JP2011203090A - トンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸設定部3は、記憶装置1に格納されている点群データ6からトンネルの軸10を抽出する。断面設定部4は、軸10に直交する面に対して軸10に平行に射影した点群の射影パターンによりトンネルの断面を求める。基準面設定装置2は、断面を軸10の方向に掃引した面を基準面14として設定する。変状算出装置5は、点群データ6における任意の点と基準面14との差をその点の変状として算出する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施の形態1によるトンネル変状計測装置を示すブロック図である。
図示のトンネル変状計測装置は、記憶装置1、基準面設定装置2、変状算出装置5からなり、基準面設定装置2は、軸設定部3と断面設定部4とを有している。本実施の形態では、記憶手段である記憶装置1に記憶されたトンネルを計測した3次元の座標値からなる点群データに対して、基準面設定手段である基準面設定装置2はその軸設定部3にてトンネルの軸を求めて設定し、断面設定部4にてトンネルの平均的な断面形状である平均断面を求め、その平均断面を軸の方向に掃引した面をトンネルの基準面とする。そして、変状算出手段である変状算出装置5は、点群データの各点について基準面との距離を計算し、その値を変状の値として記憶装置1に格納する。
図4から図11は、基準面の設定と変状の計測について説明する説明図である。
ステップST1では、基準面設定装置2が記憶装置1から点群データ6を読み出す。これは、点群データ6を構成する点群すべてでもよいし、範囲を区切って処理を行う場合には、一部分のみでもよい。
であるので、
であり、これが射影点12(Qk)である。
軸10は、平均断面13を近似する円の中心に設定されれば、以下の処理で都合がよい。そこで、極座標で表す前に、再度、射影点12を最小二乗近似する円の中心にuv座標系の原点を設定し直し、射影点12の座標値を変換し、また、軸10の両端の座標値も、それが同様の射影変換の際に原点に射影されるように座標値を変更してもよい。
である。ここで、αとβは、トンネルの覆工面9をカバーするような値に設定する。また、路面を含めて全周をカバーするようにα=−π/2、β=3π/2としてもよい。dは例えば1度とする。また、覆工面9上で例えば10cmになる値を設定してもよい。δは例えばd/2とする。dはまた、覆工面9上で例えば10cm間隔になるように、θによって変化させるようにしてもよい。この(Θi,Ri),i=1,・・・,Nで表される平均断面点18をSiとし、点列Si,i=1,・・・,Nで平均断面13を表す。この平均断面13のデータ13aを図10のような形式で記憶装置1に格納する。この平均断面13と軸10とにより基準面14が構成される。
以下では、各点7の変状を計算する。これは点7と基準面14との差であり、これは点7の射影点12と平均断面13との差で得られる。
として平均断面13上、θ=θkの点19(θk,R(θk))を得る。ここでは、一次補間にて説明したが、より高次の多項式補間など他の補間方式を用いてRを計算するようにしてもよい。
また、平均断面13を定義する点列Siを極座標(Θi,Ri)によって表したが、射影面上のuv座標によって表してもよい。さらに、点Pkにおける変状Dkを、Qkと点列Siを順次結んでできる連続線分との距離によって算出するようにしてもよい。
また、軸10の方向ベクトルw、またはその単位ベクトルewを軸のデータ10aとして格納するように構成してもよい。
また、スライドセントル100を用いて覆工されたトンネルを想定して説明したが、これに限るものではなく、他の工法によって施工されたトンネルに対しても同様に実行できる。
このようにトンネル8の軸10と平均断面13とにより基準面14を設定することにより、断面の形状にかかわらず基準面14が構成できて変状を計測することが可能になる。また、大域的に平行移動する変状においても、移動した部分の点群は基準面14との差が出るので、変状を算出することが可能になる。さらに、点ごとに基準面14との差によって変状が計測できるため、各計測点各々の変状値を計測することが可能になる。
図13は本発明の実施の形態2によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。点群区分手段である点群区分装置20は、トンネル8がカーブしている場合や勾配が変化する場合に適切な平均断面13を設定するため、特にセントル100を用いて一度に覆工した範囲を示すスパンに点群を分割する。すなわち、点群区分装置20は、点群データ6におけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する。そして、本実施の形態では、スパンごとに軸10を設定することで、カーブや勾配が変化しているトンネル8においても、適切な平均断面13と基準面14が得られるようになる。基準面設定装置2および変状算出装置5の基本的な構成は実施の形態1と同様であるため、該当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
トンネル8の中にはカーブしているものもあり、勾配も一様とは限らない。このような場合、トンネル8の軸10を直線としたのでは射影面11で断面が重ならず正しい平均断面13を得ることはできなくなる。従って、基準面14との差で得られる変状も適切なものにはならない。
