JP6433342B2

JP6433342B2 - 三次元位置計測システム

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Publication number: JP6433342B2
Application number: JP2015043530A
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Inventors: 信幸西田; 熊谷　薫; 薫熊谷
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Filing date: 2015-03-05
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Description

本発明は、測定点の三次元位置を計測するためのシステムであって、特に、測定点から既知の固定長ずれた位置にプリズムが固定された指示棒を用いて測定点の三次元位置を計測するシステムに関する。

測量、計測、またはＢＩＭ（Building Information Modeling）の分野では、一般的に、測距および測角を行う測量機と再帰反射型のプリズムを利用して、測定点の三次元位置を計測する。ただし、プリズムには所要の大きさがあることから、測定点に直接プリズムの光学的な反射点を設置することができない。このため、一般的に、プリズムを指示棒（または指示台）に固定する手法が採られている。

詳細には、指示棒の先端を測定点に設置し、指示棒に測定点から既知の固定長だけずらした位置にプリズムを固定し、気泡管等を使用して指示棒の鉛直状態を確保してプリズムの三次元位置計測を行い、この計測値に対し、上記の固定長分だけ鉛直下方に移動して測定点の三次元位置を演算する。しかし、この手法は、部屋の角など、指示棒を傾斜させなければならない場合には使用できなかった。

これに対し、測定点から指示棒を傾斜させた状態であっても計測が行える三次元位置計測システムがある。例えば特許文献１では、指示棒上に、既知の長さ分だけ離間させた二点に反射プリズムを固定して、二点のプリズムに対し測定し、二点の三次元位置から測定点の位置を演算している。また、特許文献２では、指示棒に入射角センサと傾斜センサとを備え、これらセンサの値を利用して測定点の位置を演算している。

特許第３７３５４２２号特開２０１０−２２３７５４号公報

しかし、特許文献１の構成では、二点を同時に測定することができないため、二点の測定中はプリズムを静止させるという作業制約があった。また、プリズムが遠距離にあるときは、二つのプリズム間の距離を離さなければならない等の不都合があった。特許文献２の構成では、新たなセンサの搭載が必要であり高価であった。

本発明は、前記問題を解決するため、測定点から指示棒を傾斜させた状態であっても、特段の作業制約なく計測が行える三次元位置計測システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートを前記指示棒に設け、前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置、前記傾斜計シートの傾斜角、および前記固定長から、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、前記プリズムの周囲風景を撮影する画像撮像部と、前記プリズムを撮影するプリズム撮像部と、を有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートを前記指示棒に設け、前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記プリズム撮像部にて前記プリズムを撮像し、前記プリズムを視準して、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置、前記傾斜計シートの傾斜角、および前記固定長から、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートのシート中心を、前記測定点および前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線上に設け、前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し画像解析して前記シート中心を求め、前記シート中心と前記プリズム中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を、前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に、ある点を中心に少なくとも二つ直角に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートが固定された指示棒と、を備え、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記傾斜計シートを前記ターゲットとして前記測距部および前記測角部で得た前記傾斜計シートのシート中心の三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートが固定された指示棒と、を備え、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面以外の箇所にパターン認識可能な第２のマークを設け、前記測定点、前記傾斜計シートのシート中心、および前記第２のマークのマーク中心を同一線上に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面および前記第２のマークを撮像し画像解析して前記シート中心および前記第２のマークのマーク中心を求め、前記シート中心および前記第２のマークのマーク中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、前記傾斜計シートを前記ターゲットとして前記測距部および前記測角部で得た前記傾斜計シートのシート中心の三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、測定点から既知の固定長ずれる位置に固定された前記プリズムと、視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記測定点と前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線に対して垂直な面に設け、前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

または、ある態様に係る三次元位置計測システムでは、ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、測定点から既知の固定長ずれる位置に固定された前記プリズムと、視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、前記傾斜計シートのシート中心を、前記測定点および前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線上に設け、前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し、画像解析して前記シート中心を求め、前記シート中心と前記プリズム中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、前記測定点の三次元位置を計測する。

本発明によれば、指示棒が傾斜していても、測定点に指示棒の先端を設置するだけで、測定点の三次元位置を計測することができる。

第１の実施形態に係る三次元位置計測システムの全体構成を示す斜視図である。測量機の内部構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。同指示棒の計測状態の平面図である。傾斜計シートの構成を説明する図であり、（ａ）は傾斜計シートの平面図、（ｂ）は傾斜計シートの一部断面図、（ｃ）は平凸レンズシートの一部平面図、（ｄ）は画像形成層の一部平面図である。三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。第１の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。ビジュアル画像の例である。ビジュアル画像の例である。第１の実施形態の計測手法のイメージ図である。第１の実施形態の変形例である。第１の実施形態の変形例である。第１の実施形態の変形例である。第２の実施形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。第２の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。第２の実施形態の計測手法のイメージ図である。第２の実施形態の変形例である。第２の実施形態の変形例である。第３の実施形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。同指示棒の平面図である。第３の実施形態に係る一軸傾斜計シートの構成を説明する図であり、（ａ）は一軸傾斜計シートの平面図、（ｂ）は一軸傾斜計シートの一部断面図、（ｃ）は画像形成層の一部平面図である。第３の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。第３の実施形態の計測手法のイメージ図である。第３の実施形態の変形例である。第３の実施形態の変形例である。第３の実施形態の変形例である。第４の実施形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。第４の実施形態に係る測量機の内部構成を示すブロック図である。第４の実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。第４の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。第４の実施形態の計測手法のイメージ図である。第５の実施形態に係る指示棒の構成を示す右方斜視図である。第５の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。第５の実施形態の計測手法のイメージ図である。第６の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。第７の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（システム全体）
図１は第１の実施形態に係る三次元位置計測システムの全体構成を示す斜視図である。三次元位置計測システム１は、測量機２と、プリズム３および傾斜計シート５を有する指示棒４と、を備える。指示棒４は、先端を測定点Ｘに設置して使用される。測量機２は、三脚６を用いて既知の点に据え付けられる。なお、矢印ｅは測量機２の視線方向を示している。

（測量機）
測量機２は、自動追尾可能なモータドライブトータルステーションである。図２は測量機２の内部構成を示すブロック図である。

測量機２は、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、傾斜センサ１３と、操作部１４と、水平回転駆動部１５と、鉛直回転駆動部１６と、演算制御部１７と、記憶部１８と、通信部１９と、ＥＤＭ２０と、プリズム撮像部２１と、画像撮像部２２と、表示部２３と、走査部２４と、第２の画像撮像部２５を備える。

