特開 2024-110930 計測システム、及び計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110930

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】計測システム、及び計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20240808BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 103Z

G01C15/00 102C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024005772

(22)【出願日】2024-01-18

(31)【優先権主張番号】P 2023015234

(32)【優先日】2023-02-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】390023249

【氏名又は名称】国際航業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001335

【氏名又は名称】弁理士法人 武政国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 匠

(57)【要約】

【課題】本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち２地点間の計測対象の座標を迅速に把握することができる計測システムと、これを用いた計測方法を提供することである。
【解決手段】本願発明の計測システムは、ラインレーザスキャナによって２地点間の計測対象の座標を計測するシステムであって、第１地点に設置される第１計測装置と、第２地点に設置される第２計測装置、空間演算装置を備えたものである。空間演算装置は、第１ラインレーザスキャナが受信した計測対象からの反射波に基づいて第１ラインレーザスキャナを基準とする第１座標を求め、第２ラインレーザスキャナが受信した計測対象からの反射波に基づいて第２ラインレーザスキャナを基準とする第２座標を求める。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２地点に配置されたラインレーザスキャナによって、２地点間の計測対象の座標を計測するシステムであって、
第１地点に設置される第１計測装置と、
第２地点に設置される第２計測装置と、
空間演算装置と、を備え、
前記第１計測装置は、第１支持体と、第１ラインレーザスキャナと、測位衛星からの電波を受信する第１受信機と、を有し、
前記第２計測装置は、第２支持体と、第２ラインレーザスキャナと、測位衛星からの電波を受信する第２受信機と、を有し、
前記第１ラインレーザスキャナと前記第１受信機は、前記第１支持体に取り付けられ、
前記第２ラインレーザスキャナと前記第２受信機は、前記第２支持体に取り付けられ、
前記空間演算装置は、前記第１受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて前記第１ラインレーザスキャナの座標を求めるとともに、前記第２受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて前記第２ラインレーザスキャナの座標を求め、
また前記空間演算装置は、前記第１ラインレーザスキャナの座標と前記第２ラインレーザスキャナの座標に基づいて前記第１地点と前記第２地点との方向を求めたうえで、該第１ラインレーザスキャナが受信した前記計測対象からの反射波に基づいて該第１ラインレーザスキャナを基準とする第１座標を求めるとともに、該第２ラインレーザスキャナが受信した該計測対象からの反射波に基づいて該第２ラインレーザスキャナを基準とする第２座標を求める、
ことを特徴とする計測システム。

【請求項2】

前記第１計測装置は、前記第１支持体に取り付けられる２以上の第１ターゲットを、さらに有し、
前記第２計測装置は、前記第２支持体に取り付けられる２以上の第２ターゲットを、さらに有し、
前記空間演算装置は、前記第１ラインレーザスキャナからの照射波が前記第２ターゲットで反射した反射波に基づいて該第２ターゲットの座標を求めるとともに前記第２ラインレーザスキャナの傾斜を求め、前記第２ラインレーザスキャナからの照射波が前記第２ターゲットで反射した反射波に基づいて該第１ターゲットの座標を求めるとともに前記第１ラインレーザスキャナの傾斜を求め、
また前記空間演算装置は、前記第１ラインレーザスキャナの傾斜に基づいて前記第１座標を求めるとともに、前記第２ラインレーザスキャナの傾斜に基づいて前記第２座標を求める、
ことを特徴とする請求項１記載の計測システム。

【請求項3】

前記第１座標と前記第２座標との距離があらかじめ定めた近傍閾値を下回るときであって、該第１座標と該第２座標との高低差があらかじめ定めた高低閾値を上回るとき、照射距離が短い該第１座標又は該第２座標を修正座標として設定する座標修正手段を、さらに備えた、
ことを特徴とする請求項１記載の計測システム。

【請求項4】

２地点に配置されたラインレーザスキャナによって、２地点間の計測対象の座標を計測するシステムであって、
第１地点に設置される第１計測装置と、
第２地点に設置される第２計測装置と、
空間演算装置と、を備え、
前記第１計測装置は、第１支持体と、第１ラインレーザスキャナと、測位衛星からの電波を受信する第１受信機と、を有し、
前記第２計測装置は、第２支持体と、２以上の第２ターゲットと、測位衛星からの電波を受信する第２受信機と、を有し、
前記第１ラインレーザスキャナと前記第１受信機は、前記第１支持体に取り付けられ、
前記第２ターゲットと前記第２受信機は、前記第２支持体に取り付けられ、
前記空間演算装置は、前記第１受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて前記第１ラインレーザスキャナの座標を求めるとともに、前記第２受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて前記第２ターゲットの座標を求め、
また前記空間演算装置は、前記第１ラインレーザスキャナの座標と前記第２ターゲットの座標に基づいて前記第１地点と前記第２地点との方向を求めたうえで、該第１ラインレーザスキャナが受信した前記計測対象からの反射波に基づいて該計測対象の座標を求める、
ことを特徴とする計測システム。

