JP2006349579A - 変位情報測定システム及び方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元レーザスキャナを用いて計測された建築物の３次元点群データから好適に当該建築物上の基準点を算出し、建築物自身の３次元的な変位量を好適に測定し確認することができる変位情報測定システム及び方法並びにプログラムを提供する。
【解決手段】 ３次元レーザスキャナ１２を用いて、建築物１４の変位前後の３次元点群データを計測する。一方、建築物１４の外部に不動点を含む基準点を設定して、トータルステーションを用いて測量する。そして、計測された建築物１４の変位前後の３次元点群データを当該基準点に基づいてコンピュータ１１内に構成される座標系内のデータに変換する。その後、コンピュータ１１では、変換された建築物１４の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成して、その交点をそれぞれ算出し、それぞれの交点の差分を変位情報として算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、寺院等の建築物の３次元的な変位量を測定する変位情報測定システム及び方法並びにプログラムに関する。

一般に、寺院の垂木等を用いた構造物は各種要因によって多少ではあるが移動（変位）することがある。このような構造物の変位に関する情報を管理するために、従来は、トータルステーションを用いて構造物中の特定箇所の変形前後の座標の差分を算出することにより、構造物のたわみ等の変位を計測していた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３２５２０９号公報

しかしながら、トータルステーションを用いて計測する方法は１箇所ごとに計測点を設定して、その３次元座標を取得する必要があった。そのため、寺院等の構造物の３次元形状を把握するためには、大量の計測点を取得する必要があり、簡易に、また迅速に、３次元データを取得することができなかった。

一方、３次元レーザスキャナを用いることによって、構造物の３次元形状を比較的簡易に取得することができる。ここで、構造物の３次元変位を確認しようとする場合には、変位前後の構造物の座標を比較する必要がある。しかし、３次元レーザスキャナによって取得される構造物の３次元データは３次元点群データであるため、変位前後の３次元点群データ同士を対応付けて変位量を求める必要がある。しかし、計測された変位前後の３次元点群データのそれぞれが同位置の３次元データ同士であるという保障はない。

図４は、３次元レーザスキャナを用いた従来の構造物の変位量の確認における問題点を説明するための図である。３次元レーザスキャナの特性として、変位前後の同一点による変位量（変位前の点座標と変位後の点座標による差分）を確認することができない。例えば、図１において、（ａ）に示す状態の建築物が（ｂ）に示す状態に変位した場合、その建築物の変位量を算出するためには、（ａ）に示す状態における当該建築物上の特定点と（ｂ）に示す状態における当該建築物上の同一の特定点とを比較してその差分を算出する必要がある。しかし、点群データ同士では、前述したように、それが同一の特定点を示しているのかどうかを知ることはできない。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、３次元レーザスキャナを用いて計測された建築物の３次元点群データから好適に当該建築物上の基準点を算出し、建築物自身の３次元的な変位量を好適に測定し確認することができる変位情報測定システム及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、建築された建築物の変位情報を測定する変位情報測定システムであって、
３次元レーザスキャナを用いて、前記建築物の３次元点群データを計測する第１の計測手段と、
前記３次元レーザスキャナを用いて、変位後の前記建築物の３次元点群データを計測する第２の計測手段と、
前記建築物の外部に不動点を含む基準点を設定して、トータルステーションを用いて測量する基準点設定手段と、
前記第１及び第２の計測手段によって計測された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記基準点に基づいて構成される座標系内のデータに変換する変換手段と、
前記変換手段で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成手段と、
前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出手段と、
前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出手段と
を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る上記変位情報測定システムは、
前記変換手段が、前記構造物の近傍の地盤上又は空間上に前記基準点を少なくとも３点設定し、
前記生成手段が、前記建築物の変位前後のそれぞれの３次元点群データから最小二乗法による回帰平面を用いて複数の近似平面を生成する
ことを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するために、本発明は、建築された建築物の変位情報を測定する変位情報測定方法であって、
３次元レーザスキャナを用いて、前記建築物の３次元点群データを計測する第１の計測工程と、
前記３次元レーザスキャナを用いて、変位後の前記建築物の３次元点群データを計測する第２の計測工程と、
前記建築物の外部に不動点を含む基準点を設定して、トータルステーションを用いて測量する基準点設定工程と、
前記第１及び第２の計測工程によって計測された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記基準点に基づいて構成される座標系内のデータに変換する変換工程と、
前記変換工程で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成工程と、
前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出工程と、
前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出工程と
を有することを特徴とする。

