JP2019211470A - レーザスキャナ測量用ターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】レーザスキャナ測量時に使用するレーザスキャナ種類に容易に対応でき、ＧＮＳＳ測量のアンテナを一体的に保持できるようにする。【解決手段】 球面状ターゲット面１３とチェッカー模様を付してなる平面状ターゲット面１２とを有する半球状からなターゲット本体１１を、球面状ターゲット面１３と平面状ターゲット面１２とを入れ替え可能にレーザスキャナの照射方向に正対させる第１の回転支持軸２５と、第２の回転支持軸２６とを介してリングフレーム２０で支持する。リングフレーム２０は、全地球衛星測位システムの受信機を連結保持する連結シャフト３１と、固定支持部に連結可能な連結シャフト３２とが連結されている。【選択図】 図１

Description

本発明はレーザスキャナ測量用ターゲットに係り、３Ｄ地上レーザスキャナを用いた測量時の基準点の標識として用いられるレーザスキャナ測量用ターゲットに関する。

離れた基準位置から対象物の３次元座標からなる膨大な点群データを高精度に短時間で取得できる３Ｄ地上レーザスキャナ（以下、レーザスキャナと記す。）が各種開発されている。また、このレーザスキャナを地形測量に適用することで、従来の測量による平面図作成作業をもとにした立体図作成を行うことが可能になる。すなわち、まずトータルステーションによる測量や、ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ等の各種のＧＮＳＳ（全地球衛星測位システム）測量によって基準点の絶対座標を求め、基準点を含めた領域のレーザスキャナ測量によって対象物を含む範囲の点群データを取得することで、３次元の地形、構造物データを得ることができる。これらのレーザスキャナによる測量においては、点群データを合成するための基準点の標識として、スキャン対象エリア内の適当な位置に少なくとも３個のターゲットが配置される（特許文献１、非特許文献１）。

配置されるターゲットは、使用するレーザスキャナの有する機能やレーザスキャナに対応する後処理ソフトウェアの仕様に適合する必要がある。そのためターゲットとしては、チェッカーボード、基準球（スフィア）、レトロリフレクタ、コーナーキューブ等が提供されている。たとえばチェッカーボードは、拡散反射面を４象限の領域に区分して各領域を黒白のチェッカー模様（市松模様）に塗り分けることで、各領域の反射率を大きく異ならせ、反射強度を認識することでで各領域の境界端としての中心点を認識する。基準球は高い拡散反射率を有する球体で、球体表面に照射された複数のスキャンポイントからその輪郭を形状認識し、球体の中心点を認識する。

特開２００６−１６２４４４号公報

株式会社コアシステム作成、"３Ｄ測量手順（レーザースキャナ編）、［online］、株式会社コアシステムホームページ、［平成３０年３月１５日検索］、インターネット＜URL：http://coresys.co.jp/ground-survey/3dprocedure/＞

特許文献１に開示されたターゲットは、トータルステーションによる測角、測距を行う第１の過程の前視点として、また３次元レーザスキャナー測定機に計測される構造物の点群データ合成のための基準点として設置され、第１の過程の測角、測距時に使用される１素子プリズムを保持するプリズム支持部と、第３の過程のレーザ照射時のスキャン対象として使用される基準球（スフィア）とをピンポールの上下位置に配置した形状からなる。３次元レーザスキャナー測定機のスキャン対象としては、基準球に代えてターゲット板と１素子プリズムとを組み合わせたターゲットも例示されている。

このように、従来のターゲットはあらかじめ固定された基準点上に設置するか、座標取得のためにトータルステーション等による測量を行う必要がある。また、ターゲットは上述したように、レーザスキャナ測量後の点群データ処理に使用する後処理ソフトウエアの相違によって適合するタイプが決まってくる。たとえば基準球のような球形形状のターゲットは形状認識に対応する後処理ソフトウエアでは対応できるが、反射強度認識にしか対応しない後処理ソフトウエアでは点群データ処理が行えない。通常後処理ソフトウエアは、レーザスキャナの機種に依存するため、測量に使用するレーザスキャナの種類によってターゲットを適切に選択する必要がある。また、設置されたターゲットにＧＮＳＳ測量のアンテナ（受信器）を備えることができれば、ターゲット位置の観測点座標を直接取得することができる。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、レーザスキャナ測量時に使用するレーザスキャナ種類に容易に対応でき、ＧＮＳＳ測量のアンテナを一体的に保持できるようにしたレーザスキャナ測量用ターゲットを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のレーザスキャナ測量用ターゲットは、球状体の一部を平面で切断して取り除いた全体形状からなり、球面状ターゲット面と形成された切断面にチェッカー模様を付してなる平面状ターゲット面とを有するターゲット本体と、該ターゲット本体を、前記球面状ターゲット面と、前記平面状ターゲット面とを入れ替え可能にレーザスキャナの照射方向に正対させる回転部を介して支持するフレームとを備え、前記フレームは、全地球衛星測位システムの受信機を連結保持する上部連結手段と、固定支持部に連結可能な下部連結手段とが連結されたことを特徴とする。

