JP5808656B2 - 三次元レーザ計測システムおよび路面の縦断プロファイルの作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測車で道路上を移動しながら路面の位置と高さを示す三次元点群データを計測し、そのデータに基づいて、ＩＲＩ算出の基礎データとなる路面の縦断プロファイルを作成する三次元レーザ計測システムと、その縦断プロファイルの作成方法に関する。

ＩＲＩ（International Roughness Index）は、自動車の乗り心地を評価するために路面の凹凸を指標で表わしたもので、１９８６年に世界銀行が提案したものである。日本では一般に国際ラフネス指標と訳されている。ＩＲＩの計算は、定義されたサスペンションとタイヤという二つのバネおよびダンパ、そしてバネの上下の質量によって構成されたクウォーターカーモデル車をシミュレーションとして使って行う。

ＩＲＩの計算に必要なものは、道路の路面の「縦断プロファイル」であり、これは道路を縦断方向に沿ってスライスしたものである（特許文献１参照）。縦断プロファイルは、路面の凹凸を示す高さの座標と走行方向の距離を含み、このうち高さの情報はタイヤ位置で走行方向に２５ｃｍ以下の間隔で一点必要とされている。

ＩＲＩの計算は路面の縦断プロファイルを用い、所定の式に基づいて行うが、この計算を手計算で行うことは現実的に困難であるため、計算プログラムを利用してコンピュータで処理している。このプログラムの代表的なものとしては、世界中の道路技術者が使っている“Proval”と呼ばれるソフトウェアがある。

上述したように、ＩＲＩは基本的に、路面の凹凸と走行距離を縦断プロファイルとして計算するものである。走行距離は対象区間の道路台帳などの既存資料があり、計測後に検証しやすいため、特に凹凸のプロファイルの精度が重要となる。

路面の縦断プロファイルを得るための機器およびシステムをプロファイラと呼ぶ。プロファイラの違いによってＩＲＩは国際的なクラス分けがされている。そのクラス分けを表１に示す。

表１のクラス１のプロファイラは正確な縦断プロファイルが得られるが測定に時間がかかり、クラス４のプロファイラは正確性に問題があるため、従来より、路面の縦断プロファイルの計算にはクラス２または３のプロファイラが使用されてきた。クラス２のプロファイラは、水準測量以外の任意の測定装置で縦断プロファイルを得ることができ、クラス３のプロファイラは、レスポンス型の機器で路面の応答を得ることができるものであるが、以下に示す問題があった。

：特許第４２２０９２９号公報

クラス２のプロファイラで代表的なものは、計測車の下に車高センサを複数取り付け、車高下の高さを連続して計測しつつ、別途取り付けたジャイロでローリング角、ピッチング角を補正し、路面の縦断プロファイルを得るものである。しかし、計測車の加速の影響を受けることや、各車高センサのジャイロによる補正を行うなど、いくつかの調整段階があり、最終的に直接水準測量で得た縦断プロファイルとキャリブレーションすることで、測定精度を上げることが必須となっていた。

クラス３のプロファイラは、計測車に取り付けた下向きの加速度センサによって路面の凹凸に対する車の応答を連続記録し、これより直接的にＩＲＩを得るものである。このプロファイラは、縦断プロファイルそのものの情報を得ることはできない。また、計測車の走行速度などの影響が比較的大きいため、既知の検証用区間で試験走行し、応答値とＩＲＩが相関するようにキャリブレーションをすることで精度を確保していた。

