JP2014089104A - 体積推定装置、体積推定システム、体積推定方法および体積推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】少ない誤差で体積推定対象物体の体積を推定することが可能な体積推定装置を得る。
【解決手段】レーザー測定手段１１がレーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、３次元座標を算定した３次元点群データを取得する３次元点群取得手段１２１と、体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶手段１２４と、複数の前景データのそれぞれと背景データから体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段１２２と、複数の物体ボクセルデータに共通する部分として抽出した共通部ボクセルデータの体積を体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算手段１２３とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザーを照射して２次元的にスキャンすることで測定対象の３次元形状を測定するレーザープロファイラを用い、例えば山斜面における積雪や崖崩れによって発生した土砂などの体積を測定する体積推定装置に関するものである。

従来、レーザープロファイラを用いた地形変化の観測に関する取り組み事例として、例えば非特許文献１に示される航空機に搭載したレーザープロファイラから取得した河床の３次元形状の時系列情報を河川管理に利用する方法がある。

「河川管理におけるＬＰ（レーザープロファイラ）データの有効利用について」（八千代エンジニヤリング、島田高伸、ＳＰＡＲ ２００９Ｊ、第５回３次元計測フォーラム、２００９年）

従来技術のように、一方向からのみレーザープロファイラを用いて地表を測定するという条件では、例えば崖崩れにおいて巨大な礫が落ちているようなケースで、崩れた土砂の体積の総量を正確には測定できないという課題があった。レーザープロファイラによって取得できる情報は、レーザーが照射可能な物体表面にとどまるため、巨大な礫と山斜面の間に隠された空間の体積が誤差として計上されてしまうという課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、複数の地点からレーザー測定手段（例えばレーザープロファイラ）を用いて３次元測定した結果を利用することで、崖崩れにおける巨大な礫など、体積推定対象物体の裏側に何も無い空間が生じるケースであっても、少ない誤差で体積推定対象物体の体積を推定することが可能な体積推定装置を得ることを目的としている。

この発明に係る体積推定装置は、レーザー測定手段がレーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、前記レーザー発射点の位置と発射方位から前記照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを取得する３次元点群取得手段と、この３次元点群取得手段が体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと前記体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶手段と、このデータ記憶手段が記憶した前記複数の前景データのそれぞれと前記背景データから前記体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段と、このボクセルデータ生成手段が生成した前記複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を前記体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算手段とを備える。

この発明の体積推定装置によれば、レーザー測定手段がレーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、レーザー発射点の位置と発射方位から照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを取得する３次元点群取得手段と、この３次元点群取得手段が体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶手段と、このデータ記憶手段が記憶した複数の前景データのそれぞれと背景データから体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段と、このボクセルデータ生成手段が生成した複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算手段とを備えたので、体積の推定対象物体の背後に何も無い空間が生じるようなケースであっても、体積推定対象物体の体積を少ない誤差で推定可能となるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される背景シーンと背景モデルの一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景シーンと前景モデルの一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される背景データの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景データＡの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景データＢの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置がシーン内に定義する仮想平面の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置が仮想平面と背景データおよび前景データに挟まれた空間と体積推定対象物体を占める空間の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置が仮想平面と背景データに挟まれた空間の３次元格子による仮想的な分割の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の物体ボクセルデータＡとＢの一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の物体ボクセルデータＡとＢの論理和演算と論理積演算から得られるボクセルデータの一例を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置について説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による体積推定装置の一例を示す構成図である。体積推定装置１２は、レーザー測定手段（例えばレーザープロファイラ）１１から物体（オブジェクト）のレーザー測定データを取得し、推定体積（値）を計算する。体積推定装置１２が計算した推定体積（値）や、その計算過程の各データは、可視化して表示手段（ディスプレイ）１３に表示できる。

レーザー測定手段１１は、レーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、レーザー発射点の位置と基準方角に対する発射方位などから照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを生成する。

ここで、測定対象とは、例えば地形の形状であって、この体積推定装置による体積推定対象物体の存在しない背景形状と存在する前景形状の両方を含む。例えば、事象を災害とすると、災害発生前後で変化した地形が測定対象とする地形の形状に相当し、この場合、災害発生前の地形形状を背景、災害発生後の地形形状を前景とし、この災害により地形形状を変化させた流出土砂などを体積推定対象物体とする。事象発生後にレーザー測定したデータだけでは、体積推定対象物体は特定できないため、体積推定対象物体周辺の空間を含めたデータを計測し、事象発生前にレーザー測定しておいた変化していない空間のデータを除外することで体積推定対象物体を示すデータが特定できる。以下では、このような背景と前景に対応する状態における測定対象場面（シーン）を背景シーン、前景シーンと呼ぶことにする。