【請求項5】

第１計測装置と第２計測装置を有する計測システムを用いて、２地点間の計測対象の座標を計測する方法であって、
第１支持体と、該第１支持体に取り付けられた第１ラインレーザスキャナと、該第１支持体に取り付けられた第１受信機と、を有する前記第１計測装置を、第１地点に配置する第１装置配置工程と、
第２支持体と、該第２支持体に取り付けられた第２ラインレーザスキャナと、該第２支持体に取り付けられた第２受信機と、を有する前記第２計測装置を、前記第１地点より前方にある第２地点に配置する第２装置配置工程と、
前記第１受信機が測位衛星から電波を受信することによって前記第１ラインレーザスキャナの座標を求める第１器械測位工程と、
前記第２受信機が測位衛星から電波を受信することによって前記第２ラインレーザスキャナの座標を求める第２器械測位工程と、
前記第１ラインレーザスキャナの座標と前記第２ラインレーザスキャナの座標に基づいて前記第１地点と前記第２地点との方向を求めたうえで、前記第１ラインレーザスキャナが前記計測対象で反射した反射波を受信することによって該計測対象の第１座標を取得する第１座標測位工程と、
前記第１ラインレーザスキャナの座標と前記第２ラインレーザスキャナの座標に基づいて前記第１地点と前記第２地点との方向を求めたうえで、前記第２ラインレーザスキャナが前記計測対象で反射した反射波を受信することによって該計測対象の第２座標を取得する第２座標測位工程と、を備え、
前記第１地点と前記第２地点の間における前記計測対象の座標を取得する、
ことを特徴とする計測方法。

【請求項6】

第１計測装置と第２計測装置を有する計測システムを用いて、２地点間の計測対象の座標を計測する方法であって、
第１支持体と、該第１支持体に取り付けられた第１ラインレーザスキャナと、該第１支持体に取り付けられた第１受信機と、を有する前記第１計測装置を、第１地点に配置する第１装置配置工程と、
第２支持体と、該第２支持体に取り付けられた２以上の第２ターゲットと、該第２支持体に取り付けられた第２受信機と、を有する前記第２計測装置を、前記第１地点より前方にある第２地点に配置する第２装置配置工程と、
前記第１受信機が測位衛星から電波を受信することによって前記第１ラインレーザスキャナの座標を求める第１器械測位工程と、
前記第２受信機が測位衛星から電波を受信することによって前記第２ターゲットの座標を求める第２ターゲット測位工程と、
前記第１ラインレーザスキャナの座標と前記第２ターゲットの座標に基づいて前記第１地点と前記第２地点との方向を求めたうえで、前記第１ラインレーザスキャナが前記計測対象で反射した反射波を受信することによって該計測対象の座標を取得する第１座標測位工程と、を備え、
前記第１地点と前記第２地点の間における前記計測対象の座標を取得する、
ことを特徴とする計測方法。

【請求項7】

前記第１地点と前記第２地点の間における前記計測対象の座標を取得した後、前記第１計測装置を前記第２地点より前方にある第３地点に移設する第１装置移設工程を、さらに備え、
前記第１装置移設工程の後に、改めて前記第１器械測位工程を行ったうえで、前記第２地点と前記第３地点の間における前記計測対象の座標を取得する、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、道路面や地盤面などを対象とした計測技術に関するものであり、より具体的には、２地点に設置されたラインレーザスキャナによって２地点間にある対象物の座標を計測する計測システムと、これを用いた計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

都市部における道路トンネルや地下鉄道トンネル、電力線等をまとめて収容する共同溝などは、通常、道路の地下に設置される。この道路トンネルなどは、シールド工法や推進工法によって掘進したトンネルを利用するのが一般的である。

【0003】

トンネルは地中に空洞を形成したものであるから、シールド工法等によって掘進していく際にその上部の地盤が沈下するケースもある。そこで通常は、トンネル掘削を行っているときには、併せて掘削上部の地表面も監視している。継続的に地表面を計測することによって、異常な沈下がないか監視し、仮に大きな沈下が認められれば早急に対策を講じるわけである。

【0004】

従来、地表面を計測して座標を得るにはトータルステーション（ＴＳ：Ｔｏｔａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ）を用いた手法が主流であったが、近年では全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した手法や、３Ｄレーザスキャナを用いた手法、合成開口レーダ（ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）を利用した手法などによって計測されることも少なくない。

【0005】

トータルステーションによる計測は、高精度で座標を取得することができるものの、ターゲットを移動しながら複数個所の計測点を計測し、また器械点を特定するためにバックサイト（既知点）を視準するなど、手間と時間がかかるうえに相当の知識や技量を有する者を確保しなければならない。

【0006】

ＧＮＳＳによる計測は、やはり高い精度で座標を取得することができるものの、複数の位置を計測するには相応の受信機を設置する必要があるため相当の手間や費用がかかり、都市部や住宅地であればそもそも受信機を設置できないケースもある。

【0007】

３Ｄレーザスキャナによる計測は、比較的新しい手法で、航空機に搭載していた３Ｄレーザスキャナを地上の三脚に据えて計測する手法であり、計測距離によるものの高精度で座標を取得することができる。他方、３Ｄレーザスキャナは著しく高価であって簡単には調達することができず、また必要以上に膨大な数のデータを取得するためその処理は困難を極め、トンネル掘削に伴う地表監視など迅速に結果を把握したいときには採用し難い。