更に、従来のクラス２および３のプロファイラは、得られた縦断プロファイル、あるいは応答値から得たＩＲＩの精度を確保するために、上位のクラスのプロファイラによるキャリブレーションが必須である。現状では、水準測量を行うクラス１のプロファイラによってキャリブレーションを行っているが、これらのキャリブレーションは時間を要すると同時に、精度あるいは相関性に限度がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、複雑で時間のかかるキャリブレーションを必要とせずに、高精度の路面の縦断プロファイルを作成できる移動式の三次元レーザ計測システム、および縦断プロファイルの作成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明にかかる三次元レーザ計測システムは、三次元座標で表された道路の路面の平面位置と高さを示す三次元点群データに基づいて路面の凹凸を示す縦断プロファイルを作成する三次元レーザ計測システムであって、
車体にレーザスキャナ、ＧＰＳ受信機および慣性計測装置が搭載され、道路上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて路面の平面位置と高さを計測して第１の三次元点群データを取得し、前記ＧＰＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車体の位置および姿勢に関する情報を取得する計測車と、
前記レーザスキャナ、ＧＰＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて前記路面の縦断プロファイルを作成する縦断プロファイル作成装置と、を備え、
前記縦断プロファイル作成装置は、
前記レーザスキャナで取得した第１の三次元点群データを、前記ＧＰＳ受信機および慣性計測装置で取得した情報に基づいて修正して、地理座標系で表示された第２の三次元点群データを作成するデータ修正部と、
前記第２の三次元点群データから前記計測車のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データを切り出し、この第３の三次元点群データに基づいて前記縦断プロファイルを作成する縦断プロファイル作成部と、を有し、
前記縦断プロファイル作成部は、
前記第３の三次元点群データから、平面位置の情報に基づいて前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点を含む第４の三次元点群データを抽出し、
前記第４の三次元点群データの平面位置の情報に基づいて、任意の計測点を始点とし、前記計測車の進行方向に向かう所定の大きさの第１のベクトルを作成し、
前記第１のベクトルの作成と同様の手順で、前記第１のベクトルの終点を始点とする同一の大きさの第２のベクトルを繰り返し作成し、
前記第１および第２のベクトルと直交する方向に、前記タイヤの軌跡における所定の間隔毎の中間点の平面位置を算出し、
前記中間点の平面位置および前記第３の三次元点群データに基づいて、前記中間点の高さを算出することを特徴とする。

ここで、前記縦断プロファイル作成部は、前記第３の三次元点群データのレーザ計測ライン毎の終点または始点のいずれかの計測点を前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点として、前記第４の三次元点群データを抽出することが好ましい。

また前記縦断プロファイル作成部は、前記第４の三次元点群データのうち、前記任意の計測点から走行方向に向けて前記所定の大きさを越える位置にある計測点のうち最も近い計測点を選択し、この計測点を終点とするベクトルを作成し、そのベクトルの大きさを前記所定の大きさに変えて前記第１のベクトルを作成することが好ましい。

また前記縦断プロファイル作成部は、前記第１のベクトルまたは第２のベクトルの中点からベクトルと直交し、かつ前記タイヤの軌跡の中心方向に向かう第４のベクトルを作成し、その終点を前記タイヤの軌跡の中点としたときの前記終点の位置を前記中間点とすることが好ましい。

また前記縦断プロファイル作成部は、前記第３の三次元点群データから前記中間点の周辺の領域にある計測点の高さの情報を抽出し、その高さの平均値を算出することが好ましい。特に、前記中間点を中心とした所定の半径の円を描き、その円内に含まれる計測点の高さの平均値を算出することが好ましい。

また本発明にかかる路面の縦断プロファイルの作成方法は、
計測車に搭載されたレーザスキャナを用いて、走行しながら道路の路面の平面位置と高さを計測して第１の三次元点群データを取得する第１のステップと、
前記第１の三次元点群データを、前記計測車に搭載されたＧＰＳ受信機および慣性計測装置を用いて取得した位置および姿勢に関する情報に基づいて修正して、地理座標系で表示された第２の三次元点群データを作成する第２のステップと、
前記第２の三次元点群データから前記計測車のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データを切り出し、この第３の三次元点群データに基づいて、前記路面の凹凸を示す縦断プロファイルを作成する第３のステップと、を含み
前記第３のステップは更に、
前記第３の三次元点群データから、平面位置の情報に基づいて前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点を含む第４の三次元点群データを抽出するステップと、
前記第４の三次元点群データの平面位置の情報に基づいて、任意の計測点を始点とし、前記計測車の進行方向に向かう所定の大きさの第１のベクトルを作成するステップと、
前記第１のベクトルの作成と同様の手順で、前記第１のベクトルの終点を始点とする同一の大きさの第２のベクトルを繰り返し作成するステップと、
前記第１および第２のベクトルと直交する方向に、前記タイヤの軌跡における所定の間隔毎の中間点の平面位置を算出するステップと、
前記中間点の平面位置および前記第３の三次元点群データに基づいて、前記中間点の高さを算出するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の三次元レーザ計測システムを用いれば、計測車で移動しながら計測したデータに基づいて、キャリブレーションを必要とすることなく、高精度かつ長距離の道路の縦断プロファイルを作成できる。更に、高速道路において、通常の速度で運転しながら路面のデータを計測できるため、一回の計測で数百キロの区間の縦断プロファイルを作成することができる。

