JP7405541B2 - 測量データ処理装置、測量データ処理方法および測量データ処理用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)により得られる点群データを処理する技術に関する。

レーザー光を対象物に照射し、その反射光を検出することで、反射点の三次元情報を得る技術が知られている。この技術は、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)と呼ばれている（例えば非特許文献１や非特許文献２を参照）。この三次元情報の取得を多数の点において行うことで点群データが得られる。

東芝レビューVol. 73 No6(2018年11月) 自動運転ラボ(2018年10月12日)(https://jidounten-lab.com/y_6506)

LiDARを用いた技術において、複数の領域から点群データを得、それを合成してより大きな領域の点群データを得る場合がある。この際、隣接する領域は一部重複するように各領域に対する計測が行なわれる。

各領域の計測を異なる計測装置で行う場合、部品精度の誤差や経時変化、光学部品の汚れや傷の有無、といった要因により、同じ領域に対する計測において、装置によって測距反射光の強度の違いや測距データの差が生じる場合がある。

このような背景において、本発明は、レーザー測距装置の違いによる計測値の差を是正する技術の提供を目的とする。

本発明は、対象物に測距用のレーザー光を照射し、その反射光を検出することで、前記対象物の位置を測定する第１の位置測定装置および第２の位置測定装置による測定データを受け付ける測定データ受付部と、前記対象物の重複した領域における前記第１の位置測定装置が検出した反射光の反射強度と前記第２の位置測定装置が検出した反射光の反射強度の差が減少するように、前記第１の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度および前記第２の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度の一方または両方を調整する調整部とを備える測量データ処理装置である。この発明は、方法の発明およびプログラムの発明として把握することもできる。

本発明において、前記第１の位置測定装置および前記第２の位置測定装置は、レーザー光を用いた点群データを得る装置であると共に外部標定要素の関係が既知であり、前記重複した領域における前記第１の位置測定装置が得た特定の第１の点における前記反射強度に対応する前記第２の位置測定装置が得た前記反射強度の値として、前記第１の点を囲む前記第２の位置測定装置が測定した３つ以上の点における前記反射強度の平均値が採用される態様は好ましい。

本発明によれば、レーザー測距装置の違いによる計測値の差を是正する技術が得られる。

実施形態のブロック図である。 一部重複したレーザースキャン点群を示す概念図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。 点群データ間における対応する点を求める方法の原理を示す原理図である。

１．第１の実施形態
（ハードウェアの構成）
図１には、発明を利用した測量データ処理装置の一例であるレーザースキャンデータ処理装置１００のブロック図が示されている。測量データ処理装置１００は、市販のＰＣ（パーソナルコンピュータ）を利用して構成されている。

測量データ処理装置１００は、コンピュータとして機能する。測量データ処理装置１００が備える各機能部の機能は、使用するＰＣに図１に示す各機能部を実現するためのアプリケーションソフトウェアをインストールし、当該アプリケーションソフトウェアを構成するプログラムが当該ＰＣのＣＰＵによって実行されることで実現される。各機能部の一部または全部を各種のプロセッサや電子回路で構成してもよい。また、外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）やサーバの演算部を利用して、上記機能部の少なくとも一部を実現してもよい。

測量データ処理装置１００には、異なる２つ以上のレーザースキャナが計測したレーザースキャンデータが入力される。図２に、対象となる２つのレーザースキャン点群の一例を示す。図２において黒い点の部分が測距光であるスキャン光の反射点である。図２には、第１のレーザースキャナが計測した第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャナが計測した第２のレーザースキャン点群が示されている。第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群の各領域は隣接し、一部で重複している。

ここでは、複数のレーザースキャナを組み合わせたマルチ型（複眼型）レーザースキャナを利用する。このマルチ型レーザースキャナは、スキャン範囲が限定されたレーザースキャンを複数組み合わせ、広範囲な計測エリアを確保した構造を有する。ここで、隣接するレーザースキャナは、図２に例示するように計測範囲（スキャン範囲）が一部で重複し、且つ、ずれた計測範囲となるように設定されている。利用する複数のレーザースキャナは、互いの外部標定要素の関係が既知とされている。

使用するレーザースキャナは、市販されているものを利用している。レーザースキャナに係る技術については、特開２０１０－１５１６８２号公報、特開２００８－２６８００４号公報、米国特許第８７６７１９０号公報、ＵＳ７９６９５５８号公報、ＵＳ２０１７－０２６９１９７号公報等に記載されている。また、レーザースキャナとして、米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報に記載されているような、スキャンを電子式に行う形態も採用可能である。

