JP2011007657A - 変位計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー測距手段を用いて路面の沈下量等の変位量を計測する場合、レーザー測距手段の位置が前回の位置とずれた場合でも正確な変位量の計測を可能とすること。
【解決手段】本発明の変位計測方法においては、レーザー光の照射角度を指定された方位角及び／または上下角に設定する機能を有するレーザー測距手段を用いて計測対象面の変位量を演算する変位計測方法において、前回もしくは前回以前の測量において得られた計測対象面上の特定の部位を変位基準点とし、変位基準点の３次元座標、もしくは測量機から変位基準点までの距離と視準方向を記憶しておき、今回の測量においては、記憶していた測量機から変位基準点の視準方向、もしくは変位基準点の３次元座標を用いて、変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準して、視準方向において検出される計測対象面上の点を検出点とし、この検出点の３次元座標、または測量機から検出点までの距離を得て、変位基準点を基準とした検出点の変位量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、路面等の計測対象面の沈下等の変位や、計測対象面の地盤沈下等を非接触で計測する技術に関するものである。

既に供用されている道路、鉄道等の公共交通構造物の真下を掘削して、立体交差等の新たな構造物を構築する工事において、工事中及び供用後の既存構造物の過度の不等沈下は、通過車両の安全確保に大きな影響を及ぼし、人命に関わる災害発生の原因にもなりかねないため、沈下管理及びその対応は最優先で行われなければならない。従来、この種の管理は、既存通過交通機関に及ぼす影響を考慮して、夜間等の交通量の少ない時間帯に、一時的に交通を遮断して人海戦術で行われたり、道路では路肩、中央分離帯等の通過交通に直接影響を及ぼさない箇所に、反射プリズム等の視準点を設置して、定期的に計測を行う等で対応してきた。

しかし、これらの方法は、計測頻度や計測箇所が限定されるという問題点を抱えており、通過交通に左右されない路面の沈下計測方法の確立が求められていた。

そこで、発明者は、車両が走行している道路面の任意の場所を、車両を走行させながら連続的に計測し、表面沈下の有無を迅速且つ正確に計測することを目的とした技術を、特許文献１（特開2001-73316）において提案した。

特許文献１で開示した技術は、レーザー光を計測対象面に所定の角度で斜めに照射して、前記計測対象面による反射光を計測することによってレーザー光が照射される部位までの距離を、レーザー測距手段を用いて測距し、前回の計測と今回の計測とにおける距離の変化に基づいて前記計測対象面の沈下量（変位量）を演算するものである。

特開2001-73316号公報

しかし、特許文献１で開示した技術においては、前回の計測と今回の計測で、レーザー測距手段の位置がずれたときに、沈下量（変位量）の計測に誤差が生じる可能性があった。

そこで、本発明では、特許文献１で提案した技術を更に改良して、レーザー測距手段の位置がずれた場合でも、正確な沈下量（変位量）の計測を可能とすることを目的としている。

本発明にかかる請求項１の変位計測方法においては、
レーザー光の照射角度を指定された方位角及び／または上下角に設定する機能を有するレーザー測距手段を用いて、レーザー光を所定の角度で計測対象面に対して斜めに照射して、前記計測対象面上の部位で直接反射した反射光を受光することによってレーザー光が照射された地点までの距離、または前記部位の３次元座標を計測し、
かつ、前記レーザー測距手段による距離、または前記部位の３次元座標の計測を時系列に繰り返し、
前記繰り返し計測した距離、または前記部位の３次元座標の変化に基づいて前記計測対象面の変位量を演算する変位計測方法において、
前記繰り返し計測した前記計測対象面の今回の測量結果と、前回もしくは前回以前の測量結果とを比較して、前記計測対象面の変位量を演算する場合に、
前回もしくは前回以前の測量において得られた前記計測対象面上の特定の部位を変位基準点とし、
前記変位基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と視準方向を記憶しておき、
今回の測量においては、
記憶していた前記測量機から前記変位基準点の視準方向、もしくは前記変位基準点の３次元座標を用いて、前記変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準して、
前記視準方向において検出される前記計測対象面上の点を検出点とし、この検出点の３次元座標、または前記測量機から前記検出点までの距離を得て、
前記基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と、
前記検出点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記検出点までの距離に基づいて、
前記変位基準点を基準とした前記検出点の変位量を算出する。