一方、カーブ箇所や勾配の変化箇所でも、セントル100を用いてコンクリートが覆工されることに変わりはない。このため、一度に覆工された範囲はセントル100で決まる断面をもっている。そこで、図14に示すように、トンネル8を覆工時の範囲であるスパン21に区分し、それぞれにて個別に基準面14を求める。
の場合に、その点7はj番目のスパン21に属すとする。これは、点7からの線分24がのる直線へ下ろした垂線の足がこの線分24内に入る場合である。尚、j番目の区分点(txj,tyj,tzj)近傍の点7は、j−1番目のスパンとj番目のスパンのどちらにも属すか、あるいはどちらにも属さないといった状況になる。そこで、さらに、cjとcj−1を用い、
の場合にj番目のスパンに属し、そうでないときにj−1番目のスパンに属すとする。これは、TjからPkに向かうベクトルとcj、−cj−1とのなす角を比較し、小さくなる方のスパンに属すとするものである。Tjを起点にするため、cj−1は符号を負にしている。k番目の点Pkがj番目のスパンに属す場合、Pkのデータにj番目のスパンを示すデータを付加して記憶装置1に記憶する。
であり、この値の一方が10cm以下となる場合は軸10の設定には用いないようにする。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点23の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
このようにトンネル8のスパン21ごとに基準面14を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分でも変状を計測することが可能になる。
図18は本発明の実施の形態3によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。基準面設定装置2aの軸補正部25は、スパン21ごとに得られている軸10を連続に接続するように補正する。これ以外は、実施の形態2と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
図19と図20は、スパン21ごとの軸10による基準面14の設定を説明する説明図である。
さらに、j番目の節点26について、例えば前後の一定個数の節点26を用いて多項式近似しその近似式上に乗るようにj番目の節点26を移動させてもよい。これは変状により軸10が理想的な位置からずれている場合に、その影響を軽減する効果がある。
節点26からなる軸10のデータ26aを図19に示すような形式にて記憶装置1に格納する。
これはつまり、図14に示すようなカーブのあるトンネルを、図20に示すように、各スパン21の軸10が一つの直線上にのるように、スパンごとに属する点7を変換し、一つの射影面11へ射影することに相当する。
ステップST36では、変状算出装置5が記憶装置1から点群データ6を読み出す。このとき、各点が属するスパン情報も併せて読み出す。
ステップST37での(θk,rk)への変換では、上記ステップST35での変換のように、点Pkが属するスパンをjとすれば、j番目のスパンの軸10を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップST7にて各点の変状Dkを算出する。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点23の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
このようにトンネル8のスパン21ごとに軸10、トンネル8全体で平均断面13を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
図22は本発明の実施の形態4によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。設置物判定手段である設置物判定装置27は、変状計測値によってその点がトンネル覆工面上の計測点か、あるいはトンネル内壁に設置された設置物上の点かを判定する。また、基準面設定装置2bは、設置物判定装置27によって設置物上の点と判定された点では無い点群を用いて基準面14を設定するよう構成されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。
トンネルの内壁には照明灯や換気装置など多くの設置物が存在している。これらの多くは覆工面9の面上から内側に出ており、これらを計測した点28も含めて平均断面13と基準面14を求めたのでは、基準面14が本来の覆工面9から外れてしまい、正しい変状が計測できないことになる。そこで、本実施の形態では、基準面14を用いてまず設置物点群の判定と除去を行い、改めて基準面14を設定し直すように動作させる。
基準面設定装置2bにおいては、実施の形態1での動作と同一となるステップST1からステップST7までの動作フロー中、ステップST41の、設置物上の点と判定されている点28を処理対象から除く動作が付加されている。なお、最初の動作においては、点群データ6はすべて設置物とは判定されていないため、除かれる点はない。
ステップST43では、変状値によってその点7が覆工面9上の点か、あるいは覆工面9以外の設置物の点かを判定する。これには変状値を用い、図23に示すように、平均断面13から内部にD0の境界29を設け、上記のように内側の変状を正とした場合には、Dk>D0の点を設置物の点28と判定する。例えば、D0=0.05とする。この条件を満たして設置物と判定された場合、それを表すため、例えば、D=999に変更する。この値は、トンネルの値より十分に大きくする。
