JP2017156179A - 設備状態検出方法および装置の設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査車両の走行速度を低速化したり、レーザスキャナの秒間あたりの照射点の数を多くすることなく、設備の状態を正確に検出できるようにする。【解決手段】計測部から取得した屋外構造物の表面上の点における３次元座標を表す３次元点群データを用いて管理対象の設備の状態を検出する方法であって、３次元点群データより前記設備を３次元オブジェクト化するようにしたものである。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば電柱や信号柱等のポール、電線や電話線等のケーブル、クロージャ等の、主として屋外に設置された管理対象となる設備の状態を検出するための設備状態検出方法および装置の設置方法に関する。

従来、屋外に設置された管理対象となる設備については、当該設備の設置位置の座標値、当該設備の属性情報、当該設備に関連する他の設備に関する情報等を含む設備管理データを、設備管理データベースに格納して管理している。しかし、設備管理データは手作業により更新されるため、設備の位置情報が不正確だったり、設備の更新時に情報の入力忘れ等のヒューマンエラーにより設置当時のまま更新がなされないことが多い。このため、実際の設備の状態を正確に反映しているとは言えなかった。

一方、検査車両に３次元レーザスキャナ（３Ｄレーザ測量機）、カメラ、ＧＰＳ、ＩＭＵ（慣性計測装置）、およびオドメータ（走行距離計）を搭載し、路上を走行しながら周囲の建物、道路、橋梁などを含む屋外構造物の３次元測量を網羅的に行い、当該屋外構造物の表面上の多数の点の３次元座標を収集することにより、屋外構造物の３次元形状を取得するモービルマッピングシステム（Mobile Mapping System：MMS）が知られている（例えば非特許文献１を参照）。このシステムは、屋外構造物の表面に当てるレーザ光により、その照射された地点の絶対的な３次元座標を点群データ（以下、点群データ）として取得するものであり、照射点が多いほど、精密な３次元形状を再現することができる。

ところが、MMSにより取得した点群データを用いて、前述した設備の状態を検出しようとする場合には、当該点群データから設備の表面上の点に対応する点群データを取り出し、これらの点群データを３次元オブジェクトに変換する方法を確立することが不可欠である。そこで、点群データが形成する屋外構造物の大きさや形状と、パターンテーブルに予め登録されている規格化された３次元オブジェクトの大きさや形状とを照合（パターンマッチング）する方法が提案されている。

また、既存の設備管理データベースが存在する場合には、その設備管理データとMMSによる点群データとを連係させることで、点群データを容易に３次元オブジェクトに変換し、この３次元オブジェクトより設備の状態を検出する方法が知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１５−０７８８４９号公報

"三菱モービルマッピングシステム 高精度ＧＰＳ移動計測装置"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２５年７月、三菱電機株式会社、［平成２５年９月２４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mitsubishielectric.co.jp/mms/＞

ところが、先に述べた大きさや形状のパターンマッチングを用いる方法では、MMSによる点群データの数が膨大であることから、この膨大な数の点群データを分析することが容易でない。

また、既存の設備管理データベースの設備管理データと、MMSによる点群データとを連係させる方法では、設備管理データベースが既に存在する場合やその位置情報がある程度正確であることが必須となる。

さらに、MMSにより取得した点群データから３次元オブジェクトを抽出する場合、同一標高上に点群が３点以上ないとポール上の物体は検出することができないため、MMSの走行速度を著しく低速とするか、レーザスキャナの秒間あたりの照射点の数を多くする必要があるため、高価な装置が必要であった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、検査車両の走行速度を低速化したり、レーザスキャナの秒間あたりの照射点の数を多くすることなく、設備の状態を正確に検出できるようにした設備状態検出方法および装置の設置方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、計測部から取得した屋外構造物の表面上の点における３次元座標を表す３次元点群データを用いて管理対象の設備の状態を検出する方法であって、３次元点群データより前記設備を３次元オブジェクト化するようにしたものである。

