JP6533690B2 - 三次元位置計測システム - Google Patents

Description

本発明は、測定点の三次元位置を計測するためのシステムに関する。

測量、計測、またはＢＩＭ（Building Information Modeling）の分野では、高反射物でないターゲットを測定点に設けて、ノンプリズム測距部を備えた測量機でターゲットを捕捉して、測定点の三次元位置を計測する手法がある。または、再帰反射型のプリズムを指示棒に既知の固定長で固定して、気泡管等を使用して指示棒の鉛直状態を確保してプリズムの三次元位置計測を行い、この計測値に対し上記の固定長分だけ鉛直下方に移動して測定点の三次元位置を計測する手法がある。後者の手法は、部屋の角など、指示棒を傾斜させなければならない場合には使用できないという作業制約があり、特許文献１では、指示棒に視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートを備えることで、この問題を解消しようとしている。

特願２０１５−０４３５３０

しかし、上記のいずれの手法も、測定点を指示するための視点は測量機にある。測量機の望遠鏡視野は限られていることから、測量機の視点位置からでは測定点を狙いにくい場合があった。また、測量機から測定点に対してレーザポインタを照射することで、作業者を測定点の近くに誘導することも可能であるが、測量機から測定点が遠くなるほど、レーザが広がり、光量も減るため、正確に指示するのは困難であった。

本発明は、前記問題を解決しようとするものであり、三次元位置計測の作業効率を向上させる三次元位置計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の三次元位置計測システムは、測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、前記測量機は、プリズムまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、プリズム撮像部と、プリズムを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、前記測定点側装置は、前記プリズムと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行または垂直に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記プリズム撮像部で得た画像でプリズムを視準して前記測量機側測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置、前記傾斜計シートの傾斜角、および前記装置側測距部で得た距離から、前記測定点の三次元位置を計測する。

上記態様において、ある態様の三次元位置計測システムは、前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、前記プリズムの三次元位置から、前記プリズム中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部の基準点から前記プリズム中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

上記態様において、ある態様の三次元位置計測システムは、前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記プリズム中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、前記プリズムの三次元位置から、前記基準点のずれ量移動して、前記プリズム中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

上記態様において、ある態様の三次元位置計測システムは、前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設け、前記プリズムのプリズム中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部の基準点から前記プリズム中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

上記態様において、ある態様の三次元位置計測システムは、前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設けられ、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記プリズム中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、前記プリズムの三次元位置から、前記基準点のずれ量分移動して、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

上記態様において、前記プリズムに代えて前記傾斜計シートのシート中心をターゲットとし、前記プリズム撮像部を任意の構成として、前記プリズム撮像部による視準で得たプリズムの三次元位置に代えて前記画像撮像部による前記ターゲットの視準で得た前記ターゲットの三次元位置を使用して前記測定点の三次元位置を計測するのも好ましい。

上記態様において、前記ポインタに代えて、前記装置側測距部が可視光を出射することで前記ポインタを兼ねるのも好ましい。

上記態様において、プリズムと、測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかの三次元位置計測システムに使用される測定点側装置が使用されるのも好ましい。

本発明によれば、測定点側装置が有するポインタで測定点を指し示せば、自動で測定点が計測されるため、三次元位置計測の作業効率が向上する。

第１の実施形態に係る三次元位置計測システムの構成例を示す斜視図 図１の測量機の内部構成を示すブロック図 図１の測定点側装置の構成例の斜視図 図１の測定点側装置の内部構成を示すブロック図 傾斜計シートの構成を説明する図 第１の実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフロー 第１の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図 図７のイメージ図 第２の実施形態に係る測定点側装置の構成例の斜視図 第２の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図 図１０のイメージ図 第３の実施形態に係る測定点側装置の構成例の斜視図 第３の実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフロー 第３の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図 図１４のイメージ図 第４の実施形態に係る測定点側装置の構成例の斜視図 第４の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図 図１７のイメージ図 第５の実施形態に係る三次元位置を算出するためのイメージ図 第６の実施形態に係る三次元位置を算出するためのイメージ図

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（システム全体）
図１に示すように、三次元位置計測システム１は、測量機２と、測定点側装置４とを備える。符号Ｘは測定点を示している。測量機２は、三脚を用いて既知の点に据え付けられる。矢印ｅは測量機２の視線方向を示している。測定点側装置４は、測定点Ｘの付近にいる作業者により携帯されている。

