JP7409517B2

JP7409517B2 - ３ｄ点群の座標を変換する装置、方法及びプログラム

Info

Publication number: JP7409517B2
Application number: JP2022550054A
Authority: JP
Inventors: 雅晶井上; 博之押田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2024-01-09
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: JPWO2022059051A1; WO2022059051A1

Description

本開示は、３Ｄ点群の座標変換装置、座標変換方法および座標変換プログラムに関する。

光や電気通信サービスは、お客様宅から局舎までを物理的な設備をつないでサービス提供を実現している。安定したサービス提供を継続するためには、設備の維持管理業務が発生し、これまで電柱やケーブルなどの通信設備状態を把握するため、保守作業者が現地へ赴き目視にて個々に点検を行い、設備の良否を判断してきた。近年、効率的に電柱設備を診断する手段として、非特許文献１に記載のＭＭＳ（ＭｏｂｉｌｅＭａｐｐｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を用いた電柱の劣化判定技術が知られている。当該技術は、３次元レーザスキャナ（３次元レーザ測量機）、カメラ、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）受信機、ＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔ：慣性計測装置）およびオドメータ（Ｏｄｏｍｅｔｅｒ：走行距離計）を具備した検査車両を用いて、３次元でレーザスキャンと画像撮影しながら市中を走行し、電柱を含む柱状構造物の３次元測量を面的に行い、絶対座標および反射強度を含む３Ｄ点群データを収集する。

また、３Ｄ点群を取得する別の手段として、固定式３Ｄレーザスキャナがある。固定式３Ｄレーザスキャナは三脚等の固定台を地面に固定し、固定台上に前記３次元レーザ測量機を設置し、当該３次元レーザ測量機は０°から３６０°の間を地面に対して水平方向に回転すると共に地面に対して垂直方向に回転するレーザを発射し、被測定対象設備を含む自然物からの当該レーザの反射光から当該検出対象設備の相対座標および反射強度を含む３Ｄ点群データを取得する。

前記検査車両もしくは三脚等の固定台に具備した３次元レーザスキャナにて取得した点群データを基に電柱の３次元モデルを作成し、当該３次元モデルから電柱のたわみベクトルを算出することで劣化を判定する。

従来技術は３Ｄ点群を取得する手段ごとに各々独自の形式でデータを保管している。ユーザ観点では同一業務で３Ｄ点群データを利用するにはデータの一元管理が望まれる。興味の対象が三次元空間上の位置情報であれば、ＸＹＺ座標の情報を抽出し一元管理すればよい。しかしながら、前述の固定式３Ｄレーザスキャナは原点を中心とした相対座標の集合であり、ＭＭＳで取得した絶対座標の３Ｄ点群データへの単純な重畳では正しい位置情報を三次元空間上に表示することはできない。すなわち、本発明が解決しようとする課題は相対座標で取得した３Ｄ点群データを絶対座標へ変換し各データを重畳させて一元管理を実現することである。

Ｍ．Ｉｎｏｕｅ，３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃａｂｌｅｓｆｒｏｍａｌａｓｅｒｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｕｓｉｎｇａｒｕｌｅ－ｂａｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｍａｃｈｉｎｅｌｅａｒｎｉｎｇ，ＩＷＣＳ２０１９．１０．

本開示では、固定式３次元レーザスキャナで取得した点群データを絶対座標へ変換し、ＭＭＳなどの別手段を用いて取得した点群データとの一元管理を可能することを目的とする。

本開示の３Ｄ点群の座標変換装置は、
３次元空間に存在する被測定物が、予め定められた原点を中心とする相対座標の点群で表された第１の点群データ、及び前記原点の絶対座標を取得し、前記点群の座標を当該絶対座標を原点とする相対座標に変換する原点座標変換処理部と、
前記点群を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点を特定する被測定物基準座標演算部と、
前記原点の絶対座標を用いて前記被測定物の基準点の絶対座標を求め、絶対座標の原点を中心にした、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点から被測定物の基準点の絶対座標への回転角を算出し、算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を絶対座標へ変換する回転座標変換演算部と、
を備える。

