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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-23
(45)【発行日】2023-01-06
(54)【発明の名称】計測システムおよび計測方法
(51)【国際特許分類】
G01S 17/89 20200101AFI20221226BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20221226BHJP
【ＦＩ】
G01S17/89
B64C39/02
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020175564
(22)【出願日】2020-10-19
(65)【公開番号】P2022066942
(43)【公開日】2022-05-02
【審査請求日】2021-05-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000010076
【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100139930
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 亮司
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(72)【発明者】
【氏名】矢嶋 準
【審査官】▲高▼場 正光
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１９３２１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００４／０２１８２３２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特許第６５９１１３１（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】米国特許第０３９９２７０７（ＵＳ，Ａ）
【文献】独国特許出願公開第１０２００４０５０６８２（ＤＥ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０１３１５１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００８－２０３１２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】MORSDORF, Felix 外５名，“UAV-based LiDAR acquisition for the derivation of high-resolution forest and ground information”，THE LEADING EDGE，2017年07月01日，Volume 36, Number 7，Pages 566-570，<URL: https://doi.org/10.1190/tle36070566.1 >
【文献】“RIEGL VUX(R)-1UAV”，INTERNETARCHIVE [online]，2016年12月05日，6 Pages，<URL: https://web.archive.org/web/20161205113028/http://www.riegl-japan.co.jp/product/pdf_1/DataSheet_VUX-1UAV_2016-06-01.pdf >
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８ － Ｇ０１Ｓ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００ － Ｇ０１Ｓ １７／９５
Ｇ０１Ｃ １／００ － Ｇ０１Ｃ ２５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ライダー（ＬｉＤＡＲ）センサが設けられた無人航空機を飛行させて計測対象エリアの計測を行う計測システムであって、無人航空機と、
前記無人航空機に設けられたライダーセンサと、
前記無人航空機の飛行を制御する制御装置と、
を備え、
前記ライダーセンサは、回転軸が一軸のライダーセンサであり、
鉛直方向から見た平面視において、前記無人航空機の機体進行方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向としたとき、
前記ライダーセンサを用いた前記計測対象エリアの計測中、前記無人航空機は、前記ライダーセンサの前記回転軸が前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いた状態で飛行し、
前記計測対象エリアの計測中、前記ライダーセンサの前記回転軸は、前記第２方向を向いている、計測システム。
【請求項2】
前記計測対象エリアは、地表面から複数の樹木が立ち上がる森林を含む、請求項１に記載の計測システム。
【請求項3】
前記地表面は斜面を含み、前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、前記無人航空機を前記斜面に沿って上昇または下降させる、請求項２に記載の計測システム。
【請求項4】
前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、複数の等高線を横切る第１経路セグメントに沿って前記無人航空機を飛行させる、請求項３に記載の計測システム。
【請求項5】
前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、前記ライダーセンサの前記回転軸が等高線に沿った方向を向いた状態で前記無人航空機を飛行させる、請求項３または４に記載の計測システム。
【請求項6】
前記計測対象エリアの計測を行うときに前記無人航空機を飛行させる飛行経路は、前記平面視において、前記第１経路セグメントと交差する第２経路セグメントを含む、請求項４に記載の計測システム。
【請求項7】
前記計測対象エリアの計測を行うときに前記無人航空機を飛行させる飛行経路は、格子状の飛行経路を含む、請求項１から６のいずれかに記載の計測システム。
【請求項8】
ライダー（ＬｉＤＡＲ）センサが設けられた無人航空機を飛行させて計測対象エリアの計測を行う計測システムであって、無人航空機と、
前記無人航空機に設けられたライダーセンサと、
前記無人航空機の飛行を制御する制御装置と、
を備え、
鉛直方向から見た平面視において、前記無人航空機の機体進行方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向としたとき、
前記ライダーセンサを用いた前記計測対象エリアの計測中、前記無人航空機は、前記ライダーセンサの回転軸が前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いた状態で飛行し、
前記ライダーセンサに加えて第２ライダーセンサが前記無人航空機に設けられており、
前記平面視において、前記第２ライダーセンサの回転軸は、前記ライダーセンサの前記回転軸とは異なる方向を向いている、計測システム。
【請求項9】
前記計測対象エリアの計測中、前記平面視において、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は、前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いており、
前記機体進行方向を前方向としたとき、前記ライダーセンサの前記回転軸は左斜め前方から右斜め後方に臨んでおり、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は右斜め前方から左斜め後方に臨んでいる、請求項８に記載の計測システム。
【請求項10】
前記計測対象エリアの計測中、前記平面視において、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は、前記第２方向よりも前記第１方向に近い方向を向いている、請求項８に記載の計測システム。
【請求項11】
前記無人航空機は、内燃機関を動力源とする無人ヘリコプターまたは無人マルチコプターである、請求項１から１０のいずれかに記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無人航空機を利用して計測対象エリアの計測を行う技術等に関する。
【背景技術】
【0002】
森林資源の管理および利用を行うために森林計測が行われている。森林計測は、様々な方法により行うことができる。例えば特許文献１は、上空からカメラで森林を撮影し、得られた画像から画像処理によって樹冠円を抽出する方法を開示する。特許文献２は、上空から波長の異なるレーダ波をそれぞれ森林に照射して、樹木の最上部からの反射波および地面からの反射波から算出されるそれぞれの高さの差分から樹木の高さを求める方法を開示する。特許文献３は、航空機にレーザ測距装置を搭載し、レーザ測距装置を用いて、樹木等を含めた地上の三次元データを取得する方法を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００７－６６０５０号公報
【文献】特開平９－１８４８８０号公報
【文献】特開２０１６－７０７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上空からレーザ測距装置を用いて森林計測を行うと、森林上部表面（樹冠上面）のデータである点群データは得られる。しかしながら、樹木の葉等によってレーザ光が遮られるため、幹のデータを取得することは困難である。そのため計測結果から、最も太い幹である主幹の本数を推定する必要があった。
【0005】
特許文献３は、人間が森林内にレーザ測距装置等の装置を持ち込み、三次元の点群データをさらに取得し、上空からの計測によって得られた点群データと、地上での計測によって得られた点群データとを融合させることに言及する。しかしながら、２種類の点群データを取得することは非常に手間がかかる。
【0006】
無人航空機を用いて森林等の計測対象エリアを計測することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のある実施形態に係る計測システムは、ライダー（ＬｉＤＡＲ）センサが設けられた無人航空機を飛行させて計測対象エリアの計測を行う計測システムであって、無人航空機と、前記無人航空機に設けられたライダーセンサと、前記無人航空機の飛行を制御する制御装置とを備え、鉛直方向から見た平面視において、前記無人航空機の機体進行方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向としたとき、前記ライダーセンサを用いた前記計測対象エリアの計測中、前記無人航空機は、前記ライダーセンサの回転軸が前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いた状態で飛行する。
【0008】
ライダーセンサを用いた計測対象エリアの計測中、ライダーセンサの回転軸が第１方向よりも第２方向に近い方向を向いた状態で無人航空機は飛行する。ライダーセンサは回転していることから、無人航空機が進行する過程で、機体進行方向に沿ったエリアに、レーザパルスを密に照射することができる。これにより、例えば、ライダーセンサから複数のレーザパルスが同時に出射される形態においては、機体進行方向に沿ったエリア内の同一の物体に、様々な角度からレーザパルスを密に照射できる。その結果、機体進行方向に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得できる。さらに、ライダーセンサを回転させることにより、例えば、森林を構成する樹木に対し、様々な角度からレーザパルスを照射することができる。
【0009】
飛行経路に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向に沿ったエリアに繰り返しレーザパルスを照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0010】
一つの経路セグメントの飛行においてライダーセンサでスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0011】
計測対象エリア内の同一の物体に対して、連続的にレーザパルスを照射することができる。これにより、例えば樹木の上空を飛行しながら計測するとき、樹木に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0012】
