JP6396141B2

JP6396141B2 - 測定方法及び測定装置

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Publication number: JP6396141B2
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Inventors: 信幸西田
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Description

本発明は、多数点を定期的、或は経時的に連続して測定する測定方法及び測定装置に関するものである。

地盤の沈下を監視する為、地滑りを監視する為、ダム等の構築物の堤体、壁体の変位を監視する為、或はトンネルの壁面の変位を監視する為に、測定範囲に多数設定した測定点を測定装置により、定期的に、或は経時的に連続して測定している。

例えば、地下鉄を建設する為のトンネルを掘削する場合等、掘削したトンネルの天井、壁面が変位していないかどうかを監視する為、天井、壁面にターゲットとしてのプリズムを多数設置し、全てのプリズムの位置変位を測定装置により無人で順番に測定（以下モニタリング測定とする）している。

モニタリング測定する場合、測定装置が自動でプリズム、即ち測定点をサーチし、視準し、測距して、測定を実行する。設定した測定点をサーチする為の初期値を取得する為に各測定点についてのティーチングが必要となる。

従来のティーチング作業は、測定装置により作業者が各測定点を視準し、各測定点について水平角、鉛直角、距離の測定を行い、各測定点について３次元測定を行い、得られた測定結果を各測定点の初期値として設定する。この方法では、作業者が測定点を一点一点測定するものであり、更に測定装置が備えた視準望遠鏡の視野角が狭い為、視準に時間が掛り、作業性が悪く、多くの時間を必要とする。特に、測定に時間的な制約がある場合、例えば地下鉄用のトンネルでの作業の場合、トンネルの天井、壁面をモニタリング測定するには、地下鉄の非営業時間内に測定を完了しなければならず、測定時間の短縮が求められる。

本出願人は、特許文献１に於いて、設定された範囲を走査しながら所定時間間隔で画像を取得し、取得した画像からプリズムを検出し、プリズム（測定点）の座標位置を求めてサーチする為の初期値を取得し、各プリズムについてのティーチングを行い、ティーチング作業時間を大幅に短縮すると共にティーチング作業の無人化を可能とした測定方法及び測定装置を開示している。

一般に、ティーチング作業に於いては、照射する測距光の光量は固定となっており、固定の光量の測距光で設定された測定範囲を測定装置が自動で走査し、プリズム、即ち測定点をサーチし、検出した測定点を視準し、測距、測角して、ティーチングに必要な測定点の座標データを取得している。

この場合、測距光の光量は、測定点が近距離にあった場合でも、反射光を受光した受光素子が飽和しない様に、低く設定されている。この為、光量上の制限から遠距離の測定点に対してはティーチング作業を行えなかった。

特開２０１２−７３２０１号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、近距離から遠距離迄の広範囲に亘ってティーチング作業を行える測定方法及び測定装置を提供するものである。

本発明は、測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準光を照射し視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部とを有する測定装置に於ける複数の前記測定対象物をモニタリング測定する測定方法に於いて、サーチ範囲を設定する工程と、照射する視準光の光量を近距離用と遠距離用に切替える光量切替え工程と、近距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、近距離に位置する測定対象物について粗測定を行う近距離サーチ工程と、遠距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、遠距離に位置する測定対象物について粗測定を行う遠距離サーチ工程と、前記近距離サーチの粗測定結果と前記遠距離サーチの粗測定結果とに基づき全測定対象物について自動視準し、各測定対象物を測距、測角する精密測定工程とを具備し、前記近距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備し、前記遠距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、前記近距離サーチで取得した粗測定結果に基づき近距離に位置する測定対象物像について画像のマスキング処理し、遠距離に位置する測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備する測定方法に係るものである。

又本発明は、前記画像取得工程は、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、前記画像位置検出工程は、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像を囲む最少矩形を設定する矩形設定工程と、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せ、重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得する統合処理工程と、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差を演算する工程を有する測定方法に係るものである。

又本発明は、記憶された前記方向角に基づき順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角を実行する精密測定工程と、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得する工程とを更に具備する測定方法に係るものである。

又本発明は、測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部と、演算処理部と、記憶部とを具備する測定装置に於いて、前記測距部は近距離用と遠距離用に測距光の光量を変更可能であり、前記演算処理部は、近距離用の光量と遠距離用の光量で、それぞれ前記望遠鏡部を水平方向、鉛直方向に回転させ、複数の測定対象物を含む様設定した所定範囲を走査させ、前記撮像部により走査する過程で、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、画像取得時の前記角度検出部の検出結果と前記デジタル画像中の測定対象物像の位置とに基づき前記測定対象物の複合方向角を演算し、各測定対象物に関連付けて該測定対象物の複合方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させ、更に前記演算処理部は、遠距離用の光量で測定対象物の複合方向角を演算する場合には、近距離用で取得した複合方向角に基づきマスキング処理を行い、近距離に位置する測定対象物の複合方向角の取得を制限する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理部は、測定対象物像を囲む最少矩形を設定し、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せると共に重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得し、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差及び前記角度検出部からの検出結果に基づき前記測定対象物それぞれの複合方向角を演算し、該複合方向角を各測定対象物に関連付けて該測定対象物の方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させる測定装置に係るものである。

