JP2001304813A - 土運船の土量測定装置および土量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 土運船に積載された土砂を、精度よく測定す
ることができる構成とした、土運船の土量測定装置およ
び土量測定方法を提供すること。 【解決手段】 斜線部分πは、土運船ＳＰの甲板ＳＰｂ
との境界に設置されるコ−ミング部ＳＰａの表面に仮想
する基準面、ＷＫは作業船ＷＳに設置されている架台
で、レ−ザ−測定器Ｒを支持している。土運船ＳＰに積
載された土砂に対してレ−ザ−測定器Ｒで三次元のスキ
ャニングを行ない土砂の断面積を求める。次に土砂の断
面積を船首から船尾まで累算して土量を演算により求め
る。土運船ＳＰの動揺による測定誤差を補正するため
に、Ｘ軸、Ｙ軸を基準面πに平行なＸａ軸、Ｙａ軸に変
換し、Ｚ軸を鉛直なＺａ軸に変換している。変換された
座標軸でレ−ザ−測定器Ｒの測定値を処理して、動揺に
よる測定誤差の補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土運船に積載され
た土砂の量（土量）を、精度よく測定することができる
構成とした、土運船の土量測定装置および土量測定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】海面や湖面等の水面を埋め立てる際の土
砂の運搬に、土運船が使用されている。図２４は、この
ような土運船の一例を示す概略の縦断側面図である。図
２４において、土運船ＳＰに設けられている土倉に土砂
Ｇａが積載されている。ＳＰａはコ−ミング部で、甲板
ＳＰｂと土倉との間仕切りを形成している。Ｇｂは、土
砂Ｇａが所定の埋め立て地に揚土された後に土倉に残存
する残土である。

【０００３】図２５は、土運船の使用例を示す説明図で
ある。図２５において、Ａｘは土砂搬出地、Ｂｘは揚土
地、Ｒａ、Ｒｂは土運船ＳＰの航路である。土運船ＳＰ
は、土砂搬出地Ａｘで土砂を積載し、航路Ｒａを通り揚
土地Ｂｘに回航される。揚土地Ｂｘに土砂を揚土し、残
土を積載したまま航路Ｒｂを通り土砂搬出地Ａｘに回航
される。なお、航路ＲａとＲｂは同一の航路となること
もある。

【０００４】土運船ＳＰに積載された土砂の量（以下、
土量という）は、作業者が直接に水準器を用いて土砂の
形状を測量することにより求める場合と、測定器を陸上
の固定点に設置して土砂の形状を測量し、求める場合が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、作業者
が土運船上で直接測量することにより土量を求める方法
では、時間がかかる上に作業者の作業負担が大きくなる
という問題があった。また、測定器を陸上の固定点に設
置して土量を求める方法では、土運船が波浪等により動
揺した際に測定誤差が発生するという問題があった。

【０００６】本発明はこのような問題に鑑み、土運船に
積載された土量を精度よく測定できる構成とした、土運
船の土量測定装置および土量測定方法の提供を目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明において、土運船の土量測定装
置を、土運船の土倉に積載した土砂に対して、レ−ザ−
ビ−ムで三次元のスキャニングを行ない、レ−ザ−ビ−
ムのスキャニング角と土砂の表面までの距離とを測定す
るレ−ザ−測定器と、前記レ−ザ−測定器による測定値
に対して土運船の動揺に起因する測定誤差の補正手段
と、土砂の土量の演算手段とを設けた構成としている。

【０００８】また、請求項２に係る発明においては、請
求項１に係る発明の土運船の土量測定装置において、前
記レ−ザ−測定器と、測定誤差の補正手段と、土量の演
算手段とを陸上の施設に設置したことを特徴としてい
る。

【０００９】また、請求項３に係る発明においては、請
求項１に係る発明の土運船の土量測定装置において、前
記レ−ザ−測定器と、測定誤差の補正手段と、土量の演
算手段とを土運船と隣接して配置される船舶上の施設に
設置したことを特徴としている。

【００１０】また、請求項４に係る発明においては、土
運船の土量測定方法を、レ−ザ−測定器を設置するステ
ップと、レ−ザ−測定器からレ−ザ−ビ−ムを出力し、
土運船に積載された土砂に対して三次元のスキャニング
をするステップと、レ−ザ−ビ−ムのスキャニング角と
土砂表面からの反射ビ−ムに基づく距離とのデ−タを入
力するステップと、土運船および船舶の動揺に起因する
測定誤差の因子を演算するステップと、当該因子により
前記スキャニング角と土砂表面からの反射ビ−ムに基づ
く距離とのデ−タを修正するステップと、前記修正され
たデ−タに基づいて土砂の断面積を演算するステップ
と、当該断面積を累積して土砂の土量を演算するステッ
プとからなることを特徴としている。

【００１１】また、請求項５に係る発明は、請求項４に
記載の土運船の土量測定方法において、前記各ステップ
を陸上の施設において実施することを特徴としている。

【００１２】また、請求項６に係る発明は、請求項４に
記載の土運船の土量測定方法において、前記各ステップ
を土運船と隣接して配置される船舶上の施設において実
施することを特徴としている。

【００１３】上記請求項１に係る発明は、土運船の土倉
に積載した土砂に対してレ−ザ−ビ−ムで三次元のスキ
ャニングを行なうレ−ザ−測定器を設け、土運船の動揺
に起因する測定誤差を補正して土砂の土量を演算してい
る。このため、正確に土運船に積載された土量を測定す
ることができる。

