JP7097709B2

JP7097709B2 - 測量システム

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Publication number: JP7097709B2
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Inventors: 信幸西田; 陽佐々木
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Description

本発明は、測量対象の三次元データを取得する測量システムに関する。

近年、測量現場で三次元測量が頻繁に行われている。例えば特許文献１の[００３３][００５１]には、第二、第三の実施形態として、移動体に搭載したスキャナの走査によって測量対象の三次元座標点群データを取得し、移動体のプリズムを測量機で追尾してスキャナの位置を特定し、スキャナの姿勢を移動体に搭載したＩＭＵ（慣性計測装置）やカメラ撮影による画像解析で特定し、走査による三次元座標点群データをスキャナの位置及び姿勢データで補正して精度を向上させる測量システムが開示されている。

特願２０１７－１７９７０１号

特許文献１の第三の実施形態において画像解析によって取得されるスキャナの姿勢は、カメラの各撮影時の姿勢を取得できたとしても撮影が行われない撮影間に取得することが出来ない。スキャナは、撮影間隔よりも短い間隔で三次元座標データを走査するため、その間のスキャナの姿勢データが得られれば、補正によって更に正確な測量対象の三次元座標点群データを得られる点で望ましい。

また、特許文献１の第二の実施形態で採用されたＩＭＵは、３軸ジャイロのみならず加速度センサ、磁気センサ等の諸々のセンサを搭載することで移動体に搭載したスキャナの姿勢を精細に検出出来る反面コストが高いため、移動体を飛行体として形成する場合に墜落による破損が大きな問題となる。

本発明は、測量対象の三次元座標点群データを取得するにあたり、スキャナの姿勢をより詳細に得られる測量システムを安価に提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量システムは、測距光によって測量対象を走査するスキャナを搭載した移動体と、スキャナの位置を測定する位置測定装置と、スキャナの姿勢を検出する姿勢検出装置と、を備えた測量システムであって、前記姿勢検出装置は、定期的な撮影によって画像データを取得する撮像部と、前記スキャナの３軸姿勢角を検出する３軸角速度センサと、演算制御部と、を備え、前記演算制御部が、前記画像データの画像解析により撮影毎に取得されるスキャナの撮影時３軸姿勢角と、前記３軸角速度センサの検出値から算出されるスキャナの３軸姿勢相対変位角との和によってスキャナの姿勢情報を算出するように構成される。

上記態様において、前記演算制御部は、撮像部による各撮影の間に前記３軸角速度センサによって検出された３軸後姿勢角から撮像部による各撮影時に前記３軸角速度センサによって検出された３軸前姿勢角を減じることによって前記３軸姿勢相対変位角を算出するように構成されることも好ましい。

上記態様において、前記３軸角速度センサが、前記３軸後姿勢角をスキャナの走査時点で検出するとともに前記３軸前姿勢角を走査時点より前の直近の撮影時に検出するように構成されることも好ましい。

上記態様において、前記移動体がプリズムを有し、前記位置測定装置が、前記プリズムを追尾して測距及び測角を行う測量機であることも好ましい。

上記態様において、前記位置測定装置が、前記移動体に設けられたＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全地球測位航法衛星システム）装置であることも好ましい。

上記態様において、前記位置測定装置が、移動体に設けられた撮像部を備えた画像解析装置であることも好ましい。

上記態様において、前記スキャナが、測距光を発する出射部，反射測距光を受光する受光部，前記受光部の出力に基づき測距を行う測距部，前記測距光の光軸上に配置され前記測距光を偏向する第一光軸偏向部、前記反射測距光の受光光軸上に配置され前記第一光軸偏向部と同一の偏角および方向で前記反射測距光を偏向する第二光軸偏向部，並びに前記第一光軸偏向部および前記第二光軸偏向部の偏角および方向を検出する出射方向検出部，を有することも好ましい。

本発明の測量システムによれば、高価なＩＭＵを採用しなくても画像処理解析で得られる撮影時のスキャナの姿勢と、安価な３軸角速度センサで得られるスキャナの３軸姿勢角の変動値から撮影時のみならず撮影間のスキャナの姿勢を詳細に取得でき、位置測定装置で得られるスキャナの位置と共に走査による三次元座標点群データを補正することで三次元測量の成果物を高精度に得ることができる。

本発明の測量システムによれば、スキャナの３軸姿勢角の変動値である３軸姿勢相対変位角は、３軸角速度センサによって撮影間に検出されるスキャナの３軸後姿勢角から撮影時に検出される３軸前姿勢角を減じた相対変位から容易に得られ、スキャナの３軸絶対姿勢角は、画像解析で得られたスキャナの３軸姿勢角に３軸角速度センサで検出される３軸姿勢角の変動値を加えることで高精度に得られる。

本発明の測量システムによれば、スキャナの走査時点で検出される３軸後姿勢角から走査時点より前の直近の（撮像部による）撮影時に検出される３軸前姿勢角を減じてスキャナの３軸姿勢相対変位角を得ることで走査時点毎のスキャナの姿勢を詳細に取得でき、走査毎のスキャナの姿勢を高精度に得ることができる。

本発明の測量システムによれば、測量機、ＧＮＳＳ装置または画像解析装置からなる位置測定装置で得られたスキャナの位置と姿勢検出装置でえられたスキャナの姿勢でスキャナの走査による三次元座標点群データを補正することで三次元測量の成果物を高精度に得ることができる。

