JP2004044372A

JP2004044372A - 沈埋函沈設誘導装置と沈設誘導方法および水中での距離計測方法

Info

Publication number: JP2004044372A
Application number: JP2003136530A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kimura; 木村　茂喜; Kiichi Kaneko; 金子　貴一; Katsuyasu Jibiki; 地引　克康
Original assignee: Wakachiku Construction Co Ltd
Current assignee: Wakachiku Construction Co Ltd
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP3796488B2

Abstract

【課題】沈埋函工法において新規沈埋函を既設立坑または既設沈埋函に高い精度で接合する。沈設に要するコストの低減を図る。
【解決手段】既設沈埋函１に設置され外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体５を発光させ、新設する新規沈埋函２に設置したＣＣＤカメラ６によってこのパターンターゲット被写体５が発する光を捉え電気信号に変換し、ＣＣＵによって中継したこの電気信号をビデオキャプチャーでデータ変換し、電子計算機によってこの変換されたデータを解析しパターンターゲット被写体５に対するＣＣＤカメラ６の相対位置座標および向きを連続して演算処理し、演算処理した相対位置座標および向きに基づき新規沈埋函２の沈設作業時の既設沈埋函１に対する距離計測と誘導とを行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沈埋函沈設誘導装置と沈設誘導方法および水中での距離計測方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、既設立坑または既設沈埋函に新規沈埋函を接合する作業時に新規沈埋函の相対位置出しと誘導を行うための技術、および基準点から水中構造物までの相対距離など水中における距離を計測するための技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基準点から水中構造物までの相対距離など水中における２点間距離を計測するための従来の手法としては、▲１▼水圧によるもの、▲２▼超音波によるもの、▲３▼テープ（メジャー）によるもの、▲４▼レーザーによるものがある。
【０００３】
▲１▼の水圧による水中距離計測法は、図１３に示すように通信ケーブル１０２により計測表示器１０３と接続された水圧センサ１０１を用い、水圧差を利用して垂直方向の距離（深さ）Ａを算出するものである。この場合、図１４に示すように通信ケーブル１０２の巻取器１０４を基準点（深さＡ）とし、潜水士が水圧センサ１０１を移動したときの基準点に対する相対距離（深さ）Ｂを求めることによって総距離（深さ）Ａ＋Ｂを求めることができる。
【０００４】
▲２▼の超音波による水中距離計測法は、例えば図１５に示すように測量船１１２や曳航体１１３の底部に設置された超音波センサ１１１の送受波器から超音波を発射し、海底面で反射した超音波を送受波器で受信して距離（深さ）Ａを算出する方法である。
【０００５】
▲３▼のテープ（メジャー）による水中距離計測法は、図１６に示すように少なくとも二人の潜水士が水中に潜って２点間にテープ１２１を張りこのテープ１２１の長さを直読して２点間距離を求めるという方法である。
【０００６】
さらに、近年、▲４▼レーザ光を用いた水中距離計測法が研究されている。この方法は、例えば図１７に示すように光ファイバケーブル１３３によってレーザ発振装置１３２と接続されたレーザ照射装置１３１、およびケーブル１３６によって映像表示装置１３５と接続された映像装置１３４を用い、図１８に示すようにレーザ照射装置１３１によって照射された被写体１３７のパルス光を映像装置１３４によって取り込み被写体１３７までの距離を測定しようというものである。符号１３８と１３９はそれぞれレーザ発振装置１３２に接続されている冷却装置とコントロールパネルとを示している。
【０００７】
また、以上のような水中距離計測技術は、例えば海底トンネル築造において、新規沈埋函を水中に沈めて既設立坑または既設沈埋函に順次接合する沈埋函工法の相対距離計測手法として利用されている。
【０００８】
例えば図１９〜図２１に示す沈埋函工法においては、既設沈埋函２０１に超音波送波器２０３、新規沈埋函２０２に超音波受波器２０４をそれぞれ設置し、送波器２０３から送波される超音波を受波器２０４で受信するという超音波方式（ＳＢＬ（Ｓｈｏｒｔ　Ｂａｓｅ　Ｌｉｎｅ）装置）が採用されている。ここでは、既設沈埋函２０１と新規沈埋函２０２との距離を測定してパソコン２１０により演算し、モニタ２１１上に位置を表示し両沈埋函２０１，２０２の取り合いを確認しながら所定位置に新規沈埋函２０２を沈設して既設沈埋函２０１と接合するようにしている。送波器２０３は、例えば台船２０５などのポンツーン上から配線された浮き構造の同期ケーブル２０６ａおよびこの同期ケーブル２０６ａに接続されたブイケーブル２０６ｂを介して電力供給されている。また受波器２０４は、例えばポンツーン上から配線された受信ケーブル２０７によって電力供給されかつ通信が行われている。同期ケーブル２０６ａとブイケーブル２０６ｂはブイ固定ロープ２０９に繋がれた中継ブイ２０８によって中継されている。なお、符号２１３は台船２０５上の操作室、２１４はケーブルリールを示している。
【０００９】
また、このような沈埋函工法に関する技術の一例として、「水中に吊り下げられた物体の測量方法及び装置」に関する技術（例えば特許文献１参照）が開示されている（本願の図１２参照。符号は特許文献１におけるものと同じである）。ここでは、新規沈埋函と既設沈埋函のより正確な整合（接合）を図るため、予め既設沈埋函の接続端部にテレビカメラ５６を配置し、新設沈埋函の接続端部に３つの光源５８を配置している。テレビカメラ５６および光源５８は、各接続端部に設けられたバルクヘッドに取り付けられている。
