JP2009019923A - 距離測定方法および距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる距離測定方法及び距離測定装置を提供する。
【解決手段】 本発明の距離測定方法は、レーザを利用して、直線状に延びる第１及び第２構造物間の距離を測定するための距離測定方法であって、前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップＳ１０１と、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記二点の三次元座標を算出する座標算出ステップＳ１０３と、前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出ステップＳ１０５と、を含むことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザを利用した構造物間の距離を測定するための方法および装置に関する。

鉄道関係の建設工事を行う際やその後の構造物の管理においては、建築限界の要求を満たすために、たとえばホーム上屋から架線（架空電車線）までの水平距離、線路脇の構造物から架線までの最短距離、電柱から架線までの水平距離、線路の軌道中心からホーム縁端や線路脇の構造物までの最短距離など、構造物間の離隔距離を厳正に管理する必要がある（たとえば非特許文献１）。しかし、線路付近で距離測定を行う場合は、このような離隔距離の測定に苦労する場合が多い。たとえばホーム上屋と架線の離隔距離測定は、レール上を走行する高所作業車に乗ってスケールや直角定規を用いた大掛かりで危険を伴う作業となる。さらに、この測定は、列車の運転中には測定できないため、作業間合いを検討して線路閉鎖やき電（饋電）停止などの手続きや他系統との調整業務が必要となる。このような作業負荷や面倒な手続きや調整業務を避けるため、建築限界外の地上から離隔距離を測定できる装置の開発が必要とされている。
東日本旅客鉄道株式会社設備部建設工事部、「鉄道施設計画の手引」、東日本旅客鉄道株式会社、平成１７年５月

建築限界外の地上から離隔距離を測定できる装置として、レーザを利用した距離測定装置が考えられる。従来のレーザ距離測定装置は、任意の二点間距離や測定装置と任意の一点と間の距離を測定することが可能である。しかしながら、従来のレーザ距離測定装置は、鉄道関係の工事や管理の要求にしたがって、たとえばホーム上屋と架線の斜距離のように１軸１点間の最短距離を測定する必要がある場合や、ホーム上屋と架線の水平方向距離のように照射対象物が存在しない場合には、距離を測定することが困難となる。

そこで本発明は、上記の問題点を解決し、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる距離測定方法及び距離測定装置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、本発明の距離測定方法は、レーザを利用して直線状に延びる第１及び第２構造物間の距離を測定するための距離測定方法であって、前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記二点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出ステップと、を含むことを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、レーザを利用して直線状に延びる第１及び第２構造物間の距離を測定するための距離測定装置であって、前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記二点の三次元座標を算出する座標算出手段と、前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出手段と、を備えることを特徴としている。

これらの構成により、建築限界外の地上からレーザを利用して構造物上の点までの距離を算出し、これらの距離とレーザの照射方向に基づいて各点の三次元座標を算出し、これらの三次元座標に基づいて構造物間の距離を算出するので、建築限界外から精度良く構造物間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の距離測定方法は、前記座標算出ステップで算出された前記第２構造物上の一点および前記第１構造物上の二点の三次元座標を、前記第１構造物上の二点のうちの一方が三次元空間の原点に配置され、他方が該三次元空間の任意の座標軸上に配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記第２構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出することが好適である。

この構成により、第１構造物および第２構造物間の距離が、第１構造物上の二点が配置される座標軸と第２構造物上の一点との距離を利用して求められるので、第１構造物および第２構造物間の距離を簡易に精度良く算出することができる。

また、本発明の距離測定方法において、前記第１構造物がホーム上屋の線路側の端縁部であり、前記第２構造物が架空電車線であり、前記距離算出ステップでは、前記端縁部と前記架空電車線との間の斜距離及び水平距離を算出することが好適である。

同様に、本発明の距離測定方法において、前記第１構造物が架空電車線であり、前記第２構造物が線路脇の電柱であり、前記距離算出ステップでは、前記架空電車線と前記電柱との間の水平距離を算出することが好適である。

これらの構成により、レール上を走行する高所作業車に乗ってスケールや直角定規を用いた大掛かりで危険を伴う作業が不要となり、さらに、作業間合いを検討して線路閉鎖やき電停止などの手続きや他系統との調整業務も不要となる。また、１点１軸間の最短距離を表すホーム上屋と架線との斜距離や、照射対象物がないホーム上屋または電柱と架線との水平距離を算出することができる。これにより、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