ここでは、レーザー光を用いた測距データを得る手段としてレーザースキャナの例を挙げるが、スキャンを行わずに面状の点群データを得るフラッシュ型LiDARといった他の形式のLiDARを用いることもできる。例えば、複数のフラッシュ型LiDARを組み合わせた複眼型構造のフラッシュ型LiDARの計測データの処理をレーザースキャンデータ処理装置１００で行なう形態も可能である。この場合、扱う測距データは、レーザースキャンによって得たデータではないが、処理の内容は、レーザースキャナが得たデータの場合と同じである。

レーザースキャンデータ処理装置１００は、レーザースキャンデータ取得部１０１、重複部分取得部１０２、反射強度取得部１０３、反射強度の差検出部１０４、反射強度調整部１０５、距離情報取得部１０６、距離情報の差検出部１０７、距離情報調整部１０８を備えている。その他、レーザースキャンデータ処理装置１００は、通常のＰＣが備えるデータ記憶装置、通信装置、ユーザーインターフェース装置を備えている。

レーザースキャンデータ取得部１０１は、外部標定要素（位置と姿勢）の関係が既知な複数のレーザースキャナからのレーザースキャンデータを受け付ける。各レーザースキャナからのレーザースキャンデータは、光学原点に関するオフセット補正が施されており、利用するマルチ型レーザースキャナの光学原点から見たスキャン光の反射点の方向と距離、反射光の強度のデータを含んでいる。

マルチ型レーザースキャナの場合、複数のレーザースキャナを複合化した構造を有するが、各レーザースキャナの光学原点の位置は一致せず、少しずれた位置にある。他方で、各レーザースキャナの位置関係は既知であるので、各レーザースキャナの光学原点の位置をオフセットすることで、全てのレーザースキャナで共有できる仮想的な光学原点を設定できる。この仮想的な光学原点がマルチ型（多眼型）レーザースキャナの光学原点となる。

重複部分取得部１０２は、隣接するレーザースキャンデータ間の重複する部分を取得する。図２には、第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群、そして２つのレーザースキャン点群が重複する重複部分が示されている。この重複部分のレーザースキャンデータが 重複部分取得部１０２で取得される。

以下、重複部分取得部１０２で行なわれる処理について、図２の場合を例に挙げ説明する。ここで、第１のレーザースキャン点群を得る第１のレーザースキャナと、第２のレーザースキャン点群を得る第２のレーザースキャナは、外部標定要素の関係が既知である。よって、第１のレーザースキャン点群の位置情報と第２のレーザースキャン点群の位置情報は、同じ座標系の上で記述できる。

ここで、第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群の中から、同じまたは近接する位置にある点（スキャン点）を探し出し、該当する点がある部分（領域）を重複部分として取得する。なお、重複部分において、２つの点群データのスキャン点が完全に重なるとは限らない。よって、スキャン点の間隔の１/２以下の距離で近接する両点群の点を重複する点と見なす。

重複する点を求める方法として、一方の点群データにおける特定の点におけるスキャン光の反射強度（および／または測距距離）に対応する他方の点群データにおけるスキャン光の反射強度（および／または測距距離）として、当該特定の点を囲む他方の点群データの複数の点におけるスキャン光の反射強度（および／または測距距離）の平均値を採用する方法もある。

図４はその原理図である。図４には、●印で示される第１の点群データと、○印で示される第２の点群データが重複した領域を、マルチ型（多眼型）レーザースキャナの光学原点（光学中心）から見た様子が示されている。ここで、●印と○印の位置は一致せず、ずれている。

ここでは、●印で示される第１の点群データの点Ａに対応する第２の点群データの点Ａ’を求める。この場合、●印で示される点Ａを囲む第２の点群データの３点以上の点を抽出する。例えば、●印で示される点Ａを囲む第２の点群データの３点である点Ｂ，点Ｃ，点Ｄを抽出する。そして、点Ｂ，点Ｃ，点Ｄの位置の平均の位置を、第１の点群データに属する点Ａに対応する第２の点群データの点Ａ’の位置と見なす（あるいはそう推定する）。この場合、対応する第２の点群データの点Ａ’は、実際には存在しない仮想的な点となる。なお、第１の点群データの特定の点（この場合は点Ａ）を囲む４点以上の点を第２の点群データの中から選択してもよい。

