(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に光を照射する光源と、光源から照射される光に対し光軸が斜交するような位置関係に配置される撮像器とを有する光学式測定装置を用い、光源から植物又は植物群に光を照射し、植物又は植物群から反射される光の輝度を撮像器で測定することで植物又は植物群の３次元構造を測定する方法であり、
植物又は植物群に対する光の照射方向が所定の方向となるように光源を位置決めする位置決め工程と、
その位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射し、第１の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を測定する第１測定工程と、
前記位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射し、第２の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を測定する第２測定工程と、
第１の測定時間と第２の測定時間のうち短いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の近くにある植物又は植物群の構造を求めると共に、第１の測定時間と第２の測定時間のうち長いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の遠くにある植物又は植物群の構造を求めるデータ処理工程と、を有し、
前記位置決め工程を繰り返すことで光の照射方向を変えながら、位置決めされた各照射方向について第１測定工程、第２測定工程及びデータ処理工程を行うことで、植物又は植物群の３次元構造を測定することを特徴とする植物又は植物群の３次元構造測定方法。
【請求項２】
前記光源は少なくとも第１の波長の光と第２の波長の光が照射可能となっており、前記の第１測定工程と第２測定工程では、第１の波長と第２の波長の光をそれぞれ照射し、それぞれの場合について反射される反射光の輝度を測定することを特徴とする請求項１に記載の植物又は植物群の３次元構造測定方法。
【請求項３】
前記第１測定工程で測定される反射光の輝度は、光源から光を照射しない状態で第１の測定時間に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって補正され、前記第２測定工程で測定される反射光の輝度は、光源から光を照射しない状態で第２の測定時間に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって補正されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の植物又は植物群の３次元構造測定方法。
【請求項４】
植物又は植物群の３次元構造を測定する装置であり、
測定対象物に光を照射する光源と、
光源から照射される光に対し光軸が斜交するような位置関係に配置される撮像器と、
植物又は植物群に対する光の照射方向が所定の方向となるように光源を位置決めする位置決め手段と、
位置決め手段で位置決めされた光源から光を照射させ、第１の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を撮像器に測定する第１測定手段と、
位置決め手段で位置決めされた光源から光を照射させ、第２の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を撮像器に測定する第２測定手段と、
第１の測定時間と第２の測定時間のうち短いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の近くにある植物又は植物群の構造を求めると共に、第１の測定時間と第２の測定時間のうち長いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の遠くにある植物又は植物群の構造を求めるデータ処理手段と、
前記位置決め手段を駆動して光の照射方向を変えながら、位置決めされた各照射方向について第１測定手段、第２測定手段及びデータ処理手段を実行させる手段と、
を有する植物又は植物群の３次元構造測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物又は植物群の３次元構造を測定する方法に関し、詳しくは測定対象である植物又は植物群を破壊することなく非接触で測定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
木（植物の一種）や森（植物群の一種）の活力（健康度）を評価する一つの指標として、従来から葉の状態（葉の数、生え方等）や枝の状態（枝の数、枝の伸び方等）が用いられる。このため、従来から木（又は森）を構成する葉や枝の状態（すなわち、木や森の構造）を測定するための種々の技術が開発されている。それら従来の技術の一つとして、本発明者等は、レーザ光切断法を用いた木や森の構造を測定する技術を開発している（Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  ａｎｄ  Ｆｏｒｅｓｔ  Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ  ９１（１９９８）  １４９−１６０）。
