JP2018021877A - 地形計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地上に三次元スキャナーを設置することによって、起伏や障害物を有する地形の三次元形状を計測する地形計測方法において、人為的な労力を軽減する。
【解決手段】地点Ｐ_１〜Ｐ_１５にマーカーを設置するマーカー設置工程と、２つ以上のマーカーが視野に入る地点Ｑ_１〜Ｑ_３１に三次元スキャナーを設置し、地点Ｑ_ｋ（ｋは１〜３１以下の全ての整数）の周囲の三次元地形データＤ_ｋをスキャンする地形スキャン工程と、三次元地形データＤ_ｋに含まれるマーカーが設置された少なくとも２地点のＧＰＳ座標と、三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する方向決定工程と、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１を合成する地形データ合成工程とを経て、計測対象区域αの三次元地形データＤを得るようにするとともに、上記のマーカーとして、支柱とマーカー表示部とで構成されたものを用いるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、起伏を有する又は障害物の存在する地形を計測するための地形計測方法に関する。

古墳の調査においては、その三次元形状を計測することが重要である。古墳の三次元形状の計測は、古くから、平板測量で行われていた。しかし、平板測量は、人為的な労力が膨大であることに加えて、計測精度も低いという欠点を有していた。このため、近年では、古墳の上空からレーザーを照射することにより、古墳の三次元形状を計測することも行われるようになっている（例えば、特許文献１の段落００３６）。しかし、この方法は、樹冠等に覆われて上空から隠れた部分の地表の起伏を捉えることができないという欠点を有していた。したがって、レーザーを用いた上空からの計測は、飽くまで現地調査の補助として利用されるに過ぎず、古墳の三次元形状を正確に計測するためには、現地調査を要することに変わりはなかった。

特開２００９−０１４６４３号公報

このような実状に鑑みて、本出願人は、地上に三次元スキャナーを設置して古墳の三次元形状を計測することを試みている。しかし、古墳の表面は、起伏に富んでいることに加えて、古墳の表面には、樹木や雑草等の障害物が多く存在しているため、１回の計測では、古墳全体の三次元形状を計測することができない。このため、三次元スキャナーによる計測を複数地点で行い、それぞれの計測で得られた三次元地形データを合成することによって、古墳全体の三次元形状を得ようとしている。

しかし、上記のように複数地点で計測された三次元地形データを合成しようとすると、それぞれの三次元地形データにおける三次元的な方向を特定する必要があり、そのためには、それぞれの三次元地形データにおける少なくとも３地点の座標（地球上の座標）を把握しておく必要がある。その３地点のうち、１地点の座標については、三次元スキャナーを設置した座標を用いることができるものの、残りの２地点の座標については、それぞれの三次元地形データにおける特定地点の座標とする必要がある。したがって、本出願人は、三次元スキャナーを設置した箇所の周囲の２地点にマーカーを設置して、それらのマーカーを設置した箇所の座標を記録するとともに、それらのマーカーが視野内に収まるように三次元スキャナーで三次元地形データを計測することを考えている。

ところが、既に述べたように、古墳の表面は、起伏に富んでいることに加えて、古墳の表面には、樹木等の障害物が存在するため、三次元スキャナーの視野内（計測範囲内）において、マーカーの設置に適した箇所は非常に限られている。このため、本出願人が検討している計測方法においても、古墳の全体形状を漏れなく計測するためには、三次元スキャナーによる計測箇所や設置するマーカーの個数を増やす必要があり、一連の作業に要する労力を思ったほど軽減できないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、地上に三次元スキャナーを設置することによって、起伏や障害物を有する地形（古墳等）の三次元形状を計測する地形計測方法において、三次元スキャナーによる計測箇所や、設置するマーカーの個数を削減し、人為的な労力を軽減することを目的とするものである。

上記課題は、
起伏を有する又は障害物の存在する地形を計測するための地形計測方法であって、
計測対象区域における複数の地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉ（ｉは３以上のある整数）にマーカーを設置するマーカー設置工程と、
少なくとも２つのマーカーが視野に入る複数の地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊ（ｊは３以上のある整数）に三次元スキャナーを設置し、地点Ｑ_ｋ（ｋは１以上ｊ以下の全ての整数）の周囲の三次元地形データＤ_ｋをスキャンする地形スキャン工程と、
三次元地形データＤ_ｋに含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_ｋをスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する方向決定工程と、
三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊを合成して計測対象区域における略全域の三次元地形データを得る地形データ合成工程と、
を経るとともに、
マーカー設置工程で設置するマーカーとして、
地面に立設するための支柱と、
支柱の上部に支持されたマーカー表示部と、
で構成されたものを用いる
ことを特徴とする地形計測方法
を提供することによって解決される。

