JP2019066368A - 構造物の変位検出システムおよび構造物の変位検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】建設現場などの広い領域における変位検出を効率的に行う。【解決手段】構造物の変位検出システム１０は、構造物の表面に取り付けられたマーカ１２と、構造物のマーカ１２が取り付けられた箇所を含む画像を撮影する撮影部１４と、撮影部１４で撮影された画像から画像認識によりマーカ１２を抽出し、画像上におけるマーカ１２の位置を算出するマーカ抽出部１６と、異なる時刻に撮影された複数の画像上におけるマーカ１２の位置の差分に基づいて、構造物の変位を検出する変位検出部１８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の変位を検出する構造物の変位検出システムおよび構造物の変位検出方法に関する。

従来、建設分野で構造物等の変位を検出する方法としては、例えばトランシットやレベル、巻尺、トータルステーションなどの器具や機器を用いて計測を行うのが一般的である。このような器具や機器を用いた計測は、人的な工数が多くかかったり、計測時に施工作業が中断するなどの課題がある。
一方、製造業分野等では画像を用いて変位を検出する技術が開発されている。この技術では、画像により物体の初期形状を記憶するとともに、現段階での物体の画像を初期画像と比較することにより変位を検出する。
例えば、下記特許文献１は、撮像装置により基準画像及び照合画像を撮影し、基準画像及び照合画像の撮影画像信号を、画素が一列に並ぶライン単位に夫々分割し、それら基準画像及び照合画像の同一ラインに関して、位相限定相関法を用いて各ライン毎の変位量を演算するライン変位量演算工程を実行する。次いで、各ライン毎のライン変位量を、大小の順位で配列した際の中間的な順位に位置される複数個のライン変位量を抽出する抽出工程を実行する。この後、抽出された複数個のライン変位量の平均値を算出し、その結果を当該ラインの延びる方向に関する対象の変位量算出結果とする平均変位量算出工程を実行している。

特開２０１３−１９５１３４号公報

建設分野の現場環境は、製造業分野の現場環境と比較して、例えば検出対象の領域が広い、検出対象物が大きい、気象や昼夜の明暗が影響する、一般に多点が検出対象となる、などの違いがある。このため、画像による変位検出技術を建設分野に適用する場合には、製造業分野と異なる技術が必要となる。
例えば、建設分野では検出対象領域が広いため、変位検出の対象物自体の形状を計測することは困難であり、対象物にマーカを設置してマーカの変位を検出するのが一般的な手段となる。
ここで、対象物に複数のマーカを設置し、同一画面で多点の変位を検出する際には、各検出箇所でのマーカの識別が問題となる。従来、同一画面でのマーカの識別は、マスク処理を用いて行っていた。マスク処理とは、各マーカの近傍だけをくりぬいた黒い台紙のような画像を用意し、検出対象画像の上に載せて各マーカのみが対象画像となるようにする処理である。
しかしながら、このようなマスク処理では検出領域ごとに画像内のマーカの数だけマスク画像を用意しなければならず、またマスク画像は一般に汎用性を持たないため使い回しができない。建設現場のように変位検出の対象箇所が多い場合、それぞれの対象箇所に対してマスクを作成するのは現実的ではない。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、建設現場などの広い領域における変位検出を効率的に行うことにある。