さらにまた、上記課題を解決するために、本発明は、コンピュータに、建築された建築物の変位情報を測定させるためのプログラムであって、
３次元レーザスキャナを用いて計測された前記建築物の３次元点群データを入力する第１の入力手順と、
前記３次元レーザスキャナを用いて計測された、変位後の前記建築物の３次元点群データを入力する第２の入力手順と、
前記建築物の外部に不動点を含む基準点であって、トータルステーションを用いて測量された該基準点に基づいて座標系を構築する構築手順と、
前記第１及び第２の入力手順によって入力された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記座標系内のデータに変換する変換手順と、
前記変換手順で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成手順と、
前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出手順と、
前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出手順と
を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、３次元レーザスキャナを用いて計測された建築物の３次元点群データから好適に当該建築物上の基準点を算出し、建築物自身の３次元的な変位量を好適に測定し確認することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る建築物の変位前後の変位方向、変位量等の変位情報を確認するための変位情報確認システムの詳細について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る建築物の３次元的な変位量の確認を行うための変位情報確認システムの構成を示す概要図である。

図１においては、寺院等の建築物１４に対して３次元レーザスキャナ１２を用いて建築物表面の３次元点群データを測定する。（尚、図１では、変位前の建築物を実線で、変位後の建築物を破線で示している。）そして、測定現場１０、或いは事務所（又は、会社等）２０のコンピュータ２１を用いて、当該建築物の変位前後の変位方向や変位距離等の変位量（差分情報）を変位前後の建築物上の特定点を比較することによって算出する。

図１では、一例として、建築物１４が位置する測定現場１０に設置したコンピュータ１１と、事務所（或いは、会社等）２０におけるコンピュータ２１とがＬＡＮや電話回線等のネットワーク３０を介して接続されている様子が示されている。尚、以下に示す実施形態では、測定現場１０のコンピュータ１１を用いて変位情報を算出する処理について説明するが、同様の処理をネットワーク３０を介したコンピュータ２１で行うようにしてもよい。また、コンピュータ１１を用いて取得等したデータをＵＳＢメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＦＤ等の可搬記憶媒体に記憶させ、それをコンピュータ２１に装着等してデータをコンピュータ２１に付与するようにしてもよい。

コンピュータ１１には、建物物外観の３次元座標を点群データとして測定することができる３次元レーザスキャナ１２と、その測定された３次元点群データを記憶する記憶装置１３とが接続されている。尚、測定された３次元点群データは、記憶装置１３ではなくコンピュータ１１に内蔵のハードディスクに格納するようにしてもよい。ここで、本実施形態で使用する３次元レーザスキャナ１３の詳細について説明する。

３次元レーザスキャナは、レーザ光を測定対象物である建築物に照射し、対象物の正確な３次元位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ)、輝度及びカラーを計測することができる。３次元レーザスキャナによれば、高精度で測定点の３次元座標を測定することができるので、従来用いられていたトータルスキャン等よりもより迅速に、かつ精度よく、建築物の各種測量点の３次元座標を取得することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る建築物の３次元変位情報を確認するための処理概要を説明するための図である。本実施形態では、３次元変位量を確認するための方法として、建物の形状データから変位前後の建物の同一点を算出し、算出された同一点同士で変位量を確認するものである。

そこで、本実施形態では、３次元レーザスキャナを用いて取得した変位前後の３次元点群データからそれぞれ同一点を算出するために、建物の近似面を構築し、その交点を比較のための点として算出する。図２において、（ａ）に示す状態から（ｂ）に示す状態に建築物が変位した場合の変位量を算出する場合について説明する。まず、（ａ）に示す状態の建築物上のある１点（特定点）と（ｂ）に示す状態の建築物の当該特定点に対応する１点とを比較してその差分を算出する必要がある。しかし、点群データ同士では比較のための１点の座標を特定することができない。

そこで、本実施形態では、３次元レーザスキャナで取得した３次元点群データから３つの近似面Ａ、Ｂ、Ｃを構成し、それらの３つの面が交わる交点Ｐ１を変位前の建築物の３次元データとする。そして、変位後の建物についても同様に３次元レーザスキャナを用いて３次元点群データを取得して３つの近似面Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を構成し、それらの３つの面が交わる交点Ｐ２を変位後の建築物の３次元データとする。そして、建物の変位前後の交点Ｐ１とＰ２の変位方向や変位量等の差分を３次元変位量として算出することによって、建築物の変位を確認するものである。

尚、本実施形態では、３次元点群データから３つの近似面を構成し、それらから１つの交点を算出して変位前後で比較をしているが、近似面は３面に限られることはなく、交点が算出可能であればそれ以下でもそれ以上であってもよい。また、本実施形態では、変位前後で比較する交点はそれぞれ１点としているが、複数の交点を用いて対応する交点同士を比較することによって、より詳細な建築物の変位を確認することもできる。さらに、本実施形態では、近似面を平面として構築しているが、曲面等であってもよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る変位情報確認システムにおいて建築物の３次元変位情報を取得するための処理手順を説明するためのフローチャートである。

