特許 7511049 測量装置、測量方法および測量用プログラム

(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】2024-06-26

(45)【発行日】2024-07-04

(54)【発明の名称】測量装置、測量方法および測量用プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20240627BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 103E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023078422

(22)【出願日】2023-05-11

(62)【分割の表示】P 2019139540の分割

【原出願日】2019-07-30

(65)【公開番号】P2023100945

(43)【公開日】2023-07-19

【審査請求日】2023-05-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100096884

【弁理士】

【氏名又は名称】末成 幹生

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 陽

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０３４７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３３９９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０４８８６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １５／００－１５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の機械点に設置したレーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、
前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得部と、
前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定部と、
前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３の機械点の位置を算出する機械点算出部と
を備え、
前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、
前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量装置。

【請求項2】

前記第２の機械点にマーキング光を照射するマーキング光照射手段を備える請求項１に記載の測量装置。

【請求項3】

第１の機械点に設置したレーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、
前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得ステップと、
前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定ステップと、
前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３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、
前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、
前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量方法。

【請求項4】

コンピュータに読み取らせて実行させる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レーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、
前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得ステップと、
前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定ステップと、
前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３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、
前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、
前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザースキャンの技術に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

特許文献１には、レーザースキャンが出来なかった領域に対する再度のレーザースキャンに関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５０５７７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、第１の機械点に設置したレーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得部と、前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定部と、前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３の機械点の位置を算出する機械点算出部とを備え、前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量装置である。

【0007】

本発明において、前記第２の機械点にマーキング光を照射するマーキング光照射手段を備える態様が挙げられる。

【0008】

本発明は、第１の機械点に設置したレーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得ステップと、前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定ステップと、前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３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、前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量方法である。

【0009】

本発明は、コンピュータに読み取らせて実行させる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レーザースキャナによるレーザースキャンによって得たレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、前記レーザースキャン時における最大射程を取得する最大射程取得ステップと、前記レーザースキャナの前記最大射程に基づき、前記レーザースキャナによるレーザースキャンのスキャン範囲を決定するスキャン範囲決定ステップと、前記スキャン範囲に基づき、第２の機械点および第３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、前記スキャン範囲は、前記最大射程の５０％～８０％の半径を有する円形の範囲であり、前記第１の機械点を中心とした前記半径の第１の円形の範囲と、前記第２の機械点を中心とした前記半径の第２の円形の範囲と、前記第３の機械点を中心とした前記半径の第３の円形の範囲とが互いに重なる領域が形成されるように、前記第２の機械点の位置および前記第３の機械点の位置が算出される測量用プログラムである。

【発明の効果】

【0010】

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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態の原理を示す原理図である。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】処理の手順の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

１．第１の実施形態
（概要）

【0013】

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、当該装置に対するマーキング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、当該位置にレーザー光の輝点（反射点）による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。

【0014】

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レーザースキャンデータとして採用しない。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。

【0015】

図１には、複数の機械点（レーザースキャナが設置される位置）の選定に際して、レーザースキャンの射程（有効範囲）を重複させ、レーザースキャンに漏れがないように工夫した場合が示されている。

【0016】

この場合、以下の手順により、各機械点の設定を行う。まず、第１の機械点にレーザースキャンを設置する。機械点とは、レーザースキャナが設置される点であり、レーザースキャンの視点（原点）となる点である。ここで、第１の機械点の絶対座標系における位置（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）は特定されており、既知であるとする。なお、第１の機械点の絶対座標系における位置が不明であってもよい。この場合、第１の機械点を原点とするローカル座標系が利用される。

【0017】

そして、第１の機械点（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）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スキャナを用いて、レーザースキャンを行い、第１のレーザースキャンデータを得る。レーザースキャンデータは、測距光の照射方向、当該測距光の反射点までの距離、および反射光の受光強度のデータにより構成される。

【0018】

次に、上記第１のレーザースキャンデータに基づき、当該計測環境における当該レーザースキャナの最大射程を取得する。この処理では、第１の機械点から各レーザースキャン点（その数は、数万から数十万以上の場合もある）までの距離を比較し、その中から最大の距離を最大射程として取得する。

