JP2004309491A - 建築および土木構造物計測・解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来、建築土木構造物計測解析作業は、自動化されていず、人間の感覚による調整・判定を伴う非効率長時間作業であった。またレーザ撮像装置を使用する場合誤ってレーザビームが人間に照射される安全上の問題があった。これらの問題点をクリアし更に使い易いシステムを提供すること。
【解決手段】非効率で精度上不安のある処理を、新しい画像取得技術と画像処理・健全度判定のコンピュータ化により大幅に改善し、この技術を基に、計測対象領域内でレーザ照射不可エリアの設定を自動的に行い、危険範囲を除外してレーザ測距或いはレーザ撮像をし、計測時の不安全問題を回避し、更に又、レーザ照射可能エリアにおいてもレーザ照射範囲内を監視カメラで監視し、移動体があった場合には自動的にレーザ照射を停止する安全機構等をシステムに組込む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、道路、道路および鉄道用トンネル、道路および鉄道等の法面・側壁、ビルディング側壁、ダム、橋梁、プラント設備等の建築および土木構造物の劣化、破損あるいは欠陥等の不具合な状況、具体的には「ひび割れ」、表面構造（表層）部分の「剥離（浮き）」、ひび割れの一現象である「漏水」、「遊離石灰」等をコンピュータおよびコンピュータ制御される計測機器により自動的に計測・解析するシステムに関わる。

従来、道路、道路および鉄道用トンネル、道路および鉄道等の法面・側壁、ビルディング側壁、ダム、橋梁等の建築および土木構造物の器械による健全度の検査については、大半は、任意の位置に持ち運んで設置可能な移動設置型機材に可視光カメラ赤外線カメラ等の撮像装置を搭載し、これらの撮像装置を個々に使用して撮影し（撮像データを取り）、撮像データの解析作業において一部コンピュータの助けを借りて行っている部分もあるが基本的には撮影された画像は人間が手動で取扱いやすい形に加工し、解析し、不具合の程度を分析し、健全度を判定する方法が使われている。
この場合、面積の広い計測対象物を撮影（計測）するには、撮像装置の撮像可能視野角は有限であるにもかかわらず計測結果の解析に必要な空間分解能の確保が必要なことから、計測対象領域を複数のサブ計測対象領域に分割し、隣接のサブ計測対象領域とオーバーラップ幅をとり、撮影の順番とサブ計測対象領域との一致をとりながら（記録しながら）可視光カメラあるいは赤外線カメラ等で撮影を行い、後の処理時にはその記録を見ながら分割画像（分割画像データ）を手動でつなぎあわせる方法が多く採られていた。

更に進んだ方法として特開平１０−７８３０５で提案されているものがある。その方法の概略は、以下のごとくである。
平面をなす計測対象物上の少なくとも３点のカメラからの距離と水平角（方位角）と垂直角（俯仰角）をあらかじめ測定して計測対象物の姿勢角を求め、その情報に従って分割撮像する場合の画像中心とオーバーラップ量と分割画像の中心をコンピュータで計算し、その結果によってカメラの方向を手動で合わせて分割画像を撮影する。分割画像を結合する際は、画像をスキャナでコンピュータに読み込み、撮影時に計算によって決められた分割画像中心を合わせるように結合する。
ひび割れのサイズの正確な把握のために、計測対象物の正面から見たように画像を補正する正対化処理についてもコンピュータ上でソフトによる演算処理によってなされており、上記現状より手動による手間が改善されている。

移動計測車による道路関係構造物等の計測対象物の撮影（計測）は、実用され始めて間もないことでもあり、その代表的なアプリケーションであるトンネル内壁の計測においては、
第１の例は、特開平１−７９６１３に開示されているように、トンネルの中心位置を検出しながらトンネルの中心線上を計測車が移動し、進行方向にほぼ直角な面とトンネル内壁面の交線上をレーザ撮像装置によって走査しながら計測する方式である。この場合、トンネル内壁面と撮像装置との位置関係の測定については明確な記載がなく不明であるが、一般的には逐一測定されていないか、予め断面形状は均一と仮定され、設計値か代表的な位置での断面形状測定値を適用している状況のようである。
第２の例は、特開２００１−２８９６２０に開示されているように、トンネル内の施行地点に画像取り込み機能と計測対象点までの測距機能と計測対象点の方向の測角機能を有する光学的スキャナ装置を設置して、トンネル内の内空変位計測情報と内空断面形状計測情報と切羽面画像情報を取得し、施行状態、その後の状態変移を観察する方法がある。計測データから計測対象物の形状の３次元空間座標を算出し、計測対象物の立体形状を把握し、施行後の状態変移を検知しやすくしたものである。
第３の例は、特開２００２−２５７７４４に開示されているように、走行車両に、ビデオレコーダ等の画像機器と赤外線検出器と非接触タイプ電磁波レーダーと被検査面までの距離情報の測定制御装置と車両及び画像機器の位置情報の測定制御装置を搭載し、走行しながらトンネル内部のコンクリート表層部の欠陥情報およびコンクリート内部および背面空洞の欠陥情報を同時に測定し、測定結果に対しコンピュータにより画像処理と解析を行い、知識データベースの支援の下でコンクリート剥落の危険性の判定を行うものである。

図１０に、従来の移動設置型の計測システムあるいは車載型の計測システムにより、トンネル、橋梁、ダム、ビルディング等の建築および土木構造物の壁面が撮影された分割画像（場合によっては連続画像）を補正・解析する、従来の代表的な手動作業方式についてフローチャートを示し、簡単に説明する。
（１）まず、広い計測対象物であれば画像分割して、狭い計測対象物であれば１枚の画像として撮影（計測）する。並行して画像補正・解析用付帯データ（計測対象物に対する撮像装置の姿勢データ、分割画像の並び方等の補正・解析用データ）を計測・記録する。
（２）つぎに、手動分割撮影（計測）の場合、解析システムにおいて、計測システムからの画像補正・解析用付帯データを使用して、計測された画像の中からつなぎ合わせる対象画像を選び出し、つなぎ合わせる際のレイアウトを確認する。
（３）画像は基本的に、一点からある面積を撮影する透視画像、あるいは線状の撮像装置からある線上の領域を撮影することの繰返し（カメラの走査）によりある面積を撮影する擬似透視画像、あるいは点状のカメラからある点状の領域を撮影することの繰返し（カメラの走査）によりある面積を撮影する透視画像であること、計測対象領域もトンネル内壁のようにある断面形状がトンネルの長手方向に連続するものあるいは平面の連続等々あるが、いずれにしても一般的には被撮影面が撮像装置の光軸に対して垂直になっていないと考えなければならないこと、レンズも収差を持っていること等の理由から、撮像画面上の寸法と被撮影面上の実際の寸法との比率は同一画像内で均一ではなく、画像内の場所によって異なっている。そのため、この撮像画面上の距離と実際の距離との比率を均一にする正対化処理を行う必要があるが、撮像装置から計測対象物表面を分割された各々の計測対象領域（以降、サブ計測対象領域と呼ぶ）までの距離（撮像距離）とサブ計測対象領域の姿勢角を測定により求める、あるいは撮影画像上の寸法の明確な特徴物（例えば、コンクリートの目地）の長さ・間隔・方向等を補正補助線として利用した実測値と画像との比較等により手動あるいはコンピュータの助けを借りた手動計算で求めて数値指定し、その他の必要なパラメータの数値を同様に求め、撮像装置のレンズの視野による歪の補正（画角補正）ならびに正対化幾何補正（透視投影変換）を行っていた。
（４）この一連の正対化処理を行った後、画像を接合していくパッチワーク処理の工程に入るが、手動撮影の場合は、オーバーラップの量が画像ごとに、また同一画像であっても画像の周辺部の場所により異なるので、手動でパッチワークのための位置合わせを行っていた。計測車による撮影の場合にも、車速のばらつき、撮像距離の揺らぎ、測距データの不足等から、オーバーラップ量は不正確で、かつ正確に正対化処理が行えずパッチワークに問題が多かった。
（５）正対化のため数値指定したパラメータに誤差があると得られる画像の回転角やサイズが微妙にずれるためうまく接合できなくなる。接合不可の際は、正対化幾何補正用パラメータを微調整して再度幾何補正処理を行う、いわゆるカットアンドトライ方式を採っていた。この工程を繰り返し、接合のずれに対するある程度の妥協も含めて全画像の接合が終わると合成画像の完成となり、異常状態の解析作業と健全度判定作業に移行する。
（６）異常状態の解析作業および健全度判定作業は、熟練者が合成画像を見ながら、必要に応じて履歴データ、類似の経験データ等を参考にしながら行っているのが通例である。

また、従来の計測車により剥離とひび割れ両方の症状の計測をしなければならないケースが頻繁に起こるが、レーザ撮像装置あるいは可視光カメラ等の表面状況撮像装置と赤外線カメラ(温度情報計測用)による同一計測対象物（例えば、トンネル内壁）計測においては、計測車の一回の行程で同時に計測されるのではなく別々な移動行程で測られている。しかも撮像装置とトンネル内壁の位置関係は常時測られていない。
特開２００２−２５７７４４には電磁波レーダーと赤外線の同時計測が開示されている。