この技術では、測定対象物にスリット光を照射する光源と、スリット光の光面に対して光軸が斜交するような位置関係で配置される撮像器とを用いる。具体的には、光源から測定対象物（木や森等）にスリット光を照射し、測定対象物（木や森等）によって反射された光（反射光の輝度）を撮像器で撮像する。そして、撮像器で撮像された画像（スリット光によって形成される光断面像）から、測定対象物（木や森等）の３次元構造を求める。すなわち、光源の位置と撮像器の位置と撮像された画像上の光の位置から、測定対象物（木や森等）の３次元位置を算出する。このようなスリット光の照射、反射光の取得、取得した画像のデータ解析を、スリット光の照射方向を変えながら複数の光切断面に対して行うことで、測定対象物の３次元構造を測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、木（又は森）は、多数の葉、多数の枝、多数の幹等により構成され、これらの各構成要素（葉、枝・幹）は、それぞれ光の反射特性が異なる性質を有している。したがって、上述した従来の技術を発展させ、測定された光の輝度（光の強度，エネルギ）と測定対象物までの距離から反射特性を算出し、その算出された反射特性から測定対象物が葉なのか枝・幹なのかを判定することが考えられている。
しかしながら、木や森は多数の葉、多数の枝・幹等が何重にも重なって構成される。したがって、測定装置（光源，撮像器）と測定対象物（木や森）との距離は、数メートルから２０メートル以上の範囲に及ぶこととなる。このため、測定装置から近くにある反射率の高い対象物の場合と、測定装置から遠くにある反射率の低い対象物の場合では、撮像器で測定される光の輝度が大きく異なることとなる。
このため、現在の撮像器の解像度では、木や森を広範囲に渡って測定（葉・枝・幹等の判定）を行うことは不可能であって、測定対象物の一部しか測定することできなかった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な方法によって、測定対象物（植物又は植物群）を広範囲に渡って計測することができる技術を実現する。
【０００５】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記課題を解決するため本発明に係る方法は、測定対象物に光を照射する光源と、光源から照射される光に対し光軸が斜交するような位置関係に配置される撮像器とを有する光学式測定装置を用い、光源から植物又は植物群に光を照射し、植物又は植物群から反射される光の輝度を撮像器で測定することで植物又は植物群の３次元構造を測定する方法であり、下記の位置決め工程、第１測定工程、第２測定工程及びデータ処理工程を有する。
位置決め工程は、植物又は植物群に対する光の照射方向が所定の方向となるように光源を位置決めする。第１測定工程は、位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射し、第１の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を測定する。第２測定工程は、位置決め工程で位置決めされた光源から光を照射し第２の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を測定する。データ処理工程は、第１の測定時間と第２の測定時間のうち短いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の近くにある植物又は植物群の構造を求めると共に、第１の測定時間と第２の測定時間のうち長いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の遠くにある植物又は植物群の構造を求める。そして、位置決め工程を繰り返すことで光の照射方向を変えながら、位置決めされた各照射方向について第１測定工程、第２測定工程及びデータ処理工程を行うことで、植物又は植物群の３次元構造を測定する。
【０００６】
上記の方法では、光源から照射される光の方向が決まると、その照射方向に対してそれぞれ、第１の測定時間で測定対象物（植物又は植物群）から反射される反射光の輝度と、第２の測定時間で測定対象物（植物又は植物群）から反射される反射光の輝度が測定される。そして、第１の測定時間と第２の測定時間のうち短いほうの測定時間の測定結果から測定装置の近くにある測定対象物（植物又は植物群）の構造を求め、第１の測定時間と第２の測定時間のうち長いほうの測定時間の測定結果から測定装置の遠くにある測定対象物（植物又は植物群）の構造を求める。
すなわち、短い測定時間（撮像器の露出時間が短い）では、撮像器から近い距離にある植物（特に、反射率の高い部分）から反射された光の輝度だけが測定され、これによって測定装置から近い距離にある植物（特に、反射率が高い部分）の構造を求めることができる。一方、長い測定時間（撮像器の露出時間が長い）では、撮像器から近い距離にある植物と遠い距離にある植物の両者から反射された光の輝度が測定される。ここで、長い測定時間とすると（すなわち、撮像器の露出時間を長くすると）、近い距離にある植物（特に、反射率の高い部分）から反射された光の輝度は撮像器の解像度を越えて飽和することとなる（葉と枝・幹の判別が不能となる）。しかしながら、近い距離にある植物（植物群）の構造については、短い測定時間による測定結果から求めることができるため、長い測定時間の測定結果からは遠い距離にある植物（特に、反射率の低い部分）の構造について求めることができれば良い。
