(57)【要約】【課題】  小型で軽量でありながら、高い精度で、地形を測量することができるレーザ計測システムを提供する。【解決手段】  レーザ計測システムは、レーザビーム１０を放出するレーザ光源１１と、レーザビーム１０を多数のレーザビーム２０に分割し、四角錘状に拡散させる拡散モジュール１５とを備えたレーザ測距装置７と、レーザ測距装置７を保持する架台Ｈと、航空機の三次元的な位置情報を検出するＧＮＳＳセンサ３１と、架台Ｈの姿勢情報を検出するジャイロセンサＧと、地上面によって反射されたレーザビームを光電的に検出するＣＣＤセンサ１８を備えている。【選択図】      図１
2016080572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載されたレーザ計測システムであって、レーザビームを照射するレーザ照射デバイスと、レーザ照射デバイスを保持する架台と、前記航空機の三次元的な位置情報を検出するＧＮＳＳセンサと、前記架台の姿勢情報を検出する姿勢センサと、地上面によって反射されたレーザビームを光電的に検出する光検出器を備え、前記レーザ照射デバイスが、レーザビームを地上に向けて、特定の時間にわたって、錐体状に連続照射することを特徴とするレーザ計測システム。
【請求項２】
前記レーザ照射デバイスが、レーザビームをパルス状に放出するレーザ光源と、前記レーザ光源から放出されたレーザビームを多数のレーザビームに分割し、多数のレーザビームを錐体状に地上面に照射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ計測システム。
【請求項３】
光検出器として二次元撮像素子が用いられ、レーザ計測システムが、さらに、前記二次元ＣＣＤセンサによって光電的に検出されて生成された計測画像データを、検出時間、前記ＧＮＳＳセンサが検出した位置情報および前記姿勢センサが検出した前記架台の姿勢情報とともに記録するメモリ手段と、前記二次元ＣＣＤセンサによって光電的に検出されて生成された画像データを前記姿勢センサが検出した前記架台の姿勢情報によって補正した補正画像データに基づいて、地形画像を表示可能な表示手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ計測システム。
【請求項４】
前記二次元撮像素子として、二次元ＣＣＤセンサおよびＣＭＯＳセンサよりなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ計測システムに関するものであり、さらに詳細には、航空機に搭載したレーザ測距器を用いて、地形情報を取得するレーザ計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ測距器にＧＮＳＳ受信機とＩＭＵ（姿勢計測装置）とを組み合わせ、航空機より地表に向けレーザを発射して、レーザ照射点（計測点）の三次元的位置を測量するレーザ計測システムが知られている。
【０００３】
レーザ測距器は、レーザを発射した時間とレーザが地表で反射して戻って来た時間から航空機と地表の距離を測定するように構成され、ＧＮＳＳ受信機は衛星の電波から航空機の三次元的位置を測定するように構成されている。一方、ＩＭＵは航空機の姿勢や加速度を測定し、測定値からレーザ光の発射方向を補正するように構成され、これらの測定データを組み合せることにより、計測点の緯度経度標高が高精度に測量することが可能になる（非特許文献１：公共測量
作業規程の準則 解説と運用 326,327頁 社団法人
日本測量協会発行）。
【０００４】
近年のレーザ測距器は、１秒当り数万回ないし１０万回程度のレーザ発射能力があり、このレーザ光を航空機の進行方向に対して、左右方向にスキャンすることにより、１回の飛行で、幅広い帯状領域を測量することができる。飛行高度２０００ｍでスキャン角度が２０度の場合、測定領域の幅は約７００ｍで、計測点の間隔は５０〜６０ｃｍである（国土地理院のＨＰ「航空レーザ測定」参照）。
【０００５】
このように、従来のスキャン方式は広い領域を効率的に測定することができる半面で、計測点の数が膨大でデータの処理に時間がかかり、また、レーザの反射ミラーなどスキャニング機構が高価で耐久性に欠けるという問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、特許文献１（特開２０１２−２２５７０６号公報）は、航空機に複数台のレーザ測距器を搭載し、各レーザ測距器のレーザ発射方向の角度をずらして固定し、これらとレーザ照射点の距離を測るレーザ測距手段と、レーザ測距手段より取得した測距データとＧＮＳＳ受信機による位置情報およびＩＭＵによる姿勢情報を組み合せて、レーザ照射点の三次元的位置を計算する位置計算手段とを備え、航空機の飛行線に平行な複数本の線上の地形情報を読み取り、災害発生時の地形の変異を迅速に把握することを可能にするレーザ計測システムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２２５７０６号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】公共測量 