JP2007198867A - 写真測量システムおよび写真測量方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測量対象物の経時変化の観測を容易に行える写真測量システムおよび写真測量方法の提供。
【解決手段】測量対象物の表面に設置される複数のターゲットａ……と、互いに異なる位置に設置固定され上記複数のターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……と、上記定点カメラｄ１，ｄ２，……で撮影された複数の対象物写真画像より、上記各ターゲットａ……を抽出してその３次元座標を算出する端末ｅ（ｆ）とからなる写真測量システム。
上記複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……により撮影した、上記ターゲットａ……を収めた対象物写真画像を解析することにより上記各ターゲットａ……の３次元座標を算出する写真測量方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、写真測量システムおよび写真測量方法に関する。

従来より、防災のための法面の挙動監視やトンネル内空変位計測等にデジタル写真画像を利用した写真測量が行われている。

その写真測量は、法面等の測量対象物に所要数のターゲット（計測点）を設置し、そのターゲットをデジタルカメラ等で少なくとも任意の２地点から手動で撮影して、視差の異なる２枚以上の画像を取得するとともに、この画像を写真測量理論に基づいて解析（特許文献１〜３）し、上記測量対象物の３次元座標を求めることを繰り返し、その挙動（経時変化）を把握するものである。
これは、任意の位置からの撮影により視差の異なる２以上の画像が取得できればよいものであるため、危険箇所への直接の立ち入りが少なくなり、現地での測量，調査時間が短縮できるなどのメリットがある。
特開２００４−３２５０７３号公報 特開平７−２７５６３号公報 特開２００２−１８１５３６号公報

しかし、従来の写真測量では、撮影のたびに作業員がデジタルカメラ等を手動で操作していたので、繰り返し行う撮影を、毎回同一箇所から行ったり、あるいは、リアルタイムで連続的に撮影することが難しかった。

上記の画像解析作業では、カメラ位置・姿勢や画像上での計測点の位置座標の入力必要であるが、従来は、撮影のたびに、カメラ位置・姿勢が異なることが多く、連続的に多数の画像を取得したとしても、取得した各画像上でのターゲットの位置が大きく異なり、解析作業においては各画像のマッチングを手動で行わなければならないことなどから、解析をリアルタイムで連続的に行って測量対象物の経時変化の観測を行うことは難しかった。

そこで、本発明は、測量対象物の経時変化の観測を容易に行える写真測量システムおよび写真測量方法の提供を課題とする。

請求項１記載の本発明は、測量対象物の表面に設置される複数のターゲットａ……と、互いに異なる位置に設置固定され上記複数のターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……と、上記定点カメラｄ１，ｄ２，……で撮影された複数の対象物写真画像より、上記各ターゲットａ……を抽出してその３次元座標を算出する端末ｅ（ｆ）とからなる写真測量システムである。

請求項２記載の本発明は、上記ターゲットａ……とともに上記測量対象物の表面に設置され、当該ターゲットａ……の絶対位置を計測する位置センサｂを備えた請求項１記載の写真測量システムである。

請求項３記載の本発明は、複数の上記ターゲットａ……の間の距離を計測する距離センサｃ……を備えた請求項１または２記載の写真測量システムである。

請求項４記載の本発明は、上記距離センサｃ……が、上記測量対象物の表面に光ファイバを敷設した光ファイバセンサである請求項３記載の写真測量システムである。

請求項５記載の本発明は、上記端末ｅ（ｆ）が、異なる時刻に撮影された一連の対象物写真画像からの各ターゲットａ……の３次元座標の算出を繰り返し行うことにより、その各ターゲットａ……の３次元変位を求める請求項１，２，３または４記載の写真測量システムである。

請求項６記載の本発明は、地盤または土木構造物を測量対象物とする請求項１，２，３，４または５記載の写真測量システムである。

請求項７記載の本発明は、測量対象物の表面に複数のターゲットａ……を設置し、そのターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……を互いに異なる位置に設置固定し、その各定点カメラｄ１，ｄ２，……で撮影した複数の対象物写真画像を解析することにより上記各ターゲットａ……の３次元座標を算出する写真測量方法である。

