JP2019053003A - データ処理装置、データ処理方法およびデータ処理用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＭＵを用いず、航空機の姿勢を計測できる技術を提供する。【解決手段】飛行するＵＡＶ２００に対し、ＵＡＶ２００を追跡するＴＳ（トータルステーション）１００が備えるレーザースキャナ１１２からレーザースキャン光を照射する。ＵＡＶ２００は、識別可能なターゲット４０１〜４０４を備え、レーザースキャンによりターゲット４０１〜４０４の識別と位置の特定を行う。ターゲット４０１〜４０４の位置に基づき、ＵＡＶ２００の姿勢を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、航空機の姿勢を計測する技術に関する。

ＵＡＶ(Unmanned Aerial Vehicle)（無人航空機）等の航空機からレーザースキャンを行う場合、当該航空機航の位置と姿勢の情報が重要となる。これは、ＵＡＶを用いた航空写真測量においても同じである。精密な姿勢の情報は、高精度の慣性計測装置（ＩＭＵ(Inertial Measurement Unit)）を用いれば得られる（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、高精度のＩＭＵは、高価、大型、高重量である。ＵＡＶは、低コストで運用できるのが強みであるが、搭載機器の容積および搭載機器の重量が限定される。この点で、ＵＡＶの姿勢の計測を上記の高精度のＩＭＵで行うことは適切でない。

特開２０１０−２４１４０９号公報

本発明は、ＩＭＵを用いる以外の方法で航空機の姿勢を計測できる技術の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射することで得られたレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出部とを備え、前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記航空機は識別可能な複数のターゲットを備え、前記レーザースキャンデータは、前記航空機が備えた識別可能な複数のターゲットを対象としたレーザースキャンにより得られることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記複数のターゲットの識別がターゲットの大きさの違いに基づいて行われることを特徴とする。請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記複数のターゲットは曲面の反射面を有し、前記複数のターゲットの識別が前記曲面の曲率半径の違いに基づいて行われることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記複数のターゲットの位置の特定が前記曲面の曲率中心を求めることで行われることを特徴とする。請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記複数のターゲットの識別がターゲット表面の色の違いに基づいて行われることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の座標系における前記航空機の位置のデータを取得する位置データ取得部によって取得される前記航空機の位置に基づき、前記複数のターゲットに含まれる２以上のターゲットが含まれる範囲をレーザースキャン範囲として設定するスキャン範囲設定部を備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項２〜７のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の座標系における前記航空機の位置のデータを取得する位置データ取得部を備え、前記第１の座標系における前記航空機の位置と前記複数のターゲットに含まれる２以上のターゲットの位置とに基づいて前記姿勢が算出されることを特徴とする。請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発明において、前記姿勢を算出は、前記航空機から反射したレーザースキャンデータに基づいて行われることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射しレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出ステップとを備え、前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理方法である。

請求項１１に記載の発明は、コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、コンピュータを飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射することで得られたレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出部とを備え、前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理装置として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、ＩＭＵを用いる以外の方法で航空機の姿勢を計測できる技術が得られる。

実施形態の概要を示す図である。 座標系の関係を示す図である。 実施形態のブロック図である。 実施形態のブロック図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。 実施形態の概要を示す図である。

（概要）
本実施形態の概要を図１に示す。図１には、飛行するＵＡＶ２００、ＵＡＶ２００の追跡しつつその測位を行うＴＳ（トータルステーション）１００が示されている。図１には、ＵＡＶ２００にレーザースキャナ２０１を搭載し、ＵＡＶ２００を飛行させながら地上や建築物等の対象物のレーザースキャンを行い、当該対象物の三次元レーザースキャン点群（点群データ）を得る状態が示されている。

ＵＡＶ２００は、市販の機体であり、飛行計画に従って自立飛行する制御部、レーザースキャナ２０１、通信装置、ＧＮＳＳを用いた位置特定装置（ＧＰＳ受信機）、ＩＭＵ（慣性計測装置）、方位センサ、飛行ログやレーザースキャンデータを記憶する記憶部を備える。ＵＡＶ２００のＩＭＵは、飛行制御に利用できる程度の精度であり、レーザースキャナ２０１の外部標定要素の算出に用いる程の精度はない。ＵＡＶ２００は、中央下部に専用の反射プリズム２０２を備えている。反射プリズム２０２は、入射した光を１８０°向きを反転させて反射する光学機能を有する。

ＵＡＶ２００搭載のレーザースキャナ２０１は、ＧＮＳＳの航法衛星からの航法信号に含まれる時刻情報を用いた時計を備え、レーザースキャンデータの取得と同時に、各点が得られた取得時刻を取得する。レーザースキャンデータ（各点の位置データ）と、その取得時刻はＵＡＶ２００に搭載した記憶部に記憶される。レーザースキャナ２０１の基本機能および基本構造は、後述するＴＳ１００が備えるレーザースキャナ１１２と同じである。なお通常は、軽量化や低消費電力化の関係で、レーザースキャナ２０１の方がレーザースキャナ１１２よりも構成や機能が簡略化されている。

また、ＴＳ１００は、飛行するＵＡＶ２００を追跡し、その測位を行う。ＴＳ１００もＧＮＳＳの航法信号を利用してＵＡＶ２００の測位データとその時点の時刻を取得する。このデータは、ＴＳ１００内部の記憶部（あるいはＴＳ１００に接続されたデータ記憶装置）に記憶される。また、ＴＳ１００は、レーザースキャナ１１２（図３参照）を備え、レーザースキャナ１１２のレーザースキャン機能により、ＵＡＶ２００の姿勢を計測（特定）する。ＴＳ１００の詳細については後述する。

図１には、ＰＣを利用して実現した測量データ処理装置３００が示されている。測量データ処理装置３００は、レーザースキャナ２０１が得たレーザースキャンデータの座標を、ＴＳ１００を原点とした地上座標系における座標に座標変換し、更にこの座標変換を行ったレーザースキャンデータに基づく三次元モデルの作成を行う。この際、ＵＡＶ２００の姿勢が算出される。測量データ処理装置３００は、ＵＡＶ２００の姿勢を算出する装置として利用することもできる。測量データ処理装置３００の詳細については後述する。

ここでは、ＵＡＶからレーザースキャンを行う場合を例に挙げ説明するが、ＵＡＶにカメラを搭載し、航空写真測量を行う場合におけるＵＡＶの姿勢の特定（姿勢の計測）に本実施形態の技術を利用することができる。また、本実施形態は、航空機の飛行目的に限定されず、飛行する航空機の姿勢を計測する技術に広く利用することができる。

（原理の説明）
以下、レーザースキャナ２０１が得たレーザースキャンデータの座標を、ＴＳ１００を原点とした地上座標系における座標に座標変換する原理について説明する。この処理では、ＵＡＶ２００の位置の特定、ＵＡＶ２００の姿勢の特定、ＵＡＶ２００に固定された座標系の地上座標系への座標変換が行われる。以下、各処理について説明する。

（ＵＡＶの位置の特定）
飛行するＵＡＶ２００の位置（空中での三次元位置）は、ＴＳ１００によりリアルタイムに特定され、その位置座標は、図２のＸＹＺ座標系（地上座標系）上で記述される。ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の追跡と測位は、ＵＡＶ２００に搭載された反射プリズム２０２をＴＳ１００のターゲット追跡機能を用いて追跡し、またＴＳ１００の測位機能により測位（三次元位置の特定）することで行われる。ＴＳ１００のターゲット（反射プリズム）の追跡機能と測位機能については後述する。