上述の目的を達成するため、請求項１の発明にかかる構造物の変位検出システムは、構造物の表面に取り付けられたマーカと、前記構造物の前記マーカが取り付けられた箇所を含む画像を撮影する撮影部と、前記撮影部で撮影された画像から画像認識により前記マーカを抽出し、前記画像上における前記マーカの位置を算出するマーカ抽出部と、異なる時刻に撮影された複数の画像上における前記マーカの位置の差分に基づいて、前記構造物の変位を検出する変位検出部と、を備えることを特徴とする。
請求項２の発明にかかる構造物の変位検出システムは、前記マーカは、前記構造物の表面の異なる箇所に複数取り付けられており、前記撮影部は、複数の前記マーカを含む画像を撮影し、前記マーカ抽出部は、前記画像上の複数の前記マーカの位置をそれぞれ算出し、前記変位検出部は、それぞれの前記マーカが取り付けられた箇所における前記構造物の変位を検出する、ことを特徴とする。
請求項３の発明にかかる構造物の変位検出システムは、複数の前記マーカは、それぞれ異なる視認態様であり、前記マーカ抽出部は、前記マーカの視認態様の違いに基づいて、複数の前記マーカを識別する、ことを特徴とする。
請求項４の発明にかかる構造物の変位検出システムは、複数の前記マーカは、それぞれ模様が異なる、ことを特徴とする。
請求項５の発明にかかる構造物の変位検出システムは、前記構造物の変位が所定状態となった場合に報知する報知部を更に備える、ことを特徴とする。
請求項６の発明にかかる構造物の変位検出方法は、構造物の表面に取り付けられたマーカを撮影範囲に含む画像を、複数のタイミングで撮影する撮影工程と、前記撮影工程で撮影された複数の画像からパターン認識により前記マーカを抽出し、前記画像上における前記マーカの位置を抽出するマーカ抽出工程と、比較対象となる複数の画像上における前記マーカの位置の差分に基づいて、前記構造物の変位を検出する変位検出工程と、を含んだことを特徴とする。
請求項７の発明にかかる構造物の変位検出方法は、前記マーカは、前記構造物上の異なる箇所に複数取り付けられており、前記撮影工程では、複数の前記マーカを含む画像を撮影し、前記マーカ抽出工程では、前記画像上の複数の前記マーカの位置をそれぞれ抽出し、前記変位検出工程では、それぞれの前記マーカが取り付けられた箇所における前記構造物の変位を検出する、ことを特徴とする。
請求項８の発明にかかる構造物の変位検出方法は、複数の前記マーカは、それぞれ異なる視認態様であり、前記マーカ抽出工程では、前記マーカの視認態様の違いに基づいて、複数の前記マーカを識別する、ことを特徴とする。
請求項９の発明にかかる構造物の変位検出方法は、複数の前記マーカは、それぞれ模様が異なる、ことを特徴とする。
請求項１０の発明にかかる構造物の変位検出方法は、前記構造物の変位が所定状態となった場合に報知する報知工程を更に含む、ことを特徴とする。

請求項１および６の発明によれば、構造物にマーカを取り付けてマーカが写った画像を撮影するとともに、撮影された画像から画像認識によりマーカを抽出し、異なる時刻に撮影された複数の画像上におけるマーカの位置の差分に基づいて、構造物の変位を検出する。これにより、トランシット等の器具や機器を用いた変位検出と比較して、人的な労力を軽減する上で有利となる。また、例えば高所や狭所など、人間が直接計測する際に危険を伴う場所での変位検出を安全に行う上で有利となる。また、マーカ周辺の様子を画像として残すことができるので、現場におけるトレーサビリティを向上させる上で有利となる。
請求項２および７の発明によれば、マーカが構造物に複数取り付けられており、それぞれの位置における構造物の変位を検出するので、多数の位置における変位を同時に検出することができ、変位検出の効率性を向上させる上で有利となる。
請求項３および８の発明によれば、マーカの視認態様の違いに基づいて各マーカを識別するので、画像解析により多数のマーカを自動的に識別することができ、効率性を向上させる上で有利となる。
請求項４および９の発明によれば、各マーカの模様を異ならせることにより視認態様を異ならせるので、マーカの種類の上限をより大きく設計可能となる。また、色を用いて視認態様を異ならせる場合と比較して、周囲の明度に左右されずに視認態様の違いを検知することができ、精度を向上させる上で有利となる。
請求項５および１０の発明によれば、構造物の変位が所定状態となった場合に報知するので、変位量が大きくなった場合や特定方向への変位など、安全性に問題がある状態をすばやく報知することができ、建設現場の安全性を向上させる上で有利となる。

実施の形態にかかる構造物の変位検出システム１０の構成を示すブロック図である。 構造物へのマーカ１２の取り付け態様の一例を示す図である。 マーカ１２の模様の一例を示す図である。 変位検出システム１０の処理を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる構造物の変位検出システムおよび構造物の変位検出方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかる構造物の変位検出システム１０の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、変位の検出対象の構造物がトンネルＴであるものとする。
変位検出システム１０は、マーカ１２、撮影部１４、マーカ抽出部１６、変位検出部１８および報知部１９を備える。

マーカ１２は、構造物の表面、より詳細には構造物のうち変位検出の対象位置に取り付けられる。マーカ１２は、少なくともその表面が背後の構造物と識別可能な視認態様となっている。
本実施の形態では、マーカ１２は、構造物の異なる箇所に複数取り付けられている。これにより、１回の撮影で複数箇所の変位を検出することができる。
図２は、構造物（トンネルＴ）へのマーカ１２の取り付け態様の一例を示す図であり、図２ＡはトンネルＴの延在方向と垂直方向の断面図、図２ＢはトンネルＴの延在方向に沿った断面図である。
図２Ａの例では、トンネルＴの天面Ｆ１および左右の側面Ｆ２にそれぞれ１つずつマーカ１２が取り付けられている。すなわち、トンネルＴの１断面に３個のマーカ１２が付されている。これは、トンネル施工に際して設定されている計測項目のうち、天端沈下および側方変位を検出するためである。
図２Ｂに示すように、図２のようなマーカ１２はトンネルＴの延在方向に沿って所定間隔で設置されている。

