JP2019020348A - トンネル計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い点検精度を維持しつつ、変状を示す覆工展開図の生成を効率的に行うことができる技術を提供する。【解決手段】三次元レーザスキャナ１は、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む三次元点群データを取得する。三次元モデル生成部２１は、三次元点群データに基づいて、トンネル覆工内面の三次元モデルを生成する。覆工展開図生成部２２は、三次元モデルに基づいて、トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成する。指定受付部２３は、覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル覆工内面の形状および変状状況を計測するための技術に関するものである。

従来から、トンネル点検においては、近接目視、打音検査あるいは触診を覆工等に対して行い、その結果検出された変状箇所に適宜のマーキング（例えばチョークによる色づけ）を覆工表面に行う。ついで、マーキングされた変状の形状や寸法について、作業者が目視によりフリーハンドでスケッチし、スケッチで得られた原図をＣＡＤ等でトレースして、覆工展開図を作成している（例えば国土交通省「道路トンネル定期点検要領」参照）。

ところで、トンネル点検における変状箇所（マーキング）のスケッチにおいては、作業員の熟練度による人的誤差の影響が大きい。したがって、得られた覆工展開図の精度には改善の余地がある。また、このような手順による覆工展開図の作成にはかなりの労力を要するという問題もある。

そこで、下記特許文献１に示されるように、カメラ画像を用いてトンネル点検の自動化を図る技術も提案されている。しかしながら、トンネル覆工内面の状況は非常に多様であり、画像による診断のみにより十分な点検精度を得ることは難しい。また、下記特許文献２及び３に示されるように、三次元レーザスキャナを用いてトンネル形状をモデル化し、その形状を抽出する技術も提案されているが、このような計測データによる診断のみでは、やはり十分な点検精度を得ることは難しい。

特開２００７−２１８７２５号公報 特開２０１６−２０５８３７号公報 特開２０１２−２２０４７１号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、高い点検精度を維持しつつ、変状を示す覆工展開図の生成を効率的に行うことができる技術を提供することである。

本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。

（項目１）
三次元レーザスキャナと、処理部とを備えており、
前記三次元レーザスキャナは、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む三次元点群データを取得する構成となっており、
前記処理部は、三次元モデル生成部と、覆工展開図生成部と、指定受付部とを有しており、
前記三次元モデル生成部は、前記三次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成する構成となっており、
前記覆工展開図生成部は、前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成する構成となっており、
前記指定受付部は、前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付ける構成となっている
ことを特徴とするトンネル計測システム。

（項目２）
さらに出力部を備えており、
前記出力部は、前記覆工展開図生成部により生成された前記覆工展開図を、前記ユーザに対して表示する構成となっている、
項目１に記載のトンネル計測システム。

（項目３）
さらに入力部を備えており、
前記入力部は、前記覆工展開図中の所定位置に対する前記指定を入力可能なデバイスにより構成されている
項目１又は２に記載のトンネル計測システム。

（項目４）
前記デバイスは、マウス、ペンタブレット、タッチペン、タッチパネルのいずれかである
項目３に記載のトンネル計測システム。

（項目５）
前記トンネル覆工内面には、検査後のマーキングが施されている
項目１〜４のいずれか１項に記載のトンネル計測システム。

（項目６）
前記三次元レーザスキャナは、前記三次元点群データの取得時においては、前記トンネル覆工内面に対して相対移動しないように配置されている
項目１〜５のいずれか１項に記載のトンネル計測システム。

（項目７）
三次元レーザスキャナを用いて、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む３次元点群データを取得するステップと、
前記三次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成するステップと、
前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成するステップと、
前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付けるステップと
を有することを特徴とするトンネル計測方法。

（項目８）
三次元レーザスキャナを用いて、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより得られた、輝度情報と三次元座標情報とを含む３次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成するステップと、
前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成するステップと、
前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付けるステップとをコンピュータにより実行するためのコンピュータプログラム。