まず、変位前の（すなわち、基準となる）位置における建築物外観の３次元点群データを３次元レーザスキャナ１２を用いて計測し、当該建築物の３次元点群データを取得する（ステップＳ１１）。取得されたデータはコンピュータ１１或いはデータベース１３に格納される。

また、建築物の３次元点群データの取得と前後して、不動点を含む複数の基準点を設定し、それらの位置をトータルステーションを用いて測量する（ステップＳ１２）。尚、本実施形態では、設定する基準点としては、建築物が変位した場合であっても不変である不動点を建築物から離隔した場所に位置する地盤上に３箇所を設定する。本実施形態で３箇所の不動点を設定する理由は、測距、測角を変位情報として判断するためである。

また、不動点以外の基準点として、原点、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標系を設定（座標軸を構築）するために、原点を含む２点を設定する。本実施形態では、座標軸を構築するために、Ｚ方向をトータルステーションの水準を指定する。次に、Ｙ方向又はＸ方向を確定するために、２つの定点が必要であり、基準点として設定する。尚、本実施形態では、便宜上いずれかの定点を原点とする。そして、Ｘ方向又はＹ方向を確定するために２方向の外積をとる。

さらに、本実施形態では不動点及び上記座標軸構築のための基準点以外に、３次元レーザスキャナを用いて測定された３次元点群データを合成したり、座標変換するために用いるための３点の基準点をさらに設定する。尚、当該基準点は上述した３点の不動点や座標軸構築のための２点の基準点のいずれかを使用するようにしてもよい。

次いで、３次元点群データを合成するために、ステップＳ１２で設定し測量された基準点に基づいてコンピュータ１１内に仮想の座標系を構築する（ステップＳ１３）。

そして、ステップＳ１１で取得した変位前の建築物の３次元点群データをステップＳ１３で構築した座標系のデータとして座標変換する（ステップＳ１４）。そして、変位前の当該建築物の３次元点群データから当該座標軸内において３つの近似平面を作成（構築）する（ステップＳ１５）。尚、本実施形態では、一例として、３次元点群データから最小二乗法を用いた最適平面（回帰平面）として近似平面を作成する。以下、その作成例について説明する。

まず、ｉ＝１〜ｎのｎ個の３次元点群生データ（ｘ^Ｏ _ｉ，ｙ^Ｏ _ｉ，ｚ^Ｏ _ｉ）を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を原点とする座標系に変換する。ここで、

で、各点の平均値を原点とすることに相当する。変換された座標は、（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）であり、
ｘ_ｉ＝ｘ^Ｏ _ｉ−Ｘ，ｙ_ｉ＝ｙ^Ｏ _ｉ−Ｙ，ｚ_ｉ＝ｚ^Ｏ _ｉ−Ｚ
である。

この場合、式（２）のようになる。

なぜなら、Ｘはｉに関係がなく、例えば、

となるからである。尚、本実施形態のようにしても、一般性を失うことはない。

ここで、それぞれの座標における分散は次のようになる。

ここで、全点が原点であることはないので、上記分散は０或いは負にはならない。そこで、回帰係数として以下に示すものを定義する。

ここで、回帰平面の方程式を次式とする。

そして、上記のようなｚのｘ及びｙの上での回帰平面を求めることは、以下の関数ｆが最小となる係数Ａ、Ｂ、Ｃを求めることに帰着する。

すなわち、上記関数ｆが最小となるには、以下に示す関係を満たすＡ、Ｂ、Ｃを求めることとなる。

さて、上述した式（９）と式（２）とを比較すると明らかに次式が決定する。

また、式（７）及び式（８）を展開すると次のようになる。

ここで、式（３）及び式（４）を用いて上記式を変形すると次のようになる。

したがって、次式が得られる。

上記式についてクラメールの公式を用いてＡ、Ｂを求める。

ここで、回帰係数で作る行列式を次のように考える。

そして、行列式Ｒの余因子展開を考える場合、例えば、ｒｘｙの余因子をＲｘｙと書くと、以下のように表わすことができる。

上記式を式（１３）及び式（１４）に代入し、さらに式（５）に代入すると、回帰平面の方程式を導くことができる。

このようにして、変位前の建築物の３次元点群データから３つの回帰平面を算出し、それらの３つの平面が交差する交点を求める（ステップＳ１６）。尚、ステップＳ１２からステップＳ１３までの座標系の構築処理は、ステップＳ１１におけるデータ取得処理に先立って行っていても良い。