【0008】

ＳＡＲ（特に干渉ＳＡＲ）による計測は、広域かつ面的に変位を計測することができるものの、上記した手法に比べて計測精度が劣るうえ、衛星の周期に依存することから短い期間で繰り返し計測するケースでは採用し難い。

【0009】

このように従来の計測手法にはそれぞれ短所があることから、その短所を改善することができる種々の計測手法がこれまで提案されている。例えば特許文献１では、干渉ＳＡＲによる結果に加え、対象エリアに設置された基準点を直接計測した変位を利用する、いわばハイブリッドの計測手法について提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１７－２０７４５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献１に開示される発明は、広域かつ面的に計測することができるという干渉ＳＡＲの特長と、高い精度で座標を取得することができるというＧＮＳＳの特長を併せ持つものであり、比較的長い周期で定期的に結果を得るには好適な計測技術である。しかしながら、トンネル掘削に伴う地表監視など迅速に結果を把握したいケースではやはり採用し難い。

【0012】

本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち２地点間の計測対象の座標を迅速に把握することができる計測システムと、これを用いた計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本願発明は、２地点で向かい合ったラインレーザスキャナを使用するとともに、それぞれラインレーザスキャナの位置をＧＮＳＳによって計測する、という点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。

【0014】

本願発明の計測システムは、２地点に配置されたラインレーザスキャナによって２地点間の計測対象の座標を計測するシステムであって、第１地点に設置される第１計測装置と、 第２地点に設置される第２計測装置、空間演算装置を備えたものである。第１計測装置は、第１支持体と、第１支持体に取り付けられる第１ラインレーザスキャナ、測位衛星からの電波を受信する第１受信機を有しており、第２計測装置は、第２支持体と、第２支持体に取り付けられる第２ラインレーザスキャナ、測位衛星からの電波を受信する第２受信機を有している。空間演算装置は、第１受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて第１ラインレーザスキャナの座標を求めるとともに、第２受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて第２ラインレーザスキャナの座標を求める。また空間演算装置は、第１ラインレーザスキャナの座標と第２ラインレーザスキャナの座標に基づいて第１地点と第２地点との方向を求めたうえで、第１ラインレーザスキャナが受信した計測対象からの反射波に基づいて第１ラインレーザスキャナを基準とする第１座標を求めるとともに、第２ラインレーザスキャナが受信した計測対象からの反射波に基づいて第２ラインレーザスキャナを基準とする第２座標を求める。

【0015】

本願発明の計測システムは、第１支持体に取り付けられる２以上の第１ターゲットと、第２支持体に取り付けられる２以上の第２ターゲットをさらに備えたものとすることもできる。この場合、空間演算装置は、第１ラインレーザスキャナからの照射波が第２ターゲットで反射した反射波に基づいて第２ターゲットの座標を求めるとともに第２ラインレーザスキャナの傾斜を求め、第２ラインレーザスキャナからの照射波が第２ターゲットで反射した反射波に基づいて第１ターゲットの座標を求めるとともに第１ラインレーザスキャナの傾斜を求め、さらに第１ラインレーザスキャナの傾斜に基づいて第１座標を求めるとともに、第２ラインレーザスキャナの傾斜に基づいて第２座標を求める。

【0016】

本願発明の計測システムは、座標修正手段をさらに備えたものとすることもできる。この座標修正手段は、第１座標と第２座標との距離があらかじめ定めた近傍閾値を下回るときであって、第１座標と第２座標との高低差があらかじめ定めた高低閾値を上回るとき、照射距離が短い方に係る座標（第１座標又は第２座標）を修正座標として設定する手段である。

【0017】

本願発明の計測システムは、２以上の第２ターゲットが設けられた第２計測装置を備えたものとすることもできる。この場合、空間演算装置は、第２受信機が測位衛星から受信した電波に基づいて第２ターゲットの座標を求めるとともに、第１ラインレーザスキャナの座標と第２ターゲットの座標に基づいて第１地点と第２地点との方向を求めたうえで、第１ラインレーザスキャナが受信した計測対象からの反射波に基づいて計測対象の座標を求める。

【0018】

本願発明の計測方法は、本願発明の計測システムを用いて２地点間の計測対象の座標を計測する方法であって、第１装置配置工程と第２装置配置工程、第１器械測位工程、第２器械測位工程、第１座標測位工程、第２座標測位工程を備えた方法である。このうち第１装置配置工程では、第１計測装置を第１地点に配置し、第２装置配置工程では、第２計測装置を第１地点より前方にある第２地点に配置し、第１器械測位工程では、第１受信機が測位衛星から電波を受信することによって第１ラインレーザスキャナの座標を求め、第２器械測位工程では、第２受信機が測位衛星から電波を受信することによって第２ラインレーザスキャナの座標を求める。また第１座標測位工程と第２座標測位工程では、第１ラインレーザスキャナの座標と第２ラインレーザスキャナの座標に基づいて第１地点と第２地点との方向を求める。そして第１座標測位工程では、第１ラインレーザスキャナが計測対象で反射した反射波を受信することによって計測対象の第１座標を取得し、第２座標測位工程では、第２ラインレーザスキャナが計測対象で反射した反射波を受信することによって計測対象の第２座標を取得する。これにより、第１地点と第２地点の間における計測対象の座標を取得することができる。

