JP7039388B2

JP7039388B2 - 測量装置

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Publication number: JP7039388B2
Application number: JP2018099871A
Authority: JP
Inventors: 文夫大友; 薫熊谷; 哲治穴井
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: JP2019203822A; US20190360806A1; US11415414B2

Description

本発明は、簡単に設置可能な測量装置に関するものである。

測量装置を用いて測量（３次元形状や３次元座標の測定）を実施する場合、既知の地点に測量装置を設置し、測定対象の方向角と距離を測定する必要がある。然し乍ら、測量に於いては視通が取れない場合が多い。この為、測量装置の設置位置を頻繁に変えて様々な方向から測定し、測定結果を合成する必要がある。

通常、既知の３次元座標を有する点にターゲットが設けられている。測量装置を移動させた際には、移動地点から測量装置によりターゲットを測定し、ターゲットの測定結果に基づき、移動後の測量装置の設置地点の３次元座標を求める必要がある。

特に、測定対象の全周の３次元形状を取得する為には、何度も測量装置を移動させる必要がある。然し乍ら、測量装置を移動させることでターゲットが死角に入り、移動地点からターゲットの測定ができない場合がある。この場合、測量装置が測定可能な位置にターゲットを再設置する必要がある。更に、測量装置を移動する毎に、測量装置の設置地点の３次元座標を求める必要があることから、設置や測定に時間を要し、効率も悪かった。

特開２０１６－１５１４２３号公報特開２０１６－１５１４２２号公報特開２０１６－１６１４１１号公報

本発明は、測量装置を再設置する場合に、設置位置の既知化を容易にする測量装置を提供するものである。

本発明は、基準点に設置される一脚と、該一脚の下端から既知の距離と該一脚の軸心に対して既知の角度の基準光軸を有する測量装置本体と、前記一脚に設けられ、表示部を有する操作パネルとを具備し、前記測量装置本体は、測距光を照射し、反射測距光を受光して測定対象迄の距離を測定する測距部と、前記基準光軸に対して前記測距光を偏向する光軸偏向部と、前記測定対象を含み、前記基準光軸と所定の関係で観察画像を取得する測定方向撮像部と、前記測量装置本体の水平に対する傾斜を検出する姿勢検出器と、前記光軸偏向部を制御し、所定のスキャンパターンを実行し、前記測距部を制御し、所定のスキャンパターンに沿って測距を行う演算制御部とを有し、該演算制御部は、前記測量装置本体の移動前と移動後とでそれぞれ前記測定方向撮像部による撮像、及び閉ループのスキャンパターンで前記測定対象を前記測距光で走査し、前記移動前の画像と前記移動後の画像に基づき前記移動前のスキャンパターンの軌跡と前記移動後のスキャンパターンの軌跡のクロス点を少なくとも３点求め、前記基準点から測定した前記クロス点の３次元座標と、前記移動後の設置点から測定した前記クロス点の測定結果と、前記姿勢検出器の検出結果とに基づき前記移動後の設置点の３次元座標を演算する測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、スキャンパターンの軌跡上の任意の３点で形成される三角形の各辺長が、前記基準点から測定した場合と前記移動後の設置点から測定した場合とで同一の長さとなる点を前記クロス点として特定する測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記移動前に取得された前記観察画像及びスキャンデータと、前記移動後に取得された前記観察画像及びスキャンデータとをそれぞれ対応付け、前記移動前に取得された前記観察画像と、前記移動後に取得された前記観察画像のうち、いずれか一方の画像に対していずれか他方の画像の座標系と合致する様射影変換を実行し変換画像を作成し、該変換画像と前記いずれか他方の画像とマッチングする測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記スキャンパターンの偏角情報に基づき、前記観察画像の画像歪みを較正する測量装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記いずれか他方の画像と前記変換画像に基づき前記測定対象に対して写真測量を行う測量装置に係るものである。

又本発明は、前記移動前の前記観察画像と前記移動後の前記観察画像とを前記クロス点に基づき合成し、前記測定対象の３次元モデルを作成する測量装置に係るものである。

更に又本発明は、前記測量装置本体に対して既知の位置に設けられ、前記基準光軸に対して既知の関係を有する外部撮像部を更に具備し、該外部撮像部は下方に向けられた外部撮像光軸を有し、前記一脚の下端及びその周囲を含む下方画像を取得し、前記演算制御部は前記一脚の軸心を中心とする回転に伴う回転前後の前記下方画像間の変位を求め、該変位に基づき前記基準点を中心とした前記測量装置本体の回転角を演算する測量装置に係るものである。

本発明によれば、基準点に設置される一脚と、該一脚の下端から既知の距離と該一脚の軸心に対して既知の角度の基準光軸を有する測量装置本体と、前記一脚に設けられ、表示部を有する操作パネルとを具備し、前記測量装置本体は、測距光を照射し、反射測距光を受光して測定対象迄の距離を測定する測距部と、前記基準光軸に対して前記測距光を偏向する光軸偏向部と、前記測定対象を含み、前記基準光軸と所定の関係で観察画像を取得する測定方向撮像部と、前記測量装置本体の水平に対する傾斜を検出する姿勢検出器と、前記光軸偏向部を制御し、所定のスキャンパターンを実行し、前記測距部を制御し、所定のスキャンパターンに沿って測距を行う演算制御部とを有し、該演算制御部は、前記測量装置本体の移動前と移動後とでそれぞれ前記測定方向撮像部による撮像、及び閉ループのスキャンパターンで前記測定対象を前記測距光で走査し、前記移動前の画像と前記移動後の画像に基づき前記移動前のスキャンパターンの軌跡と前記移動後のスキャンパターンの軌跡のクロス点を少なくとも３点求め、前記基準点から測定した前記クロス点の３次元座標と、前記移動後の設置点から測定した前記クロス点の測定結果と、前記姿勢検出器の検出結果とに基づき前記移動後の設置点の３次元座標を演算するので、該移動後の設置点の３次元座標を求める為のターゲット等を別途設ける必要がなく、又測量装置本体の設置位置を求める為の測定処理が不要となり、設置作業や測定が容易となると共に、作業時間の短縮を図ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例を示す概略図である。測量装置本体を示す概略ブロック図である。測定方向撮像部、下方撮像部で取得した画像と測量装置本体によるスキャン軌跡との関係を示す図である。（Ａ）、（Ｂ）は、光軸偏向部の作用説明図である。操作パネルの概略ブロック図である。（Ａ）はスキャンの前半で取得されるスキャン軌跡を示す説明図であり、（Ｂ）はスキャンの後半で取得されるスキャン軌跡を示す説明図である。移動後の測量装置本体の３次元座標の演算について説明するフローチャートである。移動前と移動後のスキャンパターンのクロス点を示す説明図である。前記クロス点と前記スキャン軌跡との関係を説明する説明図である。（Ａ）は移動前観察画像と移動前花びらパターンの関係を示す説明図であり、（Ｂ）は移動前花びらパターンに於けるクロス点を示す説明図である。（Ａ）は移動後観察画像と移動後花びらパターンの関係を示す説明図であり、（Ｂ）は移動後花びらパターンに於けるクロス点を示す説明図である。移動後観察画像を射影変換した変換画像を示す説明図である。移動前観察画像と変換画像を合成した際のクロス点のネットワークについて説明する説明図である。移動前の観察画像と下方画像との関係を示す説明図である。移動後の観察画像と下方画像との関係を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例の概略を示す図であり、図１中、１はモノポール支持方式の測量装置、２は測定対象を示す。

前記測量装置１は、主に、一脚（モノポール）３、該一脚３の上端に設けられた測量装置本体４、前記一脚３の適宜位置に、例えば測定作業者が立ち姿勢で操作し易い位置に、操作パネル７が設けられる。

該操作パネル７は、前記一脚３に対して固定的に設けられてもよく、或は着脱可能であってもよい。前記操作パネル７が前記一脚３に取付けられた状態で操作可能である。又、前記操作パネル７を前記一脚３から分離し、該操作パネル７単体で操作可能としてもよい。該操作パネル７と前記測量装置本体４とは、有線、無線等各種通信手段を介してデータ通信が可能となっている。

又、前記一脚３の前記操作パネル７より下方の位置に１本の補助脚６が折畳み可能に取付けられている。

前記一脚３の下端は尖端となっており、該下端は基準点Ｒ（測定の基準となる点）に設置される。又、前記一脚３の下端から前記測量装置本体４の機械中心（測量装置本体４に於ける測定の基準となる点）迄の距離は既知となっている。

前記測量装置本体４の光学系は、およそ水平方向に延出する基準光軸Ｏを有し、該基準光軸Ｏは前記一脚３の軸心Ｐと直交する線に対して所定角度下方に傾斜する様に設定される。従って、前記一脚３が鉛直に設定されると前記基準光軸Ｏは水平に対して前記所定角度下方に傾斜する。

