(57)【要約】【課題】上下左右対称の断面をもつ空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることのできる位置計測方法および装置を提供する。【解決手段】３Ｄスキャナ１の位置計測結果である点群データについて、所定の回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って空間のｘ軸と３Ｄスキャナ１のξ軸を一致させるステップと、第１の座標変換後の点群データについて、所定の回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナ１のη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるステップと、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナ１の位置計測結果として推定するステップとを備えるようにする。【選択図】図１
2018132451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置を用いて空間の位置計測を行う方法であって、
ｘ軸を軸方向とする空間内に３Ｄスキャナを設置した後、３Ｄスキャナで空間内を位置計測するステップと、
３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるステップと、
第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるステップと、
第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定するステップとを備えることを特徴とする位置計測方法。
【請求項２】
第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、
第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であることを特徴とする請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項３】
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置であって、
演算装置は、ｘ軸を軸方向とする空間内に設置した３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させる手段と、
第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させる手段と、
第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定する手段とを備えることを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】
第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、
第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であることを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄスキャナを用いてトンネルなどの空間の位置を計測する位置計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、施工中の山岳トンネルの内空変位や沈下の計測等を、３Ｄスキャナを用いて行う方法が知られている。この方法に関連し、本願出願人は特許文献１において「トンネル内における３Ｄスキャナの自己位置推定方法」を既に提案している。これは、図９（１）に示すように、ｘ、ｙ、ｚの直交座標系をもとに施工が行われるトンネル内に、ξ、η、ζの直交座標系の３次元位置データを計測する３Ｄスキャナを、ξ、η軸が水平方向、ζ軸が鉛直方向となるように設置した後、この３Ｄスキャナでトンネル内の位置計測を実施して得られた点群データを特定の軸周りに回転させ、（２）に示すように、グリッドを設けた任意の１方向（例えばξ軸方向）の仮想の面に点群を投影し、（３）、（４）に示すように、そのグリッド内の累積数が最大となる回転角度や、累積したデータが特定の数を超えたグリッドの数が最大となる回転角度から、３Ｄスキャナのξ、η軸とトンネルのｘ、ｙ軸のずれを求め、求めたずれと、トンネル内の既知の座標値を利用して３Ｄスキャナの座標値を推定するものである。
【０００３】
しかしながら、上記の方法は３Ｄスキャナの座標系（ξηζ）のうち、ξ、η軸が水平方向を、ζ軸が鉛直方向を向いている必要があるという制限があった。
【０００４】
一方、本願出願人は、上記の技術に関連して「トンネル内における３Ｄスキャナの設置方法」を発明したところであり、これについての特許出願を現在検討中である。この方法では、図１０に示すように、３Ｄスキャナにより得られた点群データを任意の角度に回転させ、任意の１方向の仮想の面に点群データを投影した際に、投影された点群データを全て覆う長方形の面積Ａηζが最小となる場合の回転角度を用いて点群データを回転することにより、トンネルの進行方向（ｘ軸方向）の１軸と３Ｄスキャナの１軸の方向を一致させている。
【０００５】
さらに、図１１に示すように、点群データをトンネルの進行方向の軸周りに任意の角度で回転させ、上記と同じ仮想の面に投影し、トンネルの断面を左右で２等分した際に、各点群を全て覆う長方形の面積の差の絶対値｜Ａηζ,h−Ａηζ,1｜が最小となる場合の回転角度を用いて、点群データをトンネルの進行方向の軸周りに回転することにより、トンネルの鉛直方向（ｚ軸方向）と側壁方向（ｙ軸方向）の２軸と３Ｄスキャナの２軸の方向を一致させている。
【０００６】
この方法は、上下非対称で左右対称の断面の空間（トンネル）では有効であるが、図１２に示すように、楕円や長方形のように上下左右対称の断面の空間では、任意の角度で空間の進行方向周りに点群データを回転させた場合、どの角度でも左右の長方形の面積の差｜Ａηζ,h−Ａηζ,1｜が０となり、空間の鉛直方向と側壁方向の２軸と３Ｄスキャナの２軸を一致させることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２０１６−１８５５３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このため、上下非対称で左右対称の内空断面のトンネルのみならず、上下左右対称の内空断面のトンネルであっても、トンネルの鉛直方向と側壁方向の２軸と３Ｄスキャナの２軸を一致させることができる技術が求められていた。