【0019】

本願発明の計測方法は、本願発明の計測システムを用いて２地点間の計測対象の座標を計測する方法であって、第１装置配置工程と第２装置配置工程、第１器械測位工程、第２器械測位工程、第１座標測位工程、第２座標測位工程を備えた方法である。

【0020】

本願発明の計測方法は、２以上の第２ターゲットが設けられた第２計測装置を第２地点に配置する方法とすることもできる。この場合、第２ターゲット測位工程では、第２受信機が測位衛星から電波を受信することによって第２ターゲットの座標を求める。また第１座標測位工程では、第１ラインレーザスキャナの座標と第２ターゲットの座標に基づいて第１地点と第２地点との方向を求めたうえで、第１ラインレーザスキャナが計測対象で反射した反射波を受信することによって計測対象の座標を取得する。

【0021】

本願発明の計測システム、及び計測方法には、次のような効果がある。
（１）２地点間の計測対象の座標を迅速かつ容易に取得することができる。その結果、仮に大きな沈下が認められれば早急に対策を講じることができる。
（２）比較的高い密度でしかも高い精度で２点間の座標を取得することができる。
（３）第１計測装置と第２計測装置それぞれにターゲットを設けることによって、ラインレーザスキャナの仰角を補正したうえで２点間の座標を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本願発明の計測システムの主な構成を示すブロック図。

【図2】第１計測装置や第２計測装置を模式的に示す正面図。

【図3】第１ラインレーザスキャナによって地盤面を計測し、第２ラインレーザスキャナによって地盤面を計測している状況を模式的に示す側面図。

【図4】（ａ）は第１ラインレーザスキャナによって第２ターゲットを計測し、第２ラインレーザスキャナによって第１ターゲットを計測している状況を模式的に示す側面図、（ｂ）は第２支持体が傾いた第２計測装置を模式的に示す側面図。

【図5】本願発明の単独式計測システムの主な構成を示すブロック図。

【図6】第１ラインレーザスキャナによって地盤面を計測している状況を模式的に示す側面図。

【図7】本願発明の計測方法の主な手順の流れを示すフロー図。

【図8】本願発明の計測方法の主な手順の流れを示すステップ図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本願発明の計測システム、及び計測方法の実施形態の一例を、図に基づいて説明する。なお、本願発明は２点間にある対象物（以下、「計測対象」という。）を計測する技術であって様々な計測対象を計測することができるが、便宜上ここでは２点間の地盤面を計測対象とする例で説明する。

【0024】

１．計測システム
はじめに、本願発明の計測システムについて説明する。なお、本願発明の計測方法は、本願発明の計測システムを用いて計測対象を計測する方法である。したがって、まずは本願発明の計測システムについて説明し、その後に本願発明の計測方法について説明することとする。

【0025】

図１は、本願発明の計測システム１００の主な構成を示すブロック図である。この図に示すように本願発明の計測システム１００は、第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂ、空間演算装置１２０を含んで構成され、さらに座標修正手段を含んで構成することもできる。このうち第１計測装置１１０Ａは第１地点に設置され、第２計測装置１１０Ｂは第２地点に設置され、そして第１地点と第２地点を結ぶ直線（線分）上の地盤面が計測される。なお便宜上ここでは、図１に示すように第１地点側のことを「後方」と、第２地点側のことを「前方」として説明する。

【0026】

また第１計測装置１１０Ａは、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第１受信機１１２Ａ、第１支持体１１４Ａを含んで構成され、さらに第１ターゲット１１３Ａを含んで構成することもできる。同様に第２計測装置１１０Ｂは、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂと第２受信機１１２Ｂ、第２支持体１１４Ｂを含んで構成され、さらに第２ターゲット１１３Ｂを含んで構成することもできる。なお便宜上ここでは、第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂを総称するときは単に「計測装置１１０」ということとする。同様に、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂを総称するときは単に「ラインレーザスキャナ１１１」と、第１受信機１１２Ａと第２受信機１１２Ｂを総称するときは単に「受信機１１２」と、第１ターゲット１１３Ａと第２ターゲット１１３Ｂを総称するときは単に「ターゲット１１３」と、第１支持体１１４Ａと第２支持体１１４Ｂを総称するときは単に「支持体１１４」ということとする。

【0027】

計測システム１００を構成する各手段のうち、空間演算装置１２０と座標修正手段は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。すなわち、所定のプログラムによってコンピュータ装置に演算処理を実行させることで、それぞれの手段特有の処理を行うわけである。このコンピュータ装置は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイを含むものもあり、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やサーバなどによって構成することができる。