本開示の３Ｄ点群の座標変換方法は、
３次元空間に存在する被測定物が、予め定められた原点を中心とする相対座標の点群で表された第１の点群データ、及び前記原点の絶対座標を取得し、前記点群の各座標を当該絶対座標を原点とする相対座標に変換し、
前記点群を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点を特定し、
前記原点の絶対座標を用いて前記被測定物の基準点の絶対座標を求め、絶対座標の原点を中心にした、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点から被測定物の基準点の絶対座標への回転角を算出し、算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を絶対座標へ変換する。

本開示の３Ｄ点群の座標変換プログラムは、本開示に係る装置に備わる各機能部としてコンピュータを実現させるためのプログラムであり、本開示に係る装置が実行する通信方法に備わる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本開示によれば、固定式３次元レーザスキャナで取得した点群を絶対座標の３次元点群データへ正しく重畳することができ、ＭＭＳなどの異なる手段で取得した点群データとの一元管理が可能となる。

３次元レーザ測量機を用いて得た相対座標の点群を絶対座標へ変換し、別手段を用いて取得した絶対座標の点群に重畳する方法について説明する図である。異なる複数の点群に含まれる被測定物の点群から被測定物の相対中心座標を抽出し、被測定物中心絶対座標の演算を説明する図である。直線上で距離の異なる２つの原点から取得した点群に含まれる被測定物の点群から被測定物の相対中心座標を抽出し、被測定物中心絶対座標の演算を説明する図である。異なる２つの原点及びそれらと被測定物の構造物の間の角度から被測定物の相対中心座標を抽出し、被測定物中心絶対座標の演算を説明する図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態例）
本開示に関わる実施形態例を以下に説明する。第１図は、本開示のシステム構成の一例を示す。本開示のシステムは、座標変換装置１０、三脚固定式３Ｄスキャナ１１、ＧＮＳＳ測量器１６、ＭＭＳ１５、を備える。座標変換装置１０は、三脚固定式３Ｄスキャナ１１を用いて得た相対座標の第１の点群データを絶対座標へ変換し、ＭＭＳ１５を用いて取得した絶対座標の第２の点群データに重畳する。ここで、１２は三脚固定式３Ｄスキャナの相対座標原点であり、１３は被測定物であり、１４は被測定物の相対中心座標である。

座標変換装置１０は、３Ｄ座標情報を保管する記憶部１８、演算処理部１１２、結果表示部１１７を備える。記憶部１８は、三脚固定式３Ｄスキャナで取得した３Ｄ点群データＡ（相対座標）１９、ＧＮＳＳ測量器の原点（絶対座標）１１０、ＭＭＳ１５で取得した３Ｄ点群データＢ（絶対座標）１１１を格納する。演算処理部１１２は、原点座標変換処理部１１３、被測定物中心座標演算部１１４、回転座標変換演算部１１５、点群重畳処理部１１６を備える。座標変換装置１０は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

３Ｄ点群データとしてデジタル化をねらう被測定物１３（例えば、電柱などの構造物）を計測範囲として含め、三脚固定式３Ｄスキャナ１１にて相対座標原点１２を原点とした相対座標の３Ｄ点群を取得する。三脚固定式３Ｄスキャナ１１は、３次元レーザ測量機であり、３次元空間に存在する被測定物１３が点群で表された点群データを取得する。ここで、三脚固定式３Ｄスキャナ１１が水平方向に回転する場合、三脚固定式３Ｄスキャナ１１の設置位置を原点とした相対座標の点群が取得される。