ある実施形態において、前記ライダーセンサは、前記回転軸が前記無人航空機の機体の前後方向よりも左右方向に近い方向に向けられていてもよい。
【0013】
機体の前後方向が機体進行方向を向くという無人航空機の通常の飛行姿勢において、ライダーセンサの回転軸を第１方向よりも第２方向に近い方向に向かせることができる。
【0014】
ある実施形態において、前記ライダーセンサを用いた前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、前記ライダーセンサの前記回転軸が前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向くように、前記無人航空機を飛行させてもよい。
【0015】
ライダーセンサの回転軸が無人航空機の機体の前後方向よりも左右方向に近い方向を向いていない場合においても、その回転軸を第２方向に近い方向に向けた状態で無人航空機を飛行させることができる。
【0016】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記ライダーセンサの前記回転軸は、前記第２方向を向いていてもよい。
【0017】
無人航空機が進行する過程で、機体進行方向に沿ったエリアに対してレーザパルスをより密に照射できる。これにより、機体進行方向に沿ったエリアのより詳細な３次元点群データを取得することができる。さらに、ライダーセンサを回転させることにより、例えば、森林を構成する樹木に対し、様々な角度からレーザパルスを照射することができる。
【0018】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記平面視において、前記ライダーセンサの前記回転軸は、前記第２方向に対して傾いていてもよい。
【0019】
ライダーセンサが地上に形成するレーザパルスの照射位置を第２方向に拡げて分布させることができる。スキャンラインが１本のライダーセンサを用いる場合、回転軸が第２方向に一致していると、照射位置は第１方向に平行な直線上に位置する。レーザパルスの照射位置を第２方向に拡げることにより、照射漏れ領域を低減できる。
【0020】
ある実施形態において、前記ライダーセンサは、前記回転軸に対して所定の角度を有する方向にレーザパルスを出射し、前記レーザパルスを出射する方向を前記回転軸の周りに回転させてもよい。
【0021】
スキャンラインが１本のライダーセンサを用いる場合、地上に形成されるレーザパルスの照射位置が１本のライン上に並ぶが、第２方向に幅を有するエリアをスキャンすることができる。
【0022】
ある実施形態において、前記計測対象エリアは、地表面から複数の樹木が立ち上がる森林を含んでもよい。
【0023】
森林に様々な角度からレーザパルスを照射することができ、レーザパルスは樹木の樹冠だけでなく、樹木の幹、下層植生および地表面等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【0024】
ある実施形態において、前記地表面は斜面を含み、前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、前記無人航空機を前記斜面に沿って上昇または下降させてもよい。
【0025】
斜面に広がる森林に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルスを照射したり、斜め下方向からレーザパルスを照射したりすることができる。レーザパルスは樹木の樹冠だけでなく、樹木の幹、下層植生および地表面等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【0026】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、複数の等高線を横切る第１経路セグメントに沿って前記無人航空機を飛行させてもよい。
【0027】
複数の等高線を横切るように斜面に沿って無人航空機を飛行させることより、斜面に広がる森林に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルスを照射したり、斜め下方向からレーザパルスを照射したりすることができる。
【0028】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記制御装置は、前記ライダーセンサの前記回転軸が等高線に沿った方向を向いた状態で前記無人航空機を飛行させてもよい。
【0029】
ライダーセンサの回転軸が等高線に沿った方向を向いた状態で斜面に沿って無人航空機が飛行することより、斜面に広がる森林に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルスを照射したり、斜め下方向からレーザパルスを照射したりすることができる。
【0030】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測を行うときに前記無人航空機を飛行させる飛行経路は、前記平面視において、前記第１経路セグメントと交差する第２経路セグメントを含んでもよい。
【0031】
互いに交差する複数の経路セグメントを飛行することにより、計測対象エリアに複数の方位からレーザパルスを照射することができ、計測対象エリアの詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0032】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測を行うときに前記無人航空機を飛行させる飛行経路は、格子状の飛行経路を含んでもよい。
【0033】
格子状の飛行経路を飛行することにより、計測対象エリアに複数の方位からレーザパルスを照射することができ、計測対象エリアの詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0034】
ある実施形態において、前記ライダーセンサに加えて第２ライダーセンサが前記無人航空機に設けられており、前記平面視において、前記第２ライダーセンサの回転軸は、前記ライダーセンサの前記回転軸とは異なる方向を向いていてもよい。
【0035】
回転軸が互いに異なる方向を向いている二つのライダーセンサからレーザパルスを出射させることにより、より広い範囲に多くのレーザパルスを照射することができる。
【0036】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記平面視において、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は、前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いており、前記機体進行方向を前方向としたとき、前記ライダーセンサの前記回転軸は左斜め前方から右斜め後方に臨んでおり、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は右斜め前方から左斜め後方に臨んでいてもよい。
【0037】
機体進行方向に沿ったエリアにより多くのレーザパルスを照射することができる。また、二つのライダーセンサが互いに異なる方向にレーザパルスを出射することにより、一方のライダーセンサから多くのレーザパルスを照射することが難しいエリアを、他方のライダーセンサで補完することができる。
【0038】
ある実施形態において、前記計測対象エリアの計測中、前記平面視において、前記第２ライダーセンサの前記回転軸は、前記第２方向よりも前記第１方向に近い方向を向いていてもよい。
【0039】
機体進行方向に対する横方向にも広い範囲にわたってレーザパルスを照射することができる。
【0040】
ある実施形態において、前記無人航空機は、内燃機関を動力源とする無人ヘリコプターまたは無人マルチコプターであってもよい。
【0041】
バッテリから供給される電力で動作する電動モータを動力源とする場合は、航続距離が短いため、計測対象エリアが狭くなってしまう。一方、内燃機関を動力源とする場合は、航続距離が長いため、十分な計測対象エリアを確保することができる。
【0042】
本発明のある実施形態に係る計測対象エリアの計測を行うは、ライダー（ＬｉＤＡＲ）センサが設けられた無人航空機を飛行させて計測対象エリアの計測を行う方法であって、前記無人航空機の飛行経路を設定すること、設定された前記飛行経路に沿って前記無人航空機を飛行させること、鉛直方向から見た平面視において、前記無人航空機の機体進行方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向としたとき、前記ライダーセンサの回転軸が前記第１方向よりも前記第２方向に近い方向を向いた状態で、前記計測対象エリアを前記ライダーセンサでスキャンさせることを実行する。
【0043】
ライダーセンサを用いた計測対象エリアの計測中、ライダーセンサの回転軸が第１方向よりも第２方向に近い方向を向いた状態で無人航空機は飛行する。ライダーセンサは回転していることから、無人航空機が進行する過程で、機体進行方向に沿ったエリアに、レーザパルスを密に照射することができる。これにより、例えば、ライダーセンサから複数のレーザパルスが同時に出射される形態においては、機体進行方向に沿ったエリア内の同一の物体に、様々な角度からレーザパルスを密に照射できる。その結果、機体進行方向に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得できる。さらに、ライダーセンサを回転させることにより、例えば、森林を構成する樹木に対し、様々な角度からレーザパルスを照射することができる。
【0044】
飛行経路に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向に沿ったエリアに繰り返しレーザパルスを照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0045】
一つの経路セグメントの飛行においてライダーセンサでスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0046】
計測対象エリア内の同一の物体に対して、連続的にレーザパルスを照射することができる。これにより、例えば樹木の上空を飛行しながら計測するとき、樹木に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0047】
ある実施形態において、前記飛行経路は複数の経路セグメントを含み、前記方法は、前記複数の経路セグメントそれぞれを飛行中に前記ライダーセンサから出力されたセンサーデータを組み合わせて３次元点群データを生成すること、をさらに実行してもよい。
【0048】
一つの経路セグメントの飛行においてライダーセンサでスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。このため、計測対象エリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0049】
ある実施形態において、前記計測対象エリアは斜面の森林を含み、前記無人航空機の飛行経路を設定するステップは、前記対象エリア内の等高線データを参照し、複数の等高線を横切る経路セグメントを含む飛行経路を設定することを含んでもよい。
【0050】
複数の等高線を横切るように斜面に沿って無人航空機を飛行させることより、斜面に広がる森林に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルスを照射したり、斜め下方向からレーザパルスを照射したりすることができる。レーザパルスは樹木の樹冠だけでなく、樹木の幹、下層植生および地表面等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【発明の効果】
【0051】
鉛直方向から見た平面視において、無人航空機の機体進行方向を第１方向とし、第１方向に垂直な方向を第２方向としたとき、ライダーセンサを用いた計測対象エリアの計測中、ライダーセンサの回転軸が第１方向よりも第２方向に近い方向を向いた状態で無人航空機は飛行する。ライダーセンサは回転していることから、無人航空機が進行する過程で、機体進行方向に沿ったエリアに、レーザパルスを密に照射することができる。これにより、例えば、ライダーセンサから複数のレーザパルスが同時に出射される形態においては、機体進行方向に沿ったエリア内の同一の物体に、様々な角度からレーザパルスを密に照射できる。その結果、機体進行方向に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得できる。さらに、ライダーセンサを回転させることにより、例えば、森林を構成する樹木に対し、様々な角度からレーザパルスを照射することができる。
