JP2007170820A

JP2007170820A - 三次元変位計測方法

Info

Publication number: JP2007170820A
Application number: JP2005364239A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Namura; 均名村; Norihiko Shirasaka; 紀彦白坂; Hidenaga Takaya; 英永高屋
Original assignee: Enzan Koubou Co Ltd
Current assignee: Enzan Koubou Co Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】変位前後の計測で三次元点群データを取得することにより、多数の計測点の変位を簡易かつ省力的に測定する。
【解決手段】三次元点群データを取得する第１ステップと、測定対象物に変位計測面３を定義するとともに、この変位計測面３上に三次元計測基準座標系A'を定義する第２ステップと、変位を計測したい方向ベクトルνを定義し、前記三次元計測基準座標系A'のＺ’軸を前記方向ベクトルに一致させるように三次元変位計測座標系A"を設定し、前記三次元点群データを前記三次元変位計測座標系A"に変換する第３ステップと、前記三次元変位計測座標系A"において、X"-Y"面にメッシュを設定し、各メッシュ毎に区画内に点在するＺ”座標の平均値を算出する第４ステップからなる測量を変位前後で行い、変位前後のＺ”座標平均値の差分を変位量とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、多数の計測点の変位を簡易かつ省力的に測定する三次元変位計測方法に関する。

各種構造物の構築・管理、土工事又は土構造物の構築・管理、地滑り対策等、多くの建設工事や管理においては、変位計測が重要な管理項目となっており、計測の簡素化、簡略化、省力化、精度向上等を目的として種々の方法が提案されている。

例えば、下記特許文献１では、基地に設置されたタンクの形状の変化を管理するためのタンク形状管理用自動計測方法において、タンク上空に設置した２つの既知点より、タンクの計測点に設置した計測ターゲットを走査し、各既知点から計測点までの斜距離と高度角を計測し、該計測点の斜距離及び高度角と前記２つの既知点間の水平距離とから前記計測点の座標値を演算するタンク形状管理用自動計測方法が提案されている。

また、下記特許文献２では、予め、地盤上に複数の測定点を設置し、該測定点の位置を任意の期間をおいて繰り返し測定した後に、既に測定した測定点の位置と今回測定した測定点の位置とを比較することにより、各測定点の位置の時間経過に伴う変位を計測する地盤変位計測方法であって、上記既に測定した測定点の位置と今回測定した測定点の位置とを比較するに際し、既に測定した各測定点の位置と今回測定した各測定点の位置との距離を順次求めるとともに、既に測定した一つの測定点の位置と今回測定した一つの測定点の位置との距離が、予め決められた値より小さい場合に、上記既に測定された一つの測定点の位置と今回測定した一つの測定点の位置とを同一の測定点の位置とみなし、これら測定点間の距離を測定点の位置の時間経過に伴う変位とする地盤変位計測方法が提案されている。

さらに、下記特許文献３では、基準点から測定点に向けて発光された基準光を利用して、前記基準点を基準とした前記測定点の位置変動量を測定することにより、前記測定点を含む所定地域の地盤変動量を把握する地盤変動量測定方法において、前記基準点の位置変動量を、別個に設定した不動点を基準として測定し、この位置変動量を用いて前記測定点の位置変動量を補正する地盤変動量測定方法が提案されている。
特開平１０−１３２５６４号公報特開平７−４９６５号公報特開２０００−１８０１６３号公報

前述した計測方法はもちろん、その他の一般的な位置計測（座標計測）においては、計測機器として、光波測距儀と電子式セオドライトとを組み合わせたトータルステーション（電子式タキオメーター）が多く使用され、測定点（視準点）にプリズム等のターゲットを設置して測量が行われている。すなわち、測定点を設定し、この測定点の座標位置をトータルステーションで測定し、その座標を特定し、例えば変位計測ならば、所定時間毎にこの作業を繰り返し、その差分を演算して変位量としていた。