【特許文献１】
特開２００１−２０１３４６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、▲１▼〜▲４▼として掲げた水中距離計測方法はそれぞれ以下のような問題点がある。すなわち、▲１▼の場合は水平方向の距離が算出できない。▲２▼の場合は水温変化、塩分濃度変化により超音波の速度が変わるため精度が劣化しキャリブレーションが必要となる。また、距離測定位置精度が±５０ｍｍ程度に留まる。さらに、濁水中においては超音波が散乱するため測定不能となる。▲３▼の場合は少なくとも二人の潜水士が潜る必要があるという原始的な手法であるため手間がかかる。また、▲４▼の手法は未だ実用に至っていない。
【００１１】
また、図１９〜図２１に示した沈埋函工法においては以下のような問題点がある。すなわち、送波器２０３へのケーブル（同期ケーブル２０６ａ、ブイケーブル２０６ｂ）の配線やケーブルリール２１４の設置ならびに中継ブイ２０８の敷設が必要であり、準備に手間がかかるとともに設備コスト・設置コストが高価となる。また、事前のキャリブレーションに時間を要しメンテナンスも煩雑である。さらに、機械距離精度は±５０ｍｍ程度となっており接合時の位置確認に手間がかかり、また沈埋函は長大な構造物のため接合時の位置精度が悪い場合には反接合側の函端位置誤差が大きくなり、順次行われる接合作業時に修正等の支障をきたし位置修正にともなう多大なコストや工程の大幅変更等が生じる。また従来は既設沈埋函２０１と新規沈埋函２０２との端面間距離の把握、及び新規沈埋函２０２の端面に設置されているガスケットが、既設沈埋函２０１と新規沈埋函２０２との接合時に新規沈埋函２０２の反接合側からの水圧により既設沈埋函側へ押し付けられることにより、つぶれて密着し止水が図られるためこのつぶれ量が計画つぶれ量となっているかを確認するために、新規沈埋函２０２の前面四隅にストローク検出器２１２やこれを受けるブラケット形状の受け座２１５を付加設置し、機械式位置検出による確認作業も並行して行っており、設備費の増大と作業手間の更なる増大を招いている。このストローク検出器２１２を設置するのは、超音波方式による沈埋函沈設誘導精度が悪く、位置確認に不安要素が大きいことに他ならない。
【００１２】
また、従来の「水中に吊り下げられた物体の測量方法及び装置」に関する技術（例えば特許文献１参照）には以下のような問題点がある（図１２参照）。すなわち、ここでは画像処理装置６２によるデータを海底側の無線送信機６６と台船側の無線受信機６８とを介して取得することから、海底側と台船側とが互いに無関係な構造となっていない。したがって、双方間に障害物がある場合、無線送受信機６６，６８に何らかの故障が発生した場合、電源が落ちた場合などに情報が取得できなくなるおそれがある。また、画像処理装置６２と計測表示装置７０が別々に配置されてそれぞれが別システムとなっているため装置コストが増大するし、いずれかのシステムに異常が出た場合には点検作業等の人的手間も増大する。しかも、作業員は通常台船側にいるため、海底側で異常が生じた場合には通船等でそちらに作業員が渡るか、予め作業員を配備しておくといった必要があり効率に劣る。
【００１３】
また、複数の光源と複数のテレビカメラを既設沈埋函及び新規沈埋函に配置するため、設備費と設置費が増大する。さらに、既設沈埋函と新規沈埋函とに高さ方向段差もしくは横方向ずれがある場合、カメラのレンズが広角でないかぎり光源を捉える事ができず、計測できないこととなり、また広角であるとしても計測精度は極端に悪くなり、沈埋函の誘導を行う事が困難となる。なお、このことについての詳細な記述は無い。加えて、沈埋函沈設工事が行われる箇所は水中が濁っていることが多く、濁った水中下で発光する光源は、ハレーション現象を生じるためこの光源をテレビカメラで捉えることが困難となり、計測が出来ずに沈埋函の誘導を行う事が困難となる。なお、このことに対する対策及び詳細な記述は見あたらない。
【００１４】
そこで本発明は、沈埋函工法において新規沈埋函を既設立坑または既設沈埋函に高い精度で接合できる上、沈設に要するコストの低減を図ることのできる沈埋函沈設誘導装置と沈設誘導方法を提供することを目的とする。併せて本発明は高精度な計測が可能で測量分野に幅広く利用できる水中での距離計測方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、新規沈埋函を水中に沈めて既設立坑または既設沈埋函に接合する沈埋函沈設誘導装置において、既設立坑または既設沈埋函に設置され外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体と、このパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換する新規沈埋函に設置されたＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラが格納される前面に耐圧窓を有した耐圧防水型の格納箱と、ＣＣＤカメラが変換した光の電気信号を中継するＣＣＵと、このＣＣＵとＣＣＤカメラとを連結するカメラケーブルと、ＣＣＵから送られる電気信号を変換するビデオキャプチャーと、このビデオキャプチャーによって変換されたデータを解析しパターンターゲット被写体に対するＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理しモニタに表示する電子計算機とを有し、演算処理した相対位置座標および向きに基づき新規沈埋函の沈設作業時の距離計測と誘導とを行うことを特徴とするものである。
【００１６】