【００１４】また、請求項２に係る発明は、レ−ザ−測
定器と、測定誤差の補正手段と、土量の演算手段とを陸
上の施設に設置している。このため、土運船の土量測定
装置の取り付けが安全にしかも簡単に行なえる。

【００１５】また、請求項３に係る発明は、土運船と隣
接して配置した船舶上の施設に土量測定装置を設けてい
るので、土運船を陸地に接岸できないような場合に、水
上でも土量の測定ができる。このため、土量測定の自由
度が大きくなる。また、土運船と船舶の動揺に起因する
測定誤差を補正する手段を設けているので、土量測定装
置を船舶上の施設に設けた場合にも正確に土運船に積載
された土量を測定することができる。

【００１６】また、上記請求項４に係る発明において
は、レ−ザ−測定器の測定デ−タに基づいて、土運船の
動揺補正を行ないつつ土量測定を行っているので、迅速
に、かつ正確に土運船に積載された土量を測定すること
ができる。

【００１７】また、上記請求項５に係る発明において
は、土運船に積載された土量を測定するための各処理を
陸上の施設で実施している。このため、大型の演算装置
の設置が容易であり、揚土地の施工管理等の各種デ−タ
との同時処理が可能となる。

【００１８】また、上記請求項６に係る発明において
は、土運船に積載された土量を測定するための各処理を
船舶上の施設で実施している。このため、水面の埋立て
作業時のように、水上において土運船に積載された土量
の測定が必要な場合に対応することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図により説明する。図１は、全体構成を示す斜視図、
図２は土運船を左舷から右舷方向に切断した状態を示す
正面図、図３は土運船を船首から船尾方向に切断した状
態を示す側面図、図４は土運船の平面図である。

【００２０】図１において、Ａ−Ａ’は土運船ＳＰの右
舷、Ｂ−Ｂ’は土運船ＳＰの左舷、斜線部分πはコ−ミ
ング部ＳＰａの表面に仮想する基準面、Ｒはレ−ザ−測
定器で、当該レ−ザ−測定器Ｒが設置されている位置の
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を以下機械軸という。ＷＫは作業船Ｗ
Ｓに設置されている架台で、土運船ＳＰの土倉上部にレ
−ザ−照射面が対向するようにレ−ザ−測定器Ｒを支持
している。

【００２１】本発明においては、土運船ＳＰに積載され
た土砂に対してレ−ザ−測定器Ｒで三次元のスキャニン
グを行ない、土倉内の左舷から右舷までの土砂の断面積
を求める。更に、船首から船尾まで土砂の断面積を累算
して、後述するように土量を演算により求めることがで
きる。

【００２２】しかしながら、土運船ＳＰと作業船ＷＳは
水面に浮遊しているので、波浪や作業船の影響を受けて
水面Ｈ上で動揺している。この動揺として、ロ−リング
（横揺れ）、ピッチング（縦揺れ）、ヒ−ビング（上下
動）が考えられる。このように、土運船ＳＰが動揺する
ことにより、レ−ザ−測定器Ｒの測定値に誤差が発生す
る。

【００２３】図５は、土運船ＳＰの動揺を示す説明図
で、コ−ミング部ＳＰａの動揺をＺ軸からみたものであ
る。図５において、Ｋａは右舷Ｂ−Ｂ’における動揺の
周期を示し、Ｋｂは左舷の動揺の周期を示している。Ｋ
ａとＫｂの位相はほぼ逆位相となっている。Ｋａの動揺
の中心が一定とならずＫｘのように差が生じているの
は、軸がづれていることによるものである。

【００２４】本発明においては、このような土運船ＳＰ
と作業船ＷＳの動揺による測定誤差を補正するために、
図１に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸を基準面πに平行なＸａ
軸、Ｙａ軸に変換している。また、Ｚ軸を基準面πに鉛
直なＺａ軸に変換している。このような変換された座標
軸でレ−ザ−測定器Ｒの測定値を処理することにより、
動揺による誤差の補正を行っている。

【００２５】図６は、動揺に起因する測定誤差の補正を
示す説明図である。前記座標軸の変換を行なうことによ
り、図６に示すように、右舷の周期Ｋｕと左舷の周期Ｋ
ｖに対して、動揺の中心軸はＺａ軸方向に対して一定
（基準面π）となっている。

【００２６】次に、図２〜図４について説明する。図２
において、作業船ＷＳには揚土をする際に使用されるバ
ケットＬｆが設けられている。Ｕは土運船ＳＰと作業船
ＷＳ間に介在される弾性部材で、土運船ＳＰと作業船Ｗ
Ｓとが接舷する際に発生する衝撃を吸収する。レ−ザ−
測定器Ｒには、図２に示すようにレ−ザ−ビ−ムを鉛直
方向に走査させるために鉛直方向に回転するポリゴンミ
ラ−と、図３に示すようにレ−ザ−ビ−ムを水平方向に
走査させるために水平方向に回動するモ−タが設置され
ている。

【００２７】すなわち、レ−ザ−測定器Ｒは直交する平
面に沿って、レ−ザ−ビ−ムを図２のように例えば左舷
から右舷方向にラインスキャニングを行なうと共に、図
３のように例えば船首から船尾方向にフレ−ムスキャニ
ングを行ない、測定対象物に対して三次元のスキャニン
グを行なう構成としている。このような、測定対象物に
対して三次元のスキャニングを行なうレ−ザ−測定器Ｒ
を、以下、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラという。