本発明の実施の形態にかかる三次元レーザ計測システムの機能的な構成を示すブロック図である。 図１の計測車のハードウェア資源の一例を示すブロック図である。 計測車による計測の様子を示す概念図である。 図１の縦断プロファイル作成装置のハードウェア資源の一例を示すブロック図である。 三次元点群データに基づいて路面の縦断プロファイルを作成する手順を示すフローチャートである。 計測車のタイヤの軌跡を上方から見た図である。 縦断プロファイルの作成手順を説明する図（その１）である。 縦断プロファイルの作成手順を説明する図（その２）である。 縦断プロファイルの作成手順を説明する図（その３）である。 縦断プロファイルの作成手順を説明する図（その４）である。 測定精度の検証区間の説明図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる三次元レーザ計測システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる三次元レーザ計測システムの機能的な構成をブロックで示した図である。三次元レーザ計測システム１は、道路上を移動しながら必要なデータを収集する計測車２と、計測車２で収集されたデータに基づいて、路面の縦断プロファイルを作成する縦断プロファイル作成装置２とで構成されている。

三次元レーザ計測システムの構成と機能について説明する前に、路面の縦断プロファイルを作成する際の基本的なステップを説明する。本発明では、以下の３段階のステップにより路面の縦断プロファイルを作成している。

最初に、計測車２に搭載されたレーザスキャナ２１を用いて、走行しながら道路の路面の平面位置と高さを計測して第１の三次元点群データＧ１を取得する（第１のステップ）。

次に、第１の三次元点群データＧ１を、計測車２に搭載されたＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３を用いて取得したデータに基づいて修正して、地理座標系で表示された第２の三次元点群データＧ２を作成する（第２のステップ）。

最後に、第２の三次元点群データＧ２から計測車２のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データを切り出し、この第３の三次元点群データに基づいて、路面の縦断プロファイルを作成する（第３のステップ）。

＜計測車の構成と機能＞
次に、上記第１のステップを実現する計測車２の構成と機能について説明する。計測車２は、天板にレーザスキャナ２１、ＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３が搭載されている。また計測車２は、レーザスキャナ２１で取得した三次元点群データを記憶する第１点群データ記憶部２４、ならびにＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３で取得した計測データを記憶する計測データ記憶部２５を備えている。

図２は、計測車２のハードウェア資源の一例を示した図である。図１にブロックで示した計測車２の各機能は、図２に示したハードウェア資源を用いて実現される。計測車２は、プログラムを実行するＣＰＵ２０１を備えている。ＣＰＵ２０１はバス２０２を介してＲＯＭ２０３、ＲＡＭ２０４、通信ボード２０５および磁気ディスク装置２１０と接続され、これらのハードウェアを制御する。通信ボード２０５は、有線または無線でＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットなどのネットワークに接続されている。

更にＣＰＵ２０１は、バス２０２を介してレーザスキャナ２１、ＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３に接続され、これらのデバイスの動作を制御する。

磁気ディスク装置２４０には、ＯＳ２４１、プログラム群２４２およびファイル群２４３が格納されている。プログラム群２４２のプログラムはＣＰＵ２０１により読み出されて実行される。ファイル群２４３には、レーザスキャナ２１、ＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３で取得された各種のデータがファイルの形で格納される。なお、磁気ディスク装置２４０の代りに他の記憶装置（例えば、フラッシュメモリ）を用いてもよい。

次に、図１および図３を用いて、レーザスキャナ２１、ＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３の機能を説明する。図３は、計測車２による計測の様子を示す概念図である。計測車２の天板には、レーザスキャナ２１、ＧＰＳ受信機２２および慣性計測装置２３が固定した状態で搭載されている。また計測車２の下部にはタイヤ２６が取り付けられている。

レーザスキャナ２１は、計測車２の天板に搭載された３６０度連続回転式のスキャン部２１１から所定の時間間隔でレーザパルスＬＰを発射し、レーザパルスＬＰがレーザ発射部分と対象物の間を往復する時間で道路４の路面までの距離を計測する。また、スキャナ２１１の取り付け角度と回転方向によって方向角を得ることができる。結果として、レーザが照射された各計測点Ｐの極座標で表された三次元座標を得ることができる。

レーザスキャナ２１は、対象点の座標群が特異性を持たないように、計測車２の天板の後部に、鉛直方向および水平方向の両方に対して角度をつけて取り付けられているため、路面において計測点Ｐが斜めのレーザ計測ラインＴに沿って得られる。計測車２が道路上を走行することにより、レーザ計測ラインＴは計測車２の走行方向に移動し路面の計測点Ｐの三次元データが連続して得られる。この三次元データは、平面位置と高さの座標をもっている。このようにして得られた計測点Ｐの三次元データの集まりである三次元点群データＧ１は、計測時刻と共に、第１点群データ記憶部２４に記憶される。

ＧＰＳ受信機２２は、複数のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星のそれぞれから発信された測位信号の搬送波を観測し、この搬送波の観測情報に基づいて、ＧＰＳ受信機２２のアンテナ２２１の位置を、三次元座標で表された位置情報として取得する。