また、従来、壁面の剥離等、表面構造物（表層部）の部分的な浮き現象を赤外線カメラの撮像画像を使って壁面の温度の変化を読み取ることによって検出することが行われているが、撮像距離の違い、その他諸々の理由から同一温度でも温度勾配等が観測される。また、計測対象領域を複数のサブ計測対象領域に分割して撮像した場合、正対化の不正確さによる分割画像の境界のばらつき等の理由から分割したサブ計測対象領域の境界領域で温度あるいは温度勾配の不連続が起こる。これらの温度勾配あるいは不連続の補正は解析者の感性にゆだねられて一つ一つ補正されるか、放置されたまま解析作業がなされている。
特開平１−７９６１３ 特開２００１−２８９６２０ 特開２００２−２５７７４４

従来の方法では、各種問題があった。
まず、計測から解析まで全般にわたって自動化されていず、煩雑な作業を人間の判断と労力でまかなっていた。

移動設置型の計測システムにおいては、計測対象領域を複数のサブ計測対象領域に手動で分割撮像する場合には、撮影の現場では、撮影の基本的なルールは決めておいても、測定対象物に応じて縦横の分割数は変わらざるを得ないので、どのような順番と方向で撮影したかを整理して記録しなくてはならない、撮影ミスもあるため処理対象としない画像をはずす記録をする必要がある、最終段階のパッチワークをイメージして適当なオーバーラップをとりながら撮像する必要がある等、かなりの熟練と面倒な作業が要求される欠点があった。

また、パッチワーク処理においても、手動の位置合わせ、パラメータ誤差に起因する接続不可事態の発生、正対化幾何補正用パラメータの微調整による再度の幾何補正処理による接続作業の再トライ等、カットアンドトライの繰返しにより多大な労力と時間を要する、非効率な、精度上も不安な作業となっていた。
また、正対化処理においても、手作業によって種々の必要データを採取、計算して必要なパラメータの数値を指定していく必要があり、その労力は多大なものがあった。

計測対象物が平面の場合はあらかじめ計測対象物の姿勢角等を測定し、分割撮像のオーバーラップ量を一定で把握可能なようにし、分割画像の接合をコンピュータを使用して、画面上でオペレータが行うケースもあるが、手作業の一部がコンピュータ処理に置き換わったに過ぎず、基本は煩雑な熟練を要する手作業である。
また、正対化処理もコンピュータで行うようにした進歩は一部には見られるが、計測対象物の形状が平面に限定され、計測範囲も狭い範囲に限定されている。

移動計測車による撮影の場合も含めて、計測対象物の撮影の際に、後工程である複数の分割画像の接合時にあるいは画像単体であっても必要な画像の幾何補正や解析に必要な撮像距離、計測対象物の表面形状を割り出すために必要な計測対象物表面の必要な複数点への撮像装置からの距離、方位角、俯仰角等が同時に計測されていないか、代表的な部分のみの計測が代表的な場所でのみ行われてあとは計測値または設計値から推定している状況であり、精度上問題があった。

上記に関連するが、トンネルの内壁面計測において、撮像装置からトンネル内壁面までの距離は計測せず設計図のデータあるいは代表点の実測データを後処理のデータとして使用するだけで、トンネル内壁面に対するトンネルの中心位置を検出しながらトンネルの中心線上を計測車が移動する方式が一部ですでに採られているが、計測車移動制御は精度維持的にも経済的にも問題のある方式であった。

また、剥離とひび割れが別々に測られているケースがほとんどであることから、計測に時間がかかる問題点があった。
さらに、解析精度向上のため両データを重ね合わせて見ようとしても、正確な正対化処理（トンネルの場合は内壁面の正対展開図が作られる）が行われていなかったことから両方のデータにずれが生じ問題の多いものであった。

また、赤外線カメラ等の表面温度撮像装置による撮像画像においては、同一画像内で温度勾配がでてしまう、または温度および温度勾配を接合の境界部でずれがないように、スムーズな状態で各画像を接合することが極めて手のかかる手作業であったこと等は、温度情報を利用する「剥離」等の解析作業において多くの時間を消費させる
ことにつながり、また安定な判定の阻害要因となっていた。

また、従来、計測対象の空間位置座標を取得するための測距装置としてレーザ測距装置が使われ、また主に建築物等の構造物壁面のひび割れ等の計測のためにレーザ撮像装置が使われているが、壁面に窓がある場合、建築物内部にいる人間が計測中に照射されたレーザ光を短い時間とはいえ窓を通して見る可能性があり、安全性の点から問題があった。
また、橋梁等の土木構造物を計測対象とする場合においても、橋梁や橋台等ではレーザを照射する際に対象物の前後に道路等があると、歩行者や自転車、自動車が計測中に領域内を横切ることが想定され、上記と同様の危険性があった。またレーザを照射しない計測であっても、計測された距離あるいは画像が不正確なものとなる問題点があった。

また、計測対象物自体と周辺には計測対象外の物体が各種存在する。例えば、建築物の外壁とほぼ同一面にある窓、計測対象物の表面あるいは近くに設置されている付属設置物等である。これらは本来撮像画像の解析・分析には不要で、その画像上の取扱が余分なエネルギーと時間を使わせる邪魔物であり、本来なら除去しなければならないものであるが、これらの不要物を撮像していた。

本発明は、以上のような問題に鑑み、新しいシステム構成、計測の仕組み、解析手段・手法を導入し、以下に示すような新しいシステムを提供するものである。
非効率で精度上も不安のある処理方法を大幅に改善し、平面、曲面を問わず任意の形状の計測対象物に対して適用可能な、使い易い新規なシステムとする。
この技術をベースにして更に、本システムを運用する際に重要となる安全問題を回避するために、人間に危険のおよぶ計測方法を変更し、計測対象領域内で計測対象物以外のレーザ照射禁止エリアの設定を行い、危険あるいは不要な部分を測距あるいは撮像しないようにする。
更にまた、レーザ照射可能エリアにおいても、レーザ照射範囲内を監視カメラで監視し、移動物体があった場合には自動的にレーザ照射を強制停止する等の安全機構をシステムに組み込む。

上記課題を解決する本発明の建築および土木構造物計測・解析システムの構成、機能は、以下のごとくである。

計測対象物を撮像する撮像装置、
計測対象物までの距離（以降、撮像距離とも呼ぶ。）を計測する測距装置、
撮像装置または測距装置から計測対象物への方位角および俯仰角を制御する角度制御手段、
および、撮像装置、測距装置、ならびに角度制御手段を制御し、撮像装置の撮像画像並びに該撮像画像に対する付帯データである撮像距離、前記方位角および前記俯仰角を計測データとして計測、記録する計測・記録制御手段から成り、撮像装置か測距装置のいずれかにレーザ光を照射する装置が含まれている計測システムと、
撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置関係データを使用して計測対象物表面空間座標（以降、表面空間座標とも呼ぶ。）を付帯データから計算し、撮像画像に対する画像処理と計測対象物の表面構造の不具合の程度の解析を行う解析システムから成る建築および土木構造物計測・解析システムにおいて、
計測対象物の撮像領域において、人間にレーザ光の照射される可能性のある領域を予め設定するか自動検知して、レーザ照射不可エリアを設定し、レーザ測距装置あるいはレーザ撮像装置のレーザ光がレーザ照射不可エリアを避けて照射され計測データがとられる機能を持つようにした。

上記の課題を解決する手段において、計測対象物が人間にレーザ光が照射される可能性のある窓あるいは特定領域を持つ場合に、指令により予めレーザ以外の人間に害のない撮像装置で計測対象物を予備撮像し、得られた予備撮像画像に対するパターン認識処理により窓あるいは特定領域を特定してレーザ照射不可エリアを設定する機能を持つようにした。

また、計測対象物を撮像する撮像装置、
計測対象物までの距離を計測する測距装置、
撮像装置あるいは測距装置から計測対象物への方位角および俯仰角を制御する角度制御手段、
および、撮像装置、測距装置、ならびに角度制御手段を制御し、撮像装置の撮像画像並びに該撮像画像に付帯する撮像距離、方位角並びに俯仰角を計測・記録する計測・記録制御手段から成り、撮像装置あるいは測距装置のいずれかにレーザ光を照射する装置が含まれている計測システムと、
撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置関係データを使用して計測対象物表面空間座標を付帯データから計算し、撮像画像に対する画像処理と計測対象物の表面構造の不具合の程度の解析を行う解析システムと、
計測対象物の撮像領域を監視するために設置された監視カメラシステムから成る建築および土木構造物計測・解析システムを作り、
監視カメラの撮像画像の画像処理によって計測対象物の撮像領域に出入りする移動物体を検知して、移動物体が入ってから該移動物体が撮像領域外に出るまで撮像領域全体をレーザ照射不可エリアまたは計測不可エリアとして設定し、レーザ照射を禁止し、撮像装置あるいは前記測距装置からのレーザ光の照射を禁止し、撮像領域に移動物体がいないことを確認した段階でレーザ照射不可状態または計測不可状態を解除し、レーザ光による撮像あるいは測距を可能とする機能を持たせる。