ここで、「計測対象区域」とは、計測対象物上の区域だけでなく、その周辺区域も含まれる概念である。したがって、例えば、古墳の全体形状を計測する場合には、計測対象物である古墳内にマーカーを設置する場合だけでなく、古墳の周辺区域にマーカーを設置する場合や、その両方（古墳内及び古墳の周辺区域）にマーカーを設置する場合も、本発明の技術的範囲に含まれる。

また、地形スキャン工程における「地点Ｑ_ｋ（ｋは１以上ｊ以下の全ての整数）の周囲の三次元地形データＤ_ｋをスキャンする」とは、地点Ｑ_１では三次元地形データＤ_１をスキャンし、地点Ｑ_２では三次元地形データＤ_２をスキャンし、・・・、地点Ｑ_ｊでは三次元地形データＤ_ｊをスキャンし、というように、地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊのそれぞれにおいて、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊをそれぞれスキャンしていくことを意味している。このため、地形スキャン工程が終わった際には、ｊ個の三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊが得られた状態となっている。

同様に、方向決定工程における「三次元地形データＤ_ｋに含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_ｋをスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する」とは、三次元地形データＤ_１に含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_１をスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_１のＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_１の三次元的な方向を決定し、三次元地形データＤ_２に含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_２をスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_２のＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_２の三次元的な方向を決定し、・・・、三次元地形データＤ_ｊに含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_ｊをスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_ｊのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｊの三次元的な方向を決定し、というように、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊのそれぞれの三次元的な方向を決定することを意味している。このため、方向決定工程が終わった際には、ｊ個の三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊの三次元的な方向が決定された状態となっている。

本発明の地形計測方法では、三次元スキャナーを用いて計測対象区域の三次元形状を計測するため、平板測量等によって計測を行う場合と比較して、人為的な労力を大幅に軽減することができる。また、本発明の地形計測方法では、上空からではなく、地上に設置した三次元スキャナーを用いて計測対象区域の三次元形状を計測するため、計測対象区域が樹冠等で覆われている場合であっても、その部分の起伏を計測することができる。さらに、本発明の地形計測方法では、マーカーにおけるマーカー表示部（三次元スキャナーによって認識される部分）が支柱の上部に支持された構造としたため、マーカー表示部を地面よりも高い場所に配することが可能となっている。このため、計測対象区域に起伏や障害物がある場合であっても、マーカー表示部が遠くからでも視認できるようにし、設置するマーカーの個数を減らすことが可能になる。したがって、三次元スキャナーによる計測箇所を削減することも可能になる。

本発明の地形計測方法においては、マーカー設置工程で設置するマーカーとして、そのマーカー表示部が、水平軸回りの角度が調節可能な状態で支柱の上部に支持されたものを用いることも好ましい。これにより、マーカーの支柱を鉛直方向から傾けることなく、マーカー表示部の正面が三次元スキャナーに向くようにすることが可能になり、三次元スキャナーがマーカー表示部を認識しやすくすることが可能になる。

本発明の地形計測方法において、上記の方向決定工程や、地形データ合成工程は、通常、コンピュータ上でソフト的に行われる。この点、本発明の地形計測方法を、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊに含まれる障害物をソフト的に除去する障害物除去工程を備えたものとすることも好ましい。これにより、計測対象区域の地表の三次元形状を把握しやすくすることが可能になる。障害物除去工程を実行するタイミングは、特に限定されない。障害物除去工程は、地形スキャン工程と同時に行ってもよいし、地形スキャン工程と方向決定工程との間に行ってもよいし、方向決定工程と地形データ合成工程との間に行ってもよいし、地形データ合成工程の完了後に行ってもよい。しかし、障害物除去工程を効率的に実行できるようにするためには、障害物除去工程は、地形データ合成工程の完了後に行うと好ましい。

本発明の地形計測方法は、起伏及び障害物（樹木、雑草又は岩等）を有する地形を計測するものとして適している。本発明の地形計測方法の用途は、特に限定されないが、古墳の調査を行う場合（古墳の三次元形状を計測する場合）に採用すると好適である。このほか、ゴルフ場の建設予定地の調査を行う場合（ゴルフ場の建設予定地の三次元形状を計測する場合）や、ダムの建設予定地の調査を行う場合（ダムの建設予定地の三次元形状を計測する場合）にも、本発明の地形計測方法を好適に採用することができる。これらの地形は、いずれも、起伏に富んでいることに加えて、樹木や雑草や岩等の障害物が多く存在することが多く、本発明の地形計測方法を採用することによって得られるメリットが大きい。

以上のように、本発明によって、地上に三次元スキャナーを設置することによって、起伏や障害物を有する地形（古墳等）の三次元形状を計測する地形計測方法において、三次元スキャナーによる計測箇所や、設置するマーカーの個数を削減し、人為的な労力を軽減することが可能になる。