更に又本発明は、前記演算処理部は、前記記憶部に記憶された前記目標値に基づき前記自動視準部に順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角の精密測定を実行し、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得する測定装置に係るものである。

本発明によれば、測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準光を照射し視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部とを有する測定装置に於ける複数の前記測定対象物をモニタリング測定する測定方法に於いて、サーチ範囲を設定する工程と、照射する視準光の光量を近距離用と遠距離用に切替える光量切替え工程と、近距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、近距離に位置する測定対象物について粗測定を行う近距離サーチ工程と、遠距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、遠距離に位置する測定対象物について粗測定を行う遠距離サーチ工程と、前記近距離サーチの粗測定結果と前記遠距離サーチの粗測定結果とに基づき全測定対象物について自動視準し、各測定対象物を測距、測角する精密測定工程とを具備し、前記近距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備し、前記遠距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、前記近距離サーチで取得した粗測定結果に基づき近距離に位置する測定対象物像について画像のマスキング処理し、遠距離に位置する測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備するので、近距離の測定対象物から遠距離の測定対象物迄がティーチングの対象となると共にモニタリングの対象となり、測定範囲が著しく拡大する。

又本発明によれば、前記画像取得工程は、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、前記画像位置検出工程は、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像を囲む最少矩形を設定する矩形設定工程と、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せ、重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得する統合処理工程と、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差を演算する工程を有するので、測定対象物の完全な画像が取得できない場合も測定対象物の正確な方向角が測定できる。

又本発明によれば、記憶された前記方向角に基づき順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角を実行する精密測定工程と、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得する工程とを更に具備するので、広範囲に存在する測定対象物について効率よくモニタリング測定が可能である。

又本発明によれば、測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部と、演算処理部と、記憶部とを具備する測定装置に於いて、前記測距部は近距離用と遠距離用に測距光の光量を変更可能であり、前記演算処理部は、近距離用の光量と遠距離用の光量で、それぞれ前記望遠鏡部を水平方向、鉛直方向に回転させ、複数の測定対象物を含む様設定した所定範囲を走査させ、前記撮像部により走査する過程で、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、画像取得時の前記角度検出部の検出結果と前記デジタル画像中の測定対象物像の位置とに基づき前記測定対象物の複合方向角を演算し、各測定対象物に関連付けて該測定対象物の複合方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させ、更に前記演算処理部は、遠距離用の光量で測定対象物の複合方向角を演算する場合には、近距離用で取得した複合方向角に基づきマスキング処理を行い、近距離に位置する測定対象物の複合方向角の取得を制限するので、近距離の測定対象物から遠距離の測定対象物迄がティーチングの対象となると共にモニタリングの対象となり、測定範囲が著しく拡大する。

又本発明によれば、前記演算処理部は、測定対象物像を囲む最少矩形を設定し、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せると共に重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得し、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差及び前記角度検出部からの検出結果に基づき前記測定対象物それぞれの複合方向角を演算し、該複合方向角を各測定対象物に関連付けて該測定対象物の方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させるので、測定対象物の完全な画像が取得できない場合も測定対象物の正確な方向角が測定できる。

更に又本発明によれば、前記演算処理部は、前記記憶部に記憶された前記目標値に基づき前記自動視準部に順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角の精密測定を実行し、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得するので、広範囲に存在する測定対象物について効率よくモニタリング測定が可能であるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る測定装置を含むシステム構成図である。前記測定装置に具備される光学系の系統図である。前記測定装置の概略構成図である。本発明の実施例のフローチャートである。本実施例に於ける走査軌跡と望遠鏡部の視野と反射ターゲットの関係を示す説明図である。（Ａ）は走査中に取得した画像に於ける視野と受光エリアと反射ターゲット像との関係を示す図、（Ｂ）は反射ターゲット像の位置を測定する為の画像処理を示す説明図、（Ｃ）は画像処理で得られた矩形データの統合作業の説明図である。反射ターゲット像を囲む矩形とマスキングの範囲との関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る測定装置を具備する測定システムを説明する。

図１中、１は計測小屋９に設置される測定装置であり、該測定装置１は望遠鏡部２を備え、該望遠鏡部２を水平方向、鉛直方向に回転可能であり、自動視準機能を有する。３は測定装置ＰＣであり、該測定装置ＰＣ３は前記測定装置１に電気的に接続され、或は該測定装置１と一体化され、前記測定装置１に対して測定に関する指令を発し、又前記測定装置１で取得した測定データを蓄積、或は測定データを基地ＰＣ６に送信する。４は電源であり、該電源４は前記測定装置１、前記測定装置ＰＣ３に電力を供給する。尚、図示していないが、前記測定装置１は、前記望遠鏡部２の視準方向を検出する水平測角部３２（図３参照）、鉛直測角部３１（図３参照）を有している。又、５−１，５−２，５−３，…，５−ｎは測定点に設置された測定対象物を示している。尚、測定対象物としては、再帰反射性を有する反射ターゲットが使用され、更に反射ターゲットとしては、プリズム、反射シート等が用いられる。

