cloud at intervals of several tens of cm. To be acquired.
[0035]
FIG. 6 shows an example of three-dimensional point cloud data when the entrance / exit part of the tunnel 5 as shown in FIG. 2 is measured. Since the distance from the laser scanner 101a to the object is shortened, it is expressed by a shape in which dots are arranged closely in the measurement cross-sectional direction. As a result, the three-dimensional representation of the tunnel with point clouds makes it easier to grasp the shape.
[0036]
Next, the configuration of the three-dimensional model creation apparatus 20 will be described with reference to FIG. 1 again. The three-dimensional model creation apparatus 20 includes a polygon model creation unit 201 and a storage unit 202 for storing polygon data. The polygon model creation unit 201 is composed of a computer and peripheral devices, and executes processing using a predetermined program. The polygon model creation unit 201 creates a polygon model based on the three-dimensional point cloud data as shown in FIG. 6 stored in the storage unit 111. The polygon model created by the polygon model creation unit 201 is stored in the storage unit 202 as polygon model data.
[0037]
Here, a polygon model creation procedure by the polygon model creation unit 201 will be described with reference to FIGS. As a method of creating a polygon from a point cloud, there is a method of creating a triangle by connecting adjacent points. Such a method can also be realized by general-purpose modeling software. However, the point cloud data used by the polygon model creation unit 201 is data measured by actually running the railway vehicle 1. Such data may contain an error component. When such data is processed by general-purpose software, unevenness that does not actually exist may occur depending on the accuracy of obtaining the reflection point of the laser.
[0038]
Therefore, in the present embodiment, by introducing the concept of the traveling direction, which is not found in general-purpose modeling software, it is possible to create a polygon model that is not affected by error components as much as possible. Note that general-purpose modeling software generally creates polygons based on the direction (east longitude and latitude).
[0039]
The polygon model creation unit 201 creates a polygon along the traveling direction in order to prevent the occurrence of unevenness. It is considered that the data of the object often has a certain relationship such as continuity with respect to the traveling direction and the rotation direction of the laser scanner. That is, the difference in data (distance to the object) between measurement points adjacent in the traveling direction and the rotation direction is expected to be relatively small. Therefore, when creating a polygon, a candidate for the vertex coordinates of the polygon is selected in consideration of the traveling direction and the rotation direction (that is, the data acquisition cycle). Furthermore, a certain restriction is placed on the data interval between vertices. As a result, it is possible to avoid as much as possible the problem of creating incorrect polygons by connecting wrong points.
[0040]
FIG. 7 is a schematic diagram showing an interval between measurement points in the nth measurement cross section and the (n + 1) th measurement cross section among the measurement cross sections shown in FIG. 5 (where n is a natural number). In the laser scanner 101a, reflected signals are measured at the same interval from the reflecting surfaces at the same distance. This relationship is considered to be deepest at a total of four measurement points, two adjacent points in the traveling direction or the rotation direction of the laser scanner. In the example of FIG. 7, the first and second points of the n-th measurement section and the first and second points of the (n + 1) -th measurement section are considered to be the four points that are most closely related. For example, a triangular polygon is formed by pairing such points for each period and combining them with surrounding points. However, since the points are not always the same when the distance between the points is long, the determination condition is, for example, La = 0.5 m in the laser scanner rotation direction (longitudinal direction), and Lb = in the train traveling direction, for example. We decided to add a restriction that the connection was made only under conditions of 1.8 m or less.
[0041]
In addition, about the data of a total of 4 points | pieces, 2 points | pieces adjacent in a rotation direction, and 2 points | pieces corresponding to a advancing direction, the data of 4 points | pieces do not always exist. For example, when the reflected light cannot be received, a measurement point having no measurement data is generated. In order to form a triangular polygon, data of at least 3 points out of 4 points are required. There are four cases shown in FIG. 8 in which there are less than three measurement points among the four points. FIG. 8 shows a combination of four measurement points as shown in FIG. 7, where the horizontal direction is the traveling direction and the vertical direction is the rotational direction. Here, a black circle indicates a case where data exists and a white circle does not exist. Cases 1 and 2 have two points, case 3 has one point, and case 4 has zero point data.
