レザスキャニングレーザースキャニングmnaka/pics/m2017_geo_tokuron/...光時間測距法（Time Of Flight : TOF ）標物にレーザー光（外線など）を照射し，ターゲットで散乱した光を

空間情報構築特論

レザスキャニングレーザースキャニング

NAKAGAWA Masafumi : [email protected] INSTITUTE OF TECHNOLOGY

2017年度スケジュール「空間情報構築特論」

1. （4/12）2. （4/19）

ガイダンス[空間情報の要素技術] レーザースキャニング

3. （4/26）4. （5/10）5 （5/17）

[空間情報の要素技術] GNSS（休講）学会のため[空間情報の要素技術] リモトセンシング5. （5/17）

6. （5/24）7. （5/31）

[空間情報の要素技術] リモートセンシング[空間情報の要素技術] 写真測量および画像計測[空間情報の要素技術] GIS（地理情報システム）7. （5/31）

8. （6/7）9. （6/14）

[空間情報の要素技術] GIS（地理情報システム）[空間情報の要素技術] BIM/CIM輪講A1

10. （6/21）11. （6/28）

（）

輪講A2輪講B1輪講B212. （7/5）

13. （7/12）14 （7/19）

輪講B2ワークショップ型授業1／レポートワークショップ型授業2／レポート


14. （7/19）ワクショップ型授業2／レポト

レーザースキャニング

１. 事例紹介２レーザー計測の原理２. レーザー計測の原理３. 3Dレーザースキャナ４. 点群処理５レーザー波形解析５. レーザー波形解析６. まとめ


事例紹介⽂化財⽂化財

災害・防災

都市空間

⼟⽊構造物⼟⽊構造物

建築空間





レーザー計測

- レーザー測距（直線距離の算出）

D

- レーザー距離測量（2D/3D座標値の算出）

Dθ

X,Y,Z

- 3Dレーザースキャニング（⼤量の3D座標値の算出）

X Y ZX1,Y1,Z1


光⾶⾏時間測距法（ Time Of Flight : TOF ）⽬標物にレーザー光（⾚外線など）を照射し，ターゲットで散乱した光を

pp.034

フォトダイオードで捉え，照射・反射にかかる時間から測距（⽬標地点までの距離を測定）する⽅式

①レーザー光を照射 ②レザ光を反射トータルステーションプリズムターゲット

①レーザー光を照射 ②レーザー光を反射

レーザー光が往復する時間を計算

往復距離を計算できる

⽚道分が計測距離

レーザー測距で使⽤するフォトダイオードは⾮常に⾼感度でありレザ測距で使⽤するフォトダイオドは⾮常に⾼感度であり，強い外乱光を受けるとノイズを発⽣

測距を⾏うためには（特に太陽光下でも測距する場合），このノイズレベル(N)よりも，受光する散乱光レベル(S)の


( ) ， ( )⽅が⼤きいことが必要

演習︓ TOFの計算

センサターゲット200ナノ秒

︖cm

レーザーの計測に，200ナノ秒かかった測距値は，何cmか︖︖cm 測距値は，何cmか︖


位相差⽅式

・フェーズシフト⽅式，the phase measurement principle

・数種類のレーザ波⻑の「位相差（⼲渉波）」で計測距離を算出する

・⾼速計測できる

・誤表⽰の可能性もある

B

このような場合

AB

複数位相計算全違値表


複数の位相を計算し全く違った値を表⽰する

レーザー距離測量（2D/3D座標値の算出）距離と⾓度から，座標値を算出できる

pp.121

距離と⾓度から，座標値を算出できる

①トータルステーションの絶対座標値を求めておく

①トータルステーションの絶対座標値を求めておく

トータルステーション

器械⾼鉛直⾓

⽔平⾓トータルステーション

器械⾼鉛直⾓

⽔平⾓

プリズムターゲット

器械⾼

基準点基準点計測対象点

②ノンプリズムレーザー測距器械⾼

計測対象点

②3Dレーザー計測

③計測対象点の座標値が求まる③計測対象点の座標値が求まる

= プリズム計測 = ノンプリズム計測プリズムターゲットを使う計測対象物に直接レーザーを当てる計測

○⻑距離を正確に計測できる ○危ない箇所でも計測できる×ターゲット設置箇所のみの計測 ×計測距離がプリズム計測より短い


×タゲット設置箇所のみの計測 ×計測距離がプリズム計測より短い

レーザークラス（＝出⼒） pp.129

レーザー機器から発⽣するレーザー光線の波⻑，放出持続時間により⼈体に与える影響の程度を表す等級

クラス 1 1M 2 2M 3R 3B 4

内容⽬に対して安全

散乱された光を⾒ても危険なレーザー

航空LiDAR地上測量レーザーポインタ

地上測量

上空では⼤出⼒のレーザーを照射するが，地上では出⼒が減衰している


地上では出⼒が減衰している




Total StationEstimate 2D/3D data using Distance and Angle dataEstimate 2D/3D data using Distance and Angle data