その後、当該建築物の変位後の３次元点群データを取得する場合（ステップＳ１７でＮｏの場合）は、ステップＳ１１と同様にして、建築物外観の３次元点群データを３次元レーザスキャナを用いて計測し、当該建築物の３次元点群データを取得する（ステップＳ１８）。その後、ステップＳ１４に進んで、ステップＳ１８で取得した変位後の建築物の３次元点群データをステップＳ１３で構築した座標系のデータとして座標変換する。また、ステップＳ１５では、変位後の建築物の３次元点群データから３つの回帰平面を構築し、ステップＳ１６においてそれらの交点を求める。

そして、変位前後の建築物の３次元点群データを取得したので（ステップＳ１７でＹｅｓの場合）、変位前後の建築物の交点の３次元座標を比較して、その変位量、変位方向等の差分情報を変位情報として算出する（ステップＳ１９）。

尚、コンピュータ１１又はコンピュータ２１では変位前後の建物データを色分け或いは濃淡強調表示等することによって、視覚的に現場等のユーザに変位の程度を示すことが可能となる。

尚、本発明は、前述した実施形態の機能をコンピュータで実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（記憶媒体）に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムを上記システム内のコンピュータ等が読み出して実行するようにしてもよい。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体には、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤ−Ｒ等の可搬記録媒体、システム又はコンピュータに内蔵されているハードディスク、揮発性メモリ（ＲＡＭ）等の記憶装置（記録装置）を含む。また、上記プログラムは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介して上記システムやコンピュータ等にダウンロードするようにしてもよい。

そして、上記システムやコンピュータにおいて、読み出されたプログラムを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されることとなる。この場合、上記記録媒体等は、前述したフローチャートに対応するプログラムを格納している。

本発明の一実施形態に係る建築物の３次元的な変位量の確認を行うための変位情報確認システムの構成を示す概要図である。 本発明の一実施形態に係る建築物の３次元変位情報を確認するための処理概要を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る変位情報確認システムにおいて建築物の３次元変位情報を取得するための処理手順を説明するためのフローチャートである。 ３次元レーザスキャナを用いた従来の構造物の変位量の確認における問題点を説明するための図である。

符号の説明

１０ 測定現場
１１、２１ コンピュータ
１２ ３次元レーザスキャナ
１４ 建築物
１３、２２ 記憶装置
２０ 事務所（又は、会社等）
３０ ネットワーク

Claims (4)

1. 建築された建築物の変位情報を測定する変位情報測定システムであって、
   ３次元レーザスキャナを用いて、前記建築物の３次元点群データを計測する第１の計測手段と、
   前記３次元レーザスキャナを用いて、変位後の前記建築物の３次元点群データを計測する第２の計測手段と、
   前記建築物の外部に不動点を含む基準点を設定して、トータルステーションを用いて測量する基準点設定手段と、
   前記第１及び第２の計測手段によって計測された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記基準点に基づいて構成される座標系内のデータに変換する変換手段と、
   前記変換手段で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成手段と、
   前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出手段と、
   前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出手段と
   を備えることを特徴とする変位情報測定システム。
2. 前記変換手段が、前記構造物の近傍の地盤上又は空間上に前記基準点を少なくとも３点設定し、
   前記生成手段が、前記建築物の変位前後のそれぞれの３次元点群データから最小二乗法による回帰平面を用いて複数の近似平面を生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の変位情報測定システム。
3. 建築された建築物の変位情報を測定する変位情報測定方法であって、
   ３次元レーザスキャナを用いて、前記建築物の３次元点群データを計測する第１の計測工程と、
   前記３次元レーザスキャナを用いて、変位後の前記建築物の３次元点群データを計測する第２の計測工程と、
   前記建築物の外部に不動点を含む基準点を設定して、トータルステーションを用いて測量する基準点設定工程と、
   前記第１及び第２の計測工程によって計測された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記基準点に基づいて構成される座標系内のデータに変換する変換工程と、
   前記変換工程で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成工程と、
   前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出工程と、
   前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出工程と
   を有することを特徴とする変位情報測定方法。
4. コンピュータに、建築された建築物の変位情報を測定させるためのプログラムであって、
   ３次元レーザスキャナを用いて計測された前記建築物の３次元点群データを入力する第１の入力手順と、
   前記３次元レーザスキャナを用いて計測された、変位後の前記建築物の３次元点群データを入力する第２の入力手順と、
   前記建築物の外部に不動点を含む基準点であって、トータルステーションを用いて測量された該基準点に基づいて座標系を構築する構築手順と、
   前記第１及び第２の入力手順によって入力された前記建築物の変位前後の３次元点群データを前記座標系内のデータに変換する変換手順と、
   前記変換手順で変換された前記建築物の変位前後の３次元点群データからそれぞれ複数の近似面を生成する生成手順と、
   前記複数の近似面の交点をそれぞれ算出する交点算出手順と、
   前記建築物の変位前後のそれぞれの交点の差分を変位情報として算出する変位情報算出手順と
   を実行させるためのプログラム。

Images