なお、レーザー測定手段１１は、複数の地点に１台ずつ設置して同一の物体をレーザー測定する形態でも、また１台を車両等の移動手段で移動しながら複数の地点から同一の物体をレーザー測定する形態、またはこれらの組合せの運用形態のいずれでも構わない。体積推定装置１２とレーザー測定手段１１は、例えばケーブルで直接接続されてもよいし、無線、有線を問わず、ネットワークを介して接続されてもよい。

体積推定装置１２は、３次元点群取得手段１２１、ボクセルデータ生成手段１２２、体積計算手段１２３およびデータ記憶手段１２４を含む。

３次元点群取得手段１２１は、レーザー測定手段１１がレーザー測定データから生成された３次元点群データを取得する。

ボクセルデータ生成手段１２２は、３次元点群取得手段１２１が取得した３次元点群データからボクセルデータを生成する。

体積計算手段１２３は、ボクセルデータ生成手段１２２が生成したボクセルデータから推定体積（値）を計算する。

データ記憶手段１２４は、背景および前景に対して、３次元点群取得手段１２１がレーザー測定手段１１から取得した複数の地点のレーザー測定データ、レーザー測定データから３次元点群取得手段１２１が取得した３次元点群データ、３次元点群データからボクセルデータ生成手段１２２が生成した各ボクセルデータ、各ボクセルデータに基づいて体積計算手段１２３が計算した推定体積（値）を記録する。

このデータ記憶手段１２４は、例えばハードディスク、半導体メモリ、記録ドライブ内のリムーバブルディスクなどとし、レーザー測定手段１１から取得するレーザー測定データ（後述の前景データ）から推定体積（値）を計算する際に比較する過去に取得されたレーザー測定データ（後述の背景データ）が記録されているものとする。ただし、この過去に取得されたレーザー測定データは、例えば遠隔地に設けられた別のデータ記憶手段に記録され、ネットワークを介して取得するようにしてもよい。また、データ記憶手段１２４は、レーザー測定データ、３次元点群データ、ボクセルデータ、推定体積（値）などを単体に記録せず、例えば記録データの用途・種類別に複数のデータ記憶手段を設けて記録してもよく、また体積推定装置１２内部（内蔵データ記憶手段）に設置しても、外部（外付けデータ記憶手段）に設置する形態でも構わない。

なお、体積推定装置１２は、３次元点群取得手段１２１、ボクセルデータ生成手段１２２、体積計算手段１２３およびデータ記憶手段１２４を３次元点群取得部、ボクセルデータ生成部、体積計算部およびデータ記憶部とする装置として設けてもよく、また汎用的な計算機やプロセッサで構成して各手段の動作を機能させるプログラムを実行することで実現させてもよい。また、体積推定装置１２は、レーザー測定手段１１であるレーザー測定部、表示手段１３である表示部の一方または両方を一体に構成しても構わない。また、体積推定装置１２と、レーザー測定部、表示部からなる体積推定システムを構成してもよい。

以下、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の動作について説明する。ここでは、地形変化の測定を前提として、堤防法面を崖、この堤防法面手前に配置した直方体の物体を崖崩れにおける土砂塊に見立て、体積推定の一例について説明する。このような手法により、実際の土砂塊の体積推定も同一の手順で計算することができる。

図２は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される背景シーンと背景モデルの一例を示す説明図である。（１）は、物体が存在しないシーン（以下、背景シーンと称する）を示す画像であり、（２）は、そのシーンのモデル（以下、背景モデルと称する）を示している。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景シーンと前景モデルの一例を示す説明図である。（１）は、物体が存在するシーン（以下、前景シーンと称する）を示す画像であり、（２）は、そのシーンのモデル（以下、前景モデルと称する）を示している。なお、レーザー照射による測定では、図２（１）、図３（１）に示す画像のように、撮像時のシーンの明るさが異なることがあっても、レーザー測定ではデータ測定に影響しない。

