JP2015230301A - 空間内面形状の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な装置でありながら、空間内面形状を容易かつ正確に計測する。
【解決手段】 空間内面に対して円環状にレーザー光を照射する照射部６０と、照射部６０と離隔して設けられ、空間内面に形成されたレーザー光像を撮像面に結像させる広角レンズ５０と、撮影した画像を画像信号として出力可能な撮像素子４０とを有する測定手段２０と、測定手段２０の位置及び向きを検出する位置検出手段（３Ｄモーションセンサー３０）と、測定手段２０及び位置検出手段を一体に収容するとともに、測定手段２０で測定に用いるレーザー光を透過可能な収容手段（筒状体１００）と、計測対象となる空間に対して、収容手段を移動させる移動手段と、測定手段２０及び位置検出手段からの検出信号を受信して演算処理を行うことにより空間内面の形状を求める形状演算手段８１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間内面形状の計測装置及び計測方法に関するものであり、例えば、地下に存在する空洞の内面形状を３次元計測するための計測装置及び計測方法に関するものである。

地下資源を採掘した後に放置された鉱山廃鉱の地下空洞や、廃棄された地下施設の空間が多数存在している。鉱山廃鉱の例としては、石炭、亜炭、金属、非金属等の廃坑、採石場の跡地があり、廃棄された地下施設の例としては、地下壕、廃棄トンネル、廃棄埋設管等がある。さらに、鍾乳洞や溶岩洞も各地に存在する。

このような地盤内空洞を放置しておくと、陥没事故が発生するおそれがある。そして、陥没事故を未然に防止するためには、地盤内空洞の調査及び的確な形状把握が必要となる。しかしながら、地盤内部の空洞の形状や大きさを計測する従来技術は、多大な時間を要するとともに費用が嵩むため、的確な調査が行われていないのが現状である。

このような地盤内空洞の空間内面形状の計測に対して、トンネル工事における覆工コンクリートの打設、場所打ちコンクリート杭、場所打ち擁壁等、空間にコンクリートを充填する作業を行う際に、これらの空間内面形状を容易かつ高い精度で計測するための技術（特許文献１）や、地下に存在する空洞の形状を計測する技術（特許文献２）が存在する。

特許文献１に開示された特許発明は、レーザー測距計を用いて空間断面形状を計測する技術であり、任意の位置にレーザー測距計を設置する工程と、位置決め用レーザー光を計測対象の縦断方向へ照射し、この位置決め用レーザー光に基づいてレーザー測距計を計測対象の縦断方向と略平行となるように位置決めする工程と、レーザー測距計から照射されるレーザー光が、位置決め用レーザー光の照射方向と直角となる基準方向へレーザー測距計の向きを調整する工程と、計測対象に計測用レーザー光を照射して計測を行う計測工程とを含んでいる。

この技術において、計測工程は、基準方向で計測対象に計測用レーザー光を照射して計測を行う第１の計測工程と、レーザー測距計を、基準方向から所定角度だけ水平方向に回転させて、計測対象に計測用レーザー光を照射して計測を行う第２の計測工程と、レーザー測距計を、基準方向から第２の計測工程とは逆方向へ所定角度だけ回転させて、計測対象に計測用レーザー光を照射して計測を行う第３の計測工程とを含んでいる。そして、第１の計測工程、第２の計測工程及び第３の計測工程における計測結果の中から最小となる計測値を当該空間断面の計測値として採用することを特徴とする。

特許文献２に開示された技術は、地中に存在する空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面（例えば、鉛直平面、水平平面）上で、レーザー距離計を回動させる駆動手段を有している。そして、空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上で、レーザー距離計を回動させることにより、空洞内の固定中心から任意の方向（例えば、鉛直角方向及び水平角方向）における空洞内壁面までの距離を測り、任意の断面における空洞の壁面座標を求めて、空洞内の立体形状を計測する。