【００２８】図２のλは、Ｚ軸と、レ−ザ−測定器Ｒか
らＹ軸方向にＰ点までを結ぶレ−ザ−ビ−ムとのなす
角、図３のφは、Ｚ軸と、レ−ザ−測定器ＲからＸ軸方
向にＰ点までを結ぶレ−ザ−ビ−ムとのなす角である。
レ−ザ−測定器Ｒは、図２に示したように、残土Ｇｂを
Ｙ軸方向にスキャニングし、また、図３に示すように残
土ＧａをＸ軸方向にスキャニングする。この際に、レ−
ザ−ビ−ムのスキャニング角と、残土表面からの反射ビ
−ムに基づいて残土表面の各点までの距離とのデ−タが
求められる。これらのデ−タに基づいて、残土のＹ軸方
向の断面積を求め、更に、Ｘ軸方向にこの断面積を累積
して残土表面の地形を測定し、後述するように演算によ
り残土の量を求めている。

【００２９】図２、図３では、残土Ｇｂの測定対象地点
Ｐの三次元座標を測定しているが、図２４で示したよう
に土砂がコ−ミング部ＳＰａの上部に露出した状態で積
載されている場合にも、レ−ザ−測定器Ｒで測定対象地
点Ｐの三次元座標を測定することができる。

【００３０】本発明においては、前記のようにして土運
船の残土を測定することができるので、従来のように残
土をそのまま土砂搬出地まで持ち帰ることなく、残土の
有効利用が図れる。図２１は、残土利用の一例を示す説
明図であり、図２５の従来例と対応するものである。図
２５と同じ部分には同一の符号を付している。図２１に
おいて、Ｃｘは別の埋立地であり、揚土地Ｂｘで揚土さ
れずに土運船ＳＰに積み残された残土は、別の埋立地Ｃ
ｘに投入される。

【００３１】土運船の残土を投入するためには、土運船
の土倉底部を開放できる構成とする必要がある。図２
２、図２３は、このような土倉底部を開放できる構成と
した一例を示す概略の断面図である。図２２において、
ＳＰｃは土倉、ＳＰｄは左舷部、ＳＰｅは右舷部、ＳＰ
ｆは土倉底部、Ｊは軸体である。

【００３２】土倉ＳＰｃは、軸体Ｊを中心として左舷部
ＳＰｄは矢視Ｖａ方向に回動し、右舷部ＳＰｅは矢視Ｖ
ｂ方向に回動できる構成としている。図２１の埋立地Ｃ
ｘにおいては、土倉ＳＰｃの左舷部ＳＰｄと、右舷部Ｓ
Ｐｅとをそれぞれ軸体Ｊを中心として前記のように回動
させ、図２３に示す状態とする。このようにして土倉底
部ＳＰｆを開放し、残土を埋立地Ｃｘに投棄する。

【００３３】図７は、レ−ザ−測定器を用いた本発明の
土量計測装置１を示すブロック図である。次にこのブロ
ック図について説明する。レ−ザ−測定器２には、レ−
ザ−発生部２１、送信部２２が設けられており、ライン
スキャニングおよびフレ−ムスキャニングのスキャニン
グ角を定めてレ−ザ−ビ−ムを目標地点に向けて発射す
る。

【００３４】目標地点から反射されたレ−ザ−ビ−ム
は、受信部２３を通り、受信部２３から距離測定部２５
に入力される。また、送信部２２からレ−ザ−ビ−ムの
スキャニング角が記憶部２４に入力される。記憶部２４
に入力されたスキャニング角と距離測定部２５で演算さ
れた結果は、出力信号として地形計測装置３０に出力さ
れる。

【００３５】演算制御装置３０には、レ−ザ−測定器２
から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する
Ａ／Ｄ変換器３１、中央処理装置（ＣＰＵ）を用いたデ
−タ処理部３２、管理プログラム等が格納されているＲ
ＯＭ３３、デ−タ処理部３２の演算結果を格納するＲＡ
Ｍ３４が設けられている。３５はキ−入力部、３６は表
示部である。

【００３６】デ−タ処理部３２は、前記のようにレ−ザ
−測定器２で得られた各地点までの距離やスキャニング
角のデ−タ等に基づいて、土運船の土倉に積載された土
砂の断面積（例えば右舷から左舷までの断面積）を演算
する。この際に、土運船の動揺による測定値の誤差を補
正する。また、該断面積を船首から船尾まで累積して土
量を演算により求める。

【００３７】この演算結果は、順次ＲＡＭ３３に格納さ
れる。キ−入力部３５はデ−タ処理部３２の前記各種動
作モ−ドを指示する。また、表示部３６は、デ−タ処理
部３２の演算結果をＲＡＭ３４から読み出してリアルタ
イムで表示する。

【００３８】図８は、本発明による土運船の土量測定の
処理手順を示すフロ−チャ−トである。次に、このフロ
−チャ−トについて説明する。

【００３９】（１）ブロックＦａにおいては、土運船へ
の基準面を設置する。この処理は、３Ｄ型レ−ザ−プロ
ファイラにより、土運船に積載された土砂の土量を測定
する際の測定基準面を設定するものである。

【００４０】この処理においては、甲板やコ−ミング部
等の基準面πを形成する平坦部に予め反射強度の高い部
材を配置して、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラから発射さ
れるレ−ザ−ビ−ムの反射が大きくなるようにしてお
く。反射強度の高い部材は、船体形状に対して、右舷と
左舷とで相対的に同じ位置に配置する。図１の例では、
コ−ミング部ＳＰａの枠体表面に、反射強度の高い塗料
を塗布したり、反射シ−ルを貼付る等の処理をする。

