JP2007046952A - 計測用定規、計測システム、計測方法、トンネル断面の計測方法及びプラットホームとレールの離隔の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の計測位置について、少ない手間で安価に計測を行うことができる計測用定規を提供すること。
【解決手段】 計測用定規１は、同一平面上に配置された３つの平面基準標識１１，１２，１３と、この平面の奥行き方向に配置された２つの奥行き基準標識２１，２２を備える。平面基準標識１１，１２，１３及び奥行き基準標識２１，２２は、棒部材２５で互いに接続されている。計測用定規１を、トンネル内のレール上に、平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面がトンネル軸と直角を向くように配置する。計測用定規１に、平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面と平行に、レーザ光を平面状に投射するレーザ照射器２を配置する。レーザ照射器２から投射されてトンネルの内側面に照射された照射光と、計測用定規１とをデジタルカメラで撮影し、この撮影画像に基づいて、デジタルカメラの外部標定を行って、トンネルのレーザ照射位置の座標を算出する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、計測用定規に関し、特に、鉄道の建築限界余裕の計測に好適な計測用定規に関する。

従来、鉄道の軌道狂いの計測方法としては、左右のレールの側面に所定ピッチで標識を固定し、この標識の全てを撮影するデジタルスチルカメラ（以下、デジタルカメラという）を軌道脇に固定して、このデジタルカメラで所定時間おきに撮影して得た画像から、上記標識の変位量を算出して軌道狂いを計測するものがある（特開２００４−５３３７４号公報：特許文献１参照）。

この軌道狂いの計測方法は、デジタルカメラの撮影画像を画像処理することにより、軌道内で作業者が所定時間おきに測量作業を行うことなく、容易に軌道狂いの計測を行うようにしている。

しかしながら、上記軌道狂いの計測方法は、外部標定要素決定のため、上記標識からデジタルカメラまでの距離や、各標識間の距離を予め計測して特定する事前計測を行う必要がある。この事前計測は、上記標識をレールに取り付けた後に、トータルステーション等を用いて行われるものであり、作業者による軌道内の作業が必要となる。したがって、上記軌道狂いの計測方法は、なお手間がかかるという問題がある。

また、上記レールの計測点の全てに標識を取り付ける必要があるので、この標識の取付け作業に手間がかかるという問題がある。

また、上記レールに一旦固定された標識は移動が困難であるので、容易に計測点を変更することが難しいという問題がある。

また、軌道狂いの計測位置が広範囲に分布する場合、計測位置を複数のグループに分割し、分割した複数のグループに対してカメラを各々設置する必要があるので、複数台のデジタルカメラが必要になってコスト高を招くという問題がある。
特開２００４−５３３７４号公報

そこで、本発明の課題は、所望の計測位置について、少ない手間で安価に計測を行うことができる計測用定規を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の計測用定規は、本体と、
上記本体に取り付けられ、同一平面上に配置された少なくとも３つの平面基準標識と、
上記本体に取り付けられ、上記平面基準標識で規定される平面に対して奥行き方向に配置された少なくとも１つの奥行き基準標識と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記計測用定規の少なくとも３つの平面基準標識と、少なくとも１つの奥行き基準標識とを撮影し、この撮影画像を用いることにより、上記各標識の間の相対座標から、この撮影を行った撮影手段の外部標定を行うことができる。したがって、上記計測用定規を計測対象物と同時に撮影して、この計測用定規と計測対象物とを含む画像を得ることによって、従来のような外部標定のための事前計測を行うことなく、上記画像に基づいて計測対象物の位置座標を算出することができる。したがって、計測対象物の計測作業を簡単にできる。

また、上記計測用定規を用いることにより、従来のような計測対象物に標識を固定する作業を削除できるので、計測対象物の計測作業を簡易にできる。

さらに、所望の計測対象物について、上記計測用定規を配置してこの計測用定規と共に撮影をすればよいので、従来のように特定の計測対象物を撮影するデジタルカメラを固定する必要が無い。したがって、広範囲に分布する複数の計測対象物について、１つの上記計測用定規と撮影手段との組み合わせによって計測作業を行うことができるので、従来よりもデジタルカメラ等の撮影手段や標識の使用数を削減して、計測にかかるコストを効果的に低減できる。

なお、上記本体は、上記平面基準標識及び奥行き基準標識が取り付け可能であれば、例えば枠状体、板状体又は箱状体等のように、あらゆる形態のものを用いることができる。

一実施形態の計測用定規は、３つの上記平面基準標識と、２つの上記奥行き基準標識とを備え、
上記３つの平面基準標識のうちの２つの平面基準標識と、上記２つの奥行き基準標識とで規定される平面が、上記３つの平面基準標識で規定される平面と直交するように、上記平面基準標識及び奥行き基準標識が上記本体に固定されている。