前記フレームは、前記平面状ターゲット面を第１の回転軸回りに回転可能に、前記ターゲット本体を支持する第１の回転支持軸と、該第１の回転支持軸に直交し、前記ターゲット本体と前記第１の回転支持軸とを回転可能に支持する第２の回転支持軸と、前記第１の回転支持軸と前記第２の回転支持軸とを連結する第１のリング部材と、前記第２の回転支持軸と前記上部連結手段と前記下部連結手段とを連結する第２のリング部材とを備えることが好ましい。

前記フレームは、前記平面状ターゲット面を第１の回転軸回りに回転可能に、前記ターゲット本体を支持する第１の回転支持軸と、前記第１の回転支持軸と前記上部連結手段と前記下部連結手段とを連結する第１のリング部材とを備え、前記第１のリング部材と前記下部連結手段との間に、前記第１の回転支持軸に直交し、前記第１のリング部材を回転可能に支持する第２の回転支持軸が介装されることが好ましい。

前記フレームは、内周面が球面状をなし、前記ターゲット本体の外周面が前記内周面に沿って摺動して任意角度に回動可能に前記ターゲット本体を保持することが好ましい。

前記ターゲット本体は、前記球状体を二分した半球状からなることが好ましい。

本発明のレーザスキャナ測量用ターゲットの一実施形態（第１実施形態）の異なるターゲット面を示した正面図。 図１に示したレーザスキャナ測量用ターゲットの一実施形態の異なる角度状態を示した側面図。 レーザスキャナ測量用ターゲットの設置状態例を示した状態説明図。 レーザスキャナ測量用ターゲットの設置状態例を示した状態説明図。 レーザスキャナ測量作業の作業状態を示した状態説明図。 レーザスキャナ測量作業の作業状態を示した状態説明図。 レーザスキャナ測量用ターゲットの他の実施形態（第２実施形態）を示した正面図。 レーザスキャナ測量用ターゲットの他の実施形態（第３実施形態）を示した正面図。 レーザスキャナ測量用ターゲットの他の実施形態（第４実施形態）を示した斜視図。 図９に示したレーザスキャナ測量用ターゲットのリングフレームの断面を模式的に示した断面図。

［第１実施形態］
以下、本発明のレーザスキャナ測量用ターゲットの第１実施形態としての構成および測量への適用について添付図面を参照して説明する。

図１各図は、本実施形態のレーザスキャナ測量用ターゲット（以下、単にターゲット１０と記す。）の正面図、図２各図は側面図である。ターゲット１０は２重構造のリングフレーム２０と、リングフレーム２０に回転支持軸２５，２６回りに回動可能に支持されたターゲット本体１１とから構成されている。

リングフレーム２０は、図１各図、図２（ａ）に示したように、細幅薄板を円形状に加工した直径のわずかに異なる２個のリング、内側リング２１と外側リング２２とが内外に同心に位置するように、内側リング２１と外側リング２２との間の水平直径位置に設けられた第２の回転支持軸としての回転支持軸２６で連結されてなる。内側リング２１は、外側リング２２に対して回転支持軸回りに３６０°回転することができる。

内側リング２１の内側面の鉛直直径の上下位置に設けられた第１の回転支持軸としての回転支持軸２５を介してターゲット本体１１が保持されている。ターゲット本体１１は、図１各図、図２（ａ）に示したように、内側リング２１の直径よりわずかに小さい直径からなる半球状体で、上下位置に設けられた回転支持軸２５回りに回動することができる。図２（ａ）には、１８０°回動させた前後の状態のターゲット本体１１が実線と二点鎖線とで示されている。

本実施形態のターゲット本体１１はアルミニウム板を成形加工した直径２００ｍｍの中空の半球状体からなる。その表面は円形平面と半球状面とで構成されており、正面視した状態（図１（ａ））の円形平面の表面は、円の中心を通るように４象限に仕切られた領域を黒白のチェッカー模様（市松模様）となるように塗装され、全体として反射強度差が明確なターゲット面１２が構成されている。半球状面（図１（ｂ））は白色に塗装され、所定の反射率からなるターゲット面１３が構成されている。ターゲット本体１１は、直径が大きい方が長距離の測量に対応できるため、その直径は測量対象領域の距離等に応じて決定することが好ましい。また、材質は金属製、合成樹脂製等、取り扱いの容易さ、耐久性を考慮して適宜使い分けることができる。