前記補助脚６は、上端で前記一脚３に折畳み可能に連結され、前記補助脚６は折畳み状態では、前記一脚３と密着し、密着した状態を保持する様なロック機構が設けられる。或は簡易的に前記一脚３と前記補助脚６とを束ねるバンド（図示せず）が設けられてもよい。前記補助脚６が折畳まれた状態で、作業者が一脚３を把持し、測定を実行できる。

前記補助脚６は、上端を中心に所定の角度回転し、前記一脚３から離反させることが可能となっており、離反させた位置で固定可能となっている。前記補助脚６を使用することで、前記測量装置本体４は該補助脚６と前記一脚３との２点支持となり、前記測量装置本体４の支持は安定し、前記測量装置本体４による測定の安定性が向上する。尚、前記補助脚６は、１本の場合を説明したが２本であってもよい。この場合、前記一脚３は自立可能となる。

前記測量装置本体４は、測距部２４（後述）、測定方向撮像部２１（後述）を有し、又前記測量装置本体４には外部撮像部である下方撮像部５が設けられている。前記測距部２４の光学系の基準光軸が前記基準光軸Ｏである。前記測定方向撮像部２１の光軸（以下、第１撮像光軸６１）は前記基準光軸Ｏに対して所定角（例えば６°）上方に傾斜しており、又前記測定方向撮像部２１と前記測距部２４との距離及び位置関係は既知となっている。前記測距部２４と前記測定方向撮像部２１は前記測量装置本体４の筐体内部に収納されている。

前記下方撮像部５は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を有し、デジタル画像を取得可能な撮像装置が用いられる。又、撮像素子中の画素の位置が前記下方撮像部５の光軸（以下、第２撮像光軸８）を基準として検出可能となっている。又、前記下方撮像部５として、例えば、市販のデジタルカメラが用いられてもよい。

前記下方撮像部５は前記測量装置本体４の筐体に固定され、前記下方撮像部５（即ち、該下方撮像部５の像形成位置）は前記測量装置本体４の機械中心に対して既知の位置（距離）に設けられる。前記第２撮像光軸８は、下方に向けられ、前記基準光軸Ｏに対して所定の既知の角度に設定され、前記第２撮像光軸８と前記基準光軸Ｏとは既知の関係（距離）となっている。尚、前記下方撮像部５は前記筐体に収納され、前記測量装置本体４と一体化されてもよい。

前記測定方向撮像部２１の画角はθ１であり、前記下方撮像部５の画角はθ２であり、θ１とθ２とは等しくてもよく又異なっていてもよい。又、前記測定方向撮像部２１の画角と前記下方撮像部５の画角はオーバラップしていなくともよいが、所定量オーバラップすることが好ましい。又、前記下方撮像部５の画角、前記第２撮像光軸８の方向は、前記一脚３の下端が画像中に含まれる様設定される。

図２を参照して、前記測量装置本体４の概略構成を説明する。

該測量装置本体４は、測距光射出部１１、受光部１２、測距演算部１３、演算制御部１４、第１記憶部１５、撮像制御部１６、画像処理部１７、第１通信部１８、光軸偏向部１９、姿勢検出器２０、前記測定方向撮像部２１、射出方向検出部２２、モータドライバ２３を具備し、これらは筐体２５に収納され、一体化されている。尚、前記測距光射出部１１、前記受光部１２、前記測距演算部１３、前記光軸偏向部１９等は、測距部２４を構成し、該測距部２４は光波距離計として機能する。

前記測距光射出部１１は、射出光軸２６を有し、該射出光軸２６上に発光素子２７、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸２６上に投光レンズ２８が設けられている。更に、前記射出光軸２６上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡２９と、受光光軸３１（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３２とによって、前記射出光軸２６は、前記受光光軸３１と合致する様に偏向される。前記第１反射鏡２９と前記第２反射鏡３２とで射出光軸偏向部が構成される。

前記測距演算部１３としては、本装置に特化したＣＰＵ、或は汎用ＣＰＵ等が用いられる。前記測距演算部１３は前記発光素子２７を駆動し、前記発光素子２７はレーザ光線を発する。前記測距光射出部１１は、前記発光素子２７から発せられたレーザ光線を測距光３３として射出する。尚、レーザ光線としては、連続変調光或はパルス光、或は特許文献３に示される断続変調光（即ち、バースト光）のいずれが用いられてもよい。

前記受光部１２について説明する。該受光部１２は光学系及び受光素子を有し、該受光部１２には、測定対象２からの反射測距光３４が入射する。前記受光部１２は、前記受光光軸３１を有し、該受光光軸３１には、前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２によって偏向された前記射出光軸２６が合致する。尚、該射出光軸２６と前記受光光軸３１とが合致した状態を測距光軸３５とする。

前記基準光軸Ｏ上に前記光軸偏向部１９が配設される。該光軸偏向部１９は、該光軸偏向部１９を透過するレーザ光線をプリズムの光学作用で偏向する。該光軸偏向部１９の中心を透過する真直な光軸は、前記基準光軸Ｏとなっている。該基準光軸Ｏは、前記光軸偏向部１９によって偏向されなかった時の前記射出光軸２６又は前記受光光軸３１又は前記測距光軸３５と合致する。

前記反射測距光３４が前記光軸偏向部１９を透過し、入射した前記受光光軸３１上に結像レンズ３８が配設される。又、前記受光光軸３１上に受光素子３９、例えばアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が設けられている。前記結像レンズ３８は、前記反射測距光３４を前記受光素子３９に結像する。該受光素子３９は、前記反射測距光３４を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、前記測距演算部１３に入力され、該測距演算部１３は受光信号に基づき測距光の往復時間を演算し、往復時間と光速に基づき前記測定対象２迄の測距を行う。又、受光信号は前記反射測距光３４を受光した際の受光強度の情報も含んでおり、前記測距演算部１３は前記測定対象２からの反射強度も演算する。

前記第１通信部１８は、前記測定方向撮像部２１で取得した画像データ、前記画像処理部１７で処理された画像データ、前記測距部２４が取得した測距データを前記操作パネル７に送信し、更に該操作パネル７からの操作コマンドを受信する。

前記第１記憶部１５には、撮像の制御プログラム、画像処理プログラム、測距プログラム、表示プログラム、通信プログラム、操作コマンド作成プログラム、前記姿勢検出器２０からの姿勢検出結果に基づき前記一脚３の傾斜角、傾斜方向を演算し、更に傾斜角の鉛直成分（前記一脚３の測定対象２に対する前後方向の傾斜角）、傾斜角の水平成分（前記一脚３の測定対象２に対する左右方向の傾斜角）を演算する傾斜角演算プログラム、測距を実行する為の測定プログラム、前記光軸偏向部１９の偏向作動を制御する為の偏向制御プログラム、移動前の測定結果（スキャン結果）と移動後の測定結果（スキャン結果）に基づきスキャンパターンのクロス点を演算するクロス点検出プログラム、スキャン結果に基づき画像を較正する較正プログラム、クロス点に基づき回転前後の画像を合成する合成プログラム、クロス点の測定結果に基づき移動後の前記測量装置本体４の３次元座標を演算する座標演算プログラム、写真測量を行う為の写真測量プログラム、１つの測定位置での１周期のスキャン中に前記測量装置本体４が動いたかどうかを確認する確認プログラム、各種演算を実行する演算プログラム等の各種プログラムが格納される。又、測距データ、測角データ、画像データ等の各種データが格納される。

前記演算制御部１４としては、本装置に特化したＣＰＵ、或は汎用ＣＰＵ等が用いられる。前記演算制御部１４は、前記測量装置本体４の作動状態に応じて、前記各種プログラムを展開、実行して前記測量装置本体４による前記測距光射出部１１の制御、前記受光部１２の制御、前記測距演算部１３の制御、前記測定方向撮像部２１の制御等を行い、測距を実行する。

前記光軸偏向部１９の詳細について説明する。

該光軸偏向部１９は、一対の光学プリズム４１，４２から構成される。該光学プリズム４１，４２は、それぞれ同径の円板形であり、前記測距光軸３５上に該測距光軸３５と直交して同心に配置され、所定間隔で平行に配置されている。前記光学プリズム４１は、光学ガラスにて成形され、平行に配置された３つの三角プリズムを有している。同様に、前記光学プリズム４２も、光学ガラスにて成形され、平行に配置された３つの三角プリズムを有している。尚、前記光学プリズム４１を構成する三角プリズムと、前記光学プリズム４２を構成する前記三角プリズムは、全て同一偏角の光学特性を有している。

各三角プリズムの幅、形状は全て同じでもよく、或は異なっていてもよい。尚、中心に位置する前記三角の幅は、前記測距光３３のビーム径よりも大きくなっており、該測距光３３は中心に位置する三角プリズムのみを透過する様になっている。中心以外に位置する三角プリズムについては、多数の小さい三角プリズムで構成してもよい。