当該取得した３Ｄ点群は３Ｄ点群データＡ（相対座標）１９として記憶部１８に格納される。また、三脚固定式３Ｄスキャナ１１と同位置に設置されたＧＮＳＳ測量器１６によってＧＮＳＳ測量器の絶対座標原点１１０を取得し、原点（絶対座標）１１０として同じく記憶部１８に格納される。相対座標原点１２とＧＮＳＳ測量器の絶対座標原点１１０は同じ位置である。前記３Ｄ点群データＡ（相対座標）１９と前記原点（絶対座標）１１０は原点座標変換処理部１１３に渡される。

原点座標変換処理部１１３は原点（絶対座標）１１０が中心となるように３Ｄ点群データＡ（相対座標）１９の点群全体を平行移動し、原点座標を変換する。ここで、原点座標変換後の相対座標原点１２は原点（絶対座標）１１０と同じ座標情報を示す。座標変換した３Ｄ点群データＡは被測定物中心座標演算部１１４へ渡される。被測定物中心座標演算部１１４では複数の座標変換した３Ｄ点群データＡの原点及び被測定物１３の相対中心座標１４を基に被測定物１３の中心の絶対座標を特定する。

ここで、被測定物中心座標演算部１１４は、被測定物基準座標演算部として機能する。本実施形態では、被測定物１３の位置が相対中心座標１４である例を示すが、被測定物１３の位置は被測定物１３の中心に限らず、被測定物１３の円周上の一点など、被測定物１３の位置を特定しうる任意の基準点でありうる。

当該被測定物１３の中心の絶対座標及び相対中心座標１４、座標変換した３Ｄ点群データＡの原点は回転座標変換演算部１１５に渡される。回転座標変換演算部１１５は、相対中心座標１４が当該被測定物１３の中心の絶対座標と同一になるように座標変換し、相対中心座標１４が当該被測定物１３の中心の絶対座標と同一になるような回転角で原点１１０を中心に３Ｄ点群データＡを回転させる。これにより、当該点群全体が絶対座標へ変換される。当該絶対座標へ変換された３Ｄ点群データＡは点群重畳処理部１１６へ渡され、また、ＭＭＳ１５で取得された３Ｄ点群データＢ（絶対座標）も同じく渡される。点群重畳処理部１１６は、絶対座標へ変換された３Ｄ点群データＡと３Ｄ点群データＢ（絶対座標）を同一データ形式に合わせ、統合する。結果表示部１１７は、点群重畳処理部１１６の重畳結果を表示する。

以後、各演算部について詳細を述べる。原点座標変換処理部１１３では３Ｄ点群データＡ（相対座標）１９に原点（絶対座標）１１０を加算して原点座標を変換する。総数Ｎの３Ｄ点群データＡ（相対座標）をＳ_Ｎとする。

ここで、Ｓ_０＝（０，０，０）がＳ_Ｎの原点座標である。

また、原点（絶対座標）１１０を（α，β，γ）とし、原点座標変換処理後のＳ’_Ｎは下記の通りに変換される。

第２図は、被測定物中心絶対座標２１０の第１の演算方法を説明する図である。第１の演算方法では、異なる複数のＳ’_Ｎに含まれる被測定物１３の点群から被測定物の相対中心座標１４を抽出し、被測定物中心絶対座標２１０を導出する。ここでは原点座標が異なる３つのＳ’_Ｎを用いる。Ｓ_１’_ＮとＳ_２’_Ｎ、Ｓ_３’_Ｎは各々原点座標２１及び原点座標２４、原点座標２７を原点（絶対座標）とした被測定物１３－１，１３－２，１３－３を含む点群である。被測定物１３－１，１３－２，１３－３は、同一の被測定物１３であり、絶対座標に変換後には同一の絶対座標になることが予め判明している被測定物である。当該原点座標２１，２４、２７は被測定物１３を囲むように配置される。