請求項２では、
今回の測量において、記憶していた前記測量機から前記変位基準点の視準方向、もしくは前記変位基準点の３次元座標を用いて、前記変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準する前に、
前回もしくは前回以前の測量時における前記測量機の位置に対する今回の測量時における前記測量機の位置のずれ情報を、所定の計測原点を基準として測量して補正情報として得ておき、
今回の測量時に前記変位基準点を視準する際には、
前記測量機の変位後の位置から、前記変位基準点の視準方向を前記補正情報に基づいて補正して視準し、
前記検出点の変位量を算出する際には、
前記変位基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と、
前記検出点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記検出点までの距離と、
に基づいて、
前記変位基準点を基準とした前記検出点の変位量を算出する。

請求項３では、
不動点と想定される点に所定の計測原点を予め設定しておき、
前回もしくは前回以前の測量時と、今回の測量時に、前記計測原点を後方交会することによって、前記補正情報を得る。

なお、本発明における３次元座標とは、３次元空間内における位置を特定するための指標であり、特定の既知の地点を原点とした３次元座標空間を設定し、その３次元座標空間内でＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標で位置を特定する。なお、極座標を用いてもよい。

なお、距離の変化を変位量に変換する演算手段は、マイコンを用いたデジタル演算装置でも、その他のアナログ的な演算方式でもよい。

また、計測対象面は、道路等の路面に限らず、地盤や建物等の沈下等の変位を計測することも可能である。さらに、計測可能な変位の方向は、水平な計測対象面の上下方向の変位だけでなく、垂直な計測対象面や斜めの計測対象面に関して計測対象面の法線方向もしくは任意の方向の変位も含むものである。

そして、レーザー測距手段と演算手段もしくは各種の処理手段との距離が離れている場合には、種々の通信手段を介してデータのやりとりを行うものとする。

本発明に係る変位計測方法によれば、
計測対象面の今回の測量結果と、前回もしくは前回以前の測量結果とを比較して、前記計測対象面の変位量を計測するので、前回もしくは前回以前の計測対象面のレベルもしくは位置を基準として、前記計測対象面の変位量を計測することができる。

また、
今回の測量において、記憶していた前記測量機から前記変位基準点の視準方向、もしくは前記変位基準点の３次元座標を用いて、前記変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準する前に、
前回もしくは前回以前の測量時における前記測量機の位置に対する今回の測量時における前記測量機の位置のずれ情報を、所定の計測原点を基準として測量して補正情報として得ておき、
今回の測量時に前記変位基準点を視準する際には、
前記測量機の変位後の位置から、前記変位基準点の視準方向を前記補正情報に基づいて補正して視準するので、
レーザー測距手段の位置がずれていても前記計測対象面の変位量の正確な計測が可能となる。

また、
今回の測量において、記憶していた前記変位基準点を視準する前に、前記測量機の位置を所定の計測原点を基準として後方交会によって測量して補正情報を得て、記憶していた前記視準方向もしくは距離を補正してから視準するか、もしくは、算出した変位量を補正すれば、レーザー測距手段の位置がずれていても前記計測対象面の変位量の正確な計測が可能となる。

本発明にかかる変位計測方法に用いる装置による計測方法を説明する図である。 本発明の実施形態の変位計測方法を説明する図である。 レーザー測距手段の位置がずれた場合の変位計測方法を説明する図である。

以下に、本発明にかかる変位計測方法に用いる装置の実施の形態を、図１に基づいて詳細に説明する。

図１において、１は本発明の変位計測装置の要部を構成するレーザー測距手段であり、レーザー光線を照射して、反射光を計測し、反射点までの距離を計測して距離信号を出力する測距機能１０を備えている。また、このレーザー測距手段１は、モータドライブ機構１１と、このモータドライブ機構１１を用いて、レーザー光の照射角度を指定された方位角及び／または上下角（俯角もしくは仰角）に設定する角度設定機能１２と、現在の照射角度を電気信号として出力する角度信号出力機能１３と、測量した距離データや角度データを、測量した日時データと対応させて記憶する記憶手段１４と、通信回線を介してパソコン３との通信を行う通信機能１５とを備えている。

この通信機能１５は有線通信でも無線通信でもよい。

なお、前記パソコン３には、レーザー測距手段で検出した距離の変化に基づいて路面の変位量を演算する演算手段と、変位量の計測値を、距離データと角度データと日時データとからなる時系列データとして蓄積するデータ蓄積手段と、蓄積された時系列データを統計処理する処理手段と、処理手段による処理結果に基づいて沈下特性を判断する判断手段とを備えている。