したがって、上記の方法では測定時間を変えることによって、測定装置と測定対象物（木や森等）との距離が広範囲に渡っても測定対象物の構造を求めることができる。
【０００７】
ここで、上記「第１の測定時間」と「第２の測定時間」は、測定装置から測定対象物までの距離（測定範囲）や撮像器の解像度に応じて適宜設定することができる。例えば、一桁程度異なる測定時間とすることで広範囲に渡って測定対象物を測定することができる。また、測定対象物との距離（測定範囲）によっては、第３の測定時間を設定して計測を行うようにしても良い。すなわち、測定回数は、測定対象物、撮像器の解像度等に応じて種々に変更することができる。
また、「光源」としては、光源からの光の照射角、反射光の撮像器への入射角から測定対象物の３次元位置が特定できるものであればどのようなものでも良く、例えば、スリット状（直線状）の光を照射するスリット光源や点状の光を照射する光源等を用いることができる。
【０００８】
前記光源は少なくとも第１の波長の光と第２の波長の光が照射可能となっており、前記の第１測定工程と第２測定工程では、第１の波長と第２の波長の光をそれぞれ照射し、それぞれの場合について反射される反射光の輝度を測定することが好ましい。
このような構成によると、第１の波長の光を照射した場合と第２の波長の光を照射した場合における反射光の輝度をそれぞれ測定することで、測定対象物（植物又は植物群）の構造をより正確に測定することができる。
なお、第１の波長の光として６００〜７００ｎｍの波長帯域の光（赤色光）を用い、第２の波長の光として７００〜９００ｎｍの波長帯域の光（近赤外）を用いることが好ましい。植物（詳しくは、植物を構成する葉）の反射特性は、赤色と近赤外の光のときに大きな違いがあり、この二つの波長帯域の光を利用することで植物の構造をより正確に測定することができる。
【０００９】
前記第１測定工程で測定される反射光の輝度は、光源から光を照射しない状態で第１の測定時間に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって補正され、前記第２測定工程で測定される反射光の輝度は、光源から光を照射しない状態で第２の測定時間に植物又は植物群から反射される反射光の輝度によって補正されていることが好ましい。
このような構成によると、測定装置の光源以外の外光（例えば、月光、屋外広告灯等）の影響を取除くことができ、より正確に測定対象物（植物又は植物群）の構造を測定することができる。
また、本願は上述した植物又は植物群の３次元構造測定方法を好適に実施するための測定装置を提供する。すなわち、本発明に係る測定装置は、植物又は植物群の３次元構造を測定する装置であり、測定対象物に光を照射する光源と、光源から照射される光に対し光軸が斜交するような位置関係に配置される撮像器と、植物又は植物群に対する光の照射方向が所定の方向となるように光源を位置決めする位置決め手段と、位置決め手段で位置決めされた光源から光を照射させ、第１の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を撮像器に測定する第１測定手段と、位置決め手段で位置決めされた光源から光を照射させ、第２の測定時間で植物又は植物群から反射される反射光の輝度を撮像器に測定する第２測定手段と、第１の測定時間と第２の測定時間のうち短いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の近くにある植物又は植物群の構造を求めると共に、第１の測定時間と第２の測定時間のうち長いほうの測定時間で測定された反射光の輝度から測定装置の遠くにある植物又は植物群の構造を求めるデータ処理手段と、前記位置決め手段を駆動して光の照射方向を変えながら、位置決めされた各照射方向について第１測定手段、第２測定手段及びデータ処理手段を実行させる手段と、を有する。
この測定装置によると、同一の光照射方向について測定時間を変えて植物又は植物群からの反射光の輝度を測定するため、測定装置と測定対象物（木や森等）との距離が広範囲に渡っても測定対象物の構造を求めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、下記に示す形態によって好適に実施することができる。
（形態１）  第１の波長の光は６８５ｎｍの波長の光（赤色レーザ光）であり、第２の波長の光は８３０ｎｍ（近赤外レーザ光）である。木や森等の一構成要素である葉は、赤色レーザ光に対する反射率が低く、近赤外レーザ光に対する反射率が高い。一方、木や森等の他の構成要素である枝・幹等は、赤色レーザ光に対する反射率が高く、近赤外レーザ光に対する反射率も高い。したがって、赤外レーザ光と近赤外レーザ光を用いて測定することで、測定対象物が葉であるのか、それとも枝・幹であるのかの判別を正確に行うことができる。
（形態２）  測定装置の光源からはスリット状の光が照射される。スリット状の光を照射することで、点状の光を照射する場合に比較して、光の照射・反射光の測定の回数を少なくすることができる。
【００１１】
【実施例】