【0019】

レーザースキャン光の最大射程を取得したら、その７０％の値を当該レーザースキャナの当該計測環境での有効射程として採用する。この有効射程は、最大射程の５０％～８０％程度の範囲から選択する。

【0020】

有効射程を最大射程の５０％を下回る値とした場合、レーザースキャナの性能に比べてレーザースキャンの範囲が狭く、レーザースキャンの作業効率が悪くなる。有効射程を最大射程の８０％を超える値とした場合、スキャン光が届かない場所が生じる可能性が増大する。

【0021】

有効射程を、スキャン点（スキャン光の反射点）の密度から得る方法もある。レーザースキャンは、放射状に行なわれるので、レーザースキャナからの距離が遠くなる程、スキャン点の密度（単位面積当たりのスキャン点の数）は小さくなる。よって、スキャン点の密度をレーザースキャナからスキャン点までの距離を示すパラメータとして利用することができる。

【0022】

ところで、点群データから得られる三次元モデルの精度に対する要求から、スキャン点の密度の下限が設定されている場合がある。例えば、得られる三次元モデルの精度が低くてよいのであれば、スキャン点の密度は相対的に小さくてよい。他方で、高精度の三次元モデルが要求される場合、相応に大きなスキャン点の密度が要求される。

【0023】

スキャン点の密度の下限が設定されている場合、スキャン光の有効射程は設定されたスキャン点の最低密度で規定される。例えば、スキャン点の最低密度が１点／ｃｍ^２である場合、この密度が得られる測距距離が有効射程となる。

【0024】

レーザースキャン光の有効射程を得たら、その値を半径Ｒ、レーザースキャナの設置位置（機械点）を中心とする円形の領域をレーザースキャン範囲として決定する。そして、まず上記第１の機械点を中心とする半径Ｒの円形のレーザースキャン範囲を設定する。

【0025】

次に、第２および第３の機械点の位置の設定を行う。まず、第２および第３の機械点の平面位置（水平方向における位置）を求める。ここでは、水平方向がＸＹ軸、鉛直方向がＺ軸のＸＹＺ座標を利用する。

【0026】

まず、第２の機械点および第３の機械点の水平方向における位置（Ｘ_２，Ｙ_２）と（Ｘ_３，Ｙ_３）を決定する。この処理では、少なくとも３つ以上のレーザースキャン範囲が全て重ねる領域が形成されるように、第１の機械点に対する第２の機械点および第３の機械点の設定が行なわれる。（この段階において、第１の機械点からのレーザースキャンは既に行なわれており、第１の機械点の位置は既知である）。この場合の一例が図１に示されている。

【0027】

図１において、隣接する３つのレーザースキャン範囲に着目すると、この３つのレーザースキャン範囲は、その一部がすべて同時に重複している。すなわち、３つの円が重なっている部分がある。こうすることで、レーザースキャンの不感領域 すなわちレーザースキャンデータが得られない死角となる領域の発生を防止できる。

【0028】

以下、図１に示すスキャン範囲の設定を行うための処理の一例を説明する。図１には、３つのスキャン範囲が示されている。各スキャン範囲は半径Ｒの円形であり、中心位置（機械点）間の距離は、等距離ａである。この場合、隣接する３つの円が重ねる領域の面積ＳがＳ＞０となるように、第２の機械点の水平面における位置（Ｘ_２，Ｙ_２）と、第３の機械点の水平面における位置（Ｘ_３，Ｙ_３）との算出が行なわれる。

【0029】

なお、図１は一例であり、３つの機械点間の距離が同じでない場合も可能である。また、４つ以上のスキャン範囲が重なるような設定も可能である。

【0030】

第２の機械点と第３の機械点の水平面における位置を求めたら、第２の機械点および第３の機械点の鉛直位置（Ｚ位置）を求める。この処理では、まず、第１の機械点から取得したレーザースキャンデータから第１の点群データを得る。点群データを得る方法は、通常の方法である。簡単にいうと、レーザースキャナから見た各スキャン点の方向と距離から、レーザースキャナの光学原点（第１の機械点）を原点とする三次元直交座標系（ＸＹＺ座標系）における各スキャン点の三次元座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める。これは、極座標系から三次元直交座標系への座標変換と捉えることもできる。

