JP6786325B2 - 測量装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数点にあるターゲットの位置を正確迅速に測定する装置および方法に関する。

一般的なモータドライブトータルステーション（以下、測量機）では、手動によりターゲットを概略視準した後、自動視準を実行し、ターゲットの位置を測距測角する。そのため、測定範囲の複数点にターゲットが設置されている場合には、ターゲットを１点１点測定する必要があった。

これに対し、特許文献１では、測量機を用いて複数ターゲットの自動測定を行う。特許文献１の測量機は、複数点のターゲットを含むように設定した探索範囲を望遠鏡で走査し、望遠鏡画像からターゲットを検出し、ターゲットの位置を測距測角する。特許文献２では、三次元スキャナ（以下、スキャナ）を用いて複数ターゲットの自動測定を行う。特許文献２のスキャナは、まずスキャン走査で測定対象物の三次元形状データ（点群データ）を取得し、複数のターゲットを検出する。次に、ターゲットをスキャンし、ターゲットの位置を測距測角する。

特許第５６２３２２６号 特許第５０８１０１４号

しかし、特許文献１では、望遠鏡画像からターゲットを検出するため、視野が狭く、撮像フレームレートも低いため、ターゲット探索に時間がかかっていた。特許文献２では、ターゲット探索後にスキャナで測定を行うため、高精度な測定を望む場合はスキャン密度を上げる必要があり、測定に時間がかかっていた。

本発明は、広範囲に複数設置されたターゲットの位置を、短時間かつ高精度に測定することのできる測量装置および測定方法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、本発明のある態様の測量装置は、ターゲットに送光した測距光を受光してターゲットの位置を測距しかつ前記ターゲットの測角を行う測量機と、少なくとも一軸回転軸周りにスキャン光を走査し点群データを取得するスキャナと、を備え、前記スキャナの受光光量から検出された一以上のターゲットの概略位置を前記測量機で測距および測角することを特徴とする。

上記態様において、前記測量機の筐体は水平方向に回転可能な回転軸を有し、前記スキャナは前記筐体と一体に水平回転し、前記スキャン光を鉛直方向に走査するのも好ましい。

上記態様において、前記測量機による測定時に、前記スキャナの前記受光光量および／またはデータ像の大きさを参照して、前記ターゲットの種類を判定するのも好ましい。

上記態様において、前記スキャナで前記ターゲットの概略位置を検出した時に、該ターゲットの概略位置を基準点として保存し、異なる器械点で得られた複数の前記点群データを前記基準点で合わせて重畳するのも好ましい。

上記態様において、前記スキャナは外部端末から指示が可能であるのも好ましい。

上記態様において、前記測量装置はさらに可視光レーザポインタを備え、前記測量機による測定終了後に前記スキャナの走査を再実行し、ターゲットが検出された場合は、前記レーザポインタを前記ターゲットの検出位置に照射するのも好ましい。

上記態様において、前記測量機による測定終了後に前記スキャナの走査を再実行し、ターゲットが検出された場合は、作業者に警告を出すのも好ましい。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量方法は、上記態様のいずれかに記載の測量装置を用いて、前記スキャナで探索範囲を走査する探索ステップと、前記スキャナの受光光量から一以上のターゲットの概略位置を求めるターゲット検出ステップと、前記測量機で前記概略位置を自動視準し前記ターゲットを測距および測角する測定ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の測量装置および測定方法によれば、広範囲に複数設置されたターゲットの位置を、短時間かつ高精度に測定することができる。

実施の形態に係る測量装置の外観斜視図である。 実施の形態に係る測量装置の構成ブロック図である。 実施の形態に係るスキャナの構成ブロック図である。 実施の形態に係る測量装置を用いた測量方法のフローチャートである。 図１のスキャナで得られた点群データの一部分を示す図である。