上記課題を解決するために、本発明の距離測定方法は、レーザを利用して平面状の第１構造物と第２構造物との距離を測定するための距離測定方法であって、前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の三点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記三点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出ステップと、を含むことを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、レーザを利用して平面状の第１構造物と第２構造物との距離を測定するための距離測定装置であって、前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の三点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記三点の三次元座標を算出する座標算出手段と、前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出手段と、を備えることと特徴としている。

これらの構成により、建築限界外の地上からレーザを利用して構造物上の点までの距離を算出し、これらの距離とレーザの照射方向に基づいて各点の三次元座標を算出し、これらの三次元座標に基づいて構造物間の距離を算出するので、建築限界外から精度良く構造物間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の距離測定方法は、前記座標算出ステップで算出された前記第２構造物上の一点および前記第１構造物上の三点の三次元座標を、前記第１構造物上の三点のうちの１つが三次元空間の原点に配置され、前記第１構造物上の三点のうちの別の１つが該三次元空間の第１の座標軸上に配置され、前記第１構造物上の三点で形成される平面が前記三次元空間の前記第１の座標軸および第２の座標軸で形成される平面と一致するよう配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記第２構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出することが好適である。

この構成により、第１構造物および第２構造物間の距離が、第１構造物上の三点が配置される座標軸平面と第２構造物上の一点との距離となるので、第１構造物および第２構造物間の距離を簡易に精度良く算出することができる。

また、本発明の距離測定方法においては、前記第１構造物が線路脇の構造物の線路側面であり、前記第２構造物が架空電車線であり、前記距離算出ステップでは、前記線路側面と前記架空電車線との間の最短距離を算出することが好適である。

この構成により、レール上を走行する高所作業車に乗ってスケールや直角定規を用いた大掛かりで危険を伴う作業が不要となり、さらに、作業間合いを検討して線路閉鎖やき電停止などの手続きや他系統との調整業務も不要となる。これにより、危険を犯すことなく簡易に構造物と架空電車線との間の最短距離を算出することができる。

上記課題を解決するために、本発明の距離測定方法は、レーザを利用して線路の軌道中心と構造物との距離を測定するための距離測定方法であって、前記構造物上の一点と、前記線路の構造物側のレール上の一点と、前記線路の他方のレール上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、前記三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出する距離算出ステップと、を含むことと特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、レーザを利用して線路の軌道中心と構造物との距離を測定するための距離測定装置であって、前記構造物上の一点と、前記線路の構造物側のレール上の一点と、前記線路の他方のレール上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を算出する座標算出手段と、前記三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出する距離算出手段と、を備えることを特徴としている。

これらの構成により、建築限界外の地上からレーザを利用して軌道および構造物上の点までの距離を算出し、これらの距離とレーザの照射方向に基づいて各点の三次元座標を算出し、これらの三次元座標に基づいて軌道中心および構造物間の距離を算出するので、建築限界外から精度良く軌道中心および構造物間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に軌道中心および構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の距離測定方法は、前記座標算出ステップで算出された前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を、前記軌道中心に沿って前記線路の面と直交する平面に三次元空間の第１の座標軸および第２の座標軸が配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出することが好適である。

この構成により、軌道中心と構造物上の一点との間の最短距離が、軌道中心を含む座標軸平面と構造物上の一点との距離となるので、軌道中心と構造物との距離を簡易に精度良く算出することができる。

本発明の距離測定方法および距離測定装置は、建築限界外の地上からレーザを利用して構造物上の点までの距離を算出し、これらの距離とレーザの照射方向に基づいて各点の三次元座標を算出し、これらの三次元座標に基づいて構造物間の距離を算出するので、建築限界外から精度良く構造物間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る距離測定方法および距離測定装置の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１〜図１０を参照して、第１の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る距離測定装置１０による電車架空線（架線）１１とホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離を計測する手法の概略図である。

本実施形態では、距離測定装置１０は、架線１１上の任意の一点Ｏと、ホーム上屋１２の縁部の任意の二点Ａ，Ｂについて、レーザを利用して各点Ｏ，Ａ、Ｂの座標を算出し、これらの座標に基づいて、架線１１上の点Oからホーム上屋１２までの最短距離を示す「斜距離」と、架線１１上の点Oとホーム上屋１２との水平方向の最短距離を示す「水平距離」とを算出する。