本発明の測定方法に係る具体的な実施例について図面を参照して説明する。図１に本発明の測定方法を実施するための測定装置の構成を模式的に示している。
図１に示すように、本実施例に係る測定装置は、プラットホーム３０上の測定ヘッド（図示省略）に取付けられるレーザユニット１０及びＣＣＤカメラ２０と、ＣＣＤカメラ２０で撮影された画像データを記憶すると共に、レーザユニット１０，ＣＣＤカメラ２０の動作を制御する制御装置２４とで構成される。
レーザユニット１０は、測定対象である植物群に対しスリット光を照射するレーザラインマーカ１２（スリットレーザ）を備える。レーザラインマーカ１２は、波長６８５ｎｍの赤色レーザ光と波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光のいずれかを選択的に出射可能となっており、制御装置２４の指示に応じて一方の波長のレーザ光を出射する。また、レーザラインマーカ１２は、ポテンションメータ１４及びステッピングモータ１６を介してプラットホーム３０の測定ヘッドに取付けられており、ステッピングモータ１６が回転することでレーザラインマーカ１２から照射されるレーザ光の照射方向が変わるようになっている。ステッピングモータ１６の回転角度はポテンションメータ１４によって検出され、ポテンションメータ１４で検出された回転角度は制御装置２４に出力されるようになっている。制御装置２４は、ポテンションメータ１４から出力される検出信号に基づいてステッピングモータ１６を駆動することで、レーザラインマーカ１２から照射されるレーザ光の照射角度が所望の角度となるように制御する。
ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物から反射された光の像（反射輝度）を撮像する装置であって、プラットホーム３０の測定ヘッドに対して撮影方向を調整可能に取付けられている。ＣＣＤカメラ２０とレーザユニット１０間の距離は、測定前に予め所定の間隔となるように調整され、また、ＣＣＤカメラ２０の撮影方向は、ＣＣＤカメラ２０の光軸とレーザユニット１０から照射されるスリット光の光面とが斜めに交わるよう（斜交するよう）に調整されている。ＣＣＤカメラ２０には制御装置２４が接続されており、ＣＣＤカメラ２０で撮像された画像データは制御装置２４に記憶される。
制御装置２４は、汎用のパーソナルコンピュータであり、レーザユニット１０の動作を制御することでレーザ光の照射方向を調整し、同時に、ＣＣＤカメラ２０で撮影された画像データを制御装置内のハードディスクに格納する処理と、制御装置２４のハードディスクに格納された画像データを処理することで植物群の３次元構造を算出する処理を行う。
【００１２】
次に、上述した測定装置を用いた測定方法を説明する。なお、本発明に係る測定方法では、レーザユニット１０以外の光源による光の影響を少なくするため、測定対象物の測定は夜間に行われる。
まず、図２〜図４を用いて、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０の配置からＣＣＤカメラ２０による画像の撮像、撮像した画像データから測定対象物の３次元位置の算出までの手順を説明する。ここで、図２はレーザユニットから照射されたスリットレーザ光により測定対象物に描かれる光切断像をＣＣＤカメラで撮像する状態を模式的に示す図であり、図３はＣＣＤカメラで撮像された画像から測定対象物の３次元的位置を算出する際の原理を説明するための図であり、図４はレーザユニットから照射されるスリットレーザの照射角を変えながら測定対象物の全体を測定する際の手順を説明するための図である。
上述した測定装置によって測定対象物（植物群）を測定するには、まず、図２に示すように、測定対象物Ｂに対してスリット光を照射するレーザユニット１０を配置する。次いで、レーザユニット１０から測定対象物Ｂに対して照射されるスリットレーザ光の光面とＣＣＤカメラ２０の光軸（撮像方向）が斜交するようにＣＣＤカメラ２０を配置する。なお、ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物Ｂの全体が撮像できる位置に配置され、測定中にその光軸（撮像方向）が変更されることはない。また、既に説明したようにレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０は、プラットホーム３０上に所定の間隔を設けて取付けられているため、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０の間隔（位置）が測定中に変更されることはない。
【００１３】
上述のようにしてレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０の位置が位置決めされると、レーザユニット１０からスリット光Ｌが照射される。レーザユニット１０から照射されたスリット光Ｌの光面に測定対象物Ｂがあると、測定対象物Ｂから光が反射され、これによって測定対象物Ｂの上に光切断像Ｔが描かれる。この光切断像Ｔ（測定対象物Ｂにより反射された光）がＣＣＤカメラ２０で撮像され、撮像された画像データは制御装置２４のハードディスクに記憶される。このようなスリット光Ｌの照射と、測定対象物Ｂ上に描かれた光切断像Ｔの撮像とを、スリット光Ｌの照射方向を変えながら行うことで、測定対象物Ｂの全体について光切断像Ｔを撮像する。すなわち、図４に示すように、ステッピングモータ１６を駆動することでレーザラインマーカ１２から照射されるレーザ光の照射方向をＬ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４→Ｌ５・・と変えながら、各照射方向（レーザユニット１０の各走査角）における光切断像ＴをＣＣＤカメラ２０で撮像し、撮像した画像を制御装置２４のハードディスクに記憶する。
