特許 7219201 三次元計測システム

(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】2023-01-30

(45)【発行日】2023-02-07

(54)【発明の名称】三次元計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20230131BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 103A

G01C15/00 102C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019195756

(22)【出願日】2019-10-29

(65)【公開番号】P2021071288

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2021-05-12

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 土木学会全国大会委員会，令和元年度土木学会全国大会講演概要集，ＤＶＤ－ＲＯＭ，令和１年８月１日発行 令和１年８月１５日掲載，ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０１９／ｓｅｓｓｉｏｎ／３Ｖ－３２５－３２／ｃａｔｅｇｏｒｙ，土木学会全国大会委員会，令和元年度土木学会全国大会講演概要集

(73)【特許権者】

【識別番号】000208204

【氏名又は名称】大林道路株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】517205734

【氏名又は名称】ｉシステムリサーチ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504300088

【氏名又は名称】国立大学法人北海道国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100197848

【弁理士】

【氏名又は名称】石塚 良一

(72)【発明者】

【氏名】森石 一志

(72)【発明者】

【氏名】山口 雄希

(72)【発明者】

【氏名】西川 啓一

(72)【発明者】

【氏名】富山 和也

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１７３５７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０７０８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４５３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３１０６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３９２５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｇ０１Ｓ １７／８６

Ｇ０１Ｓ １９／０４

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測地点に設置される地上型レーザスキャナと、
前記地上型レーザスキャナの中心を挟んで該地上型レーザスキャナの両側にそれぞれ設けられるＧＮＳＳアンテナと、
前記ＧＮＳＳアンテナに接続される移動局ＧＮＳＳ受信機と、
電子基準点側と通信可能な基準局と、
前記移動局ＧＮＳＳ受信機と通信可能に接続されるとともに公衆無線通信回線を介して前記基準局と通信可能な移動局計測コントローラと、
前記地上型レーザスキャナ、前記移動局ＧＮＳＳ受信機及び前記移動局計測コントローラとデータの送受信が可能なＰＣと、を有し、
前記移動局計測コントローラは、
前記基準局から取得した位置補正情報に基づいて前記ＧＮＳＳアンテナの位置座標を算出し、
前記ＰＣは、
前記移動局計測コントローラが計算した前記ＧＮＳＳアンテナの位置座標に基づいて前記地上型レーザスキャナの設置位置座標を算出するＴＬＳ位置座標算出手段と、
前記地上型レーザスキャナによって収集された点群データに、前記ＴＬＳ位置座標算出手段により算出された前記地上型レーザスキャナの設置位置座標に基づいて座標位置情報を付与する座標位置情報付与手段と、
算出された前記ＧＮＳＳアンテナの位置座標に基づいて前記地上型レーザスキャナの真北からの角度を算出し、真北に対する該地上型レーザスキャナのズレ角度を北向きに補正する角度補正手段と、を備える
ことを特徴とする三次元計測システム。

【請求項2】

前記基準局は、
基準局ＧＮＳＳアンテナと、
前記基準局ＧＮＳＳアンテナに接続される基準局ＧＮＳＳ受信機と、
前記基準局ＧＮＳＳ受信機と通信可能に接続されるとともに公衆無線通信回線を介して前記移動局計測コントローラ及び前記電子基準点側と通信可能な基準局計測コントローラと、を有し、
前記基準局計測コントローラは、前記基準局ＧＮＳＳ受信機が受信したＧＮＳＳ信号と前記電子基準点側から得たデータ情報に基づいて前記基準局ＧＮＳＳアンテナの設置位置座標を算出し、前記位置補正情報を生成して前記移動局計測コントローラに送信する
請求項１に記載の三次元計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高精度かつ効率的に構造物等の位置情報を計測可能な三次元計測システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、舗装道路などに対して地上型レーザスキャナ（以下、「ＴＬＳ」と記載することがある。）を使用した出来形計測が行われている。しかし、従来の計測方法は、舗装道路の施工延長が長くなると、ＴＬＳを移動しながら計測する必要があり、その際、現在ＴＬＳが設置されている地点と、次のＴＬＳの移動先となる地点との間にターゲット（ＴＧ）を設置し、各ＴＬＳの設置地点から上記ターゲット（ＴＧ）を視準して、各ＴＬＳの設置箇所で取得した点群データの紐付けを行い、現地における計測実施後、データ整理の際にレジストレーション（合成処理）を行って各点群データに座標位置情報を付与する必要がある。