【００４１】（２）ブロックＦｂにおいては、土運船の
土倉上部に設置された３Ｄ型レ−ザ−プロファイラによ
り、土倉に積載された土砂表面までの距離とスキャニン
グ角の計測を行なう。この際の計測は、ｉをライン方向
の地点（図２のＹ方向）、ｊをフレ−ム方向の地点（図
３のＸ方向）、測定点の番号を（ｉ、ｊ）とすると、ラ
インアングルλ（ｉ、ｊ）、フレ−ムアングルφ（ｉ、
ｊ）、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラの設置位置から測定
点までの距離ＳＬ（ｉ、ｊ）、反射強度ｉｎｔ（ｉ、
ｊ）を測定する。

【００４２】この各測定値は、ライン方向に（左舷部か
ら右舷部方向）１〜Ｎｉ個、フレ−ム方向（船首から船
尾方向）に１〜Ｎｊ個測定するものであり、ライン方向
およびフレ−ム方向にレ−ザ−ビ−ムを高速スキャンし
て求める。

【００４３】（３）ブロックＦｃにおいては、各測定点
における座標を、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラの設置位
置の機械軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の三次元座標（ＸＹＺ
座標）に座標変換して、Ｘ（ｉ、ｊ）、Ｙ（ｉ、ｊ）、
Ｚ（ｉ、ｊ）で表すものである。この座標変換には、反
射強度ｉｎｔ（ｉ、ｊ）を考慮する。

【００４４】（４）ブロックＦｄにおいては、基準面デ
−タの抽出を行なう。この処理は、前記ブロックＦａで
設定した、例えばコ−ミング部等の平坦部に設定された
基準面πで、反射強度ｉｎｔ（ｉ、ｊ）の高いデ−タを
抽出する。このデ−タを三次元デ−タＸｋ（ｋ）、Ｙｋ
（ｋ）、Ｚｋ（ｋ）で表す。抽出したデ−タは１〜Ｎｋ
個である。

【００４５】（５）ブロックＦｅにおいては、土運船基
準面πに対する機械軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の傾きを検
出する。この処理では、最初に基準面πの面の方程式を
最小二乗法により計算する。次に、土運船に対する機械
軸の傾きを計算する。また、機械軸傾き補正パラメ−タ
として、傾きの方向と傾きの角度を計算する。

【００４６】（６）ブロックＦｆにおいては、土運船の
基準面πに平行なＸＹＺ座標への変換を行なう。この処
理は、測定点Ｐの座標をＺ軸の回りにθ０回転させ（ス
テップ１）、ステップ１で得られた座標をＹ軸回りにθ
２回転させる（ステップ２）。次に測定点Ｐの座標を元
の座標に戻すために、ステップ２で得られた座標を、Ｚ
軸に対して（−θ０）回転させる。

【００４７】（７）ブロックＦｇにおいては、土運船の
動揺補正を行なう。この処理は、各ライン（断面）毎
に、左右両舷の基準面の地点が同じレベルになるように
回転させる。この際に、高さも基準高さに合わせる。

【００４８】（８）ブロックＦｈにおいては、残土表面
のメッシュ化を行なう。この処理は、土運船（パ−ジ）
の土倉内の形状に合わせてメッシュ化し、各格子が交差
する地点の三次元の座標Ｘｍ１（ｉ、ｊ）、Ｙｍ１
（ｉ、ｊ）、Ｚｍ１（ｉ、ｊ）を求める。

【００４９】（９）ブロックＦｉにおいては、土運船
（パ−ジ）が空荷の際の土倉形状のメッシュ化を行な
う。この処理は、設計図や実測により空形状の土倉をメ
ッシュ化し、各格子が交差する地点の三次元の座標Ｘｍ
２（ｉ、ｊ）、Ｙｍ２（ｉ、ｊ）、Ｚｍ２（ｉ、ｊ）を
求める。

【００５０】（１０）ブロックＦｊにおいては、土運船
に積載されている土量を計算する。この処理は、前記各
ブロックＦｈ、Ｆｉの処理を踏まえて、例えばＹ軸方向
の土砂の断面積を求め、この断面積をＸ軸方向に累積し
て土量を計算するものである。なお、土運船の土倉に積
載されている残土のみならず、土倉に土砂が満載状態の
場合の土量も計算することができる。

【００５１】次に、前記図８の各ブロックの処理につい
て、数式、および図面により具体的に説明する。なお、
３Ｄ型レ−ザ−プロファイラの設置位置（図２、図３の
Ｒ位置）を、以下簡単のため、機械設置位置という。

【００５２】図９の説明図において、機械設置位置のＸ
ＹＺ軸座標をＲ（０、０、０）とする。また、φをレ−
ザ−ビ−ムのＹ−Ｚ平面に対する発射角度、λをレ−ザ
−ビ−ムのＸ−Ｚ平面に対する発射角度、ＳＬを機械設
置位置から測定対象位置Ｐまでの距離、測定対象位置Ｐ
のＸ、Ｙ、Ｚ各軸座標をＰ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）とす
る。

【００５３】ここでＲ−Ｐ間の距離をＳＬとしているの
で、Ｐ点のＹ座標Ｙ１は、Ｙ１＝ＳＬ×ｓｉｎλ、とな
る。また、Ｒ−Ｑの距離をＱａとすると、Ｑａ＝ＳＬ×
ｃｏｓλ、となる。