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上下左右対称の断面をもつ空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることのできる位置計測方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る位置計測方法は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置を用いて空間の位置計測を行う方法であって、ｘ軸を軸方向とする空間内に３Ｄスキャナを設置した後、３Ｄスキャナで空間内を位置計測するステップと、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるステップと、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるステップと、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定するステップとを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る他の位置計測方法は、上述した発明において、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る位置計測装置は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置であって、演算装置は、ｘ軸を軸方向とする空間内に設置した３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させる手段と、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させる手段と、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定する手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る他の位置計測装置は、上述した発明において、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る位置計測方法によれば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置を用いて空間の位置計測を行う方法であって、ｘ軸を軸方向とする空間内に３Ｄスキャナを設置した後、３Ｄスキャナで空間内を位置計測するステップと、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるステップと、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるステップと、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定するステップとを備えるので、空間の断面形状が上下非対称で左右対称の場合のみならず、上下左右対称の場合であっても、この空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることが可能となる。このため、位置計測を効率よく実施することができるという効果を奏する。
【００１５】
また、本発明に係る他の位置計測方法によれば、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であるので、位置計測処理の効率を上げることができるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明に係る位置計測装置によれば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置であって、演算装置は、ｘ軸を軸方向とする空間内に設置した３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させる手段と、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させる手段と、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定する手段とを備えるので、空間の断面形状が上下非対称で左右対称の場合のみならず、上下左右対称の場合であっても、この空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることが可能となる。このため、位置計測を効率よく実施することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明に係る他の位置計測装置によれば、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であるので、位置計測処理の効率を上げることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明に係る位置計測装置の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は、３Ｄスキャナの設置方法を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明に係る位置計測方法の実施の形態を示す前半のフローチャート図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明に係る位置計測方法の実施の形態を示す後半のフローチャート図である。
【図４】図４は、３Ｄスキャナの設置状況を示す図であり、（ａ）はηξ平面図、（ｂ）はηζ平面図、（ｃ）はξζ平面図である。
【図５】図５は、図４のように３Ｄスキャナを設置した場合に得られる点群データを示す図であり、（ａ）はηξ平面図、（ｂ）はηζ平面図、（ｃ）はξζ平面図である。
【図６】図６は、Ａηζが最小となる回転角から空間の軸を求める方法を示す図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）はη軸周りに回転後、（ｃ）はζ軸周りに回転後である。
【図７】図７は、Ａξζが最小となる回転角から空間の軸を求める方法を示す図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）は回転後である。
【図８】図８は、軸合わせ後の点群データを示す図である。
【図９】図９は、従来の特許文献１に記載の方法の概要図であり、計測点の累積数からトンネルの軸を求める方法を示す図である。
【図１０】図１０は、Ａηζが最小となる回転角からトンネルの軸を求める方法を示す図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）はη軸周りに回転後、（ｃ）はζ軸周りに回転後である。
【図１１】図１１は、二等分した点群を覆う長方形の各面積の差からトンネルの軸を求める方法を示す図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）は回転後である。