【0003】

例えば、図５の模式平面図には、上記した従来型の計測方法による舗装道路の出来形計測の一例が図示されているが、ＴＬＳを道路延長に沿って所定の間隔（例えば、５０ｍ間隔など）で移動設置しながら計測を行う場合、少なくとも４個のターゲット（ＴＧ）を設置し、ＴＬＳを移動設置する都度、当該ターゲット（ＴＧ）を視準し、ＴＬＳの各設置点で得られた点群データの紐付けを行って、上記レジストレーション（合成処理）を行う必要がある。

【0004】

すなわち、特許文献１に記載の発明や当該文献の段落０００３等にも記載されているように、原則としてＴＬＳの設置位置を特定するためには既知点にターゲット（ＴＧ）を設置することが従来必須となっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第６１２０５２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、従来型の計測方法では現地におけるターゲット（ＴＧ）の設置手間がかかり、ＴＬＳの設置位置を特定するにも手間や時間が必要となる。また、一般的に、上記レジストレーション（合成処理）の作業は、専用ソフトを使用するか、手作業で行うこととなる。したがって、ターゲットの視準精度や、レジストレーション（合成処理）の方法によって計測精度が異なるという問題がある。

【0007】

そこで、本願発明は、高精度で位置情報を取得することができるＧＮＳＳとＴＬＳを組み合わせた三次元点群計測によって、ターゲットの設置手間を省略するとともに、レジストレーション（合成処理）の効率化を図って、点群データに対して精度の高い座標の付与が可能な、三次元計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）と、前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の両側にそれぞれ設けられるＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）と、前記ＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）に接続される移動局ＧＮＳＳ受信機２０と、前記移動局ＧＮＳＳ受信機２０と通信可能に接続されるとともに公衆無線通信回線を介して基準局３０と通信可能な移動局計測コントローラ２１と、前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）、前記移動局ＧＮＳＳ受信機２０及び前記移動局計測コントローラ２１とデータの送受信が可能なＰＣ２２と、を有し、前記移動局計測コントローラ２１は、前記基準局３０から取得した位置補正情報に基づいて前記ＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）の位置座標を算出し、前記ＰＣは、前記移動局計測コントローラ２１が計算した前記ＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）の位置座標に基づいて前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の設置位置座標を算出するＴＬＳ位置座標算出手段と、前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）によって収集された点群データに、前記ＴＬＳ位置座標算出手段により算出された前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の設置位置座標に基づいて座標位置情報を付与する座標位置情報付与手段と、を備えることを特徴とする三次元計測システムである。

【0009】

（２）前記ＰＣ２２は、算出された前記ＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）の位置座標に基づいて前記地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の真北からの角度を算出し、真北に対する該地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）のズレ角度を北向きに補正する角度補正手段を備える上記（１）に記載の三次元計測システムである。

【0010】

（３）前記基準局３０は、基準局ＧＮＳＳアンテナ３２と、前記基準局ＧＮＳＳアンテナ３２に接続される基準局ＧＮＳＳ受信機４０と、前記基準局ＧＮＳＳ受信機４０と通信可能に接続されるとともに公衆無線通信回線を介して前記移動局計測コントローラ２１及び電子基準点側と通信可能な基準局計測コントローラ４１と、を有し、前記基準局計測コントローラ４１は、前記基準局ＧＮＳＳ受信機４０が受信したＧＮＳＳ信号と前記電子基準点側から得たデータ情報に基づいて前記基準局ＧＮＳＳアンテナ３２の設置位置座標を算出し、前記位置補正情報を生成して前記移動局計測コントローラ２１に送信する上記（１）又は（２）に記載の三次元計測システムである。

