JP2004301610A - 地中空洞検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、従来、路面下の地中に存在する空洞の自動検出は困難であった。
【解決手段】地中空洞検出装置における一連の空洞検出手段においては、反射波の受信データに含まれる検出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、略同深度における周辺領域の反射強度または略同深度における平均的反射強度と比較した結果に基づいて、この領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する（Ｓ０３０）手段が含まれる他、空洞領域の統合（Ｓ０３２）や、絞込み（Ｓ０４０）などを行う手段が含まれている。
【選択図】 図３
【解決手段】地中空洞検出装置における一連の空洞検出手段においては、反射波の受信データに含まれる検出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、略同深度における周辺領域の反射強度または略同深度における平均的反射強度と比較した結果に基づいて、この領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する（Ｓ０３０）手段が含まれる他、空洞領域の統合（Ｓ０３２）や、絞込み（Ｓ０４０）などを行う手段が含まれている。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中空洞検出装置、特に、地中に放射した電磁波の反射波の受信データを用いて地中の空洞を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
道路面下に存在する空洞を探査するために、探査車両に搭載した電磁波レーダ装置が用いられる。電磁波レーダ装置は、電磁波パルスを道路面下に照射し、その反射波を観測して２次元ディジタル画像を生成するものである。従来においては、取得した画像に対し、検査者（熟練者）が目視を行って空洞と思われる場所を特定していた。そして、特定された場所には、実際に孔が空けられ、空洞が存在すれば空洞を埋めるなど対応が行われていた。
【０００３】
特許文献１には、車両に搭載された道路空洞探査レーダシステムが記載されている。また、特許文献２には、レーダによる調査からボーリング穿孔に至る空洞探査方法が記載されている。なお、レーダ画像処理システムを用いて、地中やコンクリート中の目標物の形状又は位置を求める非破壊検査方法が、特許文献３に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１９４６９３号公報
【特許文献２】
特開平５−８７９４５号公報
【特許文献３】
特開平９−２９２３５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の検査者の目視による方法では、空洞領域を必ずしも明確に識別できていなかった。また、上記特許文献３などの画像処理では、空洞領域を的確に抽出することができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、空洞領域の自動検出精度の向上にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の地中空洞検出装置は、地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、前記受信データに含まれ、抽出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、略同深度における周辺領域の反射強度または略同深度における平均的反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する領域判定手段、を含む空洞検出手段、を備える。
【０００８】
この構成によれば、領域からの反射強度が、略同深度の周辺領域からの反射強度、または、略同深度の平均的な反射強度と比較されて、空洞領域の存在が判定される。略同深度においては、空洞領域などが無い限り、一般に、電磁波の拡がりや散乱などの条件が対等となり、また、地層などの土壌条件も対等となることが多い。このため、通常の領域とは反射強度が異なる空洞領域が検出可能となる。なお、ここでいう同深度とは、当然、若干の誤差を許容するものであり、例えば、領域の（深さ方向の）厚み程度の誤差が十分に許容されることは言うまでもない。
【０００９】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、所定距離内に存在する空洞領域を統合し新たな空洞領域を定める統合手段を含む。これにより、所定距離内に存在する空洞領域をひとつの大きな空洞領域として識別することが可能となる。所定距離の定義は様々に定めることが可能であり、互いに接しているか重なっているものだけを対象としてもよく、また、領域の何倍かの範囲を選ぶなどしてもよい。また、その定義は、実施する度に変更してもよい。
【００１０】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、アンテナからの放射極性を基準にする場合、空洞領域付近の反射波の極性が反転しない当該空洞領域を空洞領域として再定義する極性判定手段を含む。一般に電磁波が誘電率が大の媒質から誘電率が小の媒質に向かって入射する際には、その境界面において位相（極性）を反転しない反射波が発生する。空洞領域は、土壌等の中実部分に比べ誘電率が小さいから、極性が反転しない反射波を検出することができる。したがって、埋蔵物等と、空洞領域とを区別することが可能となる。
【００１１】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段を含む。この構成により、空洞領域の検出漏れを防ぐことが可能となる。当然、再解析手段は、複数回繰り返すことができる。なお、再解析手段が実施されたあとで統合手段を実施してもよい。
【００１２】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、空洞領域の最浅部が所定深度よりも浅く最深部が所定深度よりも深い領域を空洞領域から除外する除外手段を含む。この構成は、マンホールなどの特殊な空洞を取り除く場合に適している。すなわち、除外手段は、マンホール検出手段として実装することが可能である。
【００１３】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、前記統合手段にて統合した後に検出された空洞領域に対し、所定の大きさより小さい空洞領域を除外する絞込み手段を含む。これにより、残される空洞領域は、少なくとも２つの小領域を統合したものである。したがって、検出の信頼度が高い領域が残されるということができる。なお、小領域の大きさを関心対象である空洞領域の大きさよりも若干小さく設定しておけば、関心対象である空洞領域を取り除いてしまう心配もなく、しかも、不必要に多くの計算をすることもない。
【００１４】
また、本発明の地中空洞検出装置は、地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、前記受信データに含まれ、検出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、周辺領域の反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する対周辺領域判定手段と、求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段と、を含む空洞検出手段、を備えることが可能である。電磁波の拡がりが小さいときは、土壌等の中実領域における反射強度は、必ずしも深度によって大きく変化するものではない。対周辺領域判定手段は、この原理に基づいて、空洞領域をその周辺領域から識別するものである。再解析手段は複数回繰り返し実行することができるので、精度よく空洞領域を検出することができる。
【００１５】
以上に記した構成により、検査者の目視によることなく、空洞領域検出を自動的に実施できるようになる。これにより、人的・時間的コストの削減が望める。また、候補位置の決定時に人的要素（曖昧さ）が除かれ空洞と埋設物を精度よく見分けることができ、しかも空洞の数や大きさを精度よく検出できるため、詳細な再調査や穿孔などの作業を減らすことが可能となる。
【００１６】