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。

図１は実施の形態に係る測量装置の外観斜視図である。図１における符号１が、本形態に係る測量装置である。測量装置１は、測量機２と、スキャナ２２を有する。

測量機２は、いわゆるモータドライブトータルステーションであり、三脚を用いて既知の点に据え付けられている。測量機２は、下方から、整準部と、整準部の上に設けられた基盤部と、該基盤部上を水平方向回転軸Ｈ-Ｈ周りに回転する筐体２ｂと、筐体２ｂの中央で鉛直方向回転軸Ｖ-Ｖ周りに回転する望遠鏡２ａと、を有する。また、符号９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎはそれぞれ、測定点に設置されたターゲット（プリズムや反射シート）である。なお、以降の記載において、位置を指定しない場合のターゲットの符号は９−ｎを使用する。

図２は測量装置１の構成ブロック図である。測量装置１は、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、水平回転駆動部１３と、鉛直回転駆動部１４と、表示部１５と、操作部１６と、演算制御部１７と、追尾部１８と、測距部１９と、記憶部２０と、音声出力部２１と、スキャナ２２とを備える。

水平回転駆動部１３と鉛直回転駆動部１４はモータであり、演算制御部１７に制御されて、それぞれ水平方向回転軸Ｈ−Ｈと鉛直方向回転軸Ｖ-Ｖを駆動する。測量機２では、筐体２ｂの水平回転と望遠鏡２ａの鉛直回転の協働により、望遠鏡２ａから測距光（または追尾光）が出射される。

水平角検出器１１と鉛直角検出器１２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するロータリエンコーダである。水平角検出器１１は水平方向回転軸Ｈ−Ｈ（図１）に対して設けられ筐体２ｂの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出器１２は鉛直方向回転軸Ｖ-Ｖ（図１）に対して設けられ望遠鏡２ａの鉛直方向の回転角を検出する。

表示部１５と操作部１６は、測量装置１のインターフェースであり、測定作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。

測距部１９は、測距光として赤外パルスレーザ光をターゲット９−ｎに送光する。そして、ターゲット９−ｎからの反射光を例えばフォトダイオード等の受光部で受光し、測距信号に変換する。図１の符号４は、測距光（または追尾光）の光軸を示している。

追尾部１８は、追尾光として測距光とは異なる波長の赤外レーザ光を送光する。そして、イメージセンサ等の受光部で追尾光を含む風景画像と追尾光を除いた風景画像を取得する。演算制御部１７では、両画像の差分からターゲット９−ｎの位置を検出し、常に望遠鏡２ａがターゲット９−ｎの方向を向くように自動で追尾する。

演算制御部１７は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラであり、回転駆動部１３，１４を制御し、追尾部１８による自動追尾を行い、測距信号の出力を対比処理することで自動視準を行う。また、送光から受光までに光波が発振した回数に基づいて，各ターゲット９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎの距離を測定し、水平角検出器１１と鉛直角検出器１２の値から、各ターゲット９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎの角度を測定して、各ターゲットのＸ座標，Ｙ座標，Ｚ座標を測定する。記憶部２０は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した測定データが記憶される。

音声出力部２１は、スピーカであり、演算制御部１７の指示に基づいて、音声を出力する。

スキャナ２２は、三次元レーザスキャナである。図３は実施の形態に係るスキャナ２２の構成ブロック図である。スキャナ２２は、鉛直角検出器３１、鉛直回転駆動部３２、回動ミラー３３、通信部３４、演算制御部３５、記憶部３６、測距部３７、撮像部３８を有する。

回動ミラー３３は、鉛直回転駆動部３２に駆動されて、図示しない鏡筒を介して、鉛直方向回転軸Ｒ-Ｒ（図１）周りに回動する。また、回動ミラー３３は、スキャナ２２の筐体２２ａ（図１）を介して測量機２の水平方向回転軸Ｈ-Ｈ上に配置されており、スキャナ２２の筐体２２ａと測量機２の筐体２ｂは一体に水平回転する。

測距部３７は、スキャン光として赤外パルスレーザ光を、回動ミラー３３を用いて、測定対象物に向けて鉛直走査する。そして、例えばフォトダイオード等の受光部でその反射光を受光する。図１の符号５は、ある時間のスキャナ２２のスキャン光の光軸を示している。符号１０は、その時の照射点（測定位置）を示している。

