JP2020003484A - 3dレーザスキャナ、3dレーザスキャナシステム、建設作業機械及び建設工事方法 - Google Patents
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Abstract
Description
建設現場における施工対象の3D測量データを生成するために用いる3Dレーザスキャナであって、
前記施工対象にレーザ光を照射し、前記施工対象での前記レーザ光の反射による戻り光を検出するレーザ計測部と、
全方位カメラから構成され、前記施工対象を撮像することでカラー画像を取得する撮像部と、
前記レーザ計測部が検出した前記戻り光から点群データを生成するとともに前記撮像部が取得したカラー画像からカラーデータを生成し、前記点群データと前記カラーデータを用いて送信単位毎のスキャンデータを生成するスキャンデータ生成部と、
前記スキャンデータ生成部に接続され、前記送信単位毎のスキャンデータを送信するスキャンデータ送信部と、
を備えることを特徴とする。
(1.建設作業機械1の構成)
図1は、実施形態1に係る建設作業機械1を示す。実施形態1の建設作業機械1は、例えば油圧ショベルで、オペレータ室の屋根に後述する3Dレーザスキャナシステム10が取り付けられている。これにより、建設作業機械1のオペレータは、オペレータ室に居ながら、3Dレーザスキャナシステム10の測量結果を確認しながら掘削作業を行うことが可能である。
図2は、実施形態1に係る3Dレーザスキャナシステム10のブロック図である。図2では、2点鎖線矢印が光路を示し、細い点線又は細い点線矢印が複数の部分の機械的接続又は電気的な接続を示し、楕円が各部で生成されるデータを示す。
図3(図3(a)と図3(b))は、実施形態1に係る3Dレーザスキャナ100を示し、そこでは3Dレーザスキャナ100の内部に格納されている部品が破線で示され、光の進行経路が2点鎖線矢印で示され、各部の電気的な繋がりが細い点線で示されている。
また、仮に全方位の点群データの座標原点と全方位カラー画像の視点中心が同一であるとしても、光学系の各種収差等が影響することにより、周囲に存在する物体に対する水平角情報および垂直角情報が全方位の点群データと全方位カラー画像とでは差異を生じてしまう場合があり、必ずしも一致しない。(座標誤差)
そのため、個々の3Dレーザスキャナ100において、製造時又は出荷前に、原点差異や座標誤差を解消させるための処理(キャリブレーション)が行われている。具体的に、キャリブレーションでは、3Dレーザスキャナ100の周囲にマーカと呼ばれる特徴点となるものを配置した上で周囲を走査し、得られた全方位の点群データと全方位カラー画像とにおいて、このマーカに対する水平角情報および垂直角情報を一致させる変換パラメーターを演算によって求める、といった処理を行う。この変換パラメーターは、例えば、全方位カラー画像での立体座標値を全方位の点群データの立体座標値に変換する際のマトリックス演算に用いる数列である。このような変換パラメーターを利用することによりカラーデータの座標系が較正されて、点群データの各点について該点に対応したカラーデータ画素が割り付けされている。
マーカは少なくとも3つ必要であるが、数が多いほど変換パラメーターの精度が向上する。マーカは形状や色彩のコントラストが強い物体であり、例えば市松模様に塗装された板状のものであったり、あるいは白色など高い反射率の球状のものであったりする。したがって、点群データD1の各点には適正なカラーデータD2が付与される。その結果、スキャンデータ生成部131は、点群データD1の各データに、これに対応するカラーデータD2の画素が有するカラー情報を加えて、スキャンデータD3を生成できる。
図2に戻り、情報処理装置200は、コンピュータであり、データ通信を行う情報通信部210とデータ処理を行う情報処理部220とを有している。情報処理装置200は、3Dレーザスキャナ100から送信されたスキャンデータD3を用いて3D測量データD4を生成する。
提示装置は、ディスプレイやスピーカといった画像、映像、音、振動、等によるヒューマンインターフェイスデバイスである。実施形態1において、提示装置300はディスプレイである。提示装置300は、デバイス通信部310とデバイス処理部320とデータ出力(提示)を行うデバイス出力部330とを備えている。提示装置300は、情報処理装置200が生成する出力データD8を受信して、ディスプレイ画面上に測量結果を出力(表示)する。
図5は、実施形態1に係る提示装置300に表示される作業状況である。図5(a)は全体進捗状況が示し、図5(b)は特定断面の掘削状況を示す。
また、提示装置300は、情報処理装置200によって現況形状データD40、目標形状データD50、及び作業を行っている建設機械を示す建設作業機械形状データD70を重ね合わせた出力データD8を生成し、この出力データD8を用いて図5(a)に示す全体的な進捗状況を示す形状データを表示してもよい。
また、提示装置300は、出力データD8を使用して、図5(b)に示す、任意の断面の掘削状況を示す形状データを表示してもよい。
さらに、提示装置300は、出力データD8を、視覚用デバイス以外のデバイスに出力して提示してもよい。例えば、情報処理装置200によって、現況形状データの示す高さが目標形状データの示す高さよりも低くなったとき、出力データを用いてスピーカ等の発音装置から警告音を発してもよい。