前記基地ＰＣ６は、トンネル、ダム等を管理する管理事務所１０等に設置され、前記測定装置ＰＣ３から送信されたモニタリングデータを蓄積し、又受信したモニタリングデータを過去のモニタリングデータと比較し、トンネル、ダム等の現状を判断する。

尚、前記測定装置ＰＣ３と前記基地ＰＣ６とはＬＡＮ、無線等所要の通信手段７により、相互にデータ通信が可能となっている。

図２は、前記測定装置１の光学系１１を示しており、該光学系１１は固定倍率となっている。図２中、１２は該光学系１１の光軸（視軸）、１３は測距用光源、１４は視準用光源、１５は前記測距用光源１３からの測距光を前記光軸１２に導く第１投光光学系、１６は前記視準用光源１４からの視準光を前記光軸１２に導く第２投光光学系、１７は前記光軸１２上に配置された対物レンズ、１８は前記光軸１２上に配置されたフォーカスレンズ、又１９は接眼レンズを示している。

前記測距用光源１３は測距光として可視光、前記視準用光源１４は視準光として赤外光等の不可視光を発する様になっており、前記測距用光源１３から発せられた測距光、前記視準用光源１４から発せられた視準光はそれぞれ前記光軸１２上に射出される。測距光の反射光（以下反射測距光）及び視準光の反射光（以下反射視準光）は前記対物レンズ１７に入射し、集光される。

前記光軸１２上には、ダイクロイックプリズム２１が設けられる。該ダイクロイックプリズム２１は反射視準光２２を１つの反射面で反射し、該ダイクロイックプリズム２１によって前記反射視準光２２が分離される。分離された前記反射視準光２２は画像センサ２３に入射する。

又前記ダイクロイックプリズム２１は他の反射面で反射測距光２４を反射し、該反射測距光２４が分離される。分離された前記反射測距光２４は測距用受光素子２５に入射する。自然光２２′は前記ダイクロイックプリズム２１を透過し、透過した前記自然光２２′は前記フォーカスレンズ１８を通って前記接眼レンズ１９に入射する。

前記画像センサ２３は、例えば画素の集合体であるＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等であり、各画素は受光面（撮像面）上での位置が特定できる様になっており、更に前記画像センサ２３は、該画像センサ２３の中心が前記光軸１２と合致する様に設定されている。

更に、前記各画素は、該光軸１２を原点とする直交座標によって位置が特定される。前記画像センサ２３上の所定の画素の位置（座標）を求めることで、該所定の画素の前記光軸１２に対する画角（画素の位置から得られる光軸に対する角度）が求められる様になっている。前記光学系１１、前記画像センサ２３等は、撮像部２６を構成し、該撮像部２６は前記画像センサ２３を介してデジタル画像を取得する。

本実施例では、前記画像センサ２３で取得したデジタル画像から前記反射ターゲット５の像を検出し、該反射ターゲット５の像に基づき前記反射ターゲット５の画像上での位置を求め、該位置と前記光軸１２との相対関係から前記光軸１２に対する鉛直角、水平角が求められる。更に、前記光軸１２の鉛直角、水平角はそれぞれ、前記鉛直測角部３１及び前記水平測角部３２により測定され、前記光軸１２の鉛直角、水平角と前記画像センサ２３中の鉛直角、水平角とに基づき前記反射ターゲット５の位置（鉛直角、水平角）が検出される様になっている。

図３は、前記測定装置１の概略の構成を示すブロック図であり、図３中、２７はＣＰＵで代表される演算処理部、２８は記憶部、２９は測距部、３１は鉛直測角部、３２は水平測角部、３３は通信部、３４は表示部、３５は自動視準部、３６は前記望遠鏡部２を鉛直方向に回転する鉛直モータ、３７は前記望遠鏡部２を水平方向に回転する水平モータ、３８は前記鉛直モータ３６に設けられた鉛直モータエンコーダ、３９は前記水平モータ３７に設けられた水平モータエンコーダ、４０は操作部を示す。

前記測距部２９は、前記測距用光源１３、前記測距用受光素子２５、前記演算処理部２７、前記記憶部２８等から構成され、前記測距部２９は前記測距用受光素子２５で受光された反射測距光に基づき距離測定を行う。

前記自動視準部３５は、前記視準用光源１４、前記画像センサ２３、前記演算処理部２７、前記記憶部２８等から構成され、前記反射ターゲット５からの反射視準光が前記画像センサ２３で受光され、受光結果に基づき視準光軸を前記反射ターゲット５に合致させる自動視準を行う。

前記鉛直測角部３１は、前記望遠鏡部２の視準光軸の鉛直角を測定し、測定結果を電気信号として前記演算処理部２７に送出する。前記水平測角部３２は基準点を有し、基準点に対する前記視準光軸の水平角を測定し、測定結果を前記演算処理部２７に送出する。

前記鉛直モータ３６及び前記水平モータ３７は、前記演算処理部２７によって駆動制御され、前記鉛直モータ３６の回転量、回転速度は該鉛直モータ３６に設けられた前記鉛直モータエンコーダ３８によって検出され、前記水平モータ３７の回転量、回転速度は該水平モータ３７に設けられた前記水平モータエンコーダ３９によって検出される。