本発明の測量システムによれば、スキャナにより測距光を自在に偏向して走査出来ることにより、自在度の高い三次元座標点群データからなる三次元測量の成果物を高精度に得ることができる。

第１の実施形態に係る測量システムの全体構成図である。第１の実施形態に係る測量用移動装置の構成図であり、（Ａ）は同装置の側面図、（Ｂ）は同装置の底面図である。第１の実施形態に係る測量システムに搭載されるフレネルスキャナの構成ブロック図である。第１の実施形態に係る測量システムの制御ブロック図である。姿勢検出装置による姿勢検出方法の説明図である。第１の実施形態に係る測量システムの動作フローチャートである。第２の実施形態に係る測量システムの全体構成図であり、（Ａ）は同システムの側面図、（Ｂ）は同システムの底面図である。第２の実施形態に係る測量システムの制御ブロック図である。第２の実施形態に係る測量システムの動作フローチャートである。第３の実施形態に係る測量システムの全体構成図であり、（Ａ）は同システムの側面図、（Ｂ）は同システムの底面図である。第３の実施形態に係る測量システムの制御ブロック図である。第３の実施形態に係る測量システムの動作フローチャートである。第１の実施形態に係る測量システムの変形例である。

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）
図１は、第１の実施形態に係る測量システム１の全体構成図であり、図２（Ａ）は測量システム１の測量用移動装置の１０の側面図、（Ｂ）は測量システム１の測量用移動装置１０の底面図である。測量システム１は、測量用移動装置１０と測量器２０によって構成される。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、測量用移動装置１０は、移動体２と、スキャナ３と、撮像部４と、３軸角速度センサ５と、測量機２０のターゲットとなるプリズム９とを有する。本形態では、プリズム９は、スキャナ３のレンズ部の先端横に固定されている。プリズム９の固定位置はこれ以外の箇所であってもよいが、スキャナの測定基準点３ｏとプリズム９の光学中心（光学的な反射点）９ｏとのロール軸・ピッチ軸・ヨー軸方向の各ずれ量（ｄｒ，ｄｐ，ｄｙ）は、プリズム９を取り付ける際に既知としておく。

移動体２は、自律飛行可能な無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Air Vehicle）である。移動体２は、放射状に延出する複数のプロペラ６と、図示しない飛行ユニットを有し、予め定められた飛行経路を飛行したり、遠隔操作により自由に飛行することが可能である。

スキャナ３は、レーザ測距光を送光し、測量対象のスキャン点の三次元位置を計測する。スキャナ３は、光の出射部と受光部にそれぞれ、リズレープリズム（Risley Prism）を備える光軸偏向部が配置されており、測距光を任意の方向に偏向できる。スキャナ３の基準光軸Ｏは、移動体２が水平姿勢の時に鉛直下方向に向くように設けられている（図２（Ａ）参照）。なお、符号３ｏは、基準光軸Ｏ上にあるスキャナ３の測定基準点を示している。

図３はスキャナ３の構成ブロック図である。スキャナ３は、出射部３ａ、受光部３ｂ、測距部３ｃ、スキャン演算部３ｄ、出射方向検出部３ｍを有する。出射部３ａは、発光素子３ｅと、一対のリズレープリズム３ｆ,３ｇを備える。発光素子３ｅからは、測距光３ｈ’が出射される。リズレープリズム３ｆ,３ｇは、測距光の光軸３ｈを中心に対向し、モータドライバ３ｎによりそれぞれ独立に回転可能である。リズレープリズム３ｆ,３ｇは、測距光３ｈ’を偏向する第一光軸偏向部として機能する。受光部３ｂは、受光素子３ｉと、複数のリズレープリズムが連続した、一対のフレネルプリズム３ｊ,３ｋを備える。受光素子３ｉは、スキャン点からの反射測距光を受光する。フレネルプリズム３ｊ,３ｋは、反射測距光３ｌ’の光軸３ｌを中心に対向し、モータドライバ３ｎによりそれぞれ独立に回転可能である。フレネルプリズム３ｊ,３ｋは、反射測距光３ｌ’を偏向する第二光軸偏向部として機能する。なお、図３では、出射側に第一光軸偏向部が配置され、受光側に第二光軸偏向部が配置されているが、出射側と受光側で光軸偏向部を共用する構成であってもよい。

測距部３ｃは、測距光３ｈ’を送光し、受光素子３ｉの受光信号に基づき、測距光３ｈ’が往復する時間を計測することで，スキャン点までの距離を取得する。出射方向検出部３ｍは、モータドライバ３ｎに入力する駆動パルスをカウントすることで、または、エンコーダを使用して、リズレープリズム３ｆ,３ｇの回転方向、回転量、回転速度を検出する。リズレープリズム３ｆ,３ｇを通過することで、測距光３ｈ’は任意の方向に偏向される。スキャン演算部３ｄは、出射方向検出部３ｍからリズレープリズム３ｆ,３ｇの屈折率と回転角を得て、これらに基づき、測距光３ｈ’の偏角および方向を演算する。

