JP7109891B2 - 対応点導出方法および対応点算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、対応点導出方法および対応点算出装置に関する。

近年、地物の地物の形状を三次元的に表した三次元地図においては、さまざまな用途に利用されることを踏まえ、地物の三次元モデルを精度良く生成することが求められている。このため、短時間で詳細且つ大量の三次元データを計測できるレーザスキャナが活用されている。レーザスキャナは、所定の計測エリアをパルスレーザ光線によって走査するように構成されている。レーザスキャナは、前記パルスレーザ光線の反射光を受光し、パルス毎にパルスレーザ光線照射点の三次元位置データを測距する。このようにして、レーザスキャナは、前記計測エリアの三次元位置データを多数の計測点の集合体である点群データとして出力する測量機である。レーザスキャナは、短時間で大量の点群データを得ることができるが、計測エリアに、車両、樹木等の障害物が存在する場合、陰（オクルージョン）が生じ、データの欠落部分が生じる。このため、同一の計測エリアを複数回計測し、取得した複数の点群データを重ね合わせることでデータの欠落部分を補う技術が公知である。例えば特許文献１のごとくである。

特許文献１に記載の測量方法は、レーザスキャナで所定の計測範囲についての主点群データを取得する工程と、副撮像装置により未取得データ範囲の補足画像をデータ取得する工程と、副撮像装置により得た補足画像データによりステレオ画像を作成する工程と、該ステレオ画像から補足点群データを取得する工程と、主点群データと補足点群データとの重ね合わせによるマッチングにより主点群データの未取得範囲を補充する工程とから構成されている。補足点群データは、主点群データと同一の座標系であるステレオ画像から作成されている。従って、主点群データと補足点群データとは、同一の座標系の元で容易にマッチングされる。しかし、特許文献１に記載の測量方法は、レーザスキャナの測距に基づいた点群データと副撮像装置の撮影に基づいた点群データとをマッチングしているため、マッチング時の精度が低下する可能性があった。

特開２００８－８２７０７号公報

本発明の目的は、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる対応点導出方法および対応点算出装置の提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、計測対象物体の形状を同一または異なる位置から光学的に計測した複数の点群データにおいて、一の点群データの基準点に対応する他の点群データ中の対応点を導出する対応点導出方法であって、情報処理装置が、前記複数の点群データを生成し、前記一の点群データを画像表示装置に表示して、画像上で指定された任意の計測点を基準点とする基準点設定工程と、前記他の点群データにおいて、前記基準点の座標位置から所定距離内にある近傍計測点のうち、前記基準点の特徴ベクトルと近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて対応する近傍計測点を仮対応点とする仮対応点算出工程と、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点に対して最小二乗法により基準近似平面を算出し、前記基準近似平面を算出した各計測点から前記基準近似平面までの距離の総和に基づいて前記複数の計測点が示す所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定工程と、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点、および前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点を所定の仮想平面にそれぞれ投影し、その外形線を算出する外形線算出工程と、予め登録されている複数の形状パターンからそれぞれの前記外形線に最も近似する形状パターンを選択し、選択した形状パターンに基づいて前記点群データ毎に対応点を算出する対応点算出工程と、を行うものである。

対応点導出方法は、前記仮対応点算出工程において、前記基準点の特徴ベクトルと前記近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて、前記基準点毎に近傍計測点の中から前記対応する近傍計測点を選択し、前記基準点毎に前記対応する近傍計測点までの距離をそれぞれ算出し、前記基準点毎に算出した前記対応する近傍計測点までの距離の標準偏差が全て閾値未満である場合、全ての選択した前記対応する近傍計測点を仮対応点とし、前記基準点毎に算出した前記対応する近傍計測点までの距離の標準偏差のうち少なくとも一つが閾値以上である場合、特徴ベクトルと前記近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて、その前記基準点の前記近傍計測点の中から新たに対応する近傍計測点を選択するものである。

対応点導出方法は、前記形状判定工程において、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和が形状閾値以上の場合、前記所定空間の形状が立体形状であると判定し、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和が形状閾値未満の場合、前記所定空間の形状が平面形状であると判定するものである。

対応点導出方法は、前記形状判定工程において、前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点に対して最小二乗法により仮対応近似平面を算出し、前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点と前記仮対応近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果が、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果と同一である場合、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果を確定させるものである。

対応点導出方法は、前記外形線算出工程において、
判定された前記所定空間の形状が平面形状である場合、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点を前記基準近似平面に投影し、前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点を前記仮対応近似平面に投影し、判定された前記所定空間の形状が立体形状である場合、所定の間隔で複数の仮想平面を設定し、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点をそれぞれ最も近い位置の仮想平面に投影し、前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点をそれぞれ最も近い位置の仮想平面に投影し、各仮想平面において外形線を算出するものである。

対応点導出方法は、前記対応点算出工程において、選択された前記形状パターンが円形の平面形状である場合、前記形状パターンの中心位置を投影後の対応点とし、選択された前記形状パターンが多角形の平面形状である場合、前記基準点または前記仮対応点に最も近い前記形状パターンの境界線上の位置を投影後の対応点とし、前記投影後の対応点を含む計測点の座標値を前記仮対応近似平面に投影する前の座標値に変換して投影前の対応点とし、選択された前記形状パターンが立体形状である場合、前記各仮想平面における形状パターンの中心位置の座標値を投影後の対応点とし、前記投影後の各対応点を含む計測点の座標値を前記仮想平面に投影する前の座標値に変換して投影前の対応点とし、前記投影前の各対応点を通る近似直線を算出するものである。

計測対象物体の形状を同一または異なる位置から光学的に計測した複数の点群データにおいて、一の点群データの基準点に対応する他の点群データ中の対応点を導出する対応点算出装置であって、情報処理装置と、画像表示処理装置とを備え、前記情報処理装置が、計測された前記複数の点群データ、および前記画像処理装置で指定される計測点の情報を取り込むデータ取得部と、前記点群データ、および算出されたデータを前記画像表示装置に出力するデータ出力部と、前記他の点群データにおいて、前記基準点の座標位置の座標位置から所定距離にある近傍計測点のうち、前記基準点の特徴ベクトルと前記近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて対応する近傍計測点を仮対応点とする仮対応点算出部と、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点に対して最小二乗法により基準近似平面を算出し、前記基準近似平面を算出した各計測点から前記基準近似平面までの距離の総和に基づいて前記複数の計測点が示す所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定部と、前記基準点の座標位置から所定距離にある複数の計測点、および前記仮対応点の座標位置から所定距離にある複数の計測点をそれぞれ近似平面に投影し、その外形線を算出する外形線算出部と、予め登録されている複数の形状パターンからそれぞれの前記外形線に最も近似する形状パターンを選択し、前記形状パターンに基づいて前記点群データ毎に対応点を算出する仮対応点算出部と、を備えるものである。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

対応点導出方法においては、一の点群データにおいて指定した基準点に対応する計測点が他の点群データにおいて存在しなくても、全ての点群データおいて形状パターンに基づいた対応点が算出される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

対応点導出方法においては、仮対応点算出工程によって基準点と近傍計測点との位置のズレが抑制される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

対応点導出方法においては、形状判定工程によって判定された所定空間の形状に応じて点群データの処理が実施される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

対応点導出方法においては、外形線算出工程によって計測時のノイズや計測誤差が基準よりも大きい点群データが除外される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

対応点導出方法においては、対応点算出工程によって全ての点群データにおいて計測点の有無に関わらず対応点が設定される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

対応点算出装置においては、一の点群データにおいて作業者が任意に指定した基準点に対応する計測点が他の点群データに存在しなくても、全ての点群データおいて同一の位置に対応点が算出される。これにより、レーザスキャナによって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