なお、本発明において用いられる反射波の受信データは、３次元データであっても、深度と特定の水平方向からなる２次元データであってもよい。３次元データの場合には、以上に示した手段を用いて空洞の検出を２次元的に行ってもよいが、３次元的に行うことも可能であることは言うまでもない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１のブロック図は、本実施の形態の地中空洞検出装置の構成を示している。この例においては、探査車を用いて空洞の検出を行っている。すなわち、探査車は路面１の上を進行方向に向かって走行し、その途上にあって、路面１下の地中にある空洞２の検出を目指すものである。したがって、地中空洞検出装置３は車両に搭載されており、探査車の停止中及び走行中において空洞を検出可能となるように設置されている。なお、この地中空洞検出装置３には、探査車の速度計４からの速度情報が入力されている。また、例えばＧＰＳなどの位置計測器から位置情報などを入力することも可能である。
【００１９】
地中空洞検出装置３は、電磁波レーダ１０、制御部２０及びデータ解析装置３０を主たる装置として備えている。電磁波レーダ１０は空洞を調査する測定部として機能している。また、制御部２０とデータ解析装置３０は、一般のコンピュータ及び周辺機器を、本実施の形態の各手段を指示するアプリケーションプログラムと協働して動作させることにより実現することができる。
【００２０】
電磁波レーダ１０には、レーダ制御部１１が設けられている。そして、レーダ制御部１１はレーダの送信部１２と受信部１３とを制御している。すなわち、レーダ制御部１１は、探査車の速度計４から送られる速度情報に応じて、送信部１２のレーダ出力間隔及び付随する受信部１３の受信間隔を制御し、一定距離間隔（例えば５ｃｍ）で測定を行っている。
【００２１】
送信部１２が放射した電磁波パルス１４は、主として誘電率の変化があると、その地点において一部が反射して反射波１５となり、受信部１３によって受信される。このため、この反射波１５は、路面１下に存在する空洞２や埋設物などの境界面からの合成波として主に構成される。送信部１２より放射された電磁波パルスが、受信部１３で観測されるまでの時間差ｔは、路面１下の媒質中における電磁波の伝搬速度と、反射が起きた境界面の深さによって決定される。
【００２２】
受信された反射波１５は、レーダ制御部１１を介して受信データ記憶部１６にレーダデータとして蓄積される。受信データ記憶部１６は、揮発性・不揮発性メモリの他、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒなどの記録型メディア等でも良い。本実施の形態に係る例では、電磁波レーダ１０は、車幅方向（進行方向に直交する水平方向）には十分な解像度を持たない。そのため、車幅方向の情報は圧縮され、探査車の進行方向（距離）と深さ方向（深度）を２軸とする２次元濃淡画像として、レーダデータを格納している。なお、電磁波レーダ１０が車幅方向（進行方向に直交する水平方向）にも十分な解像度を持つ場合には、レーダデータを３次元データとして保存すればよい。また、以下に述べる空洞解析手法はこの３次元データに対しても容易に実施可能である。
【００２３】
制御部２０はコンピュータのＣＰＵを中心とした演算部の機能を用いて実現されている。そして、電磁波レーダ１０における観測動作やデータ解析装置３０へのデータ転送タイミングなどを指示する。また、データ解析装置３０に対し、以下において説明する各種解析等を制御している。
【００２４】
受信データ記憶部１６に蓄積されたレーダデータは、データ解析装置３０の前処理フィルタ３１に送られ、中間値フィルタや低域通過型フィルタを用いてノイズ・クリッピングが除去され、データバッファ３２に転送される。データバッファ３２では、転送されたレーダデータを蓄積するとともに、制御部２０からの指示に従い、レーダデータをαデータ記憶部３３に転送する。αデータ記憶部３３では、データバッファ３２から転送されるレーダデータを蓄積する。この際、データバッファ３２からαデータ記憶部３３へのデータ転送量が一定値に達する度に、制御部２０にこの旨を通知する。高域通過型フィルタ３４では、制御部２０からの指示に従い、αデータ記憶部３３に蓄積されているデータに対して、道路、地層など進行方向に平行な定常的信号を除くフィルタ処理を行う。フィルタの種類は特に限定されないが、例えば進行方向に対して適当な幅で移動平均を取り、その値を元のデータから差し引くなどすればよい。フィルタ処理されたレーダデータは、βデータ記憶部３５に転送される。βデータ記憶部３５では高域通過型フィルタ３４から転送されるデータを蓄積する。
【００２５】
データ処理部３６は演算処理機能を備えており、αデータ記憶部３３およびβデータ記憶部３５に蓄積されたレーダデータを用いて空洞候補領域の検出処理を行い、候補領域情報記憶部３７に記憶する。また、検出した空洞候補領域を元に、データバッファ３２のデータの書き換えも行う。候補領域情報記憶部３７に記憶されたデータは、候補領域情報一時記憶部３８に一時的に記憶させることができる。この空洞候補領域の検出処理に係る一連の部位、すなわち、データ処理部３６の他、前処理フィルタ３１、データバッファ３２、αデータ記憶部３３、高域通過型フィルタ３４、βデータ記憶部３５、候補領域情報記憶部３７及び候補領域情報一時記憶部３８は、空洞検出部として機能しているということができる。
【００２６】
データ解析装置３０には、他に液晶ディスプレイあるいはＣＲＴディスプレイ等によって構成される表示部３９や、外部装置へのデータ出力を行うことができる出力部４０が設けられている。この表示部３９や出力部４０へは、候補領域情報記憶部３７からデータ出力を行うことが可能である。なお、表示部４０では、受信データ記憶部１６からデータ解析前のレーダデータを送信して表示することも可能である。
【００２７】
次に、図２のブロック図を用いて、データ処理部３６の構成を説明する。データ処理部３６は、第一空洞候補選出部５０、候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０及び空洞候補絞込み部８０から構成される。第一空洞候補選出部５０は小領域が空洞領域であるかを判定する小領域判定部として機能するものであり、空洞領域として判定された小領域の領域情報を第一空洞候補として候補領域情報記憶部３７に蓄積する。候補領域情報統合部６０は、候補領域情報記憶部３７に記憶された空洞領域の統合を行う統合部である。これにより、第一空洞候補の空洞領域の一部は、統合されて新たな空洞領域として再定義されることになる。第二空洞候補選出部７０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第一空洞候補の空洞領域を、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータの反射強度に基づいて解析し、空洞領域として適当か否かが判定される。空洞領域として判定された場合には、第二空洞候補として、候補領域情報記憶部３７に蓄積する。すなわち、第二空洞候補選出部７０は、空洞領域の強度判定部と言うことができる。空洞候補絞込み部８０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第二空洞候補の空洞領域に対し、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータに基づいて絞込みを行い、その数を削減する。
【００２８】
第一空洞候補選出部５０に含まれる第一候補領域決定手段５１では、βデータ記憶装置３５に蓄積されたレーダデータ中に、小領域として、任意のサイズの矩形領域を設定する。矩形の大きさは、検出したい空洞の最小サイズの大きさに基づいて設定すればよく、例えば横幅は８０ｃｍ程度、深さを３０ｃｍ程度などとする。そして、同深度の領域との反射強度を比較し、設定値以上に異なる場合に、この小領域を空洞領域として判定する。同深度の領域は、この矩形領域の隣接するなどの周辺領域であってもよく、また、この深度における平均的な反射強度を用いることも可能である。判定された空洞領域の領域情報は、候補領域情報記憶部３７に第一空洞候補として蓄積される。
【００２９】
候補領域情報統合部６０中の領域情報統合手段６１では、候補領域情報記憶部３７に蓄積された第一空洞候補である空洞領域に対し、領域間の距離が一定の基準以下（例えば３ｍ）である場合に、これらを統合して空洞領域を定め直し、第一空洞領域候補を更新する。
【００３０】
第二空洞候補選出部７０中の信号強度判定手段７１では、αデータ記憶部３３に蓄積されたレーダデータ中に、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された第一空洞候補の空洞領域と同位置・同サイズに対応する矩形領域を設定し、同深度の周辺領域とのパワー比に基づき当該矩形領域が空洞領域となりえるか否かを判定する。判定された空洞領域は、第二空洞候補として候補領域情報記憶部３７に蓄積される。なお、判定されなかった領域については単に候補として含めないことも可能であるが、領域情報統合手段６１による空洞領域の統合を解消し、解消した個々の空洞領域に対して再度信号強度判定を実施してもよい。