ＵＡＶ２００における反射プリズム２０２およびレーザースキャナ２０１の位置関係は予め調べられ既知である。また、ＵＡＶ２００に対するレーザースキャナ２０１の姿勢（向き）の情報も予め既知な情報として取得されている。反射プリズム２０２の位置が特定されることで、ＵＡＶ２００の位置が特定される、この例では、ＵＡＶ２００の位置としては、レーザースキャナ２０１の位置（光学的なレーザースキャンの原点位置）が採用される。ＵＡＶ２００の位置として、ＵＡＶ２００の構造中心の位置、ＵＡＶ２００の重心の位置、ＩＭＵの位置等が採用可能である。

ＴＳ１００は、地上座標系である図２に示すＸＹＺ座標系上で予め位置が特定されている。この例では、ＴＳ１００の位置がＸＹＺ座標系の原点に設定されている。よって、ＴＳ１００によりＵＡＶ２００の位置を測位することで、地上座標系であるＸＹＺ座標系上におけるＵＡＶ２００の位置が特定される。なお、ＵＡＶ２００の位置の特定（測位）を後述する半球形状の反射ターゲット４０１〜４０４の位置から行う形態も可能である。

（ＵＡＶの姿勢の特定）
ＵＡＶ２００は、識別可能な３つ以上の反射ターゲットを備え、この３つ以上の反射ターゲットの位置をＴＳ１００が装備するレーザースキャナ１１２の機能によって特定することで、ＵＡＶ２００の姿勢が算出される。

図１に示すようにＵＡＶ２００は、四方に延在する４本のアーム（腕）４０５を備え、この４本のアーム４０５の先端のそれぞれには、反射ターゲットとして機能する半球形状のターゲット４０１，４０２，４０３，４０４が配置されている。ターゲット４０１〜４０４は、それぞれ異なる曲率を有する半球状の金属反射面を有している。ターゲット４０１〜４０４は、鉛直下方が凸となる向きで配置されている。ターゲット４０１〜４０４それぞれの曲率とＵＡＶ２００における曲率中心の位置は、既知のデータとして予め取得されている。

レーザースキャナ１１２によって、ターゲット４０１〜４０４を含む領域がレーザースキャンされ、ターゲット４０１〜４０４からのレーザースキャン反射光から、ターゲット４０１〜４０４それぞれの曲率半径が算出される。そして、曲率半径の違いからターゲット４０１〜４０４の識別および特定が行われる。また、曲率中心の位置を特定することで、４つのターゲット４０１〜４０４のＸＹＺ座標系（地上座標系）における位置の特定が行われる。レーザースキャンを用いて半球状（または球状）のターゲットの曲率半径や曲率中心を求める技術については、特願２０１７−０１１１３０号公報に記載されている。

例えば、半球状のターゲット４０１がレーザースキャナ１１２によってレーザースキャンされる場合を考える。この場合、ターゲット４０１におけるレーザースキャン光の反射点は、球面上の経路に沿ったものとなる。この反射点をつないだ線はターゲット４０１表面の曲面に沿った曲線であり、この曲線を複数得ることで、レーザースキャン点群で構成される曲面が得られる。この曲面の曲率半径がターゲット４０１の曲率半径となる。またその曲率中心が半球状を有するターゲット４０１の曲率中心となる。この原理により、ＴＳ１００から見たターゲット４０１〜４０４の曲率半径と曲率中心の位置が取得される。

ターゲット４０１〜４０４は、曲率半径が異なるように設定されているので、計測された曲率半径の違いから、ターゲット４０１〜４０４を個別に識別できる。こうして、ターゲット４０１〜４０４それぞれの三次元位置の特定が行われる。

例えば、レーザースキャナ１１２によるレーザースキャンによって特定したターゲット４０１の三次元位置（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、ターゲット４０２の三次元位置（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）、ターゲット４０３の三次元位置（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）、ターゲット４０４の三次元位置（ｘ_４，ｙ_４，ｚ_４）が判明したとする。

ここで例えば、ターゲット４０１と４０４がＵＡＶ２００の前方に配置され、ターゲット４０２と４０３がＵＡＶ２００の後方に配置されているとする。この場合、ターゲット４００１〜４０４の曲率中心を含む面を特定し、またターゲット４０２からターゲット４０１に向かうベクトルを算出することで、ＵＡＶ２００の姿勢（向き）が判る。

ターゲット４０１〜４０４の中の３以上の位置を測位することで、ＵＡＶ２００の位置の特定を行うこともできる。この場合、ターゲット４０１〜４０４とＵＡＶ２００の位置とみなす部位（例えば、レーザースキャナ２０１）との位置関係が予め既知とされ、ターゲット４０１〜４０４の中の少なくとも３か所の位置が特定されることで、ＵＡＶ２００の位置が特定される。

（座標系の説明）
図２には、地上座標系であるＸＹＺ座標系が示されている。ＸＹＺ座標系は、地上に固定されたＴＳ１００の位置を原点Ｏとする三次元直交直線座標系である。ＸＹＺ座標系における各座標軸の方向の設定は任意であるが、例えばＺ軸を鉛直上方の方向、Ｙ軸を北の方向、Ｘ軸を東の方向に設定する態様が挙げられる。

Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系、Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２座標系、・・・・Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系（ｎ＝１，２，３・・・）は、飛行するＵＡＶ２００に固定された三次元直交直線座標系である。Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系は、移動するＵＡＶ２００に固定された局所座標系でありＵＡＶ２００の移動に従って、原点の位置と座標軸の向きは変化する。図２には、時刻ｔ_１におけるＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系、時刻ｔ_２におけるＸ_２Ｙ_２Ｚ_２座標系、時刻ｔ_ｎにおけるＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系（ｎ＝１，２，３・・・）が示されている。

図２の場合、ＵＡＶ２００に搭載されたレーザースキャナ２０１によるレーザースキャンによって、時刻ｔ_１においてＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系で点Ｏ_１を原点としたレーザースキャン点群が得られ、時刻ｔ_２においてＸ_２Ｙ_２Ｚ_２座標系で点Ｏ_２を原点としたレーザースキャン点群が得られ、時刻ｔ_ｎにおいてＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系で点Ｏ_ｎを原点としたレーザースキャン点群が得られる。

ここで、レーザースキャン光が複数条同時に照射され、またその反射光が検出された場合、時刻ｔ_ｎで得られるＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系におけるスキャン点が複数同時に得られる。また、ある時間幅（ｔ_１〜ｔ_２）で得られたスキャン点を同一時刻（例えばｔ_１とｔ_２の中間の時刻）に得られたスキャン点と見なして処理する形態も可能である。

（スキャンデータの統合：座標変換）
以下、ＵＡＶ２００に固定されたＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系、Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２座標系、・・・・Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系（ｎ＝１，２，３・・・）を地上座標系であるＸＹＺ座標系に統合し、飛行するＵＡＶ２００から得たレーザースキャンデータを地上座標系ＸＹＺ上で記述する処理について説明する。

この処理は、時刻ｔ_ｎにおいて、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系上の点をＸＹＺ座標系に座標変換する処理である。つまり、時刻ｔ_ｎにおいて、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系を回転させて、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の向きをＸＹＺ座標系に合わせ、更にＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系を平行移動させてＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系とＸＹＺ座標系の原点を合わせる処理である。この処理は、時刻ｔ_ｎにおける上記の回転のための回転行列をＲ_ｎ、平行移動のためのベクトルをＴ_ｎとして、数学的に下記の数１で示される。

Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系（ｎ＝１，２，３・・・）の全てにおいて、上記数１の処理を行うことで、飛行するＵＡＶ２００から得たレーザースキャンデータを地上座標系上で記述することができる。

