JP6771994B2 - 測定方法及びレーザスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、建築物の測定データを容易に取得可能とした測定方法及び該測定方法を実施するレーザスキャナに関するものである。

建築物を測定して作成する図面は、水平面内での測定による平面図が主であり、平面図に柱や壁の高さの測定情報が付加される。

従来、この測定にはレーザ測距やトータルステーションが用いられ、特に建築物内の測定に於いては空間の各角を測定して平面図を作成していた。この作業には熟練を要し、また図面化するのに時間が掛っていた。

最近ではレーザスキャンによる三次元のデータ取得も行われてきているが、この場合は膨大な点群データから必要とされる点群を抽出し、図面化しなければならず、煩雑な作業が必要という問題があった。

ＷＯ２０１１／７０９２７ 特表２０００−５０９１５０号公報

本発明は、簡単なレーザスキャンで、又少ない点群データで建築物の測定と平面図の線情報と高さ情報を取得可能とした測定方法及びレーザスキャナを提供するものである。

本発明は、レーザスキャナで、建築物の点群データを取得し、前記レーザスキャナは水平又は鉛直に対する傾斜を検出する姿勢検出器を有し、該姿勢検出器が検出した傾斜に基づき、前記点群データの水平距離と高さ若しくは高低差に変換し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる前記点群データの水平距離情報を高さ方向に平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定する測定方法に係るものである。

又本発明は、前記レーザスキャナは撮像装置を有し、該撮像装置により、前記点群データが含まれる画像を取得し、取得画像から建築物の鉛直線を抽出し、水平方向に展開した水平距離測定値を前記鉛直線で区切り、該鉛直線間で展開した前記水平距離測定値の変化を直線フィッティングして直線のデータを得る測定方法に係るものである。

又本発明は、前記高さラインを高さを異ならせて複数設定し、高さを異ならせて複数の水平断面を測定する測定方法に係るものである。

又本発明は、前記取得画像から水平面を認定し、該水平面内に測定領域を設定し、該測定領域に属する前記点群データの高さを平均して前記水平面の高さを測定する測定方法に係るものである。

又本発明は、複数地点から前記点群データを相互にオーバラップする様取得し、各点群データに基づきそれぞれ部分水平断面を測定し、測定結果に基づき得られる部分水平面図を重ね合せマッチングを取ることで部分水平断面を連結させる測定方法に係るものである。

又本発明は、複数地点の各地点について各点群データから前記水平面の高さを測定し、測定した高さを高さ方向のマッチングを行い、部分水平断面を連結させる測定方法に係るものである。

又本発明は、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距作動を制御する制御部と、前記測距光射出部の光軸と前記受光部の光軸上に設けられ、前記光軸の偏向を制御する光軸偏向部と、前記光軸の偏角を検出する射出方向検出器と、水平又は鉛直を検出する姿勢検出器とを具備し、前記制御部は、前記光軸偏向部を制御して前記測距光を所定範囲で走査し、測距情報と前記射出方向検出器により検出された偏角と前記姿勢検出器の検出結果に基づく水平距離と高さ情報とを有する点群データを取得し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる水平距離情報を高さ方向に加算平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定する様構成したレーザスキャナに係るものである。

更に又本発明は、撮像装置を有し、該撮像装置により、前記点群データが含まれる画像を取得し、前記制御部は、取得画像から建築物の鉛直線を抽出し、水平方向に展開した水平距離情報を前記鉛直線で区切り、該鉛直線間で展開した前記水平距離情報の変化を直線フィッティングして直線のデータを得るレーザスキャナに係るものである。

本発明によれば、レーザスキャナで、建築物の点群データを取得し、前記レーザスキャナは水平又は鉛直に対する傾斜を検出する姿勢検出器を有し、該姿勢検出器が検出した傾斜に基づき、前記点群データの水平距離と高さ若しくは高低差に変換し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる前記点群データの水平距離情報を高さ方向に平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定するので、少ない点群データで水平断面測定ができ、又測定時間が短縮できる。

又本発明によれば、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距作動を制御する制御部と、前記測距光射出部の光軸と前記受光部の光軸上に設けられ、前記光軸の偏向を制御する光軸偏向部と、前記光軸の偏角を検出する射出方向検出器と、水平又は鉛直を検出する姿勢検出器とを具備し、前記制御部は、前記光軸偏向部を制御して前記測距光を所定範囲で走査し、測距情報と前記射出方向検出器により検出された偏角と前記姿勢検出器の検出結果に基づく水平距離と高さ情報とを有する点群データを取得し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる水平距離情報を高さ方向に加算平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定する様構成したので、少ない点群データで水平断面測定ができ、又測定時間が短縮できるという優れた効果を発揮する。