【００５４】次に、Ｐ点のＸ座標であるＸ１を求める
と、Ｘ１＝−Ｑａ×ｓｉｎφ＝−ＳＬ×ｃｏｓλ×ｓｉ
ｎφ、となる。また、Ｐ点のＺ座標であるＺ１を求める
と、Ｚ１＝−Ｑａ×ｃｏｓφ＝−ＳＬ×ｃｏｓλ×ｃｏ
ｓφ、となる。このようにして、計算により測定対象位
置ＰのＸ、Ｙ、Ｚ各軸座標Ｐ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）が求
められる。このようにして、図８のブロックＦｃの処理
がなされる。

【００５５】図８のブロックＦｅにおいて、平面方程式
の最小二乗法による解法は、次のようになる。Ｘ、Ｙ、
Ｚ軸における基準面πの平面の方程式をＺ＝ａＸ＋ｂＹ
＋ｃ、とおく。ここに、ａ、ｂ、ｃは未知数である。ま
た、Ｎｋ個のデ−タの中でｉ番目のデ−タについては、
誤差をｄｉとすると、ｄｉ＝Ｚｉ−（ａＸｉ＋ｂＹｉ＋
ｃ）、となる。

【００５６】誤差の二乗は、（１）式で示される。

【００５７】

【数１】

【００５８】誤差の二乗を最小とするために、（１）式
をそれぞれａ、ｂ、ｃで微分し、その結果を０とおく
と、ａについて（２）式が得られる。

【００５９】

【数２】

【００６０】ｂについて（３）式が得られる。

【００６１】

【数３】

【００６２】ｃについて（４）式が得られる。

【００６３】

【数４】

【００６４】上記（２）〜（４）式は、ａ、ｂ、ｃ３つ
の未知数をもつ連立１次方程式であり、行列による
（５）式で表される。

【００６５】

【数５】

【００６６】ここで、Ａの行列を（６）式で表す。

【００６７】

【数６】

【００６８】また、Ａの行列式を（７）式で表す。

【００６９】

【数７】

【００７０】これより、ａは（８）式の行列式で表すこ
とができる。

【００７１】

【数８】

【００７２】また、ｂは（９）式の行列式で表すことが
できる。

【００７３】

【数９】

【００７４】また、ｃは（１０）式の行列式で表すこと
ができる。

【００７５】

【数１０】

【００７６】次に、図８のブロックＦｅにおいて、機械
軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の傾き補正のパラメ−タを求め
る。この機械軸の傾きは、基準面πの平面に対する投影
により求められる。ここで、基準面πを、Ｚ＝ａＸ＋ｂ
Ｙ＋ｃ、として表す。すなわち、基準面πをＸ、Ｙ、Ｚ
のパラメ−タで表すものである。但し、ａ、ｂは０では
ないものとする。この式を変形すると、−ａＸ−ｂＹ＋
Ｚ−ｃ＝０、となる。

【００７７】ここで、基準面πに鉛直なベクトル成分
（法線ベクトル）を、（ａ１、ｂ１、ｃ１）とおくと、
（ａ１、ｂ１、ｃ１）＝（−ａ、−ｂ、１）となる。し
たがって、図１０に示すように、Ｘ、Ｙ成分がそれぞれ
ａ１、ｂ１で表されるベクトルのＸＹ平面上での方向角
をθ０とすると、この方向角θ０が基準面πの傾きの方
向となる。

【００７８】ａ１＞０、すなわちａ＜０のときには、
（１１）式が成立する。

【００７９】

【数１１】

【００８０】また、ａ１＜０、すなわちａ＞０のときに
は、（１２）式が成立する。

【００８１】

【数１２】

【００８２】このときの、基準面πの回転軸の方向は、
θ１＝θ０＋９０度、となる。

【００８３】次に、図１１、図１２を参照して、基準面
πのＺ軸となす角度、すなわち、基準面πの傾きの角度
θ２を求める。前記のように、基準面πに鉛直なベクト
ル成分（法線ベクトル）を、（ａ１、ｂ１、ｃ１）とお
くと、各ベクトルの大きさと方向は図１１のように表さ
れる。また、各ベクトルの絶対値は、ａ、ｂ、１である
から、角度θ２は図１２のように表される。図１２よ
り、角度θ２は（１３）式で求められる。

【００８４】

【数１３】

【００８５】また、角度θ２は（１４）式で求めること
もできる。

【００８６】

【数１４】

【００８７】次に、図８のブロックＦｆにおける処理、
すなわち、土運船の基準面πに平行な三次元（ＸＹＺ）
座標への変換を行なうための座標変換について説明す
る。この処理では、ケ−ス１、ケ−ス２、ケ−ス３の３
つのケ−スで説明する。ケ−ス１では、空間上の任意の
点Ｐに関して、Ｘ−Ｙ軸をＺ軸の回りに角度θ０回転さ
せる。そして、回転されたＸ’−Ｙ’軸に対する点Ｐの
座標を求める。

【００８８】前記ケ−ス１の処理を図１３により説明す
る。図１３において、Ｏ−Ｐの長さをＬ、回転前の座標
軸Ｘ−Ｙに対するＰ点の座標をＸ１、Ｙ１、ＯＰとＸ軸
とのなす角をαとする。このときに、Ｘ１＝Ｌ×ｃｏｓ
α、Ｙ１＝Ｌ×ｓｉｎα、が成立する。また、座標軸Ｘ
−ＹをＺ軸の回りに角度θ０回転させたときの、座標軸
Ｘ’−Ｙ’に対する点Ｐの座標をＸ２、Ｙ２とする。Ｘ
２は、（１５）式で表される。