本発明の一実施形態に係る三次元データ生成システムの全体構成を示す概略面図。 本発明の一実施形態に係る三次元データ生成システムの制御構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法の工程を表すフローチャートを示す図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において基準点が指定された点群データを示す図。 （ａ）本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において点群データ同士の重心を基準として重ね合わせた状態を示す模式図、（ｂ）同じく近接している計測点間のユークリッド距離を算出している状態を示す模式図、（ｃ）同じく座標変換により計測点同士を重ね合わせた状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において球状空間を設定した状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において球状空間を分割して特徴点を算出している状態を示す模式図。 （ａ）本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において球状空間に含まれる計測点を示す模式図、（ｂ）同じく反射強度に基づいて球状空間内の計測点から近傍計測点を取得している状態を示す模式図。 （ａ）本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において第２点群データで定めた類似度順の計測点を示す一覧表を表す図、（ｂ）同じく第３点群データで定めた類似度順の計測点を示す一覧表を表す図、（ｃ）同じく第４点群データで定めた類似度順の計測点を示す一覧表を表す図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において基準点と近傍計測点とのユークリッド距離を算出している状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において仮対応点算出のための制御態様を示すフローチャートを表す図。 （ａ）本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において近似平面を設定した状態を示す模式図、（ｂ）本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において球状空間内の計測点を近似平面に投影している状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において形状判定のための制御態様を示すフローチャートを表す図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において近似平面に投影した図と形状パターンとのマッチングを行っている状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において近似平面上において定めた対応点を三次元空間座標に変換している状態を示す模式図。 仮想平面上において対応点を定めるとともに、対応点を通る近似直線を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る対応点導出方法において三次元空間上の対応点同士を基準として計測点を重ね合わせている状態を示す模式図。 本発明の他の実施形態に係る三次元データ生成システムの全体構成を示す概略面図。

以下に、図１と図２とを用いて、対応点導出方法を実施する対応点算出装置の一実施形態に係る対応点算出装置を備えた三次元データ生成システム１について説する。

図１と図２とに示すように、三次元データ生成システム１は、計測対象物体である地物を撮影、およびレーザースキャニングし、これらの計測データを解析することで点群データを生成するシステムである。三次元データ生成システム１は、計測装置２と三次元データ生成装置１１とから構成されている。

計測装置２は、地物の三次元形状を計測するものである。計測装置２は、普通乗用車等の走行車両３に各種計測用の装置等が設けられて構成されている。なお、本実施形態においては、計測装置２は、普通乗用車に設けられているがこれに限定するものではなく、バイク、鉄道等を含む各種車両や航空機等に搭載したり、地上に設置したりしてもよい（図１８参照）。

図１に示すように、計測装置２は、移動手段である走行車両３、全地球衛星測位システム（以下、単に「ＧＮＳＳ４」と記す）、複数のデジタルカメラ５、慣性計測装置（以下単に、「ＩＭＵ６」と記す）、複数のレーザスキャナ７および計測制御部８を具備する。

走行車両３は、各種計測用の装置等を搬送するものである。走行車両３は、普通乗用車から構成されている。走行車両３には、ＧＮＳＳ４、デジタルカメラ５、ＩＭＵ６、レーザスキャナ７および計測制御部８が搭載されている。走行車両３の前側には、デジタルカメラ５、ＧＮＳＳアンテナ４ａ、レーザスキャナ７が設けられている、走行車両３の後側には、ＧＮＳＳアンテナ４ａ、ＩＭＵ６およびレーザスキャナ７が設けられている。走行車両３は、これらの各種計測用の装置等で計測を行いながら任意のルートを走行可能に構成されている。

ＧＮＳＳ４（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ、全地球衛星測位システム）は、走行車両３の位置を計測するものである。ＧＮＳＳ４は、図示しないＧＰＳ衛星とＧＬＯＮＡＳＳ衛星とからの電波を受信することにより受信位置の緯度、経度、高度を計測可能に構成されている。ＧＮＳＳ４は、ＧＰＳ衛星等から電波を受信するためのＧＮＳＳアンテナ４ａとＧＮＳＳ受信処理機４ｂとから構成されている。ＧＮＳＳ４は、走行車両３の複数の位置にＧＮＳＳアンテナ４ａが設けられている。ＧＮＳＳ４は、ＧＰＳ衛星等からの電波を複数のＧＮＳＳアンテナ４ａで受信し、走行車両３の緯度、経度、高度および走行車両３の配置方向からなる走行車両３の位置情報を算出するために必要な情報を取得する。ＧＮＳＳ４は、受信した情報をＧＮＳＳ受信処理機４ｂにて処理することにより、走行車両３の緯度、経度、高度および走行車両３の配置方向をリアルタイムで計測可能に構成されている。

デジタルカメラ５は、地物を撮影するものである。デジタルカメラ５は、走行車両３の進行方向および走行車両３の所定の前方を撮影するものである。デジタルカメラ５は、計測時の地物の状況を記録するように構成されている。

ＩＭＵ６（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ、慣性計測装置）は、走行車両３の姿勢を計測するものである。ＩＭＵ６は、その中心を原点とする直交する３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）にそれぞれ設けられた図示しないジャイロセンサと加速度センサとで構成されている。ジャイロセンサは、走行車両３の３軸方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの角速度を検出する。加速度センサは、走行車両３の３軸方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの加速度を検出する。また、ＩＭＵ６は、走行車両３の３軸方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの角速度と加速度とを示すデータを慣性情報として生成する。このように生成される慣性情報には、検出時刻（取得時刻）毎に角速度と加速度とが設定されている。

レーザスキャナ７は、地物の三次元座標データを取得することにより、地物の詳細な形状を計測するものである。レーザスキャナ７は、計測角度範囲内にて微小角度ごとに毎秒数千発のレーザがパルスとなって発射される。レーザスキャナ７は、レーザの発射から反射光の受光までの時間に基づいて、レーザが反射した地物までの距離を計測するように構成されている。また、レーザスキャナ７は、受光したレーザの反射強度、発射方向および時刻などを計測するように構成されている。本実施形態において、レーザスキャナ７は、走行車両３に搭載されることでＭＭＳ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成している。ＭＭＳにおいて、レーザスキャナ７は、走行車両３の上部から斜め下方向や斜め上方向にレーザを照射するように構成されている。レーザスキャナ７は、地物表面の凹凸などの形状変化のスケールに応じた密度でレーザスキャンが可能な性能を有するように構成されている。また、本実施形態において、レーザスキャナ７は、ＭＭＳとして構成されているがこれに限定するものではなく、レーザスキャナ７を地上に設置して計測を行う構成でもよい。

計測制御部８は、各計測用の装置等を制御するとともに、各計測用の装置等によって取得された計測データを関連付けるものである。計測制御部８は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。計測制御部８には、ＧＮＳＳ４、デジタルカメラ５、ＩＭＵ６およびレーザスキャナ７の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。計測制御部８は、計測データを格納する計測データ用記憶部９を備えている。

計測制御部８は、ＧＮＳＳ４、デジタルカメラ５、ＩＭＵ６およびレーザスキャナ７を同時に制御可能に構成されている。また、計測制御部８は、ＧＮＳＳ４から走行車両３の緯度、経度、高度および走行車両３の配置方向からなる走行車両３の位置情報を取得し、デジタルカメラ５から画像を取得し、ＩＭＵ６から走行車両３におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの角速度と加速度からなる走行車両３の慣性情報を取得し、レーザスキャナ７からパルス毎の反射した地物までの距離、受光したレーザの反射強度、発射方向および時刻を取得可能に構成されている。さらに、計測制御部８は、レーザスキャナ７パルス毎の計測データとＧＮＳＳ４から取得した走行車両３の位置データおよび走行車両３の配置方向と、ＩＭＵ６から取得した走行車両３の慣性情報を関連付けて、計測データ用記憶部９に記憶可能に構成されている。

計測制御部８は、ＧＮＳＳ４に接続され、ＧＮＳＳ４から、走行車両３の緯度、経度、高度および走行車両３の配置方向からなる走行車両３の計測データである位置情報を取得することができる。