しかしながら、測定点が着目した１乃至複数点である場合には、このような測量方法であっても短時間に測量を終えることができるが、視準点が多数設置される地盤変位や構造物変位計測等の３次元測量の場合は、測量に多くの時間と手間を要するようになる。また、地滑り面へのターゲット設置は、多くの危険が伴うなどの問題があった。

他方、近年は三次元スキャナーやステレオ画像処理などの三次元計測機器を用い、三次元モデルを作成する方法が種々提案されている。前記三次元スキャナー（レーザレーダ装置）は、対象物が内側に含まれるように水平レンジ角及び垂直レンジ角を設定するとともに、これによって特定された矩形範囲内に任意数の実測点を均等に配置し、三次元スキャナーから各実測点までの距離を計測することによって距離データ及び角度データから対象物の三次元データ（三次元点群データ）を取得するものであり、取得した三次元点群データから形状を特定する各種の処理を行い、三次元モデルが生成される。前記ステレオ画像処理は、光軸が平行乃至その交角が既知である複数台のＣＣＤカメラ等の撮像装置を配置し、三角測量の原理により対象点の座標を特定するものである。これらは、三次元空間における形状特定或いは座標特定の一法として利用されている技術である。

そこで本発明の主たる課題は、三次元スキャナーやステレオ画像処理などの三次元計測機器を用い、少なくとも変位前後の計測で三次元点群データを取得することにより、多数の計測点の変位を簡易かつ省力的に測定する方法を提供するものである。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、三次元計測機器により測定対象物の測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを取得する第１ステップと、
測定対象物において変位計測面を定義するとともに、この変位計測面上にＸ’座標及びＹ’座標をもつ三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')を定義する第２ステップと、
前記三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')において、変位を計測したい方向ベクトルを設定し、前記三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')のＺ’軸を前記方向ベクトルに一致させるようにＸ’軸及びＹ’軸回りに回転させた三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")を定義し、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")に変換する第３ステップと、
前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")において、X"-Y"面に任意の形状及び間隔で区画割りを設定し、各区画毎に区画内に点在するＺ”座標平均値を算出するとともに、この平均値をＺ”座標初期値として設定する第４ステップと、
変位計測時に、上記第１ステップから第４ステップまでの測量を再度行い、得られた各区画毎のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を変位量とする第５ステップとからなることを特徴とする三次元変位計測方法が提供される。

請求項２に係る本発明として、前記第１ステップにおいて、三次元点群データの間引きを行う請求項１記載の三次元変位計測方法が提供される。

請求項３に係る本発明として、前記第２ステップにおける三次元中間座標系(X'、Y'、Z')の定義ステップを省略し、前記第３ステップにおいて、変位を計測したい方向にＺ”軸を設定した三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")を設定し、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")に変換する請求項１、２いずれかに記載の三次元変位計測方法が提供される。

請求項４に係る本発明として、前記第４ステップにおいて、別途、前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")において、任意の区画内又は区画割り交点部に変位計測着目点を設定し、この変位計測着目点の囲む着目点区画を設定するとともに、この着目点区画内の三次元点群データ平均値をＺ”座標初期値として設定し、前記第５ステップにおいて、着目点区画内のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を着目点変位量とする請求項１〜３いずれかに記載の三次元変位計測方法が提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、三次元スキャナーやステレオ画像処理などの三次元計測機器を用い、１回の計測で大量の三次元点群データを取得することにより、多数の計測点変位を簡易かつ省力的に測定できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
図１〜図３は本発明に係る三次元変位測量の測量手順図（その１）〜（その３）であり、図４〜図８は解析処理結果（その１）〜（その５）を示す図である。

本発明に係る三次元変位計測方法は、三次元スキャナー１と、得られた三次元点群データのデータ処理を行うコンピューター２とを用い、以下の手順に従って行われる。

〈第１ステップ〉
先ず、図１に示されるように、三次元スキャナー１を任意位置に設置し、予め設置してある２つの基準点（既知点）を視準することにより、或いは、既知点上に前記三次元スキャナー１を据え付けることにより、当該三次元スキャナー１の据付け座標（Xa,Ya,Za）を得る。なお、この三次元座標（Xa,Ya,Za）は測量座標系(X、Y、Z)で行われ、コンピューター２に記憶される。