【００８９】

【数１５】

【００９０】また、Ｙ２は、（１６）式で表される。

【００９１】

【数１６】

【００９２】また、回転後のＺ軸の座標Ｚ２は、回転前
の座標Ｚ１と等しい。これより、回転後の座標Ｘ２、Ｙ
２、Ｚ２は、（１７）式で表される。

【００９３】

【数１７】

【００９４】前記（１７）式は、行列式では（１８）式
で表される。

【００９５】

【数１８】

【００９６】ケ−ス２の処理は、前記ケ−ス１の処理で
回転して得られた座標軸Ｘ’−Ｚにおける点Ｐの座標
を、Ｙ’軸のまわりに角度θ２回転し、回転後の座標軸
Ｘ’’−Ｚ’における点Ｐの座標を求める。ケ−ス２の
処理について、図１４を参照して説明する。

【００９７】回転後のＹ３の座標は回転前のＹ２の座標
と等しいので、回転後の各座標Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３は、
（１９）式で表される。

【００９８】

【数１９】

【００９９】（１９）式は、行列による式（２０）で表
される。

【０１００】

【数２０】

【０１０１】ケ−ス３の処理は、座標軸Ｙ−Ｚにおける
点Ｐの座標を、Ｘ軸のまわりに角度θｐ回転させるもの
である。ケ−ス３の処理について、図１５を参照して説
明する。回転前の点Ｐの座標を（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）と
する。また、座標軸Ｙ−ＺをＸ軸のまわりに角度θｐ回
転させた後の座標軸Ｙ’−Ｚ’における点Ｐの座標を
（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）とする。

【０１０２】図１５において、座標Ｘ１とＸ２は等しい
ので、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２は（２１）式で表される。

【０１０３】

【数２１】

【０１０４】（２１）式は、行列式では（２２）式で表
される。

【０１０５】

【数２２】

【０１０６】次に、図８のブロックＦｆの処理について
説明する。この処理では、機械軸に対するある点Ｐの座
標を（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）として、土運船基準面πに対
する変換後の座標をＰ’（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）とする。

【０１０７】また、前記図８のブロックＦｅにおいて、
機械軸の傾き補正のパラメ−タを求めるところで説明し
たように、土運船の基準面πにおいては、Ｚ＝ａＸ＋ｂ
Ｙ＋ｃ（ただし、ａ、ｂは０でない）となる。このとき
の、機械軸の傾きの方向はθ０、傾きの回転軸の方向は
θ１（θ１＝θ０＋９０度）、傾きの角度はθ２とな
る。

【０１０８】したがって、前記点Ｐから点Ｐ’への座標
変換は、図１６に示すようにステップ１〜ステップ３の
処理により求めることができる。ステップ１では、座標
軸Ｘ−ＹをＺ軸に対してθ０度回転させる。このときの
座標（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）は、（１７）式で求めたと同
様にして、（２３）式で表される。

【０１０９】

【数２３】

【０１１０】ステップ２では、ステップ１で得られた座
標をＹ軸回りにθ０度回転させる。このときの座標（Ｘ
３、Ｙ３、Ｚ３）は、（１９）式で求めたと同様にし
て、（２４）式で表される。

【０１１１】

【数２４】

【０１１２】ステップ３では、元の位置に戻すためにス
テップ２で得られた座標をＺ軸に対して（−θ０度）回
転させる。このときの座標（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）は、
（２５）式で表される。

【０１１３】

【数２５】

【０１１４】次に、図８のブロックＦｇの処理である土
運船の動揺補正について説明する。図１７は、土運船基
準面πに対して、機械軸の補正がなされた座標を用いた
場合のあるラインスキャニング方向の断面を、Ｘ軸方向
（土運船の船首から船尾方向）から投影した断面図であ
る。

【０１１５】ここで、ある１つのラインスキャン毎のデ
−タの内、予め土運船の両舷に設置された基準面の測定
点を、反射強度の強いものから抽出し、例えば左舷側の
点をＢ１、右舷側の点をＢ２とする。このときの座標を
Ｂ１（ＸＬ、ＹＬ、ＺＬ）、Ｂ２（ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ）
とする。また、基準面の土倉に対する高さをＺ０と仮定
し、点Ｂ１、Ｂ２の中点をＥとする。Ｚａは、Ｂ１−Ｂ
２を結ぶ直線に鉛直な線である。

【０１１６】このときに、計測された断面は、点Ｅを回
転の中心として、Ｂ１−Ｂ２を結ぶ直線を水平面Ｈとな
す角度でβだけ回転させる。Ｂ２（ＸＲ、ＹＲ、ＺＲ）
の座標は、Ｂ２’（ＸＲ’、ＹＲ’、ＺＲ’）に移動す
る。Ｚｂは、Ｂ１−Ｂ２’を結ぶ直線に鉛直な線であ
る。このような処理により、Ｙ軸に対して平行で、かつ
点Ｅが土倉の中心部に一致した断面形状に変換可能とな
る。

【０１１７】すなわち図１７に示されているように、土
運船が傾いて測定点のＢ１、Ｂ２のＺ軸方向の高さが異
なるために、鉛直線Ｚｂ方向からレ−ザ−ビ−ムでスキ
ャニングすると測定誤差が生じる。

