レーザースキャナのキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法
【課題】特殊な機器を使用することなくレーザースキャナのキャリブレーションを行う技術を提供する。
【解決手段】左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１を有するターゲットを、垂直平面Ｓ１の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナ１により水平走査し、Ｍ個の測点に対する点群データを得る。有効測点抽出部１３は、この点群データの中から、垂直平面Ｓ１の左右両側の端部の端測点Ａ，Ｂを特定し、端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の有効測点Ｐｉの相対座標を抽出する。座標決定手段１４は、光軸の軌跡が垂直平面Ｓ１を切る線（走査線Ｅ１Ｅ２）を基準に測地座標系を設定し、端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離ｄＡ、端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び端測点Ａ，Ｂ以外の各有効測点Ｐｉから走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの自乗和が最小となるように、相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。
【解決手段】左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１を有するターゲットを、垂直平面Ｓ１の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナ１により水平走査し、Ｍ個の測点に対する点群データを得る。有効測点抽出部１３は、この点群データの中から、垂直平面Ｓ１の左右両側の端部の端測点Ａ，Ｂを特定し、端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の有効測点Ｐｉの相対座標を抽出する。座標決定手段１４は、光軸の軌跡が垂直平面Ｓ１を切る線（走査線Ｅ１Ｅ２）を基準に測地座標系を設定し、端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離ｄＡ、端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び端測点Ａ，Ｂ以外の各有効測点Ｐｉから走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの自乗和が最小となるように、相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザースキャナのキャリブレーション技術に関し、特に、レーザースキャナによる測量を行う前段階として、計測原点及び測量の基準となる図根点の直交座標値を決定しその後の測量値の較正の基準値を確定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイル端末を利用した歩行者に対するナビゲーションが注目されている。これに伴って、地下街や駅構内などの屋内の地図データが必要とされている。このような屋内の地図データの整備方法として、従来から、トータルステーション（電子式測角測距儀）や電子平板などを利用した測量技術が広く用いられている。しかしながら、屋内の地図に必要なデータは広域かつ詳細であるため、このような従来の測量を行ったのでは大変なコストと時間を要することになる。
【０００３】
そこで、地図データを整備する手法として、レーザースキャナを用いた測定方法が研究・開発されている。
【０００４】
レーザースキャナとは、光波測距儀の一種であり、レーザーヘッダ内部の回転ミラーにより照射方向を回転させながら近赤外線のパルス・レーザービームを照射して、計測対象点で反射した反射光を検出し、レーザー光のパルス伝搬時間を位相比較法（非特許文献１参照）等により検出することで計測対象点までの距離を計測し、同時にパルス・レーザービームを照射した方向を計測することで、計測対象点の座標を取得する計測機器をいう。照射されたパルス・レーザービームは、計測対象点にある対象物に当たると反射される。この反射光は、レーザースキャナの受光部で検出される。パルスの投光と受光との間の時間差は、変調周波数の位相差などにより検出される。この時間差は、レーザースキャナと対象物との間の距離に比例するため、この時間差から計測対象点までの距離を求めることができる。また、パルス・レーザービームは、レーザースキャナ内部の回転ミラーにより逐次方向が変えられ、周囲のエリアを所定の角度分解能で扇形に走査する。角分解能は機種によって区々であるが、現在、高角度分解能のものでは０．０１〜０．５°の角度分解能の機種も開発されている。１回の扇形走査で、レーザービームの軌跡が描く二次元平面内でのレーザー距離画像を表す点群データが得られる。
【０００５】
レーザースキャナを用いた地図データの手法では、レーザースキャナを移動させながら計測を行い、レーザースキャナから得られる時系列の点群データを重ね合わせることによって１つの地図データを作成する。このとき、レーザースキャナから得られた時系列の点群データを基に、計測装置の位置と方向を推定する。これを自己位置推定という。
【０００６】
屋外の測定では、自己位置推定にＧＰＳが広く使用されている（非特許文献２，３参照）。しかし、屋内での測定においてはＧＰＳが利用できないため、自己位置推定には慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を利用する方法（非特許文献４参照）、スキャンマッチングによる方法（非特許文献５−７参照）などが用いられる。スキャンマッチングによる方法では、レーザースキャナにより時系列に取得された点群データを重ね合わせていくことで実行される。実際には、レーザースキャナを搭載した台車を計測したい場所を移動させながら連続的に測定を行い、時系列の点群データを取得する。これらの取得された時系列点群データを重ね合わせていくことによって、１つの地図点群データを作成する。この重ね合わせの方法に関しては、各種の方法が考案されている（非特許文献５−７参照）。例えば、非特許文献７の方法では、ある時刻で得られた点群データを１つ前の時刻の点群データに平行移動及び回転を用いた変換（ヘルマート変換）で重ね合わせていくことで実行される。
【０００７】
レーザースキャナで取得される点群データは、レーザースキャナを中心とした座標である。そのため、各計測ごとに計測開始位置やレーザースキャナの姿勢が異なると、各計測ごとに異なる座標系の点群データが得られる。そのため、複数回の計測で得られた点群データを合成して地図データを作成しようとした場合、それぞれ計測ごとの絶対的な位置座標の情報がなければ正しく合成することができない。また、一般に、レーザースキャナには、温度や場所などによる測定値のずれや、大気の影響などによる誤差が発生する。そのため、レーザースキャナによる測定では、レーザースキャナを水平に設置した後、キャリブレーション（較正）を行わなければならない。
【０００８】
レーザースキャナのキャリブレーションでは、実際の計測対象の寸法と計測値とを比較し、計測値に対して補正をかける。通常、キャリブレーションにおいては、計測を開始する位置において走査を行い、座標値が既知のいくつかの計測対象点を利用して、測定を開始する際のレーザーヘッダ（計測原点）及びレーザーヘッダの正面方向における計測対象点（注視点）の測地座標を確定する。そして、レーザースキャナから得られる点群データと計測原点及び注視点の位置座標との関係から、位置姿勢の較正が行われる。
【０００９】
レーザースキャナのキャリブレーション方法としては、非特許文献８，９に記載のものが公知である。
【００１０】
非特許文献８に記載の方法は、垂直に立てたガラス面にターゲットとしてCoBit（Compact Battery-less Information Terminal）を貼り付け、このCoBitによりレーザースキャナのキャリブレーションを行う方法が記載されている。
【００１１】
この手法では、レーザービームがガラス面を透過するという点に着目し、基準点となるターゲットをガラス面に貼る。基準点を正確に捉えるために、レーザービームのスポット径の中心とガラス面に貼ったターゲットの中心が一致する必要がある。レーザービームは不可視であり、距離とともにスポット径が大きくなるため肉眼ではレーザービームのスポットを確認することはできない。
【００１２】
そこで、レーザービームのスポットをとらえるのにCoBitを利用する。CoBitは、太陽電池に直結したイヤホンで音を聞くことができる装置である。CoBitをターゲットとして使用することで、レーザービームのスポットの中心ほどレーザー光が強く、発生する音も大きくなる。この性質を利用してスポットの中心を捉える。次に、レーザースポットの中心にあたるように設置された複数の基準点を計測し、レーザースキャナ座標系における各基準点の座標（Ｘｌ，Ｙｌ，Ｚｌ）を求める。ここで、レーザーの軌跡は直線であるため、Ｚｌの値はすべて０とする。次に、各基準点の位置座標の真値（絶対値）を求めるため、各基準点についてトータルステーションによる位置座標の計測を行い、測地座標系における各基準点の座標（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を求める。これらの結果から、レーザースキャナ座標系から測地座標系への変換式を求める。具体的には、３次元の回転、原点の平行移動、及び縮尺を補正するヘルマート変換の変換パラメータを求める。ヘルマート変換は次式によって表される。
【００１３】
【数１】
ここで、Ｒは三次元回転行列、ｓは縮尺、（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）ｔは平行移動量である。
【００１４】
また、非特許文献９には、計測対象の地物上に４点以上の基準点を設定し、それらの基準点に反射シートを設置しておき、これらの反射シートによりレーザースキャナのキャリブレーションを行う方法が記載されている。この方法においても、各基準点の位置座標をトータルステーションで計測して決定するとともに、レーザースキャナで計測する、そして、レーザースキャナ座標系における各基準点の座標とトータルステーションで計測した測地座標系における各基準点の座標とに基づいて、レーザースキャナ座標系から測地座標系に変換するアフィン変換パラメータを求めることによって較正を行う。
【非特許文献１】大嶋太市，「測量学＜基礎編＞」，初版，共立出版株式会社，1997年4月10日，pp．152−158．
【非特許文献２】趙卉菁，柴崎亮介，「車両搭載型レーザレンジセンサによる３次元都市空間モデルの自動構築」，第８回画像センシングシンポジウム，２００２年，pp.121-126．
【非特許文献３】H. Zhao and R. Shibasaki, "A Vehicle-borne Urban 3D Acquisition System using Single-row Laser Range Scanners", IEEE Trans. SMC Part B: Cybernetics, 2003, Vol.33, No.4, pp..
【非特許文献４】長井正彦他，「ＩＭＵを用いたレーザースキャナとＣＣＤセンサの統合による３次元モデルの構築」，日本写真測量学会平成１６年度年次学術講演会論文集，日本写真測量学会，２００４年，pp.5-8.
【非特許文献５】P.J.Besl and N.D.Mckay, "A Method for Registration of 3-D Shapes", IEEE Transaction on Pattern Analysis and Maching Intelligence, 1992, Vol.14, No.2, pp.239-256.
【非特許文献６】中本琢実，山下淳，金子透，「レーザーレンジファインダ搭載移動ロボットによる動的環境の３次元地図作成」，映像メディア学会技術報告，２００６年，Vol.30, No.36, pp.263-271.
【非特許文献７】平岡透，若松浩二，尾崎直人，「屋内地図作成のための時系列レーザースキャナデータのロバストな重ね合わせ」，写真測量とリモートセンシング，２００７年，Vol.46, No.2, pp.37-41.
【非特許文献８】長井正彦，マナンダ・ディネッシュ，柴崎亮介，「“Cobit”によるレーザースキャナのキャリブレーション手法に関する研究」，日本写真測量学会平成１６年度次学術講演会発表論文集，２００４年，pp.1-4．
【非特許文献９】氏家康二，「レーザースキャナを用いたオブジェクトマッチングによる地すべり変位追跡」，高知工科大学２００４(平成１６)年度修士論文，［online］，２００５年１月，高知工科大学付属図書館，［平成１９年１０月１日検索］，インターネット＜http://www.kochi-tech.ac.jp/library/ron/2004/g9/M/1075013.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述のようなCoBit又は反射板を使用して較正を行う場合、計測を行う度にCoBit又は反射板やトータルステーションなどのキャリブレーション専用の特殊な機器を用意する必要があるため不便である。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、キャリブレーション専用の特殊な機器を使用することなくレーザースキャナのキャリブレーションを行う技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１の構成は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有する物体があればよい。従って、例えば垂直に立てられた角柱形の建物の柱などをターゲットとして利用することができる。従って、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００１９】
また、相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する際に、最小化する凸評価関数Ｊとして、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和
【００２０】
【数２】
又は自乗和
【００２１】
【数３】
を用いることで、走査時における測定方位角の離散化による量子化誤差の影響を最小限に抑えることができる。
【００２２】
ここで、「垂直平面」は、左右両側辺が平行かつ垂直な平面であればよく、上下辺の形状は問わない。但し、垂直平面の両辺は凸角（convex angle）となっているものとする。「計測原点」とは、レーザースキャナのレーザー光の光軸の回動中心の点をいう。「測点」とは、レーザースキャナにより座標測定を行なう空間点をいう。測点の数Ｍは特に限定はされず、レーザースキャナの角度解像度と走査角とにより決まる値である。ここで、「角度解像度」とは、隣接する測点間の方位角の差をいう。「走査角」とは、レーザースキャナが１回の走査において走査を開始する光軸の方位角と走査を終了する光軸の方位角との差角をいう。「計測原点Ｏｍを基準とする相対座標」とは、計測原点を原点としてレーザースキャナに固定された座標をいう。相対座標は、直交座標、極座標、円柱座標などの座標表現を用いることができるが、レーザースキャナが直接測定する値は、測点の方位角φと測定原点から測点までの距離ｌなので、通常は相対座標は極座標表現（ｌ，φ）が用いられる。「測地座標系」とは、レーザースキャナの光軸の軌跡が垂直平面を切る線（走査線Ｅ１Ｅ２）を基準に設定された座標系をいう。ターゲットは、計測空間の所定の位置に固定されているため、測地座標系は計測空間に固定された座標系である。測地座標系の座標表現は特に限定されないが、地図作成の際の利便性を考慮して、通常は直交座標表現が用いられる。「端測点」とは、測定対象である平面の端部の測点をいう。ここで、レーザースキャナの走査においては各測点間の方位角は離散的であるため、一般には、端測点は測定対象である平面の端部とは正確には一致しない。「相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータ」とは、相対座標を測地座標に対応づけるパラメータをいう。対応付けのパラメータの取り方は任意であるが、例えば、測地座標系における計測原点Ｏｍの位置座標（ｘＯ，ｙＯ）と、注視点Ｇ（走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点）の位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を用いることができる。
【００２３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、前記座標決定手段が、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化手段と、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、まず第１の初期化手段が端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を設定する。尚、本明細書においては、「位置座標」というときは、特に断らない限りは測地座標系における位置座標をいうものとする。端測点Ａ，Ｂの相対座標は点群データにより既知であるので、端測点Ａ，Ｂの間の距離ｒＡＢも既知である。従って、端測点Ａ，Ｂは、走査線Ｅ１Ｅ２の中点から距離ｒＡＢ／２だけ離れた走査線Ｅ１Ｅ２上に配置される。次に、第２の初期化手段は、有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び計測原点Ｏｍの位置座標の初期値を算出する。端測点Ａ，Ｂに対する有効測点Ｐｉ及び計測原点Ｏｍの相対座標も点群データにより既知であるので、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値が定まれば有効測点Ｐｉ及び計測原点Ｏｍの位置座標の初期値も一意的に定まる。次に、変換パラメータ算出手段は、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）を、ヘルマート変換により最適な位置に移動する。この移動の際のヘルマート変換パラメータは、前述の式（２）又は式（３）で表される距離の和又は自乗和を評価関数Ｊとして用いて、反復法により求められる。式（２）又は式（３）は凸関数なので、反復法における収束性は保証される。次に、原点座標確定手段は、関係パラメータの一つとして、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標を算出する。最後に、注視点座標確定手段は、もう一つの関係パラメータとして、注視点Ｇの測地座標系における位置座標を算出する。以上のようにして、関係パラメータとして計測原点Ｏｍ及び注視点Ｇの測地座標系における位置座標が求めれば、他の測点の相対座標も絶対座標系に変換できる。また、レーザースキャナをターゲットの前から他所へ移動しながら繰り返し走査を行って点群データを取得した場合、前に走査して得た点群データに重ね合わせながら測地座標系における位置座標を定めていくことができる。
【００２５】
ここで、「反復法」のアルゴリズムとしては、最急降下法、ヤコビ法、ガウス・ザイデル法、ＳＯＲ（Successive Over Relaxation）法等の各種公知の方法を使用することができる。
【００２６】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、前記点群データ記憶手段は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出するものであり、
前記座標決定手段は、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定するものであることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、ターゲットの垂直平面が同一平面上に複数あるような場合でも、前記第１の構成の場合と同様にしてレーザースキャナのキャリブレーションを行うことができる。
【００２８】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第４の構成は、左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、２枚の合同な直角三角形の板（木板や厚紙、金属板など）を、斜辺を平行に同一平面上に並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３０】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第５の構成は、前記第４の構成において、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正手段を備え、
前記高さ算出手段は、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする。
【００３１】
【数４】
【００３２】
この構成によれば、端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを式（４ａ），（４ｂ）により、ｒＬ＋ｒＲ＝ｒとなるように補正することで、走査時における測定方位角の離散化による量子化誤差の影響を低減させることができ、より精度の高い計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第６の構成は、前記第４又は５の構成において、前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記幅算出手段は、Ｎ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出するものであることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、レーザースキャナを水平移動させて複数の計測原点Ｏｍからの走査で出られた点群データに基づき計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことで、より精度の高い計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３５】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第７の構成は、水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出手段と、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００３６】
【数５】
【００３７】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、２枚の合同な直角三角形の板（木板や厚紙、金属板など）を、斜辺を平行に、前後にずらして並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの光軸の仰角のキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３８】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第８の構成は、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出手段と、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出手段と、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００３９】
【数６】
【００４０】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、長方形の板（木板や厚紙、金属板など）を、一側辺を平行に並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの光軸の仰角のキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００４１】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第９の構成は、前記第８の構成において、前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出するものであり、
前記仰角算出手段が算出する前記仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化手段を備えたことを特徴とする。
【００４２】
この構成により、複数の計測原点から測定した仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角とすることで、レーザースキャナの走査の際の量子化誤差などの影響が提言され、より正確な仰角θのキャリブレーションを行うことができる。
【００４３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１０の構成は、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査して得られる、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００４４】
