JP6625030B2 - 三次元計測システム及び三次元計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、測量・設計・施工計画・検査までを一貫して管理するための三次元計測システム及び三次元計測方法に関するものである。

平成２８年３月、国土交通省は、建設現場におけるＩＣＴ技術の全面導入、特に三次元データを用いることで、測量・設計・施工計画・検査までを一貫して管理する「ｉ−Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」を打ち出した。これをうけて、今後は建設業界全体で三次元データの価値がいっそう高まることが予想され、さらに言えば、三次元計測装置や三次元計測方法についても価値が高まると考えられる。

例えば、特許文献１には、三次元画像計測方法として、計測対象のＣＡＤ図形形状を計測対象の輸郭上の点の集合として表現し、三次元の平行・回転移動量を直接与え、撮影映像との照合を行うに際して、ＣＡＤ図形は各種座標変換を行い、ＣＡＤ図面データをカメラの撮影過程が正確に模擬されるようにする技術が開示されている。

このような三次元計測システムでは、計測方法として主に２つの方法がある。１つ目は、既知点に機械本体を設置し、１つ以上の既知点におかれているターゲットを観測する手法である。２つ目は、機械本体を任意の場所に設置し、2つ以上の既知点に置かれているターゲットを観測する手法である。

特開平１０−８９９６０号公報

しかしながら、従来の観測手法を用いた場合、複数回の計測のデータ結合での誤差（がみ違い）が生じる。この誤差は、数ｍｍから数ｃｍに及ぶことがある。構造物に対する点群取得では、この誤差が極めて小さい値となるような成果を作成する必要がある。

そこで、本発明は、誤差を極めて小さい値とすることができる三次元計測システム及び三次元計測方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の三次元計測システムは、三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナによって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲットであって、円形気泡管と筒状気泡管とを有する整準台上に設置されるターゲットと、を備えている。

また、本発明の三次元計測方法は、前記三次元計測システムを使用する三次元計測方法であって、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットの距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が、３０度以上１５０度以下となるように前記ターゲットを設置するステップを備えている。

このように、本発明の三次元計測システムは、三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナによって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲットであって、円形気泡管と筒状気泡管とを有する整準台上に設置されるターゲットと、を備えている。このような構成によって、取得された点群データを結合する際に、ターゲットの座標誤差を小さくして結合不良を解消することができる。

また、本発明の三次元計測方法は、前記三次元計測システムを使用する三次元計測方法であって、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットの距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が、３０度以上１５０度以下となるように前記ターゲットを設置するステップを備えている。このような構成によって、取得された点群データを結合する際に、ターゲットの座標誤差を小さくして結合不良を解消することができる。

三次元計測システム全体の構成を説明する斜視図である。 整準台の平面図である。 三次元計測方法の距離と角度の範囲について説明する説明図である。 道路を計測する場合の手順を説明する説明図である。 四角形構造物を計測する場合の機器の配置図（正方形配置）である。 四角形構造物を計測する場合の機器の配置図（対角線配置）である。 四角形構造物の片面を計測する場合の機器の配置図である。 実験における機器の配置図である。 実験結果の全体の点群データである。 実験結果の橋脚の点群データである。 計測結果における誤差の一覧表である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（構成）
まず、図１を用いて本発明の三次元計測システム１の全体構成を説明する。本発明の三次元計測システム１は、図１に示すように、三次元レーザスキャナ２と、２つのターゲット３、３と、によって構成されている。後述するように、本発明の三次元計測システム１および三次元計測方法では、三次元レーザスキャナ２によって２つのターゲット３、３とともに構造物９０をスキャン（走査）することによって点群を取得し、取得した点群から構造物９０の形状・位置を特定するようになっている。

三次元レーザスキャナ２は、レーザ光線によって対象物（被測定物）を走査することで対象物の位置や形状を計測する装置であり、タイムオブフライト方式、位相差方式のいずれの方式であってもよい。以下では、タイムオブフライト方式の場合を例として説明する。タイムオブフライト方式の場合には、（１）レーザ光を発光、（２）対象物に反射（反射板は不要）、（３）戻ってくる時間を計測して距離に換算、（４）写真撮影（点群に現況の色を付ける場合）の順で計測作業が実施される。タイムオブフライト方式の装置であれば、３６０度×２７０度の範囲について毎秒５００００点のデータ取得が可能である。

このようにして三次元レーザスキャナ２によって取得された三次元の点群データに基づいてＴＩＮメッシュを作成し、二次元ＣＡＤ図面の作成ができるようになっている。さらに、計画図面と現況点群データとを組み合わせることにより、モデリングデータとして利用することもできる。断面の切り出しなども行うことができる。