図４は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の動作の一例を示すフローチャートである。図において、ステップＳ１０１で、レーザー測定手段１１は、測定地点から前景シーンのレーザー測定データを測定する。ステップＳ１０２で、体積推定装置１２の３次元点群取得手段１２１は、レーザー測定手段１１が測定したレーザー測定データから３次元点群データを取得する。ステップＳ１０３で、体積推定装置１２のボクセルデータ生成手段１２２は、３次元点群取得手段１２１が取得した３次元点群データからボクセルデータを生成する。ステップＳ１０４で、別地点から前景シーンのレーザー測定を行うか否かを判定する。別地点から前景シーンのレーザー測定を行う場合は、ステップＳ１０１に戻って、ステップＳ１０３までの処理を繰り返す。これ以上、別地点から前景シーンのレーザー測定を行わない場合は、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５で、体積推定装置１２の体積計算手段１２３は、ボクセルデータ生成手段１２２が生成したボクセルデータから推定体積（値）を計算する。なお、各地点における前景シーンのレーザー測定データを測定するところから説明しているが、背景シーンに関するレーザー測定データ、３次元点群データ、ボクセルデータを事前に得る同様の手順で行える処理の説明については、ここでは省略している。

ここで、ステップＳ１０４に示される別地点から前景シーンのレーザー測定を行うか否かの判定は、データ記憶手段１２４に記憶させるデータによって判定位置を異ならせることが可能である。例えば、データ記憶手段１２４がレーザー測定手段１１から取得した複数の地点のレーザー測定データを記憶しておけるならば、ステップＳ１０４の判定はステップＳ１０１とステップＳ１０２の間に行ってもよく、すべての地点のレーザー測定データを取得してデータ記憶手段１２４に記憶させてから、各地点の３次元点群データを取得し、各地点のボクセルデータを生成することもできる。このとき、３次元点群データやボクセルデータは、バッファメモリなどに一時記憶させるだけでもよいし、レーザー測定データと同様にデータ記憶手段１２４に記憶させてもよい。また、複数の地点の３次元点群データを記憶しておけるならば、ステップＳ１０４の判定はステップＳ１０２とステップＳ１０３の間に行ってもよく、レーザー測定データやボクセルデータは、バッファメモリなどに一時記憶させるだけでもよいし、３次元点群データと同様にデータ記憶手段１２４に記憶させてもよい。このように、ステップＳ１０１からステップＳ１０３のいずれかで得られたデータをデータ記憶手段１２４に記憶させた段階で、ステップＳ１０４の判定を行っても構わない。

以下、図４に示した各処理をより詳しく説明する。

まず、この発明の体積推定装置１２が体積推定対象である物体をレーザー測定する前に、図２（１）に示した物体が存在しないシーン（背景シーン）をレーザー測定手段１１がレーザー測定した３次元点群データが取得されているものとする。３次元点群取得手段１２１が３次元点群データを取得する際に、レーザー測定手段１１は測定地点の絶対座標（例えば、緯度・経度・標高）と向き（例えば、真北と重力方向を基準としたときのロール・ピッチ・ヨーの３角）をＧＰＳとコンパスを用いて測定し、この情報を用いることにより、３次元点群データの個々の点群に絶対３次元座標を与えることができる。

図５は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される背景データの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。図において、（１）は背景データの３次元点群データの正面図、（２）は背景データの３次元点群データの斜視図を示している。背景シーンとして取得された３次元点群データ（以下、背景データと称する）は、データ記憶手段１２４に記録される。この背景データは、通常、体積推定を要する事態以前に用意されるものである。

レーザー測定した３次元点群データは、点の集合として表現されるが、距離に応じた色や、距離に応じた点のサイズ、密度または大きさにより、二次元投影して観察することができる。また、図５に示した正面図や斜視図のように、当初の測定方向に限らず、それ以外の向きからも観察することもできる。

次に、この発明の体積推定装置１２が体積推定対象である物体をレーザー測定する処理を説明する。３次元点群データの取得については、予め３次元点群データを取得した背景データの取得方法と同様に行うことができる。なお、測定地点の絶対座標と向きをＧＰＳとコンパスを用いて測定し、この情報を用いることにより、３次元点群データの個々の点群に絶対３次元座標を与えることができる点についても、背景データと同様である。

３次元点群取得手段１２１は、図３（１）に示した物体が存在するシーン（前景シーン）を複数の地点からレーザー測定した３次元点群データ（以下、前景データと称する）をレーザー測定手段１１から取得する。ここでは２つの地点Ａ、Ｂについて３次元点群データ（以下、前景データＡ、Ｂと称する）を取得するものとする。