第２の態様は、計測部から取得した屋外構造物の表面上の点における３次元座標を表す３次元点群データを用いて管理対象の設備の状態を検出する方法であって、３次元点群データより前記設備を３次元オブジェクト化してＧＩＳ（Geographic Information System）上に配置することで３次元地図を作成するようにしたものである。

第３の態様は、前記作成した３次元地図から当該ポールの傾斜角及びたわみを検出する工程を、さらに備えるようにしたものである。

第４の態様は、前記作成した３次元地図から当該ポールと隣接するポールとの距離を検出する工程を、さらに備えるようにしたものである。

第５の態様は、前記作成した３次元地図から当該ケーブルの最低地上高を検出する工程を、さらに備えるようにしたものである。

第６の態様は、前記作成した３次元地図から３次元オブジェクトの座標情報を抽出し、既存の設備データベース上の設備の位置情報を、それら設備名称等から突合することにより更新するようにしたものである。

第７の態様は、計測部から点群を取得する際に、レーザスキャナの発振するスキャンラインの角度を鉛直方向に対して斜め方向となる様に当該装置を配置し、当該装置にて取得した点群から新たな点群を創り出すようにしたものである。

この発明によれば、検査車両の走行速度を低速化したり、レーザスキャナの秒間あたりの照射点の数を多くすることなく、設備の状態を正確に検出できるようにした設備状態検出方法および装置の設置方法を提供することができる。

この発明の一実施形態に係る設備状態検出方法を実施するための装置の概略構成図。 この発明の一実施形態に係る設備状態検出方法を実施するための装置の詳細な構成を示すブロック図。 ３次元オブジェクトにおける抽出処理の手順と処理内容を示すフローチャート。 図３に示した処理手順のうちポール検出処理の手順と処理内容を示すフローチャート。 図３に示した処理手順のうちケーブル検出処理の手順と処理内容を示すフローチャート。 図３に示した処理手順のうちクロージャ検出処理の手順と処理内容を示すフローチャート。 レーザスキャナから鉛直方向にスキャンラインを発振する場合の速度依存性を示す図。 円形の物体を点群より抽出する際に必要な点群数を示す図。 レーザスキャナから鉛直方向にスキャンラインを発振して３次元オブジェクトを抽出した場合の再現率及び適合率を実測した結果を示す図。 レーザスキャナから鉛直方向に対し斜め方向にスキャンラインを発振して取得した点群同士から、新たな点群を創り出し３次元オブジェクト化する場合の速度依存性を示す図。 レーザスキャナから鉛直方向に対し斜め方向にスキャンラインを発振てし取得した点群同士から、新たな点群を創り出し３次元オブジェクト化した場合の再現率及び適合率を実測した結果を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
（構成）
図１は、この発明の一実施形態に係る設備状態検出方法を実施するための検出装置の概略構成図である。この検出装置は、検査車両ＭＢに搭載されるもので、３次元レーザスキャナ１と、カメラ２と、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機３と、慣性計測装置としてのＩＭＵ４と、走行距離計としてのオドメータ５と、記憶媒体１０と、演算装置１１とを備えている。検出装置は、検査車両ＭＢの走行中に、３次元レーザスキャナ１、カメラ２、ＧＰＳ受信機３、ＩＭＵ４およびオドメータ５により周囲の３次元測量を行い、これらのデータを点群データ保存装置としての記憶媒体１０に格納することで、ポール６やケーブル７、クロージャ８等の屋外構造物の表面上の点の３次元（ＸＹＺ）座標を点群データとして取得する。

図２は、この発明の一実施形態に係る設備状態検出方法を実現するための検出装置の詳細な構成を示すブロック図である。上記３次元レーザスキャナ１、カメラ２、ＧＰＳ受信機３、ＩＭＵ４およびオドメータ５から出力された計測データは、それぞれ屋外構造物までの３次元距離データ、画像データ、車両の位置座標データ、車両の加速度データおよび車両の走行距離データとして、計測時刻に関連付けられて記憶媒体１０に格納される。