【００３１】
レーダデータ置換手段７２では、第二空洞候補選出部７０で第二空洞候補とされた空洞領域に対応するデータバッファ３２中のレーダデータの反射強度を、この空洞領域の周辺の代表的な反射強度に置換する。代表的な反射強度としては、例えば周辺領域の反射強度の平均値を用いればよい。この置換は、置換した反射波の受信データを用いて、一連の空洞領域の検出を再解析するために行われる。
【００３２】
空洞候補絞込み部８０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第二空洞候補に対し、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータに基づき絞込みを行い、空洞候補数の削減を行う。すなわち、空洞候補絞込み部８０の極性判定手段８１は、空洞領域付近のレーダ信号波形の極性を判定することで、当該領域が空洞領域かそれ以外の埋設物かを判定するものである。マンホール検出手段８２は、候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域に対し、領域の上端位置（最浅部）の深さが所定の基準より浅く、かつ、最深部が所定の基準値以上である場合に、当該領域を非空洞領域（マンホール）として除外する除外手段である。また、候補領域絞込み手段８３は、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域の大きさが関心対象の大きさに満たない場合に、その領域を空洞領域から外し空洞候補の数を削減する絞込み部である。
【００３３】
次に、図３のフローチャートを用いて、処理の流れを説明する。本実施の形態において実行可能な処理としては、リアルタイム処理と一括処理の二つがある。リアルタイム処理は、路面１下のデータを取得する度に、電磁波レーダ１０からデータ解析装置３０にレーダデータを転送し解析処理するものである。また、一括処理は、解析対象路線のデータを全て受信データ記憶部１６に蓄積した後に、一括して解析処理するものである。しかし、いずれの場合においても、データ解析装置３０の動作は同様である。
【００３４】
これらの処理においては、１回の路面下探査データに対して、１回以上の解析作業を行う。以降の説明では、解析作業の回数をＮ回として説明を行う。解析作業回数Ｎは、解析作業の前に予め設定しても良いし、解析作業中に適応的に決定しても良い。
【００３５】
第１回目の解析作業では、電磁波レーダ１０で取得したレーダデータを利用して解析を行うが、第２回目以降はデータ解析装置３０内で生成するデータを利用して解析を行う。この為、解析作業第１回目と第２回目以降とでは、処理の動作フローが異なる（Ｓ００１）。ここでは、まず、第１回目の解析作業における処理について説明する。
【００３６】
電磁波レーダ１０で取得し（Ｓ００５）、受信データ記憶部１６に蓄積されたレーダデータは、前処理フィルタ３１で中間値フィルタや低域通過型フィルタを用いてフィルタリングされ（Ｓ０１０）、データバッファ３２に転送される（Ｓ０１５）。
【００３７】
データバッファ３２では、前処理フィルタ３１から転送されるレーダデータを蓄積するとともに、制御部２０からの指示に従い、レーダデータをαデータ記憶部３３に転送する（Ｓ０２０）。データバッファ３２から転送されたデータはαデータ記憶部３３に蓄積される。以降では、データバッファ中のデータを「バッファデータ」、αデータ記憶部３３中のデータを「αデータ」と呼び、距離ｌ，深度ｄにおけるバッファデータ及びαデータをそれぞれｕ（ｌ，，ｄ）、ｕα（ｌ，ｄ）で表す。αデータ記憶部３３では、前記前処理フィルタ３１からのデータ転送量をカウントするカウンタを有し、当該カウンタが所定の値に達すると、制御部２０にこの旨を通知すると共に当該カウンタをリセットする。制御部２０は、αデータ記憶部３３から通知を受けると、データバッファ３２からαデータ記憶部３３へのデータ転送を停止するとともに、高域通過型フィルタ３４に対し、αデータ記憶部３３中のαデータのフィルタリングを指示する。
【００３８】
高域通過型フィルタ３４で処理されたデータは、βデータ記憶部３５に蓄積される（Ｓ０２５）。以降、βデータ記憶部３５中のデータを「βデータ」と呼び、距離ｌ，深度ｄにおけるβデータをｕβ（ｌ，ｄ）で表す。
【００３９】
αデータおよびβデータ中には、横Ｘｒ（進行方向）×縦Ｙｒ（深さ方向）の小領域が設定される。ここで、Ｘｒ、Ｙｒは小領域のサイズを表す定数であり、探査の際に受信データ記憶部にデータ記録された距離間隔に応じて設定される。また、探査開始地点から、進行方向にｌ，深さ方向にｄの位置におけるαデータ中の小領域の反射強度として、パワーＰα（ｌ，ｄ），およびβデータ中の小領域のパワーＰβ（ｌ，ｄ）を算出する。このパワーの定義方法はいくつか考えられ、例えば以下のような式で定義することができる：
【数１】
なお、Ｐα（ｌ，ｄ），Ｐβ（ｌ，ｄ）は、それぞれαデータ及びβデータを画像として表示する場合の小領域の濃淡度としても用いることができる。
【００４０】
βデータの作成が完了すると、制御部２０はデータ処理部３６に対し解析処理の開始を指示する。制御部２０にデータ解析の開始を指示されたデータ処理部３６は、αデータ記憶部３３およびβデータ記憶部３５に蓄積されたデータに対し、解析処理を開始する（Ｓ０３０）。その動作について図２を交え説明する。初めにβデータに対して第一候補領域決定手段５１を適用し、第一候補領域を決定する。第一候補領域決定手段５１では、まず、βデータ記憶部３５中の小領域について、小領域の位置（ｌ，ｄ）を中心とした幅Ｒβの範囲内に存在する同深度の周辺小領域の平均パワー
【数２】
を算出する。この
【数３】
と、小領域のパワーＰβ（ｌ，ｄ）との比が次式を満たす場合、当該小領域を第一候補領域と判定する：
【数４】
なお、パワー比以外にパワーの差分を用いて判定することも可能である。そして、当該第一候補領域の位置情報（ｌ，ｄ）と、小領域のサイズから、当該第二候補領域の左端（ＳＴＡＲＴ）、右端（ＥＮＤ）、上端（ＴＯＰ）、下端（ＢＯＴＴＯＭ）位置を算出し、候補領域情報記憶部３７に蓄積する。この手順は、開始地点から終了地点までの範囲内に存在する小領域について実行される。
【００４１】
第一空洞候補領域の選出が完了すると、次に候補領域情報統合部６０による領域情報の統合が行われる（Ｓ０３２）。すなわち、候補領域情報統合部６０中の領域情報統合手段６１において、候補領域情報記憶部３７に記憶された任意の二領域のＳＴＡＲＴ，ＥＮＤのうち最も近接した２つの距離が基準値以下で、かつ、ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭのうち最も近接した２つの距離が所定の値以下である場合、この二領域を統合する。統合は様々に定義することが可能であるが、例えば統合の対象となる２領域を、
【数５】
（ＳＴＡＲＴ１，ＥＮＤ１，ＴＯＰ１，ＢＯＴＴＯＭ１）
（ＳＴＡＲＴ２，ＥＮＤ２，ＴＯＰ２，ＢＯＴＴＯＭ２）
で表したとき、統合後の領域（ＳＴＡＲＴＮＥＷ，ＥＮＤＮＥＷ，ＴＯＰＮＥＷ，ＢＯＴＴＯＭＮＥＷ）を、次式で定義することが可能である：
【数６】
ＳＴＡＲＴＮＥＷ＝ｍｉｎ（ＳＴＡＲＴ１，ＳＴＡＲＴ２）
ＥＮＤＮＥＷ＝ｍａｘ（ＥＮＤ１，ＥＮＤ２）
ＴＯＰＮＥＷ＝ｍｉｎ（ＴＯＰ１ ，ＴＯＰ２）
ＢＯＴＴＯＭＮＥＷ＝ｍａｘ（ＢＯＴＴＯＭ１，ＢＯＴＴＯＭ２）
そして、新たな領域情報として前記候補領域情報記憶部３７に記憶するとともに、この二領域の情報を候補領域情報記憶部３７から消去する。領域情報の統合は、統合の対象となる領域が存在しなくなるまで行う。
【００４２】
領域統合によって新たに生成された空洞候補領域に対しては、一意に対応するＩＤを付与し、当該ＩＤの空洞候補領域を形成する小領域の位置情報（例えば探査位置や上端位置を表すＴＯＰ等）を保存してもよい。これにより、空洞の形状の詳細な把握や、後段の空洞の候補絞込み過程での利用が容易となる。
【００４３】
領域情報の統合が完了すると、次に第二空洞候補選出部７０による第二空洞候補の選出が行われる（Ｓ０３５）。第二空洞候補選出部７０中の信号強度判定手段７１では、候補領域情報記憶部３７に記憶された領域情報（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ，ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭ）に従って、設定した範囲において候補領域内の深さｄに存在する小領域のパワーのうち最大の値