以上の課題を解決するための手段において、計測対象物を撮像する撮像装置、計測対象物までの距離を計測する測距装置、および計測対象物の方位角および俯仰角を制御する角度制御手段を具備する計測システムが、動力を持つ移動設置可能な機材に搭載され、移動して任意の計測場所に設置可能であるようにすることが取り扱い上望ましい。

以上の課題を解決するための手段における計測システムにおいて、可視光カメラと赤外線カメラの組合せあるいはどちらか一方の種類のカメラからなる計測対象物を撮像する撮像装置、および計測対象物までの距離を計測するレーザ測距装置が、撮像装置とレーザ測距装置を各々の光軸が平行になるように、脚台に支持された装置取付け部材上に搭載され、
撮像装置とレーザ測距装置の光軸の方位角と俯仰角が、角度計測手段としてエンコーダを具備する２個のモータによって制御設定されるようにすることも望ましい手段である。

本発明の効果は、従来、計測から解析まで全般にわたって自動化されていず、煩雑且つ熟練を要する作業を人間の判断と労力でまかなっていた状況が、自動化によって改善され、非効率で精度上も不安のある処理方法が大幅に改善され、平面、曲面を問わず任意の形状の計測対象物に対して適用可能な、使い易い新規なシステムとすることができ、この技術を基にして、計測対象領域内で建物の窓等レーザ照射不可エリアの設定を行い、レーザ照射可能エリアにおいても、レーザ照射範囲内を監視カメラで監視し、移動物体があった場合には自動的にレーザ照射を強制停止する等、人間の目にレーザ光が入らないような安全機構をシステムに組み込み、安全性を増すことができた。

以下に、本発明による建築および土木構造物計測・解析システムについて最良の実施の形態を実施例を含めて説明する。
（実施の形態１）

図１に本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態１の、代表的な全体概略構成例を示す。
１は、建築および土木構造物表面の計測システムであり、人力で移動設置可能な移動設置架台１００に載っている。２は、計測システム１からの計測データを解析する解析システムである。

計測システム１は、コンクリート製の構造物等の計測対象物の外観（全体形状、ひび割れ、漏水、遊離石灰等の可視異常等）を撮影する可視光カメラ（デジタルカメラ）１１５あるいはレーザ撮像装置１１０、主に計測対象物の表面構造（表層）部分の剥離（浮き）等を検出するために表面の温度を計測する面センサタイプの赤外線カメラ１２０、計測対象物表面空間座標を計算するために使用される計測対象物までの距離を計測するレーザ方式の測距装置１３０、測距装置１３０を計測対象物の被計測点の方向に制御設定する（結果的に被計測点の方位角並びに俯仰角が読み取れる）角度制御手段（詳細には測距角度制御手段）１３５、並びに計測・記録制御手段１４０を持つ。計測・記録制御手段１４０は、撮像画像および撮像画像に付帯するデータであるレーザ測距装置１３０の測距データ、および角度制御手段１３５により制御設定された方位角並びに俯仰角の記録を制御し計測システム全体の動作の制御をする。
レーザ撮像装置１１０と可視光カメラ１１５と赤外線カメラ１２０はすべて同時に使用されていても、いずれか２種の組合せでも、またはいずれか一方でもよい。システムの用途によって構成は変えられてよい。
測距および撮像は計測・記録制御手段１４０によって基本的に自動で行われる。
尚、赤外線カメラ１２０はラインセンサタイプでもよく、その場合は面走査制御機構が必要となり、面走査制御機構が測距角度制御手段と連携して撮像装置から見た計測対象物の方位角並びに俯仰角を制御する角度制御手段（詳細には、撮像角度制御手段）の役割をする。
また、レーザ撮像装置が使用された場合はシングルビームの線走査制御機構が同様にして角度制御手段の役割をする。
また、後述するが、「人間の現れる窓あるいは特定領域等のパターン認識による特定」を解析システムで行い、計測システム１にレーザ照射不可エリアの設定を行い、その設定に従い、レーザ測距あるいはレーザ撮像のときにレーザ照射不可エリアを避けて（レーザビームを照射しないで）測距あるいは撮像を行う。
さらにまた、撮像中に移動物体が撮像領域に入った場合に、監視カメラと認識機能によりそれを自動検出して、測距あるいは撮像を停止して、人間に対してレーザビームが照射される危険を最小限にすることと、移動物体によって不良画像となった撮像画像を解析システム２に取り込むことがないようにする。

解析システム２は、計測システム１により得られた計測データと予め得られている撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置関係データを使用して、撮像装置に対する計測対象物表面の形状を割出し、計測対象物表面空間座標（表面の各位置の三次元座標で表面空間座標とも呼ぶ）を求め、撮像画像に画角補正等の補正を加え、撮像画像の各画素を表面空間座標の然るべき座標に関連づけるマッピングを行い、結果として計測対象物を分割して撮像した場合は分割撮像画像から計測対象物表面の全体画像を構築し、計測対象物表面に対し適宜任意の方向および位置から見た撮像画像（任意視点画像）を計算によって得ることができるようにし、必要に応じて所望の視点の指定を行うことによって得られた所望の方向および位置から見た任意視点画像を使って計測対象物の不具合を自動的に解析あるいは分析し、更に加えてオペレータの指令に応じて計測対象物の異常の状態を自動的に判定する機能を持つコンピュータシステムである。

また、以上の機能を使って、レーザ撮像装置以外の可視光カメラ１１５あるいは赤外線カメラ１２０で撮像した計測対象物全体の画像からパターン認識によりレーザ照射不可エリアの特定を行い、計測システム１にレーザ照射不可エリアの設定を行う。

次に、個々の撮像装置、測距装置、角度計測手段が搭載された移動可能な移動設置架台、その他の計測・記録制御手段等を人力で移動・設置を繰り返しながら撮像（計測）可能な計測システムの実施例（実施例１）について図２および図３を用いて説明する。当然、固定位置に設置して撮像する計測システムの場合も含む。
図には大半は省略されているが、転がり方向自由かつブレーキ機構つき小車輪のついたいわゆる三脚のような脚台３０１上にブラケット取付手段３０２を介して支持ブラケットＡ３０３が設置され、支持ブラケットＡ３０３にはモータＡ３０４およびモータＡ３０４の出力軸に固定された支持ブラケットＢ３０５の回転支持案内機構（図示は省略してあるがベアリング等からなり、モータＡ３０４の出力軸への搭載物重量等によるラジアル負荷も受ける）がマウントされている。支持ブラケット３０５にはモータＢ３０６およびその出力軸に固定された取付板３０７の回転支持機構（図示は省略してあるがベアリング等からなり、モータＢ３０６の出力軸への搭載物重量等によるラジアル負荷も受ける）がマウントされている。取付板３０７には撮像装置として赤外線カメラ１２０、可視光カメラ（デジタルカメラ）１１５、広視野カメラ１１６、レーザ測距装置１３０、フラッシュ１１７およびジャイロ１１８が矢印Ｓの方向（計測時には、この方向を計測対象物に向けて計測する）を向いて、各々の光軸が平行になるように搭載されている。１１５ａはデジタルカメラ１１５用の望遠レンズ、１２０ｐは赤外線カメラ１２０用の望遠レンズである。
モータＡ３０４の出力軸とモータＢ３０６の出力軸は直交しており、モータＡ３０４は取付板３０７の矢印Ａの方向（俯仰角方向）の姿勢を制御する。モータＢ３０６は取付板３０７の矢印Ｂ方向（方位角）の姿勢を制御する。２個のモータの制御手段が角度計測手段となる。ジャイロ１１８は取付板３０７の姿勢検出手段として取付板の据付時の基準姿勢の設定のために使用される。測定対象物に対する計測システムの相対位置・角度は、移動設置架台がポータブルゆえに計測のケース・バイ・ケースで種々変化する。そのため特に測定の基準となる位置，姿勢の特定のために必要なものである。
赤外線カメラ１２０は計測対象物の表面構造（表層）部分の剥離あるいはひび割れ等の不具合の有無を検出するために使用する計測対象物表面温度計測器であり、いわゆる面センサ方式のカメラである。可視光カメラ１１５は計測対象物のひび割れ等の表面状態の目視状態を記録し、解析・分析・判定のデータとするためのものであり、フラッシュ１１７は可視光カメラで撮像するときに計測対象物の明るさを上げるためのものである。広視野カメラ１１６は広い計測対象物全体の表面状態の把握と分割撮像するときの全体のサイズ、位置関係を参考把握する、あるいは後述する計測対象物上のレーザ光照射不可エリア自動設定のための予備撮像画像をとるために使用される。
脚台３０１、支持ブラケットＡ３０３、モータＡ３０４、支持ブラケットＢ３０５、モータＢ３０６および取付板３０７等からなる撮像装置、測距装置を搭載する架台を移動設置架台と呼び、撮像装置，測距装置、その他の計測・記録制御手段、データ転送手段等を合わせて計測システム１と呼ぶ。