【００１４】
レーザユニット１０の各照射方向（各走査角）における光切断像Ｔが撮像されると、撮像された各画像から測定対象物Ｂの３次元の位置座標が算出される。３次元の位置座標を算出する原理を図３に基づいて説明する。図３には、Ａ点にレーザユニット１０（光源）が、Ｃ点にＣＣＤカメラ２０（撮像器）が配置され、測定対象物Ｂの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する場合を示している。
図３に示すように、レーザユニット１０（光源）から照射されるスリット光の照射角θはポテンションメータ１４によって検出されて既知であり、また、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０はプラットホーム３０上に取付けられて両者の距離ｄは既知である。さらに、ＣＣＤカメラ２０で撮像した画像内における座標値（画像内のピクセルの座標値）から、ＣＣＤカメラ２０から見た対象物Ｂの方向〔すなわち、反射光のＣＣＤカメラ２０への入射角（図３に示すαとβで規定される）〕を求めることができる。このように３つの角度θ，α，βと、レーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０間の距離ｄが分かると、図３に示す幾何学的関係から以下に示す関係式が成立する。ここで、測定対象物Ｂの位置座標は（ｘ，ｙ，ｚ）とする。
【００１５】
【式１】
0003548152.tif 000002
【００１６】
したがって、上記の連立方程式を解くことによって、測定対象物Ｂの位置（ｘ，ｙ，ｚ）が算出される。このような計算を撮像した画像内の全てのピクセルについて行うことで画像内の各点の３次元の位置座標が算出され、その点の反射輝度から各位置に何があるのか（測定対象物の３次元構造）を特定することができる。
【００１７】
上述したレーザユニット１０のレーザ照射角を所定の角度に位置決めするレーザユニット１０の位置決め動作と、レーザユニット１０から照射されたレーザ光による光切断像のＣＣＤカメラ２０による撮像と、撮像された画像の制御装置２４のハードディスクへの記憶は、制御装置２４がレーザユニット１０及びＣＣＤカメラ２０を制御することにより自動的に行われる。以下、測定対象物測定時における制御装置２４の処理フローを図５，６を用いて説明する。ここで、図５は制御装置２４における画像撮影処理全体の手順を示すフローチャートであり、図６は撮影した画像のデータ取込処理の手順を示すフローチャートである。
図５に示すように、制御装置２４は、まずレーザユニット１０の照射方向が所定の角度となるようレーザユニット１０を位置決めする（Ｓ０１）。具体的には、ステッピングモータ１６を駆動することでレーザラインマーカ１２を回転させる。この際、ポテンションメータ１４でステッピングモータ１６の回転角を検出し、検出されたステッピングモータ１６（レーザラインマーカ１２）の回転角から、レーザラインマーカ１２が所定の角度となる位置でステッピングモータ１６の駆動を停止する。なお、レーザユニット１０の位置決め（ただし、最初の走査線上への位置決めのみ）はレーザ光を照射しながら行われ、これにより測定者は意図した測定範囲にレーザ光が照射されるか否かを確認することができる。
次に、ＣＣＤカメラ２０による測定対象物の撮影時間（露出時間）を決定し、ステップＳ０３で行われるＣＣＤカメラ２０の撮影のためにレーザユニット１０から照射されるレーザをＯＦＦする（Ｓ０２）。すなわち、本実施例では、測定対象物を撮影する撮影時間（ＣＣＤカメラ２０の露出時間）を予め設定された複数の条件（本実施例では２条件）に変えて、それぞれの撮影時間で測定対象物を撮影する。このため、ＣＣＤカメラ２０の露出時間を予め設定された複数の露出時間の中の一つに決定する。また、ステップＳ０３では測定対象物にレーザが照射されていない状態で画像を撮影するため、ステップＳ０２ではレーザユニット１０をＯＦＦする。
【００１８】
次いで、制御装置２４はＣＣＤカメラ２０にデータ取込指令を出力することでデータ取込処理を行う（Ｓ０３）。このデータ取込処理については図６を用いて説明する。図６に示すように、データ取込処理では、まず制御装置２４はＣＣＤカメラ２０に対してデータ取込指令を出力する（Ｓ１１）。この制御装置２４からＣＣＤカメラ２０に出力されるデータ取込指令には、図５のステップＳ０２で決定された露出時間が含まれている。
データ取込指令がＣＣＤカメラ２０に出力されると、ＣＣＤカメラ２０は、測定対象物の撮影を開始し、撮影開始からの経過時間がデータ取込指令で指示された露出時間となったか否かを判断する（Ｓ１２）。