X,Y,Z

D(θ φ)

, ,

(θ, φ)

レーザー距離測量ができるが，


，レーザースキャナではない

3Dレーザースキャナノンプリズム測距＋⾓度

pp.125

ノンプリズム測距＋⾓度1軸⾛査型 2軸⾛査型

回転ミラで回転ミラでレーザー測距レーザー測距回転ミラーで放射状に測距

回転ミラーで放射状に測距

回転台でレーザースキャナを回転

レザを照射する⽅向を

⽔平⾓

レーザーを照射する⽅向をどんどん変えてノンプリズム測距

3Dレーザースキャナ

鉛直⾓

⽔平⾓

点群データ（ポイントクラウド）


鉛直⾓（ポイントクラウド）

レーザースキャナの⼀般的な構成

カメラ

３Dレーザスキャナ（本体）

三脚測定⽤PC

バッテリー


バッテリ

レーザー計測器（距離計，3Dスキャナ）

レーザー光の帯域（紫外線〜近⾚外）に依存

・精度（分解能）・計測可能な距離

違いは︖


計測可能な距離

レンジ画像

レーザーの反射強度を表⽰したもの

反射強度画像（参考）デジカメの画像反射強度画像（参考）デジカメの画像


広域の点群データを効率よく計測するには︖


航空LiDAR⾶⾏しながらスキャニング

pp.132

⾶⾏しながらスキャニング

直接定位直接定位

回転型ミラー往復型ミラーレーザースキャニング

スキャニング断⾯

ミラーが回転ミラーが往復

⾶⾏⽅向⾶⾏⽅向

スキャニング断⾯

必要なセンサ

・レーザースキャナ

上から⾒たときの点群データ

・RTK-GNSS受信機

・IMU


IMU

Aerial LiDARLaser scanning + Position/rotation estimationLaser scanning + Position/rotation estimation

Position

→ RTK-GNSS

Rotation

→ IMU

Laser scanning→ Laser scanner


広域（⻑物）の点群データを効率よく計測するには︖


Mobile Mapping System (MMS)⾛⾏しながらスキャニング

pp.134

⾛⾏しながらスキャニング

直接定位標識・信号機など必要なセンサ

レザスキャナ直接定位

横から⾒た図⾛⾏⽅向レーザースキャナ

カメラ航法装置

・レーザースキャナ

・RTK-GNSS受信機レーザースキャニング

建物

道路⾯


・IMU

衛星測位の環境に⼤きく影響を受ける

建物

上から⾒た図

レザスキャニング技術的課題

システム同期の精度が要求される

上から⾒た図

道路⾯


道路⾯膨⼤な点群データ処理

Mobile Mapping Systems (MMS)Laser scanning + Position/rotation estimationLaser scanning + Position/rotation estimation

Signal etc

Side-view

Signal, etc.Position

→ RTK-GNSS

Road

viewRotation

→ IMU

Building Laser scanning

Top-view

→ Laser scanner

view





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MATLAB Rapid prototyping

点群処理点群データ（⼤量の計測点）を取得し，有⽤な情報を⾃動抽出

pp.123

点群デタ（⼤量の計測点）を取得し，有⽤な情報を⾃動抽出

簡単に計測できる

正確に計測できないし，時間もかかる

地物A

地物

⼿作業が介在する3D計測時間もかかる．．．地物B

鉛直⽅向と⽔平⽅向において等間隔にレーザー計測

だいたい同じ形

⾚い円が有効な計測データ3D計測の⾃動化⾃動処理で迅速化だいたい同じ形になっている

地物B

外郭線を抽出

復元された


復元された地物Bの形状

点群処理の処理例点群データに「モデル」をあてはめたり，すりあわせたりする点群デタに「モデル」をあてはめたり，すりあわせたりする

道路⾯やファサードを推定する→平⾯や曲⾯をあてはめる

RANSAC

→平⾯や曲⾯をあてはめる

Random Sample Consensus algorithmRandom Sample Consensus algorithm

点群を統合する→点群と点群をすりあわせる→点群と点群をすりあわせる

ICPIterative Closest Point algorithmIterative Closest Point algorithm


Issues in Point-based renderingNear-far problem and Transparent effectNear far problem and Transparent effect