更に、中心の前記三角プリズムについては、光学ガラス製とし、中心以外の前記三角プリズムについては、光学プラスチック製としてもよい。これは、前記光軸偏向部１９から測定対象２迄の距離は大きく、中心の前記三角プリズムの光学特性については精度が要求され、一方中心以外の前記三角プリズムから前記受光素子３９迄の距離は小さく、高精度の光学特性は必要ないという理由による。

前記光軸偏向部１９の中央部（中心の前記三角プリズム）は、前記測距光３３が透過し、射出される第１光軸偏向部である測距光偏向部となっている。前記光軸偏向部１９の中央部を除く部分（中心の前記三角プリズムの両端部及び中心以外の前記三角プリズム）は、前記反射測距光３４が透過し、入射する第２光軸偏向部である反射測距光偏向部となっている。

前記光学プリズム４１，４２は、それぞれ前記基準光軸Ｏを中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１，４２は、回転方向、回転量、回転速度が独立して制御されることで、射出される前記測距光３３の前記射出光軸２６を任意の方向に偏向し、又受光される前記反射測距光３４の前記受光光軸３１を前記射出光軸２６と平行に偏向する。

又、前記測距光３３を連続して照射しつつ、前記光学プリズム４１，４２の回転を連続的に制御し、透過する前記測距光３３を連続的に偏向する。これにより、前記測距光３３を所定のパターンでスキャンさせることができる。又、スキャン経路（スキャン軌跡）に沿って測距データ、測角データ（偏角データ）、反射光量データが取得される。

前記光学プリズム４１，４２の外形形状は、それぞれ前記測距光軸３５（基準光軸Ｏ）を中心とする円形であり、前記反射測距光３４の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１，４２の直径が設定されている。

前記光学プリズム４１の外周にはリングギア４５が嵌設され、前記光学プリズム４２の外周にはリングギア４６が嵌設されている。

前記リングギア４５には駆動ギア４７が噛合し、該駆動ギア４７はモータ４８の出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア４６には駆動ギア４９が噛合し、該駆動ギア４９はモータ５０の出力軸に固着されている。前記モータ４８，５０は、前記モータドライバ２３に電気的に接続されている。

前記モータ４８，５０は、回転角を検出できるモータ、或は駆動入力値に対応した回転をするモータ、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いて前記モータ４８，５０の回転量を検出してもよい。該モータ４８，５０の回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ２３により前記モータ４８，５０が個別に制御される。

又、前記モータ４８，５０の回転量、即ち前記駆動ギア４７，４９の回転量を介して前記光学プリズム４１，４２の回転角が検出される。尚、エンコーダを直接リングギア４５，４６にそれぞれ取付け、エンコーダにより前記リングギア４５，４６の回転角を直接検出する様にしてもよい。

ここで、前記光軸偏向部１９の偏向角は、前記光学プリズム４１，４２の回転角に対して小さく（例えば、偏向角±１０°させる為の回転角が±４０°）、高精度に偏向させることができる。

前記駆動ギア４７，４９、前記モータ４８，５０は、前記測距光射出部１１と干渉しない位置、例えば前記リングギア４５，４６の下側に設けられている。

前記投光レンズ２８、前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２、前記測距光偏向部等は、投光光学系を構成する。又、前記反射測距光偏向部、前記結像レンズ３８等は、受光光学系を構成する。

前記測距演算部１３は、前記発光素子２７を制御し、前記測距光３３としてレーザ光線をパルス発光又はバースト発光（断続発光）させる。該測距光３３が前記測距光偏向部により、測定対象２に向う様前記射出光軸２６（即ち、前記測距光軸３５）が偏向される。前記測距光軸３５が、測定対象２を視準した状態で測距が行われる。

前記測定対象２から反射された前記反射測距光３４は前記反射測距光偏向部、前記結像レンズ３８を介して入射し、前記受光素子３９に受光される。該受光素子３９は、受光信号を前記測距演算部１３に送出し、該測距演算部１３は前記受光素子３９からの受光信号に基づき、パルス光毎に測定点（測距光が照射された点）の測距を行い、測距データは前記第１記憶部１５に格納される。

前記射出方向検出部２２は、前記モータ４８，５０に入力する駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４８，５０の回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ４８，５０の回転角を検出する。又、前記射出方向検出部２２は、前記モータ４８，５０の回転角に基づき、前記光学プリズム４１，４２の回転位置を演算する。

更に、前記射出方向検出部２２は、前記光学プリズム４１，４２の屈折率と、該光学プリズム４１，４２を一体とした時の回転位置、両光学プリズム４１，４２間の相対回転角とに基づき、各パルス光毎の前記測距光３３の前記基準光軸Ｏに対する偏角、射出方向をリアルタイムで演算する。演算結果（測角結果）は、測距結果に関連付けられて前記演算制御部１４に入力される。尚、前記測距光３３がバースト発光される場合は、断続測距光毎に測距が実行される。

前記演算制御部１４は、前記モータ４８，５０の回転方向、回転速度、前記モータ４８，５０間の回転比を制御することで、前記光学プリズム４１，４２の相対回転、全体回転を制御し、前記光軸偏向部１９による偏向作用を制御する。又、前記演算制御部１４は、前記測距光３３の偏角、射出方向から、前記基準光軸Ｏに対する測定点の水平角、鉛直角を演算する。更に、前記演算制御部１４は、測定点についての水平角、鉛直角を前記測距データに関連付けることで、前記測定点の３次元データを求めることができる。而して、前記測量装置本体４は、トータルステーションとして機能する。

次に、前記姿勢検出器２０について説明する。該姿勢検出器２０は、前記測量装置本体４の水平、又は鉛直に対する傾斜角を検出し、検出結果は前記演算制御部１４に入力される。尚、前記姿勢検出器２０としては、特許文献１に開示された姿勢検出器を使用することができる。

該姿勢検出器２０について簡単に説明する。該姿勢検出器２０は、フレーム５４を有している。該フレーム５４は、前記筐体２５に固定され、或は構造部材に固定され、前記測量装置本体４と一体となっている。

前記フレーム５４にはジンバルを介してセンサブロック５５が取付けられている。該センサブロック５５は、直交する２軸を中心に２方向にそれぞれ３６０°又は３６０゜以上回転自在となっている。

該センサブロック５５には、第１傾斜センサ５６、第２傾斜センサ５７が取付けられている。前記第１傾斜センサ５６は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ５７は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

前記センサブロック５５の、前記フレーム５４に対する２軸についての各相対回転角は、エンコーダ５８，５９によってそれぞれ検出される様になっている。

又、前記センサブロック５５を回転させ、水平に維持するモータ（図示せず）が前記２軸に関してそれぞれ設けられている。該モータは、前記第１傾斜センサ５６、前記第２傾斜センサ５７からの検出結果に基づき、前記センサブロック５５を水平に維持する様に前記演算制御部１４によって制御される。

前記センサブロック５５が傾斜していた場合（前記測量装置本体４が傾斜していた場合）、前記センサブロック５５（水平）に対する前記フレーム５４の各軸方向の相対回転角が前記エンコーダ５８，５９によってそれぞれ検出される。該エンコーダ５８，５９の検出結果に基づき、前記測量装置本体４の２軸についての傾斜角、２軸の傾斜の合成によって傾斜方向が検出される。

前記センサブロック５５は、２軸について３６０°又は３６０゜以上回転自在であるので、前記姿勢検出器２０がどの様な姿勢となろうとも、例えば該姿勢検出器２０の天地が逆になった場合でも、全方向での姿勢検出（水平に対する傾斜角、傾斜方向）が可能である。

姿勢検出に於いて、高応答性を要求する場合は、前記第２傾斜センサ５７の検出結果に基づき姿勢検出と姿勢制御が行われるが、該第２傾斜センサ５７は前記第１傾斜センサ５６に比べ検出精度が悪いのが一般的である。

前記姿勢検出器２０では、高精度の前記第１傾斜センサ５６と高応答性の前記第２傾斜センサ５７を具備することで、該第２傾斜センサ５７の検出結果に基づき姿勢制御を行い、更に前記第１傾斜センサ５６により高精度の姿勢検出を可能とする。

該第１傾斜センサ５６の検出結果で、前記第２傾斜センサ５７の検出結果を較正することができる。即ち、前記第１傾斜センサ５６が水平を検出した時の前記エンコーダ５８，５９の値、即ち実際の傾斜角と前記第２傾斜センサ５７が検出した傾斜角との間で偏差を生じれば、該偏差に基づき前記第２傾斜センサ５７の傾斜角を較正することができる。

従って、予め、該第２傾斜センサ５７の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ５６による水平検出と前記エンコーダ５８，５９の検出結果に基づき求めた傾斜角との関係を取得しておけば、前記第２傾斜センサ５７に検出された傾斜角の較正（キャリブレーション）をすることができ、該第２傾斜センサ５７による高応答性での姿勢検出の精度を向上させることができる。環境変化（温度等）の少ない状態では、傾斜検出は前記第２傾斜センサ５７の検出結果と補正値で求めてもよい。