【0052】
飛行経路に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向に沿ったエリアに繰り返しレーザパルスを照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0053】
一つの経路セグメントの飛行においてライダーセンサでスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0054】
計測対象エリア内の同一の物体に対して、連続的にレーザパルスを照射することができる。これにより、例えば樹木の上空を飛行しながら計測するとき、樹木に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明の実施形態に係る無人ヘリコプター１が森林計測を行っている図である。
【図2】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０が設けられた無人ヘリコプター１の外観側面図である。
【図3】本発明の実施形態に係る無人ヘリコプター１の正面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る飛行制御ボックス１５のハードウェア構成例を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が臨む方向を説明する図である。
【図6】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０から同時に出射されるＮ個のレーザパルス２２を示す図である。
【図7】本発明の実施形態に係る進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２を示す図である。
【図8】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が臨む方向を説明する図である。
【図9】本発明の実施形態に係る進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２を示す図である。
【図10】本発明の実施形態に係る計測対象エリア５０の計測を行う無人ヘリコプター１を、無人ヘリコプター１の左右方向から見たときの図である。
【図11】ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を機体進行方向に向けた状態で飛行し、森林計測する態様を説明する図である。
【図12】本発明の実施形態に係る森林計測であって、斜面から立ち上がる樹木にレーザパルス２２を照射することを説明する図である。
【図13】本発明の実施形態に係る無人ヘリコプター１とタブレットコンピュータ７０とを含む計測システム１００を示す図である。
【図14】本発明の実施形態に係る無人ヘリコプター１と基地局操縦装置８０とを含む計測システム１００を示す図である。
【図15】本発明の実施形態に係るタブレットコンピュータ７０のハードウェア構成例を示す図である。
【図16】本発明の実施形態に係る飛行経路の設定処理の手順を示すフローチャートである。
【図17】本発明の実施形態に係る飛行経路が設定された無人ヘリコプター１の飛行動作の手順を示すフローチャートである。
【図18】本発明の実施形態に係る飛行経路６０の一例を示す図である。
【図19】本発明の実施形態に係るスキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が臨む方向を説明する図である。
【図20】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の実施形態に係るスキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０から出射されたレーザパルス２２が平面上に形成するレーザスポット２４を示す図である。
【図21】本発明の実施形態に係る進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２によって平面上に形成されるレーザスポット２４を示す図である。
【図22】本発明の実施形態に係る回転軸２１が機体の前後方向を向いている無人ヘリコプター１を示す図である。
【図23】本発明の実施形態に係る複数のＬｉＤＡＲセンサが設けられた無人ヘリコプター１の正面図である。
【図24】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０、４０の回転軸２１、４１が臨む方向を説明する図である。
【図25】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０、４０から出射されるレーザパルス２２、４２を示す図である。
【図26】本発明の実施形態に係る進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２、４２を示す図である。
【図27】本発明の実施形態に係るＬｉＤＡＲセンサ２０、４０の回転軸２１、４１が臨む方向を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
森林資源の管理および利用を行うためには、いわゆる「森林計測」を行うことが重要である。この「森林計測」には、森林の構造の調査、森林の材積の推定、一定期間における森林の変化量の把握等が含まれ得る。従来の森林計測のような、林木の一本一本を計測し、得られたデータから様々な集計・分析を行っていくことは非常に人手と時間がかかる。そこで、無人航空機にレーザ測距装置（ＬｉＤＡＲセンサ）を搭載し、ＬｉＤＡＲセンサを用いて空中から森林計測を行うことが進められている。
【0057】
本開示の実施形態を説明する前に、本明細書において使用する用語の定義を説明する。
【0058】
＜用語＞
本明細書では、ＬｉＤＡＲセンサを用いて上空から森林をスキャンし、スキャンデータを取得すること自体を「森林計測」に含む。スキャンデータは、典型的には、スキャンごとに取得される点群（ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ）を構成する各点の位置座標によって表現され得る。スキャンごとに取得される点の位置座標は、無人航空機とともに移動するローカル座標系によって規定される。このようなローカル座標系は、移動体座標系またはセンサ座標系と呼ばれ得る。一般的には、「森林計測」は、ローカル座標系で表現された各反射点の位置を地理座標系に変換することを含む。「森林計測」はさらに、地理座標系への変換後に、森林の構造を解析すること、森林および樹木の形を視覚的に表示すること、森林内の樹木の種類ごとの存在比率を求めること、森林の容積密度を求めること等を含み得る。
本明細書では、ＬｉＤＡＲセンサを用いて上空から森林をスキャンし、スキャンデータを取得すること自体を「森林計測」に含む。スキャンデータは、典型的には、スキャンごとに取得される点群（ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ）を構成する各点の位置座標によって表現され得る。スキャンごとに取得される点の位置座標は、無人航空機とともに移動するローカル座標系によって規定される。このようなローカル座標系は、移動体座標系またはセンサ座標系と呼ばれ得る。一般的には、「森林計測」は、ローカル座標系で表現された各反射点の位置を地理座標系に変換することを含む。「森林計測」はさらに、地理座標系への変換後に、森林の構造を解析すること、森林および樹木の形を視覚的に表示すること、森林内の樹木の種類ごとの存在比率を求めること、森林の容積密度を求めること等を含み得る。
【0059】
「無人航空機」（ＵＡＶ；Ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）は、操縦者としての人が搭乗しない航空機であり、ドローンと呼ばれることもある。航空機は回転翼機および固定翼機を含み得る。回転翼を有する無人航空機の一例は、無人ヘリコプターまたは無人マルチコプターである。回転翼はエンジン（内燃機関）によって回転してもよいし、電動モータによって回転してもよい。無人航空機の飛行は、コンピュータプログラムによる自律飛行、一部を自動化する半自律飛行、無線を用いた人による遠隔操作による飛行のいずれであってもよい。無人航空機は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を援用して、現在位置を三次元的に測定し、その位置を修正しながら飛行することが可能である。以下に説明する例示的な実施形態においては、「無人航空機」は「無人ヘリコプター」である。
【0060】
「無人」の用語は、航空機の操縦のために人が搭乗する必要がないことを意味しており、無人航空機が操縦者でない人を運搬することは除外しない。
【0061】
「等高線」とは、地図上で、土地の起伏を正確に表すために、標準海面から等しい高さの点を結んだ曲線を言う。日本では、東京湾の平均海面を標準海面（０ｍ）として高さが測量されている。標準海面からの高さは「標高」と呼ばれる。例えば、日本の地図では、縮尺によって標高差１０ｍごとに主曲線が引かれ、５０ｍごとに計曲線が引かれている。しかしながら本明細書において「等高線」は、標準海面から等しい高さの点を結んだ曲線であればよく、地図に掲載されていない曲線も含む。例えば、標高５６３ｍの高さの点を結んだ曲線も等高線であり得る。
【0062】
さらに本明細書では、「等高線」は、実際の地形上で、標準海面から等しい高さの位置を結んだ仮想的な曲線を含む。ここでいう「標準海面から等しい高さ」は厳密でなくてよい。例えば、「標準海面から等しい高さ」の±３０メートルの範囲に入る高さの位置を結んだ仮想的な曲線も等高線であり得る。
【0063】
「絶対高度」とは、地表面または水面から航空機までの距離をいい、「ＡＧＬ」（Ａｂｏｖｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｌｅｖｅｌ）とも表現され得る。航空機が山岳地を飛行しているときは，山岳の地表面から航空機までの垂直距離が「絶対高度」になる。「絶対高度」は、一般には電波高度計を用いて測定された値であるが、本明細書ではＬｉＤＡＲ（ライダー）センサを用いて測定された値も絶対高度として採用することを含む。また本明細書では、「絶対高度」は例えば、数値表層モデルまたはＤＳＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｄｅｌ）で表現される表層からの距離も含む。つまり、絶対高度Ｈメートル、というときは、地表面から計測した距離がＨメートルであってもよいし、樹冠の表層から計測した距離がＨメートであってもよい。
【0064】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による計測対象エリアの計測の実施形態を説明する。
【0065】
図１は、計測対象エリア５０の計測を行う無人ヘリコプター１を示している。図１に示す例では、山の斜面５２に広がる森林５４を計測対象エリア５０とし、無人ヘリコプター１を用いて森林計測を行っている。森林５４では地表面から複数の樹木が立ち上がっている。計測対象エリア５０としての森林５４は、斜面の森林（斜面林）に限定されず、平坦地の森林であってもよい。計測対象エリア５０は森林に限定されず、例えば市街地等であってもよい。以下の例示的な実施形態の説明では、計測対象エリア５０が森林５４になっている。
【0066】
【0067】
ＬｉＤＡＲセンサ２０はレーザビームのパルス（以下「レーザパルス」と略記する。）２２を、出射方向を変えながら次々と出射し、出射時刻と各レーザパルスの反射パルスを取得した時刻との時間差から各反射点の位置までの距離を計測することができる。「反射点」は、森林５４を構成する各樹木の樹冠および幹、斜面および平坦地等の地表面であり得る。
【0068】
ＬｉＤＡＲセンサ２０は、任意の方法により、飛行体から森林までの距離を計測し得る。ＬｉＤＡＲセンサ２０の計測方法としては、例えば機械回転方式、ＭＥＭＳ方式、フェーズドアレイ方式がある。これらの測定方法は、それぞれレーザパルスを出射する方法（スキャンの方法）が異なっている。例えば、機械回転方式のＬｉＤＡＲセンサは、レーザパルスの出射およびレーザパルスの反射光の検出を行う筒状のヘッドを回転させて、回転軸の周囲３６０度全方位の計測対象物をスキャンする。ＭＥＭＳ方式のＬｉＤＡＲセンサは、ＭＥＭＳミラーを用いてレーザパルスの出射方向を揺動させ、揺動軸を中心とした所定の角度範囲内の計測対象物をスキャンする。フェーズドアレイ方式のＬｉＤＡＲセンサは、光の位相を制御して光の出射方向を揺動させ、揺動軸を中心とした所定の角度範囲内の計測対象物をスキャンする。