その後、前記三次元スキャナー１により測定対象物をスキャンし、対象物の三次元データ（三次元点群データ）を取得する。この場合、三次元点群データのデータ量が膨大な場合や及びノイズを除去するために、三次元点群データの間引きを行うようにするのが望ましい。三次元点群データの間引き方法としては、種々の方法が提案されているが、例えば特開平６−９４４２８号公報、特開２０００−２４３５号公報に示される方法などがある。前者の特開平６−９４４２８号公報に記載されるデータ量縮減方法は、得られた三次元点群データを指定された精度まで繰り返し近似を行い曲面のパラメトリック関数に変換し、入力先システムのデータフォーマットにより記述する技術であり、後者の特開２０００−２４３５号公報に記載されるデータ量縮減方法は、予めユーザー設定で縮減度（間引き比率）設定し、ある点について着目する処理をすべての点について繰り返し行い、何点目の処理をしているかのカウンタを点番号とし、これとそれまでに残した点のカウンタを持つようにし、１つの点を取り出した時、（残した点数）／（点番号）を判定値として計算し、その値が縮減度よりも小さい場合には間引き、そうでない場合には残すようにする処理を繰り返し行うものである。なお、詳しくは同公報を参照されたい。

なお、前記三次元点群データの取得は、死角を補間するために２箇所以上で計測を行うようにしてもよい。

〈第２ステップ〉
図２に示されるように、測定対象物において変位計測面３を定義するとともに、この変位計測面３上にＸ座標及びＹ座標をもつ三次元計測基準座標系Ａ’(X'、Y'、Z')を定義する。図示のように、地盤変形計測の場合には、地盤の形状が一様ではなく、三次元的に変化しているため、どの面を変位計測面とするかを定義するものである。また、構造物の場合は、どの面を変位計測の対象とするかを特定する作業ステップである。その変位計測面が決定されれば、変位計測面にＸ’座標及びＹ’座標を設定し、この面に直交する方向にＺ’座標を設定する。なお、前記三次元計測基準座標系Ａ’(X'、Y'、Z')は変位計測面３の中心を原点とする座標系とするのが望ましい。

〈第３ステップ〉
次に、同図２に示されるように、前記三次元計測基準座標系Ａ’(X'、Y'、Z')において、変位を計測したい方向ベクトルνを設定する。すなわち、上記第２ステップでは、変位計測面３を定義したが、この変位計測面３において、どの方向の変位に着目するかを設定する。

変位着目方向（ベクトルν方向）が定義されたならば、図３に示されるように、前記三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')のＺ’軸を前記方向ベクトルに一致させるようにＸ’軸及びＹ’軸回りに回転させた三次元変位計測座標系Ａ”(X"、Y"、Z")を定義する。この段階で、変位着目方向にＺ”軸を持つ三次元変位計測座標系Ａ”が決定する。変位計測方向に着目した三次元変位計測座標系Ａ”が決定されたならば、前記測量座標系(X、Y、Z)を前記三次元変位計測座標系Ａ”(X"、Y"、Z")に変換する座標変換パラメータを求め、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系Ａ”(X"、Y"、Z")に変換する。

なお、前記座標変換は、ヘルマート変換、アフィン変換、擬似アフィン変換、多項式変換、クォータタニオン等の公知の方法により行うことができる。

〈第４ステップ〉
次に、前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")において、図４に示されるように、X"-Y"面に任意の形状及び間隔で、図示例では格子メッシュで区画割りを設定し、図５に示されるように、各区画毎に区画内に点在するＺ”座標平均値を算出したならば、図６に示されるように、各区画毎に前記Ｚ”座標平均値をＺ”座標初期値として設定する。なお、区画割りは格子メッシュ以外に、三角形メッシュ、菱形メッシュ、六角形メッシュ等、任意の形状とすることが可能である。