ＥＤＭ（光波測距儀）２０は、プリズム３を視準して赤外レーザ等の測距光を出射し、プリズム３までの測距を行う測距部である。走査部２４は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等の走査光を出射して、プリズム３を探索走査する。水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６は、ＥＤＭ２０を収容した筐体を水平および鉛直方向に回転駆動させるモータである。水平角検出器１１および鉛直角検出器１２は、ロータリーエンコーダであり、ＥＤＭ２０を収容した筐体の水平方向および鉛直方向の回転角度をそれぞれ求め、視準光軸の水平角および鉛直角を求める測角部である。傾斜センサ１３は、ＥＤＭ２０の筐体の傾斜を検出し水平に整準するために使用される。

記憶部１８には、測距測角を行う為のプログラム、操作部１４から入力される信号に基づき水平回転駆動部１５および鉛直回転駆動部１６を駆動する為のプログラム、通信を制御する為のプログラム、プリズム３の自動視準、自動追尾を行う為のプログラム、後述する画像処理プログラム、後述する測定点Ｘの三次元位置を算出するための演算プログラム等の各種プログラムが格納されている。操作部１４からは、上記プログラムに要する各種操作が行える。演算制御部１７は、上記プログラムらを実行し、各種演算および各種制御を行う。通信部１９は、外部無線機等から指示信号を受信する。演算制御部１７は、外部から指示された場合、測定点の方向にＥＤＭ２０を回転駆動させ、自動追尾の開始／停止等も行う。表示部２３は、各種表示や計測値等を表示する。

プリズム撮像部２１および画像撮像部２２は、画像信号を出力するイメージセンサであり、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等、画素（ピクセル）の集合体で構成されている。画像撮像部２２は、プリズム３の周囲風景（プリズム３も含めた風景）を撮影する。プリズム撮像部２１は、走査光の波長のみを通すフィルタが設けられており、プリズム３によって反射された走査部２４からの走査光を受光することで、プリズム３のみを好適に撮影するように構成されている。第２の画像撮像部２５は、任意の構成要素であり、画像撮像部２２よりも広角に撮影する。用途は後述する。

なお、上記は測量機２の構成の一例であり、当業者の知識に基づく改変がなされてよい。

（指示棒）
図３は第１の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図、図４は図３の指示棒４の計測状態の平面図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、プリズム３と、傾斜計シート５と、ボード３２とを備える。

支持体３１は、先端が石突き状に形成されており、計測時は先端が測定点Ｘに設置される。支持体３１の素材は特に限定されないが、例えば金属等、適度な剛性と軽量性を備えるものが好ましい。支持体３１の他方の端部には、ボード３２が支持体３１に垂直に固定されている。なお、ボード３２は一例かつ任意の構成要素であり、プリズム３および傾斜計シート５を支持体３１に後述の態様で固定するものであれば他の形態でもよい。ボード３２は、傾斜計シート５の画像撮影に影響の少ないものが好ましく、反射率の低い素材、剛性の強い素材等で形成するのが好ましい。

ボード３２の前面には、指示棒４（支持体３１）の軸方向ＰＰ上にプリズム３の中心（以下、プリズム中心Ｐｃ）が配置されるように、プリズム３が固定されている。なお、プリズム中心Ｐｃは、厳密にはプリズム３の浮上点とする。浮上点とは、プリズム３が測量機２に対し傾斜しても不動に見える仮想的な点を言う。プリズム中心Ｐｃから支持体３１の先端（測定点Ｘ）までの長さは既知の距離で固定されている（以下、この距離を固定長Ｌとする）。本形態では、プリズム３は、コーナーキューブプリズムの他に、入射光に対して平行な反射光を出射可能でかつターゲット中心が画像解析可能なものが採用でき、再帰性の反射シート等も使用できる。

さらに、ボード３２の前面には、プリズム３から任意距離離れた位置に、傾斜計シート５が固定されている。プリズム３および傾斜計シート５は、接着／ネジ止め／凹凸係合／溶着等の好適な固定手段にて固定されてよい。

（傾斜計シート）
図５は第１の実施形態に係る傾斜計シート５の構成を説明する図であり、（ａ）は傾斜計シート５の平面図、（ｂ）は傾斜計シート５の一部断面図（ａの線ｂ−ｂに沿う断面図）、（ｃ）は平凸レンズシート４４の一部平面図、（ｄ）は画像形成層４５の一部平面図である。なお、（ａ）では説明のために輪郭４２を白抜きで示す。

（ａ）に示すように、傾斜計シート５は、解析のためのマーク４３が現れるマーク面４１と、その輪郭４２とを備える。（ｂ）に示すように、傾斜計シート５は、平凸レンズシート４４と、画像形成層４５と、画像形成媒体４６とからなる。（ｃ）に示すように、平凸レンズシート４４は、複数の平凸レンズ４４ａがハニカム配列またはスクウェア配列されたものである。平凸レンズシート４４のピントは画像形成層４５にある。（ｄ）に示すように、画像形成層４５は、画像形成媒体４６上にインキ印刷等により形成された画像マーク４３ａが、平凸レンズ４４ａと略一対一に対応するよう繰り返し形成されている。画像形成層４５および画像形成媒体４６は透光性を有し、かつ透光性を有する状態で平凸レンズシート４４の平面を有する側に接着等により積層されている。

なお、本形態では輪郭４２は正円であるが、画像解析により傾斜計シート５のシート中心Ｋｃ（マーク面４１の中心）が求まる形状であればどのような形状であってもよい。また、画像マーク４３ａも、画像解析によりマーク中心Ｋｍが求まる形状であればどのような形状であってもよい。

傾斜計シート５をマーク面４１側から見ると、視線の移動方向に応じて、画像マーク４３ａの虚像（すなわち（ａ）に示すマーク４３）が、視線の移動方向と同方向に移動するか、視線の移動方向と反対方向に移動して見える。マーク４３が移動する向きは、レンズピッチと画像マークのピッチの大小により決定されるが、本発明においては、視線の移動方向に応じてマーク４３が規則的に移動すればよいため、いずれかを問わない。

傾斜計シート５は、視線方向との傾斜角に応じて、輪郭４２に対してのマーク４３の位置が変化するため、視線方向との傾斜角の変化が、シート中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒに対する関数で関係付けできる。従って、マーク面４１を撮影して画像解析することにより、視線方向に対する傾斜計シート５の傾斜角を解析することができる。この関数の一例は、日本特許公開公報２０１４−１０２２４６号にある。

以上の通り、本形態では、傾斜計シート５は、マーク面４１が指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に位置するように固定されている。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（計測手法）
まず、計測の概要から説明する。図６は三次元位置計測システム１の計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。