慣性計測装置（通常、ＩＭＵ“Inertial Measurement Unit”と呼ばれる）２３は、運動を司る３軸の角度（または角速度）と加速度を計測する装置である。慣性計測装置２３は、基本的に、３軸のジャイロと３方向の加速度計によって、三次元の角速度と加速度を求める。慣性計測装置２３は、通常、搭載する移動体の重心位置に設置される。

ＧＰＳ受信機２２で取得された位置情報のデータと慣性計測装置２３で計測された角度（または角速度）と加速度のデータは、計測データ記憶部２５に記憶される。

＜縦断プロファイル作成装置の構成と機能＞
次に、上述の第２のステップと第３のステップを実現する縦断プロファイル作成装置３の構成と機能について説明する。縦断プロファイル作成装置３は、位置・姿勢算出部３１、データ修正部３３および縦断プロファイル作成部３５を備えている。また断面プロファイル作成装置３は作成されたデータを記憶する位置・姿勢データ記憶部３２、第２点群データ記憶部３４および縦断プロファイル記憶部３６を備えている。

図４は断面プロファイル作成装置３のハードウェア資源の一例を示した図である。図１にブロックで示した縦断プロファイル作成装置３の各機能は、図４に示したハードウェア資源を用いて実現される。

縦断プロファイル作成装置３は、プログラムを実行するＣＰＵ３０１を備えている。ＣＰＵ３０１はバス３０２を介してＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０４、ディスプレイ３０５、キーボード３０６、マウス３０７、通信ボード３０８、光ディスク装置３０９および磁気ディスク装置３１０と接続され、これらのハードウェアを制御する。なお、磁気ディスク装置３１０の代りに他の記憶装置（例えば、フラッシュメモリ）を用いてもよい。

ディスプレイ３０５は出力機器の一例、キーボード３０６およびマウス３０７は入力機器の一例である。通信ボード３０８、光ディスク装置３０９および磁気ディスク装置３１０は、入力および出力を兼ねた機器の一例である。通信ボード３０５は、有線または無線でＬＡＮやインターネットなどのネットワークに接続されている。

磁気ディスク装置３１０には、ＯＳ３１１、プログラム群３１２およびファイル群３１３が格納されている。プログラム群３１２には、位置・姿勢算出部３１、データ修正部３３および縦断プロファイル作成部３５の各機能を実現するプログラムが格納されている。プログラム群３１２のプログラムはＣＰＵ３０１により読み出されて実行される。ファイル群３１３には、位置・姿勢算出部３１、データ修正部３３および縦断プロファイル作成部３５で作成された各種のデータがファイルの形で格納される。

計測車２の第１点群データ記憶部２４および計測データ記憶部２５に格納された計測データは、ハードウェア資源の通信ボード２０５および３０８を介して、もしくはメモリーカード等を用いて計測車２の磁気ディスク装置２１０から読み出され、縦断プロファイル作成部３５のデータ修正部３３および位置・姿勢算出部３１にそれぞれ転送される。

＜第２のステップの説明＞
次に、縦断プロファイル作成装置３における処理について説明する。最初に、レーザスキャナ２１で計測された第１の三次元点群データＧ１を修正して、直交する３軸で表される地理座標系の第２の三次元点群データＧ２に変換する手順（第２のステップ）を説明する。

位置・姿勢算出部３１は、各計測時刻における計測車２の位置および姿勢角を特定の座標系（本実施の形態では地理座標系）で算出する。位置・姿勢算出部３１は、計測データ記憶部２５から、ＧＰＳ受信機２２で取得した計測車２の緯度、経度および高さのデータ、ならびに慣性計測装置２３で計測した角度（または角速度）および角加速度のデータを読み出し、これらのデータに基づいて、各時刻における計測車２の位置および姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を算出する。

地理座標系は世界測地系でも任意座標のいずれでもよく、例えば、最初に観測した、任意の位置の路面のレーザ照射点を（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）としてもよい。算出された計測車２の位置および姿勢のデータは、位置・姿勢データ記憶部３２に記憶される。

データ修正部３３は、計測車２の第１点群データ記憶部２４からレーザスキャナ２１で計測した第１の三次元点群データＧ１を読み出す。また位置・姿勢データ記憶部３２から各時刻における計測車２の位置および姿勢のデータを読み出す。

データ修正部３３は、読み出したデータに基づいて各時刻における路面の地理座標系の第２の三次元点群データＧ２を作成する。極座標で表された第１の三次元点群データＧ１を、計測車２の位置および姿勢のデータに基づいて、地理座標系で表された第２の三次元点群データＧ２に変換する演算式は、例えば特開２００９−２０４６１５号公報に記載されているように広く知られているため、ここでは説明を省略する。データ修正部３３で作成された地理座標系の第２の三次元点群データＧ２は、第２点群データ記憶部３４に記憶される。