特許第５００９１１２号公報 特開２００５−２９２０４３号公報

ところで、地盤内空洞は、必ずしも、地表部分が開放しているとは限らず、地表部分が完全に閉鎖している場合や、小さな開口部しか存在しない場合がある。上述した特許文献１に記載された技術は、地盤内空洞にレーザー測距計を設置して計測を行う有用な技術であるが、あらゆる形態の地盤内空洞に対してそのまま適用できるとは限らない。

また、特許文献２に記載された技術は、固定中心に対して互いに垂直な平面（例えば、鉛直平面、水平平面）内でレーザー測距計を回動させて、空洞の壁面にレーザー光を照射することにより任意の断面における空洞の壁面座標を求め、さらに、壁面座標に基づく演算を行わなければならないため、空洞全体の形状を計測するために多大な時間を要するという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、簡易な装置でありながら、空間内面形状を容易かつ正確に計測することが可能な空間内面形状の計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。

本発明の空間内面形状の計測装置及び計測方法は、上述した課題を解決するために提案されたもので、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明の空間内面形状の計測装置は、測定手段と、位置検出手段と、収容手段と、移動手段と、形状演算手段とを備えたことを特徴とするものである。

測定手段は、空間内面に対して円環状にレーザー光を照射する照射部と、照射部と離隔して設けられ、空間内面に形成されたレーザー光像を撮像面に結像させる広角レンズと、撮像面に結像したレーザー光像を画像データとして出力する撮像素子とを有する手段であり、照射部は、レーザー発光素子、円錐ミラー（円錐プリズム）等により構成する。位置検出手段は、測定手段の位置及び向きを検出するための手段であり、例えば、３Ｄモーションセンサーにより構成する。

収容手段は、測定手段及び位置検出手段を一体に収容するとともに、測定手段で測定に用いるレーザー光を透過可能な手段であり、例えば、アクリル製の円筒状パイプ等により構成する。移動手段は、計測対象となる空間に対して、収容手段を移動させるための手段であり、例えば、収容手段に接続したワイヤーを繰り出し、あるいは巻き取るウインチ及びその付帯機器により構成する。

形状演算手段は、測定手段及び位置検出手段からの検出信号を受信して演算処理を行うことにより空間内面の形状を求める手段であり、例えば、コンピューター及びその付帯機器とコンピューターにインストールしたプログラムにより構成する。

また、本発明の空間内面形状の計測方法は、このような構成からなる空間内面形状の計測装置を用いて、計測対象となる空間内に、レーザー光の照射部と、広角レンズと、撮像素子と、位置検出手段とが一体に収容された収容手段を設置する。空間内面形状を計測するには、計測対象となる空間内で、収容手段を移動させるとともに、その位置を検出しながら、空間内面に対して円環状にレーザー光を照射し、空間内面に形成されたレーザー光像を広角レンズにより撮像面に結像させて画像データとして出力する。そして、出力された画像データと、当該画像データの検出位置データとに基づいて、演算処理を行うことにより空間内面の形状を求めることを特徴とするものである。

上述した構成に加えて、収容手段の移動方向に対して、照射部と広角レンズとの位置関係が入れ替わるようにして収容手段を移動させて、当該計測対象となる空間のほぼ全域の空間内面形状を計測することが可能である。

本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置の主要部を示す説明図。 本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置で用いる測定手段を示す模式図。 本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置の使用例（１）を示す模式図。 本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置の使用例（２）を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明に係る空間内面形状の計測装置及び計測方法の実施形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置を説明するもので、図１は計測装置の主要部を示す説明図、図２は測定手段の模式図、図３及び図４は計測装置の使用例を示す模式図である。

＜空間内面形状の計測装置及び計測方法の概要＞
本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置及び計測方法は、例えば、地下資源を採掘した後に放置された鉱山廃鉱の地下空洞や、廃棄された地下施設の空間の形状を迅速かつ正確に計測することにより、空洞充填工事を行う際に、充填材配合設計、充填材施工等を円滑に行うための装置及び方法である。

