JP2017101989A - 土工管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度の高い３次元モデルを短時間で作成することができ、盛り土量や切り土量を正確且つ迅速に算出することができる土工管理方法を提供する。【解決手段】平面座標及び標高が予め測定された外周既知点２Ｐを、土工管理領域１ａが外周既知点２Ｐを結んだ閉領域内に含まれるように設定する既知点設定工程と、飛行体１０を飛行させ、土工管理領域１ａを複数回撮影すると共に、撮影位置及び撮影姿勢を撮影情報として測定する撮影工程と、撮影画像のそれぞれを撮影情報に基づいて高度とひずみ補正を行った後に、隣り合う撮影画像を順次結合して１枚のオルソ画像を作成するオルソ画像作成工程と、オルソ画像から３Ｄデータを生成し、外周既知点２Ｐを用いて補正する３Ｄデータ生成工程と、３Ｄデータと過去分とを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出する土量算出工程とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ＵＡＶ（無人飛行機）等の飛行体を用いて撮影した撮影画像を用いて盛り土や切り土等の土工管理を行う土工管土工管理方法理方法に関する。

従来、盛り土や切り土等の土工管理を実施するには、場内から出たダンプトラックによる台数管理で大まかな土量を確認し、形状の確認については、現場巡視や写真などで状況を確認していた。そのため、施工量、未掘削量等の正確な把握や、工程通りの出来形ができているのかの正確な判断が困難であった。

そこで、近年では、ＣＩＭ（Construction Information Modeling）が推進され、土工管理にも３次元モデルが用いられている。地形も含めた３次元モデルを所定期間毎に作成して比較することで、盛り土量や切り土量を算出することが可能になる。３次元モデルの作成には地形測量が必要であり、３次元モデルを所定期間毎に作成するため、１回の地形測量に手間と時間をかけることができない。従って、ＵＡＶ（無人飛行機）等の飛行体を用いて撮影した複数の撮影画像によって地形測量を行うことが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２４２３２１号公報

しかしながら、従来技術では、オーバラップした部分で２画像に共通なタイポイントを抽出し、タイポイントを基準として画像合成して地形測量を行っているが、土工管理に必要な精度で３次元計測を行うことができないという問題点があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、精度の高い３次元モデルを短時間で作成することができ、盛り土量や切り土量を正確且つ迅速に算出することができる土工管理方法を提供することにある。

本発明の土工管理方法は、平面座標及び標高が予め測定された外周既知点を、土工管理を行う土工管理領域が前記外周既知点を結んだ閉領域内に含まれるように設定する既知点設定工程と、カメラと撮影位置及び撮影姿勢を測定する撮影情報測定手段とを具備する飛行体を飛行させ、前記カメラによって前記土工管理領域を複数回撮影すると共に、前記撮影情報測定手段によって前記撮影位置及び前記撮影姿勢を撮影情報として測定する撮影工程と、前記撮影工程によって撮影した撮影画像のそれぞれを前記撮影情報に基づいて高度とひずみ補正を行った後に、隣り合う前記撮影画像の中から特徴点をマッチングポイントとして自動抽出して順次結合していき、１枚のオルソ画像を作成するオルソ画像作成工程と、前記オルソ画像作成工程によって作成した前記オルソ画像から３Ｄデータを生成し、前記外周既知点を用いて補正する３Ｄデータ生成工程と、前記３Ｄデータ生成工程によって生成して補正した前記３Ｄデータと過去分の前記３Ｄデータとを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出する土量算出工程とを備えることを特徴とする。
さらに、本発明の土工管理方法は、前記既知点設定工程では、前記土工管理領域の中で最も標高が高いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最高位既知点として設定すると共に、前記土工管理領域の中で最も標高が低いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最低位既知点として設定し、前記３Ｄデータ生成工程では、前記オルソ画像作成工程によって作成した前記オルソ画像から３Ｄデータを生成し、前記最高位既知点及び前記最低位既知点を用いて補正しても良い。

本発明によれば、平面座標及び標高が予め測定された外周既知点を、土工管理を行う土工管理領域が外周既知点を結んだ閉領域内に含まれるように設定することで、精度の高い３次元モデルを短時間で作成することができ、盛り土量や切り土量を正確且つ迅速に算出することができるという効果を奏する。

本発明に係る土工管理方法の実施形態を示すフローチャートである。 既知点の設定例を示す図である。 撮影に用いる飛行体の構成を示す図である。 土量算出装置の構成を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