出射方向検出部３ｍは、同様に、フレネルプリズム３ｊ,３ｋの回転方向、回転量、回転速度を検出する。スキャン演算部３ｄは、フレネルプリズム３ｊ,３ｋがリズレープリズム３ｆ,３ｇと常に同じ偏角，方向となるように制御する。フレネルプリズム３ｊ,３ｋを通過することで、反射測距光３ｌ’は受光光軸３ｌと合致するように偏向される。

以上の構成により、スキャナ３では、リズレープリズム３ｆ,３ｇの回転位置の組み合わせにより、測距光３ｈ’の偏向角および方向を任意に偏向し、スキャン点の三次元座標点群データを取得することができる。また、リズレープリズム３ｆ,３ｇの位置関係を固定した状態で、リズレープリズム３ｆ,３ｇを一体回転することで、測距光３ｈ’を、偏向基準軸Ｏ’を中心として、例えば円状に走査させることができる（後述の図４参照）。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す撮像部４は、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサを有するカメラであり、各画素は画像素子上での位置が特定できるようになっている。例えば、各画素は、撮像部４の撮像光軸Ｏ’を原点とした座標系で画像上での位置が特定される。撮像部４は、移動体２に内蔵されており、スキャナ３の機械機構と位置をずらして固定されている。撮像部４の撮像光軸Ｏ’は、移動体２が水平姿勢の時に鉛直下方向に向くように設けられている。

図２（Ａ）に示す３軸角速度センサ５は、スキャナ３と共に移動体２に一体に固定された３軸ジャイロセンサで構成され、スキャナの３軸方向の角速度から所定時点におけるスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）を取得する。本形態で、撮像部４と３軸角速度センサ５は、後述する演算制御部７と共にスキャナ３の姿勢を検出する姿勢検出装置１３として機能する。

図１に示す測量機２０は、ターゲットを自動追尾可能なトータルステーションであり、水平回転する本体２０ａと、本体２０ａに鉛直回転可能に設けられた望遠鏡２０ｂとを有する。測量機２０は、三脚を用いて既知の点に据え付けられている。本形態において、測量機２０は、スキャナ３の位置を測定する位置測定装置として機能する。

図４は測量システム１の制御ブロック図である。測量用移動装置１０側は、スキャナ３、撮像部４、３軸角速度センサ５、演算制御部７、操作部８、通信部１１、およびタイマ１２を有する。操作部８からは、演算制御部７に対し各種の動作指示や設定を入力できる。

演算制御部７は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラである。演算制御部７は、図示しない飛行ユニットを制御するとともに、スキャナ３から測量対象の三次元座標点群データ（スキャン点までの距離および角度）を取得し、撮像部４で測量対象等を撮影することによって取得される撮影毎の画像データと３軸角速度センサ５によって撮影時と撮影間の時点でそれぞれ検出されるスキャナ３の３軸姿勢角からスキャナ３の姿勢情報を算出し、測量機２０からスキャナ３の位置情報を取得する。演算制御部７は、スキャナ３の送光信号の出力のタイミングでタイマ１２からシステムタイムを取得し、三次元座標点群データとスキャナ３の位置情報および姿勢情報のそれぞれに時刻を付与する。

姿勢検出装置１３によるスキャナ３の姿勢検出は、以下のように行われる（図５を参照）。まず、撮像部４は、例えば２秒間隔等の所定間隔で定期的に測量対象を撮影（撮影間隔は２秒に限られない）し、スキャナ３は、撮像部４の撮影間隔よりもかなり短い走査間隔で測量対象の三次元座標点群データを取得する。演算制御部７は、定期的に取得された画像データをＳｆＭ（Structure from Motion）等で画像解析することにより、各撮影時（Ｐ１，Ｐ２・・・）におけるスキャナ３の姿勢を表す撮影時３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）を算出し、３軸角速度センサ５によって撮像部４の各撮影時（Ｐ１，Ｐ２・・・）に検出されるスキャナ３の３軸前姿勢角及び撮像部４の撮影間（Ｐ１とＰ２の間）に検出されるスキャナ３の３軸後姿勢角の差分からスキャナ３の３軸姿勢相対変位角を算出し、最後に撮影時の撮影時３軸姿勢角に当該撮影時からのスキャナ３の３軸方向の相対変化量である３軸姿勢相対変位角を加えることでスキャナ３の撮影間３軸姿勢角（撮影間の姿勢情報）を算出する。尚、スキャナ３の３軸姿勢角は、スキャナ３を固定した移動体３が水平姿勢にあり、かつスキャナ３の基準光軸Ｏが鉛直下方向を向いた位置を基準とした３軸方向の変位角で表される。また、撮像部４は、移動体２においてスキャナ３と一体に固定されているため、撮像部４の姿勢は、スキャナ３の姿勢とみなすことが出来る。