数１における回転行列Ｒ_ｎは、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系をどのように回転させればＸＹＺ座標系と向きが一致するのかを決める行列であり、時刻ｔ_ｎにおけるＸＹＺ座標系に対するＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の向きにより決まる。Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系は、ＵＡＶ２００に固定された座標系であるから、時刻ｔ_ｎにおけるＸＹＺ座標系に対するＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の向きは、時刻ｔ_ｎにおけるＸＹＺ座標系（地上座標系）におけるＵＡＶ２００の姿勢（向き）から求まる。

ところで、ＸＹＺ座標系におけるＵＡＶ２００の姿勢は、ターゲット４０１〜４０４を用いて特定できる。よって、時刻ｔ_ｎにおけるターゲット４０１〜４０４の位置を特定し、時刻ｔ_ｎにおけるＵＡＶ２００のＸＹＺ座標系における姿勢を求めることで、時刻ｔ_ｎにおける回転行列Ｒ_ｎが得られる。

ベクトルＴ_ｎは、時刻ｔ_ｎにおけるＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の原点Ｏ_ｎを始点とし、ＸＹＺ座標系の原点Ｏを終点とするベクトルとして求められる。ここで、ＸＹＺ座標系の原点Ｏは、ＴＳ１００の設置位置であり、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の原点Ｏ_ｎは、ＴＳ１００により測位されるＵＡＶ２００の位置（レーザースキャナ２０１のスキャン光の光源位置）である。よってベクトルＴ_ｎは、ＸＹＺ座標系の原点ＯとＵＡＶ２００の位置Ｏ_ｎとを結ぶベクトルとして求められる。

回転力列Ｒ_ｎとベクトルＴ_ｎは、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系と結びついた時刻ｔ_ｎ毎に求められる。各時刻において求めた回転行列Ｒ_ｎとベクトルＴ_ｎを用いてＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系上で記述されたレーザースキャン点をＸＹＺ座標系に座標変換することで、各レーザースキャン点がＸＹＺ座標系上で記述される。

（ＴＳ（トータルステーションの構成））
図３に図１に示すＴＳ１００のブロック図が示されている。ＴＳ１００は、ＧＮＳＳを用いた位置測定装置、画像を取得するカメラ、ターゲット（ＵＡＶ２００の反射プリズム２０２）を探索し、追尾する追尾レーザースキャン機能、測距用レーザー光を用いてターゲット（反射プリズム２０２）までの距離を測距するレーザー測距機能、レーザー測距されたターゲットの方向（水平角と垂直角（仰角または俯角））を計測する機能、ターゲットまでの距離と方向からターゲットの三次元位置を算出する機能、外部の機器との間で通信を行う機能、点群データを得るためのレーザースキャン機能を有する。

ターゲットまでの距離と方向を計測することで、ＴＳ１００に対するターゲットの位置を測定できる。ここで、ＴＳ１００の位置が判っていれば、ターゲット（この場合はＵＡＶ２００の反射プリズム２０２）の地図座標系における位置（緯度・経度・平均海面からの標高もしくは直交座標系上のＸＹＺ座標）を知ることができる。この機能は、市販のＴＳが持っている機能であり、特別なものではない。ＴＳに関する技術としては、例えば、特開２００９−２２９１９２号公報や特開２０１２−２０２８２１号公報等に記載されている。なお、地図座標系というのは、地図情報を扱う座標系（例えば、緯度，経度，標高）であり、例えばＧＮＳＳで得られる位置情報は通常地図座標系で記述される。

ＴＳ１００は、カメラ１０１、ターゲット探索部１０２、測距部１０３、水平・垂直方向検出部１０４、水平・垂直方向駆動部１０５、データ記憶部１０６、位置測定部１０７、通信装置１０８、ターゲット位置算出部１０９、ＵＡＶ追跡制御部１１１、レーザースキャナ１１２、レーザースキャン範囲設定部１１３、制御用マイコン１１４を備えている。

図３に示すその他の機能部は、専用のハードウェアで構成してもよいし、マイコンによりソフトウェア的に構成してもよい。図３の構成を実現するために利用するハードウェアとしては、各種の電子デバイス(例えば、カメラを構成するカメラモジュールや通信装置１０８を構成する無線モジュール)、モータ等を利用した各種の駆動機構、センサ機構、光学部品、各種の電子回路、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が挙げられる。以上のハードウェアの構成に関しては、ＵＡＶ２００についても同じである。

カメラ１０１は、ＵＡＶ２００やターゲット等の測量対象の動画像または静止画像を撮影する。カメラ１０１は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサを用いたカメラモジュールを利用して構成され、望遠鏡を介して測位対象（例えばＵＡＶ２００）の撮影を行い、その画像データを得る。通常、カメラ１０１が望遠鏡を介して撮影した画像を利用して測量対象のターゲットの概略の視準がオペレータにより行われ、その後自動追尾機能による自律動作によりターゲットの精密な視準が行われる。カメラ１０１が撮影した画像のデータは、測距対象に係る測定時刻、測定方向、測定距離、測定対象の位置等のデータと関連付けされて適当な記憶領域に記憶することができる。

ターゲット探索部１０２は、三角錐型または扇形ビームを有した追尾用レーザー光を用いたタ−ゲット（反射プリズム２０２）の探索および追尾を行う。ターゲットの探索および追尾は、ＴＳ１００を基準位置として行われる。ＴＳによるターゲットの探索および追尾に係る技術は、例えば日本国特許第５１２４３１９号公報に記載されている。

測距部１０３は、測距用レーザー光を用いたターゲットまでの距離の計測を行う。測距部１０３は、測距用レーザー光の発光素子、照射光学系、受光光学系、受光素子、測距演算部、測距基準光の光路を備えている。対象物までの距離は、対象物から反射された測距光と基準光の位相差から算出される。距離の算出方法は、通常のレーザー測距と同じである。

水平・垂直方向検出部１０４は、測距部１０３が測距したターゲット（反射プリズム２０２）のＴＳ１００から見た水平方向角と垂直方向角（仰角および俯角）を計測する。ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系を備えた筐体部分は、水平回転および仰角（俯角）制御が可能であり、水平方向角と垂直方向角は、エンコーダにより計測される。このエンコーダの出力が水平・垂直方向角検出部１０４で検出され、水平方向角と垂直方向角（仰角および俯角）の計測が行われる。水平・垂直方向検出部１０４の出力から、ＴＳ１００から見た反射プリズム２０２の方向が判る。

水平・垂直方向駆動部１０５は、ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系を備えた筐体部分の水平回転および仰角制御（および俯角制御）を行うモータ、該モータの駆動回路、該駆動回路の制御回路を含む。なお、この筐体部分には後述するレーザースキャナ１１２も配置されている。データ記憶部１０６は、ＴＳ１００の動作に必要な制御プログラム、各種のデータ、測量結果等を記憶する。

位置測定部１０７は、ＧＮＳＳを用いたＴＳ１００の位置の測定を行う。位置測定部１０７は、相対測位と単独測位の両方を行う機能を有する。相対測位を行える環境であれば、相対測位を用いたＴＳ１００の位置の測定が好ましいが、相対測位が困難な場合は単独測位によるＴＳ１００の位置の測定が行われる。

通信装置１０８は、外部の機器との間で通信を行う。ＴＳ１００は、外部の端末（専用端末、ＰＣ、タブレット、スマートフォン等）による操作が可能であり、この際の通信が通信装置１０８を用いて行われる。また、通信装置１０８は、ＴＳ１００の動作に必要な各種のデータの受け付け、およびＴＳ１００が取得した各種のデータの外部への出力を行う。例えば、ＴＳ１００からインターネット回線を介して地図情報や地形情報を扱うデータサーバにアクセスし、測量に係る各種の情報をＴＳ１００が取得することができる。