基本は、（ａ）に示すように、まずステップＳ１１で、走査部２４でプリズム３を探索走査する。次に、ステップＳ１２で、プリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３が自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ１１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ１３に移行し、プリズム３を測距測角し、プリズム３の三次元位置を計測する。次に、ステップＳ１４に移行し、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。なお、ステップＳ１３とＳ１４は同時に行われてもよい。次に、ステップＳ１５に移行し、プリズム３の三次元位置、傾斜計シート５の傾斜角、およびプリズム３の固定長Ｌに基づき、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ１６に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。

自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ２１で、プリズム３を探索走査し、ステップＳ２２で、プリズム撮像部２１を用いてプリズム３のみが撮影された画像から、プリズム３がロック（自動視準）できたか判断し、以降ステップＳ２３〜Ｓ２６はステップＳ１３〜Ｓ１６と同じである。ステップＳ２７で、自動追尾の停止が指示された場合は、ステップＳ２８に進み追尾を停止する。停止の指示がない場合は、ステップＳ２２に戻り、追尾を続ける。

（三次元位置の計算手法）
次に、第１の実施形態における、図６のステップＳ１５またはＳ２５における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図７は三次元位置を算出するフロー図である。図８〜図１０は、図７のフローの説明を補足するための図であって、図８および図９はビジュアル画像の例、図１０は計算手法のイメージ図である。なお、図９では説明のために輪郭４２を白抜きで示す。

まず、ステップＳ１１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃを画像解析する（図８参照）。

次に、ステップＳ１１２で、ＥＤＭ２０で得たプリズム３の測距値および水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たプリズム３の測角値を記憶部１８から読み出す。

次に、ステップＳ１１３で、画像上でのプリズム中心Ｐｃの位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｃおよび鉛直方向ずれ量Ｙｃを求め（図８参照）、ずれ量ＸｃおよびＹｃから、傾斜計シート５の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図１０参照）。なお、方向ベクトルとは、大きさを持たない向き情報のみを有するベクトルである。

次に、ステップＳ１１４で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、マーク４３のマーク中心Ｋｍを画像解析する（図９参照）。

次に、ステップＳ１１５で、画像上でのマーク中心Ｋｍとシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｄおよび鉛直方向ずれ量Ｙｄを求め、シート中心Ｋｃからマーク中心Ｋｍまでのマーク半径ｒを求める（図９参照）。

次に、ステップＳ１１６で、マーク面４１における長辺半径Ｒを画像解析する（図９参照）。

次に、ステップＳ１１７で、関数ｆ（ｒ/Ｒ）＝θより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の水平方向傾斜角θｘおよび鉛直方向傾斜角θｙを求める（図１０参照）。

次に、ステップＳ１１８で、方向ベクトルＢ、傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＡ）を求める（図１０参照）。

次に、ステップＳ１１９で、プリズム３の測距測角値から得るプリズム中心Ｐｃの三次元位置から、方向ベクトルＡの方向に、固定長Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（効果）
以上、第１の実施形態では、プリズム３の三次元位置（プリズム中心Ｐｃの測距測角値）と、傾斜計シート５から得た傾斜角（マーク面４１の傾斜角θｘ，θｙ）と、プリズム３の固定長Ｌから、測定点Ｘの三次元位置を求めることができる。

第１の実施形態の三次元位置計測システム１では、傾斜計シート５のマーク面４１を指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に設けているため、傾斜計シート５の解析で得られるマーク面４１の法線方向（方向ベクトルＡ）が指示棒４の軸方向ＰＰと一致する。このため、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ（図１０参照）から方向ベクトルＡの方向に固定長Ｌだけ移動させることで、測定点Ｘを計測できるのである。

なお、図６のステップＳ１１〜Ｓ１３またはＳ２１〜２３は、画像撮像部２２で得た画像を使用して視準を行っても、本発明は実施することができる。この場合、走査部２４による特定波長ではなく、連続スペクトルの照明光を使用して撮像された画像から視準されてもよい。

但し、画像撮像部２２とは別にプリズム撮像部２１を設け、Ｓ１１〜Ｓ１３またはＳ２１〜２３は、走査部２４とプリズム撮像部２１とで得たプリズム３のみが撮像された画像を使用して視準を行うことで、プリズム３の自動視準をより確実に行うことができ、プリズム３の位置をより正確に解析することができるので、上記のステップＳ１１９でのプリズム中心Ｐｃの三次元位置がより高精度で得られるため好ましい。

第１の実施形態により、作業者は、測定点Ｘに指示棒４の先端を当てるだけで、指示棒４が傾斜していても、プリズム３を整準させるなどの調整を行わなくとも、測定点Ｘの三次元位置を計測することができるため、作業効率が向上する。また、図６の（ｂ）に示すように、自動追尾機能と組み合わせれば、プリズム追尾時はプリズム３の測距測角値と傾斜角をリアルタイムに算出し、測定点Ｘの位置を更新することから、作業者は測定したい点に次々と指示棒４を当てるだけで連続した計測が可能となり、いっそう作業効率が向上する。

また、指示棒４の傾斜を測定するために新たなセンサを設ける必要がなく安価である。また、高精度に求まるプリズム位置を基準に傾斜計シート５の解析値から測定点Ｘを算出するため、センサ値を利用するよりも高精度である。また、傾斜計シート５は薄く小型であるため、作業性を低下させることもない。

（変形例）
以下は、第１の実施形態の変形例である。

図１１は第１の実施形態の変形例であって、傾斜計シート５の配置についての変形例である。傾斜計シート５の位置は、マーク面４１を指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に設けるという条件を守っていれば、任意の位置でよい。例えば、符号Ａに示すように指示棒４の周方向に配置したり、または符号Ｂに示すように指示棒４から離間させて配置してもよい。

図１２はプリズム３にフード７を設けた変形例である。傾斜計シート５は、視線からの傾斜角が大きい場合、マーク４３のモアレパターンが繰り返し見える特徴があり、このモアレパターンが誤測定を招くおそれがある。このため、プリズム３にフード７を設けるのが好ましい。これにより、視線方向からの傾斜角がマーク４３の１次以上のパターンが見える角度以上となった場合は、フード７によりプリズム３を視準できなくなるため、図６のステップＳ１２又はＳ２２以降動作しなくなり、計測が中止される。フード７は、例えば遮光性を持つ樹脂等で形成し、プリズム３の少なくとも半周を覆う形状とする。フード７の長さは、マーク４３の１次以上のパターンが見えなくなる位置により好適に決定される。また、この変形を採る場合は、フード７がマーク面４１に影を落とさないように、傾斜計シート５をフード７の先端位置まで移動させて配置するのも好ましい。また、フード７をプリズム３の全周覆う形状とすれば、３６０°いずれの方向からの計測においても上記効果を発揮できる。