（測量機）
測量機２は、自動追尾可能なモータドライブトータルステーションであり、図２に示すように、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、傾斜センサ１３と、操作部１４と、水平回転駆動部１５と、鉛直回転駆動部１６と、演算制御部１７と、記憶部１８と、通信部１９と、測量機側測距部２０と、プリズム撮像部２１と、画像撮像部２２と、表示部２３と、走査部２４と、第２の画像撮像部２５を備える。

測量機側測距部２０は、プリズム３を視準して赤外レーザ等の測距光を出射し、プリズム３までの測距を行う測距部である。走査部２４は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等の走査光を出射してプリズム３を探索走査する。水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６は、測量機側測距部２０を収容した筐体を水平および鉛直方向に回転駆動させるモータである。水平角検出器１１および鉛直角検出器１２は、ロータリーエンコーダであり、測量機側測距部２０を収容した筐体の水平方向および鉛直方向の回転角度をそれぞれ求め、視準光軸の水平角および鉛直角を求める測角部である。傾斜センサ１３は、測量機側測距部２０の筐体の傾斜を検出し水平に整準するために使用される。

記憶部１８には、測距測角を行う為のプログラム、操作部１４から入力される信号に基づき水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６を駆動する為のプログラム、通信を制御する為のプログラム、プリズム３の自動視準,自動追尾を行う為のプログラム、後述する画像処理プログラム、後述する測定点Ｘの三次元位置の演算プログラム等の各種プログラムが格納されている。操作部１４からは、上記プログラムに要する各種操作が行える。演算制御部１７は、上記プログラムらを実行し、各種演算および各種制御を行う。通信部１９は、測定点側装置４および外部無線機等からの信号を受信する。演算制御部１７は、外部無線機から指示された場合、測定点の方向に測量機側測距部２０を回転駆動させ、自動追尾の開始／停止等も行う。表示部２３は、各種表示や計測値等を表示する。

プリズム撮像部２１および画像撮像部２２は、画像信号を出力するイメージセンサであり、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、画素（ピクセル）の集合体で構成されている。画像撮像部２２は、プリズム３の周囲風景（プリズム３も含めた風景）を撮影する。プリズム撮像部２１は、走査光の波長のみを通すフィルタが設けられており、プリズム３によって反射された走査部２４からの走査光を受光することで、プリズム３のみを好適に撮影するように構成されている。第２の画像撮像部２５は、任意の構成要素であり、画像撮像部２２よりも広角に撮影する場合に使用される。なお、上記は測量機２の構成の一例であり、当業者の知識に基づく改変がなされてよい。

（測定点側装置）
測定点側装置４は、図３に示すように、装置筐体の外部に、プリズム３と、傾斜計シート５を有する。測定点側装置４は、図４に示すように、装置筐体の内部に、演算制御部１１７と、記憶部１１８と、通信部１１９と、装置側測距部１２０と、レーザポインタ１２１を備える。

プリズム３は、小型化および反射光量の観点から一素子プリズムが好適であるが、入射光に対して平行な反射光を出射可能で、プリズム撮像部２１によりターゲット中心が画像解析可能なものであれば採用でき、再帰性の反射シート等も使用できる。

傾斜計シート５は、図５に示すように、解析のためのマーク４３が現れるマーク面４１と、その輪郭４２とを備える。なお、図では説明のために輪郭４２を白抜きで示すが、輪郭４２はマーク面４１との色コントラストが付くように暗色で構成されている。傾斜計シート５は、画像形成媒体に、画像形成層と平凸レンズシートが積層されたものであり、画像形成媒体上は複数の画像マークが平凸レンズと略一対一に対応するよう繰り返し形成されている。傾斜計シート５をマーク面４１側から見ると、視線の移動方向に応じて、画像マークの虚像（マーク４３）が、視線の移動方向と同方向または反対方向に移動して見える。傾斜計シート５は、視線方向との傾斜角に応じて輪郭４２に対してのマーク４３の位置が変化するため、視線方向との傾斜角の変化が、シートの長辺半径Ｒとシート中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒの関数で関係付けできる。従って、マーク面４１を撮影して画像解析することにより、視線方向に対する傾斜計シート５の傾斜角を解析することができる。この関数の一例は、日本特許公開公報２０１４−１０２２４６号にある。