本発明の地形計測方法の一例を示したフローチャートである。 本発明の地形計測方法によって得られた古墳の三次元形状の一例を示した図である。 本発明の地形計測方法における、マーカーの設置地点及び三次元スキャナーの設置地点の配置の一例を示した図である。 本発明の地形計測方法で使用するマーカーの一例を示した斜視図である。 本発明の地形計測方法で使用するマーカーの他例を示した斜視図である。 本発明の地形計測方法における地形スキャン工程を実施している様子を示した図である。 本発明の地形計測方法における方向決定工程を説明する図である。

本発明の地形計測方法の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。以下においては、説明の便宜上、古墳の三次元形状を計測する場合を例に挙げて本発明の地形計測方法を説明する。しかし、上述したように、本発明の地形計測方法の用途は、古墳の調査に限定されるものではなく、起伏や障害物を有する地形を計測する必要のある各種用途において好適に採用することができる。また、本発明の地形計測方法の技術的範囲は、以下で述べる実施態様に限定されることなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更を施すことができる。

１．本発明の地形計測方法の基本的な流れ
図１は、本実施態様の地形計測方法の流れを示したフローチャートである。図２は、本実施態様の地形計測方法によって得られた古墳の三次元形状（合成後の三次元地形データＤ）の一例を示した図である。本実施態様の地形計測方法は、図１に示すように、マーカー設置工程と、地形スキャン工程と、方向決定工程と、地形データ合成工程と、障害物除去工程とを経ることによって、図２に示すように、古墳の三次元形状を得るためのものとなっている。

２．マーカー設置工程
マーカー設置工程は、図３に示すように、計測対象区域αにおける互いに離散した地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉ（Ｐ_１〜Ｐ_１５）に、図４に示すようなマーカー１０をそれぞれ設置していく工程である。図３は、本実施態様の地形計測方法における、マーカーの設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉ（Ｐ_１〜Ｐ_１５）及び三次元スキャナーの設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊ（Ｑ_１〜Ｑ_３１）の配置の一例を示した図である。図４は、本実施態様の地形計測方法で使用するマーカー１０の一例を示した斜視図である。本実施態様の地形計測方法においては、計測対象物である古墳α_１（図３において目の小さい網掛けハッチングで示した領域）だけでなく、その周辺区域α_２（図３において目の大きな網掛けハッチングで示した領域）にも、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉを設けている。

本実施態様の地形計測方法においては、地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉに設置するマーカー１０として、図４に示すように、地面に立設するための支柱１１と、支柱の上部に支持されたマーカー表示部１２とで構成されたものを用いている。マーカー表示部１２は、三次元スキャナー２０（図６を参照）で認識される部分であるところ、このマーカー表示部１２を支柱１１によって地面よりも高い場所で支持することによって、マーカー表示部１２と三次元スキャナー２０との間に、樹木や雑草等の障害物がある場合であっても、三次元スキャナー２０にマーカー表示部１２を読み取らせることが可能となっている。本実施態様の地形計測方法においては、マーカー表示部１２における前面の中心Ｃの座標が、地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの座標（ＧＰＳで読み取る座標）となるようにしている。

マーカー１０における支柱１１の下端からマーカー表示部１２の中心Ｃまでの高さＨ（図４）は、特に限定されない。しかし、高さＨを低くしすぎると、マーカー表示部１２を高い位置で支持できなくなる。このため、高さＨは、通常、３０ｃｍ以上とされる。高さＨは、５０ｃｍ以上であることが好ましく、７０ｃｍ以上であることがより好ましく、９０ｃｍ以上であることがさらに好ましい。一方、高さＨを高くしすぎると、マーカー１０が大型化して持ち運びや設置作業をしにくいものとなる虞がある。このため、高さＨは、通常、３００ｃｍ以下とされる。高さＨは、２５０ｃｍ以下であることが好ましく、２００ｃｍ以下であることがより好ましい。本実施態様の地形計測方法において、高さＨは１００ｃｍとしている。

マーカー１０におけるマーカー表示部１２には、三次元スキャナー２０（図３）が識別可能な表示が施される。マーカー表示部１２に施す表示は、通常、周囲の風景から浮き立つパターンや色彩が施される。本実施態様の地形計測方法においては、矩形状を為すマーカー表示部１２を２行２列の矩形状の区画に分割し、それぞれの区画に白色と黒色を交互に配したパターンを上記の表示として施している。このパターンは、地面や樹木や雑草や岩や空の手前に位置する場合でも、三次元スキャナー２０がそのパターンのみを容易に識別することができるものとなっている。