図１及び図２を参照すると、本実施の形態の土工管理方法では、まず、敷地１内に複数の外周既知点２Ｐと、最高位既知点２Ｈと、最低位既知点２Ｌとをそれぞれ設定する（ステップＡ１）。外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌは、基準点測量やＧＮＳＳ測位等により平面座標及び標高が予め正確に測定されたポイントである。図２を参照すると、外周既知点２Ｐは、外周既知点２Ｐを結んだ閉領域に、敷地１内の土工管理を行う土工管理領域１ａが含まれるように設定する。また、最高位既知点２Ｈは、土工管理領域１ａの中で最も標高が高いポイントに設定する。さらに、最低位既知点２Ｌは、土工管理領域１ａの中で最も標高が低いポイントに設定する。なお、図２において、（ａ）は敷地１の平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ断面図である。また、外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌには、後述する撮影画像に明瞭に写り込む対空標識を設置しても良く、撮影画像に明瞭に写り込む既存の構造物を外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌとして設定するようにしても良い。

次に、図３に示す飛行体１０を用いて土工管理領域１ａを撮影する（ステップＡ２）。飛行体１０は、ＵＡＶ（無人飛行機）であり、飛行情報記憶部１１と、カメラ１２と、撮影画像記憶部１３と、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）１４と、気圧高度計１５と、ジャイロ１６と、撮影情報記憶部１７とを備えている。

飛行情報記憶部１１は、設定された飛行高度及び撮影エリアが記憶される記憶手段である。飛行体１０は、飛行情報記憶部１１に記憶された飛行高度及び撮影エリアに到達後、カメラ１２によって写真撮影を自動的に行う。

カメラ１２は、飛行体１０の機体に下向きに固定されている。また、本実施形態では、カメラ１２としてデジタルカメラを用い、レンズのゆがみに対する出力補正のキャリブレーションが予め行われている。カメラ１２による写真撮影は、オーバーラップしながら複数回行い、撮影画像は撮影画像記憶部１３に記憶される。ラップ率は撮影写真を合成する時の作業性とデータ量に影響を与え、通常３０〜８０％で設定する。例えば、飛行高度が１５０ｍである場合には、土工管理領域１ａに対し、１ｋｍ^２あたり６００枚程度の写真撮影を行う。

ＧＮＳＳ１４と、気圧高度計１５と、ジャイロ１６とは、写真撮影時の位置情報と、高度と、機体姿勢（ロール角ω、ピッチ角φ、ヨー角κ）とをそれぞれ測定する。ＧＮＳＳ１４で測定された位置情報と、気圧高度計１５で測定された高度と、ジャイロ１６で測定された機体姿勢（ロール角ω、ピッチ角φ、ヨー角κ）とは、撮影画像と関連づけされた状態で撮影情報として撮影情報記憶部１７に記憶される。上述のように飛行体１０に固定されている。従って、ＧＮＳＳ１４で測定された位置情報と、気圧高度計１５で測定された高度と、ジャイロ１６で測定された機体姿勢（ロール角ω、ピッチ角φ、ヨー角κ）とは、それぞれカメラ１２の撮影位置と、撮影高度と、撮影姿勢となる。なお、撮影画像記憶部１３と撮影情報記憶部１７とには、ＳＤカード等の取り外し可能な記憶手段が用いられ、飛行体１０の着陸後に、撮影画像記憶部１３及び撮影情報記憶部１７を飛行体１０から取り外して撮影画像と撮影情報とを回収する。

次に、飛行体１０の着陸後に回収した撮影画像と撮影情報とを、図４に示す土量算出装置２０に入力する（ステップＡ３）。土量算出装置２０は、パーソナルコンピューター等のプログラム制御で動作する情報処理装置であり、撮影画像入力部２１と、撮影情報入力部２２と、マッチングポイント入力部２３と、既知点入力部２４と、制御部２５と、３Ｄデータ記憶部２６と、出力部２７とを備えている。

撮影画像入力部２１と撮影情報入力部２２とは、飛行体１０から取り外された撮影画像記憶部１３及び撮影情報記憶部１７がそれぞれ接続されるインターフェースであり、マッチングポイント入力部２３及び既知点入力部２４は、ユーザーが情報入力を行うキーボードやマウス等の入力手段である。

制御部２５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピューター等の情報処理部である。ＲＯＭには土量算出装置２０の動作制御を行うための制御プログラムが記憶されている。制御部２５は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、オルソ画像作成部２５１、点群データ抽出部２５２、メッシュデータ変換部２５３、土量算出部２５４として機能する。