[0042]
On the other hand, if all four points of the four points exist, two polygons can be created. In addition, when three points of data exist, one polygon can be created. However, when three points of data exist, the directions of the triangles of the generated polygons are different. FIG. 9 shows five cases where there are three or more points of data. FIG. 9 shows a combination of four measurement points as shown in FIG. 7, with the horizontal direction as the traveling direction and the vertical direction as the rotational direction, as in FIG. A black circle indicates that data exists, and a white circle does not exist. Case 1 is a case where four points of data exist and two triangles are generated. Cases 2 to 5 are cases where three points of data exist and one triangle is generated.
[0043]
On the other hand, the structures along the track 2 include, for example, overhead lines, trees, utility poles, and the like. For example, in the case of an electric pole, as shown in FIG. 10, the feature may be detected by comparing data in the traveling direction and the rotation direction. In this embodiment, as an example, in the case of a utility pole, when data continuously exists in the rotation direction and there is no data in adjacent measurement sections in the traveling direction, it is assumed that it is a utility pole. The corresponding measurement points are excluded from the polygon creation target. For the data determined to be a utility pole, the diameter of the utility pole cannot be measured by a laser scanner, so a polygon is virtually generated in consideration of a certain radius.
[0044]
FIG. 11 shows a flowchart of polygon generation processing in consideration of the above traveling direction in the polygon model creation unit 201. The polygon model creation unit 201 in FIG. 1 first reads 3D point cloud data from the storage unit 11 (step S11). Here, the point that the laser could not receive is added to the three-dimensional point cloud data as “point data with no data” (corresponding to the white circle in FIG. 8) (step S12). Next, point data satisfying the determination condition of the utility pole is extracted from the three-dimensional point cloud data (step S13). And the attribute of applicable point data is set to a utility pole (step S14).
[0045]
Next, point data of a total of four points are extracted from the three-dimensional point group data, that is, two consecutive points accompanying rotation and two corresponding points rotated once (step S14). And it is confirmed whether the attribute of each point is a utility pole (step S15). If it is not a utility pole, it is confirmed whether or not there are three or more point data (step S16). If three or more points of data exist, it is checked whether or not the point-to-point distance condition is satisfied in the traveling direction and the rotation direction (step S17). When satisfied, connection data for connecting the points is created (step S18). These are continued until all the point cloud data are processed (step S19). On the other hand, when the attribute is a utility pole (“yes” in step S15), when there is no data (“no” in step S16), or when the point distance condition is not satisfied (“no” in step S17), Connection data is not created.
[0046]
FIG. 12 shows an example of a polygon created in consideration of the traveling direction and the like. FIG. 12 shows an example in which triangular polygons are created in the portions related to the three measurement sections 101as1 to 101as3 in the three-dimensional point cloud data shown in FIG. For example, polygons such as polygons 202a to 202c are created in association with the measurement cross sections 101as1 to 101as3.
[0047]
The polygon model creation unit 201 creates a polygon in consideration of the traveling direction and the like, and then creates polygon model data representing a three-dimensional model from the plurality of created polygon data. At that time, for a region where no polygon is created, a new polygon can be created by interpolation processing or the like based on the polygon created in consideration of the traveling direction or the like. Further, by using the image data stored in the storage unit 108 in FIG. 1, it is possible to correct an error in the connection information or to perform picture mapping, texture mapping, and the like.
[0048]
13 and 14 show examples of creating polygon model data. FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing a case where a polygon model inside the tunnel is created from the same three-dimensional point cloud data. FIG. 13 shows a case where a polygon created in consideration of the traveling direction or the like is used as a reference, and FIG. 14 uses a polygon created without considering the traveling direction or the like. In FIG. 13, the wall surfaces 51a and 52a and the ceiling 53a extend linearly with respect to the traveling direction, whereas in FIG. 14, many irregularities that do not actually exist on the wall surfaces 51b, 52b and the ceiling 53b appear. Further, in FIG. 13, the shape of the retraction resistance 54a and the like is also clearly expressed.