ターゲット位置算出部１０９は、ターゲット（この場合は、ＵＡＶ２００搭載の反射プリズム２０２）までの距離と方向からＴＳ１００に対するターゲットの位置（座標）を算出する。ここで、ターゲットまでの距離は、測距部１０３で得られ、ターゲットの方向は水平・垂直方向検出部１０４で得られる。基準位置となるＴＳ１００の位置は、位置測定部１０７で特定されるので、ＴＳ１００に対するターゲットの位置を求めることで、ターゲットの地図座標系（図２のＸＹＺ座標系）における位置を求めることができる。

ＵＡＶ追跡制御部１１１は、補足したＵＡＶを追尾する制御を行う。すなわち、ターゲット探索部１０２で検出した追尾光（ＵＡＶから反射した追尾光）の入射方向の変化に対応させてＴＳの方向を制御し、空中を移動するＵＡＶに常にＴＳ１００の光軸が向くようにする動的な制御がＵＡＶ追跡制御部１１１で行われる。具体的には、ターゲット（反射プリズム２０２）から反射した追尾光のＴＳ１００に対する入射方向の変化を検出し、それに基づき反射プリズム２０２の位置にＴＳ１００の光軸（測距部１０３からの測距光の光軸）が常に向くように、水平・垂直方向駆動部１０５に制御信号を出力する処理がＵＡＶ追跡制御部１１１で行われる。

レーザースキャナ１１２は、測距用レーザー光をスキャン光として用いて点群データ（レーザースキャン点群）を得る。点群データは、対象物を三次元座標が判明した点の集合として捉えたデータである。この例では、ターゲット探索部１０２とレーザースキャナ１１２は別構成であり、レーザースキャナ１１２は、ターゲット探索部１０２とは別に動作する。

レーザースキャナ１１２は、ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系を備えた筐体部分に配置されており、ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系の光軸を中心した範囲のレーザースキャンが可能である。

レーザースキャナ１１２が扱うレーザー光の波長は、ターゲット探索部１０２が用いるレーザー光と干渉しないように、ターゲット探索部１０２が用いるレーザー光とは別の波長が選択されている。レーザースキャナ１１２については、例えば特開２０１０−１５１６８２号公報、特開２００８―２６８００４号公報、米国特許８７６７１９０号公報、米国特許７９６９５５８号公報等に記載されている。また、レーザースキャナ１１２として、スキャンを電子式に行う形態のもの（例えば、ＵＳ２０１５／０２９３２２４号公報参照）を採用することもできる。

以下、レーザースキャナ１１２について説明する。レーザースキャナ１１２は、測距用レーザー光の照射部、対象物から反射した測距用レーザー光を受光する受光部、測距用レーザー光の飛行時間に基づき対象物までの距離を検出する測距部、測距用レーザー光の照射方向（測距方向）を検出する測距方向検出部、自身の位置と測距距離と測距方向とに基づき測距用レーザー光の反射点の三次元位置を算出する測距対象点の位置算出部、測距用レーザー光の照射方向とその反射光の受光方向（測距光の光軸）の方向を制御するスキャン制御部を備える。

測距用レーザー光は、特定の繰り返し周波数でパルス出力され、スキャンされながら特定の範囲に照射される。測距用レーザー光の飛行時間から反射点までの距離が計算される。通常は、装置内に設けられた基準光路を飛翔したリファレンス光と対象物に照射されそこから反射された測距光との位相差から対象物までの距離が算出される。測距された距離、測距用レーザー光の照射方向およびレーザースキャナ１１２の位置から、反射点の三次元位置が計算される。この反射点の位置を多数測定することで点群データが得られる。

ここで、ＴＳ１００は、地図座標系における座標が既知の位置または位置測定部１０７により精密に測位された位置に設置されている。ＴＳ１００におけるレーザースキャナ１１２の位置と向きは、予め既知の情報として取得されており、レーザースキャナ１１２の地図座標系における位置（スキャンの原点の位置）は、予め取得されている。この例では、図２のＸＹＺ座標系の原点にＴＳ１００が配置され、レーザースキャナ１１２が取得するレーザースキャンデータは、ＸＹＺ座標系における点の座標データとして取得される。

測距用レーザー光が特定の発振周波数でスキャンして照射されることで対象物における多数の反射点それぞれの三次元座標（レーザースキャナ１１２を原点とする座標系における三次元座標）が取得される。この対象物における多数の反射点の集合が点群データとなる。点群データでは、三次元位置が特定された点の集合として対象物が捉えられる。

レーザースキャナ１１２は、カメラ１０１が取得した画像から取得した色を用いて、点群データ各点に配色することができる。もしくは点の反射強度(インテンシティー)を検出することで、点群データ各点の反射強度に関するデータも得られる。

レーザースキャナ１１２は、ＵＡＶ追跡制御部１１１が追跡するＵＡＶ２００を中心とする空域を重点的にレーザースキャンし、ターゲット４０１〜４０４からのスキャン反射光のデータを取得する。すなわち、ＴＳ１００は、ＵＡＶ２００の反射プリズム２０２を追跡した状態で、測距部１０３は飛行するＵＡＶ２００を指向し、ＵＡＶ２００（反射プリズム２０２）の測距を行っている。つまり、ＴＳ１００から見たＵＡＶ２００の方向はＴＳ１００の側で分かっている。このＴＳ１００から見たＵＡＶ２００の方向を重点としたレーザースキャンをレーザースキャナ１１２が行うことで、ターゲット４０１〜４０４からのスキャン反射光のデータが効率よく得られる。

レーザースキャナ１１２は、ＴＳ１００を原点とするスキャン点の三次元座標の値と、当該スキャン点の取得時刻のデータを取得する。すなわち、ＴＳ１００を原点とする三次元座標を特定した点群データと、この点群データを構成する各点の取得時刻とを関連付けしたデータを取得する。時刻のカウントは、位置測定部１０７がＧＮＳＳ航法衛星から受信する時刻データに基づいて行われる。

レーザースキャン範囲設定部１１３は、上述したレーザースキャナ１１２のスキャン範囲の設定を行う。ＴＳ１００から見たＵＡＶ２００（反射プリズム２０２）の方向は、水平・垂直方向検出部１０４の出力から判る。レーザースキャン範囲設定部１１３は、水平・垂直方向検出部１０４の出力から得られるＵＡＶ２００の方向を中心とした範囲（空域）をスキャン範囲に設定する。このレーザースキャン範囲の設定を行うことで、ターゲット４０１〜４０４のレーザースキャンを効果的に行うことができる。

ターゲット４０１〜４０４のレーザースキャンは、ターゲット４０１〜４０４の曲率半径を取得できる程度の密度で行う必要があり、極力高い密度で行うことが望ましい。よって、ＴＳ１００から見たＵＡＶ２００の方向を重点的にレーザースキャンするレーザースキャン範囲の設定を行うことで、ターゲット４０１〜４０４へのスキャン密度が高められ、ターゲット４０１〜４０４の識別およびその位置の特定の精度を高めることができる。