上記実施形態によれば、上記３つの平面基準標識と、上記２つの奥行き基準標識とを備える計測用定規を撮影して得た画像を用いて、高精度に外部標定を行うことができる。したがって、上記計測用と共に計測対象物を撮影して得た画像に基づいて、上記計測対象物の位置座標を高精度に算出することができる。

また、上記平面基準標識及び奥行き基準標識は上記本体に固定されているので、所望の計測対象物の近傍に容易に移動できる。例えばトンネル内やプラットホーム近傍のような作業スペースが限られた場所において、上記計測用定規を計測対象物の近傍に配置して撮影を行うことにより、計測位置での作業を簡易かつ迅速に行うことができる。また、上記計測用定規は、計測対象物と共に撮影されればよいので、例えば軌道から離れた場所に配置することができるから、安全を効果的に確保して計測作業を行うことができる。

なお、上記平面基準標識及び奥行き基準標識のうちの少なくとも２つの標識の間の距離は、座標算出の演算を容易にするため、単位長さであるのが好ましい。

本発明の計測システムは、上記計測用定規と、
上記計測用定規の上記平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射する光投射手段と、
上記光投射手段から投射されて計測対象物の表面に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規とを含む画像を出力する撮影手段と、
上記撮影手段から出力された画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標を算出する座標算出手段と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記計測用定規が計測対象物近傍に配置され、上記光投射手段から、上記平面基準標識で規定される平面と略平行に光が投射される。上記計測対象物近傍とは、上記計測用定規が計測対象物と共に撮影され得る程度に計測対象物に近い位置をいう。また、上記光投射手段が投射する光は、指向性が良好な例えばレーザ光が好ましい。上記光投射手段から投射された光は、上記計測対象物の表面に照射される。上記撮影手段によって、上記照射光と計測用定規とが同時に撮影され、この照射光と計測用定規とを含む画像が出力される。上記撮影手段は、市販されて安価に入手可能なデジタルカメラが好ましいが、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ又はＣＣＤ（Charge Coupled Devices）等のような受光素子と、この受光素子からの入力データを受けて画像を出力する画像生成回路とを有するものであればよい。上記座標算出手段によって、上記撮影手段から出力された画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標が算出される。上記座標算出手段では、例えば、上記計測対象物と、上記撮影手段の画像生成面との間に成立する共線条件に基づいて、上記計測対象物の位置座標が算出される。

なお、上記光投射手段が投射する光は、コスト及び取り扱い易さの点から可視光波長のレーザ光が好ましいが、上記撮影手段によって計測用定規の標識と共に撮影されて画像において認識可能であれば、赤外または紫外波長等のような可視光波長以外の波長のレーザ光であってもよい。また、指向性が高い光であれば、レーザ以外の例えばＬＥＤ等のような他の光源から出射された光であってもよい。

上記計測システムによれば、上記計測用定規を用いることにより、計測対象物について事前計測を行うことなく、計測対象物の光照射位置の座標を少ない手間で求めることができる。また、従来のように計測対象物に標識を固定する必要が無いので、少ない手間で迅速に計測を行うことができる。

また、複数の計測対象物が広範囲に分布する場合においても、１組の撮影手段と計測用定規で全ての計測を行うことができるので、撮影手段及び計測用定規の使用数を削減して、計測にかかるコストを低減できる。

本発明の計測方法は、計測対象物の近傍に、上記計測用定規を配置する工程と、
上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、この投射光を上記計測対象物に照射する工程と、
上記計測対象物に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規を含む画像を出力する工程と、
上記画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記計測用定規を計測対象物近傍に配置し、この計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に光を投射して、この投射光を上記計測対象物に照射する。上記計測対象物近傍とは、上記計測用定規が計測対象物と共に撮影され得る程度に、上記計測対象物に近い位置をいう。また、上記計測対象物に照射される光は、指向性が良好な例えばレーザ光が好ましい。上記計測対象物の表面に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影し、この照射光と計測用定規とを含む画像を出力する。この照射光と計測用定規の撮影は、市販のデジタルカメラで行うのが好ましいが、受光素子及び画像生成回路を有する他の撮影手段で撮影してもよい。上記画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標を算出する。この座標の算出は、例えば、上記計測対象物と、上記撮影手段の画像生成面との間に成立する共線条件を用いた演算で行う。

なお、上記計測対象物に照射する光は、可視光波長のレーザ光が好ましいが、上記計測用定規の標識と共に撮影されて画像において認識可能であれば、他の波長のレーザ光であってもよい。また、指向性が高い光であれば、レーザ以外の光源から出射された光であってもよい。

上記計測方法によれば、上記計測用定規を用いることにより、計測対象物について事前計測を行うことなく、計測対象物の光照射位置の座標を少ない手間で求めることができる。また、従来のように計測対象物に標識を固定する必要が無いので、少ない手間で迅速に計測を行うことができる。

