JP2021131281A - コンクリート床版の平坦度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設計データが不要であり利便性が高く、またコンクリート打設作業中における使用に好適なコンクリート床版の平坦度計測装置を提供する。【解決手段】コンクリート床版の平坦度計測装置は、３Ｄスキャナ２００と、３Ｄスキャナ２００での計測により取得した直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群座標データから当該点群座標データにフィットする平均平面を算出してａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０により定義される平面モデルを算出する平面モデル算出部１３０と、前記点群座標データに含まれる各点について前記平面モデルで表される前記平均平面との距離及び前記平均平面に対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報を算出する距離算出部１４０と、点群座標データに含まれる各点について前記距離及び前記正負情報に対応した色彩で二次元の画面上に表示する表示処理１５０とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、道路などの建造物におけるコンクリート床版の平坦度を計測する平坦度計測装置に関する。

道路などの建造物の工事現場においてはコンクリート床版が所定の平坦度を満たしている、すなわちコンクリート表面の凹凸を所定の基準値以下とすることが必要である。このような平坦度を測定する従来の装置としては、特許文献１に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載された従来の平坦度計測装置は、打設されたコンクリート床版の表面を計測するレーザ測距機と、レーザ測距機によってコンクリート床版の表面をスキャニングして得られた計測データを解析する計算機とを備えている。計算機は、コンクリート床版の表面の設計値と計測値の変位を求め、変位値に応じてディスプレイに強調表示する。コンクリート床版の表面の設計値と計測値の変位は、表面をセルに分割してメッシュ化し、各セルの変位値を表示する。また、コンクリート床版の表面の平坦度を求め、膨らみと凹みをその度合いに応じて強調表示する。

特開２０１８−００９３９４号公報

しかし、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、予め計算機に設計値を入力しておく必要があるため多大な手間が必要であるとともに、データ入力がされていない現場では使用することができない。また、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、予め入力した設計値を基準として計算を行っているため、レーザ測距機の自己位置を正確に把握する必要がある。このため、２つ以上の基準点にプリズムが付設された支持棒を設置し、この支持棒の位置を計測する工程が必要である。このように特許文献１に記載の平坦度計測装置は、利便性に欠けるという問題がある。

また、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、一定の作業範囲でのコンクリート打設工程が終了した後において使用されるものである。このことは以下の記載により裏付けられる。すなわち、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、道路の幅方向で３〜１０ｍ、道路の長さ方向３００ｍまでを計測範囲とし、このような広範囲の領域において平坦度を計測するものである。仮にこの計測により基準値を超える凹凸が形成された領域が発見された場合、その領域を補修するためにコンクリートがある程度硬化していないと領域に近づくことができない。また、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、コンクリート床版の平坦度の経時的変化を計測するものである。このように、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、一定の範囲でのコンクリート打設工程が終了した後において、その平坦度の経時的変化を計測するという使われ方をするものである。

一方、工事現場では、一定の作業範囲でのコンクリート打設工程が終了した後ではなく、コンクリート打設作業中に、特に表面の均し作業中において正確な平坦度を計測し、この計測結果に基づき表面の均し作業を行いたいという要望がある。しかし、前述したように、特許文献１に記載のものは、このような使用には不向きであるという問題がある。

また、特許文献１に記載の平坦度計測装置は、広範囲に亘って計測作業を行うので当該計測作業中には計測の障害となる障害物や人を計測範囲から排除する必要があるとともに、レーザ測距機及び支持棒の設置作業も必要となるので、現場の占有時間が大きいという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、設計データが不要であり利便性の高いコンクリート床版の平坦度計測装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、コンクリート打設作業中における使用に好適なコンクリート床版の平坦度計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明に係るコンクリート床版の平坦度計測装置は、コンクリート床版表面の位置座標を非接触で計測する３Ｄスキャナと、前記３Ｄスキャナでの計測により取得した直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群座標データから当該点群座標データにフィットする平均平面を算出して次式（１）により定義される平面モデルを算出する平面モデル算出手段と、
ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０ …式（１）
前記点群座標データに含まれる各点について前記平面モデルで表される前記平均平面との距離及び前記平均平面に対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報を算出する距離算出手段と、前記点群座標データに含まれる各点について前記距離及び前記正負情報に対応した表示形態で二次元の画面上に表示する表示処理手段とを備えたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本願発明は、前述のコンクリート床版の平坦度計測装置において、少なくとも前記平面モデル算出手段と前記距離算出手段と前記表示処理手段は測定者により携帯される携帯端末に実装されているとともに前記３Ｄスキャナは前記携帯端末に付設されていることを特徴とする。