本発明に実施されるレーザスキャナの１つの外観図である。 該レーザスキャナの概略構成図である。 図２のＡ矢視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、該レーザスキャナに於ける光軸偏向ユニットの作用説明図である。 姿勢検出器の平面図である。 該姿勢検出器の概略構成図である。 本実施例に於ける建築物内部の測定を示す説明図である。 前記レーザスキャナの撮像装置により取得した測定対象物の画像を示す図である。 前記レーザスキャナによる走査パターンの一例を示す図である。 該走査パターンを用い点群密度を高めた点群データと測定対象物との関連を示す図である。 点群データと取得画像から抽出した鉛直線との関係を示す図である。 点群データから、水平距離を測定する範囲を選択する説明図である。 （Ａ）は選択した範囲から測定した水平距離を、水平方向に展開した図、（Ｂ）は測定した水平距離を更に最小２乗法で直線フィッティングして取得した直線を示す図である。 水平面を測定する為に設定した測定範囲を説明する図である。 複数個所にレーザスキャナを設置して点群データを取得する説明図である。 複数個所で取得した点群データの説明図である。 複数個所で取得した各点群データから部分水平断面の外形線を作成し、更に該外形線に基づき複数の点群データをマッチングさせる説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本実施例に係るレーザスキャナについて概略を説明する。

図１中、１はレーザスキャナであり、Ｏは測距光軸が偏向されていない時の測距光軸Ｏを示す。前記レーザスキャナ１は、設置台を介して設置点（基準点）Ｒに設置される。尚、図示では設置台として、三脚２が示されている。前記レーザスキャナ１は、測定対象物をプリズムとするプリズム測定モードによる測定、測定対象物が構造物である場合等で、プリズムを使用しないノンプリズム測定モードによる測定が可能である。

前記レーザスキャナ１は、主にレーザスキャナ本体３、操作装置４、取付け台５から構成される。該取付け台５は前記三脚２の上端に取付けられ、前記レーザスキャナ１は前記取付け台５に取付けられる。

該取付け台５は、固定座５ａと該固定座５ａに対して横方向（図１では水平方向）に回転可能な回転座５ｂを有し、該回転座５ｂの上面には下支持片６が突設され、該下支持片６に縦回転軸８を介して上支持片７が縦方向（図１では鉛直方向）に回転可能に連結されている。尚、前記回転座５ｂの前記固定座５ａに対する回転角を検出する角度検出器が設けられてもよい。

前記上支持片７に前記レーザスキャナ本体３が固定される。従って、前記レーザスキャナ本体３は、前記三脚２に対して水平方向、鉛直方向に回転可能となっている。

前記上支持片７には前記縦回転軸８と直交する方向に延びるレバー９が設けられる。該レバー９を上下することで、前記レーザスキャナ本体３は前記縦回転軸８を中心として縦方向に回転する。又、前記レバー９は前記上支持片７にネジ込まれており、前記レバー９を該レバー９の軸心を中心に回転し、締込むことで、前記下支持片６と前記上支持片７間の回転が拘束され、緩めることで自在に回転可能となる。従って、前記レーザスキャナ本体３は任意の角度で固定可能となっている。

該レーザスキャナ本体３は、測距部（後述）、姿勢検出器（後述）を内蔵し、前記測距部は測距光を測定対象物、或は測定対象エリアに射出し、反射測距光を受光して測距を行う。又、前記姿勢検出器は、前記レーザスキャナ本体３の鉛直（又は水平）に対する姿勢を高精度に検出可能である。

前記操作装置４は、前記レーザスキャナ本体３との間で有線、無線等所要の手段を介して通信を行う通信機能を有する。又、前記操作装置４は、表示部４ａ、操作部４ｂを有し（図２参照）、該操作部４ｂからの操作で、前記レーザスキャナ１を作動させることができる。更に、前記レーザスキャナ本体３からは、画像、測定状態、測定結果等が前記操作装置４に送信され、該画像、測定状態、測定結果等が、前記操作装置４に記憶され、或は前記表示部４ａに表示される様になっている。

尚、該表示部４ａをタッチパネルとし、該表示部４ａを前記操作部４ｂと共通にしてもよい。又、前記操作装置４は、例えばスマートフォンであり、アタッチメント１０により、前記レーザスキャナ本体３に着脱可能としてもよい。

次に、該レーザスキャナ本体３について、図２、図３を参照して説明する。

該レーザスキャナ本体３は、姿勢検出器１９、測距光射出部２１、受光部２２、測距部２３、制御演算部２４、射出方向検出器２５、通信部２６、撮像装置２７を有する。

該姿勢検出器１９は、前記レーザスキャナ本体３の水平（或は鉛直）に対する姿勢、（即ち、前記測距光軸Ｏの傾斜角、傾斜方向）を検出する。検出結果は、前記制御演算部２４に入力される。