また、複数の計測対象物が広範囲に分布する場合においても、１組の撮影手段と計測用定規で全ての計測を行うことができるので、撮影手段及び計測用定規の使用数を削減して、計測にかかるコストを低減できる。

本発明のトンネル断面の計測方法は、トンネル内に、上記計測用定規を、この計測用定規の平面基準標識で規定される平面が上記トンネルの軸に対して略直角をなすように配置する工程と、
上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、上記トンネルの内側面に上記投射光を照射する工程と、
上記トンネルの内側面に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規を含む画像を出力する工程と、
上記画像に基づいて、上記トンネルの内側面の上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記計測用定規を、上記平面基準標識で規定される平面が上記トンネルの軸に対して略直角をなすように配置する。上記平面基準標識で規定される平面と略平行に光を平面状に投射し、上記トンネルの内側面に上記投射光を照射する。この照射光は、上記トンネルを上記光が投射された平面で切断して得られる内側面の切断線を示す。この照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、この照射光と計測用定規とを含む画像を出力する。この照射光と計測用定規の撮影は、デジタルカメラで行うのが好ましいが、受光素子と画像生成回路とを有する他の撮影手段で撮影してもよい。上記画像に基づいて、上記トンネルの内側面の上記照射光が照射された位置の座標を算出する。この座標の算出は、例えば、上記トンネルの内側面と、上記撮影手段の画像生成面との間に成立する共線条件に基づいて演算する。このようにして算出された座標から、上記トンネルの断面形状が得られる。

なお、上記トンネルの内側面に照射する光は、可視光波長のレーザ光が好ましいが、他の波長のレーザ光であってもよい。また、指向性が高い光であれば、レーザ以外の光源から出射された光であってもよい。

上記トンネル断面の計測方法によれば、上記計測用定規を用いることにより、計測対象物について事前計測を行うことなく、トンネルの内側面の光照射位置の座標を少ない手間で求めることができる。また、トンネルの内側面に標識を固定する必要が無いので、少ない手間で計測を行うことができる。

また、作業スペースが比較的小さいトンネル内において、上記計測用定規をレールの外側に配置して、上記照射光と計測用定規とをレールの外側から撮影することができる。したがって、レール内に進入しないで安全を確保しつつ、トンネル断面の計測作業を行うことができる。

また、複数のトンネルに亘って複数の計測点で計測を行う場合においても、１組の撮影手段と計測用定規で全ての計測を行うことができるので、撮影手段及び計測用定規の使用数を削減して、計測にかかるコストを低減できる。

本発明のプラットホームとレールの離隔の計測方法は、プラットホーム上に、上記計測用定規を、この計測用定規の平面基準標識で規定される平面が上記プラットホームの平面に対して略直角をなすように配置する工程と、
上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、上記プラットホームと、このプラットホーム近傍のレールとに上記投射光を照射する工程と、
上記プラットホームとレールに照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と測定用定規を含む画像を出力する工程と、
上記画像に基づいて、上記プラットホームとレールの上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記計測用定規を、上記平面基準標識で規定される平面が上記プラットホームの平面に対して略直角をなすように配置する。上記平面基準標識で規定される平面と略平行に光を平面状に投射し、上記プラットホームと、このプラットホーム近傍のレールとに上記投射光を照射する。この照射光は、上記プラットホーム及びレールを上記光が投射された平面で切断して得られる切断線を示す。この照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、この照射光と計測用定規とを含む画像を出力する。この照射光と計測用定規の撮影は、デジタルカメラで行うのが好ましいが、受光素子と画像生成回路とを有する他の撮影手段で撮影してもよい。上記画像に基づいて、上記プラットホーム及びレールの上記照射光が照射された位置の座標を算出する。この座標の算出は、例えば、上記プラットホーム又はレールと、上記撮影手段の画像生成面との間に成立する共線条件に基づいて演算する。このようにして算出された座標から、上記プラットホームとレールの離隔が計測される。

なお、上記プラットホーム及びレールに照射する光は、可視光波長のレーザ光が好ましいが、他の波長のレーザ光であってもよい。また、指向性が高い光であれば、レーザ以外の光源から出射された光であってもよい。

上記プラットホームとレールとの離隔の計測方法によれば、上記計測用定規を用いることにより、事前計測を行うことなく、プラットホーム及びレールの光照射位置の座標を少ない手間で求めることができる。また、プラットホームやレールの側面に標識を固定する必要が無いので、少ない手間で計測を行うことができる。

また、上記計測用定規をプラットホーム上に配置して、この計測用定規とプラットホーム及びレールを、プラットホーム上から撮影を行うことができるので、レール内に進入することなく、安全を確保しつつ計測作業を行うことができる。また、計測作業を迅速に行うことができるので、プラットホーム上の乗客の往来に対する影響を少なくできる。