スキャン範囲の設定は、ターゲット４０１〜４０４の内の最低３つ以上のターゲットがスキャン範囲に含まれるように設定する。なお、反射プリズム２０２も利用してＵＡＶ２００の姿勢を求める場合は、ターゲット４０１〜４０４の内の最低２つ以上のターゲットがスキャン範囲に含まれるように設定する。通常は、ＵＡＶ２００に指向した方向を中心に、ＵＡＶ２００の全体が含まれる範囲を設定し、その範囲でレーザースキャンが行われるようにする。制御用マイコン１１４は、後述する処理の手順の制御およびＴＳ１００全体の動作の制御を行う。

（測量データ処理装置）
図４は、測量データ処理装置３００のブロック図である。測量データ処理装置３００は、図２に関連して説明した原理に基づき、ＵＡＶ２００が得たレーザースキャンデータを地上座標系に座標変換する処理を行う。測量データ処理装置３００における処理を行うことで、飛行するＵＡＶ２００から得たレーザースキャンデータに基づく三次元モデルを作成することができる。また、上記の座標変換の前段階の処理として、各時刻におけるＵＡＶ２００の姿勢を算出する処理を測量データ処理装置３００は行う。

測量データ処理装置３００は、レーザースキャンデータ１取得部３０１、レーザースキャンデータ２取得部３０２、曲率半径算出部３０３、曲率中心位置算出部３０４、ＵＡＶ姿勢算出部３０５、座標変換式算出部３０６、座標変換部３０７、三次元モデル作成部３０８、通信装置３０９を有する。

測量データ処理装置３００は、コンピュータとしての機能を有し、ＣＰＵ、メモリ、その他演算回路、インターフェース回路およびインターフェース機能を有している。測量データ処理装置３００を実現するための電子回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に代表されるＰＬＤ（Programmable Logic Device）が挙げられる。

測量データ処理装置３００をＰＣ（パーソナルコンピュータ）やＷＳ（ワークステーション）を用いて実現することもできる。この場合、図４の各機能部の機能を実現するための動作プログラムをＰＣやＷＳにインストールし、該動作プログラムの実行により、図４に示す各機能部をソフトウェア的に構成する。なお一部の機能部をＦＰＧＡ等の専用のハードウェアで構成する形態も可能である。

各機能部を専用のハードウェアで構成するのか、ＣＰＵにおけるプログラムの実行によりソフトウェア的に構成するのかは、要求される演算速度、コスト、消費電力等を勘案して決定される。機能部を専用のハードウェアで構成することとソフトウェア的に構成することは、上述した違いはあるが、特定の機能を実現するという観点からは、等価である。

図４に示す機能部の一または複数をデータ通信回線で繋がれた個別のハードウェアで実現する形態も可能である。例えば、図４の一部の機能をインターネット回線で接続されたデータ処理サーバで実現する形態も可能である。

ＰＣやＷＳを用いて測量データ処理装置３００を実現する場合、ＰＣやＷＳのインターフェース（例えばＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インターフェース））を利用して測量データ処理装置３００の操作が行われる。測量データ処理装置３００の操作を専用端末、スマートフォン、タブレット等を用いて行う形態も可能である。

レーザースキャンデータ１取得部３０１は、ＴＳ１００のレーザースキャナ１１２が得たレーザースキャンデータを取得する。このレーザースキャンデータは、ＴＳ１００を原点とした図２のＸＹＺ座標系における各スキャン点の三次元座標とその取得時刻のデータである。

レーザースキャンデータ２取得部３０２は、ＵＡＶ２００が装備するレーザースキャナ２０１が取得したレーザースキャンデータを取得する。このレーザースキャンデータは、ＵＡＶ２００（レーザースキャナ２０１）を原点とした三次元座標系（図２のＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系：ＵＡＶ座標系）上における三次元位置である。この座標系は、ＵＡＶ２００に固定された座標系であり、その向きとＵＡＶ２００の構造との関係は予め取得されている。例えば、ＵＡＶ２００の前方をＸ軸方向、左側面方向をＹ軸方向、鉛直上方をＺ軸方向というようにＵＡＶ２００の構造と上記三次元座標系（Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系：ＵＡＶ座標系）との関係は予め特定されている。

Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系は、ＵＡＶ２００に固定されているので、ＵＡＶ２００の移動に従って、ＸＹＺ座標系（地上座標系）上における位置と向きが変化する。勿論、ＵＡＶ２００が静止していれば、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系のＸＹＺ座標系に対する位置の変化はなく、またＵＡＶ２００が移動しても向きの変化がなければ、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系のＸＹＺ座標系に対する向きの変化はない。

曲率半径算出部３０３は、レーザースキャナ１１２によるターゲット４０１〜４０４に対するレーザースキャンの結果に基づき、ターゲット４０１〜４０４それぞれの曲率半径を算出する。ターゲット４０１〜４０４それぞれの曲率半径は既知であり、規定の曲率半径に合致する曲率半径が算出されることで、ターゲット４０１〜４０４の識別および特定が行われる。

この処理では、レーザースキャン点群にフィッティングする球面を求め、その曲率を求める演算が行われる。この例では、予めターゲット４０１〜４０４の曲率は既知であり、この曲率に対応する曲面にフィッティングするレーザースキャン点が抽出される。

曲率中心位置算出部３０４は、曲率半径算出部３０３で曲率半径が算出され、更に予め定めた曲率半径（ターゲット４０１〜４０４に設定された曲率半径）に合致する曲率半径を有する球面の曲率中心の位置を算出する。この処理では、上述した規定の曲面にフィッティングしたレーザースキャン点群により形成される曲面の曲率中心の座標が算出される。

ターゲット４０１〜４０４の識別とその位置（曲率中心の位置）の特定に利用するレーザースキャン点群（レーザースキャンのより得られた点群データ）は、時刻ｔｎを時間軸上の中心とした極力短い期間Δｔに得られたものを用いることが望ましい。これは、ＵＡＶ２００が飛行（移動）している過程でＴＳ１００からのレーザースキャンが行われるので、Δｔが大きいと、レーザースキャナ１１２が得たレーザースキャン点群と対象物であるＵＡＶ２００の形状との対応関係の歪みが大きくなるからである。

よって、利用するレーザースキャナ１１２のスキャン速度、スキャン密度、スキャン分解能、要求されるＵＡＶ２００の姿勢の計測結果の精度に鑑み、極力上記Δｔの長さを短く設定する。

ＵＡＶ姿勢算出部３０５は、レーザースキャンデータ１取得部３０１が取得したレーザースキャンデータ（ＴＳ１００のレーザースキャナ１１２が取得したレーザースキャンデータ）に基づき、ＵＡＶ２００の姿勢を取得する。この処理は、曲率中心位置算出部３０４が算出した３点以上の点（ターゲット４０１〜４０４の中の３つ以上の位置）の座標に基づいて行われる。

曲率中心位置算出部３０４が算出した３点以上の点の座標は、それぞれターゲット４０１〜４０４のどれに相当する位置であるか識別できる。この識別は、既知の曲率半径の設定値の違いから行われる。また、ＵＡＶ２００の向きとターゲット４０１〜４０４の位置関係も既知である。よって、曲率中心位置算出部３０４が算出した３点以上の点の座標値から、ＵＡＶ２００の姿勢が求まる。

座標変換式算出部３０６は、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系で記述されたスキャン点（点群データ）をＸＹＺ座標系で記述するための座標変換を行うために必要な数１の変換式を算出する。具体的には、図２に関連して説明したように、時刻ｔ_ｎにおけるＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系のＸＹＺ座標系に対する傾きから時刻ｔ_ｎにおける回転行列Ｒ_ｎを求め、また時刻ｔ_ｎにおけるＸ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系の原点Ｏ_ｎとＸＹＺ座標系の原点Ｏとの位置の差から並進ベクトルＴ_ｎを求める。なお、回転行列Ｒ_ｎと並進ベクトルＴ_ｎは、時刻ｔ_ｎ毎に求められる。