上記複数のマーカ１２のうち、少なくとも後述する撮影部１４で画像を撮影した際に、同一画面上に写るマーカ１２は、それぞれ異なる視認態様とする。これは、後述するマーカ抽出部１６で各マーカ１２を識別可能とするためである。
視認態様が異なる、とは、例えば各マーカ１２の模様がそれぞれ異なることを指す。
図３は、マーカ１２の模様の一例を示す図である。
図３の例では、マーカ１２はそれぞれ幾何学模様となっている。この場合、同一画面上に写るマーカ１２は、それぞれ異なる模様を選択して取り付ける。
また、マーカ１２の視認態様の違いは模様に限らず、例えば色の違いとしてもよく、色と模様の違いを組み合わせてもよい。

図１の説明に戻り、撮影部１４は、構造物のマーカ１２が取り付けられた箇所を含む画像を撮影する。
撮影部１４は、例えば静止画または動画を撮影するカメラであり、マーカ１２を含む所定の撮影範囲Ｐを撮影する。図２Ｂの例では、撮影部１４はトンネルＴの天面Ｆ１に取り付けられており、トンネルＴの延在方向に撮影方向を向けている。これにより、トンネルＴの延在方向（奥行き方向）に沿った複数のマーカ１２を撮影可能となり、多断面における変位を同時に検出することができる。
なお、構造物上の全てのマーカ１２を一度に撮影する必要はなく、例えば複数の撮影部１４を設置して撮影してもよいし、適宜撮影部１４を移動させて撮影を行ってもよい。
また、撮影部１４は通常の画像撮影用カメラのみならず、構造物の置かれた環境に対応した種類のカメラであってもよい。例えば、構造物の周辺の明るさが不足している場合には赤外線カメラ等を用いてもよい。
撮影部１４が静止画撮影カメラの場合、例えば所定時間ごとに自動的に所定の範囲を撮影するよう設定してもよいし、手動で撮影操作を行ってもよい。また、撮影部１４が動画撮影カメラの場合は、連続的に動画を撮影しておき、後述するコンピュータ２０で必要な時刻の画像を抜き出せばよい。いずれの場合でも、画像をＳＤカード等の記録媒体に記録しておき、記録媒体内のデータを用いて後述するコンピュータ２０における処理を行ってもよいし、通信回線（または有線接続）を用いてリアルタイムにコンピュータ２０に画像を送信し、後述する処理を行ってもよい。

マーカ抽出部１６、変位検出部１８、報知部１９は、例えばコンピュータ２０が所定の変位検出プログラムを実行することによって実現する。
マーカ抽出部１６は、撮影部１４で撮影された画像から画像認識によりマーカ１２を抽出し、画像上におけるマーカ１２の位置を算出する。
上述のように、各マーカ１２は背後の構造物と識別可能な視認態様となっている。マーカ抽出部１６は、予めマーカ１２の視認態様（模様など）と当該マーカ１２の取り付け位置との対応関係を把握している。そして、周囲の構造物等が共に写りこんだ画像から、機械学習などを用いた画像認識によりマーカ１２の範囲を抽出し、画像内のマーカ１２の位置を特定する。例えば予め図３に示すようなマーカ１２のパターン（模様）を登録しておき、当該パターンとの一致度が所定値以上の領域が画面上にあれば、その領域がマーカ１２であるものと認識する。
また、１つの画像に複数のマーカ１２が写っている場合、マーカ抽出部１６は、画像上の複数のマーカの位置をそれぞれ個別に抽出する。複数のマーカ１２はそれぞれ異なる視認態様であるため、マーカ抽出部１６は、マーカ１２の視認態様の違いに基づいて、複数のマーカ１２を識別する。

変位検出部１８は、異なる時刻に撮影された複数の画像上におけるマーカ１２の位置の差分に基づいて、マーカ１２が取り付けられた位置における構造物の変位を検出する。構造物上に複数のマーカ１２が取り付けられている場合、変位検出部１８は、それぞれのマーカ１２が取り付けられた箇所における構造物の変位を検出する。
なお、異なる時刻に撮影された複数の画像（以下、「比較対象画像」という）は、同じ領域を撮影範囲として撮影された画像であるものとする。具体的には、比較対象画像は、例えば撮影部１４を同一の位置に配置し、焦点距離等の撮影条件を同一にして撮影した画像群であるものとする。