また、複数の計測点で計測を行う場合においても、１組の撮影手段と計測用定規をもちいて全ての計測を行うことができるので、撮影手段及び計測用定規の使用数を削減して、計測にかかるコストを低減できる。

以上のように、本発明の計測用定規によれば、平面上に少なくとも３つ配置され、互いの間の距離のうちの少なくとも２つが特定された平面基準標識と、上記平面基準標識で規定される平面に対して奥行き方向に少なくとも１つ配置され、上記平面に対する距離が少なくとも１つ特定された奥行き基準標識とを備えるので、この計測用定規を撮影して得た画像を用いて外部標定を行うことができるから、従来のような外部標定のための事前計測を削除でき、したがって、計測作業を簡単にできる。また、従来のような計測対象物に標識を固定する作業を削除できるので、計測作業を簡易にできる。さらに、広範囲に分布する複数の計測対象物について、１組の計測用定規と撮影手段で計測作業を行うことができるので、デジタルカメラ等の撮影手段や標識の使用数を削減して、計測にかかるコストを低減できる。

以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１Ａは、本発明の実施形態の計測用定規を正面上方から見た様子を示す斜視図であり、図１Ｂは、上記計測用定規を左側前方から見た様子を示す斜視図である。

この計測用定規１は、前面に、同一平面上に配置された３つの平面基準標識１１，１２，１３を備える。この平面基準標識１１，１２，１３は、略正方形の黒色のプレートの中央に、円形の白色のパターンを描いて形成している。この３つの平面基準標識１１，１２，１３は、各円形パターンの中心が２等辺三角形状の頂点に位置するように配置されている。この３つの平面基準標識１１，１２，１３が配置された面に対して奥行き方向に、２つの奥行き基準標識２１，２２が配置されている。この奥行き基準標識２１，２２は、平面基準標識１１，１２，１３と同様に、黒色の矩形プレートに白色の円形パターンを付して形成されている。上記奥行き基準標識２１，２２は、上記平面基準標識１１，１２，１３のうちの２等辺三角形の底辺の両端に位置する平面基準標識１２，１３と、正面から見て重複する位置に夫々配置されている。上記平面基準標識１２，１３の円形パターンの中心と、奥行き基準標識２１，２２の円形パターンの中心とで規定される平面は、上記３つの平面基準標識１１，１２，１３で規定される面に直交する水平面である。上記各基準標識１１，１２，１３，２１，２２は、棒部材２５，２５・・・によって互いに接続されている。すなわち、上記棒部材２５，２５・・・で形成される枠体が、本発明の本体に相当する。

上記２等辺三角形の底辺の両端に位置する平面基準標識１２，１３は、互いの円形パターン中心の間の距離が例えば１ｍに設定されている。また、正面から見て重複する位置に配置された平面基準標識１２と奥行き基準標識２１との間の距離は、例えば１ｍに設定されている。なお、上記平面基準標識１２と奥行き基準標識２１との間の距離は、例えば０．５ｍに設定してもよい。さらに、上記２等辺三角形の頂点に位置する平面基準標識１１の円形パターン中心と、底辺の両端に位置する平面基準標識１２，１３の円形パターン中心との間の高さ方向の距離は、例えば０．５ｍに設定されている。すなわち、上記平面基準標識１１は、上記平面基準標識１２，１３よりも例えば０．５ｍ高く配置されている。なお、上記各標識１１，１２，１３，２１，２２の互いの間の距離は、他の値に設定してもよい。例えば、上記平面基準標識１２，１３の間の距離をレール間の距離と同じに設定したり、あるいは、各標識の間の距離を、計測用定規１が運搬に容易な寸法となる距離に設定したりするなど、種々の標識間の距離を設定することができる。

上記平面基準標識１２，１３の間を接続する棒部材２５には、正面から見て左側の平面基準標識１２の近傍に、レールの側面に係止する係止部材２６が設けられている。また、図示しないが、上記奥行き基準標識２１，２２の間を接続する棒部材２５に、正面から見て左側の奥行き基準標識２１の近傍に、係止部材が設けられている。

以下、上記構成の計測用定規１を用いて、トンネルの断面形状を計測する方法を説明する。本実施形態では、鉄道トンネルの断面を計測し、この計測結果から、トンネルの建築限界余裕を測定する。

図２は、トンネル３１内に、計測用定規１と、光投射手段としてのレーザ照射器２とを配置して、このトンネル３１の内側面にレーザ光を照射した様子を模式的に示す横断面図である。図２では、計測用定規１について、分かり易さのため標識の円形パターンのみを図示している。また、図２には、このトンネル３１内を通過する列車の建築限界３５を示している。図３Ａは、計測用定規１とレーザ照射器２からの照射光を、撮影手段としてのデジタルスチルカメラ（以下、デジタルカメラという）３で撮影する様子を模式的に示した平面図であり、図３Ｂは、図３Ａの作業を側面から見た様子を模式的に示した縦断面図である。