前記測距光射出部２１は、測距光を射出する。該測距光射出部２１は、射出光軸３１を有し、該射出光軸３１上に発光素子３２、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられ、更に、前記射出光軸３１上に投光レンズ３３が設けられる。

又、前記射出光軸３１上には、偏向光学部材としての第１反射鏡３４を設ける。更に、該第１反射鏡３４に対峙させ、且つ受光光軸３７（後述）上に偏向光学部材としての第２反射鏡３５を配設する。

前記第１反射鏡３４、前記第２反射鏡３５によって、前記射出光軸３１は、前記測距光軸Ｏと合致される。該測距光軸Ｏ上に、光軸偏向ユニット３６が配設される。該光軸偏向ユニット３６は、該光軸偏向ユニット３６を透過する測距光を偏向し所定の点に照射させるものである。

前記受光部２２は、測定対象物からの反射測距光を受光する。該受光部２２は、前記射出光軸３１と平行な受光光軸３７を有し、該受光光軸３７は前記測距光軸Ｏと共通となっている。

前記受光光軸３７上に受光素子３８、例えばフォトダイオード（ＰＤ）、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が設けられ、又前記光軸偏向ユニット３６の像側には結像レンズ３９が配設されている。該結像レンズ３９は、前記光軸偏向ユニット３６を透過した反射測距光を前記受光素子３８に結像する。該受光素子３８は反射測距光を受光し、受光信号を発生する。該受光信号は、前記測距部２３に入力される。

前記光軸偏向ユニット３６について、図２、図３を参照して詳述する。

該光軸偏向ユニット３６には、一対の光学プリズム４１ａ，４１ｂが配設される。該光学プリズム４１ａ，４１ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３７に直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向ユニット３６の中央部は、測距光が透過する測距光偏向部３６ａとなっており、中央部を除く部分は反射測距光偏向部３６ｂとなっている。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素４２ａ，４２ｂと多数のプリズム要素４３ａ，４３ｂによって構成され、板形状を有する。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂ及び各プリズム要素４２ａ，４２ｂ及びプリズム要素４３ａ，４３ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、前記測距光偏向部３６ａを構成し、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは前記反射測距光偏向部３６ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂはそれぞれ前記受光光軸３７を中心に個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光の測距光軸を任意の方向に偏向し、受光される反射測距光の受光光軸を前記測距光軸と平行に偏向する。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３７を中心とする円板状であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム４１ａの外周にはリングギア４４ａが嵌設され、前記光学プリズム４１ｂの外周にはリングギア４４ｂが嵌設されている。

前記リングギア４４ａには駆動ギア４６ａが噛合し、該駆動ギア４６ａはモータ４７ａの出力軸に固着されている。前記リングギア４４ｂには、駆動ギア４６ｂが噛合し、該駆動ギア４６ｂはモータ４７ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４７ａ，４７ｂは前記制御演算部２４に電気的に接続されている。

前記モータ４７ａ，４７ｂは、回転角を検出することができるものが用いられ、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ（図示せず）等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。前記モータ４７ａ，４７ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記制御演算部２４により前記モータ４７ａ，４７ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４６ａ，４６ｂ、前記モータ４７ａ，４７ｂは前記測距光射出部２１と干渉しない位置、例えば前記リングギア４４ａ，４４ｂの下側に設けられている。

前記投光レンズ３３、前記測距光偏向部３６ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光偏向部３６ｂ、前記結像レンズ３９等は受光光学系を構成する。

前記測距部２３は、前記発光素子３２を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。前記光軸偏向ユニット３６（前記測距光偏向部３６ａ）により、測定点に向う様、前記測距光軸Ｏが偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光は前記光学プリズム４１ａ，４１ｂ（前記反射測距光偏向部３６ｂ）、前記結像レンズ３９を介して入射し、前記受光素子３８に受光される。該受光素子３８は受光信号を前記測距部２３に送出し、該測距部２３は、前記受光素子３８からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記制御演算部２４は、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成され、該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、前記モータ４７ａ，４７ｂの駆動を制御する制御プログラム、走査パターン、点群データ密度等を設定する走査制御プログラム、前記操作装置４との、画像、データの送受信を行う通信プログラム、前記射出方向検出器２５からの射出方向の演算結果、前記取付け台５からの横回転角検出結果に基づき前記測距光軸Ｏの方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム等のプログラムが格納され、更に前記記憶部には測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

前記射出方向検出器２５は、前記モータ４７ａ，４７ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで該モータ４７ａ，４７ｂの回転角を検出し、或はエンコーダからの信号に基づき該モータ４７ａ，４７ｂの回転角を検出する。更に、前記射出方向検出器２５は、前記モータ４７ａ，４７ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置を演算し、前記測距光偏向部３６ａ（即ち、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）の屈折率と回転位置に基づき測距光の前記測距光軸Ｏに対する偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記制御演算部２４に入力される。