変位検出部１８は、例えば位相限定相関法を用いて、複数の画像内におけるマーカ１２の位置の差分を検出し、当該画像が撮影された時刻間における構造物の変位を検出する。マーカ１２を抽出してマーカ１２の変位を検出することにより、マスク処理等を行うことなく、構造物の局所的な変位を把握することができる。
なお、変位検出部１８による変位検出の手法は位相限定相関法に限らず、従来公知の様々な方法を適用可能である。

報知部１９は、変位検出部１８により検出された構造物の変位が所定状態となった場合に報知する。所定状態とは、例えばマーカ１２の変位量（変位距離）が所定量以上となった場合や変位すると危険な方向への変位が認められた場合、変位速度が所定速度以上の場合などである。このような報知すべき状態を規定した報知条件を、予め各マーカ１２に対して設定しておく。
報知部１９は、変位検出部１８の検出結果を監視し、報知条件に該当する検出結果が出た場合には、構造物に関する作業を行う作業者等に報知する。報知の方法としては、例えば構造物内のスピーカからの音声出力、作業者が保持する携帯型端末または構造物を管理する管理事務所へのアラート送信などが挙げられる。また、例えば撮影部１４により変位箇所の画像を撮影し、作業者等に送信するようにしてもよい。

図４は、変位検出システム１０による処理を示すフローチャートである。
まず、作業者が変移検出対象の構造物の表面にマーカ１２を取り付ける（ステップＳ４００）。つぎに、マーカ１２を撮影範囲に含むように撮影部１４を配置して基準画像を撮影し、記録しておく（ステップＳ４０２）。基準画像とは、構造物およびマーカ１２の初期状態を示す画像である。
基準画像の撮影から所定時間経過すると（ステップＳ４０４：Ｙｅｓ）、基準画像の撮影時と同条件で再度撮影を行い、比較画像を得る（ステップＳ４０６）。

基準画像および比較画像はコンピュータ２０に出力され、マーカ抽出部１６により両画像内のマーカの位置が算出される（ステップＳ４０８）。なお、画像中にマーカ１２が複数写っている場合には、それぞれのマーカ１２を模様や色などから識別してその位置を算出する。
変位検出部１８は、位相限定相関法等を用いて基準画像におけるマーカの位置と比較画像におけるマーカの位置とを比較し、変化があるか否かを判断する（ステップＳ４１０）。両画像のマーカ１２の位置に変化がない場合は（ステップＳ４１０：Ｎｏ）、構造物に変位はないためステップＳ４０４に戻り、以降の処理をくり返す。すなわち、再度所定時間が経過した際に今回撮影時刻における比較画像を撮影し、マーカ１２の位置に変化があるか否かを判断する。このとき、比較対象とする基準画像を、初期画像ではなく、前回撮影時刻における画像（前回の比較画像）としてもよい。

また、両画像のマーカ１２の位置に変化がある場合（ステップＳ４１０：Ｙｅｓ）、変位検出部１８は、さらに変位量および変位方向を算出する（ステップＳ４１２）。報知部１９は、変位量および変位方向が報知条件に該当するか否かを判断する（ステップＳ４１４）。報知条件に該当しない場合は（ステップＳ４１４：Ｎｏ）、ステップＳ４０４に戻り、以降の処理をくり返す。
また、報知条件に該当する場合（ステップＳ４１４：Ｙｅｓ）、報知部１９は作業者等に報知を行う（ステップＳ４１６）。

