(57)【要約】【課題】レーザースキャナを用いた計測システムにおいて、線路脇に設けられる標識板などの厚みが薄い地物は形状を正確に捕捉しにくい。【解決手段】３次元計測装置１は鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、レーザー点群を取得するレーザースキャナ２ａ，２ｂを有する。線路の幅方向の位置に関し、レーザースキャナ２ａは一方のレール３２ａの位置にあり、レーザースキャナ２ｂは他方のレール３２ｂの位置にある。線路の延伸方向の位置に関し、レーザースキャナ２ａ，２ｂは互いに異なる位置にある。線路の延伸方向から見て同じ方向に照射されるレーザービームの方向ベクトルの延伸方向の成分は、レーザースキャナ２ａとレーザースキャナ２ｂとで逆向きである。【選択図】図３
2019015631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、当該車両を走行させて、当該車両の運動状態と共に、前記線路及びその周辺の地物表面からレーザー点群を取得する３次元計測装置であって、
前記レーザー点群を取得する第１及び第２のレーザースキャナを有し、
前記線路の幅方向の位置に関し、前記第１のレーザースキャナは前記線路を構成する一対のレールの一方の位置にあり、前記第２のレーザースキャナは前記一対のレールの他方の位置にあり、
前記線路の延伸方向の位置に関し、前記第１及び第２のレーザースキャナは互いに異なる位置にあり、
前記延伸方向から見て同じ方向に照射されるレーザービームの方向ベクトルの前記延伸方向の成分は、前記第１のレーザースキャナと前記第２のレーザースキャナとで逆向きであること、
を特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元計測装置において、
前記第１及び第２のレーザースキャナはそれぞれ、１つの平面内にて複数方向の前記レーザービームを形成すること、を特徴とする３次元計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の３次元計測装置において、
前記第１及び第２のレーザースキャナは、同じ高さから前記レーザービームを射出すること、を特徴とする３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道の線路上を走行可能な車両から線路及びその周辺の地物の形状を計測する３次元計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道運行の安全を確保するために、線路周辺にて列車走行の障害となりうる建築物等を設置してならない範囲が鉄道建築限界として定められている。また、鉄道運行の安全確保には、線路の状態の点検、保守も当然に重要である。概して長距離である鉄道において鉄道建築限界や線路状態の把握を効率的に行うために、計測装置を搭載した検測車両や軌陸車などを用い、線路上を走行しつつ線路及びその周辺の状態把握が行われている。
【０００３】
近年においては、レーザースキャナを含む計測システムを車両に搭載し、地物の３次元形状を把握することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０３８５６８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２５８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザースキャナを用いた計測システムにおいて、線路脇に設けられる標識板などの厚みが薄い地物は形状を正確に捕捉しにくく、鉄道建築限界についての判断の精度、信頼度が確保されない。また、レールに対してその横断面における斜め上方からレーザーを照射するとレールの底部にレールの頭部や腹部の陰となる部分が生じ易く、レールの断面形状や姿勢を正確に把握しにくくなり得る。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、厚みの薄い地物やレールの状態を好適に把握しつつ、鉄道建築限界の点検作業を効率的に行うことを可能とする３次元計測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】
【０００７】
