JP2019100915A - 測量装置、測量装置の校正方法および測量装置の校正用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザースキャナを備えたＴＳ（トータルステーション）において、測量現場で校正の状態の確認が可能な技術を提供する。【解決手段】測位対象の視準に利用される光学系２０１と、光学系２０１を介してレーザー光を前記測位対象に照射し、前記測位対象の測位を行うレーザー測位部２００と、レーザー測位部２００の測位結果に基づき特定の面の方程式を算出する面の方程式算出部１１４と、前記面のレーザースキャンを行うレーザースキャナ１０９と、面の方程式算出部１１４が特定した前記特定の面とレーザースキャナ１０９が得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出部１１５と、前記離れ量が小さくなるように前記レーザー測位部２００および前記レーザースキャナ１０９の少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出部１１６を備えるＴＳ（トータルステーション）１００。【選択図】図３

Description

本発明は、測量装置の校正に係る技術に関する。

測量装置としてＴＳ（トータルステーション）が知られている（例えば、特許文献１および２を参照）。また、光学系を回転させることで、高速にレーザースキャンを行うレーザースキャナ（特許文献３参照）や電子式にスキャン方向の制御を行うレーザースキャナ（特許文献３参照）が知られている。

特開２００９−２２９１９２号公報 特開２０１２―２０２８２１号公報 米国特許第８７６７１９０号公報 米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報

ところで、ＴＳのレーザー測距機能を利用したレーザースキャナが知られている。この場合、ＴＳの光学系を上下左右に振り、点々とレーザー測距を行うことでレーザースキャンが行われる。この方法は、簡易的なものであり、スキャン速度やスキャン密度の点で、専用のレーザースキャナに比べて見劣りする。

他方で、特許文献３等に記載されたレーザースキャナは、高速スキャンが可能であるが、スキャン点それぞれの測位精度はＴＳが備えるレーザー測位機能に及ばない。これは、スキャンが高速に行われる関係で、レーザー測距光を用いた測距のタイミングと、当該レーザー測距光の照射方位の検出タイミングとにズレが生じ、それが測位精度の誤差となるからである。そこで、両者の優位性を共に得る構成として、ＴＳが備える精密なレーザー測距装置とレーザースキャナとを別構成とし、それらを複合化したものが考えられる。

この場合、両者の光学的な原点の位置が物理的にずれる。このずれは、オフセット値として設計時に予め設定され、測位データが補正されるようにされているが、完全ではなく、製品の完成後に校正が必要である。通常、校正は、製品の出荷時に行なわれる。また、この校正は、販売後も製造メーカやメンテナンス会社のサービスとして行うことができる。しかしながら、上記の校正は、専用の設備が必要であり、また煩雑な手順を踏まなくてはならない。

ところで、上記の校正は、予め想定した特定の環境で行われるものであり、実際に測量が行なわれる環境では、校正の状態にズレが生じる場合がある。また、経時変化により校正の状態に変化が生じる場合がある。しがって、上記の校正は、定期的あるいは使用する前に行う必要がある。

このような背景において、本発明は、レーザースキャナを備えたＴＳにおいて、測量現場等で校正が可能な技術の提供を目的とする。

本発明は、測位対象の視準に利用される光学系と、前記光学系を介してレーザー光を前記測位対象に照射し、前記測位対象の測位を行うレーザー測位部と、前記レーザー測位部の測位結果に基づき特定の面の位置を特定する面特定部と、前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャナと、前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出部と、前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出部とを備える測量装置である。

他の本発明は、測位対象の視準に利用される光学系と、前記光学系を介してレーザー光を前記測位対象に照射し、前記測位対象の測位を行うレーザー測位部と、前記レーザー測位部の測位結果に基づき特定の面の位置を特定する面特定部と、前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャナと、前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出部と、前記離れ量に基づき、前記レーザー測位部と前記レーザースキャナの外部標定要素に係る校正の状態の良否を判定する良否判定部を備える測量装置である。

本発明において、前記特定の面として、法線ベクトルの異なる複数の面が選択される態様は好ましい。本発明において、前記レーザー測位部による前記特定の面の３点以上の点の測位により、前記特定の面の位置が特定される態様は好ましい。更にこの態様において、前記３点以上の点の分布範囲と前記レーザースキャナのレーザースキャン範囲とは重複することは好ましい。また、前記３点以上の点の分布範囲内に前記レーザースキャナのレーザースキャン範囲が設定される態様は好ましい。

本発明において、前記複数のスキャン点がフィッティングするフィッティング面を求め、前記フィッティング面からの離れ量が規定の値以上であるスキャン点をノイズ点として除去するノイズ除去部を備える態様は好ましい。また本発明において、前記離れ量として、前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点にフィッティングするフィッティング面との間の距離が採用される態様は好ましい。

本発明は、レーザー測位部を用いた特定の面の３点以上の測位により前記特定の面の位置を特定する面特定ステップと、レーザースキャナにより前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャンステップと、前記位置が特定された前記特定の面と前記レーザースキャンによって得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出ステップと、前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出ステップとを有する測量装置の校正方法である。

