JP2012225706A - 航空レーザ測量システム - Google Patents

Abstract

【課題】航空機にレーザ測距器等を搭載して地形情報を取得するのに、データ処理を簡素化して処理時間を短縮し、災害発生時の地形変異を迅速に把握する。
【解決手段】航空機に複数台のレーザ測距器を搭載し、各台のレーザ発射方向の角度をずらして固定し、これらのレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データにＧＰＳ受信機による位置情報及びＩＭＵによる姿勢情報を組み合せてレーザ照射点の３次元的位置を計算する位置計算手段と、を有し、これらにより航空機の飛行線に平行な複数本の線上の地形情報を読み取り、災害発生時の地形の変異を迅速に把握する。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機にレーザ測距器等を搭載して地形情報を取得する航空レーザ測量システムに関する。

レーザ測距器にＧＰＳ受信機とＩＭＵ（姿勢計測装置）を組み合わせ、航空機より地表に向けレーザを発射してレーザ照射点（計測点）の3次元的位置を測量することが行われている。
レーザ測距器はレーザが地表で反射して戻ってくる時間から航空機と地表の距離を測定する。ＧＰＳ受信機は衛星の電波から航空機の３次元的位置を測定する。ＩＭＵは航空機の姿勢や加速度を測り、それらからレーザ光の発射方向を補正する。これらの測定データを組み合せることにより、計測点の緯度経度標高が高精度に測量できる（先行技術文献参照）。

近年のレーザ測距器は、１秒当り数万回〜１０万回程度のレーザ発射能力があり、このレーザ光を航空機の進行方向に対し左右方向にスキャンすることにより、１回の飛行で幅広い帯状領域を測量できる。飛行高度２０００ｍでスキャン角度が２０度の場合、測定領域の幅は約７００ｍで、計測点の間隔は５０〜６０ｃｍである（国土地理院のＨＰ「航空レーザ測定」参照）。

このように従来のスキャン方式は広い領域を効率的に測定できるが、半面、計測点の数が膨大でデータの処理に時間がかかり、またレーザの反射ミラーなどスキャニング機構が高価で耐久性に欠けるという問題が指摘されている。

公共測量 作業規程の準則 解説と運用 326,327頁 社団法人 日本測量協会発行

本発明は、このような問題を解決するもので、スキャン方式に替え固定式のレーザ発射器を複数台備えることによりデータ処理を簡素化して処理時間を短縮すると共に、レーザ発射器１台が故障しても高い冗長性を実現してシステムの作動を維持することを目的とする。

請求項1の発明は、航空機にレーザ測距器、ＧＰＳ受信機及びＩＭＵを搭載し、地表に向けレーザを発射してレーザ照射点の3次元的位置を測量する航空レーザ測量システムにおいて、複数台のレーザ測距器のレーザ発射方向を互いの角度を変えて固定し、そのうち少なくも１以上のレーザ照射点を航空機の飛行方向直下より横にずれた地点に位置させ、これにより各台でレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データにＧＰＳ受信機による位置情報及びＩＭＵによる姿勢情報を組み合せてレーザ照射点の３次元的位置を計算する位置計算手段と、を有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載する複数台のレーザ測距器を、３軸のサーボで水平に姿勢制御する水平架台に設置することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のレーザ測距器を３台とし、そのうち１台のレーザ発射方向を航空機の飛行線直下に向けて固定すると共に、他の２台のレーザ発射方向を飛行線直下に対し左右に所定角度ずらして固定することを特徴とする。