請求項８記載の本発明は、上記各定点カメラｄ１，ｄ２，……で異なる時刻に撮影された一連の対象物写真画像からの３次元座標の算出を繰り返し行うことにより、その各ターゲットａ……の３次元変位を求める請求項７記載の写真測量方法である。

請求項９記載の本発明は、地盤または土木構造物を測量対象物とする請求項７または８記載の写真測量方法である。

本発明によれば、定点カメラにより撮影した対象物写真画像を解析することにより、測量対象物の経時変化の観測を従来よりも容易に行える。

測量対象物の表面に設置される複数のターゲットａ……と、互いに異なる位置に設置固定され上記複数のターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……と、上記定点カメラｄ１，ｄ２，……で撮影された複数の対象物写真画像より、上記各ターゲットａ……を抽出してその３次元座標を算出する端末ｅ（ｆ）とからなる写真測量システム。

測量対象物の表面に複数のターゲットａ……を設置し、そのターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラｄ１，ｄ２，……を互いに異なる位置に設置固定し、その各定点カメラｄ１，ｄ２，……で撮影した対象物写真画像を解析することにより上記各ターゲットａ……の３次元座標を算出する写真測量方法。

以下、本発明を法面の挙動監視に適用した実施例について詳しく説明する。

図１に示したように、本発明写真測量システムは、測量対象物たる法面の表面に適宜の間隔をおいて設置される複数のターゲットａ……と、そのターゲットａ……とともに上記法面に設置されるＧＰＳ受信機（位置センサ）ｂ……と、上記法面に光ファイバを敷設した光ファイバセンサ（距離センサ）ｃ……とを含む。

同システムはさらに、上記法面に設置した全ての上記ターゲットａ……を視野内に含めて撮影できかつ互いに異なる位置に固定された２台の定点カメラｄ１，ｄ２と、その定点カメラｄ１，ｄ２により撮影された画像を解析し、その解析結果を出力するパーソナルコンピュータ等の端末（現場端末）ｅ、また、その現場端末ｅと接続された他の端末（リモート端末）ｆ……を有するものである。

上記ターゲットａ……は、白地の外周枠部分に囲まれる中央部分を黒色に塗りつぶして、その外周枠部分と中央部分とのコントラストを高くした板状のものである。
このターゲットａ……は、上記法面の適宜の位置に、該法面が挙動した場合にはこれと一体に動くようにして固定されている。
その固定は、たとえば、上記ターゲットａ……に固定用の穴をあけ単クランプに取り付け、これを法面のコンクリートに穴を空けて打設したアンカーに固定することにより行う。また、両面テープで固定することとしてもよい。

上記ターゲットａ……は、画像処理により認識できその位置が特定し易いものであればよく、その形状や色彩は適宜変更できる。夜間や悪天候時の計測にも対応できるようにするには、ＬＥＤ等の光源をターゲットとして使用するのがよい。

上記ＧＰＳ受信機ｂ……は、上記ターゲットａ……のうち少なくとも１つのものとともに同位置に設置され、当該ターゲットａ……の絶対位置を計測し、出力するものである。ただし、本システムでは、これを省略しても相対座標による観測を行える。

上記光ファイバセンサｃ……は、法面の表面の、任意に選択された複数の上記ターゲットａ……の間に光ファイバを敷設してなり、当該複数のターゲットａ……間の距離の精密計測、地盤の歪み（変位）計測を行うものである。

