JP7148229B2

JP7148229B2 - 三次元点群データの縦断面図作成方法，そのための測量データ処理装置，および測量システム

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Publication number: JP7148229B2
Application number: JP2017148503A
Authority: JP
Inventors: 涼介三好
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: US11112531B2; JP2019027960A; US20190033487A1

Description

本発明は、地形や構造物の縦断面図を作成する方法，そのための測量データ処理装置，および測量システムに関する。

近年、デジタル技術の進歩により、レーザスキャナまたは写真測量用カメラを用いて、地形や構造物の三次元点群データが取得できるようになっている（例えば特許文献１）。

特開２００６－３２８０号公報

一方で、測量現場の縦断面図が要求されることがある。一般に、地形図から縦断面図を作成する手法は知られている。具体的には、地形図上に水平線を引き、水平線と平行に高度を示す高度線を引き、水平線と地形図の等高線が交わる点からその高度の高度線まで垂線を下ろし、高度線と垂線の交点をプロットしていく。全てのプロット点を結ぶと、水平線上の地形の縦断面図が作成できる。

しかし、上記の一般的な手法では、山道などのカーブを含む道路に対し、道路曲線形状に沿った縦断面図を作成することは出来ない。

本発明は、地形や構造物の三次元点群データから、任意の線に沿った縦断面図を作成する方法，そのための測量データ処理装置，および測量システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の縦断面作成方法は、（ａ）：三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で、複数の区間指定点を連続的に指定して、任意の縦断面作成ラインを設定するステップと、（ｂ）：前記区間指定点により形成された複数の区間のうち、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点を、前記縦断面作成ラインを含む鉛直な仮想面に、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影するステップと、（ｃ）：前記（ｂ）のステップを全ての区間に対して行うステップと、（ｄ）：複数の前記仮想面を前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開し、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図を表示するステップ、を備える。

また、本発明のある態様の測量データ処理装置は、三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で連続的に指定された複数の区間指定点から形成される任意の縦断面作成ライン含む鉛直な仮想面に、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点が、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影され、複数の前記仮想面が前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開されて、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図を作成する。

また、本発明のある態様の測量システムは、地形または構造物の三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測量する、点群計測機，地上走行体，または飛行体の少なくともいずれか一つを含む測量装置と、前記測量装置で測量された三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で連続的に指定された複数の区間指定点から形成される任意の縦断面作成ラインを含む鉛直な仮想面に、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点が、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影され、複数の前記仮想面が前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開されて、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図が作成される測量データ処理装置と、を備える。

本発明によれば、地形や構造物の三次元点群データから、任意の線上の縦断面図を作成することができる。

実施の形態に係る測量データ処理装置のブロック図である。縦断面作成ラインを設定する例を示す図である。縦断面作成ラインを設定する例を示す図である。縦断面図を作成する例を示す図である。縦断面図を表示する例を示す図である。実施の形態に係る測量データ処理装置の処理フローチャートである。実施の形態に係る測量データ処理装置により作成された縦断面図の一例である。実施の形態に係る測量システムの構成図である。

次に、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（測量データ処理装置）
図１には、実施の形態に係る測量データ処理装置１０（以下、処理装置１０と称する）が示されている。処理装置１０は、汎用パーソナルコンピュータ，ＰＬＤ（Programmable Logic Device）等による専用ハードウェア，タブレット端末，またはスマートフォン等において、ソフトウェア的に構成されている。処理装置１０は、ＣＰＵおよびその他専用の演算デバイス，半導体メモリ，ハードディスク等の記憶媒体を備えている。処理装置１０は、キーボートやタッチパネルディスプレイ等の入力部１１，液晶ディスプレイ等の表示部１２，ＵＳＢメモリ等の携帯型記憶媒体との間で情報のやり取りを行えるコネクタ部１３，および無線通信や有線通信を行う通信部１４を、必要に応じて備えている。

図１に示すように、処理装置１０は、三次元点群データ取得部２１，Ｘ－Ｙ平面作成部２２，縦断面作成ライン設定部２３，および縦断面図作成部２４を備えている。

三次元点群データ取得部２１は、測定対象物の三次元点群データを取得し、記憶媒体に記憶する。三次元点群データは、後述する測量装置により測定される。三次元点群データは、測定対象物の各測定点における三次元座標データを含んでいる。三次元座標を表示する座標系は、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が採用される。三次元点群データ取得部２１は、コネクタ部１３または通信部１４を介して、三次元点群データを取得する。