この沈埋函沈設誘導装置において既設立坑または既設沈埋函側に設置されるのは独立した光源として機能する例えば２個のパターンターゲット被写体（５）のみであり、新規沈埋函側に設置されたＣＣＤカメラ（６）によってこのパターンターゲット被写体（５）が撮影され、新規沈埋函側の電子計算機（１１）でデータが解析される（図８参照）。このため、海底の既設立坑または既設沈埋函と新規沈埋函との間での無線通信等は不要となり、既設立坑または既設沈埋函側のシステムと新規沈埋函側のシステムとが障害や故障等の影響を受けない独立構造となる。したがって、システム費も安く故障等の際の確認も簡単でトラブルも起きにくい沈設誘導装置を構成することができる。しかも、ここでは撮像手段として高い解像度が得られるＣＣＤカメラが用いられていることから距離や方向を高精度に測定することが可能となる。したがって、かかる高精度な測定データに基づき新規沈埋函を既設立坑または既設沈埋函に高精度で接合することが可能となる。なお、本発明は狭義の立坑のみならず斜坑等にも適用可能であるものであり、本明細書における「立坑」にはこのような斜坑等が含まれる。
【００１７】
この沈埋函沈設誘導装置においては、請求項５記載の発明のように、パターンターゲット被写体は偏光スクリーン付きであって２箇所に設けられ、ＣＣＤカメラは広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラとが一体となった一体型カメラであって２箇所のパターンターゲット被写体のそれぞれに対応して設けられ、さらに収納箱の耐圧窓の前面に偏光スクリーンが設けられていることが好ましい。パターンターゲット被写体と、ＣＣＤカメラを格納する格納箱の耐圧窓の前面に偏光スクリーンを設置することにより、水中が濁っている沈埋函沈設工事場所においても、発光する光源はハレーション現象を生じないため、この光源をＣＣＤカメラで捉えることが出来、高精度な計測が可能となる。加えて、ＣＣＤカメラは広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラを一体型としているため、新規沈埋函の誘導時に既設沈埋函と新規沈埋函との高さ方向に段差がある場合、もしくは横方向のずれがある場合でも広角レンズを備えたＣＣＤカメラでパターンターゲット被写体を捉えることが出来、支障なく誘導することが可能となる。さらにこの状態で新規沈埋函を誘導し、段差及び横ずれが小さくなった時点では標準レンズを備えたＣＣＤカメラでパターンターゲット被写体を捉えることが出来るため、高精度で誘導することができる。また、光源をパターン化しているため、光源は２個のみで済み設備費、設置費が安価となり、かつ認識精度が良くなる。
【００１８】
請求項２記載の発明の沈埋函沈設誘導方法は、既設立坑または既設沈埋函に設置され外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体を発光させ、新設する新規沈埋函に設置したＣＣＤカメラによってこのパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換し、ＣＣＵによって中継したこの電気信号をビデオキャプチャーでデータ変換し、電子計算機によってこの変換されたデータを解析しパターンターゲット被写体に対するＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理し、演算処理した相対位置座標および向きに基づき新規沈埋函の沈設作業時の既設立坑または既設沈埋函に対する距離計測と誘導とを行うことを特徴とするものである。
【００１９】
この沈埋函沈設誘導方法では、既設立坑または既設沈埋函側に設置したパターンターゲット被写体を独立した光源として機能させ、新規沈埋函側に設置されたＣＣＤカメラによってこのパターンターゲット被写体を撮影し新規沈埋函側でデータ解析する（図８参照）。この場合、既設立坑または既設沈埋函側のシステムと新規沈埋函側のシステムとを互いに独立した構造とすることが可能となることから、システム費も安く故障等の際の確認も簡単な構成で沈埋函を沈設することができる。しかも、ＣＣＤカメラを用いて高い解像度を得るようにしていることから距離や方向を高精度で測定することができる。したがって、かかる高精度な測定データに基づき新規沈埋函を既設立坑または既設沈埋函に精度よく接合することができる。
【００２０】
この沈埋函沈設誘導方法においては、請求項６記載の発明のように、パターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きであって２箇所に設けられたものを用い、ＣＣＤカメラとして広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラとを一体とした一体型カメラであって２箇所のパターンターゲット被写体のそれぞれに対応して設けられたものを用いることが好ましい。このようにパターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きのものを用いた場合、水中が濁っている沈埋函沈設工事場所においても発光する光源はハレーション現象を生じなくなるためこの光源をＣＣＤカメラで捉えることが出来、高精度な計測が可能となる。加えて、ＣＣＤカメラは広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラを一体型としたものであるため、新規沈埋函の誘導時に既設沈埋函と新規沈埋函との高さ方向に段差がある場合、もしくは横方向のずれがある場合でも広角レンズを備えたＣＣＤカメラでパターンターゲット被写体を捉えることが出来、支障なく誘導することが可能となる。さらにこの状態で新規沈埋函を誘導し、段差及び横ずれが小さくなった時点では標準レンズを備えたＣＣＤカメラでパターンターゲット被写体を捉えることが出来るため、ここからは高精度で誘導することが可能となる。また、光源をパターン化しているため、光源は２個のみで済み設備費、設置費が安価となり、かつ認識精度が良くなる。
【００２１】
請求項３記載の発明の水中での距離計測方法は、外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体を水中で発光させ、ＣＣＤカメラによってこのパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換し、ＣＣＵによって中継したこの電気信号をビデオキャプチャーでデータ変換し、電子計算機によってこの変換されたデータを解析しパターンターゲット被写体に対するＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理して相対距離を求めることを特徴とするものである。