装置側測距部１２０は、レーザ光をパルス発振し、このレーザ光を受光するまでの時間差と光速により、測定点までの距離を測定するノンプリズム測距部であり、基準点（測定距離が０となる点）１２２から測定点Ｘまでの距離ＬＭが得られる。通信部１１９は、測量機２へ、上記のノンプリズム測距で得た距離値の信号を送信する。レーザポインタ１２１は、例えば可視赤色レーザ光を直線的に発生する。レーザポインタ１２１の光軸は、装置側測距部１２０の光軸１２３と一致するように構成されている。記憶部１１８には、ノンプリズム測距を行う為のプログラム、通信を行う為のプログラムが格納されている。演算制御部１１７は、上記プログラムらを実行する。

傾斜計シート５は、装置筐体の一外側面に、マーク面４１が装置側測距部１２０の光軸１２３に対して平行となるように固定されている。プリズム３は、傾斜計シート５と同じ側面に固定されている。プリズム３のプリズム中心Ｐｃ（精密には光学的な中心点）と傾斜計シート５のシート中心Ｋｃは、光軸１２３上となるように配置されている。装置側測距部１２０の基準点１２２とプリズム中心Ｐｃ間の固定距離ＬＦは予め計測され、測量機２の記憶部１８に登録される。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。なお、図１および図３では、測定点Ｘを基準に傾斜計シート５が上でプリズム３が下に配置されているが、この配置が逆となっても手法は同様である。

（計測手法）
まず、図６を参照して、計測の概要から説明する。以下の処理は、特段の記載が無いものは測量機２の演算制御部１７にて行われる。基本は（ａ）に示すように、まずステップＳ１０で、測定点側装置４のレーザポインタ１２１で測定点Ｘを指す。次に、ステップＳ１１で、走査部２４でプリズム３を探索走査する。次に、ステップＳ１２で、プリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３が自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ１１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ１３に移行し、プリズム３を測距測角し、プリズム３の三次元位置を計測する。次に、ステップＳ１４に移行し、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。ステップＳ１３とＳ１４は同時に行われてもよい。次に、ステップＳ１５に移行し、プリズム３の三次元位置、傾斜計シート５の傾斜角、および装置側測距部１２０の計測した距離に基づき、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ１６に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ２０で測定点側装置４のレーザポインタ１２１で測定点Ｘを指し、ステップＳ２１でプリズム３を探索走査し、ステップＳ２２でプリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３がロック（自動視準）できたか判断し、以降ステップＳ２３〜Ｓ２６はステップＳ１３〜Ｓ１６と同じである。ステップＳ２７で、自動追尾の停止が指示された場合は、ステップＳ２８に進み追尾を停止する。停止の指示がない場合は、ステップＳ２２に戻り、追尾を続ける。

（三次元位置の計算手法）
第１の実施形態における、図６のステップＳ１５またはＳ２５における、三次元位置計算手法について、図７と図８を参照して説明する。

まず、ステップＳ１１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃを画像解析する。次に、ステップＳ１１２で、測量機側測距部２０で得たプリズム３の測距値および水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たプリズム３の測角値を記憶部１８から読み出す。次に、ステップＳ１１３で、画像撮像部２２の画像でプリズム中心Ｐｃの位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量および鉛直方向ずれ量を求め、プリズム中心Ｐｃ、シート中心Ｋｃおよび測量機２の視点Ｅから、この三点を含む第１の平面Ａを求める（図８参照）。次に、ステップＳ１１４で、画像撮像部２２の画像でマーク４３のマーク中心Ｋｍを画像解析する。次に、ステップＳ１１５で、画像撮像部２２の画像でマーク中心Ｋｍとシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量および鉛直方向ずれ量を求め、シート中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒを求める。

