JP5137707B2 - 表面形状測定機 - Google Patents

Description

本発明は、盛土や地形や製造物等、測定対象物の形状を正確に測定できる表面形状測定機に関する。

土木工事において、盛土の土量を求めるとき、盛土の表面形状を求める必要がある。従来、盛土等の表面形状を求めるには、盛土を所定の水平面上でメッシュに区切り、各メッシュ上での高度を順々に求めていた。各メッシュの水平面内での位置とそこでの高度を求めるには、盛土の全表面を見渡せる位置にトータルステーション（電子式測距測角儀）を設置し、選択したメッシュ上に反射プリズムを設置し、トータルステーションで反射プリズムまでの距離と方位角と高度角とを求め、距離と方位角と高度角から正射投影法の手法で直交座標系のＸＹＺ各座標値を求めることによっていた（下記特許文献１参照）。
特開平２−１９５２０２号公報

しかし、前記特許文献１に記載の方法では、１つのメッシュ上に反射プリズムを設置してトータルステーションで反射プリズムの位置を測定した後に、次のメッシュ上に移動して反射プリズムを設置してトータルステーションで反射プリズムの位置を測定する作業を全てのメッシュについて繰り返すことが必要で、測定に多大な時間と労力を必要とする。

そこで、測定に要する時間と労力を軽減するため、図１の平面図及び図２の図１におけるII−II線に沿う断面図に示したように、望遠鏡２をモータで駆動できるノンプリズム型のトータルステーション４を用い、等高線６で表示したような盛土８を含むように、所定水平面１０上にメッシュ１２を設定して、トータルステーション４にメッシュ１２の各交点１４の位置（座標値）を記憶させておき、各交点１４に望遠鏡２をモータ駆動によって順々に向けて、距離、方位角及び高度角を求め、さらに直交座標系であるＸＹＺ各座標値に変換することが提案されている。

しかし、このようなメッシュ測定では、正射投影法なので、測距光１６が照射される盛土８表面の照射点１８がメッシュ１２の交点１４の真上からずれている。このため、盛土８の表面形状によっては、測定密度の高い個所と低い個所ができる。もし、起伏の変化の大きな個所の測定密度が低い場合は、盛土８の表面形状を正確に求めることができないという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、測定に要する時間と労力を軽減しながら、測定対象物の表面形状を正確に求めることができる表面形状測定機を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、測距光を出射し、測定対象物表面で反射した測距光を受光して前記測距光の前記測定対象物表面の照射点までの距離を測定する測距部と、望遠鏡の基準方向からの角度を検出する測角部と、前記望遠鏡を回転させるモータとを備えた表面形状測定機において、所定平面内にＸ軸を取り、前記平面と直交方向にＺ軸を取ったＸＺ座標系で、Ｘ軸上の選択した点を通り前記所定平面に垂直な直線と前記平面上に配置された測定対象物表面との交点の予想座標値を算出する予想座標算出手段と、前記予想座標値の点に前記望遠鏡を向けるための前記望遠鏡の回転角を算出する回転角算出手段と、前記回転角だけ前記望遠鏡を回転させる望遠鏡回転手段と、前記予想座標値の点に向けて測距光を出射させて前記照射点までの距離測定を行う距離測定手段と、前記照射点までの距離及び前記測角部で検出した角度から前記照射点の座標値を算出し、前記照射点と前記選択した点との間のＸ座標値の差を算出するＸ座標差算出手段と、前記Ｘ座標値の差が所定範囲内のときに、前記予想座標値を選択した点を通り前記所定平面に垂直な直線と前記測定対象物表面との交点の座標値として記憶する座標記憶手段とを備え、前記予想座標算出手段は、測定対象物を所定水平面内でメッシュに区切り、所定水平面内において選択した交点と表面形状測定機の真下の点を通るようにＸ軸を取り、表面形状測定機を通るように鉛直方向にＺ軸を取ったＸＺ座標系で、１回目の測定は、選択した交点の座標を交点の真上の盛土表面の予想座標の点Ｐ１と仮定し、２回目の測定があれば、交点の真上で盛土表面における測距光の照射点Ｑ１と同じ高さの点Ｐ２の座標を予想座標とし、３以上のｎ回目の測定があれば、照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１の座標値から、照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１の間での盛土表面の平均勾配を求め、交点を通る鉛直線と照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１を通る直線の交点Ｐｎの座標を予想座標とすることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、測距光を出射し、測定対象物表面で反射した測距光を受光して前記測距光の前記測定対象物表面の照射点までの距離を測定する測距部と、望遠鏡の基準方向からの角度を検出する測角部と、前記望遠鏡を回転させるモータとを備えた表面形状測定機において、所定水平面上の選択した点の真上の測定対象物表面の予想座標値を算出する予想座標算出手段と、予想座標値の点に前記望遠鏡を向けるための望遠鏡の回転角を算出する回転角算出手段と、前記回転角だけ望遠鏡を回転させる望遠鏡回転手段と、予想座標値の点に向けて測距光を出射させて前記照射点までの距離測定を行う距離測定手段と、前記照射点までの距離及び前記測角部で検出した角度から前記照射点の座標値を算出し、前記照射点と前記選択した点との間の水平距離を算出する水平距離算出手段と、前記水平距離が所定範囲内のときに予想座標値を選択した点の真上の測定対象物表面の座標値として記憶する座標記憶手段とを備えたから、所定水平面上において適切に配置した各点の略真上の測定対象物表面の座標値を自動的に迅速に得ることができ、測定に要する時間と労力を軽減しながら、測定対象物の表面形状を正確に求めることができる。