撮像部３８は、多数の画素が平面状に配列されたイメージセンサであり、測距部３７のスキャン光から光路分割した光軸を原点としてＸ-Ｙ座標を想定し、測定対象物の画像データを取得する。該画像データは、テクスチャマッピング等の技術により、点群データに合成可能である。

鉛直角検出器３１はエンコーダであり、回動ミラー３３の鉛直回転角を検出する。通信部３４は、後述する外部端末４１からの信号を受信する。

演算制御部３５は、マイクロコントローラであり、測量機２の演算制御部１７と電気的に接続されている。演算制御部３５は、鉛直回転駆動部３２を制御して、回動ミラー３３を介してスキャン光を走査する。鉛直回転駆動部３２を制御して回動ミラー３３を回動するとともに、水平回転駆動部１３の駆動により、パルスレーザを鉛直方向および水平方向に走査する。また、レーザパルスが往復する時間を計測することで，照射点１０までの距離を求める。また、自身の鉛直角検出器３１と測量機２の水平角検出器１１の値から各照射点１０の角度を測定する。そして、照射点１０の距離，水平角，及び鉛直角から、点群データを得る。また、撮像部３８が得た画像データを画像処理する。また、通信部３４の通信を制御する。また、測量機２の操作部１６から、探索範囲の指定やスキャン開始の指示を受ける。記憶部３６は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した点群データおよび画像データが記憶される。

測量装置１において、水平角検出器１１、鉛直角検出器１２、水平回転駆動部１３、鉛直回転駆動部１４、演算制御部１７、記憶部２０、および音声出力部２１は、測量機２の筐体２ｂに収容され、表示部１５と操作部１６は筐体２ｂの外部に設けられている。追尾部１８および測距部１９は、測量機２の望遠鏡２ａに収容されている。スキャナ２２は、一例として、図１に示すように、測量機２の望遠鏡２ａの上部に固定される。この他に、望遠鏡２ａの下部または側部、或いは表示部１５の下に配置されてもよい。

次に、測量装置１の基本動作について説明する。図４は実施の形態に係る測量装置１を用いた測量方法のフローチャートである。

測定を開始すると、ステップＳ１に移行して、測量機２の操作部１６から、スキャナ２２の探索範囲を指定できる。この時、スキャンピッチも指定可能である。

次に、ステップＳ２に移行して、測量機２の操作部１６からスキャン開始を指示する。

次に、ステップＳ３に移行して、スキャナ２２は、ステップＳ１の探索範囲にスキャン光を走査する。この測定は、スキャナ２２で鉛直方向を走査した後、測量機２が水平回転することを繰り返すことにより行われる。または、この逆でもよい。

次に、ステップＳ４に移行して、スキャナの演算制御部３５は、ステップＳ１の探索範囲に対し探索が終了したかを判定する。終了していない場合はステップＳ３に戻る。

ステップＳ４が終了した場合は、ステップＳ５に移行して、スキャナの演算制御部３５は、測距部３７の受光部からの受光出力に基づき、点群データを作成する。そして、この点群データの光量分布から、ターゲット９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎの概略位置を抽出する。図５はスキャナ２２で得られた点群データの一部分を示す図である。図５に示すように、点群データでは、受光光量の高い点が白点、受光光量が低い点が黒点となって示される。従って、白点を全て含むエリア（一例を黒枠で示している）を抽出し、このエリアをターゲット９−ｎの概略位置４０−ｎとする。

次に、ステップＳ６に移行して、スキャナの演算制御部３５は、測量機の演算制御部１７に、ステップＳ５で検出した概略位置４０−１，４０−２，４０−３，・・・，４０−ｎの位置情報を送信する。測量機の演算制御部１７は、この情報を基に、測量機２の望遠鏡２ａを、手動または自動で選択された概略位置４０−ｎのほうへ向ける。