本発明は、コンピュータに読み取らせて実行するプログラムであって、コンピュータにレーザー測位部を用いた特定の面の３点以上の測位により前記特定の面の位置を特定する面特定ステップと、レーザースキャナにより前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャンステップと、前記位置が特定された前記特定の面と前記レーザースキャンによって得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出ステップと、前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出ステップとを実行させる測量装置の校正用プログラムである。

本発明によれば、レーザースキャナを備えたＴＳにおいて、測量現場等で校正の状態の確認が可能な技術が得られる。

発明を利用したＴＳ（トータルステーション）の斜視図である。 発明を利用したＴＳの正面図である。 発明を利用したＴＳのブロック図である。 測位点の分布範囲内にスキャン範囲が設定される様子を示す図である。 測位点位置データ取得部１１１が取得した複数の点に基づく面（校正用対象面）とスキャン点との関係を示す図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。

１．第１の実施形態
（概要）
図１には、発明を利用したレーザースキャナ付きＴＳ（トータルステーション）１００の斜視図が示されている。図２には、ＴＳ１００の正面図が示されている。ＴＳ１００の機能は、後述するレーザースキャナ１０９を備えている点、およびＴＳの機能（レーザー測位部２００の機能）とレーザースキャナ１０９の校正に係る処理を行う機能以外は、通常のＴＳと同じである。ＴＳの詳細な構造については、例えば特開２００９−２２９１９２号公報、特開２０１２―２０２８２１号公報に記載されている。

ＴＳ１００は、ＴＳ本体１５０とレーザースキャナ１０９を結合（複合化）した構造を有している。ＴＳ１００は、本体部１１を有している。本体部１１は、台座１２に水平回転が可能な状態で保持されている。台座１２は図示しない三脚の上部に固定される。本体部１１は、Ｙ軸の方向から見て上方に向かって延在する２つの延在部を有する略コの字形状を有し、この２つの延在部の間に可動部１３が鉛直角（仰角および俯角）の制御が可能な状態で保持されている。

本体部１１は、台座１２に対して電動で回転する。すなわち、本体部１１は、モータにより台座１２に対する水平回転角の角度制御が行われる。また、可動部１３は、モータにより鉛直角の角度制御が行なわれる。この水平回転角と鉛直角の角度制御のための駆動は、本体部１１に内蔵された鉛直・水平回転駆動部１０６（図３のブロック図を参照）により行われる。

本体部１１には、水平回転角制御ダイヤル１４ａと鉛直角制御ダイヤル１４ｂが配置されている。水平回転角制御ダイヤル１４ａを操作することで、本体部１１（可動部１３）の水平回転角の調整が行なわれ、鉛直角制御ダイヤル１４ｂを操作することで、可動部１３の鉛直角の調整が行なわれる。

可動部１３の上部には、大凡の照準を付ける角筒状の照準器１５ａが配置されている。また、可動部１３には、照準器１５ａよりも視野が狭い光学式の照準器１５ｂと、より精密な視準が可能な望遠鏡１６が配置されている。

照準器１５ｂと望遠鏡１６が捉えた像は、接眼部１７を覗くことで視認できる。望遠鏡１６は、測距用のレーザー光と測距対象（例えばターゲットとなる専用の反射プリズム）を追尾および捕捉するための追尾光の光学系を兼ねている。測距光と追尾光の光軸は、望遠鏡１６の光軸と一致するように光学系の設計が行なわれている。この部分の構造は、市販されているＴＳと同じである。

本体部１１には、ディスプレイ１８と１９が取り付けられている。ディスプレイ１８は、操作部１０１と一体化されている。操作部１０１には、テンキーや十字操作ボタン等が配され、ＴＳ１００に係る各種の操作やデータの入力が行なわれる。ディスプレイ１８と１９には、ＴＳ１００の操作に必要な各種の情報や測量データ等が表示される。前後に２つディスプレイがあるのは、本体部１１を回転させなくても前後のいずれの側からでもディスプレイを視認できるようにするためである。

本体部１１の上部には、レーザースキャナ１０９が固定されている。レーザースキャナ１０９は、第１の塔部３０１と第２の塔部３０２を有している。第１の塔部３０１と第２の塔部３０２は、結合部３０３で結合され、結合部の上方の空間（第１の塔部３０１と第２の塔部３０２の間の空間）は、スキャンレーザー光を透過する部材で構成された保護ケース３０４で覆われている。保護ケース３０４の内側には、第１の塔部３０１からＸ軸方向に突出した回転部３０５が配置されている。回転部３０５の先端は、斜めに切り落とされた形状を有し、その先端部には、斜めミラー３０６が固定されている。

回転部３０５は、第１の塔部３０１に納められたモータにより駆動され、Ｘ軸を回転軸として回転する。第１の塔部３０１には、上記のモータに加え、このモータを駆動する駆動回路と、その制御回路、回転部３０５の回転角を検出するセンサ、該センサの周辺回路が納められている。