【数７】
を算出する。また、深さｄにおいて候補領域の両端（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ）から、それぞれ幅Ｒαの範囲内に存在する同深度の周辺小領域のパワーのうち最小の値となる
【数８】
を算出する。
【数９】
の算出においては、例えば、候補領域内の深さｄに存在する小領域のパワーの平均値を用いても良い。また、
【数１０】
の算出においては、ある程度少ない数の領域の中から最小パワーを算出しても良い。また、候補領域の両端（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ）から、それぞれ幅Ｒαの範囲内に存在する同深度の周辺小領域の平均パワーや、幅Ｒαの範囲内に存在する同深度の周辺小領域のパワーのうち下位Ｎ位までのパワーの平均値を
【数１１】
としても良い。設定した範囲における
【数１２】
と
【数１３】
との比の最大値が次式を満たす場合、この小領域を空洞候補領域と判定する：
【数１４】
なお、パワー比以外にパワーの差分を用いて判定することも可能である。
【００４４】
信号強度判定手段７１で空洞候補と判定された領域情報は、レーダデータ置換手段７２に渡される。レーダデータ置換手段７２では、第二空洞候補選出部７０で選出された第二空洞候補領域の位置情報（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ，ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭ）に基づき、データバッファ記憶部３２中のバッファデータを候補領域近傍の平均値で置換する（Ｓ０３６）。
【００４５】
以上の手順によって選出した候補領域の位置情報は、上記の通り候補領域情報記憶部３７に蓄積される。候補領域の選出が完了すると、次に空洞候補絞込み部８０による空洞候補の絞込みが行われる（Ｓ０４０）。空洞候補の絞込みは、候補領域情報記憶部３７に蓄積された全ての候補領域に対して、極性判定手段８１、マンホール検出手段８２、候補領域絞込み手段８３を任意の順で適用する。適用順序は制御部２０で制御する。例えば、極性判定手段８１、マンホール検出手段８２、候補領域絞込み手段８３の適用手順としたり、マンホール検出手段８２、極性判定手段８１、候補領域絞込み手段８３の適用手順としたりすることができる。空洞候補絞込み部８０による候補絞り込みが完了すると、候補領域情報記憶部３７に蓄積された空洞候補領域の位置情報を候補領域情報一時記憶部３８に転送するとともに（Ｓ０４５）、候補領域情報記憶部３７に蓄積された全ての候補領域情報を消去する（Ｓ０５０）。
【００４６】
極性判定手段８１では、候補領域情報記憶部３７に蓄積された空洞候補のαデータについて、極性の判定を行う。極性の判定方法については、パターン認識的な手法を用いることができる。例えば、位相の反転部分を黒、非反転部分を白で表したとき、空洞領域からの反射パターン（正極性とする）は白から黒へ変化するパターンとなり、非空洞領域からの反射パターン（負極性とする）は黒から白へ変化するパターンで表現される。また、前記候補領域を形成する小領域位置と小領域部分を含むレーダデータの周波数スペクトルを解析する方法などが利用できる。なお、空洞領域における反射は、正確には、その境界において起こると言えるので、電磁波の波長が空洞領域の大きさよりも十分短い場合には、この位置のずれが問題となる可能性がある。この場合には、極性判定手段８１の処理を、空洞領域よりもやや広い範囲について行うようにすればよい。
【００４７】
マンホール検出手段８２は、空洞と同様の極性を示すマンホールを候補領域から除去する為の手段である。候補領域情報記憶部３７に記憶された領域情報とαデータから、例えば路面１の深度（位置）と、当該候補領域のＴＯＰ位置を比較し、当該領域のＴＯＰ位置が該地表面位置より上にあり、かつ、当該領域のＴＯＰからＢＯＴＴＯＭまでの長さが基準値以上である領域を候補領域情報記憶部３７から消去する。例えば、路面１の深度ｄｓｕｒｆａｃｅ（ｌ）は、距離ｌにおけるαバッファの信号ｕα（ｌ，ｙ）について、所定の値を超える極大値を与えるｙのうち最小のｙをｄ’（ｌ）としたとき、次式で求めることができる：
【数１５】
ｄｓｕｒｆａｃｅ（ｌ）＝ｄ’（ｌ）−η
ここで、ηは電磁波パルスの波長に基づき決定される定数である。なお、消去した領域の情報を、別途記憶することで、マンホール候補領域のみのリストを作成することも可能である。
【００４８】
候補領域絞込み手段８３では、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域のうち、大きさが一定の基準値以下であるものを空洞候補から除外して、空洞候補領域を絞込む。例えば、小領域の横幅を８０ｃｍとして処理する場合に、領域情報統合手段６１で領域情報を統合した後で、候補領域の幅が小領域の幅以下の候補を除外すると、有効に空洞候補領域の絞込みを実行できることを確認している。
【００４９】
以上の手順（Ｓ００５−Ｓ０５０）を完了した時点で、これまで完了した解析回数カウンタＭを１加算する（Ｓ０５５）。このＭと所定の解析回数Ｎを比較し、Ｍ＞Ｎならば解析終了処理を行い、そうでなければ再解析作業（第２回目以降の解析作業）に移る（Ｓ０６０）。第２回目以降の再解析作業では、既にデータバッファ３２中に蓄積されているバッファデータを利用してＳ０２０−Ｓ０５０の解析処理を行う。
【００５０】
解析作業回数Ｎの設定としては、１以上の整数を指定する。ただし、１を設定した場合、上記の通りＳ００５−Ｓ０５０の手順を１回実行しただけでは、地中の水溜り等、空洞領域と同等以上に反射波の強度が大きい箇所が空洞領域の近傍に存在する場合に、この空洞領域が信号強度判定により非空洞領域と判定されて見落とされてしまう恐れがある。そこでここでは、Ｎを２以上に設定することで、レーダデータ置換手段７２によって検出済みの候補箇所を除いたデータを用いて、再度、Ｓ０２０−Ｓ０５０の手順で空洞候補の選出を行い、空洞領域の見逃しを抑止する。検出済みの候補箇所を除いたデータについては、レーダデータ置換手段７２によって生成されてデータバッファ３２に蓄積されている。そこで、このデータバッファ３２中のバッファデータから、新たにαデータ・βデータを生成し、データ解析装置３０による解析処理を行えばよい。なお、解析作業回数Ｎを大きな値に設定しておき、新たな空洞候補が選出されなくなるまで空洞候補の再選出を行うこともできるが、多くの場合Ｎ＝３程度とすれば有効な結果が得られることを確認している。
【００５１】
解析終了判定Ｓ０６０においてＭ＞Ｎである場合には、解析終了処理に移る。解析終了処理では、まず、候補領域情報一時記憶部３８に蓄積された候補領域情報を候補領域情報記憶部３７に転送する（Ｓ０６５）。そして、候補領域情報記憶部３７に転送・蓄積された候補領域情報に対し、領域情報統合手段６１により候補領域情報の統合を行う（Ｓ０７０）。候補領域情報の統合（Ｓ０７０）が完了した時点で、候補領域情報記憶部３７に蓄積された候補領域情報を、データ解析装置３０の処理結果として、表示部３９または出力部４０に出力する（Ｓ０７５）。
【００５２】
以上、図３に従い本実施の形態の動作フローを説明したが、第一空洞候補選出部５０に続く候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０、空洞候補絞込み部８０の適用順序はこの限りではない。例えば、第一空洞候補選出部５０、空洞候補絞込み部８０の極性判定手段８１、候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０、空洞候補絞込み部８０の適用順としてもよい。なお、このように適用順序を変更した場合には、各部において候補領域情報記憶部３７に記憶された空洞領域に対する処理も、直前の処理で更新された空洞領域に対して行うように変更されることは言うまでもない。
【００５３】
また、以上の説明においては、第一空洞候補選出部５０は、小領域に対して、同深度の周辺領域の（あるいは平均的）反射強度に基づいて第一空洞候補を決定した。しかし、こうした周辺領域の反射強度が、深度方向にある程度一様である場合には、鉛直方向の周辺領域を考慮することができる為、同深度という限定は必ずしも必要ではない。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の地中空洞検出装置により、空洞領域の自動検出の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の装置構成を示すブロック図である。
【図２】図１のデータ処理部３６の構成を示すブロック図である。