計測対象物の撮像および撮像距離その他の付帯データ等の計測方法は、以下のごとくである。
計測対象物に相対して移動設置架台を据え付け、ジャイロ１１８を使用して取付板３０７の基準となる姿勢(モータＡ３０４とモータＢ３０６の初期位置)を決める。
計測対象物が小さくて１回で撮像可能な場合は、計測対象物の表面空間座標（表面の三次元形状を表す座標値）を把握するため、計測対象物上の必要な距離計測点（複数で計測対象物の形状と必要な測定精度によってその数と計測点の位置は変化する。計測対象物全体をある点密度でカバーすることも当然あり得る）に対して２個のモータを制御してレーザ測距装置１３０により距離を測り、レーザ測距装置１３０から見た距離計測点の方位角、俯仰角をそのときの２個のモータの回転角により割出す。その後広視野カメラ１１６の像も参照しながら計測対象物全体を撮像できるように２個のモータを制御して方向を定めて撮像する。そのときの方位角と俯仰角は当然モータの回転量から知ることができる。
計測対象物が大きく、１回で撮像不可能の場合は、分割して撮像することになるが、分割の仕方は撮像領域の大きさが既知で、全体の大きさも測定可能であるから、分割画像の最小オーバーラップ量を決定してやればコンピュータで自動的に行える。即ち各分割画像の撮像時の撮像中心点の方位角および俯仰角が定まる（撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置・姿勢関係が既知であるから撮像中心点に対応する測距対象点の方位角および俯仰角が定まると考えてよい）ことから順番に自動的にその位置に２個のモータを制御してカメラを向けることができる。各分割撮像対象物の表面空間座標の計測は、上記１回で撮像可能な場合で述べたと同じ方法によって可能である。

この計測システム１により計測された計測データを本発明の解析システム２に送り、計測対象物の表面部分の不具合の有無および健全度の解析，分析，判定を自動で行う。
本実施例にある移動設置架台に搭載する撮像装置は、図１にあるようにデジタルカメラ等の可視光カメラ１１５、レーザ撮像装置１１０、赤外線カメラ１２０（センサの方式は問わない）あるいは補助用の広視野（可視光）カメラ等何でも可能である。
レーザ撮像装置で撮像が行われる代表的なケースとして、撮像距離の十分取れない道路の側壁、あるいはビルディングの側壁、あるいはトンネル内面の特定範囲等のひび割れ等の計測がある。この場合は実施例１の移動設置架台を使った計測システムを動力付きの車に搭載して計測対象物の前面を移動停止を繰返しながら実施例１と同様な計測の仕方をとるか、あるいは、移動設置架台を使わずに、動力付きの車に移動設置架台のような仕掛けを造り付けて、計測システムを構築してもよい。
レーザ撮像装置は、上述のような移動設置可能な三脚方式の移動設置架台に搭載するには、装置の性格上なじまないことから後者の方式が好ましい。
尚、レーザ撮像装置を使用した場合は計測対象点の方位角、俯仰角は、レーザ撮像装置１１０および測距装置１３０からの方位角、俯仰角を制御する角度制御手段１３５とレーザビーム走査機構の角度から得られることになる。即ち、角度制御手段１３５は、レーザビーム走査機構まで含むと考えて差し支えない。
また、ラインセンサ方式の赤外線カメラが使用されるときも上記同様、ラインセンサ走査機構まで含めた形で角度制御手段１３５を考えて差し支えない。

つぎに、解析システム２について実施例に基づき詳細に説明する。
図４は、本発明による建築および土木構造物の計測・解析システムの計測システム１から解析システム２までの処理の一実施例（実施例２）を示す。この実施例では、画像の解析、分析、健全度判定（不良の程度の判定）の機能だけの説明であり、後述のレーザ照射不可エリアの設定、計測不要物に対する撮像画像からの除去に関する機能は説明していない。この説明については、実施例３で行っている。
図４に示す一連の処理は、基本的にコンピュータによる自動処理であり、各々の処理の開始および終了時点および必要な処理岐路では処理ステップの選択等でオペレータ判断が必要に応じて可能なようになっている。

ステップ１０は計測システム１内での、分割撮像も含んだ計測対象物の自動撮像ステップである。前述のように、撮像画像には付帯データが付けられ、記録媒体移動によるオフライン方式あるいは電送によるオンライン方式いずれかにより解析システム２のコンピュータに入力される。

第２ステップ２０は、付帯データおよび予め得られている撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置関係データから計測対象物の形状を割出し、表面空間座標を算出するステップである。これは単純に幾何計算によって行われる。

第３ステップ３０は、各々画角補正を行うステップである。
この処理を説明する前に、本解析システム２で実行され、本発明の処理の基本である撮像画像の表面空間座標へのマッピングにつき簡単に説明する。
例えば、点状の計測点を点状のカメラで撮像する方式で、計測点を少しずつ移動しながら計測対象物上のある計測面積全体を撮像し、１枚の撮像画像を得る場合は、撮像画像の各画素は、同時に計測されている計測対象物上の被計測面の計測点の空間座標と１対１の対応がとれ、被測定点の空間座標一つ一つに、対応する画素の情報を関連づけることができる。この関連づけを撮像画像の表面空間座標へのマッピングと称している。
このときには、点の情報故に光学系の歪、収差等の特性は、計測点の位置に対しては影響しない。
今、点状のカメラではなく、面状のカメラを使用してある計測面積を撮像した場合、撮像画像の中央と中央から離れた位置では、その両方の位置に同じ物があった場合これらは異なるサイズで撮像される。これは、単純にレンズによる幾何学的な原因と、レンズの歪、収差等の特性によって起こるものである。
従って、撮像画像上の画素およびその情報を被計測面の空間座標に関連づける（同上マッピング）時には、上記のサイズの違いに相当する位置の補正をして各画素に対応する各表面空間座標を決めてやらなければならない。これが画角補正である。

第４ステップ４０は、ステップ３０の画角補正によって決定された撮像画像の各画素に対応する表面空間座標位置に対し各画素の情報を関連づけるステップである。複数の分割撮像画像がある場合は、この関連づけ（マッピング）を繰り返すことにより、計測対象の全体画像が自動的に構築されるため、従来方式で問題となったカットアンドトライを行う必要がない。

第５ステップ５０は、分割撮像画像間のオーバーラップ分を処理するステップである。具体的には、オーバーラップ部分では同一画素部分であっても、複数の各々の分割撮像画像毎に情報に差がある場合もあることから、これらを補正して１つの情報に置き直していく必要がある。その１つの方法は、その画素のオーバーラップ部分内での配置位置（どちらの分割撮像画像に近いか）によって各々の分割撮像画像上の画素の情報に重み付けをして加え合わせる等で一本化することである。この一本化処理によって分割画像から全体画像の構築が完全に終了する。
最初から全体画像が得られているものに対しては、当然のことながら第５ステップ５０は必要がない。
また、当然のことながら、オーバーラップ部分の処理はこの第５ステップで殊更行う必要はなく、第４ステップ４０のマッピングの過程で逐一行ってもよい。この場合は、第４ステップ４０でのマッピング時から第５ステップ５０でのオーバーラップ部分の処理が終了するまでオーバーラップ個所の画素情報を多重に持つ無駄を排除できる。
これで、不良解析の前処理は終了する。

第６ステップ６０は、第５ステップまでに得られた全体画像が、計測対象物の表面空間座標に対応する撮像画素情報をマッピングしてあることから、解析に必要な所望の視点の方向および位置をコンピュータ上で指定することによって全体画像を所望の方向および位置から見た画像（任意視点画像）に純粋な数学的手段で変換し、アルゴリズム個々の内容については省略するが、解析アルゴリズムに従って不良の解析を行う。
因みに、計測対象物表面を微小面に分割し、その各々の微小面を代表する各々の空間座標における微小面各々に対する法線上の無限遠の距離に各々の微小面に対応する視点を置くように指定したときの任意視点画像は、計測対象物表面に対する正対化画像となる。また、計測対象物から有限の距離隔たった視点を指定すれば、そのときの任意視点画像は鳥瞰図となる。
また、任意視点画像を応用することによる新機能も含めての任意視点画像の効用は、例えば計測対象物表面の傾斜が強い(カメラの光軸に対する角度が小さい)面に怪しい現象が観測される場合に、その面を正面から見た方向に視点を指定することによって、情報分解能が粗くなるかもしれないがその対象面を正面から見た形で分析できることで、面の形状、面内の怪しい部分の存在する場所等をより明確に認識しながら分析できることとなり検査対象物の健全度の判定精度も向上する。
あるいは、一方向からの計測では陰になって表面全体が計測できないような凹凸のある計測対象物の場合に、例えば複数の異なる方向から同一範囲を計測し、その各々の撮像画像に対して同一の表面空間座標へのマッピングを行い、重ね合わせるごとき組み合わせを行い、視点の位置を変えることによって、立体的な画像をいろいろな方向から見ることができることになり、解析・分析の精度が上がる等の新しい解析・分析法の確立につなげられることにある。