本発明の実施形態に係る空間内面形状の計測装置は、測定手段と、位置検出手段と、収容手段と、移動手段と、形状演算手段とを備えている。この計測装置は、種々の態様からなる空間内面形状を計測するための装置であり、以下に例を挙げて説明する地盤内に存在する空洞の内面形状だけではなく、トンネル、貯水タンク、下水管等の空間内面形状を計測することができる。

＜収容手段＞
本実施形態の空間内面形状の計測装置１０は、図１及び図２に示すように、収容手段として、透光性を有するアクリル製の筒状体１００を用いている。そして、筒状体１００の内部に、測定手段２０と、位置検出手段として機能する３Ｄモーションセンサー３０を収容する。なお、計測対象が地下空間である場合には、地下水が存在し、あるいは湿度が高いことが考えられる。この場合、筒状体１００の内部に収容した照射部６０から、空間内面に向かってレーザー光を照射するため、筒状体１００内に地下水が浸入したり、結露が生じたりしないようにする必要がある。このため、筒状体１００の上部及び下部において十分なシールを行って地下水の浸入を防止し、さらに、筒状体１００の内部を略真空状態として結露を防止することが好ましい。

＜測定手段＞
測定手段２０は、撮像素子４０の撮像面にレーザー光像を結像させるための広角レンズ５０と、空間内面に対して円環状にレーザー光を照射する照射部６０とを備えている。各部材等については、後に詳述する。

＜位置検出手段＞
本実施形態の位置検出手段は、３Ｄモーションセンサー３０からなる。３Ｄモーションセンサー３０は、例えば、互いに直行する３軸方向の傾きを検知するジャイロセンサー、加速度センサー、地磁気センサーを備えており、収容手段の位置情報を取得するようになっている。なお、位置検出手段は、どのような構成の機器であってもよく、赤外光を用いて位置を検出する装置、ＧＰＳを用いて位置を検出する装置等、計測対象となる空間に合わせて適宜選択することができる。

＜撮像素子＞
撮像素子４０は、一般的に市販されている小型カメラが備えているものを利用することができる。小型カメラ４１は、撮像素子４０として、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーを備えており、撮像素子４０の撮像面に結像した物体像を光電変換して画像データを得ることができる。撮像素子４０から出力された画像データは、信号ケーブル７０を介してコンピューター８０に入力される。また、小型カメラ４１を利用する場合には、撮像光学系（広角レンズ５０）の画角を調整するため、レンズ交換可能なものを使用することが好ましい。

＜広角レンズ＞
本実施形態の空間内面形状の計測装置１０は、空間内面に形成されたレーザー光像を撮像面に結像させるためのレンズ系として広角レンズ５０を用いている。レーザー光の照射部６０と、空間内面に形成されたレーザー光像を撮像面に結像させるためのレンズ系とは、同一位置に設置することはできず、離隔して設ける必要がある。この際、レンズ系の画角が大きいほど照射部６０とレンズ系とを近接させることができる。広角レンズ５０の画角は、計測対象となる空間内面との距離、筒状体１００の許容長さ等に応じて設定する。なお、本発明における広角レンズ５０は、いわゆる標準レンズに対して画角が大きいことを意味するものであり、狭義の広角レンズだけではなく、魚眼レンズも含んでいる。

＜照射部＞
照射部６０は、図２に示すように、レーザーダイオード等からなる発光素子６１と、発光素子６１から発射されたレーザー光を反射して円環状に照射する円錐ミラー６２（又は円錐プリズム）とにより構成する。このような構成を備えた計測装置１０は、空間内面に沿ってレーザー光を円周方向に走査する必要がなく、照射部６０の構造が単純なものとなるばかりでなく、計測時間を短縮することができる。