前記通信部２６は、前記操作装置４から送信される測定に関するコマンドを受信し、前記制御演算部２４に入力すると共に測定データ、取得した画像を前記操作装置４に送信する。

次に、前記撮像装置２７は、測定範囲を含む画像を取得する画像取得手段であり、撮像光軸２８を有している。該撮像光軸２８は、前記光軸偏向ユニット３６が前記測距光軸Ｏを偏向していない状態で、該測距光軸Ｏと平行となる様に設定されている。前記撮像光軸２８上に結像レンズ４８、撮像素子４９が設けられている。

前記撮像装置２７の画角は、前記光軸偏向ユニット３６により光軸を偏向可能な範囲と同等、又は若干大きく設定されており、前記撮像装置２７の画角は、例えば５゜となっている。

又、前記撮像素子４９は、画素の集合体である、ＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、各カメラの光軸を原点とした座標系で位置が特定される。

前記光軸偏向ユニット３６による偏向作用について、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）を参照して説明する。

尚、図４（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂについて、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂを分離して示している。又、図４（Ａ）で示される前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線の光軸は前記測距光軸Ｏと合致する。

前記発光素子３２から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ３３で平行光束とされ、前記測距光偏向部３６ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透過して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部３６ａを透過することで、測距光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記反射測距光偏向部３６ｂを透過して入射され、前記結像レンズ３９により前記受光素子３８に集光される。

反射測距光が前記反射測距光偏向部３６ｂを透過することで、反射測距光の光軸は、前記受光光軸３７と合致する様に前記プリズム要素４３ａ，４３ｂによって偏向される（図４（Ａ））。

前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。

又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４７ａ，４７ｂにより、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを一体に回転することで、前記測距光偏向部３６ａを透過した測距光が描く軌跡は前記測距光軸Ｏを中心とした円となる。

従って、前記発光素子３２よりレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向ユニット３６を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、前記反射測距光偏向部３６ｂは、前記測距光偏向部３６ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図４（Ｂ）は前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム４１ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム４１ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム４１ａ，４１ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂを逆向きに同期して等角度で等速往復回転させた場合、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを透過した測距光は、直線状に走査される。従って、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂを逆向きに等角度で等速往復回転させることで、図４（Ｂ）に示される様に、測距光を合成偏向Ｃ方向に直線状の軌跡４０で往復走査させることができる。

更に、図４（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム４１ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム４１ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記光学プリズム４１ａ、前記光学プリズム４１ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記測距光軸Ｏを中心とした照射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記光軸偏向ユニット３６（前記光学プリズム４１ａ，４１ｂ）を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記光軸偏向ユニット３６の偏角を変更しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで走査軌跡に沿って測距データ（スキャンデータ）を取得することができる。

又、各測距光の射出方向角は、前記モータ４７ａ，４７ｂの回転角により検出でき、射出方向角と測距データとを関連付けることで、３次元の測距データを取得することができる。

従って、前記レーザスキャナ１を３次元点群データを取得するレーザスキャナとして機能させることができる。

次に、図５、図６を参照して前記姿勢検出器１９について詳述する。尚、以下の説明に於いて、上下は図中での上下に対応し、左右は図中での左右に対応する。

矩形枠形状の外フレーム５１の内部に矩形枠形状の内フレーム５３が設けられ、該内フレーム５３の内部に傾斜検出ユニット５６が設けられる。

前記内フレーム５３の上面、下面から縦軸５４，５４が突設され、該縦軸５４，５４は前記外フレーム５１に設けられた軸受５２，５２と回転自在に嵌合する。前記縦軸５４，５４は縦軸心を有し、前記内フレーム５３は前記縦軸５４，５４を中心に左右方向に３６０゜回転自在となっている。

前記傾斜検出ユニット５６は横軸５５に支持され、該横軸５５の両端部は、前記内フレーム５３に設けられた軸受５７，５７に回転自在に嵌合する。前記横軸５５は前記縦軸心と直交する横軸心を有し、前記傾斜検出ユニット５６は前記横軸５５を中心に上下方向に３６０゜回転自在となっている。

つまり、前記傾斜検出ユニット５６は前記外フレーム５１に対して２軸方向に３６０°回転自在のジンバル機構を介して支持された構成になっている。

前記縦軸５４，５４の一方、例えば下側の縦軸５４には第１ギア５８が取付けられ、該第１ギア５８には第１駆動ギア５９が噛合している。又、前記外フレーム５１の下面には第１モータ６１が設けられ、前記第１駆動ギア５９は前記第１モータ６１の出力軸に取付けられている。

前記縦軸５４，５４の他方には第１エンコーダ６２が取付けられ、該第１エンコーダ６２は前記内フレーム５３の前記外フレーム５１に対する左右方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記横軸５５の一端部には、第２ギア６３が取付けられ、該第２ギア６３には第２駆動ギア６４が噛合している。又、前記内フレーム５３の側面（図示では左側面）には第２モータ６５が取付けられ、前記第２駆動ギア６４は前記第２モータ６５の出力軸に取付けられている。