【0028】

図２は、計測装置１１０（第１計測装置１１０Ａや第２計測装置１１０Ｂ）を模式的に示す正面図である。この図に示すように計測装置１１０は、支持体１１４にラインレーザスキャナ１１１と受信機１１２、ターゲット１１３を取り付けられたものである。このうちラインレーザスキャナ１１１は、略同一（同一を含む）の平面内にレーザを照射し、何らかの物に反射したパルス（以下、単に「反射波」という。）を受信するものである。ただし本実施形態では地盤面を計測することから、レーザが略鉛直面（図１）内に照射されるようラインレーザスキャナ１１１は配置される。なお図２の例では支持体１１４に支持板ＰＳを取り付け、この支持板ＰＳ上にラインレーザスキャナ１１１を載置しているが、支持体１１４にラインレーザスキャナ１１１を直接取り付けることもできる。

【0029】

受信機１１２は、ＧＮＳＳ測位に用いられるものであり、すなわち測位衛星からの電波（搬送波）を受信する機器である。そのため受信機１１２は、使用時における支持体１１４の頂部に取り付けるとよい。この受信機１１２としては、キネマティック測位（特に、リアルタイムキネマティック測位）に対応するものを採用することができ、そのほかスタティック測位に対応するものや、単独測位に対応するもの、あるいはスタティック測位とキネマティック測位の両方に対応するものを採用することもできる。

【0030】

ターゲット１１３は、ラインレーザスキャナ１１１によって照射されたパルス（以下、単に「照射波」という。）を反射するものである。より詳しくは、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂからの照射波を第１ターゲット１１３Ａが反射し、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａからの照射波を第２ターゲット１１３Ｂが反射する。このターゲット１１３は高い反射強度で照射波を反射することから、その反射強度によって他の対象物（例えば、地盤面）とは異なる物、つまりターゲット１１３であることを判別することができる。なお支持体１１４は、作業者が支えたり、三脚を利用したり、他の支持治具を用いたりすることで、その軸方向が略鉛直（鉛直）となるように配置することが望ましいが、状況によってはやや傾くことも考えられる。そのため、支持体１１４の傾斜を把握することができるように、一つの支持体１１４には２以上（図では２つ）のターゲット１１３を取り付けるとよい。

【0031】

ラインレーザスキャナ１１１からレーザが照射されるとその照射時刻が記録されるとともに、反射波の受信時刻が記録され、またレーザ照射角（この場合、仰角）も記録される。したがって、照射時刻と受信時刻との時間差（その半分）によって計測点（照射波が反射した地点）までの距離（以下、「照射距離」という。）が得られ、またレーザパルス照射時における照射姿勢も記録されていることから、レーザパルスの照射点（つまり、計測点）の座標を得ることができる。なおここで得られる座標は、ラインレーザスキャナ１１１がレーザを照射する位置（以下、「レーザ照射点」という。）からの水平距離と高低差からなる座標であり、つまり鉛直面に設定されレーザ照射点を原点とする座標系（以下、「２次元座標系」という。）の座標であって、いわば任意座標（以下、単に「２次元任意座標」という。）である。例えば、第１地点と第２地点を結ぶ軸を「Ｘ軸」、鉛直軸を「Ｚ軸」として２次元座標系を設定した場合、２次元任意座標としては（Ｘ，Ｚ）が取得されるわけである。

【0032】

一方、受信機１１２が測位衛星からの搬送波を受信する測位、つまりＧＮＳＳ測位によって得られる受信機１１２の位置座標（以下、「受信機座標」という。）は３次元座標であり、日本測地系や世界測地系など広範囲に設定される座標系（以下、「絶対座標系」という。）に基づくいわゆる絶対座標（以下、単に「３次元絶対座標」という。）である。ＧＮＳＳ測位によって得られる３次元絶対座標を利用することによって、レーザ照射点の３次元絶対座標を求めることができる。

【0033】

レーザ照射点の３次元絶対座標を求めるにあたっては、受信機１１２とレーザ照射点が十分接近しているとして、ＧＮＳＳ測位によって得られる受信機座標をそのままレーザ照射点の座標（３次元絶対座標）とみなすことができる。あるいは支持体１１４が略鉛直姿勢であると考え、受信機１１２とレーザ照射点との間隔Ｌ（図２）で補正する（つまり、受信機座標のうちＺ座標から間隔Ｌを差し引く）ことによってレーザ照射点の３次元絶対座標を求めることもできる。

【0034】

図３は、第１計測装置１１０Ａの第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって地盤面を計測し、第２計測装置１１０Ｂの第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂによって地盤面を計測している状況を模式的に示す側面図である。この図に示すように、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂが互いに向き合うように、換言すれば第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射面（図１）と第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂの照射面（図１）が概ね一致するように、第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂは設置される。つまり、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａは第２地点に向かってレーザを照射し、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂは第１地点に向かってレーザを照射するわけである。

【0035】

支持体１１４が略鉛直姿勢であると考えることができれば、第１地点と第１受信機１１２Ａは同じ平面位置（水平面における位置）となり、第２地点と第２受信機１１２Ｂは同じ平面位置となる。したがって、第１受信機１１２Ａの受信機座標（特に、平面座標）と第２受信機１１２Ｂの受信機座標（特に、平面座標）に基づいて、第１地点から第２地点を見た方位（あるいは、第２地点から第１地点を見た方位）を求めることができる。つまり、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａや第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂによる照射方向（特に、水平投影面の方向）を求めることができ、ラインレーザスキャナ１１１測位に係る２次元座標系のうち水平軸（Ｘ軸）の方位を決定することができる。