上記定点カメラｄ１，ｄ２は、互いに異なる位置に、上記法面の上記ターゲットａ……の全てまたはその一部のものが共通に画像視野内に収まるよう設置固定されたデジタルスチルカメラで、それらは上記ターゲットａ……を共通にその視野内に含み互いに視差の異なるデジタル画像（「対象物写真画像」という。）を同時に撮影することができる。
上記定点カメラｄ１，ｄ２は、防水ケース内に納めて風雨に耐えるようにし、かつ、その設置位置および姿勢が動かないように固定されている。
その固定方法は、たとえば、地盤中に単管を打ち込みその単管にカメラを単クランプで固定することにより行うことができる。

上記定点カメラｄ１，ｄ２は、画像センサとしてＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等を備えたものとすることができる。
また、赤外線カメラを利用すれば、夜間、悪天候時の計測も行いやすい。

さらに、スチルカメラに限らず対象物写真画像を連続的に動画として撮影するデジタルビデオカメラやＴＶカメラであってもよい。

上記定点カメラｄ１，ｄ２は、ＵＳＢやＩＥＥＥ等のインターフェースを備え、有線または無線のネットワークを介し上記現場端末ｅと接続され、その現場端末ｅにリアルタイムであるいは一定時間おきに（たとえば数ミリ秒おきでもよいし、数分おき、数時間おき、または、数日おきでもよい）上記対象物写真画像を送出する。
なお、カメラは３台以上設置することとしてもよい。

上記現場端末ｅは、たとえば現場事務所に設置されたもので、画像表示・保存手段，画像解析手段，解析結果出力手段，ＧＰＳ情報取得手段，長さ情報等取得手段等を備え、上記定点カメラｄ１，ｄ２，上記ＧＰＳ受信機ｂ……，および，光ファイバセンサｃ……と、ＵＳＢ，ＩＥＥＥ，ＬＡＮ，インターネット等の有線または無線の通信路により接続されている。
有線の場合、上記通信路のケーブルは、その距離に応じて選択するが、数百ｍを越えるような距離が長い場合は光ファイバを利用するのが好ましい。

現場端末ｅの上記画像表示・保存手段は、上記定点カメラｄ１，ｄ２から送られてくる対象物写真画像を直ちにリアルタイムでディスプレイ等に表示するもので、また、その送られてくる対象物写真画像を一定時間おきに定期的に保存する。
なお、その保存は動態検知処理により、画像の変化が検知されたときや、人為的に保存操作が行われたときに行うことも可能である。

現場端末ｅの上記画像解析手段は、上記定点カメラｄ１およびｄ２で同時刻に取得した対象物写真画像をそれぞれ解析して、各画像中のターゲットａ……を認識する。そして、両画像中に共通に含まれる各ターゲットａ……の対応付け（マッチング）を行い、上記各ターゲットａ……の３次元座標（相対座標）を求めるものである。
同様の処理を、各時刻に保存された一連の対象物写真画像について繰り返し行い、各時刻の上記各ターゲットａの３次元座標を求め、これを時系列順に比較することで各ターゲット（法面）の３次元変位を算出する。

従来の写真測量システムにおいては、複数の写真間のターゲットのマッチングは手作業で行っていたが、本発明の写真測量システムは、上記定点カメラｄ１，ｄ２を所定の位置に固定しているので、マッチングの作業は、既に解析を終わった過去の画像の３次元座標のデータをそのまま利用して、あるいはその誤差を修正する程度の処理により利用して容易に行うことができる。よって、従来手動で行っていたその作業を自動化することが容易である。

現場端末ｅの上記ＧＰＳ情報取得手段は、上記ＧＰＳ受信機ｂ……より、上記対象物写真画像を取得した時点における該ＧＰＳ受信機ｂ……の絶対座標を取得するものである。

現場端末ｅの上記長さ情報等取得手段は、上記光ファイバセンサｃ……より、同じく上記対象物写真画像を取得した時点における、その敷設区間（任意に選択された上記ターゲットａ，ａの間）の距離，その間の地盤の歪みの発生位置と大きさの情報等を取得するものである。