Ｘ－Ｙ平面作成部２２は、三次元点群データ取得部２１で取得した三次元点群データをＸ－Ｙ平面上に投影させ、表示部１２で閲覧可能にする。

縦断面作成ライン設定部２３は、ユーザに縦断面作成ラインを設定させるアプリケーションプログラムを実行し、アプリケーションに従った画面を表示部１２に表示させる。図２Ａおよび図２Ｂは、このアプリケーション画面の一例であり、縦断面作成ラインを設定する例を示す図である。具体的に、縦断面作成ライン設定部２３は、まず、Ｘ－Ｙ平面作成部２２で作成されたＸ－Ｙ平面を表示部１２に表示する。図２Ａおよび図２Ｂは、測量現場をカメラで撮影した画像に、三次元レーザスキャナで測定した三次元点群データが合成された３Ｄモデルである。Ｘ－Ｙ平面は、図２Ａのように、Ｘ－Ｙ平面に対し斜視的に表示されてもよいし、図２ＢのようにＸ－Ｙ平面を平面視して表示されてもよい。Ｘ－Ｙ平面に対する視点は、ユーザが任意に変更可能である。

縦断面作成ライン設定部２３は、ユーザに対し、Ｘ－Ｙ平面上で、縦断面図を作成する区間の指定をするよう指示する。ユーザは、アプリケーションに従って、縦断面図を作成する区間の始点と終点を指定していく。この区間指定点は、連続的に指定されるようになっており、前区間の終点が次区間の始点とされる。具体的に、ユーザは、図２Ａまたは図２Ｂに例示するように、道路形状に沿って区間指定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・，Ｉを、例えばマウス等を使用して指定する。区間指定点が指定されると、縦断面作成ライン設定部２３は、区間Ａ－Ｂ，区間Ｂ－Ｃ，区間Ｃ－Ｄ，・・・，区間Ｈ－Ｉを認識し、線分Ａ－Ｂ，線分Ｂ－Ｃ，線分Ｃ－Ｄ，・・・，線分Ｈ－Ｉを、縦断面作成ライン３０として設定する。

縦断面図作成部２４は、区間指定点により画された各区間において、区間の始点から終点までに測量されたＺ点を、縦断面作成ライン３０を含む鉛直な仮想面（Ｚ方向の仮想平面）に、縦断面作成ライン３０の（Ｘ，Ｙ）座標に対応させてプロットする。

図３は縦断面図を作成する例を示す図である。縦断面図作成部２４は、区間Ａ－Ｂにおいて、線分Ａ－Ｂ（縦断面作成ライン３０）を含む鉛直な第一仮想面４１に、区間Ａ－Ｂで取得されたＺ点を全て投影する。同様に、区間Ｂ－Ｃにおいて、線分Ｂ－Ｃ（縦断面作成ライン３０）を含む鉛直な第二仮想面４２に、区間Ｂ－Ｃで取得されたＺ点を全て投影する。同様に、区間Ｃ－Ｄにおいて、線分Ｃ－Ｄ（縦断面作成ライン３０）を含む鉛直な第三仮想面４３に、区間Ｃ－Ｄで取得されたＺ点を全て投影する。この作業は、区間Ｈ－Ｉまでの全区間に対して行われる。これにより、カーブを含む縦断面作成ライン３０に沿った、複数の縦断面図が作成される。

縦断面図作成部２４は、複数の縦断面図を、前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて、二次元に展開する。図４は縦断面図を表示する例を示す図である。図４では、図３に対応する区間Ａ－Ｂ，区間Ｂ－Ｃ，区間Ｃ－Ｄを示す。区間Ａ－Ｂの終点（Ｂ点）は、区間Ｂ－Ｃの始点に一致させられる。区間Ｂ－Ｃの終点（Ｃ点）は、区間Ｃ－Ｄの始点に一致させられる。すなわち、第一仮想面４１と第二仮想面４２はＢ点を基準点にして同一平面上に展開され、第二仮想面４２と第三仮想面４３はＣ点を基準点にして同一平面上に展開される。これにより、縦断面作成ライン３０に沿った、連続する二次元の縦断面図が作成される。この縦断面図が、縦軸が高度Ｚ、横軸がＸ－Ｙ平面を含む軸として、表示部１２に表示される。縦断面図作成部２４は、全ての区間に対する縦断面図を表示してもよいし、ユーザに指定された任意の区間の縦断面図を抽出して表示してもよい。