請求項４の発明は、航空機にレーザ測距器、ＧＰＳ受信機及びＩＭＵを搭載し、地表に向けレーザを発射してレーザ照射点の3次元的位置を測量する航空レーザ測量システムにおいて、複数台のレーザ測距器のレーザ発射方向を互いの角度を変えて固定し、そのうち少なくも１以上のレーザ照射点を航空機の飛行方向直下より横にずれた地点に位置させ、これにより各台でレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データにＧＰＳ受信機による位置情報及びＩＭＵによる姿勢情報を組み合せてレーザ照射点の３次元的位置を計算する位置計算手段と、位置計算手段より取得した位置情報からＰＣ画面の地図上に測線を作成する測線作成手段と、測線作成手段より取得した測線データと既得の地図データとを比べて断面データを求める断面データ取得手段とを有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、角度をずらしてレーザ発射方向を固定したレーザ測距器を複数台設置するから、各台のレーザ照射点が描く測線が航空機の飛行方向に平行に複数本得られ、そのうえ計測点が限られた測線上に位置するため、地上座標の算出が容易で位置計算が簡素化し計算処理の時間を短縮できる。またレーザ発射方向が固定のため、従来の精密なスキャニング機構が省略でき故障しにくいという効果がある。さらにレーザ測距器が複数台あるため、１台が万一故障してもシステム全体の停止が回避でき、冗長性が高いという効果がある。

また請求項２の発明によれば、水平架台にレーザ測距器を載せ、これらを水平姿勢に維持するから、航空機の機体姿勢が乱れても支障なく機体直下の測定ができ、安定した位置データが取得できる。また水平架台により機体直下を測定できるため、ＩＭＵに高度な姿勢計測精度は要求されない。このため低価格品のＩＭＵで用が済むという効果がある。

請求項３の発明によれば、３台のレーザ測距器のち１台のレーザ発射方向を航空機の飛行線直下に向けて固定し、他の２台のレーザ発射方向をその左右に所定角度ずらして固定するので、機体直下の地形を飛行方向に沿って帯状に計測できる。

請求項４の発明によれば、位置計算手段より取得した位置情報からＰＣ画面の地図上に
測線を作成し、この測線データと既得の地図データとを比べて断面データを求めるので、土砂崩れなど災害で変異した地整情報を即座に把握して、災害復旧に役立てることができる。

本発明を実施した航空レーザ測量システムの機構図 図１のシステム全体の構成を示す模式図 図１のシステムにおける水平架台の機能ブロック図 図１のシステムにおける計測装置の機能ブロック図 図1のシステムによる地上座標計算フロー図 図1のシステムによる断面データ測量説明図

本発明の図の実施形態を説明する。
Ｈは航空機たとえばヘリコプタＡに取り付けた水平防振架台で、これにジャイロセンサＧを接続し、その姿勢計測データに基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸のサーボ１，２及び３をフィードバック制御して、架台Ｈの姿勢をヘリＡの傾きに関係なく水平に維持する。架台Ｈはバネを介してヘリＡに取付ければ、ヘリの振動を受けにくい。
架台Ｈのイメージは図２のとおりで、サーボ１，２及び３により架台Ｈをロール軸、ピッチ軸及びヨー軸の３軸回りに、それぞれo角、p角及びk角だけ回転する。４はこれらサーボ１〜３及びジャイロセンサＧを制御する制御部で、５はその電源部を示す。これらの制御系統の仕組みは、図３のブロック図のとおりで、３基のサーボをジャイロセンサＧの姿勢計測データにより制御する。

架台Ｈには、ＩＭＵのほかに３台のレーザ測距器７，８及び９を載せる。ＧＰＳ受信機６はＧＰＳ衛星の電波を受信してヘリＡの３次元的位置を測定する。３次元的位置とは緯度経度標高のことで、図１では、Ｘ、Ｙ及びＺの３軸上の位置で示される。レーザ測距器７，８及び９は公知で、そのうち１台のレーザ測距器７のレーザ発射方向Ｌｏを、航空機の飛行線直下に向けて固定し、他の２台のレーザ測距器８及び９のレーザ発射方向Ｌａ、Ｌｂを、飛行線直下に対し左右に例えば１０度だけずらして固定する（図1、６参照）。
ＩＭＵ及びＧＰＳ受信機６による姿勢データ及び位置データと、レーザ測距器７，８及び９の測距データを収録装置１０に収録する。これらの制御系統の仕組みは、図4のブロック図のとおりで、１１は制御部、１２は電源部をそれぞれ示す。