図１３は傾斜計シート５の背面に照明装置８を設けた変形例である。照明装置８はどのような構成であってもよいが、少なくとも傾斜計シート５の有効範囲（マーク面４１）全体に照射が可能なように構成し、例えば図示のようにマーク面４１の面積に相当する前方開口部を有する筐体内にＬＥＤチップおよび電子基板を収容し、外部スイッチで必要に応じてＯＮ／ＯＦＦ可能に構成する。傾斜計シート５の背面に照明装置８を設けることにより、暗い場所での計測であってもマーク面４１が撮影できるようになるため、夜間等の計測時に有効である。

（第２の実施形態）
（システム全体）
第２の実施形態では、指示棒４の構成が第１の実施形態と異なり、これに伴い三次元位置の計算手法も第１の実施形態と異なる。

第２の実施形態に係る三次元位置計測システム１でも、図１に示すように、測量機２と、プリズム３および傾斜計シート５を有する指示棒４と、を備える。同様に、指示棒４は、先端を測定点Ｘに設置して使用される。

（測量機）
測量機２の内部構成については、第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載は省略する。

（指示棒）
図１４は第２の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、プリズム３と、傾斜計シート５と、ボード３２とを備える。

支持体３１については第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。支持体３１の他方の端部には、ボード３２が支持体３１と平行に固定されている。ボード３２の形態は、第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。

ボード３２の前面には、指示棒４（支持体３１）の軸方向ＰＰ上にプリズム中心Ｐｃ（浮上点）が配置されるように、プリズム３が固定されている。プリズム中心Ｐｃから支持体３１の先端（測定点Ｘ）までの長さは既知の固定長Ｌとされている。本形態では、プリズム３は、コーナーキューブプリズムの他に、入射光に対して平行な反射光を出射可能でかつターゲット中心が画像解析可能なものが採用でき、再帰性の反射シート等も使用できる。

ボード３２の前面には、指示棒４の軸方向ＰＰ上に傾斜計シート５のシート中心Ｋｃが配置されるように、傾斜計シート５が固定されている。本形態でも、プリズム３および傾斜計シート５は、接着／ネジ止め／凹凸係合／溶着等の好適な固定手段にて固定されてよい。

（傾斜計シート）
傾斜計シート５の構成については、第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。

以上の通り、本形態では、傾斜計シート５は、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃが、測定点Ｘおよびプリズム中心Ｐｃを結ぶ線上に位置するように固定されている。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（計測手法）
まず、計測の概要から説明する。計測の概要については、図６に示す三次元位置計測システムの計測フロー図と同様であるため、第１の実施形態での記載をもってここでの記載を省略する。

（三次元位置の計算手法）
次に、第２の実施形態における、図６のステップＳ１５またはＳ２５における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図１５は第２の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。図１６は図１５のフローの説明を補足するための図であって、第２の実施形態の計算手法のイメージ図である。

まず、図１５に示すステップＳ２１１〜Ｓ２１２は、第１の実施形態に示すステップＳ１１１〜Ｓ１１２と同様であるため、ここでの記載を省略する。

次に、ステップＳ２１３で、画像上でのプリズム中心Ｐｃの位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｃおよび鉛直方向ずれ量Ｙｃを求め（図８参照）、プリズム中心Ｐｃ、シート中心Ｋｃおよび測量機２の視点Ｅから、この三点を含む平面Ａ（第１の面）を求める（図１６参照）。

次に、ステップＳ２１４〜Ｓ２１７は、第１の実施形態に示すステップＳ１１４〜Ｓ１１７と同様であるため、ここでの記載を省略する。

次に、ステップＳ２１８で、ステップＳ２１７で求めた傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＣ）を求め（図１６参照）、プリズム中心Ｐｃにおいて方向ベクトルＣを法線とする平面Ｂ（第２の面）を求める（図１６参照）。

次に、ステップＳ２１９で、平面Ａと平面Ｂの交線Ｉを求める。

次に、ステップＳ２２０で、プリズム中心Ｐｃの三次元位置から、交線Ｉに沿って、固定長Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（効果）
以上、第２の実施形態では、プリズム３の三次元位置（プリズム中心Ｐｃの測距測角値）と、傾斜計シート５から得た傾斜角（マーク面４１の傾斜角θｘ，θｙ）と、プリズム３の固定長Ｌから、測定点Ｘの三次元位置を求めることができる。

第２の実施形態の三次元位置計測システム１では、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃを、測定点Ｘおよびプリズム中心Ｐｃを結ぶ線上に位置するように設けているため、言い換えれば、傾斜計シート５を指示棒４の軸方向ＰＰに平行に設け、シート中心Ｋｃ、プリズム中心Ｐｃ、および測定点Ｘが一直線上となるように設けているため、平面Ａ（測量機２からの視線方向に対して法線が垂直となる第１の面）と、平面Ｂ（測量機２からの視線方向で見た傾斜計シート５のマーク面４１の法線（方向ベクトルＣ）を法線とする平面）との交線Ｉが、指示棒４の軸方向ＰＰと一致する。このため、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ（図１７参照）から、交線Ｉに沿って、傾斜計シート５の存在する方向と反対方向に固定長Ｌだけ移動させることで、測定点Ｘを計測できるのである。

第２の実施形態により、作業者は、測定点に指示棒４の先端を当てるだけで、指示棒４が傾斜していても、プリズム３を整準させるなどの調整を行わなくとも、測定点Ｘの三次元位置を計測することができるため、作業効率が向上する。また、図６の（ｂ）に示すように、自動追尾機能と組み合わせれば、プリズム追尾時はプリズム３の測距測角値と傾斜角をリアルタイムに算出し、測定点Ｘの位置を更新することから、作業者は測定したい点に次々と指示棒４を当てるだけで連続した計測が可能となり、いっそう作業効率が向上する。

また、傾斜を測定するために新たなセンサを設ける必要がなく安価である。また、高精度に求まるプリズム位置を基準に傾斜計シート５の解析値から測定点Ｘを算出するため、センサ値を利用するよりも高精度である。また、傾斜計シート５は薄く小型であるため、作業性を低下させることもない。

（変形例）
以下は、第２の実施形態の変形例である。

傾斜計シート５の配置は、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃが、測定点Ｘおよびプリズム中心Ｐｃを結ぶ線上に位置するという条件を守っていれば、任意の位置でよい。例えば、図１４に示すプリズム３と傾斜計シート５の配置を上下入れ替えてよい。この場合は、固定長Ｌだけ移動する方向を上記と反対方向に設定するだけである。また、プリズム３の三次元位置から交線Ｉ上に移動させる手法であるので、プリズム３と傾斜計シート５は任意の距離離間されていてもよい。