【００２２】
この距離計測方法の場合、水平・垂直距離を短時間でリアルタイムに測定表示でき、水温変化による精度劣化が少なくキャリブレーションが不要である。また、精度は０〜±１０ｍｍ程度と高精度測量が可能となる上、１０ｐｐｍ程度以下の濁水中においても測定可能であり、水中構造物の位置出し・誘導・測量、水中距離測量、水中法線測量、水中調査測量、水中基準点設置測量等の水中における距離計測・測量・調査等測量分野に幅広く利用できる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の水中での距離計測方法においてＣＣＤカメラを方位角度測定盤付三脚で支持することを特徴とするものである。この場合、通常陸上で行われるような三角測量法が可能となり、ＣＣＤカメラを任意の位置に設置して位置出しすることができる。
【００２４】
また水中での距離計測方法においては、請求項７に記載の発明のように、パターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きの単一の被写体を用い、ＣＣＤカメラとして標準レンズもしくは広角レンズを備えた１台のＣＣＤカメラを用いることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
ここでは、まず図４および図５に本発明の一実施形態として水中での任意の２点間距離の計測に適した装置（以下「水中距離計測装置」という）について説明し、その後、この水中距離計測装置を沈埋函沈設作業に適用した形態について説明する。
【００２７】
図４、図５に示すように、水中距離計測装置は、パターンターゲット被写体５、ＣＣＤカメラ６、格納箱７、ＣＣＵ８、カメラケーブル９、ビデオキャプチャー１０、電子計算機１１およびモニタ１２を有し、演算処理して得られた相対位置座標と向きに基づきＣＣＤカメラ６からパターンターゲット被写体５までの水中相対距離を計測するものである。図４に示すように、ＣＣＵ８、ビデオキャプチャー１０、電子計算機１１およびモニタ１２は台船３上に設けられた操作室４内に設置されている。また水中のＣＣＤカメラ６と船上のＣＣＵ８とはカメラケーブル９によって接続されている。
【００２８】
パターンターゲット被写体５は発光体を備えた耐圧防水型の被写体で、例えばこのパターンターゲット被写体５を支持する足つきの基台１３により水底の任意位置に設置することが可能となっている。特に図示していないがこのパターンターゲット被写体５は発光体を少なくとも所定期間発光させるための長寿命バッテリーを内蔵していることから、外部の給電源と接続するためのケーブルやこのケーブルを保持するための中継ブイ等が不要である。ここでいう所定期間は水中距離計測装置の用途等により様々であるが、例えばこの水中距離計測装置が沈埋函沈設に適用される場合であれば既設立坑または既設沈埋函に新規の沈埋函を接合する作業に十分な期間であり、この期間や発光体の定格等に応じてバッテリー容量が決定される。
【００２９】
またパターンターゲット被写体５としては単に発光体を光らせるものであっても足りるが、画像認識をより鮮明とし認識精度を向上させるためには、複数の被写体を有するようにパターン化されたものが好ましい。この場合、発光体を実際に複数個としてもよいが、例えば図４に示すように１個のパターンターゲット被写体５の前面をマスキングすることによって単一の発光体でありながらも光源を複数とすることができる。本実施形態では、図示するように４点の丸孔が四角に配置されるようなマスキングをして光源を４点としている。ここでパターンターゲット被写体５の詳細例を示すと、被写体箱１７の中に光源１８が収容されるとともに箱前面にはマスキングスクリーン１９が設けられ、さらにその前面には偏光スクリーン２０が設けられている（図９参照）。
【００３０】
水中画像処理カメラとしてのＣＣＤカメラ６はパターンターゲット被写体５が発する光を捉えて電気信号に変換するもので、ＣＣＤカメラ自体高解像度の画像を得ることが可能であるが、中でも画素数が多いもの（例えば画素数１，６００×１，２００程度のもの）がパターンターゲット被写体５までの水中距離を高精度で計測し得る点で好ましい。このようにＣＣＤカメラ６を用いた場合、通常のＴＶカメラ画像（例えば画素数３２０×３２０程度）に比較して極めて高い分解能が得られる。また、水中で使用されるＣＣＤカメラ６は例えば前面に耐圧窓２５（図１０参照）を有した耐圧防水型の格納箱７のような耐圧防水手段に収納されている。この格納箱７の耐圧窓２５は、例えば耐圧アクリルガラスなどのように耐圧性がありパターンターゲット被写体５が発する光を遮らない材質によって形成されている。ＣＣＤカメラ６を収納した収納箱７は足つきの基台１４により水底に設置することが可能となっている。
【００３１】
ここで、ＣＣＤカメラ６として、広角レンズを備えたＣＣＤカメラ６ａと標準レンズを備えたＣＣＤカメラ６ｂとが一体となった一体型カメラを用いることも好ましい。このような一体型のＣＣＤカメラ６の一例を図１０に示す。図示するようにここでは広角レンズを備えたＣＣＤカメラ６ａと標準レンズを備えたＣＣＤカメラ６ｂとが収納箱７内に真横に並ぶように配置されている。ただしこれには限らず、例えば図１１に示すように上下に配置しても構わない。このように広角のＣＣＤカメラ６ａと標準のＣＣＤカメラ６ｂとを備えた一体型のＣＣＤカメラ６は、広角のＣＣＤカメラ６ａによってパターンターゲット被写体５を広範囲で捉えるとともに、このパターンターゲット被写体５までの距離を標準のＣＣＤカメラ６ｂによって高精度で測定することができる。すなわち、ＣＣＤカメラ６の位置がパターンターゲット被写体５から遠い範囲では広角のＣＣＤカメラ６ａにより距離計測と誘導とを行うのでたとえＣＣＤカメラ６とパターンターゲット被写体５との位置ずれが大きくてもこのパターンターゲット被写体５を捕捉することが可能であり、また、至近距離（例えば１ｍ〜２ｍ程度）となったところでカメラを標準のＣＣＤカメラ６ｂに切り換えることにより、距離計測、誘導、水中での位置出しをより高精度に行うことが可能となる。なお、収納箱７の耐圧窓２５の前面には偏光スクリーン２６が設けられている。パターンターゲット被写体５に設けられた偏光スクリーン２０とＣＣＤカメラ６のこの偏光スクリーン２６とにより、たとえ沈埋函沈設工事場所において水中が混濁しているような状況下であってもハレーション現象を抑え、光源すなわちパターンターゲット被写体５をＣＣＤカメラ６で捉え、高精度で距離計測および誘導を行うことが可能となっている。