前記演算処理部２７は、前記記憶部２８に格納されたプログラム（後述）に基づき、近距離ティーチング制御、遠距離ティーチング制御の切替えを行い、取得した画像について画像処理を行い、前記測距部２９を駆動して測距し、前記自動視準部３５を駆動して自動視準を行い、又前記測距部２９、前記鉛直測角部３１、前記水平測角部３２からの測定結果に基づき前記反射ターゲット５それぞれについて３次元測定を行う。得られた測定結果は、前記測定装置ＰＣ３に送出される。

前記記憶部２８には、近距離ティーチング制御と遠距離ティーチング制御との切替えを行う為のプログラム、前記測定装置１に測定作動を行わせ、測定点（前記反射ターゲット５）の３次元データを取得する為の測定プログラム、或は測定点を順次サーチし、前記画像センサ２３で画像取得する等の作動を実行するシーケンスプログラム、前記画像センサ２３で取得したデジタル画像から反射ターゲット像を検出する画像処理プログラム、検出した反射ターゲット像を画像処理して画像上の反射ターゲット位置を検出するプログラム、画像上の反射ターゲット位置に基づき前記反射ターゲット５の位置（水平角、鉛直角）を求めるターゲット位置測定プログラム、測定された前記反射ターゲット５の位置に基づき前記望遠鏡部２を前記反射ターゲット５に視準させる為の自動視準プログラム、或は該自動視準プログラム、前記測定プログラムを実行させ前記反射ターゲット５個々について測定したデータに基づきティーチングを実行するティーチングプログラム、或はティーチング結果に基づき所定時間間隔で前記自動視準プログラム、前記測定プログラムを実行させ、各測定点の位置を検出し、検出結果を時系列で前記記憶部２８に格納するモニタリングプログラム等の各種プログラムが格納されている。

次に、前記測定装置ＰＣ３について説明する。

前記測定装置１により、ティーチング或はモニタリングが実行され得られた測定点データは、前記測定装置ＰＣ３に送出され、該測定装置ＰＣ３は測定点データを時系列に、又各反射ターゲット５に対応付けて時系列に保存格納する。

更に、前記測定装置ＰＣ３は、前記測定装置１にティーチング、或はモニタリングを実行させる為の制御プログラム、又測定データに基づき、各反射ターゲット（測定点）毎に変位の有無、変位の程度を演算し、異常であるか否かを判断する異常判断プログラム等のプログラムを有している。

以下、本実施例のティーチング作用について図４を参照して説明する。

本実施例では、近距離サーチと遠距離サーチとを実行する。

ＳＴＥＰ：０１基準点及び測定点が存在する範囲（サーチ範囲）を指定する。具体的な範囲の指定方法としては、一例として、ティーチング作業を行う始点と終点の位置に前記望遠鏡部２を向けその時の測角値を、前記鉛直測角部３１、前記水平測角部３２より取得する。尚、前記望遠鏡部２をティーチング作業を行う始点と終点の位置に向けるのは、作業者が直接、前記望遠鏡部２を動かしてもよく、或は前記測定装置ＰＣ３により遠隔操作で動かしてもよい。或は、前記測定装置１の前記操作部４０から直接測角値を指定してもよいし、前記測定装置ＰＣ３から遠隔操作で指定してもよい。又、前記表示部３４がタッチパネルである場合は該表示部３４上で始点、終点を設定する。

もし、基準点及び測定点が全周に亘り存在している場合、或は広範囲に存在している場合は、始点位置と終点位置の指定は行わず、前記望遠鏡部２を鉛直軸に対して３６０°回転させて、全周をティーチングしてもよい。重要なのは、基準点及び測定点が存在する範囲より少し広めに指定し、確実に全ての前記反射ターゲット５を発見できる様にすることである。

ＳＴＥＰ：０２サーチ範囲の指定が完了すると、サーチの為に発せられる視準光の光量が設定される。設定される光量としては、サーチ範囲に存在し、最も遠い反射ターゲット５で反射される視準光を検出できる遠距離サーチ用光量（例えば最大光量）、所定の距離より近い反射ターゲット５からの反射光を検出する近距離サーチ用光量（小光量）のいずれかに設定される。本実施例では、遠距離サーチと近距離サーチが実行され、先ず近距離サーチの為に近距離サーチ用光量に設定される。

ＳＴＥＰ：０３光量の設定が完了すると、設定された走査パターンによりサーチが実行される。

サーチは、前記測定装置１のサーチ機能を利用して、前記鉛直モータ３６、前記水平モータ３７が駆動され、前記望遠鏡部２が水平方向に所定速度で往復走査され、又水平走査端で所定角度鉛直方向に所定速度で回転され、水平方向の往復走査と水平走査端での鉛直方向への回転により、サーチ範囲がもれなく走査される。この時、鉛直方向の所定回転角度は、前記望遠鏡部２の視野４２（図５参照）の鉛直方向の視野角より小さく設定し、上の走査での視野と下の走査での視野が所要の範囲でオーバラップする様にする。