また、Ｘ軸方向を所定水平面内にとるとともに、表面形状測定機から見た方位角を変えてＸＺ平面をＺ軸回りに水平回転させることにより、所定水平面上の選択した全ての点について測定することができ、請求項１に係る発明と同じものとなって、同じ効果を奏する。また、ＸＺ平面をＸＺ平面に垂直なＹ軸回りに回転させた座標系を用いれば、任意の傾斜を持った平面上に配置された測定対象物の表面形状でも正確に測定することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の表面形状測定の一実施例を説明する。図１〜図３は、表面形状測定機としてトータルステーション４を用い、メッシュ１２において選択した交点１４の真上の盛土８表面の座標値（交点１４を通るとともに所定水平面１０に垂直な直線と、盛土８表面との交点の座標値）を求める方法を説明する図である。図４は、この表面形状測定機のブロック図である。図５及び図６は、この表面形状測定機でメッシュ測定を行う手順を説明するフローチャートである。

まず、このトータルステーション４で選択した交点１４の真上の盛土８表面の座標値を求める方法を説明する。図１及び図２に示したように、盛土８等の測定対象物を所定水平面１０内でメッシュ１２に区切り、メッシュ１２における各交点１４にノンプリズム型のトータルステーション４の望遠鏡２を向けて、距離、方位角及び高度角を測定することは、従来と同じである。

以下、図３に基づいて説明するが、説明を簡単にするため、所定水平面１０内において選択した交点１４とトータルステーション４の真下の点を通るようにＸ軸を取り、トータルステーション４を通るように鉛直方向にＺ軸を取り、ＸＺ平面内だけで考える。

メッシュ１２において選択した交点１４については、まず、交点１４の座標（Ｘ_１，Ｚ_１）を、交点１４の真上の盛土８表面の予想座標の点Ｐ_１と仮定して、点Ｐ_１に望遠鏡２を向け、トータルステーション４から点Ｐ_１に向けて測距光１６を出射し、１回目の測定を試行する。これで、盛土８表面における測距光１６の照射点Ｑ_１の座標（Ｘ_２，Ｚ_２）が求まる。もし、交点１４と照射点Ｑ_１の間の水平距離（Ｘ座標値の差の絶対値）|Ｘ_２−Ｘ_１|）が所定値未満、すなわち、Ｘ座標値の差Ｘ_２−Ｘ_１が所定範囲内であれば、点Ｐ_１の座標（Ｘ_１，Ｚ_１）を交点１４の真上の盛土８表面の座標と決定する。もし、交点１４と照射点Ｑ_１の間の水平距離|Ｘ_２−Ｘ_１|が所定値以上であれば、２回目の測定を試行する。

２回目の測定は、交点１４の真上で照射点Ｑ_１と同じ高さの点Ｐ_２の座標（Ｘ_１，Ｚ_２）を交点１４の真上の盛土８表面の予想座標と仮定して、点Ｐ_２に望遠鏡２を向けて、トータルステーション４から点Ｐ_２に向けて測距光１６を出射する。これで、盛土８表面における測距光１６の照射点Ｑ₂の座標（Ｘ₃，Ｚ₃）が求まる。もし、点Ｐ_１と照射点Ｑ_２の間の水平距離|Ｘ₃−Ｘ_１|が所定値未満であれば、点Ｐ_２の座標（Ｘ_１，Ｚ_２）を交点１４の真上の盛土８表面の座標と決定する。もし、交点１４と照射点Ｑ_２の間の水平距離|Ｘ₃−Ｘ_１|が所定値以上であれば、３回目の測定を試行する。