第２の塔部３０２の内部には、複数条のレーザースキャン光を発光するための発光部、対象物から反射してきたスキャン光を受光する受光部、発光部と受光部に関係する光学系、スキャン点までの距離を算出する距離算出部が納められている。また、レーザースキャナ１０９は、回転部３０５の回転角度位置、本体部１１の水平回転角およびスキャン点までの距離に基づきスキャン点の三次元座標を算出するスキャン点位置算出部が納められている。レーザースキャン光は、第２の塔部３０２の内部から斜めミラー３０６に向けて照射され、そこで反射され、透明なケース３０４を介して外部に照射される。また、対象物から反射したスキャン光は、照射光と逆の経路を辿り、第１の塔部３０２内部の受光部で受光される。

スキャン光の発光タイミングと受光タイミング、さらにその際の回転部３０５の角度位置と本体部１１の水平回転角により、スキャン点（スキャン光の反射点）の測位が行なわれる。測位の原理は、後述するレーザー測位部２００と同じである。

レーザースキャン用の複数条のパルスレーザー光は、回転部３０５の回転軸の延在方向に沿った開き角が２０°〜４５°程度の扇状に透明な保護ケース３０４から外部に向かって間欠的に出射される。この際、回転部３０５が回転しながらレーザースキャン光の照射が行われる。これにより、Ｘ軸方向にある程度の幅を持った扇形のレーザースキャン光が、Ｘ軸回りでスキャンされつつレーザースキャナ１０９から出射される。ここで、本体部１１を水平回転（Ｚ軸回りの回転）させながら上記のレーザースキャン光の出射を行うことで、周囲全体（あるいは必要とする範囲）のレーザースキャンが行なわれる。レーザースキャン光が１条であり、望遠鏡１６の光軸を含む鉛直面に沿ってレーザースキャンを行う形態も可能である。

なお、レーザースキャナに係る技術については、特開２０１０−１５１６８２号公報、特開２００８−２６８００４号公報、米国特許第８７６７１９０号公報等に記載されている。また、レーザースキャナとして、米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報に記載されているような、スキャンを電子式に行う形態も採用可能である。

（ブロック図）
図３には、ＴＳ（トータルステーション）１００のブロック図が示されている。ＴＳ１００のトータルステーションとしての基本的な機能は、従来のものと同じである。ＴＳ１００が従来のトータルステーションと異なるのは、別構成のレーザースキャナ１０９と複合化されている点、さらにこの複合化されたレーザースキャナ１０９とＴＳ１００が有する測位機能（レーザー測位部２００の機能）との間における校正を行う機能を備える点にある。

ＴＳ１００は、操作部１０１、撮像部１０２、ディスプレイ１８，１９、レーザー測位部２００、レーザースキャナ１０９、校正処理部１１０、校正の状態の良否判定部１１７、動作制御部１２１、記憶部１２２、光学系２０１を備える。

レーザー測位部２００は、ＴＳ本来の測位を行う部分である。レーザー測位部２００は、測距光発光部１０４、測距光受光部１０５、鉛直・水平回転駆動部１０６、鉛直・水平回転角度検出部１０７、三次元位置算出部１０８を有している。光学系２０１は、照準器１５ｂ（図２参照）、望遠鏡１６（図２参照）、レーザー測位部２００の光学系、撮像部１０２の光学系、図示省略した追尾光の光路を構成する光学系を含んでいる。

光学系２０１の構成は、同様の構成を有する通常のＴＳと同じであり、各種のレンズ、ミラー、光路の分離や合成のためのダイクロイックミラー、ハーフミラー、偏光ミラー等を有している。光学系２０１により、測距光発光部１０４からの測距用レーザー光が望遠鏡１６を介して測位対象に照射され、測位対象から反射された測距用レーザー光が望遠鏡１６を介して測距光受光部１０５で受光される。また、光学系２０１により望遠鏡１６が捉えた像が接眼部１７に導かれると共に撮像部１０２に導かれる。

また、ＴＳ１００は、ターゲット（例えば反射プリズム）を追尾するための追尾光を発光する追尾光発光部、ターゲットで反射した追尾光を受光する追尾光受光部、追尾光が望遠鏡１６の視野の視準位置にくるように鉛直・水平回転駆動部１０６に制御信号を出力する追尾制御部を備える。このあたりの構成は、現在市場に供給されている製品と同じであるので、詳細な説明は省略する。ＴＳの追尾光に係る構成については、例えば日本国特許第５１２４３１９号公報に記載されている。

操作部１０１は、オペレータによるＴＳ１００の操作の内容を受け付ける。ＴＳ１００の操作は、ＴＳ１００が備えるボタンスイッチ等により行われる。タブレットやスマートフォンを操作部として利用する形態も可能である。この場合、専用のアプリケーションソフトウェアをタブレットやスマートフォンにインストールすることで、タブレットやスマートフォンをＴＳ１００の操作手段として機能させる。