このコンピュータプログラムは、適宜な記録媒体（例えばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤのような光学的な記録媒体、ハードディスクやフレキシブルディスクのような磁気的記録媒体、あるいはＭＯディスクのような光磁気記録媒体）に格納することができる。このコンピュータプログラムは、インターネットなどの通信回線を介して伝送することができる。

本発明によれば、高い点検精度を維持しつつ、変状を示す覆工展開図の生成を効率的に行うことが可能になる。

本発明の一実施形態に係るトンネル計測システムの概略的な構成を示すためのブロック図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル計測方法の手順を説明するためのフローチャートである。 トンネル内に三次元レーザスキャナを配置した状態を説明するための説明図である。 トンネル形状に対応する三次元モデルの一例を示す説明図である。 覆工展開図の一例を示す説明図である。 覆工展開図にトレース入力を行った状態を示す説明図である。 覆工展開図に基づくＣＡＤ図面を示す説明図である。 覆工展開図の具体例を示す図である。 ＣＡＤ図面の具体例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るトンネル計測システム（以下「システム」と略称することがある）について説明する。このシステムは、三次元レーザスキャナ１と、処理部２とを基本的な要素として備えている。さらにこのシステムは、出力部３と入力部４とを追加的な要素として備えている（図１参照）。本実施形態におけるトンネルとは、道路用トンネルに限らず、鉄道トンネル、水路トンネルなど、各種のトンネルを含む意味であり、さらには、洞門であってもよい。ただし、以下の説明においては、特に説明の無い限り、道路用トンネルを前提とする。

（三次元レーザスキャナ）
三次元レーザスキャナ１は、トンネル５（後述の図３参照）の内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む三次元点群データを取得する構成となっている。このような三次元レーザスキャナとしては、例えば商品名「Focus3D X 130 HDR」（FARO社）を用いることができるが、これには制約されず、必要な機能を持つ各種のものを使用可能である。

ここで、三次元点群データの取得の対象となるトンネル覆工内面は、この実施形態においては、作業員による点検後のチョークによるマーキングが既に施されているものである。

また、三次元レーザスキャナ１は、三次元点群データの取得時においては、トンネル覆工内面に対して相対移動しないように配置されている。

（処理部）
処理部２は、三次元モデル生成部２１と、覆工展開図生成部２２と、指定受付部２３とを有している。処理部２は、必要な処理を行うためのコンピュータハードウエアとソフトウエア（コンピュータプログラム）の組み合わせにより実装可能である。

三次元モデル生成部２１は、取得された三次元点群データに基づいて、トンネル覆工内面の三次元モデルを生成する構成となっている。このようなモデル生成の手法としては、既存の手法を利用可能なので、詳しい説明は省略する。

覆工展開図生成部２２は、生成された三次元モデルに基づいて、トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成する構成となっている。三次元モデルに基づく二次元展開図の生成についても、既存の手法を利用可能なので、詳しい説明は省略する。

指定受付部２３は、覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付ける構成となっている。

（出力部）
出力部３は、覆工展開図生成部２２により生成された覆工展開図を、ユーザに対して表示する構成となっている。出力部３としては、例えばディスプレイであるが、これには制約されず、ユーザに必要な情報を呈示できるデバイスであればよい。

（入力部）
入力部４は、覆工展開図中の所定位置に対する、ユーザからの指定を入力可能なデバイスにより構成されている。このデバイスは、例えば、マウス、ペンタブレット、タッチペン、タッチパネルのいずれかであるが、これらには制約されず、必要な入力が可能な別のデバイスであってもよい。

（本実施形態の動作）
次に、前記した本実施形態のシステムを用いたトンネル計測方法を、図２をさらに参照しながら説明する。

（図２のステップＳＡ−１及びＳＡ−２）
まず、道路の必要箇所において通行規制を行い、作業者による点検を行う。点検の手法としては、既存の手法でよく、例えば、近接目視、打音検査、触診等であるが、これらに制約されるものではない。