演算装置１１は、中央処理ユニット（Central Processing Unit：ＣＰＵ）および演算用メモリを備え、この実施形態を実施するために必要な機能として、抽出処理部１２と、ＧＩＳ（Geographic Information System）部１３と、傾斜角・たわみ算出部１４と、ケーブル地上高算出部１５とを備えている。なお、これらの機能部は、いずれも図示しないプログラムメモリに格納されたプログラムを上記ＣＰＵに実行させることにより実現される。

抽出処理部１０は、上記記憶媒体１０に格納された点群データをもとに３次元オブジェクトを生成する。ＧＩＳ部１３は、上記生成された３次元オブジェクトを、上記記憶媒体１０に格納された画像データと共に、地図データ上に重畳することにより、３次元地図データを作成する。傾斜角・たわみ算出部１４は、上記作成された３次元地図データの持つ座標情報をもとに、検出対象がポール６であればその傾斜角およびたわみを算出する。ケーブル地上高算出部１５は、検出対象がケーブル７であれば、その最低地上高を算出する。そして、これらの算出部１４，１５は、算出したポール６の傾斜角およびたわみと、ケーブル７の最低地上高を、上記ＧＩＳ部１３により作成された３次元地図データに併せて重畳する。

（動作）
次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。
図３のステップＳ１〜Ｓ６は、抽出処理部１２における３次元オブジェクトの抽出処理の概要を示すフローチャートである。また、図４のステップＳ１１〜Ｓ１８は、ポール６を３次元オブジェクトとして抽出して、ポール６の中心座標、傾斜角とたわみを算出する処理手順と処理内容を示すフローチャートである。図５のステップＳ３１〜Ｓ３８は、ケーブル７を３次元オブジェクトとして抽出する処理手順と処理内容を示すフローチャートである。図６のステップＳ５１〜Ｓ５４は、クロージャ８を３次元オブジェクトとして抽出する処理手順と処理内容を示すフローチャートである。

（１）動作の概要
MMSを構成する各計測部１，２，３，４，５によりそれぞれ計測された、屋外構造物までの３次元距離データ、画像データ、車両の位置座標データ、車両の加速度データおよび車両の走行距離データの点群データを、抽出処理部１２により３次元オブジェクトに変換し、ＧＩＳ部１３により地図上に重畳することにより３次元地図データを作成する。そして、前記作成した３次元地図から３次元オブジェクトの座標情報を抽出し、既存の設備データベース上の設備の位置情報を、それら設備名称等から突合することにより更新する。

このようにすることで、電柱や信号柱等のポール６間距離を現地に向かうことなく測定したり、画像データから被撮影対象の周辺状況を現地に向かうことなく参照したりすることが可能となる。また、従来から保有している設備管理データに記載のポール名称等と突合することにより、位置情報等の各種設備情報における更新が容易にかつ正確に可能となる。

（２）ケーブル７の最低地上高の算出
MMSによって取得した設備の点群データを３次元オブジェクトに変換し、地図上に重畳した３次元地図を利用して、ケーブル地上高算出部１５により対象となるケーブル７の最低地上高を現地に向かうことなく測定することが可能となる。この手法は点群データの最下点を採用せず、３次元オブジェクト化する際に点群データのつながりを予測して滑らかに結ぶ手法をとるため、真の最下点を採用することができ、より正確な高さ測定を実現することが可能となる。また、地上高不足であった場合の地点を現地に向かうことなく把握することが可能となり、容易に点検計画および設備改修計画を立案することが可能となる。