前記横軸５５の他端部には第２エンコーダ６６が取付けられ、該第２エンコーダ６６は前記内フレーム５３に対する前記傾斜検出ユニット５６の上下方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６は、演算処理部６８に電気的に接続されている。

前記傾斜検出ユニット５６は、第１傾斜センサ７１、第２傾斜センサ７２を有しており、該第１傾斜センサ７１、該第２傾斜センサ７２は、前記演算処理部６８に電気的に接続されている。

前記姿勢検出器１９について、図６により更に説明する。

該姿勢検出器１９は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２、前記演算処理部６８、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の他に、更に記憶部７３、入出力制御部７４を具備している。

前記記憶部７３には、姿勢検出の為の演算プログラム等のプログラム、及び演算データ等のデータ類を格納している。

前記入出力制御部７４は、前記演算処理部６８から出力される制御指令に基づき前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、前記演算処理部６８で演算した傾斜検出結果を検出信号として出力する。

前記第１傾斜センサ７１は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ７２は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

尚、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２のいずれも、前記第１エンコーダ６２が検出する回転方向（傾斜方向）、前記第２エンコーダ６６が検出する回転方向（傾斜方向）の２軸方向の傾斜を個別に検出可能となっている。

前記演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角により前記レーザスキャナ本体３の鉛直（又は水平）に対する傾斜角を演算する。

尚、前記姿勢検出器１９は、前記外フレーム５１が水平に設置された場合に、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する様に設定され、更に前記第１エンコーダ６２の出力、前記第２エンコーダ６６の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。

以下、前記姿勢検出器１９の作用について説明する。

先ず、高精度に傾斜を検出する場合について説明する。

高精度に傾斜を検出する場合としては、例えば、前記姿勢検出器１９が、図１に示される様な、設置式のレーザスキャナに設けられた場合である。

前記姿勢検出器１９が傾斜すると、前記第１傾斜センサ７１が傾斜に応じた信号を出力する。

前記演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１からの信号に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に演算結果に基づき傾斜角、傾斜方向を０にする為の、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の回転量を演算し、前記入出力制御部７４を介して前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を前記回転量駆動する駆動指令を発する。

前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動により、演算された傾斜角、傾斜方向の逆に傾斜する様、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５が駆動され、モータの回転量（回転角）は前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６によって検出され、回転角が前記演算結果となったところで前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動が停止される。

この状態では、前記外フレーム５１が傾斜した状態で、前記傾斜検出ユニット５６が水平に制御される。

従って、該傾斜検出ユニット５６を水平とする為に、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５により、前記内フレーム５３、前記傾斜検出ユニット５６を傾斜させた傾斜角、傾斜方向は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６で検出した回転角に基づき求められる。

前記演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出した時の、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の検出結果に基づき前記姿勢検出器１９の傾斜角、傾斜方向を演算する。この演算結果が、該姿勢検出器１９の傾斜後の姿勢を示す。

前記演算処理部６８は、演算された傾斜角、傾斜方向を前記姿勢検出器１９の検出信号として前記入出力制御部７４を介して外部に出力する。

前記姿勢検出器１９では、図５に示される構造の通り、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３の回転を制約するものがなく、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３は共に３６０゜以上の回転が可能である。即ち、前記姿勢検出器１９がどの様な姿勢となろうとも（例えば、前記姿勢検出器１９の天地が逆になった場合でも）、全方向での姿勢検出が可能である。

姿勢検出に於いて、高応答性を要求する場合は、前記第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき姿勢検出と姿勢制御が行われるが、該第２傾斜センサ７２は前記第１傾斜センサ７１に比べ検出精度が悪いのが一般的である。

本実施例では、高精度の該第１傾斜センサ７１と高応答性の前記第２傾斜センサ７２を具備することで、該第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき姿勢制御を行い、前記第１傾斜センサ７１により高精度の姿勢検出を可能とする。

つまり、前記第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角に基づき、該傾斜角が０°になる様に前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、更に前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する迄前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動を継続することにより、高精度に姿勢を検出することが可能となる。前記第１傾斜センサ７１が水平を検出した時の前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の値、即ち実際の傾斜角と前記第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角との間で偏差を生じれば、該偏差に基づき前記第２傾斜センサ７２の傾斜角を較正することができる。

従って、予め、該第２傾斜センサ７２の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ７１による水平検出と前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の検出結果に基づき求めた傾斜角との関係を取得しておけば、前記第２傾斜センサ７２に検出された傾斜角の較正（キャリブレーション）をすることができ、該第２傾斜センサ７２による高応答性での姿勢検出の精度を向上させることができる。

