WO2022059051A1 - ３ｄ点群の座標を変換する装置、方法及びプログラム - Google Patents

３ｄ点群の座標を変換する装置、方法及びプログラム Download PDF

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absolute coordinates
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雅晶 井上
博之 押田
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T1/00—General purpose image data processing

Definitions

  • the present disclosure relates to a coordinate conversion device for a 3D point cloud, a coordinate conversion method, and a coordinate conversion program.
  • Optical and telecommunications services are provided by connecting physical equipment from the customer's home to the station building.
  • equipment maintenance work is required, and maintenance workers go to the site and visually inspect individually in order to grasp the state of communication equipment such as utility poles and cables. , I have judged the quality of the equipment.
  • MMS Mobile Mapping System
  • the technology is an inspection equipped with a three-dimensional laser scanner (three-dimensional laser surveying instrument), a camera, a GPS (Global Positioning System) receiver, an IMU (Inertial Measurement unit), and an odometer (mileage meter).
  • a vehicle travel in the city while performing 3D laser scanning and image capture, perform 3D survey of columnar structures including electric columns, and collect 3D point group data including absolute coordinates and reflection intensity. do.
  • a fixed 3D laser scanner fixes a fixed base such as a tripod to the ground, installs the 3D laser surveying instrument on the fixed base, and the 3D laser surveying instrument is between 0 ° and 360 ° with respect to the ground.
  • a 3D point group that emits a laser that rotates horizontally and vertically with respect to the ground, and includes the relative coordinates and reflection intensity of the equipment to be detected from the reflected light of the laser from natural objects including the equipment to be measured. Get the data.
  • Deterioration by creating a 3D model of the electric pole based on the point cloud data acquired by the 3D laser scanner provided on the inspection vehicle or a fixed base such as a tripod, and calculating the deflection vector of the electric pillar from the 3D model. To judge.
  • the conventional technology stores data in a unique format for each means of acquiring a 3D point cloud. From the user's point of view, centralized data management is desired in order to use 3D point cloud data in the same business. If the object of interest is the position information in the three-dimensional space, the XYZ coordinate information may be extracted and centrally managed.
  • the above-mentioned fixed 3D laser scanner is a set of relative coordinates centered on the origin, and the correct position information is displayed on the three-dimensional space by simply superimposing the absolute coordinates acquired by MMS on the 3D point cloud data. It is not possible. That is, the problem to be solved by the present invention is to convert the 3D point cloud data acquired in relative coordinates into absolute coordinates and superimpose each data to realize unified management.
  • the purpose of this disclosure is to convert the point cloud data acquired by the fixed 3D laser scanner into absolute coordinates and to enable centralized management with the point cloud data acquired by using another means such as MMS.
  • the coordinate conversion device for the 3D point cloud of the present disclosure is The object to be measured existing in the three-dimensional space acquires the first point group data represented by a point group having relative coordinates centered on a predetermined origin, and the absolute coordinates of the origin, and obtains the absolute coordinates of the origin.
  • the origin coordinate conversion processing unit that converts the coordinates to the relative coordinates with the absolute coordinates as the origin, Using the point cloud, the measured object reference coordinate calculation unit that specifies the reference point of the measured object at the relative coordinates having the origin of the absolute coordinates, and The absolute coordinates of the reference point of the object to be measured are obtained using the absolute coordinates of the origin, and the object to be measured is obtained from the reference point of the object to be measured in relative coordinates having the origin of the absolute coordinates centered on the origin of the absolute coordinates.
  • a rotation coordinate conversion calculation unit that calculates the rotation angle of the reference point to the absolute coordinates and converts the coordinates of the point group of relative coordinates having the origin of the absolute coordinates to the absolute coordinates using the calculated rotation angle. To prepare for.
  • the coordinate conversion method of the 3D point cloud of the present disclosure is as follows.
  • the object to be measured existing in the three-dimensional space acquires the first point cloud data represented by a point cloud having relative coordinates centered on a predetermined origin, and the absolute coordinates of the origin, and obtains the absolute coordinates of the origin. Convert each coordinate to a relative coordinate with the absolute coordinate as the origin, Using the point cloud, the reference point of the object to be measured at the relative coordinates having the origin of the absolute coordinates is specified.
  • the absolute coordinates of the reference point of the object to be measured are obtained using the absolute coordinates of the origin, and the object to be measured is obtained from the reference point of the object to be measured in relative coordinates having the origin of the absolute coordinates centered on the origin of the absolute coordinates.