図６は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景データＡの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。また、図７は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置で処理される前景データＢの正面図と斜視図の一例を示す説明図である。図において、（１）は前景データＡ、Ｂの３次元点群データの正面図、（２）は前景データＡ、Ｂの３次元点群データの斜視図を示している。前景シーンＡ、Ｂとして取得された３次元点群データ（前景データＡ、Ｂ）についても、データ記憶手段１２４に記録される。

続いて、この発明の体積推定装置１２がボクセルデータを生成する処理を説明する。図８は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置がシーン内に定義する仮想平面の一例を示す説明図である。ボクセルデータ生成手段１２２は、シーン内に仮想的な平面（以下、仮想平面と呼ぶ）を定義する。仮想平面は絶対座標系における平面式ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０で定義される（ａ、ｂ、ｃ、ｄは係数、ｘ、ｙ、ｚは絶対座標系における３次元座標変数）。ここでは、レーザー測定手段１１のレーザー発射点から体積推定対象物体の中央を結ぶ直線と直交し、レーザー測定手段１１と体積推定対象物体との間の地点に、仮想平面を設定することとする。仮想平面の平面式の係数は、レーザー測定手段１１のレーザー発射点と向きおよび体積推定対象物体までの距離に基づいて計算される。

図９は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置が仮想平面と背景データおよび前景データに挟まれた空間と体積推定対象物体を占める空間の一例を示す説明図である。図において、矢印は仮想平面の正面方向を示す。ここでは、背景データおよび前景データによる説明を分かりやすくするため、同一の仮想平面を想定している。

（１）は、仮想平面と背景データに挟まれた空間Ｐの側面図を示している。例えば、傾斜のある地形の変化前に測定した背景データの断面とする。（２）から（４）の各左図は、仮想平面と前景データに挟まれた空間Ｑの側面図を示している。例えば、（１）と同一の傾斜のある地形の変化後に測定した前景データの断面とする。また、（２）から（４）の各右図は、（２）から（４）の各左図が（１）に対して変化した空間（物体データＲ）の側面図を示している。

まず、（２）は、空間の仮想平面に近い手前下方に（１）には存在しなかった物体（体積推定対象物体）Ｒ１が出現した状態を示している（Ｒ＝Ｒ１）。この場合、体積推定対象物体は、例えば水災害後の堆積物のようなものが考えられるが、適用対象はこの状況だけに限るものではない。体積推定対象物体が占める空間として、（１）の背景データが占める空間Ｐと（２）の前景データが占める空間Ｑの差分空間Ｒは、排他的論理和演算（以下、演算子ｘｏｒとする）を適用し、Ｐ ｘｏｒ Ｑという論理演算式で示すことができる。

次に、（３）は、（２）と同様に空間の仮想平面に近い手前下方に（１）には存在しなかった物体（体積推定対象物体）Ｒ１が出現するとともに、後上方に（１）には存在していなかった空間Ｒ２が出現している状態を示している。例えば、地形の後上方が崩落し、手前下方に堆積した状況が考えられるが、適用対象はこの状況だけに限るものではない。この場合、（２）と同様に、排他的論理和演算を適用し、差分空間Ｒとして体積推定対象物体を抽出しようとすると、（１）の空間Ｐには存在していなかった空間Ｒ２まで抽出してしまうことになる（Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２）。ここでも、体積推定対象物体Ｒ１は、（１）の背景データが占める空間Ｐに含まれるので、論理積演算（以下、演算子ａｎｄ）を合わせて適用し、（Ｐ ｘｏｒ Ｑ） ａｎｄ Ｐという論理演算式で示すことができる。このとき、空間Ｒ２の体積は抽出されず、０として扱うことができる。この体積推定対象物体の空間Ｒ１は、背景データに基づく空間Ｐ、前景データに基づく空間Ｑのデータ測定対象範囲が同一とすれば、空間Ｐには属すが、空間Ｑには属さない空間（否定演算を表す演算子ｎｏｔとする）として、Ｐ ａｎｄ （ｎｏｔ Ｑ）という論理演算式で表すこともできる。

よって、（２）においても、（１）には存在していなかった空間Ｒ２があるか不明の場合には、この（３）で適用した演算を適用すれば誤抽出を抑制することができ、（１）には存在していなかった空間Ｒ２がないことが明らかな場合でも常に適用するようにしてもよいといえる。