撮像部１０２は、望遠鏡１６が捉えた画像を撮像する。撮像は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサにより行われる。ディスプレイ１８，１９は、撮像部１０２が撮像した画像、ＴＳ１００の操作に必要な情報、ＴＳ１００の動作に係る情報（測距データやターゲットの方位等）等が表示される。ディスプレイ１８，１９としては、液晶ディスプレイやＥＬディスプレイ等が用いられる。また、ディスプレイ１８．１９には、レーザースキャナ１０９が取得した点群データの３Ｄ表示画面が表示される。点群データの３Ｄ表示に関しては、例えば特願２０１６−１７３４６８号に記載されている。

測距光発光部１０４は、測距用のレーザー光（測距光）を発光する。測距用のレーザー光は、望遠鏡１６を介して望遠鏡１６の光軸と同軸の方向に照射される。測距光受光部１０５は、対象物で反射され望遠鏡を介して受け入れた測距光を受光する。測距光受光部１０５は、フォトダイオード等の光検出デバイスを用いて構成されている。

測距光発光部１０４から出射する測距光の光軸と測距光受光部１０５に入射する測距光（対象物から反射されＴＳ１００に戻ってきた測距光）の光軸とは、光学系（例えば、ダイクロイックミラー、ハーフミラー、偏光ミラー等）を用いて合成される。

鉛直・水平回転駆動部１０６は、本体部１１の水平回転の駆動および可動部１３の鉛直回転の駆動を行う。鉛直・水平回転駆動部１０６は、上記駆動のためのモータ、ギア機構および駆動回路を備えている。

鉛直・水平回転角度検出部１０７は、本体部１１の水平回転角の検出、可動部１３の鉛直角（仰角および俯角）の値を検出する。角度の検出は、ロータリーエンコーダによって行われる。水平回転角は、例えば北を基準（０°）として、上方から見た時計回り方向の角度で測られる。仰角および俯角は、水平方向を基準（０°）として仰角方向を＋、俯角方向を−として測角する。

三次元位置算出部１０８は、測距光発光部１０４からの測距光の飛翔時間に基づき算出される測距対象までの距離と測距光の照射方向とから、ＴＳ１００を原点とした対象物（測距光の反射点）の三次元座標の値を算出する。測距対象の三次元座標は、ＴＳ１００を原点とした座標系（以下、ＴＳ座標系）上での値として得られる。

通常、ＴＳ１００は、絶対座標系上における既知の位置に設置されるので、ＴＳ座標系で得られた位置データは、平行移動および必要であれば回転させることで絶対座標系に座標変換される。絶対座標系というのは、地上に固定されたグローバル座標系のことである。例えば、ＧＮＳＳ等で用いられる座標系が絶対座標系である。一般的に地図を記述するための座標系が絶対座標系である。絶対座標系では、例えば経度，緯度，標高（平均海面に対する高度）によって位置が特定される。

ＴＳ１００から測距対象までの距離は、以下のようにして算出される。ＴＳ１００の内部には、測距光発光部１０４から発光された光が導かれる光路長が既知の基準光路が設けられている。測距光発光部１０４からの光は２分され、一方は、望遠鏡１６→測位点→望遠鏡１６→測距光受光部１０５の光路を進み、他方は、基準光路→測距光受光部１０５と進む。測距光はパルス光であり、上記一方の光路を進んだ測距光と他方の光路を進んだ測距光は、測距光受光部１０５で受光されるタイミングにズレが生じ、測距光受光部１０５での検出波形に位相差を生じる。この位相差から反射点までの距離が算出される。

他方で、ＴＳ１００から見た測距光の反射点の方向は、鉛直・水平回転角度検出部１０７により測角される。そして、距離と方向が判ることでＴＳ１００を基準（原点）とした反射点（測距光の反射点）の三次元位置が求まる。以上の処理が三次元位置算出部１０８で行なわれる。以上のようにして、レーザー測位部２００での測位対象点の位置の測定が行われる。

レーザースキャナ１０９は、レーザースキャンによるスキャン点（レーザースキャンにより得られた点群データ（レーザースキャン点群））の取得を行う。レーザースキャンの範囲は、希望する範囲で設定可能である。

校正処理部１１０は、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９との間の外部標定要素（位置と向き）に関する校正を行う。この例では、初期の校正状態からのずれを補正する校正が行なわれる。この例では、平面を利用してレーザー測位部２００が測位した位置データとレーザースキャナ１０９が得た点群データとのずれを評価し、そのずれが最小となるように、レーザースキャナ１０９の外部標定要素を調整することで校正が行なわれる。

なお、製品出荷の状態において、ＴＳ１００に係る各種の校正は行われており、その中には、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９との間の外部標定要素の関係に関する校正も含まれている。しかしながら、校正の状態の経時変化や使用状況の事前校正時との違いといった理由により、改めての校正が必要となる場合がある。この際に校正処理部１１０での校正処理が利用される。

校正処理部１１０は、コンピュータとして機能する演算処理部である。校正処理部１１０は、測位点位置データ取得部１１１、スキャンデータ取得部１１２、ノイズ除去部１１３、面の方程式算出部１１４、離れ量算出部１１５、外部標定要素算出部１１６を備えている。各機能部はＡＳＩＣやＦＰＧＡ等を利用した専用の集積回路で構成してもよいし、ＣＰＵにプログラムを実行させることで実現する形態であってもよい。また、マイコンと専用の演算回路を組み合わせて校正処理部１１０を構成してもよい。また、外部接続したＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いて校正処理部１１０を実現することも可能である。