現場端末ｅの上記解析結果出力手段は、上記画像解析手段，上記ＧＰＳ情報取得手段，上記長さ情報等取得手段からのデータに基づいて、上記複数のターゲットａ……の３次元座標により特定される面の走行，傾斜，その変位等の解析結果をリスト出力したり図化プログラムにより図化するものである。

上記リモート端末ｆ……は、たとえば本社等の遠隔地に設置されたもので、上記現場端末ｅとインターネット等により接続されており該現場端末ｅとの間で各種の情報を送受信し、該現場端末ｅと同じ制御，解析，表示等の処理を行うことができる。
上記現場端末ｅの処理は全てこのリモート端末ｆ……で行うようにしてもよい。

本発明写真測量方法は、上記構成からなる本発明写真測量システムを用い、図２のフローチャートに示したようにして一連の処理を行う。

まず、法面に所要数のターゲットａ……とＧＰＳ受信機ｂ……とを設置し、また、光ファイバセンサｃ……を敷設するとともに、上記定点カメラｄ１，ｄ２を、異なる位置に設置しておく（ステップＳ１）。

そして、上記各定点カメラｄ１，ｄ２により、上記ターゲットａ……を収めた対象物写真画像を撮影しそのデータを上記現場端末ｅに送出する。この撮影および送出は、所要の時間間隔おきに常時行い、現場端末ｅの画像表示・保存手段は、それぞれの定点カメラｄ１，ｄ２から送られてきた対象物写真画像をディスプレイにリアルタイムで表示する（ステップＳ２）。したがって、法面の様子は、ディスプレイ上で常時監視することができる。

現場端末ｅの上記画像表示・保存手段は、両定点カメラｄ１，ｄ２において同時刻に撮影され、ディスプレイに時々刻々表示される対象物写真画像のうち一定の時間おきのものを、記憶装置内に保存する（ステップＳ３）。
また、この時、ＧＰＳ受信機ｂ……の出力する座標のデータを保存し、さらに、光ファイバセンサｃ……からの、その敷設箇所の距離や地盤変位等のデータを保存する。
なお、上記の対象物写真画像およびデータの保存は、一定時間おきでなく、時系列順に並べた前後の対象物写真画像を比較し、何らかの変化を検知した時に行ってもよい。

上記画像解析手段は、上記画像表示・保存手段が取得・保存した２枚の対象物写真画像を解析し、それぞれの対象物写真画像内の上記ターゲットａ……を抽出，認識する（ステップＳ４）。
そして、それら対象物写真画像内のターゲットａ……をマッチングし、共線条件式により各ターゲットａ……の３次元座標（相対座標）を算出する。

異なる時刻に撮影され保存された一連の対象物写真画像についても同様の解析を順次繰り返し行って、各時刻のターゲットａ……の３次元座標を算出する。
定点カメラｄ１，ｄ２とターゲットａ……との位置関係、定点カメラｄ１，ｄ２の向き、焦点距離等は以前の撮影の際と同じであるから、対象物写真画像内のターゲットａ……の認識、および、各画像間のターゲットａ……のマッチングは、既に算出されているターゲットａ……の３次元座標のデータを利用することで容易に行うことができる。

そして、各時刻における上記各ターゲットａ……の３次元座標に基づいて、すなわち、各時刻の上記各ターゲットａ……の３次元座標を時系列順に並べて比較することにより、その経時変化（３次元変位）を求めこれを観測結果とする（ステップＳ５）。
なお、この観測結果の出力は、上記ＧＰＳ受信機ｂ……からの絶対位置情報により上記いずれかのターゲットａの絶対位置を特定することにより、そのターゲットａを基準にして、絶対座標系の観測結果として出力することも可能である。
また、上記光ファイバセンサｃ……からの、特定のターゲットａ，ａ間の距離や、その間に発生している歪みの位置・大きさの情報を利用して精度を向上させることもできる。

上記のようにして得られた観測結果は、ターゲットで特定される面の走行、傾斜、その変位等の解析結果としてリスト出力により、あるいは図化してディスプレイ等に表示される（ステップＳ６）。解析結果を時系列に沿って見ることで、法面の経時変化を容易に把握できる。