【図１２】図１２は、上下左右対称の断面をもつ空間に図１１の方法を適用した場合を示す図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）は回転後である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述したように、本願出願人が特許出願を検討中の「トンネル内における３Ｄスキャナの設置方法」の発明では、３Ｄスキャナにより得られた位置計測結果の点群データを投影する仮想の面が１種類であった。これに対し、本発明では、空間（トンネル）の内部に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナにより得られる位置計測結果の点群データを、２種類の仮想の面に投影する。そして、２種類の仮想の面に投影された点群データを全て覆う長方形の面積が最小となる場合の回転角度を用いて、点群データを回転する。これにより、上記の従来の方法では不可能であった、上下左右対称の断面をもつ空間と３Ｄスキャナの３軸の方向を一致させることが可能となる。これにより、上下左右対称の断面をもつ空間内での３Ｄスキャナの軸合わせができる。また、本発明による方法は特許出願を検討中の上記の方法を包含するものなので、従来の方法で軸を一致させることが可能であった、上下非対称で左右対称の断面をもつ空間でも、空間と３Ｄスキャナの３軸の方向を一致させることが可能となる。
【００２０】
以下に、本発明に係る位置計測方法および装置の実施の形態について、施工中のトンネルを模した上下左右対称の長方形断面の空間に位置計測装置を設置した場合を例にとり、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係る位置計測装置１００は、掘削面の３次元位置データを取得して施工中のトンネル（空間）の位置計測を行う３Ｄスキャナ１と、３Ｄスキャナ１の計測結果から座標軸合わせを行い、この軸合わせに基づいて自己位置を推定するための演算装置２と、位置計測センサー３と、三脚４とを備える。
【００２２】
３Ｄスキャナ１は対象物の位置計測を行った際に、３次元の位置情報を持った点群データを取得できる。これは３Ｄスキャナ１の位置計測センサー３の中心を原点Ｏとし、Ｏを通るξ、η、ζ軸からなる直交座標系をもとにした情報である。
【００２３】
図２に示すように、３Ｄスキャナ１は三脚４を用いて長方形断面のトンネル内に任意の姿勢で設置する。ここで、トンネルはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系をもとに施工され、ｘ軸をトンネル軸方向としている。
【００２４】
演算装置２は、第１手段と第２手段と第３手段とを有している。
【００２５】
第１手段は、３Ｄスキャナ１の位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、トンネルのｘ軸と３Ｄスキャナ１のξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、トンネルのｘ軸と３Ｄスキャナ１のξ軸を一致させるものである。
【００２６】
第２手段は、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、トンネルのｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナ１のη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、トンネルのｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナ１のη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるものである。
【００２７】
第３手段は、第２の座標変換後の点群データを、トンネルの直交座標系における３Ｄスキャナ１の位置計測結果として推定するものである。これにより、３Ｄスキャナ１の位置計測結果は、トンネルの直交座標系で表現される。
【００２８】
ここで、第１の座標変換は、３Ｄスキャナ１の位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換である。
【００２９】
また、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換である。
【００３０】
本実施の形態によれば、トンネルの内空断面の形状が上下非対称で左右対称の場合のみならず、上下左右対称の場合であっても、３Ｄスキャナ１の座標軸とトンネルの座標軸の軸合わせが可能である。
【００３１】
次に、本発明による３Ｄスキャナ１の軸合わせ方法の具体的な手順について、図３Ａ、図３Ｂのフローチャートを参照しながら説明する。図３Ａに示される前半のフロー（ステップＳ１００）が上記の従来の方法に相当する基本的なフロー、図３Ｂに示される後半のフロー（ステップＳ２００）が本発明の特徴的なフローである。
【００３２】
（基本的なフロー）
まず、前半の基本的なフロー（ステップＳ１００）を説明する。このフローは、長方形断面の空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるためのものである。
【００３３】
図３Ａに示すように、最初に、３Ｄスキャナ１を長方形断面の空間内に任意の姿勢で設置する（ステップＳ１）。図４に、長方形断面の空間内への３Ｄスキャナ１の設置例を示す。長方形断面の空間は進行方向（トンネル軸方向）がｘ軸、側面方向がｙ軸、鉛直方向がｚ軸方向である直交座標系をもつと仮定する。
【００３４】
続いて、３Ｄスキャナ１を用いて長方形断面の空間内の位置計測を実施する（ステップＳ２）。これにより、図５に示すような点群データが得られる。
【００３５】
次に、以下のステップＳ３〜Ｓ１０の処理により、長方形断面の空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度θη、θζ（°）を求める。
【００３６】
まず、図６（ａ）に示すように、位置計測結果をηζ平面に投影し、η軸、ζ軸方向の最大値、最小値であるηmax、ηmin、ζmax、ζminを求める（ステップＳ３）。求めたηmax、ηmin、ζmax、ζminで囲まれた長方形の面積Ａηζを求める（ステップＳ４）。
【００３７】
次に、図６（ｂ）に示すように、点群データを例えばη軸周りに任意の回転角θ（°）で回転させる（ステップＳ５でＹｅｓ）。そして、上記の回転と、Ａηζの導出を任意の角度θで実施後（ステップＳ５、Ｓ６）、Ａηζが最小となるときのθを回転角θη（°）として求める（ステップＳ７）。続いて、求めた回転角θηを用いてη軸周りに位置計測結果である点群データを回転させて座標変換を行う（ステップＳ８）。
【００３８】
次に、図６（ｃ）に示すように、例えばステップＳ８で座標変換したη軸ではない方のζ軸周りに任意の回転角θで回転させる（ステップＳ９でＹｅｓ）。そして、上記の回転と、Ａηζの導出を任意の角度θで実施後（ステップＳ９、Ｓ６）、Ａηζが最小となるときのθを回転角θζとして求める（ステップＳ１０）。
【００３９】
次に、上記で求めた回転角θηおよびθζを用いてη軸およびζ軸周りに位置計測結果である点群データを回転させて、長方形断面の空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させる第１の座標変換を行う（ステップＳ１１）。
【００４０】
（特徴的なフロー）