時刻ｔ_ｎにおける回転行列Ｒ_ｎは以下のようにして求められる。まず、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系のＸＹＺ座標系に対する傾きは、時刻ｔ_ｎにおけるＵＡＶ２００の姿勢から求められる。ここで、時刻ｔ_ｎにおけるＵＡＶ２００の姿勢は、時刻ｔ_ｎまたは時刻ｔ_ｎと見なせるタイミングで取得されたレーザースキャナ１１２が取得したレーザースキャン点群に基づくターゲット４０１〜４０４の曲率中心の位置に基づいてＵＡＶ姿勢算出部３０５において算出されている。よって、ＵＡＶ姿勢算出部３０５の算出結果に基づき、時刻ｔ_ｎにおけるＵＡＶ２００の姿勢から求められ、時刻ｔ_ｎにおける回転行列Ｒ_ｎが得られる。

時刻ｔ_ｎにおける並進ベクトルＴ_ｎは、ＴＳ１００の位置Ｏを終点、時刻ｔ_ｎにおいてＴＳ１００が測位したＵＡＶ２００の位置Ｏ_ｎを始点とするベクトルとして求められる。

座標変換部３０７は、時刻ｔ_ｎ毎に求められた回転行列Ｒ_ｎと並進ベクトルＴ_ｎに基づき得られた数１を用いて、Ｘ_ｎＹ_ｎＺ_ｎ座標系上のスキャン点をＸＹＺ座標系に座標変換する。時刻ｔ_ｎに得られたものとして扱われるレーザースキャナ２０１から得られたレーザースキャン点群の数の制限はない。現実的には、時刻ｔ_ｎにある程度の幅を持たせ、その時間範囲において得られたレーザースキャン点群が、時刻ｔ_ｎにおいて取得されたものとして扱われる。

三次元モデル作成部３０８は、レーザースキャナ２０１を用いて取得し、ＸＹＺ座標系に座標変換されたレーザースキャン点群データに基づく三次元モデルを作成する。点群データに基づく三次元モデルを作成する技術については、例えばＷＯ２０１１／０７０９２７号公報、特開２０１２−２３０５９４号公報、特開２０１４−３５７０２号公報に記載されている。

通信装置３０９は前述の通信装置１０８同様、外部の機器との間で通信を行う。ＵＡＶ２００に備えられる通信装置、ＴＳ１００に備えられる通信装置１０８、測量データ処理装置３００が備える通信装置３０９の３つの通信装置間で、リアルタイムに通信が可能ならば、ＵＡＶ２００が行うレーザースキャンと測量データ処理装置３００が行う処理を並行して行うことができる。

（処理の一例）
以下、ＵＡＶ２００（レーザスキャナ２０１）の外部標定要素の取得、およびＵＡＶ座標系から地上座標系への座標変換に係る処理の一例を説明する。

（１）ＵＡＶ２００の外部標定要素の取得
以下、ＵＡＶ２００の外部標定要素（位置と姿勢）を取得する処理手順の一例を図５のフローチャートに沿って説明する。図５の処理を実行に必要なプログラムは、適当な記憶領域や記憶媒体に記憶され、そこから読み出されて実行される。これは、図６の処理についても同じである。

まず、ＴＳ１００のターゲット探索部１０２により照射される追尾用レーザー光を用いて、ＵＡＶ２００に備えられている反射プリズム２０２の探索および追尾を行う（ステップＳ１０１）。そして、測距用レーザー光を照射により、測距部１０３においてＴＳ１００からＵＡＶ２００までの距離を計測し（ステップＳ１０２）、水平・垂直方向検出部１０４で水平方向角と垂直方向角を計測する（ステップＳ１０３）。それにより、ターゲット位置算出部１０９において、距離と方向から反射プリズム２０２の位置が算出され、予め調べられている反射プリズム２０２とＵＡＶ２００（レーザースキャナ２０１）の位置関係によりＵＡＶ２００の位置（レーザースキャナ２０１の位置）が算出される（ステップＳ１０４）。

次に、ＴＳ１００が備えるレーザースキャナ範囲設定部１１３により、ステップＳ１０４で得られたＵＡＶ２００の位置を基準として、ターゲット４０１〜４０４のうち、少なくとも３つのターゲットを含む領域をレーザースキャン範囲に設定する（ステップＳ１０５）。そして、レーザースキャナ１１２により、ステップＳ１０５で設定されたレーザースキャン範囲に対するレーザースキャンを行う（ステップＳ１０６）。

次に、ＴＳ１００がここまでに取得したレーザースキャンデータは測量データ処理装置３００へ送られる。この段階で、測量データ処理装置３００は、ＴＳ１００からターゲット４０１〜４０４のスキャンデータを受け付ける。この例では、後処理でレーザースキャナ１１２が得たレーザースキャンデータと、レーザースキャナ２０１が得たレーザースキャンデータの処理を行うので、ＵＡＶ２００の飛行終了後にこれら２群のレーザースキャンデータが測量データ処理装置３００に送られる。

測量データ処理装置３００でレーザースキャナ１１２のレーザースキャンデータが受け付けられた後、このレーザースキャンデータに基づきターゲット４０１〜４０４の曲率半径が算出される。この曲率半径の違いによりターゲット４０１〜４０４が個別に識別される。加えて、半球形状であるターゲット４０１〜４０４の形状から、曲率中心の位置も得られる（ステップＳ１０７）。

測量データ処理装置３００に備えられているＵＡＶ姿勢算出部３０５は、測位された３つ以上のターゲットの三次元位置より、ＵＡＶ２００の姿勢を示すベクトルを算出する（ステップＳ１０８）。この算出されたベクトルを用い、ＵＡＶ２００の地上座標系における姿勢を算出する（ステップＳ１０９）。

（２）ＵＡＶ２００から取得したレーザースキャン点群を地上座標系に変換
以下、ＵＡＶ２００から取得したレーザースキャン点群を地上座標系に変換する処理手順の一例を図６のフローチャートに沿って説明する。まず、レーザースキャンデータ１取得部３０１にて、ＴＳ１００のレーザースキャナ１１２が得たレーザースキャンデータを取得する（ステップＳ２０１）。一方で、レーザースキャンデータ２取得部３０２は、ＵＡＶ２００のレーザースキャナ２０１が得たレーザースキャンデータを取得する（ステップＳ２０２）。

次に、ＵＡＶ姿勢算出部３０５にて、レーザースキャンデータ１取得部３０１が取得したレーザースキャンデータを使い、ＵＡＶ２００の姿勢を算出する（ステップＳ２０３）。ここまでは、図５の処理と同じである。

次に、座標変換式算出部３０６にて、ＵＡＶ姿勢算出部３０５で算出されたＵＡＶ２００の姿勢から回転行列Ｒ_ｎとベクトルＴ_ｎを求め、この二つから数１の変換式を算出する（ステップＳ２０４）。

最後に、座標変換部３０７にて、座標変換式算出部３０６で算出された数１を用いて、三次元座標系から地上座標系への座標変換を行う（ステップＳ２０５）。

（効果）
ＴＳ１００のターゲット追跡機能およびターゲット測位機能を用いて飛行するＵＡＶ２００の追跡と測位を行い、同時にＴＳ１００のレーザースキャン機能によりＵＡＶ２００のレーザースキャンを行い、ＵＡＶ２００の姿勢を特定する。この態様によれば、ＵＡＶ２００追跡と同時にＵＡＶ２００の外部標定要素（位置と姿勢）を高い精度で求めることができる。また、ＵＡＶ２００の外部標定要素が判ることでＵＡＶ２００に搭載したレーザースキャナ２０１によるレーザースキャンデータを地上座標系の座標変換し、地上座標系での三次元モデル化が可能となる。

