JP7313955B2 - 測量装置、測量方法および測量用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、レーザースキャンの技術に関する。

レーザースキャンにおいて、スキャン用レーザー光が届かない箇所が生じる場合がある。この場合、機械点（視点）を変更し、前回レーザースキャンができなかった範囲に対する再度のレーザースキャンを行う必要がある。特許文献１には、レーザースキャンが出来なかった部分への再度のレーザースキャンを行う技術について記載されている。

特許第５０５７７３４号公報

本発明は、スキャンレーザー光の射程の限界に起因する機械点の再度の選択に要する作業の負担を低減する技術の提供を目的とする。

本発明は、外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置であって、第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得部と、前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得部と、前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出部とを備え、前記第２の機械点は、Ｎを２以上の自然数として、前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、前記Ｎ個の点の平均の位置の算出とにより得られる測量装置である。

本発明において、前記トータルステーションは、マーキング光の発光を行うマーキング光発光部を備え、前記マーキング光が前記第２の機械点に照射される態様は好ましい。本発明において、前記トータルステーションは、ターゲットの測位を行う機能を有し、前記ターゲットの位置と前記第２の機械点の位置とを比較したデータを作成する比較データ作成部を備える態様は好ましい。

本発明において、前記トータルステーションは、ターゲットの測位を行う機能を有し、前記ターゲットの位置のデータと前記第２の機械点の位置のデータとを外部に出力するデータ出力部を備える態様は好ましい。本発明において、前記機械点算出部では、前記第１の機械点から見て異なる複数の方向の距離が上位である複数の点を抽出する処理と、前記抽出された前記複数の点の平均の位置の算出と、前記平均の位置に基づく前記第２の機械点の算出とが行なわれる態様は好ましい。

本発明において、前記機械点算出部では、前記第１の機械点から見て距離が最大である点を基準点として抽出する処理と、前記基準点から前記第１の機械点に近づいた位置を第２の機械点として取得する処理とが行なわれる態様は好ましい。本発明において、前記点群データに基づき、鉛直上方に向いた水平面を抽出する面抽出部を備え、前記第２の機械点が前記面抽出部で抽出された面上で選択される態様は好ましい。

本発明は、外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置を用いた測量方法であって、第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得ステップと、前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得ステップと、前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出ステップとを有し、前記第２の機械点は、Ｎを２以上の自然数として、前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、前記Ｎ個の点の平均の位置の算出とにより得られる測量方法として把握することもできる。

本発明は、外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置を用いた測量の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、コンピュータに第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得ステップと、前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得ステップと、前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出ステップとを実行させ、前記第２の機械点は、Ｎを２以上の自然数として、前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、前記Ｎ個の点の平均の位置の算出とにより得られるプログラムとして把握することもできる。

本発明によれば、スキャンレーザー光の射程の限界に起因する機械点の再度の選択に要する作業の負担が低減できる。

発明の原理を示す原理図である。 発明を利用したレーザースキャナ付トータルステーションの斜視図である。 発明を利用したレーザースキャナ付トータルステーションの正面図である。 発明を利用したレーザースキャナ付トータルステーションのブロック図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。

１．第１の実施形態
（概要）
図１には、実施形態の概要が示されている。この例では、室内でレーザースキャンを行い室内の壁，天井、床、柱、梁等の室内形状の点群データを得る場合を説明する。勿論、レーザースキャンの対象は室内に限定されず、野外であってもよい。

この例では、トータルステーションとレーザースキャナを複合化したレーザースキャナ付トータルステーション１００（図２，図３参照）を用いる。この装置は、レーザーマーキングを行う機能を有し、当該装置に対する位置が指定されると、その位置にマーキング用のレーザー光を照射し、当該位置にマーキングを行うことができる。レーザースキャナ付トータルステーション１００の詳細につては後述する。

この例では、レーザースキャン光の反射光の受光強度を予め定めた閾値で判定し、この閾値を下回る受光強度の反射光は採用しない。この閾値は、信頼性のある測距値が得られる反射光の強度の下限値として設定される。

以下、図１の場合を例に挙げ、基本的な概要を説明する。まず、第１の機械点である機械点Ａにレーザースキャナ付トータルステーションを設置する。ここで機械点とは、レーザースキャナが設置される点である。

第１の機械点に設置された状態で周囲のレーザースキャンを行い、レーザースキャン点群を得る。図１（Ａ）は、鉛直上方から見た視点であり、部屋の壁の点群データが得られた例が示されている。この例では、図１（Ａ）に示すように、レーザースキャン光が届かない部分があるので、壁の点群データは途中で途切れている。