【0011】

上記（１）及び（３）の構成によれば、地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の両側にそれぞれ設けられるＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）の正確な位置座標から、精度の高い地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）の設置位置座標が算出されるので、これに基づいて地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）によって収集された点群データに精度の高い座標位置情報を付与することが可能となる。したがって、従来のようなターゲット（ＴＧ）を設置する手間や、レジストレーションにおける手間や誤差の発生を大幅に抑制することが可能となる。

【0012】

上記（２）の構成によれば、ＧＮＳＳアンテナ（移動局ＧＮＳＳアンテナ１２）の位置座標に基づいて地上型レーザスキャナ（ＴＬＳ１１）のズレ角度を補正することができるので、さらに精度の高い点群データへの座標位置情報の付与が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態における、三次元計測システムのシステム構成を説明する構成図面である。

【図2】本発明の実施形態における、ＴＬＳ側の装置を説明する正面図である。

【図3】本発明の実施形態における、ＴＬＳ側のＧＮＳＳアンテナ設置治具の上面図（ａ）と、その背面図（ｂ）である。

【図4】本発明の実施形態における、基準局側の装置を説明する正面図である。

【図5】本発明の実施形態における、計測態様の一例を示す平面図である。

【図6】本発明の実施形態における、ＴＬＳのズレ角度の補正態様を模式的に示した上面図である。

【図7】従来技術における、計測態様を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明の三次元計測システムにおける一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

【0015】

（システム構成）
本発明は、地上型レーザスキャナ（以下、「ＴＬＳ」と称することがある。）を必須の構成要素とする三次元計測システムの発明であり、図１には、本発明の一実施形態における三次元計測システムのシステム構成が図示されている。

【0016】

本実施形態では、ＴＬＳ側（移動局１０側）の装置と、基準局３０側の装置とが、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）などからなる公衆無線通信回線を介して通信可能に構成されており、基準局３０側からＴＬＳ側へＧＮＳＳデータがＲＴＣＭ（Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｏｒ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）フォーマットで送受信されるように構成されている。

【0017】

基準局３０の装置構成は、図１及び図４に示されるように、計測地点近傍に基準局三脚３４によって基準局ＧＮＳＳアンテナ３２が設置され、基準局ＧＮＳＳ受信機４０に接続されている。さらに、基準局ＧＮＳＳ受信機４０は、ＵＳＢケーブルによって基準局計測コントローラ４１に接続されている。なお、本実施形態の基準局計測コントローラ４１はＬＴＥの通信装置やバッテリ電源等を内蔵しており、ＬＴＥを介して移動局１０側やインターネット回線に接続可能に構成されている。

【0018】

次に、ＴＬＳ側である移動局１０の装置構成を、図１及び図２の記載に基づいて説明する。当該移動局１０の装置構成は、計測地点に設置されるＴＬＳ三脚１４と、当該ＴＬＳ三脚１４に載置されるＴＬＳ１１及び２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２と、移動局ＧＮＳＳ受信機２０、移動局計測コントローラ２１、ＰＣ２２から構成されている。

【0019】

本実施形態の移動局１０では、移動局ＧＮＳＳ受信機２０と移動局計測コントローラ２１がＵＳＢケーブルによって接続され、ＲＴＣＭフォーマットのデータの他、ＧＮＳＳが出力するＮＭＥＡ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）信号を移動局計測コントローラ２１へ出力するように構成されている。

【0020】

さらに、移動局計測コントローラ２１はＵＳＢケーブルによってＰＣ２２に接続され、当該ＰＣ２２には、ＮＭＥＡ信号が入力されるように構成されている。なお、本実施形態の移動局計測コントローラ２１はＬＴＥの通信装置やバッテリ電源等を内蔵しており、基準局３０側やインターネット回線に接続可能に構成されている。

