JP2021117041A - 建築構造物の測量システム、測量方法、及び、測量制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄスキャナによる建築構造物の測量精度を向上させる。【解決手段】建物１０の設備ベース１６において、アーチトラス１２Ａの測量範囲を定め、３Ｄスキャナを設置する測量基準点３０の数を設定し、各測量基準点３０での３Ｄスキャンによるスキャンを実行し、全ての測量基準点３０における点群データを合成して、モデリング処理によって３Ｄデータを生成し、生成した３Ｄデータに対して照明器具２４の配置計画を実行し、取付け基準点を設定すると共に、各取付け基準点の三次元座標を求め、この三次元座標を光波測距儀に登録するようにした。３Ｄスキャナを用いて測量する場合に、遠隔であればあるほど、３Ｄスキャナで測定する点群データの密度が低くなることを解消することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、建築構造物を、３Ｄスキャナを用いて測量する建築構造物の測量システム、測量方法、及び、測量制御プログラムに関する。

建築構造物は、施工誤差や、固定荷重による変形を含む場合がある。このため、建築図面が存在したとしても、建築構造物の改修、及び、照明器具等の増設、といった作業を行う場合、建築構造物を実測することがある。このことは、競技場等の大空間建築構造物において、特に顕著となる。

ところが、競技場等の大空間建築構造物における足場の組み立ては、多大な労力とコストがかかることであり、競技会の開催等の建物の運用を考慮した工事工程上の制約により、足場の組み立てが困難な場合がある。

そこで、建築構造物を、地面（遠隔）から３Ｄスキャナで点群データを測量してモデリング処理することで３Ｄデータを取得し、３Ｄデータ上で、施工基準点を特定することが考えられる。施工基準点とは、例えば、競技場の照明器具の増設であれば、建築構造物を構成する部材において、照明器具の取り付け用架台（例えば、照明器具を据え付ける台座が設けられる軸状部材）を取り付ける位置である。

特許文献１には、３Ｄスキャナを複数設置して複数の３Ｄデータを取得し、これらの複数３Ｄデータを１つのデータにつなぎ合わせる際の誤差を補正してデータの制度を上げる計測方法が記載されている。

特許文献２には、３Ｄスキャナを初期位置に設置して計測して３Ｄデータを収集した後に、３Ｄスキャナを移動させて設置し計測して初期位置での３Ｄデータの未収集分の３データを収集するスキャニング方法が記載されている。

特許第６２３４１６９号公報 特許第５２０４９５５号公報

しかしながら、遠隔の場所を３Ｄスキャナのスキャンにより点群データを取得する場合、遠ければ遠いほど、レーザ光の走査による点群データの測距点の間隔が広がり、所望数（所望の解像度）の点群データを得ることができない。

なお、特許文献１及び特許文献２のように、３Ｄスキャナにより建築構造物の３Ｄデータを取得する技術は存在するが、作業者の近づけない、遠隔の場所を３Ｄスキャナのスキャンにより点群データを取得するときに起こる不具合（点群データの測距点の間隔の広がり）についての記載はない。

また、例えば、特許文献２には、複数の位置に３Ｄスキャナを移動させて設置して計測し、点群データを合成することが記載されているが、これは、所謂死角部分の補間であり、点群データの測距点の間隔の広がりに対する補間ではない。

本発明は、３Ｄスキャナによる建築構造物の測量精度を向上させることができる建築構造物の測量システム、測量方法、及び、測量制御プログラムを得ることが目的である。

本発明に係る建築構造物の測量システムは、建築構造物から所定距離以上離れて設定した複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成する合成部と、前記合成部で合成した点群データに基づくモデリング処理により、前記建築構造物の３Ｄデータを生成する生成部と、を有している。

本発明によれば、合成部では、建築構造物から所定距離以上離れて設定した複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成する。