測位点位置データ取得部１１１は、レーザー測位部２００が測位した点の位置データを取得する。本明細書で開示する技術では、平面性が確保された対象面の３点以上の点の測位がレーザー測位部２００を用いて行われ、その３点以上の点の位置データが測位点位置データ取得部１１１で取得される。

スキャンデータ取得部１１２は、レーザースキャナ１０９が取得したスキャン点の位置データを取得する。本明細書で開示する技術では、測位点位置データ取得部１１１が取得の対象とした面と同じ面を対象にレーザースキャンが行なわれ、そのレーザースキャンデータがスキャンデータ取得部１１２で取得される。

以下、測位点位置データ取得部１１１が取得の対象とした面を第１の面とする。この際、レーザースキャンの範囲の中心を第１の面の中心と極力精度よく一致させる。ここで、第１の面の中心は、第１の面の取得に利用した複数（３点以上）の測位点の重心位置とする。また、第１の面の特定に利用した測位点の分布範囲の内側にスキャン範囲が設定されるようにする。この様子の一例を図４に示す。図４には、校正用のターゲットとして、立方体構造の校正用対象３００を用意し、その一面の平面を上記第一の面である校正用対象面３０１として利用する場合が示されている。なお、最低限、第１の面の取得に利用した複数の測位点の分布範囲とレーザースキャナ１０９によるスキャン範囲が重複するようにする。また、校正用対象面３０１としては、完全な平面に極力近い面を選択する。

上記の条件を満たすようにレーザースキャンの範囲を設定することで、レーザースキャナ１０９の後述する外部標定要素の算出精度を高めることができる。なぜなら、第１の面の取得に利用した点の分布位置と、レーザースキャンの範囲が異なる場合、その差異が大きい程、異なる観測基準を基に校正が行われることになり、校正の精度が低下するからである。

ノイズ除去部１１３は、レーザースキャナ１０９が得た複数のスキャン点の中からノイズとなる点を除去する。ノイズの除去は、以下のようにして行われる。まず、対象となる複数のスキャン点（スキャン点群）を取得する。次に、取得したスキャン点群にフィッティングする面の方程式を算出する。次に、算出した面と各スキャン点との間の距離（絶対値）を算出する。この距離は、当該面に垂直な方向におけるものを算出する。各スキャン点と当該面との距離を求めたら、当該距離が閾値以上のスキャン点をノイズとして除去する。閾値は、レーザースキャナ１０９の精度を目安に設定する。例えば、レーザースキャナ１０９の測距精度が５ｍｍである場合、閾値として２．５ｍｍを採用する。

面の方程式算出部１１４は、測位点位置データ取得部１１１が取得した複数の点（３点以上の点）位置データに基づき、この複数の点（３点以上の点）にフィッティングする平面の方程式を算出する。

例えば、平面の方程式の一般形は、ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０である。この一般形の式に３点以上の座標値を代入し、連立方程式を解くことで、この３点以上の点を含む平面の方程式を得ることができる。この面の方程式は、ＴＳ座標系上で記述される。

なお、４点以上の測位点を用いた場合において、平面に含まれない点が存在する場合、各点からの離れ量の積算値が最小となる平面の方程式を算出する。また、平面に載らない点を無視し、平面に載る測位点を用いて平面の方程式を算出する方法も可能である。

離れ量算出部１１５は、スキャン点取得部が取得したスキャン点と面の方程式算出部１１４が算出した面との間の離れ量（距離の絶対値）を算出する。対象となるスキャン点は、スキャンデータから得られる全ての点でも良いし、その一部の点でもよい。ただし、なるべく多くの点を利用した方が最終的に得られる精度は高くなる。離れ量は、対象となるスキャン点の当該面への垂線の長さ（面に垂直な方向における点と面との間の距離）として計測される。

図５には、スキャン点ｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・で示される自然数）と面の方程式算出部１１４が算出した面との間の距離をｄｎとした場合が示されている。この場合、ｄｎが各スキャン点と面の方程式算出部１１４が算出した面との間の離れ量となる。この離れ量が大きい程、面の方程式算出部１１４が算出した面（レーザー測位部２００の測位データに基づき特定した校正用対象面）とスキャン点との差が大きく、両者の一致の程度がより低いものとなる。

外部標定要素算出部１１６は、離れ量算出部１１５が算出した離れ量ｄｎが最小となるようにレーザースキャナ１０９の外部標定要素（位置と姿勢）のパラメータを調整する。以下、外部標定要素算出部１１６で行われる処理の一例を説明する。

まず、レーザースキャナ１０９の外部標定要素の初期値をPos_scan(Pos_x, Pos_y, Pos_z), Att_scan(roll,pitch,yaw)とする。ここで、Pos_scanはレーザースキャナ１０９の位置（光学原点の位置）であり、Att_scanはレーザースキャナ１０９の姿勢（向き）である。Pos_scanとAtt_scanは、レーザー測位部２００の光学原点を原点とするＴＳ座標系で記述される。Pos_scanとAtt_scanは、その時点における値、すなわち以前に校正処理が行なわれた時に得られた値が利用される。