この構成によれば、３次元レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有する物体があればよい。従って、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなく三次元レーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００４５】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１１の構成は、前記第１０の構成において、前記座標決定手段は、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化手段と、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする。
【００４６】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップとを実行することを特徴とする。
【００４７】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、前記座標決定ステップにおいては、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化ステップと、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、を実行することを特徴とする。
【００４８】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、前記走査ステップにおいては、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出し、
前記座標決定ステップにおいては、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定することを特徴とする。
【００４９】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第４の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５０】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第５の構成は、前記第４の構成において、前記幅算出ステップを実行した後に、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正ステップを実行し、
前記高さ算出ステップにおいては、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする。
【００５１】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第６の構成は、前記第４又は５の構成において、前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から、レーザースキャナにより水平走査を行い、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記幅算出ステップにおいては、前記記憶装置に保存されたＮ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出することを特徴とする。
【００５２】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第７の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出ステップと、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５３】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第８の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出ステップと、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出ステップと、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００５４】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第９の構成は、前記第８の構成において、前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点からレーザースキャナにより水平走査し、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出し、
その後、前記仰角算出ステップにおいて算出される前記仰角θの平均値を算出し、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化ステップを実行することを特徴とする。
【００５５】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１０の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査し、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５６】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１１の構成は、前記第１０の構成において、前記座標決定ステップにおいては、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化ステップと、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５７】
以上のように、本発明によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、建物の柱や特定の形状の垂直板などを使用し、このターゲットを１回乃至数回走査するだけでよいため、キャリブレーション専用の特殊な機器を使用することなくレーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００５９】
図１は、台車に接地された本発明の実施例１に係るレーザースキャナ１の外観図である。レーザースキャナ１は、台車２の前方に水平に取り付けられている。台車２は手押し式４輪台車であり、この台車を手で押してレーザースキャナ１を移動させながら周辺の地物の走査を行うことができる。また、台車２の上面には、コンピュータ３が設置されている。レーザースキャナ１が走査して得た点群データは、接続ケーブルを介してコンピュータ３に転送され、コンピュータ３の内部の記憶装置に保存される。コンピュータ３には、レーザースキャナ１のキャリブレーション用のプログラムがインストールされており、このプログラムを実行させることによって、コンピュータ３は本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置として機能する。
【００６０】
図２は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置１０の機能的な構成を示すブロック図である。図２において、レーザースキャナ１及びコンピュータ３は図１と同様である。コンピュータ３は、通信インタフェース９、キャリブレーション装置１０、及びキャリブレーションパラメータ記憶部１１を備えている。実際には、キャリブレーション装置１０は、キャリブレーション・プログラムとして提供され、そのキャリブレーション・プログラムをコンピュータ３で実行させることにより機能的に実現されている。また、キャリブレーションパラメータ記憶部１１は、コンピュータ３内部の記憶装置（磁気ディスク装置等）により構成されている。
【００６１】
キャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、有効測点抽出部１３、及び座標決定部１４を備えている。点群データ記憶部１２は、レーザースキャナ１からコンピュータ３に取り込まれた点群データを記憶する。点群データ記憶部１２は、磁気ディスクやＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）などの記憶装置により構成される。有効測点抽出部１３は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、キャリブレーション計算に必要な有効測点を抽出する。座標決定部１４は、レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、レーザースキャナの計測原点Ｏｍを基準とする相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。
【００６２】
また、上記座標決定部１４は、第１初期化部１６、第２初期化部１７、変換パラメータ算出部１８、原点座標確定部１９、及び注視点座標確定部２０を備えている。これら各部の機能については、以下の動作説明と併せて説明する。
【００６３】
次に、図２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【００６４】
図３は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。ターゲットＴ１は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１を有している。垂直平面Ｓ１の水平幅はｒ１である。垂直平面Ｓ１の左右両側辺は直角となっている。尚、使用可能なターゲットの両側辺の折れ曲がり角度は、必ずしも直角である必要はなく、凸角（convex angle）であればよい。
【００６５】
このようなターゲットＴ１としては、例えば、建物内の柱などを用いることができる。もちろん、キャリブレーション用に、図３のような形状の箱を用意してそれを使用してもよい。ターゲットＴ１は簡単な形状であるため、例えば、段ボールや板を用いて容易に作成することができる。
【００６６】
このターゲットＴ１に対して、レーザースキャナ１により水平に走査を行う。このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面（扇形状に広がる水平平面）Ｓlocusが垂直平面Ｓ１を切る線分を「走査線」といい、Ｅ１Ｅ２と記す。また、レーザースキャナの光軸の回動中心点を「計測原点」といいＯｍと記す。レーザースキャナ１が１回の走査において走査を開始する光軸の方位角と走査を終了する光軸の方位角との差角を「走査角」といい、θと記す。レーザースキャナ１の走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点を「注視点」といい、Ｇと記す。ターゲットＴ１，垂直平面Ｓ１，走査線Ｅ１Ｅ２，計測原点Ｏｍ，光軸の軌跡面Ｓlocus，走査角θ，及び注視点Ｇの関係は、図３に示した通りである。
【００６７】
キャリブレーションにおいては、ターゲットＴ１に固定した測地座標系における計測原点Ｏｍ及び注視点Ｇの位置座標を確定する。ここで測地座標系は、原点Ｏを走査線Ｅ１Ｅ２の左側の端点Ｅ１とし、走査線方向をｘ軸、走査線方向に垂直で光軸の軌跡面Ｓlocus内の方向をｙ軸、垂直上方をｚ軸として設定する。
【００６８】
図４は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【００６９】
まず、ステップＳ１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。レーザースキャナ１の計測原点の高さも、あらかじめ矩尺等により計測しておく。レーザースキャナ１の内部構造は設計図により既知であるため、この高さは正確に測定することができる。また、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１の水平幅ｒも、あらかじめ矩尺などにより計測し、コンピュータ３に入力しておく。
【００７０】
そして、レーザースキャナ１により、垂直平面Ｓ１を含む範囲を走査する。レーザースキャナ１は、スキャンヘッドを一定の方位角範囲で回動させながら走査を行う。従って、レーザービームの光軸は水平面内で回動し、一定の回転角ごとに測点までの距離情報がサンプリングされる。サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【００７１】
図５に、ターゲットＴ１の走査により得られる各測点Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）と計測原点Ｏｍとの位置関係を示す。１回の走査におけるサンプリング数をＭとする。レーザースキャナ１のサンプリング間隔（方位角間隔）を「角分解能」といい、θｓと記す。レーザースキャナ１は、方位角θ１から走査を開始する。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，Ｍ）のサンプリング方向における方位角θｉは
【００７２】
【数７】
である。また、各サンプリング方向の光軸が計測対象物に当たりレーザービームが反射される点を「測点」といい、Ｐｉと記す。また、計測原点Ｏｍから測点Ｐｉまでの距離（光軸の長さ）をｌｉと記す。
【００７３】
また、光軸が走査線Ｅ１Ｅ２と交差するサンプリング方向における測点を「有効測点」という。図５において、ｎ番目から（ｎ＋ｍ−１）番目の測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−１）が有効測点である。すべての有効測点のうち右端及び左端のものを「端測点」といい、それぞれＡ，Ｂと記す。Ａ＝Ｐｎ，Ｂ＝Ｐｎ＋ｍ−１である。また、計測原点Ｑｍから各Ａ，Ｂ端への距離をｌＡ＝ｌｎ，ｌＢ＝ｌｎ＋ｍ−１と記す。
【００７４】
レーザースキャナ１は、１回の走査により点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝を取得する。この点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝が点群データ記憶部１２に保存される。
【００７５】
次に、ステップＳ２で、有効測点抽出部１３は、上記点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面Ｓ１の左右両側の端部の端測点Ａ，Ｂを特定し、端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ，ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−１｝を抽出する。
【００７６】
図５から分かるように、計測原点Ｏｍから各測点Ｐｉまでの距離ｌｉは、垂直平面Ｓ１の左右両側の凸角部において不連続となるので、距離データ｛ｌｉ｝の差分を閾値判定するなどしてこの不連続点を抽出することによって、端測点Ａ，Ｂは容易に抽出することができる。
【００７７】
尚、端測点Ａ，Ｂの抽出については、点群データをコンピュータ３のディスプレイに表示させ、作業者がポインティングデバイス等の入力装置によって端測点Ａ，Ｂを直接指定するように構成してもよい。
【００７８】
次に、ステップＳ３で、第１初期化部１６は、測地座標系における端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を決定する。
【００７９】
ここで、測地座標系における走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ１，Ｅ２の位置座標は、（０，０）及び（ｒ、０）である（尚、ｚ座標は光軸の軌跡面Ｓlocus上ではすべて等しいので、以下省略する）。一方、実際にレーザースキャナ１から出力される点群データは、計測距離及び計測角が離散化されることによって生じる量子化誤差により、図６のように、走査線Ｅ１Ｅ２から若干外れたものとなる。また、端測点Ａ，Ｂは、必ずしも走査線の端点Ｅ１，Ｅ２と正確に一致するとは限られない。そこで、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値は、図７に示したように、端測点Ａ，Ｂが走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように設定する。
【００８０】
いま、端測点Ａ，Ｂのレーザースキャナ座標系における座標値を
【００８１】
【数８】
とする。光軸ＯｍＡと光軸ＯｍＢとがなす角θ’はθＡＢ＝｜θＡ−θＢ｜である。また、測地座標系における端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値をそれぞれ、
【００８２】
【数９】
とする。ここで、Ａ’，Ｂ’は測地座標系の初期位置に配置された端測点Ａ，Ｂを表している。端点Ｅ１から端測点Ａ’までの距離をｄＡ、端点Ｅ２から端測点Ｂ’までの距離ｄＢと記す。いま、ｄＡ＝ｄＢなので、ｘ’Ａ＝ｒ−ｘ’Ｂの関係が成り立つ。また、端測点Ａ’，Ｂ’は走査線Ｅ１Ｅ２上なので、ｙＡ＝ｙＢ＝０である。端測点Ａと端測点Ｂとの間の距離をｒＡＢとする。
【００８３】
【数１０】
【００８４】
余弦定理により、（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ）は次式により算出することができる。
【００８５】
【数１１】
【００８６】
次に、ステップＳ４で、第２初期化部１７は、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ）に基づき、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）を算出する。以下、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）により特定される位置の点をＯｍ’と記す。計測原点Ｏｍ’は、端測点Ａ’を中心とする半径ｌＡの円と、端測点Ｂ’を中心とする半径ｌＢの円との２つの交点のうちの一つである。従って、次のような連立方程式が成り立つ。
【００８７】
【数１２】
【００８８】
いま、測地座標系は図３のように設定したのでｙＯ’＜０である。従って、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）は、式（１２ａ），（１２ｂ）により次のように求められる。
【００８９】
【数１３】
【００９０】
更に、第２初期化部１７は、端測点Ａ，Ｂ以外の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）を算出する。端測点Ｂ＝Ｐｎの方位角は、次式で表される。
【００９１】
【数１４】
計測原点Ｏｍから有効測点Ｐｊに向かう光軸ＯｍＰｊの方位角θｊは式（７）と同様に表される。従って、次式が成り立つ（図８参照）。
【００９２】
【数１５】
【００９３】
従って、有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）は、次式により算出される。
【００９４】
【数１６】
【００９５】
次に、ステップＳ５で、変換パラメータ算出部１８は、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の自乗和を評価関数ｆとして、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数ｆの値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。ここで、距離ｄＡは走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離、距離ｄＢは走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離、距離ｄｊは走査線Ｅ１Ｅ２から有効測点Ｐｊまでの距離である（図９参照）。
【００９６】
この計算は、次のようにして行うことができる。今、初期値として測地座標が設定された測点Ａ’，Ｂ’，Ｐｊ’（ｊ＝ｎ＋１，ｎ＋２，…，ｎ＋ｍ−２）を、原点Ｏ＝（０，０）を中心に回転移動した後に平行移動する変換（ヘルマート変換）を行うとする。回転移動の回転量をΔθ，平行移動の移動量を（Δｘ，Δｙ）とする。測点Ａ’，Ｂ’，Ｐｊ’をヘルマート変換により移動した点をそれぞれＡ”，Ｂ”，Ｐｊ”と記す。移動後の測点Ａ”，Ｂ”，Ｐｊ”の座標は、それぞれ次のように表される。
【００９７】
【数１７】
【００９８】
従って、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）は、次式のように表される。
【００９９】
【数１８】
【０１００】
従って、最小化すべき評価関数ｆ（Δｘ，Δｙ，Δθ）は次式で表される。
【０１０１】
【数１９】
【０１０２】
ここで、
【０１０３】
【数２０】
とおくと、上記評価関数ｆは次式のように書き直すことができる。
【０１０４】
【数２１】
【０１０５】
この評価関数ｆの最小化を反復解法により行う。ここでは、最急降下法を使用する。すなわち、評価関数ｆを、それぞれΔｘ，Δｙ，ａ，ｂで偏微分した結果を０とすることにより、各パラメータの漸化式が次式のように求められる。ここで、ηは反復回数である。
【０１０６】
【数２２】
【０１０７】
尚、本実施例では、計算を簡単化するために、評価関数ｆは距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の自乗和としたが、評価関数ｆとしてはこれらの距離の和を用いてもよい。
【０１０８】
次に、ステップＳ６で、原点座標確定部１９は、算出された各変換パラメータΔｘ，Δｙ，ａ，ｂにより計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）をヘルマート変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）を算出する。算出された位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。ここで、位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は次式のようにして計算することができる。
【０１０９】
【数２３】
【０１１０】
最後に、ステップＳ７で、注視点座標確定部２０は、レーザースキャナの走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）を点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）と計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する。算出された位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。ここで、位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は次式のようにして計算することができる。
【０１１１】
【数２４】
【０１１２】
以上のような処理により、キャリブレーションデータとして、測地座標系における計測原点Ｏｍの位置座標（ｘＯ，ｙＯ）及び注視点Ｇの位置座標（ｘＧ，ｙＧ）が確定される。この確定された位置座標を基準にして、他の測定データの測地座標系における位置座標も逐次確定していくことができる。
【実施例２】
【０１１３】
図１０は、本発明の実施例２に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナ及びそのキャリブレーション装置の構成は図１，図２と同様である。
【０１１４】
図１０のターゲットＴ２は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１，Ｓ２を有している。各垂直平面Ｓ１，Ｓ２は互いに平行である。尚、本実施例では、説明を簡単化するため、垂直平面の数は２つとしたが、垂直平面の数は３つ以上あってもよい。
【０１１５】
このターゲットＴ２に対して、レーザースキャナ１により水平に走査を行う。垂直平面Ｓ１，Ｓ２上の走査線を、それぞれＥ1,1Ｅ1,2，Ｅ2,1Ｅ2,2と記す。測地座標系の原点Ｏを走査線Ｅ1,1Ｅ1,2の左側の端点Ｅ1,1とし、走査線Ｅ1,1Ｅ1,2方向をｘ軸、走査線Ｅ1,1Ｅ1,2方向に垂直で光軸の軌跡面Ｓlocus内の方向をｙ軸、垂直上方をｚ軸とする。垂直平面Ｓ１，Ｓ２の幅をｒ１，ｒ２とする。また、ｙ軸から垂直平面Ｓｋ（ｋ＝１，２）の左端までの距離をｘｋ，０、ｘ軸から垂直平面Ｓｋまでの距離をＤｋとする。
【０１１６】
本実施例のレーザースキャナのキャリブレーション方法の処理の流れは、基本的には実施例１と同様であるので、図４のフローチャートに沿って説明する。
【０１１７】
ステップＳ１におけるレーザースキャナ１の設置、レーザースキャナ１による走査及び点群データのコンピュータ３への取り込みは、実施例１と同様である。この場合、ターゲットＴ２の走査により得られる各測点Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）と計測原点Ｏｍとの位置関係は図１１のようになる。
【０１１８】