生成部では、合成部で合成した点群データに基づくモデリング処理により、前記建築構造物の３Ｄデータを生成する。

本発明によれば、３Ｄスキャナによるスキャン時の点群データの密度（ピッチ）は、遠ければ遠いほど粗くなる。これは、３Ｄスキャナから出力される電磁波が、波紋状に拡散するためである。建築構造物において、点群データを取得する場合、複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成することで、１箇所の測量による点群データ数よりも多く点群データを取得でき、例えば、合成により増加した点群データを用いてモデリング処理することにより、解像度の高い３Ｄデータを得ることができる。

本発明において、前記生成部で生成した３Ｄデータに基づいて、前記建築構造物を構成する既存部材にマーキングするための施工基準点（取付け基準点）を設定する設定部をさらに有している。

本発明において、前記測量基準点の少なくとも１箇所に光波測距儀を設置して、前記既存部材に、前記設定部で設定した前記施工基準点をマーキングすることを特徴としている。

本発明において、前記施工基準点が、前記既存部材に増設部材を取付けるための取付け基準点であることを特徴としている。

設定部において、生成部で生成した３Ｄデータに基づいて、建築構造物を構成する既存部材にマーキングするための施工基準点（取付け基準点）を設定する。例えば、施工基準点の少なくとも１箇所に光波測距儀を設置して、既存部材に施工基準点をマーキングする。施工基準点は、既存部材に増設部材を取付けるための取付け基準点となる。

本発明に係る建築構造物の測量方法は、建築構造物から所定距離以上離れて設定した複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成し、合成した点群データに基づくモデリング処理により、前記建築構造物の３Ｄデータを生成することを特徴としている。

本発明に係る測量制御プログラムは、コンピュータを、前記建築構造物の測量システムの前記合成部、前記生成部として機能させることを特徴としている。

以上説明した如く本発明では、３Ｄスキャナによる建築構造物の測量精度を向上させることができるという効果を奏する。

本実施の形態に係るドーム型競技場として機能する鉄骨造の建物の全体構成を示し（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面断面図である。 本実施の形態に係るアーチトラス構造の大空間建築構造物を複数の３Ｄスキャナでスキャンするときの配置状態を示す斜視図である。 ３Ｄスキャナの測定範囲における点群データの取得状況を示し（Ａ）は本実施の形態、（Ｂ）が比較例を示す。 （Ａ）は本実施の形態に係るアーチトラス構造の大空間建築構造物とこのその計測後にモデリング処理した３Ｄデータの画像の正面図、（Ｂ）は照明器具取付け後の画像の正面図である。 本実施の形態に係る３Ｄスキャナ２８によるスキャン処理から得た点群データを用いた測量を実行する制御を実行する機能ブロック図である。 本実施の形態に係る３Ｄスキャナによるスキャンから取付け基準となるマーキング位置特定までの制御の流れを示すフローチャートである。

図１には、ドーム型競技場として機能する鉄骨造の建物１０が示されている。建物１０の建築面積は、約５２０００ｍ^２であり、所謂大型空間構造物の１つである。

建物１０は、アーチトラス構造物１２によって覆われている、アーチトラス構造物１２は、互いに平行又は交差して設けられた複数のアーチトラス１２Ａが組み付けられており、このアーチトラス構造物１２によって、円形屋根１４が支持されている。円形屋根１４は平面視で円形であるが、実際には球体の一部のような立体型となっている。円形屋根１４は、開口部１４Ａを有している。

このアーチトラス構造物１２と円形屋根１４とによって囲まれた敷地内は、設備ベース１６とされ、当該設備ベース１６は、図示は省略したが、中央に矩形の天然芝が敷設されたフィールドと、フィールト外周に設けられた陸上トラックと、観客席とが設けられており、大型空間構造物である本実施の形態の建物１０は、運動遊戯施設として機能するようになっている。

図２及び図４（Ａ）に示される如く、アーチトラス構造物１２のアーチトラス１２Ａは、鋼管により形成された３本の主材（一対の上弦材１８Ａ、１８Ｂと下弦材２０）が相互にトラス構造の複数の斜材２２によって連結されて構成されている。

本実施の形態では、このアーチトラス構造物１２の所定位置（例えば、図１及び図２の点線矩形枠Ａ部分）に、増設部材である照明器具２４（図４（Ｂ）参照）を設置する増設工事を行う。