(Visualization quality depends on a viewpoint)Rendered point cloud from a viewpoint (Visualization quality depends on a viewpoint)p p

Occlusion

“Near” from a viewpoint

“Far” from a viewpoint＝ Dense points

＝ Sparse points

透過効果問題遠近効果問題透過効果問題Caused by rendering hidden points among near-side points

遠近効果問題Caused by distance differences from the viewpoint to scanned points





計測距離とレーザースポット径レーザー光は直線ではない

pp.126

レザ光は直線ではない

レーザーの性質上，計測距離が⻑くなると，レーザーのビーム幅であるレザの性質上，計測距離が⻑くなると，レザのビム幅であるスポットの直径（スポットサイズ）が⼤きくなる

計測距離ビーム幅

測量における「レザ光」はこういうイメジで考えると理解しやすい測量における「レーザー光」は，こういうイメージで考えると理解しやすい

ポトズ収スポットサイズに収まる⽮印の集合体


パルス解析レーザーの反射波の到達順位などを解析

pp.127

・パルスデータ＝レーザーの反射波の到達順位を表す

レザの反射波の到達順位などを解析

・⽴体・平⾯構造領域の区別に⽤いることができる

シングルパルス

ファーストパルス

ザパ

ラストパルス

アザーパルス

⽴体構造平⾯構造


波形記録⽅式レーザースキャナと，普通のレーザースキャナレーザー波形を記録できるかどうかレザ波形を記録できるかどうか

波形記録⽅式レーザースキャナ強度

波形記録⽅式レザスキャナ波形を記録できるもの

時間

0,1の情報に変換

ファーストパルスラストパルス⼀般的なレーザースキャナ

時間

時間光速距離換算

般的なレザスキャナ


時間×光速で距離に換算

レーザー波形解析（地上LiDAR計測）レーザーの反射波の到達順位を解析する → 計測物体の分類

pp.127

レザの反射波の到達順位を解析する計測物体の分類

レーザースキャナ

レーザー光の反射何らかの物体︖

イズ反射強度値

の反射何らかの物体︖

時間ノイズ

波形が緩いラストパルスファーストパル

反射強度値

ラストパルスで波形が鋭い

壁⾯スで波形が鋭い

⾦網樹⽊


網

レーザー波形解析（航空LiDAR計測）レーザーの反射波の到達順位を解析する → 計測物体の分類

pp.128

レザの反射波の到達順位を解析する計測物体の分類

反射強度値レーザー光の反射反射強度値

レーザースキャナ

の反射

ファーストパルス樹冠がわかる

アザーパルスで樹⽊

ファストパルス

ラストパルスで

アザーパルスで波形が緩い

時間ラストパルスで波形が鋭い地⾯

地表がわかる


地表がわかる




まとめ

3Dレーザースキャナの特徴・短時間で広範囲を測定できる

⼀般的なデータ処理⼿順

⼤量の3次元座標データを取得

必要な次座標デタを抽出断⾯図

点群データ

必要な3次元座標データを抽出コンタ図平⾯図

形状計測変位計測 CG

構造物形状計測構造物の形状計測⼟量計算

（ダム，橋梁，河川，港湾，ダム，・・・）

景観保存，景観シミュレーション


⽂化財斜⾯の形状計測

2017年度スケジュール「空間情報構築特論」

1. （4/12）2. （4/19）

ガイダンス[空間情報の要素技術] レーザースキャニング

3. （4/26）4. （5/10）5 （5/17）

[空間情報の要素技術] GNSS（休講）学会のため[空間情報の要素技術] リモトセンシング5. （5/17）

6. （5/24）7. （5/31）

[空間情報の要素技術] リモートセンシング[空間情報の要素技術] 写真測量および画像計測[空間情報の要素技術] GIS（地理情報システム）7. （5/31）

8. （6/7）9. （6/14）

[空間情報の要素技術] GIS（地理情報システム）[空間情報の要素技術] BIM/CIM輪講A1

10. （6/21）11. （6/28）

（）

輪講A2輪講B1輪講B212. （7/5）

13. （7/12）14 （7/19）

輪講B2ワークショップ型授業1／レポートワークショップ型授業2／レポート


14. （7/19）ワクショップ型授業2／レポト

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レ ザ スキャニングレーザースキャニングmnaka/pics/m2017_geo_tokuron/...光 時間測距法（Time Of Flight : TOF ） 標物にレーザー光（ 外線など）を照射し，ターゲットで散乱した光を

レザスキャニングレーザースキャニングmnaka/pics/m2017_geo_tokuron/...光時間測距法（Time Of Flight : TOF ）標物にレーザー光（外線など）を照射し，ターゲットで散乱した光を