そして、点Ａにおける反射強度に対応する第２の点群データにおける反射強度の推定値、すなわち（仮想的な点Ａ’における推定される反射強度）として、上記点Ａを囲む３点における反射強度の平均値を採用する。平均値の求め方としては、単純平均と加重平均が挙げられる。

例えば、図４の場合における点Ａ’の反射強度Ｉを単純平均で求める場合を説明する。この場合、点Ｂの反射強度をＩ_Ｂ、点Ｃの反射強度をＩ_Ｃ、点Ｄの反射強度をＩ_Ｄとして、点Ａ’の反射強度Ｉは、Ｉ＝（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）／３となる。

また、加重平均を用いる場合、例えば各点の反射強度に対応させた重み付け係数を用いて、点Ｂ，点Ｃ，点Ｄにおける反射強度または距離の値の加重平均を計算する。

加重平均で用いる係数（重みづけ係数）として、点Ａを囲む３点（Ｂ，Ｃ，Ｄ）の点Ａに対する離れ量で定義される値を用いてもよい。ここで離れ量とは、点Ａと点Ｂとの間の距離、点Ａと点Ｃとの間の距離、点Ａと点Ｄとの間の距離である。

ここで、上記の離れ量を評価する方法として、第１の点群データにおける着目点（例えば、点Ａ）と、それを囲む第２の点群データ点（例えば、点Ｂ，Ｃ，Ｄ）の見開き角を利用する方法が挙げられる。

例えば、マルチ型（多眼型）レーザースキャナの光学原点（光学中心）をＭとする。ここで、●印で示される点Ａを囲む第２の点群データの３点Ｂ，点Ｃ，点Ｄを抽出する。そして、∠ＡＭＢ，∠ＡＭＣ，∠ＡＭＤの角度を求める。この角度は、点Ａと各点の離れ量に相当する。ここで、∠ＡＭＢ，∠ＡＭＣ，∠ＡＭＤの角度比に対応させて加重係数を設定する。この場合、上記の角度が小さいほど、加重が重く設定される。

反射強度取得部１０３は、重複部分取得部１０２で取得された重複部分における全てのスキャン点の反射強度を取得する。図２の場合でいうと、重複部分における第１のレーザースキャン点群各点の反射強度および重複部分における第２のレーザースキャン点群各点の反射強度を取得する。

反射強度の差検出部１０４は、反射強度取得部１０３が検出した重複部分における一方のレーザースキャン点群の点と、それに対応する他方のレーザースキャン点群の点との反射強度の差を検出する。ここでは、同じ位置（対応する位置）にある一方のレーザースキャン点群の点からの反射強度と他方のレーザースキャン点群の点からの反射強度の差の検出を重複部分における全ての点について行う。

例えば、第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群が重複する部分における第１のレーザースキャン点群の点をＭｉ（ｉ＝１，２，３・・・）、当該部分における第２のレーザースキャン点群の点をＮｉ（ｉ＝１，２，３・・・）とし、ＭｉとＮｉが対応する点であるとする。この場合、点Ｎｉと点Ｍｉにおけるスキャン光の反射強度の差が検出される。この差の検出は、当該部分にある全ての点について行われる。

反射強度の基準値を予め用意し、この基準値との差を求めてもよい。この場合、第１のレーザースキャン点群に属する点の反射強度と第２のレーザースキャン点群に属する点の反射強度の差が直接検出される訳ではないが、基準値を介して、当該差が検出されることになる。

反射強度調整部１０５は、反射強度の差検出部１０４が検出した重複部分における反射光の強度の差に基づき、対象となる一方または両方のスキャン点の反射光の強度の値を調整する。ここでは、重複部分における対応する点の反射強度の差が小さくなるように、一方または両方のレーザースキャン点群各点の反射強度を調整する（増大または減少させる）。

例えば、第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群が重複する部分における第１のレーザースキャン点群の点をＭｉ（ｉ＝１，２，３・・・）、当該部分における第２のレーザースキャン点群の点をＮｉ（ｉ＝１，２，３・・・）とし、ＭｉとＮｉが対応する点であるとする。

そして、点Ｎｉの反射強度Ｐ_Ｎｉと点Ｍｉの反射強度Ｐ_Ｍｉの差（Ｐ_Ｎｉ－Ｐ_Ｍｉ）の平均値をΔＰaveとする。ここで、ΔＰave＞０であり、平均的にＰ_Ｎｉ＞Ｐ_Ｍｉであるとする。この場合、第２のレーザースキャン点群全体の反射強度の値を＋ΔＰave増加させ、Ｐ_Ｍｉの反射強度をＰ_Ｎｉの反射強度に近づける。調整は、一方の点群のみに対する場合に限定されず、両方の点群に対して行ってもよい。こうして、２つのレーザースキャン点群の反射強度の差が小さくなるように調整が行われる。