そして、未知パラメータとして、上記の初期値からの補正量を（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）とする。ここで、スキャン点の一つに着目し、このスキャン点とレーザー測位部２００の測位の結果に基づいて特定された面との間の離れ量をΔＰとすると、下記の数１が成立する。

ここで、[]^Tは転置を表し、Jはヤコビ行列である。

ここで、
b = ΔP(Px, Py, Pz)、
A = J、
x = [δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw]^Tとすると、数２で示される観測方程式が得られる。

ここで、数２の観測方程式に各点での観測値（各スキャン点が得られた際のPos_scanとAtt_scanの値）を格納する。そしてAの転置行列A^Tを数２の左からかけて数３の正規方程式を得る。

更に、A^TAの逆行列(A^TA)^^-1を数３の左からかけると、数４が得られる。

ここで数４にΔＰ（離れ量）を与えることで、xの最小二乗解が得られる。ここで得られたδPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyawを初期値であるPos_scan, Att_scanに加味し、その値を用いて再びレーザースキャンデータ（点群データ）の再計算を行う。

そして再計算で得られたレーザースキャンデータを用いて、面の方程式算出部１１４が算出した面と各スキャン点との間の離れ量ΔＰを再度計算する。そして再計算で得られた離れ量ΔＰを用いて、再度上記数１〜数４の計算を行い、未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）を再度算出する。

上記のサイクルを繰り返し、何かしらの収束条件(未知パラメータが収束する、ΔPが十分小さくなる等)を満たしたところで計算を終了し、未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）の最適な推定値を得る。

未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）の最適値を得たら、それを用いて既知のPos_scan, Att_scanを修正し、レーザースキャナ１０９の修正された（最適化された）外部標定要素を得る。

なお、未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）の変動が十分小さくなる（収束する）につれて、離れ量ΔＰも最小値に収束してゆく。よって、未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）が収束する条件を探すことでも、離れ量ΔＰが最小と見なせる条件における未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）の値を見出すことができる。なお、理想的には、離れ量ΔＰはゼロになる条件が存在するはずであるが、各種の誤差があるので、必ずしもゼロとはならない。

以上のようにして、各スキャンにおける離れ量ｄｎ（図５参照）が最小となるレーザースキャナ１０９の外部標定要素が求められ、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９のより最適化された外部票標定要素の関係が得られる。つまり、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９の間における外部票標定要素に関する校正が行なわれる。

外部標定要素の算出に利用する面として、法線の方向が異なる複数の面を用いることは好ましい。レーザー測位部２００が特定した面とレーザースキャナ１０９のスキャンデータとが一致しても、両者の相対的な平行位置の関係については誤差が残る。異なる法線ベクトルを有する面を対象に外部標定要素の最適化処理を行うことで、上記の誤差を低減できる。

ここでは、レーザースキャナ１０９の外部標定要素を求める（最適化する）場合の例を示した。ところで、本実施形態で重要なのは、光学系２０１も含めたレーザー測位部２００の外部標定要素とレーザースキャナ１０９の外部標定要素との関係を校正し、既知の関係とする点にある。これは、両者の外部標定要素が既知の関係にないと、両者のデータの比較や互換に誤差が生じるからである。よって、光学系２０１も含めたレーザー測位部２００の外部標定要素を修正する形態も可能である。また、光学系２０１も含めたレーザー測位部２００の外部標定要素とレーザースキャナ１０９の外部標定要素の両方を修正する形態も可能である。

対象となる面は、建物の壁面等の人工構造物、校正用ターゲットとして用意した板状の部材、図４に示すような立体構造物を利用できる。校正用ターゲットを用意する場合、異なる法線ベクトルを有する複数の面を有する構造のものが好ましい。また、この校正に用いる面として自然に存在しているものを用いることもできる。ただし、面の状態が未知の場合、極力平面性が高い対象を校正用対象面として選択する必要がある。

校正状態の良否判定部１１７は、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９に係る校正の状態の良否を判定する。レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９に係る校正の状態が「良」というのは、両者の外部標定要素が許容できるレベルの精度で得られている場合である。

この場合、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９の一方または両方の外部標定要素に誤差があっても、それは許容範囲内であり、両者のデータの整合や互換に支障は生じない（あるいは、データの整合や互換に際して誤差があっても、それは許容の範囲内となる）。

他方で、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９に係る校正の状態が「否（不良）」というのは、両者の外部標定要素の少なくとも一方が許容できない誤差を含む場合である。この場合、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９のデータの整合や互換に支障が生じ、両者のデータを統合したデータに許容できない誤差が含まれることになる。

レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９の外部標定要素およびその関係は、事前の校正処理により予め特定されている。しかしながら、経時変化等の要因により、レーザー測位部２００に対するレーザースキャナ１０９の外部標定要素の値（あるいは両者の外部標定要素の関係）が適正値からずれ誤差を含む場合がある。このずれが無視できない値となると、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９にかかる校正の状態が不良となる。この良否を判定が校正状態の良否判定部１１７で行なわれる。