オルソ画像作成部２５１は、撮影画像と撮影情報とを読み込み、撮影情報に基づいて各撮影画像の高度とひずみ補正を行った後に、隣り合う撮影画像の中から特徴点をマッチングポイントとして自動抽出して順次結合していき、１枚のオルソ画像を作成する（ステップＡ４）。なお、土工管理領域１ａがなだらかで変化の少ない場合は、マッチングポイントを正確に自動抽出できないことがあり、この場合、マッチングポイント入力部２３からユーザーがマッチングポイントを入力する。また、設定した外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌをマッチングポイントしても良い。

点群データ抽出部２５２は、オルソ画像作成部２５１によって作成されたオルソ画像から３Ｄデータである点群データを抽出し、既知点入力部２４から入力された既知点情報（外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌの平面座標及び標高）を用いて補正する（ステップＡ５）。点群データの補正は、各点が三つの変数（平面座標及び標高）を持っていることから、外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌの内の三つの既知点のそれぞれ三つの既知数（平面座標及び標高）を使用して行う。なお、外周既知点２Ｐ、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌの平面座標及び標高の測量は、飛行体１０の撮影後に行うようにしても良い。

外周既知点２Ｐは、外周既知点２Ｐを結んだ閉領域に土工管理領域１ａが含まれるように設定されているため、管理の対象となる土工管理領域１ａの点群データのいずれの点も、いずれか三つの外周既知点２Ｐの平面座標で形成される三角形内に入ることになる。従って、点群データの補正に際し、補正する点を含む三角形を平面座標で形成する三つの外周既知点２Ｐをそれぞれ選択することで、土工管理領域１ａの点群データにおける各点の平面座標（二つの変数）は、大きな誤差を生じることなく、点群データにおける平面座標の精度を向上させることができる。

さらに、三つの既知点の内、最高位既知点２Ｈと最低位既知点２Ｌといずれか若しくは両方を選択すると、管理の対象となる土工管理領域１ａの点群データのいずれの点も、いずれか三つの既知点の平面座標で形成される三角形内に入ることになると共に、管理の対象となる土工管理領域１ａの点群データの大半の点が、側面視でいずれか三つの既知点で形成される三角形内に入ることになる。従って、点群データの補正に際し、補正する点を含む三角形を平面座標及び側面視で形成する三つの既知点（最高位既知点２Ｈと最低位既知点２Ｌといずれか若しくは両方を含む）をそれぞれ選択することで、土工管理領域１ａの点群データにおける各点の平面座標及び標高（三つの変数）は、大きな誤差を生じることなく、点群データにおける平面座標及び標高の精度を向上させることができる。なお、側面視で三角形内に入らない土工管理領域１ａの点群の点については、補正が終わった点を既知点として新しい三角係を形成して補正を行い、これを土工管理領域１ａの点群の点全体の補正が完了するまで繰り返して行えば良い。

メッシュデータ変換部２５３は、点群データ抽出部２５２によって抽出された点群データをメッシュデータに変換し（ステップＡ６）、３Ｄデータ記憶部２６に記憶させる。メッシュデータは、ＣＡＤで使用可能な３Ｄデータである。

土量算出部２５４は、メッシュデータ変換部２５３によつて変換されたメッシュデータと、３Ｄデータ記憶部２６に記憶されている過去分のメッシュデータとを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出し（ステップＡ７）、算出した土量をディスプレイやプリンタからなる出力部２７によって出力する（ステップＡ８）。なお、本実施形態では、点群データをメッシュデータに変換して、メッシュデータの差分をとることで土量を算出するように構成したが、点群データの差分をとる点群差分法によって土量を算出するようにしても良い。この場合には、点群データ抽出部２５２によって抽出され、補正された点群データを３Ｄデータ記憶部２６に記憶させ、土量算出部２５４は、点群データ抽出部２５２によって抽出され、補正された点群データと、３Ｄデータ記憶部２６に記憶されている過去分の点群データとを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出する。また、平均断面法やサーフェス差分によって土量を算出するように構成することもできる。