図１７は第２の実施形態でプリズム３にフード７を設けた変形例である。フード７の構成および効果については、第１の実施形態での記載と同様である。

図１８は傾斜計シート５の背面に照明装置８を設けた変形例である。照明装置８の構成および効果については、第１の実施形態での記載と同様である。

（第３の実施形態）
（システム全体）
第３の実施形態では、指示棒４および傾斜計シート５の構成が第１および第２の実施形態と異なり、これに伴い三次元位置の計算方法が第１および第２の実施形態と異なる。

第３の実施形態に係る三次元位置計測システム１でも、図１に示すように、測量機２と、プリズム３および傾斜計シート５を有する指示棒４と、を備える。指示棒４は、先端を測定点Ｘに設置して使用される。

（測量機）
測量機２の内部構成については、第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。

（指示棒）
図１９は第３の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図、図２０は指示棒４の平面図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、プリズム３と、傾斜計シート５と、ボード３２とを備える。

支持体３１については第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。支持体３１の他方の端部には、ボード３２が支持体３１に垂直に固定されている。ボード３２の形態は、第１の実施形態と同様であるため、ここでの記載を省略する。

ボード３２の前面には、プリズム３を中心に、第１の位置Ｐ１および第２の位置Ｐ２に、傾斜計シート５が２枚配置されている。本形態では、第１の実施形態の傾斜計シートとは異なる構成の傾斜計シートが使用されている。よって以降は、一方を第１の一軸傾斜計シート５１、他方を第２の一軸傾斜計シート５２として区別する。

第１の一軸傾斜計シート５１は、プリズム３から任意距離離れた、シート中心線Ｋｃ１がプリズム中心Ｐｃと一致する第１の位置Ｐ１に固定されている。第２の一軸傾斜計シート５２は、第１の位置Ｐ１から９０度回転（本形態では時計回りに回転した位置であるが、反時計回りの位置でも良い）で、シート中心線Ｋｃ２がプリズム中心Ｐｃと一致する第２の位置Ｐ２に固定されている。本形態でも、プリズム３および一軸傾斜計シート５１，５２は、接着／ネジ止め／凹凸係合／溶着等の好適な固定手段にて固定されてよい。

（一軸傾斜計シート）
図２１は第３の実施形態に係る一軸傾斜計シート５１の構成を説明する図であり、（ａ）は一軸傾斜計シート５１の平面図、（ｂ）は一軸傾斜計シート５１の一部断面図（ａに示す線ｂ-ｂに沿う断面図）、（ｃ）は画像形成層４５の一部平面図である。なお、第２の一軸傾斜計シート５２の構成は第１の一軸傾斜計シート５１と同様であるため記載を省略する。

（ａ）に示すように、一軸傾斜計シート５１は、解析のためのマーク５３が現れるマーク面５４を備える。（ｂ）に示すように、一軸傾斜計シート５１は、シリンドリカルレンズシート５５と、画像形成層５６と、画像形成媒体５７とからなる。（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズシート５５は、複数のシリンドリカルレンズ５５ａが並列に配置されたものである。シリンドリカルレンズシート５５のピントは画像形成層５６にある。（ｃ）に示すように、画像形成層５６は、画像形成媒体５７上にインキ印刷等により形成された画像マーク５３ａが、シリンドリカルレンズ５５ａと略一対一に対応するよう繰り返し形成されている。画像形成層５６および画像形成媒体５７は透光性を有し、かつ透光性を有する状態でシリンドリカルレンズシート５５の平面を有する側に接着等により積層されている。なお、画像マーク５３ａは、図示するような矩形など、撮影画像から解析によりマーク中心Ｋｍ１が求まる形状であればどのような形状であってもよい。

一軸傾斜計シート５１をマーク面５４側から見ると、視線の移動方向に応じて、画像マーク５３ａの虚像（すなわち（ａ）に示すマーク５３）が、シートの長手方向（一軸方向）に、視線の移動方向と同方向に移動するか、視線の移動方向と反対方向に移動して見える。マーク５３が移動する向きは、レンズピッチと画像マークのピッチの大小により決定されるが、本発明においては、視線の移動方向に応じてマーク５３が規則的に移動すればよいため、いずれかを問わない。

一軸傾斜計シート５１は、視線との傾斜角に応じて、マーク面５４におけるマーク５３の位置が一軸で変化するため、視線との傾斜角の変化が、マーク５３の移動長ｒに対する関数で関係付けされている。従って、マーク面５４を撮影して画像解析することにより、視線方向に対する一軸傾斜計シート５１の傾斜角を解析することができる。

以上の通り、本形態では、一軸傾斜計シート５１，５２は、各マーク面５４が、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、ある点（本形態ではプリズム中心Ｐｃ）を中心に直角に位置するように固定されている。これにより、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（三次元位置の計算手法）
次に、第３の実施形態における、図６のステップＳ１５またはＳ２５における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図２２は第３の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図である。図２３は図２２のフローの説明を補足するための図であって、第３の実施形態の計算手法のイメージ図である。

まず、ステップＳ３１１は、第１の実施形態に示すステップＳ１１１と同様であるため、ここでの記載を省略する。

次に、ステップＳ３１２で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、第１の一軸傾斜計シート５１のシート中心線Ｋｃ１および第２の一軸傾斜計シート５２のシート中心線Ｋｃ２を画像解析し、その交点からシート全体としてのシート中心Ｋｃを求める（図２３参照）。

次に、ステップ３１３で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、第１の一軸傾斜計シート５１のマーク５３のマーク中心線Ｋｍ１および第２の一軸傾斜計シート５２のマーク５３のマーク中心線Ｋｍ２を画像解析し、マーク中心線Ｋｍ１とマーク中心線Ｋｍ２の交点からシート全体としてのマーク中心Ｋｍを求める。

次に、ステップＳ３１４で、全体としてのマーク中心Ｋｍと全体としてのシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量Ｘｄおよび鉛直方向ずれ量Ｙｄを求め、マーク移動長ｒを求める（図２３参照）。

次に、ステップＳ３１５で、一軸傾斜計シート５１，５２の長辺Ｒを画像解析する（図２３参照）。

次に、ステップＳ３１６で、関数ｆ（ｒ/Ｒ）＝θより、測量機２の視線方向から見た第１の一軸傾斜計シート５１の傾斜角θｘおよび第２の一軸傾斜計シート５２の傾斜角θｙを求める。

次に、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ、傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た、一軸傾斜計シート５１，５２全体でのマーク面の法線方向（方向ベクトルＡ）を求める（図１０参照）。