次に、ステップＳ１１６で、画像撮像部２２の画像でマーク面４１の長辺半径Ｒを画像解析する。次に、ステップＳ１１７で、関数ｆ（ｒ/Ｒ）＝θより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の水平方向傾斜角θｘおよび鉛直方向傾斜角θｙを求める（図８参照）。次に、ステップＳ１１８で、ステップＳ１１７で求めた傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＣ）を求め、プリズム中心Ｐｃにおいて方向ベクトルＣを法線とする第２の平面Ｂを求める（図８参照）。なお、方向ベクトルとは、大きさを持たない向き情報のみを有するベクトルである。次に、ステップＳ１１９で、平面Ａと平面Ｂの交線からＫｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩを求める（図８参照）。次に、ステップＳ１２０で、測定点側装置４の装置側測距部１２０でノンプリズム測距を行い、装置側測距部１２０の基準点１２２から測定点Ｘまでの測定距離ＬＭを得る。なお、このステップＳ１２０は、図６のステップＳ１１〜Ｓ１５またはＳ２１〜Ｓ２５のどのタイミングで行われてもよい。次に、ステップＳ１２１で、測定点側装置４から測定距離ＬＭを通信により取得し、測定距離ＬＭに、装置側測距部１２０の基準点１２２からプリズム中心Ｐｃまでの固定距離ＬＦを足して、プリズム３から測定点Ｘまでのオフセット距離Ｌを算出する。なお、測定点Ｘ、プリズム中心Ｐｃ、基準点１２２の順で配置されていれば、測定距離ＬＭから固定距離ＬＦを引いたものがオフセット距離Ｌとなる。次に、ステップＳ１２２で、プリズム中心Ｐｃの三次元位置から、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩの方向に、オフセット距離Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（第２の実施形態）
本形態では、図９に示すように、測定点側装置４で、傾斜計シート５は、マーク面４１が装置側測距部１２０の光軸１２３に対して垂直となるように固定されている。本形態で、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。傾斜計シート５は、装置側測距部１２０の光軸１２３方向と逆の外側面に固定されている。プリズム３は、傾斜計シート５と同じ側面に固定されている。プリズム３のプリズム中心Ｐｃ（光学的な中心点）は光軸１２３上となるように配置されている。装置側測距部１２０の基準点１２２とプリズム中心Ｐｃ間の固定距離ＬＦは予め計測され、測量機２の記憶部１８に登録される。測量機２は、第１の実施形態と同様である。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（三次元位置の計算手法）
第２の実施形態における三次元位置計算手法について、図１０と図１１を参照して説明する。計測の概要については、第１の実施形態（図６）と同様である。ステップＳ２１１〜Ｓ２１２は、第１の実施形態のステップＳ１１１〜Ｓ１１２と同様である。次に、ステップＳ２１３で、画像撮像部２２の画像でプリズム中心Ｐｃの位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量および鉛直方向ずれ量を求め、傾斜計シート５の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図１１参照）。次に、ステップＳ２１４〜Ｓ２１７は、第１の実施形態のステップＳ１１４〜Ｓ１１７と同様である。次に、ステップＳ２１８で、方向ベクトルＢ、傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＡ）を求める（図１１参照）。次に、ステップＳ２１９で、装置側測距部１２０でノンプリズム測距を行い測定距離ＬＭを得る。ステップＳ２１９も、図６のステップＳ１１〜Ｓ１５またはＳ２１〜Ｓ２５のどのタイミングで行われてもよい。次に、ステップＳ２２０で、測定点側装置４から測定距離ＬＭを通信により取得し、測定距離ＬＭに、装置側測距部１２０の基準点１２２からプリズム中心Ｐｃまでの固定距離ＬＦを足して、プリズム３から測定点Ｘまでのオフセット距離Ｌを算出する。次に、ステップＳ２２１で、プリズム中心Ｐｃの三次元位置から、方向ベクトルＡの方向に、オフセット距離Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（第３の実施形態）
本形態は、第１の実施形態（平行タイプ）の変形であり、プリズム３を必須構成としない場合の形態である。第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

本形態の測定点側装置４は、図１２に示すように、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩを作成するためにパターン認識可能な第２のマーク４７がプリズム３の代わりとして設けられている。第２のマーク４７は例えば傾斜計シート５の輪郭４２に設けられ、色コントラストの付く色で形成される。筐体内部の構成は図４と同様である。第２のマーク４７の中心Ｐｃ´と傾斜計シート５のシート中心Ｋｃは、光軸１２３上となるように配置されている。本形態では、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃがターゲットとなる。基準点１２２と傾斜計シート５のシート中心Ｋｃ間の固定距離ＬＦは予め計測され、測量機２の記憶部１８に登録される。