計測制御部８は、デジタルカメラ５に接続され、デジタルカメラ５から、計測データである走行車両３の前方および路面の画像データを取得することができる。

計測制御部８は、ＩＭＵ６に接続され、ＩＭＵ６から、走行車両３の３軸方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの角速度と加速度とからなる計測データである走行車両３の慣性情報を取得することができる。

計測制御部８は、レーザスキャナ７に接続され、レーザスキャナ７から、計測データであるレーザが反射した地物までの距離、受光したレーザの反射強度、発射方向および時刻を取得することができる。

計測制御部８は、取得した様々な計測データを計測データ用記憶部９に記憶するとともに、ケーブルや通信装置等のデータ転送手段１０を介して、様々な計測データを計測装置２の計測データ用記憶部９から三次元データ生成装置１１の点群データ用記憶部１９に転送することができる。

図２に示すように、三次元データ生成装置１１は、計測装置２によって取得された様々な計測データから三次元データを生成するものである。三次元データ生成装置１１には、点群データ生成部１２、画像表示部１３、仮対応点算出部１４、形状判定部１５、外形線算出部１６、対応点算出部１７、位置合わせ部１８および点群データ用記憶部１９が構成されている。つまり、三次元データ生成装置１１は、内部に対応点算出装置の機能を有している対応点算出部１７が構成されている。三次元データ生成装置１１は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成や、ワンチップのＬＳＩ等からなり、点群データ生成部１２、画像表示部１３、仮対応点算出部１４、形状判定部１５、外形線算出部１６、対応点算出部１７、位置合わせ部１８および点群データ用記憶部１９の機能を実現するためのソフトウェアがインストールされている情報処理装置として構成されている。また、点群データ生成部１２、画像表示部１３、仮対応点算出部１４、形状判定部１５、外形線算出部１６、対応点算出部１７、位置合わせ部１８および点群データ用記憶部１９は、それぞれ独立した構成を有する点群データ生成装置、画像表示装置、仮対応点算出装置、形状判定装置、外形線算出装置、対応点算出装置、位置合わせ装置およびデータ記憶装置であってもよい。三次元データ生成装置１１は、計測装置２を構成している走行車両３に搭載してもよい。

三次元データ生成装置１１には、点群データ生成部１２、画像表示部１３、仮対応点算出部１４、形状判定部１５、外形線算出部１６、対応点算出部１７、位置合わせ部１８および点群データ用記憶部１９の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。三次元データ生成装置１１は、計測装置２の計測データ用記憶部９からデータ転送手段１０を介して点群データ用記憶部１９に計測装置２の計測データを取得可能に構成されている。

点群データ生成部１２は、レーザスキャナ７から取得した計測データ、ＧＮＳＳ４から取得した走行車両３の位置情報およびＩＭＵ６から取得した走行車両３の慣性情報を用いて点群データを作成するものである。点群データは、レーザ照射点毎の反射強度、座標値および法線ベクトルからなるデータの集合体である。点群データ生成部１２は、点群データ用記憶部１９から計測データを取得し、計測作業毎の点群データを生成するように構成されている。

画像表示部１３は、点群データを表示するものである。画像表示部１３は、タッチパネル等によって入力操作が可能に構成されている。画像表示部１３は、生成された点群データを表示し、任意の計測点を画面上で基準点として指定可能に構成されている。

仮対応点算出部１４は、同一の計測範囲における複数回の計測作業によってそれぞれ生成された複数の点群データ同士を重ねわせるための基準となる仮対応点を算出するものである。仮対応点算出部１４は、複数の点群データのうち一の点群データ（例えば。第１点群データＰ１）において指定された複数の基準点（例えば、基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１）に基づいて、ＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムによる位置合わせを実施可能に構成されている。また、仮対応点算出部１４は、他の点群データ（例えば、第２点群データＰ２）における任意の計測点を中心として所定空間内に存在する複数の計測点の数に基づいた特徴ベクトルを算出可能に構成されている。さらに、仮対応点算出部１４は、前記他の点群データにおいて、基準点の座標位置から所定空間内にある近傍計測点のうち、基準点の特徴ベクトル（例えば、基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃの特徴ベクトルＶａ１・Ｖｂ１・Ｖｃ１）との類似度に基づいて対応する近傍計測点を仮対応点（例えば、第２点群データＰ２における近傍計測点Ａ２・Ｂ２・Ｃ２）として指定可能に構成されている。

形状判定部１５は、基準点から所定空間内（例えば、球状空間Ｓａ１）にある複数の計測点に対して最小二乗法により基準近似平面（例えば、基準近似平面Ｆａ１）を算出し、前記基準近似平面を算出した各計測点から前記基準近似平面までの距離の総和に基づいて前記複数の計測点が示す所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定可能に構成されている。

外形線算出部１６は、基準点から所定空間内にある複数の計測点を基準近似平面に投影し、仮対応点から所定空間内にある複数の計測点を仮対応近似平面（例えば、第２点群データＰ２におけるＦａ２）に投影し、その外形線（例えば、外形線Ｃａ２）を算出可能に構成されている。

対応点算出部１７は、算出した外形線に最も近似する形状パターンＰ（ｎ）を選択し、選択した形状パターンＰ（ｎ）に基づいて対応点を算出可能に構成されている（ｎ）は任意の数、以下同じ）。

位置合わせ部１８は、指定された基準点と算出した対応点とに基づいて複数の点群データを重ね合わせ可能に構成されている。位置合わせ部１８は、複数の点群データを重ねあわせて三次元データを生成する。

点群データ用記憶部１９は、計測データ、点群データ、三次元データ等を記憶するものである。点群データ用記憶部１９は、計測装置２からの計測データ、点群データ生成部１２で生成される点群データ、仮対応点算出部１４で導出される仮対応点、形状判定部１５によって判定される形状、外形線算出部１６によって算出される外形線、対応点算出部１７で算出される対応点および位置合わせ部１８で生成される三次元データ等を記憶可能に構成されている。また、点群データ用記憶部１９は、外形線算出部１６で用いられるｍ個の形状パターンＰ（１）・Ｐ（２）・・Ｐ（ｍ）が記憶されている。

このように構成される三次元データ生成システム１は、走行車両３に計測装置２が搭載されたＭＭＳによって、道路を走行しながら走行車両３の位置データ、慣性データおよび地物までの距離、レーザの反射強度、発射方向および時刻を同時に計測することができる。また、三次元データ生成システム１は、三次元データ生成装置１１が計測装置２の計測データ用記憶部９からデータ転送手段１０を介して計測データを点群データ用記憶部１９に記憶させる。三次元データ生成装置１１は、計測作業毎の計測データから点群データを生成するとともに、ＩＣＰアルゴリズム、特徴ベクトルの類似判断およびｍ個の形状パターンＰ（１）・Ｐ（２）・・Ｐ（ｍ）から照合された形状パターンＰ（ｎ）に基づいて対応点を導出し、複数の点群データを重ね合わせることで高精度な三次元データを作成することができる。

以下に、図２から図１７を用いて、三次元データ生成システム１の対応点導出方法について説明する。なお、本実施形態において、対応点導出方法は、計測装置２によって同一の計測範囲において複数回（本実施形態において４回）の計測が終了したものとして説明を行う。

図３に示すように、対応点導出方法は、複数の点群データを生成し、生成された一の点群データにおける任意の計測点を基準点とする基準点設定工程Ｋ１００と、他の点群データにおいて、前記基準点の特徴ベクトルとの類似度に基づいて仮対応点を算出する仮対応点算出工程Ｋ２００と、所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定工程Ｋ３００と、前記基準点または前記仮対応点から前記所定空間内にある複数の計測点の集合の外形線を算出する外形線算出工程Ｋ４００と、前記外形線に最も近似する形状パターンＰ（ｎ）に基づいて前記点群データ毎に対応点を算出する対応点算出工程Ｋ５００と、から構成されている。