  • the rotation angle of the reference point to the absolute coordinates is calculated, and the calculated rotation angle is used to convert the coordinates of the relative coordinate point group having the origin of the absolute coordinates to the absolute coordinates.
  • the coordinate conversion program of the 3D point cloud of the present disclosure is a program for realizing a computer as each functional unit provided in the apparatus according to the present disclosure, and each step provided in the communication method executed by the apparatus according to the present disclosure is provided to the computer. It is a program to be executed.
  • the point cloud acquired by the fixed 3D laser scanner can be correctly superimposed on the 3D point cloud data of absolute coordinates, and the point cloud data acquired by different means such as MMS can be centrally managed. It will be possible.
  • FIG. 1 shows an example of the system configuration of the present disclosure.
  • the system of the present disclosure includes a coordinate conversion device 10, a tripod-fixed 3D scanner 11, a GNSS surveying instrument 16, and an MMS 15.
  • the coordinate conversion device 10 converts the first point cloud data of the relative coordinates obtained by using the tripod fixed 3D scanner 11 into absolute coordinates, and superimposes it on the second point cloud data of the absolute coordinates acquired by using the MMS 15. do.
  • 12 is the relative coordinate origin of the tripod fixed 3D scanner
  • 13 is the object to be measured
  • 14 is the relative center coordinate of the object to be measured.
  • the coordinate conversion device 10 includes a storage unit 18 for storing 3D coordinate information, an arithmetic processing unit 112, and a result display unit 117.
  • the storage unit 18 stores the 3D point cloud data A (relative coordinates) 19 acquired by the tripod fixed 3D scanner, the origin (absolute coordinates) 110 of the GNSS scanner, and the 3D point cloud data B (absolute coordinates) 111 acquired by the MMS 15.
  • the calculation processing unit 112 includes an origin coordinate conversion processing unit 113, a measured object center coordinate calculation unit 114, a rotation coordinate conversion calculation unit 115, and a point group superimposition processing unit 116.
  • the coordinate conversion device 10 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the tripod-fixed 3D scanner 11 is a three-dimensional laser scanner, and acquires point cloud data in which the object 13 existing in the three-dimensional space is represented by a point cloud.
  • a point cloud having relative coordinates with the installation position of the tripod-fixed 3D scanner 11 as the origin is acquired.
  • the acquired 3D point cloud is stored in the storage unit 18 as 3D point cloud data A (relative coordinates) 19.
  • the absolute coordinate origin 110 of the GNSS surveying instrument is acquired by the GNSS surveying instrument 16 installed at the same position as the tripod fixed type 3D scanner 11, and is also stored in the storage unit 18 as the origin (absolute coordinate) 110.
  • the relative coordinate origin 12 and the absolute coordinate origin 110 of the GNSS surveying instrument are at the same position.
  • the 3D point cloud data A (relative coordinates) 19 and the origin (absolute coordinates) 110 are passed to the origin coordinate conversion processing unit 113.
  • the origin coordinate conversion processing unit 113 translates the entire point cloud of the 3D point cloud data A (relative coordinates) 19 so that the origin (absolute coordinates) 110 is at the center, and converts the origin coordinates.
  • the relative coordinate origin 12 after the origin coordinate conversion shows the same coordinate information as the origin (absolute coordinate) 110.
  • the coordinate-converted 3D point cloud data A is passed to the object center coordinate calculation unit 114.
  • the measured object center coordinate calculation unit 114 specifies the absolute coordinates of the center of the measured object 13 based on the origin of the plurality of coordinate-converted 3D point cloud data A and the relative center coordinates 14 of the measured object 13.
  • the measured object center coordinate calculation unit 114 functions as a measured object reference coordinate calculation unit.
  • the position of the object to be measured 13 is the relative center coordinate 14, but the position of the object to be measured 13 is not limited to the center of the object to be measured 13 and is one point on the circumference of the object to be measured 13. It can be any reference point that can specify the position of the object to be measured 13.
  • the absolute coordinates and relative center coordinates 14 of the center of the object to be measured 13, and the origin of the coordinate-converted 3D point cloud data A are passed to the rotation coordinate conversion calculation unit 115.
  • the rotation coordinate conversion calculation unit 115 converts the coordinates so that the relative center coordinates 14 are the same as the absolute coordinates of the center of the object to be measured 13, and the relative center coordinates 14 are the same as the absolute coordinates of the center of the object to be measured 13.
  • the 3D point group data A is rotated around the origin 110 at an angle of rotation such that. As a result, the entire point cloud is converted into absolute coordinates.
  • the 3D point cloud data A converted to the absolute coordinates is passed to the point cloud superimposition processing unit 116, and the 3D point cloud data B (absolute coordinates) acquired by the MMS 15 is also passed.
  • the point cloud superimposition processing unit 116 matches the 3D point cloud data A converted to absolute coordinates and the 3D point cloud data B (absolute coordinates) into the same data format and integrates them.
  • the result display unit 117 displays the superposition result of the point cloud superimposition processing unit 116.