本形態の測量機２は、プリズムをターゲットとしないため、図２の測量機側測距部２０に代えてまたは追加して、ノンプリズム測距を行う第２の測量機側測距部２０´を備える。また、図２のプリズム撮像部２１およびプリズム３を探索するための走査部２４の有無は任意となる。その他の構成は図２と同様である。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（計測手法）
図１３を参照して、第３の実施形態に係る計測の概要を説明する。以下の処理は、特段の記載が無いものは測量機２の演算制御部１７にて行われる。基本は（ａ）に示すように、まずステップＳ３０で、測定点側装置４のレーザポインタ１２１で測定点Ｘを指す。ステップＳ３１で、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。次に、ステップＳ３２で、画像撮像部２２を用いて撮影された画像から、シート中心Ｋｃを画像解析し、ターゲットを自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ３１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ３３に移行し、シート中心Ｋｃを測距測角し、シート中心Ｋｃの三次元位置を計測する。次に、ステップＳ３４に移行し、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ３５に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ２０で測定点側装置４のレーザポインタ１２１で測定点Ｘを指し、ステップＳ４１で、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。次に、ステップＳ４２で、ターゲットとなるシート中心Ｋｃをロック（自動視準）できたか判断し、できた場合は、ステップＳ４３に移行してシート中心Ｋｃを測距測角する。その他のステップＳ４４〜４７は、図６のステップＳ２５〜Ｓ２８と同じである。

（三次元位置の計算手法）
第３の実施形態における、図１３のステップＳ１５またはＳ２５における、三次元位置計算手法について、図１４と図１５を参照して説明する。まず、ステップＳ３１１で、画像撮像部２２の画像で傾斜計シート５のシート中心Ｋｃおよび第２のマーク４７のマーク中心Ｐｃ´を画像解析する。次に、ステップＳ３１２で、第２の測量機側測距部２０´でシート中心Ｋｃをノンプリズム測距し、水平角検出器１１および鉛直角検出器１２でシート中心Ｋｃの測角値を測定して、シート中心ＫｃまでのベクトルＰ´を求める。次に、ステップＳ３１３で、画像撮像部２２の画像で第２のマーク中心Ｐｃ´の位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量および鉛直方向ずれ量を求め、第２のマーク中心Ｐｃ´、シート中心Ｋｃおよび測量機２の視点Ｅから、この三点を含む第１の平面Ａを求める（図１５参照）。次に、ステップＳ３１４〜Ｓ３１７は、第１の実施形態に示すステップＳ１１４〜Ｓ１１７と同様である。次に、ステップＳ３１８で、ステップＳ３１７で求めた傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＣ）を求め、シート中心Ｋｃにおいて方向ベクトルＣを法線とする第２の平面Ｂを求め（図１５参照）、ステップＳ３１９で、平面Ａと平面Ｂの交線からＫｃ-Ｐｃ´方向ベクトルＩを求める。次に、ステップＳ３２０で、測定点側装置４の装置側測距部１２０でノンプリズム測距を行い、装置側測距部１２０の基準点１２２から測定点Ｘまでの測定距離ＬＭを得る。なお、このステップＳ３２０は、図１３のステップＳ３１〜Ｓ３５またはＳ４１〜Ｓ４５のどのタイミングで行われてもよい。次に、ステップＳ３２１で、測定点側装置４で得た測定距離ＬＭを通信により取得し、測定距離ＬＭに、装置側測距部１２０の基準点１２２からシート中心Ｋｃまでの固定距離ＬＦを足して、プリズム３から測定点Ｘまでのオフセット距離Ｌを算出する。なお、測定点Ｘ、シート中心Ｋｃ、基準点１２２の順で配置されていれば、測定距離ＬＭから固定距離ＬＦを引いたものがオフセット距離Ｌとなる。次に、ステップＳ３２２で、シート中心Ｋｃの三次元位置から、Ｋｃ-Ｐｃ´方向ベクトルＩに沿って、オフセット距離Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（第４の実施形態）
本形態は、第２の実施形態（垂直タイプ）の変形であり、第３の実施形態と同様にプリズム３を必須構成としない場合の形態である。上記の実施形態らと同様の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