図２と図３とに示すように、基準点設定工程Ｋ１００において、三次元データ生成システム１の三次元データ生成装置１１は、点群データ生成部１２によって点群データを生成する。点群データ生成部１２は、計測装置２からレーザスキャナ７から取得した計測データ、ＧＮＳＳ４から取得した走行車両３の位置情報およびＩＭＵ６から取得した走行車両３の慣性情報を取得する。そして、点群データ生成部１２は、レーザ照射点毎の反射強度、座標値および法線ベクトルからなるデータの集合体である点群データを生成する。本実施形態において、第１回目の計測作業から第４回目の計測作業によって取得したそれぞれの計測データに基づいて生成された点群データを、第１点群データＰ１、第２点群データＰ２、第３点群データＰ３、第４点群データＰ４とする。

さらに、図４に示すように、基準点設定工程Ｋ１００として、三次元データ生成装置１１は、画像表示部１３に生成した第１点群データＰ１を表する。三次元データ生成装置１１は、画像表示部１３においてオペレーターから指定された一つ以上の計測点を基準点として設定する。本実施形態において、第１点群データＰ１における３点の計測点を基準点Ａ１、基準点Ｂ１および基準点Ｃ１として設定する。なお、基準点Ａ１、基準点Ｂ１および基準点Ｃ１は、第１点群データＰ１に含まれる一つのオブジェクトＯｂ１（計測対象である構造物）上の計測点であるものとする。

仮対応点算出工程Ｋ２００として、三次元データ生成装置１１は、仮対応点算出部１４によってＩＣＰアルゴリズムを用いた第１点群データＰ１に対する第２点群データＰ２、第３点群データＰ３および第４点群データＰ４の位置合わせを行う。仮対応点算出部１４は、生成された第１点群データＰ１、第２点群データＰ２、第３点群データＰ３、第４点群データＰ４の重心座標をそれぞれ算出する。

図５（ａ）に示すように、三次元データ生成装置１１は、第１点群データＰ１の重心位置Ｇ１に対して第２点群データＰ２の重心位置Ｇ２を一致させるように第２点群データＰ２を平行移動させる。

次に、図５（ｂ）に示すように、仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１と第２点群データＰ２とから無作為にＵ個の計測点をそれぞれ抽出する。仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１から抽出したＵ個の計測点のそれぞれについて、第２点群データＰ２から抽出したＵ個の計測点のうち最も近接している計測点とのユークリッド距離を算出する。
次に、図５（ｃ）に示すように、仮対応点算出部１４は、Ｕ個の各計測点間のユークリッド距離の総和が小さくなるように、第２点群データＰ２の座標変換パラメータであるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の移動成分と各軸回りの回転成分とを変更して座標変換を行う。仮対応点算出部１４は、座標変換後の第２点群データＰ２のＵ個の計測点におけるユークリッド距離の総和を算出する。仮対応点算出部１４は、ユークリッド距離の総和がＩＣＰ閾値以下、または座標変換回数が上限値に到達するまで座標変換パラメータの変更と座標変換後のユークリッド距離の総和の算出を繰り返し行う。

同様にして、仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１と図示しない第３点群データＰ３と、第１点群データＰ１と図示しない第４点群データＰ４とについてもユークリッド距離の総和がＩＣＰ閾値以下、または座標変換回数が上限値に到達するまで座標変換パラメータの変更と座標変換後のユークリッド距離の総和の算出を繰り返し行う。このようにして、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２、第３点群データＰ３および第４点群データＰ４の座標変換パラメータを変更して、第１点群データＰ１に対する第２点群データＰ２、第３点群データＰ３および第４点群データＰ４の大まかな位置合わせを行う。

次に、図６に示すように、仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１において定めた基準点Ａ１を中心とする所定空間である半径Ｄの球状空間を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに半径Ｄよりも小さい半径Ｅからなる球状空間で１６分割した球状空間Ｓａ１内において反射強度Ｒｅ以上の計測点（二重丸）を取得する。（以下、半径Ｄの球状空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに半径Ｄよりも小さい半径Ｅからなる球状空間で１６分割した球状空間を単に「球状空間」と記す）
図７に示すように、仮対応点算出部１４は、球状空間Ｓａ１の各内部空間内における反射強度Ｒｅ以上の計測点（例えば、薄墨部分における計測点）の数を特徴量する基準点Ａ１の特徴ベクトルＶａ１を算出する（数１参照）。
同様にして、仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１において定めた基準点Ｂ１を中心とする球状空間Ｓｂ１内の反射強度Ｒｅ以上の計測点の数を特徴量する基準点Ｂ１の特徴ベクトルＶｂ１および基準点Ｃ１を中心とする球状空間Ｓｃ１内の反射強度Ｒｅ以上の計測点の数を特徴量する基準点Ｃ１の特徴ベクトルＶｃ１を算出する。

次に、図８に示すように、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２において、基準点Ａ１の座標位置を中心とした球状空間Ｓａ１内の計測点において（図８（ａ）参照）、反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点（二重丸）を基準点Ａ１の近傍計測点として取得する（図８（ｂ）参照）。
図９（ａ）に示すように、仮対応点算出部１４は、取得した各近傍計測点をそれぞれ中心とする球状空間（図６参照）において、その内部の計測点の数を特徴量とする各近傍計測点の特徴ベクトルのうち、基準点Ａ１の特徴ベクトルＶａ１とのなす角度θの余弦であるｃｏｓθであるコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶａ２－（１）・Ｖａ２－（２）・・・Ｖａ２－（Ｒ）を有する近傍計測点を抽出する。
さらに、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２において、基準点Ｂ１の特徴ベクトルＶｂ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｂ２－（１）・Ｖｂ２－（２）・・・Ｖｂ２－（Ｒ）を有する近傍計測点と、基準点Ｃ１の特徴ベクトルＶｃ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｃ２－（１）・Ｖｃ２－（２）・・・Ｖｃ２－（Ｒ）を有する近傍計測点とを抽出する。

同様にして、図９（ｂ）に示すように、仮対応点算出部１４は、第３点群データＰ３において、特徴ベクトルＶａ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶａ３－（１）・Ｖａ３－（２）・・・Ｖａ３－（Ｒ）を有する近傍計測点、特徴ベクトルＶｂ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｂ３－（１）・Ｖｂ３－（２）・・・Ｖｂ３－（Ｒ）を有する近傍計測点および特徴ベクトルＶｃ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｃ３－（１）・Ｖｃ３－（２）・・・Ｖｃ３－（Ｒ）を有する近傍計測点を抽出する。

同様にして、図９（ｃ）に示すように、仮対応点算出部１４は、第４点群データＰ４において、特徴ベクトルＶａ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶａ４－（１）・Ｖａ４－（２）・・・Ｖａ４－（Ｒ）を有する近傍計測点、特徴ベクトルＶｂ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｂ４－（１）・Ｖｂ４－（２）・・・Ｖｂ４－（Ｒ）を有する近傍計測点および特徴ベクトルＶｃ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位までの特徴ベクトルＶｃ４－（１）・Ｖｃ４－（２）・・・Ｖｃ４－（Ｒ）を有する近傍計測点を抽出する。

次に、図１０に示すように、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２における基準点Ａ１の近傍計測点のうち類似度の順位が最も高い近傍計測点Ａ２－（１）を選択し、基準点Ａ１に対応する近傍計測点Ａ２－（１）（以下、選択された近傍計測点を単に「対応する近傍計測点Ａ２－（ｎ）」と記す。なお、ｎは任意の数である。）とする。仮対応点算出部１４は、基準点Ａ１と対応する近傍計測点Ａ２－（１）とのユークリッド距離Ｌａ（１）を算出する。同様に、仮対応点算出部１４は、基準点Ｂ１と対応する近傍計測点Ｂ２－（１）とのユークリッド距離Ｌｂ（１）および基準点Ｃ１と対応する近傍計測点Ｃ２－（１）とのユークリッド距離Ｌｃ（１）を算出する。