＜第３のステップの説明＞
次に、図５のフローチャートを参照して、地理座標系に変換された第２の三次元点群データＧ２に基づいて路面の縦断プロファイルを作成する手順（第３のステップ）を説明する。

本発明の第３のステップでは、第２の三次元点群データＧ２から計測車２のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データＧ３を切り出し、この第３の三次元点群データＧ３に基づいて縦断プロファイルを作成する。

具体的には、第３の三次元点群データＧ３から、平面位置の情報に基づいてタイヤの軌跡Ｔｗの一方の端の計測点を含む第４の三次元点群データＧ４を抽出する。更に、この第４の三次元点群データＧ４に基づいて、タイヤの軌跡Ｔｗにおける所定の間隔毎の中間点の平面位置を算出し、この中間点の平面位置および第３の三次元点群データＧ３に基づいて中間点の高さを算出している。

このようにして得られたタイヤの軌跡Ｔｗにおける所定の間隔毎の中間点の高さのデータが縦断プロファイルとなる。以下、縦断プロファイルの作成手順について、具体的に説明する。

図６に、計測車２のタイヤの軌跡を上方から見た状態を示す。なお、図には説明に必要な部材のみを表示している。斜線で示した幅Ｗの帯は、右後部のタイヤ２６ｃの軌跡Ｔｗである。図の例では、ＧＰＳ受信機２２は計測車２の天板の後部中央に設置され、またタイヤ２６ａ〜２６ｄはＧＰＳ受信機２２の基準点Ｏを通る中心線からそれぞれ所定の距離離して設置されている。

縦断プロファイル作成部３５は、第２点群データ記憶部３４に格納された地理座標系の第２の三次元点群データＧ２から、中心線からの距離Ｌを目安として、右後方のタイヤ２６ｃの軌跡Ｔｗに対応する幅Ｗの第３の三次元点群データＧ３を切り出す（ステップＳ１）。

タイヤの軌跡Ｔｗは、タイヤの実際の軌跡である必要はなく、タイヤ２６が設置された位置に対応する箇所（中心線から距離Ｌだけ離れた箇所）の幅のある部分のことをいう。また図では、タイヤの軌跡Ｔｗとして右後部のタイヤ２６ｃの軌跡を示しているが、左後部のタイヤ２６ｄの軌跡であってもよく、更には、右と左のそれぞれのタイヤの軌跡であってもよい。

次に、切り出された軌跡Ｔｗの第３の三次元点群データＧ３から平面位置に関する情報を取り出し、この情報に基づいて計測車２のタイヤの走行方向を決定する方法について説明する。

図７に、タイヤ２６ａの軌跡Ｔｗとして切り出された幅Ｗの第３の三次元点群データＧ３を、平面位置を示すｘ−ｙ平面上に投影した状態を示す。図中、矢印は計測車２の走行方向を示している。図７に示すように、切り出された計測点Ｐのデータはレーザパルスの発射の特徴からほぼライン状に並び、始点から終点までで一本のラインＴをなしている。

縦断プロファイル作成部３５は、タイヤの走行方向を決定するため、レーザ計測ラインＴの始点と終点を抽出する。抽出方法は、隣接する２つの計測点を始点および終点とするベクトルの大きさと方向角の変化を利用して、一つのラインの終点から次のラインの始点に移動したことを座標計算で確認するものである。

図８は、説明のため図７の点群データＧ３の一部を簡略化して示したものである。各計測点Ｐの位置は直交座標系（ｘ，ｙ）で表されている。計測時刻の順に計測点Ｐに符号を付し、計測点ＰｎとＰｎ＋１を結ぶベクトルをａｎとすると、その間の距離、すなわちベクトルａｎの大きさは式（１）で表される。またベクトルａｎの方位角σｎとベクトルａｎ＋１の方位角σｎ＋１の変化量は式（２）で表される。

上記式（１）および式（２）を利用して、レーザ計測ラインＴの始点と終点を抽出できる。例えば、図８において点Ｐ４と点Ｐ５の距離は、点Ｐ３と点Ｐ４のような計測ラインＴ上の点群よりも大きくなる。またベクトルａ４の方向角σ４もベクトルａ３の方向角σ３に比べて反転に近く変化することから、点Ｐ４が計測ラインＴの終点であることが分かる。