まず、原点座標２１を原点として取得された点群Ｓ_１’_Ｎから被測定物中心相対座標２３を求める。被測定物中心相対座標２３は被測定物１３の最下面の中心座標（ｘ_ｃｐ１，ｙ_ｃｐ１，ｚ_ｃｐ１）である。被測定物中心相対座標２３は点群Ｓ_１’_Ｎから三次元モデルを作成し、中心軸を抽出することで求める。

ここでは被測定物１３－１～１３－４を電信柱とし、説明する。当該点群Ｓ_１’_Ｎの３次元座標から円情報を抽出し、円モデルを縦方向に連結することにより電信柱の３次元モデルを作成する。電信柱以外の柱状物体の誤検出を避けるために予め柱長及び口径を指定する。当該指定範囲に当てはまる３次元モデルを検出対象の電信柱とする。前記電信柱モデルを構成する円モデルの中心座標を縦方向に３次近似曲線にて連結することにより中心軸を抽出する。当該中心軸の最下点を中心座標（ｘ_ｃｐ１，ｙ_ｃｐ１，ｚ_ｃｐ１）、すなわち被測定物１３－１の被測定物中心相対座標２３とする。同様に、原点座標２４を原点として取得された点群Ｓ_２’_Ｎから被測定物１３－２の被測定物中心相対座標２６、原点座標２７を原点として取得された点群Ｓ_３’_Ｎから被測定物１３－３の被測定物中心相対座標２９を求める。

当該被測定物中心相対座標２３、２６、２９は各々の原点座標２１、２４、２７に対して方位が明らかでない場合、三脚固定式３Ｄレーザスキャナ１１で点群を取得する度に原点座標２１、２４、２７を中心にｘｙ平面上に回転した箇所に被測定物中心相対座標２３、２６、２９が表示される。つまり、原点座標２１及び被測定物中心相対座標２３から原点座標２１と被測定物１３－１の間の距離２２を算出し、当該距離を半径とした原点座標２１を中心とした円上に被測定物中心絶対座標２１０があるといえる。ここで、高さ平面は同じとする。原点座標２４及び被測定物中心相対座標２６から原点座標２４と被測定物１３－２の間の距離２５を算出し、当該距離を半径とした原点座標２４を中心とした円、また、原点座標２７及び被測定物１３－３の被測定物中心相対座標２９から原点座標２７と被測定物１３－３の間の距離２８を算出し、当該距離を半径とした原点座標２７を中心とした円を演算し、当該３つの円の交点から一意に被測定物中心絶対座標２１０を抽出する。

第３図は、被測定物中心絶対座標２１０の第２の演算方法を説明する図である。第２の演算方法は、直線上で距離の異なる２つの原点から取得した点群Ｓ’_Ｎに含まれる被測定物１３の点群から被測定物の相対中心座標を抽出し、被測定物中心絶対座標２１０を導出する。ここでは原点座標が異なる２つのＳ’_Ｎを用いる。Ｓ_２’_ＮとＳ_４’_Ｎは各々原点座標２４及び原点座標３１を原点（絶対座標）とした被測定物１３－２，１３－４，１３－５を含む点群である。被測定物１３－２，１３－５は、同一の被測定物１３であり、絶対座標に変換後には同一の絶対座標になることが予め判明している被測定物である。当該原点座標３１は被測定物１３と原点座標２４の直線延長上となるように配置される。

前述と同様に、原点座標２４及び被測定物中心絶対座標２１０から原点座標２４と被測定物１３－４の間の距離２５を算出し、当該距離２５を半径とした原点座標２４を中心とした円、また、原点座標３１及び被測定物中心相対座標３３から原点座標３１と被測定物１３－５の間の距離３２を算出し、当該距離３２を半径とした原点座標３１を中心とした円を演算し、当該２つの円の接する接点から一意に被測定物中心絶対座標２１０を抽出する。当該２つの円は半径が異なり、内接することで一意の点が特定される。