そして、指示された露出時間が経過していない場合〔ステップＳ１２でＮＯの場合〕にはＣＣＤカメラ２０による撮影を続行する。一方、指示された露出時間が経過している場合〔ステップＳ１２でＹＥＳの場合〕には撮影（データ取込）を終了する（Ｓ１３）。したがって、このステップＳ０３のデータ取込処理によって、レーザユニット１０からレーザ光が照射されていない状態でステップＳ０２で設定された露出時間だけ測定対象物が撮影され、撮影された画像データが取込まれることとなる。なお、ＣＣＤカメラ２０により撮影された画像データは制御装置２４に転送され、制御装置２４のハードディスク上の所定のアドレスに格納される。
【００１９】
上述のステップＳ０３のデータ取込処理が終了すると、次に、制御装置２４はレーザユニット１０から照射されるレーザ光の波長を設定する（Ｓ０４）。すなわち、本実施例では、レーザユニット１０から波長６８５ｎｍの赤色レーザ光と、波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光を交互に照射し、それぞれのレーザ光照射時において測定対象物の反射光の輝度をＣＣＤカメラ２０で撮像する。したがって、このステップＳ０４では、どちらの波長のレーザ光を測定対象物に照射するかを設定する。
ステップＳ０４でレーザユニット１０から照射するレーザ光の波長が決まると、制御装置２４はレーザユニット１０にステップＳ０４で決定された波長のレーザ光を測定対象物に照射するよう指令を出力する（Ｓ０５）。これにより、レーザユニット１０からは、ステップＳ０４で決定された波長のレーザ光が照射される。
レーザ光が照射が開始され、照射されるレーザ光の出力が安定すると、次に、前述したデータ取込処理（図６参照）を行う（Ｓ０６）。したがって、このステップＳ０６の処理では、ステップＳ０４で決定された波長のレーザ光がレーザユニット１０から測定対象物に照射された状態で、ステップＳ０２で決定された露出時間だけ測定対象物を撮像する。
【００２０】
データ取込処理が終了すると、レーザユニット１０から照射されるレーザをオフし（Ｓ０７）、次いで、全ての波長についてステップＳ０６のデータ取込処理を行ったか否かを判断する（Ｓ０８）。すなわち、本実施例では、赤色レーザと近赤外レーザの２種類のレーザ光を測定対象物に照射し、それぞれの場合についてＣＣＤカメラ２０で画像を撮像する。したがって、２種類の波長のレーザ光を照射したそれぞれの場合について測定対象物を撮像しているか否かを判定する。
全ての波長について画像を撮像していない場合〔ステップＳ０８でＮＯの場合〕には、ステップＳ０４に戻ってステップＳ０４からの処理を繰返す。これによって、レーザユニット１０から照射されるレーザ光の波長が変更されて、測定対象物の画像が撮像される。
一方、全ての波長について画像を撮影している場合〔ステップＳ０８でＹＥＳの場合〕にはステップＳ０９に進んで、撮像しなければならない全ての露出時間で測定対象物を撮像したか否かが判断される（Ｓ０９）。すなわち、本実施例では、測定対象物を予め設定された複数の露出時間のそれぞれの条件で撮影する。したがって、ステップＳ０９では、全ての露出時間（本実施例では２条件）で測定対象物を撮影したか否かを判断する。
【００２１】
全ての露出時間で測定対象物を撮影していない場合〔ステップＳ０９でＮＯの場合〕には、ステップＳ０２に戻ってステップＳ０２からの処理を繰返す。したがって、ステップＳ０２で露出時間が変更され、変更された露出時間についてステップＳ０３からの処理が行われる。一方、全ての露出時間で測定対象物を撮影している場合〔ステップＳ０９でＹＥＳの場合〕にはステップＳ１０に進んで、予め設定された全てのレーザ照射角（ステッピングモータ１６の走査角）についてステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理が終了しているか否かが判断される（Ｓ１０）。
全てのレーザ照射角について処理が終了していない場合〔ステップＳ１０でＮＯの場合〕は、ステップＳ０１に戻ってステップＳ０１からの処理が繰返される。したがって、レーザユニット１０のレーザ照射角が変更されて、ステップＳ０２からの処理が繰返される。一方、全てのレーザ照射角について処理が終了している場合〔ステップＳ１０でＹＥＳの場合〕には画像撮影処理を終了する。
【００２２】
上述の説明から明らかなように、本実施例に係る方法では、１つのスリット光（レーザユニット１０の１つの照射方向）について、各露出時間毎に、（１）レーザ光が照射されていない状態、（２）赤色レーザ光が照射されている状態、（３）近赤外レーザ光が照射されている状態の３条件で測定対象物が撮影される。なお、本実施例では、露出時間は２条件であるので、レーザユニット１０の１つの照射方向について撮影条件を変えて計６枚の画像が撮影され、次に説明する画像解析処理が行われる。
【００２３】
制御装置２４で行われる画像解析処理について図７に示すフローチャートを参照して説明する。
図７に示すように画像解析処理では、まず、解析対象となる画像を選択するための条件として、まず、撮影した画像の各レーザ照射角（ステッピングモータ１６の走査角）の中から一つのレーザ照射角を選択する（Ｓ１４）。すなわち、図４に示すようにレーザユニット１０でＬ１〜Ｌ５・・とレーザ照射角を変えて測定対象物を撮影しているので、これらのレーザ照射角Ｌ１〜Ｌ５・・の一つを選択する。
レーザ照射角が選択されると、そのレーザ照射角で撮影された画像内の各点の座標（２次元座標）を３次元の位置座標に変換する（Ｓ１５）。すなわち、既に説明した式１の連立方程式を解くことによって、画像内の各点の座標を３次元の位置座標に変換する（図３参照）。
【００２４】