機械点Ａからのレーザースキャンを行ったら、機械点Ａから見た１番目からＮ番目までの遠い点を選択する。ここで、Ｎは２以上の自然数である。図１（Ａ）の場合、壁から取得した点群の途切れた部分であり、１番目と２番目に遠い点である点(1)と点(2)の位置の２点が選択される。選択する点の数は、通常２点以上であるが、ここでは説明を簡単にするために２点が選択される場合を説明する。

点(1)と(2)の選択は、以下のようにして行われる。まず、機械点Ａから見て異なる複数の方向における距離が上位からＮ番目までの点を抽出する。そして、その中から方向がある程度異なり、距離が１番目と２番目の２点を更に抽出する。図１の場合、点(1)と点(2)が上記の２点として抽出される。ここで、上位３点以上を抽出することもできる。方向の差は、見開き角が２０°～９０°程度の範囲とする。

点(1)と(2)を取得したら、点(1)と点(2)の床面への鉛直投影点の座標、すなわち点(1)の水平方向の位置および点(2)の水平方向の位置を取得する。

次いで、点(1)と点(2)の水平方向の位置の平均値を算出し、そこを新たな第２の機械点Ｂの水平位置（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）とする。また、この第２の機械点Ｂの鉛直位置（Ｚ位置）を以下のようにして求める。

まず、機械点Ａから取得した点群データから（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）に最も近接する点のデータを抽出し、この点のＺ値を機械点ＢのＺ位置（鉛直方向における位置）として取得する。こうして機械点Ｂの三次元座標位置（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ，Ｚ_Ｂ）を取得する。

機械点ＢのＺ値の求め方としては以下の方法もある。第１の他の方法は、機械点ＡのＺ値を利用する方法である。室内の計測対象とした場合等において、同じ水平面上で次の機械点の設定されることが明確な場合、この方法を利用できる。この場合において、機械点Ｂの設定を行い、その場所に目印を付ける等のマーキングを行った後に、機械点Ｂの三次元位置をレーザースキャナ付トータルステーションのトータルステーション機能により測定し、最終的な機械点Ｂの三次元座標値の確定を行ってもよい。

第２の他の方法は、機械点Ａから得た点群データから水平面（例えば床面や地面）を抽出し、そこに上記（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）から垂線をおろし、この垂線と前記水平面との交点のＺ座標値をＺ_Ｂとして取得する方法である。

機械点Ｂの三次元座標位置（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ，Ｚ_Ｂ）を取得することで、機械点Ａから見た機械点Ｂの位置が判り、機械点Ａに設置したレーザースキャナ付トータルステーションからの機械点Ｂの方向が判明する。そして、機械点Ａに設置したレーザースキャナ付トータルステーションのレーザーマーキング機能を利用し、機械点Ｂにレーザーマーキング光を照射する。

作業者は、上記マーキング光によりマーキングされた床面上の位置に目印を設置する等して、機械点Ｂを確定する。次いで、機械点Ａに設置していたレーザースキャナ付トータルステーションを機械点Ｂに移動させ、そこに設置する。そして、機械点Ｂからのレーザースキャンを行い、機械点Ａからでは射程外だった点群データを得る。この場合の一例が図１（Ｃ）に示されている。

なお、機械点Ｂからのレーザースキャンの範囲と、機械点Ａからのレーザースキャン範囲の範囲とは一部で重複する。

ここで、機械点Ａがバック点（後視点）となり、機械点Ｂから得た点群データが機械点Ａから得た点群データを記述する座標系上で記述される。なお、絶対座標系における機械点Ａの位置が既知であれば、機械点Ａがバック点となり、機械点Ｂから得た点群データは、絶対座標系上において記述される。

トータルステーションを用いた機械点Ｂへの誘導の方法として、ターゲット（例えば、反射プリズム）を用いた方法も利用できる。これは、トータルステーションを用いた測設点の設置に利用される手法を利用したものである。この技術では、作業者が携帯したターゲット（例えば、反射プリズム）をレーザースキャナ付トータルステーションが捕捉し、ターゲットの位置を測定する。そして、作業者が携帯する端末のディスプレイ上に機械点Ｂとターゲットの位置関係を表示させ、作業者に機械点Ｂの位置を把握させる。上記の表示を見ながら、作業者は、機械点Ｂの位置を探り当てる。

マーキング光による機械点Ｂへの誘導後に、機械点Ｂの目印を付ける等のマーキングを行い、その点の三次元位置をレーザースキャナ付トータルステーションのトータルステーション機能により測定し、最終的な機械点Ｂの座標値の確定（確認）を行ってもよい。

（レーザースキャナ付きトータルステーション）
図２には、発明を利用したレーザースキャナ付トータルステーション１００の斜視図が示されている。図３には、レーザースキャナ付トータルステーション１００の正面図が示されている。レーザースキャナ付トータルステーション１００は、後述するレーザースキャナ１０９とトータルステーションを複合化した構造を有している。トータルステーションの機能は、通常のトータルステーションと同じである。トータルステーションの詳細な構造については、例えば特開２００９－２２９１９２号公報、特開２０１２―２０２８２１号公報に記載されている。