図２は、距離測定装置１０の機能ブロック図である。距離測定装置１０は、レーザ送受信部（レーザ計測手段）１０１と、距離測定部１０２と、入出力部１０３とを備えている。レーザ送受信部１０１、距離測定部１０２、および入出力部１０３は、一体的に構成しても良いし、レーザ送受信部１０１のみを独立した装置として測定場所で使用して、有線または無線で遠隔にある距離測定部１０２および入出力部１０３と通信を行うよう構成しても良い。距離測定部１０２は、さらに、極座標算出部１０４と、三次元座標算出部（座標算出手段）１０５と、座標変換部（座標変換手段）１０６と、距離算出部（距離算出手段）１０７とを備える。

距離測定部１０２および入出力部１０３は、ＣＰＵおよびメモリを含むコンピュータによって実現される。距離測定部１０２に含まれる各機能ブロック（極座標算出部１０４、三次元座標算出部１０５、座標変換部１０６、距離算出部１０７）は、メモリに格納されるソフトウェアプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。入出力部１０３は、キーボードや専用のコントローラによる入力手段と、表示装置や印刷装置などによる出力手段により実現される。

レーザ送受信部１０１は、ユーザにより設定された照射方向に向けてレーザを照射し、この照射したレーザの反射光を受光する。そして、レーザ送受信部１０１は、照射レーザとこのレーザの反射光の時間差を測定する。

距離測定部１０２は、レーザ送受信部１０１による測定結果に基づいて、構造物間の距離を算出して、入出力部１０３に送信する。以下、距離測定部１０２の各機能について説明する。

極座標算出部１０４は、レーザ送受信部１０１の計測結果に基づき、距離測定装置１０のレーザ照射位置を基準とする対象点Ｏ，Ａ、Ｂの極座標を算出する。具体的には、極座標算出部１０４は、レーザ送受信部１０１で測定されたレーザの照射から受光までの時間差に基づいて、対象点までの距離Ｌを算出し、レーザの照射方向に基づいて、水平角度θおよび垂直角度φを算出する。そして、算出した距離Ｌ、水平角度θ、垂直角度φを用いて極座標（Ｌ、θ、φ）を算出する。

三次元座標算出部１０５は、極座標算出部１０４で算出された対象点O、A、Bの極座標に基づいて、距離測定装置１０のレーザ照射位置を原点とする任意の三次元空間における各対象点の三次元座標を算出する。

なお、極座標（Ｌ、θ、φ）から三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）への変換手法は、ｘ＝Ｌcosθcosφ、ｙ＝Ｌcosθsinφ、ｚ＝Ｌsinθから容易に求められる。

座標変換部１０６は、三次元座標算出部１０５で対象点O、A、Bの三次元座標を算出するのに用いられた、距離測定装置１０のレーザ照射位置を原点とする三次元座標軸を、架線１１とホーム上屋１２との斜距離および水平距離の算出が簡単になるように、座標変換する。具体的には、座標変換部１０６は、ホーム上屋１２上の点Aが原点に配置され、点Bが任意の座標軸上に配置されるように、三次元空間を座標変換する。

距離算出部１０７は、座標変換部１０６で算出された座標変換後の架線上の点Oの三次元座標に基づいて、架線１１とホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離を算出する。

続いて、図３〜図９を参照して、本実施形態による距離測定方法について説明する。図３は、本実施形態による距離測定方法のフローチャートである。

まず、入出力部１０３を介してユーザから計測点O、A、Bの位置を取得する指令が与えられると、レーザ送受信部１０１により、レーザが計測点に照射され、レーザの反射光を受信するまでの時間差を計測するレーザ計測が行われる（レーザ計測ステップ：Ｓ１０１）。

次に、極座標算出部１０４により、レーザ送受信部１０１で計測された各計測点Ｏ、Ａ、Ｂについてレーザ送受信の時間差および照射方向に基づいて、各計測点Ｏ、Ａ、Ｂの極座標が算出される（Ｓ１０２）。

続いて、三次元座標算出部１０５により、極座標算出部１０４で算出された各計測点の極座標に基づいて、各計測点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標が算出される（座標算出ステップ：Ｓ１０３）。図４は、三次元座標算出部１０５で算出された測定点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標の一例を示す図である。図４に示すように、三次元座標算出部１０５は、まず、点ＡがＸＺ平面上に配置されるように、Ｘ０Ｙ０Ｚ０座標系を設定する。図４の例では、点Ａの座標を（ｘ_Ａ、０、ｚ_Ａ）としている。

次に、座標変換部１０６により、三次元座標算出部１０５で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂの座標が座標変換される（座標変換ステップ：Ｓ１０４）。以下に図５〜図８を参照して、この座標変換の処理の詳細を説明する。