本発明によれば、３Ｄスキャナでの計測により取得した点群座標データから平均平面の平面モデルが算出され、この平面モデルに対する距離及び平面モデルに対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報に対応した表示形態で各点群座標データが二次元の画面上に表示される。すなわち、予めコンクリート床版の設計データを取得しておく必要がないので利便性の高いものとなる。また、本発明によれば、平坦度計測装置を測定者が携帯することができるので、コンクリート打設工程中でも容易に使用できるとともに局所的な計測も容易なので現場の占有時間も小さく利便性の高いものとなる。

平坦度計測装置の機能ブロック図 平坦度計測装置の平面図 読み取り範囲設定中の画面表示の一例 点群座標データ記憶部のデータ構造の一例 距離及び正負情報について説明する模式図 距離及び正負情報に対応した色彩情報を付した画像の一例

本発明の一実施の形態に係るコンクリート床版の平坦度計測装置について図面を参照して説明する。図１は平坦度計測装置の機能ブロック図、図２は平坦度計測装置の平面図である。

本実施の形態に係る平坦度計測装置は、測定者により携帯される携帯端末１００と、携帯端末１００に着脱自在に付設した３Ｄスキャナ２００とを備えている。携帯端末１００は、主演算装置・主記憶装置・副記憶装置・Ｉ／Ｏインタフェイスなどを備えた周知の計算機からなる。本実施の形態では、携帯端末１００として、タブレットと呼ばれる高機能携帯通信端末を用いた。携帯端末１００は、一面側にタッチパネル機能付きのＬＣＤパネル等の表示部１０１を備えるとともに、他面側に可視光線領域の撮像手段である光学カメラ１０２を備えている。携帯端末１００は有線のケーブル２０１を介して３Ｄスキャナ２００と通信可能に接続している。

３Ｄスキャナ２００は、コンクリート床版表面の三次元の位置座標を非接触で計測する装置であり、深度カメラとも呼ばれる。３Ｄスキャナ２００は、左右一対の赤外線カメラ２１０と、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）（図示省略）を備えており、コンクリート床版表面の三次元の位置座標を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群座標データとして携帯端末１００に出力するとともに、３Ｄスキャナ２００の現在の位置や方角を前記直交座標系の位置情報として携帯端末１００に出力する。

携帯端末１００は、前述の表示部１０１と、前述の光学カメラ１０２と、データ読取制御部１１０と、点群座標データ記憶部１２０と、平面モデル算出部１３０と、距離算出部１４０と、表示処理部１５０と、画像データ送信部１６０とを備えている。

データ読取制御部１１０は、３Ｄスキャナ２００から点群座標データを取得して点群座標データ記憶部１２０に格納する点群座標データ取得部１１１と、３Ｄスキャナ２００が読み取る三次元空間の範囲を設定する読み取り範囲設定部１１２と、読み取り範囲設定部１１２で設定した読み取り範囲を示すオブジェクトを光学カメラ１０２で撮像した撮像画像に重畳して表示部１０１に出力する読み取り範囲重畳部１１３とを備えている。

読み取り範囲設定部１１２は、３Ｄスキャナ２００から取得した点群座標データと携帯端末１００の位置情報とに基づき三次元空間内におけるコンクリート床版表面の所定範囲（例えば１ｍ四方）を読み取り範囲として設定する。読み取り範囲設定部１１２は、測定者から読取開始指示の入力を検出すると、携帯端末１００のその時点での位置及び方向に対する所定範囲を読み取り範囲として設定するとともに、点群座標データ取得部１１１に読み取りを指示する。点群座標データ取得部１１１は、読み取り範囲設定部１１２からの指示に応じて３Ｄスキャナ２００から設定範囲内における点群座標データを取得し、取得した点群座標データを点群座標データ記憶部１２０に記憶する。なお、当該読み取り範囲において３Ｄスキャナ２００から取得できる点群座標データの解像度（データ数）は、携帯端末１００とコンクリート床版表面との距離に依存する。