【０１１８】このため、Ｂ２の位置をＢ２’の位置に移
動して（座標変換）、Ｂ１、Ｂ２’の高さがＺ軸方向に
対して同じ高さとなるようにしている。このような座標
変換を行なうことにより、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラ
を用いて土砂の表面までの距離を測定したときの測定値
に、土運船の動揺による誤差が生じないようにしてい
る。

【０１１９】次に、回転角度βの求め方について説明す
る。Ｘ軸に投影された点Ｂ１−Ｂ２を結ぶ直線の長さＢ
ｐは、（２６）式で求められる。

【０１２０】

【数２６】

【０１２１】（２６）式より、（２７）式が成立する。

【０１２２】

【数２７】

【０１２３】また、回転の中心の座標を（Ｘｃ、Ｙｃ、
Ｚｃ）とすると、各座標は（２８）式で求められる。

【０１２４】

【数２８】

【０１２５】動揺を補正する前の任意の点の座標を（Ｘ
ｉ、Ｙｉ、Ｚｉ）とすると、補正後の座標（Ｘ２、Ｙ
２、Ｚ２）は、前記（１７）式で求めたようにして、
（２９）式で表される。

【０１２６】

【数２９】

【０１２７】次に、図８のブロックＦｈに示されている
残土表面のメッシュ化処理について、図１８により説明
する。図１８は、土運船の平面図である。図１８に示さ
れているように、土倉内をＸ軸、Ｙ軸方向にそれぞれ格
子状に等間隔に分割する（但し、Ｘ軸、Ｙ軸方向の分割
間隔は同じでなくても良い）。各格子地点に対して、あ
る一定範囲内の地表面デ−タ（距離測定デ−タ）を平均
化して、当該格子地点の代表高さとする。

【０１２８】また、図８のブロックＦｉに示されている
空土倉のメッシュ化処理について、図１９により説明す
る。図１９は、空土倉の縦断正面図である。この処理に
おいては、前記残土表面のメッシュ化に用いられたと同
様にして、土倉を格子状に分割する。

【０１２９】土運船の動揺補正の計算時に設定した基準
面の高さをＺ０とすると、各格子位置での土倉のＺ座標
は、前記Ｚ０から土倉下部の位置ＺＵまでの高さを差し
引いたものとなる。このようにして求めた土倉のＺ座標
を、各格子の代表高さとして設定する。

【０１３０】次に、図８のブロックＦｊに示されてい
る、土量計算について図２０により説明する。図２０
は、残土を積載している土倉の縦断正面図である。この
処理においては、前記残土表面のメッシュデ−タと、空
土倉形状のメッシュデ−タとを、突き合わせる。そして
Ｙ軸方向の各断面毎に、残土表面の高さと空土倉の高さ
との差から断面積を算定する（斜線部分）。

【０１３１】３Ｄ型レ−ザ−プロファイラは、土運船の
船首から船尾方向にもフレ−ムスキャニングを行ってい
るので、前記断面積はＸ軸方向に累積されることにな
る。この結果、土倉に積載された残土の体積、すなわ
ち、残土の土量を計算することができる。この際には、
Ｘ軸方向に平均断面法で前記断面積を順次堆積し、これ
を累積することにより残土の量を求める。なお、図２０
では断面をＹ軸方向にとり、これをＸ軸方向に累積して
残土の量を求めているが、断面をＸ軸方向にとり、これ
をＹ軸方向に累積して残土の量を求めることもできる。

【０１３２】なお、上記の例では土運船ＳＰの動揺に起
因する測定誤差の補正について説明したが、３Ｄ型レ−
ザ−プロファイラを設置している作業船ＷＳも動揺し
て、３Ｄ型レ−ザ−プロファイラの機械軸の座標が変動
することも考えられる。このような場合にも、作業船Ｗ
Ｓが静止時の機械軸の座標を基準として座標変換を行な
うことにより、作業船ＷＳの動揺に起因する測定誤差を
補正することができる。

【０１３３】また、上記の例では、レ−ザ−測定器２と
演算制御装置３０を作業船ＷＳに設置しているが、これ
らの器具を陸上に設置することができる。すなわち、図
１に示した架台ＷＫを、土運船が接岸する地点に設置
し、レ−ザ−測定器２の測定値を、大型コンピュ−タを
設置している演算ステ−ションにケ−ブルで伝送する。
この測定値を大型コンピュ−タで解析、演算して、前記
のように、土運船の動揺に起因する測定誤差を補正して
土量を測定する。このようにデ−タ処理量が大きい大型
コンピュ−タで前記測定値を解析、演算すると、大型コ
ンピュ−タに入力される揚土地の施工管理等の他の各種
デ−タとの同時処理が可能となる。

【０１３４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に係る発明
は、土運船の土倉に積載した土砂に対してレ−ザ−ビ−
ムで三次元のスキャニングを行なうレ−ザ−測定器を設
け、土運船の動揺に起因する測定誤差を補正して土砂の
土量を演算している。このため、正確に土運船に積載さ
れた土量を測定することができる。

【０１３５】また、請求項２に係る発明は、レ−ザ−測
定器と、測定誤差の補正手段と、土量の演算手段とを陸
上の施設に設置している。このため、土運船の土量測定
装置の取り付けが安全にしかも簡単に行なえる。