まず、図５に示すように、点Ａ（ｘ_Ａ、０、ｚ_Ａ）が原点に配置されるように、ｘ０軸およびＺ０軸を平行移動して、Ｘ０Ｙ０Ｚ０座標系が新たなＸ１Ｙ１Ｚ１座標系に変換される。この変換の式を以下に示す。

このとき、点Ｂと原点を結ぶ線分ＡＢのＸ１Ｙ１平面への投影線分ＡＢ’と、Ｘ１軸とのなす角度をθ１とする。

次に、図６に示すように、点Ｂのｙ座標が０となるように、Ｚ１軸を中心としてθ１分回転して、新たなＸ２Ｙ２Ｚ２座標系に変換する。この変換式を以下に示す。

このとき、点Ｂと原点を結ぶ線分ＡＢとＸ２軸とのなす角度をφ１とする。

次に、図７に示すように、点Ｂがｘ軸上に配置されるように、Ｙ２軸を中心としてφ１分回転して、新たなＸ３Ｙ３Ｚ３座標系に変換する。この変換によって、点Ａ，ＢがＸ３軸上に配置されるようになる。この変換式を以下に示す。

このとき、点Ｏと原点を結ぶ線分ＯＡのＹ３Ｚ３平面への投影線分Ｏ’Ａと、Ｙ３軸とのなす角度をφ２とする。

さらに、図８に示すように、点Ｏがｘｙ平面上に配置されるように、Ｘ３軸を中心としてφ２分回転して、新たなＸ４Ｙ４Ｚ４座標系に変換する。この変換によって、点Ａ，Ｂ、Ｏが全てＸ４Ｙ４平面上に配置されるようになる。この変換式を以下に示す。

以上に、座標変換部１０６による座標変換処理を説明した。

続いて、距離算出部１０７により、架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離が算出される（距離算出ステップ：Ｓ１０５）。引き続き図８を参照して、Ｘ４Ｙ４Ｚ４座標系における点Ｏの座標を（ｘ_o、ｙ_o、０）とする。このとき、点A、Bを通るＸ４軸、すなわち図１のホーム上屋の端部１２と、点O、すなわち図１の架線１１上の点Ｏとの最短距離はｙ_oとなる。この最短距離ｙoが、図１の斜距離である。また、図９に示すように、ホーム上屋の端部１２と架線１１上の点Ｏとの水平距離は、次式のように算出することができる。
水平距離＝ｙｏ・ｃｏｓφ２
ここで、ｙoは、点Ｏにおける架線１１とホーム上屋１２との斜距離であり、φ２は斜距離の垂直方向の角度である。

以上、本実施形態による距離測定方法について説明した。

図１０は、第１の実施形態の変形例を示す図である。図１０において、距離測定装置１０は、架線１１と電柱１３との間の水平距離を測定する。この場合、架線１１上に任意の２点Ａ、Ｂを設定し、電柱１３の架線側表面に任意１点Ｏを設定する。そして、図３〜図９を参照して説明した上述の処理を行うことにより、架線１１と電柱１３上の点Ｏとの間の斜距離（最短距離）が算出され、この斜距離と、斜距離の垂直方向の角度に基づいて、架線１１と電柱１３上の点Ｏとの水平距離が算出される。

なお、第１の実施形態は、上述の適用例の他にも、レール頭面と架線との間の距離や、レール頭面と跨線橋との距離、軌道間の距離などの計測に適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定装置を用いた距離測定方法においては、レーザ送受信部１０１およびレーザ計測ステップＳ１０１が、建築限界外の地上から、架線１１上の一点Ｏと、ホーム上屋１２上の二点Ａ，Ｂとに向けてレーザを照射すると共に、照射したレーザの反射光を受光する。三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ１０３が、レーザの照射方向およびレーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、各測定点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標を算出する。距離算出部１０７および距離算出ステップＳ１０５が、算出された各点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標に基づいて架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離を算出する。このような構成により、建築限界外から精度良く架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の第１の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定方法においては、さらに、座標変換部１０６および座標変換ステップＳ１０４が、三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ１０３で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標を、ホーム上屋１２上の点Ａが三次元空間の原点に配置され、点Ｂが三次元空間の任意の座標軸上に配置されるように座標変換する。この場合、上述の距離算出部１０７および距離算出ステップＳ１０５は、座標変換された架線１１上の点Ｏの三次元座標に基づいて、架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離を算出する。この構成により、架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の斜距離が、ホーム上屋上の二点Ａ，Ｂが配置される座標軸と架線１１上の一点Ｏとの最短距離となるので、架線１１上の点Ｏとホーム上屋１２との間の斜距離および水平距離を簡易に精度良く算出することができる。