【0069】
無人ヘリコプター１は、メインボディ２およびテールボディ３を有する機体４を備えている。機体４の前方側の下部には、ブラケット２５を介してＬｉＤＡＲセンサ２０が取り付けられている。メインボディ２の上部にはメインロータ５が設けられ、テールボディ３の後部にテールロータ６が設けられている。メインボディ２の前部にはラジエータ７が設けられている。メインボディ２の後部には飛行制御ボックス１５が設けられている。メインボディ２内には、内燃機関であるエンジン８および発電装置９が設けられている。また、メインボディ２内には、いずれも図示しない吸気系、メインロータ軸、燃料タンクが収容されている。エンジン８が発生させた回転はメインロータ５およびテールロータ６に伝達され、メインロータ５およびテールロータ６が回転することにより無人ヘリコプター１は飛行する。
【0070】
メインボディ２の後部上側にはコントロールパネル１０が設けられ、後部下側に表示灯１１が設けられる。コントロールパネル１０は、飛行前のチェックポイントやセルフチェック結果等を表示する。コントロールパネル１０の表示は地上局でも確認できる。表示灯１１は、ＧＮＳＳ制御の状態や機体の異常警告等の表示を行う。メインボディ２の中央部下側には、着陸時に機体４を支える脚であるスキッド１２が設けられている。
【0071】
図４は、飛行制御ボックス（制御装置）１５のハードウェア構成例を示している。飛行制御ボックス１５は、ＧＰＳモジュール１５ａ、加速度センサ１５ｂ、気圧センサ１５ｃ、地磁気センサ１５ｄ、超音波センサ１５ｅ、通信回路１５ｆ、信号処理回路１５ｇ、記憶装置１５ｊを収容する。記憶装置１５ｊは、ＲＯＭ１５ｈ、ＲＡＭ１５ｉ等を含む。各構成要素は、例えば配線または内部バス１５ｋを介して相互にデータを送受信し得る。なお、ＧＰＳモジュール１５ａを初めとする各種のセンサを設ける位置は、常に飛行制御ボックス１５内である必要はない。例えばＧＰＳ衛星からの信号を取得しやすくするため、ＧＰＳモジュール１５ａをテールボディ３上部に設けてもよい。
【0072】
飛行制御ボックス１５は、ＧＮＳＳモジュールの一例としてＧＰＳモジュール１５ａを備える。ＧＰＳモジュール１５ａは、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて現在位置および飛行速度等の飛行データを取得する。ＧＰＳモジュール１５ａの数は１個であってもよいし、複数（例えば２個）であってもよい。加速度センサ１５ｂは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各方向の加速度を検出する三軸加速度センサである。加速度センサ１５ｂが六軸加速度センサであれば、さらに無人ヘリコプター１のロール加速度、ピッチ角速度およびヨー加速度を検出可能である。なお、加速度センサ１５ｂは、一軸加速度センサまたは二軸加速度センサを複数有し、これら一軸加速度センサまたは二軸加速度センサにより座標系XYZの各方向を検出する構成であってもよい。気圧センサ１５ｃは気圧を検出する。検出された気圧から現在の標高を知ることができる。なお気圧と標高との関係式は公知であるから、本明細書では説明は省略する。地磁気センサ１５ｄは無人ヘリコプター１の現在の方位を検出する。超音波センサ１５ｅは、低空飛行時の絶対高度の検出に用いられる。加速度センサ１５ｂおよび地磁気センサ１５ｄの各々から出力されるデータ（機体データ）を利用することにより、無人ヘリコプター１の現在の姿勢を判断することができる。飛行データおよび機体データは、信号処理回路１５ｇに提供される。
【0073】
通信回路１５ｆは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）および／またはＷｉ－Ｆｉ（登録商標）規格に準拠した無線通信を行う通信回路を有する。通信回路１５ｆはさらに、携帯電話回線または人工衛星を経由する回線を利用した無線通信を行ってもよい。通信回路１５ｆは、飛行前においては飛行経路のデータを受信し、飛行時には無線によって地上と必要な通信を行う。なお本実施形態では、飛行経路のデータは、無人ヘリコプター１が飛行すべき経路の座標および絶対高度の各データを含む。
【0074】
記憶装置１５ｊは、信号処理回路１５ｇの動作を制御するコンピュータプログラムを記憶している。記憶装置１５ｊは、無人ヘリコプター１の飛行の制御および後述する森林計測の制御を信号処理回路１５ｇに実行させるためのコンピュータプログラムを記憶し得る。そのようなコンピュータプログラムは、それが記録された記録媒体（半導体メモリ、光ディスク等）から無人ヘリコプター１にインストールしてもよいし、インターネット等の電気通信回線を介してダウンロードしてもよい。また、無線通信を介してそのようなコンピュータプログラムを無人ヘリコプター１にインストールしてもよい。このようなコンピュータプログラムは、パッケージソフトウェアとして販売され得る。
【0075】
信号処理回路１５ｇは、記憶装置１５ｊに記憶された制御プログラムを実行して無人ヘリコプター１を飛行させる。より具体的には信号処理回路１５ｇは、上述した飛行データ、機体データ、エンジン回転数やスロットル開度などの運転状態データ等を監視しながら、予め用意された飛行経路に沿って無人ヘリコプター１を飛行させる。
【0076】
図４に示す例では、飛行制御ボックス１５は、ＬｉＤＡＲセンサ２０と接続されている。ＬｉＤＡＲセンサ２０は、スキャン結果（時刻データ、方角データおよび距離データ等の組）を飛行制御ボックス１５に出力する。ＧＰＳモジュール１５ａから出力される無人ヘリコプター１の飛行位置を示す位置データと、ＬｉＤＡＲセンサ２０から出力されるスキャン結果とを用いて、例えば地理座標系で表現された計測対象物の位置を算出することができる。
【0077】
なお、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、飛行制御ボックス１５と接続されていなくてもよい。例えば、ＧＰＳモジュール１５ａが飛行制御ボックス１５とは独立して無人ヘリコプター１に設けられ、そのＧＰＳモジュール１５ａから飛行制御ボックス１５およびＬｉＤＡＲセンサ２０のそれぞれに位置データが出力されてもよい。この場合、ＬｉＤＡＲセンサ２０のスキャン結果は、ＬｉＤＡＲセンサ２０内の記憶装置（図示せず）に記憶してもよい。また、ＧＰＳモジュール１５ａが出力した位置データと、ＬｉＤＡＲセンサ２０のスキャン結果とを用いた計測対象物の位置の算出を、ＬｉＤＡＲセンサ２０内の信号処理回路（図示せず）が行う場合は、その算出結果をＬｉＤＡＲセンサ２０内の記憶装置に記憶してもよい。飛行制御ボックス１５とＬｉＤＡＲセンサ２０とで電源が共有されてもよい。
【0078】
なお、無人ヘリコプター１の飛行および運用を管理するオペレータは、飛行状態を目視しながら、予め用意した飛行経路に沿って無人ヘリコプター１を飛行させることもできる。テールボディ３（図２）の後端部には、リモコン操縦機からの指令信号を受信するリモコン受信アンテナ１３が設けられている。
【0079】
【0080】
例示的な実施形態ではＬｉＤＡＲセンサ２０は機械回転方式であり、レーザパルス２２の出射およびレーザパルス２２の反射光の検出を行うヘッド２３は、回転軸２１を中心として回転する。ヘッド２３が回転することで、３６０度全方位をスキャンすることができる。本実施形態では、ＬｉＤＡＲセンサ２０のスキャン可能範囲のうち無人ヘリコプター１の機体４等に遮られる範囲は計測結果に反映しない。記載の便宜上、図２では３６０度全方位に放射されるレーザパルス２２のうちの一部のみを示している。本明細書では、ＬｉＤＡＲセンサ２０のヘッド２３の回転を“ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転”と表現する場合がある。
【0081】
ＬｉＤＡＲセンサ２０のヘッド２３は、回転することにより出射口の方向を変化させ、所定角度ピッチα（ｒａｄ）ごとに同時に複数個のレーザパルス２２を出射する。図３では、一例として、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が通るある平面に沿って同時に出射されるＮ個のレーザパルス２２を示している。記載の便宜上、パルス状ではなくビーム状でレーザパルス２２を記載している。なお、「同時」は厳密に同じ時刻である必要はなく、概ね同じ時刻であることも含む。Ｎの値は任意であり、例えば、１２、１６、３２または６４であるが、Ｎはこれらの値に限定されない。ＬｉＤＡＲセンサ２０のヘッド２３には、例えばＮ個のレーザ光源が並べられており、Ｎ個のレーザパルス２２の出射口からレーザパルス２２が出射される。レーザ光源は例えばレーザダイオードであるがこれに限定されない。
【0082】
図２を参照しながら、ある１つの出射口から出射されるレーザパルス２２を説明する。ＬｉＤＡＲセンサ２０のヘッド２３は、回転することにより出射口の方向を変化させ、所定角度ピッチα（ｒａｄ）ごとにレーザパルス２２を出射し、森林で反射した各レーザパルス２２の反射光を検出する。これにより、当該所定角度ピッチαごとの方向における反射点までの距離のデータを得ることができる。１つの出射口についてＬｉＤＡＲセンサ２０の単位時間当たりのパルスの出射回数をＭ、単位時間当たりの回転数をＲとするとき、所定角度ピッチαはα（ｒａｄ）＝２・π・Ｒ／Ｍによって求められる。
【0083】
Ｎ個の出射口からＮ個のレーザパルス２２を同時に出射する場合、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス２２を同時に出射する。
【0084】
所定角度ピッチαは固定値であってもよいし、可変値であってもよい。単位時間当たりの出射回数Ｍ、および単位時間当たりの回転数Ｒもまた、固定値であってもよいし、可変値であってもよい。
【0085】
同じ角度方向に同時に出射されるレーザパルスの個数をＮとする（図３）。例示的な実施形態では、Ｍ・Ｎ＝６０万（個／秒）、Ｒ＝１０（回転／秒）、Ｎ＝１６のとき、所定角度ピッチαは約０．００１７（ｒａｄ）、約０．０９６度である。ただし計算の簡単化のため、スキャン範囲は３６０度であるとした。
【0086】
ＬｉＤＡＲセンサ２０としては、上述したようなレーザパルスの出射方向を揺動させ、揺動軸を中心とした所定の角度範囲内の計測対象物をスキャンするＬｉＤＡＲセンサが用いられてもよい。本明細書では、ＬｉＤＡＲセンサ２０の“回転”および“回転軸”は、このような“揺動”および“揺動軸”も含むとする。レーザパルスの出射方向を揺動させる場合の回転角度範囲は例えば１８０度以下であるが、それに限定されない。
【0087】
次に、例示的な実施形態におけるＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が臨む方向を説明する。
【0088】
図５は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が臨む方向を説明する図である。図５は、鉛直方向３３から見た平面視における無人ヘリコプター１を示している。鉛直方向３３から見た平面視において、無人ヘリコプター１の機体進行方向を第１方向３１とし、第１方向３１に垂直な方向を第２方向３２とする。例示的な実施形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、無人ヘリコプター１は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いた状態で飛行する。回転軸２１が臨む方向である回転軸方向２１ａと第２方向３２とがなす角度θは、例えば０度から３０度であるが、これに限定されない。一例として、角度θは５度から３０度である。また別の例として、角度θは２０度から３０度である。
【0089】
図５に示すように、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、回転軸２１が無人ヘリコプター１の機体４の前後方向よりも左右方向に近い方向に向けられていてもよい。機体４の前後方向が機体進行方向（第１方向３１）を向くという無人ヘリコプター１の通常の飛行姿勢において、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向に向かせることができる。
【0090】
図６は、ＬｉＤＡＲセンサ２０から同時に出射されるＮ個のレーザパルス２２を示す図である。図２および図３を参照しながら説明したように、回転するＬｉＤＡＲセンサ２０のヘッド２３は、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス２２を同時に出射する。図６は、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるＮ個のレーザパルス２２を示している。