図２に示すように、トンネル３１内のレール３２，３２の上に、計測用定規１を配置する。上記トンネル３１は、例えば断面において内側の高さが６．２ｍであり、幅が５．６ｍの単線非電化トンネルである。なお、単線非電化トンネル以外に、例えば電化トンネルや複線電化トンネル等の他のトンネルについても計測が可能である。上記レール３２，３２上に計測用定規１を配置する際、２等辺三角形の底辺の両端に位置する平面基準標識１２，１３の間を接続する棒部材２５と、奥行き基準標識２１，２２の間を接続する棒部材２５の下側面を、上記レール３２，３２の上端面に当接させると共に、上記各棒部材２５に設けられた係止部材２６を、左側のレール３２の側面に係止させる。これにより、上記計測用定規１の奥行き方向がレール３２，３２の長手方向と平行になり、上記平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面を、トンネル３１及びレール３２，３２の軸方向と直角に配置することができる。また、上記係止部材２６をレール３２の側面に係止させることにより、他の計測位置においても、上記レール３２，３２に対する計測用定規１の幅方向位置を互いに同じ位置に定めることができる。

続いて、上記平面基準標識１２，１３の間の棒部材２５上に、例えば波長が６３０ｎｍの赤色光を出射するレーザ照射器２を配置する。このレーザ照射器２は、半導体レーザを光源とし、この光源からのレーザ光を投射部から所定平面内の全方向に投射して、光を平面状に投射可能になっている。このレーザ照射器２が投射するレーザ光が含まれる平面（以下、投射面という）が、上記平面基準標識１２，１３で規定される平面と平行になるように、かつ、この平面に可能な限り近接するように、上記レーザ照射器２を設置する。そして、このレーザ照射器２からレーザ光を投射して、このレーザ光をトンネル３１の内側面に照射する。このトンネル３１の内側面にレーザ光が照射されて得られる照射光Ｌは、このトンネル３１の内側面を上記レーザ光の投射面で切断したような線状の照射光Ｌになる。すなわち、上記照射光Ｌによって、上記計測用定規１の平面基準標識１２，１３近傍におけるトンネル３１の内側面の切断線が描かれる。図２では、上記レーザ照射器２からレーザ光が放射状に投射される様子を、破線で模式的に示している。

続いて、図３Ａ及び３Ｂに示すように、レール３２，３２の外側から、上記トンネル３１の内側面の照射光Ｌと、上記計測用定規１とをデジタルカメラで撮影する。このとき、上記計測用定規１の全ての標識１１，１２，１３，２１，２２の円形パターンが撮影されるように、被写体に対する距離及び角度を調節する。上記デジタルカメラは、市販のデジタル一眼レフカメラを用いるのが好ましく、例えば、６００万画素以上の画素数を有するＣＭＯＳ又はＣＣＤ素子を搭載したものが好ましい。上記デジタルカメラによる撮影においては、三脚を用いて手振れを防止すると共に、長時間露光にて計測用定規１の標識の円形パターン及び照射光Ｌを明瞭にするのが好ましい。

上記デジタルカメラで撮影して得た画像に基づいて、座標算出手段としてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）によって、トンネル３１の内側面における照射光Ｌの座標を算出する。

具体的には、まず、上記デジタルカメラからパソコンに撮影画像を入力し、このパソコンで撮影画像の画像処理を行う。上記パソコンは、ＣＰＵ（中央演算装置）として、クロック周波数が８００ＭＨｚ程度のインテル社製のペンティアム（登録商標）ＩＩＩを搭載し、ＯＳ（オペレーティングシステム）としてマイクロソフト社製のウィンドウズ（登録商標）２０００又はＸＰを用い、１２０ＭＢ程度のメインメモリを搭載したものを用いることができる。画像処理は、上記パソコンにインストールしたプログラムであるリンクス社製のハルコンによって行う。上記撮影画像の画像処理によって、上記トンネル３１の内側面の照射光Ｌと、上記計測用定規１の標識の円形パターン中心とについて、画像における２次元の座標値を求める。上記照射光Ｌの座標値は、レーザ光の波長に基づく色抽出によって求める。一方、上記計測用定規１の標識の円形パターン中心の座標値は、面積や真円度等のパラメータを採取してパターン認識を行い、この認識されたパターンを示す領域の面積重心を算出して求める。

続いて、上記パソコンにより、上記撮影画像における照射光Ｌの座標値と、上記計測用定規１の円形パターン中心の座標値とを用いて外部標定を行って、上記デジタルカメラの外部評定要素を算出する。この外部評定要素と、予め定められた内部評定要素とを用いて演算を行って、上記トンネル３１の照射光Ｌの３次元座標値を算出する。