具体的には、図５において、撮像部４によって順に行われる撮影時点Ｐ０、Ｐ１・・Ｐｎで画像解析から算出される撮影時３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）をそれぞれＳＰ０（α１０，β１０、γ１０）、ＳＰ１（α１１，β１１、γ１１）・・・ＳＰｎとし、撮影時点Ｐ０、Ｐ１・・Ｐｎで３軸角速度センサ５によって検出される３軸前姿勢角をそれぞれＧＰ０（Φ１０，θ１０、ψ１０）、ＧＰ１（Φ１１，θ１１、ψ１１）・・・ＧＰｎとし、撮影時点Ｐ１とＰ２との間において等間隔で行われるスキャナ３の各走査時点Ｓｃ１、Ｓｃ２・・・・Ｓｃｎで３軸角速度センサ５によって検出されるスキャナ３の３軸後姿勢角をそれぞれＧ１（Φ２１，θ２１、ψ２１）、Ｇ２（Φ２２，θ２２、ψ２２）・・・Ｇｎ（Φ２ｎ，θ２ｎ、ψ２ｎ）とすると、Ｐ１とＰ２の撮影間の各走査時点Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３・・・・Ｓｃｎにおけるスキャナ３の姿勢を示す３軸絶対姿勢角Ｓｎ（Φｎ，θｎ、ψｎ）は、一例として「３軸姿勢角Ｓｎ（Φｎ，θｎ、ψｎ）＝走査時点前の直近の撮影時姿勢角ＳＰ０（α１０，β１０、γ１０）+３軸姿勢相対変位角＝ＳＰ０（α１０，β１０、γ１０）+｛３軸後姿勢角Ｇｎ（Φ２ｎ，θ２ｎ、ψ２ｎ）－３軸前姿勢角ＧＰ０（Φ１０，θ１０、ψ１０）｝」によって算出される。

測量システム１によれば、撮像部の画像解析で得られるスキャナ３の撮影時姿勢角に撮影時からのスキャナ３の３軸姿勢相対変位角を加えることにより、画像解析のみでは得られない撮像部４の撮影間における走査毎のスキャナ３の姿勢を精度良く取得することが出来、撮影時からのスキャナ３の３軸姿勢変位角を安価な３軸ジャイロセンサからなる３軸角速度センサ５の相対変位量から得ることで絶対変位角の算出精度が低い安価な３軸ジャイロセンサであっても撮影時からのスキャナ３の３軸変位角を高精度で得ることが出来る。尚、３軸角速度センサ５によるスキャナ３の３軸後姿勢角の検出時点は、スキャナ３の走査時点の姿勢を検出する点で走査時点に同期させることが望ましいが、走査時点以外に検出時点を設けて走査時点以外のスキャナ３の姿勢を求めても良い。

尚、本実施例においては、Ｐ１において画像解析のみで得られるスキャナ３の撮影時姿勢角と、Ｐ０の画像解析で得られる撮影時姿勢角に３軸角速度センサ５で得られた３軸姿勢相対変位角を加えて得られたＰ１におけるスキャナ３の３軸姿勢角との間に誤差が発生して不連続となることを避けるために３軸角速度センサ５で得られた３軸後姿勢角Ｇ１、Ｇ２・・・Ｇｎの値に所定の補正係数を乗じても良い。

図４の測量システム１の制御ブロック図において測量機２０側は、水平角検出器２１と、鉛直角検出器２２と、水平回転駆動部２３と、鉛直回転駆動部２４と、表示部２５と、操作部２６と、演算制御部２７と、追尾部２８と、測距部２９と、記憶部３０と、通信部３１と、タイマ３２を有する。

水平回転駆動部２３と鉛直回転駆動部２４は、モータであり、演算制御部２７に制御されて、それぞれ水平回転軸と鉛直回転軸を駆動する。表示部２５と操作部２６は、測量機２０のインターフェースであり、測量作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。水平角検出器２１と鉛直角検出器２２は、アブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダである。水平角検出器２１は水平回転軸に対して設けられ本体２０ａの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出器２２は鉛直回転軸に対して設けられ望遠鏡２０ｂの鉛直方向の回転角を検出する。

追尾部２８は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等を追尾光として出射する追尾送光系と、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサを有する追尾受光系を有する。追尾部２８は、追尾光を含む風景画像と追尾光を除いた風景画像を取得し、両画像を演算制御部２７に送る。演算制御部２７は、両画像の差分からターゲット像の中心を求め、ターゲット像の中心と望遠鏡２０ｂの視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まる位置をターゲットの位置として検出し、常に望遠鏡２０ｂがターゲットの方向を向くように、自動追尾する。

測距部２９は、赤外レーザ等の測距光をターゲットに射出する測距送光系と、フォトダイオード等で反射測距光を受光する測距受光系を有する。測距部２９は、ターゲットからの反射測距光を測距受光系で受光するとともに、測距光の一部を分割して内部参照光として受光し、反射測距光と内部参照光との位相差に基づきターゲットまでの距離を測定する。また、水平角検出器２１と鉛直角検出器２２の検出値から、ターゲットを測角する。

演算制御部２７は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラであり、回転駆動部２３,２４の制御、測距部２９および追尾部２８の制御を行う。演算制御部は、測距部２９の送光信号の出力のタイミングでタイマ３２からシステムタイムを取得し、測距・測角値に時刻を付与する。記憶部３０は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のための各種プログラムが格納されている。測距部２９が取得したターゲット位置（距離および角度）は、時刻情報とともに記憶部３０に記憶される。通信部３１は、測量用移動装置１０側の通信部１１との間で無線通信が可能であり、演算制御部２７の制御下において、記憶部３０に記憶されたターゲット位置を測量用移動装置１０へ送信する。

スキャン位置補正部７Ａは、スキャナ３で得た三次元位置を測量機２０のターゲットとして得られたスキャナ３の位置と姿勢検出装置１３で得られたスキャナ３の姿勢で補正する。この詳細は、後述する動作フローに併せて説明する。