さらに詳細に説明すると、図２に示すように、発光素子６１にはレーザー駆動回路６３が接続されている。レーザー駆動回路６３は、コンピューター８０からの駆動信号により駆動され、発光素子６１からレーザー光を発射する。発光素子６１から発射されたレーザー光は、円錐ミラー２６等により反射され、空間内面において円環状の光リング９０を形成する。そして、広角レンズ５０を装着した小型カメラ４１により、光リング９０を撮影する。撮像素子４０の撮像面に結像したレーザー光像は、イメージプロセッサー６４を介してコンピューター８０に入力される。なお、図２に示すように、測定手段２０及び３Ｄモーションセンサー３０とコンピューター８０とは、信号ケーブル７０により電気的に接続されている。

また、本実施形態の照射部６０は、筒状体１００内に収容したバッテリ６５により駆動される。これにより、筒状体１００内に余分なケーブルが存在しなくなり、小型カメラ４１により光リング９０を撮影する際に、画像内にケーブルが映り込むことがない。

＜移動手段＞
移動手段は、照射部６０、広角レンズ５０、撮像素子４０からなる測定手段２０と、３Ｄモーションセンサー３０からなる位置検出手段とを収容した筒状体１００（収容手段）を、計測対象となる空間に対して移動させるための装置である。この移動手段は、筒状体１００（収容手段）を移動させることができれば、どのような構成であってもよい。

例えば、筒状体１００を鉛直方向に移動させる場合には、筒状体１００の上部に接続したワイヤー１１１と、当該ワイヤー１１１を繰り出し、あるいは巻き取ることにより筒状体１００を上下動させるウインチ１１２等により移動手段を構成する。図３に示す計測装置の使用例（１）では、地表面から地下空間に達するボーリング孔１２１の上部に、やぐら１２２を組み立てて、このやぐら１２２に滑車１２３を吊り下げ、滑車１２３にワイヤー１１１を掛け渡して、ウインチ１１２により、筒状体１００の上部に接続したワイヤー１１１を繰り出し、あるいは巻き取るようになっている。

また、図４に示す計測装置の使用例（２）では、地表に開口した空間の上部を跨ぐようにして、支持レール１３１を掛け渡し、この支持レール１３１により筒状体１００を支持し、ウォームギア、モータ等の駆動手段（図示せず）を用いて、支持レール１３１で支持した筒状体１００を移動させるようになっている。

また、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、筒状体１００（収容手段）の移動方向に対して、照射部６０と広角レンズ５０との位置関係が入れ替わるようにして筒状体１００（収容手段）を移動させることにより、測定不能な領域（死角）がなくなり、当該計測対象となる空間のほぼ全域の空間内面形状を計測することができる。

＜形状演算手段＞
形状演算手段８１は、測定手段２０及び３Ｄモーションセンサー３０からの計測信号を受信して、所定の演算処理を行うことにより空間内面の形状を求めるためのプログラムからなる。例えばコンピューター８０に形状演算プログラムをインストールし、ＣＰＵ等のハードウェアが形状演算プログラムの命令に従って動作することにより、形状演算手段８１の機能が発揮される。また、形状演算手段８１は、形状演算プログラムに相当する論理回路により構成することもできる。

上述したように、発光素子６１から発射したレーザー光を円錐ミラー６２等で反射して、空間内面に円環状に照射することにより、レーザー光像（光リング９０）が形成され、この円環状のレーザー光像（光リング９０）を広角レンズ５０により撮像素子４０の撮像面上に結像させることにより、レーザー光像のイメージ情報を得ることができる。形状演算プログラムは、基本的な演算処理として、取得したイメージ情報と、その移動距離とに基づいて、空間内面の形状データ（断面形状データ）を取得することができる。また、測定手段２０の移動速度、発光素子６１におけるレーザー光の出射角度、広角レンズ５０の画角等、種々のパラメータを設定することにより、一層正確に空間内面の形状を演算することができる。