マーカー１０は、計測対象区域α（図３）における設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの地面に直接打ち込むものとしてもよいが、この場合には、マーカー１０の設置作業を行う際に、設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉのＧＰＳ座標（マーカー表示部１２の中心Ｃの座標）をその都度計測する必要が生じる等、マーカー設置工程の作業効率が低下する虞がある。このため、本実施態様の地形計測方法においては、マーカー１０を用いて予めＧＰＳ座標を計測したマーカー表示部１２の中心Ｃの真下となる箇所に、図６に示すように、基準点ブロック３０を予め打ち込んでおき（事前の踏査の際等に打ち込んでおき）、マーカー設置工程を実際に行う際には、その基準点ブロック３０の上面に設けられた凹部３１に、支柱１１の下端を嵌め込むことによって、マーカー１０を設置するようにしている。これにより、実際のマーカー設置工程を行う際には、設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉのＧＰＳ座標を計測する必要がなくなるため、マーカー設置工程の作業効率を向上することが可能になる。

ところで、従来の地形計測方法では、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉは、事前の踏査の際等に、よく吟味して決定する必要があり、それでもなお、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数（ｉの値）がかなり多くなっていた。これに対し、本実施態様の地形計測方法では、上述したように、マーカー１０（図４及び図５）として、マーカー表示部１２が支柱１１の上部に支持されたものを用いており、マーカー表示部１２が広い範囲から認識（視認）できるようになっている。このため、本実施態様の地形計測方法では、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉは、事前の踏査の際等に、「この辺りであれば、周囲の広い範囲から見えるだろう」というような位置に決定すればよく、事前の踏査の際に要する手間を大幅に軽減することができるようになっている。また、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数（ｉの値）も少なく抑えることができるようになっている。

マーカー１０は、その支柱１１が鉛直方向（重力方向）に対して傾斜するように設置してもよいが、この場合には、マーカー表示部１２の中心Ｃの水平座標（設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの水平座標）と基準点ブロック３０の凹部３１の水平座標とにズレが生じ、そのズレを補正する必要が生じる。このため、マーカー１０は、通常、その支柱１１が鉛直方向に対して平行となるように設置される。本実施態様の地形計測方法においては、支柱１１の方向を確認するための水準器（図示省略）をマーカー１０に取り付けている。マーカー１０における支柱１１は、三脚等のマーカー支持手段４０（図６を参照）によって鉛直方向に保つことができるようになっている。

また、マーカー１０としては、図４に示したもののほか、図５に示すものを使用することも好ましい。図５は、マーカー１０の他例を示した斜視図である。図５のマーカー１０は、支柱１１とマーカー表示部１２との間に、軸受手段１３を有しており、水平軸Ｌ_１を中心としてマーカー表示部１２を上下方向（図５における矢印Ａ_１又は矢印Ａ_２の向き）に回動させることによって、マーカー表示部１２の水平軸Ｌ_１回りの角度を調節することができるものとなっている。この構成は、以下のような意味を有している。

すなわち、マーカー表示部１２の前面は、三次元スキャナー２０から出射されるレーザー光（図６における太い破線の矢印を参照）に対して垂直又は垂直に近い状態となっていなければ、三次元スキャナー２０に認識されにくくなるところ、図５のマーカー１０では、マーカー表示部１２を上下方向に回動させることによって、マーカー表示部１２の前面を三次元スキャナー２０から出射されるレーザー光に対して垂直又は垂直に近い状態となるように調節することができるようになっている。

軸受手段１３は、上記のような機能を発揮できるのであれば、その具体的な構成を特に限定されない。図５のマーカー１０においては、支柱１１の上端部に固定される前面視「Ｕ」字状の支持フレーム１３ａと、マーカー表示部１２の両側面に配される左右一対の側板部１３ｂと、側板部１３ｂを互いに連結してマーカー表示部１２の背面側に固定される連結軸部１３ｃと、左右の側板部１３ｂに対して支持フレーム１３ａの左右のアーム部をそれぞれ回動可能な状態で連結する支軸部１３ｄと、支持フレーム１３ａに対して側板部１３ｂが回動できないよう（マーカー表示部１２の角度を固定できるよう）に支軸部１３ｄを締め付ける締付手段１３ｅによって、軸受手段１３を構成している。

図５のマーカー１０においては、マーカー表示部１２を上下方向に回動させる際に、マーカー表示部１２の前面の中心Ｃの座標が変化すると、後述する方向決定工程や地形データ合成工程を実行する際に誤差が生じ、計測対象区域αの正確な三次元地形データを取得できなくなるところ、側板部１３ｂを設けることによって、マーカー表示部１２の前面の中心Ｃが、マーカー表示部１２の回動の中心軸Ｌ_１（支軸部１３ｄの中心線）上となるように設定している。

ところで、マーカー設置工程において、マーカー１０は、設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの全てに一度に設置してもよいが、この場合には、マーカー１０の必要本数や、それに付帯するマーカー支持手段４０の必要個数も増大する。このため、マーカー設置工程は、後述する地形スキャン工程と並行しながら行い、所望の設置地点（三次元スキャナー２０の設置地点）でスキャンを行う場合に必要な設置地点（マーカー１０の設置地点）にのみマーカー１０を設置していき、これを三次元スキャナー２０の設置地点を切り替えながら順次繰り返すようにすることが好ましい。これにより、マーカー１０やマーカー支持手段４０は、最低２つずつ用意しておけば、本実施態様の地形計測方法を実施することが可能になる。

マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数（ｉの値）は、３以上であれば、特に限定されない。設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉは、通常、計測対象区域αが広くなればなるほど、起伏の程度が激しくなればなるほど、あるいは障害物が多ければ多いほど、増大する。設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉは、５以上、１０以上、１５以上、あるいは２０以上と多くなっても対応可能である。本実施態様の地形計測方法においては、図３に示すように、地点Ｐ_１から地点Ｐ_１５までの１５地点に、マーカー１０を設置するようになっている。

一方、設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉに特に上限はないが、通常、１０００以下とされる。本実施態様の地形計測方法では、計測対象区域αの単位面積（１アール）当たりの設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉを、１個以下とすることや、０．５個以下とすることや、０．３個以下とすることや、０．１個以下とすることや、０．０５個以下とすることも可能である。地形や三次元スキャナー２０の性能等によっては、０．０１個以下（１００アール当たりに１個）とすることも可能である。

マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの配置は、計測対象区域αの広さや地形、三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの配置、あるいは三次元スキャナー２０の性能等によっても異なり、特に限定されない。ただし、設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊのいずれに三次元スキャナー２０を設置しても、必ず２つ以上のマーカー１０がその三次元スキャナー２０の視野（計測範囲）に収まるようにする。この条件を満たした上で、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉができるだけ少なくなるように、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの配置を決定する。

本実施態様の地形計測方法においても、地点Ｑ_１に設置された三次元スキャナー２０の計測範囲には、地点Ｐ_１に設置されたマーカー１０と地点Ｐ_１３に設置されたマーカー１０とが入り、地点Ｑ_２に設置された三次元スキャナー２０の計測範囲には、地点Ｐ_１２に設置されたマーカー１０と地点Ｐ_１３に設置されたマーカー１０とが入り、地点Ｑ_３に設置された三次元スキャナー２０の計測範囲には、地点Ｐ_１３に設置されたマーカー１０と地点Ｐ_１４に設置されたマーカー１０とが入り、地点Ｑ_４に設置された三次元スキャナー２０の計測範囲には、地点Ｐ_４に設置されたマーカー１０と地点Ｐ_１４に設置されたマーカー１０とが入り・・・というように、設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊ（設置地点Ｑ_１〜Ｑ_３１）のいずれに三次元スキャナー２０を設置しても、その三次元スキャナー２０の計測範囲には、２つ以上のマーカー１０が入るようになっている。

３．地形スキャン工程
地形スキャン工程は、図６に示すように、少なくとも２つのマーカー１０が視野に入る地点Ｑ_ｋ（ｋは１以上ｊ以下の全ての整数）に三次元スキャナー２０を設置し、地点Ｑ_ｋの周囲の三次元地形データＤ_ｋ（図７（ａ）を参照）をスキャンしていく工程である。図６は、本実施態様の地形計測方法における、地形スキャン工程を実施している様子を示した図である。図６の例においては、地点Ｑ_ｋに設置した三次元スキャナー２０の計測範囲に、地点Ｐ_ｍ（ｍは１以上ｉ以下のある整数）に設置したマーカー１０と、地点Ｐ_ｎ（ｎは１以上ｉ以下で且つｍ以外のある整数）に設置したマーカー１０とが入るようになっている。地形スキャン工程では、図６に示したような計測を、三次元スキャナー２０の設置地点を地点Ｑ_１から地点Ｑ_３１（地点Ｑ_ｊ）まで順次切り替えながら行っていく。このため、図６に示されるような計測は、計３１回（計ｊ回）行われる。したがって、地形スキャン工程を終えた段階では、計３１個（計ｊ個）の三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）がデジタルデータとして取得された状態となる。

三次元スキャナー２０を設置する地点Ｑ_ｋ（地点Ｑ_１〜Ｑ_３１）の地面には、マーカー１０の設置地点Ｐ_ｉ（Ｐ_１〜Ｐ_１５）と同様、事前の踏査の際等に、予め基準点ブロック５０（図６）を打ち込んでおき、地形スキャン工程を行う際には、この基準点ブロック５０を参考に、三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_ｋを決定することもできる。しかし、本実施態様の地形計測方法では、上述したように、マーカー１０（図４及び図５）として、マーカー表示部１２が支柱１１の上部に支持されたものを用いており、マーカー表示部１２が広い範囲から認識（視認）できるようになっているため、三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_ｋは、事前の踏査の際等に、基準点ブロック５０を予め設置しておかなくても、地形スキャン工程を行うその場で容易に決定することができる。また、三次元スキャナー２０を設置する地点Ｑ_ｋの数（ｋの値）を大幅に削減することも可能である。本実施態様の地形計測方法においては、地形スキャン工程を行う際（事前の踏査を行う際にはその踏査の際）に、三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標を測定するようにしている。