（図２のステップＳＡ−３）
ついで、作業者により、変状箇所にマーキングを行う。マーキングは、例えばチョークを用いて、トンネル覆工内面に直接に彩色することにより行うことができる。例えばひび割れの場合、そのひび割れに沿ってチョークで彩色する。あるいは、くぼみの場合は、くぼみの周囲をチョークで彩色する。変状の特徴（例えばひび割れの太さ）を当該変状の近傍に書き込んでおくこともできる。これらの作業は、従来の点検作業と同様でよいので、これ以上詳しい説明は省略する。

（図２のステップＳＡ−４）
ついで、トンネル５の内部の路面上に、三次元レーザスキャナ１を、例えば三脚を用いて設置する（図３参照）。これにより、トンネル５と三次元レーザスキャナ１とは相対移動しないことになる。

また、三次元レーザスキャナ１の仕様にもよるが、図示の例においては、三次元レーザスキャナ１の較正を行うための基準点６を、適宜の位置に設置する。基準点６としては、この例では白球が用いられている。基準点の使用方法については、従来と同様なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態のレーザスキャナ１は、計測単位７（図３参照）ごとに設置されるようになっている。通常は、１台のレーザスキャナ１を、一つの計測単位７でのデータ取得が終わるたびに三脚と一緒に移動させる。ただし、一つの計測単位７での撮影中は、レーザスキャナ１とトンネル覆工内面とは相対移動しないようになっている。

三次元レーザスキャナ１で取得した三次元点群データは、処理部２の三次元モデル生成部２１に送られる。

（図２のステップＳＡ−５）
次いで、三次元モデル生成部２１は、受け取った三次元点群データを用いて、トンネル覆工内面形状の三次元モデル（例えば三次元サーフェスモデル）を生成する。生成されたモデルの一例を図４に示す。この例では、三次元点群データは、位置情報だけでなく、点ごとの輝度情報も持っているので、各画素に濃淡（例えば８ビット２５６諧調のグレースケール）を有している。また、図４の例では、見やすくするために、背景を暗くしている。

ついで、覆工展開図生成部２２は、生成された三次元モデルを用いて、覆工展開図８を生成する。生成される覆工展開図８の一例を図５に模式的に示す。図中の符号８１は中心線である。

生成された覆工展開図８は、出力部３によりユーザに提示される。ここで、覆工展開図８には、輝度情報を持っているので、マーキングによる彩色の位置を、覆工展開図８上においてユーザが識別できる。したがって、本例のマーキングにおける彩色は、このような識別を可能にする色（白などの無彩色であってもよい）を用いて行うことが好ましい。

（図２のステップＳＡ−６）
ついで、ユーザは、出力部３により提示された覆工展開図８を見ながら、覆工展開図８中の変状箇所（つまりマーキング箇所）を認識し、当該変状箇所に対する指定（いわばトレース入力）を行う。具体的には、ユーザは、覆工展開図８を見ながら、マウスのカーソルを変状箇所に合わせ、変状箇所に合わせて適宜な線分を入力することができる（図６参照）。あるいは、ユーザは、変状に対応した特徴（例えば太さ）を、適宜な入力デバイス（例えばキーボードやマウス）を用いて入力することもできる。システムは、ユーザからのこれらの入力を指定受付部２３により受け付ける。

従来は、トンネル覆工内面のマーキングを現場で視認しながら、作業者が目視によりフリーハンドでスケッチし、スケッチで得られた原図をＣＡＤ等でトレースしていたので、トレース時に変状の位置ずれを生じるおそれがあり、また、現場作業が長引くために交通規制時間が長くなる等の問題があった。これに対して、本実施形態のシステムによれば、三次元点群データに基づいてマーキング位置が高精度に位置決めされた覆工展開図８に対して、変状箇所の指定を行うので、変状位置を高精度で指定できるという利点がある。さらに、この指定作業は現場でなく室内で実行可能なので、現場の交通規制時間を短縮できるという利点もある。