次に、ステップＳ２で、有効測点抽出部１３は、垂直平面Ｓ１，Ｓ２の左右両側の端部の端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）を特定し、端測点（Ａ１，Ｂ１）間のｍ１個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ１，…，ｎ１＋ｍ１−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ１，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−１｝、及び端測点（Ａ２，Ｂ２）間のｍ２個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２，…，ｎ２＋ｍ２−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ２，ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−１｝を抽出する。抽出の方法は、実施例１の場合と同様である。
【０１１９】
次に、ステップＳ３で、第１初期化部１６は、測地座標系における端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）の位置座標の初期値を決定する。垂直平面Ｓ１，Ｓ２における各端測点のレーザースキャナ座標系における座標値、測地座標系における位置座標、及び走査線の長さを、実施例１と同様に次式のようにおく。
【０１２０】
【数２５】
【０１２１】
尚、［ｒＡ１Ｂ２］ｘは、最も左側の端測点Ａ１から最も右側の端測点Ｂ２までのｘ軸上の距離である。
【０１２２】
ｒ＝ｘ２，０＋ｒ２とすれば、測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’k,A，ｙ’k,A），（ｘ’k,B，ｙ’k,B）（ｋ＝１，２）は、実施例１と同様の計算により、次式のように算出することができる。
【０１２３】
【数２６】
【０１２４】
ここで、端点Ｅ1,1から端測点Ａ’1までの距離をｄ1,A、端点Ｅ2,2から端測点Ｂ’2までの距離ｄ2,Bとすると、ｄ1,A＝ｄ2,Bとなるように各端測点の位置座標を決定した。
【０１２５】
次に、ステップＳ４で、第２初期化部１７は、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）を算出する。この計算は、実施例１の式（１３ａ）（１３ｂ）と同様に、次式により行うことができる。
【０１２６】
【数２７】
【０１２７】
また、第２初期化部１７は、端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）以外の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−２，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）を算出する。この計算は、実施例１の式（１６ａ）（１６ｂ）と同様、次式により行うことができる。
【０１２８】
【数２８】
【０１２９】
次に、ステップＳ５で、変換パラメータ算出部１８は、距離ｄ1,A，ｄ1,B，ｄ2,A，ｄ2,B及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−２，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−２）の自乗和を評価関数ｆとして、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２，…，ｎ２＋ｍ２−１，ｎ１，…，ｎ１＋ｍ１−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数ｆの値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。ここで、距離ｄk,A（ｋ＝１，２）は走査線Ｅk,1Ｅk,2の端点Ｅk,1から端測点Ａｋまでの距離、距離ｄk,Bは走査線Ｅk,1Ｅk,2の端点Ｅk,2から端測点Ｂｋまでの距離、距離ｄk,ｊ（ｊ＝ｎk，…，ｎk＋ｍk−１）は走査線Ｅk,1Ｅk,2から有効測点Ｐｊまでの距離である（図１１参照）。この場合の距離ｄk,A，ｄk,B，ｄk,ｊ及び評価関数ｆは以下のようになる。
【０１３０】
【数２９】
反復法の計算も、評価関数の形が若干異なるが、実施例１と同様にして行うことができる。
【０１３１】
次に、ステップＳ６で、原点座標確定部１９は、算出された各変換パラメータΔｘ，Δｙ，ａ，ｂにより計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）をヘルマート変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）を算出する。算出された位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【０１３２】
最後に、ステップＳ７で、注視点座標確定部２０は、レーザースキャナの走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）を点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）と計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する。算出された位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【実施例３】
【０１３３】
図１２は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図１２において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１３４】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、幅算出部２５、水平幅補正部２６、及び高さ算出部２７を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１の計測原点Ｏｍの正確な高さＨが未知の場合に、その高さＨのキャリブレーションを行う。
【０１３５】
次に、図１２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１３６】
図１３は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。ターゲットＴ３は、左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線である左垂直平面ＳＬと、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が左垂直平面ＳＬの右側辺と平行な傾斜直線である右垂直平面ＳＲとを備えている。左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは平行で且つ同一平面上にある。左垂直平面ＳＬの右側辺と右垂直平面ＳＲの左側辺とは一定の水平幅ｒ０だけ離隔している。
【０１３７】
右垂直平面ＳＲは底辺ｒ、高さｈの直角三角形であり、左垂直平面ＳＬは右垂直平面ＳＲと合同で１８０°回転させた直角三角形である。従って、高さｚにおける右垂直平面ＳＲの水平幅ｆＲ、左垂直平面ＳＬの水平幅ｆＬは、次式で表される。
【０１３８】
【数３０】
【０１３９】
図１４は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１４０】
まず、ステップＳ１１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ３の走査を行う。レーザースキャナ１は、スキャンヘッドを一定の方位角範囲で回動させながら走査を行う。従って、レーザービームの光軸は水平面内で回動し、一定の回転角ごとに測点までの距離情報がサンプリングされる。サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１４１】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面（扇形状に広がる水平平面）Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＥＬ１ＥＬ２、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＥＲ１ＥＲ２と呼ぶ（図１３参照）。
【０１４２】
次に、ステップＳ１２で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の距離ｒＬを算出する。距離ｒＬを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１４３】
次に、ステップＳ１３で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の距離ｒＲを算出する。距離ｒＲを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１４４】
次に、ステップＳ１４で、水平幅補正部２６は、計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ次式により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する。
【０１４５】
【数３１】
【０１４６】
最後に、ステップＳ１５で、高さ算出手段２７は、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、次式により算出し、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。ここで、ｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）は、それぞれ、前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数である。
【０１４７】
【数３２】
【０１４８】
以上の処理により、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。
【０１４９】
尚、本実施例において、ターゲットＴ３の左垂直平面ＳＬの右側辺と右垂直平面ＳＲの左側辺との間の間隙は直線状の間隙としたが、図１５に示したような、曲線状であってもよい。この場合、高さｚにおける左垂直平面ＳＬ，右垂直平面ＳＲの水平幅を関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）で表すと、ｆＬ（ｚ）＝ｒ−ｆＲ（ｚ）の関係となり、ｆＲ（ｚ）た単調減少関数又は単調増加関数である必要がある。このようなターゲットＴ３を使用した場合、ｆＲ（ｚ），ｆＬ（ｚ）の形は上記図１３の場合と異なるが、それ以外は同様である。
【実施例４】
【０１５０】
図１６は、実施例４に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。尚、本実施例で使用するレーザースキャナ１は図１と同様であり、レーザースキャナのキャリブレーション装置１０のブロック図は図１２と同様である。このキャリブレーション装置１０は、実施例３と同様、レーザースキャナ１の計測原点Ｏｍの正確な高さＨが未知の場合に、その高さＨのキャリブレーションを行う。
【０１５１】
まず、ステップＳ２１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、図１３や図１５に示したようなターゲットＴ３の走査を行う。走査の結果、サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１５２】
次に、ステップＳ２２で、Ｎ回目の測定が終了していなければ、ステップＳ２４でレーザースキャナ１の設置位置を移動させ、再びステップＳ２１に戻る。ここで、レーザースキャナ１の設置位置は、ターゲットＴ３の前方で且つターゲットＴ３の横幅が走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusに含まれる位置であればどこでもよいが、ターゲットＴ３からレーザースキャナ１までの距離を変えることが好ましい。ステップＳ２２で、Ｎ回目の測定が終了した場合には、次のステップＳ２４に進む。
【０１５３】
ステップＳ２４で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データの中から、１番目の点群データから順次読み出す。ここでは、読み出された点群データをｋ番目（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）の点群データとして｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝と記す。ここで、（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）は、ｋ組目の点群データにおけるｉ番目の測点Ｐｋ，ｉのレーザースキャナ座標系における極座標である。
【０１５４】
次に、ステップＳ２５で、幅算出部２５は、点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の距離ｒＬ，ｋを算出する。距離ｒＬ，ｋの計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１５５】
次に、ステップＳ２６で、幅算出部２５は、点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の距離ｒＲ，ｋを算出する。距離ｒＲ，ｋを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１５６】
次に、ステップＳ２７で、水平幅補正部２６は、計測された水平幅ｒＬ，ｋ，ｒＲ，ｋを、それぞれ式（３１ａ），（３１ｂ）と同様の計算により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｋ，ｒ’Ｒ，ｋを算出する。
【０１５７】
最後に、ステップＳ２８で、高さ算出手段２７は、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨｋを、式（３２）と同様の計算により算出する。算出した高さＨｋは、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【０１５８】
ステップＳ２９で、上記ステップＳ２４〜Ｓ２８の処理が、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データのすべてについて終わっていなければ、再びステップＳ２４に戻る。終わっていれば、ステップＳ３０に移行する。
【０１５９】
ステップＳ３０で、高さ算出手段２７は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存されたＮ個の高さＨｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）を読み出し、その平均値Ｈを算出し、これを最終的な計測原点Ｏｍの高さとしてキャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１６０】
以上の処理により、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。また、Ｎ回の測定の平均を行うことで、より誤差の少ない計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションを行うことができる。
【実施例５】
【０１６１】
図１７は、本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図１７において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１６２】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、幅算出部３０、高さ算出部３１、及び仰角算出部３２を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１のレーザービームの光軸方向が水平からずれている場合に、その仰角φのキャリブレーションを行う。
【０１６３】
次に、図１２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１６４】
図１８は、本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ４の外観斜視図である。ターゲットＴ４は、水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面ＳＬと、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面ＳＲとを備えている。本実施例では、一例として、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは合同な直角三角形とし、右垂直平面ＳＲの直角三角形は、鈎の長さがｒ、股の長さがｈで、鈎が水平な床面に沿って置かれ、股が床面に垂直となるように配置されている。左垂直平面ＳＬは、右垂直平面ＳＲを１８０°回転させた直角三角形であり、股と弦との間の頂点で床面に接し、股が床面に垂直、鈎が床面に水平となるように配置されている。左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にある。また、左垂直平面ＳＫの右側辺（弦）と右垂直平面ＳＲの左側辺（弦）とは一定の水平幅ｒ０だけ離隔して配されている。従って、左垂直平面ＳＬの高さｚにおける幅ｆＬ（ｚ）と、左垂直平面ＳＲの高さｚにおける幅ｆＲ（ｚ）は次式のようになる。
【０１６５】
【数３３】
【０１６６】
図１９は、実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１６７】
まず、ステップＳ３１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ４の左垂直平面ＳＬ及び右垂直平面ＳＲ前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ４の走査を行う。走査により得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１６８】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＥＬ１ＥＬ２、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＥＲ１ＥＲ２と呼び、軌跡面Ｓlocusの水平面からの仰角をφと記す（図１８参照）。
【０１６９】
次に、ステップＳ３２で、幅算出部３０は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬを算出する。水平幅ｒＬを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１７０】
次に、ステップＳ３３で、幅算出部３０は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の水平幅ｒＲを算出する。水平幅ｒＲを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１７１】
次に、ステップＳ３４で、高さ算出部３１は、水平幅ｒＬ，ｒＲに基づいて、次式により左垂直平面ＳＬを切る走査線ＥＬ１ＥＬ２の高さｈＬ及び右垂直平面ＳＲを切る走査線ＥＲ１ＥＲ２の高さｈＲを算出する。
【０１７２】
【数３４】
【０１７３】
最後に、ステップＳ３５で、仰角算出部３２は、前記高さｈＬ，ｈＲ、及び左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲの距離ｄに基づき、レーサースキャナ１の光軸の仰角φを式（３５）により算出し、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１７４】
【数３５】
【０１７５】
以上の処理により、レーザースキャナの光軸の仰角φのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。
【実施例６】
【０１７６】
図２０は、本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図２０において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１７７】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、有効測点抽出部４１、走査線算出部４２、走査線間距離算出部４３、仰角算出部４４、及び平均化部４５を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１のレーザービームの光軸方向が水平からずれている場合に、その仰角φのキャリブレーションを行う。
【０１７８】
次に、図２０のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１７９】
図２１は、本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ５の外観斜視図である。ターゲットＴ５は、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面ＳＬと、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面ＳＲとを備えている。左垂直平面ＳＬを含む平面と右垂直平面ＳＲを含む平面とは、平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔している。図２１のターゲットＴ５は、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは水平幅が同幅とされており、両者の水平幅をｒと記す。また、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは水平距離でｒ０だけ離隔している。
【０１８０】
図２２は、実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１８１】
まず、ステップＳ４１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ５の左垂直平面ＳＬ及び右垂直平面ＳＲ前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ５の走査を行う。走査により得られる点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）は、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１８２】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＬＬ、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＬＲと呼び、軌跡面Ｓlocusの水平面からの仰角をφと記す（図２１参照）。
【０１８３】
ステップＳ４２において、Ｎ回目の測定が終了していなければ、ステップＳ４３でレーザースキャナ１の設置位置を移動させ、再びステップＳ４１に戻る。ここで、レーザースキャナ１の設置位置は、ターゲットＴ５の前方で且つターゲットＴ５の横幅が走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusに含まれる位置であればどこでもよいが、ターゲットＴ５からレーザースキャナ１までの距離を変えることが好ましい。ステップＳ４２で、Ｎ回目の測定が終了した場合には、次のステップＳ４４に進む。
【０１８４】
ステップＳ４４で、有効測点抽出部４１は、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データの中から、１番目の点群データから順次読み出す。ここでは、読み出された点群データをｋ番目（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）の点群データとして｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝と記す。ここで、（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）は、ｋ組目の点群データにおけるｉ番目の測点Ｐｋ，ｉのレーザースキャナ座標系における極座標である。
【０１８５】
次に、ステップＳ４５で、有効測点抽出部４１は、上記点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面ＳＬの左右両側の端部の端測点Ａｋ，Ｃｋ，Ｌを特定し、端測点Ａｋ，Ｃｋ，Ｌ間のｍｋ，Ｌ個の有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｌ，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１）の相対極座標｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝ｎｋ，Ｌ，ｎｋ，Ｌ＋１，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１｝を抽出する。ここで、「相対極座標」とは、レーザスキャナ座標系における極座標のことをいう。また、左垂直平面ＳＬ上の有効測点を「左有効測点」という。