校正状態の良否の判定は、離れ量算出部１１５が算出した離れ量に基づいて行われる。具体的には、各スキャン点の離れ量ｄの平均値（Σｄｎ／ｎ）（ｎ：スキャン点の数）が予め定めた閾値未満であれば、「校正の状態が良」と判定し、Σｄｎ／ｎが予め定めた閾値以上であれば、「校正の状態が不良」と判定する。判定の基準となる閾値は、許容できる誤差によって決定される。

動作制御部１２１は、ＴＳ１００の動作の制御を統括する。例えば、図６に係る処理の制御は、動作制御部１２１で行なわれる。記憶部１２２は、ＴＳ１００の動作に必要なデータやプログラム、ＴＳ１００の動作の結果得られた測量データを記憶する。

（処理の一例）
図６は、校正処理部１１０で行なわれる処理の手順の一例を示すフローチャートである。図６の処理を実行するプログラムは、記憶部１２２や適当な記憶媒体に記憶される。この処理の手順は、動作制御部１２１により制御されて実行される。

ここでは、図４の校正用対象面３０１を用いた校正処理の例を説明する。処理が開始されると、まずレーザー測位部２００を用いた測位点３０３（図４の場合は６点）の測位が行なわれ、その測位データが測位点位置データ取得部１１１で取得される（ステップＳ１０１）。ここで、測位点３０３の座標は、ＴＳ座標系（ＴＳ１００を限定する三次元座標系）上で記述される。

測位点３０３の測位の作業は、操作者がＴＳ１００を操作することで行われる。この際、操作者は、接眼部１７を覗いて測位点の視準を行い、校正用対象面３０１上の６カ所を測位点３０３として選択し、その測位を行う。

６点の測位点３０３の測位を行ったら、この６点の測位点にフィッティングする面の特定を行う（ステップＳ１０２）。この処理は、面の方程式算出部１１４で行なわれる。この処理では、６点の測位点３０３にフィッティングするＴＳ座標系上における面の方程式の算出が行なわれる。

次に、レーザースキャナ１０９を用いて校正用対象面３０１に対するレーザースキャンを行い、校正用対象面３０１のスキャンデータを得る。そして、このスキャンデータをスキャンデータ取得部１１２で取得する（ステップＳ１０３）。

次に、図５の原理により、ステップＳ１０２で算出した面とステップＳ１０３で取得したスキャンデータに含まれるスキャン点との離れ量を算出する（ステップＳ１０４）。この処理は、離れ量算出部１１５で行なわれる。

次に、離れ量が最小となるレーザースキャナ１０９の外部標定要素の算出を行う（ステップＳ１０５）。この処理は、外部標定要素算出部１１６で行なわれる。図６の処理では、離れ量が最小となるように、レーザースキャナ１０９の外部標定要素の算出（最適化）を行う。これは、レーザー測位部２００を基準にレーザースキャナ１０９の外部標定要素を修正する処理である。これとは逆に、離れ量が最小となるように、レーザー測位部２００の外部標定要素の算出を行ってもよい。また、離れ量が最小となるように、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９両方の外部標定要素の算出を行ってもよい。

（変形例１）
レーザー測位部２００の機能を用いて特定した面（第１の面）とレーザースキャナ１０９が得たスキャン点との離れ量を算出する方法として、レーザースキャンデータに含まれるスキャン点にフィッティングする面を第２の面として求め、第１の面と第２の面の離れ量を算出してもよい。

離れ量を算出する位置は、第１の面または第２の面に設定した格子状の点において行う。この際、格子間隔を狭くすれば精度は上がるが、演算量は増える。格子間隔としては、例えば、１ｃｍ〜３０ｃｍが挙げられる。なお、法線のベクトルの異なる２つ以上の面を用いることが好ましいことは、この例でも同じである。

（変形例２）
図６の処理において、ステップＳ１０５の処理の代わりに、ステップＳ１０４で得た「離れ量」に基づく校正の状態の良否の判定を行ってもよい。この場合、レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９の校正の状態の良否の判定が、校正状態の良否判定部１１７で行われる。判定の結果は、ディスプレイ１８，１９に表示される。また、判定の結果をＴＳ１００の外部に送信する形態も可能である。

（変形例３）
図４に例示する校正用対象面として、曲面を用いることもできる。この場合、予め曲率等の曲面の数学的な状態が既知の曲面を校正用対象面として用意する。この際、該校正用対象面の数学的な構造（例えば、曲面の方程式や詳細な数値情報）は予め既知な情報として取得しておく。

校正処理では、レーザー測位部２００による複数点（その面を特定するのに必要な数の点、通常は３点以上）の測位を行い、得られた測位点にフィッティングする上記既知の校正用対象面を特定する。この際、既知の面の方程式の未定数が確定する。