第７ステップ７０では、計測対象物の健全度判定がコンピュータによって、あらかじめ用意されたアルゴリズムに従って行われる。ただし、判定の微妙なところは、オペレータ介在の方法を選べるようにしてある。
ひび割れ、極端な形状異常等の解析については、レーザ撮像装置１１０による全体画像が主に使用され、表面構造部分の剥離等の解析については赤外線カメラ１２０による全体画像が主に使用されるが、判定の精度を上げるために寸法正確に作られた両画像を並べて比較分析する、あるいは重ね合わせて分析することが行われ、判定精度の大きな改善となる。これは従来の手作業による方法では実現不可能なことであり、自動判定の精度の向上に大きく寄与する。
さらに、比較分析・判定の方法として、データベースに蓄えられた不具合パターンとのマッチング度合いを見る、同一個所の履歴データとの比較、更には不具合症状の進行速度の算定による寿命の推定等を行う。この処理のための準備として、データベースの各データには、撮像された日時、その他撮像条件等の特記事項、更には不具合症状、不具合を代表する位置の測定データ（例えば、ひび割れの幅、温度比較データ等）等の添付データが所定のフォーマットで付記されている。これらを使用して比較分析と不具合の進行速度が自動的に計算でき、計算値と所定の閾値との比較によって不具合の度合いを判定し、段階別の判定結果を出す。当然、この自動判定に対してオペレータが修正を行うことができるようにシステムソフトウエアは組まれている。

また、一般に赤外線カメラ１２０に観測される見かけの温度は撮像距離によって影響される。例えば一点から同一温度を持つ広い壁の温度を計測した場合には、温度計測データはカメラから壁への法線が壁と交わる点が最高温度、ここから距離が隔たるごとに温度が下がる分布形状となる。したがって合成された画像においては温度の傾斜が現れ、後の処理がしづらい状況となる。
例えば、トンネル内壁の温度分布をとる場合に、トンネルの形状または計測車１００の走る位置により赤外線カメラ１２０からトンネル壁面２１０までの距離は変わる。当然計測データ（見かけの温度）も実温度に対して変わる。
この問題に鑑み、本発明においては、分割画像から全体画像を構築する前に、あるいは全体画像に対して撮像距離の違いによる温度計測データの補正を行うプロセスを追加した。補正計算に使用されるアルゴリズムにおいては、理論式に対して実験による補正を加えた。
この補正により、赤外線カメラ１２０による最終の全体画像とレーザ撮像装置１１０による全体画像を重ね合わせて不良の解析と健全度の判定を行え、両方の情報によってノイズ情報も除去でき、不良の解析・判定精度が向上する。

以上説明してきた機能は、オペレータの指示に従ってシステムが自動でやるようにパーソナルコンピュータ等のコンピュータベースの建築および土木構造物計測・解析システムに組み込まれているものである。

この実施例２は、実施の形態１の移動設置架台によるコンクリート製の橋梁、ビルディング壁面等各種対象物の計測、および後述する実施の形態２の計測車によるトンネル内壁の計測、その他計測車による道路に沿って長く続く側壁、法面等の計測による計測データの解析、分析、健全度の判定に使用されるものである。

次に、測距装置としてレーザ測距装置が使われ、また主にビルディング等の窓のある構造物壁面のひび割れ等の計測のためにレーザ撮像装置が使われる場合が想定されるが、計測最中に窓の領域を始め、ベランダのような特定領域、あるいは計測対象壁面の前を通りかかる車も含めて、撮像領域に人間が現れ、レーザ光線が人間の目に入る等の危険性がある領域がある。 これに対する新たな解決法を実施例（実施例３）と共に示す。

測定対象物が窓のある建築物の外壁で、実施例１の計測システム１（レーザ測距装置１３０および／あるいは、図にはないが実施の可能性のある、レーザ撮像装置１１０）によって計測しようとする場合、窓の枠内に人間が現れ照射レーザビームが目に入る危険性に対処する実施例である。その対応ステップは以下のごとくである。
（１）最初に窓以外の外壁上で人間の近寄れない基準点を決定し、その位置にレーザ測距装置１３０の照準を合わせて方位角と俯仰角を記憶する。（以降の計測時の方位角と俯仰角の基準点とする）
（２）次に、レーザ測距装置１３０のレーザビームをオフにして、広視野カメラ１１６（広視野カメラ１１６がない場合は、通常の可視光カメラ１１５あるいは赤外線カメラ１２０等の人間に害を与えない撮像装置を代用しても構わない）によりできれば計測対象物の全体が入るように、移動設置架台の取付板３０７の姿勢を２個のモータによって調整し、計測対象物を撮像（予備撮像）する。同時にそのときのレーザ測距装置１３０の光軸の方位角および俯仰角（２個のモータ回転角から既知である）を記憶する。
（３）撮像範囲が計測対象物全体をカバーできないときは、予め分割撮像することにし、各々の分割画像の中心に対応するレーザ測距装置１３０の光軸の方位角および俯仰角(２個のモータ回転角)を算出し、撮像の順番も決定する。しかる後に、順次自動的に、２個のモータを駆動して分割画像の中心に撮像装置を向け、撮像（予備撮像）を繰返し、計測対象物全体を撮像（予備撮像）する。
（４）次に、各予備撮像画像と各予備撮像画像に付帯する上記方位角と上記俯仰角を解析システム２へ転送し、分割撮像されている場合は、分割画像で窓の範囲をパターン認識できるときはそれで済ませ、認識不可能なときはその部分については関連する分割画像同士を連結し窓の範囲をパターン認識し（パターン認識の具体的な方法については後述する）窓と特定する。具体的には方位角と俯仰角のデータで窓周辺を定義できる。
（５）この特定した窓周辺の定義データを計測システム１へ転送し、計測システム１においてレーザ照射不可エリアを認識・設定し、計測・記憶制御手段１４０の制御の下に、窓に対応する範囲だけレーザの発光ＯＮ／ＯＦＦ制御をする等でレーザビーム照射がなされないようにして、レーザ測距装置１３０および角度制御手段１３５による計測対象物の各計測点への距離とそのときの方位角および俯仰角の計測あるいはレーザ撮像装置１２０による計測対象物（外壁）全体に渡る走査計測（撮像）が合わせてなされる。この結果、レーザ測距装置１３０による測距中、あるいはレーザ撮像装置１２０による走査計測中に窓内に人間が現れても、人間にレーザビームが照射される危険性はなくなる。当然のことながら、窓に相当する範囲は有効データのない画像が得られる。

上記の窓部分のパターン認識の方法は、
（１）予備撮像された画像に対し、エッジ抽出を行い、エッジのデータから領域分割を実行する。
（２）分割された領域の、色の違い、形状の特徴、あるいは配列の特徴で窓と外壁部分の違いを判断する。
窓の形状、配列については、解析システム２にデータベースを持たせ、その形状と配列を比較して窓と壁面を判別する。
（３）このようにしてレーザ照射可能エリアとレーザ照射不可エリアを自動的に表示し、これをオペレータが確認し、パターン認識の誤り（形状誤り、誤認識あるいは認識不足）に対して修正操作を行い、実際に照射を行う領域の決定を行う。オペレータ確認の要否については予めどちらかにシステム状態を決めておくことができ、完全に自動認識させるかオペレータ確認を入れるかを選択できるようになっている。
ここに、（１）乃至（３）に記載の処理は、データの送受信を計測システム１と解析システム２の間で行う形をとり、解析システム２で行われるが、計測システム１内にパターン認識等のソフトウエアを用意して計測システム１で行われてもよいし、両方に分け持たれて行われてもよいことはもちろんである。
また、窓でなく、ベランダのような人間の現れる可能性の高い特定領域、計測対象物上あるいは前面の近傍に設置してある計測対象外の付属設置物については、上記の「窓」を「特定領域または計測対象物上あるいは前面の近傍に設置してある計測対象外の付属設置物」に置き換えれば、同様に対応が可能である。そのときのパターン認識において、エッジ検出によって領域分割した後データベースの形状と配列を比較するに当たって、比較時間を短縮する手段として、計測対象物の種類ごとにデータベースを分割保持し、その分割保持されたデータベースをオペレータが予め指定できるようになっている。各々の分割保持されたデータベースにはその種類に特有なパターン群を集合してある。
また、パターン認識が非常にしづらい形状の窓、特定領域、あるいは付属設置物の場合には、パターン認識を実行する前に、予めその範囲を撮像画像上でオペレータが指定をしておくことができるようになっている。

実施例３では予めレーザ照射可能エリアとレーザ照射不可エリアを設定し、レーザ照射可能エリアにおいてのみレーザ光を照射するが、計測の都合上、人あるいは車両が横切る可能性のある領域に対してもレーザ測距あるいはレーザ撮像を行う必要が生じる場合がある。この場合の対処法について以下に述べる。
このような場合、計測領域の両側に監視員をおき、計測の一時停止を行ったり、通行を制限したりする方法が一般的であるが、本システムにおいては、監視カメラを使い、その画像処理によって計測領域内の移動物体を捉え、移動物体が検知された場合には自動的にレーザ発光を一時停止する機構を設ける。
移動物体の検知は、監視カメラシステムで監視カメラの現在の画像と直前の画像の、各画素強度の差の絶対値を演算し、結果として得られた時間差分画像でノイズ成分を考慮した所定のスレッショルド値以上の画素が所定個数以上存在した場合に、移動体ありと判断して、その結果が監視カメラシステムから計測・記録制御手段１４０に転送され、レーザ発光を自動的に一時停止する。監視カメラシステムで、撮像された画像をそのままの状態で演算した場合、カメラの微小振動によって画素のずれが発生する可能性があるため、縦横２画素ずつ計４個の画素を一つにし画像サイズを１／４あるいは４画素ずつ計１６個の画素を一つにする等、画像サイズを縮小した形で演算を行う。 監視カメラの撮像は継続して行い、移動体なしの状態に戻った時点で、自動的にレーザ発光を再開し、測距あるいはレーザ撮像を継続する。移動物体が検知された時点で計測過程にあった計測データは原則廃棄する。
監視カメラの画像処理ソフトウエア部分は独立した監視カメラシステムの中にあるが、これを計測・記録制御手段１４０に入れ込むこともシステム構築上の都合上あってよい。
（実施の形態２）