以下、デジタルカメラ３の撮影画像から、照射光Ｌの３次元座標値を算出する際に用いられる理論について詳述する。

図４は、位置座標を算出すべき計測点についての計測座標系と、この計測点を撮影するデジタルカメラについてのカメラ座標系との関係を示す図である。図４において、カメラ座標系C-xyzの各軸が、計測座標系0-XYZの各軸に対して、反時計回りにα、β及びγ(rad)だけ各々回転した状態で、計測点Piが仮想画像上の点Miに撮影されたとする。なお、この仮想画像は、カメラの撮像面（本実施形態ではデジタルカメラのＣＣＤ又はＣＭＯＳ素子の受光面）がレンズの焦点に関して計測点側に位置していると仮定すると共に、カメラのレンズ収差等に起因する内部標定要素が考慮された撮影画像である。

この場合に、基準点Piの計測座標値（X_i,Y_i,Z_i）は、下記の式（１）のように、カメラ座標値（x_Pi,y_Pi,z_Pi）に変換することができる。

ここで、（X_C,Y_C,Z_C）^Tは、カメラ座標系の原点Cを計測座標で表したものである。また、式（１）中の定数は、下記の式（２）のように表される。

いま、図４のカメラ座標系に着目すると、計測点Pi（x_Pi,y_Pi,z_Pi）からの光線は、レンズ中心C（0,0,0）を通る直線であることから、下記の式（３）のような方程式で表される。

また、上記計測点Piからの光線は、ＣＣＤ面上の点Mi（X_i,Y_i,-b_f）と点C（0,0,0）とを通るので、下記の式（４）のような方程式でも表される。

式（３）と（４）は、同一の直線を表しているから、この式（３）と（４）を連立させ、さらに、式（１）を用いることにより、下記の式（５）のような共線条件方程式が得られる。

上記共線条件方程式（５）は、下記の式（６）のように書き直すことができる。

この式（６）において、本実施形態では、レーザ光の照射方向が鉛直面と平行であることから、各計測点のZiが互いに同一の値であることより、計測点Pi（Xi,Yi,Zi）の座標が算出される。

また、外部標定要素については、式（５）において、計測座標におけるカメラの位置を示すレンズ中心C（X_C,Y_C,Z_C）、及び、カメラの傾きα,β,γの６個の変数が未知数となる。ここで、本実施形態では、基準定規１の標識の円形パターン中心の座標は、少なくとも３つが既知であることから、１つの標識の円形パターン中心に関して既知の値Xｉ,Yｉ,Zｉ,xi,yiを式（５）に代入することにより、６つの連立方程式が得られる。この６つの連立方程式の解を求めることにより、外部標定要素の６つの未知数を求めることができる。

実際には、式（５）を線形化した下記の観測方程式（７）について、この式（７）を残差とする下記の式（８）を、最小二乗法で解けばよい。

また、上記仮想画像の座標は、現実のカメラ撮影で得られた画像の座標に対して、内部標定を行った座標である。この内部標定を行う際に用いる内部標定要素は、以下のようにして求める。

歪曲収差以外の収差は、レンズの絞りを変えることにより補正される。一方、歪曲収差は、収差のうち最も大きい収差である。この歪曲収差は、画像の主点から放射方向に像が歪む現象である。この歪曲収差は、下記の式（９）のような奇数多項式で表される。

ここで、k_i（i＝1,3,5,・・・）は定数であり、rは主点からの放射方向の距離である。図４に示したように、レンズ中心から仮想画像までの画像距離b_fを、内部標定要素の１つとすると、式（９）の右辺第１項は、画像距離b_fの誤差修正項と同じになる。したがって、歪曲収差dは、下記の式（１０）のように表すことができる。

ここで、C_l及びC₂は定数である。

図５Ａは、式（１０）によって表される歪曲収差dと、主点からの放射方向の距離ｒとの関係を示した図である。図５Ａにおいて、縦軸が歪曲収差dであり、横軸が主点からの放射方向の距離ｒである。

図５Ｂは、式（１０）の収差dをカメラ座標値（Δx_i,Δy_i）に変換する様子を説明する図であり、この変換されたカメラ座標値は、下記の式（１１）のように表すことができる。

ここで、riについて、下記の式（１２）の関係が成り立つ。

カメラ座標系で示した仮想画像において、内部標定要素として、画面距離b_f、主点位置からのずれ（x_O,y_O）、及び、レンズの歪曲収差を表す係数C₁,C₂を考慮すると、仮想画像の座標値は、図５Ｂから、下記の式（１３）のようになる。

となる。ただし、r_i ²=x_i ²+y_i ²である。

上記式（１３）で表される仮想画像における座標値は、式（５）で表された共線条件方程式の座標値に等しい。したがって、式（１３）及び（５）の差を取って０とすると、下記の式（１４）が得られる。