【０１８６】
次に、ステップＳ４６で、有効測点抽出部４１は、上記点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面ＳＲの左右両側の端部の端測点Ｃｋ，Ｒ，Ｂｋを特定し、端測点Ｃｋ，Ｒ，Ｂｋ間のｍｋ，Ｒ個の有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｒ，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１）の相対極座標｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝ｎｋ，Ｒ，ｎｋ，Ｒ＋１，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１｝を抽出する。以下、右垂直平面ＳＲ上の有効測点を「右有効測点」という。
【０１８７】
次に、ステップＳ４７で、走査線算出部４２は、各左有効測点及び各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線Ｌｋ，Ｌ，Ｌｋ，Ｒの傾き及び切片を算出する。ここで、計測原点Ｏｋ，ｍを原点とし、軌跡面Ｓlocus内の直交する二方向をｘ軸，ｙ軸、ｘ軸及びｚ軸と垂直な方向をｚ軸とする直交座標系を想定し、これを「相対直交座標系」という。相対直交座標系における走査線Ｌｋ，Ｌ，Ｌｋ，Ｒの傾きをｐｋ、走査線Ｌｋ，Ｌの切片をｑｋ，Ｌ，走査線Ｌｋ，Ｒの切片をｑｋ，Ｒとおく。走査線算出部４２は、傾きｐｋ、切片ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒを、走査線Ｌｋ，Ｌから各左有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｌ，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１）までの距離の和に、走査線Ｌｋ，Ｒから各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｒ，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１）までの距離の和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する。
【０１８８】
相対直交座標系における測点Ｐｋ，ｉの位置座標（以下、単に「位置座標」という。）を（ｘｋ，ｉ，ｙｋ，ｉ）とすると、
【０１８９】
【数３６】
である。また、走査線Ｌｋ，Ｌはｙ＝ｐｋｘ＋ｑｋ，Ｌ、走査線Ｌｋ，Ｒはｙ＝ｐｋｘ＋ｑｋ，Ｒであるので、上記距離和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）は次式により表される。
【０１９０】
【数３７】
したがって、この距離和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）を評価関数として、最小自乗法により傾きｐｋ、切片ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒを計算することができる。
【０１９１】
次に、ステップＳ４８で、走査線間距離算出部４３は、走査線Ｌｋ，Ｌから走査線Ｌｋ，Ｒまでの距離ｄ’ｋを次式により算出する。
【０１９２】
【数３８】
【０１９３】
最後に、ステップＳ４９で、仰角算出部４４は、距離ｄ’ｋ及び距離ｄｋに基づき、レーサースキャナ１の光軸の仰角φｋを次式により算出すし、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１９４】
【数３９】
【０１９５】
ステップＳ５０で、上記ステップＳ４４〜Ｓ４９の処理が、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データのすべてについて終わっていなければ、再びステップＳ４４に戻る。終わっていれば、ステップＳ５１に移行する。
【０１９６】
ステップＳ５１で、平均化部４５は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存されたＮ個の仰角φｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）を読み出し、その平均値φを算出し、これを最終的なレーザースキャナ１の光軸の仰角φとしてキャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１９７】
以上の処理により、レーザースキャナ１の光軸の仰角φのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。また、Ｎ回の測定の平均を行うことで、より誤差の少ないレーザースキャナ１の光軸の仰角φのキャリブレーションを行うことができる。
【実施例７】
【０１９８】
本実施例では、レーザースキャナ１が三次元レーザスキャナである場合のキャリブレーション方法について説明する。本実施例のキャリブレーション方法で使用するキャリブレーション装置の機能的な構成は、図２と同様である。また、図２３は、実施例７に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。本実施例で使用するキャリブレーション用のターゲットは、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有する。この垂直平面ＡＢＣＤの幅をｒ、高さをｓとする。
【０１９９】
本実施例において、レーザースキャナ１は、三次元レーザースキャナである。三次元レーザースキャナとは、光軸の仰角を段階的に変えながら水平走査を行うことによって、三次元的な走査を行うレーザースキャナである。従って、レーザースキャナ１で得られる点群データは、二次元的に配列された点群であり各測点はＰｉ，ｊと表される。ここで、ｉは水平方向（方位角方向）の走査の順番を表すインデックス、ｊは垂直方向（仰角方向）の走査の順番を表すインデックスである。実際にレーザースキャナ１から出力されるデータは、測点Ｐｉ，ｊの水平方向を表す方位角φｉ，ｊ、測点Ｐｉ，ｊの垂直方向を表す仰角θｉ，ｊ、及び計測原点Ｏｍから測点Ｐｉまでの距離（光軸の長さ）をｌｉ，ｊの組（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）である。尚、計測原点Ｏｍは、レーザースキャナから出力される光軸の原点である。
【０２００】
点群データ記憶部１２には、上述のような三次元レーザスキャナにより測定されたＭ×Ｎ個の測点の点群データ｛Ｐｉ，ｊ＝（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）｜ｉ＝１，…，Ｍ，ｊ＝１，…，Ｎ｝が保存される。
【０２０１】
まず、有効測点抽出部１３は、前記点群データ｛Ｐｉ，ｊ｝の中から、垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定する。これらの測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを「隅測点」と呼ぶ。さらに有効測点抽出部１３は、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）（隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む。）の相対座標｛Ｐｉ，ｊ＝（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）｜ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１｝を抽出する。これらの抽出された測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）を「有効測点」という。
【０２０２】
図２４に隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤと抽出されたすべての有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の例を示す。
【０２０３】
本実施例のキャリブレーション装置では、測地座標系は垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に設定される。頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの測地座標を、それぞれ（０，０，０），（０，０，ｓ），（ｒ，０，ｓ），（ｒ，０，０）とする（図２４参照）。頂点Ａと隅測点ＰＡとの間の距離をｄＡ、頂点Ｂと隅測点ＰＢとの間の距離をｄＢ、頂点Ｃと隅測点ＰＣとの間の距離をｄＣ、頂点Ｄと隅測点ＰＤとの間の距離をｄＤとする。また、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の各有効測点Ｐｉ，ｊから垂直平面ＡＢＣＤまでの距離をｄｉ，ｊとする。
【０２０４】
次に、座標決定手段１４は、距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ及び各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。この座標決定手段１４は、第１初期化部１６、第２初期化部１７、変換パラメータ算出部１８、原点座標確定部１９、及び注視点座標確定部２０を備えている。
【０２０５】
次に、第１初期化部１６は、測地座標系における隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する。第２初期化部１７は、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び各有効測点の相対座標に基づいて、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の各有効測点Ｐｉ，ｊ及び計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値を算出する。
【０２０６】
次に、変換パラメータ算出部１８は、計測原点Ｏｍ及び隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数の値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。このとき、評価関数として、距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が使用される。例えば、自乗和を評価関数に使用する場合には、幾何変換の回転量（オイラー角で表示する。）を（ω，δ，κ）、平行移動量を（Δｘ，Δｙ，Δｚ）として、評価関数ｆ（ω，δ，κ，Δｘ，Δｙ，Δｚ）は次式（４０）のように表される。
【０２０７】
【数４０】
ここで、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを幾何変換して得られる隅測点Ｐ’Ａ，Ｐ’Ｂ，Ｐ’Ｃ，Ｐ’Ｄの測地座標を、それぞれ（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ，ｚ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ，ｚ’Ｂ），（ｘ’Ｃ，ｙ’Ｃ，ｚ’Ｃ），（ｘ’Ｄ，ｙ’Ｄ，ｚ’Ｄ）とし、各有効測点Ｐｉ，ｊを幾何変換して得られる隅測点Ｐ’ ｉ，ｊの測地座標を（ｘ’ ｉ，ｊ，ｙ’ ｉ，ｊ，ｚ’ ｉ，ｊ）とした。幾何変換後の各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の測地座標（ｘ’ ｉ，ｊ，ｙ’ ｉ，ｊ，ｚ’ ｉ，ｊ）は次式（４１）で表される。
【０２０８】
【数４１】
【０２０９】
次に、原点座標確定部１９は、変換パラメータ算出部１８により算出された各変換パラメータ（ω，δ，κ，Δｘ，Δｙ，Δｚ）によって、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値を幾何変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標を算出する。
【０２１０】
最後に、注視点座標確定部２０は、注視点Ｇの相対座標を点群データ｛Ｐ ｉ，ｊ｝から抽出し、該注視点Ｇの相対座標と計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標を算出する。ここで、注視点Ｇは、三次元レーザスキャナの場合には、走査範囲（方位角方向の走査範囲及び仰角方向の走査範囲）の中心方向の光軸上の測点である。
【０２１１】
以上の計算処理によって、三次元レーザスキャナの測地座標系における位置と方向が定められる。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】台車に接地された本発明の実施例１に係るレーザースキャナの外観図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図５】ターゲットＴ１の走査により得られる各測点Ｐｉと計測原点Ｏｍとの位置関係を示す図である。
【図６】実際にレーザースキャナから出力される点群データを示す図である。
【図７】端測点Ａ，Ｂの初期値の設定を表す図である。
【図８】計測原点Ｏｍ’，端測点Ａ’，Ｂ’と有効測点Ｐｊ’の位置関係を表す図である。
【図９】走査線Ｅ１Ｅ２及び各測点の位置と距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の関係を表す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ２の外観斜視図である。
【図１１】ターゲットＴ２の走査により得られる各測点と計測原点Ｏｍとの位置関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ３の外観斜視図である。
【図１４】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図１５】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ３の他の例である。
【図１６】実施例４に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図１７】本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ４の外観斜視図である。
【図１９】実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図２０】本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ５の外観斜視図である。
【図２２】実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図２３】実施例７に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。
【図２４】隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤと抽出されたすべての有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の一例である。
【符号の説明】
【０２１３】
１ レーザースキャナ
２ 台車
３ コンピュータ
９ 通信インタフェース
１０ キャリブレーション装置
１１ キャリブレーションパラメータ記憶部
１２ 点群データ記憶部
１３ 有効測点抽出部
１４ 座標決定部
１６ 第１初期化部
１７ 第２初期化部
１８ 変換パラメータ算出部
１９ 原点座標確定部
２０ 注視点座標確定部
Ｔ１ ターゲット
Ｓ１ 垂直平面
Ｅ１Ｅ２ 走査線
Ｏｍ 計測原点
Ｓlocus 光軸の軌跡面
θ 走査角
Ｇ 注視点
２５ 幅算出部
２６ 水平幅補正部
２７ 高さ算出部
３０ 幅算出部
３１ 高さ算出部
３２ 仰角算出部
４１ 有効測点抽出部
４２ 走査線算出部
４３ 走査線間距離算出部
４４ 仰角算出部
４５ 平均化部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザースキャナのキャリブレーション技術に関し、特に、レーザースキャナによる測量を行う前段階として、計測原点及び測量の基準となる図根点の直交座標値を決定しその後の測量値の較正の基準値を確定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やモバイル端末を利用した歩行者に対するナビゲーションが注目されている。これに伴って、地下街や駅構内などの屋内の地図データが必要とされている。このような屋内の地図データの整備方法として、従来から、トータルステーション（電子式測角測距儀）や電子平板などを利用した測量技術が広く用いられている。しかしながら、屋内の地図に必要なデータは広域かつ詳細であるため、このような従来の測量を行ったのでは大変なコストと時間を要することになる。
【０００３】
そこで、地図データを整備する手法として、レーザースキャナを用いた測定方法が研究・開発されている。
【０００４】
レーザースキャナとは、光波測距儀の一種であり、レーザーヘッダ内部の回転ミラーにより照射方向を回転させながら近赤外線のパルス・レーザービームを照射して、計測対象点で反射した反射光を検出し、レーザー光のパルス伝搬時間を位相比較法（非特許文献１参照）等により検出することで計測対象点までの距離を計測し、同時にパルス・レーザービームを照射した方向を計測することで、計測対象点の座標を取得する計測機器をいう。照射されたパルス・レーザービームは、計測対象点にある対象物に当たると反射される。この反射光は、レーザースキャナの受光部で検出される。パルスの投光と受光との間の時間差は、変調周波数の位相差などにより検出される。この時間差は、レーザースキャナと対象物との間の距離に比例するため、この時間差から計測対象点までの距離を求めることができる。また、パルス・レーザービームは、レーザースキャナ内部の回転ミラーにより逐次方向が変えられ、周囲のエリアを所定の角度分解能で扇形に走査する。角分解能は機種によって区々であるが、現在、高角度分解能のものでは０．０１〜０．５°の角度分解能の機種も開発されている。１回の扇形走査で、レーザービームの軌跡が描く二次元平面内でのレーザー距離画像を表す点群データが得られる。
【０００５】
レーザースキャナを用いた地図データの手法では、レーザースキャナを移動させながら計測を行い、レーザースキャナから得られる時系列の点群データを重ね合わせることによって１つの地図データを作成する。このとき、レーザースキャナから得られた時系列の点群データを基に、計測装置の位置と方向を推定する。これを自己位置推定という。
【０００６】
屋外の測定では、自己位置推定にＧＰＳが広く使用されている（非特許文献２，３参照）。しかし、屋内での測定においてはＧＰＳが利用できないため、自己位置推定には慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を利用する方法（非特許文献４参照）、スキャンマッチングによる方法（非特許文献５−７参照）などが用いられる。スキャンマッチングによる方法では、レーザースキャナにより時系列に取得された点群データを重ね合わせていくことで実行される。実際には、レーザースキャナを搭載した台車を計測したい場所を移動させながら連続的に測定を行い、時系列の点群データを取得する。これらの取得された時系列点群データを重ね合わせていくことによって、１つの地図点群データを作成する。この重ね合わせの方法に関しては、各種の方法が考案されている（非特許文献５−７参照）。例えば、非特許文献７の方法では、ある時刻で得られた点群データを１つ前の時刻の点群データに平行移動及び回転を用いた変換（ヘルマート変換）で重ね合わせていくことで実行される。
【０００７】
レーザースキャナで取得される点群データは、レーザースキャナを中心とした座標である。そのため、各計測ごとに計測開始位置やレーザースキャナの姿勢が異なると、各計測ごとに異なる座標系の点群データが得られる。そのため、複数回の計測で得られた点群データを合成して地図データを作成しようとした場合、それぞれ計測ごとの絶対的な位置座標の情報がなければ正しく合成することができない。また、一般に、レーザースキャナには、温度や場所などによる測定値のずれや、大気の影響などによる誤差が発生する。そのため、レーザースキャナによる測定では、レーザースキャナを水平に設置した後、キャリブレーション（較正）を行わなければならない。
【０００８】
レーザースキャナのキャリブレーションでは、実際の計測対象の寸法と計測値とを比較し、計測値に対して補正をかける。通常、キャリブレーションにおいては、計測を開始する位置において走査を行い、座標値が既知のいくつかの計測対象点を利用して、測定を開始する際のレーザーヘッダ（計測原点）及びレーザーヘッダの正面方向における計測対象点（注視点）の測地座標を確定する。そして、レーザースキャナから得られる点群データと計測原点及び注視点の位置座標との関係から、位置姿勢の較正が行われる。
【０００９】
レーザースキャナのキャリブレーション方法としては、非特許文献８，９に記載のものが公知である。
【００１０】
非特許文献８に記載の方法は、垂直に立てたガラス面にターゲットとしてCoBit（Compact Battery-less Information Terminal）を貼り付け、このCoBitによりレーザースキャナのキャリブレーションを行う方法が記載されている。
【００１１】
この手法では、レーザービームがガラス面を透過するという点に着目し、基準点となるターゲットをガラス面に貼る。基準点を正確に捉えるために、レーザービームのスポット径の中心とガラス面に貼ったターゲットの中心が一致する必要がある。レーザービームは不可視であり、距離とともにスポット径が大きくなるため肉眼ではレーザービームのスポットを確認することはできない。
【００１２】
そこで、レーザービームのスポットをとらえるのにCoBitを利用する。CoBitは、太陽電池に直結したイヤホンで音を聞くことができる装置である。CoBitをターゲットとして使用することで、レーザービームのスポットの中心ほどレーザー光が強く、発生する音も大きくなる。この性質を利用してスポットの中心を捉える。次に、レーザースポットの中心にあたるように設置された複数の基準点を計測し、レーザースキャナ座標系における各基準点の座標（Ｘｌ，Ｙｌ，Ｚｌ）を求める。ここで、レーザーの軌跡は直線であるため、Ｚｌの値はすべて０とする。次に、各基準点の位置座標の真値（絶対値）を求めるため、各基準点についてトータルステーションによる位置座標の計測を行い、測地座標系における各基準点の座標（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を求める。これらの結果から、レーザースキャナ座標系から測地座標系への変換式を求める。具体的には、３次元の回転、原点の平行移動、及び縮尺を補正するヘルマート変換の変換パラメータを求める。ヘルマート変換は次式によって表される。
【００１３】
【数１】
ここで、Ｒは三次元回転行列、ｓは縮尺、（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）ｔは平行移動量である。
【００１４】
また、非特許文献９には、計測対象の地物上に４点以上の基準点を設定し、それらの基準点に反射シートを設置しておき、これらの反射シートによりレーザースキャナのキャリブレーションを行う方法が記載されている。この方法においても、各基準点の位置座標をトータルステーションで計測して決定するとともに、レーザースキャナで計測する、そして、レーザースキャナ座標系における各基準点の座標とトータルステーションで計測した測地座標系における各基準点の座標とに基づいて、レーザースキャナ座標系から測地座標系に変換するアフィン変換パラメータを求めることによって較正を行う。
【非特許文献１】大嶋太市，「測量学＜基礎編＞」，初版，共立出版株式会社，1997年4月10日，pp．152−158．
【非特許文献２】趙卉菁，柴崎亮介，「車両搭載型レーザレンジセンサによる３次元都市空間モデルの自動構築」，第８回画像センシングシンポジウム，２００２年，pp.121-126．
【非特許文献３】H. Zhao and R. Shibasaki, "A Vehicle-borne Urban 3D Acquisition System using Single-row Laser Range Scanners", IEEE Trans. SMC Part B: Cybernetics, 2003, Vol.33, No.4, pp..
【非特許文献４】長井正彦他，「ＩＭＵを用いたレーザースキャナとＣＣＤセンサの統合による３次元モデルの構築」，日本写真測量学会平成１６年度年次学術講演会論文集，日本写真測量学会，２００４年，pp.5-8.
【非特許文献５】P.J.Besl and N.D.Mckay, "A Method for Registration of 3-D Shapes", IEEE Transaction on Pattern Analysis and Maching Intelligence, 1992, Vol.14, No.2, pp.239-256.
【非特許文献６】中本琢実，山下淳，金子透，「レーザーレンジファインダ搭載移動ロボットによる動的環境の３次元地図作成」，映像メディア学会技術報告，２００６年，Vol.30, No.36, pp.263-271.