【0091】
図７は、進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２を示す図である。記載の便宜上、図７では、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるレーザパルス２２を示している。ＬｉＤＡＲセンサ２０が一回転する間に無人ヘリコプター１が飛行する飛行距離をＪで表している。
【0092】
無人ヘリコプター１が距離Ｊ進む間にＬｉＤＡＲセンサ２０は一回転し、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス２２を出射する。レーザパルス２２が出射される回転角度のそれぞれにおいては、無人ヘリコプター１が距離Ｊだけ進むごとにＮ個のレーザパルス２２が同時に出射される。このように、無人ヘリコプター１が進行する過程で、機体進行方向（第１方向３１）に沿ったエリアに、レーザパルス２２を密に照射することができる。機体進行方向３１に沿ったエリア内の同一の物体（樹木等）に、様々な角度からレーザパルス２２を密に照射することができ、機体進行方向３１に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0093】
図８は、ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第２方向３２を向いている形態を示す図である。図６と同様に、図８は、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるＮ個のレーザパルス２２を示している。なお、回転軸２１が厳密に第２方向３２を向いている必要はなく、概ね第２方向３２を向いていればよい。
【0094】
図９は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第２方向３２を向いている形態において、進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２を示す図である。記載の便宜上、図９では、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるレーザパルス２２を示している。
【0095】
図７を参照しながら説明したように、無人ヘリコプター１が距離Ｊ進む間にＬｉＤＡＲセンサ２０は一回転し、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス２２を出射する。レーザパルス２２が出射される回転角度のそれぞれにおいては、無人ヘリコプター１が距離Ｊだけ進むごとにＮ個のレーザパルス２２が同時に出射される。回転軸２１が第２方向３２を向いている形態においても、無人ヘリコプター１が進行する過程で、機体進行方向３１に沿ったエリアに、レーザパルス２２を密に照射することができる。機体進行方向３１に沿ったエリア内の同一の物体に、様々な角度からレーザパルス２２を密に照射することができ、機体進行方向３１に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0096】
後述するように計測対象エリア５０の計測を行うための飛行経路には多数の経路セグメントが含まれ得る。飛行経路に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向３１に沿ったエリアに繰り返しレーザパルス２２を照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0097】
一つの経路セグメントの飛行においてＬｉＤＡＲセンサ２０でスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアにおける高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0098】
図１０は、計測対象エリア５０の計測を行う無人ヘリコプター１の側面図である。
【0099】
上述したように、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、所定角度ピッチαごとにレーザパルス２２を出射する。説明の便宜上、図１０は、それらのレーザパルス２２のうちの一部のみを示している。具体的には、図１０は、ＬｉＤＡＲセンサ２０から前方斜め下方向、真下方向、後方斜め下方向にそれぞれ出射されるレーザパルス２２を示している。
【0100】
本実施形態では、図１０に示すように、樹木５６等の計測対象物に対して、接近しながらのレーザパルス２２の照射を行った後、引き続いて、遠ざかりながらのレーザパルス２２の照射が行われる。無人ヘリコプター１が進行する過程で、計測対象物に対して連続的にレーザパルス２２が照射される。特定の計測対象物に対する複数回の計測が連続的に行われるために、それぞれの計測で得られる点群データ間の地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0101】
図１１は、比較例として、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を機体進行方向に向けた状態での計測を示している。無人ヘリコプター１の飛行経路６６は、経路セグメント６６ａおよび６６ｂを含んでいる。
【0102】
無人ヘリコプター１は、経路セグメント６６ａに沿って進行する過程で、例えば特定の樹木５７の計測を行う。計測対象エリアはある程度の広さがあるため、無人ヘリコプター１は、樹木５７の計測を行った後も、経路セグメント６６ａに沿った飛行を継続して別の計測対象物の計測を行う。経路セグメント６６ａの端部に達した無人ヘリコプター１は折り返し、次に、経路セグメント６６ｂに沿って進行する。経路セグメント６６ａと経路セグメント６６ｂとの間には所定の距離があけられている。無人ヘリコプター１は、経路セグメント６６ｂに沿って進行する過程で、樹木５７の計測を再び行う。経路セグメント６６ａを進行しながら計測して得られる点群データと、経路セグメント６６ｂを進行しながら計測して得られる点群データとを組み合わせることで、高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0103】
しかし、経路セグメント６６ａを進行しながら樹木５７を計測してから、経路セグメント６６ｂを進行しながら樹木５７の計測を行うまでの間に、無人ヘリコプター１は、比較的長い距離を飛行しているため、その間の累積誤差が点群データの座標のずれとして現れ得る。
【0104】
例えば、ＧＮＳＳと慣性計測装置（ＩＭＵ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）とを組み合わせて、無人ヘリコプター１の位置を検出する方法がある。無人ヘリコプター１の位置を高精度に検出しようとした場合、基準点に固定したＧＮＳＳ（基準局）と無人ヘリコプター１に設けられたＧＮＳＳとを用いて、搬送波位相を利用した干渉測位を行うことが考えられる。しかし、山間部では、急斜面および背の高い樹木等によって人工衛星からの電波が遮られやすく、ＧＮＳＳのみを用いて安定して位置を検出することは難しい場合がある。ＧＮＳＳが使用できない期間は、ＩＭＵを用いて位置を推定し、飛行を継続する。しかし、ＩＭＵを用いて検出する座標には累積誤差が発生し、累積誤差は飛行距離に比例して大きくなる。
【0105】
このため、樹木５７を計測した後、比較的長い距離を飛行してから樹木５７を再度計測した場合、点群データ間の地理座標系上の位置ずれが大きくなる場合がある。この位置ずれは、例えば、樹木の幹の直径を求めるときの誤差の原因になる。
【0106】
一方、図１０を参照しながら上述したように、本実施形態では、特定の樹木５６に連続的にレーザパルス２２を照射することができる。比較的短い距離の飛行の間に、特定の樹木５６に接近しながらの計測と、その樹木５６に遠ざかりながらの計測が行われる。特定の樹木５６に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木５６から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0107】
図２に示したように、本実施形態のＬｉＤＡＲセンサ２０は前方向および前方斜め上方向にもレーザパルス２２を出射可能である。このため、計測対象エリア５０に対して斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。
【0108】
図１２は、森林計測を行う無人ヘリコプター１を示す図である。図１２に示す例では、森林５４は斜面５２に広がっている。無人ヘリコプター１は、斜面５２に沿って上昇または下降しながら、計測対象エリアである森林５４の計測を行う。
【0109】
斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。横方向からのレーザパルス２２の照射では、基本的に日光を受けるために水平に生えている葉の間をレーザパルス２２が通りやすくなる。レーザパルス２２は樹木５６の樹冠５６ａだけでなく、樹木５６の幹５６ｂ、下層植生５８および地表面５９等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【0110】
次に、森林計測において無人ヘリコプター１を飛行させる飛行経路の設定方法を説明する。無人ヘリコプター１は、設定された飛行経路に沿って飛行するよう、プログラミングされている。
【0111】
オペレータは、タブレットコンピュータ、基地局操縦装置等のコンピュータ装置を利用して、飛行経路を設定し得る。本明細書では、無人ヘリコプター１と、そのようなコンピュータ装置とを合わせて「計測システム」と呼ぶ。
【0112】
図１３は、無人ヘリコプター１とタブレットコンピュータ７０とを含む計測システム１００の一例を示している。図１４は、無人ヘリコプター１と基地局操縦装置８０とを含む計測システム１００の一例を示している。タブレットコンピュータ７０および基地局操縦装置８０はいずれも、内蔵された、または外付けの記憶装置を有しており、当該記憶装置に地図データ９０を記憶している。タブレットコンピュータ７０および基地局操縦装置８０は、地図データ９０をディスプレイに表示してオペレータから飛行経路６０の指定を受け付ける。タブレットコンピュータ７０はタッチスクリーンパネルを有しており、オペレータからのタッチ操作により、無人ヘリコプター１を飛行させるべき飛行経路の指定、および絶対高度の指定を受け付ける。なお、本実施形態による基地局操縦装置８０はノート型ＰＣであり、かつタブレットコンピュータ７０と同様のタッチ操作に対応しているとする。
【0113】
以下、図１３に示すタブレットコンピュータ７０を例示して説明する。タブレットコンピュータ７０の基本的な構成と基地局操縦装置８０の基本的な構成とは概ね同じである。よって、下記の説明は基地局操縦装置８０の説明として読み替えることができる。
【0114】
図１５は、タブレットコンピュータ７０のハードウェア構成例を示している。
【0115】
タブレットコンピュータ７０は、ＣＰＵ７１と、メモリ７２と、通信回路７３と、画像処理回路７４と、ディスプレイ７５と、タッチスクリーンパネル７６と、通信バス７７とを有する。ＣＰＵ７１、メモリ７２、通信回路７３、画像処理回路７４およびタッチスクリーンパネル７６は通信バス７７で接続されており、通信バス７７を介して相互にデータを授受することが可能である。
【0116】
ＣＰＵ７１は、タブレットコンピュータ７０の動作を制御する信号処理回路（コンピュータ）である。典型的にはＣＰＵ７１は半導体集積回路である。ＣＰＵ７１を単に「処理回路」と呼ぶこともある。
【0117】
メモリ７２は、ＣＰＵ７１の動作を制御するコンピュータプログラムを記憶している。メモリ７２は、森林計測の制御をＣＰＵ７１に実行させるためのコンピュータプログラムを記憶し得る。メモリ７２は、無人ヘリコプター１の飛行の制御をＣＰＵ７１に実行させるためのコンピュータプログラムを記憶していてもよい。上述したコンピュータプログラムと同様に、そのようなコンピュータプログラムは、それが記録された記録媒体からタブレットコンピュータ７０へインストールしてもよいし、インターネット等の電気通信回線を介してダウンロードしてもよい。また、無線通信を介してそのようなコンピュータプログラムをタブレットコンピュータ７０へインストールしてもよい。このようなコンピュータプログラムは、パッケージソフトウェアとして販売され得る。
【0118】
