JP2010249709A - 断面計測装置、断面計測方法および断面計測プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】三次元点群算出部110は距離方位点群191aと位置情報191bとに基づいて三次元点群192を算出する。三次元点群表示部120は三次元点群192を表示して計測断面の指定を利用者に促す。計測断面情報入力部130は指定された計測断面の情報を入力する。計測断面算出部141は計測断面情報193に基づいて計測断面式101を算出する。三次元点群抽出部142は計測断面式101に基づいて計測断面近くの点群を三次元点群192から抽出する。近傍点群抽出部143は、計測断面が間に位置する2つの近傍点を抽出点群102から複数組抽出する。計測断面点群算出部144は2つの近傍点を結んだ線と計測断面との交点を計測断面点として複数算出する。計測断面表示部150は指定された断面の計測結果として計測断面点群194を表示する。
【選択図】図1
Description
この手法では、トータルステーションや三次元レーザの設置場所を何度も変えなければ、広範囲を高密度に計測することができない。
特定物の三次元形状を表すデータであって三次元座標値で示される三次元点を複数含むデータを三次元点群として記憶する三次元点群記憶部と、
前記特定物の特定の断面を表す情報を断面情報として入力装置から入力する断面情報入力部と、
前記断面情報入力部に入力された断面情報に基づいて、前記三次元点群記憶部に記憶される三次元点群から前記特定の断面に近い2つの三次元点であって前記特定の断面が間に位置する2つの三次元点を2つの近傍点としてCPU(Central Processing Unit)を用いて複数組抽出する近傍点抽出部と、
前記近傍点抽出部により複数組抽出された2つの近傍点に基づいて、2つの近傍点を結んだ線と前記特定の断面との交点の三次元座標値を断面点としてCPUを用いて複数算出する断面点算出部と、
前記断面点算出部により算出された複数の断面点を前記特定の断面の形状を表す断面点群として記憶する断面点群記憶部と
を備える。
特定物(例えば、トンネル)の断面を三次元点群を用いて計測する断面計測装置について説明する。
実施の形態1における断面計測装置100の機能構成について、図1に基づいて以下に説明する。
後述する距離方位点群191a、位置情報191b、三次元点群192、計測断面情報193および計測断面点群194(断面点群の一例)は、断面計測記憶部190に記憶されるデータの一例である。
実施の形態1では「トンネル」を対象として説明する。
以下、三次元点群抽出部142により抽出される複数の三次元点を「抽出点群102」という。
以下、近傍点群抽出部143により抽出される複数組の三次元点を「近傍点群103」という。
例えば、近傍点群抽出部143は、第1の三次元点を含まないスキャンラインから第2の三次元点を抽出する。
以下、計測断面点群算出部144により算出される複数の三次元座標値を「計測断面点群194」という。計測断面点群194は計測断面の形状を表す。
距離方位点群191aと位置情報191bとは、図2に示すような計測車両200により取得される。
レーザスキャナ210は、レーザレーダ、LRF(レーザレンジファインダ)ともいう。
ジャイロ230は、FOG(Fiber Optic Gyro)ともいう。
レーザスキャナ210により計測された複数の距離方位点が距離方位点群191aである。
計測車両200でトンネル内を走行することにより、トンネルの形状を表す距離方位点群(図3、図4におけるレーザ計測点)を得ることができる。トンネルの距離方位点群はトンネルを斜めに輪切りした複数の円弧を平行に並べた形状(かまぼこ状)を表す。一つのスキャンラインは、一つの円弧を表す。
三次元点群192を三次元座標値に基づいて表示すると、図5のようにトンネルが表される。
三次元点群192は比較的高い密度で取得されるため、トンネルに設置された照明やケーブルや消化器などの存在を三次元点群192から把握することが可能である。
しかし、これらの方法は、トータルステーションや三次元レーザを定点に設置して測量する方法であるため、広範囲のデータを取得することが困難である。