次に、図５に本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態２の、代表的な全体概略構成例を示す。
１は、建築および土木構造物表面の計測システムであり、計測車１００に載っている。２は、計測システム１からの計測データを解析する解析システムである。
計測システム１は、コンクリート製の構造物等の計測対象物の外観（全体形状、ひび割れ、漏水、遊離石灰等の可視異常等）を撮影するレーザ撮像装置１１０および／あるいは可視光カメラ（デジタルカメラ）１１５、主に計測対象物の表面構造（表層）部分の剥離（浮き）等を検出するために表面の温度を計測する赤外線カメラ１２０、撮像装置から見た計測対象物表面空間座標を計算するために使用される計測対象物までの距離を計測するレーザ方式の測距装置１３０、計測対象物の被計測点の方位角並びに俯仰角を制御する角度制御手段１３５、および計測システム全体の動作の制御とレーザ撮像装置１１０、および／あるいは可視光カメラ１１５、および／あるいは赤外線カメラ１２０による撮像画像とレーザ測距装置１３０と角度制御手段１３５により計測されたデータで撮像画像に付帯するデータ（双方合わせて、計測データとも呼ぶ）の記録を制御する計測・記録制御手段１４０を持つ。レーザ撮像装置１１０と可視光カメラ１１５と赤外線カメラ１２０は同居しても、いずれか２種の組合せでも、いずれか一方でもいずれでもよい。システムの用途によって構成は変えられてよい。

解析システム２は、基本的に実施の形態１の解析システムと同様の機能を持つシステムである。計測システム１により得られた計測データおよび予め得られている撮像装置と測距装置と角度制御手段の空間位置関係データを使用して、撮像装置に対する計測対象物表面の形状を割出し、計測対象物表面空間座標を求め、撮像画像に画角補正等の補正を加え、撮像画像の各画素を表面空間座標の然るべき座標に関連づけるマッピングを行い、結果として計測対象物を分割して撮像した場合は分割撮像画像から計測対象物表面の全体画像を構築し、計測対象物表面に対し適宜任意の方向および位置から見た撮像画像（任意視点画像）を計算によって得ることができるようにし、必要に応じて所望の視点の指定を行うことによって得られた所望の方向および位置から見た任意視点画像を使って計測対象物の不具合を自動的に解析あるいは分析し、更に加えてオペレータの指令に応じて計測対象物の異常の状態を自動的に判定する機能を持つコンピュータシステムである。
また、以上の機能を使って、計測対象物上あるいはその近傍に設置してある非計測対象物である設置物の画像部分をパターン認識により自動認識して撮像画像から除去する機能を持つ。

次に、本発明の実施の形態２の計測システムが、トンネルの内壁の計測・解析に適用されたときの実施例（実施例５）を説明する。
図６に、計測システムの実施例を示す。（ａ）は側面図、（ｂ）はトンネルの断面形状と走査角度範囲の例を示すものである。
２１０はトンネル内壁、２１１は路面、このトンネル内を計測車１００が移動する。計測車１００には、レーザ光源ユニット１１２とレーザ受光器１１１からなるレーザ撮像装置１１０、ラインセンサからなる赤外線カメラ１２０、レーザ測距装置１３０、角度制御手段１３５、計測・記録制御手段１４０、電源ユニット（図示省略）、および計測車の移動距離信号発生手段１０５が搭載されている。

レーザ光源ユニット１１２は、レーザ発振器１１２ｂ、レーザ発振器１１２ｂからトンネルの中心線にほぼ平行に発射されるレーザビーム１１２ｃを作り出す光学系（図示省略）、レーザビーム１１２ｃを直角の方向に反射するＬＺ反射鏡１１２ａ、およびレーザビーム１１２ｃを軸としてＬＺ反射鏡１１２ａを回転させるＬＺＭ回転装置（図示省略）から成る。
従って、レーザビーム１１２ｃはＬＺ反射鏡１１２ａの回転によってトンネルの中心線にほぼ直角な面（詳細には、計測車の移動等によりわずかに螺旋的な面となる）とトンネル内壁２１０との交線上を照射しながら走査する。トンネル内壁２１０で反射したレーザビームのうちレーザ受光器１１１の視野内へのレーザ乱反射成分の強度がレーザ受光器１１１によって計測される。計測車１００を移動しながら適当な走査線間隔でこの計測値を記録していけば、トンネル内壁２１０のある領域に対応するレーザ乱反射成分の強度分布データ（強度分布画像）が得られる。この強度分布画像がトンネル内壁２１０のひび割れ、凹凸等の表面情報を含んでいる。

赤外線カメラ１２０は、複数の受光素子がトンネルの中心線にほぼ直角な面上に１列に並んだいわゆる赤外線ラインセンサ１２０ｂと、トンネルの中心線にほぼ直角な面および受光素子の配列方向直線に対し４５度の角度で配置されたＩＲ反射鏡１２０ａ、ＩＲ反射鏡１２０ａから赤外線ラインセンサ１２０ｂの間に配置され赤外線ラインセンサ１２０ｂのカバーするトンネル内壁２１０面上の範囲（トンネルの長手方向には図示するように内壁２１０上の直線ＰＱで示す区間）を決定する光学系（図示省略、計測対象物までの距離により焦点距離を調節する手段を持つ）、およびＩＲ反射鏡１２０ａをトンネルの中心線に平行な軸の周りに回転させるＩＲＭ回転装置（図示省略）から成り、トンネル内壁２１０の表面構造部分の剥離（浮き）を検査する目的で表面の温度を計測するために使われる。
従って、例えばＩＲ反射鏡１２０ａを図２（ａ）の状態に対して−θ／４度から＋θ／４度までθ／２度回転（走査）させる過程で、トンネル内壁２１０面の−θ／２度から＋θ／２度までθ度の範囲からの赤外線強度（表面温度分布）を計測することができる。すなわちトンネル内壁面を平面に展開したときトンネル長手方向にＰＱの長さを持ちＩＲ反射鏡１２０ａの回転（走査）方向に走査角度範囲θ度に対応する内壁２１０上の長さを持つ四辺形部分の赤外線強度データ（分割温度分布画像）が得られることになる。この赤外線強度データが四辺形の表面構造部分の剥離（浮き）の情報を含んでいる。

また他の走査方法として、赤外線カメラ１２０全体を上記と同じトンネルの中心線に平行な軸の周りに回転させる方式をとってもよい。このメリットは、技術的には克服すべき点はあるが走査角度範囲の制限が理論的にないことである。

測距装置１３０の光軸（測距装置から見た計測対象物上の計測点）の方位角および俯仰角を駆動制御かつ計測可能な角度制御手段１３５は測距装置１３０と連動しており、計測・記録制御手段１４０から制御される。

計測車１００の移動距離信号発生手段１０５は、計測車１００の車輪の単位回転角ごとにパルスが出力される形式のいわゆるエンコーダであり、このパルス出力を計測・記録制御手段１４０がカウントし、移動距離を計測すると共に計測車の進んだ所定の間隔(移動距離)ごとに移動距離信号を出力する。

図７は、図６で示す実施例５の場合のレーザ撮像装置１１０と赤外線カメラ１２０のトンネル内面（展開面）に対する走査方法の一例を示す図である。
トンネル断面は図７上部で示すように馬蹄形をしている。計測車１００はトンネル内を所定の速度で矢印（計測車移動方向）で示す方向に移動する。この移動に伴って、計測制御手段１４０から所定の間隔ごとにパルス出力される移動距離信号が図７の右側に示すように出力される。
温度を測定する赤外線カメラ１２０は、受光素子数Ｎ（例えば、１００から５００程度）を列状に持ったいわゆるラインセンサであり、赤外線ラインセンサ１２０ｂの受光素子列が計測車１００の進行方向に直角（図７では、理解をしやすくする都合上、計測車１００の進行方向に平行に、かつトンネル内壁２１０上の被撮像幅ＰＱに対応するように二点鎖線で記入してある）になるように維持され、計測車１００の進行方向に平行な軸を回転軸にしてＩＲ反射鏡１２０ａを回転し、計測対象領域をカバーするようにあらかじめ定められた所定の走査角度範囲θを走査する。計測は所定の方向（以降、往路という）に等速で走査している間（走査時間ｔirの間）トンネル内壁面から放射される赤外線を捕らえる方法によって行われ、往路の走査が終了すると走査の方向を変え復路となり走査の開始ポイントに戻る。等走査速度区間終了時には、トンネル長手方向にＰＱの長さを持ちＩＲ反射鏡１２０ａの回転（走査）方向に走査角度範囲θ度に対応する内壁２１０上の長さを持つ概略四辺形部分（ＰＱＳＴで囲まれる部分）の赤外線強度データ（分割温度分布画像）が得られる。この走査計測サイクルは、計測・記録制御手段１４０により繰り返される。