メモリ７２は、ＣＰＵ７１が実行するコンピュータプログラムを記憶する揮発性の記憶装置（例えばＲＡＭ）、および、地図データ９０を記憶する不揮発性の記憶装置（例えばフラッシュメモリ）であり得る。ＲＡＭは、ＣＰＵ７１が演算を行う際のワークメモリとしても利用され得る。コンピュータプログラムは、フラッシュメモリに格納されていてもよい。ＣＰＵ７１は、タブレットコンピュータ７０の起動時にフラッシュメモリからコンピュータプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、実行する。
【0119】
通信回路７３は、たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）および／またはＷｉ－Ｆｉ（登録商標）規格に準拠した無線通信を行う無線通信回路である。無人ヘリコプター１の通信回路１５ｆと同様、本明細書では、タブレットコンピュータ７０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格および／またはＷｉ－Ｆｉ規格に準拠した無線通信を行い、１対１で無人ヘリコプター１と通信する。通信回路７３は、無人ヘリコプター１に送信すべきデータを、通信バス７７を介してＣＰＵ７１から受信する。また通信回路７３は、無人ヘリコプター１から受信したデータ（例えばＬｉＤＡＲセンサ２０の計測結果）を、通信バス７７を介してＣＰＵ７１および／またはメモリ７２に送信する。
【0120】
画像処理回路７４は、ＣＰＵ７１の指示に従い、ディスプレイ（表示装置）７５に表示する画像を生成する。たとえば画像処理回路７４は、地図データ９０を利用して計測対象エリア５０の画像を表示し、タッチスクリーンパネル７６を介して受け付けたオペレータのタッチ操作に応じて、ディスプレイ７５上に飛行経路６０を描画する。
【0121】
タッチスクリーンパネル７６は、指やペンなどで行われたオペレータのタッチを検出することができる。検出方式として、静電式、抵抗膜式、光学式、超音波方式、電磁式などが知られている。たとえば、静電容量方式のタッチスクリーンパネル７６の場合、タッチスクリーンパネル７６は、特定の位置における静電容量の変化を検出し、当該変化に関するデータを、通信バス７７を介してＣＰＵ７１に送信する。ＣＰＵ７１は、送られてきたデータに基づいて、オペレータによるタッチの有無を判断する。「変化に関するデータ」の例は、静電容量が変化した位置および変化した時間長のデータである。
【0122】
本実施形態では、タッチスクリーンパネル７６はディスプレイ７５に重畳して設けられている。オペレータは、ディスプレイ７５に表示された計測対象エリア５０の画像を見ながら、所望のタッチ操作を行う。ＣＰＵ７１は、タッチスクリーンパネル７６から出力された検出位置のデータが、ディスプレイ７５に表示されている画像のどの位置を示しているかを判定する。なお、タッチスクリーンパネル７６に代えて、またはタッチスクリーンパネル７６とともに、マウス、キーボード、ジョイスティック、マイク等の他の入力装置を有していてもよい。
【0123】
以下、計測システム１００のタブレットコンピュータ７０を利用した飛行経路の設定方法と、設定された飛行経路に沿った無人ヘリコプター１の飛行方法を説明する。
【0124】
図１６は、例示的な実施形態による飛行経路の設定処理の手順を示すフローチャートである。図１６に示す手順は、タブレットコンピュータ７０または基地局操縦装置８０のＣＰＵ７１（図１５）の制御により実行される。なお、複数の計測対象エリアが選択され得る場合には、そのうちの一つが予め指定されているとする。
【0125】
ステップＳ２において、ＣＰＵ７１はその計測対象エリアに関する地図データを取得する。
【0126】
ステップＳ４において、ＣＰＵ７１はタッチスクリーンパネル７６を介して飛行経路６０の指定を受け付ける。飛行経路６０の指定方法は種々考えられる。例えば、タブレットコンピュータ７０には、計測対象エリア５０、計測対象エリア５０の等高線６２、ＣＰＵ７１が演算した飛行経路６０が表示される。例えば、ＣＰＵ７１は、等高線データを参照し、複数の等高線６２を横切る経路セグメントを含む飛行経路６０を演算して表示する。オペレータは、タッチ操作等の入力操作により飛行経路６０に含まれる各経路セグメントの位置、経路セグメントの本数および経路セグメント間の距離等を調整することができる。
【0127】
ステップＳ６において、ＣＰＵ７１は飛行経路６０の設定が完了したか否かを判定する。例えばＣＰＵ７１は、飛行経路６０の設定を完了したことを示す入力をオペレータから受け付けるまでは、飛行経路６０の設定が完了していないとして、ステップＳ４およびＳ６の処理を繰り返す。一方、飛行経路６０の設定を完了したことを示す入力を受け付けると、ＣＰＵ７１は飛行経路６０の設定が完了したと判定し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８において、ＣＰＵ７１はタッチスクリーンパネル７６を介して絶対高度の指定を受け付ける。図１３には、絶対高度の数値を増加させる「＋」ボタンと減少させる「－」ボタンとが表示されている。なお、ソフトウェアキーボードを表示させて数値を直接入力できるようにしてもよいし、ダイヤルまたはスライダ等のＧＵＩを利用して入力できるようにしてもよい。
【0128】
以上の処理により、無人ヘリコプター１の飛行経路６０が設定される。飛行経路６０を示すデータは、例えば無線でタブレットコンピュータ７０の通信回路７３から送信され、無人ヘリコプター１の通信回路１５ｆ（図４）によって受信される。無人ヘリコプター１の信号処理回路１５ｇ（図４）は、受信したデータをＲＡＭ１５ｉに格納する。その後、森林計測を実行する。
【0129】
【0130】
ステップＳ１０において、無人ヘリコプター１の信号処理回路１５ｇは、ＧＰＳモジュール１５ａ等を利用して自己位置を取得しながら、森林計測の開始位置まで無人ヘリコプター１を飛行させる。なお、ここで言う「開始位置」は、飛行経路６０上の森林計測を開始する位置の経度および緯度に加え、絶対高度も含む。森林計測の開始位置に到達すると、ステップＳ１２において、信号処理回路１５ｇはＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた森林計測を開始する。
【0131】
ステップＳ１４において、信号処理回路１５ｇは、設定された飛行経路６０に沿って、かつ、設定された絶対高度で無人ヘリコプター１を飛行させる。
【0132】
ステップＳ１６において、信号処理回路１５ｇは、森林計測が終了したか否かを判定する。具体的には信号処理回路１５ｇは、予め設定された飛行経路６０に沿った飛行が完了したか否かを判定する。森林計測が終了するまでステップＳ１４およびステップＳ１６の処理を繰り返す。
【0133】
森林計測が終了すると、無人ヘリコプター１は、例えば自律飛行を行って帰還する。
【0134】
飛行経路６０に含まれる複数の経路セグメントのそれぞれを飛行中にＬｉＤＡＲセンサ２０から出力されたセンサーデータを組み合わせることで、高密度の３次元点群データを生成することができる。高密度の３次元点群データを生成する処理は、タブレットコンピュータ７０が実行してもよいし、他の任意のコンピュータが実行してもよい。
【0135】
図１８は、飛行経路６０の一例を示す図である。
【0136】
図１８では複数の等高線６２を破線で示している。飛行経路６０は、複数の等高線６２を横切る複数の経路セグメントを含む。その複数の経路セグメントには、第１経路セグメント６０ａおよび第２経路セグメント６０ｂが含まれる。
【0137】
無人ヘリコプター１の信号処理回路１５ｇ（図４）は、複数の等高線６２を横切る経路セグメントに沿って無人ヘリコプター１を飛行させる。計測対象エリア５０の計測中、信号処理回路１５ｇは、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が等高線６２に沿った方向を向いた状態で無人ヘリコプター１を飛行させる。図１２および図１８を参照して、複数の等高線６２を横切るように斜面５２に沿って無人ヘリコプター１を飛行させることより、斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。
【0138】
一本の経路セグメントは、鉛直方向３３から見た平面視において、他のいくつかの経路セグメントと交差する。例えば、平面視において、第１経路セグメント６０ａは第２経路セグメント６０ｂと交差している。互いに交差する複数の経路セグメントを飛行することにより、計測対象エリア５０に複数の方位からレーザパルス２２を照射することができ、計測対象エリア５０の詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0139】
このような、経路セグメント同士が交差する飛行経路６０は、格子状の飛行経路となっている。格子状の飛行経路６０を飛行することにより、計測対象エリア５０に複数の方位からレーザパルス２２を照射することができ、計測対象エリア５０の詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0140】
次に、スキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０が無人ヘリコプター１に設けられた形態について説明する。
【0141】
上述したＬｉＤＡＲセンサ２０はスキャンラインが複数本あり、所定角度ピッチαごとに複数のレーザパルス２２を同時に出射していた。本発明の実施形態において、所定角度ピッチαごとに１個のレーザパルス２２を出射する、スキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０を用いることも可能である。そのようなＬｉＤＡＲセンサ２０では、レーザパルス２２の出力を大きくすることで、測定可能距離を長くすることができる。
【0142】
【0143】
ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を第２方向３２に対して傾ける。例示的な実施形態において、回転軸方向２１ａと第２方向３２とがなす角度θは２０度から４０度であるが、これに限定されない。例えば、角度θは２０度から３０度であってもよい。
【0144】
ＬｉＤＡＲセンサ２０は、回転軸２１に対して所定の角度を有する方向にレーザパルス２２を出射する。例えば、図１９に示すように、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、回転軸２１に対して直角の方向にレーザパルス２２を出射する。ＬｉＤＡＲセンサ２０は、レーザパルス２２を出射する方向を回転軸２１の周りに回転させる。
【0145】
図２０は、スキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０から出射されたレーザパルス２２が計測対象エリア５０に形成するレーザスポット２４を示す図である。スキャンラインが１本のＬｉＤＡＲセンサ２０を用いる場合、計測対象エリア５０に形成されるレーザスポット２４は１本のライン上に並ぶ。
【0146】
図２０（ａ）は、回転軸方向２１ａが第２方向３２に一致している形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０が一回転する間に平面上に形成されるレーザスポット２４を示している。回転軸方向２１ａが第２方向３２に一致している場合、レーザスポット２４は、機体進行方向（第１方向３１）に平行な直線上に並ぶ。
【0147】
図２０（ｂ）は、図１９に示したように回転軸方向２１ａが第２方向３２に対して傾いている形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０が一回転する間に平面上に形成されるレーザスポット２４を示している。回転軸方向２１ａが第２方向３２に対して傾いている場合、レーザスポット２４は、機体進行方向３１に対して傾いた直線上に並ぶ。
【0148】
図２０（ｃ）は、二個の直線上に並ぶレーザスポット２４の群を示す図である。無人ヘリコプター１が距離Ｊ進む間にＬｉＤＡＲセンサ２０は一回転し、直線上に並ぶレーザスポット２４の群が二つ形成される。
【0149】
図２１は、回転軸方向２１ａが第２方向３２に対して傾いている形態において、進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２によって平面上に形成されるレーザスポット２４を示す図である。無人ヘリコプター１が距離Ｊだけ進むごとに、直線上に並ぶレーザスポット２４の群が形成され、全体としてレーザスポット２４を第２方向３２に拡げて分布させることができる。すなわち、第２方向３２に幅を有するエリアをスキャンすることができる。
【0150】