３回目の測定では、まず照射点Ｑ_１と照射点Ｑ_２の座標値から、照射点Ｑ_１と照射点Ｑ_２の間での盛土８表面の平均勾配が求まる。この勾配が照射点Ｑ_１と照射点Ｑ_２の間ばかりでなく、両側へも続くと仮定して、交点１４を通る鉛直線と照射点Ｑ_１と照射点Ｑ_２を通る直線の交点Ｐ_３の座標（Ｘ_１，ｈ_３）を、交点１４の真上の盛土８表面の予想座標とする。そして、点Ｐ_３に望遠鏡２を向けて、トータルステーション４から点Ｐ_２に向けて測距光１６を出射する。これで、盛土８表面における測距光１６の照射点Ｑ₃の座標（Ｘ₄，Ｚ₄）が求まる。もし、交点１４と照射点Ｑ_３の間の水平距離|Ｘ_４−Ｘ_１|が所定値未満であれば、点Ｐ_３の座標（Ｘ_１，ｈ_３）を点Ｐ_１の真上の盛土８表面の座標と決定する。もし、交点１４と照射点Ｑ_３の間の水平距離|Ｘ_４−Ｘ_１|が所定値以上であれば、３回目の測定と同様に４回目の測定を試行する。

４回目の測定にあたっては、まず、照射点Ｑ_２と照射点Ｑ_３の座標値から、照射点Ｑ_２と照射点Ｑ_３との間の盛土８表面の平均勾配が求まる。これから、交点１４を通る鉛直線と照射点Ｑ_２と照射点Ｑ_３を通る直線との交点Ｐ_４の座標（Ｘ_１，ｈ_４）を求め、この座標を交点１４の真上の盛土８表面の予想座標として、点Ｐ_４に望遠鏡２を向けて測距光１６を出射する。これで、盛土８表面における測距光１６の照射点Ｑ₄の座標（Ｘ₅，Ｚ₅）が求まる。もし、交点１４と照射点Ｑ_４の間の水平距離|Ｘ_５−Ｘ_１|が所定値未満であれば、点Ｐ_４の座標（Ｘ_１，ｈ_４）を交点１４の真上の盛土８表面の座標と決定する。もし、交点１４と照射点Ｑ₄との間の水平距離|Ｘ_４−Ｘ_１|が所定値以上であれば、４回目の測定と同様に５回目の測定を試行する。

以下、同様にして、ｎ回目の測定で照射点Ｑ_ｎ-1の座標（Ｘｎ，Ｚｎ）を求め、|Ｘｎ−Ｘ_１|が所定値未満になるまで、交点１４に関する測定を試行し続ける。もし、所定回、例えば２０回試行しても、|Ｘ_２０−Ｘ_１|が所定値未満にならない場合は、エラーとして当該交点１４に関する測定を打ち切る。

前記説明では、ＸＺ平面内だけで考えたが、トータルステーション４から見た方位角を変えてＸＺ平面をＺ軸回りに水平回転させれば、メッシュ１２の全ての交点１４について同様に測定することができる。また、ＸＺ平面をＸＺ平面に垂直なＹ軸回りに回転させた座標系を用いれば、任意の傾斜を持った平面上に配置された測定対象物の表面形状を測定することができる。

前述した方法を実行するため、この表面形状測定機２０は、図４に示したように、距離を測定する測距部（光波距離計）２２、方位角及び高度角を測定するための測角部（水平エンコーダ及び垂直エンコーダ）２４、測定に関する指令やデータを入力するための入力部（キーボード又はタッチセンサ）２６、測定値等を表示するための表示部（液晶ディスプレイ）２８、望遠鏡４を回転させるためのモータ（図示省略）に電力を供給するモータ駆動部３０、これらに接続された演算制御部３２とを備える。また、演算制御部３２には、測定値や測量機を働かせるためのプログラム等を記憶させるための記憶部（内蔵メモリ及びメモリカード）３４と、他の機器と測定値等を送受信するための通信部３６も接続されている。これらは、従来の自動視準式トータルステーションに備えられているものなので、説明を省略する。ただし、記憶部３４には、後述するメッシュ測定プログラムが記憶されている。なお、本発明には、モータ及びモータ駆動部３０は必須であるが、自動視準装置は必ずしも必要ではない。