後述するように、三次元レーザスキャナ２によって、対象物の走査と同時に、少なくとも２つの既知点であるターゲット３、３を走査することによって、三次元レーザスキャナ２が設置された位置の座標が逆算して求められ、求められた三次元レーザスキャナ２の座標に基づいて、スキャンによって取得された点群データの座標が求められる。

ターゲット３は、青色の円形板の中央に、白色の円形を描いたものである。この図形を三次元レーザスキャナ２が走査することによってターゲット３であることが認識される。ターゲット３は、既知の座標点上に正確に設置する必要があるため、三脚５に取り付けられた整準台４の上に設置される。

すなわち、本発明のターゲット３は、従来型の三脚よりも既知の座標点上に正確に設置することを可能とする整準台４上に設置されている。この整準台４は、円形気泡管４１と筒状気泡管４２とを有することで、座標点上の設置精度を高めている。すなわち、ターゲット３を設置する際に生じるヒューマンエラーを防止するために、ターゲット３は整準台４上に設置される。従来の(メーカーが示した)ターゲット３の設置方法では、1つの円形気泡管でターゲット３の水平を決定していた。本発明では、三脚５に整準台４を設置し、この整準台４上にターゲット３を設置する。整準台４に搭載されている円形気泡管４１と筒状気泡管４２の２つを使用することで、ターゲット３の水平誤差及び鉛直軸誤差を少なくできる。この手法を用いれば、取得された点群データを結合する際の、ターゲット３の座標誤差を小さくし、結合不良を解消できるようになる。

以下、図３〜図６を用いて、構造物を計測する際に観測誤差を軽減する手法について説明する。本発明では、１回の計測で、２つ以上のターゲット３、３を観測できるように位置関係を調整している。すなわち、本発明の三次元計測方法では、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３の距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３のなす内角が、３０度以上１５０度以下となるようにターゲット３、３を設置する。ただし、下記の内容は、計測現場によっては、数値を緩和させて計測を行うことができる。以下、配置について具体的に説明する。

三次元レーザスキャナ２（以下、「機体本体２」という）（図３：白丸）とターゲット３、３（図３：黒四角）の位置関係は、以下の式（１）を満たす位置関係となるように留意する。
１０ｍ＜Ｌ＜１２０ｍ・・・（１）

構造物を測定する現場において、機械本体２と２点のターゲット３、３の内角（α）は以下の式（２）を満たす位置関係となるよう留意する。
３０度＜α＜１５０度・・・（２）

より高い精度が要求される構造物を測定する現場では、機体本体２の頂点をＯと２点のターゲット３、３の頂点をＡ、Ｂとした際、この内角（β）とＯＡ、ＯＢ間の位置関係は以下の式を満たす位置関係となるよう留意する。
β＝６０度 かつ ＯＡ＝ＯＢ・・・（３）

次に、上述した式（１）〜（３）に留意しつつ、構造物９０とターゲット３、３と機体本体２の位置関係について説明する。

（道路の計測方法）
まず、図４を用いて、本発明の三次元計測方法を用いて道路を計測する場合について説明する。
［１］・・・先に記した式（１）〜（３）を意識し、機体本体２（図３：白丸）とターゲット３、３（図３：黒四角）を設置し、１回目の計測を行う。
［２］・・・２回目の計測では、１回目の計測で使用した１つのターゲット３に、機体本体２を設置し、上記で記した式（２）・（３）を意識して、新たなターゲット３を設置する。
［３］・・・［２］を繰り返す。この際、道路が満遍なく計測できていることを確認しながら、計測を進める。

（四角形構造物の計測方法（正方形配置））
次に、図５を用いて、本発明の三次元計測方法を用いて四角形構造物（平面形状が略四角形である構造物）を計測する場合について説明する。本発明の四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の頂点すべてに接する正方形を描いて、正方形のいずれかの頂点に三次元レーザスキャナ２を設置するステップと、いずれかの頂点に設置された三次元レーザスキャナ２から、２つのターゲット３、３との距離が略同一となるように、２つのターゲット３、３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。以下、配置について具体的に説明する。
［１］・・・構造物（図５：中央の実線と破線で示された四角形）の頂点に、すべて接する正方形を描く。この正方形の頂点に機体本体２（図５：白丸）を設置する。
［２］・・・ターゲット３、３は、機体本体２の設置箇所から構造物を見た範囲の反対側に設置する（図５：黒四角）。この時に、頂点に設置された機体本体２と２つのターゲット３、３とを結ぶ線分は等距離になるようにする。また、機体本体２から２つの線分に伸びる角度は、４地点全てで同じ角度とする。
［３］・・・機体本体２の隣接する設置点からターゲット３、３までの距離は、２等辺三角形となるように設置する。