仮対応点算出部１４は、算出したユークリッド距離Ｌａ（１）、ユークリッド距離Ｌｂ（１）およびユークリッド距離Ｌｃ（１）について、標準偏差Ｓａ（１）・Ｓｂ（１）・Ｓｃ（１）を算出する。仮対応点算出部１４は、標準偏差Ｓａ（１）・Ｓｂ（１）・Ｓｃ（１）が閾値Ｓ未満の場合、第２点群データＰ２において、近傍計測点Ａ２－（１）を基準点Ａ１の仮対応点Ａ２とし、近傍計測点Ｂ２－（１）を基準点Ｂ１の仮対応点Ｂ２とし、近傍計測点Ｃ２－（１）を基準点Ｃ１の仮対応点Ｃ２とする。

一方、仮対応点算出部１４は、標準偏差Ｓａ（１）・Ｓｂ（１）・Ｓｃ（１）のうち、少なくとも一つが閾値Ｓ以上の場合、その対応する近傍計測点の次に類似度が高い近傍計測点を新たに選択して対応する近傍計測点とし、新たな対応する近傍計測点についてユークリッド距離の標準偏差を算出して閾値Ｓ未満か否かを判定する。例えば、標準偏差Ｓａ（１）が閾値Ｓ以上の場合、対応する近傍計測点Ａ２－（１）の次に類似度が高い近傍計測点Ａ２－（２）を新たに対応する近傍計測点として、基準点Ａ１と対応する近傍計測点Ａ２－（２）についてユークリッド距離Ｌｂ（２）を算出する。仮対応点算出部１４は、算出したユークリッド距離Ｌａ（２）、ユークリッド距離Ｌｂ（１）およびユークリッド距離Ｌｃ（１）について、標準偏差Ｓａ（２）・Ｓｂ（１）・Ｓｃ（１）を算出し、それらが閾値Ｓ未満か否かを判定する。このようにして、仮対応点算出部１４は、ユークリッド距離の標準偏差が閾値Ｓ未満に収まるまで類似度の順に近傍計測点を対応する近傍計測点として選択する。仮対応点算出部１４は、類似度がＲ位の近傍計測点おけるユークリッド距離の標準偏差が閾値Ｓ未満にならない場合、その基準点に対する仮対応点の該当なしと判断する。

同様にして、仮対応点算出部１４は、第３点群データＰ３における基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１の対応する近傍計測点の類似度とユークリッド距離の標準偏差とに基づいて、基準点Ａ１の仮対応点Ａ３、基準点Ｂ１の仮対応点Ｂ３および基準点Ｃ１の仮対応点Ｃ３を算出する。さらに、仮対応点算出部１４は、第４点群データＰ４における基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１に対する近傍計測点の類似度とユークリッド距離の標準偏差とに基づいて、基準点Ａ１の仮対応点Ａ４、基準点Ｂ１の仮対応点Ｂ４および基準点Ｃ１の仮対応点Ｃ４を算出する。

以下に、図１１を用いて、三次元データ生成装置１１の仮対応点算出部１４による仮対応点算出工程Ｋ２００について具体的に説明する。本実施形態において、三次元データ生成装置１１が第２点群データＰ２における基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１に対する仮対応点を算出する場合について説明するものとする。

図１１に示すように、ステップＳ２１０において、三次元データ生成装置１１の仮対応点算出部１４は、ＩＣＰアルゴリズムによって第１点群データＰ１に対して第２点群データＰ２の位置を位置合わせし、ステップをステップＳ２２０に移行させる。

ステップＳ２２０において、仮対応点算出部１４は、第１点群データＰ１における基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１の特徴ベクトルＶａ１・Ｖｂ１・Ｖｃ１を算出し、ステップをステップＳ２３０に移行させる。

ステップＳ２３０において、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２において基準点Ａ１の特徴ベクトルＶａ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位の特徴ベクトルＶａ２－（１）・Ｖａ２－（２）・・・Ｖａ２－（Ｒ）を有する各近傍計測点Ａ２－（ｎ）、基準点Ｂ１の特徴ベクトルＶｂ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位の特徴ベクトルＶｂ２－（１）・Ｖｂ２－（２）・・・Ｖｂ２－（Ｒ）を有する各近傍計測点Ｂ２－（ｎ）、基準点Ｃ１の特徴ベクトルＶｃ１とのコサイン類似度の順位が１位からＲ位の特徴ベクトルＶｃ２－（１）・Ｖｃ２－（２）・・・Ｖｃ２－（Ｒ）を有する各近傍計測点Ｃ２－（ｎ）を算出し、ステップをステップＳ２４０に移行させる（ｎは任意の数）。

ステップＳ２４０において、仮対応点算出部１４は、類似度の順位がｋ位の近傍計測点Ａ２－（ｋ）を対応する近傍計測点Ａ２－（ｋ）とし、基準点Ａ１とのユークリッド距離Ｌａ（ｋ）、類似度の順位がｋ位の近傍計測点Ｂ２－（ｋ）を対応する近傍計測点Ｂ２－（ｋ）とし、基準点Ｂ１とのユークリッド距離Ｌｂ（ｋ）および類似度の順位がｋ位の近傍計測点Ｃ２－（ｋ）を対応する近傍計測点Ｃ２－（ｋ）とし、基準点Ｃ１とのユークリッド距離Ｌｃ（ｋ）を算出し、ステップをステップＳ２５０に移行させる（ｋは任意の数）。

ステップＳ２５０において、仮対応点算出部１４は、ユークリッド距離Ｌａ（ｋ）、ユークリッド距離Ｌｂ（ｋ）およびユークリッド距離Ｌｃ（ｋ）について、標準偏差Ｓａ（ｋ）・Ｓｂ（ｋ）・Ｓｃ（ｋ）を算出し、ステップをステップ２６０に移行させる。

ステップＳ２６０において、仮対応点算出部１４は、標準偏差Ｓａ（ｋ）・Ｓｂ（ｋ）・Ｓｃ（ｋ）が閾値Ｓ未満である否かを判断する。
その結果、標準偏差Ｓａ（ｋ）・Ｓｂ（ｋ）・Ｓｃ（ｋ）が閾値Ｓ未満であると判定された場合、制御装置２９はステップをＳ２７０に移行させる。
一方、標準偏差Ｓａ（ｋ）・Ｓｂ（ｋ）・Ｓｃ（ｋ）のうち少なくとも一つがが閾値Ｓ未満でないと判定された場合、制御装置２９はステップをステップＳ２８０に移行させる。

ステップＳ２７０において、仮対応点算出部１４は、第２点群データＰ２において、対応する近傍計測点Ａ２－（ｋ）を基準点Ａ１の仮対応点Ａ２とし、対応する近傍計測点Ｂ２－（ｋ）を基準点Ｂ１の仮対応点Ｂ２とし、対応する近傍計測点Ｃ２－（ｋ）を基準点Ｃ１の仮対応点Ｃ２として仮対応点算出工程Ｋ２００を終了し、形状判定工程Ｋ３００に移行させる（図３参照）。

ステップＳ２８０において、仮対応点算出部１４は、標準偏差が閾値Ｓ未満でない対応する近傍計測点が属する近傍計測点の中から類似度の順位が（ｋ＝ｋ＋１）位の近傍計測点を選択し、すなわち標準偏差が閾値Ｓ以上である対応する近傍計測点が属する近傍計測点における選択する近傍計測点の類似度の順位を（ｋ＝ｋ＋１）位とし、ステップをステップＳ２４０に移行させる。

ステップＳ２９０において、仮対応点算出部１４は、ｋ＝ｎ＋１である否かを判断する。すなわち、仮対応点算出部１４は、近傍計測点の全ての標準偏差が閾値Ｓ以上であるか否かを判断する。
その結果、ｋ＝ｎ＋１であると判断された場合、すなわち、近傍計測点の全ての標準偏差が閾値Ｓ以上であると判断された場合、制御装置２９はステップをＳ３００に移行させる。
一方、ｋ＝ｎ＋１でないと判定された場合、すなわち、近傍計測点の全ての標準偏差が閾値Ｓ以上であると判断されていない場合、制御装置２９はステップをステップＳ２４０に移行させる。