以上説明したように、実施の形態にかかる変位検出システム１０は、構造物にマーカ１２を取り付けてマーカ１２が写った画像を撮影するとともに、撮影された画像から画像認識によりマーカ１２を抽出し、異なる時刻に撮影された複数の画像上におけるマーカ１２の位置の差分に基づいて構造物の変位を検出する。これにより、トランシット等の器具や機器を用いた変位検出と比較して、人的な労力を軽減する上で有利となる。また、例えば高所や狭所など、人間が直接計測する際に危険を伴う場所での変位検出を安全に行う上で有利となる。また、マーカ周辺の様子を画像として残すことができるので、現場におけるトレーサビリティを向上させる上で有利となる。
また、変位検出システム１０は、マーカ１２が構造物に複数取り付けられており、それぞれの位置における構造物の変位を検出するので、多数の位置における変位を同時に検出することができ、変位検出の効率性を向上させる上で有利となる。
また、変位検出システム１０は、マーカ１２の視認態様の違いに基づいて各マーカ１２を識別するので、画像解析により多数のマーカ１２を自動的に識別することができ、効率性を向上させる上で有利となる。
特に、各マーカ１２の模様を異ならせることにより視認態様を異ならせるようにすれば、マーカ１２の種類の上限をより大きく設計可能となる。また、色を用いて視認態様を異ならせる場合と比較して、周囲の明度に左右されずに視認態様の違いを検知することができ、精度を向上させる上で有利となる。
また、変位検出システム１０は、構造物の変位が所定状態となった場合に報知するので、変位量が大きくなった場合や特定方向への変位など、安全性に問題がある状態をすばやく報知することができ、建設現場の安全性を向上させる上で有利となる。

なお、本実施の形態では変位検出対象の構造物としてトンネルＴを挙げて説明したが、本発明の適用はこれに限らず、例えば山留めに対する各種変位検出や橋脚の傾斜、造成などの土工事における沈下計測など、様々な建設現場に適用可能である。
特に、都市土木の場合、近隣に及ぼす影響が大きいことから山留めへの適用は有効であり、従来行われていた傾斜計や大規模な軸力計などを使った大規模な計測と比較して、より安価に変位の検出を行うことができる。

１０ 変位検出システム
１２ マーカ
１４ 撮影部
１６ マーカ抽出部
１８ 変位検出部
１９ 報知部
２０ コンピュータ

Claims (10)

1. 構造物の表面に取り付けられたマーカと、
   前記構造物の前記マーカが取り付けられた箇所を含む画像を撮影する撮影部と、
   前記撮影部で撮影された画像から画像認識により前記マーカを抽出し、前記画像上における前記マーカの位置を算出するマーカ抽出部と、
   異なる時刻に撮影された複数の画像上における前記マーカの位置の差分に基づいて、前記構造物の変位を検出する変位検出部と、
   を備えることを特徴とする構造物の変位検出システム。
2. 前記マーカは、前記構造物の表面の異なる箇所に複数取り付けられており、
   前記撮影部は、複数の前記マーカを含む画像を撮影し、
   前記マーカ抽出部は、前記画像上の複数の前記マーカの位置をそれぞれ算出し、
   前記変位検出部は、それぞれの前記マーカが取り付けられた箇所における前記構造物の変位を検出する、
   ことを特徴とする請求項１記載の構造物の変位検出システム。
3. 複数の前記マーカは、それぞれ異なる視認態様であり、
   前記マーカ抽出部は、前記マーカの視認態様の違いに基づいて、複数の前記マーカを識別する、
   ことを特徴とする請求項２記載の構造物の変位検出システム。
4. 複数の前記マーカは、それぞれ模様が異なる、
   ことを特徴とする請求項３記載の構造物の変位検出システム。
5. 前記構造物の変位が所定状態となった場合に報知する報知部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の構造物の変位検出システム。
6. 構造物の表面に取り付けられたマーカを撮影範囲に含む画像を、複数のタイミングで撮影する撮影工程と、
   前記撮影工程で撮影された複数の画像からパターン認識により前記マーカを抽出し、前記画像上における前記マーカの位置を抽出するマーカ抽出工程と、
   比較対象となる複数の画像上における前記マーカの位置の差分に基づいて、前記構造物の変位を検出する変位検出工程と、
   を含んだことを特徴とする構造物の変位検出方法。
7. 前記マーカは、前記構造物上の異なる箇所に複数取り付けられており、
   前記撮影工程では、複数の前記マーカを含む画像を撮影し、
   前記マーカ抽出工程では、前記画像上の複数の前記マーカの位置をそれぞれ抽出し、
   前記変位検出工程では、それぞれの前記マーカが取り付けられた箇所における前記構造物の変位を検出する、
   ことを特徴とする請求項６記載の構造物の変位検出方法。
8. 複数の前記マーカは、それぞれ異なる視認態様であり、
   前記マーカ抽出工程では、前記マーカの視認態様の違いに基づいて、複数の前記マーカを識別する、
   ことを特徴とする請求項７記載の構造物の変位検出方法。
9. 複数の前記マーカは、それぞれ模様が異なる、
   ことを特徴とする請求項８記載の構造物の変位検出方法。
10. 前記構造物の変位が所定状態となった場合に報知する報知工程を更に含む、
    ことを特徴とする請求項６から９のいずれか１項記載の構造物の変位検出方法。

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