次に、レーザースキャナ１０９による上記校正用対象面に対するレーザースキャンを行い、当該校正用対象面における複数（多数）のスキャン点を取得する。そして、数学的に確定した上記校正用対象面とレーザースキャンで得た複数のスキャン点との離れ量を算出する。そして、当該離れ量が最小となるようにレーザースキャナ１０９の外部標定要素の算出を行う。曲面としては、球面、楕円面、双曲面、円柱面、円錐面等が利用可能である。

（変形例４）
数１〜数４を用いてレーザー測位部２００の外部標定要素を修正（最適化）することもできる。この場合、レーザー測位部２００の未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）を求めたら、それを用いて測位点３０３の再計算および面の方程式の再計算を行う。そして、再度数１〜数４の計算を行う。このサイクルを繰り返して収束条件(未知パラメータが収束する、ΔPが十分小さくなる等)を満たしたところで計算を終了し、レーザー測位部２００に係る未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）の最適値を得る。

レーザー測位部２００とレーザースキャナ１０９の両方の外部標定要素を修正する場合は、双方の未知パラメータ（δPos_x, δPos_y, δPos_z, δroll, δpitch, δyaw）を交互に修正する。

（その他）
本発明は、ＴＳとレーザースキャナを複合化した測量装置において、両者の光学原点を一致させた構成に適用することもできる。仮に、ＴＳとレーザースキャナの光学原点を設計上で一致させ、また部品精度や組み立て精度に留意して製品として仕上げても、レーザースキャナにおける方位検出のタイミングと測位データの取得タイミングのズレや誤差の問題は依然として残る。このため、この装置においてもＴＳの測位機能とレーザースキャナとの間におけるデータの互換性を担保するための校正処理が必要となる。この際に本発明を利用することができる。

本発明は、ＴＳとレーザースキャナを統合した機能を有する測量装置に利用できる。

１００…レーザースキャナ付ＴＳ（トータルステーション）、１０９…レーザースキャナ、１５０…ＴＳ本体、１１…本体部、１２…台座、１３…可動部、１４ａ…水平回転角制御ダイヤル、１４ｂ…鉛直角制御ダイヤル、１５ａ…照準器、１５ｂ…光学式の照準器、１６…望遠鏡、１７…接眼部、１８，１９…ディスプレイ、３０１…第１の塔部、３０２…第２の塔部、３０３…結合部、３０４…保護ケース、３０５…回転部、３０６…斜めミラー。

Claims (10)

1. 測位対象の視準に利用される光学系と、
   前記光学系を介してレーザー光を前記測位対象に照射し、前記測位対象の測位を行うレーザー測位部と、
   前記レーザー測位部の測位結果に基づき特定の面の位置を特定する面特定部と、
   前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャナと、
   前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出部と、
   前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出部と
   を備える測量装置。
2. 測位対象の視準に利用される光学系と、
   前記光学系を介してレーザー光を前記測位対象に照射し、前記測位対象の測位を行うレーザー測位部と、
   前記レーザー測位部の測位結果に基づき特定の面の位置を特定する面特定部と、
   前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャナと、
   前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出部と、
   前記離れ量に基づき、前記レーザー測位部と前記レーザースキャナの外部標定要素に係る校正の状態の良否を判定する良否判定部を備える測量装置。
3. 前記特定の面として、法線ベクトルの異なる複数の面が選択される請求項１または２に記載の測量装置。
4. 前記レーザー測位部による前記特定の面の３点以上の点の測位により、前記特定の面の位置が特定される請求項１〜３のいずれか一項に記載の測量装置。
5. 前記３点以上の点の分布範囲と前記レーザースキャナのレーザースキャン範囲とは重複する請求項４に記載の測量装置。
6. 前記３点以上の点の分布範囲内に前記レーザースキャナのレーザースキャン範囲が設定される請求項４または５に記載の測量装置。
7. 前記複数のスキャン点がフィッティングするフィッティング面を求め、前記フィッティング面からの離れ量が規定の値以上であるスキャン点をノイズ点として除去するノイズ除去部を備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の測量装置。
8. 前記離れ量として、前記面特定部が位置を特定した前記特定の面と前記レーザースキャナが得た複数のスキャン点にフィッティングするフィッティング面との間の距離が採用される請求項１〜７のいずれか一項に記載の測量装置。
9. レーザー測位部を用いた特定の面の３点以上の測位により前記特定の面の位置を特定する面特定ステップと、
   レーザースキャナにより前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャンステップと、
   前記位置が特定された前記特定の面と前記レーザースキャンによって得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出ステップと、
   前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出ステップと
   を有する測量装置の校正方法。
10. コンピュータに読み取らせて実行するプログラムであって、
    コンピュータに
    レーザー測位部を用いた特定の面の３点以上の測位により前記特定の面の位置を特定する面特定ステップと、
    レーザースキャナにより前記特定の面のレーザースキャンを行うレーザースキャンステップと、
    前記位置が特定された前記特定の面と前記レーザースキャンによって得た複数のスキャン点それぞれとの離れ量を算出する離れ量算出ステップと、
    前記離れ量に基づき前記レーザー測位部および前記レーザースキャナの少なくとも一方の外部標定要素を算出する外部標定要素算出ステップと
    を実行させる測量装置の校正用プログラム。

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