増設工事では、アーチトラス１２Ａを構成する斜材２２間につなぎ部材（図示省略）を取り付け、このつなぎ部材に台座２６を設けると共に、この台座２６に照明器具２４を据え付ける。

ここで、本実施の形態において、既存の建物１０（アーチトラス構造物１２）を対象とした、照明器具２４の増設工事を行うに際し、以下の（１）から（３）のような様々な対策を立てている。

（対策１） アーチトラス１２Ａの計算上の荷重制限により、一度に全ての吊り足場を架設することができないため、アーチトラス１２Ａに対して、架設する吊り足場の分割配置を計画した。

（対策２） 設備ベース１６のフィールドに敷設された天然芝は、繊細な管理で育てている観点から、増設工事の作業現場としては利用できない。言い換えれば、増設作業中、フィールドには、入れない。そこで、設備ベース１６の他の一部であり、フィールドの周囲に設けられたる陸上トラックに、床養生材（図示省略）を敷設して、増設工事の作業領域とした。床養生材の敷設により、大型重機の作業による陸上トラックの損傷が防止される。

（対策３） アーチトラス１２Ａに架設する吊り足場のための吊り元の設置には、通常、溶接作業が必要となる。しかし、設備ベース１６、特に天然芝のフィールドや陸上トラックの上方での溶接作業は回避する必要がある。そこで、アーチトラス１２Ａ（上弦材１８Ａ、１８Ｂ、下弦材２０のそれぞれ）を囲むように、吊り足場の吊り元金物となる一対の上部材と下部材とを配置し、この吊り場元金物の上部材と下部材との両端部を螺子接合した。

ここで、増設工事を行う建物１０は、施工時の誤差や、固定荷重による変形を含んでいる場合があるため、仮に、施工時の建築図面が存在したとしても、本実施の形態のように、照明器具２４を取り付ける増設工事自体を、上記対策（１）〜（３）に基づいて実行する前段階として、建物１０、すなわち、照明器具２４を取り付けるアーチトトラス構造物１２の現在の状況を実測し、変形状態等を確認する必要がある。

そこで、本実施の形態では、測量作業を実行する場合に、足場を設置せず、遠隔から（増設工事位置から所定距離離れた設備ベース１６等から）、３Ｄスキャナ２８（図２参照）を用いて測量するようにした。

遠隔からの３Ｄスキャナ２８を用いた測量は、前述した増設工事の対策（１）〜（３）を履行する上でも、有用な作業となる。

図２は、アーチトラス構造物１２のアーチトラス１２Ａにおける、１本の脚部（設備ベース１６との設置面近傍）を示している。

設備ベース１６には、複数箇所（本実施の形態は、６箇所の測量基準点３０）に３Ｄスキャナ２８が配置されている。各３Ｄスキャナ２８は、それぞれ増設工事対象領域である斜め材２２を含むように測定範囲（図２及び図４（Ａ）に示す点線矩形枠Ａ参照）が定められており、各測量基準点３０から、それぞれ電磁波を出力しスキャンする。電磁波は、光や電波を含み、一般的に波紋状に拡散する。

なお、各測量基準点３０は、その数に応じて、測定範囲の周囲で適宜間隔を持って配置することが好ましい。例えば、図２に示される如く、測量基準点３０が６箇所の場合は、測定範囲Ａを中心として、互いに６０°程度の間隔とすることが好ましい（測定範囲Ａの周囲に均等配置）。なお、角度を均等に配置する必要はない。また、測定範囲Ａからの距離を同一とする必要はない。

ここで、本実施の形態（図２に示す３Ｄスキャナ３８の配置形態）では、６箇所の測量基準点３０のそれぞれに３Ｄスキャナ２８を設置して、測定範囲Ａを含むようにスキャンする構成としているが、スキャンデータは同時で取得する必要はないので、１台の３Ｄスキャナ２８を順次、測量基準点３０に順次移動し、各測量基準点３０に位置決めしてスキャンするようにしてもよい。言い換えれば、３Ｄスキャナ２８の数は、測量基準点３０の数よりも少なくてもよい。