第４図は、被測定物中心絶対座標２１０の第３の演算方法を説明する図である。第３の演算方法は、異なる２つの原点及びそれらと被測定物１３の構造物の間の角度から被測定物の相対中心座標を抽出し、被測定物中心絶対座標２１０を導出する。異なる２つの原点の一つは、被測定物１３－４の点群の原点座標４１である。

ここで、ｘｙ平面上を回転することとし、ｚ座標（高さ）は被測定物１３の最下面と原点座標は同じとする。また、原点座標４２は、三脚固定式３Ｄスキャナを設置する位置ではなく、原点座標４１との位置関係が既知である任意の点である。原点座標４１のｘｙ座標を（α_５，β_５）とし、原点座標４２のｘｙ座標を（α_６，β_６）とする。また、原点座標４１と原点座標４２の間の距離４３は

から計算される。原点座標４１を原点とした距離４３の線分と被測定物１３－４の間の角度４４は予め測定する。原点座標４１における原点座標４２の方位角φは、

となる。したがって、被測定物１３－４の方位角θはθ＝φ－角度４４となる。

当該方位角θを用いて、被測定物中心絶対座標２１０のｘｙ座標（α’_ｃｐ，β’_ｃｐ）は次式で演算できる。

ｚ座標は前述した三次元モデルから求めた被測定物中心相対座標のｚ座標を用い、（（α’_ｃｐ，β’_ｃｐ，ｚ_ｃｐ）が被測定物中心絶対座標２１０となる。

前記いずれかの方法で演算された被測定物中心絶対座標２１０は回転座標変換演算部１１５へ渡され、点群Ｓ’_Ｎは被測定物中心相対座標と被測定物中心絶対座標２１０が一致するまでｘｙ平面上をｚ軸まわりに回転する。回転座標変換されたＳ’_Ｎは点群重畳処理部１１６へ渡され、ＭＭＳ１５にて取得された３Ｄ点群データＢ（絶対座標）１１１の点群に重畳される。

（開示の効果）
本開示による３Ｄ点群の座標変換装置、座標変換方法および座標変換プログラムは、従来技術に対して以下の優位性を持つと考えられる。
第１に、従来技術では、固定式３Ｄレーザスキャナは原点を中心とした相対座標の集合であり、ＭＭＳで取得した絶対座標の３Ｄ点群データへの単純な重畳では正しい位置情報を三次元空間上に表示することはできない。これに対し、本開示は、固定式３Ｄレーザスキャナの原点の絶対座標を取得することができれば取得した複数の点群の演算から絶対座標化が可能であり、ＭＭＳで取得した絶対座標の３Ｄ点群データへ正しく重畳し、位置情報を三次元空間上に表示することが可能である。
第２に、従来技術では、固定式３ＤレーザスキャナとＭＭＳで取得した点群を各々データとして保管する必要があるが、異なる手段で取得した点群の重畳が可能となることでデータの一元管理が可能となりデータ管理コストを低減できる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：三脚固定式３Ｄスキャナ
１２：三脚固定式３Ｄスキャナの相対座標原点
１３、１３－２、１３－３、１３－４、１３－５：被測定物
１４：被測定物の相対中心座標
１５：ＭＭＳ
１６：ＧＮＳＳ測量器
１８：３Ｄ座標情報を保管する記憶部
１９：三脚固定式３Ｄスキャナで取得した３Ｄ点群データＡ（相対座標）
１１０：ＧＮＳＳ測量器の原点（絶対座標）
１１１：ＭＭＳで取得した３Ｄ点群データＢ（絶対座標）
１１２：演算処理部
１１３：原点座標変換処理部
１１４：被測定物中心座標演算部
１１５：回転座標変換演算部
１１６：点群重畳処理部
１１７：結果表示部