なお、前記パソコン３の機能に相当する機能の一部を、前記レーザー測距手段１に内蔵してもよい。

４は計測対象面としての路面であり、路面上の中央部分の部位Ｐの上下方向の変位、即ち沈下を監視する場合を示している。

図２には、前記路面の部位Ｐを複数回、（今回、前回、前々回もしくは初回の少なくとも３回）測量して、前記部位Ｐの変位量を計測する場合を図示している。

図２の（ａ）には、初回もしくは前々回の測量状況の概略を図示し、図２の（ｂ）には、前回の測量状況の概略を図示し、図２の（ｃ）には、今回の測量状況の概略を図示している。
図２の（ｂ）には、前回の測量時のレーザー測距手段１の位置からずれた場合のレーザー測距手段1' の位置を破線で示している。

以下においては、まず、路面上の部位Ｐの位置を、レーザー測距手段１からの距離と視準方向とで特定して記憶する場合を説明する。

図２の（ａ）の初回もしくは前々回の測量において、路面のレベルがＬ１の状態における前記部位Ｐを変位基準点として、上下角としての俯角θで視準して、その俯角θを視準方向を示す角度データとし、レーザー測距手段１から前記部位Ｐまでの距離ｄ１を距離データとして、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

なお、このときのレーザー測距手段１の位置を確認しておくために、後方交会等の測量手法を用いて、不動点と想定される点に所定の計測原点を設定しておき、この計測原点を基準としてレーザー測距手段１の位置を、例えば３次元座標で特定しておく。

このレーザー測距手段１の位置は、前記計測原点を基準とした３次元座標で特定してもよく、前記計測原点を基準とした距離と角度で特定してもよい。

さらに、別の原点を基準とした３次元座標で前記計測原点を特定し、その計測原点を基準とした３次元座標で前記レーザー測距手段１の位置を特定してもよい。

次回（これは「前回」に対応している。）に前記部位Ｐを測量するとき、図２の（ｂ）に示したように、路面のレベルがＬ１からＬ２に沈下している場合について説明する。

なお、このときのレーザー測距手段１の位置を確認しておくために、後方交会等の測量手法を用いて、不動点と想定される点に所定の計測原点を設定しておき、この計測原点を基準としてレーザー測距手段１の位置を特定して、その位置がずれていないことを確認しておく。

もし、前記計測原点を基準としたレーザー測距手段１の位置がずれて、レーザー測距手段1' の位置になった場合、後述するように、そのずれの程度に対応した補正情報（例えば３次元座標やベクトルで表わされる位置情報もしくは角度情報）に基づいて前記俯角θを補正して、補正した俯角を視準方向として前記部位Ｐを視準するとよい。

次回において前記部位Ｐを視準する場合には、まず、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶していた前記角度データを読み出して、前記レーザー測距手段１の角度設定機能１２を用いて視準方向を、前回の俯角θおよび前回の水平角と同じに設定して路面を視準する。

このとき、路面は沈下（上下方向に変位）しているので、前記視準方向の延長線上の路面上の点Ｑを視準することになる。そこで、視準された点Ｑを検出点として、レーザー測距手段１からの距離ｄ２を測量する。

そして、変位基準点Ｐを基準とした変位量ｈ１を、次式で算出する。

ｈ１＝（ｄ２−ｄ１）×ｓｉｎθ
このようにして、次回の測量における変位量ｈ１を算出した後、距離データとしての前記距離ｄ２と、前記変位量ｈ１とを、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

次々回（これは「今回」に対応している。）に前記部位Ｐを測量するとき、図２の（ｃ）に示したように、路面のレベルがさらにＬ３に沈下している場合について説明する。

次々回において前記部位Ｐを視準する場合には、まず、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶していた前記角度データを読み出して、前記レーザー測距手段１の角度設定機能１２を用いて視準方向を、前回の俯角と同じ俯角θに設定して路面を視準する。

このとき、路面はさらに沈下しているので、前記視準方向の延長線上の路面上の点Ｒを視準することになる。そこで、視準された点Ｒを検出点として、レーザー測距手段１からの距離ｄ３を測量する。

そして、変位基準点Ｐを基準とした変位量ｈ２を、次式で算出する。

ｈ２＝（ｄ３−ｄ１）×ｓｉｎθ
このようにして、変位基準点Ｐを基準とした変位量ｈ２を算出した後、距離データとしての前記距離ｄ３と、前記変位量ｈ２とを、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