一方、レーザ撮像装置１１０は、同一の計測対象物表面（計測対象領域）のひび割れ等の計測を行う。その走査計測の方法は、以下のごとくである。レーザ撮像装置１１０は１個のスポット状光源（ビーム）によって計測対象物の表面を照射し、そこから乱反射する光量を基本的に１個の受光器で計測するものであり、赤外線カメラ１２０のときと同様に走査角度範囲θをＬＺ回転鏡１１２ａの回転によりレーザビーム１１２ｃを等速で走査し、往路走査（走査時間ｔlzの間）で計測し復路で走査の開始ポイントに戻る。この走査計測サイクルを計測・記録制御手段１４０の制御の下で繰り返えす。
レーザ撮像装置１１０はラインセンサである赤外線カメラ１２０と違い１個のセンサからなるカメラであり、その走査計測サイクルは赤外線カメラ１２０のそれに比べて赤外線カメラ１２０の素子数分の１の時間であるのが計測時間のバランス上最適である。

撮像が行われる所定走査角度内の往路の開始点（左端）のＰ点あるいはＱ点においてレーザ撮像装置１１０と赤外線カメラ１２０のタイミングが合うように描かれているが、これは説明の都合上であって、実際は赤外線カメラ１２０の走査計測サイクルとレーザ撮像装置１１０の走査計測サイクルは基本的にお互いに無関係になされる。
また、レーザ走査の間隔，その他の寸法関係は見やすいように不統一な尺度で描いてある。

赤外線カメラ１２０とレーザ撮像装置１１０による各々の計測データが、計測車１００の所定の走行距離間隔ごとの移動距離信号に同期して記録される方式（同期方式）に関する撮像データの取扱の例について図８および図９に示す。
図８は、赤外線カメラ１２０による撮像記録の計測・記録制御手段１４０における処理フローの１例を示す図である。図に沿ってフローを説明する。
赤外線カメラ１２０の走査が開始され、計測車１００が移動を開始する。
まず、走査角度範囲θ内（往路）に入っているか否かの確認をする。入っていなければ（「ｎｏ」の場合）撮像を待つ。入っていれば（「ｙｅｓ」の場合）１ラインの撮像をする。撮像結果は、ＩＲ第１仮メモリに蓄積される。
走査角度範囲θ内すべて走査計測が終了したかどうかチェックする。走査計測が終了していなければ、番号１のつけられたサークル位置に戻る。
走査計測が終了していれば、ＩＲ第１仮メモリの内容をＩＲ第２仮メモリに移動・蓄積し、ＩＲ第１仮メモリをクリア（開放）する。
撮像装置の状態を走査開始位置へ戻す指令を出す。
計測車の所定の走行距離間隔ごとの移動距離信号が出たか否かのチェックをする。ここにいう所定の走行距離間隔とは、基本的に赤外線ラインセンサ１２０ｂがカバーするトンネル内壁２１０の計測車進行方向長さＰＱ以下かつ赤外線カメラ１２０の１走査計測サイクル時間で計測車が進む距離以上の長さを持つ間隔で、システムの性能によって適宜決められる。
分割撮像データから全体画像を構築する際に隙間が出ないように分割画像間にオーバーラップ部分を確実に設ける場合には所定の走行距離間隔の長さはＰＱよりオーバーラップ分だけ短くする。移動距離信号は、計測車１００に設けられた移動距離信号発生手段１０５からのパルス出力により、計測・記録制御手段１４０の中で作られる。移動距離信号がまだ出ていなければ番号１のつけられたサークル位置へ戻る。
すでに出ていれば、計測対象物の計測対象領域と撮像装置との位置関係等の付帯データを付けてＩＲ第２仮メモリの内容をＩＲ恒久メモリに移動・蓄積して、ＩＲ第２仮メモリをクリア（解放）する。
移動撮像終点かどうかチェックする。終点あるいは終点を過ぎていなければ番号１のつけられたサークル位置に戻る。終点にいるかあるいは終点を過ぎていれば、撮像を終了する。

図９は、レーザ撮像装置１１０による撮像記録の処理フローの１例を示す図で、図８に対応する図である。
この場合、処理フローの赤外線カメラ１２０の場合との違いは、カメラがラインセンサから１スポットのみのレーザ検出器に変わったことで、図４に対して、「１ラインの撮像」を「１点の撮像」に、「ＩＲ第１仮メモリ、ＩＲ第２仮メモリ、ＩＲ恒久メモリ」を「ＬＺ第１仮メモリ、ＬＺ第２仮メモリ、ＬＺ恒久メモリ」と読み替えるだけで図４の場合と同様の説明ができることから、説明を省略する。

以上の処理フローで撮像された赤外線カメラ１２０とレーザ撮像装置１１０による分割撮像データと付帯データは、それぞれ、共通の計測車の移動距離信号にタイミングを合わせてＩＲ第２仮メモリあるいはＬＺ第２仮メモリに記録されていることから、これらの記録は計測車の移動距離信号に同期してなされていることになる。
また当然のことながら、これらの分割撮像データは接合され、それぞれの撮像装置の全体画像は位置、サイズが基本的に同一となる。詳細には同一サイズではなく、双方の全体画像において最初と最後の部分において赤外線カメラ１２０とレーザ撮像装置１１０の走査時間の差（ｔｉｒ−ｔｌｚ）だけ全体画像の形状（詳細には平行四辺形）に差が出る。しかしながら、この差は、最終的に被計測点の位置と計測値が関連づけられることから本質的に問題ではない。
分割画像の接合に当たっては、分割画像各々オーバーラップ部分があるので、そのうちの片方を捨てながら解析システム２で接合する。が、より精度よく接合するためには、計測対象物表面の空間座標の割出しに必要な付帯データの計測時間内の計測車の揺らぎ等で、分割画像同士のつなぎ目で画像の小さなずれが生じている場合があり、このずれを修正しながら接合していく必要がある。この修正は地図の接合等に使われる一般によく知られた画像処理による。
また、オーバーラップ部分の片方の捨て方としては、ＩＲ第２仮メモリあるいはＬＺ第２仮メモリに蓄積記録するときに捨てていく方式を採ってもよい。

計測車１００の速度の制御に関しては、走査計測の過程において計測車１００の移動距離信号ごとに次つぎと連続して得られる分割温度分布画像から全体画像を構築するときにわずかな計測領域のオーバーラップが存在するように計測車１００の速度の上限が制限される。

上記の説明では、計測車の移動距離信号の所定間隔内では、赤外線カメラ１２０の走査計測サイクルを複数回行う（ただし、どの操作計測サイクルで撮像される画像も共通の所定間隔の長さ分の画像を含んでいる）ことがあり得るようになっており、計測車の移動距離信号の直前の走査による撮像データが記録され、その他の撮像データは捨て去られることになる。この場合は、見方を変えれば、その分計測車１００が速度を遅くしているか撮像時間の短かくて済む高い感度の赤外線カメラ１２０を使用していることになる。
上記の赤外線カメラ１２０とレーザ撮像装置１１０の走査計測サイクルの計測車１００の移動距離信号との非同期の方法は、制御が簡単であるメリットがある。
性能上の究極の理想形は、赤外線カメラ１２０の１回の走査計測サイクルで計測車１００が基本的にＰＱで表される距離を進み、その間でレーザ撮像装置１１０の計測サイクルが所定の密度でなされ、すべての撮像データが記録されていく形に持っていくことである。そのためには、赤外線カメラ１２０とレーザ撮像装置１１０の応答性と分解能のバランスをとり、ＰＱを決め、計測車１００の走行速度を制御し、平行に撮像していく赤外線カメラ１２０の走査計測サイクルを計測車１００の移動に合わせる、即ち計測車１００の移動距離信号に同期させることである。このときはレーザ撮像装置１１０の走査計測サイクルは非同期のままでよく、計測データの記録だけを赤外線カメラ１２０の計測データの記録に同期（即ち、計測車１００の移動距離信号に同期）させればよい。
この形は、計測車１００が最高速度で走ることあるいは撮像装置の応答性を必要以上に上げなくてよいことを可能にする方法である。現在の赤外線カメラ１２０、レーザ撮像装置１１０の性能趨勢から見て、計測車は数十Ｋｍ/Ｈ程度の速度で撮像しながら走ることも可能であり、撮像効率が格段に向上する。

また、上記いずれの場合の計測においても、少し触れたが、各往復走査における各撮像装置と計測対象物上の計測点との間の位置関係が計測システム１において付帯データとして記録される。
その内容は、基本的には、レーザ測距装置１３０から被計測点までの距離・方位角・俯仰角、レーザ測距装置１３０と各撮像装置の位置関係、各撮像装置の設置角度、レーザ測距装置１３０の路面からの設置高さ、および計測車移動距離（計測基準位置と測距装置との初期位置関係を含む）であり、後工程での撮像画像の取扱に欠くべからざるものである。当然、距離、方位角、俯仰角は、撮像装置からのもので置き換えられてもかまわない。