レーザースキャナ付トータルステーション１００は、ＴＳ本体１５０とレーザースキャナ１０９を結合（複合化）した構造を有している。レーザースキャナ付トータルステーション１００は、本体部１１を有している。本体部１１は、台座１２上に水平回転が可能な状態で保持されている。台座１２は図示しない三脚の上部に固定される。本体部１１は、Ｙ軸の方向から見て上方に向かって延在する２つの延在部を有する略コの字形状を有し、この２つの延在部の間に可動部１３が鉛直角（仰角および俯角）の制御が可能な状態で保持されている。

本体部１１は、台座１２に対して電動で水平回転する。すなわち、本体部１１は、本体部１１に内蔵された水平角制御用のモータにより駆動され、台座１２に対して水平回転する。可動部１３は、本体部１１に内蔵された鉛直角制御用のモータにより本体部１１に対して鉛直回転する。これら水平回転と鉛直回転の制御は、本体部１１に内蔵された鉛直・水平回転駆動部１０６（図４のブロック図を参照）により行われる。

本体部１１には、水平回転角制御ダイヤル１４ａと鉛直角制御ダイヤル１４ｂが配置されている。水平回転角制御ダイヤル１４ａを操作することで、本体部１１（可動部１３）の水平回転角の調整が行なわれ、鉛直角制御ダイヤル１４ｂを操作することで、可動部１３の鉛直角の調整が行なわれる。位置データを入力し、レーザースキャナ付トータルステーション１００の光軸をその方向に自動で指向させる動作も可能である。

可動部１３の上部には、大凡の照準を付ける角筒状の照準器１５ａが配置されている。また、可動部１３には、照準器１５ａよりも視野が狭い光学式の照準器１５ｂと、より精密な視準が可能な望遠鏡１６が配置されている。

照準器１５ｂと望遠鏡１６が捉えた像は、接眼部１７を覗くことで視認できる。望遠鏡１６は、測距用の赤外帯域のレーザー光（レーザー測位部１０３からの測距光）、測距対象（例えばターゲットとなる専用の反射プリズム）を追尾および捕捉するための追尾光、およびレーザーマーキングを行う可視帯域のマーキング用レーザー光の光学系を兼ねている。測距光、追尾光およびマーキング用レーザー光の光軸は、望遠鏡１６の光軸と一致するように光学系の設計が行なわれている。

測距用のレーザー光とマーキング用のレーザー光を一つのレーザー光で兼ねることも可能である。この場合、可視帯域のレーザー光を測距用のレーザー光兼マーカ用レーザー光として利用する。可動部１３の光学系とレーザースキャナ１０９の外部標定要素の関係は、設計データとして予め取得されており既知である。

本体部１１には、ディスプレイ１８と１９が取り付けられている。ディスプレイ１８は、操作部１０１と一体化されている。操作部１０１には、テンキーや十字操作ボタン等が配され、レーザースキャナ付トータルステーション１００に係る各種の操作やデータの入力が行なわれる。ディスプレイ１８と１９には、レーザースキャナ付トータルステーション１００の操作に必要な各種の情報や測量データ等が表示される。前後に２つディスプレイがあるのは、本体部１１を回転させなくても前後のいずれの側からでもディスプレイを視認できるようにするためである。

本体部１１の上部には、レーザースキャナ１０９が固定されている。レーザースキャナ１０９は、第１の塔部３０１と第２の塔部３０２を有している。第１の塔部３０１と第２の塔部３０２は、結合部３０３で結合され、結合部３０３の上方の空間（第１の塔部３０１と第２の塔部３０２の間の空間）は、スキャンレーザー光を透過する部材で構成された保護ケース３０４で覆われている。保護ケース３０４の内側には、第１の塔部３０１からＸ軸方向に突出した回転部３０５が配置されている。回転部３０５の先端は、斜めに切り落とされた形状を有し、その先端部には、斜めミラー３０６が固定されている。

回転部３０５は、第１の塔部３０１に納められたモータにより駆動され、Ｘ軸を回転軸として回転する。第１の塔部３０１には、上記のモータに加え、このモータを駆動する駆動回路と、その制御回路、回転部３０５の回転角を検出するセンサ、該センサの周辺回路が納められている。

第２の塔部３０２の内部には、レーザースキャン光を発光するための発光部、対象物から反射してきたスキャン光を受光する受光部、発光部と受光部に関係する光学系、スキャン点（スキャン光の反射点）までの距離を算出する距離算出部が納められている。また、レーザースキャナ１０９は、回転部３０５の回転角度位置（鉛直回転角）、本体部１１の水平回転角およびスキャン点までの距離に基づきスキャン点の三次元座標を算出するスキャン点位置算出部を有している。