（３）ポール６の傾斜角およびたわみの算出
MMSによって取得した設備の点群データを３次元オブジェクトに変換し、地図上に重畳した３次元地図を利用して、傾斜角・たわみ算出部１４により、対象となる電柱や信号柱等のポール６の傾斜角及びたわみを現地に向かうことなく測定することが可能となる。また、傾斜角及びたわみの大きいポール６を現地に向かうことなく把握することが可能となり、容易に点検計画および設備改修計画を立案することが可能となる。さらに、傾斜角の経年変化が起こっているポール６についても、一定期間の間隔で測定されたデータに基づいて容易に把握することが可能となり、点検計画および設備改修計画を容易に立案することが可能となる。

すなわち、この発明の第１の実施形態では、既存の設備管理データベースがなくても点群データより３次元オブジェクトを抽出することを可能とし、この３次元オブジェクトより設備の状態を検出するようにしている。加えて、MMSによる点群データの取得時に、MMSの走行速度を低速としたり、秒間あたりの照射点の数が多い、高価なレーザスキャナではなくとも3次元オブジェクトが精度よく抽出するようにしている。

具体的には、点群を取得した時間情報からレーザスキャナの走査線ごとにクラスタ化したものをスキャンラインとして取扱い、同一スキャンライン上の点群データの有する位置情報(XYZ座標)から、照射された物体の形状を推測する。この形状の推測から、先ずポール状の物体を選別し、さらに電柱や信号柱の外形上の特徴に基づいて、３次元オブジェクトに変換する。
そして、当該３次元オブジェクトが電柱であった場合は、隣り合う２本の電柱の３次元オブジェクトから、電線や電話線等のケーブル７に対応する３次元オブジェクトを抽出するための点群データの範囲（３次元のＸＹＺ座標範囲）を絞り込み、電柱の外形上の特徴に基づいて当該ケーブルに対応する３次元オブジェクトに変換する。
続いて、隣り合う２本のポール６，６の３次元オブジェクトおよびケーブル７の３次元オブジェクトから、クロージャ８に対応する３次元オブジェクトを検出するための点群データの範囲（３次元のＸＹＺ座標範囲）を絞り込み、クロージャ８の外形上の特徴に基づいて当該クロージャ８に対応する３次元オブジェクトに変換する。
以上のように、MMSによる点群データからポール６、ケーブル７、クロージャ８等の管理対象設備を検出する。

さらに、前記変換されたポール６に対応する３次元オブジェクトより、当該ポールの最下点から鉛直上方に伸ばした垂線と、ポールの最下点から任意の高さまでの中心点を結んだ鉛直上方の中心線がなす角度を算出し、当該ポール６の状態「ポールの傾斜角」として検出する。また、前記ポール６の傾斜角とポール６の中心点との距離を算出し、当該ポール６の状態「ポールのたわみ」として検出する。
さらに、前記変換されたケーブル７に対応する３次元オブジェクトからケーブル７の最下点と地表面との差分を算出し、当該ケーブル７の状態「ケーブル地上高」として検出する。
加えて、ポール６の最下点に位置する中心座標と隣接するポール６の中心座標から差分を算出し当該ポール６間の状態「ポール間の距離」とする。
さらに、３次元オブジェクトの有する位置情報とMMSに搭載しているカメラ２にて撮影した画像データの有する位置情報とを連携することで、当該３次元オブジェクトのMMSにて走行した時点で撮影した画像データを参照するようにしたものである。

従って、MMSを利用して電柱や信号柱等のポール６、電線や電話線等のケーブル７、クロージャ８等の設備の実際の状態（ポール６の傾斜角及びたわみ、ケーブル７の地上高等）を正確に検出することが可能となり、それら設備の状態を判定することができる。また、MMSの走行速度を低速にする必要がないため、他の車両における交通の妨げにもならない。加えて、レーザスキャナ１の発振周期が小さくても３次元オブジェクトの抽出が可能であるため、安価なレーザスキャナ１でも当該方法が実現できるため、費用の低減が可能である。