ターゲット本体１１は、上述したように、初期位置（図１各図）で水平方向、鉛直方向に回転可能に支持されているため、いずれかの回転支持軸２５，２６回りに１８０°回動させることで、ターゲット面１２，１３を入れ替えることができる。図２（ａ）には、ターゲット本体１１を回転支持軸回りに１８０°回動させてターゲット面１１，１２を反転可能な状態が、同図（ｂ）には、ターゲット本体１１と内側リング２１とを一体的に回転支持軸２６回りに初期位置から傾角θだけ傾斜させた状態が示されている。２本の回転支持軸２５，２６を所定角度ずつ回動させることで、ターゲット面１２，１３の角度、向きをレーザスキャナ（図示せず）の照射部にほぼ正対させるようにして、照射されたレーザー光を確実に反射させるように調整することが好ましい。

外側リングの上端と下端の外周面には、図１（ａ）に示したように、後述するＧＮＳＳ受信機との連結手段としての上側連結シャフト３１と、固定支持部としての三脚の整準台等との連結手段しての下側連結シャフト３２とが取り付けられている。本実施形態ではいずれの連結シャフト３１，３２も丸鋼棒からなり、下側連結シャフト３２の下端には所定径の雄ねじ部３２ａが形成されている。雄ねじとしては、たとえば測量プリズム用整準台等に標準的に使用されている５／８インチねじが形成されている。一方、上側連結シャフト３１の上端には所定径の雌ねじ部３１ａが形成されている。雌ねじとしてはＧＮＳＳ受信機（受信アンテナ）の下面に連結部として一般的に用いられている雄ネジを嵌合可能な５／８インチねじが形成されている。使用する整準台側あるいはＧＮＳＳ受信機側のねじ径が上記と異なる場合にはそのねじ径に対応させるアダプタ等を利用して調整して対応することができる。

図３，図４は、本発明のレーザスキャナ測量用ターゲット１０（ターゲット１０）の設置例を示した状態説明図である。ターゲット１０は図３に示したように、測量用三脚２に取り付けられた整準台３上に下側連結シャフト３２を介して取り付けられている。そしてターゲット１０の上部には上側連結シャフト３１を介してＧＮＳＳ受信機４が据え付けられ、整準台３、ターゲット１０、ＧＮＳＳ受信機４が連結シャフト３１，３２を介してほぼ鉛直をなして設置されている。また、図３に示した例では、ターゲット本体１１の向きを回転支持軸２５，２６回りに所定角度だけ回動することで、チェッカー模様のターゲット面１２がレーザスキャナ（図示せず）に正対するように調整されている。これにより、図中右下側に位置する図示しないレーザスキャナから照射されたレーザ光Ｌ（矢印線で模式的に図示）を確実に反射することができる。

図４は、図３に示した状態からターゲット本体１１を回転支持軸２５回りに１８０°回動させることで、チェッカー模様のターゲット面１２を半球状のターゲット面１３に入れ替えてレーザスキャンを行うようにした測量例を示している。このときターゲット本体１１を支持する回転支持軸２５の中心軸２５ｃは、ターゲット本体１１の半球を含む完全な球体の中心（円形のターゲット面の円の中心に一致）を通るように設定されているため、ターゲット本体１１を回転支持軸２５回りに回動しても球体の中心位置は変化しない。このとき半球状のターゲット面１３の外形輪郭は、レーザスキャナ（図示せず）から視認してほぼ円形となるように角度調整することが好ましい。

図５，図６は本発明のターゲット１０を用いたレーザスキャナ測量作業の実施例を示した説明図である。各図を参照してレーザスキャナ測量における本発明のターゲット１０の利用法を簡単に説明する。なお、各図では説明のために各ターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、実際に配置される距離より近づいて描かれている。同図に示したように、測量対象領域において、３個のターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが視認できるように設置されている。たとえばレーザスキャナ１は、既存構造物５等による死角によるデータ欠落部が生じないように設置されるが、その際それぞれの設置位置で取得した点群データの合成のために、これらのターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが利用される。ターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの設置位置は、レーザスキャナ測量が効率よく行え、また異なる位置で取得される点群データの密度に差が出ないように決定することが好ましい。図５では、３個のターゲット１０のうち、１個は測量用三脚２の整準台３上に設置され、他の２個は固定部としての既存構造物５上に安定した状態で固定保持されている。なお、本実施例では、ターゲット１０としてチェッカー模様のターゲット面１２が利用されている。