レーザースキャナ１０９の光学系の外部標定要素と可動部１３内部の光学系（レーザー測位部１０３の光学系）の外部標定要素の関係は設計データとして既知である。すなわち、レーザースキャナ１０９の光学原点とレーザー測位部１０３の光学原点の位置関係は既知であり、レーザースキャナ１０９の姿勢とレーザー測位部１０３の姿勢の関係も既知である。

レーザースキャン光は、第２の塔部３０２の内部から斜めミラー３０６に向けて照射され、そこで反射され、透明なケース３０４を介して外部に照射される。また、対象物から反射したスキャン光は、照射光と逆の経路を辿り、第２の塔部３０２内部の受光部で受光される。

スキャン光の発光タイミングと受光タイミング、さらにその際の回転部３０５の鉛直回転角と本体部１１の水平回転角により、スキャン点（スキャンレーザー光の反射点）の測位が行なわれる。この測位の原理は、通常のレーザー測距の原理と同じである。

以下、レーザースキャナ１０９におけるレーザー測距の原理を簡単に説明する。まず、光速度は不変なので、測距光の飛翔時間とその方向が判れば、光学系の光学原点を起点としたベクトルが設定でき、光学原点に対する測距光の反射点の位置が計算できる。この原理は、レーザー測位部１０３におけるレーザー測位も同じである。

測距光の飛翔時間は、発光と受光のタイミング差や、距離が既知の基準光路を伝搬した基準光の受光タイミングと測距光の受光タイミングの差（位相差）から知ることができる。測距光の照射方向は、発光時における回転部３０５の鉛直回転角と本体部１１の水平回転角から知ることができる。ここで、回転部３０５の鉛直回転角と本体部１１の水平回転角は、鉛直・水平回転角度検出部１０７により検出される。

レーザースキャン用のレーザー光は、パルス発光され、斜めミラー３０６で反射され、保護ケース３０４から外部に向かって間欠的に出射される。この際、回転部３０５が回転しながらレーザースキャン光の照射が行われる。これにより、鉛直面（Ｙ―Ｚ面（Ｘ軸回り））におけるレーザースキャン、つまり鉛直面に沿ったレーザースキャンが行なわれる。また、同時に本体部１１を水平回転（Ｚ軸回りに回転）させることで、水平方向のレーザースキャンも行われ、結果として周囲全体（あるいは必要とする範囲）のレーザースキャンが行なわれる。レーザースキャン光は、１条の形態も可能であるし、同時に複数条を照射する形態も可能である。

なお、レーザースキャナに係る技術については、特開２０１０－１５１６８２号公報、特開２００８－２６８００４号公報、米国特許第８７６７１９０号公報、ＵＳ７９６９５５８号公報、ＵＳ２０１７－０２６９１９７号公報等に記載されている。また、レーザースキャナとして、米国公開公報ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報に記載されているような、スキャンを電子式に行う形態も採用可能である。

（ブロック図）
図４には、ＴＳ（トータルステーション）１００のブロック図が示されている。レーザースキャナ付トータルステーション１００のトータルステーションとしての基本的な機能は、従来のものと同じである。レーザースキャナ付トータルステーション１００が従来のトータルステーションと異なるのは、レーザースキャナ１０９と複合化されている点、次の機械点の位置を算出する点、マーキング用のレーザー光を次の機械点の位置に照射し、レーザーマーキングが可能な点である。

レーザースキャナ付トータルステーション１００は、操作部１０１、撮像部（カメラ）１０２、ディスプレイ１８，１９、レーザー測位部１０３、鉛直・水平回転駆動部１０６、鉛直・水平回転角検出部１０７、自動視準制御部（マーキング光照射位置制御部）１０８、レーザースキャナ１０９、点群データ取得部１１０、距離取得部１１１、機械点算出部１１２、マーキング光発光部１１３、比較データ作成部１１４、比較対象データ出力部１１５、水平面抽出部１１６、機械点位置判定部１１７、動作制御部１２１、記憶部１２２、光学系２０１（望遠鏡１６）を備える。

ここで、自動視準制御部（マーキング光照射位置制御部）１０８、点群データ取得部１１０、距離取得部１１１、機械点算出部１１２、比較データ作成部１１４、比較対象データ出力部１１５、水平面抽出部１１６、機械点位置判定部１１７、動作制御部１２１は、コンピュータにより実現される機能部である。これらの各機能部は、コンピュータにより特定のプログラムが実行されることで実現される。

コンピュータとしては、汎用のマイコンを用いてもよいし、ＦＰＧＡ等により構成された専用のプロセッサを用いてもよい。また、各機能部の少なくとも一部を専用の電子回路で構成してもよい。また、外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）やサーバの演算部を利用して、上記機能部の少なくとも一部を実現してもよい。