なお、変位基準点Ｐを基準とした変位量ｈ２に代えて、前記検出点Ｑを基準とした変位量ｈ３を、次式で算出してもよい。

ｈ３＝（ｄ３−ｄ２）×ｓｉｎθ
このようにして、前記検出点Ｑを基準とした変位量ｈ３を距離データとして、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶してもよい。

次に、路面上の部位Ｐの位置を、レーザー測距手段１を介して測量して得られた３次元座標で特定して記憶する場合を説明する。

図３の（ａ）の初回もしくは前回以前（前回を含む。）の測量において、路面のレベルがＬ１の状態における前記部位Ｐを変位基準点として、俯角θで視準して、その俯角θを視準方向を示す角度データとし、レーザー測距手段１から前記部位Ｐまでの距離ｄ１を距離データとして、これらの角度データと距離データ、および視準方向の水平角データに基づいて、前記部位Ｐの３次元座標を算出して、その３次元座標のデータを、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

なお、このときのレーザー測距手段１の位置を確認しておくために、後方交会等の測量手法を用いて、不動点と想定される点に所定の計測原点を設定しておき、この計測原点を基準としてレーザー測距手段１の位置を、３次元座標で特定して、記憶しておくことにより、前記部位Ｐの３次元座標は、所定の計測原点を基準とした３次元座標として得ることができる。測量機のローカル座標に限らない。

今回（これは「今回」に対応している。）に前記部位Ｐを測量するとき、図３の（ｂ）に示したように、路面のレベルがＬ１からＬ２に沈下している場合について説明する。

まず、レーザー測距手段１の位置を確認しておくために、後方交会等の測量手法を用いて、不動点と想定される点に所定の計測原点を設定しておき、この計測原点を基準としてレーザー測距手段１の位置のずれを確認しておく。このとき、レーザー測距手段の位置が１から１' の位置にずれていた場合、そのレーザー測距手段１'の位置を３次元座標で測量して、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

また、図３の（ｂ）には、今回の測量時のレーザー測距手段の位置を１' で示し、今回の視準方向を破線で示している。

このように、レーザー測距手段の位置が１' の位置にずれていた場合、
レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶していた前記部位Ｐの３次元座標もしくはＺ座標（または視準方向と視準距離）、および前記レーザー測距手段１' の位置の３次元座標（補正情報）に基づいて前記部位Ｐを視準できる視準方向θ' を算出して、視準方向をθからθ'に補正する。なお、前記記憶していた部位（変位基準点）Ｐの３次元座標のＺ座標をＺｐとする。

次に、前記視準方向θ' を視準したとき、レーザー測距手段で計測された距離に基づいて算出した検出点ＳのＺ座標Ｚｓが、前記変位基準点ＰのＺ座標Ｚｐと同じ、または前記Ｚ座標Ｚｐとの差が所定の範囲内である場合は、路面の沈下が無かったと判断できる。

しかし、前記視準方向θ' を視準したときに、レーザー測距手段で計測された距離に基づいて算出した検出点ＳのＺ座標Ｚｓが、前記変位基準点ＰのＺ座標Ｚｐと違う場合、または前記Ｚ座標Ｚｓとの差が所定の範囲以上である場合は、路面の沈下があったと判断できる。

上述したように、路面の沈下があったと判断できる場合には、検出点ＳのＺ座標をＺｓとすると、検出点Ｓの変位量ｈ１は、
ｈ１＝Ｚｐ―Ｚｓ
として算出できる。

このようにして、変位量ｈ１を算出した後、前記検出点Ｓの３次元座標もしくはＺ座標（または視準方向と視準距離）と、前記変位量ｈ１とを、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶する。

もし、前記計測原点を基準としたレーザー測距手段１の位置が、初回もしくは前回の測量の位置からずれていた場合、その補正情報としては、レーザー測距手段の３次元座標に限らず、前回の位置からの相対的なずれを示す方向（角度）や距離でもよい。

さらに、次回において前記部位Ｐを視準する場合には、まず、レーザー測距手段１の記憶手段１４もしくは前記パソコン３のデータ蓄積手段に記憶していた、前回以前の部位Ｐもしくは今回の検出点Ｓの３次元座標のデータを変位基準点の３次元座標として読み出して、前記変位基準点を基準とした変位量を計測することができる。

以上において説明したように、レーザー測距手段１の位置が、以前に測量した場合の位置からずれていた場合でも、そのずれを測量原点を基準として後方交会等によって予め得ておくことによって、正確な変位量の計測が可能となる。