前記演算制御部１４は、傾斜の変動が大きい時、傾斜の変化が速い時は、前記第２傾斜センサ５７からの信号に基づき、前記モータを制御する。又、前記演算制御部１４は、傾斜の変動が小さい時、傾斜の変化が緩やかな時、即ち前記第１傾斜センサ５６が追従可能な状態では、該第１傾斜センサ５６からの信号に基づき、前記モータを制御する。尚、常時、前記第２傾斜センサ５７に検出された傾斜角を較正することで、該第２傾斜センサ５７からの検出結果に基づき前記姿勢検出器２０による姿勢検出を行ってもよい。

尚、前記第１記憶部１５には、前記第１傾斜センサ５６の検出結果と前記第２傾斜センサ５７の検出結果との比較結果を示す対比データが格納されている。前記第１傾斜センサ５６からの信号に基づき、該第２傾斜センサ５７による検出結果を較正する。この較正により、該第２傾斜センサ５７による検出結果を前記第１傾斜センサ５６の検出精度迄高めることができる。よって、前記姿勢検出器２０による姿勢検出に於いて、高精度を維持しつつ高応答性を実現することができる。

前記演算制御部１４は、前記姿勢検出器２０からの検出結果から前記一脚３の前後方向の倒れ角（測定対象２に対して近接離反する方向の倒れ角）及び前記一脚３の左右方向の倒れ角を演算する。前後方向の倒れ角は、前記基準光軸Ｏの水平に対する傾斜角として現れ、左右方向の倒れ角は、前記測定方向撮像部２１で取得する画像の傾き（回転）として現れる。

前記演算制御部１４は、前記倒れ角と前記光軸偏向部１９による偏角により、前記測距光軸３５の水平に対する傾斜角を演算する。又、前記画像の傾きに基づき、表示部６８（後述）に表示される画像の傾きを修正し、鉛直画像として表示する。

前記測定方向撮像部２１は、前記測量装置本体４の前記基準光軸Ｏと平行な前記第１撮像光軸６１と、該第１撮像光軸６１に配置された撮像レンズ６２とを有している。前記測定方向撮像部２１は、前記光学プリズム４１，４２による最大偏角θ／２（例えば±３０°）と略等しい、例えば５０°～６０°の画角を有するカメラである。前記第１撮像光軸６１と前記射出光軸２６及び前記基準光軸Ｏとの関係は既知であり、又各光軸間の距離も既知の値となっている。

又、前記測定方向撮像部２１は、静止画像又は連続画像或は動画像がリアルタイムで取得可能である。前記測定方向撮像部２１で取得された画像は、前記操作パネル７に送信される。本実施例では、前記画像は前記操作パネル７の表示部６８（図５参照）に静止画像の観察画像８１（図３参照）として表示され、作業者は該表示部６８に表示された前記観察画像８１を観察して測定作業を実行できる。前記観察画像８１の中心は、前記第１撮像光軸６１と合致し、前記基準光軸Ｏは前記第１撮像光軸６１との既知の関係に基づき前記観察画像８１の中心に対して所定の画角ずれた位置となる。尚、図３中７１は、前記測定方向撮像部２１の画像取得範囲を示している。本実施例では、該画像取得範囲７１の大きさと前記観察画像８１の大きさとが一致している状態を示している。

前記撮像制御部１６は、前記測定方向撮像部２１の撮像を制御する。前記撮像制御部１６は、前記測定方向撮像部２１が前記動画像、又は連続画像を撮像する場合に、該動画像、又は連続画像を構成するフレーム画像を取得するタイミングと前記測量装置本体４でスキャンし測距するタイミングとの同期を取っている。又、前記撮像制御部１６は、前記測定方向撮像部２１が前記観察画像８１を取得する場合に、該観察画像８１を取得するタイミングと、前記測量装置本体４でスキャンするタイミングとを同期させる。前記演算制御部１４は画像と測定データ（測距データ、測角データ）との関連付けも実行する。又、前記撮像制御部１６は、前記第１通信部１８、第２通信部６７（図５参照）を介して前記測定方向撮像部２１と前記下方撮像部５との撮像タイミングの同期制御を行っている。

前記測定方向撮像部２１の撮像素子６３は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記第１撮像光軸６１を原点とした画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。又、前記第１撮像光軸６１と前記基準光軸Ｏとの関係（距離）が既知であるので、前記測距部２４による測定位置と前記撮像素子６３上での位置（画素）との相互関連付けが可能である。前記撮像素子６３から出力される画像信号は、前記撮像制御部１６を介して前記画像処理部１７に入力される。

前記光軸偏向部１９の偏向作用、スキャン作用について説明する。

前記光学プリズム４１の三角プリズムと、前記光学プリズム４２の三角プリズムが同方向に位置した状態では、最大の偏角（例えば、３０°）が得られる。前記光学プリズム４１，４２のいずれか一方が他方に対して１８０°回転した位置にある状態では、該光学プリズム４１，４２の相互の光学作用が相殺され、偏角は０°となる。この状態では、最少の偏角が得られる。従って、前記光学プリズム４１，４２を経て射出、受光されるレーザ光線の光軸（前記測距光軸３５）は、前記基準光軸Ｏと合致する。

前記発光素子２７から前記測距光３３が発せられ、該測距光３３は前記投光レンズ２８で平行光束とされ、前記測距光偏向部を透過して測定対象２に向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部を透過することで、前記測距光３３は中心の前記三角プリズムによって所要の方向に偏向されて射出される。

ここで、前記測距光３３は全て中心の前記三角プリズムを透過し、中心の該三角プリズムの光学作用を受けるが、単一の光学部材からの光学作用であるので、光束の乱れがなく偏向精度は高い。更に、中心の前記三角プリズムとして光学ガラスが用いられることで、更に偏向精度が高められる。

前記測定対象２で反射された前記反射測距光３４は、前記反射測距光偏向部を透過して入射され、前記結像レンズ３８により前記受光素子３９に集光される。

前記反射測距光３４が前記反射測距光偏向部を透過することで、前記反射測距光３４の光軸は、前記受光光軸３１と合致する様に中心以外の前記三角プリズムによって偏向される。

ここで、前記反射測距光偏向部に用いられる中心以外の前記三角プリズムには、光学プラスチックが用いられてもよく、或は微小な三角プリズムの集合であるフレネルプリズムが用いられてもよい。前記光軸偏向部１９と前記受光素子３９間の距離が短いので、前記反射測距光偏向部には高精度が要求されない。

前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２との回転位置の組合わせにより、射出する前記測距光３３の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。

又、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２との位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４８，５０により、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とを一体に回転すると、前記測距光偏向部を透過した前記測距光３３が描く軌跡は前記基準光軸Ｏ（図２参照）を中心とした円となる。

従って、前記発光素子２７よりレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向部１９を回転させれば、前記測距光３３を円の軌跡でスキャンさせることができる。又、スキャン軌跡に沿った点群データを取得することができる。尚、前記反射測距光偏向部は、前記測距光偏向部と一体に回転していることは言う迄もない。

図４（Ａ）に示される様に、前記光学プリズム４１により偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム４２により偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム４１，４２による光軸の偏向は、該光学プリズム４１，４２間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とを逆向きに等速度で回転させることで、前記測距光３３を合成偏向Ｃ方向に直線の軌跡５１で往復スキャンさせることができる。

更に、図４（Ｂ）に示される様に、前記光学プリズム４１の回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム４２を回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ前記測距光３３が回転される。従って、該測距光３３のスキャン軌跡はスパイラル状となる。

又、前記光学プリズム４１、前記光学プリズム４２の回転方向、回転速度を個々に制御することで、前記測距光３３のスキャン軌跡を前記基準光軸Ｏを中心とした種々の２次元のスキャンパターンが得られる。

例えば、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２の、一方の光学プリズム４１を１７．５Ｈｚで正回転させ、他方の光学プリズム４２を５Ｈｚで逆回転させることで、図３に示される様な、花びら状の２次元の閉ループスキャンパターン（花びらパターン７４（内トロコイド曲線））が得られる。

上記の条件で前記光学プリズム４１，４２を回転させる場合、前半（０～０．２ｓｅｃ）では、図６（Ａ）に示される様な前記花びらパターン７４の前半の軌跡７４ａが得られる。又、後半（０．２～０．４ｓｅｃ）では、図６（Ｂ）に示される様な前記花びらパターン７４の後半の軌跡７４ｂが得られる。前記前半の軌跡７４ａと前記後半の軌跡７４ｂとが組合わされることで、１周期０．４ｓｅｃの前記花びらパターン７４が形成される。

前記下方撮像部５について説明する。

該下方撮像部５は、前記測量装置本体４と電気的に接続されており、前記下方撮像部５で取得された画像データは前記測量装置本体４に入力される。

前記下方撮像部５の撮像は、前記撮像制御部１６によって前記測定方向撮像部２１の撮像、前記測距部２４の測距と同期制御される。前記下方撮像部５は、前記測量装置本体４の機械中心に対して既知の位置に設けられており、前記下方撮像部５と前記一脚３下端との距離も既知となっている。