レーザー測位部１０３は、トータルステーションの基本機能であるレーザー光を用いた三次元測位を行う。測位の原理は、レーザースキャナ１０９と同じである。光学系２０１は、照準器１５ｂ（図３参照）、望遠鏡１６（図３参照）、レーザー測位部１０３の光学系、撮像部１０２の光学系、図示省略した追尾光の光路を構成する光学系、およびマーキング光発光部１１３から発光されるマーキング光（マーキング光）の光路を構成する光学系を含んでいる。レーザー測位部１０３からの測距光と、マーキング光発光部１１３からのマーキング光は、望遠鏡１６の対物レンズから望遠鏡１６の光軸上で出射される。

光学系２０１は、各種のレンズ、ミラー、光路の分離や合成のためのダイクロイックミラー、ハーフミラー、偏光ミラー等を有している。光学系２０１により、測距用のレーザー光が望遠鏡１６を介して測位対象に照射され、測位対象から反射された測距用レーザー光が望遠鏡１６を介して受光される。また、光学系２０１により望遠鏡１６が捉えた像が接眼部１７に導かれると共に撮像部１０２に導かれる。また、光学系２０１を介して、マーキング光発光部１１３から発光されたマーキング光がマーキングの対象となる位置に照射される。

また、レーザースキャナ付トータルステーション１００は、ターゲット（例えば反射プリズム）を追尾するための追尾光を発光する追尾光発光部、ターゲットで反射した追尾光を受光する追尾光受光部、追尾光が望遠鏡１６の視野の視準位置にくるように鉛直・水平回転駆動部１０６に制御信号を出力する追尾制御部を備える。このあたりの構成は、現在市場に供給されている製品と同じであるので、詳細な説明は省略する。ＴＳの追尾光に係る構成については、例えば日本国特許第５１２４３１９号公報に記載されている。

操作部１０１は、オペレータによるレーザースキャナ付トータルステーション１００の操作の内容を受け付ける。この操作には、レーザースキャナ１０９を用いたレーザースキャンに係る操作も含まれる。レーザースキャナ付トータルステーション１００の操作は、レーザースキャナ付トータルステーション１００が備えるボタンスイッチ等により行われる。タブレットやスマートフォンを操作部として利用する形態も可能である。この場合、専用のアプリケーションソフトウェアをタブレットやスマートフォンにインストールすることで、タブレットやスマートフォンをレーザースキャナ付トータルステーション１００の操作手段として機能させる。

撮像部１０２は、望遠鏡１６が捉えた画像を撮像する。撮像は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサにより行われる。ディスプレイ１８，１９は、撮像部１０２が撮像した画像、レーザースキャナ付トータルステーション１００の操作に必要な情報、レーザースキャナ付トータルステーション１００の動作に係る情報（測距データやターゲットの方位等）等が表示される。ディスプレイ１８，１９としては、液晶ディスプレイやＥＬディスプレイ等が用いられる。

鉛直・水平回転駆動部１０６は、本体部１１の水平回転の駆動および可動部１３の鉛直回転の駆動を行う。鉛直・水平回転駆動部１０６は、上記駆動のためのモータ、ギア機構および駆動回路を備えている。

鉛直・水平回転角度検出部１０７は、本体部１１の水平回転角の検出、可動部１３の鉛直角（仰角および俯角）を検出する。角度の検出は、ロータリーエンコーダによって行われる。水平回転角は、例えば北を基準（０°）として、上方から見た時計回り方向の角度で測られる。鉛直角（仰角および俯角）は、水平方向を基準（０°）として仰角方向を＋、俯角方向を－として測角する。

自動視準制御部（マーキング光照射位置制御部）１０８は、機械点算出部１１２が算出した次の機械点の位置にレーザーマーキング光を照射する制御を行う。この制御では、現在の機械点から見た次の機械点の方向にマーキング光の光軸を向ける制御、およびマーキング光の照射を行う制御を行う。

レーザースキャナ１０９は、レーザースキャンを行う。レーザースキャンを行うことで、レーザースキャンデータが得られる。レーザースキャン光は、数ｋＨｚ～数十ｋＨｚの周期で間欠的に照射される。本体部１１を水平回転させ、且つ、回転部３０５を鉛直回転させながら上記の発光を行うことでレーザースキャンが行なわれる。

レーザースキャンでは、スキャン光の発光時における本体部１１の水平角、および回転部３０５の鉛直角が検出される。また、スキャン光の飛翔時間からスキャン点までの距離が算出される。これらスキャン光の発光時における本体部１１の水平角、回転部３０５の鉛直角、更にスキャン点までの距離のデータがレーザースキャンデータに含まれる。