読み取り範囲設定作業中における画面表示の一例を図３に示す。図３に示すように、表示部１０１には、光学カメラ１０２で撮像中の画像３０１に、読み取り範囲を示すオブジェクト３０２が重畳表示される。本実施の形態では、オブジェクト３０２は、コンクリート床版表面に所定範囲の読み取り範囲に対応する半透明の矩形オブジェクト３０２ａと、この矩形オブジェクトの四辺及び四隅から三次元空間内において鉛直方向に伸びる線オブジェクト３０２ｂとを含む。本発明では、測定者は所望の場所を測定するよう携帯端末１００を任意の位置及び角度に動かして使用される。このとき、携帯端末１００の表示部１０１には読み取り範囲を示すオブジェクト３０２が重畳表示されるので、測定作業を容易且つ確実に行うことができる。

点群座標データ記憶部１２０に記憶された点群座標データのデータ構造の一例について図４を参照して説明する。点群座標データ記憶部１２０は、データ番号、直交座標系の点群座標、正負情報付きの距離、色彩を記憶保持する。点群座標はデータ読取制御部１１０により３Ｄスキャナ２００から取得したデータである。正負情報付きの距離は、後述する距離算出部１４０により算出・記憶される。

平面モデル算出部１３０は、点群座標データ記憶部１２０に記憶されている点群座標データから、当該点群座標データにフィットする平均平面を算出して次式（１）により定義される平面モデルを算出する。

ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０ …式（１）

ここでａ，ｂ，ｃは、平面モデル算出部１３０により算出された値であり、平均平面の法線ベクトル（ａ，ｂ，ｃ）により定義される。平面モデル算出部１３０による平均平面の算出処理は回帰分析などの各種統計的手法を用いることができ、具体的な算出アルゴリズムは不問である。例えば、平均平面と各点との距離の二乗の総和が最も小さくなるようなａ，ｂ，ｃの解をみつける最小二乗法などが挙げられる。

平面モデル算出部１３０は、点群座標データ記憶部１２０に記憶されている全ての点群座標データを所定のルールで間引く間引き処理部１３１を備えている。換言すれば、間引き処理部１３１は、点群座標データ記憶部１２０に記憶されている全ての点群座標データから、上述した平均平面の算出に用いる点群座標データを抽出する処理を行う。間引き処理部１３１による間引き処理のアルゴリズムは不問である。間引き処理のアルゴリズムでは、平均平面の算出に用いる点群座標データが読み取り範囲内において偏在することなく一様となるようにすると好適である。間引き処理のアルゴリズムでは、点群座標データ記憶部１２０に記憶されている点群座標データの解像度すなわち点数に応じて、間引き率を可変とすることができる。間引き処理のアルゴリズムでは、点群座標データ記憶部１２０に記憶されている点群座標データの解像度すなわち点数に関わらず、間引き処理後の点群座標データの解像度すなわち点数を一定とすることができる。この間引き処理部１３１により、平面モデル算出の処理負荷を軽減することができ、その算出処理を高速に実施することができる。

距離算出部１４０は、点群座標データ記憶部１２０に記憶された点群座標データの各点について前記平面モデル算出部１３０で算出された平面モデルで表される平均平面との距離及び前記平均平面に対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報を算出し、算出結果である距離に正負情報を付して点群座標データ記憶部１２０に記憶する。図５に距離及び正負情報について説明する模式図を示す。正負情報は、点が平均平面より上にあるときは正の値をとり、下にあるときは負の値をとる。なお距離は正の値をとる。