【図３】処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 電磁波レーダ、２０ 制御部、３０ データ解析装置、３１ 前処理フィルタ、３２ データバッファ、３３ αデータ記憶部、３４ 高域通過型フィルタ、３５ βデータ記憶部、３６ データ処理部、３７ 候補領域情報記憶部、５０ 第一空洞候補選出部、６０ 候補領域情報統合部、７０ 第二空洞候補選出部、８０ 空洞候補絞込み部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中空洞検出装置、特に、地中に放射した電磁波の反射波の受信データを用いて地中の空洞を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
道路面下に存在する空洞を探査するために、探査車両に搭載した電磁波レーダ装置が用いられる。電磁波レーダ装置は、電磁波パルスを道路面下に照射し、その反射波を観測して２次元ディジタル画像を生成するものである。従来においては、取得した画像に対し、検査者（熟練者）が目視を行って空洞と思われる場所を特定していた。そして、特定された場所には、実際に孔が空けられ、空洞が存在すれば空洞を埋めるなど対応が行われていた。
【０００３】
特許文献１には、車両に搭載された道路空洞探査レーダシステムが記載されている。また、特許文献２には、レーダによる調査からボーリング穿孔に至る空洞探査方法が記載されている。なお、レーダ画像処理システムを用いて、地中やコンクリート中の目標物の形状又は位置を求める非破壊検査方法が、特許文献３に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１９４６９３号公報
【特許文献２】
特開平５−８７９４５号公報
【特許文献３】
特開平９−２９２３５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の検査者の目視による方法では、空洞領域を必ずしも明確に識別できていなかった。また、上記特許文献３などの画像処理では、空洞領域を的確に抽出することができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、空洞領域の自動検出精度の向上にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の地中空洞検出装置は、地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、前記受信データに含まれ、抽出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、略同深度における周辺領域の反射強度または略同深度における平均的反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する領域判定手段、を含む空洞検出手段、を備える。
【０００８】
この構成によれば、領域からの反射強度が、略同深度の周辺領域からの反射強度、または、略同深度の平均的な反射強度と比較されて、空洞領域の存在が判定される。略同深度においては、空洞領域などが無い限り、一般に、電磁波の拡がりや散乱などの条件が対等となり、また、地層などの土壌条件も対等となることが多い。このため、通常の領域とは反射強度が異なる空洞領域が検出可能となる。なお、ここでいう同深度とは、当然、若干の誤差を許容するものであり、例えば、領域の（深さ方向の）厚み程度の誤差が十分に許容されることは言うまでもない。
【０００９】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、所定距離内に存在する空洞領域を統合し新たな空洞領域を定める統合手段を含む。これにより、所定距離内に存在する空洞領域をひとつの大きな空洞領域として識別することが可能となる。所定距離の定義は様々に定めることが可能であり、互いに接しているか重なっているものだけを対象としてもよく、また、領域の何倍かの範囲を選ぶなどしてもよい。また、その定義は、実施する度に変更してもよい。
【００１０】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、アンテナからの放射極性を基準にする場合、空洞領域付近の反射波の極性が反転しない当該空洞領域を空洞領域として再定義する極性判定手段を含む。一般に電磁波が誘電率が大の媒質から誘電率が小の媒質に向かって入射する際には、その境界面において位相（極性）を反転しない反射波が発生する。空洞領域は、土壌等の中実部分に比べ誘電率が小さいから、極性が反転しない反射波を検出することができる。したがって、埋蔵物等と、空洞領域とを区別することが可能となる。
【００１１】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段を含む。この構成により、空洞領域の検出漏れを防ぐことが可能となる。当然、再解析手段は、複数回繰り返すことができる。なお、再解析手段が実施されたあとで統合手段を実施してもよい。
【００１２】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、空洞領域の最浅部が所定深度よりも浅く最深部が所定深度よりも深い領域を空洞領域から除外する除外手段を含む。この構成は、マンホールなどの特殊な空洞を取り除く場合に適している。すなわち、除外手段は、マンホール検出手段として実装することが可能である。
【００１３】
望ましくは、本発明の地中空洞検出装置においては、前記空洞検出手段は、前記統合手段にて統合した後に検出された空洞領域に対し、所定の大きさより小さい空洞領域を除外する絞込み手段を含む。これにより、残される空洞領域は、少なくとも２つの小領域を統合したものである。したがって、検出の信頼度が高い領域が残されるということができる。なお、小領域の大きさを関心対象である空洞領域の大きさよりも若干小さく設定しておけば、関心対象である空洞領域を取り除いてしまう心配もなく、しかも、不必要に多くの計算をすることもない。
【００１４】
また、本発明の地中空洞検出装置は、地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、前記受信データに含まれ、検出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、周辺領域の反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する対周辺領域判定手段と、求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段と、を含む空洞検出手段、を備えることが可能である。電磁波の拡がりが小さいときは、土壌等の中実領域における反射強度は、必ずしも深度によって大きく変化するものではない。対周辺領域判定手段は、この原理に基づいて、空洞領域をその周辺領域から識別するものである。再解析手段は複数回繰り返し実行することができるので、精度よく空洞領域を検出することができる。
【００１５】
以上に記した構成により、検査者の目視によることなく、空洞領域検出を自動的に実施できるようになる。これにより、人的・時間的コストの削減が望める。また、候補位置の決定時に人的要素（曖昧さ）が除かれ空洞と埋設物を精度よく見分けることができ、しかも空洞の数や大きさを精度よく検出できるため、詳細な再調査や穿孔などの作業を減らすことが可能となる。
【００１６】
なお、本発明において用いられる反射波の受信データは、３次元データであっても、深度と特定の水平方向からなる２次元データであってもよい。３次元データの場合には、以上に示した手段を用いて空洞の検出を２次元的に行ってもよいが、３次元的に行うことも可能であることは言うまでもない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１のブロック図は、本実施の形態の地中空洞検出装置の構成を示している。この例においては、探査車を用いて空洞の検出を行っている。すなわち、探査車は路面１の上を進行方向に向かって走行し、その途上にあって、路面１下の地中にある空洞２の検出を目指すものである。したがって、地中空洞検出装置３は車両に搭載されており、探査車の停止中及び走行中において空洞を検出可能となるように設置されている。なお、この地中空洞検出装置３には、探査車の速度計４からの速度情報が入力されている。また、例えばＧＰＳなどの位置計測器から位置情報などを入力することも可能である。
【００１９】
地中空洞検出装置３は、電磁波レーダ１０、制御部２０及びデータ解析装置３０を主たる装置として備えている。電磁波レーダ１０は空洞を調査する測定部として機能している。また、制御部２０とデータ解析装置３０は、一般のコンピュータ及び周辺機器を、本実施の形態の各手段を指示するアプリケーションプログラムと協働して動作させることにより実現することができる。