【非特許文献７】平岡透，若松浩二，尾崎直人，「屋内地図作成のための時系列レーザースキャナデータのロバストな重ね合わせ」，写真測量とリモートセンシング，２００７年，Vol.46, No.2, pp.37-41.
【非特許文献８】長井正彦，マナンダ・ディネッシュ，柴崎亮介，「“Cobit”によるレーザースキャナのキャリブレーション手法に関する研究」，日本写真測量学会平成１６年度次学術講演会発表論文集，２００４年，pp.1-4．
【非特許文献９】氏家康二，「レーザースキャナを用いたオブジェクトマッチングによる地すべり変位追跡」，高知工科大学２００４(平成１６)年度修士論文，［online］，２００５年１月，高知工科大学付属図書館，［平成１９年１０月１日検索］，インターネット＜http://www.kochi-tech.ac.jp/library/ron/2004/g9/M/1075013.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述のようなCoBit又は反射板を使用して較正を行う場合、計測を行う度にCoBit又は反射板やトータルステーションなどのキャリブレーション専用の特殊な機器を用意する必要があるため不便である。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、キャリブレーション専用の特殊な機器を使用することなくレーザースキャナのキャリブレーションを行う技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１の構成は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有する物体があればよい。従って、例えば垂直に立てられた角柱形の建物の柱などをターゲットとして利用することができる。従って、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００１９】
また、相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する際に、最小化する凸評価関数Ｊとして、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和
【００２０】
【数２】
又は自乗和
【００２１】
【数３】
を用いることで、走査時における測定方位角の離散化による量子化誤差の影響を最小限に抑えることができる。
【００２２】
ここで、「垂直平面」は、左右両側辺が平行かつ垂直な平面であればよく、上下辺の形状は問わない。但し、垂直平面の両辺は凸角（convex angle）となっているものとする。「計測原点」とは、レーザースキャナのレーザー光の光軸の回動中心の点をいう。「測点」とは、レーザースキャナにより座標測定を行なう空間点をいう。測点の数Ｍは特に限定はされず、レーザースキャナの角度解像度と走査角とにより決まる値である。ここで、「角度解像度」とは、隣接する測点間の方位角の差をいう。「走査角」とは、レーザースキャナが１回の走査において走査を開始する光軸の方位角と走査を終了する光軸の方位角との差角をいう。「計測原点Ｏｍを基準とする相対座標」とは、計測原点を原点としてレーザースキャナに固定された座標をいう。相対座標は、直交座標、極座標、円柱座標などの座標表現を用いることができるが、レーザースキャナが直接測定する値は、測点の方位角φと測定原点から測点までの距離ｌなので、通常は相対座標は極座標表現（ｌ，φ）が用いられる。「測地座標系」とは、レーザースキャナの光軸の軌跡が垂直平面を切る線（走査線Ｅ１Ｅ２）を基準に設定された座標系をいう。ターゲットは、計測空間の所定の位置に固定されているため、測地座標系は計測空間に固定された座標系である。測地座標系の座標表現は特に限定されないが、地図作成の際の利便性を考慮して、通常は直交座標表現が用いられる。「端測点」とは、測定対象である平面の端部の測点をいう。ここで、レーザースキャナの走査においては各測点間の方位角は離散的であるため、一般には、端測点は測定対象である平面の端部とは正確には一致しない。「相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータ」とは、相対座標を測地座標に対応づけるパラメータをいう。対応付けのパラメータの取り方は任意であるが、例えば、測地座標系における計測原点Ｏｍの位置座標（ｘＯ，ｙＯ）と、注視点Ｇ（走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点）の位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を用いることができる。
【００２３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、前記座標決定手段が、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化手段と、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、まず第１の初期化手段が端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を設定する。尚、本明細書においては、「位置座標」というときは、特に断らない限りは測地座標系における位置座標をいうものとする。端測点Ａ，Ｂの相対座標は点群データにより既知であるので、端測点Ａ，Ｂの間の距離ｒＡＢも既知である。従って、端測点Ａ，Ｂは、走査線Ｅ１Ｅ２の中点から距離ｒＡＢ／２だけ離れた走査線Ｅ１Ｅ２上に配置される。次に、第２の初期化手段は、有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び計測原点Ｏｍの位置座標の初期値を算出する。端測点Ａ，Ｂに対する有効測点Ｐｉ及び計測原点Ｏｍの相対座標も点群データにより既知であるので、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値が定まれば有効測点Ｐｉ及び計測原点Ｏｍの位置座標の初期値も一意的に定まる。次に、変換パラメータ算出手段は、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）を、ヘルマート変換により最適な位置に移動する。この移動の際のヘルマート変換パラメータは、前述の式（２）又は式（３）で表される距離の和又は自乗和を評価関数Ｊとして用いて、反復法により求められる。式（２）又は式（３）は凸関数なので、反復法における収束性は保証される。次に、原点座標確定手段は、関係パラメータの一つとして、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標を算出する。最後に、注視点座標確定手段は、もう一つの関係パラメータとして、注視点Ｇの測地座標系における位置座標を算出する。以上のようにして、関係パラメータとして計測原点Ｏｍ及び注視点Ｇの測地座標系における位置座標が求めれば、他の測点の相対座標も絶対座標系に変換できる。また、レーザースキャナをターゲットの前から他所へ移動しながら繰り返し走査を行って点群データを取得した場合、前に走査して得た点群データに重ね合わせながら測地座標系における位置座標を定めていくことができる。
【００２５】
ここで、「反復法」のアルゴリズムとしては、最急降下法、ヤコビ法、ガウス・ザイデル法、ＳＯＲ（Successive Over Relaxation）法等の各種公知の方法を使用することができる。
【００２６】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、前記点群データ記憶手段は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出するものであり、
前記座標決定手段は、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定するものであることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、ターゲットの垂直平面が同一平面上に複数あるような場合でも、前記第１の構成の場合と同様にしてレーザースキャナのキャリブレーションを行うことができる。
【００２８】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第４の構成は、左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、２枚の合同な直角三角形の板（木板や厚紙、金属板など）を、斜辺を平行に同一平面上に並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３０】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第５の構成は、前記第４の構成において、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正手段を備え、
前記高さ算出手段は、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする。
【００３１】
【数４】
【００３２】
この構成によれば、端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを式（４ａ），（４ｂ）により、ｒＬ＋ｒＲ＝ｒとなるように補正することで、走査時における測定方位角の離散化による量子化誤差の影響を低減させることができ、より精度の高い計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第６の構成は、前記第４又は５の構成において、前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記幅算出手段は、Ｎ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出するものであることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、レーザースキャナを水平移動させて複数の計測原点Ｏｍからの走査で出られた点群データに基づき計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことで、より精度の高い計測原点Ｏｍの高さＨのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３５】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第７の構成は、水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出手段と、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００３６】
【数５】
【００３７】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、２枚の合同な直角三角形の板（木板や厚紙、金属板など）を、斜辺を平行に、前後にずらして並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの光軸の仰角のキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００３８】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第８の構成は、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出手段と、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出手段と、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００３９】
【数６】
【００４０】
この構成によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、上述のような左垂直平面及び右垂直平面を有する物体があればよい。このようなものとしては、例えば、長方形の板（木板や厚紙、金属板など）を、一側辺を平行に並べ合わせた状態で一定の間隔だけ離して固定しこれを床面に垂直に立てたような形状のターゲットを使用することができる。このようなターゲットは、特殊な材料を用いることなく容易に作ることができるため、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなくレーザースキャナの光軸の仰角のキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００４１】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第９の構成は、前記第８の構成において、前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出するものであり、
前記仰角算出手段が算出する前記仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化手段を備えたことを特徴とする。
【００４２】
この構成により、複数の計測原点から測定した仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角とすることで、レーザースキャナの走査の際の量子化誤差などの影響が提言され、より正確な仰角θのキャリブレーションを行うことができる。
【００４３】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１０の構成は、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査して得られる、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００４４】
この構成によれば、３次元レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有する物体があればよい。従って、従来のようにキャリブレーション専用の特殊な機器を用いることなく三次元レーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【００４５】
レーザースキャナのキャリブレーション装置に係る本発明の第１１の構成は、前記第１０の構成において、前記座標決定手段は、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化手段と、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする。
【００４６】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップとを実行することを特徴とする。
【００４７】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、前記座標決定ステップにおいては、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化ステップと、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、を実行することを特徴とする。
【００４８】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、前記走査ステップにおいては、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出し、
前記座標決定ステップにおいては、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定することを特徴とする。
【００４９】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第４の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５０】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第５の構成は、前記第４の構成において、前記幅算出ステップを実行した後に、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正ステップを実行し、
前記高さ算出ステップにおいては、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする。
【００５１】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第６の構成は、前記第４又は５の構成において、前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から、レーザースキャナにより水平走査を行い、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記幅算出ステップにおいては、前記記憶装置に保存されたＮ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出することを特徴とする。
【００５２】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第７の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出ステップと、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５３】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第８の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出ステップと、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出ステップと、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００５４】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第９の構成は、前記第８の構成において、前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点からレーザースキャナにより水平走査し、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出し、
その後、前記仰角算出ステップにおいて算出される前記仰角θの平均値を算出し、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化ステップを実行することを特徴とする。
【００５５】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１０の構成は、コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査し、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とする。
【００５６】
レーザースキャナのキャリブレーション方法に係る本発明の第１１の構成は、前記第１０の構成において、前記座標決定ステップにおいては、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化ステップと、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５７】
以上のように、本発明によれば、レーザースキャナのキャリブレーションに使用するターゲットとして、建物の柱や特定の形状の垂直板などを使用し、このターゲットを１回乃至数回走査するだけでよいため、キャリブレーション専用の特殊な機器を使用することなくレーザースキャナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００５９】
図１は、台車に接地された本発明の実施例１に係るレーザースキャナ１の外観図である。レーザースキャナ１は、台車２の前方に水平に取り付けられている。台車２は手押し式４輪台車であり、この台車を手で押してレーザースキャナ１を移動させながら周辺の地物の走査を行うことができる。また、台車２の上面には、コンピュータ３が設置されている。レーザースキャナ１が走査して得た点群データは、接続ケーブルを介してコンピュータ３に転送され、コンピュータ３の内部の記憶装置に保存される。コンピュータ３には、レーザースキャナ１のキャリブレーション用のプログラムがインストールされており、このプログラムを実行させることによって、コンピュータ３は本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置として機能する。
【００６０】
図２は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置１０の機能的な構成を示すブロック図である。図２において、レーザースキャナ１及びコンピュータ３は図１と同様である。コンピュータ３は、通信インタフェース９、キャリブレーション装置１０、及びキャリブレーションパラメータ記憶部１１を備えている。実際には、キャリブレーション装置１０は、キャリブレーション・プログラムとして提供され、そのキャリブレーション・プログラムをコンピュータ３で実行させることにより機能的に実現されている。また、キャリブレーションパラメータ記憶部１１は、コンピュータ３内部の記憶装置（磁気ディスク装置等）により構成されている。
【００６１】
キャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、有効測点抽出部１３、及び座標決定部１４を備えている。点群データ記憶部１２は、レーザースキャナ１からコンピュータ３に取り込まれた点群データを記憶する。点群データ記憶部１２は、磁気ディスクやＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）などの記憶装置により構成される。有効測点抽出部１３は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、キャリブレーション計算に必要な有効測点を抽出する。座標決定部１４は、レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、レーザースキャナの計測原点Ｏｍを基準とする相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。
【００６２】
また、上記座標決定部１４は、第１初期化部１６、第２初期化部１７、変換パラメータ算出部１８、原点座標確定部１９、及び注視点座標確定部２０を備えている。これら各部の機能については、以下の動作説明と併せて説明する。
【００６３】
次に、図２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【００６４】
図３は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。ターゲットＴ１は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１を有している。垂直平面Ｓ１の水平幅はｒ１である。垂直平面Ｓ１の左右両側辺は直角となっている。尚、使用可能なターゲットの両側辺の折れ曲がり角度は、必ずしも直角である必要はなく、凸角（convex angle）であればよい。
【００６５】
このようなターゲットＴ１としては、例えば、建物内の柱などを用いることができる。もちろん、キャリブレーション用に、図３のような形状の箱を用意してそれを使用してもよい。ターゲットＴ１は簡単な形状であるため、例えば、段ボールや板を用いて容易に作成することができる。
【００６６】
このターゲットＴ１に対して、レーザースキャナ１により水平に走査を行う。このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面（扇形状に広がる水平平面）Ｓlocusが垂直平面Ｓ１を切る線分を「走査線」といい、Ｅ１Ｅ２と記す。また、レーザースキャナの光軸の回動中心点を「計測原点」といいＯｍと記す。レーザースキャナ１が１回の走査において走査を開始する光軸の方位角と走査を終了する光軸の方位角との差角を「走査角」といい、θと記す。レーザースキャナ１の走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点を「注視点」といい、Ｇと記す。ターゲットＴ１，垂直平面Ｓ１，走査線Ｅ１Ｅ２，計測原点Ｏｍ，光軸の軌跡面Ｓlocus，走査角θ，及び注視点Ｇの関係は、図３に示した通りである。
【００６７】
キャリブレーションにおいては、ターゲットＴ１に固定した測地座標系における計測原点Ｏｍ及び注視点Ｇの位置座標を確定する。ここで測地座標系は、原点Ｏを走査線Ｅ１Ｅ２の左側の端点Ｅ１とし、走査線方向をｘ軸、走査線方向に垂直で光軸の軌跡面Ｓlocus内の方向をｙ軸、垂直上方をｚ軸として設定する。
【００６８】
図４は、本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【００６９】
まず、ステップＳ１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。レーザースキャナ１の計測原点の高さも、あらかじめ矩尺等により計測しておく。レーザースキャナ１の内部構造は設計図により既知であるため、この高さは正確に測定することができる。また、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１の水平幅ｒも、あらかじめ矩尺などにより計測し、コンピュータ３に入力しておく。
【００７０】
そして、レーザースキャナ１により、垂直平面Ｓ１を含む範囲を走査する。レーザースキャナ１は、スキャンヘッドを一定の方位角範囲で回動させながら走査を行う。従って、レーザービームの光軸は水平面内で回動し、一定の回転角ごとに測点までの距離情報がサンプリングされる。サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【００７１】
図５に、ターゲットＴ１の走査により得られる各測点Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）と計測原点Ｏｍとの位置関係を示す。１回の走査におけるサンプリング数をＭとする。レーザースキャナ１のサンプリング間隔（方位角間隔）を「角分解能」といい、θｓと記す。レーザースキャナ１は、方位角θ１から走査を開始する。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，Ｍ）のサンプリング方向における方位角θｉは
【００７２】
【数７】
である。また、各サンプリング方向の光軸が計測対象物に当たりレーザービームが反射される点を「測点」といい、Ｐｉと記す。また、計測原点Ｏｍから測点Ｐｉまでの距離（光軸の長さ）をｌｉと記す。
【００７３】
また、光軸が走査線Ｅ１Ｅ２と交差するサンプリング方向における測点を「有効測点」という。図５において、ｎ番目から（ｎ＋ｍ−１）番目の測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−１）が有効測点である。すべての有効測点のうち右端及び左端のものを「端測点」といい、それぞれＡ，Ｂと記す。Ａ＝Ｐｎ，Ｂ＝Ｐｎ＋ｍ−１である。また、計測原点Ｑｍから各Ａ，Ｂ端への距離をｌＡ＝ｌｎ，ｌＢ＝ｌｎ＋ｍ−１と記す。
【００７４】
レーザースキャナ１は、１回の走査により点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝を取得する。この点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝が点群データ記憶部１２に保存される。