更に、前記下方撮像部５の前記第２撮像光軸８は、前記基準光軸Ｏとの成す角、基準光軸Ｏと前記第２撮像光軸８との交点の位置が既知の関係にあり、前記下方撮像部５で取得した画像データは、前記演算制御部１４によって前記測定方向撮像部２１で取得した画像及び前記測距部２４で測定した測距データと関連付けられて前記第１記憶部１５に格納される。

前記操作パネル７について図５を参照して略述する。

該操作パネル７は、上記した様に、前記一脚３に対して固定的に設けられてもよく、或は着脱可能であってもよい。又、着脱可能な場合は、前記操作パネル７を前記一脚３から取外し、前記操作パネル７単体の状態で、作業者が保持し、操作可能としてもよい。

前記操作パネル７は、主に演算部６５、第２記憶部６６、前記第２通信部６７、前記表示部６８、操作部６９を具備している。尚、前記表示部６８をタッチパネルとし、前記表示部６８に前記操作部６９を兼用させてもよい。又、前記表示部６８をタッチパネルとした場合は、前記操作部６９は省略してもよい。前記演算部６５としては、本装置に特化したＣＰＵ、或は汎用ＣＰＵ等が用いられる。

前記第２記憶部６６としては、半導体メモリ、ＨＤＤ、メモリカード等が用いられる。前記第２記憶部６６には、前記測量装置本体４との間で通信を行う為の通信プログラム、前記下方撮像部５で取得した画像、前記測定方向撮像部２１で取得した画像の合成等の処理を行う画像処理プログラム、前記下方撮像部５で取得した画像、前記測定方向撮像部２１で取得した画像、前記測距部２４で測定した測定情報を前記表示部６８に表示させる為の表示プログラム、前記操作部６９で操作された情報から前記測量装置本体４へのコマンドを作成する為のコマンド作成プログラム等の各種プログラムが格納されている。

前記第２通信部６７は前記画像処理部１７との間で、測定データ、画像データ、コマンド等のデータを前記演算制御部１４、前記第１通信部１８を経由して、通信する。

前記表示部６８は、前記測量装置本体４の測定状態、測距データ、測角（偏角）データ、反射光量データ等からなる測定結果等を表示し、又前記下方撮像部５、前記測定方向撮像部２１が取得した画像、或は前記画像処理部１７で画像処理された画像を表示する。又、前記表示部６８は、前記測定方向撮像部２１が取得した画像とスキャン軌跡（前記花びらパターン７４）とを重ね合わせて表示可能である。更に、前記表示部６８は、異なる撮像方向で取得された複数の画像をマッチングさせた変換画像８９（後述）を表示可能となっている。

本実施例では、前記測距光３３は前記基準光軸Ｏを中心とした所定のスキャンパターンにより走査される。又、前記基準光軸Ｏは前記観察画像８１の中心に位置する。従って、前記測距光軸３５は、前記観察画像８１上で、該観察画像８１の中心を中心とした所定のスキャンパターンを描く様偏向される。

尚、前記操作パネル７として、例えばスマートフォン、タブレットが用いられてもよい。又、前記操作パネル７がデータコレクタとして使用されてもよい。

次に、図１～図５に於いて、前記測量装置１の測定作用について説明する。尚、以下の測定作用では、前記第１記憶部１５に格納されたプログラムを前記演算制御部１４が実行することでなされる。

測定を開始する準備として、前記一脚３の下端を基準点Ｒに位置決めし、前記一脚３を作業者が保持する。尚、前記操作パネル７は前記一脚３に取付けられた状態とする。又、前記下方撮像部５、前記測定方向撮像部２１は作動状態で前記測量装置１の設置は行われる。

前記基準光軸Ｏを測定対象２に向ける場合、前記一脚３を該一脚３の下端を中心に回転し、或は該一脚３を前後、左右に傾斜し、或はみそすり回転する。図３に示される様に、前記観察画像８１が前記表示部６８に表示される。前記基準光軸Ｏは前記観察画像８１の中心に対して６°下に位置する。前記観察画像８１から前記基準光軸Ｏの方向、位置を確認することができる。この時の前記一脚３の倒れ角及び倒れ角の変化は、前記姿勢検出器２０によって検出される。

前記基準光軸Ｏの方向が確定（固定）した状態では、前記基準光軸Ｏを中心とする測定可能な偏向範囲７３（即ち、前記光軸偏向部１９により前記測距光軸３５を偏向可能な範囲）を前記観察画像８１上で確認できる。作業者は、前記観察画像８１中の測定可能範囲の任意の点を測定点（測定対象２）として指定が可能である。前記測定対象２の指定で前記演算制御部１４は前記光軸偏向部１９を用いて前記測距光軸３５を前記測定対象２に向ける。

前記測距光軸３５が前記測定対象２に向けられ、前記測距光３３が照射され、前記測定対象２の測定（測距、測角）が実行される。前記測距光３３の方向、測距結果等は、前記表示部６８に表示される。

測定対象２を変更する場合、又は他の箇所の測定対象２へ前記測量装置１を移動する場合、前記観察画像８１から再度測定点を指定することも可能である。一方で、前記観察画像８１を表示したまま、前記一脚３を傾動、回転させ、前記測距光軸３５を新たな測定対象２へ向けることも可能である。

前記測距光軸３５の視準状態、即ち、前記測距光軸３５を前記測定対象２に合わせた状態を維持する場合、測定作業者が前記一脚３を保持してもよいし、或は前記補助脚６を引出し、前記一脚３を前記補助脚６で支持してもよい。

該補助脚６で前記一脚３を支持することで、前記一脚３の前後方向の倒れ、前記一脚３の下端を中心とする回転が規制され、前記測量装置１の支持状態が安定する。

尚、前記測量装置１の水平に対する傾斜角、傾斜方向が前記姿勢検出器２０によってリアルタイムで検出され、検出結果に基づき測定結果をリアルタイムで補正することができる。従って、前記測量装置１を水平に調整する為の整準作業は必要なく、又前記一脚３を作業者が保持することで生じる微小な揺れ等による傾斜角の変動についても、リアルタイムで補正することができる。

次に、図３を参照して前記一脚３の下端を中心とする水平方向の回転角（水平回転角）の検出について説明する。

図３中、７１は前記測定方向撮像部２１の第１画像取得範囲であり、８１は該第１画像取得範囲７１で取得される観察画像を示している。又、７２は前記下方撮像部５の第２画像取得範囲であり、８０は該第２画像取得範囲７２で取得される下方画像を示している。又、７３は前記光軸偏向部１９による前記測距光軸３５の偏向範囲、７４は測距光を複数回照射しつつ前記光軸偏向部１９により花びらパターンでスキャンした場合の軌跡を示している。前記花びらパターン７４の軌跡に示されるドットは測距光の照射点を示す。従って、前記花びらパターン７４の軌跡に沿って点群データが取得される。又、７５は前記観察画像８１の画像中心、７６は前記下方画像８０の画像中心（該画像中心７６は、前記第２撮像光軸８と合致する）を示している。

又、図１に於いて、θ１は前記測定方向撮像部２１の画角、θ２は前記下方撮像部５の画角、θ３は前記測量装置本体４のスキャン範囲をそれぞれ示している。

更に、図３は、前記第１撮像光軸６１と前記第２撮像光軸８と前記基準光軸Ｏとの関係を示している。前記第１撮像光軸６１と前記第２撮像光軸８間の角度は例えば６０°に設定され、前記基準光軸Ｏは前記第１撮像光軸６１に対して例えば６°下方に傾斜している。つまり、θ４は５４°となる。又前記一脚３が後方（前記測定対象２から離反する方向）に５゜傾いて保持されている。

前記第２撮像光軸８は、下方に向けられ、前記一脚３の下端を含む様に、画像取得範囲が設定されている。図示では、前記下方撮像部５が取得する画像は、前記基準点Ｒを含む略８０゜の範囲の画像の例である。

この前記基準点Ｒを中心とした所定半径の範囲を回転検出画像７７として設定し、該回転検出画像７７をリアルタイムで取得する。

測定開始時の前記回転検出画像７７を取得し、該回転検出画像７７を回転基準画像として設定する。

測定開始以降の回転角（前記一脚３の軸心を中心とする回転角）を検出する場合は、前記回転基準画像に対する前記回転検出画像７７の前記基準点Ｒを中心とした両画像間の回転変化（即ち、回転方向の画像のズレ）を検出し、回転変化に基づき前記回転角を演算する。前記回転角は前記姿勢検出器２０の検出結果に基づき鉛直軸心を中心とした水平回転角に変換される。尚、前記回転検出画像７７を前記姿勢検出器２０の検出結果に基づき、水平画像に射影変換し、該水平画像に基づき回転変化を検出して水平回転角を求めてもよい。