ステップＳ３００において、仮対応点算出部１４は、近傍測定点に仮対応点に相当するものが無いとし、仮対応点算出工程Ｋ２００を終了し、形状判定工程Ｋ３００に移行させる（図３参照）。

次に、図１２（ａ）と図１３とを用いて、三次元データ生成装置１１の形状判定部１５による形状判定工程Ｋ３００について具体的に説明する。本実施形態において、三次元データ生成装置１１が第１点群データＰ１におけるオブジェクトＯｂ１の形状を判定する場合について説明するものとする。

図１２に示すように、形状判定工程Ｋ３００として、三次元データ生成装置１１は、第１点群データＰ１において、形状判定部１５によって基準点Ａ１の球状空間Ｓａ１内にある反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点に対して最小二乗法により基準近似平面Ｆａ１を算出する。次に、形状判定部１５は、基準近似平面Ｆａ１を算出した各計測点から基準近似平面Ｆａ１までの距離の総和Ｌａ１（不図示）を算出する。形状判定部１５は、算出した距離の総和Ｌａ１が形状閾値Ｌｌ以上である場合、球状空間Ｓａ１内の形状が立体形状であると判定し、距離の総和Ｌｔが形状閾値Ｌｌ未満である場合、球状空間Ｓａ１内の形状が平面形状であると判定する。

同様にして、形状判定部１５は、第１点群データＰ１の図示しない球状空間Ｓｂ１内における反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点に対して最小二乗法により基準近似平面Ｆｂ１を算出し、距離の総和Ｌｂ１に基づいて球状空間Ｓｂ１内の形状が立体形状か平面形状か判定する。さらに、形状判定部１５は、第１点群データＰ１の図示しない球状空間Ｓｃ１内における反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点に対して最小二乗法により基準近似平面Ｆｃ１を算出し、距離の総和Ｌｃ１に基づいて球状空間Ｓｃ１内の形状が立体形状か平面形状か判定する。

三次元データ生成装置１１は、球状空間Ｓａ１・Ｓｂ１・Ｓｃ１のうち一の球状空間（本実施形態において球状空間Ｓａ１とする）内の形状を基準形状と定める。そして、三次元データ生成装置１１は、他の球状空間（本実施形態において球状空間Ｓｂ１・Ｓｃ１）のうち少なくとも一つの形状判定の結果が基準形状の形状判定の結果と同一である場合、基準形状の形状判定の結果を計測対象であるオブジェクトＯｂ１の形状とする。一方、三次元データ生成装置１１は、他の球状空間（本実施形態において球状空間Ｓｂ１・Ｓｃ１）の形状判定の結果が基準形状の形状判定の結果と異なる場合、対応点の導出を停止する。

以下に、図１３を用いて、三次元データ生成装置１１の形状判定部１５による形状判定工程Ｋ３００について具体的に説明する。

図１３に示すように、ステップＳ３１０において、三次元データ生成装置１１の形状判定部１５は、第１点群データＰ１の各球状空間Ｓａ１・Ｓｂ１・Ｓｃ１内の反射強度Ｒｅ以上の計測点に基づいて基準近似平面Ｆａ１・Ｆｂ１・Ｆｃ１を算出し、ステップをステップＳ３２０に移行させる。

ステップＳ３２０において、形状判定部１５は、基準近似平面Ｆａ１・Ｆｂ１・Ｆｃ１を算出した各計測点から対応する基準近似平面Ｆａ１・Ｆｂ１・Ｆｃ１までの距離の総和Ｌａ１・Ｌｂ１・Ｌｃ１を算出し、ステップをステップＳ３３０に移行させる。

ステップＳ３３０において、形状判定部１５は、算出した距離の総和Ｌａ１・Ｌｂ１・Ｌｃ１が形状閾値Ｌｌ未満か否かを判定し、ステップをステップＳ３４０に移行させる。

ステップＳ３４０において、形状判定部１５は、距離の総和Ｌｂ１の判定と距離の総和Ｌｃ１の判定とのうち少なくとも一つの判定が距離の総和Ｌａ１の判定と同一であるが否かを判断する。
その結果、距離の総和Ｌｂ１の判定と距離の総和Ｌｃ１の判定とのうち少なくとも一つの判定が距離の総和Ｌａ１の判定と同一であると判定された場合、制御装置２９はステップをＳ３５０に移行させる。
一方、距離の総和Ｌｂ１の判定と距離の総和Ｌｃ１の判定とが距離の総和Ｌａ１の判定と同一でないと判定された場合、制御装置２９はステップをステップＳ３７０に移行させる。

ステップＳ３５０において、形状判定部１５は、距離の総和Ｌａ１が形状閾値Ｌｌ未満であるか否かを判断する。
その結果、距離の総和Ｌａ１が形状閾値Ｌｌ未満であると判定された場合、制御装置２９はステップをＳ３６０に移行させる。
一方、距離の総和Ｌａ１が形状閾値Ｌｌ未満でないと判定された場合、制御装置２９はステップをステップＳ３８０に移行させる。

ステップＳ３６０において、形状判定部１５は、オブジェクトＯｂ１が平面形状であると定め、形状判定工程Ｋ３００を終了し、外形線算出工程Ｋ４００に移行させる（図３参照）。

ステップＳ３７０において、形状判定部１５は、形状の判定が不能であるとして、形状判定工程Ｋ３００を終了し、対応点の導出を停止する。

ステップＳ３８０において、形状判定部１５は、オブジェクトＯｂ１が立体形状であると定め、形状判定工程Ｋ３００を終了し、外形線算出工程Ｋ４００に移行させる（図３参照）。

次に、図１２、図１４および図１６を用いて、三次元データ生成装置１１の外形線算出部１６による外形線算出工程Ｋ４００について具体的に説明する。本実施形態において、第１点群データＰ１におけるオブジェクトＯｂ１上に基準点Ａ１のみが指定されている場合について説明するものとする。

図１２（ａ）に示すように、第１点群データＰ１のオブジェクトＯｂ１が平面形状である場合、三次元データ生成装置１１は、外形線算出部１６によって算出した基準近似平面Ｆａ１に基準点Ａ１が接するように基準近似平面Ｆａ１の位置を補正する。外形線算出部１６は、基準近似平面Ｆａ１に球状空間Ｓａ１内における反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点を投影し、その投影図形の外形線Ｃａ１を算出する。
次に、図１４に示すように、外形線算出部１６は、算出した外形線Ｃａ１に対して点群データ用記憶部１９に記憶されている全ての形状パターンＰ（１）・Ｐ（２）・・Ｐ（ｍ）を照合して最も適合する形状パターンＰ（ｎ）を決定する。

図１２（ｂ）に示すように、第１点群データＰ１のオブジェクトＯｂ１が立体形状である場合、三次元データ生成装置１１は、外形線算出部１６によって基準となる平面（例えば、地表面）を基準として、球状空間Ｓａ１が全て含まれるように所定の間隔ｈで複数の仮想平面を設定する。本実施形態において、外形線算出部１６は、５つの仮想平面Ｖｐ１・Ｖｐ２・Ｖｐ３・Ｖｐ４・Ｖｐ５を設定する。