【００７５】
次に、ステップＳ２で、有効測点抽出部１３は、上記点群データ｛（ｌｉ，θｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面Ｓ１の左右両側の端部の端測点Ａ，Ｂを特定し、端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ，ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−１｝を抽出する。
【００７６】
図５から分かるように、計測原点Ｏｍから各測点Ｐｉまでの距離ｌｉは、垂直平面Ｓ１の左右両側の凸角部において不連続となるので、距離データ｛ｌｉ｝の差分を閾値判定するなどしてこの不連続点を抽出することによって、端測点Ａ，Ｂは容易に抽出することができる。
【００７７】
尚、端測点Ａ，Ｂの抽出については、点群データをコンピュータ３のディスプレイに表示させ、作業者がポインティングデバイス等の入力装置によって端測点Ａ，Ｂを直接指定するように構成してもよい。
【００７８】
次に、ステップＳ３で、第１初期化部１６は、測地座標系における端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を決定する。
【００７９】
ここで、測地座標系における走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ１，Ｅ２の位置座標は、（０，０）及び（ｒ、０）である（尚、ｚ座標は光軸の軌跡面Ｓlocus上ではすべて等しいので、以下省略する）。一方、実際にレーザースキャナ１から出力される点群データは、計測距離及び計測角が離散化されることによって生じる量子化誤差により、図６のように、走査線Ｅ１Ｅ２から若干外れたものとなる。また、端測点Ａ，Ｂは、必ずしも走査線の端点Ｅ１，Ｅ２と正確に一致するとは限られない。そこで、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値は、図７に示したように、端測点Ａ，Ｂが走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように設定する。
【００８０】
いま、端測点Ａ，Ｂのレーザースキャナ座標系における座標値を
【００８１】
【数８】
とする。光軸ＯｍＡと光軸ＯｍＢとがなす角θ’はθＡＢ＝｜θＡ−θＢ｜である。また、測地座標系における端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値をそれぞれ、
【００８２】
【数９】
とする。ここで、Ａ’，Ｂ’は測地座標系の初期位置に配置された端測点Ａ，Ｂを表している。端点Ｅ１から端測点Ａ’までの距離をｄＡ、端点Ｅ２から端測点Ｂ’までの距離ｄＢと記す。いま、ｄＡ＝ｄＢなので、ｘ’Ａ＝ｒ−ｘ’Ｂの関係が成り立つ。また、端測点Ａ’，Ｂ’は走査線Ｅ１Ｅ２上なので、ｙＡ＝ｙＢ＝０である。端測点Ａと端測点Ｂとの間の距離をｒＡＢとする。
【００８３】
【数１０】
【００８４】
余弦定理により、（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ）は次式により算出することができる。
【００８５】
【数１１】
【００８６】
次に、ステップＳ４で、第２初期化部１７は、端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ）に基づき、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）を算出する。以下、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）により特定される位置の点をＯｍ’と記す。計測原点Ｏｍ’は、端測点Ａ’を中心とする半径ｌＡの円と、端測点Ｂ’を中心とする半径ｌＢの円との２つの交点のうちの一つである。従って、次のような連立方程式が成り立つ。
【００８７】
【数１２】
【００８８】
いま、測地座標系は図３のように設定したのでｙＯ’＜０である。従って、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）は、式（１２ａ），（１２ｂ）により次のように求められる。
【００８９】
【数１３】
【００９０】
更に、第２初期化部１７は、端測点Ａ，Ｂ以外の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）を算出する。端測点Ｂ＝Ｐｎの方位角は、次式で表される。
【００９１】
【数１４】
計測原点Ｏｍから有効測点Ｐｊに向かう光軸ＯｍＰｊの方位角θｊは式（７）と同様に表される。従って、次式が成り立つ（図８参照）。
【００９２】
【数１５】
【００９３】
従って、有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）は、次式により算出される。
【００９４】
【数１６】
【００９５】
次に、ステップＳ５で、変換パラメータ算出部１８は、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の自乗和を評価関数ｆとして、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数ｆの値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。ここで、距離ｄＡは走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離、距離ｄＢは走査線Ｅ１Ｅ２の端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離、距離ｄｊは走査線Ｅ１Ｅ２から有効測点Ｐｊまでの距離である（図９参照）。
【００９６】
この計算は、次のようにして行うことができる。今、初期値として測地座標が設定された測点Ａ’，Ｂ’，Ｐｊ’（ｊ＝ｎ＋１，ｎ＋２，…，ｎ＋ｍ−２）を、原点Ｏ＝（０，０）を中心に回転移動した後に平行移動する変換（ヘルマート変換）を行うとする。回転移動の回転量をΔθ，平行移動の移動量を（Δｘ，Δｙ）とする。測点Ａ’，Ｂ’，Ｐｊ’をヘルマート変換により移動した点をそれぞれＡ”，Ｂ”，Ｐｊ”と記す。移動後の測点Ａ”，Ｂ”，Ｐｊ”の座標は、それぞれ次のように表される。
【００９７】
【数１７】
【００９８】
従って、距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）は、次式のように表される。
【００９９】
【数１８】
【０１００】
従って、最小化すべき評価関数ｆ（Δｘ，Δｙ，Δθ）は次式で表される。
【０１０１】
【数１９】
【０１０２】
ここで、
【０１０３】
【数２０】
とおくと、上記評価関数ｆは次式のように書き直すことができる。
【０１０４】
【数２１】
【０１０５】
この評価関数ｆの最小化を反復解法により行う。ここでは、最急降下法を使用する。すなわち、評価関数ｆを、それぞれΔｘ，Δｙ，ａ，ｂで偏微分した結果を０とすることにより、各パラメータの漸化式が次式のように求められる。ここで、ηは反復回数である。
【０１０６】
【数２２】
【０１０７】
尚、本実施例では、計算を簡単化するために、評価関数ｆは距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の自乗和としたが、評価関数ｆとしてはこれらの距離の和を用いてもよい。
【０１０８】
次に、ステップＳ６で、原点座標確定部１９は、算出された各変換パラメータΔｘ，Δｙ，ａ，ｂにより計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）をヘルマート変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）を算出する。算出された位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。ここで、位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は次式のようにして計算することができる。
【０１０９】
【数２３】
【０１１０】
最後に、ステップＳ７で、注視点座標確定部２０は、レーザースキャナの走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）を点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）と計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する。算出された位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。ここで、位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は次式のようにして計算することができる。
【０１１１】
【数２４】
【０１１２】
以上のような処理により、キャリブレーションデータとして、測地座標系における計測原点Ｏｍの位置座標（ｘＯ，ｙＯ）及び注視点Ｇの位置座標（ｘＧ，ｙＧ）が確定される。この確定された位置座標を基準にして、他の測定データの測地座標系における位置座標も逐次確定していくことができる。
【実施例２】
【０１１３】
図１０は、本発明の実施例２に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナ及びそのキャリブレーション装置の構成は図１，図２と同様である。
【０１１４】
図１０のターゲットＴ２は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面Ｓ１，Ｓ２を有している。各垂直平面Ｓ１，Ｓ２は互いに平行である。尚、本実施例では、説明を簡単化するため、垂直平面の数は２つとしたが、垂直平面の数は３つ以上あってもよい。
【０１１５】
このターゲットＴ２に対して、レーザースキャナ１により水平に走査を行う。垂直平面Ｓ１，Ｓ２上の走査線を、それぞれＥ1,1Ｅ1,2，Ｅ2,1Ｅ2,2と記す。測地座標系の原点Ｏを走査線Ｅ1,1Ｅ1,2の左側の端点Ｅ1,1とし、走査線Ｅ1,1Ｅ1,2方向をｘ軸、走査線Ｅ1,1Ｅ1,2方向に垂直で光軸の軌跡面Ｓlocus内の方向をｙ軸、垂直上方をｚ軸とする。垂直平面Ｓ１，Ｓ２の幅をｒ１，ｒ２とする。また、ｙ軸から垂直平面Ｓｋ（ｋ＝１，２）の左端までの距離をｘｋ，０、ｘ軸から垂直平面Ｓｋまでの距離をＤｋとする。
【０１１６】
本実施例のレーザースキャナのキャリブレーション方法の処理の流れは、基本的には実施例１と同様であるので、図４のフローチャートに沿って説明する。
【０１１７】
ステップＳ１におけるレーザースキャナ１の設置、レーザースキャナ１による走査及び点群データのコンピュータ３への取り込みは、実施例１と同様である。この場合、ターゲットＴ２の走査により得られる各測点Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）と計測原点Ｏｍとの位置関係は図１１のようになる。
【０１１８】
次に、ステップＳ２で、有効測点抽出部１３は、垂直平面Ｓ１，Ｓ２の左右両側の端部の端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）を特定し、端測点（Ａ１，Ｂ１）間のｍ１個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ１，…，ｎ１＋ｍ１−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ１，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−１｝、及び端測点（Ａ２，Ｂ２）間のｍ２個の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２，…，ｎ２＋ｍ２−１）の相対座標｛（ｌｊ，θｊ）｜ｊ＝ｎ２，ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−１｝を抽出する。抽出の方法は、実施例１の場合と同様である。
【０１１９】
次に、ステップＳ３で、第１初期化部１６は、測地座標系における端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）の位置座標の初期値を決定する。垂直平面Ｓ１，Ｓ２における各端測点のレーザースキャナ座標系における座標値、測地座標系における位置座標、及び走査線の長さを、実施例１と同様に次式のようにおく。
【０１２０】
【数２５】
【０１２１】
尚、［ｒＡ１Ｂ２］ｘは、最も左側の端測点Ａ１から最も右側の端測点Ｂ２までのｘ軸上の距離である。
【０１２２】
ｒ＝ｘ２，０＋ｒ２とすれば、測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’k,A，ｙ’k,A），（ｘ’k,B，ｙ’k,B）（ｋ＝１，２）は、実施例１と同様の計算により、次式のように算出することができる。
【０１２３】
【数２６】
【０１２４】
ここで、端点Ｅ1,1から端測点Ａ’1までの距離をｄ1,A、端点Ｅ2,2から端測点Ｂ’2までの距離ｄ2,Bとすると、ｄ1,A＝ｄ2,Bとなるように各端測点の位置座標を決定した。
【０１２５】
次に、ステップＳ４で、第２初期化部１７は、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）を算出する。この計算は、実施例１の式（１３ａ）（１３ｂ）と同様に、次式により行うことができる。
【０１２６】
【数２７】
【０１２７】
また、第２初期化部１７は、端測点（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）以外の有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−２，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−２）の測地座標系における位置座標の初期値（ｘ’ｊ，ｙ’ｊ）を算出する。この計算は、実施例１の式（１６ａ）（１６ｂ）と同様、次式により行うことができる。
【０１２８】
【数２８】
【０１２９】
次に、ステップＳ５で、変換パラメータ算出部１８は、距離ｄ1,A，ｄ1,B，ｄ2,A，ｄ2,B及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ２＋１，…，ｎ２＋ｍ２−２，ｎ１＋１，…，ｎ１＋ｍ１−２）の自乗和を評価関数ｆとして、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊ（ｊ＝ｎ２，…，ｎ２＋ｍ２−１，ｎ１，…，ｎ１＋ｍ１−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数ｆの値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｊの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。ここで、距離ｄk,A（ｋ＝１，２）は走査線Ｅk,1Ｅk,2の端点Ｅk,1から端測点Ａｋまでの距離、距離ｄk,Bは走査線Ｅk,1Ｅk,2の端点Ｅk,2から端測点Ｂｋまでの距離、距離ｄk,ｊ（ｊ＝ｎk，…，ｎk＋ｍk−１）は走査線Ｅk,1Ｅk,2から有効測点Ｐｊまでの距離である（図１１参照）。この場合の距離ｄk,A，ｄk,B，ｄk,ｊ及び評価関数ｆは以下のようになる。
【０１３０】
【数２９】
反復法の計算も、評価関数の形が若干異なるが、実施例１と同様にして行うことができる。
【０１３１】
次に、ステップＳ６で、原点座標確定部１９は、算出された各変換パラメータΔｘ，Δｙ，ａ，ｂにより計測原点Ｏｍの位置座標の初期値（ｘ’Ｏ，ｙ’Ｏ）をヘルマート変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）を算出する。算出された位置座標（ｘＯ，ｙＯ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【０１３２】
最後に、ステップＳ７で、注視点座標確定部２０は、レーザースキャナの走査角度範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）を点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標（ｌＧ，θＧ）と計測原点Ｏｍの測地座標系における最終的な位置座標（ｘＯ，ｙＯ）とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する。算出された位置座標（ｘＧ，ｙＧ）は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【実施例３】
【０１３３】
図１２は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図１２において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１３４】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、幅算出部２５、水平幅補正部２６、及び高さ算出部２７を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１の計測原点Ｏｍの正確な高さＨが未知の場合に、その高さＨのキャリブレーションを行う。
【０１３５】
次に、図１２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１３６】
図１３は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。ターゲットＴ３は、左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線である左垂直平面ＳＬと、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が左垂直平面ＳＬの右側辺と平行な傾斜直線である右垂直平面ＳＲとを備えている。左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは平行で且つ同一平面上にある。左垂直平面ＳＬの右側辺と右垂直平面ＳＲの左側辺とは一定の水平幅ｒ０だけ離隔している。
【０１３７】
右垂直平面ＳＲは底辺ｒ、高さｈの直角三角形であり、左垂直平面ＳＬは右垂直平面ＳＲと合同で１８０°回転させた直角三角形である。従って、高さｚにおける右垂直平面ＳＲの水平幅ｆＲ、左垂直平面ＳＬの水平幅ｆＬは、次式で表される。
【０１３８】
【数３０】
【０１３９】
図１４は、本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１４０】
まず、ステップＳ１１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ３の走査を行う。レーザースキャナ１は、スキャンヘッドを一定の方位角範囲で回動させながら走査を行う。従って、レーザービームの光軸は水平面内で回動し、一定の回転角ごとに測点までの距離情報がサンプリングされる。サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１４１】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面（扇形状に広がる水平平面）Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＥＬ１ＥＬ２、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＥＲ１ＥＲ２と呼ぶ（図１３参照）。
【０１４２】
次に、ステップＳ１２で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の距離ｒＬを算出する。距離ｒＬを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１４３】
次に、ステップＳ１３で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の距離ｒＲを算出する。距離ｒＲを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１４４】
次に、ステップＳ１４で、水平幅補正部２６は、計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ次式により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する。
【０１４５】
【数３１】
【０１４６】
最後に、ステップＳ１５で、高さ算出手段２７は、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、次式により算出し、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。ここで、ｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）は、それぞれ、前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数である。
【０１４７】
【数３２】
【０１４８】
以上の処理により、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。
【０１４９】
尚、本実施例において、ターゲットＴ３の左垂直平面ＳＬの右側辺と右垂直平面ＳＲの左側辺との間の間隙は直線状の間隙としたが、図１５に示したような、曲線状であってもよい。この場合、高さｚにおける左垂直平面ＳＬ，右垂直平面ＳＲの水平幅を関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）で表すと、ｆＬ（ｚ）＝ｒ−ｆＲ（ｚ）の関係となり、ｆＲ（ｚ）た単調減少関数又は単調増加関数である必要がある。このようなターゲットＴ３を使用した場合、ｆＲ（ｚ），ｆＬ（ｚ）の形は上記図１３の場合と異なるが、それ以外は同様である。
【実施例４】
【０１５０】
図１６は、実施例４に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。尚、本実施例で使用するレーザースキャナ１は図１と同様であり、レーザースキャナのキャリブレーション装置１０のブロック図は図１２と同様である。このキャリブレーション装置１０は、実施例３と同様、レーザースキャナ１の計測原点Ｏｍの正確な高さＨが未知の場合に、その高さＨのキャリブレーションを行う。
【０１５１】
まず、ステップＳ２１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ１の垂直平面Ｓ１前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、図１３や図１５に示したようなターゲットＴ３の走査を行う。走査の結果、サンプリングにより得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１５２】
次に、ステップＳ２２で、Ｎ回目の測定が終了していなければ、ステップＳ２４でレーザースキャナ１の設置位置を移動させ、再びステップＳ２１に戻る。ここで、レーザースキャナ１の設置位置は、ターゲットＴ３の前方で且つターゲットＴ３の横幅が走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusに含まれる位置であればどこでもよいが、ターゲットＴ３からレーザースキャナ１までの距離を変えることが好ましい。ステップＳ２２で、Ｎ回目の測定が終了した場合には、次のステップＳ２４に進む。
【０１５３】
ステップＳ２４で、幅算出部２５は、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データの中から、１番目の点群データから順次読み出す。ここでは、読み出された点群データをｋ番目（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）の点群データとして｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝と記す。ここで、（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）は、ｋ組目の点群データにおけるｉ番目の測点Ｐｋ，ｉのレーザースキャナ座標系における極座標である。
【０１５４】
次に、ステップＳ２５で、幅算出部２５は、点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の距離ｒＬ，ｋを算出する。距離ｒＬ，ｋの計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１５５】
次に、ステップＳ２６で、幅算出部２５は、点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の距離ｒＲ，ｋを算出する。距離ｒＲ，ｋを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１５６】
次に、ステップＳ２７で、水平幅補正部２６は、計測された水平幅ｒＬ，ｋ，ｒＲ，ｋを、それぞれ式（３１ａ），（３１ｂ）と同様の計算により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｋ，ｒ’Ｒ，ｋを算出する。
【０１５７】
最後に、ステップＳ２８で、高さ算出手段２７は、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨｋを、式（３２）と同様の計算により算出する。算出した高さＨｋは、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存される。
【０１５８】
ステップＳ２９で、上記ステップＳ２４〜Ｓ２８の処理が、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データのすべてについて終わっていなければ、再びステップＳ２４に戻る。終わっていれば、ステップＳ３０に移行する。
【０１５９】
ステップＳ３０で、高さ算出手段２７は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存されたＮ個の高さＨｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）を読み出し、その平均値Ｈを算出し、これを最終的な計測原点Ｏｍの高さとしてキャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１６０】
以上の処理により、レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。また、Ｎ回の測定の平均を行うことで、より誤差の少ない計測原点Ｏｍの高さのキャリブレーションを行うことができる。
【実施例５】
【０１６１】
図１７は、本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図１７において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１６２】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、幅算出部３０、高さ算出部３１、及び仰角算出部３２を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１のレーザービームの光軸方向が水平からずれている場合に、その仰角φのキャリブレーションを行う。
【０１６３】
次に、図１２のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１６４】