次に、ステップＳ３１８で、プリズム中心Ｐｃの三次元位置から方向ベクトルＡの方向に、固定長Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（効果）
以上、第３の実施形態では、プリズム３の三次元位置（プリズム中心Ｐｃの測距測角値）と、一軸傾斜計シート５１，５２から得たシート全体の傾斜角（傾斜角θｘ，θｙ）と、プリズム３の固定長Ｌから、測定点Ｘの三次元位置を求めることができる。

第３の実施形態の三次元位置計測システム１では、一軸傾斜計シート５１，５２の各マーク面５４を、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、プリズム中心Ｐｃを中心に直角に設けているため、一軸傾斜計シート５１，５２の解析で得られるシート全体でのマーク面における法線方向（方向ベクトルＡ）が指示棒４の軸方向ＰＰと一致する。このため、プリズム中心ＰｃまでのプリズムベクトルＰ（図１０参照）から方向ベクトルＡの方向に固定長Ｌだけ移動させることで、測定点Ｘを計測できるのである。

また、第１の実施例で行う輪郭４２を検出する画像処理が不要となり、より誤差を減らすことができる。また、本形態では、プリズム中心Ｐｃ＝全体のシート中心Ｋｃとなるように一軸傾斜計シート５１，５２を配置しているため、方向ベクトルＢを求める作業（図７のステップＳ１１３）が不要となる。

第３の実施形態により、作業者は、測定点Ｘに指示棒４の先端を当てるだけで、指示棒４が傾斜していても、プリズム３を整準させるなどの調整を行わなくとも、測定点Ｘの三次元位置を計測することができるため、作業効率が向上する。また、図６の（ｂ）に示すように、自動追尾機能と組み合わせれば、プリズム追尾時は測距測角と傾斜をリアルタイムに算出し、測定点Ｘの位置を更新することから、作業者は測定したい点に次々と指示棒４を当てるだけで連続した計測が可能となり、いっそう作業効率が向上する。

また、傾斜を測定するために新たなセンサを設ける必要がなく安価である。また、高精度に求まるプリズム位置を基準に一軸傾斜計シート５１，５２の解析値から測定点Ｘを算出するため、センサ値を利用するよりも高精度である。また、一軸傾斜計シート５１，５２は薄く小型であるため、作業性を低下させることもない。

（変形例）
以下は、第３の実施形態の変形例である。

図２４は第３の実施形態の変形例であって、一軸傾斜計シートの配置についての変形例である。一軸傾斜計シートの位置は、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、ある点を中心に直角に四方向に設けてもよい。この場合は、第１の一軸傾斜計シート５１と平行のものを第３の一軸傾斜計シート５３０、第２の一軸傾斜計シート５２と平行のものを第４の一軸傾斜計シート５４０とすると、先のステップＳ３１３で、マーク中心線Ｋｍ１およびマーク中心線Ｋｍ２に加え、第３の一軸傾斜計シート５３０のマーク中心線Ｋｍ３および第４の一軸傾斜計シート５４０のマーク中心線Ｋｍ４も求めることで、全体としてのマーク中心Ｋｍは、マーク中心線Ｋｍ１およびマーク中心線Ｋｍ３を結ぶ線とマーク中心線Ｋｍ２およびマーク中心線Ｋｍ４を結ぶ線との交点として求まる。よって、マーク中心線を延長する方向を演算しなくてよいことから、特に指示棒４が回転した場合（図２３の状態の基準位置から旋回した場合）に、ステップＳ３１３の演算処理量を減らすことができる。

図２５はプリズム３の配置についての変形例である。プリズム３の配置は、一軸傾斜計シート５１，５２の各マーク面５４を、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に、ある点Ｑを中心に少なくとも二つ直角に位置するように設けるという条件を守っていれば、任意の位置でよい。この場合は、プリズム中心Ｐｃ＝全体のシート中心Ｋｃではないため、Ｓ３１２とＳ３１３の間に方向ベクトルＢを求める作業（図７のステップＳ１１３）を行えばよい。

図２６は一軸傾斜計シート５１、５２の背面に照明装置８を設けた変形例である。照明装置８の構成および効果については、第１の実施形態での記載と同様である。

（第４の実施形態）
（システム全体）
第４の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、プリズム３を必須構成としない点が第１の実施形態と異なる。

（指示棒）
図２７は第４の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、傾斜計シート５と、を備える。支持体３１は、第１の実施形態と同様、先端は測定点Ｘに設置される。支持体３１の他方の端部には、傾斜計シート５が、指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面にマーク面４１が配置され、かつ指示棒４の軸方向ＰＰ上にシート中心Ｋｃが配置されるように、固定されている。シート中心Ｋｃから支持体３１の先端（測定点Ｘ）までの長さは既知の固定長Ｌで固定されている。すなわち、第４の実施形態では、傾斜計シート５のマーク面４１をターゲットとして視準し、シート中心Ｋｃをノンプリズム測距することにより、測定点Ｘの三次元位置を計測する。

（測量機）
図２８は第４の実施形態に係る測量機２´の内部構成を示すブロック図である。本形態は、第１の実施形態で使用した測量機２を用いても、次の構成の測量機２´を用いても、画像撮像部２２が高精度であれば実施できる。図２８の測量機２´では、プリズム３を視準（追尾）するために設けられていたＥＤＭ２０、プリズム撮像部２１、および走査部２４は必須の構成で無く、ノンプリズム測距部２０´があればよい。ノンプリズム測距部２０´は、ビームの細いレーザ光等の測距光を出射し、プリズム以外のターゲットまでの測距を行う測距部である。本形態では、ターゲットは傾斜計シート５のマーク面４１であり、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃへの視準（追尾）は、画像撮像部２２による撮像でのパターンマッチング等の公知の画像処理により行われる。

（計測手法）
第４の実施形態に係る計測の概要を説明する。図２９は第４の実施形態に係る三次元位置計測システムの計測フロー図であり、（ａ）は基本形のフロー、（ｂ）は自動追尾を行う場合のフローである。基本は、（ａ）に示すように、まずステップＳ３１で、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。次に、ステップＳ３２で、画像撮像部２２を用いて撮影された画像から、シート中心Ｋｃを画像解析し、ターゲットを自動視準できたか判断する。視準できていない場合は、ステップＳ３１に戻る。視準できた場合は、ステップＳ３３に移行し、シート中心Ｋｃを測距測角し、シート中心Ｋｃの三次元位置を計測する。次に、ステップＳ３４に移行し、測定点Ｘの三次元位置を計算する。次に、ステップＳ３５に移行し、表示部２３に測定点Ｘを表示して終了する。自動追尾を行う場合は、（ｂ）に示すように、まずステップＳ４１で、画像撮像部２２で傾斜計シート５を撮影する。次に、ステップＳ４２で、ターゲットとなるシート中心Ｋｃをロック（自動視準）できたか判断し、できた場合は、ステップＳ４３に移行してシート中心Ｋｃを測距測角する。その他のステップＳ４４〜４７は、図６のステップＳ２５〜Ｓ２８と同じである。