図１６に示すように、外形線算出部１６は、球状空間Ｓａ１内における反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点をそれぞれ最も近い位置にある仮想平面に投影し、仮想平面Ｖｐ１における外形線Ｃａ１（１）、仮想平面Ｖｐ２における外形線Ｃａ１（２）・仮想平面Ｖｐ３における外形線Ｃａ１（３）、仮想平面Ｖｐ４における外形線Ｃａ１（４）、仮想平面Ｖｐ５における外形線Ｃａ１（５）を算出する。同様にして、外形線算出部１６は、第１点群データＰ１の球状空間Ｓｂ１・Ｓｃ１内における反射強度Ｒｅ以上の全ての計測点をそれぞれ最も近い位置にある仮想平面に投影して、球状空間Ｓｂ１における外径線Ｃｂ１（１）・・Ｃｂ１（５）、球状空間Ｓｃ１における外径線Ｃｃ１（１）・・Ｃｃ１（５）を算出する。次に、外形線算出部１６は、算出した外形線Ｃａ１（１）・・Ｃａ１（５）、外形線Ｃｂ１（１）・・Ｃｂ１（５）、外形線Ｃｃ１（１）・・Ｃｃ１（５）に対して点群データ用記憶部１９に記憶されている全ての形状パターンＰ（１）・Ｐ（２）・・Ｐ（ｍ）を照合して最も適合する形状パターンＰ（ｎ）を決定する。

次に、図１５と図１６とを用いて、三次元データ生成装置１１の対応点算出部１７による対応点算出工程Ｋ５００について具体的に説明する。三次元データ生成装置１１は、対応点算出部１７によって決定した形状パターンＰ（ｎ）を基準として各点群データにおける共通の対応点を算出する。

図１５（ａ）に示すように、第１点群データＰ１のオブジェクトＯｂ１が平面形状であって、決定した形状パターンＰ（ｎ）が円形の場合、オブジェクトＯｂ１上に基準点Ａ１のみが指定されているものとする。

オブジェクトＯｂ１が円形である場合、対応点算出部１７は、第１点群データＰ１における基準近似平面Ｆａ１に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置に対応点Ｃｐ１を追加する補点を行う。同様にして、対応点算出部１７は、図示しない第２点群データＰ２に対応点Ｃｐ２を追加する補点を行い、図示しない第３点群データＰ３に対応点Ｃｐ３を追加する補点を行い、図示しない第４点群データＰ４に対応点Ｃｐ４を追加する補点を行う。次に、対応点算出部１７は、基準近似平面Ｆａ１に投影された対応点Ｃｐ１を含む計測点を投影前の座標値に座標変換する。このようにして、三次元データ生成装置１１は、第１点群データＰ１の対応点Ｃｐ１の座標値およびその平面法線ベクトル、第２点群データＰ２の対応点Ｃｐ２の座標値およびその平面法線ベクトル、第３点群データＰ３の対応点Ｃｐ３の座標値およびその平面法線ベクトル、第４点群データＰ４の対応点Ｃｐ４の座標値およびその平面法線ベクトルを出力する。

図１５（ｂ）に示すように、第１点群データＰ１のオブジェクトＯｂ１が平面形状であって、決定した形状パターンＰ（ｎ）が平面図形の矩形の場合、オブジェクトＯｂ１上に基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１が指定されているものとする。

オブジェクトＯｂ１が矩形である場合、対応点算出部１７は、第１点群データＰ１における基準近似平面Ｆａ１・Ｆｂ１・Ｆｃ１に投影された形状パターンＰ（ｎ）の境界線上であって、基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１のそれぞれに最も近い位置に対応点Ｃｐａ１・Ｃｐｂ１・Ｃｐｃ１を追加する補点を行う。同様にして、対応点算出部１７は、図示しない第２点群データＰ２におけるオブジェクトＯｂ２において、仮対応近似平面Ｆａ２・Ｆｂ２・Ｆｃ２に投影された形状パターンＰ（ｎ）の境界線の境界線上であって、仮対応点Ａ２・Ｂ２・Ｃ２のそれぞれに最も近い位置に対応点Ｃｐａ２・Ｃｐｂ２・Ｃｐｃ２を追加する補点を行う。第３点群データＰ３、第４点群データＰ４についても同様である。次に、対応点算出部１７は、基準近似平面Ｆａ１に投影された対応点Ｃｐａ１・Ｃｐｂ１・Ｃｐｃ１を含む計測点を投影前の座標値に座標変換する。このようにして、三次元データ生成装置１１は、第１点群データＰ１の対応点Ｃｐａ１の座標値およびその平面法線ベクトル、対応点Ｃｐｂ１の座標値およびその平面法線ベクトル、対応点Ｃｐｃ１の座標値およびその平面法線ベクトルを出力する。

図１２（ａ）に示すように、第１点群データＰ１のオブジェクトＯｂ１が立体形状であって、決定した形状パターンＰ（ｎ）が円形の場合、オブジェクトＯｂ１上に基準点Ａ１のみが指定されているものとする。

図１６に示すように、オブジェクトＯｂ１が円形の立体形状である場合、対応点算出部１７は、第１点群データＰ１における仮想平面Ｖｐ１に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置に対応点Ｃｐａ１（１）を追加し、仮想平面Ｖｐ２に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置にそれぞれ対応点Ｃｐａ１（２）を追加し、仮想平面Ｖｐ３に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置にそれぞれ対応点Ｃｐａ１（３）を追加し、仮想平面Ｖｐ４に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置にそれぞれ対応点Ｃｐａ１（４）を追加し、仮想平面Ｖｐ５に投影された形状パターンＰ（ｎ）の中心位置にそれぞれ対応点Ｃｐａ１（５）を追加する補点を行う。

次に、対応点算出部１７は、第１点群データＰ１において、仮想平面Ｖｐ１に投影された対応点Ｃｐａ１（１）を含む計測点を投影前の座標値に座標変換する。同様に、対応点算出部１７は、仮想平面Ｖｐ２に投影された対応点Ｃｐａ１（２）、仮想平面Ｖｐ３に投影された対応点Ｃｐａ１（３）、仮想平面Ｖｐ４に投影された対応点Ｃｐａ１（４）、仮想平面Ｖｐ５に投影された対応点Ｃｐａ１（５）、を含む計測点を投影前の座標値に座標変換する。対応点算出部１７は、座標変換後の対応点Ｃｐａ１（１）、対応点Ｃｐａ１（２）、対応点Ｃｐａ１（３）、対応点Ｃｐａ１（４）、対応点Ｃｐａ１（５）を通る近似直線Ａｌａ１を算出する。このようにして、三次元データ生成装置１１は、近似直線Ａｌａ１を出力する。

さらに、図１７に示すように、三次元データ生成装置１１は、位置合わせ部１８によって三次元データ生成工程について具体的に説明する。本実施形態において、第１点群データＰ１におけるオブジェクトＯｂ１が平面形状であるものとする。

図１７に示すように、三次元データ生成工程として、三次元データ生成装置１１は、位置合わせ部１８によって第１点群データＰ１の対応点Ｃｐ１およびその平面法線ベクトル、第２点群データＰ２の対応点Ｃｐ２およびその平面法線ベクトル、第３点群データＰ３の対応点Ｃｐ３およびその平面法線ベクトル、第４点群データＰ４の対応点Ｃｐ４およびその平面法線ベクトルを、各点群データにおける基準として重ね合わせる。これにより、三次元データ生成装置１１は、複数の第１点群データＰ１、第２点群データＰ２・第３点群データＰ３、第４点群データＰ４を高精度に合成することができる。

このように構成することで、対応点導出方法は、仮対応点算出工程Ｋ２００において、ＩＣＰアルゴリズムを用いた位置合わせ、特徴ベクトルによる類似度の算出、ユークリッド距離の標準偏差による選別によって基準点と近傍計測点との位置のズレが抑制される。また、所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定工程Ｋ３００によって判定された球状空間の形状に応じて点群データの処理が実施されるまた、外形線算出工程Ｋ４００において、計測時のノイズや計測誤差が基準よりも大きい点群データが除外される。また、対応点算出工程Ｋ５００において、予め登録されているｍ個の形状パターンＰ（１）・Ｐ（２）・・Ｐ（ｍ）に基づいて対応点が算出されるので計測点の有無に関わらず対応点が設定される。つまり、一の点群データにおいて指定した基準点に対応する計測点が他の点群データに存在しなくても、全ての点群データおいて同一の位置に対応点が算出される。これにより、レーザスキャナ７によって測距された複数の点群データを精度よくマッチングすることができる。