一方、（４）は、（３）の後上方と同様に、（１）には存在していなかった空間Ｒ２が存在している状態を示している。例えば、水流が地形を削り取った後の流失した状況が考えられるが、適用対象はこの状況だけに限るものではない。このような体積推定対象物体としてではなく、存在しなくなった部分に物体を想定してその体積を推定するのであれば、（Ｐ ｘｏｒ Ｑ） ａｎｄ Ｑという論理演算式で示すことができる。この体積推定対象物体を想定する空間Ｒ２は、背景データに基づく空間Ｐ、前景データに基づく空間Ｑのデータ測定対象範囲が同一とすれば、空間Ｐには属さず、空間Ｑには属する空間として、（ｎｏｔ Ｐ） ａｎｄ Ｑという論理演算式で表すこともできる。

図１０は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置が仮想平面と背景データに挟まれた空間の３次元格子による仮想的な分割の一例を示す説明図である。ボクセルデータ生成手段１２２は、仮想平面と背景データに挟まれた空間を例えば５０ｃｍ間隔の３次元格子によって仮想的に分割する。このように、空間をサイコロ状に分割した構成要素は一般にボクセルと呼ばれている。５０ｃｍ間隔の格子による分割では、１つのボクセルの体積は０.１２５ｍ^３となる。ここで、仮想平面と背景データに挟まれた空間においてボクセルを定義したものを背景ボクセルデータと称する。背景ボクセルデータは、例えば図９（１）の斜線部の背景データの空間をボクセルで分割したものに相当する。

次に、ボクセルデータ生成手段１２２は、前景データＡおよび前景データＢについても、背景データに基づく背景ボクセルデータと同様に、ボクセルデータをそれぞれ定義する。ここで、仮想平面と前景データＡに挟まれた空間においてボクセルを定義したものを前景ボクセルデータＡ、また、仮想平面と前景データＢに挟まれた空間においてボクセルを定義したものを前景ボクセルデータＢと称する。これらの前景ボクセルデータは、例えば図９（２）の左図斜線部の前景データの空間をボクセルで分割したものに相当する。

図１１は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の物体ボクセルデータＡとＢの一例を示す説明図である。ボクセルデータ生成手段１２２は、背景ボクセルデータと、前景ボクセルデータＡおよび前景ボクセルデータＢの間で排他的論理和演算（両データにおいて、ある座標に両データのボクセルが存在する場合は削除、どちらか一方のボクセルしか無い場合は残す処理。）を行い、さらに背景ボクセルデータと共通するボクセルを抽出する。この結果、体積推定対象物体に相当するボクセルデータが得られる。ここで、（１）に示した背景ボクセルデータと前景ボクセルデータＡから得られたものを物体ボクセルデータＡ、また、（２）に示した背景ボクセルデータと前景ボクセルデータＢから得られたものを物体ボクセルデータＢと称する。これらの物体ボクセルデータは、例えば図９（２）の右図斜線部の物体データの空間をボクセルで分割したものに相当する。前景ボクセルデータと背景ボクセルデータから背景ボクセルデータのみに属するボクセルのみを抽出したものが物体ボクセルデータとなる。

なお、この図１０、図１１で説明したボクセル分割の処理前に、図９の体積推定対象物体が占める空間の特定について説明を行ったが、ボクセル分割の処理後に当該空間の特定を行えることは自明である。

図１２は、この発明の実施の形態１に係る体積推定装置の物体ボクセルデータＡとＢの論理和演算と論理積演算から得られるボクセルデータの一例を示す説明図である。体積計算手段１２３は、物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢの間で論理積演算を行う。論理積演算によって、物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢにおいて、ある座標に両データのボクセルが存在する場合はそのボクセルを残し、そうでないボクセルは削除する処理を行い、共通部分であるボクセルデータ（以下、共通部ボクセルデータと称する）が抽出される。

図において、（１）は論理和演算により物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢを重ねたボクセルデータ、（２）は論理積演算により物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢの共通部ボクセルデータを示したものである。なお、（１）、（２）の二図形の上面には、共通部ボクセルデータに相当する重複部分を網掛けして示している。ここで、（１）は論理和演算により重ねられたボクセルデータにおける物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢの共通部分を説明するために示したもので、体積計算手段１２３は、論理和演算の段階を経ずに、物体ボクセルデータＡと物体ボクセルデータＢから論理積演算により（２）に示した共通部ボクセルデータを直接得るようにしてもよい。この共通部ボクセルデータは、物体ボクセルデータＡおよび物体ボクセルデータＢよりも、体積推定対象物体の体積をより正しく再現していることになる。