（三次元位置の計算手法）
次に、第４の実施形態における、図２９のステップＳ３４またはＳ４４における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図３０は第４の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図、図３１は第４の実施形態の計測手法のイメージ図である。まず、ステップＳ４１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃを画像解析し、傾斜計シート５の位置方向（方向ベクトルＢ）を求める（図３１参照）。次に、ステップＳ４１２で、ノンプリズム測距部２０´でシート中心Ｋｃの測距値を測定し、水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たシート中心Ｋｃの測角値を測定して、シート中心ＫｃまでのベクトルＰ´を求める。次に、ステップＳ４１３〜Ｓ４１７は、第１の実施形態におけるステップＳ１１４〜Ｓ１１８（図７）と同様である。最後に、ステップＳ４１８で、傾斜計シート５の測距測角値から得るシート中心Ｋｃの三次元位置から、方向ベクトルＡの方向に、固定長Ｌだけ移動させて、測定点Ｘの三次元位置を求める。

（効果）
以上、第４の実施形態では、第１の実施形態におけるプリズム３を視準（追尾）してプリズム測距を行う工程を、傾斜計シート５を視準（追尾）してノンプリズム測距する工程に置き換えたことで、プリズム３が無くとも、第１の実施形態と同様、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

（変形例）
第４の実施形態においても、図１１に倣って、傾斜計シート５の位置は、マーク面４１を指示棒４の軸方向ＰＰに対して垂直な面に設けるという条件を守っていれば、任意の位置にオフセットさせてよい。この場合は、画像認識可能な解析パターン（視準のしやすい精度の高いパターン）を測定点Ｘから固定長Ｌの位置に配置すればよい。上記解析パターンの例として、同心円状の形状を採用する、傾斜計シート５とは異なる色とする、ＱＲコード（登録商標）のようなバーコードを付ける、などが考えられる。また、第４の実施形態においても、傾斜計シート５の背面に照明装置を配置してよい。

（第５の実施形態）
（システム全体）
第５の実施形態は、第２の実施形態の変形であり、プリズム３を必須構成としない点が第２の実施形態と異なる。

（指示棒）
図３２は第５の実施形態に係る指示棒４の構成を示す右方斜視図である。指示棒４は、棒状の支持体３１と、傾斜計シート５と、を備える。本形態の傾斜計シート５には、輪郭４２に、パターン認識可能な第２のマーク４７が設けられている。支持体３１は、第１の実施形態と同様、先端は測定点Ｘに設置される。支持体３１の他方の端部には、傾斜計シート５が、支持体３１と平行かつ指示棒４の軸方向ＰＰ上に傾斜計シート５のシート中心Ｋｃ、第２のマーク４７のマーク中心Ｐｃ´が配置され、すなわち測定点Ｘ、シート中心Ｋｃ、および第２のマーク中心Ｐｃ´が同一線上に設けられるように固定されている。シート中心Ｋｃから測定点Ｘまでの長さは既知の固定長Ｌとされている。

（測量機）
本形態でも、第２の実施形態に係る測量機２に代えて、図２８に示した測量機２´を採用できる。

（計測手法）
本形態における計測の概要については、図２９に示す三次元位置計測システムの計測フロー図と同様である。

（三次元位置の計算手法）
次に、第５の実施形態における、図２９のステップＳ３４またはＳ４４における、測定点Ｘの三次元位置を計算する手法について説明する。図３３は第５の実施形態に係る三次元位置を算出するフロー図、図３４は第５の実施形態の計測手法のイメージ図である。

まず、ステップＳ５１１で、画像撮像部２２で撮影したビジュアル画像から、傾斜計シート５のシート中心Ｋｃおよび第２のマーク４７のマーク中心Ｐｃ´を画像解析する。

次に、ステップＳ５１２で、ノンプリズム測距部２０´でシート中心Ｋｃの測距値を測定し、水平角検出器１１および鉛直角検出器１２で得たシート中心Ｋｃの測角値を測定して、シート中心ＫｃまでのベクトルＰ´を求める。

次に、ステップＳ５１３で、画像上での第２のマーク中心Ｐｃ´の位置とシート中心Ｋｃの水平方向ずれ量および鉛直方向ずれ量を求め、第２のマーク中心Ｐｃ´、シート中心Ｋｃおよび測量機２の視点Ｅから、この三点を含む平面Ａ（第１の面）を求める（図３４参照）。

次に、ステップＳ５１４〜Ｓ５１７は、第２の実施形態に示すステップＳ２１４〜Ｓ２１７と同様である。

次に、ステップＳ５１８で、ステップＳ５１７で求めた傾斜角θｘおよび傾斜角θｙより、測量機２の視線方向から見た傾斜計シート５の法線方向（方向ベクトルＣ）を求め（図３４参照）、シート中心Ｋｃにおいて方向ベクトルＣを法線とする平面Ｂ（第２の面）を求める（図３４参照）。次に、ステップＳ５１９で、平面Ａと平面Ｂの交線Ｉを求める。次に、ステップＳ５２０で、シート中心Ｋｃの三次元位置から、交線Ｉに沿って、固定長Ｌだけ移動させれば、測定点Ｘの三次元位置を求めることができる。

（効果）
以上、第５の実施形態では、第２の実施形態におけるプリズム３を視準（追尾）してプリズム測距を行う工程を、傾斜計シート５を視準（追尾）してノンプリズム測距する工程に置き換え、平面Ａ（交線Ｉ）を求めるための第２のマーク４７を設けることで、プリズム３が無くとも、第２の実施形態と同様、測定点Ｘの三次元位置を作業効率良く計測することができる。

（変形例）
第５の実施形態においても、傾斜計シート５の配置は、測定点Ｘ、シート中心Ｋｃ、および第２のマーク中心Ｐｃ´が同一線上に位置し、シート中心Ｋｃと測定点Ｘの固定長Ｌが分かっていれば、任意の位置でよい。第２のマーク４７は、予めパターンが分かりその中心が解析できるものであれば、任意のものであってよい。図のように、例えば白ドットなど、輪郭４２との色コントラストが大きいものが好ましい。また、第５の実施形態においても、傾斜計シート５の背面に照明装置を配置してよい。