図１８は、本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ４の外観斜視図である。ターゲットＴ４は、水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面ＳＬと、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面ＳＲとを備えている。本実施例では、一例として、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは合同な直角三角形とし、右垂直平面ＳＲの直角三角形は、鈎の長さがｒ、股の長さがｈで、鈎が水平な床面に沿って置かれ、股が床面に垂直となるように配置されている。左垂直平面ＳＬは、右垂直平面ＳＲを１８０°回転させた直角三角形であり、股と弦との間の頂点で床面に接し、股が床面に垂直、鈎が床面に水平となるように配置されている。左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にある。また、左垂直平面ＳＫの右側辺（弦）と右垂直平面ＳＲの左側辺（弦）とは一定の水平幅ｒ０だけ離隔して配されている。従って、左垂直平面ＳＬの高さｚにおける幅ｆＬ（ｚ）と、左垂直平面ＳＲの高さｚにおける幅ｆＲ（ｚ）は次式のようになる。
【０１６５】
【数３３】
【０１６６】
図１９は、実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１６７】
まず、ステップＳ３１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ４の左垂直平面ＳＬ及び右垂直平面ＳＲ前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ４の走査を行う。走査により得られる点群データは、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１６８】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＥＬ１ＥＬ２、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＥＲ１ＥＲ２と呼び、軌跡面Ｓlocusの水平面からの仰角をφと記す（図１８参照）。
【０１６９】
次に、ステップＳ３２で、幅算出部３０は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、左垂直平面ＳＬの左側の端測点Ａ及び右側の端測点ＣＬを抽出し、端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬを算出する。水平幅ｒＬを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１７０】
次に、ステップＳ３３で、幅算出部３０は、点群データ記憶部１２に保存された点群データの中から、右垂直平面ＳＲの左側の端測点ＣＲ及び右側の端測点Ｂを抽出し、端測点ＣＲ，Ｂ間の水平幅ｒＲを算出する。水平幅ｒＲを計算は、式（１１ｅ）と同様にして行うことができる。
【０１７１】
次に、ステップＳ３４で、高さ算出部３１は、水平幅ｒＬ，ｒＲに基づいて、次式により左垂直平面ＳＬを切る走査線ＥＬ１ＥＬ２の高さｈＬ及び右垂直平面ＳＲを切る走査線ＥＲ１ＥＲ２の高さｈＲを算出する。
【０１７２】
【数３４】
【０１７３】
最後に、ステップＳ３５で、仰角算出部３２は、前記高さｈＬ，ｈＲ、及び左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲの距離ｄに基づき、レーサースキャナ１の光軸の仰角φを式（３５）により算出し、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１７４】
【数３５】
【０１７５】
以上の処理により、レーザースキャナの光軸の仰角φのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。
【実施例６】
【０１７６】
図２０は、本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。尚、本実施例で使用するレーザースキャナは図１と同様である。また、図２０において、図２と同様の構成部分については、同符号を付して説明は省略する。
【０１７７】
本実施例のキャリブレーション装置１０は、点群データ記憶部１２、有効測点抽出部４１、走査線算出部４２、走査線間距離算出部４３、仰角算出部４４、及び平均化部４５を備えている。このキャリブレーション装置１０は、レーザースキャナ１のレーザービームの光軸方向が水平からずれている場合に、その仰角φのキャリブレーションを行う。
【０１７８】
次に、図２０のキャリブレーション装置１０によるレーザースキャナのキャリブレーション方法について説明する。
【０１７９】
図２１は、本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ５の外観斜視図である。ターゲットＴ５は、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面ＳＬと、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面ＳＲとを備えている。左垂直平面ＳＬを含む平面と右垂直平面ＳＲを含む平面とは、平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔している。図２１のターゲットＴ５は、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは水平幅が同幅とされており、両者の水平幅をｒと記す。また、左垂直平面ＳＬと右垂直平面ＳＲは水平距離でｒ０だけ離隔している。
【０１８０】
図２２は、実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【０１８１】
まず、ステップＳ４１で、レーザースキャナ１が搭載された台車３を、ターゲットＴ５の左垂直平面ＳＬ及び右垂直平面ＳＲ前方の水平な床面に設置し、水準器等を用いて走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusが水平となるように調節する。そして、レーザースキャナ１により、ターゲットＴ５の走査を行う。走査により得られる点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）は、コンピュータ３に転送され、点群データ記憶部１２に保存される。
【０１８２】
このとき、レーザースキャナ１が照射するレーザービームの光軸の軌跡面Ｓlocusが左垂直平面ＳＬを切る線分を走査線ＬＬ、軌跡面Ｓlocusが右垂直平面ＳＲを切る線分を走査線ＬＲと呼び、軌跡面Ｓlocusの水平面からの仰角をφと記す（図２１参照）。
【０１８３】
ステップＳ４２において、Ｎ回目の測定が終了していなければ、ステップＳ４３でレーザースキャナ１の設置位置を移動させ、再びステップＳ４１に戻る。ここで、レーザースキャナ１の設置位置は、ターゲットＴ５の前方で且つターゲットＴ５の横幅が走査の際の光軸の軌跡面Ｓlocusに含まれる位置であればどこでもよいが、ターゲットＴ５からレーザースキャナ１までの距離を変えることが好ましい。ステップＳ４２で、Ｎ回目の測定が終了した場合には、次のステップＳ４４に進む。
【０１８４】
ステップＳ４４で、有効測点抽出部４１は、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データの中から、１番目の点群データから順次読み出す。ここでは、読み出された点群データをｋ番目（ｋ∈｛１，…，Ｎ｝）の点群データとして｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝と記す。ここで、（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）は、ｋ組目の点群データにおけるｉ番目の測点Ｐｋ，ｉのレーザースキャナ座標系における極座標である。
【０１８５】
次に、ステップＳ４５で、有効測点抽出部４１は、上記点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面ＳＬの左右両側の端部の端測点Ａｋ，Ｃｋ，Ｌを特定し、端測点Ａｋ，Ｃｋ，Ｌ間のｍｋ，Ｌ個の有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｌ，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１）の相対極座標｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝ｎｋ，Ｌ，ｎｋ，Ｌ＋１，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１｝を抽出する。ここで、「相対極座標」とは、レーザスキャナ座標系における極座標のことをいう。また、左垂直平面ＳＬ上の有効測点を「左有効測点」という。
【０１８６】
次に、ステップＳ４６で、有効測点抽出部４１は、上記点群データ｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝１，２，…，Ｍ｝の中から、垂直平面ＳＲの左右両側の端部の端測点Ｃｋ，Ｒ，Ｂｋを特定し、端測点Ｃｋ，Ｒ，Ｂｋ間のｍｋ，Ｒ個の有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｒ，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１）の相対極座標｛（ｌｋ，ｉ，θｋ，ｉ）｜ｉ＝ｎｋ，Ｒ，ｎｋ，Ｒ＋１，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１｝を抽出する。以下、右垂直平面ＳＲ上の有効測点を「右有効測点」という。
【０１８７】
次に、ステップＳ４７で、走査線算出部４２は、各左有効測点及び各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線Ｌｋ，Ｌ，Ｌｋ，Ｒの傾き及び切片を算出する。ここで、計測原点Ｏｋ，ｍを原点とし、軌跡面Ｓlocus内の直交する二方向をｘ軸，ｙ軸、ｘ軸及びｚ軸と垂直な方向をｚ軸とする直交座標系を想定し、これを「相対直交座標系」という。相対直交座標系における走査線Ｌｋ，Ｌ，Ｌｋ，Ｒの傾きをｐｋ、走査線Ｌｋ，Ｌの切片をｑｋ，Ｌ，走査線Ｌｋ，Ｒの切片をｑｋ，Ｒとおく。走査線算出部４２は、傾きｐｋ、切片ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒを、走査線Ｌｋ，Ｌから各左有効測点Ｐｋ，ｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｌ，…，ｎｋ，Ｌ＋ｍｋ，Ｌ−１）までの距離の和に、走査線Ｌｋ，Ｒから各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎｋ，Ｒ，…，ｎｋ，Ｒ＋ｍｋ，Ｒ−１）までの距離の和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する。
【０１８８】
相対直交座標系における測点Ｐｋ，ｉの位置座標（以下、単に「位置座標」という。）を（ｘｋ，ｉ，ｙｋ，ｉ）とすると、
【０１８９】
【数３６】
である。また、走査線Ｌｋ，Ｌはｙ＝ｐｋｘ＋ｑｋ，Ｌ、走査線Ｌｋ，Ｒはｙ＝ｐｋｘ＋ｑｋ，Ｒであるので、上記距離和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）は次式により表される。
【０１９０】
【数３７】
したがって、この距離和ｇｋ（ｐｋ，ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒ）を評価関数として、最小自乗法により傾きｐｋ、切片ｑｋ，Ｌ，ｑｋ，Ｒを計算することができる。
【０１９１】
次に、ステップＳ４８で、走査線間距離算出部４３は、走査線Ｌｋ，Ｌから走査線Ｌｋ，Ｒまでの距離ｄ’ｋを次式により算出する。
【０１９２】
【数３８】
【０１９３】
最後に、ステップＳ４９で、仰角算出部４４は、距離ｄ’ｋ及び距離ｄｋに基づき、レーサースキャナ１の光軸の仰角φｋを次式により算出すし、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１９４】
【数３９】
【０１９５】
ステップＳ５０で、上記ステップＳ４４〜Ｓ４９の処理が、点群データ記憶部１２に保存されたＮ組の点群データのすべてについて終わっていなければ、再びステップＳ４４に戻る。終わっていれば、ステップＳ５１に移行する。
【０１９６】
ステップＳ５１で、平均化部４５は、キャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存されたＮ個の仰角φｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）を読み出し、その平均値φを算出し、これを最終的なレーザースキャナ１の光軸の仰角φとしてキャリブレーションパラメータ記憶部１１に保存する。
【０１９７】
以上の処理により、レーザースキャナ１の光軸の仰角φのキャリブレーションパラメータの算出を行うことができる。また、Ｎ回の測定の平均を行うことで、より誤差の少ないレーザースキャナ１の光軸の仰角φのキャリブレーションを行うことができる。
【実施例７】
【０１９８】
本実施例では、レーザースキャナ１が三次元レーザスキャナである場合のキャリブレーション方法について説明する。本実施例のキャリブレーション方法で使用するキャリブレーション装置の機能的な構成は、図２と同様である。また、図２３は、実施例７に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。本実施例で使用するキャリブレーション用のターゲットは、長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有する。この垂直平面ＡＢＣＤの幅をｒ、高さをｓとする。
【０１９９】
本実施例において、レーザースキャナ１は、三次元レーザースキャナである。三次元レーザースキャナとは、光軸の仰角を段階的に変えながら水平走査を行うことによって、三次元的な走査を行うレーザースキャナである。従って、レーザースキャナ１で得られる点群データは、二次元的に配列された点群であり各測点はＰｉ，ｊと表される。ここで、ｉは水平方向（方位角方向）の走査の順番を表すインデックス、ｊは垂直方向（仰角方向）の走査の順番を表すインデックスである。実際にレーザースキャナ１から出力されるデータは、測点Ｐｉ，ｊの水平方向を表す方位角φｉ，ｊ、測点Ｐｉ，ｊの垂直方向を表す仰角θｉ，ｊ、及び計測原点Ｏｍから測点Ｐｉまでの距離（光軸の長さ）をｌｉ，ｊの組（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）である。尚、計測原点Ｏｍは、レーザースキャナから出力される光軸の原点である。
【０２００】
点群データ記憶部１２には、上述のような三次元レーザスキャナにより測定されたＭ×Ｎ個の測点の点群データ｛Ｐｉ，ｊ＝（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）｜ｉ＝１，…，Ｍ，ｊ＝１，…，Ｎ｝が保存される。
【０２０１】
まず、有効測点抽出部１３は、前記点群データ｛Ｐｉ，ｊ｝の中から、垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定する。これらの測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを「隅測点」と呼ぶ。さらに有効測点抽出部１３は、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）（隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む。）の相対座標｛Ｐｉ，ｊ＝（φｉ，ｊ，θｉ，ｊ，ｌｉ，ｊ）｜ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１｝を抽出する。これらの抽出された測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）を「有効測点」という。
【０２０２】
図２４に隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤと抽出されたすべての有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の例を示す。
【０２０３】
本実施例のキャリブレーション装置では、測地座標系は垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に設定される。頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの測地座標を、それぞれ（０，０，０），（０，０，ｓ），（ｒ，０，ｓ），（ｒ，０，０）とする（図２４参照）。頂点Ａと隅測点ＰＡとの間の距離をｄＡ、頂点Ｂと隅測点ＰＢとの間の距離をｄＢ、頂点Ｃと隅測点ＰＣとの間の距離をｄＣ、頂点Ｄと隅測点ＰＤとの間の距離をｄＤとする。また、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の各有効測点Ｐｉ，ｊから垂直平面ＡＢＣＤまでの距離をｄｉ，ｊとする。
【０２０４】
次に、座標決定手段１４は、距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ及び各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、相対座標を測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する。この座標決定手段１４は、第１初期化部１６、第２初期化部１７、変換パラメータ算出部１８、原点座標確定部１９、及び注視点座標確定部２０を備えている。
【０２０５】
次に、第１初期化部１６は、測地座標系における隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する。第２初期化部１７は、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び各有効測点の相対座標に基づいて、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の各有効測点Ｐｉ，ｊ及び計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標の初期値を算出する。
【０２０６】
次に、変換パラメータ算出部１８は、計測原点Ｏｍ及び隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、評価関数の値が最小となるように、計測原点Ｏｍ及び各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する。このとき、評価関数として、距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が使用される。例えば、自乗和を評価関数に使用する場合には、幾何変換の回転量（オイラー角で表示する。）を（ω，δ，κ）、平行移動量を（Δｘ，Δｙ，Δｚ）として、評価関数ｆ（ω，δ，κ，Δｘ，Δｙ，Δｚ）は次式（４０）のように表される。
【０２０７】
【数４０】
ここで、隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを幾何変換して得られる隅測点Ｐ’Ａ，Ｐ’Ｂ，Ｐ’Ｃ，Ｐ’Ｄの測地座標を、それぞれ（ｘ’Ａ，ｙ’Ａ，ｚ’Ａ），（ｘ’Ｂ，ｙ’Ｂ，ｚ’Ｂ），（ｘ’Ｃ，ｙ’Ｃ，ｚ’Ｃ），（ｘ’Ｄ，ｙ’Ｄ，ｚ’Ｄ）とし、各有効測点Ｐｉ，ｊを幾何変換して得られる隅測点Ｐ’ ｉ，ｊの測地座標を（ｘ’ ｉ，ｊ，ｙ’ ｉ，ｊ，ｚ’ ｉ，ｊ）とした。幾何変換後の各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の測地座標（ｘ’ ｉ，ｊ，ｙ’ ｉ，ｊ，ｚ’ ｉ，ｊ）は次式（４１）で表される。
【０２０８】
【数４１】
【０２０９】
次に、原点座標確定部１９は、変換パラメータ算出部１８により算出された各変換パラメータ（ω，δ，κ，Δｘ，Δｙ，Δｚ）によって、計測原点Ｏｍの位置座標の初期値を幾何変換し、計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標を算出する。
【０２１０】
最後に、注視点座標確定部２０は、注視点Ｇの相対座標を点群データ｛Ｐ ｉ，ｊ｝から抽出し、該注視点Ｇの相対座標と計測原点Ｏｍの測地座標系における位置座標とに基づいて、注視点Ｇの測地座標系における位置座標を算出する。ここで、注視点Ｇは、三次元レーザスキャナの場合には、走査範囲（方位角方向の走査範囲及び仰角方向の走査範囲）の中心方向の光軸上の測点である。
【０２１１】
以上の計算処理によって、三次元レーザスキャナの測地座標系における位置と方向が定められる。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】台車に接地された本発明の実施例１に係るレーザースキャナの外観図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図５】ターゲットＴ１の走査により得られる各測点Ｐｉと計測原点Ｏｍとの位置関係を示す図である。
【図６】実際にレーザースキャナから出力される点群データを示す図である。
【図７】端測点Ａ，Ｂの初期値の設定を表す図である。
【図８】計測原点Ｏｍ’，端測点Ａ’，Ｂ’と有効測点Ｐｊ’の位置関係を表す図である。
【図９】走査線Ｅ１Ｅ２及び各測点の位置と距離ｄＡ、距離ｄＢ、及び距離ｄｊ（ｊ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の関係を表す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ２の外観斜視図である。
【図１１】ターゲットＴ２の走査により得られる各測点と計測原点Ｏｍとの位置関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ３の外観斜視図である。
【図１４】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図１５】本発明の実施例３に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ３の他の例である。
【図１６】実施例４に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図１７】本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ４の外観斜視図である。
【図１９】実施例５に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図２０】本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットＴ５の外観斜視図である。
【図２２】実施例６に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図２３】実施例７に係るレーザースキャナのキャリブレーション方法で使用するターゲットの外観斜視図である。
【図２４】隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤと抽出されたすべての有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の一例である。
【符号の説明】
【０２１３】
１ レーザースキャナ
２ 台車
３ コンピュータ
９ 通信インタフェース
１０ キャリブレーション装置
１１ キャリブレーションパラメータ記憶部
１２ 点群データ記憶部
１３ 有効測点抽出部
１４ 座標決定部
１６ 第１初期化部
１７ 第２初期化部
１８ 変換パラメータ算出部
１９ 原点座標確定部
２０ 注視点座標確定部
Ｔ１ ターゲット
Ｓ１ 垂直平面
Ｅ１Ｅ２ 走査線
Ｏｍ 計測原点
Ｓlocus 光軸の軌跡面
θ 走査角
Ｇ 注視点
２５ 幅算出部
２６ 水平幅補正部
２７ 高さ算出部
３０ 幅算出部
３１ 高さ算出部
３２ 仰角算出部
４１ 有効測点抽出部
４２ 走査線算出部
４３ 走査線間距離算出部
４４ 仰角算出部
４５ 平均化部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項２】
前記座標決定手段は、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化手段と、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項３】
前記点群データ記憶手段は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出するものであり、
前記座標決定手段は、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定するものであることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項４】
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項５】
前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（１ａ），（１ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正手段を備え、
前記高さ算出手段は、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする請求項４記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数１】
【請求項６】
前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記幅算出手段は、Ｎ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出するものであることを特徴とする請求項４又は５記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項７】
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出手段と、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（２）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数２】
【請求項８】
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出手段と、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出手段と、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（３）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数３】
【請求項９】
前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出するものであり、
前記仰角算出手段が算出する前記仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化手段を備えたことを特徴とする請求項８記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１０】