表示処理部１５０は、点群座標データ記憶部１２０に記憶された点群座標データの各点について、距離及び正負情報に対応した表示形態で二次元の画面である表示部１０１に表示するための画像を生成する。表示処理部１５０は、フィルタリング処理部１５１と、色彩情報付与部１５２と、二次元座標変換部１５３とを備えている。

フィルタリング処理部１５１は、点群座標データ記憶部１２０に記憶された点群座標データの表示範囲を設定するフィルタリング処理を行う。具体的には、フィルタリング処理部１５１は、点群座標データ記憶部１２０から点群座標データを取り出し、距離に基づき点群座標データを表示処理の対象外とするフィルタリング処理を行う。さらに具体的には、フィルタリング処理部１５１は、点群座標データ記憶部１２０から点群座標データを取り出し、距離が所定の閾値（例えば３ｃｍ）以内であれば後段の色彩情報付与部１５２に当該点についての点群座標データを渡す。一方、フィルタリング処理部１５１は、距離が所定の閾値より大きい場合は、当該点についての点群座標データを破棄する。なお、この「破棄」は点群座標データ記憶部１２０からの削除ではない点に留意されたい。また、フィルタリング処理は、距離だけでなく更に正負情報に基づき処理してもよい。例えば、上記のフィルタリング処理において、前記閾値を正側と負側とで異なる値を用いてもよい。

色彩情報付与部１５２は、フィルタリング処理部１５１を通過した点群座標データの各点について、正負情報付き距離の大きさに対応した色彩情報を付与する。例えば、−３．０≦正負情報付き距離＜−２．０に青色を対応させ、−２．０≦正負情報付き距離＜−１．０に水色を対応させ、−１．０≦正負情報付き距離≦＋１．０にグレーを対応させ、＋１．０＜正負情報付き距離≦２．０に黄色を対応させ、＋２．０＜正負情報付き距離≦３．０に赤色を対応させる。色彩情報が付与された点群座標データは二次元座標変換部１５３に渡される。正負情報付き距離の大きさと色彩情報との対応関係は予め設定しておいてもよいし、測定者により任意に設定可能としてもよい。

二次元座標変換部１５３は、フィルタリング処理部１５１でフィルタリングされ、さらに色彩情報付与部１５２で色彩情報が付与された三次元直交座標系の点群座標データを、二次元座標系に変換して二次元画像を生成する。ここで、当該変換処理における視点や画角等、３Ｄスキャナら２００から取得した位置情報に連動させてもよいし、測定者により任意に設定や変更してもよい。二次元座標変換部１５３で生成された二次元画像は表示部１０１に表示されるとともに、画像データ送信部１６０を介して当該画像を共有する他の携帯端末（以下「画像共有端末」と言う。）９００に送信される。図６に表示部１０１に表示された画像の一例を示す。図６に示すように、表示部１０１に表示される画像は、読み取り範囲設定部１１２において設定された読み取り範囲における画像であり、画像を構成する各点には色彩が付されている。なお、図６では、各色彩を白黒濃淡により表現している。

画像データ送信部１６０は、表示処理部１５０で生成された画像を、無線通信により画像共有端末９００に送信する。画像データ送信部１６０と画像共有端末９００との間の通信規格を不問である。本実施の形態では、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いた。画像共有端末９００はコンクリート打設の作業者が携帯する端末である。本願発明では平坦度を計測した画像を、平坦度計測装置を携帯する測定者だけでなくコンクリート打設の作業者も確認することができるので、利便性の高いものとなる。

このように、本発明によれば、３Ｄスキャナ２００での計測により取得した点群座標データから平均平面の平面モデルが算出され、この平面モデルに対する距離及び平面モデルに対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報に対応した表示形態で各点群座標データが二次元の画面上に表示される。すなわち、予めコンクリート床版の設計データを取得しておく必要がないので利便性の高いものとなる。また、本発明によれば、平坦度計測装置を測定者が携帯することができるので、コンクリート打設工程中でも容易に使用できるとともに局所的な計測も容易なので現場の占有時間も小さく利便性の高いものとなる。