最後に、体積計算手段１２３は、共通部ボクセルデータを構成するボクセル数をカウントし、その値に１ボクセルの単位体積（例えば５０ｃｍ間隔の格子では０.１２５ｍ^３）を乗じた値を物体の推定体積として、表示手段１３に出力表示する。また、データ記憶手段に記憶する。

なお、この発明の実施の形態１においては、レーザー測定手段１１の位置と向きをＧＰＳとコンパスによって測定した情報を用いて、３次元点群データに絶対３次元座標を与えていたが、ある地点を基準として、地点Ａおよび地点Ｂの位置と向きを相対的に測定した情報により、３次元点群データに相対３次元座標を与えるようしてもよい。

また、この発明の実施の形態１においては、レーザー測定手段１１の位置と向きをＧＰＳとコンパスによって測定した情報を用いて、３次元点群データに絶対３次元座標を与えていたが、シーン内に３点以上の既知地点（絶対３次元座標が与えられている点）を設定した上で測定を行い、その結果に基づいて３次元点群データに対して絶対３次元座標を与えるようしてもよい。

また、この発明の実施の形態１においては、レーザー測定手段１１の位置と向きをＧＰＳとコンパスによって測定した情報を用いて、３次元点群データに絶対３次元座標を与えていたが、シーン内に３点以上のマーカー（目印となる物体）を設定した上で測定を行い、その結果に基づいて３つの３次元点群データ間で定義できる相対座標を３次元点群データに与えるようしてもよい。

さらに、この発明の実施の形態１においては、体積推定対象物体が配置されたシーンに対して、地点Ａおよび地点Ｂの２地点から測定した結果に基づいて体積推定を行うものについて説明を行ったが、３点以上の測定結果から同様に体積推定を行うようにしてもよい。この場合、体積計算手段１２３は、３点以上の測定結果から与えられる物体ボクセルデータすべての論理積演算を行えばよい。一般的には、測定地点の数を増やし、体積推定対象物体を多方面から測定した結果を用いることで、体積の推定精度を向上させることが可能となる。

また、この発明の実施の形態１においては、複数の測定地点から測定した複数の前景データに基づいて体積推定対象物体の体積の推定精度を向上させるものについて説明を行ったが、背景データを予め測定しておく時点でも、１地点からのレーザー照射による測定にとって障害となりうる物体（例えば構造物や地形）が存在すれば、背景ボクセルデータの正確さが低下する原因となって、物体ボクセルデータの推定精度にも影響することになる。よって、背景データについて、予め複数の測定地点から測定し、１地点からのレーザー照射では測定しにくい複数地点から測定した背景データによる前景データ同様の共通部ボクセルデータを抽出したものを背景ボクセルデータとして適用することで、各物体ボクセルデータの精度も向上し、最終的に体積推定対象物体の体積推定精度を向上させることができる。前景データを測定するレーザー測定手段１１が複数の地点で固定的に設置されている場合は、定期的または日常的に背景データの更新を行ってもよい。複数の地点のうち、一部の地点における背景データだけ更新するようにしても構わない。

また、この発明の実施の形態１においては、同一地点からのレーザー測定であっても、実際のシーンには関係がない対象物体が背景データまたは背景データに入ってしまうことが考えられる。このような対象物体が、体積の推定に影響を及ぼさないようにするために、同一地点でも複数回のレーザー測定を実施し、例えば多数決によるデータ値または平均のデータ値などを測定データとして採用することで、実際のシーンには関係がない対象物体の影響を軽減または排除するようにしてもよい。測定の時間間隔は、所定の間隔を空けて行うことで、例えばシーンに短時間存在する移動体や一時的またはある期間存在する物体の影響を軽減、また新設された物体の影響を更新することができる。

また、この発明の実施の形態１においては、レーザー測定手段１１のレーザー測定の読み取り精度を向上させ、またボクセルサイズを縮小するという少なくとも一方をさらに行うことで、体積の推定精度を向上させることが可能となる。また、測定地点の数を増やすことと組み合わせて、体積の推定精度を向上させてもよい。