本形態の測定点側装置４は、図１６に示すように、傾斜計シート５が、光軸１２３方向と逆の外側面に固定されている。傾斜計シート５のシート中心Ｋｃは、光軸１２３上となるように配置される。筐体内部の構成は図４と同様である。本形態の測量機２は、第３の実施形態と同様にノンプリズム測距可能なものとする。本形態でも、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃが第２の測量機側測距部２０´のターゲットとなる。基準点１２２と傾斜計シート５のシート中心Ｋｃ間の固定距離ＬＦは予め計測され、測量機２の記憶部１８に登録される。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（三次元位置の計算手法）
第４の実施形態における三次元位置計算手法について、図１７と図１８を参照して説明する。計測の概要については、第３の実施形態（図１３）と同様である。まず、ステップＳ４１１で、画像撮像部２２の画像で、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃを画像解析し、傾斜計シート５の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図１８参照）。次に、ステップＳ４１２で、第２の測量機側測距部２０´でシート中心Ｋｃをノンプリズム測距し、水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たシート中心Ｋｃの測角値を測定して、シート中心ＫｃまでのベクトルＰ´を求める。次に、ステップＳ４１３〜Ｓ４１７は、第２の実施形態におけるステップＳ２１４〜Ｓ２１８（図１０）と同様である。次に、ステップＳ４１８で、測定点側装置４の装置側測距部１２０でノンプリズム測距を行い、装置側測距部１２０の基準点１２２から測定点Ｘまでの測定距離ＬＭを得る。なお、ステップＳ４１８も、図１３のステップＳ３１〜Ｓ３５またはＳ４１〜Ｓ４５のどのタイミングで行われてもよい。次に、ステップＳ４１９で、測定点側装置４で得た測定距離ＬＭを通信により取得し、測定距離ＬＭに、装置側測距部１２０の基準点１２２からシート中心Ｋｃまでの固定距離ＬＦを足して、プリズム３から測定点Ｘまでのオフセット距離Ｌを算出する。次に、ステップＳ４２０で、シート中心Ｋｃの三次元位置から、方向ベクトルＡの方向に、オフセット距離Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（第５の実施形態）
本形態は、第１の実施形態（平行タイプ）の変形であり、プリズム３のプリズム中心Ｐｃと傾斜計シート５のシート中心Ｋｃが装置側測距部１２０の光軸１２３上になくてもよい場合の形態である。上記の実施形態らと同様の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

本形態の測定点側装置４は、装置側測距部１２０の光軸１２３が、平面Ｂに対し、平面Ｂの法線方向へ固定長Ｄｘ´ずらして配置されている（図１９参照）。

（三次元位置の計算手法）
第５の実施形態における三次元位置計算手法について、図１９を参照して説明する。まず、平面Ｂの法線方向ベクトルＣ（図６の方向ベクトルＣと同じ）と、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩを求める。これらは、図６のステップＳ１１１〜Ｓ１１９から得られる。次に、測定点側装置４の装置側測距部１２０で、測定距離ＬＭを得る。次に、プリズムＰｃの三次元位置から、平面Ｂの法線方向ベクトルＣの方向へ固定長Ｄｘ´移動し、さらに、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩの方向に、測定距離ＬＭ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

なお、上記は、光軸１２３を図１９に示す平面Ｂの法線方向をｘ方向とした軸ｘ´方向にずらした場合で説明したが、図１９に示す軸ｙ´方向にＤｙ´ずらした場合も、軸ｚ´方向にＤｚ´ずらした場合も、同様に求められる。すなわち、装置側測距部１２０の基準点１２２が、プリズム中心Ｐｃを原点にして、測定点側装置４の座標系ｘ´,ｙ´,ｚ´にて、既知のずれ量Ｄ´（Ｄｘ´, Ｄｙ´, Ｄｚ´）の位置に配置されていれば、装置側測距部１２０を任意の位置に配置しても測定点Ｘを求められる。このため、測定点側装置４の設計自由度が増す。

（第６の実施形態）
本形態は、第２の実施形態（垂直タイプ）の変形であり、第５の実施形態と同様にプリズム３のプリズム中心Ｐｃが装置側測距部１２０の光軸１２３上になくてもよい場合の形態である。上記の実施形態らと同様の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