作業規程の準則 解説と運用 326,327頁 社団法人日本測量協会発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、かかるレーザ計測システムにおいては、航空機に複数台のレーザ測距器を搭載する必要があるため、大型で重く、また、航空機の進行方向に対して、レーザを左右方向にスキャンすることにより、１回の飛行で、幅広い帯状領域を測量する従来のレーザ計測システムに比して、測定点各々の精度自体は変わらないものの、その測定点量が少なく、得られる地表の情報量が少ないという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明は、小型で軽量であり、航空機の進行方向に対して、レーザを左右方向にスキャンし、幅広い帯状領域を測量するレーザスキャン方式のレーザ計測システムと同等な精度で、地形を測量することができるレーザ計測システムを提供することなる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のかかる目的は、航空機に搭載されたレーザ計測システムであって、レーザビームを照射するレーザ照射デバイスと、レーザ照射デバイスを保持する架台と、前記航空機の三次元的な位置情報を検出するＧＮＳＳセンサと、前記架台の姿勢情報を検出する姿勢センサと、地上面によって反射されたレーザビームを光電的に検出する光検出器を備え、前記レーザ照射デバイスが、レーザビームを地上に向けて、特定の時間にわたって、錐体状に連続照射することを特徴とするレーザ計測システムによって達成される。
【００１２】
本明細書において、航空機とは、有人／無人に関わらず人や物を乗せて、空中を飛行することができる乗り物をいう。
【００１３】
本明細書において、錐体は、円錐、楕円錐などの円錐、三角錐、四角錘、八角錐などの角錐を含んでいる。
【００１４】
本発明によれば、レーザ計測システムは、航空機の機体から地上に向けて、レーザビームを錐体状に特定の時間にわたり、連続照射し、地上面によって反射されたレーザビームを光検出器によって検出するように構成されているから、レーザビームによって地上面をスキャンさせる反射ミラーなどスキャニング機構を設ける必要がなく、したがって、レーザ計測システムが高価で、耐久性がないという従来技術の問題を解消することができ、また、特開２０１２−２２５７０６号明細書によって提案されているレーザ計測システムのように、複数台のレーザ測距器を搭載する必要がないから、大型で重いという特開２０１２−２２５７０６号明細書によって提案されているレーザ計測システムの問題点を解決することが可能になる。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様においては、前記レーザ照射デバイスが、レーザビームをパルス状に放出するレーザ光源と、前記レーザ光源から放出されたレーザビームを多数のレーザビームに分割し、多数のレーザビームを錐体状に地上面に照射するように構成されている。
【００１６】
本明細書において、多数のレーザビームに分割するとは、ｎ×ｎのマトリックス（ｎは２以上の整数である。）、たとえば、１２８×１２８のマトリックス状に、あるいは、２５６×２５６のマトリックス状に地上面が照射されるように、１本のレーザビームを分割することをいい、多数のレーザビームの本数はとくに限定されるものではない。
【００１７】
本発明のかかる好ましい実施態様によれば、航空機の機体から地上面に向けて、多数のレーザビームが錐体状に照射されるから、地上面の広い領域によって反射されるから、複数台のレーザ測距器を搭載する必要がなく、小型でかつ安価なレーザ照射デバイスを用いて、高い精度で測量をすることができる。
【００１８】
また、本発明のかかる好ましい実施態様によれば、航空機の機体から地上面に向けて、多数のレーザビームが錐体状に照射されるから、面状の地形画像を連続的に生成することが可能になる。
【００１９】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、光検出器として二次元撮像素子が用いられ、レーザ計測システムが、さらに、前記二次元ＣＣＤセンサによって光電的に検出されて生成された計測画像データを、検出時間、ＧＮＳＳセンサが検出した位置情報および前記姿勢センサが検出した前記架台の姿勢情報とともに記録するメモリ手段と、前記二次元ＣＣＤセンサによって光電的に検出されて生成された画像データを前記姿勢センサが検出した前記架台の姿勢情報によって補正した補正画像データに基づいて、地形画像を表示可能な表示手段を備えている。
【００２０】
本発明のかかる好ましい実施態様によれば、リアルタイムに、補正をされた地形画像を観察しつつ、計測を続けることが可能になる。