【0021】

（移動局ＧＮＳＳアンテナ設置治具）
図３には、ＴＬＳ側の装置における移動局ＧＮＳＳアンテナ設置治具の上面図（ａ）と、その背面図（ｂ）が示されている。本実施形態における移動局ＧＮＳＳアンテナ設置治具１３は、ＴＬＳ三脚１４の上部に設けられる金属製のプレートから成り、円形載置部材１３Ｂと移動局ＧＮＳＳ載置部材１３Ａとから構成されている。

【0022】

円形載置部材１３Ｂは、図３（ａ）の上面図に示されるように、中心部周辺にＴＬＳ１１の底部の形状に応じた円形凹部が形成され、その中心部にＴＬＳ１１を固定するため固定貫通穴１３５Ｂが設けられている。また、円形載置部材１３Ｂの外周部には当該円形載置部材１３Ｂを下部の移動局ＧＮＳＳ載置部材１３Ａに固定するための４つの連結固定穴１３４Ｂが設けられている。

【0023】

移動局ＧＮＳＳ載置部材１３Ａは、図３（ｂ）の背面図に示されるように、その中心部にＴＬＳ１１を固定するためのＴＬＳ三脚１４の固定部材が挿通される固定挿通穴１３５Ａが設けられ、その周囲には、前述の円形載置部材１３Ｂをボルト固定するための４つのボルト固定穴１３４Ａが設けられている。

【0024】

また、移動局ＧＮＳＳ載置部材１３Ａの左右端部近傍には、移動局ＧＮＳＳアンテナ１２を固定するとともに信号ケーブルを挿通可能に構成するアンテナ固定部１３３Ａが設けられている。加えて、本実施形態の移動局ＧＮＳＳ載置部材１３Ａは、軽量化を図るために図示着色部分に対応する箇所を薄肉にして形成されている。

【0025】

（システムの動作態様）
本実施形態における三次元計測システムは、最初に基準局３０側において自身の座標の計測が行われる。既知点に設置された基準局３０の基準局計測コントローラ４１は、国土地理院が設置している電子基準点からデータを取得し、基準局ＧＮＳＳ受信機４０で受信したＧＮＳＳ信号（ＲＴＣＭ）と合わせて解析して基準局３０の基準局座標を計算する。次に、当該基準局座標に基づいて座標位置情報の補正データ（位相差）を生成し、ＬＴＥを介して移動局１０の移動局計測コントローラ２１に送信される。すなわち、既知点に設置した基準局３０における衛星測位との誤差情報を基に移動局１０の座標誤差を補正しようとするものである。

【0026】

基準局３０側から送信された上記補正データ（位相差）は、移動局計測コントローラ２１で受信され、当該移動局計測コントローラ２１では２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２で受信したＧＮＳＳ信号（ＲＴＣＭ、ＮＭＥＡ）と合わせて解析が行われて、２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２のそれぞれの座標位置情報が算出される。

【0027】

上記のようにして算出された２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２それぞれの座標位置情報は、ミリ単位の精度で算出されている。したがって、精度の高い２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２それぞれの座標位置情報に基づいて、２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２の距離及び方向も算出することが可能となり、移動局計測コントローラ２１で算出された２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２の位置座標に基づいて、ＰＣ２２ではＴＬＳ１１の精密な中心位置座標及びＴＬＳ１１の正確な向きを求めることが可能である。

【0028】

（計測方法）
続いて、本実施形態における計測方法について、図５の道路（計測対象）での計測態様を示した平面図に基づいて説明する。まず、ＴＬＳ１１を含む移動局１０の各種装置を任意の計測対象エリアの起点に設置する。設置後、前述したシステム動作が正常に行われたことを確認してＴＬＳ１１によるスキャニングを実行する。スキャニングによる点群データの収集が完了すると、次の設置箇所に移動してＴＬＳ１１を含む移動局１０の各種装置を再び設置してスキャニングを実行する。