本形態の測定点側装置４は、プリズム３のプリズム中心Ｐｃ（光学的な中心点）と傾斜計シート５のシート中心Ｋｃは同一線上に配置されている。その上で、装置側測距部１２０の基準点１２２が、平面Ｂに対し平面Ｂの法線方向を軸ｘ´、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルの方向を軸ｙ´とした場合の、ｙ´方向へ固定長Ｄｙ´ずらして配置されている（図２０）。

（三次元位置の計算手法）
第６の実施形態における三次元位置計算手法について、図２０を参照して説明する。まず、傾斜計シート５の法線方向ベクトルＡ（図６の方向ベクトルＣと同じ）を求め、プリズム中心Ｐｃにおいて方向ベクトルＡを法線とする第２の平面Ｂと、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩを求める。これらは、図６のステップＳ１１１〜Ｓ１１９から得られる。次に、測定点側装置４の装置側測距部１２０で、測定距離ＬＭを得る。次に、プリズムＰｃの三次元位置から、Ｋｃ-Ｐｃ方向ベクトルＩの方向へ固定長Ｄｙ´移動し、さらに、方向ベクトルＡの方向に、測定距離ＬＭ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。この形態でも、装置側測距部１２０の基準点１２２が、プリズム中心Ｐｃを原点にして既知のずれ量Ｄ´（Ｄｘ´, Ｄｙ´, Ｄｚ´）の位置に配置されていれば、装置側測距部１２０を任意の位置に配置しても測定点Ｘを求められる。このため、測定点側装置４の設計自由度が増す。

（効果）
以上、第１、第２、第３、第４、第５および第６の実施形態によれば、測定点側装置４が有するレーザポインタ１２１で測定点を指し示せば、自動で測定点Ｘの三次元位置が計測されるので、三次元位置計測の作業効率が向上する。例えば、測量機２の望遠鏡視野では測定点Ｘが狙いにくい場合であっても、障害物等により測量機２から測定点Ｘが見えない場合であっても、測定点側装置４側の視点から測定点Ｘを狙えるため、容易に計測することができる。また、従来技術のように測定点Ｘに指示棒を接触させる必要がないため、指示棒が測定点に置けない,置きにくい場合であっても、容易に計測することができる。

また、測量機２の視点からではなく、測定点側装置４側の視点から測定点Ｘを狙うことができるので、測定精度も向上する。

また、図６または図１３の（ｂ）に示す自動追尾機能で連続計測することで、測定点の計測の軌跡を測定することもできる。また、その軌跡（測定点Ｘ）はデータとしてリアルタイムで記録されているため、演算制御部１７にて、軌跡の描かれた速度等の情報も取得することができる。

（変形例）
次に、第１〜第６の実施形態の好適な変形例について示す。

第１〜第６の実施形態において、測定点側装置４は、レーザポインタ１２１に代えて、装置側測距部１２０に可視光をパルス発振するものを使用するのも好ましい。これにより、装置側測距部１２０に可視光がレーザポインタを兼ねるため、光軸１２３も一致し、可視光で測定点Ｘを狙ったまま計測することが可能となる。

また、プリズム３を有する実施形態において、プリズム３に、プリズム３の少なくとも半周を覆うフードを設けるのも好ましい。これにより、マーク４３のモアレパターンによる誤測定を防ぐことができる。

第１〜第６の実施形態において、傾斜計シート５の背面に照明を設けるのも好ましい。これにより、暗い場所であってもマーク面４１が撮影できるようになるため、夜間等の計測時に有効である。

第２、第４、または第６の実施形態において、傾斜計シート５に代えて、いわゆる一軸傾斜計シートを使用して、傾斜角θｘ,θｙを求めてもよい。一軸傾斜計シートは、平凸レンズシートに代えてシリンドリカルレンズシートを備え、視線の移動方向に応じて画像マークの虚像がシートの長手方向（一軸方向）に移動して見えるため、視線との傾斜角の変化がシートの長辺Ｒとマークの移動長ｒに対する関数で関係付けできるものである。この場合は、測定点側装置４で、プリズム３または別途に設置したターゲットを中心に少なくとも二つの一軸傾斜シートを直角に配置し、二枚の一軸傾斜シートのシート中心の交点をシート中心Ｋｃ、二枚の一軸傾斜シートのマーク中心の交点をマーク中心Ｋｍとすれば、図１０または図１７と同様に計測することができる。