【００２１】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記二次元撮像素子が、二次元ＣＣＤセンサおよびCMOSセンサよりなる群から選ばれている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型で軽量であり、航空機の進行方向に対して、レーザを左右方向にスキャンし、幅広い帯状領域を測量するレーザスキャン方式のレーザ計測システムと同等な測量精度を実現することができるレーザ計測システムを提供することが可能になる。
【００２３】
また、従来のレーザスキャン方式のレーザ計測システムにおいては、同時刻に取得可能なデータは1ポイントにならざるを得ないが、本発明によれば、同時刻に複数ポイントのデータ取得が可能となり、時間軸での変異が激しい観測対象のより正確な測量精度を実現することができるレーザ計測システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムにおいて、レーザ機が搭載される水平防振架台を示す図面である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システム全体の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示される水平防振架台のブロックダイアグラムである。
【図４】図４は、レーザ測距装置のレーザビーム放出部の略斜視図である。
【図５】図５は、レーザ測距装置のレーザビーム受光部の略斜視図である。
【図６】図６は、図１ないし図５に示されたレーザ計測システムの計測装置のブロックダイアグラムである。
【図７】図７は、本実施態様において、コントローラによって実行される処理を示すフローチャートである。
【図８】図８は、断面データを用いて、土砂崩れの状態を求める場合における土砂崩れが発生した事故現場の略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システムにおいて、レーザ機が搭載される水平防振架台を示す図面であり、図２は、本発明の好ましい実施態様にかかるレーザ計測システム全体の構成を示す模式図、図３は、図１に示される水平防振架台のブロックダイアグラムである。
【００２６】
図１ないし図３に示されるように、ヘリコプター（図１ないし図３には図示されていない）に取り付けられた水平防振架台Ｈには、ジャイロセンサＧが接続され、ジャイロセンサＧが検出した姿勢計測データに基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸のサーボモータ１，２および３をフィードバック制御して、水平防振架台Ｈの姿勢がヘリコプターの傾きに関係なく水平に維持される。
【００２７】
図示されてはいないが、水平防振架台Ｈは、ヘリコプターの振動を受けにくくするため、バネを介して、ヘリコプターに取付けられている。
【００２８】
図２および図３に示されるように、サーボモータ１，２および３により、水平防振架台Ｈがロール軸、ピッチ軸およびヨー軸の３軸回りに、それぞれo角、p角およびk角だけ回転されるように構成されている。
【００２９】
図２および図３において、参照符号４で示されているのは、これらサーボモータ１、２および３ならびにジャイロセンサＧを制御する制御部であり、図３において、参照符号５で示されているのは電源部である。図３に示されるように、３基のサーボモータ１、２および３は、ジャイロセンサＧが検出した姿勢計測データに基づき、制御部４によって、制御されるように構成されている。
【００３０】
図１ないし図３に示されるように、水平防振架台Ｈには、さらに、ＩＭＵ（姿勢計測装置）およびレーザ測距装置７が搭載されている。
【００３１】
図４は、レーザ測距装置７のレーザビーム放出部の略斜視図である。
【００３２】
図４に示されるように、レーザ測距装置７はレーザビーム１０をパルス状に放出するレーザ光源１１と、レーザ光源１１から放出されたレーザビーム１０を平行なビームに変換するコリメータレンズ１２と、コリメータレンズ１２によって平行なビームに変換されたレーザビーム１０を、多数のレーザビーム２０に分割し、四角錘状に拡散させる拡散モジュール１５を備えている。拡散モジュール１５に入射したレーザビーム１０は、ｎ×ｎのマトリックス状に、たとえば、１２８×１２８のマトリックス状に地上に向けて照射される。拡散モジュール１５としては、たとえば、Advanced Scientific Concepts, Inc.によって製造販売されている「３Ｄ Flash Lidar」（登録商標）に使われている拡散部材が好ましく使用される。
【００３３】
図５は、レーザ測距装置７のレーザビーム受光部の略斜視図である。
【００３４】
図５に示されるように、拡散モジュール１５によって分割され、地表面によって反射されたレーザビーム２０は、集光レンズ１６によって集光されて、二次元ＣＣＤセンサ１８によって、光電的に検出される。
【００３５】
図６は、図１ないし図５に示されたレーザ計測システムのブロックダイアグラムである。
【００３６】