（縦断面図作成方法）
図５は、処理装置１０の処理フローチャートである。

まず、ステップＳ５１で、三次元点群データ取得部２１により、測定対象物の三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が取得される。次に、ステップＳ５２で、Ｘ－Ｙ平面作成部２２により、ステップＳ５１で取得した三次元点群データのＸ－Ｙ平面が閲覧可能にされる。次に、ステップＳ５３で、縦断面作成ライン設定部２３により、表示されたＸ－Ｙ平面上で、縦断面図を作成する区間の始点が選択され、ステップＳ５４で、縦断面図を作成する区間の終点が選択される。次に、ステップＳ５５で、縦断面作成ライン設定部２３により、さらに区間を作成するかが問われる。作成する場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ５６に移り、前区間の終点が次区間の始点とされ、ステップＳ５４に戻る。ステップＳ５５で、作成しない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ５７に移り、縦断面作成ライン３０が設定される。次に、ステップＳ５８に移り、縦断面図作成部２４により、設定された各区間の縦断面図が作成される。最後に、ステップＳ５９に移り、縦断面図作成部２４により、設定された区間のうち、選択された区間の二次元の縦断面図が表示部１２に表示される。

図６は、処理装置１０により作成された縦断面図の一例である。図６は、図２で設定した縦断面作成ライン３０の縦断面図であり、区間指定点ＡからＩまでを、縦軸が高度Ｚ，横軸がＸＹ平面を含む軸として、表示したものである。

以上、実施の形態に係る処理装置１０によれば、縦断面図を作成する線分を任意に連続的に指定することで、測定対象物に対し、任意の線上の縦断面図を作成することができる。特に、処理装置１０によれば、カーブを含む道路に対し、道路の形状に沿った縦断面図を作成することができる。また、処理装置１０によれば、縦断面図を作成する区間を細かく指定すれば（区間指定点の間隔を短く指定すれば）、曲率の大きい道路に対しても縦断面図を作成することができる。

好ましくは、縦断面作成ライン３０に沿った縦断面図を、同一平面上に連続的に展開させることで、二次元の縦断面図を表示することができる。

（測量システム）
次に、処理装置１０を構成要素の一とした、本発明に好適な測量システムについて、図面を参照して説明する。図７には、実施の形態に係る測量システム１００が示されている。符号１０４は、処理装置１０を体現する汎用のパーソナルコンピュータである。測量システム１００は、パーソナルコンピュータ１０４と、符号１０１～１０３に示す少なくともいずれか一つの測量装置からなる。符号１０１は、測量現場に設置された点群計測機である。符号１０２は、点群計測ユニット２００を搭載した地上走行体である。符号１０３は、点群計測ユニット３００を搭載した飛行体である。

処理装置１０，点群計測機１０１，地上走行体１０２，および飛行体１０３は、インターネット等の通信ネットワークＮを介して互いに通信可能となっている。通信ネットワークＮは、ローカル・エリア・ネットワークや、接続ケーブルや、衛星通信ネットワークなど、任意の通信ネットワークを含んでもよい。

点群計測機１０１は、三次元レーザスキャナであり、測量現場の既知の点に据え付けられている。点群計測機１０１は、縦軸周りに水平回転する本体１０１ａと、本体１０１ａに鉛直回転可能に設けられた回転照射部１０１ｂとを有する。本体１０１ａには、少なくとも、水平回転駆動部、水平角検出器、演算制御部、記憶部、表示部、操作部、送光部、および受光部が設けられている。回転照射部１０１ｂには、少なくとも、回動ミラー、鉛直回転駆動部、および鉛直角検出器が設けられている。回動ミラーは、鉛直方向に一定角速度で高速回転し、本体１０１ａと一体に水平回転する。回動ミラーの回転角は、鉛直角検出器および水平角検出器により検出される。送光部から発されたパルスレーザは、回動ミラーにより鉛直方向および水平方向に走査される。測定点から反射したパルスレーザは、フォトダイオード等からなる受光部に受光される。演算制御部は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラであり、受光部の出力信号から、測距光が往復する時間を計測することで、測定点までの距離を求める。また、水平角検出器と鉛直角検出器の値から、測定点の角度を測定する。そして、各測定点の距離，水平角，及び鉛直角から、三次元点群データを得る。