ＳＴＥＰ：０４走査過程中、所定時間間隔で、前記撮像部２６によりデジタル画像データが取得され、取得されたデジタル画像は前記記憶部２８に格納される。走査パターンは特に限定されないが、前記望遠鏡部２の前記視野４２は円形である為、例えば水平方向に走査していた状態で、前記望遠鏡部２の前記視野４２の上下端付近に前記反射ターゲット５がある場合、該反射ターゲット５は一瞬しか前記視野４２内に入らない。この為、反射ターゲット５の像を取得できない可能性もあるので、水平方向に走査する場合は前記視野４２の上下方向に少し重なりを持って走査させる（図５参照）。同様に、鉛直方向に走査する場合は前記視野４２の左右方向に少し重なりを持って画像が取得できる様に、画像を取得する時間間隔、走査速度が設定される。

又、前記水平方向の走査速度と画像取得の時間間隔との関係は、同一のターゲットが複数、即ち少なくとも２以上の画像に現れる様に設定される。

ＳＴＥＰ：０５ＳＴＥＰ：０４で画像を取得する際に画像の取得と同期して、水平角、鉛直角（水平角、鉛直角を含めて方向角と称す）が測定され、方向角は取得された画像と関連付けられ前記記憶部２８に格納される。

ＳＴＥＰ：０６前記記憶部２８に格納された各画像について画像処理が行われ、画像中に反射ターゲット像があるかどうかが確認され、更に前記反射ターゲット像を含む画像から前記反射ターゲット像が検出される。又、各画像中の前記反射ターゲット像の画像中の位置（前記画像センサ２３の受光面上での位置）が求められる。

尚、近距離サーチでは、視準光の光量は低く設定されているので、遠距離に位置する反射ターゲット５からは、ターゲットを認識できるだけの反射光が得られない場合があるが、近距離に位置する前記反射ターゲット５からの反射光は、前記画像センサ２３を飽和させない光量となる。

更に、前記光学系１１は固定倍率であるので、前記反射ターゲット像は距離に対応した大きさとなり、遠距離の反射ターゲット５については小さい反射ターゲット像が得られ、近距離については大きい反射ターゲット像が得られる。

従って、前記反射ターゲット像の大きさを判断することで、該反射ターゲット像に対応する反射ターゲット５の概略の距離が判断できる。例えば、近距離サーチを１００ｍ以内とし、１００ｍ以上を遠距離サーチとすると、１００ｍで得られる反射ターゲット像の大きさを判断基準として近距離サーチで検出する反射ターゲット５と遠距離サーチで検出する反射ターゲット５との切替えを行う。

ＳＴＥＰ：０７全サーチ範囲について走査が完了する迄、ＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０６が繰返される。

ＳＴＥＰ：０８全サーチ範囲について走査が完了すると、完了したサーチが近距離サーチか遠距離サーチかが判断される。

ＳＴＥＰ：０９近距離サーチが完了したと判断されると、近距離サーチで取得した反射ターゲット像を含む画像、該画像に関連付けられた方向角、該画像中の反射ターゲット像の位置に基づき、統合処理が実行される。ここで統合処理の対象となる画像は、反射ターゲット像の大きさで近距離に位置するターゲットと判断されたものである。

又、統合処理は、画像中の反射ターゲット像の位置を更に考慮し、正確な反射ターゲットの方向角（複合方向角と称す）を測定する処理である。

図６を参照して、統合処理について説明する。

先ず、画像処理及び反射ターゲット像の画像中の位置を求めることについて説明する。
図６は、走査中に取得した画像に於いて、前記視野４２と受光エリア４３と反射ターゲット像４４との関係を示している。又図６では、同一の反射ターゲット５が３の画像中に含まれている場合を示している。

尚、図６では１つの画像中に３の前記反射ターゲット像４４を示しているが、実際には１の画像に１つの反射ターゲット像４４が含まれる。図６は、３の画像を光軸を中心に重ね合せた状態を示している。

時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３でそれぞれ画像が取得され、時刻ｔ１で取得された画像（以下画像ｔ１）中には反射ターゲット像４４−１が含まれ、時刻ｔ２で取得された画像（以下画像ｔ２）中には反射ターゲット像４４−２が含まれ、時刻ｔ３で取得された画像（以下画像ｔ３）中には反射ターゲット像４４−３が含まれている。

撮影されるタイミングから、前記反射ターゲット像４４−１は完全な像であるが、前記反射ターゲット像４４−２、前記反射ターゲット像４４−３は一部が欠けた像となっている。

図６（Ｂ）に示される様に、各画像について前記視野４２に捉えられ、且つ前記受光エリア４３内に含まれる前記反射ターゲット像４４を囲む最少の矩形を設定（矩形認識）する。図６（Ｂ）の例によれば、画像ｔ１中の前記反射ターゲット像４４−１は像の全てが画像ｔ１中に含まれ、完全な円形の像となっている。該反射ターゲット像４４−１を囲む最少の矩形４５−１は、該反射ターゲット像４４−１に接する正方形となる。又、この時の矩形４５−１の面積は、反射ターゲット像を囲む矩形の中で最大となる。尚、前記反射ターゲット像４４が楕円等で得られる場合は、楕円の形状に対応した矩形となる。