Ｐ_ＮｉとＰ_Ｍｉの差を是正する方法として、予め定めた基準値になるように、Ｐ_ＮｉとＰ_Ｍｉの値を調整する方法も可能である。この場合も第１のレーザースキャン点群の各反射点からの反射光の強度と第２のレーザースキャン点群の各反射点からの反射光の強度の差が小さくなるように、２つのレーザースキャンデータの一方または両方のスキャン点の反射強度の調整が行われる。

距離情報取得部１０６は、２つのレーザースキャン点群の重複部分における各点の距離情報を取得する。ここで、取得する距離は、使用するマルチ型（多眼型）レーザースキャナの光学原点からスキャン点までの距離である。

距離情報の差検出部１０７は、重複部分における対応する一方のレーザースキャン点群の点と他方のレーザースキャン点群の点との光学原点からの距離の差を検出する。ここでは、同じ位置にある一方のレーザースキャン点群の点までの距離と他方のレーザースキャン点群の点までの距離の差の検出を重複部分における全ての点について行う。

距離情報調整部１０８は、重複部分における２つのレーザースキャン点群の距離の差に基づき、対象となる一方または両方のスキャン点の距離情報を調整する。ここでは、重複部分における対応する点の距離情報の差が小さくなるように、一方または両方のレーザースキャン点群各点の距離を調整する（増大または減少させる）。

例えば、第１のレーザースキャン点群と第２のレーザースキャン点群が重複する部分における第１のレーザースキャン点群の点をＭｉ（ｉ＝１，２，３・・・）、当該部分における第２のレーザースキャン点群の点をＮｉ（ｉ＝１，２，３・・・）とし、ＭｉとＮｉが対応する点であるとする。

そして、点Ｎｉの光学原点からの距離Ｌ_Ｎｉと点Ｍｉの光学原点からの距離Ｌ_Ｍｉの差（Ｌ_Ｎｉ－Ｌ_Ｍｉ）の平均値をΔＬaveとする。ここで、ΔＬave＞０であり、平均的にＬ_Ｎｉ＞Ｌ_Ｍｉであるとする。この場合、第２のレーザースキャン点群全体の距離情報の値を＋ΔＬave増加させ、Ｌ_ＭｉをＬ_Ｎｉに近づける。調整は、一方の点群のみに対する場合に限定されず、両方の点群に対して行ってもよい。こうして、２つのレーザースキャン点群の距離情報の差が小さくなるように調整が行われる。

Ｌ_ＮｉとＬ_Ｍｉの差を小さくする方法として、予め定めた基準値になるように、Ｌ_ＮｉとＬ_Ｍｉの値を調整する方法も可能である。

（処理の一例）
図３は、レーザースキャンデータ処理装置１００で行なわれる処理の一例を示すフローチャートである。図３の処理を実行するプログラムは、レーザースキャンデータ処理装置１００が備える記憶部や適当な記憶媒体に記憶され、そこから読み出され、レーザースキャンデータ処理装置１００を構成するＰＣのＣＰＵによって実行される。このプログラムをサーバに記憶し、インターネット経由でそこからダウンロードする形態も可能である。

ここでは、一例として、図２に例示する状況での処理を説明する。処理が開始されると、まず第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの取得が行なわれる（ステップＳ１０１）。この処理は、レーザースキャンデータ取得部１０１で行なわれる。

次に、第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの重複部分が取得される（ステップＳ１０２）。この処理は、重複部分取得部１０２で行なわれる。次に、重複部分における第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータに含まれるスキャン点の反射光の検出強度が取得される（ステップＳ１０３）。この処理は、反射強度取得部１０３で行なわれる。

次に、ステップＳ１０３において、第１のレーザースキャンデータ内から取得されたスキャン点の反射光の反射強度と第２のレーザースキャンデータ内から取得されたスキャン点の反射光の反射強度の差を検出する（ステップＳ１０４）。この処理では、第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの間で対応するスキャン点について、反射強度を比較し、その差を検出する。この処理は、反射強度の差検出部１０４で行なわれる。

次に、ステップＳ１０４で検出した重複部におけるスキャン点の反射強度の差に基づき、第１のレーザースキャンデータおよび第２のレーザースキャンデータの一方または両方の反射強度の値を調整する（ステップＳ１０５）。この調整により、ステップＳ１０４で検出された反射強度の差が是正される。この処理は、反射強度調整部１０５で行なわれる。