図６を参照して、測量システム１の動作フローを説明する。

まず、ステップＳ１０１で、測量機２０は、測量用移動装置１０のプリズム９の自動追尾を開始し、自動追尾した位置を測距部２９で測距・測角し、プリズム９の三次元位置（絶対座標）を測定する。測量機２０は、プリズム９の三次元位置情報を、測量用移動装置１０に送信する。

次に、ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１と並行して、測量用移動装置１０は、スキャナ３によって測距・測角をし、測量対象のスキャン点の三次元位置を計測する。

次に、ステップＳ１０３で、ステップＳ１０１～Ｓ１０２と並行して、測量用移動装置１０は、撮像部４によって所定間隔による定期的な撮影を行って複数の画像データを取得する。

次に、ステップＳ１０４で、ステップＳ１０１～Ｓ１０３と並行して、移動装置１０は、３軸角速度センサ５によってスキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）を検出する。

次に、ステップＳ１０５で、測量用移動装置１０の姿勢検出装置１３として機能する演算制御部７は、ステップＳ１０３で撮像部４から得た複数の画像データをＳｆＭ等で画像解析し、撮像部４による撮影毎のスキャナ３の絶対姿勢情報（撮影時３軸姿勢角）を算出する。

次にステップＳ１０６で、測量用移動装置１０の演算制御部７は、ステップＳ１０４で３軸角速度センサ５から得たスキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）からスキャナ３の回転変位（所定の走査時点の３軸後姿勢角から走査時点前の直近の撮影時における３軸前姿勢角を差し引いて得られる３軸姿勢相対変位角）を算出し、算出した３軸姿勢相対変位角を撮影時３軸姿勢角に加えてスキャン点毎のスキャナ３の絶対姿勢情報（３軸絶対姿勢角）を算出する。

次にステップＳ１０７で、ステップＳ１０１で測量機２０から得たプリズム９の位置情報と、ステップＳ１０２でスキャナ３から得たスキャン点の三次元座標点群データと、ステップＳ１０６で姿勢検出装置１３によって得たスキャナ３の絶対姿勢情報を、時刻によって紐付ける。そして、スキャン位置補正部７Ａは、ステップＳ１０２で得たスキャン点の三次元位置を、スキャナの位置情報と絶対姿勢情報で補正する。

具体的に、ステップＳ１０１で、プリズム９の位置が絶対座標で、かつ測量機２０により精密に測定されている。また、ステップＳ１０６で、スキャナ３の傾き（姿勢）が分かっている。従って、スキャン位置補正部７Ａは、スキャナの基準光軸Ｏをスキャナの姿勢方向に補正し、プリズム９の座標から各ずれ量（ｄｒ，ｄｐ，ｄｙ）だけ移動させた座標をスキャナの測定基準点３ｏとして、スキャナ３が測定した各スキャン点までの距離・角度を、再計算する。

最後に、ステップＳ１０８で、測量用移動装置１０は、ステップＳ１０７で補正したスキャン点の三次元位置（絶対座標）を記憶し、動作を終了する。

（第２の実施形態）
以下、第１の実施形態と同一の要素については、同一の符号を使用して説明を割愛する。図７は第２の実施形態に係る測量システム１’の構成図であり、図７（Ａ）は、測量システム１’の側面図、図７（Ｂ）は測量システム１’の底面図である。測量システム１’は、スキャナ３の位置測定装置として測量機２０の代わりにＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）装置のうちの１つであるＧＰＳ装置３３を備えた測量システムである。測量システム１’は、移動体２と、スキャナ３と、撮像部４と、３軸角速度センサ５と、ＧＰＳ装置３３と、を備えた測量用移動装置１０’によって構成され、測量用移動装置１０’は、ＧＰＳ装置３３を備えてプリズム９、通信部１１及びタイマ１２を省略したことを除き、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示す測量用移動装置１０と同様の構成を有する。

ＧＰＳ装置３３は、移動体２に固定されており、ＧＰＳ衛星から信号を受信し、ＵＴＣ時刻・緯度・経度を取得する。ＧＰＳ装置３３は、スキャナ３の位置を測定する位置測定装置として機能する。

図８は測量システム１’の制御ブロック図である。演算制御部７は、図示しない飛行ユニットを制御するとともに、スキャナ３から三次元座標点群データ（スキャン点までの距離および角度）を取得し、ＧＰＳ装置３３からスキャナ３の位置情報（緯度および経度）を取得し、姿勢検出装置１３の撮像部４で測量対象等を撮影することによって取得される撮影毎の画像データと３軸角速度センサ５によって取得される複数時点におけるスキャナ３の３軸姿勢角からスキャナ３の姿勢情報を算出する。三次元座標点群データとスキャナの位置情報および姿勢情報には、それぞれ、スキャナ３の送光信号の出力のタイミングで、ＧＰＳ装置３３による時刻情報が付与される。演算制御部７は、時刻情報に基づき、スキャナ３で得た三次元座標点群データと、ＧＰＳ装置３３で得たスキャナの位置情報と、姿勢検出装置１３で得たスキャナの姿勢情報を紐づけて記録する。