或は、測定開始時の観察画像８１′を取得し、該観察画像８１′と回転後の観察画像８１とを特徴点等に基づき画像マッチングする。この時の両画像間の基準光軸Ｏの位置（前記観察画像８１の中心）の偏差と、両画像に共通の各特徴点についての測距値の偏差と、前記姿勢検出器２０の検出結果に基づき、前記観察画像８１′と前記観察画像８１との間の水平回転角を求めてもよい。

次に、図１に示される様に、前記測量装置本体４により前記測定対象２を測定すると、該測定対象２迄の斜距離が測定される。更に前記第１撮像光軸６１に対する前記基準光軸Ｏの偏角は既知（図３では６゜）であり、前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸３５の偏角が前記射出方向検出部２２によって検出される。又、前記測量装置本体４の水平に対する傾斜角が前記姿勢検出器２０によって検出され、前記測距光軸３５の水平に対する傾斜角が演算され、前記一脚３の水平回転角が前記回転検出画像７７或は前記観察画像８１から検出される。

前記一脚３の長さ（該一脚３の下端から前記測量装置本体４の機械中心迄の距離）と前記第１撮像光軸６１に対する前記一脚３の倒れが既知であることから、前記一脚３の下端（即ち、前記基準点Ｒ）を基準とした前記測定対象２の３次元座標が求められる。

前記測量装置１を基準点Ｒから他の設置点に移動させ、該他の設置点から前記測定対象２を測定する為には、他の設置点の３次元座標を求める必要がある。従来では、既知の３次元座標を有する点にプリズム等のターゲットを設置し、前記他の設置点から前記測量装置１により前記ターゲットを測定する。更に、該ターゲットの３次元座標と前記測量装置１による前記ターゲットの測定結果に基づき、前記他の設置点の３次元座標を測定している。又、前記測定対象２の大きさによっては、該測定対象２の全周の点群データを取得する為に複数の位置に前記測量装置１を設置する必要があった。その為、複数の設置位置毎にターゲットを設置し、測定する必要があった。

本実施例では、ターゲットを設置することなく他の設置点の３次元座標を測定可能とする。以下、図７のフローチャート及び図８～図１３を用い、前記測量装置１の移動距離演算処理について説明する。

ＳＴＥＰ：０１先ず、前記一脚３の下端を前記基準点Ｒ上に設置し、前記一脚３を任意に傾斜させ前記基準光軸Ｏを前記測定対象２の任意の位置に向ける。この状態で、前記演算制御部１４は、前記光軸偏向部１９を駆動させ、所定の１周期分の閉ループの２次元スキャンパターン、例えば図１０（Ａ）に示される様な移動前花びらパターン８３を実行し、少なくとも１周期分のスキャンデータを取得する。ここで、スキャンデータは、スキャン軌跡上の各測定点の測距データ、測角データと、各測定点の反射光量データを含んでいる。又、該移動前花びらパターン８３の実行と同期して、前記測定方向撮像部２１により静止画像である移動前観察画像８４を取得する。

ＳＴＥＰ：０２高精度にスキャンデータを取得する為には、前記測量装置本体４が静止した状態で、１周期分の前記移動前花びらパターン８３が実行されるのが望ましい。前記花びらパターン７４と前記観察画像８１との位置関係は固定されている。例えば、前記花びらパターン７４の中心が前記観察画像８１の中心と一致している。従って、前記花びらパターン７４の軌跡上の各測定点の前記観察画像８１上での位置は既知となっている。従って、図１０（Ｂ）に示される様な、前記移動前花びらパターン８３の実行で得られた前半の軌跡８３ａと後半の軌跡８３ｂとの交点（以下クロス点８２）の位置は、前記観察画像８１上の画素の位置情報から既知となる。

従って、前記測量装置本体４が静止していた場合には、即ち前記前半の軌跡８３ａの中心と前記後半の軌跡８３ｂの中心とが合致していた場合には、前記前半の軌跡８３ａ上の前記クロス点８２と前記後半の軌跡８３ｂ上の前記クロス点８２とは共通の点となり、両クロス点８２，８２の測距値（座標）は等しくなる。一方で、前半（０～０．２ｓｅｃ）と後半（０．２～０．４ｓｅｃ）とで前記測量装置本体４が動いていた場合には、前記前半の軌跡８３ａ上の前記クロス点８２と前記後半の軌跡８３ｂ上の前記クロス点８２とはズレを生じており、両クロス点８２，８２の測距値は異なった値となる。

前記演算制御部１４は、前記前半の軌跡８３ａ上の前記クロス点８２の測距値と前記後半の軌跡８３ｂ上の前記クロス点８２の測距値が一致しているかの自己診断を行う。該クロス点８２の測距値が一致していなかった場合には、前記演算制御部１４は、前記測量装置本体４が１周期分の前記移動前花びらパターン８３を実行する間静止していなかったと判断する。前記演算制御部１４は、その結果をアラームを発する等して作業者に通知すると共に、前記クロス点８２の測距値が一致していないスキャンデータを無効或は破棄し、再度１周期分の前記移動前花びらパターン８３を実行する。前記クロス点８２の測距値が一致すると、成功したと判断し、前記移動前花びらパターン８３についてのスキャンデータ及び前記移動前観察画像８４を前記第１記憶部１５に格納する。

又、前記演算制御部１４は、前記移動前観察画像８４と前記移動前花びらパターン８３のスキャンデータとを関連付ける。更に、前記演算制御部１４は、前記移動前花びらパターン８３の偏角データ（偏角情報）に基づき、前記移動前観察画像８４の画像歪み（光学歪み）を較正する。

ＳＴＥＰ：０３図８は、前記測量装置本体４を前記基準点Ｒから任意の設置点Ｒ′へと移動させた場合を示し、前記基準光軸Ｏを前記移動前観察画像８４とオーバラップする様に前記測定対象２の位置へと向ける。（例では移動前と移動後に於いて、前記基準光軸Ｏの方向が前記測定対象２のおよそ同一位置に向けた場合を示す。）

ＳＴＥＰ：０４この状態で、前記演算制御部１４は、前記光軸偏向部１９を駆動させ、図１１（Ａ）に示される様な、１周期分の花びらパターン８５（前記移動後花びらパターン８５）を実行し、１周期分のスキャンデータを取得する。又、前記演算制御部１４は、前記移動後花びらパターン８５の実行と同期して、前記測定方向撮像部２１により静止画像である移動後観察画像８６を取得する。

ＳＴＥＰ：０５前記演算制御部１４は、前記移動後観察画像８６に於いて、図１１（Ｂ）に示される様な、前半の軌跡８５ａ上のクロス点８７の測距値と後半の軌跡８５ｂ上の前記クロス点８７の測距値が一致しているかどうかの自己診断を行う。該クロス点８７の測距値が一致していなかった場合には、前記演算制御部１４は、アラームを発する等して、前記測量装置本体４が１周期分の前記移動後花びらパターン８５を実行する間静止していなかったことを作業者に通知する。この時、前記クロス点８７の測距値が一致していないスキャンデータを無効或は破棄し、再度１周期分の前記移動後花びらパターン８５を実行する。前記クロス点８７が一致すると、前記演算制御部１４は成功したと判断し、前記移動後花びらパターン８５についてのスキャンデータ及び前記移動後観察画像８６を前記第１記憶部１５に格納する。

又、前記演算制御部１４は、前記移動後観察画像８６と前記移動後花びらパターン８５のスキャンデータとを関連付ける。更に、前記演算制御部１４は、前記移動後花びらパターン８５の偏角データ（偏角情報）に基づき、前記移動後観察画像８６の画像歪み（光学歪み）を較正する。

ＳＴＥＰ：０６前記移動前花びらパターン８３のスキャンデータと前記移動後花びらパターン８５のスキャンデータが取得されると、前記演算制御部１４は、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６の概略マッチングを実行する。概略マッチングは、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６とのオーバラップ部分から抽出した特徴点に基づき実行される。

本実施例に於いて、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６は、同一の前記測定対象２を撮像したものである。然し乍ら、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６とでは、前記測定対象２を撮像する位置、該測定対象２に対する前記測量装置本体４の方向が異なっている。

この様な場合、単に特徴点を抽出しただけでは、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６とのマッチングは困難である。この為、一方の画像の座標系が他方の画像の座標系と合致する様、一方の画像に対して射影変換が実行される。例えば、図１２に示される様に、前記演算制御部１４は前記移動後観察画像８６の座標系と合致する様前記移動前観察画像８４に対して射影変換を実行し、変換画像８９を作成する。尚、前記移動前観察画像８４と前記移動後観察画像８６の両方に射影変換を実行してもよい。

前記演算制御部１４は、射影変換後の前記変換画像８９と前記移動後観察画像８６とからそれぞれ特徴点を抽出し、該特徴点に基づき前記変換画像８９と前記移動後観察画像８６との概略マッチングを実行し、マッチング可能な範囲のマッチング部画像９０（図１３参照）を作成する。