次に、図１１〜図１７を参照して、第２の実施形態について説明する。

図１１は、本実施形態に係る距離測定装置１０による電車架空線（架線）１１と線路脇の構造物１４との間の最短距離を計測する手法の概略図である。

本実施形態では、距離測定装置１０は、架線１１上の任意の一点Ｏと、構造物１４の架線側面上の任意の三点Ａ，Ｂ、Ｃについて、各点Ｏ，Ａ、Ｂ、Ｃの座標を算出し、これらの座標に基づいて、架線１１上の点Ｏから構造物１４までの最短距離を算出する。この最短距離は、点Ｏが架線１１上に設定され、架線１１および構造物１４の位置関係が変わらなければ、常に一定の値となる。

距離測定装置１０の機能的な構成は、図２に示した第１の実施形態のものと同様である。

続いて、図１２〜図１８を参照して、本実施形態による距離測定方法について説明する。図１２は、本実施形態による距離測定方法のフローチャートである。本実施形態の距離測定方法は、基本的な処理の構成は図３に示した第１の実施形態のものと同様であるが、測定点の数と、座標変換処理の後の点Ｏの配置が異なる。

まず、入出力部１０３を介してユーザから計測点O、A、B、Ｃの位置を取得する指令が与えられると、レーザ送受信部１０１により、レーザが計測点に照射され、レーザの反射光を受信するまでの時間差を計測するレーザ計測が行われる（Ｓ２０１）。

次に、極座標算出部１０４により、レーザ送受信部１０１で計測された各計測点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃについてレーザ送受信の時間差および照射方向に基づいて、各計測点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの極座標が算出される（Ｓ２０２）。

続いて、三次元座標算出部１０５により、極座標算出部１０４で算出された各計測点の極座標に基づいて、各計測点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標が算出される（Ｓ２０３）。図１３は、三次元座標算出部１０５で算出された測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標の一例を示す図である。図１３に示すように、三次元座標算出部１０５は、点ＡがＸＺ平面上に配置されるように、Ｘ０Ｙ０Ｚ０座標系を設定する。図１３の例では、点Ａの座標を（ｘ_Ａ、０、ｚ_Ａ）としている。

次に、座標変換部１０６により、三次元座標算出部１０５で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの座標を座標変換する（Ｓ２０４）。以下に図１４〜図１７を参照して、この座標変換の処理の詳細を説明する。

まず、図１４に示すように、点Ａ（ｘ_Ａ、０、ｚ_Ａ）が原点に配置されるように、Ｘ０軸およびＺ０軸を平行移動して、新たなＸ１Ｙ１Ｚ１座標系に変換する。この変換の式を以下に示す。

このとき、点Ｂと原点を結ぶ線分ＡＢのｘｙ平面への投影線分ＡＢ’と、Ｘ１軸とのなす角度をθ１とする。

次に、図１５に示すように、点Ｂのｙ座標が０となるように、Ｚ１軸を中心としてθ１分回転して、新たなＸ２Ｙ２Ｚ２座標系に変換する。この変換式を以下に示す。

このとき、点Ｂと原点を結ぶ線分ＡＢとＸ２軸とのなす角度をφ１とする。

次に、図１６に示すように、点Ｂがｘ軸上に配置されるように、Ｙ２軸を中心としてφ１分回転して、新たなＸ３Ｙ３Ｚ３座標系に変換する。この変換によって、点Ａ，ＢがＸ３軸上に配置されるようになる。この変換式を以下に示す。

このとき、点Ｃと原点を結ぶ線分ＣＡのＹ３Ｚ３平面への投影線分Ｃ’Ａと、Ｙ３軸とのなす角度をφ２とする。

さらに、図１７に示すように、点Ｃがｘｙ平面上に配置されるように、Ｘ３軸を中心としてφ２分回転して、新たなＸ４Ｙ４Ｚ４座標系に変換する。この変換によって、点Ａ，Ｂ、ＣがＸ４Ｙ４平面上に配置されるようになる。この変換式を以下に示す。

以上に、座標変換部１０６による座標変換処理を説明した。

続いて、距離算出部１０７により、架線１１上の点Ｏと構造物１４との間の最短距離が算出される（Ｓ２０５）。引き続き図１７を参照して、Ｘ４Ｙ４Ｚ４座標系における点Ｏの座標を（ｘo、ｙo、ｚo）とする。このとき、点A、B、Cが配置されるＸ４Ｙ４平面、すなわち図１１の構造物１４の架線側平面と、点O、すなわち図１１の架線１１との最短距離はｚoとなる。この最短距離ｚoは、架線１１および構造物１４の位置関係が変わらなければ、点Ｏが架線１１上のどの位置に設定されても、常に一定となる。