以上説明したように、本実施形態は、平面座標及び標高が予め測定された外周既知点２Ｐを、土工管理を行う土工管理領域１ａが外周既知点２Ｐを結んだ閉領域内に含まれるように設定する既知点設定工程と、カメラ１２と撮影位置及び撮影姿勢を測定する撮影情報測定手段（ＧＮＳＳ１４、ジャイロ１６）とを具備する飛行体１０を飛行させ、カメラ１２によって土工管理領域１ａを複数回撮影すると共に、撮影情報測定手段によって撮影位置及び撮影姿勢を撮影情報として測定する撮影工程と、撮影工程によって撮影した撮影画像のそれぞれを撮影情報に基づいて高度とひずみ補正を行った後に、隣り合う撮影画像の中から特徴点をマッチングポイントとして自動抽出して順次結合していき、１枚のオルソ画像を作成するオルソ画像作成工程と、オルソ画像作成工程によって作成したオルソ画像から３Ｄデータ（点群データもしくはメッシュデータ）を生成し、外周既知点２Ｐを用いて補正する３Ｄデータ生成工程と、３Ｄデータ生成工程によって生成して補正した３Ｄデータと過去分の３Ｄデータとを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出する土量算出工程とを備える。
この構成により、平面座標及び標高が予め測定された外周既知点２Ｐを、土工管理を行う土工管理領域１ａが外周既知点２Ｐを結んだ閉領域内に含まれるように設定することで、精度の高い３次元モデルを短時間で作成することができ、盛り土量や切り土量を正確且つ迅速に算出することができる。外周既知点２Ｐを用いて点群データを補正することで、点群データにおける平面座標の精度を向上させることができる。

さらに、本実施形態において、既知点設定工程では、土工管理領域１ａの中で最も標高が高いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最高位既知点２Ｈとして設定すると共に、土工管理領域１ａの中で最も標高が低いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最低位既知点２Ｌとして設定し、３Ｄデータ生成工程では、オルソ画像作成工程によって作成したオルソ画像から３Ｄデータを生成し、最高位既知点２Ｈ及び最低位既知点２Ｌを用いて補正する。
この構成により、最高位既知点２Ｈと最低位既知点２Ｌとを用いて点群データを補正することで、点群データにおける標高の精度を向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ 敷地
１ａ 土工管理領域
１０ 飛行体
２Ｐ 外周既知点
２Ｈ 最高位既知点
２Ｌ 最低位既知点
１１ 飛行情報記憶部
１２ カメラ
１３ 撮影画像記憶部
１４ ＧＮＳＳ
１５ 気圧高度計
１６ ジャイロ
１７ 撮影情報記憶部
２０ 土量算出装置
２１ 撮影画像入力部
２２ 撮影情報入力部
２３ マッチングポイント入力部
２４ 既知点入力部
２５ 制御部
２６ ３Ｄデータ記憶部
２７ 出力部
２５１ オルソ画像作成部
２５２ 点群データ抽出部
２５３ メッシュデータ変換部
２５４ 土量算出部

Claims (2)

1. 平面座標及び標高が予め測定された外周既知点を、土工管理を行う土工管理領域が前記外周既知点を結んだ閉領域内に含まれるように設定する既知点設定工程と、
   カメラと撮影位置及び撮影姿勢を測定する撮影情報測定手段とを具備する飛行体を飛行させ、前記カメラによって前記土工管理領域を複数回撮影すると共に、前記撮影情報測定手段によって前記撮影位置及び前記撮影姿勢を撮影情報として測定する撮影工程と、
   前記撮影工程によって撮影した撮影画像のそれぞれを前記撮影情報に基づいて高度とひずみ補正を行った後に、隣り合う前記撮影画像の中から特徴点をマッチングポイントとして自動抽出して順次結合していき、１枚のオルソ画像を作成するオルソ画像作成工程と、
   前記オルソ画像作成工程によって作成した前記オルソ画像から３Ｄデータを生成し、前記外周既知点を用いて補正する３Ｄデータ生成工程と、
   前記３Ｄデータ生成工程によって生成して補正した前記３Ｄデータと過去分の前記３Ｄデータとを比較し、その差分から盛り土量もしくは切り土量を算出する土量算出工程とを備えることを特徴とする土工管理方法。
2. 前記既知点設定工程では、前記土工管理領域の中で最も標高が高いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最高位既知点として設定すると共に、前記土工管理領域の中で最も標高が低いポイントを、平面座標及び標高が予め測定された最低位既知点として設定し、
   前記３Ｄデータ生成工程では、前記オルソ画像作成工程によって作成した前記オルソ画像から３Ｄデータを生成し、前記最高位既知点及び前記最低位既知点を用いて補正することを特徴とする請求項１記載の土工管理方法。

Images