（第６の実施形態）
（システム全体）
第６の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、棒（支持体３１）を必須構成としない点が第１の実施形態と異なる。図３５は第６の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。測量機２は第１の実施形態と同様でよく、プリズム３はプリズム撮像部２１で撮像されるのが好適である。第６の実施形態は、支持体３１が無く、プリズム３と、傾斜計シート５と、ボード３２とを備える。

（効果）
すなわち、支持体３１が無くとも、測定点Ｘから固定長Ｌだけオフセットした位置にプリズム３（プリズム中心Ｐｃ）を配置し、傾斜計シート５のマーク面４１を測定点Ｘとプリズム中心Ｐｃを結ぶ線に対して垂直な面に設ければ、第１の実施形態と同様の手法（図７のフロー）で、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。この形態は、例えば図３５に示すように、ある筐体６０内に何らかのセンサ６１を内蔵した装置に対し、筐体６０によりプリズム３をセンサ６１の付近に置くことができない場合に有効である。固定長Ｌは、当該装置の機械図面などを利用して求めればよい。

（第７の実施形態）
（システム全体）
上記と同様に、第７の実施形態は、棒（支持体３１）を必須構成としない点が第２の実施形態と異なる。図３６は第７の実施形態に係る構成を示す右方斜視図である。測量機２は第２の実施形態と同様でよく、プリズム３はプリズム撮像部２１で撮像されるのが好適である。第７の実施形態は、支持体３１が無く、プリズム３と、傾斜計シート５と、ボード３２とを備える。

（効果）
すなわち、支持体３１が無くとも、シート中心Ｋｃ、プリズム中心Ｐｃ、および測定点Ｘが一直線上となるように配置し、かつプリズム中心Ｐｃを測定点Ｘから固定長Ｌオフセットした位置に配置すれば、第２の実施形態と同様の手法（図１５のフロー）で、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

なお、第６および第７の実施形態において、第４および第５の実施形態に倣い、プリズム３に代えて傾斜計シート５をノンプリズム測距する構成に変更しても、測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。

この他、上記全実施形態に係る他の変形として、近距離計測時に、画像撮像部２２の視野内にプリズム３および／または傾斜計シート５が映らないおそれがあるため、測量機２に、より広角な第２の画像撮像部２５を設けておくのもよい。

また、指示棒４の支持体３１の先端にマーキングペンを設けることで、作業時には測定した軌跡を現場に残すことができる。なお、描画した軌跡（測定点Ｘ）はデータとしてリアルタイムで記録されているため、演算制御部１７にて描かれた速度等の情報も取得することができる。

また、指示棒４の長さは、固定長Ｌが正確に分かりかつ位置決めされる形態で自由に伸縮可能に構成されてよい。

以上、本発明の三次元位置計測システム１について、実施の形態および変形例を述べたが、これらは本発明の一例であり、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１三次元位置計測システム
２測量機
３プリズム
４指示棒
５傾斜計シート
５１，５２一軸傾斜計シート（傾斜計シート）
１１水平角検出器（測角部）
１２鉛直角検出器（測角部）
１７演算制御部
２０ＥＤＭ（測距部）
２１プリズム撮像部
２２画像撮像部
４１、５４マーク面
４３、５３マーク
Ｋｃシート中心
Ｐｃプリズム中心
Ｋｍマーク中心
θｘ，θｙ傾斜角
Ｌ固定長
平面Ａ（第１の面）
平面Ｂ（第２の面）
Ｐ１第１の位置
Ｐ２第２の位置
２０´ ノンプリズム測距部
４７第２のマーク
Ｐｃ´ 第２のマークのマーク中心

Claims

測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、
測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、
視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、
前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に設け、
前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、
測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、
視線方向からの傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、
前記傾斜計シートのシート中心を、前記測定点および前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線上に設け、
前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し画像解析して前記シート中心を求め、前記シート中心と前記プリズム中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、
前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、
測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に前記プリズムが固定された指示棒と、
視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートと、を備え、
前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を、前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に、ある点を中心に少なくとも二つ直角に設け、
前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、
測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートが固定された指示棒と、を備え、
前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記指示棒の軸方向に対して垂直な面に設け、
前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、
前記傾斜計シートを前記ターゲットとして前記測距部および前記測角部で得た前記傾斜計シートのシート中心の三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部とを有する測量機と、
測定点に設置され、前記測定点から既知の固定長ずれる位置に視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートが固定された指示棒と、を備え、
前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面以外の箇所にパターン認識可能な第２のマークを設け、前記測定点、前記傾斜計シートのシート中心、および前記第２のマークのマーク中心を同一線上に設け、
前記画像撮像部にて前記マーク面および前記第２のマークを撮像し画像解析して前記シート中心および前記第２のマークのマーク中心を求め、前記シート中心および前記第２のマークのマーク中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、
前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、
前記傾斜計シートを前記ターゲットとして前記測距部および前記測角部で得た前記傾斜計シートのシート中心の三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、
測定点から既知の固定長ずれる位置に固定された前記プリズムと、
視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを備えた傾斜計シートと、を備え、
前記傾斜計シートの前記マークを有するマーク面を前記測定点と前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線に対して垂直な面に設け、
前記画像撮像部にて前記マーク面を撮像し、前記マーク面を画像解析して前記測量機からの視線方向に対する傾斜計シートの傾斜角を算出し、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記傾斜計シートの傾斜角から得た前記マーク面の法線方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
測定点の三次元位置を計測するための三次元位置計測システムであって、
ターゲットとするプリズムまでの測距を行う測距部および測角を行う測角部と、画像撮像部と、を有する測量機と、
測定点から既知の固定長ずれる位置に固定された前記プリズムと、
視線方向に対する傾斜角を解析できるマークを有する傾斜計シートと、を備え、
前記傾斜計シートのシート中心を、前記測定点および前記プリズムのプリズム中心を結ぶ線上に設け、
前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し画像解析して前記シート中心を求め、前記シート中心と前記プリズム中心と前記測量機からの視線を含む第１の面を算出し、
前記測量機からの視線方向で見た前記傾斜計シートの法線を法線とする第２の面を算出し、前記第１の面と前記第２の面の交線を求め、
前記測距部および前記測角部で得た前記プリズムの三次元位置から、前記交線に沿う方向に前記固定長分移動して、
前記測定点の三次元位置を計測することを特徴とする三次元位置計測システム。
前記測量機は、前記プリズムの周囲風景を撮影する前記画像撮像部と、さらに、前記プリズムを撮影するプリズム撮像部とを有し、
前記画像撮像部にて前記マークを有するマーク面を撮像し、前記プリズム撮像部にて前記プリズムを撮像して前記プリズムを視準することを特徴とする請求項１，２，３，６，７のいずれかに記載の三次元位置計測システム。