次に、ステップＳ７に移行して、測量機２は、概略位置４０−ｎを自動視準し、ターゲット９−ｎの位置を測距測角する。

次に、ステップＳ８に移行して、ターゲット概略位置４０−１，４０−２，４０−３，・・・，４０−ｎの全てを測定したか判定する。測定し終えてなければ、ステップＳ６へ戻る。全て測定し終えていれば、ステップＳ９に移行して、測定を終了する。なお、上記ステップＳ３が探索ステップ、ステップＳ５がターゲット検出ステップ、ステップＳ７が測定ステップである。

即ち、測量装置１を用いれば、スキャナ２２による高速回転でターゲット探索を行うことができるため、広範囲に複数設置されたターゲット９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎを、短時間で検出することができる。そして、スキャナ２２が抽出したターゲット概略位置４０−１，４０−２，４０−３，・・・，４０−ｎを、測量機２によって自動で順次視準し測定することができるため、スキャナ２２による測定よりも、短時間で測定を終えることができる。

また、スキャナ２２でターゲット９−ｎを測定する場合は、スキャナ２２はターゲット９−ｎを「点」で測定しているので、ターゲット中心の水平角および鉛直角は反射光の分布から求めることになる。このため、照射点１０の密度が少ないとターゲット９−ｎの角度を正確に求め難い。一方で、スキャン密度を上げると、その分測定に時間がかかってしまう。これに対し、測量装置１では、測量機２によって測角を行うので、スキャナ２２で測角するよりも、ターゲット９−１，９−２，９−３，・・・，９−ｎの三次元位置を高精度で求められる。

上記実施の形態の好適な変形例を挙げる。上記ステップＳ７の測定の際に、測量機の演算制御部１７は、スキャナ２２が抽出したターゲットの種類を判定してもよい。即ち、スキャナ２２で実測された受光光量とターゲット像のサイズを、測量機２で得られた距離での理論値での受光光量とサイズと比較し、両方またはいずれかが十分異なる場合には、スキャナ２２が抽出したものはターゲット９−ｎとは異なると判定する。また、受光光量とサイズの比較考量により、ターゲット９−ｎの種類（プリズム，反射シート）を判定することもできる。スキャナ２２が抽出したものが設置したターゲット９−ｎではないと判定された場合は、測量機２は、その抽出点については測定を行わないようにする。これにより、スキャナ２２によるターゲット検出に誤りがあっても、測量機２はターゲット９−ｎのみを確実に測定することができる。

別の変形例を挙げる。測量装置１は、タイポイント法による測量に使用されるのが好適である。タイポイント測量では、広範囲の測定対象物の画像を作成する際、複数の異なる器械点から画像を取得し、かつ隣接する２画像をオーバラップさせて取得し、オーバラップした部分で２画像に共通な基準点を抽出し、該基準点で２画像を重ね合わせて画像合成する。従来では、タイポイント測量にはスキャナを用いるのが一般的であり、まずスキャナで点群データを測定する走査を行い、基準点ターゲットを自動検出した後、スキャンエリアの再設定かつスキャン密度を上げて再度ターゲットを走査し、ターゲットの位置を測定していた。

これに対し、測量装置１では、記憶部３６または記憶部２０に、上記ステップＳ６で得たターゲット概略位置４０−１，４０−２，４０−３，・・・，４０−ｎの位置情報をタイポイント法の基準点として保存しておけば、点群データの測定と基準点ターゲットの探索をスキャナ２２で一回の走査で行うことができ、基準点のターゲットの測定は測量機２で自動で行うことができるから、三次元点群マップを作る作業効率が格段に向上する。

また別の変形例を挙げる。測量装置１は、通信部３４を備えているから、上記ステップＳ１〜Ｓ２において、例えばターゲット９−ｎ側にある外部端末（例えば、携帯電話，スマートフォン，タブレット等）から、探索範囲やスキャンの開始を指示されてもよい。従来技術で見られる構成に、ターゲットに光出射装置を追加して、測量機に検知されるようにターゲット側から光を出射する構成や、測量機にビーム出射装置を追加して、測量機からビームを出射してターゲットの概略位置を検出する構成があるが、測量装置１では、スキャナ２２によりターゲット探索を行えるので、このようなターゲット検出用の専用装置を設けなくてよい。また、外部端末から走査の指示を可能にすることで、作業効率も向上する。