【００３２】
なお、パターンターゲット被写体５を支持する足つきの基台１３は図５に示すような三脚とすることができる。この場合、水底の形状にかかわらずパターンターゲット被写体５を安定した状態で水底に設置することが可能となる。同様に、ＣＣＤカメラ６を収納した収納箱７を支持する足つきの基台１４も三脚とすることができる。この場合、方位角度測定盤付きの三脚とすることで通常陸上で行われるような三角測量法が可能となる。すなわち、まず基準点にＣＣＤカメラ６を設置し、リファレンス位置（図５中において想像線で示す位置）にパターンターゲット被写体５を設置し、距離と方位または角度とを計測後、このパターンターゲット被写体５を任意の位置に設置し基準点とリファレンス位置間の距離測定ならびにリファレンス位置とパターンターゲット被写体５間の角度を計測する等により任意位置の位置出しが行える。
【００３３】
ＣＣＵ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）８はＣＣＤカメラ６が変換した光の電気信号を中継する通信制御装置で、電気信号を電子計算機１１が処理できるように組み立てる。また、ビデオキャプチャー１０はこのＣＣＵ８と電子計算機１１との間に設けられ、ＣＣＵ８から送られる電気信号を変換して電子計算機１１に送信する。本実施形態のビデオキャプチャー１０には必要なＰＣカードが含まれる。電子計算機１１は、ビデオキャプチャー１０によって変換されたデータを解析しパターンターゲット被写体５に対するＣＣＤカメラ６の相対位置座標および向きを連続して演算処理しモニタ１２に表示する装置であり、例えば計測ソフトが組み込まれたパソコンがこの水中距離計測装置における電子計算機１１として使用される（以下「パソコン１１」という）。パソコン１１は台船３上の操作室４内に設けられることによって操作室４内での操作および計測データの入手・解析を可能としている。
【００３４】
以上のような水中距離計測装置は、ＣＣＤカメラ６でパターンターゲット被写体５を撮影し、１個のパターンターゲット被写体５内の複数個の光源の各中心位置を結ぶ多角形の面積と、パターンターゲット被写体５からＣＣＤカメラ６までの距離との関係を演算処理することによって、基準点（ＣＣＤカメラ６）から被測定点（パターンターゲット被写体５）までの距離を算出できる。算出された基準点から被測定点までの距離はパソコン１１のモニタ１２に表示される。このような水中距離計測装置は、例えば港湾工事、河川工事、湖沼工事、ダム工事における水中構造物の位置出し・誘導・測量、水中距離測量、水中法線測量、水中調査測量、水中基準点設置測量等、水中における距離計測・測量・調査等に幅広く適用可能である。
【００３５】
続いて、以上のような水中距離計測装置を沈埋函沈設誘導装置として沈埋函沈設作業に適用した形態を以下に説明する。
【００３６】
沈埋函沈設作業は、図１〜図３に示すように台船３で新規沈埋函２を吊り下げた状態で既設沈埋函１との接合位置まで移動させた後この既設沈埋函１と接合させるという作業である。台船３は例えば図１に示すような前後２機のプレーシングポンツーンで構成される（ただし図２と図３ではこれを簡略化して１機のポンツーンとして表示している）。また台船３上の操作室４は動力・制御ケーブル１５によって測量塔１６と接続されている（図１参照）。
【００３７】
測量塔１６は、新規沈埋函２のＸＹＺ位置を出すために設置されている。この測量塔１６の最上部には光波測量機用の反射ミラーまたはＧＰＳのアンテナが設置され、光波測量の場合には陸上側に設けた光波測距儀にて反射ミラーを追尾して距離測量を行い、新規沈埋函２のＸＹＺ位置を計算して出す。これにより、ＣＣＤカメラ６の使用範囲に入るまでは測量塔１６を使用した光波もしくはＧＰＳ測量により新規沈埋函２のＸＹＺ位置を出し、使用範囲に新規沈埋函２が位置したときにＣＣＤカメラ６による誘導に切り替える。
【００３８】
パターンターゲット被写体５は既設沈埋函１に予め設置される。本実施形態では、図１〜図３に示すように沈埋函１上であって新規沈埋函２が接合される側の上部位置に２個のパターンターゲット被写体５を幅方向に並ぶように配置している。また、特に図示していないがこれらパターンターゲット被写体５には単独長寿命バッテリーが組み込まれており、パターンターゲット被写体５を新規沈埋函２と接続するためのケーブルやこのケーブルを保持するための中継ブイ等を不要としている。
【００３９】
一方、ＣＣＤカメラ６は、上記２個のパターンターゲット被写体５と対応するように新規沈埋函２の先端側（既設沈埋函１と接合される側）の上面に２個設置されている。本実施形態ではこのＣＣＤカメラ６のレンズとして広角レンズもしくは魚眼レンズを用い、新設沈埋函２の沈設時、既設沈埋函１に対しＸ方向（あるいはＹ方向、Ｚ方向）の位置ずれが生じたとしてもＣＣＤカメラ６でパターンターゲット被写体５を確実に捉えられるようにして誘導不能に陥ることがないようにしている。各ＣＣＤカメラ６は前面に耐圧窓２５を有した耐圧防水型の格納箱７に収納されている。また、ＣＣＤカメラ６はカメラケーブル９でＣＣＵ８と接続されている。ＣＣＵ８、ビデオキャプチャー１０およびパソコン１１は台船３の操作室４内に設けられている（ただし、図１〜図３においてはＣＣＵ８およびビデオキャプチャー１０の図示を省略している）。
【００４０】
さらに、新設沈埋函２の函内にはこの新規沈埋函２が移動し既設沈埋函１に接合されるまでの傾斜を測定する傾斜計２１が設けられている。この傾斜計２１は、傾斜計ケーブル２２によって新設沈埋函端部に設ける貫通ピースを介して操作室４内のパソコン１１と接続されている。また、新規沈埋函２には図示しないシンカーを繋ぎ止めるための複数の係止部２４が設けられている。
【００４１】