また、スキャン点から反射されたスキャン光の受光強度が検出され、この受光強度のデータは、各スキャン点と関連付けされてスキャンデータとして取得される。

レーザースキャンデータに基づき、点群データが得られる。点群データは、各スキャン点（各スキャン光の反射点）の三次元座標（（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標）のデータの集まりである。レーザースキャンデータに含まれる各点の方向と距離のデータから、レーザースキャナ１０９の光学原点を原点とする三次元直交座標系における各点の位置（座標）が算出される。

点群データの作成の際、予め定めた閾値以下の反射強度のスキャン点は採用せず、その点の点群データは取得しない。これは、点群の誤検出を防ぐためである。上記の閾値は、予め実験により適切な値を求めておく。

レーザースキャナ１０９は、レーザースキャンデータを点群データに変換する処理を行う演算回路を備えており、レーザースキャンデータに加えて点群データを出力することができる。この処理を外部で行うこともできる。この場合、レーザースキャンデータを外部に出力し、専用のＰＣ、汎用のＰＣ、サーバ等において点群データに変換する処理を行う。

なお、レーザースキャナ１０９の絶対座標系上での外部標定要素（位置と姿勢）が既知であれば、点群データを構成する各点の位置は、絶対座標系上で記述される。絶対座標系とは、ＧＮＳＳデータや地図データを記述する座標系である。絶対座標系上における位置は、例えば緯度、緯度、標高で記述される。

点群データ取得部１１０は、レーザースキャナ１０９が得た点群データを取得する。この例では、レーザースキャナ１０９が取得した点群データは、記憶部１２２に記憶される。

そして、新たな機械点の算出に際して、既に取得している点群データが記憶部１２２から読み出され、点群データ取得部１１０で取得される。適当な記憶媒体や記憶装置に点群データを記憶し、そこから取得する形態も可能である。また、まずレーザースキャンデータを記憶し、新たな機械点の算出に算して、それを読み出して点群データに変換し、それを点群データ取得部１１０で取得する形態も可能である。

距離取得部１１１は、点群データ各点のレーザースキャナ付トータルステーション１００からの距離のデータを取得する。この距離のデータは、レーザースキャンデータに含まれている。

機械点算出部１１２は、図１に関連して説明した原理に基づく次の機械点、すなわちレーザースキャン光の射程外の点群を得るための新たな機械点の三次元位置の算出に係る処理を行う。例えば、図１の機械点Ａから取得した点群データが得られている状況で、機械点Ｂの位置を算出する処理が機械点算出部１１２で行なわれる。

マーキング光発光部１１３は、レーザーマーキングを行うためのレーザー光（レーザーマーキング光）を発光する。レーザーマーキング光は、可視光であり、照射点の輝点を利用したマーキングを行う。

比較データ作成部１１４は、計算で求めた新たな機械点の位置データとレーザー測位部１０３が測位したターゲット（例えば、反射プリズム）の位置データとを比較した比較データを作成する。この比較データとしては、計算で求めた機械点の位置と、レーザー測位部１０３が測位したターゲットの位置との相対位置関係をマップ表示したものが挙げられる。

比較対象データ出力部１１５は、上記の比較データの基となる計算で求めた機械点の位置のデータとレーザー測位部１０３が測位したターゲットの位置のデータを外部（例えば、外部の端末）に出力する。

水平面抽出部１１６は、点群データ取得部１１０が取得した点群データから面のデータを抽出する。ここでは、鉛直上方を向いた平面の抽出が行なわれる。点群データからの面の抽出は、公知の点群データから三次元モデルを作成する技術を利用する。この技術については、例えば、国際公開番号ＷＯ２０１１/０７０９２７号公報、特開２０１２－２３０５９４号公報、特開２０１４－３５７０２号公報に記載されている。

機械点位置判定部１１７は、機械点算出部１１２が算出した新たな機械点（例えば、図１の機械点Ｂ）が機械点として妥当であるか否か、を判定する。ここでは、算出された機械点が、水平面抽出部１１６で抽出された面上にあるか否か、が判定される。

動作制御部１２１は、レーザースキャナ付トータルステーション１００の動作の制御を統括する。例えば、図５に係る処理の手順の制御は、動作制御部１２１で行なわれる。記憶部１２２は、レーザースキャナ付トータルステーション１００の動作に必要なデータやプログラム、レーザースキャナ付トータルステーション１００の動作の結果得られた測量データを記憶する。また、記憶部１２２は、レーザースキャナ１０９が得たレーザースキャンデータおよびレーザースキャンデータに基づき算出された点群データを記憶する。