以上、第２の実施形態による距離測定方法について説明した。

なお、第２の実施形態は、上述の適用例のほかにも、柵やネットなどの面状の構造物と、電柱に配置されたブラケットとの距離などの測定に適用可能である。

本発明の第２の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定装置を用いた距離測定方法においては、レーザ送受信部１０１およびレーザ計測ステップＳ２０１が、建築限界外の地上から、架線１１上の一点Ｏと、構造物１４上の三点Ａ，Ｂ、Ｃとに向けてレーザを照射すると共に、照射したレーザの反射光を受光する。三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ２０３が、レーザの照射方向およびレーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標を算出する。距離算出部１０７および距離算出ステップＳ２０５が、算出された各点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標に基づいて架線１１および構造物１４間の距離を算出する。このような構成により、建築限界外から精度良く架線１１と構造物１４との間の最短距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の第２の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定方法においては、さらに、座標変換部１０６および座標変換ステップＳ２０４が、三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ２０３で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標を、構造物１４上の点Ａが三次元空間の原点に配置され、点Ｂが三次元空間の任意の第１の座標軸（たとえばｘ軸）上に配置され、点Ｃが前記第１の座標軸と第２の座標軸（例えばｙ軸）でなす平面（たとえばｘｙ平面）上に配置されるように座標変換する。この場合、上述の距離算出部１０７および距離算出ステップＳ２０５は、座標変換された架線１１上の点Ｏの三次元座標に基づいて、架線１１および構造物１４間の距離を算出する。この構成により、架線１１および構造物１４間の距離が、構造物１４上の三点Ａ，Ｂ、Ｃのなす平面と架線１１上の一点Ｏとの最短距離となるので、架線１１および構造物１４間の距離を簡易に精度良く算出することができる。

次に、図１８〜図２３を参照して、第３の実施形態について説明する。

図１８は、本実施形態に係る距離測定装置１０による軌道中心１５ｃと構造物１６との間の最短距離を計測する手法の概略図である。

本実施形態では、距離測定装置１０は、軌道１５のうち、構造物１６から遠い（外軌側）レール１５ａ上に任意の二点Ａ、Ｂを設定し、構造物１６から近い（内軌側）レール１５ｂ上に任意の一点Ｃを設定し、構造物１６の軌道１５側面に任意の一点Ｏを設定する。そして、距離測定装置１０は、これらの測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの座標を算出し、これらの座標に基づいて、軌道中心線１５ｃから構造物１６上の点Ｏまでの最短距離を算出する。この最短距離は、点Ｏの設定される位置に依存して変化するものである。特に、図１８では、点Ｏが構造物１６の上端部に設定されているので、軌道中心１５ｃと構造物１６との間の真の最短距離となる。

距離測定装置１０の機能的な構成は、図２に示す第１の実施形態のものと同様である。

続いて、図１９〜図２３を参照して、本実施形態による距離測定方法について説明する。図１９は、本実施形態による距離測定方法のフローチャートである。なお、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は、図１２を参照して説明した第２の実施形態の処理ステップと同一なので説明を省略する。

ステップＳ２０４ａにおいて、座標変換部１０６により、三次元座標算出部１０５で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの座標が座標変換される。以下に図２０〜図２２を参照して、この座標変換の処理の詳細を説明する。

まず、図１４〜図１６を参照して説明した第２の実施形態の座標変換と同様の処理を行って、点Ａが原点に配置され、点Ｂがｘ軸上に配置されるようなＸ０Ｙ０Ｚ０座標系が設定される。このとき、点ＣからＸ０軸に下ろした垂線と、Ｘ０Ｙ０平面とのなす角をφ３とする。

次に、図２１に示すように、点Ｃがｘｙ平面上に配置されるように、Ｘ１軸を中心としてφ３分回転して、新たなＸ１Ｙ１Ｚ１座標系に変換する。この変換によって、点Ａ，Ｂ、ＣがＸ１Ｙ１平面上に配置されるようになる。この変換式を以下に示す。

続いて、図２２に示すように、点Ａ、Ｂを通る直線２１と、点Ｃを通り直線２１と平行な直線２２がｘ軸から等距離に配置されるように、Ｘ１軸を平行移動して、新たなＸ２Ｙ２Ｚ２座標系に変換する。この変換の式を以下に示す。