このようにトンネル覆工面9上の点のみから基準面14を設定できるようになり、設置物の影響を受けずに変状を正しく計測することが可能になる。
本発明の実施の形態5によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は図1に示す実施の形態1によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図と同一である。
図25は軸の変更を示す説明図である。
本発明のトンネル変状計測装置で求めた基準面14を利用し、時間をおいて計測した点群データ6の変状を計測できれば、変状の時間的な変化を捉えることができる。しかしながら、既存の基準面14との差によって、その後あるいは過去に計測した同一トンネル8の別の点群データ6の変状とすることはできない。これは、点群データ6の座標値にその時々の計測誤差が含まれるためである。例えば、モービルマッピングシステムで用いられるネットワーク型RTK(Realtime Kinematic)−GPSの方式では数cmの誤差が生じる。これは変状量より大きい。一方、点どうしの相対的な位置は、慣性航法装置やレーザスキャナの精度が高いことから、正確に得られている。つまり、絶対的な座標値が誤差を有するので軸10は過去のものと一致しないが、仮に軸10を一致させれば、相対誤差は小さいので、その平均断面13はそのまま使えることになる。既存の基準面14の軸10を対象の点群に対して新たに求めた軸10bに置き換えればよい。即ち、実施の形態5における基準面設定装置2は、点群データ6を用いて断面設定部4が設定した断面13と、この設定に用いた点群データ6を計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データ6を用いて軸設定部3が設定した軸10bとで基準面14を設定する。その他の構成については実施の形態1と同様である。
記憶装置1には、以前に同一トンネルを計測した別の点群データ6に対して、実施の形態1の動作を実行して求めた軸10と平均断面13からなる基準面14のデータが、既に格納されているとする。
ステップST1からステップST2までの動作により、新たな点群データ6からトンネル8の軸10bを得る。
ステップST5以降で、新たに求めた軸10bと既存の平均断面13で構成される基準面14に対して、点群データ6の変状を求める。
以上の動作により、既存の基準面からの変状値を計測することができる。
このように同一トンネル8の別の時点の基準面14を利用できるようになり、変状の時間的な変化を確実に計測することが可能になる。
図27は本発明の実施の形態6によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。
描画手段である描画装置30は、点群データ6を入力し、コンピュータグラフィックスにより、強調度設定手段である強調度入力装置31から入力されているパラメータ値に従って変状を強調して正投影図や中心投影図として描画し、表示装置32に表示する。その他の構成については実施の形態1と同様である。
図28は変状を強調した座標値を示す説明図である。
本発明の実施の形態1の動作と同一のステップST1からステップST7までの動作が実行され、点群データ6の変状値が計測されて記憶装置1に格納されている。
ステップST62では、描画装置30は強調度入力装置31にて入力された変状を強調するパラメータγを読み取る。強調度入力装置31は、例えばマウスやキーボードなどの入力デバイスによって構成され、入力がなされなかった場合は、以前に入力された最新の値、あるいは、固定の例えばγ=5を描画装置30に渡す。
ここで、点7の極座標(θk,rk)、また、uv軸方向の方向単位ベクトルであるeu、evを用いる。これらは、軸10と平均断面13のデータからここで算出してもよいし、ステップST3にて求めた後、記憶装置1に格納しておき、これを読み出すように構成してもよい。また、
は基準面14に対する変状の方向を表すベクトルになり、これにDkを乗じたものが点7に含まれる変状の成分33である。点7の座標値(xk,yk,zk)には基準面14に対してこの変状の成分が含まれていることになるため、実施の形態3中に示した式において第2項の係数はγ−1になる。
また、変状を強調するために座標値を変更して描画するように構成したが、座標値にて強調するのではなく、例えば、変状の値によって描画時の色や輝度をγDkの値に従って変更し、描画色にて強調するように構成してもよい。
このように変状を一定倍して描画することにより、変状の現れている位置や変状のパターン、傾向を視覚的に容易に把握することが可能になる。
本発明の実施の形態7によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は、図13に示す本発明の実施の形態2の構成を示すブロック図と同一である。上記実施の形態3では、軸10はスパン21単位に、平均断面13は全体の点群データ6を用いて設定する際に、基準面設定装置2の軸補正部25にて、軸10の端点16の補正を行い、軸10がスパン21間で連続につながるようにした。これは、本来、スパン21間が滑らかに接続するように施工されていることを想定したものであるが、セントル100の移動時のずれによって各スパン21は必ずしも滑らかには接続せず、軸10の端点はスパン21間で連続とはなっていない状況も考えられる。このような場合は、補正処理がよくない影響を及ぼす。そこで、本実施の形態7では、スパン21単位で求めた軸10により、全体の点群を用いて平均断面13を設定する際に、軸10の端点の補正は行わないようにしたものである。