図６に示されるように、本実施態様にかかるレーザ計測システムは、システム全体の動作を制御するコントローラ３０と、ＧＮＳＳ衛星の電波を受信して、ヘリコプターの三次元的位置、すなわち、緯度・経度・高度を検出するＧＮＳＳセンサ３１と、水平防振架台Ｈの姿勢を検出するジャイロセンサＧと、二次元ＣＣＤセンサ１８を備えたレーザ測距装置７と、二次元ＣＣＤセンサ１８によって生成された測量画像データを、ＧＮＳＳセンサ３１によって検出されたヘリコプターの三次元的位置情報およびＩＭＵ（姿勢計測装置）が検出したレーザ測距装置の姿勢情報とともに記録するメモリ装置３５と、測量画像をリアルタイムに表示可能なディスプレイ装置３６を備えている。
【００３７】
本実施態様において、コントローラ３０によって、計測点の地上座標が算出される。  図７は、本実施態様において、コントローラ３０によって実行される処理を示すフローチャートである。
【００３８】
まず、メモリ装置３５から、レーザ測距装置７によって測距された距離データと、ジャイロセンサＧによって検出された水平防振架台Ｈの姿勢データと、ＧＮＳＳセンサ３１によって検出されたヘリコプターの三次元的位置データが読み出される。
【００３９】
ＩＭＵ（姿勢計測装置）が検出したレーザ測距装置の姿勢情報には、回転マトリックス処理と回転行列処理が施され、レーザ測距装置７によって測距された距離データを補正するための投影計算が行われ、投影座標が求められる。
【００４０】
こうして得られた投影座標と、ＧＮＳＳセンサ３１によって検出されたヘリコプターの三次元的位置データを用いて、座標計算が行われて、計測点の三次元的位置を示す地上座標が算出される。
【００４１】
コントローラ３０は、こうして算出した計測点の三次元的位置を示す地上座標をメモリ装置３５の所定のメモリ領域に格納する。ここに、ｎ×ｎのマトリックス状に、たとえば、１２８×１２８のマトリックス状の計測点に向けて、同時に、レーザビーム２０が照射され、ほぼ同時に、１２８×１２８のマトリックス状の計測点によって反射されたレーザビーム２０が二次元ＣＣＤセンサ１８によって検出され、コントローラ３０によって、計測点の三次元的位置を示す地上座標が算出されるから、計測点の三次元的位置を示す地上座標をメモリ装置３５の所定のメモリ領域に格納するのと同時に、ディスプレイ装置３６に、地上面の測量画像をリアルタイムに表示することができる。
【００４２】
さらに、コントローラ３０は、高さが等しい計測点を結ぶ等高線を作成して、ディスプレイ装置３６に表示された地図上に表示することができる。この場合には、以前に作成した地図データと対比することによって、断面データを求めることができ、求めた断面データから、たとえば、図８に示されるように、土砂崩れによって山の斜面に土砂Ｍが堆積した場合、事故現場の位置と堆積した土砂Ｍの高さや幅などを把握し、土砂崩れの規模を速やかに把握することが可能になる。図８において、Ａはヘリコプターである。
【００４３】
本実施態様によれば、レーザ測距装置７は、レーザ光源１１からパルス状に放出され、コリメータレンズ１２によって、平行な光に変換されたレーザビーム１０を多数のレーザビーム２０に分割し、四角錘状に拡散させる拡散モジュール１５を備えているから、小型で軽量でありながら、航空機の進行方向に対して、レーザを左右方向にスキャンし、幅広い帯状領域を測量するレーザスキャン方式のレーザ計測システムと同等な測量精度を実現することが可能になる。
【００４４】
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４５】
たとえば、前記実施態様においては、１２８×１２８のマトリックス状の計測点によって反射されたレーザビーム２０は、二次元ＣＣＤセンサ１８によって光電的に検出されるように構成されているが、１２８×１２８のマトリックス状の計測点によって反射されたレーザビーム２０を二次元ＣＣＤセンサ１８によって光電的に検出することは必ずしも必要ではなく、ＣＭＯＳセンサなど、他の二次元撮像素子を用いて、１２８×１２８のマトリックス状の計測点によって反射されたレーザビーム２０を光電的に検出することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、２、３  サーボモータ
４  制御部
５  電源部
７  レーザ測距装置
１０  レーザビーム
１１  レーザ光源
１２  コリメータレンズ
１５  拡散モジュール
１６  集光レンズ
１８  二次元ＣＣＤセンサ
２０  レーザビーム
３０  コントローラ
３１  ＧＮＳＳセンサ
３５  メモリ装置
３６  ディスプレイ装置
Ａ  ヘリコプター
Ｇ  ジャイロセンサ
Ｈ  水平防振架台
Ｍ  土砂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016080572.tif 000008
【図７】
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【図８】
2016080572.tif 000010