図５に示したように、３個のターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを含む測量対象領域内でレーザスキャナ１によるレーザ光照射を行う。そのときのレーザ光Ｌは、測量対象領域内の自然地形、既存構造物５、ターゲット１０に到達して反射し、各位置での３次元座標と反射強度とからなる点群データがレーザスキャナ１側で取得される。このとき図５に示したように、各ターゲット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの上部にはＧＮＳＳ受信機４が設置されている。レーザスキャナ測量と並行してこのＧＮＳＳ受信機４を利用したＧＮＳＳ測量によって各ターゲット１０の基準となる絶対座標を取得することができる。これらの絶対座標を点群データの合成に適用することにより測量対象領域内の地形、構造物の３次元データを高精度に作成することできる。なお、ＧＮＳＳ測量では公知の測位方法を適宜採用することができる。なお、図５，図６では、照射されるレーザ光の一部がレーザ光Ｌとして模式的に示されている。

図６は、測量対象領域内の他の点群データを取得するために、レーザスキャナ１を別の位置に設置して図５に示したターゲット１０を含む測量対象領域内でのレーザ光の照射状況を示している。このときターゲット１０のチェッカー模様のターゲット面１２の向きを新しい位置のレーザスキャナ１に正対するように調整する。図６では、ターゲット本体１１のチェッカー模様のターゲット面１２がレーザスキャナ１に正対しているため、その背面の半球状のターゲット面１３が見える状態にある。

以後、測量対象領域内の図５，図６に示した位置以外においても、レーザ光の照射範囲内に少なくとも３個のターゲット１０が配置されるように、ターゲット１０を適宜設置し、それらに対してレーザスキャナ測量を行って対象領域内での点群データを取得する。測量完了後、データ処理工程として複数箇所で取得された点群データを公知の後処理ソフトウェアによって合成処理し、測量対象領域内の３次元地形データ、構造物データ等、用途に応じた仕様の成果物を作成することができる。

［第２実施形態］
図７各図は、本発明のターゲット１０の第２実施形態を示した正面図である。このターゲット１０は図１（ａ）に示した２重構造のリングフレーム２０に対して１本のリング２３がリングフレーム２０を構成してなる。このターゲット１０ではリング２３を支持する上側連結シャフト３１と下側連結シャフト３２の一部を可動軸体とすることで、リング２３を第２の回転軸としての回転支持軸２６回りに３６０°回転できるようにした構造からなる。さらにリング２３の内周面の水平直径位置には、第１の回転支持軸としての回転支持軸２５が設けられ、回転支持軸２５を介してターゲット本体１１が保持されている。ターゲット本体１１は、図１各図に示した構成とまったく同様である。このターゲット１０はターゲット本体１１を保持するリングフレームの構成が簡易になるため、軽量化、製作コストダウンが可能となる。なお、本変形例は、図１各図に示したものと回転支持軸２５，２６の位置関係が９０°異なるが、レーザスキャナ測量時のターゲット面の調整作業は、図１各図に示したものと同様であることはいうまでもない。

［第３実施形態］
図８各図は、本発明のターゲット１０の第３実施形態を示した正面図である。このターゲット１０は図７各図に示した第２実施形態と同様に１本のリング２３がリングフレーム２０を構成してなる。この実施形態では、後述するボルト３４，３６をリング２３に取り付けるため、リング２３はターゲット１０とのクリアランスを確保するために、わずかに縦長の楕円形状をしている。ターゲット１０は、リング２３を支持すると下側連結シャフト３２の一部を可動軸体とすることで、リング２３を第２の回転軸としての回転支持軸２６回りに３６０°回転できるようにした構造からなる。それ以外の構成は第２実施形態と同様である。具体的な構成としては、下側連結シャフト３２はボルト３４とナット３５とからなる。ナット３５には高ナットが用いられ、上部の雌ねじ部（図示せず）でボルト３４を受けるとともに、下端に形成された雌ねじ部３２ａで、固定支持部としての三脚の整準台等に固定支持される。本実施形態では、ボルト３４とナット３５とリング２３との間にスラストワッシャ２８が介装されている。このスラストワッシャ２８を用いることにより、下側連結シャフト３２において、ボルト３４，ナット３５を締め込んでリング２３を挟み込むように堅固に保持した場合にも、リング２３をボルト３４の軸芯に一致する回転支持軸２６回りにスムースに回転させることができる。一方、上側連結シャフト３１はボルト３６とナット３７とからなる。ボルト３６のねじ部３１ａを介してターゲット１０の上部にＧＮＳＳ受信機（（図示せず））を固定支持することができる。このターゲット１０もターゲット本体１１を保持するリング状のフレームの構成が簡易になるため、軽量化、製作コストダウンが可能となる。