なお、変位量の算出は、初回の測量時の路面を基準としてもよいが、前回もしくは数回前の測量時の路面を基準としてもよいことは当然である。

初回の測量時の路面を基準とすると、初回からどれだけ沈下したかを把握することができ、前回の測量時の路面を基準とする、沈下が進行しているか止まっているかなどの相対的な沈下の状況を把握することができる。

このようにして、本発明の変位計測方法によれば、車両の通行量の多い道路であっても、通行を禁止したり制限したりすることなく、無人で連続的に計測できるので、時系列に繰り返し計測する時間間隔を適宜設定することで、路面の急激な沈下や徐々に進行する沈下などを継続して観測することができ、事故の予防や、補修時期の予測が可能となり、計画的で且つ安全な道路管理が可能となるのである。

また、計測対象面は、道路等の路面に限らず、地盤や建物等の沈下等の変位を計測することも可能である。

さらに、計測可能な変位の方向は、路面のように水平な計測対象面の上下方向の変位だけでなく、ビルの壁面などのように垂直な計測対象面や、斜めの計測対象面に関して水平方向の変位を含んだ斜め方向の変位も含むものである。いずれの場合も、レーザー光の照射角度を指定された方位角及び／または上下角に設定する機能を有するレーザー測距手段を用いて、レーザー光を所定の角度で計測対象面に対して斜めに照射して、前記計測対象面上の部位で直接反射した反射光を受光することによってレーザー光が照射された地点までの距離、または前記部位の３次元座標を計測し、かつ、前記レーザー測距手段による距離、または前記部位の３次元座標の計測を時系列に繰り返し、前記繰り返し計測した距離、または前記部位の３次元座標の変化に基づいて前記計測対象面の変位量を演算することを特徴とするものである。

１ レーザー測距手段
1' レーザー測距手段
４ 計測対象面、路面
Ｐ 変位基準点
Ｑ 検出点
Ｒ 検出点
Ｓ 検出点

Claims (3)

1. レーザー光の照射角度を指定された方位角及び／または上下角に設定する機能を有するレーザー測距手段を用いて、レーザー光を所定の角度で計測対象面に対して斜めに照射して、前記計測対象面上の部位で直接反射した反射光を受光することによってレーザー光が照射された地点までの距離、または前記部位の３次元座標を計測し、
   かつ、前記レーザー測距手段による距離、または前記部位の３次元座標の計測を時系列に繰り返し、
   前記繰り返し計測した距離、または前記部位の３次元座標の変化に基づいて前記計測対象面の変位量を演算する変位計測方法において、
   前記繰り返し計測した前記計測対象面の今回の測量結果と、前回もしくは前回以前の測量結果とを比較して、前記計測対象面の変位量を演算する場合に、
   前回もしくは前回以前の測量において得られた前記計測対象面上の特定の部位を変位基準点とし、
   前記変位基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と視準方向を記憶しておき、
   今回の測量においては、
   記憶していた前記測量機から前記変位基準点の視準方向、もしくは前記変位基準点の３次元座標を用いて、前記変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準して、
   前記視準方向において検出される前記計測対象面上の点を検出点とし、この検出点の３次元座標、または前記測量機から前記検出点までの距離を得て、
   前記基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と、
   前記検出点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記検出点までの距離に基づいて、
   前記変位基準点を基準とした前記検出点の変位量を算出することを特徴とする変位計測方法。
2. 今回の測量において、記憶していた前記測量機から前記変位基準点の視準方向、もしくは前記変位基準点の３次元座標を用いて、前記変位基準点に相当する位置の点を視準点として視準する前に、
   前回もしくは前回以前の測量時における前記測量機の位置に対する今回の測量時における前記測量機の位置のずれ情報を、所定の計測原点を基準として測量して補正情報として得ておき、
   今回の測量時に前記変位基準点を視準する際には、
   前記測量機の変位後の位置から、前記変位基準点の視準方向を前記補正情報に基づいて補正して視準し、
   前記検出点の変位量を算出する際には、
   前記変位基準点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記変位基準点までの距離と、
   前記検出点の３次元座標、もしくは前記測量機から前記検出点までの距離と、
   に基づいて、
   前記変位基準点を基準とした前記検出点の変位量を算出することを特徴とする請求項１に記載の変位計測方法。
3. 不動点と想定される点に所定の計測原点を予め設定しておき、
   前回もしくは前回以前の測量時と、今回の測量時に、前記計測原点を後方交会することによって、前記補正情報を得ることを特徴とする請求項２に記載の変位計測方法。

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