（処理の一例）
図５は、レーザースキャナ付トータルステーション１００を用いて行なわれる処理の手順の一例を示すフローチャートである。図５の処理を実行するプログラムは、記憶部１２２や適当な記憶媒体に記憶される。この処理の手順は、動作制御部１２１により制御されて実行される。このプログラムを適当な記憶媒体や通信回線を介してアクセス可能な記憶装置（データサーバ等）に記憶させ、そこからダウンロードする形態も可能である。また、図５の処理をＰＣ（パーソナルコンピュータ）やサーバ等で行う形態も可能である。

以下の処理は、図１（Ａ）における状況で行なわれる。この状況では、第１の機械点Ａに設置されたレーザースキャナ付トータルステーション１００により第１のレーザースキャンが行なわれている。図１（Ａ）に示す状況では、レーザースキャン光の有効射程の関係で、室内の半分程度しか点群データが得られていない。そこで、取得できていない領域の点群データを取得するのに適した次の機械点Ｂの位置の算出を行う。この処理の手順の一例が図５に示されている。

処理が開始されると、まず第１の機械点である機械点Ａで取得した点群データＡが取得される（ステップＳ１０１）。

点群データを得たら、鉛直上方を向いた水平面の抽出を行う（ステップＳ１０２）。この処理は、水平面算出部１１６で行なわれる。ここで、天井面や壁は、レーザースキャナ付トータルステーション１００が設置できないので、床面等の鉛直上方に向いた面を選択する。

次に、レーザースキャンデータから、レーザースキャナ付トータルステーション１００から点群データ各点までの距離のデータを取得する（ステップＳ１０３）。この処理は、距離取得部１１１で行なわれる。

次に、図１に関連して説明した方法により、機械点Ｂの三次元位置を求める（ステップＳ１０４）。この処理は、機械点算出部１１２で行なわれる。

機械点Ｂには、レーザースキャナ付トータルステーション１００が設置されるので、機械点Ｂは、床面等の水平面であることが望ましい。そこで、ステップＳ１０４で得た機械点の妥当性の判定を行う（ステップＳ１０５）。ここでは、機械点Ｂがレーザースキャナ付トータルステーション１００の設置に適した平面上にあるか否かを判定する。この処理は、機械点位置判定部１１７で行なわれる。

以下、ステップＳ１０５の処理の一例を説明する。ここでは、座標系として、３次元直交直線座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を採用する。この座標系では、平面における位置が（Ｘ，Ｙ）で記述され、鉛直方向の位置がＺで記述される。なお利用する座標系は、ローカル座標系であってもよいし、絶対座標系であってもよい。

ここで、計算により求めた第２の機械点の座標を（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）とする。この場合、第２の機械点（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）がステップＳ１０２で抽出した平面上にあるか否かの判定がステップＳ１０５で行なわれる。

ステップＳ１０４で算出した第２の機械点が、上記のステップＳ１０２で得た平面上にない場合、ステップ１０４の処理の条件を変更し、ステップＳ１０４の処理を再度行う。そして、再度ステップＳ１０５の処理を行う。

ステップＳ１０４で算出した第２の機械点が、ステップＳ１０２で抽出した平面上にある場合、ステップＳ１０６に進み、機械点Ｂへのマーキング光の照射を行う。この処理では、本体部１１の水平回転角と可動部１３の鉛直回転角を調整し、望遠鏡１６の光軸が機械点Ｂに指向するように調整され、その上で機械点Ｂに対するマーキング光の照射が行なわれる。

２．第２の実施形態
この例では、反射プリズムを用いて機械点Ｂへの誘導が行なわれる。まず、機械点Ｂの位置を求める。機械点Ｂを求める手順は、第１の実施形態と同じである。機械点Ｂの位置を求めたら、作業者が携帯したターゲットである反射プリズムをレーザースキャナ付トータルステーション１００が捕捉し、反射プリズムの位置を測定する。そして、作業者が携帯する端末（スマートフォンやタブレット）に機械点Ｂと反射プリズムの位置関係を表示させ、作業者に機械点Ｂの位置を把握させる。

上記の表示を見ながら、作業者は、機械点Ｂの位置を探し出し、その点にマーカを置く等し、マーキングを行う。この際、トータルステーション１００は、反射プリズムを追尾し続け、反射プリズムの測位を継続して行う。

作業者が携帯する端末に表示される情報は、例えば反射プリズムの位置を中心としたマップ情報の例が挙げられる。この表示データの作成を、レーザースキャナ付トータルステーション１００の内部で行う形態（第１の形態）と、端末側で行う形態（第２の形態）がある。

第１の形態の場合、比較データ作成部１１４で上記の表示データが作成され、それが作業者の携帯する端末に無線で送られる。第２の形態の場合、上記の表示データの基となる第２の機械点の位置データとレーザー測位部１０３が測位した反射プリズムの位置データが比較対象データ出力部１１５から作業者が携帯する端末に送られる。この場合、端末の側でマップデータが作成される。