又、前記演算処理部６８は、傾斜の変動が大きい時、傾斜の変化が速い時は、前記第２傾斜センサ７２からの信号に基づき、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御する。又、前記演算処理部６８は、傾斜の変動が小さい時、傾斜の変化が緩やかな時、即ち前記第１傾斜センサ７１が追従可能な状態では、該第１傾斜センサ７１からの信号に基づき、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御する。

尚、前記記憶部７３には、前記第１傾斜センサ７１の検出結果と前記第２傾斜センサ７２の検出結果との比較結果を示すデータテーブルである対比データが格納されている。前記第２傾斜センサ７２からの信号に基づき、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御する場合、前記演算処理部６８は前記対比データに基づき前記第２傾斜センサ７２による検出結果を較正する。この較正により、該第２傾斜センサ７２による検出結果を前記第１傾斜センサ７１の検出精度迄高めることができる。よって、前記姿勢検出器１９による姿勢検出に於いて、高精度を維持しつつ高応答性を実現することができる。

演算された前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角を合成することで、傾斜角と傾斜方向が演算される。該傾斜角と傾斜方向は、前記姿勢検出器１９が取付けられる前記レーザスキャナ本体３の、鉛直（又は水平）に対する傾斜角、傾斜方向に対応する。

以下、レーザスキャナとして前記レーザスキャナ１を用いた本発明の実施例について説明する。

図７は、本実施例に於いて、特に建築物の内部の測定を実施している状態を示す説明図である。尚、測定は、前記操作装置４を前記レーザスキャナ本体３に装着した状態で行ってもよく、或は取外し、遠隔操作してもよい。

屋内の任意の位置に前記レーザスキャナ１を設置し、測定する方向に該レーザスキャナ１を向ける。前記撮像装置２７により測定範囲を撮影する。

前記レーザスキャナ１の姿勢（傾斜及び傾斜方向）は、前記姿勢検出器１９によって検出される。該姿勢検出器１９の検出結果に基づき測距結果を補正することができる。従って、本実施例の場合、前記レーザスキャナ１の整準は行う必要がない。

尚、姿勢検出器としては上記した姿勢検出器１９に限らず、前記レーザスキャナ１の水平又は鉛直を検出するものであればよい。

図８は、前記撮像装置２７により撮影された屋内の画像を示している。該画像の範囲は、前記測定範囲と同等か、それより広くなっている。

前記測距光射出部２１より測距光を射出し、前記モータ４７ａ，４７ｂを駆動、制御し、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを個別に回転制御する。該光学プリズム４１ａ，４１ｂを個別に制御することで、任意のパターンで測距光を走査することができる（図４（Ａ）〜図４（Ｃ）参照）。

走査パターンの１態様として花びら形状の走査パターン８１が、図９に示されている。

該走査パターン８１は、例えば一方の光学プリズム４１ａを２５回転、他方の光学プリズム４１ｂを逆方向に５回転することで得られたものである。前記走査パターン８１の場合、２５回転／逆５回転が１パターン周期となる。又、走査する過程で測定を実行することで、前記走査パターン８１の走査軌跡に沿って点群データ（スキャンデータ）が得られる。

又、点群データの密度を高める場合は、１パターン周期毎に所要角度、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを一体に回転し、同様に前記走査パターン８１で走査することで、図１０に示される様に密度を高めた走査パターン８１′が得られる。

又、図１０は、測定対象物に対して前記走査パターン８１′により測定を実行した状態を示している。本実施例では、一軸の回転により、２次元の広がりを有する点群データの取得ができる。

又、点群の各点は、測距データを有し、更に前記姿勢検出器１９が検出した傾斜角、及び前記射出方向検出器２５が検出した測距光の射出方向に基づいた方向角を有し、鉛直基準若しくは水平基準の３次元データとすることができる。即ち、点群データの各点の測定情報を水平距離と高さに変換することができる。

前記撮像装置２７で取得した画像は、該撮像装置２７の傾きを含んでおり、該撮像装置２７の傾きは前記姿勢検出器１９によって検出され、この検出結果に基づき画像の傾きを補正する。

建築の構造は水平、鉛直を基準に作られており、又壁は一般に鉛直平面であり、天井や床は水平平面部が多い。従って、壁同士が交差する交差線、柱の稜線は鉛直線と考えられる（図８参照）。前記制御演算部２４は、前記画像から、鉛直線を抽出する。鉛直線の抽出は、鉛直成分強調のエッジフィルタや鉛直成分のボックスフィルタ等の処理で行う。

尚、撮影方向が上下方向の傾斜が大きい場合は、画像中では鉛直線は平行には現れない。この場合、前記姿勢検出器１９から検出される鉛直角に基づいた射影変換処理により正射画像（撮影方向が水平）に変換して鉛直線抽出の処理を行ってもよい。