【００２０】
電磁波レーダ１０には、レーダ制御部１１が設けられている。そして、レーダ制御部１１はレーダの送信部１２と受信部１３とを制御している。すなわち、レーダ制御部１１は、探査車の速度計４から送られる速度情報に応じて、送信部１２のレーダ出力間隔及び付随する受信部１３の受信間隔を制御し、一定距離間隔（例えば５ｃｍ）で測定を行っている。
【００２１】
送信部１２が放射した電磁波パルス１４は、主として誘電率の変化があると、その地点において一部が反射して反射波１５となり、受信部１３によって受信される。このため、この反射波１５は、路面１下に存在する空洞２や埋設物などの境界面からの合成波として主に構成される。送信部１２より放射された電磁波パルスが、受信部１３で観測されるまでの時間差ｔは、路面１下の媒質中における電磁波の伝搬速度と、反射が起きた境界面の深さによって決定される。
【００２２】
受信された反射波１５は、レーダ制御部１１を介して受信データ記憶部１６にレーダデータとして蓄積される。受信データ記憶部１６は、揮発性・不揮発性メモリの他、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒなどの記録型メディア等でも良い。本実施の形態に係る例では、電磁波レーダ１０は、車幅方向（進行方向に直交する水平方向）には十分な解像度を持たない。そのため、車幅方向の情報は圧縮され、探査車の進行方向（距離）と深さ方向（深度）を２軸とする２次元濃淡画像として、レーダデータを格納している。なお、電磁波レーダ１０が車幅方向（進行方向に直交する水平方向）にも十分な解像度を持つ場合には、レーダデータを３次元データとして保存すればよい。また、以下に述べる空洞解析手法はこの３次元データに対しても容易に実施可能である。
【００２３】
制御部２０はコンピュータのＣＰＵを中心とした演算部の機能を用いて実現されている。そして、電磁波レーダ１０における観測動作やデータ解析装置３０へのデータ転送タイミングなどを指示する。また、データ解析装置３０に対し、以下において説明する各種解析等を制御している。
【００２４】
受信データ記憶部１６に蓄積されたレーダデータは、データ解析装置３０の前処理フィルタ３１に送られ、中間値フィルタや低域通過型フィルタを用いてノイズ・クリッピングが除去され、データバッファ３２に転送される。データバッファ３２では、転送されたレーダデータを蓄積するとともに、制御部２０からの指示に従い、レーダデータをαデータ記憶部３３に転送する。αデータ記憶部３３では、データバッファ３２から転送されるレーダデータを蓄積する。この際、データバッファ３２からαデータ記憶部３３へのデータ転送量が一定値に達する度に、制御部２０にこの旨を通知する。高域通過型フィルタ３４では、制御部２０からの指示に従い、αデータ記憶部３３に蓄積されているデータに対して、道路、地層など進行方向に平行な定常的信号を除くフィルタ処理を行う。フィルタの種類は特に限定されないが、例えば進行方向に対して適当な幅で移動平均を取り、その値を元のデータから差し引くなどすればよい。フィルタ処理されたレーダデータは、βデータ記憶部３５に転送される。βデータ記憶部３５では高域通過型フィルタ３４から転送されるデータを蓄積する。
【００２５】
データ処理部３６は演算処理機能を備えており、αデータ記憶部３３およびβデータ記憶部３５に蓄積されたレーダデータを用いて空洞候補領域の検出処理を行い、候補領域情報記憶部３７に記憶する。また、検出した空洞候補領域を元に、データバッファ３２のデータの書き換えも行う。候補領域情報記憶部３７に記憶されたデータは、候補領域情報一時記憶部３８に一時的に記憶させることができる。この空洞候補領域の検出処理に係る一連の部位、すなわち、データ処理部３６の他、前処理フィルタ３１、データバッファ３２、αデータ記憶部３３、高域通過型フィルタ３４、βデータ記憶部３５、候補領域情報記憶部３７及び候補領域情報一時記憶部３８は、空洞検出部として機能しているということができる。
【００２６】
データ解析装置３０には、他に液晶ディスプレイあるいはＣＲＴディスプレイ等によって構成される表示部３９や、外部装置へのデータ出力を行うことができる出力部４０が設けられている。この表示部３９や出力部４０へは、候補領域情報記憶部３７からデータ出力を行うことが可能である。なお、表示部４０では、受信データ記憶部１６からデータ解析前のレーダデータを送信して表示することも可能である。
【００２７】
次に、図２のブロック図を用いて、データ処理部３６の構成を説明する。データ処理部３６は、第一空洞候補選出部５０、候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０及び空洞候補絞込み部８０から構成される。第一空洞候補選出部５０は小領域が空洞領域であるかを判定する小領域判定部として機能するものであり、空洞領域として判定された小領域の領域情報を第一空洞候補として候補領域情報記憶部３７に蓄積する。候補領域情報統合部６０は、候補領域情報記憶部３７に記憶された空洞領域の統合を行う統合部である。これにより、第一空洞候補の空洞領域の一部は、統合されて新たな空洞領域として再定義されることになる。第二空洞候補選出部７０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第一空洞候補の空洞領域を、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータの反射強度に基づいて解析し、空洞領域として適当か否かが判定される。空洞領域として判定された場合には、第二空洞候補として、候補領域情報記憶部３７に蓄積する。すなわち、第二空洞候補選出部７０は、空洞領域の強度判定部と言うことができる。空洞候補絞込み部８０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第二空洞候補の空洞領域に対し、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータに基づいて絞込みを行い、その数を削減する。
【００２８】
第一空洞候補選出部５０に含まれる第一候補領域決定手段５１では、βデータ記憶装置３５に蓄積されたレーダデータ中に、小領域として、任意のサイズの矩形領域を設定する。矩形の大きさは、検出したい空洞の最小サイズの大きさに基づいて設定すればよく、例えば横幅は８０ｃｍ程度、深さを３０ｃｍ程度などとする。そして、同深度の領域との反射強度を比較し、設定値以上に異なる場合に、この小領域を空洞領域として判定する。同深度の領域は、この矩形領域の隣接するなどの周辺領域であってもよく、また、この深度における平均的な反射強度を用いることも可能である。判定された空洞領域の領域情報は、候補領域情報記憶部３７に第一空洞候補として蓄積される。
【００２９】
候補領域情報統合部６０中の領域情報統合手段６１では、候補領域情報記憶部３７に蓄積された第一空洞候補である空洞領域に対し、領域間の距離が一定の基準以下（例えば３ｍ）である場合に、これらを統合して空洞領域を定め直し、第一空洞領域候補を更新する。
【００３０】
第二空洞候補選出部７０中の信号強度判定手段７１では、αデータ記憶部３３に蓄積されたレーダデータ中に、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された第一空洞候補の空洞領域と同位置・同サイズに対応する矩形領域を設定し、同深度の周辺領域とのパワー比に基づき当該矩形領域が空洞領域となりえるか否かを判定する。判定された空洞領域は、第二空洞候補として候補領域情報記憶部３７に蓄積される。なお、判定されなかった領域については単に候補として含めないことも可能であるが、領域情報統合手段６１による空洞領域の統合を解消し、解消した個々の空洞領域に対して再度信号強度判定を実施してもよい。
【００３１】
レーダデータ置換手段７２では、第二空洞候補選出部７０で第二空洞候補とされた空洞領域に対応するデータバッファ３２中のレーダデータの反射強度を、この空洞領域の周辺の代表的な反射強度に置換する。代表的な反射強度としては、例えば周辺領域の反射強度の平均値を用いればよい。この置換は、置換した反射波の受信データを用いて、一連の空洞領域の検出を再解析するために行われる。
【００３２】