更に、前記矩形４５−１が得られると、該矩形４５−１の対角の位置の座標ｔ１（ｘ１，ｙ１）、ｔ１′（ｘ２，ｙ２）を取得する。この時の座標は、前記光軸１２を原点とした前記受光エリア４３内での座標となる。

同様に、画像ｔ２中の前記反射ターゲット像４４−２を囲む最少の矩形４５−２を設定する。この時の該矩形４５−２は、前記反射ターゲット像４４−２の右側が欠けているので、縦長の矩形となる。更に、前記矩形４５−２の対角の座標を取得する。

又、画像ｔ３中の前記反射ターゲット像４４−３を囲む最少の矩形４５−３を設定する。この時の前記反射ターゲット像４４−３は大部分が欠け、前記反射ターゲット像４４−３の右上部分のみが、前記視野４２、前記受光エリア４３に共通に含まれる部分となる。
従って、前記矩形４５−３は、小さい横長の矩形となる。同様に該矩形４５−３の対角の座標を取得する。該対角の座標は、矩形の位置、矩形の大きさ、形状を示す矩形データとなる。

尚、２組の対角の座標の内どの組を選択するかは、前記反射ターゲット像４４の状態に応じて適宜選択すればよい。要は、矩形データが取得できればよい。

同一の反射ターゲット５について、３の画像が取得され、更に各画像での座標が取得された。

前記３の画像は、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３で取得されているので、前記光軸１２の水平角、鉛直角は、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３に対応して変化している。前記反射ターゲット像４４−１，４４−２，４４−３から得られる、矩形の対角の座標（受光エリア４３内の座標）と、各画像の前記光軸１２の方向角（水平角、鉛直角）から前記対角の絶対座標（２次元座標）が得られ、該絶対座標に基づき矩形を重ね合せる。尚、方向角は前記鉛直測角部３１、前記水平測角部３２によって測定される。

或は、前記鉛直測角部３１、前記水平測角部３２の検出結果に基づき、前記光軸１２の方向を一致させる。例えば、３の画像を、時刻ｔ１で取得した前記光軸１２の方向と合致させ、更に３の矩形４５−１，４５−２，４５−３を重ね合せる。

前記反射ターゲット像４４が同一の反射ターゲット５によって得られるものであると、前記矩形４５−１，４５−２，４５−３は、前記反射ターゲット像４４の一部、又は全部を示すものであるので、必然的に重合する。即ち、得られる複数の前記反射ターゲット像４４の一部でも重合していると、同一の反射ターゲット５の反射ターゲット像４４であると判断される。

矩形の重合の様子は、図６（Ｃ）に示される。取得される前記反射ターゲット像４４は同一の倍率、同一の距離であるので、完全な像についての前記矩形４５−１が最大となる。又、前記矩形４５−２，４５−３は、それぞれ前記矩形４５−１に包含される。全ての矩形を包含する矩形（図示では矩形４５−１）の対角の２点の座標の中点が、前記反射ターゲット５の方向角となる。

尚、前記反射ターゲット５の完全な像が得られない場合は、得られる複数の矩形４５を包含する最少の正方形を求めれば、該正方形が完全な像を囲む矩形と見なされる。

ここで、統合処理で得られる矩形、即ち完全な反射ターゲット像４４を囲む矩形を、主矩形４６とする。該主矩形４６に関する矩形データは、前記反射ターゲット５の位置（方向角）を示すと共に前記反射ターゲット像４４の大きさも示す。

各反射ターゲット５について得られる主矩形４６の矩形データは、各反射ターゲット５に関連付けて前記記憶部２８に格納される。或は、前記基地ＰＣ６に送信され、該基地ＰＣ６で保存される。格納された矩形データは遠距離サーチを行う場合のマスキングデータとして使用される。

上記した統合処理を、近距離に位置する全ての反射ターゲット（以下、近距離反射ターゲット）５に対して実行し、全ての近距離反射ターゲット５の方向角を測定（測角）する。又、測角のデータは、各近距離反射ターゲット５に関連付けて前記記憶部２８に格納される。或は、前記基地ＰＣ６に送信され、該基地ＰＣ６で保存される。

全ての近距離反射ターゲット５について統合処理が完了すると、ＳＴＥＰ：０２に戻り、遠距離サーチ用光量（例えば最大光量）に光量が設定される。

遠距離サーチ用光量に光量設定されると、近距離サーチと同様にＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０７が実行され、遠距離に位置する反射ターゲット５に対してサーチが実行される。遠距離サーチで得られた画像には、近距離、及び遠距離に位置する全ての反射ターゲット５が含まれる。

サーチ範囲全域のサーチが完了すると、ＳＴＥＰ：０８に於いて、完了したサーチが近距離サーチか遠距離サーチかが判断される。遠距離サーチと判断されると、ＳＴＥＰ：１０に移行する。

ＳＴＥＰ：１０遠距離サーチで取得した画像に基づき統合処理が実行される。

ＳＴＥＰ：０８でなされたターゲット位置の近距離、遠距離の判断、及びＳＴＥＰ：０９の統合処理で得られた、矩形データに基づき近距離ターゲット像を除去し、遠距離ターゲット像のみに基づいて統合処理が実行される。