なお、各撮像装置と計測対象物上の計測点との間の位置関係の計測については、計測対象物の種類あるいは計測精度によって簡易な方法がとれる。
断面形状が計測精度に重大な影響を与えない程度にほぼ均一な道路あるいは鉄道用トンネル、道路あるいは鉄道用側壁等の計測対象物においては、計測車１００（撮像装置）の計測対象物からの離間軌跡と路面の大きな凹凸による走査位置の大きなずれが把握できればよい。
計測車１００（撮像装置）の計測対象物からの離間軌跡については、所定間隔ごとにレーザ測距装置１３０によって計測して、計測値およびその所定間隔ごとの変化については必要に応じて平均、内挿等の統計的手法で修正処理を施し、位置データとして使用すればよい。また当然、このような計測対象物のみ計測する場合においては、レーザ測距装置１３０はコストおよび精度の観点から最適なものを選択して使用できるメリットも出てくる。
計測対象物が道路に対して緩やかに形状を変えている場合も、所定間隔ごとにレーザ測距装置１３０によって計測して、上記と同様な処理を行えばよい。

また、以上の説明ではレーザ測距装置１３０および角度制御手段１３５は各々１セットを前提にしてきたが、１セットにこだわる必要はなく、複数セットを適宜必要な位置に配置（例えばトンネルの場合には馬蹄形の内壁断面を分割計測できるようにある角度間隔で配置）して使用することができる。その場合の効用は、各々のレーザ測距装置１３０の計測対象物カバー範囲を限定することによって、計測間隔を狭めてより距離計測密度を上げる、あるいは逆に計測密度を上げずに大幅に安価でより性能の低い測距装置を使用できることにつながり、場合によっては更にコストパフォーマンスを高められる可能性があることにある。当然レーザ測距装置１３０の代わりに電磁波あるいは超音波測距装置等の異なる測定原理の測距装置を適宜使用することもできる。

なお、走査の往路から復路へは（復路から往路へも同様に）走査の方向を反転させる方式であるが、必ずしもその方式に限定するものではなく、赤外線カメラ１２０あるいはレーザビーム１１２ｃを１方向に連続回転させ、以上の説明での往路に相当する範囲だけ計測する方式でもよい。
また、説明の都合上往路だけ計測する形で説明してきたが、計測情報密度を高める等の理由から復路においても計測してもよいことは当然である。

また、以上ではＬＺ反射鏡１１２ａとＩＲ反射鏡１２０ａは双方とも１枚の反射鏡である場合で説明してきたが、説明の都合上１枚の反射鏡による原理説明で済ませたものであってそれに限定するものではなく、外周面が複数の平面鏡からなる多面体（各平面は回転軸に対して１枚の反射鏡の場合と同様に４５度傾いている、多角錐の尖端を切り取った形状で、いわゆるポリゴン・ミラーの変形）を使用して、１方向回転だけで、１方向走査インターバルの時間的な切れ目のない走査を行うこともできる。この方式のメリットは、１枚の反射鏡との比較では、反射鏡回転速度が多面体の面の数で割った回転数以下まで走査角度範囲に依存して遅くできることで技術的に容易になることである。

また、以上の説明では、レーザ撮像装置１１０あるいは赤外線カメラ１２０については各々１個の場合についての例であったが、各々複数個使用して各々の撮像装置に主たる計測対象物表面領域のカバー範囲を分割付与し、各々の撮像装置でとられた撮像画像を合成して全体画像を得る方法もある。
そのときのメリットは、計測車の走行速度を上げることができること、あるいは撮像装置固有の性能が絡むが計測分解能を上げることができる可能性があることである。

本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態１の全体概略構成図である。 本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態１の計測システムにおける移動設置架台の実施例の正面図である。 本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態１の計測システムにおける移動設置架台の実施例の側面図である。 本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態１の解析システムの実施例（実施例２）の機能を示すフローチャートである。 本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態２の全体概略構成図である。 本発明による建築および土木構造物計測・解析システムの実施の形態２の計測システムにおける実施例（実施例５）の側面図である。 図６で示す実施例５における、レーザ撮像装置と赤外線カメラのトンネル内面（展開面）に対する走査方法の一例を示す図である。 図６で示す実施例５における、赤外線カメラによる撮像記録の計測・記録制御手段における処理フローの１例を示す図である。 図６で示す実施例５における、レーザ撮像装置による撮像記録の計測・記録制御手段における処理フローの１例を示す図である。 従来の計測システムと解析システムの処理の流れを示す図である。

符号の説明

１ 計測システム
２ 解析システム
１０ 第１ステップ
２０ 第２ステップ
３０ 第３ステップ
４０ 第４ステップ
５０ 第５ステップ
６０ 第６ステップ
７０ 第７ステップ
１００ 計測車
１０５ 移動距離信号発生手段
１１０ レーザ撮像装置
１１１ レーザ受光器
１１２ レーザ光源ユニット
１１２ａ ＬＺ反射鏡
１１２ｂ レーザ発振器
１１２ｃ レーザビーム
１１５ 可視光カメラ(デジタルカメラ)
１１５ａ 望遠レンズ
１１６ 広視野カメラ
１１７ フラッシュ
１１８ ジャイロ
１２０ 赤外線カメラ
１２０ａ ＩＲ反射鏡
１２０ｂ 赤外線ラインセンサ
１２０ｐ 望遠レンズ
１３０ 測距装置
１３５ 角度制御手段
１４０ 計測・記録制御手段
２１０ トンネル内壁
２１１ 路面
３０１ 脚台
３０２ ブラケット取付手段
３０３ 支持ブラケットＡ
３０４ モータＡ
３０５ 支持ブラケットＢ
３０６ モータＢ
３０７ 取付板

Claims (3)

1. 計測対象物を撮像する撮像装置、
   前記計測対象物までの距離（以降、撮像距離とも呼ぶ。）を計測する測距装置、
   前記撮像装置または前記測距装置から前記計測対象物への方位角および俯仰角を制御する角度制御手段、
   および、前記撮像装置、前記測距装置、ならびに前記角度制御手段を制御し、前記撮像装置の撮像画像並びに該撮像画像に対する付帯データである前記撮像距離、前記方位角および前記俯仰角を計測データとして計測、記録する計測・記録制御手段から成り、前記撮像装置か前記測距装置のいずれかにレーザ光を照射する装置が含まれている計測システムと、
   前記撮像装置と前記測距装置と前記角度制御手段の空間位置関係データを使用して計測対象物表面空間座標（以降、表面空間座標とも呼ぶ。）を前記付帯データから計算し、前記撮像画像に対する画像処理と前記計測対象物の表面構造の不具合の程度の解析を行う解析システムから成る建築および土木構造物計測・解析システムであって、
   前記計測対象物の撮像領域において、人間にレーザ光の照射される可能性のある領域を予め設定するか自動検知して、レーザ照射不可エリアを設定し、前記レーザ測距装置あるいは前記レーザ撮像装置のレーザ光が前記レーザ照射不可エリアを避けて照射され、前記計測データがとられる機能を持つことを特徴とする建築および土木構造物計測・解析システム。
2. 前記計測対象物が人間にレーザ光が照射される可能性のある窓あるいは特定領域を持つ場合に、指令により予めレーザ以外の人間に害のない前記撮像装置で前記計測対象物を予備撮像し、得られた前記予備撮像画像に対するパターン認識処理により前記窓あるいは前記特定領域を自動的に特定して前記レーザ照射不可エリアを設定する機能を持つことを特徴とする請求項１に記載の建築および土木構造物計測・解析システム。
3. 計測対象物を撮像する撮像装置、
   前記計測対象物までの距離を計測する測距装置、
   前記撮像装置あるいは前記測距装置から前記計測対象物への方位角および俯仰角を制御する角度制御手段、
   および、前記撮像装置、前記測距装置、ならびに前記角度制御手段を制御し、前記撮像装置の撮像画像、並びに該撮像画像に付帯する撮像距離、方位角、並びに俯仰角を計測、記録する前記計測・記録制御手段から成り、前記撮像装置あるいは前記測距装置のいずれかにレーザ光を照射する装置が含まれている計測システムと、
   前記撮像装置と前記測距装置と前記角度制御手段の空間位置関係データを使用して計測対象物表面空間座標を前記付帯データから計算し、前記撮像画像に対する画像処理と前記計測対象物の表面構造の不具合の程度の解析を行う解析システムと、
   前記計測対象物の撮像領域を監視するために設置された監視カメラシステムから成り、
   監視カメラの撮像画像の画像処理によって前記計測対象物の撮像領域に出入りする移動物体を検知して、該移動物体が入ってから該移動物体が前記撮像領域外に出るまで該撮像領域全体をレーザ照射不可エリアまたは計測不可エリアとして設定し、撮像装置あるいは前記測距装置からのレーザ照射を禁止し、前記撮像領域に前記移動物体がいないことを確認した段階でレーザ照射不可状態または計測不可状態を解除し、レーザ光による撮像あるいは測距を可能とする機能を持つことを特徴とする建築および土木構造物計測・解析システム。

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