【０１３６】また、請求項３に係る発明は、土運船と隣
接して配置した船舶上の施設に土量測定装置を設けてい
るので、土運船を陸地に接岸できないような場合に、水
上でも土量の測定ができる。このため、土量測定の自由
度が大きくなる。また、土運船と船舶の動揺に起因する
測定誤差を補正する手段を設けているので、土量測定装
置を船舶上の施設に設けた場合にも正確に土運船に積載
された土量を測定することができる。

【０１３７】また、上記請求項４に係る発明において
は、レ−ザ−測定器の測定デ−タに基づいて、土運船の
動揺補正を行ないつつ土量測定を行っているので、迅速
に、かつ正確に土運船に積載された土量を測定すること
ができる。

【０１３８】また、上記請求項５に係る発明において
は、土運船に積載された土量を測定するための各処理を
陸上の施設で実施している。このため、大型の演算装置
の設置が容易であり、揚土地の施工管理等の各種デ−タ
との同時処理が可能となる。

【０１３９】また、上記請求項６に係る発明において
は、土運船に積載された土量を測定するための各処理を
船舶上の施設で実施している。このため、水面の埋立て
作業時のように、水上において土運船に積載された土量
の測定が必要な場合に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である土量測定の概要を示
す斜視図である。

【図２】土運船の縦断正面図である。

【図３】土運船の縦断側面図である。

【図４】土運船の平面図である。

【図５】土運船の動揺を示す説明図である。

【図６】図５の動揺を補正した状態を示す説明図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態である土量測定装置のブロ
ック図である。

【図８】本発明の処理手順を示すフロ−チャ−トであ
る。

【図９】本発明による土量計算の説明図である。

【図１０】本発明による土量計算の説明図である。

【図１１】本発明による土量計算の説明図である。

【図１２】本発明による土量計算の説明図である。

【図１３】本発明による土量計算の説明図である。

【図１４】本発明による土量計算の説明図である。

【図１５】本発明による土量計算の説明図である。

【図１６】本発明による土量計算の説明図である。

【図１７】土運船の断面図である。

【図１８】土運船の平面図である。

【図１９】土運船が空土倉の状態を示す縦断正面図であ
る。

【図２０】土運船が土倉に残土を積載した状態を示す縦
断正面図である。

【図２１】本発明に係る土運船の適用例を示す説明図で
ある。

【図２２】土運船の土倉底部を開放できる構成とした一
例を示す概略の断面図である。

【図２３】図２２の土倉底部を開放した状態を示す概略
の断面図である。

【図２４】土運船の一例を示す概略の縦断側面図であ
る。

【図２５】従来の土運船の使用例を示す説明図である。

【符号の説明】

ＳＰ 土運船 ＳＰａ コ−ミング部 ＳＰｂ 甲板 π 基準面 Ｈ 水面 ＷＳ 作業船 ＷＫ 架台 Ｒ レ−ザ−測定器

フロントページの続き (72)発明者 藤井 隆士郎 兵庫県尼崎市西長州町１丁目１番15号 国 際航業株式会社内 (72)発明者 池内 章雄 大阪府大阪市北区東天満２丁目10番14号 三井不動産建設株式会社内 (72)発明者 田中 哲司 大阪府大阪市北区東天満２丁目10番14号 三井不動産建設株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA04 AA06 AA53 AA59 BB05 CC00 DD11 EE05 FF11 FF65 GG04 HH04 LL15 LL62 MM13 MM16 PP01 QQ00 QQ03 QQ17 QQ18 QQ23 QQ42 2F112 AD10 BA02 BA06 CA08 GA10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 土運船の土倉に積載した土砂に対して、
   レ−ザ−ビ−ムで三次元のスキャニングを行ない、レ−
   ザ−ビ−ムのスキャニング角と土砂の表面までの距離と
   を測定するレ−ザ−測定器と、前記レ−ザ−測定器によ
   る測定値に対して土運船の動揺に起因する測定誤差の補
   正手段と、土砂の土量の演算手段とを設けたことを特徴
   とする土運船の土量測定装置。
2. 【請求項２】 前記レ−ザ−測定器と、測定誤差の補正
   手段と、土量の演算手段とを陸上の施設に設置したこと
   を特徴とする、請求項１に記載の土運船の土量測定装
   置。
3. 【請求項３】 前記レ−ザ−測定器と、測定誤差の補正
   手段と、土量の演算手段とを土運船と隣接して配置され
   る船舶上の施設に設置したことを特徴とする、請求項１
   に記載の土運船の土量測定装置。
4. 【請求項４】 レ−ザ−測定器を設置するステップと、
   レ−ザ−測定器からレ−ザ−ビ−ムを出力し、土運船に
   積載された土砂に対して三次元のスキャニングをするス
   テップと、レ−ザ−ビ−ムのスキャニング角と土砂表面
   からの反射ビ−ムに基づく距離とのデ−タを入力するス
   テップと、土運船および船舶の動揺に起因する測定誤差
   の因子を演算するステップと、当該因子により前記スキ
   ャニング角と土砂表面からの反射ビ−ムに基づく距離と
   のデ−タを修正するステップと、前記修正されたデ−タ
   に基づいて土砂の断面積を演算するステップと、該断面
   積を累積して土砂の土量を演算するステップとからなる
   ことを特徴とする土運船の土量測定方法。
5. 【請求項５】 前記各ステップを陸上の施設において実
   施することを特徴とする、請求項４に記載の土運船の土
   量測定方法。
6. 【請求項６】 前記各ステップを土運船と隣接して配置
   される船舶上の施設において実施することを特徴とす
   る、請求項４に記載の土運船の土量測定方法。