図３（Ａ）は、本実施の形態における６台の３Ｄスキャナ２８を、それぞれ６箇所の測量基準点３０に配置して、各３Ｄスキャナ２８でスキャンしたときの点群データを示している。なお、図３（Ａ）では、６台の３Ｄスキャナ２８で、同時にスキャンしたときの点群データとして示しているが、前述のように、時系列でスキャンした各点群データを制御装置（例えば、ＰＣ「パーソナルコンピュータ」）上で合成してもよい。

図３（Ａ）に示す点群データは、各測量基準点でスキャンした点群データの一部は重複するものの、測定範囲Ａ内に存在する点群データの数は、図３（Ｂ）に示す、比較例における、１箇所の測量基準点に設置した３Ｄスキャナでスキャンしたときの点群データの数よりも多いことがわかる。

以下に、本実施の形態に係る点群データ数（図３（Ａ）参照）と、比較例に係る点群データ数（図３（Ｂ）参照）とを比較する。

図３（Ｂ）に示すように、スキャン時の走査線の点群密度のピッチは、遠ければ遠いほど粗くなる。これは、３Ｄスキャナ２８から出力される電磁波が、波紋状に拡散するためである。

大空間建築構造物（本実施の形態の建物１０を含む）では、ほぼ必然的に、遠隔から点群データを取得することになる。遠隔から点群データを取得した場合、建物規模の小さい建築構造物（ビル等）に比べて、点群データの数が少なくなり、画質が低下すると共に、精度の高い位置情報を得ることが難しい。

そこで、本実施の形態では、６箇所の測量基準点３０から、それぞれ３Ｄスキャナ２８によりスキャンして取得したそれぞれの点群データを合成する。

本実施の形態では、１箇所の測量基準点３０からの測量による点群データ数よりも多く点群データを取得できるため、当該合成により増加した点群データを用いてモデリング処理することにより、解像度の高い３Ｄデータを得ることができる（図４（Ａ）の画像３２参照）。

また、建物全体を含む三次元座標系（以下、「絶対座標系」とする）に対する測量基準点の位置を測量により求めておき、これによって、３Ｄデータの各点の絶対座標系における三次元座標を求めることができる。

図４（Ｂ）は、３Ｄデータに、増設部材である照明器具２４の配置計画をしたときの画像３４（設計画像）である。

この図４（Ｂ）の画像３４に基づき、照明器具２４が設置されるつなぎ部材を取り付ける斜材２２上の取付け基準点を正確に設定し、この取付け基準点の絶対座標系における三次元座標を求める。

そして、何れかの測量基準点３０に光波測距儀（図示省略）を設置し、求めた取付け基準点の三次元座標に基づいて、光波測距儀により、斜材上に取付け基準点をマーキングする。これにより、斜材２２へのマーキングを精度よく行うことができる。

図５は、本実施の形態に係る３Ｄスキャナ２８によるスキャン処理から得た点群データを用いた測量を実行する制御を実行する測量制御装置５０の機能ブロック図である。図５に示す各ブロックはハード構成を限定するものではなく、例えば、一部または全部の機能ブロックをマイクロコンピュータのＣＰＵにおいて、予め記憶した測量制御プログラムを起動して実行するようにしてもよい。

３Ｄスキャナ２８は、点群データ取込部５２に接続されている。点群データ取込部５２では、複数の測量基準点３０でスキャンしたデータを取り込む。

点群データ取込部５２は、合成部５４に接続されており、取り込んだ各測量基準点３０からの点群データを合成部５４ヘ送出する。

合成部５４では、各測量基準点３０からの点群データを合成し（図３（Ａ）参照）、３データ生成部５６へ送出する。

３Ｄデータ生成部５６では、モデリング処理が実行される。

モデリング処理の種類の代表としては、３Ｄ画像をポリゴンで表現するメッシュと、面で表現するソリッドとがあるが、本実施の形態では、特にモデリング処理の種類は限定されない。