【0029】

そして、上記のＴＬＳ１１の設置からスキャニングを道路の終点に向かって繰り返して点群データを収集することが可能となる。すなわち、本発明の最大のメリットは、精度の高いＴＬＳ１１の中心位置座標や向きが、ＴＬＳ１１の設置箇所ごとに算出されるため、従来の計測方法のようにターゲット（ＴＧ）を移動する度に設置、視準する必要が全くない。したがって、ターゲット（ＴＧ）の設置手間を削減して計測作業を大幅に効率化することが可能である。

【0030】

（レジストレーション方法）
続いて、前述の計測方法によって収集した計測対象における点群データのレジストレーション方法について説明する。より詳細には、下記の（１）から（６）の手順によって各ＴＬＳ１１の設置位置で収集した点群データを合成するとともに、各点群に精度の高い座標位置情報を付与している。

（１）２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２のそれぞれの位置座標からＴＬＳ１１の中心位置座標を算出する。

（２）ＴＬＳ１１の中心位置座標から、収集した各点群に座標位置情報を付与する。

（３）２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２のそれぞれの位置座標から、ＴＬＳ１１の方向角度を算出する。

（４）図６に示されるように、北（真北）に対するＴＬＳ１１の向きのズレ角度を算出する。

（５）算出したズレ角度分を北向きに回転させてＴＬＳ１１を真北に補正する。（このようなＴＬＳ１１の角度補正は、ＴＬＳ１１を移動設置する度に行われる。したがって、各設置位置において任意の方向に向いて設置されたＴＬＳ１１により計測された点群データに対し、整合する座標位置情報を付与することが可能となる。）

（６）各ＴＬＳ１１の設置位置で収集した点群データに対して、上記（１）～（５）の処理を実行し、ＰＣ２２では計測対象エリアの各点群を合成して座標位置情報を付与する。

【0031】

上記した本発明の三次元計測システムによれば、ＧＮＳＳを利用することにより、ＴＬＳ１１によって計測した時点で即座に計測対象構造物の座標位置情報を得ることがかのうとなり、レジストレーション時にＴＬＳ１１の向きのズレが補正されるので、従来のターゲット（ＴＧ）を設置する方法と同等以上の精度で計測が可能である。

【0032】

加えて、従来の計測方法のようにターゲット（ＴＧ）を設置する手間や、それを視準する手間が不要となり、効率的、経済的に三次元計測が可能となる。また、得られた精度の高い道路構造物の座標位置情報は、供用後のＭＭＳ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を使用した維持管理においても有効に利用することが可能である。

【0033】

（他の実施形態）
本発明に係る三次元計測システムの実施形態については上記したとおりであるが、本発明の実施形態は必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。

【0034】

例えば、上記した実施例では、移動局ＧＮＳＳアンテナ設置治具１３の一実施形態について図３の記載に基づいて説明したが、必ずしもこのような形状、寸法に限られるものではなく、ＴＬＳ１１の中心を挟んでその両側に２つの移動局ＧＮＳＳアンテナ１２を設置できるような形状の治具であれば適宜変更が可能である。

【0035】

例えば、上記実施例では道路構造物の計測態様を例に説明したが、本発明は道路構造物に限定されるものではなく、空港の滑走路のほか、港湾施設、駐車場等、幅広い分野において適用することが可能である。

【0036】

以上、本発明の様々な実施形態について図面にもとづいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。また、上記実施例に記載された具体的な入力情報等は本発明の課題を解決する範囲において、変更が可能である。

【符号の説明】

【0037】

１０ 移動局
１１ ＴＬＳ（地上型レーザスキャナ）
１２ 移動局ＧＮＳＳアンテナ
１３ 移動局ＧＮＳＳアンテナ設置治具
２０ 移動局ＧＮＳＳ受信機
２１ 移動局計測コントローラ
２２ ＰＣ
３０ 基準局
３２ 基準局ＧＮＳＳアンテナ
４０ 基準局ＧＮＳＳ受信機
４１ 基準局計測コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】