次に、後半の特徴的なフロー（ステップＳ２００）を説明する。このフローは、長方形断面の空間のｙ、ｚ軸と３Ｄスキャナ１のη、ζ軸を一致させるためのものである。
【００４１】
図３Ｂに示すように、まず、上記のステップＳ１００の第１の座標変換により得られた点群データを、図７（ａ）に示すようなξζ平面上に投影し、ξ、ζ軸方向の最大値、最小値であるξmax、ξmin、ζmax、ζminを求める（ステップＳ１２）。求めたξmax、ξmin、ζmax、ζminで囲まれた長方形の面積Ａξζを求める（ステップＳ１３）。
【００４２】
次に、図７（ｂ）に示すように、点群データの座標（Ξi，Ηi，Ζi）を、ξ軸周りに任意の回転角θで回転し、点（ξi,ξ，ηi,ξ，ζi,ξ）に変換を行い、Ａξζを求める（ステップＳ１４、Ｓ１５）。
【００４３】
上記の回転と、Ａξζの導出を任意の角度θで実施後、Ａξζが最小となるξ軸周りの回転角θξを求める（ステップＳ１６）。
【００４４】
次に、図７（ｂ）に示すように、求めたθξを用いて上記のステップＳ１００の第１の座標変換により得られた点群データをξ軸周りに回転させて、長方形断面の空間のｙ、ｚ軸と３Ｄスキャナ１のη、ζ軸を一致させる第２の座標変換を行う（ステップＳ１７）。
【００４５】
θξを用いて点群データをξ軸周りに回転させると、図８に示すような点群データが得られ、長方形断面の空間のｙ、ｚ軸と３Ｄスキャナのη、ζ軸が一致することになる。
【００４６】
以上の方法により、上下左右対称の長方形断面の空間内に３Ｄスキャナ１を任意の姿勢で設置した場合、３Ｄスキャナ１の計測結果から、上下左右対称の断面の空間の直交座標系（ｘｙｚ）と３Ｄスキャナ１のセンサー３の直交座標系（ξηζ）の座標軸の方向を一致させることができる。
【００４７】
なお、上記の実施の形態では、長方形断面の空間に適用する場合を例にとり説明したが、本発明は長方形断面の空間に限定するものではなく、例えば上下左右対称の楕円形などの上下左右対称の形状の断面に対しても適用可能である。また、本発明は、本願出願人が特許出願を検討中の上記の従来の方法も包含したものであることから、上下非対称で左右対称の断面の空間（例えば馬蹄形断面の空間）に対しても適用可能であることはいうまでもない。
【００４８】
以上説明したように、本発明に係る位置計測方法によれば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置を用いて空間の位置計測を行う方法であって、ｘ軸を軸方向とする空間内に３Ｄスキャナを設置した後、３Ｄスキャナで空間内を位置計測するステップと、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるステップと、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるステップと、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定するステップとを備えるので、空間の断面形状が上下非対称で左右対称の場合のみならず、上下左右対称の場合であっても、この空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることが可能となる。このため、位置計測を効率よく実施することができる。
【００４９】
また、本発明に係る他の位置計測方法によれば、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であるので、位置計測処理の効率を上げることができる。
【００５０】
また、本発明に係る位置計測装置によれば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の直交座標系により規定された空間内に設置され、この空間を区画形成する面の３次元位置データをξ軸、η軸、ζ軸の直交座標系の座標値で取得することによって空間の位置計測を行う３Ｄスキャナと、３Ｄスキャナの計測結果から所定の軸合わせを行うための演算を行う演算装置とを備えた位置計測装置であって、演算装置は、ｘ軸を軸方向とする空間内に設置した３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる第１の座標変換を行って、空間のｘ軸と３Ｄスキャナのξ軸を一致させる手段と、第１の座標変換後の点群データを所定の仮想の面に投影した投影像に基づいて、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させるための回転角度を求め、求めた回転角度でξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる第２の座標変換を行って、空間のｙ軸、ｚ軸と３Ｄスキャナのη軸、ζ軸をそれぞれ一致させる手段と、第２の座標変換後の点群データを、空間の直交座標系における３Ｄスキャナの位置計測結果として推定する手段とを備えるので、空間の断面形状が上下非対称で左右対称の場合のみならず、上下左右対称の場合であっても、この空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせることが可能となる。このため、位置計測を効率よく実施することができる。
【００５１】
また、本発明に係る他の位置計測装置によれば、第１の座標変換は、３Ｄスキャナの位置計測結果である点群データをξ軸に垂直なηζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がη軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをη軸、ζ軸周りにそれぞれ回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θη、θζを求めた後、位置計測結果である点群データについて、求めた回転角度θη、θζでη軸、ζ軸周りにξ軸を回転させる座標変換であり、第２の座標変換は、第１の座標変換後の点群データをη軸に垂直なξζ平面に投影した場合において、投影された点群データを包含して各辺がξ軸とζ軸に平行で各辺の長さが最小となる長方形であって、この点群データをξ軸周りに回転して得られる長方形の面積が最小となるときの回転角度θξを求めた後、第１の座標変換後の点群データについて、求めた回転角度θξでξ軸周りにη軸、ζ軸を回転させる座標変換であるので、位置計測処理の効率を上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明に係る位置計測方法および装置は、３Ｄスキャナを用いたトンネル掘削の管理に有用であり、特に、上下左右対称の断面をもつ空間内に任意の姿勢で設置した３Ｄスキャナの座標軸を、空間の座標軸に合わせるのに適している。
【符号の説明】
【００５３】
１  ３Ｄスキャナ
２  演算装置
３  センサー
４  三脚
１００  位置計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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