【0036】

このようにラインレーザスキャナ１１１の照射方向（Ｘ軸）の方位を決定することができれば、ラインレーザスキャナ１１１測位に係る２次元座標系を、ＧＮＳＳ測位に係る絶対座標系に合致するように回転（水平回転）することができる。また、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａに係るレーザ照射点（以下、「第１レーザ照射点」という。）の３次元絶対座標や、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂに係るレーザ照射点（以下、「第２レーザ照射点」という。）の３次元絶対座標を用いることによって、ラインレーザスキャナ１１１測位に係る２次元座標系を、ＧＮＳＳ測位に係る絶対座標系に合致するように移動することができる。すなわち、第１受信機１１２Ａの受信機座標と第２受信機１１２Ｂの受信機座標、第１レーザ照射点の３次元絶対座標、第２レーザ照射点の３次元絶対座標を得ることができれば、ラインレーザスキャナ１１１測位によって取得される２次元任意座標を、３次元絶対座標に変換することができるわけである。例えば、ラインレーザスキャナ１１１によって得られる照射距離とレーザ照射角、照射方向（Ｘ軸）の方位に基づいて、換言すればレーザ照射点を中心とする球面上の位置を、「レーザ照射点の３次元絶対座標」として求めることができる。

【0037】

ここまで説明した各座標を算出する処理は、空間演算装置１２０（図１）によって実行される。すなわち、受信機１１２が受信した情報を空間演算装置１２０が受信し、その受信した情報に基づいて空間演算装置１２０が第１受信機１１２Ａや第２受信機１１２Ｂの受信機座標を算出する。また空間演算装置１２０は、受信機座標と、受信機１１２とレーザ照射点との間隔Ｌに基づいて、第１レーザ照射点や第２レーザ照射点に係る３次元絶対座標を算出する。さらに空間演算装置１２０は、ラインレーザスキャナ１１１測位によって得られた情報を受信し、その受信した情報に基づいて地盤面の計測点の２次元任意座標を算出するともに、その２次元任意座標を３次元絶対座標に変換する。

【0038】

第１計測装置１１０Ａが第１ターゲット１１３Ａを備え、第２計測装置１１０Ｂが第２ターゲット１１３Ｂを備える場合、図４（ａ）に示すようにラインレーザスキャナ１１１は互いのターゲット１１３を照射してその座標を取得する。図４（ａ）は、第１計測装置１１０Ａの第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって第２計測装置１１０Ｂの第２ターゲット１１３Ｂを計測し、第２計測装置１１０Ｂの第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂによって第１計測装置１１０Ａの第１ターゲット１１３Ａを計測している状況を模式的に示す側面図である。

【0039】

既述したように支持体１１４は、その軸方向が略鉛直（鉛直）となるように配置することが望ましいが、状況によってはやや傾くことも考えられる。例えば図４（ｂ）では、第１計測装置１１０Ａの第１支持体１１４Ａは略鉛直に配置されているものの、第２計測装置１１０Ｂの第２支持体１１４Ｂは第１計測装置１１０Ａの方にやや傾いて配置されている。このように支持体１１４が傾斜していると、ラインレーザスキャナ１１１も傾斜することとなり、その傾斜に係る情報が与えられなければ空間演算装置１２０は正確な座標を算出することができない。

【0040】

この場合、支持体１１４に取り付けられた２以上のターゲット１１３を計測してそれぞれ座標を取得するとよい。具体的には図４に示すように、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって上下２つの第２ターゲット１１３Ｂを計測してそれぞれの座標を取得し、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂによって上下２つの第１ターゲット１１３Ａを計測してそれぞれの座標を取得する。そして空間演算装置１２０が、ターゲット１１３の座標に基づいて第１支持体１１４Ａや第２支持体１１４Ｂの傾斜（例えば、鉛直軸からの傾き）を求める。さらに空間演算装置１２０は、第１支持体１１４Ａの傾斜に基づいて第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向（つまり、支持体１１４の傾斜に対して垂直方向）を求め、第２支持体１１４Ｂの傾斜に基づいて第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂの照射方向を求め、それぞれの照射方向を勘案したうえで地盤面上の計測点の３次元絶対座標を算出する。なお、第１支持体１１４Ａや第２支持体１１４Ｂの傾斜を求めるにあたっては、ラインレーザスキャナ１１１測位による２次元任意座標を用いることもできるし、空間演算装置１２０によって変換された３次元絶対座標を用いることもできる。

【0041】

図３に示すように、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａが２地点（第１地点と第２地点）間の地盤面を計測して計測点の３次元絶対座標（以下、単に「第１座標」という。）を取得するとともに、第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂが２地点間の地盤面を計測して計測点の３次元絶対座標（以下、単に「第２座標」という。）を取得する。このように両方からレーザを照射することによって密な計測点が得られ、すなわち２地点間の地盤面を漏れなく計測することができる。