以上、本発明の一実施の形態について詳述したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよい。

例えば、上記実施の形態では、読み取り範囲設定部１１２では読み取り範囲を示すオブジェクトと光学カメラ１０２で撮像した画像を重畳して表示していたが、さらに過去に計測した範囲を重畳表示するようにしてもよい。これにより、未計測の領域と既計測の領域を容易に把握することができるので、計測漏れを防止することができる。また、三次元の空間内に読み取り範囲設定のガイドとなるオブジェクトを重畳させるようにしてもよい。ガイド用のオブジェクトとしては例えばメッシュ状のフレームが挙げられる。

また、上記実施の形態では、図６に例示するように、計測後は距離及び正負情報に対応した色彩を付した画像のみを表示部１０１に表示していたが光学カメラ１０２で撮像した画像と重畳させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、平均平面の平面モデルの算出処理において処理負荷を軽減するために間引き処理部１３１により間引き処理を行っていたが、当該処理は行わなくても本発明を実施できる。

また、上記実施の形態では、表示処理の対象となる点群座標データを距離と所定の閾値に基づきフィルタリング処理していたが、他のルールによりフィルタリング処理を行ってもよい。例えば、距離と所定の閾値に基づき非表示とする点群を抽出した後、当該点群を包含する領域を算出し、当該領域の周縁領域に含まれる点群は全て非表示とする処理が挙げられる。また例えば、距離と所定の閾値に基づき非表示とする点群を抽出した後、当該点群を包含する領域を算出し、当該領域内にある点群は全て非表示とする処理が挙げられる。

また、上記実施の形態では、点群座標データに含まれる各点について距離及び正負情報に対応した色彩で二次元の画面上に表示していたが、他の形態により表示するようにしてもよい。例えば、各点について正負情報付き距離に応じた大きさのオブジェクト（例えば線オブジェクト）を付加して表示するようにしてもよい。

１００…携帯端末
１０１…表示部
１０２…光学カメラ
１１０…読み取り制御部
１１１…点群座標データ取得部
１１２…読み取り範囲設定部
１１３…読み取り範囲重畳部
１２０…点群座標データ記憶部
１３０…平面モデル算出部
１３１…間引き処理部
１４０…距離算出部
１５０…表示処理部
１５１…フィルタリング処理部
１５２…色彩情報付与部
１５３…二次元座標変換部
１６０…画像データ送信部
２００…３Ｄスキャナ
９００…画像共有端末

Claims (6)

1. コンクリート床版表面の位置座標を非接触で計測する３Ｄスキャナと、
   前記３Ｄスキャナでの計測により取得した直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群座標データから当該点群座標データにフィットする平均平面を算出して次式（１）により定義される平面モデルを算出する平面モデル算出手段と、
   ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０ …式（１）
   前記点群座標データに含まれる各点について前記平面モデルで表される前記平均平面との距離及び前記平均平面に対してＺ方向の正側又は負側のどちら側にあるかの正負情報を算出する距離算出手段と、
   前記点群座標データに含まれる各点について前記距離及び前記正負情報に対応した表示形態で二次元の画面上に表示する表示処理手段とを備えた
   ことを特徴とするコンクリート床版の平坦度計測装置。
2. 前記平面モデル算出手段は統計的手法により前記平面モデルを算出する
   ことを特徴とする請求項１記載のコンクリート床版の平坦度計測装置。
3. 前記平面モデル算出手段は、平面モデル算出の処理で用いる点群座標データを所定のルールに基づき間引く間引き処理手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート床版の平坦度計測装置。
4. 前記表示処理手段は、前記距離に基づき点群座標データを表示処理の対象外とするフィルタリング手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載のコンクリート床版の平坦度計測装置。
5. 前記表示処理手段は、前記点群座標データに含まれる各点について前記距離及び前記正負情報に対応した色彩で二次元の画面上に表示する
   ことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載のコンクリート床版の平坦度計測装置。
6. 少なくとも前記平面モデル算出手段と前記距離算出手段と前記表示処理手段は測定者により携帯される携帯端末に実装されているとともに前記３Ｄスキャナは前記携帯端末に付設されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５何れか１項に記載のコンクリート床版の平坦度計測装置。
   

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