さらに別の変形例を挙げる。測量装置１は、上記ステップＳ９で測定を終了した後、自動または手動の指示でステップＳ２に戻り、ステップＳ２〜Ｓ５を再実行し、ターゲットの回収忘れを検出するのも好ましい。このときのステップＳ５でターゲット９−ｎが検出された場合は、測量機の演算制御部１７は、表示部１５に警告を出したり、音声出力部２１から警告音を発するようにする。これにより、測定終了後、設置したターゲットが現場に残されていないか確認することができる。また、測量装置１は、さらに可視光レーザポインタを備えるのも好ましい。このレーザポインタは、例えば図１の構成であれば、測量機２本体の下部に設ける。これにより、測量装置１は、回収忘れのターゲット９−ｎを検出した場合は、ターゲット９−ｎの概略位置４０−ｎをレーザポインタで照射して、その位置を作業者に指示することができる。このとき、レーザポインタを揺動させることで、作業者がより認識しやすいようにしてもよい。

なお、上記の各形態において、スキャナの演算制御部３５を測量機の演算制御部１７に統合して、全て測量機の演算制御部１７で制御が行えるように構成してもよい。また、スキャナ２２は、鉛直方向回転軸Ｒ-Ｒの一軸周りに回転する形態を示したが、例えばスキャナ筐体２２ａに下部ケーシングを設け、該下部ケーシングに測量機２の水平方向回転軸Ｈ-Ｈと同軸の水平方向回転軸を設けて、二軸方向に回転するように構成してもよい。

以上、本発明の好ましい測量装置について、実施の形態および変形例を述べたが、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 測量装置
２ 測量機
２ａ 望遠鏡
２ｂ 筐体
９−１，９−２，・・・９−ｎ ターゲット
１１ 水平角検出器
１２ 鉛直角検出器
１７ 演算制御部
１９ 測距部
２２ スキャナ
４０−１，４０−２，・・・４０−ｎ ターゲットの概略位置
４１ 外部端末
Ｈ−Ｈ 測量機の水平方向回転軸
Ｒ−Ｒ スキャナの回転軸

Claims (8)

1. ターゲットに送光した測距光を受光してターゲットの位置を測距し、かつ前記ターゲットの測角を行うトータルステーションと、
   少なくとも一軸回転軸周りにスキャン光を走査し、点群データを取得するスキャナと、を備え、
   前記スキャナの受光光量から検出された一以上のターゲットの概略位置を前記トータルステーションで測距および測角することを特徴とする測量装置。
   
2. 前記トータルステーションの筐体は水平方向に回転可能な回転軸を有し、
   前記スキャナは前記筐体と一体に水平回転し、前記スキャン光を鉛直方向に走査することを特徴とする請求項１に記載の測量装置。
   
3. 前記トータルステーションによる測定時に、前記スキャナの前記受光光量および／またはデータ像の大きさを参照して、前記ターゲットの種類を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の測量装置。
   
4. 前記スキャナで前記ターゲットの概略位置を検出した時に、該ターゲットの概略位置を基準点として保存し、異なる器械点で得られた複数の前記点群データを前記基準点で合わせて重畳することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測量装置。
   
5. 前記スキャナは外部端末から指示が可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測量装置。
   
6. 前記測量装置はさらに可視光レーザポインタを備え、
   前記トータルステーションによる測定終了後に前記スキャナの走査を再実行し、ターゲットが検出された場合は、前記レーザポインタを前記ターゲットの検出位置に照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測量装置。
   
7. 前記トータルステーションによる測定終了後に前記スキャナの走査を再実行し、ターゲットが検出された場合は、作業者に警告を出すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測量装置。
   
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の測量装置を用いて、
   前記スキャナで探索範囲を走査する探索ステップと、
   前記スキャナの受光光量から一以上のターゲットの概略位置を求めるターゲット検出ステップと、
   前記トータルステーションで前記概略位置を自動視準し前記ターゲットを測距および測角する測定ステップと、
   を有することを特徴とする測定方法。