３．第３の実施形態
次の機械点の算出および関連する処理を外部の装置で行ってもよい。この場合、レーザースキャナ付トータルステーション１００からレーザースキャンデータまたは点群データを出力し、それを外部の専用の計算端末や機械点の算出に係る処理を実行するプログラムをインストールしたＰＣやサーバで受け付け、そこで、本発明の機械点の算出に係る処理を行う。

この場合、当該測量データ処理装置は、距離取得部１１１、機械点算出部１１２、比較データ作成部１１４、比較対象データ出力部１１５、水平面抽出部１１６、機械点位置判定部１１７の一部または全部を備える。また、当該測量データ処理装置で行なわれる測量データの処理方法、当該測量データ処理装置を動作させる測量データの処理用プログラムとして発明を把握することもできる。

４．第４の実施形態
図１における第２の機械点の算出方法としては、以下の方法もある。この場合、以下の処理が機械点算出部１１２で行なわれる。この処理では、図１の点群の端部の点(1)や(2)を起点として、そこから機械点Ａの方向に特定の距離（例えば、１～５ｍ程度）近づいた点を第２の機械点Ｂとする。この場合におけるＺ値の取得方法は、第１の実施形態の場合と同じである。この場合、点群が得られる外周線の内側で、その端部（最遠部）（例えば点(1)）から、その際の機械点（例えば機械点Ａ）に寄った点が第２の機械点（例えば、機械点Ｂ）として選択される。

５．第５の実施形態
２回目のスキャンの機械設置の時点で、第１機械点の座標を後視点、第二機械点の座標を機械点としてアプリ上に自動登録しても良い。

１００…レーザースキャナ付トータルステーション、１０９…レーザースキャナ、１５０…ＴＳ本体、１１…本体部、１２…台座、１３…可動部、１４ａ…水平回転角制御ダイヤル、１４ｂ…鉛直角制御ダイヤル、１５ａ…照準器、１５ｂ…光学式の照準器、１６…望遠鏡、１７…接眼部、１８，１９…ディスプレイ、３０１…第１の塔部、３０２…第２の塔部、３０３…結合部、３０４…保護ケース、３０５…回転部、３０６…斜めミラー、１１１…変状部分。

Claims (8)

1. 外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置であって、
   第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得部と、
   前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得部と、
   前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出部と
   を備え、
   前記第２の機械点は、
   Ｎを２以上の自然数として、
   前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、
   前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、
   前記Ｎ個の点の平均の位置の算出と
   により得られる測量装置。
2. 前記トータルステーションは、マーキング光の発光を行うマーキング光発光部を備え、
   前記マーキング光が前記第２の機械点に照射される請求項１に記載の測量装置。
3. 前記トータルステーションは、ターゲットの測位を行う機能を有し、
   前記ターゲットの位置と前記第２の機械点の位置とを比較したデータを作成する比較データ作成部を備える請求項１または２に記載の測量装置。
4. 前記トータルステーションは、ターゲットの測位を行う機能を有し、
   前記ターゲットの位置のデータと前記第２の機械点の位置のデータとを外部に出力するデータ出力部を備える請求項１または２に記載の測量装置。
5. 前記機械点算出部では、
   前記第１の機械点から見て距離が最大である点を基準点として抽出する処理と、
   前記基準点から前記第１の機械点に特定の距離近づいた位置を第２の機械点として取得する処理と
   が行なわれる請求項１～４のいずれか一項に記載の測量装置。
6. 前記点群データに基づき、当該測量装置が設置される水平面を抽出する面抽出部を備え、
   前記第２の機械点が前記面抽出部で抽出された面上で選択される請求項１～５のいずれか一項に記載の測量装置。
7. 外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置を用いた測量方法であって、
   第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得ステップと、
   前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得ステップと、
   前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出ステップと
   を有し、
   前記第２の機械点は、
   Ｎを２以上の自然数として、
   前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、
   前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、
   前記Ｎ個の点の平均の位置の算出と
   により得られる測量方法。
8. 外部標定要素の関係が既知なトータルステーションとレーザースキャナを複合化した構成を備えた測量装置を用いた測量の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   コンピュータに
   第１の機械点に設置した前記測量装置によるレーザースキャンによって得た点群データを取得する点群データ取得ステップと、
   前記点群データ各点の前記レーザースキャナからの距離を取得する距離取得ステップと、
   前記距離に基づき、第２の機械点の位置を算出する機械点算出ステップと
   を実行させ、
   前記第２の機械点は、
   Ｎを２以上の自然数として、
   前記点群データの中から前記第１の機械点から見て異なる方向であり、前記第１の機械点からの距離が上位からＮ番目までのＮ個の点の抽出と、
   前記Ｎ個の点の水平方向における位置の算出と、
   前記Ｎ個の点の平均の位置の算出と
   により得られるプログラム。

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