【0031】

第１の点群データを得たら、第１の点群データの中で第２の機械点の平面位置（Ｘ_２，Ｙ_２）に最も近い点のデータを抽出し、その点のＺ値を第２の機械点のＺ位置（鉛直方向における位置）として取得する。こうして第２の機械点の三次元座標位置（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）を取得する。この場合において、次の機械点（第２の機械点）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、この次の機械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、最終的な次の機械点の座標値の確定を行ってもよい。また、同様の方法で第３の機械点の三次元座標位置（Ｘ_３，Ｙ_３，Ｚ_３）を取得する。

【0032】

第２の機械点の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、第１の機械点のＺ値を利用する方法である。同じ水平面上で次の機械点が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、次の機械点の設定を行い、その場所に目印を付ける等のマーキングを行った後に、この次の機械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、最終的な次の機械点の座標値の確定を行ってもよい。

【0033】

第２の他の方法は、第１の機械点から得た点群データから第２の機械点の方向に延在する水平面（例えば床面や地面）を抽出し、その面を外挿的に第２の機械点の方向に延長し、その延長した水平面に第２の機械点の水平位値（Ｘ_２，Ｙ_２）から垂線をおろし、この垂線と前記延長した水平面との交点のＺ座標値をＺ_２として取得する方法である。この場合も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る最終的な次の機械点の座標値の確定を行ってもよい。これらの他の方法は、第３の機械点についても同じである。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。

【0034】

４つ目のレーザースキャン範囲の設定は、その段階で設定してある隣接する２つのレーザースキャン範囲を選択し、上記と同様な原理により、４つ目のレーザースキャン範囲の機械点の位置を求める。この処理を繰り返すことで、さらに５つ目、６つ目・・・のレーザースキャン範囲の設定が行なわれる。勿論、設定するレーザースキャン範囲の数は、レーザースキャンの対象となるエリアの広さによって決まる。

【0035】

ここで、第３の機械点の設定が必要でない場合は、第１の機械点を中心とする第１のレーザースキャン範囲と、第２の機械点を中心とする第２のレーザースキャン範囲とが、予定するレーザースキャンの対象領域をカバーするように第２の機械点の設定を行う。この場合、未スキャンのエリアが生じない様に、２つのレーザースキャン範囲の重複部分を調整する。

【0036】

また、新たな機械点への誘導が、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を用いて行われる。例えば、上記の方法で設定した機械点が４つある場合を想定する（図１参照）。ここで、１つ目の第１の機械点でのレーザースキャンが終了し、次の機械点（以下、第２の）へのレーザースキャナ付トータルステーションの移動を行う段階を想定する。

【0037】

この段階において、第１の機械点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第２の機械点に対して、レーザーマーキング光が照射される。作業者は、上記マーキング光によりマーキングされた場所に目印を設置する等して、第２の機械点を確定する。

【0038】

第２の機械点の確定後に、第１の機械点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測位機能を用いて、第２の機械点の位置を精密に測定し、第２の機械点の位置を正確に確定（確認）してもよい。

【0039】

次いで、第１の機械点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第２の機械点に移動させ、そこに設置する。そして、第２の機械点からのレーザースキャンを行う。

【0040】

ここで、第１の機械点がバック点（後視点）となり、第２の機械点から得た点群データが第１の機械点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第１の機械点の位置が既知であれば、第１の機械点がバック点となり、第２の機械点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。

【0041】

トータルステーションを用いた第２の機械点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。

【0042】

第２の機械点でのレーザースキャンが終了したら、第２の機械点への誘導と同様な方法で第３の機械点への誘導が行なわれ、そこでのレーザースキャンが行なわれる。この処理を繰り返すことで、設定した全ての機械点におけるレーザースキャンが順次行われる。

【0043】

（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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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（鉛直回転）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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