[0049]
Next, the three-dimensional model calculation device 30 in FIG. 1 will be described. In the present embodiment, it is assumed that the three-dimensional model calculation device 30 is configured by the radio wave propagation simulation unit 301. The radio wave propagation simulation unit 301 performs radio wave propagation simulation using the polygon model data stored in the storage unit 202. The radio wave propagation simulation unit 301 employs a conventional ray tracing method relating to radio as a reception level simulation method (theoretical calculation method of received electric field strength). In this method, the electric field strength is calculated by geometrically calculating the propagation path of the radio wave reaching the receiving point. FIG. 15 shows an image thereof, and FIG. 16 shows an example of a reception level calculation result and an actual measurement value (experimental result). As shown in FIG. 15, the reception points 41a, 41b,... Are moved inside the tunnel 5 in the polygon model, and the reception levels are calculated at the reception points 41a, 41b,. As shown in FIG. 16, the commonality was confirmed in the tendency of the data range T1 in the tunnel 5 of the measured value D1 and the calculated value D2 in the same range, and the reception level could be obtained with high accuracy.
[0050]
As described above, in the present embodiment, the radio wave propagation simulation unit 301 applies the polygon model data created by the three-dimensional model creation device 20 to the propagation simulation of the wireless channel design, thereby shielding or reflecting the structure. Rigorous propagation simulation considering As a result, it is possible to confirm the influence of the change or expansion of the base station by simulation, so that improvement in design quality and simplification of measurement can be expected.
[0051]
Note that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described one, and for example, it is possible to appropriately change, for example, to integrate the respective parts or to disperse and arrange the respective parts via a communication line or the like. In addition, the program executed by the computer in the above embodiment can be distributed via a computer-readable recording medium or a communication line.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, an apparatus for radiating an object while rotating a laser, receiving reflected light, and measuring a distance to the object, the measurement section forming a rotational section in the laser radiation direction being a railway vehicle A distance from the first laser scanner mounted on the upper part of the railway vehicle so as to form a vertical plane with respect to the traveling direction of the vehicle and the object that is radiated to the object while rotating the laser and receives the reflected light In which the measurement cross section forming the rotational cross section in the laser radiation direction forms a plane inclined at a predetermined angle substantially in the traveling direction with respect to the measurement cross section of the first laser scanner. Since the second laser scanner mounted on the vehicle is provided, it is possible to deal with the overhead line, the upper part of the tunnel, a plane perpendicular to the traveling direction, and the like, and satisfy the limitation of the vehicle limit on the railway vehicle. Therefore, a three-dimensional data acquisition device that is more suitable for application to a railway vehicle can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a three-dimensional model processing system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the three-dimensional data acquisition apparatus of FIG. 1 and its surrounding structures.
3A and 3B are a side view and a plan view showing the arrangement of the laser scanner of FIG.
4 is a front view showing a measurement direction of the laser scanner of FIG. 2. FIG.
5 is a schematic diagram showing a change in a measurement cross section of the laser scanner in FIG. 2;
6 is a perspective view for explaining an example of three-dimensional point cloud data stored in the storage unit of FIG. 1;
7 is a schematic diagram for explaining measurement data by the laser scanner of FIG. 4; FIG.
8 is an explanatory diagram for explaining a state of measurement data at four points in FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining another state of the measurement data of the four points in FIG.
10 is a schematic diagram for explaining a specific condition example of measurement data by the laser scanner of FIG. 4;
FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of processing in the polygon model creation unit in FIG. 1;
12 is a perspective view showing an example of polygon creation in the polygon model creation unit in FIG. 1; FIG.
13 is a perspective view showing an example of creation of polygon model data in the polygon model creation unit of FIG. 1. FIG.
FIG. 14 is a perspective view showing an example of creating polygon model data according to a conventional example.
15 is a perspective view for explaining a simulation example by the radio wave propagation simulation unit of FIG. 1. FIG.
16 is a distance characteristic diagram of a reception level for explaining a simulation result by the radio wave propagation simulation unit of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Three-dimensional data acquisition apparatus, 20 ... Three-dimensional model creation apparatus, 30 ... Three-dimensional model calculating apparatus, 101 ... Laser scanner part, 101a, 101b ... Laser scanner, 102 ... INS part, 103 ... GPS part, 104 ... Car Upper part, 105 ... Line camera part, 106 ... Storage part for laser scanner data, 107 ... Storage part for INS / GPS / ground child data, 108 ... Storage part for image data, 109 ... Data synchronization part, 110 ... Tertiary Original coordinate value calculation unit 111 ... Three-dimensional point group data storage unit 201 ... Polygon model creation unit 202 ... Polygon model data storage unit 301 ... Radio wave propagation simulation unit 7 ... Ground unit