上記式（１４）において、カメラのレンズ中心C（X_C,Y_C,Z_C）と、カメラの傾きα,β,γは外部標定要素である。これに対して、x_O,y_O,b_f,C₁,C₂は内部標定要素である。

上記（１４）から、外部標定要素を求めるのと同様に、下記の式（１５）を解くことによって、内部標定要素が求められる。

このようにして、外部標定要素及び内部標定要素を求めることにより、カメラの撮影画像に基づいて、計測点の座標値を求めることができる。

本実施形態では、公知の立体定規をデジタルカメラ３で撮影し、上記式（１５）を演算することによって、上記デジタルカメラ３の内部標定要素を予め求めておく。この予め求められた内部標定要素を、パソコンに予め記憶させておく。そして、トンネル３１においてデジタルカメラ３で撮影を行い、この撮影画像をパソコンに入力して、上記撮影画像から外部標定要素を算出すると共に、予め記憶された内部標定要素を用いて演算を行う。これにより、上記トンネル３１の内側面の照射光Ｌの座標を算出して、この照射光Ｌの位置におけるトンネル３１の断面を計測することができる。

このようにして得られたトンネル３１の断面と、このトンネル３１を通過する列車の建築限界線との離隔を算出することにより、図２に示すように、このトンネル３１の計測地点における建築限界余裕Ｍを測定することができる。

このように、本実施形態によれば、測定用定規１を用いるので、計測対象物であるトンネル３１の内側面について、従来のように外部標定のためにトータルステーション等を用いて事前に計測を行う必要が無い。また、トンネル３１の内側面の計測を行うべき位置に、従来のように標識を予め固定する必要が無い。本実施形態によれば、測定用定規１の配置及び撮影という簡易な作業によって、トンネル３１の断面計測を行うことができるのである。

また、本実施形態によれば、上記測定用定規１及びレーザ照射器２を移動させることにより、トンネル３１の長手方向の他の計測位置において断面の計測を行うことができる。したがって、計測位置が長距離に亘って複数設定されている場合でも、従来のように各計測位置に標識を固定する必要が無く、また、計測位置を複数のグループに分けて各グループに対してカメラを各々設置する必要が無い。すなわち、１組の測定用定規１、レーザ照射器２及びデジタルカメラ３によって、広範囲に亘って複数の計測を行うことができるので、計測に必要な機器を従来よりも大幅に削減できて、効果的にコストの削減を行うことができる。

また、上記測定用定規１及びレーザ照射器２の配置位置を変更するのみにより、容易に計測位置を変更することができる。

なお、上記測定用定規１は、レール３２，３２上に限られず、トンネル３１の内側面の照射光Ｌと共に撮影が可能であれば、レール３２，３２の外側に配置してもよい。この場合、レール３２，３２内に進入することなく計測作業を行うことができるので、作業者の安全を効果的に確保することができる。

上記実施形態では、計測用定規１をトンネル３１の断面の計測に用いたが、計測用定規１は、他の計測対象物にも用いることができる。

図６は、計測用定規１をプラットホーム４０上に配置して、このプラットホーム４０とレール４１の離隔の計測を行う様子を示す図である。

図６に示すように、プラットホーム４０の縁の近傍に、計測用定規１の平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面がプラットホーム４０の表面と略直角になるように計測用定規１を配置する。この計測用定規１は、平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面が、上記レール４１の長手方向と略直角をなすように配置するのが好ましい。上記平面基準標識１１，１２，１３で規定される平面とレーザ光の投射面が略平行になるように、レーザ照射器２を計測用定規１に配置する。このレーザ照射器２からレーザ光を投射し、上記プラットホーム４０の表面と、レール４１，４１の表面に照射して照射光Ｌを得る。上記計測用定規１と、上記プラットホーム４０及びレール４１，４１の照射光Ｌを、例えば、プラットホーム４０の端部近傍から、デジタルカメラ３で撮影する。このデジタルカメラ３の撮影画像を、図示しないパソコンで読み込んで、このパソコンに予め記憶された内部標定要素を用いると共に、上記画像から外部標定要素を求めて、上記プラットホーム４０及びレール４１，４１の照射光Ｌの三次元座標を算出する。このようにして得られたプラットホーム４０及びレール４１，４１の照射光Ｌの座標から、プラットホーム４０とレール４１の離隔が求められる。

このように、上記計測用定規１及びレーザ照射器２をプラットホーム４０上に配置し、プラットホーム４０の端部近傍からデジタルカメラ３で撮影を行うことにより、例えばトータルステーションを用いた計測よりも少ない手間で、プラットホーム４０とレール４１の離隔計測を容易に行うことができる。また、レール４１に標識を配置する必要が無いので、作業者が軌道内に進入することなく計測を行うことができる。したがって、計測作業を迅速に行うことができ、また、計測作業者の安全を効果的に確保できる。