  • the origin coordinate conversion processing unit 113 converts the origin coordinates by adding the origin (absolute coordinates) 110 to the 3D point cloud data A (relative coordinates) 19.
  • the 3D point cloud data A (relative coordinates) of the total number N be SN.
  • S 0 (0, 0, 0) is the origin coordinate of SN .
  • origin (absolute coordinates) 110 is set to ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ), and the S'N after the origin coordinate conversion process is converted as follows.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a first calculation method of the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured.
  • the relative center coordinates 14 of the measured object are extracted from the point cloud of the measured object 13 included in a plurality of different S'Ns , and the absolute center coordinates 210 of the measured object are derived.
  • three S'Ns with different origin coordinates are used.
  • S 1'N , S 2'N , and S 3'N are the objects to be measured 13-1, 13-2, and 13-3 with the origin coordinates 21, the origin coordinates 24, and the origin coordinates 27 as the origins (absolute coordinates), respectively.
  • It is a point cloud including.
  • the objects to be measured 13-1, 13-2, and 13-3 are the same objects 13 to be measured, and are the objects to be measured that are known in advance to have the same absolute coordinates after being converted into absolute coordinates.
  • the origin coordinates 21, 24, and 27 are arranged so as to surround the object to be measured 13.
  • the relative coordinates 23 at the center of the object to be measured are obtained from the point cloud S1'N acquired with the origin coordinates 21 as the origin.
  • the relative coordinates 23 at the center of the object to be measured are the center coordinates (x cp1 , y cp1 , z cp1 ) of the lowermost surface of the object 13 to be measured.
  • the relative coordinates 23 of the center of the object to be measured are obtained by creating a three - dimensional model from the point cloud S1'N and extracting the central axis.
  • a three-dimensional model of a telephone pole is created by extracting circle information from the three - dimensional coordinates of the point cloud S 1'N and connecting the circle models in the vertical direction.
  • the column length and diameter are specified in advance.
  • the three-dimensional model that fits in the specified range is the telegraph pole to be detected.
  • the central axis is extracted by connecting the center coordinates of the circle model constituting the telephone pole model in the vertical direction with a cubic approximation curve.
  • the lowest point of the central axis is the center coordinates (x cp1 , y cp1 , z cp1 ), that is, the relative coordinates 23 of the object to be measured 13-1.
  • the point cloud S2'N acquired with the origin coordinates 24 as the origin from the point cloud S3'N acquired with the origin coordinates 27 as the origin and the relative coordinates 26 at the center of the object to be measured 13-2.
  • the relative coordinates 29 of the center of the object to be measured of the object to be measured 13-3 are obtained.
  • the origin coordinates 21 are displayed at the locations rotated on the xy plane around 24 and 27. That is, the distance 22 between the origin coordinates 21 and the object to be measured 13-1 is calculated from the origin coordinates 21 and the relative coordinates 23 at the center of the object to be measured, and is covered on a circle centered on the origin coordinates 21 with the distance as the radius. It can be said that there is an absolute coordinate center of the object to be measured 210.
  • the height plane is the same.
  • the distance 25 between the origin coordinates 24 and the object to be measured 13-2 is calculated from the origin coordinates 24 and the relative coordinates 26 at the center of the object to be measured.
  • the distance 28 between the origin coordinates 27 and the object to be measured 13-3 is calculated from the relative coordinates 29 at the center of the object to be measured 27 and the object to be measured 13-3, and a circle centered on the origin coordinates 27 with the distance as the radius. Is calculated, and the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured are uniquely extracted from the intersections of the three circles.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a second calculation method of the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured.
  • the second calculation method is to extract the relative center coordinates of the measured object from the point cloud of the measured object 13 included in the point cloud S'N acquired from two origins having different distances on a straight line, and to extract the relative center coordinates of the measured object.
  • the absolute coordinates 210 are derived.
  • two S'Ns with different origin coordinates are used.
  • S 2'N and S 4'N are point clouds including the objects 13-2 , 13-4, and 13-5 whose origins (absolute coordinates) are the origin coordinates 24 and the origin coordinates 31, respectively.
  • the objects to be measured 13-2 and 13-5 are the same objects 13 to be measured, and are the objects to be measured that are known in advance to have the same absolute coordinates after being converted into absolute coordinates.
  • the origin coordinates 31 are arranged so as to be on a linear extension of the object 13 to be measured and the origin coordinates 24.
  • the distance 25 between the origin coordinates 24 and the object to be measured 13-4 is calculated from the origin coordinates 24 and the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured, and the origin coordinates 24 with the distance 25 as the radius are used as the center.