地上走行体１０２は、測量現場を走行可能な移動体であればよく、例えば車両や台車が好適である。地上走行体１０２には、点群計測ユニット２００が搭載されている。点群計測ユニット２００は、上方から、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite SＹstem）アンテナ２０１，スキャナ２０２，カメラ２０３，およびＩＭＵ（inertial measurement unit）２０４を有する。ＧＮＳＳアンテナ２０１は、走行体１０２の位置情報を取得する。カメラ２０３は、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサを備えたデジタルカメラであり、該カメラの全周（３６０度）の画像を取得する。スキャナ２０２は、複数本のレーザビームを回転走査する回転式レーザスキャナであり、周方向３６０度の三次元点群データを取得する。ＩＭＵ２０４は、三軸ジャイロと三方向加速度計を有し、三次元の角速度と加速度を取得する。点群計測ユニット２００を搭載した地上走行体１０２を用いれば、カメラ２０３で撮影した画像にスキャナ２０２で測定した三次元点群データが合成された３Ｄモデルが作成できる。

飛行体１０３は、自律飛行可能な無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Air Vehicle）である。飛行体１０３は、点群計測ユニット３００と、飛行体１０３のシャフトから放射状に延出する複数のプロペラ３０１を有する。点群計測ユニット３００は、上方から、ＧＮＳＳアンテナ３０２、ＩＭＵ３０３、カメラ３０４、およびプリズム３０５を有する。ＧＮＳＳアンテナ３０２は、飛行体１０３の位置情報を取得する。ＩＭＵ３０３は、三次元の角速度と加速度を取得する。カメラ３０４は、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサを備えたデジタルカメラである。カメラ３０４で撮影した画像は、例えばカメラ光軸が通過する点を原点とする直交座標によって各画素の位置が特定される。プリズム３０５は、トータルステーション（電子式測距測角儀）により追尾および測距可能である。点群計測ユニット３００を搭載した飛行体１０３を用いれば、カメラ３０４で撮影した複数の連続画像をステレオマッチング処理することにより、三次元点群データが得られる。

測量システム１００を用いれば、測量装置（点群計測機１０１，点群計測ユニット２００を搭載した地上走行体１０２，点群計測ユニット３００を搭載した飛行体１０３の少なくともいずれか一つ）から、測量現場の三次元点群データが取得できる。処理装置１０は、測量装置が取得した三次元点群データから、任意の線上の縦断面図を作成することができる。

ただし、点群計測機１０１，地上走行体１０２，飛行体１０３は、三次元点群データを測量する測量装置の好適な例である。測量システム１００における測量装置はこの三形態に限定されず、地形または構造物の三次元点群データを測量することのできる装置であれば、本明細書に言う測量装置に含まれる。処理装置１０は、通信部１４またはコネクタ部１３を介して、測量装置から三次元点群データを取得できればよい。

以上、本発明について、好ましい実施の形態および変形を述べたが、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１０測量データ処理装置
２１三次元点群データ取得部
２２Ｘ－Ｙ平面作成部
２３縦断面作成ライン設定部
２４縦断面図作成部
３０縦断面作成ライン
４１，４２，４３仮想面
１００測量システム
１０１点群計測機
１０２走行体
２００点群計測ユニット
１０３飛行体
３００点群計測ユニット

Claims

（ａ）：点群計測機，地上走行体，または飛行体の少なくともいずれか一つを含む測量装置によって測定された地形または構造物の三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で、複数の区間指定点を連続的に指定して、カーブを含む任意の縦断面作成ラインを設定するステップと、
（ｂ）：前記区間指定点により形成された複数の区間のうち、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点を、前記縦断面作成ラインを含む鉛直な仮想面に、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影するステップと、
（ｃ）：前記（ｂ）のステップを全ての区間に対して行うステップと、
（ｄ）：複数の前記仮想面を前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開し、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図を表示するステップ、を備えることを特徴とする縦断面図作成方法。
点群計測機，地上走行体，または飛行体の少なくともいずれか一つを含む測量装置によって測定された地形または構造物の三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で連続的に指定された複数の区間指定点から形成されるカーブを含む任意の縦断面作成ライン含む鉛直な仮想面に、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点が、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影され、複数の前記仮想面が前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開されて、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図が作成されることを特徴とする測量データ処理装置。
地形または構造物の三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測量する、点群計測機，地上走行体，または飛行体の少なくともいずれか一つを含む測量装置と、
前記測量装置で測量された三次元点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ－Ｙ平面上で連続的に指定された複数の区間指定点から形成されるカーブを含む任意の縦断面作成ラインを含む鉛直な仮想面に、ある区間の始点から終点までに測量されたＺ点が、前記縦断面作成ラインの（Ｘ，Ｙ）座標に対応させて投影され、複数の前記仮想面が前の区間の終点を次の区間の始点に一致させて同一平面上に二次元に展開されて、同一のＸＹ座標に対して複数のＺ座標値が投影された縦断面図が作成される測量データ処理装置と、
を備えることを特徴とする、測量システム。