図6は、実施形態1に係る建設工事方法を示すフローチャートである。図示するように、実施形態1に係る建設工事方法は、施工前の測量を行う第1工程S1と、施工計画を策定する第2工程S2と、施工を行う第3工程S3と、施工後の検査を行う第4工程S4をこの順序で実施する。実施形態1の建設工事方法では、全工程が3Dデータを活用して施工管理が行われる。
図8は、実施形態1に係る3Dレーザスキャナシステム10を用いた測量方法を示す。図示する測量作業は、第3工程S3中の作業の合間に行われ、建設作業機械1の移動や作業に伴って3Dレーザスキャナ100と施工対象との位置関係や施工対象の状況が変化する中で行われる。
3Dレーザスキャナ100の絶対位置(機械座標)を得るために、施工環境中に一つ又は複数のマーカを固定し、3Dレーザスキャナ100とマーカとの相対的位置関係を算出する。
グローバル・ポジショニング・システム(GPS)を用いて3Dレーザスキャナ100の絶対位置を把握してもよい。
その他、撮像部20の撮像によって得られた画像から3Dレーザスキャナ100の絶対位置を把握するようにしてもよい。
図9は、従来の3D測量データの生成処理を示す。
図10は、3D測量データD4の生成(逐次生成)処理を示す。特に、図10(a)は所定の数の点(例えば、1列分の点)ごとに3D測量データD4を生成する処理を示し、図10(b)は1点ごとに3D測量データD4を生成する処理を示す。
図11は、別の3D測量データD4の生成処理であって、3Dレーザスキャナシステム10が測定可能な全範囲よりも小さい範囲について、3D測量データD4を生成する処理を示す。
これらの図9〜図11において、白い四角形は生成処理が行われていない3D測量データを表し、黒い四角形は生成処理が行われた3D測量データを示す。
実施形態1に係る3Dレーザスキャナ100では、撮像部120は全方位カメラ121を備えており、この全方位カメラ121で施工対象を撮像してそのカラー画像を取得する。特に、全方位のカラー画像を取得する場合でも、撮像部120を回転移動させる必要がないため、撮像時間を短縮きる。また、全方位カメラ121は施工対象のカラー画像を一の画像として取得可能である。そのため、複数枚のカラー画像を合成する必要がなく、画像処理に要する時間を短縮できる。
図12は、実施形態2における測量方法を示す図である。図13は、実施形態2における測量方法を示すフローチャートである。なお、図13においては、実施形態1の測量方法と異なるステップ(3Dレーザスキャナ処理工程100)のみを示しており、実施形態2における測量方法においても、実施形態1における測量方法(図8参照。)と同様の情報処理装置処理工程20及び提示装置処理工程30は行われる。
図14は、変形例1に係る3Dレーザスキャナ500を説明するために示す図である。図14(a)は正面図である。図14(b)は側面図である。
2…測量機器
2M…三脚
10…3Dレーザスキャナシステム
100,500…3Dレーザスキャナ
100A,500A…支持体
100B,500B…スキャナ本体
101…水平回転モータ
102…減速機
103…水平軸
104…入出射空間
110…レーザ計測部
111…レーザダイオード
112…孔あきミラー
113…回転ミラー
114…垂直回転モータ
115…集光レンズ
116…戻り光検出用フォトダイオード
120,520…撮像部
121,521…全方位カメラ
121a,121b,521a,521b…魚眼レンズ
130…スキャナ処理部
131…スキャンデータ生成部
131a…合成部
132…記憶部
140…通信部
141…スキャンデータ送信部
200…情報処理装置
210…情報通信部
211…情報受信部
212…情報送信部
220…情報処理部
221…情報演算部
222…情報記憶部
300…提示装置
310…デバイス通信部
311…デバイス受信部
320…デバイス処理部
330…デバイス出力部
D1…点群データ
D2…カラーデータ
D3…スキャンデータ
D4…3D測量データ
D8…出力データ
D40…現況形状データ
D50…目標形状データ
D60…提示データ
D70…建設作業機械形状データ
S1…第1工程
S2…第2工程
S3…第3工程
S4…第4工程
S10,S100…3Dレーザスキャナ処理ステップ
S11,S110…撮像ステップ
S12…レーザ計測ステップ
S13…スキャンデータ生成ステップ
S14…スキャンデータ送信ステップ
S15…測量終了判定ステップ
S20…情報処理装置処理ステップ
S21…スキャンデータ受信ステップ
S22…3D測量データ生成ステップ
S23…提示データ生成ステップ
S24…出力データ生成ステップ
S25…出力データ送信ステップ
S26…測量終了判定ステップ
S30…提示装置処理ステップ
S31…出力データ受信ステップ
S32…出力データ提示ステップ
S33…更新判定ステップ
Claims (16)
- 建設現場における施工対象の3D測量データを生成するために用いる3Dレーザスキャナであって、
前記施工対象にレーザ光を照射し、前記施工対象での前記レーザ光の反射による戻り光を検出するレーザ計測部と、
全方位カメラから構成され、前記施工対象を撮像することでカラー画像を取得する撮像部と、