第５および第６の実施形態において、第３および第４の実施形態のように、プリズム３に代えて傾斜計シート５をターゲットとしてもよい。

以上、本発明の好ましい三次元位置計測システム１について、実施の形態および変形例を述べたが、これら以外にも、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１ 三次元位置計測システム
２ 測量機
３ プリズム
４ 測定点側装置
５ 傾斜計シート
１１ 水平角検出器（測角部）
１２ 鉛直角検出器（測角部）
１７ 演算制御部
２０, ２０´ 測量機側測距部
２１ プリズム撮像部
２２ 画像撮像部
４１ マーク面
４３ マーク
１２０ 装置側測距部
１２１ レーザポインタ
１２２ 基準点
１２３ 光軸
Ｋｃ シート中心
Ｐｃ プリズム中心
Ｋｍ マーク中心
θｘ, θｙ 傾斜角
Ａ 第１の平面
Ｂ 第２の平面
方向ベクトルＩ プリズム中心とシート中心を通る方向ベクトル
方向ベクトルＡ 傾斜計シートの傾斜角から得たマーク面の法線方向
ＬＭ 測定距離
ＬＦ 固定距離
Ｌ オフセット距離

Claims (11)

1. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、プリズムまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、プリズム撮像部と、プリズムを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記プリズムと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、
   前記プリズムの三次元位置から、前記プリズム中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部の基準点から前記プリズム中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する特徴とする三次元位置計測システム。
   
2. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、プリズムまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、プリズム撮像部と、プリズムを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記プリズムと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記プリズム中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、
   前記プリズムの三次元位置から、前記基準点のずれ量移動して、前記プリズム中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
3. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、プリズムまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、プリズム撮像部と、プリズムを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記プリズムと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設け、前記プリズムのプリズム中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、
   前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部の基準点から前記プリズム中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
4. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、プリズムまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、プリズム撮像部と、プリズムを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記プリズムと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設けられ、前記プリズムのプリズム中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記プリズム中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、
   前記プリズムの三次元位置から、前記基準点のずれ量分移動して、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
5. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、ターゲットまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、前記ターゲットを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記ターゲットと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記ターゲットのターゲット中心と前記傾斜計シートのシート中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、
   前記ターゲットの三次元位置から、前記ターゲット中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部の基準点から前記ターゲット中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測する特徴とする三次元位置計測システム。
   
6. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、ターゲットまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、前記ターゲットを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記ターゲットと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して平行に設け、前記ターゲットのターゲット中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記ターゲット中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、
   前記ターゲットの三次元位置から、前記基準点のずれ量移動して、前記ターゲット中心と前記シート中心を通る方向ベクトルに沿う方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
7. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、ターゲットまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、前記ターゲットを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記ターゲットと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設け、前記ターゲットのターゲット中心を前記装置側測距部の光軸上に設けて、
   前記ターゲットの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部の基準点から前記ターゲット中心までの固定距離と前記装置側測距部で得た測定距離とから得たオフセット距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
8. 測量機と、測定点付近にある測定点側装置と、を備え、
   前記測量機は、ターゲットまでの測距を行う測量機側測距部および測角を行う測角部と、前記ターゲットを含む周囲風景を撮影する画像撮像部と、を有し、
   前記測定点側装置は、前記ターゲットと、前記測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有し、
   前記傾斜計シートの前記マーク面を前記装置側測距部の光軸に対して垂直に設けられ、前記ターゲットのターゲット中心と前記傾斜計シートのシート中心を通る直線から前記装置側測距部の前記基準点をずらして設け、前記ターゲット中心を原点とする前記装置側測距部の基準点のずれ量を予め求めて、
   前記ターゲットの三次元位置から、前記基準点のずれ量分移動して、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に、前記装置側測距部で得た測定距離移動して、前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
   
9. 前記ポインタは、前記装置側測距部による可視光パルスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の三次元位置計測システム。
   
10. プリズムまたはターゲットと、測定点を指し示すポインタと、前記測定点までの距離を測定する装置側測距部と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかの三次元位置計測システムに使用される測定点側装置。
    
11. 前記ポインタは、前記装置側測距部による可視光パルスであることを特徴とする請求項１０に記載の測定点側装置。