スキャン位置補正部７Ａは、スキャナ３で得た三次元位置をＧＰＳ装置３３で得られたスキャナ３の位置と姿勢検出装置１３で得られたスキャナ３の姿勢で補正する。この詳細は、後述する動作フローに併せて説明する。

図９を参照して、測量システム１’の動作フローを説明する。

まず、ステップＳ２０１で、測量システム１’の演算制御部７は、ＧＰＳ装置３３から、三次元位置（絶対座標）を取得する。ＧＰＳ装置３３とスキャナ３は一体となっているので、ＧＰＳ装置３３が取得した位置情報はスキャナ３の位置とみなすことができる。

次に、ステップＳ２０２で、ステップＳ２０１と並行して、スキャナ３は、測距・測角をし、測量対象のスキャン点の三次元位置を計測する。

次に、ステップＳ２０３で、ステップＳ２０１～Ｓ２０２と並行して、撮像部４は、所定間隔による定期的な撮影を行って複数の画像データを生成する。

次に、ステップＳ２０４で、ステップＳ２０１～Ｓ２０３と並行して、３軸角速度センサ５は、スキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）を検出する。

次に、ステップＳ２０５で、姿勢検出装置１３として機能する演算制御部７は、ステップＳ２０３で撮像部４から得た複数の画像データをＳｆＭ等で画像解析し、撮像部４による撮影毎のスキャナ３の絶対姿勢情報（撮影時３軸姿勢角）を算出する。

次にステップＳ２０６で、演算制御部７は、ステップＳ２０４で３軸角速度センサ５から得たスキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）からスキャナ３の回転変位（所定の走査時点の３軸後姿勢角から走査時点前の直近の撮影時における３軸前姿勢角を差し引いて得られる３軸姿勢相対変位角）を算出し、算出した３軸姿勢相対変位角を撮影時３軸姿勢角に加えてスキャン点毎のスキャナ３の絶対姿勢情報（３軸絶対姿勢角）を算出する。

次にステップＳ２０７で、ステップＳ２０１でＧＰＳ装置３３から得たスキャナ３の位置情報と、ステップＳ２０２でスキャナ３から得たスキャン点の三次元座標点群データと、ステップＳ２０６で姿勢検出装置１３によって得たスキャナ３の絶対姿勢情報を、ＧＰＳ装置３３によって取得した時刻で紐付ける。そして、スキャン位置補正部７Ａは、ステップＳ２０２で得たスキャン点の三次元位置を、スキャナの位置情報と絶対姿勢情報で補正する。

具体的に、ステップＳ２０１で、スキャナ３の位置がＧＰＳ装置３３によって絶対座標で取得されている。また、ステップＳ２０６で、スキャナ３の傾き（姿勢）が分かっている。従って、スキャン位置補正部７Ａは、スキャナの基準光軸Ｏをスキャナの姿勢方向に補正し、ＧＰＳ装置３３で得た座標をスキャナの測定基準点３ｏとして、スキャナ３が測定した各スキャン点までの距離・角度を、再計算する。

最後に、ステップＳ２０８で、測量用移動装置１０’は、ステップＳ２０７で補正したスキャン点の三次元位置（絶対座標）を記憶し、動作を終了する。

以上の測量システム１’によれば、測量機２０を設置しなくても測量用移動装置１０’のみで精度の高い３次元測定成果物を得ることが出来る。

（第３の実施形態）
以下、第１の実施形態または第２の実施形態と同一の要素については、同一の符号を使用して説明を割愛する。図１０は第３の実施形態に係る測量システム１”の構成図であり、図１０（Ａ）は、測量システム１”の側面図、図１０（Ｂ）は測量システム１”の底面図である。測量システム１”は、移動体２と、スキャナ３と、撮像部４と、３軸角速度センサ５と、ＧＰＳ時刻部３４を備えた測量用移動装置１０”によって構成され、測量用移動装置１０”は、ＧＰＳ装置３３を時刻情報のみ取得可能なＧＰＳ時刻部３４に代えた他、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示す測量用移動装置１０’と同様の構成を有する。測量システム１”は、スキャナ３の位置測定装置として測量機２０やＧＰＳ装置３３の代わりに後述する画像解析装置３５を備えた測量システムである。

図１１は測量システム１”の制御ブロック図である。画像解析装置３５は、姿勢検出装置１３の一部として機能する撮像部４及び演算制御部７によって機能する。演算制御部７は、スキャナ３の姿勢を画像解析するために撮像部４で定期的に取得された測量対象の画像データをＳｆＭ（Structure from Motion）等で画像解析することによって撮影毎のスキャナ３の絶対姿勢情報のみならず、スキャナ３の位置情報も算出する。ＧＰＳ時刻部３４は、ＧＰＳ衛星から信号を受信し、ＵＴＣ時刻と定周期パルスであるＰＰＳ信号を生成する時計を有している。尚、画像解析装置３５においては、姿勢検出装置１３の撮像部４を兼用せず、撮像光軸Ｏ’と平行な光軸となるように移動体２に設けられて演算制御部７に制御される別体の撮像部（カメラ）を採用しても良い。