（変形例１）
ターゲット４０１〜４０４を識別する方法として、色情報を利用することもできる。レーザースキャンでは、得られた点群データ（スキャン点群）にカメラが撮影した画像から得られた色データを配色し、各点に色データを付与することができる。このスキャン点群各点の色情報を利用し、ターゲット４０１〜４０４の識別を行ってもよい。この場合、予めターゲット４０１〜４０４を異なる色に設定しておき、スキャン点群の色データの違いからターゲット４０１〜４０４の識別を行う。また、曲率半径と色の違いの両方を用いてターゲットの識別を行う方法も可能である。

（変形例２）
ＵＡＶ姿勢算出部３０５におけるＵＡＶ２００の姿勢を算出する方法として以下の方法もある。この方法では、ターゲット４０１〜４０４の少なくとも２つの位置と反射プリズム２０２の位置とからＵＡＶ２００の姿勢を求める。この場合、ターゲット４０１〜４０４と反射プリズム２０２のＵＡＶ２００における位置とその相対位置関係は予めして取得しておく。

ここで、レーザースキャナ１１２が取得したターゲット４０１〜４０４の中の少なくとも２つの三次元位置（ＸＹＺ座標系における三次元位置）と、ＴＳ１００の基本機能であるターゲットの三次元測位機能を用いた反射プリズム２０２の三次元位置（ＸＹＺ座標系における三次元位置）が判ると、ＵＡＶ２００における異なる３点以上の位置が特定される。

ＵＡＶ２００における異なる３点以上がＸＹＺ座標系で特定されることで、ＸＹＺ座標系（地上座標系）におけるＵＡＶ２００の姿勢を求めることができる。すなわち、レーザースキャナ１１２によりターゲット４０１〜４０４の少なくとも２つの位置（第１の特定点及び第２の特定点）を特定し、他方でターゲット位置算出部１０９において反射プリズム２０２の位置（第３の特定点）を特定する。そして、第１〜第３の特定点の位置からＵＡＶ２００の姿勢を算出する。

（変形例３）
ターゲット４０１〜４０４として反射プリズムを用いる形態も可能である。この場合、各反射プリズムは色付きガラスや蛍光ガラスを用いて構成し、異なる波長の反射特性を有する設定とする。また、ＴＳ１００のレーザースキャナの受光部は、光学フィルタによって各ターゲットからの異なる波長の反射光を選別して検出できる形態とする。また、ターゲット４０１〜４０４と反射プリズム２０２の反射光が区別できるように、ターゲット４０１〜４０４における各反射光の波長と、測距部１０３で用いる測距光の波長との関係を調整しておく。

この場合、ターゲット４０１〜４０４の識別は、反射光の波長の違い（あるいは波長スペクトルの違い）を識別することで行われる。ターゲット４０１〜４０４の位置は最低３つが必要である点は、反射プリズムの場合と同じである。

（変形例４）
ＵＡＶ２００の姿勢を示す反射形状を有する反射部を配置し、この反射部のレーザースキャンデータからＵＡＶ２００の姿勢を検出する形態も可能である。この場合、当該反射部をレーザースキャンによって他の部分から識別できる反射特性の部材で構成する（塗装や表面処理でもよい）。ＵＡＶ２００の姿勢を示す反射形状としては、矢印、三角形等の形状の方向が判別し易い形状が挙げられる。この技術については、例えば特願２０１７−１３７８３２号に記載された内容が参考となる。

（変形例５）
ＴＳ１００は、カメラ１０１によってＵＡＶ２００を捕捉し、撮影する機能を有する。この画像の解析結果をＵＡＶ２００の姿勢を算出に利用することもできる。

（変形例６）
ＵＡＶ２００の姿勢をＴＳ１００の側で検出する方法として、ＵＡＶ２００の形状そのものを利用する形態も可能である。例えば、図１のＵＡＶ２００は、本体中央部から四方に十字状のアーム４０５が伸び、その先端にモータとプロペラが配された構造を有している。この十字型のフレーム構造をレーザースキャン点群から取得し、ＵＡＶ２００の水平面からの傾きを検出する。

以下、具体的な処理の手順の一例を説明する。以下説明する処理は、測量データ処理装置３００のＵＡＶ姿勢算出部３０５で行われる。

まず、予めＵＡＶ２００の形状に係る基準データを取得しておく。そして、ＴＳ１００のレーザースキャナ１１２が取得したレーザースキャン点群から上記基準データにフィッティングする点群データを抽出する。

次に、抽出したＵＡＶ２００にフィッティングした点群データの姿勢を求める。例えば、ＵＡＶ２００の十字構造の腕を構成する点群にフィッティングする平面の方程式を求め、この平面の水平面に対する傾きを求める。この際、ＵＡＶ２００の前後または左右が判別できれば、ＵＡＶ２００の姿勢が求まる。

この場合、ＵＡＶ２００の十字形状が前後および／または左右においで非対称な形状であれば、レーザースキャンデータからＵＡＶ２００の前後が識別でき、ＵＡＶ２００の姿勢が完全に求まる。仮に、ＵＡＶ２００の十字形状が非対称な形状でない場合、ＵＡＶ２００内蔵のＩＭＵや方位センサからＵＡＶ２００の概略の姿勢を取得し、先のレーザースキャン点群から得られた姿勢のデータと合わせて、精密なＵＡＶ２００の姿勢のデータを得る。この場合、ＵＡＶ２００内蔵のＩＭＵや方位センサの精度が高くなくてもＩＭＵや方位センサの出力から大凡の向きが判れば、レーザースキャンデータからＵＡＶ２００の姿勢を高精度に求めることができる。

上記のＵＡＶの形状を利用した方法では、ＵＡＶの反射点が特定できれば、少なくとも３点からの反射でＵＡＶの姿勢を算出できる。

なお、ＵＡＶの機体本体からのレーザースキャン反射光を利用したＵＡＶの姿勢の計測は、図１に例示した形状に限定されず、他の形状であっても実施可能である。またこの技術は、本明細書で開示するターゲットを用いたＵＡＶの姿勢計測技術と組み合わせて利用することも可能である。

また、ＵＡＶ２００からのレーザースキャン反射光を確実に得るために、ＵＡＶ２００の少なくとも下面に、使用するレーザースキャン光を反射し易い塗装やコーティングを行ってもよい。

（変形例７）
ＴＳ１００の側でＵＡＶ２００の姿勢を算出する他の例を説明する。この例で説明する処理は、測量データ処理装置３００のＵＡＶ姿勢算出部３０５で行われる。

図７には、ＵＡＶ２００に空撮を行うためのカメラ２０３を搭載された例が示されている。この例では、ＵＡＶ２００の下部に棒状の支柱２０４が固定され、この支柱の先端にカメラ２０３が固定されている。また、支柱２０４の途中には、Ｌ字形状の分岐アーム２０５が固定され、その先端にはＴＳ１００からの追尾光と測距光を反射する反射プリズム２０２が取り付けられている。この構造では、反射プリズム２０２は、支柱２０４の軸線上から外れたオフセット位置にある。ここで、ＵＡＶ２００における反射プリズム２０２とカメラ２０３の位置関係、ＵＡＶ２００におけるカメラ２０３の姿勢の情報は既知であり、予め取得されている。当然、ＵＡＶ２００における支柱２０４の位置およびその延在方向（延長軸の向き）の情報も既知である。