次に、撮影条件の一つであるＣＣＤカメラ２０の露出時間を選択する（Ｓ１６）。具体的には、撮影した２つの露出時間の中の一つの露出時間を選択する。ステップＳ１４とステップＳ１６により解析対象となる画像のレーザ照射角と露出時間が決定されると、まずは、当該レーザ照射角及び当該露出時間で撮影した各画像（具体的には、レーザ非照射時，赤色レーザ照射時，近赤外レーザ照射時の３画像）の中からレーザ非照射時の画像データを制御装置２４のハードディスクから読み込む（Ｓ１７）。
次に、照射されたレーザ光の波長の一つを選択する（Ｓ１６）。すなわち、赤色レーザ照射時か近赤外レーザ照射時のいずれかを選択する。
レーザ光の波長が選択されると、その波長のレーザ光を照射した時の画像データ（ステップＳ１４で選択されたレーザ照射角でレーザが照射され、ステップＳ１６で選択された露出時間で撮影した画像のデータ）を制御装置２４のハードディスクより読み込む（Ｓ１９）。
次に、ステップＳ１９で読み込んだ画像データ（ステップＳ１８で選択された波長のレーザ光照射時の画像データ）の各点の反射輝度を、ステップＳ１６で読み込んだ画像データ（レーザ非照射時の画像データ）の対応する点の反射輝度によって修正する（Ｓ２０）。すなわち、レーザ照射時の画像データの反射輝度からレーザ非照射時の画像データの反射輝度を減算することによって、レーザ以外の光源（例えば、月光、屋外広告灯等の外光）による影響を除去する。
各画像データの反射輝度が修正されると、次に、その修正された各点の反射輝度をステップＳ１５で算出された３次元の位置座標とを関連付けて記憶する（Ｓ２１）。これによって、各位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）における反射輝度とが関連付けられて記憶されることなる。
【００２５】
ステップＳ２２では、ステップＳ１４で選択されたレーザ照射角で、かつ、ステップＳ１６で選択された露出時間で撮影された全ての波長の画像データについて、上記ステップＳ２１の処理が行われたか否かを判断する（Ｓ２２）。全ての波長（本実施例では、赤色レーザ光と近赤外レーザ光の２種類）についてステップＳ２１の処理が終了していない場合〔ステップＳ２２でＮＯの場合〕には、ステップＳ１８に戻ってステップＳ１８からの処理を繰り返す。これによって、ステップＳ１４で選択されたレーザ照射角で、かつ、ステップＳ１６で選択された露出時間で撮影された赤色レーザ光照射時の画像データと近赤外レーザ光照射時の画像データについて、３次元の位置座標とその位置座標における反射輝度とが関連付けられて記憶される。
全波長についてステップＳ２１の処理が終了している場合〔ステップＳ２２でＹＥＳの場合〕には、ステップＳ１４で選択されたレーザ照射角について，全ての露出時間の画像データ（すなわち、短露出時間と長露出時間）についてデータ処理が終了しているか否かを判断する（Ｓ２３）。全ての露出時間の画像データについてデータ処理が終了していない場合〔ステップＳ２３でＮＯの場合〕には、ステップＳ１６に戻ってステップＳ１６からの処理を繰り返す。これによって、ステップＳ１４で選択されたレーザ照射角で撮影された全ての画像データについてステップＳ１６からの処理が実行される。
全ての露出時間についてデータ処理が終了している場合〔ステップＳ２２でＹＥＳの場合〕には、次に、上述したデータ処理が全てのレーザ照射角の画像データについて終了しているか否かかを判断する（Ｓ２４）。全てのレーザ照射角の画像データについてデータ処理が終了していない場合〔ステップＳ２４でＮＯの場合〕には、ステップＳ１４に戻ってステップＳ１４からの処理を繰り返す。これによって、撮影した全画像データの全てについてステップＳ２１の処理が実行されることとなる。
【００２６】
全ての画像データについてデータ処理が終了している場合〔ステップＳ２４でＹＥＳの場合〕には、ステップＳ２１で格納された位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、その位置座標の各反射輝度（赤色レーザ光の反射輝度，近赤外レーザ光の反射輝度）から、その位置に葉があるのか枝・幹があるのかを判別する（Ｓ２５）。すなわち、葉がある場合は、赤色レーザ光の反射輝度は低く、近赤外レーザ光の反射輝度は高くなる。一方、枝・幹がある場合は、赤色レーザ光と近赤外レーザ光の反射輝度はともに高くなる。また、葉・枝・幹のいずれもが無い場合は、赤色レーザ光と近赤外レーザ光の反射輝度はいずれも低くなる。したがって、これらの特徴から、各位置に葉があるのか枝・幹があるのかを判別する。これによって、測定対象物（植物又は植物群）の３次元構造（葉と枝・幹の判別）が測定される。
なお、衛星画像解析の分野で提案されているＮＤＶＩ（正規化植生指標）を用いて、求めた反射輝度から植物（植物群）の分光反射特性を評価することもできる。具体的には、露出時間を短くして撮影した画像データの反射輝度をその露出時間で除算することで正規化し、また、露出時間を長くして撮影した画像データの反射輝度をその露出時間で除算することで正規化する。そして、この正規化した反射輝度でＮＤＶＩを求め、測定した植物（植物群）を総合的に評価する。ＮＤＶＩは、次に示す式２であらわされる。
【００２７】
【式２】
0003548152.tif 000003
【００２８】