ＳＴＥＰ：０７前記移動前花びらパターン８３の中心と前記移動前観察画像８４の中心は既知であるので、前記移動前花びらパターン８３の軌跡の前記移動前観察画像８４上での位置は既知である。同様に、前記移動後花びらパターン８５の中心と前記移動後観察画像８６の中心は既知であるので、前記移動後花びらパターン８５の軌跡と前記移動後観察画像８６上での位置は既知である。従って、前記演算制御部１４は、前記マッチング部画像９０上に於ける前記移動前花びらパターン８３の軌跡と前記移動後花びらパターン８５の軌跡との交点（クロス点８８）が３点以上存在するかどうかを判断する。該クロス点８８は、前記移動前花びらパターン８３の軌跡上に位置し、且つ前記移動後花びらパターン８５の軌跡上に位置する前記測定対象２上の同一点となっている。

該クロス点８８の数が３点未満であった場合には、前記演算制御部１４は、前記クロス点８８の数が３点以上となる様ＳＴＥＰ：０３～ＳＴＥＰ：０６の処理を再度実行する。尚、前記クロス点８８は、数が多い程後述する移動距離の演算精度、詳細マッチングの精度が向上する。従って、予め必要な前記クロス点８８の数を設定し、設定した数に満たない場合には、前記演算制御部１４にＳＴＥＰ：０３～ＳＴＥＰ：０６の処理を再度実行させる様にしてもよい。

ＳＴＥＰ：０８図８は、前記マッチング部画像９０上に於ける複数存在する前記クロス点８８のうち、例として３点を示したものである。図８に示される様に、３点のクロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃは、全て前記移動前花びらパターン８３の軌跡上の点且つ前記移動後花びらパターン８５の軌跡上の点である。

前記演算制御部１４は、移動前の前記基準点Ｒから前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃを測定し、前記基準点Ｒに対する前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃの距離や位置関係（或は３次元座標）を演算する。同様に、前記演算制御部１４は、移動後の設置点Ｒ′から前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃを測定し、前記設置点Ｒ′に対する前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃの距離や位置関係（或は３次元座標）を演算する。

又、前記演算制御部１４は、前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃの位置関係に基づき、前記クロス点８８ａ，８８ｂ間の距離（長さ）、前記クロス点８８ｂ，８８ｃ間の距離（長さ）、前記クロス点８８ａ，８８ｃ間の距離（長さ）をそれぞれ演算する。

上記した各クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ間の距離は、即ち前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃを結んで形成される三角形の３辺の長さ（辺長）となる。該三角形の各辺長は、前記測定対象２上の各２点間の距離であるので、前記測量装置１の測定位置に拘わらず全て一致する。即ち、前記三角形の各辺長は、前記基準点Ｒから測定した場合でも、前記設置点Ｒ′から測定した場合でも全て一致する。

一方で、前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃは、前記移動前花びらパターン８３の軌跡上と前記移動後花びらパターン８５の軌跡上とにそれぞれ位置する測定点と一致しているとは限らない。前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃの正確な距離や３次元座標は、前記移動前花びらパターン８３のスキャンデータと前記移動後花びらパターン８５のスキャンデータとから内挿により求めることができる。

図９は、例として、前記マッチング部画像９０に於ける前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近にある前記移動前花びらパターン８３の軌跡と測定点の関係、前記移動後花びらパターン８５の軌跡と測定点の関係を示している。前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の位置は、前記マッチング部画像９０上から画素単位で特定できる。更に、画素が有する位置情報に基づき、前記演算制御部１４は前記移動前花びらパターン８３の軌跡に於ける前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の２つの測定点Ａ0 ，Ａ1 をそれぞれ特定できる。同様に、前記演算制御部１４は、前記移動後花びらパターン８５の軌跡に於ける前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の２つの測定点Ｂ0 ，Ｂ1 をそれぞれ特定できる。

尚、画素単位で特定された前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃは、例えば２分程度のピクセル誤差を含んでいる。従って、前記移動前花びらパターン８３の軌跡と前記移動後花びらパターン８５の軌跡の交点を高精度に求める為には、前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃが含む誤差を低減し、精密クロス点８８ａｉ，８８ｂｉ，８８ｃｉを求める必要がある。

該精密クロス点８８ａｉ，８８ｂｉ，８８ｃｉは、前記移動前花びらパターン８３の軌跡上の測定点Ａ0 と測定点Ａ1 の間に位置し、且つ前記移動後花びらパターン８５の軌跡上の測定点Ｂ0 とＢ1 の間に位置している。図９中、実線の三角形は前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の測定点Ａ0 を頂点とした三角形であり、破線の三角形は前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の測定点Ｂ0 を頂点とした三角形である。前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の測定点Ａ0 から測定点Ａ1 の間、又測定点Ｂ0 から測定点Ｂ1 の間で前記２つの三角形の頂点を移動させ、２つの三角形が同一になったときの頂点が前記精密クロス点８８ａｉ，８８ｂｉ，８８ｃｉである。該精密クロス点８８ａｉ，８８ｂｉ，８８ｃｉの算出は偏角を直交座標系（画像座標系と同様）に変換することで求められる。又、前記クロス点８８ａ，８８ｂ，８８ｃ付近の測定点Ａ0 から測定点Ａ1 、測定点Ｂ0 から測定点Ｂ1 を直線移動とみなし、直線Ａ0 ，Ａ1 と直線Ｂ0 ，Ｂ1 の交点を求めてもよい。

前記演算制御部１４は、前記基準点Ｒから前記クロス点８８ａ迄の距離、該クロス点８８ａの偏角、前記姿勢検出器２０の検出結果等に基づき、前記クロス点８８ａの３次元座標を演算する。又、上記と同様に、前記演算制御部１４は、前記クロス点８８ｂ，８８ｃの３次元座標を演算する。

又、図１３に示される様に、前記クロス点８８が４つ以上存在すると判断された場合には、前記演算制御部１４は、各クロス点８８を繋ぎ合せてネットワークを形成する。又、前記演算制御部１４は、各クロス点８８のうちの任意の３点で形成される三角形について、上記と同様に各クロス点８８を特定し、各クロス点８８の３次元座標を演算する。

ＳＴＥＰ：０９３点以上の前記クロス点８８の３次元座標が求められることで、後方交会法による測定が可能となる。前記演算制御部１４は、前記基準点Ｒで測定した各クロス点８８の３次元座標に基づき、後方交会法により、前記設置点Ｒ′の３次元座標を測定することができる。即ち、前記演算制御部１４は、前記設置点Ｒ′からの前記クロス点８８の測定結果と、前記設置点Ｒ′での測定時の前記姿勢検出器２０の検出結果と、前記一脚３の長さに基づき、前記設置点Ｒ′の３次元座標を演算する。又、クロス点８８の数が多くなることで、後方交会法による測定精度が向上する。

尚、前記設置点Ｒ′の３次元座標の演算、前記測距光軸３５の傾斜角の演算、水平距離の演算等の演算については、前記演算制御部１４が実行してもよく、或は前記演算部６５が実行してもよい。

又、上記では、閉ループの２次元スキャンパターンとして、花びらパターンを使用しているが、円形のスキャンパターンや８の字状のスキャンパターン等、２つのスキャンパターン間でクロス点が発生する閉ループのスキャンパターンであれば他のスキャンパターンを用いてもよい。

更に、本実施例では、トータルステーションと同様な作用で測定したが、測量装置１をレーザスキャナとしても測定することができる。

図３に示される様に、前記光軸偏向部１９は前記偏向範囲７３の範囲で、前記測距光軸３５を自在に偏向できる。前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２の回転を制御することで、前記花びらパターン７４の軌跡でスキャンさせることができる。スキャン過程でパルス測距光を照射することで、前記花びらパターン７４の軌跡に沿った測距データ（スキャンデータ）を取得することができる。又、測距データ密度（点群密度）を上げる場合は、前記花びらパターン７４が１パターンスキャンされる度に前記花びらパターン７４をスキャンパターンの中心を中心として周方向に所定角度回転させればよい。又、スキャンと同期して前記測定方向撮像部２１、前記下方撮像部５によりそれぞれ画像が取得される。

又、全偏向範囲のスキャンを実行している状態で、スキャン中心を移動する場合（スキャン範囲を移動する場合）は、前記一脚３を軸心を中心に回転させるか、或は下端を中心にみそすり回転させるか、或は前記一脚３の倒れ角を変更することでできる。これにより、所望の方向の、所望の範囲の測距データ（スキャンデータ）を容易に取得することができる。

図１４、図１５は、前記測定方向撮像部２１で取得される前記観察画像８１、前記下方撮像部５で取得される前記下方画像８０の一例を示している。図１４は前記移動前、図１５は前記移動後である。