また、計測車両200による計測に比べて時間や費用もかかる。
トンネル内の計測を行う場合、交通の妨げにもなる。また、トンネル内での長時間の計測作業により、計測者の健康にも好ましくない。
計測者は、トータルステーションを定点に設置し、トータルステーションを用いて1点ずつ測量を行う。このため、トータルステーションを用いてトンネル全体を計測することは困難であり、図6のようにトンネルの一部の計測点群しか得ることができない。
三次元レーザは、設置された定点から周囲に向けてレーザを照射し、距離方位点群を得る。このため、定点付近の計測点群の密度は高いが、定点から離れた場所の計測点群の密度は低い。
三次元レーザを用いて複数地点で計測する場合、各地点の計測で得られた計測点群を重ね合わせる処理が必要になる。
三次元点群192は、トンネルを走行する計測車両200からの計測により得られるため、図8に示すようにトンネル全体を比較的高い密度で表す。
密度の低い一部の部分は、工事用のシートなどの障害物によって計測を妨げられた部分である。
三次元レーザには、図9に示すように設置地点を計測できないという欠点もある。
実施の形態1における断面計測方法について、図10に基づいて以下に説明する。
三次元点群表示部120は三次元点群192を表示して計測断面の指定を利用者に促し(S120)、計測断面情報入力部130は指定された計測断面の情報(計測断面情報193)を入力する(S130)。
計測断面算出部140は、三次元点群192および計測断面情報193に基づいて計測断面点群194を算出する(S140)。
計測断面表示部150は、指定された断面の計測結果として計測断面点群194を表示する(S150)。
三次元点群算出部110は、位置情報191bに基づいて、距離方位点群191aを計測時の位置姿勢値を標定する。位置姿勢値は、計測車両200の三次元座標値(x、y、z)と三次元姿勢角(ロール角、ピッチ角、ヨー角)とを示す。
三次元点群算出部110は、トンネル出入り口での位置姿勢値に基づいて、トンネル内での位置姿勢値を補正する。三次元点群算出部110は、トンネル中心の誤差を最大にしてトンネル出入り口に近づくにつれ誤差を小さくするように、トンネル内での位置姿勢値をスムージング(補正)する。
三次元点群算出部110は、トンネル出入り口での位置姿勢値を図11に示すようにして標定する。
そして、三次元点群算出部110は、ストラップダウン方式の算出値に含まれる誤差をEKF(拡張カルマンフィルタ)を用いて補正値として算出し(S113)、ストラップダウン方式の算出値を補正する(S114)。
三次元点群192の算出には同時刻の位置姿勢値および距離方位点が用いられる。
位置姿勢値を基点として距離方位点で示される方位に距離方位点で示される距離だけ離れた地点が三次元点である。
三次元点群表示部120は、三次元点群192を表示装置901に表示して計測断面の指定を利用者に促す。
三次元点群表示部120は、例えば図12に示すように、三次元点群192を表示装置901に表示する。
図12において、三次元点群192は上から見たトンネルを表している。
利用者は表示された三次元点群192に対して計測したい断面を入力装置を用いて指定し、計測断面情報入力部130は指定された断面の情報を計測断面情報193として入力する。
計測断面情報入力部130は、指定された2点の画面内での位置(画素)を特定し、特定した位置に対応する三次元座標値を算出し、算出した三次元座標値を計測断面情報193とする。計測断面情報入力部130により算出される三次元座標値は三次元点群192と同じ座標系の値であり、高さの値が所定値(例えば、トンネル内の地面高の値)である。
計測断面算出部140は、三次元点群192および計測断面情報193に基づいて、計測断面点群194を算出する。
実施の形態1における断面計測処理(S140)について、図13に基づいて以下に説明する。
三次元点群抽出部142は、計測断面式101に基づいて、計測断面近くの点群を三次元点群192から抽出する(S142)。
近傍点群抽出部143は、計測断面が間に位置する2つの近傍点を抽出点群102から複数組抽出する(S143)。
計測断面点群算出部144は、2つの近傍点を結んだ線と計測断面との交点を計測断面点として複数算出する(S144)。