同様に、点Ｐ７と点Ｐ８の距離は、点Ｐ６と点Ｐ７の距離よりも大きくなる。またベクトルａ８の方向角σ８はベクトルａ７の方向角σ７に比べて反転に近く変化することから、点Ｐ８が計測ラインＴの始点であることが分かる。

このように、ベクトルａｎの大きさおよび方向角の変化量が、共にあらかじめ設定した閾値を超えた場合には、その計測点（始点）がレーザ計測ラインＴの終点であり、次の計測点（終点）がレーザ計測ラインＴの始点であると判定できる。このようにして抽出した始点群または終点群を第４の三次元点群データＧ４（図９参照）としてメモリ（図４のＲＡＭ３０４）に記憶する（ステップ２）。

上述の判定方法を用いれば、図８に斜線で囲まれた領域Ｓで示すように、レーザ計測時に路面の輝度の状況などで、本来取得できるべき範囲で計測点に欠点が発生しても、ベクトルの大きさの閾値をベクトルａ４の大きさ、すなわち点Ｐ４と点Ｐ５との距離より大きく設定しておけば、レーザ計測ラインＴの始点とは判定されない。この方法により、十分な精度でレーザ計測ラインＴの始点と終点の抽出ができる。

なお、本実施の形態では、第４の三次元点群データＧ４として終点群（Ｐ４、Ｐ７、・・・）を選択したが、始点群を選択してもよいことは云うまでもない。始点群を選択したときは、本質的な違いではないが、縦断プロファイルを作成する手順が終点群を選択した場合と若干異なってくる。

図９に示すように、第４の三次元点群データＧ４の配列方向は計測車２のタイヤの走行方向に一致している。三次元点群データＧ４のうち任意の計測点ａから所定の距離、本実施の形態では２５ｃｍを超える距離で、かつ最も２５ｃｍに近い走行方向にある計測点ｂを計算により探し出す。この二つの計測点ａおよびｂの座標から方向ベクトルＶｂを作成し、これを単位ベクトルに直す。更に、このようにして得た単位ベクトルから２５ｃｍの長さを持つベクトルＶｃを作成する（ステップＳ３）。図１０に示すように、ベクトルＶｃの終点は、実際には計測点のデータとして取得していない仮想点ｃである。

次に、ベクトルＶｃの仮想終点ｃを始点として、走行方向にベクトルＶｃと同じ大きさ、すなわち２５ｃｍの長さを持つベクトルを上述したのと同じ手順で作成する（ステップＳ４）。縦断プロファイルの作成対象区間が終了するまでこの処理を繰り返し行うことで（ステップＳ５においてＮｏ）、曲線を含むタイヤの走行方向と走行距離に関する情報を得ることができる。

次に、図１０を参照して、計測車２の走行方向に沿って、ＩＲＩ算出に必要となる２５ｃｍ間隔で路面の凹凸を含む高さの情報を取得する方法について説明する。

上述のステップＳ３およびＳ４で得られた走行方向のベクトルＶｃに対して、ベクトルの中点からベクトルＶｃと直交し、タイヤの軌跡の中心方向に向かうベクトルＶｄを作成する。このベクトルＶｄの終点を、タイヤの軌跡Ｔｗの中間点（本実施の形態では中点、すなわち幅Ｗの２分の１の点）とする。縦断プロファイル作成部３５は、ベクトルＶｃの始点と終点の位置座標に基づいてベクトルＶｄの終点（タイヤの軌跡Ｔｗの中点）ｄの平面位置を示すｘ−ｙ座標を算出する（ステップＳ６）。

ベクトルＶｄの終点である中点ｄは、実際にはデータを計測していない仮想点であるため、高さの情報がない。このため、縦断プロファイル作成部３５は、中点ｄの周辺の領域、具体的には中点ｄを中心に所定の半径を持った円Ｃｄを想定し、その中にある実在する計測点Ｐのデータを前述の第３の三次元点群データＧ３から抽出する。

このようにして得た円Ｃｄ内の実在点の高さの座標（z）の平均値を算出すると、中点ｄにおける高さの情報が得られる（ステップＳ７）。ステップＳ６およびＳ７において、縦断プロファイルの対象区間内の全ての中点ｄの水平位置の情報と高さの情報を算出すれば、ＩＲＩ算出に必要となる道路の路面を２５ｃｍ間隔で計測した縦断プロファイル（凹凸を含む高さ）のデータが得られる。

実際に、クラス１のプロファイラで定義されている作業は、２５ｃｍ毎に上述の仮想点ｄに標尺を立てて水準測量を行うというものであり、上述の計算によってこの作業を再現している。