近距離ターゲット像を除去する為に、ＳＴＥＰ：０９（統合処理）で取得した近距離ターゲットの位置、大きさ（矩形データ）に基づき画像中の近距離ターゲット像に対してマスキングが行われる。

マスキングの実行によって、遠距離ターゲット像のみに対して統合処理が行われる。統合処理は、近距離ターゲット像に対して行うものと同様であるので説明を省略する。

全ての遠距離反射ターゲット５について複合方向角測定（粗測定）が完了すると、粗測定の結果は前記記憶部２８に格納される。

ＳＴＥＰ：０９の統合処理、ＳＴＥＰ：１０のマスキングを追加した統合処理により全ての反射ターゲット５に対する粗測定結果が得られる。

ここで、マスキングの範囲は、該当する反射ターゲット５の位置で、該反射ターゲット５について得られた主矩形４６の大きさとなる。尚、実際のマスキングの範囲は、前記主矩形４６よりも若干大きくてもよい。或は、前記画像センサ２３からの受光信号の検出を制限する場合は、飽和が周辺の画素に影響を及すことを考慮し、或は、近距離ターゲット像の飽和により発生した光学的なゴーストを遠距離ターゲット像と誤認識しない様に前記主矩形４６に対して所定の余裕を持つ様にマスク４７の大きさを設定する（図７参照）。

図７に示す様に、該マスク４７に余裕を与えることで、遠距離サーチを行った場合に遠距離ターゲット像４８が前記マスク４７の範囲に含まれる場合がある。この場合、該マスク４７に含まれる前記遠距離ターゲット像４８については反射ターゲット５として認識しない。又、前記マスク４７より外れている遠距離ターゲット像４８については反射ターゲット５として認識する。

粗測定結果（目標値）に基づき、サーチ範囲に存在する全ての反射ターゲット５について精密測定（３次元測定）が開始される。

ＳＴＥＰ：１１粗測定の結果に基づき、所定の順番で、例えば反射ターゲット５に付された識別番号順に前記目標値の方向に前記望遠鏡部２が向けられる。上記粗測定で得られた方向角は正確であるので、該方向角に基づき前記望遠鏡部２を向ければ、該望遠鏡部２の光軸は前記反射ターゲット５の方向に合致している。

ＳＴＥＰ：１２粗測定の複合方向角に基づく、前記望遠鏡部２の方向設定が完了すると、自動視準が実行される。

対象とする反射ターゲット５が前記望遠鏡部２を介して前記画像センサ２３に受光されており、前記画像センサ２３の画像中の前記反射ターゲット５が検出され、該反射ターゲット５の前記光軸１２に対する偏差が求められ、該偏差が０になる様に前記鉛直モータ３６、前記水平モータ３７が駆動制御される。前記偏差を求める場合の、前記反射ターゲット５の位置は、反射ターゲット５の画像中心としてもよい。

上記した様に、前記望遠鏡部２の光軸は前記反射ターゲット５の方向に合致しており、前記望遠鏡部２による自動視準は簡単に且つ迅速に行われる。

ＳＴＥＰ：１３視準が完了すると、前記測距部２９による測距が行われ、又前記鉛直測角部３１、前記水平測角部３２により、鉛直角、水平角の測角が行われる。測距、測角は、自動視準される順番に従って、順次実行される。

前記反射ターゲット５についての測距結果、測角結果は、ティーチングデータとして反射ターゲット５に関連付けられて及び測定時間に関連付けられて、前記記憶部２８に記録、格納される。尚、ティーチングデータは前記通信部３３を介して前記測定装置ＰＣ３に送出され、該測定装置ＰＣ３に記録、格納されてもよい。

ＳＴＥＰ：１４全ての反射ターゲット５に対して測距、測角が実行されると、ティーチング作動が完了する。

全ての反射ターゲット５についての測距結果、測角結果は、ティーチングデータとして反射ターゲット５に関連付けられて及び測定時間に関連付けられて、前記記憶部２８に記録、格納される。尚、ティーチングデータは前記通信部３３を介して前記測定装置ＰＣ３に送出され、該測定装置ＰＣ３に記録、格納されてもよい。

前記測定装置ＰＣ３は、所定時間間隔で、前記ティーチングデータに基づき前記測定装置１が全てのプリズムをサーチし、順番に視準し、測距して、モニタリング測定を実行する様制御する。モニタリング測定は、反射ターゲット５の存在位置に応じて光量の増減を行いながら行ってもよく、或は光量を近距離用の光量に保持して近距離の反射ターゲット５に対してモニタリング測定を行い、その後光量を遠距離用に切替え、マスキング処理を行いながら、遠距離の反射ターゲット５に対してモニタリング測定を行ってもよい。

反射ターゲット５が近距離に位置するか或は遠距離に位置するかを判断し、測距光を近距離用の光量と遠距離用の光量に切替えて、サーチ或はモニタリング測定を行うので、測定範囲が大幅に拡大する。