三次元スキャナー２０は、その周囲の地形の三次元形状を計測することができるものであれば、その種類を特に限定されるものではないが、通常、レーザー光等の光波を照射することによってその周囲の地形の三次元形状の計測を行う走査型の光波距離計（いわゆるレーザースキャナー）が用いられる。

また、三次元スキャナー２０の最大測定距離は、計測対象区域αの広さ等によっても異なり、特に限定されない。しかし、三次元スキャナー２０の最大測定距離が短すぎると、計測対象区域αの略全域の三次元形状を計測するためには、三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_ｋ（Ｑ_１〜Ｑ_ｊ）の数を増大したり、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数を増大したりする必要が生じる。このため、三次元スキャナー２０の最大測定距離は、通常、１０ｍ以上とされる。三次元スキャナー２０の最大測定距離は、３０ｍ以上であることが好ましく、５０ｍ以上であることがより好ましく、１００ｍ以上であるとさらに好ましい。三次元スキャナー２０の最大測定距離の上限は、特に限定されるものではないが、通常、５００〜１０００ｍ程度である。

本実施態様の地形計測方法においては、ＦＡＲＯ社製のレーザースキャナーである「ＦＡＲＯ Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｅｒ Ｆｏｃｕｓ^３Ｄ」（型式：Ｆｏｃｕｓ^３ＤＸ３３０）を三次元スキャナー２０として用いている。この三次元スキャナー２０は、最大測定距離が３３０ｍで、測定速度が最大９７６０００点／秒で、範囲誤差が最大±２ｍｍのものとなっている。また、この三次元スキャナー２０におけるレーザー光出射部２１は、地点Ｑ_ｋを通る鉛直軸Ｌ_２を中心として矢印Ａ_３の向きに回転（走査）できるようになっており、その周囲３６０°の範囲が計測範囲に入るものとなっている。

本実施態様の地形計測方法において、三次元スキャナー２０は、そのレーザー光出射部２１の回転軸Ｌ_２が基準点ブロック３０の凹部５１の中心（基準点）を通る鉛直線に一致し、且つ、当該基準点からレーザー光出射部２１までの高さが地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標を測定したときと同じとなるように、その姿勢や高さを設定している。

三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数（ｊの値）は、３以上であれば、特に限定されない。設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数ｊは、通常、計測対象区域αが広くなればなるほど、起伏の程度が激しくなればなるほど、あるいは障害物が多ければ多いほど、増大する。設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数ｊは、５以上、１０以上、１５以上、あるいは２０以上と多くなっても対応可能である。三次元スキャナー２０の設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数ｊは、マーカー１０の設置地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉの数ｉよりも多くなる場合が多い。本実施態様の地形計測方法においては、図３に示すように、地点Ｑ_１から地点Ｑ_３１までの３１地点に、三次元スキャナー２０を設置するようになっている。

一方、設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数ｊに特に上限はないが、通常、１０００以下とされる。本実施態様の地形計測方法では、計測対象区域αの単位面積（１アール）当たりの設置地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊの数ｊを、１個以下とすることや、０．５個以下とすることや、０．３個以下とすることや、０．１個以下とすることや、０．０５個以下とすることも可能である。地形や三次元スキャナー２０の性能等によっては、０．０１個以下（１００アール当たりに１個）とすることも可能である。

４．方向決定工程
方向決定工程は、図７に示すように、三次元地形データＤ_ｋ（ｋは１以上ｊ以下の全ての整数）に含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ（ｍ，ｎは１以上ｊ以下の互いに異なるある整数）のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_ｋをスキャンするために三次元スキャナー２０を設置した地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する工程である。図７は、本実施態様の地形計測方法における、方向決定工程を説明する図である。

すなわち、地形スキャン工程で取得された三次元地形データＤ_ｋにおいては、マーカー１０が設置されていた２つの地点及び三次元スキャナー２０が設置されていた１つの地点は、絶対的な座標（地球上のＧＰＳ座標。同図におけるｘｙｚ座標系での座標）上の点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋとしては認識されておらず、それぞれ、相対的な座標（同図におけるｘ’ｙ’ｚ’座標系での座標）上の点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’として認識されている。このため、この段階における三次元地形データＤ_ｋは、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対する向きや位置が確定していない状態にある。この点、方向決定工程は、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対する三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する工程となっている。