（１）本発明に係る３次元計測装置は、鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、当該車両を走行させて、当該車両の運動状態と共に、前記線路及びその周辺の地物表面からレーザー点群を取得する装置であって、前記レーザー点群を取得する第１及び第２のレーザースキャナを有し、前記線路の幅方向の位置に関し、前記第１のレーザースキャナは前記線路を構成する一対のレールの一方の位置にあり、前記第２のレーザースキャナは前記一対のレールの他方の位置にあり、前記線路の延伸方向の位置に関し、前記第１及び第２のレーザースキャナは互いに異なる位置にあり、前記延伸方向から見て同じ方向に照射されるレーザービームの方向ベクトルの前記延伸方向の成分は、前記第１のレーザースキャナと前記第２のレーザースキャナとで逆向きである。
【０００８】
（２）上記（１）に記載した３次元計測装置において、前記第１及び第２のレーザースキャナはそれぞれ、１つの平面内にて複数方向の前記レーザービームを形成する構成とすることができる。
【０００９】
（３）上記（１）又は（２）に記載した３次元計測装置において、前記第１及び第２のレーザースキャナは、同じ高さから前記レーザービームを射出する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、厚みの薄い地物やレールの状態を好適に把握しつつ、鉄道建築限界の点検作業を効率的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元計測装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３次元計測装置の模式的な側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る３次元計測装置の模式的な平面図である。
【図４】線路の延伸方向から見たレーザースキャナとレールとの位置関係を示す模式図である。
【図５】レーザースキャナによって取得されるレール表面のレーザー点群を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）に係る３次元計測装置１について、図面に基づいて説明する。３次元計測装置１は、鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、当該車両を走行させながら線路及びその周辺の地物表面の形状等を計測する。
【００１３】
図１は実施形態に係る３次元計測装置１の概略の構成を示すブロック図である。３次元計測装置１は、基本的にモービルマッピングシステム（Mobile Mapping System：ＭＭＳ）の構成を有し、具体的には、レーザースキャナ２、全球測位衛星システム（Global Navigation Satellite System：ＧＮＳＳ）受信機４、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）６、レーザードップラー距離計８、カメラ１０、コンピュータ１２を含んでいる。
【００１４】
レーザースキャナ２は周囲にレーザービームを発射し、その発射角度と、レーザーの発射から反射光の受信までの時間とに基づいて、物体表面におけるレーザー反射点のレーザースキャナ２から見た角度及び距離を計測する。レーザースキャナ２はレーザービームの方向を順次変えて、線路周辺の広範囲の物体表面からレーザー点群を取得する。本実施形態ではレーザースキャナ２は、中心軸の周り３６０°の範囲にて微小角度ずつずらした複数の方向にレーザービームを照射するスキャン動作を行う。各レーザービームは例えば、当該中心軸に直交する方向に発射され、よってレーザースキャナ２に固定した座標系においてはレーザービーム群は１つの平面を形成する。ここでは当該平面を走査平面と称する。なお、後述するように３次元計測装置１はレーザースキャナ２を２台有する。
【００１５】
ＧＮＳＳ受信機４はＧＮＳＳを構成する衛星からの電波を受信し、３次元計測装置１の位置を取得する。例えば、ＧＮＳＳとして、全地球測位システム（Global Positioning System：ＧＰＳ）を用いることができる。
【００１６】
ＩＭＵ６は３次元計測装置１の３次元の角速度と加速度を測定する。ＩＭＵ６の測定データは、ＧＮＳＳの受信状況が不安定な状況の場合の補完手段として３次元計測装置１の位置・姿勢の把握に用いられる。
【００１７】
レーザードップラー距離計８は、レール面にレーザー光を照射し、３次元計測装置１の移動距離を計測する。道路上で用いられるＭＭＳでは車輪の回転を計測して移動距離を求めるオドメータが用いられるが、鉄道車両では車輪がレール上でスリップし空転するため、３次元計測装置１ではオドメータに代えてレーザードップラー距離計８を用い、距離計測精度を確保する。
【００１８】