Claims

３次元空間に存在する被測定物が、予め定められた原点を中心とする相対座標の点群で表された第１の点群データ、及び前記原点の絶対座標を取得し、前記点群の座標を当該絶対座標を原点とする相対座標に変換する原点座標変換処理部と、
前記点群を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点を特定する被測定物基準座標演算部と、
前記原点の絶対座標を用いて前記被測定物の基準点の絶対座標を求め、絶対座標の原点を中心にした、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点から被測定物の基準点の絶対座標への回転角を算出し、算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を絶対座標へ変換する回転座標変換演算部と、
を備える３Ｄ点群の座標変換装置。
前記第１の点群データとは異なる方法で取得された絶対座標の第２の点群データをさらに取得し、前記回転座標変換演算部で変換された絶対座標の第１の点群データを、取得した第２の点群データと重畳する点群重畳処理部と、
前記点群重畳処理部での重畳結果を表示させる結果表示部と、
をさらに備える請求項１に記載の３Ｄ点群の座標変換装置。
前記第１の点群データは、原点の異なる３つの点群を含み、
前記３つの点群の原点の絶対座標で囲まれた範囲内に、被測定物が配置され、
前記被測定物基準座標演算部は、原点の異なる点群ごとに、被測定物の基準点を特定し、
前記回転座標変換演算部は、
原点の異なる点群ごとに、原点から被測定物の基準点までの距離を半径とする円を求め、
求められた３つの円の交点の座標を求め、
原点の異なる点群ごとに、絶対座標の原点を中心とする相対座標の被測定物の基準点から前記交点の座標への回転角を算出し、
原点の異なる点群ごとに算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を回転させる、
請求項１又は２に記載の３Ｄ点群の座標変換装置。
前記第１の点群データは、原点の異なる２つの点群を含み、
前記２つの点群の原点の絶対座標を結ぶ直線上に、被測定物が配置され、
前記被測定物基準座標演算部は、原点の異なる点群ごとに、被測定物の基準点を特定し、
前記回転座標変換演算部は、
原点の異なる点群ごとに、原点から被測定物の基準点までの距離を半径とする円を求め、
求められた２つの円の接点の座標を求め、
原点の異なる点群ごとに、絶対座標の原点を中心とする相対座標の被測定物の基準点から前記接点の座標への回転角を算出し、
原点の異なる点群ごとに算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を回転させる、
請求項１又は２に記載の３Ｄ点群の座標変換装置。
前記第１の点群データは、前記点群を取得するスキャナの設置位置を原点とした相対座標の点群であり、
前記２つ又は３つの点群は、異なる設置位置で取得された点群である、
請求項３又は４に記載の３Ｄ点群の座標変換装置。
前記被測定物基準座標演算部は、
前記原点とは異なる絶対座標の点と前記原点とを結ぶ直線に対する前記原点と前記被測定物の基準点とを結ぶ直線との前記原点における角度を取得し、
前記原点とは異なる絶対座標の点と前記原点との距離を求め、
求めた距離及び前記角度を用いて、前記被測定物の基準点の絶対座標を求め、
絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点の相対座標から被測定物の基準点の絶対座標への回転角を算出する、
請求項１又は２に記載の３Ｄ点群の座標変換装置。
３次元空間に存在する被測定物が、予め定められた原点を中心とする相対座標の点群で表された第１の点群データ、及び前記原点の絶対座標を取得し、前記点群の各座標を当該絶対座標を原点とする相対座標に変換し、
前記点群を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点を特定し、
前記原点の絶対座標を用いて前記被測定物の基準点の絶対座標を求め、絶対座標の原点を中心にした、絶対座標の原点を有する相対座標における被測定物の基準点から被測定物の基準点の絶対座標への回転角を算出し、算出した回転角を用いて、絶対座標の原点を有する相対座標の点群の座標を絶対座標へ変換する、
３Ｄ点群の座標変換方法。
請求項１から６のいずれかに記載の３Ｄ点群の座標変換装置に備わる各演算部としてコンピュータを実現させるための、３Ｄ点群の座標変換プログラム。