（四角形構造物の計測方法（対角線配置））
図６を用いて、本発明の三次元計測方法を用いて四角形構造物を計測する場合について説明する。本発明の四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の一方の対角線上に三次元レーザスキャナ２、２を設置するステップと、四角形構造物の他方の対角線上にターゲット３、３を設置するステップであって、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３のなす内角が９０度となるように、ターゲット３、３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。以下、配置について具体的に説明する。
［１］・・・構造物（図６：中央の実線と破線で示された四角形）の対角線上にある頂点の延長上に、機体本体２（図６：白丸）とターゲット（図６：黒四角）を設置する。
［２］・・・この時に、機体本体２と２つのターゲット３、３間の角度は９０度となるようにする。

（四角形構造物の計測方法（片面計測））
図７を用いて、本発明の三次元計測方法を用いて四角形構造物を計測する場合について説明する。本発明の四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の一側面の中央から伸びる法線を対称軸として、法線の両側の対称ないずれかの位置に三次元レーザスキャナ２を設置するステップと、法線を対称軸として、法線の両側の対称な位置に２つのターゲット３、３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。そして、背面側からも同様の計測を実施して、正面側からの観測と背面側からの観測の点群データを結合することによって、四角形構造物の計測が完了する。以下、配置について具体的に説明する。
［１］・・・構造物（図７：中央の実線と破線で示された四角形）の１側面から垂線（法線）をひく。垂線上に、任意の点を設け、任意の点上を通る１側面と平行な線を設ける。
［２］・・・任意の点から平行線上に等距離に伸びる位置に機体本体２を設置する（図７：白丸）。
［３］・・・機体本体２からみえる位置に、ターゲット３、３（図７：黒四角）を設置する。このとき、ターゲット３、３の位置関係は、平行線上の任意の点を頂点とする２等辺三角形とする。

（効果）
次に、本実施例の三次元計測システム１及び三次元計測方法が奏する効果を列挙して説明する。

（１）上述してきたように、本発明の三次元計測システム１は、三次元レーザスキャナ２と、三次元レーザスキャナ２によって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲット３、３であって、円形気泡管４１と筒状気泡管４２とを有する整準台４上に設置されるターゲット３、３と、を備えている。このような構成によれば、取得された点群データを結合する際に、ターゲット３、３の座標誤差を小さくして結合不良を解消することができる。

（２）また、本発明の三次元計測方法は、三次元計測システム１を使用する三次元計測方法であって、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３の距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３のなす内角が、３０度以上１５０度以下となるようにターゲット３、３を設置するステップを備えている。より好ましくは、内角（β）を６０度とし、かつ、三次元レーザスキャナ２から各ターゲット３、３までの距離を等しくすることが好ましい。このように配置することによって、誤差を小さくすることができる。

（３）また、四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の頂点すべてに接する正方形を描いて、正方形のいずれかの頂点に三次元レーザスキャナ２を設置するステップと、いずれかの頂点に設置された三次元レーザスキャナ２から、２つのターゲット３、３との距離が略同一となるように、２つのターゲット３、３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。このため、ターゲット３、・・・の設置数を抑制しつつ、四角形構造物の各側面を１つずつ正面から正確に計測することで、データ全体の結合不良を解消することもできる。

（４）また、四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の対角線上に三次元レーザスキャナ２を設置するステップと、四角形構造物の対角線上にターゲット３、３を設置するステップであって、三次元レーザスキャナ２と２つのターゲット３、３のなす内角が９０度となるように、ターゲット３，３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。このため、ターゲット３、・・・の設置数及び三次元レーザスキャナ２の据え換え回数を最少に抑制しつつ、四角形構造を正確に計測してデータ全体の結合不良を解消することもできる。

（５）また、四角形構造物を計測する三次元計測方法は、四角形構造物の一側面の中央から伸びる法線を対称軸として、法線の両側の対称ないずれかの位置に三次元レーザスキャナ２を設置するステップと、法線を対称軸として、法線の両側の対称な位置に２つのターゲット３、３を設置するステップと、三次元レーザスキャナ２によって、２つのターゲット３、３とともに四角形構造物をスキャンするステップと、を備えている。このため、２つの三次元レーザスキャナ２の設置位置から、四角形構造物の一つの側面を正面方向から２回ずつ計測することで、特に重要な側面の計測精度を高めるとともに、データ全体の結合不良を解消することができる。

以下、図８〜図１１を用いて、本発明で提案する三次元計測システム１及び三次元計測方法の実証実験について説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