このように、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を第２方向３２に対して傾けることで、スキャンラインが一本のＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた場合でも、レーザパルス２２の照射位置を第２方向３２に拡げることができ、照射漏れ領域を低減することができる。
【0151】
次に、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が無人ヘリコプター１の機体の左右方向よりも前後方向に近い方向を向いている場合の計測について説明する。
【0152】
図２２は、鉛直方向３３から見た平面視における無人ヘリコプター１を示している。図２２に示す例では、回転軸２１が無人ヘリコプター１の機体の前後方向を向いている。このような形態では、無人ヘリコプター１の信号処理回路１５ｇ（図４）は、回転軸２１が機体進行方向（第１方向３１）よりも第２方向３２に近い方向を向くように、無人ヘリコプター１を飛行させる。例えば、図２２に示すように、無人ヘリコプター１を機体の右斜め前方向に飛行させることで、回転軸２１を第２方向３２に近い方向に向けた状態で無人ヘリコプター１を飛行させることができる。これにより、回転軸２１を第２方向３２に近い方向に向けた状態で計測対象エリア５０の計測を行うことができる。
【0153】
次に、複数のＬｉＤＡＲセンサが設けられた無人ヘリコプター１を説明する。
【0154】
図２３は、複数のＬｉＤＡＲセンサが設けられた無人ヘリコプター１の正面図である。図２３に示す例では、ＬｉＤＡＲセンサ２０に加えてＬｉＤＡＲセンサ（第２ＬｉＤＡＲセンサ）４０が無人ヘリコプター１に設けられている。ＬｉＤＡＲセンサ４０は、ＬｉＤＡＲセンサ２０と同様の構成を有している。ＬｉＤＡＲセンサ４０のヘッドは回転軸４１を中心として回転する。回転するＬｉＤＡＲセンサ４０のヘッドは、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス４２を同時に出射する。
【0155】
無人ヘリコプター１に設けられるＬｉＤＡＲセンサの個数は任意であり、三個以上のＬｉＤＡＲセンサが無人ヘリコプター１に設けられてもよい。ここでは、二つのＬｉＤＡＲセンサが設けられた無人ヘリコプター１を例示して説明する。
【0156】
図２４は、ＬｉＤＡＲセンサ２０、４０の回転軸２１、４１が臨む方向を説明する図である。図２４は、鉛直方向３３から見た平面視における無人ヘリコプター１を示している。平面視において、ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１とは異なる方向を向いている。すなわち、回転軸方向２１ａと、回転軸４１が臨む方向である回転軸方向４１ａとは互いに異なっている。回転軸方向４１ａと第２方向３２とがなす角度θａは、角度θと同じであり得るが、互いに異なっていてもよい。
【0157】
計測対象エリア５０の計測中、平面視において、機体進行方向（第１方向３１）よりも第２方向３２に近い方向に回転軸４１を向ける。例えば、機体進行方向３１を前方向としたとき、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を左斜め前方から右斜め後方に臨ませ、第２ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は右斜め前方から左斜め後方に臨ませる。
【0158】
図２５は、ＬｉＤＡＲセンサ２０から同時に出射されるＮ個のレーザパルス２２、およびＬｉＤＡＲセンサ４０から同時に出射されるＮ個のレーザパルス４２を示す図である。図６と同様に、図２５は、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるＮ個のレーザパルス２２を示している。また、図２５は、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス４２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるＮ個のレーザパルス４２を示している。
【0159】
図２６は、進行する無人ヘリコプター１から出射されるレーザパルス２２、４２を示す図である。記載の便宜上、図２６では、所定角度ピッチαごとに出射されるレーザパルス２２、４２のうちの、鉛直方向３３に垂直な平面方向に沿って出射されるレーザパルス２２、４２を示している。無人ヘリコプター１が距離Ｊ進む間に、ＬｉＤＡＲセンサ２０、４０のそれぞれは一回転し、所定角度ピッチαごとにＮ個のレーザパルス２２、４２を出射する。
【0160】
上述した図７は、一個のＬｉＤＡＲセンサ２０から出射されるレーザパルス２２を示している。図７に示す例では、機体進行方向３１に沿った右側のエリアに多くのレーザパルス２２を照射できているが、左側のエリアでは右側のエリアよりもレーザパルス２２照射数が少なくなっている。
【0161】
一方、無人ヘリコプター１がＬｉＤＡＲセンサ４０をさらに備えた形態では、図２６に示すように、機体進行方向３１に沿った左側のエリアにＬｉＤＡＲセンサ４０から多くのレーザパルス２２を照射することができている。回転軸が互いに異なる方向を向いている二つのＬｉＤＡＲセンサ２０、４０からレーザパルス２２、４２を出射させることにより、より広い範囲に多くのレーザパルス２２、４２を照射することができる。
【0162】
また、二つのＬｉＤＡＲセンサ２０、４０が互いに異なる方向にレーザパルス２２、４２を出射することにより、一方のＬｉＤＡＲセンサから多くのレーザパルスを照射することが難しいエリアを、他方のＬｉＤＡＲセンサで補完することができる。これにより、機体進行方向３１に沿ったエリアにより多くのレーザパルス２２を照射することができる。
【0163】
次に、二つのＬｉＤＡＲセンサ２０、４０が設けられた無人ヘリコプター１の変形例を説明する。
【0164】
図２７は、ＬｉＤＡＲセンサ２０、４０の回転軸２１、４１が臨む方向を説明する図である。図２７に示す例では、平面視において、ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は、第２方向３２よりも第１方向３１に近い方向を向いている。回転軸方向４１ａと第１方向３１とがなす角度θｂは、角度θと同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１が機体進行方向（第１方向３１）に近い方向を向いていることにより、機体進行方向３１に対する横方向にも広い範囲にわたってレーザパルス２２を照射することができる。これにより、一本の経路セグメントに沿った飛行中により広いエリアの計測を行うことができる。
【0165】
上述した実施形態によれば、無人ヘリコプター１が従来の航空機よりも低い高度を飛ぶことにより、レーザスポットの面内個数密度を高めるとともに、レーザスポット中心間隔を縮小することができる。
【0166】
低い高度の飛行に伴い飛行速度を低下させた場合、バッテリから供給される電力で電動モータを動作させるマルチコプターでは、航続距離が短いため、計測対象エリアが狭くなってしまう。一方、内燃機関を動力源として飛行する無人ヘリコプターは、航続距離が長いため、飛行速度を低下させても、十分な計測対象エリアを確保することができる。
【0167】
なお、本明細書では、ＬｉＤＡＲセンサが設けられた無人航空機を例示して説明した。機械回転方式、ＭＥＭＳ方式、フェーズドアレイ方式のＬｉＤＡＲセンサを例示したが、フラッシュＬｉＤＡＲセンサを用いてもよい。フラッシュＬｉＤＡＲセンサには回転軸または揺動軸は存在しないが、斜面に広がる森林を対象とする森林計測を行い得るような位置および角度で無人ヘリコプター１に取り付けられればよい。
【0168】
以上、本発明の例示的な実施形態を説明した。
【0169】
本発明のある実施形態に係る計測システム１００は、ＬｉＤＡＲセンサ２０が設けられた無人ヘリコプター１を飛行させて計測対象エリア５０の計測を行う。計測システム１００は、無人ヘリコプター１と、無人ヘリコプター１に設けられたＬｉＤＡＲセンサ２０と、無人ヘリコプター１の飛行を制御する制御装置１５とを備える。鉛直方向３３から見た平面視において、無人ヘリコプター１の機体進行方向３１を第１方向３１とし、第１方向３１に垂直な方向を第２方向３２としたとき、ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、無人ヘリコプター１は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いた状態で飛行する。
【0170】
ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いた状態で無人ヘリコプター１は飛行する。ＬｉＤＡＲセンサ２０は回転していることから、無人ヘリコプター１が進行する過程で、機体進行方向３１に沿ったエリアに、レーザパルス２２を密に照射することができる。これにより、例えば、ＬｉＤＡＲセンサ２０から複数のレーザパルス２２が同時に出射される形態においては、機体進行方向３１に沿ったエリアの同一箇所に、様々な角度からレーザパルス２２を密に照射できる。その結果、機体進行方向３１に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得できる。さらに、ＬｉＤＡＲセンサ２０を回転させることにより、例えば、森林５４を構成する樹木５６に対し、様々な角度からレーザパルス２２を照射することができる。
【0171】
飛行経路６０に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向３１に沿ったエリアに繰り返しレーザパルス２２を照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0172】
一つの経路セグメントの飛行においてＬｉＤＡＲセンサ２０でスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0173】
計測対象エリア５０内の同一の物体に対して、連続的にレーザパルス２２を照射することができる。これにより、例えば樹木５６の上空を飛行しながら計測するとき、樹木５６に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木５６から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0174】
ある実施形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、回転軸２１が無人ヘリコプター１の機体の前後方向よりも左右方向に近い方向に向けられていてもよい。
【0175】
機体の前後方向が機体進行方向３１を向くという無人ヘリコプター１の通常の飛行姿勢において、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１を第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向に向かせることができる。
【0176】
ある実施形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、制御装置１５は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向くように、無人ヘリコプター１を飛行させてもよい。
【0177】
ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が無人ヘリコプター１の機体の前後方向よりも左右方向に近い方向を向いていない場合においても、その回転軸２１を第２方向３２に近い方向に向けた状態で無人ヘリコプター１を飛行させることができる。
【0178】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１は、第２方向３２を向いていてもよい。
【0179】
無人ヘリコプター１が進行する過程で、機体進行方向３１に沿ったエリアに対してレーザパルス２２をより密に照射できる。これにより、機体進行方向３１に沿ったエリアのより詳細な３次元点群データを取得することができる。さらに、ＬｉＤＡＲセンサ２０を回転させることにより、例えば、森林５４を構成する樹木５６に対し、様々な角度からレーザパルス２２を照射することができる。
【0180】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、平面視において、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１は、第２方向３２に対して傾いていてもよい。