カメラ１０はデジタルカメラであり、３次元計測装置１の周囲の例えばカラー画像や赤外線サーモグラフィ、白黒画像等を撮影する。
【００１９】
コンピュータ１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０及び記憶装置２２を含んで構成され、レーザースキャナ２、ＧＮＳＳ受信機４、ＩＭＵ６、レーザードップラー距離計８、カメラ１０が出力するデータを入力され記録する。計測作業にて記録されたデータは例えば、計測作業の終了後に処理される。当該処理では、レーザースキャナ２の計測データを、ＧＮＳＳ受信機４、ＩＭＵ６及びレーザードップラー距離計８の計測データから得られる３次元計測装置１又は当該装置を搭載した車両の運動状態と統合して、地上に設定された座標系でのレーザー点群の座標値が求められる。さらに、当該レーザー点群を用いて、レールや線路周辺の地物の形状や配置を解析する処理を行うことができる。
【００２０】
図２は３次元計測装置１の模式的な側面図であり、図３は３次元計測装置１の模式的な平面図であり、特に、鉄道の線路上を走行可能な車両３０に搭載された３次元計測装置１のレーザースキャナ２の配置を表している。
【００２１】
車両３０は線路の２本のレール３２（３２ａ，３２ｂ）の上に乗る車輪３４を有する。車両３０は動力を備え自走可能なものであってもよいが、図では動力車３６に連結されて移動する構成を示している。
【００２２】
上述したように３次元計測装置１は２つのレーザースキャナ２ａ，２ｂを有する。これら２つのレーザースキャナ２ａ，２ｂは、図３に示すように平面視にて車両３０上の斜めに並ぶ。つまり、線路の幅方向の位置に関しては、レーザースキャナ２ａは線路を構成する一方のレール３２ａの位置にあり、レーザースキャナ２ｂは他方のレール３２ｂの位置にあり、また、線路の延伸方向の位置に関しては、レーザースキャナ２ａ，２ｂは互いに異なる位置にある。例えば、車両３０において動力車３６に連結された側を「前」と定義すると、線路の延伸方向の位置に関して、本実施形態ではレーザースキャナ２ａが車両３０の前側に位置し、レーザースキャナ２ｂが車両３０の後側に位置する。
【００２３】
さらに、レーザースキャナ２ａ，２ｂは、線路周辺の空間を前方からと後方からとの２通りでスキャン可能に配置される。つまり、レーザースキャナ２ａ，２ｂそれぞれのレーザービームのうち線路の延伸方向から見て互いに同じ方向に照射されるものの方向ベクトルの線路の延伸方向に沿った成分は、レーザースキャナ２ａとレーザースキャナ２ｂとで逆向きとされる。例えば、上述した本実施形態のレーザースキャナ２の走査平面は、レーザースキャナ２ａについては当該レーザースキャナより前の位置でレール３２と交差する走査平面３８ａとし、レーザースキャナ２ｂについては当該レーザースキャナより後ろの位置でレール３２と交差する走査平面３８ｂとすることができる。この配置により、レーザースキャナ２ａはそれより低い位置へは斜め前方にレーザービームを出射し、高い位置へは斜め後方へ出射する。逆に、レーザースキャナ２ｂはそれより低い位置へは斜め後方にレーザービームを出射し、高い位置へは斜め前方へ出射する。例えば、走査平面の傾斜角度は、線路の延伸方向に関し水平位置から４５°とすることができる。
【００２４】
線路周辺の空間を前方からと後方からとの２通りでスキャン可能にレーザースキャナ２ａ，２ｂを配置する上述の３次元計測装置１の構成により、車両３０を走行させて行う計測にて、物体を前方からスキャンしたレーザー点群と、後方からスキャンしたレーザー点群とが得られ、物体の形状を好適に把握することが可能となる。特に、物体が標識板のように進行方向に薄い厚みを有したものであっても、その両側の表面からレーザー点群を取得することができ、物体の厚さや形状の把握が容易となる。
【００２５】
ここで、例えば、前方又は後方のいずれか一方からのみスキャンするレーザースキャナを搭載した車両を、往路と復路とで向きを変えて往復走行させてレーザー点群を取得することも考えられるが、場合により取得日が異なったり、衛星の配置が同一でない場合があるため、ＧＮＳＳ受信機４、ＩＭＵ６及びレーザードップラー距離計８などの複数の計測データを組み合わせて位置を求めても往路と復路とでの位置のずれを排除することが難しく、それに起因してレーザー点群から把握される物体形状の誤差も大きくなり得る。この点、３次元計測装置１は１回の走行で前方から照射したレーザー点群と後方から照射したレーザー点群との両方を取得するので物体形状の計測誤差を小さくすることができる。
【００２６】