ステップST24までで、点群データ6をスパン21ごとに区分し、各スパン位置を示す補助中心線22が求まっている。さらに、ステップST32までで、すべてのスパン21について軸10が求まっている。ステップST34で、基準面設定装置2に、再度、記憶装置1から全ての点群データ6を読み込む。
ステップST27にて全ての射影点12を用いて平均断面13を設定する。
ステップST36で変状算出装置5が記憶装置1から点群データ6を読み出す。
ステップST72では、(θk,rk)への変換では、上記ステップST71での変換のように、点Pkが属するスパンの軸10を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップST7にて各点の変状Dkを算出する。
以上の動作により、各スパンが滑らかに接続していないような場合でも、点群データ6から各点7におけるトンネル覆工面9の変状を計測することができる。
このようにトンネル8のスパン21ごとに軸10、トンネル8全体で平均断面13を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
Claims (12)
- トンネルを計測した3次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、前記トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、
前記点群データにおける任意の点と前記基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたトンネル変状計測装置。 - 点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。 - 点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに設定した軸を用いて基準面を設定することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。 - 点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は軸を補正する軸補正部を備え、軸設定部は区分された点の集合ごとに前記軸を設定し、前記軸補正部は点の集合ごとに設定された前記軸が連続になるように補正し、断面設定部が設定した断面と連続な軸によって基準面を設定することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。 - 点群区分手段は、トンネル覆工時のセントル位置によって決まる位置でそれぞれの点を区分することを特徴とする請求項2から請求項4のうちのいずれか1項記載のトンネル変状計測装置。
- 点群データに含まれるトンネル内壁に設置された設置物を計測した点を判別する設置物判定手段を備え、
基準面設定手段は前記設置物を計測した点を除いた点群データを用いて基準面を設定することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。 - 基準面設定手段は、点群データを用いて断面設定部が設定した断面と、当該設定に用いた点群データを計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データを用いて軸設定部が設定した軸とで基準面を設定することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。
- 点群データにおける任意の点を描画する描画手段と、前記描画した結果を表示する表示手段と、描画時の変状の強調度を指定する強調度入力手段とを備え、
前記描画手段は、前記強調度入力手段から入力された描画時の変状の強調度を示すパラメータ値を点群データの任意の点の座標値に含まれる変状成分に乗じ、変状を強調した座標値を持つとして前記任意の点を描画することを特徴とする請求項1記載のトンネル変状計測装置。 - 基準面設定手段の軸設定部が設定する軸は、トンネルを近似する柱体の軸と同一の方向を有する線分または直線またはベクトルであることを特徴とする請求項1から請求項8のうちのいずれか1項記載のトンネル変状計測装置。
- 基準面設定手段の断面設定部が設定する断面は、軸に直交する面に対して、当該軸に平行に射影したそれぞれの点の射影パターンを近似する点列であることを特徴とする請求項1から請求項9のうちのいずれか1項記載のトンネル変状計測装置。
- 基準面設定手段は断面設定部が設定する断面を軸設定部が設定する軸の方向に掃引した面を基準面として設定することを特徴とする請求項1から請求項10のうちのいずれか1項記載のトンネル変状計測装置。
- 3次元の座標値をもつ点群データからトンネルの変状を計測するトンネル変状計測方法において、
基準面設定手段により行われ、前記点群データからトンネルの軸を抽出すると共に前記トンネルの断面を設定し、かつ、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定工程と、
変状算出手段により行われ、前記点群データにおける任意の点と前記設定された基準面との差をその点の変状として算出する変状算出工程とを備えたトンネル変状計測方法。
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