この例において、ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の位置の測定は、反射プリズム２０２から反射される測距光を用いて行わる。ＵＡＶ２００の姿勢の測定は、上下方向に延在する支柱２０４をレーザースキャナ１１２よりレーザースキャンすることで行われる。

以下、支柱２０４を用いたＵＡＶ２００の姿勢の計測について説明する。ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の追尾および測距（測位）が行われている状態で、ＴＳ１００のレーザースキャナ１１２により、ＵＡＶ２００を中心とした空域のレーザースキャンを行う。例えば、アーム４０５の長さが５０ｃｍ程度である場合に、反射プリズム２０２を中心とした半径１〜２ｍ程度の空域のレーザースキャンがレーザースキャナ１１２により行われる。

ここで得たレーザースキャン点群から、支柱２０４の点群データを抽出する。この処理では、まずレーザースキャンデータから鉛直方向に延在成分を有する直線状に延在する点群データを探し出す。そして、それを予め取得しておいた、アーム４０５を含むＵＡＶ２００の三次元モデルにフィッティングさせ、支柱２０４の点群データを得る。

支柱２０４の点群データを得たら、支柱２０４の延在方向と鉛直方向との関係から、ＵＡＶ２００の鉛直方向に対する傾きを算出する。ここで、反射プリズム２０２の三次元位置は、図３のターゲット位置算出部１０９で算出されているので、支柱２０４から見た反射プリズム２０２の方向を算出する。

ＵＡＶ２００における支柱２０４と反射プリズム２０２の位置関係は既知であるので、支柱２０４から見た反射プリズム２０４の方向が判ることで、水平方向におけるＵＡＶ２００に向きが判る。つまり、ＵＡＶ２００の支柱２０４を回転軸とした回転角度が判る。こうして、反射プリズム２０２の測位データと、支柱２０４のレーザースキャンデータとからＵＡＶ２００の姿勢を算出することができる。

支柱２０４のレーザースキャンデータの代わりに、反射プリズム２０２の測位データと、４本あるアーム４０５の少なくとも一つのレーザースキャンデータとからＵＡＶ２００の姿勢を算出することもできる。この場合、４本のアーム４０５の中心（図７の場合、この中心の位置は、支柱２０４の延長線上にある）からオフセットした位置に反射プリズム２０２があるので、反射プリズム２０２の位置とアーム２０４の少なくとも一本のレーザースキャン点群とから、ＵＡＶ２００の向きを算出できる。

以上述べたように、本例では、ＵＡＶが特定の方向に延在した長手形状部材と反射プリズムとを備え、前記反射プリズムは、前記長手形状部材の延在軸の軸線とはずれた位置に配置されている。この構造では、反射プリズムを測距光で測距することで、ＵＡＶの測位を行い、長手形状部材をレーザースキャンすることで長手形状部材の姿勢（向き）を検出し、ＵＡＶにおける反射プリズムの位置と、長手形状部材の位置および姿勢の関係から、ＵＡＶの姿勢を算出する。そして、ＵＡＶの姿勢が算出されることで、ＵＡＶ搭載のレーザースキャナやカメラの外部標定要素が求められる。

（その他）
以上説明したＵＡＶ２００の姿勢を求める方法の複数を組み合わせて用いることもできる。本明細書で開示する技術は、ＩＭＵを用いる以外の方法でＵＡＶの姿勢を計測できる技術であるが、ＵＡＶへのＩＭＵの搭載を排除するものではない。よって、本明細書で開示する技術を用いたＵＡＶの姿勢を計測する技術と、ＵＡＶに搭載したＩＭＵによるＵＡＶの姿勢を計測する技術とを組み合わせて利用することも可能である。

例えば、ＵＡＶ搭載のＩＭＵによる姿勢の計測を主とし、それを補助あるいは補完する技術として、本明細書で開示する方法を用いる形態も可能である。一般にＩＭＵは、姿勢の急激な変化は比較的好感度に検出するが、姿勢が緩やかに変化した場合の検出感度は相対的に低い。この傾向は、低価格なＩＭＵ程顕著である。そこで、細かい姿勢の変化はＩＭＵで検出し、特定の時間間隔における姿勢の絶対値の検出をレーザースキャナ１１２によるターゲット４０１〜４０４の識別と位置の特定により行う方法を採用することもできる。

また例えば、ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の追尾が行われる状態では、ＴＳ１００を用いたＵＡＶ２００の位置と姿勢の計測を行い、ＴＳ１００によるＵＡＶ２００の追尾ができない状態やＴＳ１００からのＵＡＶ２００のレーザースキャンができない状態において、ＵＡＶ２００搭載のＧＮＳＳ装置によるＵＡＶ２００の測位およびＵＡＶ２００搭載のＩＭＵによるＵＡＶ２００の姿勢の計測を行う形態も可能である。

また、ＵＡＶ２００が搭載したＧＮＳＳ位置特定装置を用いてＵＡＶ２００の姿勢の計測を行う方法と本明細書で開示したレーザースキャナ１１２によるＵＡＶ２００の姿勢の計測技術とを組み合わせる形態も可能である。

Claims (11)

1. 飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射することで得られたレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、
   前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出部と
   を備え、
   前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理装置。
2. 前記航空機は識別可能な複数のターゲットを備え、
   前記レーザースキャンデータは、前記航空機が備えた識別可能な複数のターゲットを対象としたレーザースキャンにより得られる請求項１に記載のデータ処理装置。
3. 前記複数のターゲットの識別がターゲットの大きさの違いに基づいて行われる請求項２に記載のデータ処理装置。
4. 前記複数のターゲットは曲面の反射面を有し、
   前記複数のターゲットの識別が前記曲面の曲率半径の違いに基づいて行われる請求項２または３に記載のデータ処理装置。
5. 前記複数のターゲットの位置の特定が前記曲面の曲率中心を求めることで行われる請求項２〜４の何れか一項に記載のデータ処理装置。
6. 前記複数のターゲットの識別がターゲット表面の色の違いに基づいて行われる請求項２〜５の何れか一項に記載のデータ処理装置。
7. 前記第１の座標系における前記航空機の位置のデータを取得する位置データ取得部によって取得される前記航空機の位置に基づき、
   前記複数のターゲットに含まれる２以上のターゲットが含まれる範囲をレーザースキャン範囲として設定するスキャン範囲設定部を備える請求項２〜６のいずれか一項に記載のデータ処理装置。
8. 前記第１の座標系における前記航空機の位置のデータを取得する位置データ取得部を備え、
   前記第１の座標系における前記航空機の位置と前記複数のターゲットに含まれる２以上のターゲットの位置とに基づいて前記姿勢が算出される請求項２〜７の何れか一項に記載のデータ処理装置。
9. 前記姿勢を算出は、前記航空機から反射したレーザースキャンデータに基づいて行われる請求項１〜８のいずれか一項に記載のデータ処理装置。
10. 飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射しレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得ステップと、
    前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出ステップと
    を備え、
    前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理方法。
11. コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
    コンピュータを
    飛行する航空機に第１の座標系に固定されたレーザースキャナからレーザースキャン光を照射することで得られたレーザースキャンデータを取得するレーザースキャンデータ取得部と、
    前記レーザースキャンデータに基づき、前記飛行する前記航空機の前記第１の座標系での姿勢を算出する姿勢算出部と
    を備え、
    前記姿勢は、前記レーザースキャンデータに基づき特定された前記航空機における複数の位置に基づいて算出されるデータ処理装置として機能させるためのデータ処理用プログラム。

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