続いて、この沈埋函沈設誘導装置における計測ソフトを利用した処理例を図６に示す。まず、サーチモデルエリア登録を行う。ＣＣＤカメラ６によって参照画像を取り込み、モニタ１２上に映し出された静止画像を目視確認しながら（ステップ１）、ＣＣＤカメラ６で撮影を行う範囲（サーチモデルエリア）を手動で登録する（ステップ２）。手動登録は例えば画面内でエリアを指定することによって行う。その後、この登録内容に基づき距離計測の連続実行をする。距離計測連続実行は、まず登録された範囲の画像を取り込み（ステップ３）、ターゲットモデルと照合したときの相関度を関数計算によりサーチし（ステップ４）、解析に必要な画像が得られたかどうか判断する（ステップ５）。必要な画像が得られればステップ７以降に進むが、得られていなければＮＧ表示をし（ステップ６）、再び画像を取り込む（ステップ３）。ステップ７ではサーチ結果から抜き取ったエリアの画像データを２値化またはラベリングしてパターンターゲットを抽出し、その後、この抽出画像内のターゲット（光源）の個数ｉとサイズを計測する（ステップ８）。本実施形態の場合、上述したように光源を４点としているので、抽出画像内の個数の判断を行い（ステップ９）、ｉ≠４ならばＮＧ表示をし（ステップ６）、ステップ３に戻る。一方、ｉ＝４ならばサーチモデルエリアを更新（ここでいう更新にはエリアサイズ更新が含まれる）した後で（ステップ１０）、再び相関サーチを行う（ステップ４）。画像内にターゲット全体が映し出されている間は、このように相関サーチを行うことによりターゲットを自動追尾できる。自動追尾が行われている場合は、ＸＹＺ座標と、ローリング、ピッチング、ヨーイングの各角度とを計算して（ステップ１１）データ表示する（ステップ１２）。その後、ステップ３に戻って処理を繰り返す。以上の処理による連続処理計測は例えば０．５秒サイクルで連続実行される。この計測処理の場合、サーチモデルを毎サイクル更新することにより、近付くことによって刻々と変化するパターンターゲット被写体５を細かにかつ正確に認識することが可能である。なお、ステップ４、ステップ７とも良好の場合、ステップ１１にて座標、角度計算がされる。ステップ４、ステップ７でミスがあった場合にはステップ５、ステップ９で判断され再度画像取り込みが行われる（ステップ３）。これらは全て連続的（０．５秒間隔）かつ自動的に処理される。また、ステップ１０〜ステップ１１は連続的（０．５秒間隔）に行われ、計算更新される。ステップ１０は連続的（０．５秒間隔）かつ自動的に更新される。
【００４２】
以上のような沈埋函沈設誘導装置によると、ＣＣＤカメラ６でパターンターゲット被写体５をリアルタイムで撮影し、操作室４内のパソコン１１によりパターンターゲット被写体５の各パターン中心位置とＣＣＤカメラ６の距離および方向の関係を演算処理し、パソコン１１のモニタ１２に既設沈埋函１の位置と新規沈埋函２の位置を表示することができる。このため、両沈埋函１，２の取り合いを確認しながら所定位置に新規沈埋函２を沈設して既設沈埋函１と接合することができる。しかも、各パターンターゲット被写体５には複数個のパターン光源を設け、これら複数個のパターン光源の各中心位置間を結ぶ多角形の面積を演算解析して１個のパターンターゲット被写体５の中心を求めるパターン解析を行っているため、接合されるまでの新規沈埋函２の既設沈埋函１に対するローリング、ピッチング、ヨーイングを確実かつ高精度で求めることができるので接合精度を向上させることができる。しかも、本実施形態の場合はパターンターゲット被写体５およびＣＣＤカメラ６をそれぞれ２個ずつ沈埋函幅方向に並ぶように配置したことから、既設沈埋函１に対する新規沈埋函２の姿勢とくにヨーイングを高精度で求めることができ、尚かつ設備費および設置費が安価で済む。
【００４３】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では好適な形態としてパターンターゲット被写体５およびＣＣＤカメラ６をそれぞれ２個ずつ沈埋函幅方向に並ぶように配置した場合について説明したがこれらパターンターゲット被写体５およびＣＣＤカメラ６の設置数は特に限定されず、少なくとも１個ずつが設けられていれば距離等の計測は可能である。
【００４４】
また、本実施形態では新規沈埋函２を既設の沈埋函１に接合する場合について説明したが、例えば新規沈埋函２を既設沈埋函１ではなく既設の立坑に接合する場合であっても同様の構成によって精度よく接合することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、長寿命バッテリーによりパターンターゲット被写体５を発光させるようにしたが、自己発光する光源（例えば化学発光体や自己発光体等）をパターンターゲット被写体５としてもよい。この場合、バッテリーが不要となることはいうまでもない。
【００４６】
なお、本実施形態では水中構造物として沈埋函１，２を例示したが、水中構造物としてはこの他、
・放取水管路、パイプライン
・水中軌道（鉄道）：沈埋式でないもの
・水中貯蔵、備蓄タンク（原油、穀物、清水等）
・水中道路：沈埋式でないもの
・水中遊歩道：沈埋式でないもの
・水中建築物▲１▼：水中水族館、劇場
・水中建築物▲２▼：水中居住区（ホテル、作業基地等）
・水中大型方塊
・水中大型魚礁
・水中カプセルライン
・水中誘昇流堤
・水中蓄砂堤
・水中基礎構造物
などを挙げることができ、これら各種水中構造物に対しても本発明の適用が可能である。
【００４７】
【実施例】
パターンターゲット被写体５を試作し、距離等計測範囲がどの程度かを実験した（図７参照）。ターゲット寸法を一辺２４０ｍｍの矩形とし、前面にマスキングをして直径６０ｍｍの４点の丸形光源を設けた。これら４点の光源は、各中心が矩形（一辺１２０ｍｍ）の頂点に一致するように配置されている。このパターンターゲット被写体５を、水平画角を３０°としたＣＣＤカメラ６によって撮影し計測可能な範囲を確かめた。この結果、図７において斜線で示す範囲、すなわち水平画角３０°の扇形であってＣＣＤカメラ６からの距離が１ｍ〜３．５ｍの範囲で距離等の計測が可能であり、沈埋函沈設装置として十分に機能しうることが確かめられた。距離計測位置精度は、超音波方式では測定距離０．５ｍ〜３ｍの範囲で±５０ｍｍ程度であったのに対し、本実施例の手法によれば０〜±１０ｍｍ程度と精度が向上したことが確かめられた。なお、ＣＣＤカメラ６のレンズを交換することによって距離計測可能範囲を変えることができる。