図１１は、画像中から鉛直線８２を抽出した状態、又該鉛直線８２と前記走査パターン８１′との関係を示している。

上記した様に、建築の壁は一般に鉛直平面であるので、各鉛直線８２ａ，８２ｂとの間は同一の鉛直面であると認識することができる。

図１２で示される様に、上下２つの高さライン８３ａ，８３ｂの高さ位置を設定する。該高さライン８３ａ，８３ｂは、設定された高さ位置の水平面で建築物を断面した場合に該水平面が壁面と交差する位置に形成される水平線と同じであり、該水平線は水平断面に現れる外形線に他ならない。

前記上下２の高さライン８３ａ，８３ｂを中心として任意の高さ幅ｈで帯状点群データ８４ａ，８４ｂを選択する。該帯状点群データ８４ａ，８４ｂに対して、それぞれ上下に横切る鉛直線を想定する。この鉛直線上にある点データは、同一の水平距離を有する。

従って、得られた距離情報を平均化することで、水平距離の測定精度が向上する。

尚、設定する前記高さライン８３ａ，８３ｂの位置は、前記撮像装置２７で取得した画像から選択する。例えば、図８に見られる様に、天井の一部につり棚８５がある場合、上側の前記高さライン８３ａは、該高さライン８３ａが前記つり棚８５を通過する位置に設定され、下側の前記高さライン８３ｂは、該高さライン８３ｂが前記つり棚８５を外れた位置に設定される等である。

従って、屋内の形状に合わせて、適宜、前記高さライン８３ａ，８３ｂを設定することで、複雑な形状の屋内でも正しく水平距離が測定できる。

図１３（Ａ）は、図１２で選択された前記高さライン８３ａ，８３ｂに関する前記帯状点群データ８４ａ，８４ｂの水平距離データを高さ方向に加算平均し、水平方向に展開したものを示している。図１３（Ａ）中、実線８６は上側の前記高さライン８３ａに関する水平距離、破線８７は下側の前記高さライン８３ｂに関する水平距離を示している。

図１３（Ｂ）は、鉛直線間を最小２乗法で直線フィッティングし、水平距離の直線的変化を示している。最小２乗法を適用する過程でフィッティングした直線が得られる。尚、平均化や直線フィッティングの過程では、最大値、最小値の除去、或は分散値参照によるデータ除去を用いてもよい。

水平距離の高さ方向の平均と、直線フィッティングの平均効果で、少ない点群データで高精度な測定を可能にする。更に、直線による図面情報を得ることができる。

上記直線フィッティングで得られた直線は、前記高さライン８３ａ，８３ｂを含む水平面で、建築物を断面した場合の外形線を示すことに他ならない。

従って、鉛直線で区切られた領域毎に、前記高さライン８３ａ，８３ｂ及び前記帯状点群データ８４ａ，８４ｂの高さ幅ｈを設定することで、遠近に合わせたデータの取得や建築物の構造に合わせた水平断面が測定でき、又水平断面図が作成できる。

図１４は、天井、床等の水平部の高さ測定時の平均処理のための測定領域を選択した例を示している。

前記撮像装置２７により取得した画像中で、水平面と認識できる平面に対して、測定領域８９ａ，８９ｂを設定し、その領域に属する点群データの高さを測定する。水平面であることから高さは同じであるので、点群データの高さデータを平均することで、天井、床の高さが高精度に測定できる。尚、天井、床等の水平部の設定は取得した画像に指定してもよいし、或は画像から抽出した鉛直線の上方領域を天井、下方領域を床として認識させてもよい。

又、測定範囲が前記レーザスキャナ１の走査範囲を超える場合、或は一方向からでは陰ができる場合は、該レーザスキャナ１の設置位置を変更し、複数の地点から点群データを取得し、取得した点群データを合成してもよい。

図１５は、前記レーザスキャナ１を２地点（Ａ地点、Ｂ地点）に順次設置し、２地点から点群データを取得した場合を示している。複数地点に設置する場合、点群データ間でオーバラップ部分が生じる様に設置地点を設定する。

図１６は、２地点から取得した点群データ８１ａ′，８１ｂ′を示しており、Ａ地点に設置した前記レーザスキャナ１で取得した前記点群データ８１ａ′とＢ地点に設置した前記レーザスキャナ１で取得した前記点群データ８１ｂ′は所定範囲でオーバラップしている。

前記点群データ８１ａ′，８１ｂ′を基に、上記したと同様の処理をし、それぞれの点群データに対応する部分水平断面を測定する。更に部分水平断面図を作成する。図１７は、得られた屋内の水平断面内の外形線９１ａ，９１ｂを示している。

前記点群データ８１ａ′，８１ｂ′をマッチングさせる場合、部分水平断面図を重ね合わせることでマッチングを行う。具体的には部分水平断面図で得られる前記外形線９１ａ，９１ｂをマッチングさせる。該外形線９１ａ，９１ｂをマッチングさせることで、水平面内でのマッチング（水平面内での２次元のマッチング）が完了する。