以下に、この測定機２０の演算制御部３２が行うメッシュ測定プログラムの手順を、図５及び図６に基づいて説明する。

メッシュ測定を選択して、メッシュ測定プログラムをスタートさせると、図５に示したように、ステップＳ１に進んで、観測者は、測定機２０を盛土８等の測定対象物の表面全体を見ることが可能な位置に設置する。

次に、ステップＳ２に進むと、メッシュ１２の角３箇所Ａ，Ｂ，Ｃを指定する。メッシュ１２の角Ａ，Ｂ，Ｃを指定するには、観測者が目視で測定対象物を含むようなメッシュ１２を仮想し、メッシュ１２の角とすべき個所を３箇所Ａ，Ｂ，Ｃ、望遠鏡２を覗いて視準し、確定の操作をすることで、自動的にメッシュ１２の外郭が設定される。メッシュ１２の外郭は、入力部２６から又は通信部３６を介して外部機器から座標値を入力することでも可能である。

次に、ステップＳ３に進むと、観測者は、メッシュ１２の間隔又はメッシュ１２の縦横それぞれの等分数を入力部２６から入力する。これで、所定水平面１０に含まれるメッシュ１２が確定する。メッシュ１２の各交点１４の位置は、測定機２０から見た方位角及び高度角で記憶部３４に記憶される。

次に、ステップＳ４に進んで、種々の測定条件を設定する。例えば、再測定回数、収束半径等である。

次に、ステップＳ５に進んで、メッシュ測定処理を実行する。ステップＳ５の詳細については、後述する。

ステップＳ５のメッシュ測定処理を完了すると、ステップＳ６に進んで、記憶部３４に記憶されている測定結果を表示部２８に表示する。次にステップＳ７に進んで、必要によりデータを座標変換し、メモリカードへの記録や、通信部３６を介して外部機器への出力を行う。

それでは、図６に基づいて、ステップＳ５におけるメッシュ測定処理の詳細について説明する。

ステップＳ５をスタートさせると、まず、ステップＳ５１に進んで、最初に測定するメッシュ１２上の交点１４を選択する。次に、ステップＳ５２に進んで、必要な初期化処理を行う。次に、ステップＳ５３に進み、選択された交点１４の真上の測定対象物表面の座標値を算出するために行った距離測定の試行回数が所定値を越えたか否か調べる。試行回数が所定値を越えた場合は、ステップＳ７１に進んで、この交点については測定不可と記憶部３４に記憶し、さらに、ステップＳ６３に進む。試行回数が所定値を越えない場合は、ステップＳ５４に進んで、選択された交点１４の真上の測定対象物表面の予想座標値を算出する。予想座標値の算出方法は、前述したとおりである。最初の予想座標値は、所定平面１０内のメッシュ１２の交点１４の座標値である。

次に、ステップＳ５５に進んで、予想座標値が算出できたかどうか調べる。予想座標値が算出できない場合は、ステップＳ７１に進んで、この交点については測定不可と記憶部３４に記憶し、さらに、ステップＳ６３に進む。予想座標値が算出できた場合は、ステップＳ５６に進んで、望遠鏡２を予想座標値の点に向けるための望遠鏡２の回転角（水平回転角及び鉛直回転角）を算出する。次に、ステップＳ５７に進んで、望遠鏡２を予想座標値の点に向けるように回転させる。次に、ステップＳ５８に進んで、距離測定を行う。このとき、同時に方位角と高度角も検出する。次に、ステップＳ５９に進んで、距離測定が成功したか否か調べる。距離測定が不成功の場合は、ステップＳ７０に進んで、距離測定を行った試行回数を計数し、ステップＳ５３に戻る。距離測定が成功した場合は、ステップＳ６０に進んで、ステップＳ５８で得られた距離、高度角から直交座標系のＸＺの各座標値を算出する。そして、この座標値の点と選択された交点１４の間の水平距離を算出する。

次に、ステップＳ６１に進んで、ステップＳ６０で得られた水平距離が所定範囲内か否か調べる。この水平距離が所定範囲外の場合は、ステップＳ７０に進んで、距離測定を行った試行回数を計数し、ステップＳ５３に戻る。この水平距離が所定範囲内の場合は、ステップＳ６２に進んで、座標値を記憶部３４に記憶する。