［第４実施形態］
図９は、ターゲットの他の実施形態として、上述した２重構造のリングフレーム２０に代えて、１本の幅広のリングフレーム４１でターゲット本体１１を保持するようにしたターゲット１０を示している。このターゲット１０のリングフレーム４１は、ターゲット本体１１の直径よりわずかに大きく、ターゲット本体１１の外周を覆うようにしてターゲット本体１１をリング内に保持可能な幅を有するリング状体である。図９（ａ）に示したように、リングフレーム４１の内周面４１ａは、ターゲット本体１１の外径に相当する内径の球状保持部４３として機能する。

このような構成からなる図９に示したターゲット１０では、図１０（ａ）、（ｂ）に示したように、この球状保持面部４３でが二点鎖線で示したターゲット本体１１を確実に保持して、ターゲット面が所定角度と方向を向くように３軸方向に任意に回動させることができる。このとき、このターゲット本体１１は、球体中心が変化しないように球状保持面部４３に保持されて回転する。

以上では、本発明のターゲットをレーザスキャナ測量の標識として使用することを例に説明したが、このターゲットをステレオカメラ測量における視認マーカーとして使用することもできる。ステレオカメラの撮影対象としてのターゲットを所定位置に設置し、チェッカー模様のターゲット面あるいは球状のターゲット面を正対させてステレオ撮影し、画像解析することで、カメラと視認マーカーとの相対距離、角度等を把握することができる。このとき視認マーカーとしてのターゲットにはＧＮＳＳ受信機が搭載されているので、受信データを解析して視認マーカーの絶対座標を取得することができる。このステレオカメラ測量で得られた座標情報の応用例として、ステレオカメラが搭載された車両等において、その車両の走行状態、走行姿勢等の把握、制御を行うこともできる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ レーザスキャナ
４ ＧＮＳＳ受信機
１０ レーザスキャナ測量用ターゲット
１１ ターゲット本体
１２ 平面状ターゲット面
１３ 球面状ターゲット面
２０，４１ リングフレーム
２１ 内側リング
２２ 外側リング
２３ リング
２５，２６ 回転支持軸
２８ スラストワッシャ
３１ 上部連結シャフト
３２ 下部連結シャフト

Claims (5)

1. 球状体の一部を平面で切断して取り除いた全体形状からなり、球面状ターゲット面と形成された切断面にチェッカー模様を付してなる平面状ターゲット面とを有するターゲット本体と、
   該ターゲット本体を、前記球面状ターゲット面と、前記平面状ターゲット面とを入れ替え可能にレーザスキャナの照射方向に正対させる回転部を介して支持するフレームと、
   を備え、
   前記フレームは、全地球衛星測位システムの受信機を連結保持する上部連結手段と、固定支持部に連結可能な下部連結手段とが連結されたことを特徴とするレーザスキャナ測量用ターゲット。
2. 前記フレームは、前記平面状ターゲット面を第１の回転軸回りに回転可能に、前記ターゲット本体を支持する第１の回転支持軸と、
   該第１の回転支持軸に直交し、前記ターゲット本体と前記第１の回転支持軸とを回転可能に支持する第２の回転支持軸と、
   前記第１の回転支持軸と前記第２の回転支持軸とを連結する第１のリング部材と、
   前記第２の回転支持軸と前記上部連結手段と前記下部連結手段とを連結する第２のリング部材とを備えた請求項１に記載のレーザスキャナ測量用ターゲット。
3. 前記フレームは、前記平面状ターゲット面を第１の回転軸回りに回転可能に、前記ターゲット本体を支持する第１の回転支持軸と、
   前記第１の回転支持軸と前記上部連結手段と前記下部連結手段とを連結する第１のリング部材とを備え、
   前記第１のリング部材と前記下部連結手段との間に、前記第１の回転支持軸に直交し、前記第１のリング部材を回転可能に支持する第２の回転支持軸が介装された請求項１に記載のレーザスキャナ測量用ターゲット。
4. 前記フレームは、内周面が球面状をなし、前記ターゲット本体の外周面が前記内周面に沿って摺動して任意角度に回動可能に前記ターゲット本体を保持する請求項１に記載のレーザスキャナ測量用ターゲット。
5. 前記ターゲット本体は、前記球状体を二分した半球状からなる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザスキャナ測量用ターゲット。

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