次に、重複部分における第１のレーザースキャンデータおよび第２のレーザースキャンデータ各点の距離を検出する（ステップＳ１０６）。ここで検出する距離は、使用するマルチ型レーザースキャナの光学原点から対象となるスキャン点までの距離である。この処理は、距離情報取得部１０６で行なわれる。

次に、第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの間で対応するスキャン点（同じ位置にあると見なせるスキャン点）について、ステップＳ１０６で検出した距離を比較し、その差を検出する（ステップ）Ｓ１０７。この処理は、距離情報の差検出部１０７で行なわれる。

次に、ステップＳ１０７で検出した重複部におけるスキャン点の距離の差に基づき、第１のレーザースキャンデータおよび第２のレーザースキャンデータの一方または両方の距離情報を調整する（ステップＳ１０８）。この調整により、ステップＳ１０７で検出された距離の差が是正される。この処理は、距離情報調整部１０８で行なわれる。

（その他）
異なる種類のレーザースキャナから得た２つの計測データに対して、本発明を適用することもできる。また、異なる種類のLiDARを用いた２つ以上の測距データに対して本発明を適用することもできる。この場合、異なる種類のLiDARから得られた複数のデータ間の差が是正される。

対象となるレーザースキャンデータが３つある場合、第１のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの間で図３の処理を行い。次に、第３のレーザースキャンデータと第２のレーザースキャンデータの間で図３の処理を行う。この際、第２のレーザースキャンデータを基準に、第３のレーザースキャンデータの反射強度と距離情報の調整を行う。

更に第４のレーザースキャンデータがある場合は、第４のレーザースキャンデータと第３のレーザースキャンデータの間で図３の処理を行う。この際、第３のレーザースキャンデータを基準に、第４のレーザースキャンデータの反射強度と距離情報の調整を行う。

同様に、Ｎ個目のレーザースキャンデータは、第Ｎのレーザースキャンデータと第Ｎ－１のレーザースキャンデータの間で図３の処理を行う。この際、第Ｎ－１のレーザースキャンデータを基準に、第Ｎのレーザースキャンデータの反射強度と距離情報の調整を行う。

一般に、特定のレーザースキャンデータの反射強度と距離情報の調整は、隣接する調整済みのレーザースキャンデータを基準に行うことができる。

Claims (4)

1. 対象物に測距用のレーザー光を照射し、その反射光を検出することで、前記対象物の位置を測定する第１の位置測定装置および第２の位置測定装置による測定データを受け付ける測定データ受付部と、
   前記対象物の重複した領域における前記第１の位置測定装置が検出した反射光の反射強度と前記第２の位置測定装置が検出した反射光の反射強度の差が減少するように、前記第１の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度および前記第２の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度の一方または両方を調整する調整部と
   を備える測量データ処理装置。
2. 対象物に測距用のレーザー光を照射し、その反射光を検出することで、前記対象物の位置を測定する第１の位置測定装置および第２の位置測定装置による測定データを受け付ける測定データ受付ステップと、
   前記対象物の重複した領域における前記第１の位置測定装置が検出した反射光の反射強度と前記第２の位置測定装置が検出した反射光の反射強度の差が減少するように、前記第１の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度および前記第２の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度の一方または両方を調整する調整ステップと
   を備える測量データ処理方法。
3. コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
   コンピュータに
   対象物に測距用のレーザー光を照射し、その反射光を検出することで、前記対象物の位置を測定する第１の位置測定装置および第２の位置測定装置による測定データを受け付ける測定データ受付ステップと、
   前記対象物の重複した領域における前記第１の位置測定装置が検出した反射光の反射強度と前記第２の位置測定装置が検出した反射光の反射強度の差が減少するように、前記第１の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度および前記第２の位置測定装置が検出した前記反射光の反射強度の一方または両方を調整する調整ステップと
   を実行させる測量データ処理用プログラム。
4. 前記第１の位置測定装置および前記第２の位置測定装置は、レーザー光を用いた点群データを得る装置であると共に外部標定要素の関係が既知であり、
   前記重複した領域における前記第１の位置測定装置が得た特定の第１の点における前記反射強度に対応する前記第２の位置測定装置が得た前記反射強度の値として、前記第１の点を囲む前記第２の位置測定装置が測定した３つ以上の点における前記反射強度の平均値が採用される請求項１に記載の測量データ処理装置。

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