【0042】

ところで、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂが略同じ位置を計測することもある。換言すれば、平面座標が近似した第１座標と第２座標が得られることもある。この場合、それぞれの標高が近似していれば、両者ともに採用することもできるし、あるいは平均した値を採用することもできる。これに対して、互いの標高が大きく相違している場合、いずれか一方（第１座標か第２座標）の精度が十分でないいわゆるノイズであることが考えられる。一般的に、レーザの反射角度が小さいほど測位精度が劣ることが知られており、つまり図３に示すように照射距離が長いほど測位精度が劣ることとなり、ノイズとなりやすいわけである。

【0043】

座標修正手段は、このようなノイズを排除して適正な座標を設定する手段である。以下、座標修正手段が適正な座標を設定する処理について説明する。まず座標修正手段は、第１座標と第２座標それぞれの平面座標に基づいて２点間距離（特に、水平距離）を算出する。次に、第１座標と第２座標との距離があらかじめ定めた閾値（以下、「近傍閾値」という。）を下回る（あるいは以下である）第１座標と第２座標からなる組み合わせを抽出する。続いて、近傍閾値を基準として抽出された第１座標と第２座標それぞれの標高に基づいて高低差を算出する。そして、その高低差があらかじめ定めた閾値（以下、「高低閾値」という。）を上回る（あるいは以上である）とき、第１座標と第２座標のうちその照射距離が長い方を排除するとともに、照射距離が短い方を修正座標として設定する。

【0044】

ここまで、第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂがいずれもラインレーザスキャナ１１１を備える形態について説明してきたが、本願発明の計測システム１００は一方の計測装置１１０のみがラインレーザスキャナ１１１を備えるもの（以下、特に「単独式計測システム１００Ａ」という。）とすることもできる。図５は、単独式計測システム１００Ａの主な構成を示すブロック図である。この図に示すように単独式計測システム１００Ａは、ここまで説明してきた計測システム１００と同様、第１地点に設置される第１計測装置１１０Ａと、第２地点に設置される第２計測装置１１０Ｂ、空間演算装置１２０を含んで構成される。このうち第２計測装置１１０Ｂは、第２受信機１１２Ｂと、２以上の第２ターゲット１１３Ｂ、第２支持体１１４Ｂを含んで構成され、第２受信機１１２Ｂと第２ターゲット１１３Ｂが第２支持体１１４Ｂに取り付けられたものである。

【0045】

単独式計測システム１００Ａは、第１計測装置１１０Ａのみが第１ラインレーザスキャナ１１１Ａを備えていることから、直接的にはこの第１計測装置１１０Ａによって盤面の計測が行われる。しかしながら、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向（Ｘ軸）の方位が不明であれば、レーザ照射点の３次元絶対座標（つまり、地盤面の計測点）を得ることができない。そこで単独式計測システム１００Ａでは、第２計測装置１１０Ｂの第２ターゲット１１３Ｂを利用して、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向を求めることとした。以下、単独式計測システム１００Ａが地盤面の３次元絶対座標を求める手順について説明する。

【0046】

まず、第１受信機１１２Ａが測位衛星から受信した電波に基づいて第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの３次元絶対座標を求め、同様に、第２受信機１１２Ｂが測位衛星から受信した電波に基づいて第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標を求める。第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標を求めるにあたっては、第２受信機１１２Ｂと第２ターゲット１１３Ｂとの間隔に基づいて第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標を求めることができる。第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって、２以上の第２ターゲット１１３Ｂの２次元任意座標がそれぞれ得られていることから、第２支持体１１４Ｂの傾斜（例えば、鉛直軸からの傾き）を求めることができる。したがって、第２受信機１１２Ｂの３次元絶対座標を基準とし、第２受信機１１２Ｂと第２ターゲット１１３Ｂとの間隔と、第２支持体１１４Ｂの傾斜を用いれば、第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標を求めることができるわけである。

【0047】

第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標が得られると、これらの３次元絶対座標に基づいて第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向の方位を求める。既述したとおりターゲット１１３は高い反射強度で照射波を反射することから、ラインレーザスキャナ１１１が受信した信号のうち第２ターゲット１１３Ｂで反射した信号を選出することができる。つまり、第２ターゲット１１３Ｂで反射した信号を確認することができれば第１ラインレーザスキャナ１１１Ａは正しく第２地点に向かって照射していると判断することができ、これに対して第２ターゲット１１３Ｂの反射を確認できないときは第２地点に向かって照射していないと判断することができる。その場合、第２地点に向かって照射するように、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの向きを調整するとよい。

【0048】

図６は、第１計測装置１１０Ａの第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって地盤面を計測している状況を模式的に示す側面図である。この図に示すように、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ターゲット１１３Ｂが互いに向き合うように第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂは設置され、そして第１ラインレーザスキャナ１１１Ａが第２地点に向かってレーザを照射する。ここで、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向（Ｘ軸）の方位が得られていることから、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの測位に係る２次元座標系を、ＧＮＳＳ測位に係る絶対座標系に変換することができるわけである。例えば、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって得られる照射距離とレーザ照射角、照射方向（Ｘ軸）の方位に基づいて、換言すればレーザ照射点を中心とする球面上の位置を、「レーザ照射点の３次元絶対座標」として求めることができる。