次に、ステップＳ６３に進んで、メッシュ１２上の全ての交点１４についての測定を済ませたか否かを調べる。メッシュ１２上の全ての交点１４についての測定を済ませた場合は、ステップＳ６に進んで、測定結果を表示部に表示する。メッシュ上１２の全ての交点１４についての測定を済ませていない場合は、ステップＳ７２に進んで、次の交点１４を選択して、ステップＳ５３に戻る。以下、ステップＳ５３〜Ｓ７２を繰り返すことにより、メッシュ１２上の全ての交点１４についての測定を実行することができる。

本実施例によれば、以上の説明から明らかなように、所定水平面１０上において適切に配置したメッシュ１２の交点１４の略真上の測定対象物表面の座標値を自動的に迅速に得ることができ、測定に要する時間と労力を軽減しながら、測定対象物の表面形状を正確に求めることができる。

ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、前記実施例では、盛土８の表面形状を測定するトータルステーション４について説明したが、本発明は、製造物等の測定対象物の形状を測定する三次元測定機等、表面形状測定機２０に広く適用できるものである。また、前記実施例では、前の測定結果を用いてメッシュ１２の交点１４の略真上の測定対象物表面の予想座標値を求めたが、メッシュ１２の交点１４から少しずつ予想座標値のＺ座標値（高さ）を増やしていって、測距光１６の測定対象物８表面の照射点１８と選択した交点１４との間の水平距離が所定範囲内になったとき、その予想座標値を求める座標値としてもよい。さらに、前記実施例では、碁盤の目のように規則正しいメッシュ１２を設定したが、縦横のメッシュ間隔を変えてもよく、測定対象物の形状によっては、目の細かいところと荒いところが適切に存在するメッシュ１２を設定してもよい。

盛土等の表面形状をメッシュ測定するためのメッシュを説明する図である。 図１におけるII−II線に沿う断面図で、トータルステーションで前記メッシュにおいて選択した交点を測定している状態を説明する図である。 前記メッシュにおいて選択した交点の真上の盛土表面の座標値を求める方法を説明する図である。 前記メッシュ測定に用いる表面形状測定機のブロック図である。 前記メッシュ測定の手順を説明するフローチャートである。 図５のフローチャートにおいて、メッシュ測定処理の詳細を説明するフローチャートである。

符号の説明

２ 望遠鏡
４ トータルステーション（表面形状測定機）
８ 盛土（測定対象物）
１０ 所定水平面
１２ メッシュ
１４ 交点
１６ 測距光
１８ 照射点
２０ 表面形状測定機

Claims (1)

1. 測距光を出射し、測定対象物表面で反射した測距光を受光して前記測距光の前記測定対象物表面の照射点までの距離を測定する測距部と、望遠鏡の基準方向からの角度を検出する測角部と、前記望遠鏡を回転させるモータとを備えた表面形状測定機において、
   所定平面内にＸ軸を取り、前記平面と直交方向にＺ軸を取ったＸＺ座標系で、Ｘ軸上の選択した点を通り前記所定平面に垂直な直線と前記平面上に配置された測定対象物表面との交点の予想座標値を算出する予想座標算出手段と、前記予想座標値の点に前記望遠鏡を向けるための前記望遠鏡の回転角を算出する回転角算出手段と、前記回転角だけ前記望遠鏡を回転させる望遠鏡回転手段と、前記予想座標値の点に向けて測距光を出射させて前記照射点までの距離測定を行う距離測定手段と、前記照射点までの距離及び前記測角部で検出した角度から前記照射点の座標値を算出し、前記照射点と前記選択した点との間のＸ座標値の差を算出するＸ座標差算出手段と、前記Ｘ座標値の差が所定範囲内のときに、前記予想座標値を選択した点を通り前記所定平面に垂直な直線と前記測定対象物表面との交点の座標値として記憶する座標記憶手段とを備え、
   前記予想座標算出手段は、
   測定対象物を所定水平面内でメッシュに区切り、所定水平面内において選択した交点と表面形状測定機の真下の点を通るようにＸ軸を取り、表面形状測定機を通るように鉛直方向にＺ軸を取ったＸＺ座標系で、
   １回目の測定は、選択した交点の座標を交点の真上の盛土表面の予想座標の点Ｐ１と仮定し、２回目の測定があれば、交点の真上で盛土表面における測距光の照射点Ｑ１と同じ高さの点Ｐ２の座標を予想座標とし、３以上のｎ回目の測定があれば、照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１の座標値から、照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１の間での盛土表面の平均勾配を求め、交点を通る鉛直線と照射点Ｑｎ―２と照射点Ｑｎ―１を通る直線の交点Ｐｎの座標を予想座標とすることを特徴とする表面形状測定機。

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