計測断面算出部141は、計測断面情報193に基づいて、計測断面を表す方程式を計測断面式101として算出する。
三次元点群抽出部142は、計測断面式101に基づいて、計測断面近くの点群を三次元点群192から抽出点群102として抽出する。
以下、計測断面Aを上記の式(2)で表される垂直面とする。
レーザ計測点が三次元点に相当する。平面Bと平面Cとの間に位置する複数のレーザ計測点が抽出点群102である。
近傍点群抽出部143は、図4において、計測断面Aと平面Cとの間に位置する近傍点Spnmと計測断面Aと平面Bとの間に位置する近傍点Sp(n+1)mとを一組として、抽出点群102から複数組の近傍点を抽出する。抽出される複数組の近傍点が近傍点群103である。
近傍点Spの添え字「m」は、レーザのスキャン角度(照射角度)を示す。
計測断面点群算出部144は、各組み合わせの2つの近傍点「Spnm」「Sp(n+1)m」を結んだ線と計測断面Aとの交点を近傍点群103に含まれる近傍点の組み合わせ毎に算出する。算出される交点(図4の「Pcm」)が計測断面点であり、算出される複数の計測断面点が計測断面点群194である。
計測断面表示部150は、計測断面点群194を計測断面の計測結果として表示装置901に表示する。
計測断面表示部150は、例えば図14に示すように、計測断面点群194を表示装置に表示する。
図15において、断面計測装置100を用いて得られた計測断面点群194を「丸」、トータルステーションを用いて得られた計測点群を「四角」、三次元レーザを用いて得られた計測点群を「三角」で示している。
断面計測装置100を用いて得られる計測断面点群194は、図15に示すように、トータルステーションや三次元レーザを用いる定点測量と同じくらい精度が高い。
図16において、断面計測装置100は、CPU911(マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータともいう)を備えている。CPU911は、バス912を介してROM913、RAM914、通信ボード915、表示装置901、キーボード902、マウス903、ドライブ装置904、プリンタ装置906、磁気ディスク装置920と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。ドライブ装置904は、FD(Flexible・Disk・Drive)、CD(Compact Disc)、DVD(Digital・Versatile・Disc)などの記憶媒体を読み書きする装置である。
MMS(モービルマッピングシステム)(計測車両200および断面計測装置100)は、GPS/INS自己位置標定器(INS:Inertial Navigation
System)とレーザレーダを搭載し、車体周辺の三次元点群を取得する。このMMSをトンネルに適用し、三次元点群からトンネルの断面形状を取得する。
これによって、より短時間に、高精度なトンネル断面形状を得ることができる。
このMMSで取得したトンネル三次元点群データを使用し、任意に指定された断面とレーザレーダの同一角度で得られた点列(点群列)との三次元的な交点を求める。具体例としては、点群列のうち断面に一番近い点と二番目に近い点とで直線式を求め、断面の平面式との交点を幾何学的に求める。これによって、トンネル任意断面の取得が可能となる。
トンネルの性質や状態を評価する性状計測装置について説明する。
実施の形態2における性状計測装置300の機能構成について、図17に基づいて以下に説明する。
三次元点群391、設計情報392および性状情報393は、性状計測記憶部390に記憶されるデータの一例である。
設計情報392は、トンネルの設計値(例えば、トンネルの断面の形状を表す設計値)を示す情報である。
性状情報393は、現在のトンネルが設計値通りであるか否かを示す情報である。
例えば、性状計測部310は、三次元点毎に、三次元点に対応するレーザの照射方位および計測車両200の位置姿勢値とに基づいて、三次元点に対応する設計値を設計情報392から取得する。取得される設計値は、断面計測装置100の位置姿勢値を基点としてレーザの照射方位にあるトンネル部分の三次元座標値である。
性状計測部310は、設計値から三次元点を引いた差を三次元点の誤差として算出する。各三次元点の誤差が性状情報393である。