【0049】

２．計測方法
続いて、本願発明の計測方法ついて図７と図８を参照しながら説明する。なお、本願発明の計測方法は、ここまで説明した計測システム１００を用いて計測対象を計測する方法である。したがって、計測システム１００で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明の計測方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「２．計測システム」で説明したものと同様である。

【0050】

図７は本願発明の計測方法の主な手順の流れを示すフロー図であり、図８は本願発明の計測方法の主な手順の流れを示すステップ図である。本願発明の計測システム１００を用いて２地点（第１地点と第２地点）間の地盤面を計測するにあたっては、まず図８（ａ）に示すように第１地点に第１計測装置１１０Ａを設置し（図７のＳｔｅｐ２０１）、図８（ｂ）に示すように第２地点に第２計測装置１１０Ｂを設置する（図７のＳｔｅｐ２０２）。

【0051】

第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂを設置すると、図８（ｃ）に示すように第１受信機１１２Ａが測位衛星ＳＴから受信した搬送波に基づいて空間演算装置１２０が第１受信機１１２Ａの受信機座標を算出するとともに、図８（ｄ）に示すように第２受信機１１２Ｂが測位衛星ＳＴから受信した搬送波に基づいて空間演算装置１２０が第２受信機１１２Ｂの受信機座標を算出する（図７のＳｔｅｐ２０３）。

【0052】

それぞれの受信機座標が得られると、図８（ｅ）に示すように第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって第２ターゲット１１３Ｂを測定するとともに、図８（ｆ）に示すように第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂによって第１ターゲット１１３Ａを測定する（図７のＳｔｅｐ２０４）。そして空間演算装置１２０が、ターゲット１１３の座標に基づいて支持体１１４の傾斜を求めるとともに、ラインレーザスキャナ１１１の照射方向を求める。

【0053】

単独式計測システム１００Ａを利用する場合、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって第２ターゲット１１３Ｂを測定することで第２支持体１１４Ｂの傾斜を求め、第２受信機１１２Ｂの３次元絶対座標と、第２受信機１１２Ｂと第２ターゲット１１３Ｂとの間隔、第２支持体１１４Ｂの傾斜を用いて第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標を求める。そして、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａと第２ターゲット１１３Ｂの３次元絶対座標に基づいて、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａの照射方向の方位を求める。

【0054】

それぞれラインレーザスキャナ１１１の照射方向が得られると、図８（ｇ）に示すように第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって地盤面を計測して第１座標を取得し、図８（ｈ）に示すように第２ラインレーザスキャナ１１１Ｂよって地盤面を計測して第２座標を取得する。単独式計測システム１００Ａを利用する場合は、第１ラインレーザスキャナ１１１Ａによって地盤面を計測して座標を取得する。ここまでの一連の処理（図７のＳｔｅｐ２０１～２０５）を、定期的に繰り返し行うことによって、第１地点と第２地点と間の地盤面に変化（特に標高）がないか監視していく。

【0055】

「第１地点と第２地点」の前方の区間となる「第２地点と第３地点」を計測する場合、第１計測装置１１０Ａと第２計測装置１１０Ｂをともに移設することもできるし、第１計測装置１１０Ａのみを移設することもできる（図７のＳｔｅｐ２０６）。この場合、図８（ｉ）に示すように第１計測装置１１０Ａを第１地点から第３地点に移設するとともに、第２地点に設置されたままの第２計測装置１１０Ｂの向きを変える。そして、後方（第２地点）の第２計測装置１１０Ｂと前方（第３地点）の第１計測装置１１０Ａが互いに向き合った状態で、一連の処理（図７のＳｔｅｐ２０１～２０５）を行う。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本願発明の計測システムは、掘進中のトンネル上部を監視するために利用できるほか、地すべりなど地盤の変状を監視するためなど、種々の監視に利用することができる。本願発明を利用すれば、建設事故や地すべり等に伴う自然災害を事前に回避することができることを考えれば、産業上利用できるうえに社会的にも貢献が期待できる発明といえる。

【符号の説明】

【0057】

１００ 本願発明の計測システム
１００Ａ 単独式本願発明の計測システム
１１０ （計測システムの）計測装置
１１１ （計測装置の）ラインレーザスキャナ
１１２ （計測装置の）受信機
１１３ （計測装置の）ターゲット
１１４ （計測装置の）支持体
１１０Ａ （計測システムの）第１計測装置
１１１Ａ （第１計測装置の）第１ラインレーザスキャナ
１１２Ａ （第１計測装置の）第１受信機
１１３Ａ （第１計測装置の）第１ターゲット
１１４Ａ （第１計測装置の）第１支持体
１１０Ｂ （計測システムの）第２計測装置
１１１Ｂ （第２計測装置の）第２ラインレーザスキャナ
１１２Ｂ （第２計測装置の）第２受信機
１１３Ｂ （第２計測装置の）第２ターゲット
１１４Ｂ （第２計測装置の）第２支持体
１２０ （計測システムの）空間演算装置
ＰＳ 支持板
ＳＴ 測位衛星

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】