具体的には、方向決定工程では、図７（ａ），（ｂ）に示すように、相対座標系（ｘ’ｙ’ｚ’座標系）における三次元地形データＤ_ｋ上の点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’を、それぞれ、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）での点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋに一致させるためには、三次元地形データＤ_ｋを、ｘ軸回り、ｙ軸回り及びｚ軸回りにそれぞれどの角度（以下においては、点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’をそれぞれ点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋに一致させるために必要な、ｘ軸回りの回転角度を「θ_ｘ」、ｙ軸回りの回転角度を「θ_ｙ」、ｚ軸回りの回転角度を「θ_ｚ」と表記する。）だけ回転させればよいかを演算し、当該演算によって得られた角度θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚに基づいて、三次元地形データＤ_ｋを、ｘ軸回り、ｙ軸回り及びｚ軸回りに回転させる。点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’を結んでできる三角形Ｐ_ｍ’Ｐ_ｎ’Ｑ_ｋ’は、点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋを結んでできる三角形Ｐ_ｍＰ_ｎＱ_ｋと合同であるため、上記の回転角度θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚは、数学的に一義的に求めることができる。

方向決定工程では、このような処理を、全ての三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）のそれぞれについてソフト的に行う。このため、方向決定工程を終えた後においては、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対する、全ての三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）の三次元的な方向が決定された状態となっている。

５．地形データ合成工程
地形データ合成工程は、上記の方向決定工程で三次元的な方向が決定された三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）を合成して、計測対象区域αにおける略全域の三次元地形データＤ（図２を参照）を得る工程である。

すなわち、既に述べたように、地形スキャン工程を終えた段階では、三次元地形データＤ_ｋは、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対する向き（三次元的な方向）や位置（三次元的な位置）が確定していない状態にあり、このうち、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向については、上記の方向決定工程で決定されるところ、地形データ合成工程は、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対するそれぞれの三次元地形データＤ_ｋの位置（三次元的な位置）を決定することによって、三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）を１つの三次元地形データＤに合成する工程となっている。

具体的には、地形データ合成工程では、図７（ａ），（ｂ）に示すように、相対座標系（ｘ’ｙ’ｚ’座標系）における三次元地形データＤ_ｋ（方向決定工程を終えた状態の三次元地形データＤ_ｋ）上の点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’を、それぞれ、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）での点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋに一致させるためには、三次元地形データＤ_ｋを、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向にそれぞれどの距離（以下においては、点Ｐ_ｍ’，Ｐ_ｎ’，Ｑ_ｋ’をそれぞれ点Ｐ_ｍ，Ｐ_ｎ，Ｑ_ｋに一致させるために必要な、ｘ軸方向の移動距離を「ｄ_ｘ」、ｙ軸方向の移動距離を「ｄ_ｙ」、ｚ軸方向の移動距離を「ｄ_ｚ」と表記する。）だけ移動させればよいかを演算し、当該演算によって得られた移動距離ｄ_ｘ，ｄ_ｙ，ｄ_ｚに基づいて、三次元地形データＤ_ｋを、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に平行移動させる。上記の移動距離ｄ_ｘ，ｄ_ｙ，ｄ_ｚは、数学的に一義的に求めることができる。

地形データ合成工程では、このような処理を、全ての三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）のそれぞれについてソフト的に行う。このため、地形データ合成工程を終えた後においては、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）に対する、全ての三次元地形データＤ_ｋ（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）の三次元的な位置が決定された状態となっており、ＧＰＳ座標系（ｘｙｚ座標系）で全ての三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊが合成された状態となっている。

合成後の三次元地形データＤは、欠損領域が存在していても（合成後の三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊに隙間が存在していても）よいが、できるだけ欠損領域のない連続した状態となっていることが好ましい。欠損領域は、計測対象区域αの全面積のうち、３０％以下となっていることが好ましく、２０％以下となっていることがより好ましく、１０％以下となっていることがさらに好ましい。欠損領域は、上記の地形スキャン工程を行う際に、三次元スキャナー２０を既に設置した地点にピン等の目印を設置して、その死角となる箇所を考慮に入れながら、その後に三次元スキャナー２０を設置する地点を決定すること等によって、少なく抑えることができる。ただし、合成後の三次元地形データＤの用途等によっては、上記の欠損領域の比率は、３０％よりも高くなってもよい場合もある。

また、地形データ合成工程は、上記の方向決定工程を終えた後に実行するようにしてもよいが、方向決定工程と並行して行ってもよい。すなわち、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定するに、上記の平行移動も行う（三次元地形データＤ_ｋの三次元的な位置も決定する）ようにし、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊの全てについて方向決定工程を終えた際に、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊの合成が終わるようにすることもできる。