また、計測作業を迅速に行うことができるので、プラットホーム４０上の乗客の往来に対する影響を少なくできる。

上記各実施形態において、計測用定規１は３つの平面基準標識１１，１２，１３と、２つの奥行き基準標識２１，２２を有したが、上記計測用定規１の平面基準標識の個数は３つに限られず、３つ以上のいくつでもよい。また、上記奥行き基準標識の個数は２つに限られず、１つ以上のいくつでもよい。

また、計測対象物に照射する光として赤色のレーザ光を用いたが、撮影画像において認識可能であれば、他の可視光波長のレーザ光を用いてもよい。また、可視光波長以外の波長のレーザ光であってもよい。また、光源はレーザに限られず、ＬＥＤ等の他の光源を用いてもよく、要は、指向性及び輝度が高い光を出射できればよい。

また、上記デジタルカメラ３の内部標定は、計測用定規１を用いて行うことも可能である。この場合、計測用定規１によって、外部標定と内部標定の両方を行うことができるので、計測作業を大幅に簡単にできる。

上記各実施形態において、鉄道トンネル３１及びプラットホーム４０とレール４１について計測を行ったが、本発明は、鉄道構造物に限られず、例えば道路構造物や建築構造物等のような他のあらゆる構造物の計測に対して適用できる。

本発明の実施形態の計測用定規を正面上方から見た様子を示す斜視図である。 計測用定規を左側前方から見た様子を示す斜視図である。 トンネルの内側面にレーザ光を照射した様子を示す横断面図である。 計測用定規とレーザ照射器からの照射光を、デジタルカメラで撮影する様子を示した平面図である。 図３Ａの作業を側面から見た様子を示した縦断面図である。 計測座標系とカメラ座標系との関係を示す図である。 歪曲収差と、主点からの放射方向の距離との関係を示した図である。 収差をカメラ座標値に変換する様子を説明する図である。 プラットホームとレールの離隔の計測を行う様子を示す図である。

符号の説明

１ 計測用定規
２ レーザ照射器
１１，１２，１３ 平面基準標識
２１，２２ 奥行き基準標識
２５ 棒部材

Claims (6)

1. 本体と、
   上記本体に取り付けられ、同一平面上に配置された少なくとも３つの平面基準標識と、
   上記本体に取り付けられ、上記平面基準標識で規定される平面に対して奥行き方向に配置された少なくとも１つの奥行き基準標識と
   を備えることを特徴とする計測用定規。
2. 請求項１に記載の計測用定規において、
   ３つの上記平面基準標識と、２つの上記奥行き基準標識とを備え、
   上記３つの平面基準標識のうちの２つの平面基準標識と、上記２つの奥行き基準標識とで規定される平面が、上記３つの平面基準標識で規定される平面と直交するように、上記平面基準標識及び奥行き基準標識が上記本体に固定されていることを特徴とする計測用定規。
3. 請求項１又は２に記載の計測用定規と、
   上記計測用定規の上記平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射する光投射手段と、
   上記光投射手段から投射されて計測対象物の表面に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規とを含む画像を出力する撮影手段と、
   上記撮影手段から出力された画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標を算出する座標算出手段と
   を備えることを特徴とする計測システム。
4. 計測対象物の近傍に、請求項１又は２に記載の計測用定規を配置する工程と、
   上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、この投射光を上記計測対象物に照射する工程と、
   上記計測対象物に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規を含む画像を出力する工程と、
   上記画像に基づいて、上記計測対象物の上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
   を備えることを特徴とする計測方法。
5. トンネル内に、請求項１又は２に記載の計測用定規を、この計測用定規の平面基準標識で規定される平面が上記トンネルの軸に対して略直角をなすように配置する工程と、
   上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、上記トンネルの内側面に上記投射光を照射する工程と、
   上記トンネルの内側面に照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と計測用定規を含む画像を出力する工程と、
   上記画像に基づいて、上記トンネルの内側面の上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
   を備えることを特徴とするトンネル断面の計測方法。
6. プラットホーム上に、請求項１又は２に記載の計測用定規を、この計測用定規の平面基準標識で規定される平面が上記プラットホームの平面に対して略直角をなすように配置する工程と、
   上記計測用定規の平面基準標識で規定される平面と略平行に、光を平面状に投射して、上記プラットホームと、このプラットホーム近傍のレールとに上記投射光を照射する工程と、
   上記プラットホームとレールに照射された照射光と、上記計測用定規とを同時に撮影して、上記照射光と測定用定規を含む画像を出力する工程と、
   上記画像に基づいて、上記プラットホームとレールの上記照射光が照射された位置の座標を算出する工程と
   を備えることを特徴とするプラットホームとレールの離隔の計測方法。

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