空洞候補絞込み部８０では、候補領域情報記憶部３７に記憶された第二空洞候補に対し、αデータ記憶部に蓄積されたレーダデータに基づき絞込みを行い、空洞候補数の削減を行う。すなわち、空洞候補絞込み部８０の極性判定手段８１は、空洞領域付近のレーダ信号波形の極性を判定することで、当該領域が空洞領域かそれ以外の埋設物かを判定するものである。マンホール検出手段８２は、候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域に対し、領域の上端位置（最浅部）の深さが所定の基準より浅く、かつ、最深部が所定の基準値以上である場合に、当該領域を非空洞領域（マンホール）として除外する除外手段である。また、候補領域絞込み手段８３は、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域の大きさが関心対象の大きさに満たない場合に、その領域を空洞領域から外し空洞候補の数を削減する絞込み部である。
【００３３】
次に、図３のフローチャートを用いて、処理の流れを説明する。本実施の形態において実行可能な処理としては、リアルタイム処理と一括処理の二つがある。リアルタイム処理は、路面１下のデータを取得する度に、電磁波レーダ１０からデータ解析装置３０にレーダデータを転送し解析処理するものである。また、一括処理は、解析対象路線のデータを全て受信データ記憶部１６に蓄積した後に、一括して解析処理するものである。しかし、いずれの場合においても、データ解析装置３０の動作は同様である。
【００３４】
これらの処理においては、１回の路面下探査データに対して、１回以上の解析作業を行う。以降の説明では、解析作業の回数をＮ回として説明を行う。解析作業回数Ｎは、解析作業の前に予め設定しても良いし、解析作業中に適応的に決定しても良い。
【００３５】
第１回目の解析作業では、電磁波レーダ１０で取得したレーダデータを利用して解析を行うが、第２回目以降はデータ解析装置３０内で生成するデータを利用して解析を行う。この為、解析作業第１回目と第２回目以降とでは、処理の動作フローが異なる（Ｓ００１）。ここでは、まず、第１回目の解析作業における処理について説明する。
【００３６】
電磁波レーダ１０で取得し（Ｓ００５）、受信データ記憶部１６に蓄積されたレーダデータは、前処理フィルタ３１で中間値フィルタや低域通過型フィルタを用いてフィルタリングされ（Ｓ０１０）、データバッファ３２に転送される（Ｓ０１５）。
【００３７】
データバッファ３２では、前処理フィルタ３１から転送されるレーダデータを蓄積するとともに、制御部２０からの指示に従い、レーダデータをαデータ記憶部３３に転送する（Ｓ０２０）。データバッファ３２から転送されたデータはαデータ記憶部３３に蓄積される。以降では、データバッファ中のデータを「バッファデータ」、αデータ記憶部３３中のデータを「αデータ」と呼び、距離ｌ，深度ｄにおけるバッファデータ及びαデータをそれぞれｕ（ｌ，，ｄ）、ｕα（ｌ，ｄ）で表す。αデータ記憶部３３では、前記前処理フィルタ３１からのデータ転送量をカウントするカウンタを有し、当該カウンタが所定の値に達すると、制御部２０にこの旨を通知すると共に当該カウンタをリセットする。制御部２０は、αデータ記憶部３３から通知を受けると、データバッファ３２からαデータ記憶部３３へのデータ転送を停止するとともに、高域通過型フィルタ３４に対し、αデータ記憶部３３中のαデータのフィルタリングを指示する。
【００３８】
高域通過型フィルタ３４で処理されたデータは、βデータ記憶部３５に蓄積される（Ｓ０２５）。以降、βデータ記憶部３５中のデータを「βデータ」と呼び、距離ｌ，深度ｄにおけるβデータをｕβ（ｌ，ｄ）で表す。
【００３９】
αデータおよびβデータ中には、横Ｘｒ（進行方向）×縦Ｙｒ（深さ方向）の小領域が設定される。ここで、Ｘｒ、Ｙｒは小領域のサイズを表す定数であり、探査の際に受信データ記憶部にデータ記録された距離間隔に応じて設定される。また、探査開始地点から、進行方向にｌ，深さ方向にｄの位置におけるαデータ中の小領域の反射強度として、パワーＰα（ｌ，ｄ），およびβデータ中の小領域のパワーＰβ（ｌ，ｄ）を算出する。このパワーの定義方法はいくつか考えられ、例えば以下のような式で定義することができる：
【数１】
【００４０】
βデータの作成が完了すると、制御部２０はデータ処理部３６に対し解析処理の開始を指示する。制御部２０にデータ解析の開始を指示されたデータ処理部３６は、αデータ記憶部３３およびβデータ記憶部３５に蓄積されたデータに対し、解析処理を開始する（Ｓ０３０）。その動作について図２を交え説明する。初めにβデータに対して第一候補領域決定手段５１を適用し、第一候補領域を決定する。第一候補領域決定手段５１では、まず、βデータ記憶部３５中の小領域について、小領域の位置（ｌ，ｄ）を中心とした幅Ｒβの範囲内に存在する同深度の周辺小領域の平均パワー
【数２】
【数３】
【数４】
【００４１】
第一空洞候補領域の選出が完了すると、次に候補領域情報統合部６０による領域情報の統合が行われる（Ｓ０３２）。すなわち、候補領域情報統合部６０中の領域情報統合手段６１において、候補領域情報記憶部３７に記憶された任意の二領域のＳＴＡＲＴ，ＥＮＤのうち最も近接した２つの距離が基準値以下で、かつ、ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭのうち最も近接した２つの距離が所定の値以下である場合、この二領域を統合する。統合は様々に定義することが可能であるが、例えば統合の対象となる２領域を、
【数５】
（ＳＴＡＲＴ１，ＥＮＤ１，ＴＯＰ１，ＢＯＴＴＯＭ１）
（ＳＴＡＲＴ２，ＥＮＤ２，ＴＯＰ２，ＢＯＴＴＯＭ２）
で表したとき、統合後の領域（ＳＴＡＲＴＮＥＷ，ＥＮＤＮＥＷ，ＴＯＰＮＥＷ，ＢＯＴＴＯＭＮＥＷ）を、次式で定義することが可能である：
【数６】
ＳＴＡＲＴＮＥＷ＝ｍｉｎ（ＳＴＡＲＴ１，ＳＴＡＲＴ２）
ＥＮＤＮＥＷ＝ｍａｘ（ＥＮＤ１，ＥＮＤ２）
ＴＯＰＮＥＷ＝ｍｉｎ（ＴＯＰ１ ，ＴＯＰ２）
ＢＯＴＴＯＭＮＥＷ＝ｍａｘ（ＢＯＴＴＯＭ１，ＢＯＴＴＯＭ２）
そして、新たな領域情報として前記候補領域情報記憶部３７に記憶するとともに、この二領域の情報を候補領域情報記憶部３７から消去する。領域情報の統合は、統合の対象となる領域が存在しなくなるまで行う。
【００４２】
領域統合によって新たに生成された空洞候補領域に対しては、一意に対応するＩＤを付与し、当該ＩＤの空洞候補領域を形成する小領域の位置情報（例えば探査位置や上端位置を表すＴＯＰ等）を保存してもよい。これにより、空洞の形状の詳細な把握や、後段の空洞の候補絞込み過程での利用が容易となる。
【００４３】
領域情報の統合が完了すると、次に第二空洞候補選出部７０による第二空洞候補の選出が行われる（Ｓ０３５）。第二空洞候補選出部７０中の信号強度判定手段７１では、候補領域情報記憶部３７に記憶された領域情報（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ，ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭ）に従って、設定した範囲において候補領域内の深さｄに存在する小領域のパワーのうち最大の値
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００４４】
信号強度判定手段７１で空洞候補と判定された領域情報は、レーダデータ置換手段７２に渡される。レーダデータ置換手段７２では、第二空洞候補選出部７０で選出された第二空洞候補領域の位置情報（ＳＴＡＲＴ，ＥＮＤ，ＴＯＰ，ＢＯＴＴＯＭ）に基づき、データバッファ記憶部３２中のバッファデータを候補領域近傍の平均値で置換する（Ｓ０３６）。
【００４５】
以上の手順によって選出した候補領域の位置情報は、上記の通り候補領域情報記憶部３７に蓄積される。候補領域の選出が完了すると、次に空洞候補絞込み部８０による空洞候補の絞込みが行われる（Ｓ０４０）。空洞候補の絞込みは、候補領域情報記憶部３７に蓄積された全ての候補領域に対して、極性判定手段８１、マンホール検出手段８２、候補領域絞込み手段８３を任意の順で適用する。適用順序は制御部２０で制御する。例えば、極性判定手段８１、マンホール検出手段８２、候補領域絞込み手段８３の適用手順としたり、マンホール検出手段８２、極性判定手段８１、候補領域絞込み手段８３の適用手順としたりすることができる。空洞候補絞込み部８０による候補絞り込みが完了すると、候補領域情報記憶部３７に蓄積された空洞候補領域の位置情報を候補領域情報一時記憶部３８に転送するとともに（Ｓ０４５）、候補領域情報記憶部３７に蓄積された全ての候補領域情報を消去する（Ｓ０５０）。
【００４６】