【００４８】
また、ＣＣＤカメラ６の広角レンズ、標準レンズには一例として以下のような仕様のものを用いた。すなわち、広角レンズについては、焦点距離ｆ６ｍｍ、包括画角（水平）５７．４８゜、包括画角（垂直）４４．０６゜、外径寸法φ２１×２５．７ｍｍ。標準レンズについては、焦点距離ｆ１２ｍｍ、包括画角（水平）２９．４８゜、包括画角（垂直）２２．２４゜、外径寸法φ２１×２７．８ｍｍ。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように請求項１記載の沈埋函沈設誘導装置によると、既設立坑または既設沈埋函に対しては、外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体のみを設置すれば済むため、ケーブルや中継ブイを設置する手間が不要となり、設備費、メンテナンス費を大幅に削減できる。また、距離測定精度が向上することから、両沈埋函接合時の位置確認の手間が簡素化され、接合時の位置精度向上により反接合側の函端位置誤差が小さくなり次続函接合のための函体位置修正が必要なくなることから、函体位置修正に伴う多大な費用の発生がなくなり、工程の変更も必要なくなり工期の短縮が図れる。加えて、精度向上により位置確認に対しての不安要素がなくなり、ストローク検出器等の余分なセンサーが不要となり設備費の削減と作業手間の簡素化が図れる。しかも、単に光源を撮影するのではなく被写体をパターン化していることから画像認識がより鮮明であり高精度である。また、撮影手段として比較的安価なＣＣＤカメラを用いているため高価なＳＢＬ装置等を採用した機器に比べ安価で済む。また、既設立坑または既設沈埋函側と新規沈埋函側との連結ケーブルが不要なため、急激な気象や海象悪化に伴い新規沈埋函を一旦退避させる場合にもケーブルの連結解除などの手間が不要となり、短時間に退避可能となる。
【００５０】
また請求項２記載の沈埋函沈設方法によると、既設立坑または既設沈埋函に対し外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体のみを設置して沈設作業を行うことができるので、ケーブルや中継ブイを設置する手間が不要となり、設備費、メンテナンス費を大幅に削減できる。また、距離測定精度が向上することから、両沈埋函接合時の位置確認の手間が簡素化され、接合時の位置精度向上により反接合側の函端位置誤差が小さくなり次続函接合のための函体位置修正が必要なくなり、函体位置修正にともなう多大な費用の発生がなくなり、工程の変更も必要なくなり工期の短縮が図れる。加えて、精度向上により位置確認に対しての不安要素がなくなり、ストローク検出器等の余分なセンサーが不要となり設備費の削減と作業手間の簡素化が図れる。しかも、単に光源を撮影するのではなく被写体をパターン化していることから画像認識がより鮮明であり高精度である。また、撮影手段として比較的安価なＣＣＤカメラを用いているため高価なＳＢＬ装置を採用した機器に比べ安価で済む。また、既設立坑または既設沈埋函側と新規沈埋函側との連結ケーブルが不要なため、急激な気象や海象悪化に伴い新規沈埋函を一旦退避させる場合にもケーブルの連結解除などの手間が不要となり、短時間に退避可能となる。
【００５１】
請求項３記載の水中での距離計測方法によると、水平・垂直距離を短時間でリアルタイムに測定表示でき、水温変化による精度劣化が少なくキャリブレーションの必要がなくなる。また、精度は０〜±１０ｍｍ程度と高精度測量が可能である上、１０ｐｐｍ以下程度の濁水中においても測定可能であり、水中構造物の位置出し・誘導・測量、水中距離測量、水中法線測量、水中調査測量、水中基準点設置測量等の水中における距離計測・測量・調査等測量分野に幅広く利用できる。
【００５２】
さらに請求項４記載の水中での距離計測方法によると、通常陸上で行われるような三角測量法が可能となり、例えばＣＣＤカメラを任意の位置に設置して位置出しすることができる。
【００５３】
請求項５記載の沈埋函沈設誘導装置によると、パターンターゲット被写体２個のみを設置すれば済むため、ケーブルや中継ブイを設置する手間が不要となり、設備費、メンテナンス費を大幅に削減できる。しかも、単に光源を撮影するのではなく被写体をパターン化していることから画像認識がより鮮明であり高精度であるとともに、被写体が少なくて済むため設備費及び設置費も安価となる。さらに、パターンターゲットとＣＣＤカメラに偏光スクリーンを設置しているため、濁水中においても光源の乱反射がなく測定可能となり、新規沈埋函を高精度で誘導することが可能である。加えて、標準レンズと広角レンズを組み合せたＣＣＤカメラとしているため、既設沈埋函と新規沈埋函との段差、ずれにも対応することで高精度かつ広範囲での誘導を可能としている。
【００５４】
請求項６記載の沈埋函沈設方法によると、パターンターゲット被写体２個のみを設置すれば済むため、設備費、メンテナンス費を大幅に削減できる。しかも、被写体が少なくて済むため設備費及び設置費も安価となる。さらに、パターンターゲットとＣＣＤカメラに偏光スクリーンを設置しているため、濁水中においても光源の乱反射がなく測定可能となり、新規沈埋函を高精度で誘導することが可能である。加えて、標準レンズと広角レンズを組み合せたＣＣＤカメラとしているため、既設沈埋函と新規沈埋函との段差、ずれにも対応することで高精度かつ広範囲での誘導を可能としている。
【００５５】
請求項７記載の水中での距離計測方法によると、パターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きの単一の被写体を用い、ＣＣＤカメラとして標準レンズもしくは広角レンズを備えた１台のＣＣＤカメラを用いることにより、安価でしかも高精度に距離計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる沈埋函沈設装置および沈設方法の一実施形態を説明する既設沈埋函および新設沈埋函等の斜視図である。