また計測車２で走行した縦断プロファイルの対象区間の開始点と終了点の間で、ステップＳ３およびＳ４の計算過程で得られたベクトルＶｃの総数に２５ｃｍを掛けると、タイヤの走行方向に沿った累積距離が得られる。

なお、本実施の形態では、ベクトルＶｄの始点をベクトルＶｃの中点に設定したが、必ずしもベクトルＶｃの中点に設定する必要はない。例えば、ベクトルＶｃの始点または終点を始点として、タイヤの軌跡の中心方向に向かうベクトルを作成し、これをベクトルＶｄとしてもよい。

また本実施の形態では、ベクトルＶｄの終点をタイヤの軌跡Ｔｗの中点に設定したが、必ずしも中点である必要はなく、タイヤの軌跡Ｔｗの端部から一定の距離だけ離れた中間点に設定してもよい。

また本実施の形態では、高さの平均値を算出する周辺の領域を、仮想点である中点ｄから所定の半径の円で囲まれた領域としたが、必ずしも円である必要はない。例えば、データ抽出の容易さから、仮想点ｄを中心とする正方形で囲まれた領域としてもよい。

＜測定精度の検証＞
本発明の三次元レーザ計測システムを用いて、図１１に示すように道路幅員７．１５ｍ、延長５０ｍの区間で路面の凹凸と走行距離を計測し、水準測量で実測した値と比較することにより測定精度を検証した。検証では、５０ｍ区間の道路両側をそれぞれ５等分し、１０ｍ間隔で計測点を設けて、実測と本発明の計測システムによる計測の結果を比較した。なお、本実施の形態では、レーザスキャナ２１として、１秒間に３０万点（３００ｋＨｚ）の計測を行うことができ、また点群の密度が４ｃｍのスキャナを用いた。

計測結果を表２に示す。各行には、計測点毎に、実測値、本発明の計測システムを用いて計測した高さ（ｚ軸方向の値）、および実測値との誤差を示している。

計測点１を互いの基準点とした場合、本発明の計測システムのよる計測の誤差は最大でも３ｍｍであった。これは、本発明の計測システムにおける計測では、路面の凹凸のプロファイルを得る手段として、実測に相当する精度を確保できることを示している。

以上説明したように、本発明の三次元レーザ計測システムでは、路面から得られた三次元の座標データに基づき、縦断プロファイルとして、車のタイヤの中心位置で、走行方向に連続して２５ｃｍ間隔の凹凸のデータを得ることができる。ＩＲＩを計算する後工程は、このようにして作成した縦断プロファイルを用い、前述の“Proval”などの公知のプログラムを利用して容易に算出することができる。

前述の表２に示した検証結果より明らかなように、レーザスキャナを用いて得た高さの座標が、直接水準測量の精度を十分に確保できていること、および計算のアルゴリズムが、直接水準測量の作業を再現していることなどから、本発明の三次元レーザ計測システムはクラス１のプロファイラに分類できるものである。

また本発明の三次元レーザ計測システムを用いれば、高速道路においても低速走行することなくデータの収集ができるため、交通規制が不要であり、一日で数百キロの区間の計測を行うことも可能である。

更に、本発明の三次元レーザ計測システムを用いれば、長距離の区間についても比較的短時間でクラス１のＩＲＩを得ることができることから、従来のクラス２やクラス３のプロファイラの精度検証およびキャリブレーションに利用することが可能となる。

１ 三次元レーザ計測システム
２ 計測車
３ 縦断プロファイル作成装置
４ 道路
２１ レーザスキャナ
２２ ＧＰＳ受信機
２３ 慣性計測装置
２４ 第１点群データ記憶部
２５ 計測データ記憶部
２６、２６ａ〜２６ｄ タイヤ
３１ 位置・姿勢算出部
３２ 位置・姿勢データ記憶部
３３ データ修正部
３４ 第２点群データ記憶部
３５ 縦断プロファイル作成部
３６ 縦断プロファイル記憶部
２１１ スキャン部
２２１ アンテナ
Ｐ 計測点
Ｔ レーザ計測ライン
ＬＰ レーザパルス

Claims (8)