レーザースキャナ２ａ，２ｂはレール３２にレーザービームが照射されるように配置され、レール３２から取得したレーザー点群をレール３２の形状や姿勢の把握に供することができる。この点について以下説明する。
【００２７】
図４は、線路の延伸方向から見たレーザースキャナ２ａ，２ｂとレール３２ａ，３２ｂとの位置関係を示す模式図である。レールは断面形状に関し、多くの場合、図４に示すように平底レールであり、車輪が接触する頭部４２ｈと、頭部４２ｈを中心として幅方向の両側に広がる底部４２ｂと、底部４２ｂに垂直に立設され頭部４２ｈの高さを確保する腹部４２ｍとを有する。
【００２８】
上述したように、線路の幅方向の位置に関しては、レーザースキャナ２ａはレール３２ａの位置に対応して配置され、レーザースキャナ２ｂはレール３２ｂの位置に対応して配置される。具体的には、レーザースキャナ２ａ，２ｂは基本的に、車両３０が線路の直線部分にあるときに、図４に示すようにそれぞれレール３２ａ，３２ｂの真上となるように配置される。
【００２９】
このようにレーザースキャナ２をレール３２の真上に配置することで、レーザースキャナ２のレーザービームは、当該レール３２の頭部４２ｈに対して両側に位置する底部４２ｂそれぞれの上面に照射され易く、底部の形状・姿勢を高精度に把握可能とするに足る数のレーザー点群を取得し易い。具体的には、レーザースキャナ２ａのレーザービーム４０ａは、レール３２ａの両側の底部４２ｂそれぞれに照射され易く、レーザースキャナ２ｂのレーザービーム４０ｂは、レール３２ｂの両側の底部４２ｂそれぞれに照射され易い。
【００３０】
一方、レーザースキャナ２ｂは斜め下方に位置するレール３２ａの底部４２ｂのうちレーザースキャナ２ｂから見て裏側となる線路外側の部分からはレーザー点群を取得しにくい。
【００３１】
同様に、レーザースキャナ２ｂのレーザービーム４０ｂによって、レール３２ｂの両側の底部４２ｂの上面のレーザー点群を取得し易いが、レール３２ａの底部４２ｂのうち線路外側の部分からはレーザー点群を取得しにくい。
【００３２】
図５はレーザースキャナ２ａ，２ｂによって取得されるレール３２ａ，３２ｂ表面のレーザー点群を示す模式図である。図において“×”印がレーザースキャナ２ａによって取得されるレーザー点群を示しており、“○”印がレーザースキャナ２ｂによって取得されるレーザー点群を示している。
【００３３】
ここで、レール３２の幅方向の傾き（倒れ込み）を把握するには、摩耗等により形状が変化する頭部４２ｈの上面よりも、摩耗などの変形が生じにくい底部４２ｂの形状を用いることが好適であり、当該形状は底部４２ｂから取得されるレーザー点群の数が多いほど高精度に決定可能である。この点、上述のように、レール３２ａ，３２ｂそれぞれの真上にレーザースキャナ２を配置して、各レール３２における両側の底部にレーザービームが照射され易くすることで、レーザー点群の数を確保して底部４２ｂの形状を高精度に把握し、ひいてはレール３２の傾きを精度よく評価することが可能となる。
【００３４】
なお、各レール３２の形状把握に際して、レーザースキャナ２ａ，２ｂ両方のレーザー点群を用いることもできる。例えば、レール３２ａの傾きの評価に、レーザースキャナ２ａによって取得によって取得されるレール３２ａの底部４２ｂの点群と、レーザースキャナ２ｂによって取得されるレール３２ａの腹部４２ｍの点群とを併用することで、当該評価の精度向上を図ることができる。
【００３５】
レール３２の形状や姿勢の把握をレール３２ａとレール３２ｂとで同等精度で行うためには、レーザー点群の密度をレール３２ａとレール３２ｂとで同じにすることが好適である。この点、レーザースキャナ２ａ，２ｂ自体の仕様が同等であることを前提として、レーザースキャナ２ａ，２ｂの高さを揃え、両レーザースキャナが同じ高さからレーザービームを射出するように構成することができる。また、併せて、両レーザースキャナの走査平面の傾斜角度も同じとして、レーザースキャナ２ａからレール３２ａ上の照射位置までの距離と、レーザースキャナ２ｂからレール３２ｂ上の照射位置までの距離とを同じにすることが好適である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ３次元計測装置、２  レーザースキャナ、４  ＧＮＳＳ受信機、６  ＩＭＵ、８  レーザードップラー距離計、１０  カメラ、１２  コンピュータ、２０  ＣＰＵ、２２  記憶装置。
【図１】
2019015631.tif 000003
【図２】
2019015631.tif 000004
【図３】
2019015631.tif 000005
【図４】
2019015631.tif 000006
【図５】
2019015631.tif 000007