また、この発明の実施の形態１においては、データ記憶手段１２４が背景シーンのレーザー測定データ、３次元点群データ、背景ボクセルデータ、複数の前景シーンの各レーザー測定データ、各３次元点群データ、各物体ボクセルデータ、また共通部ボクセルデータ、推定体積（値）を記録するものとして説明したが、計算量が無視できるような場合には、例えば背景シーン、複数の前景シーンに対する３次元点群データまたはボクセルデータのような部分的なデータのみ記憶し、他のデータは一時的に記憶することによって、記憶した部分的なデータから再計算するようにしても構わない。元のデータだけ記憶しておけば、計算すれば得られるデータは記憶しないようにしてもよく、また、計算後のデータだけ記憶しておけば、必要のない元のデータは記憶しないようにしてもよい。記憶対象のデータは、用途や運用形態、記憶容量などにより、すべてとするか、一部とするか適宜判断すればよい。

以上のように、この発明の体積推定装置によれば、レーザー測定手段がレーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、レーザー発射点の位置と発射方位から照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを取得する３次元点群取得手段と、この３次元点群取得手段が体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶手段と、このデータ記憶手段が記憶した複数の前景データのそれぞれと背景データから体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段と、このボクセルデータ生成手段が生成した複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算手段とを備えたので、体積の推定対象物体の背後に何も無い空間が生じるようなケースであっても、体積推定対象物体の体積を少ない誤差で推定可能となるという効果がある。

また、この発明の体積推定装置によれば、ボクセルデータ生成手段は、レーザー発射点と測定対象の間に仮想的な平面を設定し、この仮想的な平面と照射点の間の空間をボクセル単位で分割し、背景データに対応した背景ボクセルデータと複数の前景データのそれぞれに対応した複数の前景ボクセルデータを作成するようにしたので、体積推定対象物体の体積をボクセル単位の精度で推定可能となるという効果がある。

また、この発明の体積推定装置によれば、複数の前景ボクセルデータのそれぞれと背景ボクセルデータから背景ボクセルデータのみに属するボクセルを抽出して複数の物体ボクセルデータを生成するようにしたので、測定対象として存在する体積推定対象物体の体積だけを少ない誤差で推定可能となるという効果がある。

また、この発明の体積推定装置によれば、データ記憶手段は、３次元点群取得手段が複数の地点に対して取得した３次元点群データである複数の背景データを記憶し、ボクセルデータ生成手段は、複数の背景データに対応する複数の背景ボクセルデータに共通するボクセルを背景ボクセルデータとするようにしたので、このような背景ボクセルデータを体積推定に適用することで、背景シーンに当初から存在する物体の背後に何も無い空間が生じるようなケースであっても、より正確な背景ボクセルデータが得られるという効果がある。その結果、背景ボクセルデータと前景ボクセルデータから体積推定対象の物体ボクセルデータをより正確に作成できるため、このように生成された複数の物体ボクセルデータから共通部ボクセルデータを抽出することで物体の体積の推定精度を向上することができる。

この発明の体積推定装置によれば、例えば山斜面における積雪や崖崩れによって発生した土砂などの体積を少ない誤差で測定することができる。このようなシーンにおいて、崖崩れにおける巨大な礫などの裏側に何も無い空間が生じる場合でも、誤差として計上されてしまう巨大な礫と山斜面の間に隠された空間の体積を最小限に抑えることで、体積推定対象物体の体積の推定精度を向上することができる。

１１ レーザー測定手段（レーザー測定部、レーザー測定装置）、１２ 体積推定装置、１３ 表示手段（表示部、表示装置）、１２１ ３次元点群取得手段（３次元点群取得部）、１２２ ボクセルデータ生成手段（ボクセルデータ生成部）、１２３ 体積計算手段（体積計算部）、１２４ データ記憶手段（データ記憶部）。

Claims (10)