本実施形態では、ユーザによるトレース入力（軌跡）をＣＡＤ図面９としている（図７参照）。このＣＡＤ図面９では、覆工展開図８の座標系上でのトレース位置を抽出して明示できるようになっている。

（図２のステップＳＡ−７）
ついで、作業者は、トレース入力を有する覆工展開図（具体的にはＣＡＤ図面９）に対して診断を行う。この診断自体は、従来の手法と同様でよい。ただし、本実施形態では、作業者による通常の点検によるマーキングを前提として、そのマーキングに基づいて診断を行うことができる。したがって、画像のみで変状を判定するような従来技術に比較して、高精度での診断が可能であるという利点がある。

（図２のステップＳＡ−８）
ついで、ユーザは、診断結果に基づいて、トンネルについての点検調書を作成することができる。

本実施形態では、三次元点群データを用いて三次元モデルを生成するので、トンネルの立体形状を把握できる。経時的に複数回の計測を行えば、変状の進行性を把握することもできる。

（実施例）
実際に三次元点群から生成された覆工展開図８の例を図８に示す。また、この図８にトレース入力を行って生成されたＣＡＤ図面９の例を図９に示す。図９の例では、ひび割れの寸法や特徴などを適宜付記している。

なお、前記実施形態および実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

例えば、トンネル形状としては、断面円形状に限らず、例えば断面矩形状であってもよい。

また、前記の例では、三次元点群データが輝度情報を持つものとしたが、さらに色情報を持つものであってもよい。

１ 三次元レーザスキャナ
２ 処理部
２１ 三次元モデル生成部
２２ 覆工展開図生成部
２３ 指定受付部
３ 出力部
４ 入力部
５ トンネル
６ 基準点
７ 計測単位
８ 覆工展開図
８１ 覆工展開図の中心線
９ ＣＡＤ図面

Claims (8)

1. 三次元レーザスキャナと、処理部とを備えており、
   前記三次元レーザスキャナは、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む三次元点群データを取得する構成となっており、
   前記処理部は、三次元モデル生成部と、覆工展開図生成部と、指定受付部とを有しており、
   前記三次元モデル生成部は、前記三次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成する構成となっており、
   前記覆工展開図生成部は、前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成する構成となっており、
   前記指定受付部は、前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付ける構成となっている
   ことを特徴とするトンネル計測システム。
2. さらに出力部を備えており、
   前記出力部は、前記覆工展開図生成部により生成された前記覆工展開図を、前記ユーザに対して表示する構成となっている、
   請求項１に記載のトンネル計測システム。
3. さらに入力部を備えており、
   前記入力部は、前記覆工展開図中の所定位置に対する前記指定を入力可能なデバイスにより構成されている
   請求項１又は２に記載のトンネル計測システム。
4. 前記デバイスは、マウス、ペンタブレット、タッチペン、タッチパネルのいずれかである
   請求項３に記載のトンネル計測システム。
5. 前記トンネル覆工内面には、点検後のマーキングが施されている
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のトンネル計測システム。
6. 前記三次元レーザスキャナは、前記三次元点群データの取得時においては、前記トンネル覆工内面に対して相対移動しないように配置されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のトンネル計測システム。
7. 三次元レーザスキャナを用いて、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより、輝度情報と三次元座標情報とを含む３次元点群データを取得するステップと、
   前記三次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成するステップと、
   前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成するステップと、
   前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付けるステップと
   を有することを特徴とするトンネル計測方法。
8. 三次元レーザスキャナを用いて、トンネル覆工内面にレーザを照射することにより得られた、輝度情報と三次元座標情報とを含む３次元点群データに基づいて、前記トンネル覆工内面の三次元モデルを生成するステップと、
   前記三次元モデルに基づいて、前記トンネル覆工内面を二次元に展開した覆工展開図を生成するステップと、
   前記覆工展開図における変状が存在する位置に対するユーザからの指定を受け付けるステップとをコンピュータにより実行するためのコンピュータプログラム。