前記レーザ計測部が検出した前記戻り光から点群データを生成するとともに前記撮像部が取得したカラー画像からカラーデータを生成し、前記点群データと前記カラーデータを用いて送信単位毎のスキャンデータを生成するスキャンデータ生成部と、
前記スキャンデータ生成部に接続され、前記送信単位毎のスキャンデータを送信するスキャンデータ送信部と、
を備えることを特徴とする3Dレーザスキャナ。 - 前記スキャンデータ生成部は、前記点群データと前記カラーデータとを合成して前記スキャンデータを生成する合成部を有することを特徴とする請求項1に記載の3Dレーザスキャナ。
- 前記撮像部は、一測量当り一のカラー画像を取得し、
前記スキャンデータ生成部は、一測量当り前記一のカラー画像を用いて前記送信単位毎のスキャンデータを生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の3Dレーザスキャナ。 - 前記撮像部は、一測量当り複数のカラー画像を取得し、
前記スキャンデータ生成部は、直近に取得されたカラー画像を用いて前記送信単位毎のスキャンデータを生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の3Dレーザスキャナ。 - 前記スキャンデータ生成部は、前記点群データを生成するに際して、一の点データと前記一の点データの直前に位置する他の点データとの差分値を用いた差分点群データを含む点群データを生成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の3Dレーザスキャナ。
- 建設現場における施工対象の3D測量データを生成するために用いる3Dレーザスキャナシステムであって、
点群データ及びカラーデータを生成し、これら点群データ及びカラーデータを用いて送信単位毎にスキャンデータを生成する3Dレーザスキャナと、
前記3Dレーザスキャナに接続され、前記3Dレーザスキャナが生成した前記スキャンデータを用いて前記3D測量データを生成する情報処理装置と、
前記情報処理装置に接続され、前記3D測量データに基づく出力データを出力する提示装置とを備え、
前記3Dレーザスキャナは、請求項1〜5のいずれかに記載の3Dレーザスキャナであることを特徴とする3Dレーザスキャナシステム。 - 前記情報処理装置は、施工目標とする目標形状データを記憶する情報記憶部を含む情報処理部を有し、
前記情報処理部は、前記スキャンデータに基づき前記3D測量データとしての現況形状データを生成するとともに、前記現況形状データと前記目標形状データとの比較結果に基づく提示データを生成することを特徴とする請求項6に記載の3Dレーザスキャナシステム。 - 前記情報記憶部は、前記目標形状データとして複数の中間目標形状データを記憶可能であり、
前記情報処理部は、前記現況形状データと前記中間目標形状データとの比較結果に基づく前記提示データとしての中間提示データを生成することを特徴とする請求項7に記載の3Dレーザスキャナシステム。 - 前記提示装置は、ディスプレイであることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の3Dレーザスキャナシステム。
- 前記ディスプレイに前記比較結果に基づき色分けされたヒートマップを表示することを特徴とする請求項9に記載の3Dレーザスキャナシステム。
- 建設作業機械本体と、
前記建設作業機械本体に搭載した3Dレーザスキャナとを備え、
前記3Dレーザスキャナは、請求項1〜5のいずれかに記載の3Dレーザスキャナであることを特徴とする建設作業機械。 - 測量を行い、施工前の施工対象の形状データである初期形状データを取得する第1工程と、
前記初期形状データと、施工目標とする目標形状データとに基づいて施工計画を策定する第2工程と、
前記施工計画に従って、建設作業機械を用いて施工を行う第3工程とを含み、
前記第3工程においては、請求項6〜10のいずれかに記載の3Dレーザスキャナシステムを使用して前記3Dレーザスキャナシステムが生成した3D測量データと前記目標形状データとを用いて作業を行うことを特徴とする建設工事方法。 - 前記第3工程の後に、施工後の前記施工対象の形状データである検査対象形状データが前記目標形状データに適合しているか否かについて検査を行う第4工程をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の建設工事方法。
- 前記第4工程では、前記検査対象形状データとして、前記第3工程で前記3Dレーザスキャナシステムが最終的に生成した3D測量データを用いて検査を行うことを特徴とする請求項13に記載の建設工事方法。
- 前記第1工程では、前記第3工程で用いる前記3Dレーザスキャナと同等規格の3Dレーザスキャナを用いて測量を行うことを特徴とする請求項12〜14のいずれかに記載の建設工事方法。
- 前記点群データに含まれる少なくとも3つの特徴点と前記カラーデータにおいて該特徴点に対応する対応特徴点が同一座標上で対応するように前記点群データの座標系又は前記カラーデータの座標系が較正されて、点群データの各点に該点に対応したカラーデータ画素が割り付けされていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の3Dレーザスキャナ。
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