  • a circle, and a circle centered on the origin coordinate 31 with the distance 32 as the radius by calculating the distance 32 between the origin coordinate 31 and the object to be measured 13-5 from the origin coordinates 31 and the relative coordinates 33 at the center of the object to be measured. Is calculated, and the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured are uniquely extracted from the contact points where the two circles touch. The two circles have different radii, and a unique point is specified by inscribed them.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a third calculation method of the absolute coordinates 210 at the center of the object to be measured.
  • the third calculation method extracts the relative center coordinates of the measured object from two different origins and the angle between them and the structure of the measured object 13, and derives the absolute center coordinates 210 of the measured object.
  • One of the two different origins is the origin coordinates 41 of the point cloud of the object to be measured 13-4.
  • the origin coordinate 42 is not a position where the tripod fixed type 3D scanner is installed, but an arbitrary point whose positional relationship with the origin coordinate 41 is known.
  • the xy coordinates of the origin coordinates 41 be ( ⁇ 5 , ⁇ 5 ) and the xy coordinates of the origin coordinates 42 be ( ⁇ 6 , ⁇ 6 ).
  • the distance 43 between the origin coordinates 41 and the origin coordinates 42 is Calculated from.
  • the angle 44 between the line segment at the distance 43 with the origin coordinates 41 as the origin and the object to be measured 13-4 is measured in advance.
  • the xy coordinates ( ⁇ 'cp , ⁇ 'cp ) of the absolute coordinates 210 of the center of the object to be measured can be calculated by the following equation.
  • the z-coordinate the z-coordinate of the relative coordinate of the center of the object to be measured obtained from the above-mentioned three-dimensional model is used, and (( ⁇ 'cp, ⁇ 'cp, z cp ) is the absolute coordinate of the center of the object to be measured 210.
  • the absolute coordinates 210 of the center of the object to be measured calculated by any of the above methods are passed to the rotation coordinate conversion calculation unit 115, and the point cloud S'N matches the relative coordinates of the center of the object to be measured and the absolute coordinates 210 of the center of the object to be measured.
  • the S'N whose rotational coordinates have been transformed are passed to the point cloud superimposition processing unit 116, and are superimposed on the point cloud of the 3D point cloud data B (absolute coordinates) 111 acquired by the MMS 15.
  • the coordinate conversion device, the coordinate conversion method, and the coordinate conversion program of the 3D point cloud according to the present disclosure are considered to have the following advantages over the prior art.
  • a fixed 3D laser scanner is a set of relative coordinates centered on the origin, and the correct position information can be obtained in a three-dimensional space by simply superimposing the absolute coordinates acquired by MMS on the 3D point cloud data. Cannot be displayed above.
  • the absolute coordinates of the origin of the fixed 3D laser scanner can be acquired, the absolute coordinates can be converted from the calculation of the acquired multiple point clouds, and the 3D points of the absolute coordinates acquired by MMS can be obtained.
  • This disclosure can be applied to the information and communication industry.
  • Tripod fixed 3D scanner 12 Relative coordinates of tripod fixed 3D scanner Origin 13, 13-2, 13-3, 13-4, 13-5: Measured object 14: Relative center coordinates of measured object 15: MMS 16: GNSS scanner 18: Storage unit for storing 3D coordinate information 19: 3D point cloud data A (relative coordinates) acquired by a tripod fixed 3D scanner 110: Origin (absolute coordinates) of GNSS surveying instrument 111: 3D point cloud data B (absolute coordinates) acquired by MMS 112: Arithmetic processing unit 113: Origin coordinate conversion processing unit 114: Measured object center coordinate calculation unit 115: Rotational coordinate conversion calculation unit 116: Point group superimposition processing unit 117: Result display unit

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Abstract

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３Ｄ点群の座標変換装置である。

Description

３Ｄ点群の座標を変換する装置、方法及びプログラム
　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（Ｍｏｂｉｌｅ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）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（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）受信機、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｉｔ：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，　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃａｂｌｅｓ　ｆｒｏｍ　ａ　ｌａｓｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｒｕｌｅ－ｂａｓｅｄ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ａｎｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｌｅａｒｎｉｎｇ，　ＩＷＣＳ　２０１９．１０．
　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ＳＮとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Ｓ０＝（０，０，０）がＳＮ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。Ｓ１’ＮとＳ２’Ｎ、Ｓ３’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Ｓ１’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（ｘｃｐ１，ｙｃｐ１，ｚｃｐ１）である。被測定物中心相対座標２３は点群Ｓ１’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Ｓ１’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（ｘｃｐ１，ｙｃｐ１，ｚｃｐ１）、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Ｓ２’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Ｓ３’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。Ｓ２’ＮとＳ４’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（α５，β５）とし、原点座標４２のｘｙ座標を（α６，β６）とする。また、原点座標４１と原点座標４２の間の距離４３は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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，ｚｃｐ）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 (8)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
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