次に収録装置１０のデータを測定時刻で同期して計測点の地上座標を算出する。この計算処理は公知のため詳細は省略するが、概略のフローは図５のとおりである。すなわち回転マトリクス処理と回転行列計算処理した姿勢データを使ってレーザ測距器７，８及び９の測距データを補正するための投影計算を行い、これから投影座標を求め、さらに投影座標にＧＰＳ受信機６の位置データを加えて座標計算を行い、このような座標計算から計測点の3次元的位置情報すなわち地上座標を算出する。
このように計測点の地上座標が得られたら、それよりＰＣ画面の地図上に測線を作成し、さらにこの測線データと既得の地図データとを比べて断面データを求める。
断面データからは、たとえば図6のように、土砂崩れにより山の斜面に土砂Ｍが堆積した場合、事故現場の位置と堆積した土砂Ｍの高さや巾等の規模が直ちに把握できる。その結果、堆積した土砂で川の上流側に大量の水が溜まって決壊するなどの2次被害の防止に有効な策を講じることができる。

ヘリＡにビデオカメラ（図示省略）を搭載し、飛行中、上空から直下の地表を動画撮影し録画する。この録画情報と計測点の地上座標情報は、それらを取得した時間を秒単位で記録することにより、同じ時間軸に同期させ、被災地の地整情報をリアルタイムに画面表示することにより、被害の状況が迅速且つビジュアルに把握できる。

Ａはヘリコプタ
Ｈは水平防振架台
Ｇはジャイロセンサ
１〜３はサーボ
４及び１１は制御部
５及び１２は電源部
６はＧＰＳ受信機
７〜９はレーザ測距器
Ｌｏ、Ｌａ、Ｌｂはレーザ発射方向
１０は収録装置

Claims (4)

1. 航空機にレーザ測距器、ＧＰＳ受信機及びＩＭＵを搭載し、地表に向けレーザを発射してレーザ照射点の3次元的位置を測量する航空レーザ測量システムにおいて、
   複数台のレーザ測距器のレーザ発射方向を互いの角度を変えて固定し、そのうち少なくも１以上のレーザ照射点を航空機の飛行方向直下より横にずれた地点に位置させ、これにより各台でレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データにＧＰＳ受信機による位置情報及びＩＭＵによる姿勢情報を組み合せてレーザ照射点の３次元的位置を計算する位置計算手段と、を有することを特徴とする航空レーザ測量システム。
2. 前記複数台のレーザ測距器を３軸のサーボで水平に姿勢制御する水平架台に設置することを特徴とする請求項1記載の航空レーザ測量システム。
3. 前記レーザ測距器を３台とし、そのうち１台のレーザ発射方向を航空機の飛行線直下に向けて固定すると共に、他の２台のレーザ発射方向を飛行線直下に対し左右に所定角度ずらして固定することを特徴とする請求項1記載の航空レーザ測量システム。
4. 航空機にレーザ測距器、ＧＰＳ受信機及びＩＭＵを搭載し、地表に向けレーザを発射してレーザ照射点の3次元的位置を測量する航空レーザ測量システムにおいて、複数台のレーザ測距器のレーザ発射方向を互いの角度を変えて固定し、そのうち少なくも１以上のレーザ照射点を航空機の飛行方向直下より横にずれた地点に位置させ、これにより各台でレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データにＧＰＳ受信機による位置情報及びＩＭＵによる姿勢情報を組み合せてレーザ照射点の３次元的位置を計算する位置計算手段と、位置計算手段より取得した位置情報からＰＣ画面の地図上に測線を作成する測線作成手段と、測線作成手段より取得した測線データと既得の地図データとを比べて断面データを求める断面データ取得手段とを有することを特徴とする航空レーザ測量システム。

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