例えば、点群データからソリッドを作る場合、まず点群データから図面を作成し、モデリングを行う。なお、自動処理機能があるプログラムソフトを用いて、ある程度、自動でモデリングを行うようにしてもよい。

３Ｄデータ生成部５６は、表示制御部５８と計画図面作成部６０とに接続されている。

表示制御部５８には、モニタ部６２が接続されている。表示制御部５８では、前記３Ｄデータ生成部５６でモデリング処理されて生成した３Ｄ画像をモニタ部５２表示する（図４（Ａ）の画像３２参照）。

また、計画図面作成部６０には、入力デバイス６４が接続されている。入力デバイス６４とは、キーボード、マウス等が一般的であるが、タッチペン等で描画可能なマット等であってもよい。

計画図面作成部６０では、入力デバイス６４からの入力情報に基づいて、前記３Ｄデータ生成部５６から入力された３Ｄ画像に照明器具２６の画像を追加し、当該照明器具２６の配置計画図面を作成する。

また、入力デバイス６４は、広義には、予め作成した照明器具２６の図面データを記憶した記憶媒体であってもよい。この図面データが計画図面作成部６０へ送出され、３Ｄデータと合成されることで、計画図面が作成可能である。

計画図面作成部６０は、表示制御部５８に接続されており、表示制御部５８では、作成された配置計画図面（照明器具２６が追加された３Ｄ画像）をモニタ部６２に表示する（図４（Ｂ）の画像３４参照）。

図６は、マーキング位置特定制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ１００では、３Ｄスキャナ２８によるスキャン位置（測量基準点３０）の数Ｎを設定し（本実施の形態では、Ｎ＝６）、次いで、ステップ１０２へ移行して変数ｉを１に設定して、ステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、各測量基準点３０により３Ｄスキャナ２８のスキャンを実行する。なお、各測量基準点３０での３Ｄスキャナ２８でのスキャンは、同時である必要はなく、１つ又は複数の３Ｄスキャナ２８を測量基準点３０間で移動して兼用するようにしてもよい。

次のステップ１０６では、測量基準点３０（Ｐ（ｉ））に設置した３Ｄスキャナ２８のスキャンデータを取り込み、ステップ１０８へ移行して、変数ｉをインクリメント（ｉ←ｉ＋１）し、ステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、変数ｉと測量基準点数Ｎとを比較し、Ｎ≧ｉと判定された場合は、点群データを取り込んでいない測量基準点３０が存在すると判断し、ステップ１０６へ移行して、上記工程を繰り返す。

また、ステップ１１０でＮ＜ｉと判定された場合は、全ての測量基準点３０の点群データを取り込んだと判断し、ステップ１１２へ移行する。

なお、図６の処理では、６台の３Ｄスキャナ２８で同時（一定の時間差を許容する）にスキャンして（ステップ１０４）、順次点群データを取り込む（ステップ１０６）手順で説明したが、例えば、１台の３Ｄスキャナ２８を、Ｎ箇所（本実施の形態では、６箇所）の測量基準点３０に順次移動して位置決めし、スキャンする場合は、ステップ１０４の３Ｄスキャナ２８によるスキャン処理と、ステップ１０６の点群データの取り込みを１セットとして、６回繰り返す処理としてもよい。

ステップ１１２では、共通の基準位置（座標）に基づき、測量基準点３０（Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ））までの点群データを合成する。共通の基準位置とは、想定範囲Ａにおいて、全ての測量基準点３０で点群データを取得し得る位置に指標を設け、当該指標を共通の基準位置とすればよい。

次のステップ１１４では、３Ｄデータ生成処理（モデリング処理）を実行する。これにより、例えば、ＰＣの画面上において、図４（Ａ）に示される、３Ｄで表示されたアーチトラス１２Ａの画像３２を得ることができる。

次のステップ１１６では、３Ｄデータをベースとして、照明器具２４の配置計画を立てる。すなわち、ＰＣの画面上において、図４（Ｂ）に示される如く、斜材２２に照明器具２４（つなぎ部材を含む）を取り付けた画像３４を生成し、ステップ１１８へ移行する。