性状表示部320は、例えば、図18に示すように性状情報393を表示する。
色分布図は、トンネル入口から長手方向の距離を横軸に示している。例えば、目視で点検したトンネルの性状を製図した目視点検図などを同時に確認したいときは、トンネル性状画面を上下2段に分け、上段に色分布図、下段に目視点検図を配置し、上下で同時にトンネルの同じ位置を表すことも可能である。
例えば、誤差が無い部分を「黒」にし、誤差が大きいほど「白」に近づける。
また例えば、誤差が無い部分を「赤(R)」にし、プラスの誤差が大きいほど「緑(G)」に近づけ、マイナスの誤差が大きいほど「青(B)」に近づける。
但し、性状計測する対象はトンネル以外であっても構わない。
Claims (7)
- 特定物の三次元形状を表すデータであって三次元座標値で示される三次元点を複数含むデータを三次元点群として記憶する三次元点群記憶部と、
前記特定物の特定の断面を表す情報を断面情報として入力装置から入力する断面情報入力部と、
前記断面情報入力部に入力された断面情報に基づいて、前記三次元点群記憶部に記憶される三次元点群から前記特定の断面に近い2つの三次元点であって前記特定の断面が間に位置する2つの三次元点を2つの近傍点としてCPU(Central Processing Unit)を用いて複数組抽出する近傍点抽出部と、
前記近傍点抽出部により複数組抽出された2つの近傍点に基づいて、2つの近傍点を結んだ線と前記特定の断面との交点の三次元座標値を断面点としてCPUを用いて複数算出する断面点算出部と、
前記断面点算出部により算出された複数の断面点を前記特定の断面の形状を表す断面点群として記憶する断面点群記憶部と
を備えたことを特徴とする断面計測装置。 - 前記断面計測装置は、さらに、
前記断面情報に基づいて、前記三次元点群記憶部に記憶される三次元点群から前記特定の断面から所定の距離内に位置する複数の三次元点を抽出点群としてCPUを用いて抽出する三次元点群抽出部を備え、
前記近傍点抽出部は、前記三次元点群抽出部により抽出された抽出点群から複数組の近傍点を抽出する
ことを特徴とする請求項1記載の断面計測装置。 - 前記近傍点抽出部は、前記特定の断面を境として一方に位置する第1の三次元点と、前記抽出点群に含まれる複数の三次元点のうち前記第1の三次元点が位置しない方に位置すると共に前記第1の三次元点から近い三次元点である第2の三次元点とを一組の近傍点として抽出する
ことを特徴とする請求項2記載の断面計測装置。 - 前記三次元点群は、ライン状に並ぶ三次元点で示されるライン点群を複数含み、
前記近傍点抽出部は、前記第1の三次元点を含まないライン点群から前記第2の三次元点を抽出する
ことを特徴とする請求項3記載の断面計測装置。 - 断面情報入力部は、特定物の特定の断面を表す情報を断面情報として入力装置から入力し、
近傍点抽出部は、前記断面情報入力部に入力された断面情報に基づいて、前記特定物の三次元形状を表すデータであり三次元座標値で示される三次元点を複数含むデータである三次元点群から前記特定の断面に近い2つの三次元点であって前記特定の断面が間に位置する2つの三次元点を2つの近傍点としてCPU(Central Processing Unit)を用いて複数組抽出し、
断面点算出部は、前記近傍点抽出部により複数組抽出された2つの近傍点に基づいて、2つの近傍点を結んだ線と前記特定の断面との交点の三次元座標値を断面点としてCPUを用いて複数算出し、
断面点群記憶部は、前記断面点算出部により算出された複数の断面点を前記特定の断面の形状を表す断面点群として記憶する
ことを特徴とする断面計測方法。 - 請求項5記載の断面計測方法をコンピュータに実行させる断面計測プログラム。
- 前記断面計測装置は、さらに、
前記特定の断面の設計値を記憶する性状計測記憶部と、
前記性状計測記憶部に記憶された設計値と前記断面点群との差を性状情報としてCPUを用いて算出する性状計測部と、
前記性状計測部により算出された性状情報を表示装置に表示する性状表示部と
を備えたことを特徴とする請求項1〜4記載の断面計測装置。
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