【0181】
ＬｉＤＡＲセンサ２０が地上に形成するレーザパルス２２の照射位置を第２方向３２に拡げて分布させることができる。スキャンラインが１本のＬｉＤＡＲセンサ２０を用いる場合、回転軸２１が第２方向３２に一致していると、照射位置は第１方向３１に平行な直線上に位置する。レーザパルス２２の照射位置を第２方向３２に拡げることにより、照射漏れ領域を低減できる。
【0182】
ある実施形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０は、回転軸２１に対して所定の角度を有する方向にレーザパルス２２を出射し、レーザパルス２２を出射する方向を回転軸２１の周りに回転させてもよい。
【0183】
スキャンラインが１本のＬｉＤＡＲセンサ２０を用いる場合、地上に形成されるレーザパルス２２の照射位置が１本のライン上に並ぶが、第２方向３２に幅を有するエリアをスキャンすることができる。
【0184】
ある実施形態において、計測対象エリア５０は、地表面５９から複数の樹木５６が立ち上がる森林５４を含んでもよい。
【0185】
森林５４に様々な角度からレーザパルス２２を照射することができ、レーザパルス２２は樹木５６の樹冠５６ａだけでなく、樹木５６の幹５６ｂ、下層植生５８および地表面５９等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【0186】
ある実施形態において、地表面５９は斜面５２を含み、計測対象エリア５０の計測中、制御装置１５は、無人ヘリコプター１を斜面５２に沿って上昇または下降させてもよい。
【0187】
斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。レーザパルス２２は樹木５６の樹冠５６ａだけでなく、樹木５６の幹５６ｂ、下層植生５８および地表面５９等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【0188】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、制御装置１５は、複数の等高線６２を横切る第１経路セグメント６０ａに沿って無人ヘリコプター１を飛行させてもよい。
【0189】
複数の等高線６２を横切るように斜面５２に沿って無人ヘリコプター１を飛行させることより、斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。
【0190】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、制御装置１５は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が等高線６２に沿った方向を向いた状態で無人ヘリコプター１を飛行させてもよい。
【0191】
ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が等高線６２に沿った方向を向いた状態で斜面５２に沿って無人ヘリコプター１が飛行することより、斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。
【0192】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測を行うときに無人ヘリコプター１を飛行させる飛行経路６０は、平面視において、第１経路セグメント６０ａと交差する第２経路セグメント６０ｂを含んでもよい。
【0193】
互いに交差する複数の経路セグメントを飛行することにより、計測対象エリア５０に複数の方位からレーザパルス２２を照射することができ、計測対象エリア５０の詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0194】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測を行うときに無人ヘリコプター１を飛行させる飛行経路６０は、格子状の飛行経路６０を含んでもよい。
【0195】
格子状の飛行経路６０を飛行することにより、計測対象エリア５０に複数の方位からレーザパルス２２を照射することができ、計測対象エリア５０の詳細な３次元点群データを取得することができる。
【0196】
ある実施形態において、ＬｉＤＡＲセンサ２０に加えて第２ＬｉＤＡＲセンサ４０が無人ヘリコプター１に設けられており、平面視において、第２ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１とは異なる方向を向いていてもよい。
【0197】
回転軸２１、４１が互いに異なる方向を向いている二つのＬｉＤＡＲセンサ２０、４０からレーザパルス２２、４２を出射させることにより、より広い範囲に多くのレーザパルス２２、４２を照射することができる。
【0198】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、平面視において、第２ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は、第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いており、機体進行方向３１を前方向としたとき、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１は左斜め前方から右斜め後方に臨んでおり、第２ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は右斜め前方から左斜め後方に臨んでいてもよい。
【0199】
機体進行方向３１に沿ったエリアにより多くのレーザパルス２２を照射することができる。また、二つのＬｉＤＡＲセンサ２０が互いに異なる方向にレーザパルス２２を出射することにより、一方のＬｉＤＡＲセンサ２０から多くのレーザパルス２２を照射することが難しいエリアを、他方のＬｉＤＡＲセンサ２０で補完することができる。
【0200】
ある実施形態において、計測対象エリア５０の計測中、平面視において、第２ＬｉＤＡＲセンサ４０の回転軸４１は、第２方向３２よりも第１方向３１に近い方向を向いていてもよい。
【0201】
機体進行方向３１に対する横方向にも広い範囲にわたってレーザパルス２２を照射することができる。
【0202】
ある実施形態において、無人ヘリコプター１は、内燃機関を動力源とする無人ヘリコプターまたは無人マルチコプターであってもよい。
【0203】
バッテリから供給される電力で動作する電動モータを動力源とする場合は、航続距離が短いため、計測対象エリア５０が狭くなってしまう。一方、内燃機関を動力源とする場合は、航続距離が長いため、十分な計測対象エリア５０を確保することができる。
【0204】
本発明のある実施形態に係る計測対象エリア５０の計測を行う方法は、ＬｉＤＡＲセンサ２０が設けられた無人ヘリコプター１を飛行させて計測対象エリア５０の計測を行う。計測対象エリア５０の計測を行う方法は、無人ヘリコプター１の飛行経路６０を設定すること、設定された飛行経路６０に沿って無人ヘリコプター１を飛行させること、鉛直方向３３から見た平面視において、無人ヘリコプター１の機体進行方向を第１方向３１とし、第１方向３１に垂直な方向を第２方向３２としたとき、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いた状態で、計測対象エリア５０をＬｉＤＡＲセンサ２０でスキャンさせることを実行する。
【0205】
ＬｉＤＡＲセンサ２０を用いた計測対象エリア５０の計測中、ＬｉＤＡＲセンサ２０の回転軸２１が第１方向３１よりも第２方向３２に近い方向を向いた状態で無人ヘリコプター１は飛行する。ＬｉＤＡＲセンサ２０は回転していることから、無人ヘリコプター１が進行する過程で、機体進行方向３１に沿ったエリアに、レーザパルス２２を密に照射することができる。これにより、例えば、ＬｉＤＡＲセンサ２０から複数のレーザパルス２２が同時に出射される形態においては、機体進行方向３１に沿ったエリアの同一箇所に、様々な角度からレーザパルス２２を密に照射できる。その結果、機体進行方向３１に沿ったエリアの詳細な３次元点群データを取得できる。さらに、ＬｉＤＡＲセンサ２０を回転させることにより、例えば、森林５４を構成する樹木５６に対し、様々な角度からレーザパルス２２を照射することができる。
【0206】
飛行経路６０に含まれる一つの経路セグメントの飛行において、機体進行方向３１に沿ったエリアに繰り返しレーザパルス２２を照射することができる。これにより、その一つの経路セグメントの飛行において高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0207】
一つの経路セグメントの飛行においてＬｉＤＡＲセンサ２０でスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0208】
計測対象エリア５０内の同一の物体に対して、連続的にレーザパルス２２を照射することができる。これにより、例えば樹木５６の上空を飛行しながら計測するとき、樹木５６に接近しながら計測して得られる点群データと、その樹木５６から遠ざかりながら計測して得られる点群データとの間の、地理座標系上の位置ずれを小さくすることができる。
【0209】
ある実施形態において、飛行経路６０は複数の経路セグメントを含み、上記方法は、複数の経路セグメントそれぞれを飛行中にＬｉＤＡＲセンサ２０から出力されたセンサーデータを組み合わせて３次元点群データを生成することをさらに実行してもよい。
【0210】
一つの経路セグメントの飛行においてＬｉＤＡＲセンサ２０でスキャンしたエリアを、別の経路セグメントの飛行において再度詳細にスキャンしなくても、そのエリアの高密度の３次元点群データを取得することができる。これにより、計測対象エリア５０の高密度の３次元点群データを取得することができる。
【0211】
ある実施形態において、計測対象エリア５０は斜面５２の森林５４を含み、無人ヘリコプター１の飛行経路６０を設定するステップは、対象エリア内の等高線６２データを参照し、複数の等高線６２を横切る経路セグメントを含む飛行経路６０を設定することを含んでもよい。
【0212】
複数の等高線６２を横切るように斜面５２に沿って無人ヘリコプター１を飛行させることより、斜面５２に広がる森林５４に対して、斜め上方向からだけではなく、横方向からレーザパルス２２を照射したり、斜め下方向からレーザパルス２２を照射したりすることができる。レーザパルス２２は樹木５６の樹冠５６ａだけでなく、樹木５６の幹５６ｂ、下層植生５８および地表面５９等にも到達し、反射される。これにより、樹冠点群だけでなく幹点群、下層植生点群および地表面点群を含む３次元点群データを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【0213】
本発明の技術は、無人航空機を利用して計測対象エリアの計測を行う技術分野に好適に利用され得る。
【符号の説明】
【0214】
１：無人ヘリコプター（無人航空機）、 ２：メインボディ、 ３：テールボディ、 ４：機体、 ５：メインロータ、 ６：テールロータ、 ７：ラジエータ、 ８：エンジン、 ９：発電装置、 １０：コントロールパネル、 １１：表示灯、 １２：スキッド、 １３：リモコン受信アンテナ、 １５：飛行制御ボックス（制御装置）、 １５ａ：ＧＰＳモジュール、 １５ｂ：加速度センサ、 １５ｃ：気圧センサ、 １５ｄ：地磁気センサ、 １５ｅ：超音波センサ、 １５ｆ：通信回路、 １５ｇ：信号処理回路、 １５ｈ：ＲＯＭ、 １５ｉ：ＲＡＭ、 １５ｊ：記憶装置、 １５ｋ：内部バス、 ２０：ＬｉＤＡＲセンサ、 ２１：回転軸、 ２１ａ：回転軸方向、 ２２：レーザパルス、 ２３：ヘッド ２４：レーザスポット、 ２５：ブラケット、 ３１：機体進行方向（第１方向）、 ３２：機体進行方向に垂直な方向（第２方向）、 ３３：鉛直方向、 ４０：ＬｉＤＡＲセンサ（第２ＬｉＤＡＲセンサ）、 ４１：回転軸、 ４１ａ：回転軸方向、 ４２：レーザパルス、 ５０：計測対象エリア、 ５２：斜面、 ５４：森林、 ５６、５７：樹木、 ５６ａ：樹冠、 ５６ｂ：幹、 ５８：下層植生 ５９：地表面 ６０：飛行経路、 ６０ａ：第１経路セグメント、 ６０ｂ：第２経路セグメント、 ６２：等高線 ６６：飛行経路、 ６６ａ、６６ｂ：経路セグメント、 ７０：タブレットコンピュータ、 ７１：ＣＰＵ、 ７２：メモリ、 ７３：通信回路、 ７４：画像処理回路、 ７５：ディスプレイ、 ７６：タッチスクリーンパネル、 ７７：通信バス、 ８０：基地局操縦装置、 ９０：地図データ、 １００：計測システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】