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査して得られる、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１１】
前記座標決定手段は、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化手段と、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１０記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１２】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記座標決定ステップにおいては、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化ステップと、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする請求項１２記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記走査ステップにおいては、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出し、
前記座標決定ステップにおいては、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定することを特徴とする請求項１２記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１５】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１６】
前記幅算出ステップを実行した後に、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正ステップを実行し、
前記高さ算出ステップにおいては、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする請求項１５記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数４】
【請求項１７】
前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から、レーザースキャナにより水平走査を行い、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記幅算出ステップにおいては、前記記憶装置に保存されたＮ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出することを特徴とする請求項１５又は１６記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１８】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出ステップと、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数５】
【請求項１９】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出ステップと、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出ステップと、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出ステップと、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数６】
【請求項２０】
前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点からレーザースキャナにより水平走査し、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出し、
その後、前記仰角算出ステップにおいて算出される前記仰角θの平均値を算出し、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化ステップを実行することを特徴とする請求項１９記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項２１】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査し、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項２２】
前記座標決定ステップにおいては、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化ステップと、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする請求項２１記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１】
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項２】
前記座標決定手段は、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化手段と、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項３】
前記点群データ記憶手段は、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出するものであり、
前記座標決定手段は、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定するものであることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項４】
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項５】
前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（１ａ），（１ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正手段を備え、
前記高さ算出手段は、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする請求項４記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数１】
【請求項６】
前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記幅算出手段は、Ｎ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出するものであることを特徴とする請求項４又は５記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項７】
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出手段と、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出手段と、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（２）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数２】
【請求項８】
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して得られた、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出手段と、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出手段と、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（３）により算出する仰角算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【数３】
【請求項９】
前記点群データ記憶手段は、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から測定されたＮ組の前記点群データを記憶するものであり、
前記有効測点抽出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出手段は、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出するものであり、
前記仰角算出手段が算出する前記仰角θの平均値を、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化手段を備えたことを特徴とする請求項８記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１０】
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査して得られる、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データを記憶する点群データ記憶手段と、
前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出手段と、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定手段と、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１１】
前記座標決定手段は、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化手段と、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化手段と、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出手段と、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定手段と、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１０記載のレーザースキャナのキャリブレーション装置。
【請求項１２】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面の左右両側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ，Ｂを特定し、前記端測点Ａ，Ｂを含む前記端測点Ａ，Ｂ間のｍ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記レーザースキャナの光軸の軌跡が前記垂直平面を切る線である走査線Ｅ１Ｅ２を基準に測地座標系を設定し、前記走査線Ｅ１Ｅ２の一方の端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離ｄＡ、前記走査線Ｅ１Ｅ２の他方の端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離ｄＢ、及び前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）から前記走査線Ｅ１Ｅ２までの距離ｄｉの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記座標決定ステップにおいては、
前記端測点Ａ，Ｂが前記走査線Ｅ１Ｅ２上に位置し、かつ端点Ｅ１から前記端測点Ａまでの距離と端点Ｅ２から前記端測点Ｂまでの距離とが等しくなるように、前記測地座標系における前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値を算出する第１の初期化ステップと、
前記端測点Ａ，Ｂの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記端測点Ａ，Ｂ以外の前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ、前記距離ｄＢ、及び前記距離ｄｉ（ｉ＝ｎ＋１，…，ｎ＋ｍ−２）の和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記端測点Ａ，Ｂを含む前記各有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎ，…，ｎ＋ｍ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉの回転及び平行移動を行うヘルマート変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の角度範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査開始方向と走査終了方向の２つの方向間の走査角の二等分角方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする請求項１２記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記走査ステップにおいては、左右両側辺が平行かつ垂直な垂直平面を複数有し、各垂直平面は互いに平行であるターゲットを、前記各垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより水平走査して得られる、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各垂直平面に対して、両端の端測点Ａｊ，Ｂｊ（ｊは前記各垂直平面を区別する添字）を特定し、前記各有効測点Ｐｊ，ｉの相対座標を抽出し、
前記座標決定ステップにおいては、前記レーザースキャナの光軸が前記各垂直平面を切る線である走査線Ｅp，１Ｅp，２を基準に測地座標系を設定し、前記各垂直平面における、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の一方の端点Ｅｊ，１から前記端測点Ａｊまでの距離ｄｊ，Ａ、前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２の他方の端点Ｅｊ，２から前記端測点Ｂｊまでの距離ｄｊ，Ｂ、及び前記両端測点Ａｊ，Ｂｊ以外の前記各有効測点Ｐｊ，ｉ（ｉ＝ｎｊ＋１，…，ｎｊ＋ｍｊ−２）から前記走査線Ｅｊ，１Ｅｊ，２までの距離ｄｊ，ｉの和又は自乗和を、すべての前記垂直平面について足し合わせた量が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定することを特徴とする請求項１２記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１５】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺が垂直な直線で且つ右側辺が傾斜した直線又は曲線である左垂直平面と、右側辺が垂直な直線で且つ左側辺が前記左垂直平面の右側辺と平行な傾斜直線又は傾斜曲線である右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つ同一平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査して、Ｍ個（Ｍは２より大きい整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
高さｚにおける前記左垂直平面の水平幅をｆＬ（ｚ）、前記右垂直平面の水平幅をｆＲ（ｚ）、ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒＬ）と高さｆＲ−１（ｒＲ）の平均値として算出する高さ算出ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１６】
前記幅算出ステップを実行した後に、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺との間の水平幅をｒ０、前記左垂直平面の左側辺と前記右垂直平面の右側辺との間の水平幅をｒ＋ｒ０としたとき、前記計測原点で計測された水平幅ｒＬ，ｒＲを、それぞれ式（４ａ），（４ｂ）により補正して補正水平幅ｒ’Ｌ，ｒ’Ｒを算出する水平幅補正ステップを実行し、
前記高さ算出ステップにおいては、前記レーザースキャナの計測原点Ｏｍの高さＨを、高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）又は高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の何れか若しくは高さｆＬ−１（ｒ’Ｌ）と高さｆＲ−１（ｒ’Ｒ）の平均値として算出することを特徴とする請求項１５記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数４】
【請求項１７】
前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点から、レーザースキャナにより水平走査を行い、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記幅算出ステップにおいては、前記記憶装置に保存されたＮ組の前記点群データについて、それぞれ前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅を算出するとともに、前記各点群データについての前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＬ、前記各点群データについての前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅の平均値を前記水平幅ｒＲとして算出することを特徴とする請求項１５又は１６記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項１８】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
水平幅が高さｚの単調関数ｆＬ（ｚ）に従って変化する左垂直平面と、水平幅が高さｚの単調関数ｆＲ（ｚ）に従って変化する右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬ間の水平幅ｒＬ及び前記端測点Ｂ，ＣＲ間の水平幅ｒＲを算出する幅算出ステップと、
前記関数ｆＬ（ｚ），ｆＲ（ｚ）の逆関数をそれぞれｆＬ−１（ｘ），ｆＲ−１（ｘ）としたとき、前記左垂直平面における走査線の高さｈＬをｆＬ−１（ｒＬ）、前記右垂直平面における走査線の高さｈＲをｆＬ−１（ｒＲ）として算出する高さ算出ステップと、
前記高さｈＬ、前記高さｈＲ、及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（５）により算出する仰角算出ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数５】
【請求項１９】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な左垂直平面と、左側辺及び右側辺が垂直且つ平行な右垂直平面と、を備え、前記左垂直平面と前記右垂直平面は平行で且つそれぞれ互いに一定の距離ｄだけ離隔した平面上にあり、前記左垂直平面の右側辺と前記右垂直平面の左側辺とは一定の水平幅だけ離隔しているターゲットを、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより走査し、Ｍ個（Ｍは整数）の測点の計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記左垂直平面の左側の端部の測点（以下「端測点」という。）Ａ及び右側の端測点ＣＬ、並びに前記右垂直平面の右側の端測点Ｂ及び左側の端測点ＣＲを特定し、前記端測点Ａ，ＣＬを含む前記端測点Ａ，ＣＬ間のｍＬ個の測点（以下「左有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）の相対座標、及び前記端測点Ｂ，ＣＲを含む前記端測点Ｂ，ＣＲ間のｍＲ個の測点（以下「右有効測点」という。）Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記各左有効測点及び前記各右有効測点の相対座標に基づき、互いに平行な２つの走査線ＬＬ及びＬＲの傾き及び切片を、前記走査線ＬＬから前記各左有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＬ，…，ｎＬ＋ｍＬ−１）までの距離の和に、前記走査線ＬＲから前記各右有効測点Ｐｉ（ｉ＝ｎＲ，…，ｎＲ＋ｍＲ−１）までの距離の和を加えた値が最小となるように、最小自乗法により算出する走査線算出ステップと、
前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出する走査線間距離算出ステップと、
前記距離ｄ’及び前記距離ｄに基づき、レーサースキャナの光軸の仰角θを式（６）により算出する仰角算出ステップと、
を備えたことを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【数６】
【請求項２０】
前記走査ステップにおいては、前記左垂直平面及び前記右垂直平面の前方にあり高さが同一で且つ水平面上の位置が異なるＮ箇所の前記計測原点からレーザースキャナにより水平走査し、Ｎ組の前記点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存し、
前記有効測点抽出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記左有効測点の相対座標及び前記右有効測点の相対座標を抽出し、
前記走査線算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬ及び前記走査線ＬＲの傾き及び切片を算出し、
前記走査線間距離算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれ前記走査線ＬＬから前記走査線ＬＲまでの距離ｄ’を算出し、
前記仰角算出ステップにおいては、前記各点群データに対してそれぞれレーサースキャナの光軸の前記仰角θを算出し、
その後、前記仰角算出ステップにおいて算出される前記仰角θの平均値を算出し、レーサースキャナの光軸の仰角として出力する平均化ステップを実行することを特徴とする請求項１９記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項２１】
コンピュータによりレーザースキャナのキャリブレーションを行うキャリブレーション方法であって、
長方形の凸出した垂直平面ＡＢＣＤを有するターゲットを、前記垂直平面の前方の計測原点Ｏｍからレーザースキャナにより三次元的に走査し、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは整数）の測点に対する前記計測原点Ｏｍを基準とする相対座標からなる点群データをコンピュータに取り込み記憶装置に保存する走査ステップと、
前記記憶装置に保存された前記点群データの中から、前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに最も近い測点（以下「隅測点」という。）ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを特定し、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを頂点とする四角形で囲まれた領域内のｍ×ｎ個の測点（以下「有効測点」という。）Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の相対座標を抽出する有効測点抽出ステップと、
前記垂直平面ＡＢＣＤの４隅の頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを基準に測地座標系を設定し、前記頂点Ａと前記隅測点ＰＡとの間の距離ｄＡ、前記頂点Ｂと前記隅測点ＰＢとの間の距離ｄＢ、前記頂点Ｃと前記隅測点ＰＣとの間の距離ｄＣ、前記頂点Ｄと前記隅測点ＰＤとの間の距離ｄＤ、及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊから前記垂直平面ＡＢＣＤまでの距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和が最小となるように、前記相対座標を前記測地座標へ関係づける関係パラメータを決定する座標決定ステップと、
を実行することを特徴とするレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【請求項２２】
前記座標決定ステップにおいては、前記測地座標系における前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値を設定する第１の初期化ステップと、
前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤの位置座標の初期値及び前記各有効測点の相対座標に基づき、前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ以外の前記各有効測点Ｐｉ，ｊ及び前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標の初期値を算出する第２の初期化ステップと、
前記距離ｄＡ，ｄＢ，ｄＣ，ｄＤ、及び前記各距離ｄｉ，ｊの和又は自乗和を評価関数として、前記計測原点Ｏｍ及び前記隅測点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを含む前記各有効測点Ｐｉ，ｊ（ｉ＝ｍ０，…，ｍ０＋ｍ−１，ｊ＝ｎ０，…，ｎ０＋ｎ−１）の位置座標の初期値から開始して、前記評価関数の値が最小となるように、前記計測原点Ｏｍ及び前記各有効測点Ｐｉ，ｊの回転及び平行移動を行う幾何変換の各変換パラメータを、反復法により算出する変換パラメータ算出ステップと、
算出された前記各変換パラメータにより前記計測原点Ｏｍの位置座標の初期値をヘルマート変換し、前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標を算出する原点座標確定ステップと、
所定の方位角範囲及び仰角範囲を回転走査する前記レーザースキャナの走査範囲の中心方向の光軸上の測点である注視点Ｇの相対座標を前記点群データから抽出し、該注視点Ｇの相対座標と前記計測原点Ｏｍの前記測地座標系における位置座標とに基づいて、前記注視点Ｇの前記測地座標系における位置座標を算出する注視点座標確定ステップと、
を実行することを特徴とする請求項２１記載のレーザースキャナのキャリブレーション方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００９−１６８４７２（Ｐ２００９−１６８４７２Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３７３７（Ｐ２００８−３７３７）
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５９７１５１５６３）株式会社ゼンリン (155)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５９７１５１５６３）株式会社ゼンリン (155)
【Ｆターム（参考）】
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