極性判定手段８１では、候補領域情報記憶部３７に蓄積された空洞候補のαデータについて、極性の判定を行う。極性の判定方法については、パターン認識的な手法を用いることができる。例えば、位相の反転部分を黒、非反転部分を白で表したとき、空洞領域からの反射パターン（正極性とする）は白から黒へ変化するパターンとなり、非空洞領域からの反射パターン（負極性とする）は黒から白へ変化するパターンで表現される。また、前記候補領域を形成する小領域位置と小領域部分を含むレーダデータの周波数スペクトルを解析する方法などが利用できる。なお、空洞領域における反射は、正確には、その境界において起こると言えるので、電磁波の波長が空洞領域の大きさよりも十分短い場合には、この位置のずれが問題となる可能性がある。この場合には、極性判定手段８１の処理を、空洞領域よりもやや広い範囲について行うようにすればよい。
【００４７】
マンホール検出手段８２は、空洞と同様の極性を示すマンホールを候補領域から除去する為の手段である。候補領域情報記憶部３７に記憶された領域情報とαデータから、例えば路面１の深度（位置）と、当該候補領域のＴＯＰ位置を比較し、当該領域のＴＯＰ位置が該地表面位置より上にあり、かつ、当該領域のＴＯＰからＢＯＴＴＯＭまでの長さが基準値以上である領域を候補領域情報記憶部３７から消去する。例えば、路面１の深度ｄｓｕｒｆａｃｅ（ｌ）は、距離ｌにおけるαバッファの信号ｕα（ｌ，ｙ）について、所定の値を超える極大値を与えるｙのうち最小のｙをｄ’（ｌ）としたとき、次式で求めることができる：
【数１５】
ｄｓｕｒｆａｃｅ（ｌ）＝ｄ’（ｌ）−η
ここで、ηは電磁波パルスの波長に基づき決定される定数である。なお、消去した領域の情報を、別途記憶することで、マンホール候補領域のみのリストを作成することも可能である。
【００４８】
候補領域絞込み手段８３では、前記候補領域情報記憶部３７に蓄積された領域のうち、大きさが一定の基準値以下であるものを空洞候補から除外して、空洞候補領域を絞込む。例えば、小領域の横幅を８０ｃｍとして処理する場合に、領域情報統合手段６１で領域情報を統合した後で、候補領域の幅が小領域の幅以下の候補を除外すると、有効に空洞候補領域の絞込みを実行できることを確認している。
【００４９】
以上の手順（Ｓ００５−Ｓ０５０）を完了した時点で、これまで完了した解析回数カウンタＭを１加算する（Ｓ０５５）。このＭと所定の解析回数Ｎを比較し、Ｍ＞Ｎならば解析終了処理を行い、そうでなければ再解析作業（第２回目以降の解析作業）に移る（Ｓ０６０）。第２回目以降の再解析作業では、既にデータバッファ３２中に蓄積されているバッファデータを利用してＳ０２０−Ｓ０５０の解析処理を行う。
【００５０】
解析作業回数Ｎの設定としては、１以上の整数を指定する。ただし、１を設定した場合、上記の通りＳ００５−Ｓ０５０の手順を１回実行しただけでは、地中の水溜り等、空洞領域と同等以上に反射波の強度が大きい箇所が空洞領域の近傍に存在する場合に、この空洞領域が信号強度判定により非空洞領域と判定されて見落とされてしまう恐れがある。そこでここでは、Ｎを２以上に設定することで、レーダデータ置換手段７２によって検出済みの候補箇所を除いたデータを用いて、再度、Ｓ０２０−Ｓ０５０の手順で空洞候補の選出を行い、空洞領域の見逃しを抑止する。検出済みの候補箇所を除いたデータについては、レーダデータ置換手段７２によって生成されてデータバッファ３２に蓄積されている。そこで、このデータバッファ３２中のバッファデータから、新たにαデータ・βデータを生成し、データ解析装置３０による解析処理を行えばよい。なお、解析作業回数Ｎを大きな値に設定しておき、新たな空洞候補が選出されなくなるまで空洞候補の再選出を行うこともできるが、多くの場合Ｎ＝３程度とすれば有効な結果が得られることを確認している。
【００５１】
解析終了判定Ｓ０６０においてＭ＞Ｎである場合には、解析終了処理に移る。解析終了処理では、まず、候補領域情報一時記憶部３８に蓄積された候補領域情報を候補領域情報記憶部３７に転送する（Ｓ０６５）。そして、候補領域情報記憶部３７に転送・蓄積された候補領域情報に対し、領域情報統合手段６１により候補領域情報の統合を行う（Ｓ０７０）。候補領域情報の統合（Ｓ０７０）が完了した時点で、候補領域情報記憶部３７に蓄積された候補領域情報を、データ解析装置３０の処理結果として、表示部３９または出力部４０に出力する（Ｓ０７５）。
【００５２】
以上、図３に従い本実施の形態の動作フローを説明したが、第一空洞候補選出部５０に続く候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０、空洞候補絞込み部８０の適用順序はこの限りではない。例えば、第一空洞候補選出部５０、空洞候補絞込み部８０の極性判定手段８１、候補領域情報統合部６０、第二空洞候補選出部７０、空洞候補絞込み部８０の適用順としてもよい。なお、このように適用順序を変更した場合には、各部において候補領域情報記憶部３７に記憶された空洞領域に対する処理も、直前の処理で更新された空洞領域に対して行うように変更されることは言うまでもない。
【００５３】
また、以上の説明においては、第一空洞候補選出部５０は、小領域に対して、同深度の周辺領域の（あるいは平均的）反射強度に基づいて第一空洞候補を決定した。しかし、こうした周辺領域の反射強度が、深度方向にある程度一様である場合には、鉛直方向の周辺領域を考慮することができる為、同深度という限定は必ずしも必要ではない。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の地中空洞検出装置により、空洞領域の自動検出の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の装置構成を示すブロック図である。
【図２】図１のデータ処理部３６の構成を示すブロック図である。
【図３】処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 電磁波レーダ、２０ 制御部、３０ データ解析装置、３１ 前処理フィルタ、３２ データバッファ、３３ αデータ記憶部、３４ 高域通過型フィルタ、３５ βデータ記憶部、３６ データ処理部、３７ 候補領域情報記憶部、５０ 第一空洞候補選出部、６０ 候補領域情報統合部、７０ 第二空洞候補選出部、８０ 空洞候補絞込み部。
Claims (7)
- 地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、
前記受信データに含まれ、抽出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、略同深度における周辺領域の反射強度または略同深度における平均的反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する領域判定手段、を含む空洞検出手段、
を備える、ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 請求項１に記載の地中空洞検出装置において、
前記空洞検出手段は、所定距離内に存在する空洞領域を統合し新たな空洞領域を定める統合手段を含む、ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 請求項１または２に記載の地中空洞検出装置において、
前記空洞検出手段は、空洞領域付近の反射波の極性が反転しない当該空洞領域を空洞領域として再定義する極性判定手段を含む、ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の地中空洞検出装置において、
前記空洞検出手段は、求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段を含む、ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の地中空洞検出装置において、
前記空洞検出手段は、空洞領域の最浅部が所定深度よりも浅く最深部が所定深度よりも深い領域を空洞領域から除外する除外手段を含む、ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の地中空洞検出装置において、
前記空洞検出手段は、前記統合手段にて統合した後に検出された空洞領域に対し、所定の大きさより小さい空洞領域を除外する絞込み手段を含む、
ことを特徴とする地中空洞検出装置。 - 地中に放射した電磁波の反射波の受信データに基づいて地中の空洞を検出する地中空洞検出装置において、
前記受信データに含まれ、検出対象とする空洞の大きさに応じて設定した領域の反射強度を、周辺領域の反射強度と比較した結果に基づいて、前記領域が空洞領域と見なせるか否かを判定する対周辺領域判定手段と、
求めた空洞領域の反射強度を周辺領域の平均強度で置換した反射波の受信データに基づいて、新たに空洞領域を求める再解析手段と、
を含む空洞検出手段、
を備える、ことを特徴とする地中空洞検出装置。
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