式２中、Ｌｒｅｆはレーザ光非照射時の正規化された反射輝度を示し、Ｌｒｅｄは赤色レーザ光照射時の正規化された反射輝度を示し、Ｌｉｒは近赤外レーザ光照射時の正規化された反射輝度を示している。
上述した葉と枝・幹の相違による反射特性の相違から明らかなように、ＮＤＶＩの値が大きくなると、その位置に葉が存在すると判定することができる。また、ＮＤＶＩの値が小さくなると、その位置には葉が存在せず、枝・幹又は植物が存在しないと判定することができる。したがって、ＮＤＶＩの値によって植物（又は植物群）の葉の状態が判定することができ、これによって植物の活性度（健康度）を判定することができる。
【００２９】
以上本実施例に係る測定装置の構造及び動作を説明してきたが、次に、上述の測定装置を用いて森林（植物群）を測定した例について説明する。まず、本実施例に係る測定装置を用いた森林測定の応用例について図８を参照して説明する。図８は、測定装置を用いた森林の測定の応用例を模式的に示した図である。
図８（ａ）に示す例は、森林内にレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０を地面上に、地面と水平方向を撮影するように配置し、森林の低層部分を測定した例である。この測定によって森林の低層部の植物群の状態（樹木の植生，低層木の活性度）を判定することができる。図８（ｂ）に示す例は、森林内にレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０を地面から上方に向って撮影するように配置し、森林の上層部分を測定した例である。この測定によって森林内における高さ方向の葉の状態を判定することができる。図８（ｃ）に示す例は、森林の上方にレーザユニット１０とＣＣＤカメラ２０をセットし、森林の林冠部を測定した例である。この測定によって林冠部の葉の状態を判定することができる。
図９及び図１０は、実際に測定した実験結果を示している。すなわち、森林の林床（地面）に測定装置を真上に向けて設置した場合（図８（ｂ）の場合）の測定結果を３次元的に横から示した図である。図中左側に落葉樹（コナラ）が、右側に常緑樹（クスノキ）が示されており、植生指標（ＮＤＶＩ）が高いほど濃い色で示されている。各図の測定条件は、それぞれ、図９は落葉期に露出時間０．０３秒（単一露出時間）で測定した例であり、図１０は落葉期に露出時間０．０６３秒（単一露出時間）で測定した例である。
図９，図１０から明らかなように、露出時間が短いと測定装置から距離が近い植物群のみが観測され、一方露出時間が長くなると測定装置から距離が離れた植物群までが観測されている。ただし、露出時間が長くなると、測定装置から距離が近い植物群の植生指標が全て飽和し、葉と枝・幹の区別が不能となっている（一方、図９では測定装置から近い植物群の濃淡が表れている）。したがって、露出条件を変えて複数の露出時間で植物群を測定することで、植物群の３次元構造を広範囲に渡って測定できることが確認された。
【００３０】
上述の説明から明らかなように、本実施例に係る測定方法では、ＣＣＤカメラ２０の露出時間を変えて複数条件で撮影することで、短露出時間の測定によって測定装置から近い距離の植物（又は植物群）の３次元構造を測定することができ、長露出時間の測定によって測定装置から遠い距離の植物（又は植物群）の３次元構造を測定することができる。
また、赤色レーザ光と近赤外レーザ光を照射して得られた輝度を、レーザ非照射時に得られた輝度で修正するため、レーザ以外の光源（月光、屋外広告灯等）の影響を除去することができる。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定方法を実施するための測定装置の構成を模式的に示す図。
【図２】レーザユニットから照射されたスリットレーザ光による測定対象物の光切断像をＣＣＤカメラで撮像する状態を模式的に示す図。
【図３】ＣＣＤカメラで撮像された画像から測定対象物の３次元的位置を算出する際の原理を説明するための図。
【図４】レーザユニットから照射されるレーザ光の照射角を変えながら測定対象物の全体を測定する際の手順を説明するための図。
【図５】画像撮影処理の手順を示すフローチャート。
【図６】データ取込処理の手順を示すフローチャート。
【図７】画像解析処理の手順を示すフローチャート。
【図８】本実施例に係る測定装置による森林測定の応用例を模式的に示す図。
【図９】測定結果の一例を示す図。
【図１０】測定結果の一例を示す図。
【符号の説明】
１０・・レーザユニット
１２・・レーザラインマーカ
１４・・ポテンションメータ
１６・・ステッピングモータ
２０・・ＣＣＤカメラ
２４・・制御装置（パーソナルコンピュータ）
３０・・プラットホーム
【図１】
0003548152.tif 000004
【図２】
0003548152.tif 000005
【図３】
0003548152.tif 000006
【図４】
0003548152.tif 000007
【図５】
0003548152.tif 000008
【図６】
0003548152.tif 000009
【図７】
0003548152.tif 000010
【図８】
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【図９】
0003548152.tif 000012
【図１０】
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