【図２】本実施形態における沈埋函沈設作業の概略を示す平面図である。
【図３】本実施形態における沈埋函沈設作業の概略を示す側面図である。
【図４】本発明にかかる水中での距離計測方法の一実施形態を示す水中距離計測装置の概略図である。
【図５】パターンターゲット被写体およびＣＣＤカメラが三脚によって支持された水中距離計測装置の概略図である。
【図６】本実施形態の沈埋函沈設装置における計測ソフトを利用した処理例を示すフローである。
【図７】本実施例における距離等計測範囲を示す概略平面図である。
【図８】本発明の沈埋函沈設装置の特徴を示す概略図である。
【図９】本実施形態におけるパターンターゲット被写体の詳細を示す（Ａ）側面図と（Ｂ）正面図である。
【図１０】本実施形態におけるＣＣＤカメラの詳細を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）側面図である。
【図１１】広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラとを上下に配置した場合のＣＣＤカメラを示す概略図である。
【図１２】従来の沈埋函沈設装置の特徴を示す概略図である。
【図１３】水圧センサを用いた従来の水中距離計測法を示す図である。
【図１４】水圧センサを用いた従来の水中距離計測法を示す図である。
【図１５】超音波センサを用いた従来の水中距離計測法を示す図である。
【図１６】テープを用いた従来の水中距離計測法を示す図である。
【図１７】レーザ光を用いた水中距離計測法を示す図である。
【図１８】レーザ光を用いた水中距離計測法を示す図である。
【図１９】従来の沈埋函沈設装置および沈設方法の一例を示す斜視図である。
【図２０】従来の沈埋函沈設作業の概略を示す平面図である。
【図２１】従来の沈埋函沈設作業の概略を示す側面図である。
【符号の説明】
１　既設沈埋函
２　新規沈埋函
３　台船
４　操作室
５　パターンターゲット被写体
６　ＣＣＤカメラ
６ａ　広角レンズを備えたＣＣＤカメラ
６ｂ　標準レンズを備えたＣＣＤカメラ
７　格納箱
８　ＣＣＵ
９　カメラケーブル
１０　ビデオキャプチャ
１１　パソコン（電子計算機）
１２　モニタ
１４　基台（方位角度測定盤付三脚）
２０　（パターンターゲット被写体５の）偏光スクリーン
２５　耐圧窓
２６　（ＣＣＤカメラ６の）偏光スクリーン

Claims

新規沈埋函を水中に沈めて既設立坑または既設沈埋函に接合する沈埋函沈設誘導装置において、前記既設立坑または前記既設沈埋函に設置され外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体と、このパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換する前記新規沈埋函に設置されたＣＣＤカメラと、このＣＣＤカメラが格納される前面に耐圧窓を有した耐圧防水型の格納箱と、前記ＣＣＤカメラが変換した光の電気信号を中継するＣＣＵと、このＣＣＵと前記ＣＣＤカメラとを連結するカメラケーブルと、前記ＣＣＵから送られる電気信号を変換するビデオキャプチャーと、このビデオキャプチャーによって変換されたデータを解析し前記パターンターゲット被写体に対するＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理しモニタに表示する電子計算機とを有し、演算処理した相対位置座標および向きに基づき前記新規沈埋函の沈設作業時の距離計測と誘導とを行うことを特徴とする沈埋函沈設誘導装置。
既設立坑または既設沈埋函に設置され外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体を発光させ、新設する新規沈埋函に設置したＣＣＤカメラによってこのパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換し、ＣＣＵによって中継したこの電気信号をビデオキャプチャーでデータ変換し、電子計算機によってこの変換されたデータを解析し前記パターンターゲット被写体に対する前記ＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理し、演算処理した相対位置座標および向きに基づき前記新規沈埋函の沈設作業時の前記既設立坑または前記既設沈埋函に対する距離計測と誘導とを行うことを特徴とする沈埋函沈設誘導方法。
外部電源から独立した耐圧防水型のパターンターゲット被写体を水中で発光させ、ＣＣＤカメラによってこのパターンターゲット被写体が発する光を捉え電気信号に変換し、ＣＣＵによって中継したこの電気信号をビデオキャプチャーでデータ変換し、電子計算機によってこの変換されたデータを解析し前記パターンターゲット被写体に対するＣＣＤカメラの相対位置座標および向きを連続して演算処理して相対距離を求めることを特徴とする水中での距離計測方法。
前記ＣＣＤカメラを方位角度測定盤付三脚で支持することを特徴とする請求項３記載の水中での距離計測方法。
前記パターンターゲット被写体は偏光スクリーン付きであって２箇所に設けられ、前記ＣＣＤカメラは広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラとが一体となった一体型カメラであって前記２箇所のパターンターゲット被写体のそれぞれに対応して設けられ、さらに前記収納箱の耐圧窓の前面に偏光スクリーンが設けられていることを特徴とする請求項１記載の沈埋函沈設誘導装置。
前記パターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きであって２箇所に設けられたものを用い、前記ＣＣＤカメラとして広角レンズを備えたＣＣＤカメラと標準レンズを備えたＣＣＤカメラとを一体とした一体型カメラであって前記２箇所のパターンターゲット被写体のそれぞれに対応して設けられたものを用いることを特徴とする請求項２記載の沈埋函沈設誘導方法。
前記パターンターゲット被写体として偏光スクリーン付きの単一の被写体を用い、前記ＣＣＤカメラとして標準レンズもしくは広角レンズを備えた１台のＣＣＤカメラを用いることを特徴とする請求項３記載の水中での距離計測方法。