尚、上記実施例では、近距離の反射ターゲット５に対しサーチ動作、粗測定を実行し、光量を変更して遠距離の反射ターゲット５に対してサーチ動作、粗測定を実行し、両粗測定の結果に基づき、全反射ターゲット５について精密測定を実行したが、近距離の反射ターゲット５に対してサーチ動作、粗測定と精密測定とを実行した後、光量を変え遠距離の反射ターゲット５に対してサーチ動作、粗測定と精密測定とを実行してもよい。

又、上記実施例では、精密測定をする場合に、統合処理を実行して反射ターゲット５の画像上の位置を求めたが、マスキングの大きさを考慮すれば、即ちマスキングを余裕を持った大きさとすれば、統合処理をすることなく画像から反射ターゲット像の画像中の位置を直接求めてもよい。

１測定装置
２望遠鏡部
３測定装置ＰＣ
５反射ターゲット
１１光学系
１２光軸
１３測距用光源
１４視準用光源
１５第１投光光学系
１６第２投光光学系
１７対物レンズ
１８フォーカスレンズ
２１ダイクロイックプリズム
２２反射視準光
２３画像センサ
２４反射測距光
２５測距用受光素子
２７演算処理部
２８記憶部
２９測距部
３１鉛直測角部
３２水平測角部
３３通信部
３５自動視準部
４２視野
４３受光エリア
４４反射ターゲット像
４５矩形
４６主矩形
４７マスク

Claims

測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準光を照射し視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部とを有する測定装置に於ける複数の前記測定対象物をモニタリング測定する測定方法に於いて、サーチ範囲を設定する工程と、照射する視準光の光量を近距離用と遠距離用に切替える光量切替え工程と、近距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、近距離に位置する測定対象物について粗測定を行う近距離サーチ工程と、遠距離用光量としてサーチ範囲をサーチし、遠距離に位置する測定対象物について粗測定を行う遠距離サーチ工程と、前記近距離サーチの粗測定結果と前記遠距離サーチの粗測定結果とに基づき全測定対象物について自動視準し、各測定対象物を測距、測角する精密測定工程とを具備し、前記近距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備し、前記遠距離サーチ工程は、前記望遠鏡部により前記サーチ範囲を走査する走査工程と、走査する過程で、所定時間間隔でデジタル画像を取得する画像取得工程と、画像取得時の方向角を測定する方向角測定工程と、前記デジタル画像中の測定対象物像を検出し、前記近距離サーチで取得した粗測定結果に基づき近距離に位置する測定対象物像について画像のマスキング処理し、遠距離に位置する測定対象物像の画像位置を検出する画像位置検出工程と、方向角測定結果と画像位置検出結果に基づき各測定対象物の複合方向角を測定する粗測定工程とを具備することを特徴とする測定方法。
前記画像取得工程は、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、前記画像位置検出工程は、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、該測定対象物像を囲む最少矩形を設定する矩形設定工程と、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せ、重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得する統合処理工程と、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差を演算する工程を有する請求項１の測定方法。
記憶された前記方向角に基づき順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角を実行する精密測定工程と、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得する工程とを更に具備する請求項１又は請求項２の測定方法。
測定対象物を視準する望遠鏡部と、該望遠鏡部を介して測距光を照射し前記測定対象物迄の距離を測定する測距部と、視準方向を撮像し、デジタル画像を取得する撮像部と、前記望遠鏡部の視準方向の方向角を検出する角度検出部と、前記望遠鏡部を前記測定対象物に自動視準させる自動視準部と、演算処理部と、記憶部とを具備する測定装置に於いて、前記測距部は近距離用と遠距離用に測距光の光量を変更可能であり、前記演算処理部は、近距離用の光量と遠距離用の光量で、それぞれ前記望遠鏡部を水平方向、鉛直方向に回転させ、複数の測定対象物を含む様設定した所定範囲を走査させ、前記撮像部により走査する過程で、同一の測定対象物を含む画像が複数となる様に所定時間間隔でデジタル画像を取得し、該デジタル画像中の測定対象物像を検出し、画像取得時の前記角度検出部の検出結果と前記デジタル画像中の測定対象物像の位置とに基づき前記測定対象物の複合方向角を演算し、各測定対象物に関連付けて該測定対象物の複合方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させ、更に前記演算処理部は、遠距離用の光量で測定対象物の複合方向角を演算する場合には、近距離用で取得した複合方向角に基づきマスキング処理を行い、近距離に位置する測定対象物の複合方向角の取得を制限することを特徴とする測定装置。
前記演算処理部は、測定対象物像を囲む最少矩形を設定し、複数のデジタル画像で得られた前記最少矩形を重ね合せると共に重ね合せた矩形を全て含む様に設定した矩形のデータを取得し、取得した矩形データに基づき矩形の中心と視準軸との偏差及び前記角度検出部からの検出結果に基づき前記測定対象物それぞれの複合方向角を演算し、該複合方向角を各測定対象物に関連付けて該測定対象物の方向角を自動視準用の目標値として前記記憶部に記憶させる請求項４の測定装置。
前記演算処理部は、前記記憶部に記憶された前記目標値に基づき前記自動視準部に順次前記測定対象物に前記望遠鏡部を自動視準させ、測距、測角の精密測定を実行し、該精密測定で得られた測定結果を前記測定対象物と関連付けて初期値として取得する請求項４の測定装置。