具体的には、発光素子６１から円錐ミラー６２等を介して空間内面に照射された円環状のレーザー光により帯状の断面線（光切断面／光リング９０）が形成される。そして、広角レンズ５０により、断面線（光切断面／光リング９０）を撮像素子４０の撮像面に結像させ、空間内面に形成された座標を算出し、算出した座標データに基づいて断面線（光切断面／光リング９０）の形状データを得ることができる。そして、測定手段２０を、空間内面の所定方向に沿って移動させることにより、断面線（光切断面／光リング９０）が空間内面の所定方向に連なり、空間内面の全体にわたって形状を計測することができる。なお、円周方向及び空間内面の所定方向における撮像間隔は、空間の内径や要求される計測精度等に応じて適宜設定することができる。

＜表示手段＞
形状演算手段８１における演算結果は、表示手段１４０により表示することができる。この表示手段１４０は、例えば、コンピューター８０に付帯した液晶ディスプレイにより構成することができる。すなわち、形状演算手段８１における演算結果（空間内面の形状）は、液晶ディスプレイの表示画面に表示される。また、プリンタ等の印刷手段により、演算結果（空間内面の形状）を印刷してもよい。さらに、空間内面の形状を表示又は印刷する場合に、立体表示することにより、空間内面の形状を直感的に認識することができる。

１０ 計測装置
２０ 測定手段
３０ ３Ｄモーションセンサー
４０ 撮像素子
４１ 小型カメラ
５０ 広角レンズ
６０ 照射部
６１ 発光素子
６２ 円錐ミラー
６３ レーザー駆動回路
６４ イメージプロセッサー
６５ バッテリ
７０ 信号ケーブル
８０ コンピューター
８１ 形状演算手段
９０ 光リング
１００ 筒状体
１１１ ワイヤー
１１２ ウインチ
１２１ ボーリング孔
１２２ やぐら
１２３ 滑車
１３１ 支持レール
１４０ 表示手段

Claims (4)

1. 空間内面に対して円環状にレーザー光を照射する照射部と、前記照射部と離隔して設けられ、前記空間内面に形成されたレーザー光像を撮像面に結像させる広角レンズと、前記撮像面に結像したレーザー光像を画像データとして出力する撮像素子とを有する測定手段と、
   前記測定手段の位置及び向きを検出する位置検出手段と、
   前記測定手段及び前記位置検出手段を一体に収容するとともに、前記測定手段で測定に用いるレーザー光を透過可能な収容手段と、
   計測対象となる空間に対して、前記収容手段を移動させる移動手段と、
   前記測定手段及び前記位置検出手段からの検出信号を受信して演算処理を行うことにより空間内面の形状を求める形状演算手段と、
   を備えたことを特徴とする空間内面形状の計測装置。
2. 前記収容手段の移動方向に対して、前記照射部と前記広角レンズとの位置関係が入れ替わるようにして前記収容手段を移動させて、当該計測対象となる空間のほぼ全域の空間内面形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の空間内面形状の計測装置。
3. 計測対象となる空間内に、レーザー光の照射部と、広角レンズと、撮像素子と、位置検出手段とが一体に収容された収容手段を設置し、
   計測対象となる空間内で、前記収容手段を移動させるとともに、その位置を検出しながら、空間内面に対して円環状にレーザー光を照射し、
   前記空間内面に形成されたレーザー光像を広角レンズにより撮像面に結像させて画像データとして出力し、
   前記出力された画像データと、当該画像データの検出位置データとに基づいて、演算処理を行うことにより空間内面の形状を求める、
   ことを特徴とする空間内面形状の計測方法。
4. 前記収容手段の移動方向に対して、前記レーザー光の照射部と前記広角レンズとの位置関係が入れ替わるようにして前記収容手段を移動させて、当該計測対象となる空間のほぼ全域の空間内面形状を計測することを特徴とする請求項３に記載の空間内面形状の計測方法。

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