本写真測量システムでは、法面を定点カメラｄ１，ｄ２で常時監視するとともに、その３次元座標の計測およびその３次元変位の観測を自動化して省力化を図るものである。
すなわち、定点カメラｄ１，ｄ２を定位置に固定しているので、撮影ごとの画像上のターゲットａ……のズレがあまりなくなる。したがって、画像解析にあたり、対象物写真画像内のターゲットａ……の自動認識、および、該画像間のターゲットａ……のマッチング等、従来手動で行っていた作業が大幅に軽減される。

上記のように、画像解析が容易であるため、３次元変位の観測を連続的にリアルタイムで、しかも自動的に行え、省力化が実現するだけでなく、さらに、ＧＰＳ受信機ｂ……や光ファイバセンサｃ……等、他の自動計測機器においても計測を行った場合、これらとの連繋による計測精度の向上も容易である。

また、保存しておいた数多くのデータを利用して、ターゲットａ……の座標計算等において統計的処理等により計測精度向上させることができる。
さらに、取得した画像を保存、管理することでデータベースとして利用できる。

なお、上記では２台以上のカメラにより測量対象物の３次元変位を観測するものとしたが、２次元計測であれば、カメラは１台で足りる。

本発明写真測量システムは、法面監視に限らず、それ以外の各種の地形をなす自然地盤，人工地盤等各種地盤の挙動監視、建物やトンネル等各種の構造物の挙動監視に適用することができる。
たとえば、地すべり地の監視，地震等の場合を含めた崩壊斜面の監視，開削工事など建設工事の施工管理等に用いることができる。
また防災監視に限らず、建物のドアの開閉等を監視しながら、そのドアが何センチ開いたか、とか、出入りした人物の身長が何センチであるか、等の計測も可能である。

本発明写真測量システムを法面監視に用いた実施例のシステム構成図である。 同システムの処理の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

ａ ターゲット（計測点）
ｂ ＧＰＳ受信機（位置センサ）
ｃ 光ファイバセンサ（距離センサ）
ｄ１，ｄ２ 定点カメラ
ｅ，ｆ 端末

Claims (9)

1. 測量対象物の表面に設置される複数のターゲットと、互いに異なる位置に設置固定され上記複数のターゲットを収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラと、上記定点カメラで撮影された複数の対象物写真画像より、上記各ターゲットを抽出してその３次元座標を算出する端末とからなることを特徴とする写真測量システム。
2. 上記ターゲットとともに上記測量対象物の表面に設置され、当該ターゲットの絶対位置を計測する位置センサを備えたことを特徴とする請求項１記載の写真測量システム。
3. 複数の上記ターゲットの間の距離を計測する距離センサを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の写真測量システム。
4. 上記距離センサが、上記測量対象物の表面に光ファイバを敷設した光ファイバセンサであることを特徴とする請求項３記載の写真測量システム。
5. 上記端末が、異なる時刻に撮影された一連の対象物写真画像からの各ターゲットの３次元座標の算出を繰り返し行うことにより、その各ターゲットの３次元変位を求めることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の写真測量システム。
6. 地盤または土木構造物を上記測量対象物とすることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載の写真測量システム。
7. 測量対象物の表面に複数のターゲットを設置し、そのターゲットを収めた対象物写真画像を撮影する複数の定点カメラを互いに異なる位置に設置固定し、その各定点カメラで撮影した複数の対象物写真画像を解析することにより上記各ターゲットの３次元座標を算出することを特徴とする写真測量方法。
8. 上記各定点カメラで異なる時刻に撮影された一連の対象物写真画像からの３次元座標の算出を繰り返し行うことにより、その各ターゲットの３次元変位を求めることを特徴とする請求項７記載の写真測量方法。
9. 地盤または土木構造物を上記測量対象物とすることを特徴とする請求項７または８記載の写真測量方法。
   

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