［第２の実施形態］
この発明の第２の実施形態は、レーザスキャナ１から発振するスキャンラインを鉛直方向に対して斜め方向となる様にすることで、検査車両ＭＢの走行速度に依らず（速度依存性の極小化）にかつ精度良く３次元オブジェクト化を可能とするものである。

図７に示す様に、検査車両ＭＢの車速を上げるに従いスキャンラインの間隔が大きくなる。円柱の様に、円を鉛直方向に積み重ねた形状を持つ場合に点群から３次元オブジェクトを抽出するためには、図８に示す様に同一高度に3点以上ないと円の形状が定まらない。よって、スキャンラインの間隔が大きくなるという前述の現象は、３次元オブジェクトを抽出する際に、抽出が出来なくなることを示している。

当該現象を説明するために、同一箇所を速度１０〜４０km/hの１０km/h刻みで検査車両ＭＢを走行させ、点群を取得した結果から、上記（１）〜（３）に記載した処理によりポール６を抽出した結果を図９に示す。同図より、速度を上げるにつれて、抽出の評価手法である再現率及び適合率が低下するのが分かる。

これに対し、この発明の第２の実施形態では、図１０に示す様にレーザスキャナ１から発振するスキャンラインを鉛直方向に対して斜め方向となる様に設定し、点群を取得する。また、当該点群同士が存在しない空間上に点群及びスキャンラインを創り出した後に３次元オブジェクト化する。このようにすると、図１１に示す様に、再現率及び適合率が速度を上げた場合でも変化が少なく、かつ図９に示した結果と比較して高い数値となっている。

［その他の実施形態］
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記各実施形態では、演算装置１１を検査車両ＭＢに搭載した場合を例にとって説明したが、演算装置１１を地上の管理センタや計算センタなどに設け、検査車両ＭＢから記憶媒体１０に格納された点群データおよび画像データを通信装置によりネットワークを介して上記演算装置１１へ送信し、処理するようにしてもよい。

その他、装置の構成や図３から図６に示した処理手順および処理内容についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

要するにこの発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…３次元レーザスキャナ１、２…カメラ、３…ＧＰＳ受信機、４…慣性計測装置としてのＩＭＵ、５…走行距離計としてのオドメータ、６…ポール、７…ケーブル、８…クロージャ、１０…記憶媒体、１１…演算装置、１２…抽出処理部、１３…ＧＩＳ部、１４…傾斜角・たわみ算出部、１５…ケーブル地上高算出部。

Claims (7)

1. 計測部から取得した屋外構造物の表面上の点における３次元座標を表す３次元点群データを用いて管理対象の設備の状態を検出する方法であって、
   ３次元点群データより前記設備を３次元オブジェクト化する設備状態検出方法。
2. 計測部から取得した屋外構造物の表面上の点における３次元座標を表す３次元点群データを用いて管理対象の設備の状態を検出する方法であって、
   ３次元点群データより前記設備を３次元オブジェクト化してＧＩＳ（Geographic Information System）上に配置することで３次元地図を作成する設備状態検出方法。
3. 前記作成した３次元地図から当該ポールの傾斜角及びたわみを検出する工程を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の設備状態検出方法。
4. 前記作成した３次元地図から当該ポールと隣接するポールとの距離を検出する工程を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の設備状態検出方法。
5. 前記作成した３次元地図から当該ケーブルの最低地上高を検出する工程を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の設備状態検出方法。
6. 前記作成した３次元地図から３次元オブジェクトの座標情報を抽出し、既存の設備データベース上の設備の位置情報を、それら設備名称等から突合することにより更新することを特徴とする請求項２記載の設備状態検出方法。
7. 計測部から点群を取得する際に、レーザスキャナの発振するスキャンラインの角度を鉛直方向に対して斜め方向となる様に当該装置を配置し、当該装置にて取得した点群から新たな点群を創り出すための装置の設置方法。