６．障害物除去工程
障害物除去工程は、上記の地形スキャン工程においてデジタルデータとして取得された三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）から、樹木、雑草又は岩等の障害物をソフト的に（デジタル処理で）除去する工程である。これにより、三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１（三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊ）を、障害物を含まないもの（実質的に地表のみが表されたもの）とすることができる。既に述べた通り、障害物除去工程は、地形スキャン工程と同時に行ってもよいし、地形スキャン工程と上記の方向決定工程との間に行ってもよいし、方向決定工程と地形データ合成工程との間に行ってもよい。しかし、合成前の三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１のそれぞれに障害物除去工程を行うと、同じ障害物（隣り合う三次元地形データＤ_１〜Ｄ_３１で重複した箇所に存在する障害物）につき、障害物除去の処理が複数回重複して行われることがあり、非効率的である。このため、本実施態様の地形計測方法においては、地形データ合成工程の完了後に障害物除去工程を行うようにしており、障害物除去工程を効率的に行うことができるようになっている。

障害物除去工程は、上記のような処理を行うことができるのであれば、その具体的な方法（ソフト）を特に限定されないが、通常、三次元で取得された点群のデータ（三次元点群データ）に処理を施すことのできる三次元点群データ処理ソフトが用いられる。本実施態様の地形計測方法においては、Ｅｌｙｓｉｕｍ社製の三次元点群データ処理ソフト「ＩｎｆｉＰｏｉｎｔｓ」のノイズ除去機能（地面抽出機能）を用いてパソコン上で障害物除去工程を行っている。

７．その他
本実施態様の地形計測方法を用いると、計測対象物の三次元地形データＤ（図２を参照）の誤差を数ｍｍ程度に抑えることも可能であるため、得られた三次元地形データＤは、計測対象物の各種分析や各種研究に有効に活用することができる。例えば、古墳の三次元地形データＤからは、古墳の寸法形状や向き等の基本的な情報だけでなく、地面が削られた跡や土が盛られた場所を高精度に識別することも可能であるため、盗掘の痕跡等、詳細な情報を得ることも可能になる。本発明の地形計測方法は、古墳の調査だけでなく、ゴルフ場の建設予定地の調査や、ダムの建設予定地の調査等、土木分野等の各種分野において有効に用いることができる。

１０ マーカー
１１ 支柱
１２ マーカー表示部
１３ 軸受手段
１３ａ 支持フレーム
１３ｂ 側板部
１３ｃ 連結軸部
１３ｄ 支軸部
１３ｅ 締付手段
２０ 三次元スキャナー
２１ レーザー光出射部
３０ 基準点ブロック
３１ 凹部
４０ マーカー支持手段
５０ 基準点ブロック
５１ 凹部
Ｄ 三次元地形データ（合成後）
Ｄ_１〜Ｄ_ｊ 三次元地形データ（合成前）
Ｐ_１〜Ｐ_ｉ マーカーの設置地点
Ｑ_１〜Ｑ_ｊ 三次元スキャナーの設置地点
α 計測対象区域
α_１ 古墳（計測対象物）
α_２ 周辺区域

Claims (6)

1. 起伏を有する又は障害物の存在する地形を計測するための地形計測方法であって、
   計測対象区域における複数の地点Ｐ_１〜Ｐ_ｉ（ｉは３以上のある整数）にマーカーを設置するマーカー設置工程と、
   少なくとも２つのマーカーが視野に入る複数の地点Ｑ_１〜Ｑ_ｊ（ｊは３以上のある整数）に三次元スキャナーを設置し、地点Ｑ_ｋ（ｋは１以上ｊ以下の全ての整数）の周囲の三次元地形データＤ_ｋをスキャンする地形スキャン工程と、
   三次元地形データＤ_ｋに含まれる、マーカーが設置された少なくとも２つの地点のＧＰＳ座標と、三次元地形データＤ_ｋをスキャンするために三次元スキャナーを設置した地点Ｑ_ｋのＧＰＳ座標とから、三次元地形データＤ_ｋの三次元的な方向を決定する方向決定工程と、
   三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊを合成して計測対象区域における略全域の三次元地形データを得る地形データ合成工程と、
   を経るとともに、
   マーカー設置工程で設置するマーカーとして、
   地面に立設するための支柱と、
   支柱の上部に支持されたマーカー表示部と、
   で構成されたものを用いる
   ことを特徴とする地形計測方法。
2. マーカー設置工程で設置するマーカーとして、そのマーカー表示部が、水平軸回りの角度が調節可能な状態で支柱の上部に支持されたものを用いる請求項１記載の地形計測方法。
3. 三次元地形データＤ_１〜Ｄ_ｊに含まれる障害物をソフト的に除去する障害物除去工程を備えた請求項１又は２記載の地形計測方法。
4. 請求項１〜３いずれか記載の地形計測方法を用いて、古墳の調査を行う古墳調査方法。
5. 請求項１〜３いずれか記載の地形計測方法を用いて、ゴルフ場の建設予定地の調査を行うゴルフ場建設予定地調査方法。
6. 請求項１〜３いずれか記載の地形計測方法を用いて、ダムの建設予定地の調査を行うダム建設予定地調査方法。

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