演算制御部７は、図示しない飛行ユニットを制御するとともに、スキャナ３から三次元座標点群データ（スキャン点までの距離および角度）を取得し、撮像部４の画像を解析してスキャナ３の位置情報（緯度および経度）を取得し、姿勢検出装置１３の撮像部４で測量対象等を撮影することによって取得される撮影毎の画像データと３軸角速度センサ５によって取得される複数時点におけるスキャナ３の３軸姿勢角からスキャナ３の姿勢情報を算出する。三次元座標点群データとスキャナの位置情報および姿勢情報には、それぞれ、スキャナ３の送光信号の出力のタイミングで、ＧＰＳ時刻部３４による時刻情報が付与される。演算制御部７は、時刻情報に基づき、スキャナ３で得た三次元座標点群データと、ＧＰＳ時刻部３４で得たスキャナの位置情報と、姿勢検出装置１３で得たスキャナの姿勢情報を紐づけて記録する。

スキャン位置補正部７Ａは、スキャナ３で得た三次元位置を画像解析装置３５で得られたスキャナ３の位置と姿勢検出装置１３で得られたスキャナ３の姿勢で補正する。この詳細は、後述する動作フローに併せて説明する。

図１１を参照して、測量システム１”の動作フローを説明する。

次に、ステップＳ３０１で、スキャナ３は、測距・測角をし、スキャン点の三次元位置を計測する。

次に、ステップＳ３０２で、ステップＳ３０１と並行して、撮像部４は、所定間隔による定期的な撮影を行って複数の画像データを生成する。

次に、ステップＳ３０３で、ステップＳ３０１～Ｓ３０２と並行して、３軸角速度センサ５は、スキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）を検出する。

次に、ステップＳ３０４で、姿勢検出装置１３及び位置測定装置として機能する演算制御部７は、ステップＳ３０２で撮像部４から得た複数の画像データをＳｆＭ等で画像解析し、撮像部４による撮影毎のスキャナ３の位置情報及び絶対姿勢情報（撮影時３軸姿勢角）を算出する。

次にステップＳ３０５で、演算制御部７は、ステップＳ３０３で３軸角速度センサ５から得たスキャン点毎のスキャナ３の３軸姿勢角（ロール角・ピッチ角・ヨー角）からスキャナ３の回転変位（所定の走査時点の３軸後姿勢角から走査時点前の直近の撮影時における３軸前姿勢角を差し引いて得られる３軸姿勢相対変位角）を算出し、算出した３軸姿勢相対変位角を撮影時３軸姿勢角に加えてスキャン点毎のスキャナ３の絶対姿勢情報（３軸絶対姿勢角）を算出する。

次にステップＳ３０６で、ステップＳ３０１でスキャナ３から得たスキャン点の三次元座標点群データと、ステップＳ３０４で得たスキャナ３の位置情報と、ステップＳ３０５で姿勢検出装置１３によって得たスキャナ３の絶対姿勢情報を、ＧＰＳ時刻部３４で取得した時刻によって紐付ける。そして、スキャン位置補正部７Ａは、ステップＳ３０１で得たスキャン点の三次元位置を、スキャナの位置情報と絶対姿勢情報で補正する。

具体的に、ステップＳ３０４で、スキャナ３の位置が画像解析装置３５によって絶対座標で取得され、ステップＳ３０５で、スキャナ３の傾き（姿勢）が分かっている。従って、スキャン位置補正部７Ａは、スキャナの基準光軸Ｏをスキャナの姿勢方向に補正し、画像解析装置３５で得た座標をスキャナの測定基準点３ｏとして、スキャナ３が測定した各スキャン点までの距離・角度を、再計算する。

最後に、ステップＳ３０７で、測量用移動装置１０”は、ステップＳ３０６で補正したスキャン点の三次元位置（絶対座標）を記憶し、動作を終了する。

以上の測量システム１”によれば、測量機２０や高価なＧＰＳ装置３３を設置しなくても姿勢検出装置１３の一部を機能的に併用した画像解析装置３５を備えた測量用移動装置１０”のみで精度の高い３次元測定成果物を得ることが出来る。

（変形例１）
第１の実施形態から第３の実施形態においては、スキャナの姿勢（第３の実施形態においてスキャナの姿勢と位置）を算出する演算制御部７と測量対象のスキャン点の三次元位置をスキャナの位置と姿勢で補正するスキャン位置補正部７Ａを測量用移動装置１０、１０’、１０”にそれぞれ設けているが、演算制御部７とスキャン位置補正部７Ａによる作業は、位置測定装置（測量機２０、ＧＰＳ装置３３、画像解析装置３５）、撮像部４及び３軸角速度センサ５による作業後に撮影測量用移動装置１０、１０’、１０”に別途接続される情報処理端末（パーソナルコンピュータなど）に行わせてもよい。

具体的には、ステップＳ１０５、Ｓ１０６、Ｓ２０５、Ｓ２０６、Ｓ３０４及びＳ３０５で行われるスキャナ３の絶対姿勢情報（３軸絶対姿勢角）の算出作業、ステップＳ３０４で行われるスキャナ３の位置情報算出作業、ステップＳ１０７、Ｓ２０７及びＳ３０６で行われるスキャン点の３次元位置をスキャナの位置と姿勢で補正する作業を上記情報端末で後から行わせてもよい。