次に、高さ方向については、図１４で示された様に各設置位置で床面の高さを測定することで、設置位置での各レーザスキャナ１の器械高が測定できる。

この器械高に基づき、前記点群データ８１ａ′，８１ｂ′を高さ方向でマッチングさせれば、前記点群データ８１ａ′，８１ｂ′を３次元でマッチングさせることができる。

本実施例では、複数の点群データの中から、共通点を抽出して複数の点群データをマッチングさせる必要はなく、マッチングは極めて簡単に行える。

上記実施例では、同心に配設された２枚のプリズムを独立して回転し、レーザスキャンを行うレーザスキャナ１を説明したが、所要範囲をスキャンできるレーザスキャナ１であればよい。

尚、建築物の中での測定を説明したが、鉛直平面の多い建築の外壁も建築物の外側から同様な方法で測定することができる。尚、高さ方向の位置が異なる水平距離データの取得過程で、水平距離データのバラツキ制限幅を設け、水平距離データがそのバラツキ制限幅より大きい場合、想定した鉛直平面が、鉛直でないと判断してもよい。又、同様に、天井、床等の水平面部の高さデータの平均過程で、高さデータのバラツキ制限幅を設け、高さデータがバラツキ制限幅より大きい場合、想定した水平面が水平でないと判断してもよい。

１ レーザスキャナ
２ 三脚
３ レーザスキャナ本体
４ 操作装置
５ 取付け台
１９ 姿勢検出器
２１ 測距光射出部
２２ 受光部
２３ 測距部
２４ 制御演算部
２５ 射出方向検出器
２７ 撮像装置
３６ 光軸偏向ユニット
４１ａ，４１ｂ 光学プリズム
４７ａ，４７ｂ モータ
８１ 走査パターン
８４ａ，８４ｂ 帯状点群データ
９１ａ，９１ｂ 外形線

Claims (8)

1. レーザスキャナで、建築物の点群データを取得し、前記レーザスキャナは水平又は鉛直に対する傾斜を検出する姿勢検出器及び測距光の射出方向を検出する射出方向検出器を有し、
   前記姿勢検出器が検出した傾斜及び前記射出方向検出器が検出した測距光の射出方向に基づき、
   前記点群データの各点の測距情報を水平距離と高さ若しくは高低差に変換し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる前記点群データの水平距離情報を高さ方向に平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定する測定方法。
2. 前記レーザスキャナは撮像装置を有し、該撮像装置により、前記点群データが含まれる画像を取得し、取得画像から建築物の鉛直線を抽出し、水平方向に展開した水平距離測定値を前記鉛直線で区切り、該鉛直線間で展開した前記水平距離測定値の変化を直線フィッティングして直線のデータを得る請求項１に記載の測定方法。
3. 前記高さラインを高さを異ならせて複数設定し、高さを異ならせて複数の水平断面を測定する請求項１又は請求項２に記載の測定方法。
4. 前記取得画像から水平面を認定し、該水平面内に測定領域を設定し、該測定領域に属する前記点群データの高さを平均して前記水平面の高さを測定する請求項２に記載の測定方法。
5. 複数地点から前記点群データを相互にオーバラップする様取得し、各点群データに基づきそれぞれ部分水平断面を測定し、測定結果に基づき得られる部分水平面図を重ね合せマッチングを取ることで部分水平断面を連結させる請求項１〜請求項４のうちいずれか１つに記載の測定方法。
6. 複数地点の各地点について各点群データから前記水平面の高さを測定し、測定した高さを高さ方向のマッチングを行い、部分水平断面を連結させる請求項４に記載の測定方法。
7. 測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距作動を制御する制御部と、前記測距光射出部の光軸と前記受光部の光軸上に設けられ、前記光軸の偏向を制御する光軸偏向部と、前記光軸の偏角を検出する射出方向検出器と、水平又は鉛直を検出する姿勢検出器とを具備し、前記制御部は、前記光軸偏向部を制御して前記測距光を所定範囲で走査し、測距情報と前記射出方向検出器により検出された偏角と前記姿勢検出器の検出結果に基づく水平距離と高さ情報とを有する点群データを取得し、壁面に所定高さの高さラインを設定し、該高さラインを中心に所定の幅に含まれる水平距離情報を高さ方向に加算平均し、更に前記高さラインに沿って水平方向に展開して前記所定高さでの水平断面を測定する様構成したレーザスキャナ。
8. 撮像装置を有し、該撮像装置により、前記点群データが含まれる画像を取得し、前記制御部は、取得画像から建築物の鉛直線を抽出し、水平方向に展開した水平距離情報を前記鉛直線で区切り、該鉛直線間で展開した前記水平距離情報の変化を直線フィッティングして直線のデータを得る請求項７に記載のレーザスキャナ。