ここで、ｌは直線２１と直線２２との間隔を表す。間隔ｌは、図１８に示すレール１５ａとレール１５ｂとの間の距離（軌間）である。

図２２の座標系を図１８の概略図と比較すると、点Ａ、Ｂを通る直線２１はレール１５ａを表し、点Ｃを通る直線２２はレール１５ｂを表し、Ｘ２Ｚ２平面は、軌道中心１５ｃを表す。

続いて、ステップＳ２０５ａにおいて、距離算出部１０７により、軌道中心１５ｃと構造物１６上の点Ｏとの間の最短距離が算出される。図２２および図２３を参照して、Ｘ２Ｙ２Ｚ２座標系における点Ｏの座標を（ｘo、ｙo、ｚo）とする。Ｘ２Ｚ２平面、すなわち図１８の軌道中心１５ｃと、点Ｏすなわち図１８の構造物１６上の点Ｏとの最短距離は、ｙoとなる。図１８に示すように、本実施形態では、点Ｏが構造物１６の上端部に設定されているので、ｙoは、起動中心１５ｃと構造物１６との真の最短距離となる。

以上、第３の実施形態による距離測定方法について説明した。

本発明の第３の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定装置を用いた距離測定方法においては、レーザ送受信部１０１およびレーザ計測ステップＳ２０１が、建築限界外の地上から、構造物１６上の一点Ｏと、軌道１５の外軌側レール１５ａ上の二点Ａ，Ｂと、内軌側レール１５ｂの一点Ｃとに向けてレーザを照射すると共に、照射したレーザの反射光を受光する。三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ２０３が、レーザの照射方向およびレーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標を算出する。距離算出部１０７および距離算出ステップＳ２０５ａが、算出された各点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標に基づいて、軌道１５の軌道中心１５ｃと構造物１６上の点Ｏとの間の最短距離を算出する。このような構成により、建築限界外から精度良く構造物間の距離を算出することが可能となり、危険を犯すことなく簡易に構造物間の距離を算出することができる。

また、本発明の第３の実施形態に係る距離測定装置１０およびこの距離測定方法においては、さらに、座標変換部１０６および座標変換ステップＳ２０４ａが、三次元座標算出部１０５および三次元座標算出ステップＳ２０３で算出された各測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標を、軌道中心１５ｃに沿って軌道１５と直交する平面が三次元空間の任意の２つの座標軸でなす平面（たとえばｘｚ平面）となるように座標変換する。この場合、上述の距離算出部１０７および距離算出ステップＳ２０５ａは、座標変換された構造物１６上の点Ｏの三次元座標に基づいて、軌道中心１５ｃと構造物１６上の点Ｏとの間の最短距離を算出する。この構成により、軌道中心１５ｃと構造物１６上の点Ｏとの間の最短距離が、軌道中心１５ｃを含むｘｚ平面と点Ｏとの距離となるので、軌道中心１５ｃと構造物１６との間の距離を簡易に精度良く算出することができる。

なお、上述の実施形態では、測定点の三次元座標を算出した後に、座標変換を行って構造物間の距離を算出したが、距離の算出手法は、座標変換を行うものに限定せずに、たとえば第１の実施形態の場合には、ホーム上屋の縁部を直線の方程式で近似し、架線上の点Oとの距離を、点と直線の距離の定理を用いて導出しても良い。

第１の実施形態に係る距離測定装置による電車架空線とホーム上屋との間の斜距離および水平距離を計測する手法の概略図である。 距離測定装置のブロック図である。 第１の実施形態による距離測定方法のフローチャートである。 三次元座標算出部で算出された測定点Ｏ、Ａ、Ｂの三次元座標の一例を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 斜距離と水平距離との関係を示す図である。 第１の実施形態の変形例を示す概略図である。 第２の実施形態に係る距離測定装置による電車架空線と線路脇の構造物との間の最短距離を計測する手法の概略図である。 第２の実施形態による距離測定方法のフローチャートである。 三次元座標算出部で算出された測定点Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃの三次元座標の一例を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 第３の実施形態に係る距離測定装置による軌道中心と構造物上の一点との間の最短距離を計測する手法の概略図である。 第３の実施形態による距離測定方法のフローチャートである。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換部による座標変換処理の過程を示す図である。 座標変換後の点Ｏの座標と、軌道中心と構造物上の一点との間の最短距離との関係を示す図である。