1. レーザー測定手段がレーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、前記レーザー発射点の位置と発射方位から前記照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを取得する３次元点群取得手段と、
   この３次元点群取得手段が体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと前記体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶手段と、
   このデータ記憶手段が記憶した前記複数の前景データのそれぞれと前記背景データから前記体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段と、
   このボクセルデータ生成手段が生成した前記複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を前記体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算手段と
   を備えた体積推定装置。
2. 前記ボクセルデータ生成手段は、前記レーザー発射点と前記測定対象の間に仮想的な平面を設定し、この仮想的な平面と前記照射点の間の空間をボクセル単位で分割し、前記背景データに対応した背景ボクセルデータと前記複数の前景データのそれぞれに対応した複数の前景ボクセルデータを作成する
   請求項１記載の体積推定装置。
3. 前記ボクセルデータ生成手段は、前記複数の前景ボクセルデータのそれぞれと前記背景ボクセルデータから前記背景ボクセルデータのみに属するボクセルを抽出して前記複数の物体ボクセルデータを生成する
   請求項２記載の体積推定装置。
4. 前記データ記憶手段は、前記３次元点群取得手段が複数の地点に対して取得した３次元点群データである複数の背景データを記憶し、
   前記ボクセルデータ生成手段は、前記複数の背景データに対応する複数の背景ボクセルデータに共通するボクセルを前記背景ボクセルデータとする
   請求項２または請求項３記載の体積推定装置。
5. レーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、前記レーザー発射点の位置と発射方位から前記照射点の３次元座標を算定した３次元点群データを生成するレーザー測定装置と、
   このレーザー測定装置から体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象として取得した３次元点群データである背景データと前記体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象として複数の地点から取得した３次元点群データである複数の前景データを取得する３次元点群取得手段と、
   この３次元点群取得手段が取得した前記背景データと前記複数の前景データを記憶するデータ記憶手段と、
   このデータ記憶手段が記憶した前記複数の前景データのそれぞれと前記背景データから前記体積の推定対象物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成手段と、
   このボクセルデータ生成手段が生成した前記複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を前記体積の推定対象物体の体積として出力する体積計算手段と
   を備えた体積推定装置と
   から構成される体積推定システム。
6. レーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、前記レーザー発射点の位置と発射方位から前記照射点の３次元座標を算定した３次元点群データをレーザー測定装置から取得する３次元点群取得ステップと、
   この３次元点群取得ステップにおいて取得された体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象とした３次元点群データである背景データと前記体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象とした複数の地点に対する３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶ステップと、
   このデータ記憶ステップにおいて記憶された前記複数の前景データのそれぞれと前記背景データから前記体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成ステップと、
   このボクセルデータ生成ステップが生成した前記複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を前記体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算ステップと
   を有する体積推定方法。
7. 前記ボクセルデータ生成ステップは、
   前記レーザー発射点と前記測定対象の間に仮想的な平面を設定し、この仮想的な平面と前記照射点の間の空間をボクセル単位で分割し、前記背景データに対応した背景ボクセルデータと前記複数の前景データのそれぞれに対応した複数の前景ボクセルデータを作成するボクセル分割ステップ
   を有する請求項６記載の体積推定方法。
8. 前記ボクセルデータ生成ステップは、
   前記複数の前景ボクセルデータのそれぞれと前記背景ボクセルデータから前記背景ボクセルデータのみに属するボクセルを抽出して前記複数の物体ボクセルデータを生成するボクセル抽出ステップ
   を有する請求項７記載の体積推定方法。
9. 前記データ記憶ステップは、前記３次元点群取得ステップが複数の地点に対して取得した３次元点群データである複数の背景データを記憶し、
   前記ボクセルデータ生成ステップは、前記データ記憶ステップが記憶した前記複数の背景データに対応する複数の背景ボクセルデータに共通するボクセルを前記背景ボクセルデータとする
   請求項７または請求項８記載の体積推定方法。
10. コンピュータに、
    レーザーを照射し、レーザー発射点から測定対象の表面上の照射点までの距離を測定し、前記レーザー発射点の位置と発射方位から前記照射点の３次元座標を算定した３次元点群データをレーザー測定装置から取得する３次元点群取得ステップと、
    この３次元点群取得ステップにおいて取得された体積推定対象の物体が存在しない状態を測定対象とした３次元点群データである背景データと前記体積推定対象の物体が存在する状態を測定対象とした複数の地点に対する３次元点群データである複数の前景データを記憶するデータ記憶ステップと、
    このデータ記憶ステップにおいて記憶された前記複数の前景データのそれぞれと前記背景データから前記体積推定対象の物体について複数の物体ボクセルデータを生成するボクセルデータ生成ステップと、
    このボクセルデータ生成ステップが生成した前記複数の物体ボクセルデータに共通する部分である共通部ボクセルデータを抽出し、抽出した共通部ボクセルデータの体積を前記体積推定対象の物体の体積として出力する体積計算ステップと
    を実行させる体積推定プログラム。

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