1. 三次元座標で表された道路の路面の平面位置と高さを示す三次元点群データに基づいて路面の凹凸を示す縦断プロファイルを作成する三次元レーザ計測システムであって、
   車体にレーザスキャナ、ＧＰＳ受信機および慣性計測装置が搭載され、道路上を移動しながら、前記レーザスキャナを用いて路面の平面位置と高さを計測して第１の三次元点群データを取得し、前記ＧＰＳ受信機および慣性計測装置を用いて前記車体の位置および姿勢に関する情報を取得する計測車と、
   前記レーザスキャナ、ＧＰＳ受信機および慣性計測装置で取得されたデータに基づいて前記路面の縦断プロファイルを作成する縦断プロファイル作成装置と、を備え、
   前記縦断プロファイル作成装置は、
   前記レーザスキャナで取得した第１の三次元点群データを、前記ＧＰＳ受信機および慣性計測装置で取得した情報に基づいて修正して、地理座標系で表示された第２の三次元点群データを作成するデータ修正部と、
   前記第２の三次元点群データから前記計測車のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データを切り出し、この第３の三次元点群データに基づいて前記縦断プロファイルを作成する縦断プロファイル作成部と、を有し、
   前記縦断プロファイル作成部は、
   前記第３の三次元点群データから、平面位置の情報に基づいて前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点を含む第４の三次元点群データを抽出し、
   前記第４の三次元点群データの平面位置の情報に基づいて、任意の計測点を始点とし、前記計測車の進行方向に向かう所定の大きさの第１のベクトルを作成し、
   前記第１のベクトルの作成と同様の手順で、前記第１のベクトルの終点を始点とする同一の大きさの第２のベクトルを繰り返し作成し、
   前記第１および第２のベクトルと直交する方向に、前記タイヤの軌跡における所定の間隔毎の中間点の平面位置を算出し、
   前記中間点の平面位置および前記第３の三次元点群データに基づいて、前記中間点の高さを算出することを特徴とする三次元レーザ計測システム。
2. 前記縦断プロファイル作成部は、前記第３の三次元点群データのレーザ計測ライン毎の終点または始点のいずれかの計測点を前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点として、前記第４の三次元点群データを抽出する、請求項１に記載の三次元レーザ計測システム。
3. 前記縦断プロファイル作成部は、前記第４の三次元点群データのうち、前記任意の計測点から走行方向に向けて前記所定の大きさを越える位置にある計測点のうち最も近い計測点を選択し、この計測点を終点とするベクトルを作成し、そのベクトルの大きさを前記所定の大きさに変えて前記第１のベクトルを作成する、請求項１に記載の三次元レーザ計測システム。
4. 前記縦断プロファイル作成部は、前記第１のベクトルまたは第２のベクトルの中点からベクトルと直交し、かつ前記タイヤの軌跡の中心方向に向かう第４のベクトルを作成し、その終点を前記タイヤの軌跡の中点としたときの前記終点の位置を前記中間点とする、請求項１または３に記載の三次元レーザ計測システム。
5. 前記縦断プロファイル作成部は、前記第３の三次元点群データから前記中間点の周辺の領域にある計測点の高さの情報を抽出し、その高さの平均値を算出する、請求項１に記載の三次元レーザ計測システム。
6. 前記縦断プロファイル作成部は、前記中間点を中心とした所定の半径の円を描き、その円内に含まれる計測点の高さの平均値を算出する、請求項５に記載の三次元レーザ計測システム。
7. 計測車に搭載されたレーザスキャナを用いて、走行しながら道路の路面の平面位置と高さを計測して第１の三次元点群データを取得する第１のステップと、
   前記第１の三次元点群データを、前記計測車に搭載されたＧＰＳ受信機および慣性計測装置を用いて取得した位置および姿勢に関する情報に基づいて修正して、地理座標系で表示された第２の三次元点群データを作成する第２のステップと、
   前記第２の三次元点群データから前記計測車のいずれかのタイヤの軌跡に対応する第３の三次元点群データを切り出し、この第３の三次元点群データに基づいて、前記路面の凹凸を示す縦断プロファイルを作成する第３のステップと、を含み
   前記第３のステップは更に、
   前記第３の三次元点群データから、平面位置の情報に基づいて前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点を含む第４の三次元点群データを抽出するステップと、
   前記第４の三次元点群データの平面位置の情報に基づいて、任意の計測点を始点とし、前記計測車の進行方向に向かう所定の大きさの第１のベクトルを作成するステップと、
   前記第１のベクトルの作成と同様の手順で、前記第１のベクトルの終点を始点とする同一の大きさの第２のベクトルを繰り返し作成するステップと、
   前記第１および第２のベクトルと直交する方向に、前記タイヤの軌跡における所定の間隔毎の中間点の平面位置を算出するステップと、
   前記中間点の平面位置および前記第３の三次元点群データに基づいて、前記中間点の高さを算出するステップと、を含むことを特徴とする路面の縦断プロファイルの作成方法。
8. 前記第３の三次元点群データのレーザ計測ライン毎の終点または始点のいずれかの計測点を前記タイヤの軌跡の一方の端の計測点として、前記第４の三次元点群データを抽出することを特徴とする、請求項７に記載の路面の縦断プロファイルの作成方法。

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