符号の説明

１０…距離測定装置、１１…架線、１２…ホーム上屋、１３…電柱、１４…構造物、１５…軌道、１５ａ…外軌側レール、１５ｂ…内軌側レール、１５ｃ…軌道中心、１６…構造物、１０１…レーザ送受信部、１０２…距離測定部、１０３…入出力部、１０４…極座標算出部、１０５…三次元座標算出部、１０６…座標変換部、１０７…距離算出部、Ｓ１０１、Ｓ２０１…レーザ計測ステップ、Ｓ１０２、Ｓ２０２…極座標算出ステップ、Ｓ１０３、Ｓ２０３…三次元座標算出ステップ、Ｓ１０４、Ｓ２０５、Ｓ２０５ａ…座標変換ステップ、Ｓ１０５、Ｓ２０５、Ｓ２０５ａ…距離算出ステップ。

Claims (12)

1. レーザを利用して直線状に延びる第１及び第２構造物間の距離を測定するための距離測定方法であって、
   前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、
   前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記二点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、
   前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出ステップと、
   を含む距離測定方法。
2. 前記座標算出ステップで算出された前記第２構造物上の一点および前記第１構造物上の二点の三次元座標を、前記第１構造物上の二点のうちの一方が三次元空間の原点に配置され、他方が該三次元空間の任意の座標軸上に配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、
   前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記第２構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する、
   請求項１に記載の距離測定方法。
3. 前記第１構造物がホーム上屋の線路側の端縁部であり、前記第２構造物が架空電車線であり、前記距離算出ステップでは、前記端縁部と前記架空電車線との間の斜距離及び水平距離を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定方法。
4. 前記第１構造物が架空電車線であり、前記第２構造物が線路脇の電柱であり、前記距離算出ステップでは、前記架空電車線と前記電柱との間の水平距離を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定方法。
5. レーザを利用して平面状の第１構造物と第２構造物との距離を測定するための距離測定方法であって、
   前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の三点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、
   前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記三点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、
   前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出ステップと、
   を含む距離測定方法。
6. 前記座標算出ステップで算出された前記第２構造物上の一点および前記第１構造物上の三点の三次元座標を、前記第１構造物上の三点のうちの１つが三次元空間の原点に配置され、前記第１構造物上の三点のうちの別の１つが該三次元空間の第１の座標軸上に配置され、前記第１構造物上の三点で形成される平面が前記三次元空間の前記第１の座標軸および第２の座標軸で形成される平面と一致するよう配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、
   前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記第２構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する、
   請求項５に記載の距離測定方法。
7. 前記第１構造物が線路脇の構造物の線路側面であり、前記第２構造物が架空電車線であり、前記距離算出ステップでは、前記線路側面と前記架空電車線との間の最短距離を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の距離測定方法。
8. レーザを利用して線路の軌道中心と構造物との距離を測定するための距離測定方法であって、
   前記構造物上の一点と、前記線路の構造物側のレール上の一点と、前記線路の他方のレール上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測ステップと、
   前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を算出する座標算出ステップと、
   前記三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出する距離算出ステップと、
   を含む距離測定方法。
9. 前記座標算出ステップで算出された前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を、前記軌道中心に沿って前記線路の面と直交する平面に三次元空間の第１の座標軸および第２の座標軸が配置されるように座標変換する座標変換ステップをさらに含み、
   前記距離算出ステップは、前記座標変換ステップで座標変換された前記構造物上の一点の三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出する、
   請求項８に記載の距離測定方法。
10. レーザを利用して直線状に延びる第１及び第２構造物間の距離を測定するための距離測定装置であって、
    前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、
    前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記二点の三次元座標を算出する座標算出手段と、
    前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出手段と、
    を備える距離測定装置。
11. レーザを利用して平面状の第１構造物と第２構造物との距離を測定するための距離測定装置であって、
    前記第２構造物上の一点と、前記第１構造物上の三点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、
    前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記一点および前記三点の三次元座標を算出する座標算出手段と、
    前記三次元座標に基づいて、前記第１及び第２構造物間の距離を算出する距離算出手段と、
    を備える距離測定装置。
12. レーザを利用して線路の軌道中心と構造物との距離を測定するための距離測定装置であって、
    前記構造物上の一点と、前記線路の構造物側のレール上の一点と、前記線路の他方のレール上の二点とに向けてレーザを照射すると共に、該レーザの反射光を受光するレーザ計測手段と、
    前記レーザの照射方向および該レーザを照射してからその反射光を受光するまでの往復時間に基づいて、前記構造物上の一点、前記線路の構造物側のレール上の一点、および前記線路の他方のレール上の二点の三次元座標を算出する座標算出手段と、
    前記三次元座標に基づいて、前記軌道中心と前記構造物上の一点との最短距離を算出する距離算出手段と、
    を備える距離測定装置。

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