本実証実験の目的は、整準台４を用いたターゲット３による計測精度と、標準のターゲットによる計測精度を比較検証すること、及び、ターゲット３と機体本体２の角度や位置関係による計測精度を検証することである。計測精度を検証するために、２回の測定の結合誤差を比較した。現地では、橋脚の１側面（計測対象面）に対して、図８のような機体本体２とターゲット３の位置関係で測定を実施した。ターゲット３および機体本体２の位置関係は、図８に示す通りである。

実証実験では、以下の（１）〜（４）の場合について計測を実施した。
（１）整準台４を用いたターゲット３、３をＴＧ１、ＴＧ２に設置し、機体本体２をＫ１に据え置いて計測。
（２）整準台４を用いたターゲット３、３をＴＧ１、ＴＧ２に設置し、機体本体２をＫ２に据え置いて計測。
（３）標準のターゲットをＴＧ１、ＴＧ２に設置し、機体本体２をＫ３に据え置き計測。
（４）標準のターゲットをＴＧ１、ＴＧ２に設置し、機体本体２をＫ４に据え置き計測。
計測後日には、トータルステーションを用いて、ＴＧ１、ＴＧ２の正確な緯度経度および高さを観測した。

実験結果の点群データを図９、図１０に示す。なお、図９及び図１０では、点群データはモノクロ出力されているが、実際には、点群データは反射強度に応じてカラー出力することができる。

それぞれの計測における、全体の計測誤差と３方向の計測誤差を図１１に示す一覧表にまとめた。整準台４を用いることで、計測誤差を１ｍｍ以内とすることができた。一方で、標準のターゲットを用いると計測誤差が４ｍｍとなった。本計測では、機体本体２と計測対象物、機体本体２とターゲットの距離が１０ｍ≦Ｌ＜２０ｍの範囲であったが、これらの距離がより遠く離れるほど、計測誤差の値が高まると考える。構造物の計測では、数ｃｍの誤差がその後の工程に大きく影響してくる。本発明の計測手法を用いた高い精度は非常に重宝されると考えられる。

なお、この他の構成および作用効果については、実施例１と略同様であるため説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

１ 三次元計測システム
２ 三次元レーザスキャナ
３ ターゲット
４ 整準台
５ 三脚
４１ 円形気泡管
４２ 筒状気泡管
９０ 構造物

Claims (3)

1. 三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナによって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲットであって、円形気泡管と筒状気泡管とを有する整準台上に設置されるターゲットと、を備える、三次元計測システムを使用して四角形構造物を計測する三次元計測方法であって、
   前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットの距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が、３０度以上１５０度以下となるように前記ターゲットを設置するステップを備え、さらに、
   前記四角形構造物の頂点すべてに接する正方形を描いて、前記正方形のいずれかの頂点に前記三次元レーザスキャナを設置するステップと、
   いずれかの頂点に設置された前記三次元レーザスキャナから、２つの前記ターゲットとの距離が略同一となるように、２つの前記ターゲットを設置するステップと、
   前記三次元レーザスキャナによって、２つの前記ターゲットとともに前記四角形構造物をスキャンするステップと、を備える、三次元計測方法。
2. 三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナによって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲットであって、円形気泡管と筒状気泡管とを有する整準台上に設置されるターゲットと、を備える、三次元計測システムを使用して四角形構造物を計測する三次元計測方法であって、
   前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットの距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が、３０度以上１５０度以下となるように前記ターゲットを設置するステップを備え、さらに、
   前記四角形構造物の対角線上に前記三次元レーザスキャナを設置するステップと、
   前記四角形構造物の対角線上に前記ターゲットを設置するステップであって、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が９０度となるように、前記ターゲットを設置するステップと、
   前記三次元レーザスキャナによって、２つの前記ターゲットとともに前記四角形構造物をスキャンするステップと、を備える、三次元計測方法。
3. 三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナによって観測される少なくとも２つの既知の座標点上に設置されるターゲットであって、円形気泡管と筒状気泡管とを有する整準台上に設置されるターゲットと、を備える、三次元計測システムを使用して四角形構造物を計測する三次元計測方法であって、
   前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットの距離が、１０ｍ以上１２０ｍ以下となるように、かつ、前記三次元レーザスキャナと２つの前記ターゲットのなす内角が、３０度以上１５０度以下となるように前記ターゲットを設置するステップを備え、さらに、
   前記四角形構造物の一側面の中央から伸びる法線を対称軸として、前記法線の両側の対称ないずれかの位置に前記三次元レーザスキャナを設置するステップと、
   前記法線を対称軸として、前記法線の両側の対称な位置に２つの前記ターゲットを設置するステップと、
   前記三次元レーザスキャナによって、２つの前記ターゲットとともに前記四角形構造物をスキャンするステップと、を備える、三次元計測方法。