（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。

【0063】

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、レーザースキャンデータ取得部１１０、最大射程取得部１１１、スキャン範囲決定部１３１、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、動作制御部１２１、記憶部１２２、光学系２０１（望遠鏡１６）を備える。

【0064】

ここで、自動視準制御部（マーキング光照射位置制御部）１０８、レーザースキャンデータ取得部１１０、最大射程取得部１１１、スキャン範囲決定部１３１、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、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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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が行われる。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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

【0081】

そして、新たな機械点の算出に際して、既に取得しているレーザースキャンデータが記憶部１２２から読み出され、レーザースキャンデータ取得部１１０で取得される。適当な記憶媒体や記憶装置にレーザースキャンデータを記憶し、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から点群データを作成し、レーザースキャンデータと点群データを記憶部１２２に記憶させ、それをレーザースキャンデータ取得部１１０で取得する形態も可能である。

【0082】

最大射程取得部１１１は、レーザースキャナ付トータルステーション１００が得たレーザースキャンデータから、測距距離が最大のものを取得する。

【0083】

スキャン範囲決定部１３１は、最大射程取得部１１１が取得した最大射程値に基づき、スキャン範囲（例えば、図１の円形の範囲）を決定する。

【0084】

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の算出に係る処理を行う。例えば、第１の機械点から取得したレーザースキャンデータが得られている状況で、第２の機械点の位置を算出する処理が機械点算出部１１２で行なわれる。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

（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。

【0090】

図５の処理では、まず、第１の機械点にレーザースキャナ付トータルステーション１００を設置する（ステップＳ１０１）。この際、第１の機械点におけるレーザースキャナ付トータルステーション１００の絶対座標系における外部標定要素（位置と姿勢）を計測し、取得する。

【0091】

次に、周囲のレーザースキャンを行い、レーザースキャンデータを得る（ステップＳ１０２）。この処理は、レーザースキャンデータ取得部１１０で行なわれる。

【0092】

次に、ステップＳ１０２で得たレーザースキャンデータの中から距離が最大のものを最大射程として取得する（ステップＳ１０３）。この処理は、最大射程取得１１１で行なわれる。次に、ステップＳ１０３で取得した最大射程に基づき、スキャン範囲を決定する（ステップＳ１０４）。この処理により、上記最大射程の５０％～８０％（例えば７０％）の値を半径とする円形のスキャン範囲が決定される。この処理は、スキャン範囲決定部１３１で行なわれる。

【0093】

次に２つ目以降の機械点の算出を行う（ステップＳ１０５）。この処理は、機械点算出部１１２で行なわれる。この処理により、例えば図１に示すスキャン範囲の設定が行なわれる。

【0094】

（誘導処理）
設定された機械点からのレーザースキャンが終了した段階で、次の機械点への誘導が行なわれる。この処理では、次の機械点へのマーキング光の照射が行なわれる。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の光軸が次の機械点に指向するように調整され、その上で次の機械点に対するマーキング光の照射が行なわれる。

【0095】

２．第２の実施形態
この例では、反射プリズムを用いて次の機械点への誘導が行なわれる。まず、次の機械点の位置を取得する。そして、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）に次の機械点と反射プリズムの位置関係を表示させ、作業者に次の機械点の位置を把握させる。

【0096】

上記の表示を見ながら、作業者は、次の機械点の位置を探し出し、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。

【0097】

作業者が携帯する端末に表示される情報としては、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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

この場合、この外部の装置は、レーザースキャンデータ取得部１１０、最大射程取得部１１１、スキャン範囲決定部１３１、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の一部または全部を備えた測量情報処理装置として把握できる。また、本明細書で開示される発明は、測量情報処理方法および測量情報処理用プログラムとして把握することもできる。

【0101】

４．第４の実施形態
有効射程をユーザーにより設定することもできる。この場合、ユーザーにより設定された有効射程（設定有効射程）が、実測した最大射程に基づく有効射程（実測有効射程）の範囲内であれば、設定有効射程を採用する。設定有効射程が実測有効射程を超える場合、実測有効射程を採用する。

【符号の説明】

【0102】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】