〈第５ステップ〉
以上第１ステップ〜第４ステップまでの作業手順により１サイクルの計測が完了する。その後、所定の時間経過後、すなわち変位計測時に、上記第１ステップから第４ステップまでの測量を再度行い、図７に示されるように、各区画毎に各区画毎のＺ”座標平均値を得る。そして、図８に示されるように、各区画毎に、得られた各区画毎のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を演算することにより変位量を求める。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、前記第２ステップにおいて、測定対象物において変位計測面３を定義するとともに、この変位計測面上にＸ’座標及びＹ’座標をもつ三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')を定義するようにしたが、前記第２ステップにおける三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')の定義ステップを省略することも可能である。この場合は、前記第３ステップにおいて、変位を計測したい方向にＺ”軸を設定した三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")を定義し、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")に変換するようにすればよい。

(2)上記形態例では、基本的に区画割りしたメッシュ毎に変位を求めるようにしたが、特に変位を着目したい点を別途に設定してもよい。例えば、図９に示されるように、区画割り交点部に変位計測着目点Ｐを設定し、この変位計測着目点Ｐの囲む着目点区画４を設定するとともに、この着目点区画４内の三次元点群データ平均値をＺ”座標初期値として設定し、前記第５ステップにおいて、着目点区画内のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を着目点変位量とすればよい。

(3)上記形態例では、三次元計測機器として三次元スキャナー１を用いて点群データを取得するようにしたが、光軸が平行乃至その交角が既知である複数台のＣＣＤカメラ等の撮像装置を配置した機器を用い、ステレオ画像処理により点群データを取得するようにしてもよい。

本発明に係る三次元変位測量の測量手順図（その１）である。本発明に係る三次元変位測量の測量手順図（その２）である。本発明に係る三次元変位測量の測量手順図（その３）である。解析処理結果（その１）を示す図である。解析処理結果（その２）を示す図である。解析処理結果（その３）を示す図である。解析処理結果（その４）を示す図である。解析処理結果（その５）を示す図である。本発明に係る三次元変位測量の解析処理の変形例を示す図である。本発明に係る三次元変位測量のフロー図である。

符号の説明

１…三次元スキャナー、２…コンピューター、３…変位計測面

Claims

三次元計測機器により測定対象物の測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを取得する第１ステップと、
測定対象物において変位計測面を定義するとともに、この変位計測面上にＸ’座標及びＹ’座標をもつ三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')を定義する第２ステップと、
前記三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')において、変位を計測したい方向ベクトルを設定し、前記三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')のＺ’軸を前記方向ベクトルに一致させるようにＸ’軸及びＹ’軸回りに回転させた三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")を定義し、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")に変換する第３ステップと、
前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")において、X"-Y"面に任意の形状及び間隔で区画割りを設定し、各区画毎に区画内に点在するＺ”座標平均値を算出するとともに、この平均値をＺ”座標初期値として設定する第４ステップと、
変位計測時に、上記第１ステップから第４ステップまでの測量を再度行い、得られた各区画毎のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を変位量とする第５ステップとからなることを特徴とする三次元変位計測方法。
前記第１ステップにおいて、三次元点群データの間引きを行う請求項１記載の三次元変位計測方法。
前記第２ステップにおける三次元計測基準座標系(X'、Y'、Z')の定義ステップを省略し、前記第３ステップにおいて、変位を計測したい方向にＺ”軸を設定した三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")を定義し、前記測量座標系(X、Y、Z)における三次元点群データを前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")に変換する請求項１、２いずれかに記載の三次元変位計測方法。
前記第４ステップにおいて、別途、前記三次元変位計測座標系(X"、Y"、Z")において、任意の区画内又は区画割り交点部に変位計測着目点を設定し、この変位計測着目点の囲む着目点区画を設定するとともに、この着目点区画内の三次元点群データ平均値をＺ”座標初期値として設定し、前記第５ステップにおいて、着目点区画内のＺ”座標平均値と、前記Ｚ”座標初期値との差分を着目点変位量とする請求項１〜３いずれかに記載の三次元変位計測方法。