以上、本実施形態において、対応点導出方法は、第１点群データＰ１において、複数の基準点Ａ１・Ｂ１・Ｃ１が設定されているがこれに限定するものではなく、単一の基準点Ａ１のみを設定してもよい。この場合、対応点導出方法では、仮対応点算出工程Ｋ２００において、基準点Ａ１の特徴ベクトルＶａ１に対する近傍計測点の特徴ベクトルＶａ２－（１）・Ｖａ２－（２）・・Ｖａ２－（ｎ）うち類似度が最も高い特徴ベクトルＶａ２－（１）を持つ対応する近傍計測点Ａ２－（１）を仮対応点とする。

また、本実施形態において、計測装置２は走行車両３に設けられているが、地上の所定の位置に設置する構成でもよい。
図１８に示すように、本発明に係る三次元データ生成システム１の計測装置の他の実施形態である計測装置２０は、ＧＮＳＳ４を内蔵するレーザスキャナ２１から構成される。レーザスキャナ２１は、三脚等によって地上面の所定の位置に設置されている。レーザスキャナ２１は、内蔵されているＧＮＳＳ４によってその位置情報を算出するように構成されている。レーザスキャナ２１は、ＧＮＳＳ４によって設置位置の緯度、経度、高度を算出するための情報を取得し、設置位置から所定の範囲に含まれる地物までの距離を計測する。

上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１ 三次元データ生成システム
２ 計測装置
１１ 三次元データ生成装置
Ｐ１ 第１点群データ
Ｐ２ 第２点群データ
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１ 基準点
Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１ 特徴ベクトル
Ａ２・Ｂ２・Ｃ２ 仮対応点
Ｃａ２、Ｃｂ２、Ｃｃ２ 外形線
Ｐ（ｎ） 形状パターン
Ｃｐ２ 対応点

Claims (7)

1. 計測対象物体の形状を同一または異なる位置から光学的に計測した複数の点群データにおいて、一の点群データの基準点に対応する他の点群データ中の対応点を導出する対応点導出方法であって、
   情報処理装置が、
   前記複数の点群データを生成し、前記一の点群データを画像表示装置に表示して、画像上で指定された任意の計測点を基準点とする基準点設定工程と、
   前記他の点群データにおいて、前記基準点の座標位置から所定距離内にある近傍計測点のうち、前記基準点を中心とする所定半径の球状空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに前記所定半径よりも小さい半径からなる球状空間で１６分割した球状空間の各内部空間内における所定の反射強度以上の計測点の数を特徴量とする特徴ベクトルと近傍計測点を中心とする所定半径の球状空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに前記所定半径よりも小さい半径からなる球状空間で１６分割した球状空間の各内部空間内における所定の反射強度以上の計測点の数を特徴量とする特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて対応する近傍計測点を仮対応点とする仮対応点算出工程と、
   前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点に対して最小二乗法により基準近似平面を算出し、前記基準近似平面を算出した各計測点から前記基準近似平面までの距離の総和に基づいて前記複数の計測点が示す所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定工程と、
   前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点、および前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点を所定の仮想平面にそれぞれ投影し、その外形線を算出する外形線算出工程と、
   予め登録されている複数の形状パターンからそれぞれの前記外形線に最も近似する形状パターンを選択し、選択した形状パターンに基づいて前記点群データ毎に対応点を算出する対応点算出工程と、を行う対応点導出方法。
2. 前記仮対応点算出工程において、
   前記基準点の特徴ベクトルと前記近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて、前記基準点毎に近傍計測点の中から前記対応する近傍計測点を選択し、
   前記基準点毎に前記対応する近傍計測点までの距離をそれぞれ算出し、
   前記基準点毎に算出した前記対応する近傍計測点までの距離の標準偏差が閾値未満である場合、全ての選択した前記対応する近傍計測点を仮対応点とし、
   前記基準点毎に算出した前記対応する近傍計測点までの距離の標準偏差が閾値以上である場合、特徴ベクトルと前記近傍計測点の特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて、その前記基準点の前記近傍計測点の中から新たに対応する近傍計測点を選択する請求項１に記載の対応点導出方法。
3. 前記形状判定工程において、
   前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和が形状閾値以上の場合、前記所定空間の形状が立体形状であると判定し、前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和が形状閾値未満の場合、前記所定空間の形状が平面形状であると判定する請求項１または請求項２に記載の対応点導出方法。
4. 前記形状判定工程において、
   前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点に対して最小二乗法により仮対応近似平面を算出し、前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点と前記仮対応近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果が、前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果と同一である場合、前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点と前記基準近似平面との間の距離の総和に基づく前記所定空間の形状の判定結果を確定させる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の対応点導出方法。
5. 前記外形線算出工程において、
   判定された前記所定空間の形状が平面形状である場合、前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点を前記基準近似平面に投影し、前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点を前記仮対応近似平面に投影し、
   判定された前記所定空間の形状が立体形状である場合、所定の間隔で複数の仮想平面を設定し、前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点をそれぞれ最も近い位置の仮想平面に投影し、前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点をそれぞれ最も近い位置の仮想平面に投影し、各仮想平面において外形線を算出する請求項４に記載の対応点導出方法。
6. 前記対応点算出工程において、
   選択された前記形状パターンが円形の平面形状である場合、前記形状パターンの中心位置を投影後の対応点とし、
   選択された前記形状パターンが多角形の平面形状である場合、前記基準点または前記仮対応点に最も近い前記形状パターンの境界線上の位置を投影後の対応点とし、前記投影後の対応点を含む計測点の座標値を前記仮対応近似平面に投影する前の座標値に変換して投影前の対応点とし、
   選択された前記形状パターンが立体形状である場合、前記各仮想平面における形状パターンの中心位置の座標値を投影後の対応点とし、前記投影後の各対応点を含む計測点の座標値を前記仮想平面に投影する前の座標値に変換して投影前の対応点とし、前記投影前の各対応点を通る近似直線を算出する請求項４または請求項５に記載の対応点導出方法。
7. 計測対象物体の形状を同一または異なる位置から光学的に計測した複数の点群データにおいて、一の点群データの基準点に対応する他の点群データ中の対応点を導出する対応点算出装置であって、
   情報処理装置と、画像表示処理装置とを備え、
   前記情報処理装置が、
   計測された前記複数の点群データ、および前記画像処理装置で指定される計測点の情報を取り込むデータ取得部と、
   前記点群データ、および算出されたデータを前記画像表示装置に出力するデータ出力部と、
   前記他の点群データにおいて、前記基準点の座標位置の座標位置から所定距離内にある近傍計測点のうち、前記基準点を中心とする所定半径の球状空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに前記所定半径よりも小さい半径からなる球状空間で１６分割した球状空間の各内部空間内における所定の反射強度以上の計測点の数を特徴量とする特徴ベクトルと前記近傍計測点を中心とする所定半径の球状空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準として８分割し、さらに前記所定半径よりも小さい半径からなる球状空間で１６分割した球状空間の各内部空間内における所定の反射強度以上の計測点の数を特徴量とする特徴ベクトルとのコサイン類似度に基づいて対応する近傍計測点を仮対応点とする仮対応点算出部と、
   前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点に対して最小二乗法により基準近似平面を算出し、前記基準近似平面を算出した各計測点から前記基準近似平面までの距離の総和に基づいて前記複数の計測点が示す所定空間の形状が平面形状か立体形状か判定する形状判定部と、
   前記基準点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点、および前記仮対応点の座標位置から所定距離内にある複数の計測点をそれぞれ近似平面に投影し、その外形線を算出する外形線算出部と、
   予め登録されている複数の形状パターンからそれぞれの前記外形線に最も近似する形状パターンを選択し、前記形状パターンに基づいて前記点群データ毎に対応点を算出する仮対応点算出部と、を備える対応点算出装置。
   

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