前記観察画像８１と、前記下方画像８０とを合成する場合は、両画像のオーバラップ部分を用いて行うことができる。或は、前記花びらパターン７４の軌跡の一部が前記下方画像８０に含まれる様にスキャンを実行し、前記観察画像８１中の前記花びらパターン７４の軌跡に沿った測距データ、前記下方画像８０中の前記花びらパターン７４の軌跡に沿った測距データを用いて直ちに前記観察画像８１と前記下方画像８０との合成が可能である。

尚、合成に用いられる軌跡に沿ったデータは、前記観察画像８１、前記下方画像８０に共通に含まれる軌跡に沿ったデータを用いてもよく、或は前記観察画像８１、前記下方画像８０の個別に含まれる軌跡に沿ったデータの座標値を用いて前記観察画像８１と前記下方画像８０とを合成してもよい。

前記観察画像８１と前記下方画像８０を合成することで、前記基準点Ｒから測定対象２迄を含む広範囲の合成観察画像９１が取得でき、測定範囲、測定位置の確認が容易になる。又、前記一脚３下端を中心とした回転と連動した前記観察画像８１が得られ、前記測量装置本体４の回転確認が容易になり、作業性が向上する。又、前記観察画像８１、或は前記合成観察画像９１と２次元スキャンで得られた軌跡に沿ったデータとを関連付けることで画素毎に３次元データを有する画像が取得できる。

次に、前記測量装置１により、前記測定対象２をスキャンし、３次元モデルを作成する場合について説明する。

例えば、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′で取得された３次元データ（スキャンデータ）に基づき３次元モデルを作成する場合、先ず前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′とで前記偏向範囲７３全域を前記花びらパターン７４を実行してスキャンする。前記演算制御部１４は、前記観察画像８１或は前記合成観察画像９１の各画素と前記花びらパターン７４の軌跡に沿ったデータ（スキャンデータ）とを関連付ける。

ここで、前記設置点Ｒ′の３次元座標は、演算により既知となっている。前記演算制御部１４は、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′の３次元座標に基づき、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′との距離を演算する。又、前記演算制御部１４は、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′の３次元座標と、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′での前記クロス点８８の測定結果と、前記姿勢検出器２０の検出結果に基づき、前記基準点Ｒでの前記基準光軸Ｏに対する、前記設置点Ｒ′での前記基準光軸Ｏの水平回転角を演算する。

従って、前記演算制御部１４は、前記基準点Ｒと前記設置点Ｒ′との距離を基線長として、前記移動後観察画像８６と前記変換画像８９とに基づき、前記測定対象２に対して写真測量を行うことができる。又、写真測量により、前記演算制御部１４は、前記測定対象２の前記花びらパターン７４の軌跡が存在しない点についても３次元座標を演算することができる。尚、写真測量で演算された３次元座標は、前記観察画像８１等の各画素と関連付けられるのは言う迄もない。

前記測量装置１の設置点を順次変更し、前記測定対象２の全周に亘って前記観察画像８１と３次元座標を取得することで、前記演算制御部１４は前記測定対象２の全周に亘る立体画像付き３次元モデルを作成することができる。

上述の様に、本実施例では、前記移動前花びらパターン８３の軌跡上の点と前記移動後花びらパターン８５の軌跡上の３点で形成した三角形に於いて、いずれの設置点から測定した場合でも各辺長が一致する点を、前記移動前花びらパターン８３の軌跡と前記移動後花びらパターン８５の軌跡の交点（前記クロス点８８或は繋ぎ点群）として設定している。又、前記基準点Ｒから測定した３点以上の前記クロス点８８の３次元座標に基づく後方交会法と、前記姿勢検出器２０の検出結果と、前記一脚３の長さに基づき前記設置点Ｒ′の３次元座標を演算している。

従って、該設置点Ｒ′の３次元座標を求める為のターゲットを別途設ける必要がなく、又前記測量装置本体４の設置位置を求める為の測定処理が不要となるので、設置作業や測定が容易となると共に、作業時間の短縮を図ることができる。

又、前記一脚３の傾斜は前記姿勢検出器２０でリアルタイムで検出され、補正されているので、整準が不要であり、前記測量装置本体４を垂直に設置する必要がない。従って、設置時間を短縮でき、熟練も要さないので、容易に短時間で前記測量装置１を設置できる。又、頻繁に前記測量装置の向きや位置を変更する場合も、容易に短時間で測定を実行することができる。

又、移動前の前記観察画像８１と、移動後の前記観察画像８１とを合成する際には、特徴点ではなく前記クロス点８８に基づき合成を行うので、高精度な画像マッチングが可能となる。

又、本実施例では、前記花びらパターン７４の実行により前記測定対象２の点群データを取得すると共に、移動前の前記観察画像８１と移動後の前記観察画像８１とに基づき写真測量を実行している。従って、前記測量装置１によりスキャンでは取得しきれなかった箇所の３次元座標を写真測量により取得可能となり、前記測定対象２の高密度な３次元モデルの作成が可能となる。

更に、前記移動前観察画像８４の画像歪みを、前記移動前花びらパターン８３のスキャンデータに基づき較正値を求め、画像を較正して扱っている。同様に、前記移動後観察画像８６の画像歪みを、前記移動後花びらパターン８５のスキャンデータに基づき較正値を求め、画像を較正して扱っている。従って、光学歪みが低減され、写真測量を行なう際の測定精度を向上させることができる。

１測量装置
３一脚
４測量装置本体
５下方撮像部
１１測距光射出部
１２受光部
１３測距演算部
１４演算制御部
１６撮像制御部
１９光軸偏向部
２０姿勢検出器
２１測定方向撮像部
２２射出方向検出部
２４測距部
７４花びらパターン
８１観察画像
８３移動前花びらパターン
８４移動前観察画像
８５移動後花びらパターン
８６移動後観察画像
８８クロス点

Claims

基準点に設置される一脚と、該一脚の下端から既知の距離と該一脚の軸心に対して既知の角度の基準光軸を有する測量装置本体と、前記一脚に設けられ、表示部を有する操作パネルとを具備し、前記測量装置本体は、測距光を照射し、反射測距光を受光して測定対象迄の距離を測定する測距部と、前記基準光軸に対して前記測距光を偏向する光軸偏向部と、前記測定対象を含み、前記基準光軸と所定の関係で観察画像を取得する測定方向撮像部と、前記測量装置本体の水平に対する傾斜を検出する姿勢検出器と、前記光軸偏向部を制御し、所定のスキャンパターンを実行し、前記測距部を制御し、所定のスキャンパターンに沿って測距を行う演算制御部とを有し、該演算制御部は、前記測量装置本体の移動前と移動後とでそれぞれ前記測定方向撮像部による撮像、及び閉ループのスキャンパターンで前記測定対象を前記測距光で走査し、前記移動前の画像と前記移動後の画像に基づき前記移動前のスキャンパターンの軌跡と前記移動後のスキャンパターンの軌跡のクロス点を少なくとも３点求め、前記基準点から測定した前記クロス点の３次元座標と、前記移動後の設置点から測定した前記クロス点の測定結果と、前記姿勢検出器の検出結果とに基づき前記移動後の設置点の３次元座標を演算する測量装置。
前記演算制御部は、スキャンパターンの軌跡上の任意の３点で形成される三角形の各辺長が、前記基準点から測定した場合と前記移動後の設置点から測定した場合とで同一の長さとなる点を前記クロス点として特定する請求項１に記載の測量装置。
前記演算制御部は、前記移動前に取得された前記観察画像及びスキャンデータと、前記移動後に取得された前記観察画像及びスキャンデータとをそれぞれ対応付け、前記移動前に取得された前記観察画像と、前記移動後に取得された前記観察画像のうち、いずれか一方の画像に対していずれか他方の画像の座標系と合致する様射影変換を実行し変換画像を作成し、該変換画像と前記いずれか他方の画像とマッチングする請求項２に記載の測量装置。
前記演算制御部は、前記スキャンパターンの偏角情報に基づき、前記観察画像の画像歪みを較正する請求項１～請求項３のうちいずれか１項に記載の測量装置。
前記演算制御部は、前記いずれか他方の画像と前記変換画像に基づき前記測定対象に対して写真測量を行う請求項３に記載の測量装置。
前記移動前の前記観察画像と前記移動後の前記観察画像とを前記クロス点に基づき合成し、前記測定対象の３次元モデルを作成する請求項４に記載の測量装置。
前記測量装置本体に対して既知の位置に設けられ、前記基準光軸に対して既知の関係を有する外部撮像部を更に具備し、該外部撮像部は下方に向けられた外部撮像光軸を有し、前記一脚の下端及びその周囲を含む下方画像を取得し、前記演算制御部は前記一脚の軸心を中心とする回転に伴う回転前後の前記下方画像間の変位を求め、該変位に基づき前記基準点を中心とした前記測量装置本体の回転角を演算する請求項１～請求項６のうちいずれか１項に記載の測量装置。