ステップ１１８では、生成した照明器具２４の配置計画から、照明器具２４の取付け基準点の設定、及び各取付け基準点の三次元座標を取得し、ステップ１２０へ移行する。

ステップ１２０では、取得した三次元座標を光波測距儀に登録し、このルーチンは終了する。

本実施の形態によれば、建物１０の設備ベース１６において、アーチトラス１２Ａの測量範囲Ａ（図２、及び図４（Ａ）の点線矩形枠参照）を定め、３Ｄスキャナを設置する測量基準点３０の数を設定し、各測量基準点３０での３Ｄスキャンによるスキャンを実行し、全ての測量基準点３０における点群データを合成して、モデリング処理によって３Ｄデータを生成し、生成した３Ｄデータに対して照明器具２４の配置計画を実行し、取付け基準点を設定すると共に、各取付け基準点の三次元座標を求め、この三次元座標を光波測距儀に登録するようにした。これにより、斜材２２へのマーキングを精度よく行うことができる。

なお、本実施の形態では、６箇所の測量基準点３０（最大６台の３Ｄスキャナ２８）で取得した点群データを合成するようにしたが、少なくとも２箇所の測量基準点３０（最大２台の３Ｄスキャナ２８）で取得した点群データを合成すればよい。これにより、図３（Ｂ）の比較例よりも３Ｄデータの解像度を高めることができる。

また、本実施の形態では、複数の測量基準点で３Ｄスキャナ２８により、測量範囲をスキャンする対象として、大型空間構造物の１つである建物１０（ドーム型競技場）を例にとり説明したが、本発明の効果は、建物１０の大きさに依存するものではない。１箇所からの３Ｄスキャナ２８によるスキャンでは、必要な点群データ数を得られない、全ての建造物への適用が可能である。例えば、オフィスビルや体育間等の商業施設、学校の校舎や体育館等の公共施設、橋梁（桁橋、アーチ橋、吊り橋等）等の交通機関建造物等を挙げることができる。

１０ 建物
１２Ａ アーチトラス
１２ アーチトラス構造物（建築構造物）
１４Ａ 開口部
１４ 円形屋根
１６ 設備ベース
１８Ａ、１８Ｂ 上弦材
２０ 下弦材
２２ 斜材
２４ 照明器具
２６ 台座
２８ ３Ｄスキャナ
３０ 測量基準点
３２ 画像
３４ 画像
５０ 測量制御装置
５２ 点群データ取込部
５４ 合成部
５６ ３データ生成部（生成部）
５８ 表示制御部
６０ 画図面作成部
６２ モニタ部
６４ 入力デバイス

Claims (6)

1. 建築構造物から所定距離以上離れて設定した複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成する合成部と、
   前記合成部で合成した点群データに基づくモデリング処理により、前記建築構造物の３Ｄデータを生成する生成部と、
   を有する建築構造物の測量システム。
2. 前記生成部で生成した３Ｄデータに基づいて、前記建築構造物を構成する既存部材にマーキングするための施工基準点を設定する設定部をさらに有する請求項１記載の建築構造物の測量システム。
3. 前記測量基準点の少なくとも１箇所に光波測距儀を設置して、前記既存部材に、前記設定部で設定した前記施工基準点をマーキングする、請求項２記載の建築構造物の測量システム。
4. 前記施工基準点が、前記既存部材に増設部材を取付けるための取付け基準点である、請求項２又は請求項３記載の建築構造物の測量システム。
5. 建築構造物から所定距離以上離れて設定した複数の測量基準点の各々に設置した３Ｄスキャナにより、測量対象物へ向けて電磁波を照射して計測した前記建築構造物の点群データを合成し、
   合成した点群データに基づくモデリング処理により、前記建築構造物の３Ｄデータを生成する、
   建築構造物の測量方法。
6. コンピュータを、請求項１〜請求項４の何れか１項記載の前記合成部、前記生成部として機能させる測量制御プログラム。

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