（変形例２）
第１から第３の各実施形態において、測量用移動装置１０の移動体２はＵＡＶであるが、移動体２は測量現場を移動可能であればよい。第２の実施形態を用いて例を示す。図１３は、第１の実施形態に係る測量システム１の変形例である。図１３に示す移動体２’は車両であり、車両のルーフに、スキャナ３と、撮像部４と、３軸角速度センサ５と、プリズム９とを一体にしたユニットが搭載されている。図１３に示す移動体２”は、手持ち可能な筐体であり、スキャナ３と、撮像部４と、３軸角速度センサ５と、プリズム９とを一体にしたユニットが取り付けられている。移動体がこのような形態であっても、第１の実施例と同等の効果が得られる。

（変形例３）
測量システム１において測量用移動装置１０のタイマ１２と、測量機２０のタイマ３２は、ともにＧＰＳ時刻部としても良い。ＧＰＳ時刻部は、ＧＰＳ衛星から信号を受信し、ＵＴＣ時刻と定周期パルスであるＰＰＳ信号を生成する時計を有し、スキャナ３の送光信号の出力のタイミングで三次元座標点群データとスキャナの位置情報および姿勢情報に時刻情報を付与するようにする。

（変形例４）
第２の実施形態の測量システム１’における位置測定装置は、ＧＮＳＳ装置であればＧＰＳ装置３３に限られず、GLONASS、北斗（北斗-2、Compass)、Gallileoまたはその他のＧＮＳＳを利用したＧＮＳＳ装置としてもよい。第３の実施形態におけるＧＰＳ時刻部３４、変形例３におけるＧＰＳ時刻部もまた、GLONASS、北斗（北斗-2、Compass)、Gallileo等を利用して時刻情報の取得を行うＧＮＳＳ時刻部としてもよい。ＧＮＳＳ装置は、ＧＮＳＳ衛星から信号を受信し、ＵＴＣ時刻・緯度・経度を取得し、ＧＮＳＳ時刻部はＧＮＳＳ衛星から時刻情報のみを取得する。取得した時刻情報は、スキャナ３の送光信号の出力のタイミングで三次元座標点群データとスキャナの位置情報および姿勢情報に付与される。

以上、本発明の好ましい測量システムについて、実施の形態および変形例を述べたが、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。

１，１’，１” 測量システム
２，２’移動体
３スキャナ
３ａ出射部
３ｂ受光部
３ｃ測距部
３ｆ，３ｇリズレープリズム（第一光軸偏向部）
３ｈ測距光の光軸
３ｈ’ 測距光
３ｊ，３ｋフレネルプリズム（第二光軸偏向部）
３ｌ反射測距光の受光光軸
３ｌ’ 反射測距光
３ｍ出射方向検出部
４撮像部
５３軸角速度センサ
７演算制御部
９プリズム
１０，１０’，１０”測量用移動装置
１３姿勢検出装置
２０測量機（位置測定装置）
ＳＰ０、ＳＰ１、ＳＰｎスキャナの撮影時３軸姿勢角
ＧＰ０、ＧＰ１、ＧＰｎスキャナの３軸前姿勢角
Ｇ１、Ｇ２、Ｇｎスキャナの３軸後姿勢角
Ｓｎスキャナの３軸絶対姿勢角（姿勢情報）

Claims

測距光によって測量対象を走査するスキャナを搭載した移動体と、スキャナの位置を測定する位置測定装置と、スキャナの姿勢を検出する姿勢検出装置と、を備えた測量システムであって、
前記姿勢検出装置は、定期的な撮影によって画像データを取得する撮像部と、前記スキャナの３軸姿勢角を検出する３軸角速度センサと、演算制御部と、を備え、前記演算制御部が、前記画像データの画像解析により撮影毎に、前記撮影部による前記スキャナの絶対姿勢情報として取得される撮影時３軸姿勢角と、前記３軸角速度センサの検出値から算出されるスキャナの３軸姿勢相対変位角との和によってスキャナの姿勢情報を算出するように構成されたことを特徴とする測量システム。
前記演算制御部は、撮像部による各撮影の間に前記３軸角速度センサによって検出された３軸後姿勢角から撮像部による各撮影時に前記３軸角速度センサによって検出された３軸前姿勢角を減じることによって前記３軸姿勢相対変位角を算出するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の測量システム。
前記３軸角速度センサが、前記３軸後姿勢角をスキャナの走査時点で検出するとともに前記３軸前姿勢角を走査時点より前の直近の撮影時に検出するように構成されたことを特徴とする、請求項２に記載の測量システム。
前記移動体がプリズムを有し、
前記位置測定装置が、前記プリズムを追尾して測距及び測角を行う測量機であることを特徴とする請求項１に記載の測量システム。
前記位置測定装置が、前記移動体に設けられたＧＮＳＳ装置であることを特徴とする請求項１に記載の測量機システム。
前記位置測定装置が、移動体に設けられた撮像部を備えた画像解析装置であることを特徴とする請求項１に記載の測量機システム。
前記スキャナが、
測距光を発する出射部，反射測距光を受光する受光部，前記受光部の出力に基づき測距を行う測距部，前記測距光の光軸上に配置され前記測距光を偏向する第一光軸偏向部、前記反射測距光の受光光軸上に配置され前記第一光軸偏向部と同一の偏角および方向で前記反射測距光を偏向する第二光軸偏向部，並びに前記第一光軸偏向部および前記第二光軸偏向部の偏角および方向を検出する出射方向検出部，を有することを特徴とする請求項１に記載の測量システム。