JP2022129456A - ボアホール観測システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的細い径のボアホールに挿入可能なプローブを備えたボアホール観測システムを提供する。【解決手段】ボアホール観測システムは、ボアホール内に挿入されるプローブであって、ボアホール内の孔壁面を撮像する撮像装置及び当該撮像装置の撮影方向を検知する方位センサを内蔵し、撮像装置により撮像された画像データ及び方位センサにより検知された方位データを所定の通信手段を介して当該プローブの外部に出力する当該プローブと、地上に配置され、プローブがボアホール内を昇降するようにプローブと接続するケーブルを引張するウインチと、地上に配置され、プローブから出力された画像データ及び方位データを所定の通信手段を介して受信し、画像データと方位データとを対応付けた合成データを生成するデータ処理ユニットとを備える。データ処理ユニットはウインチ内に搭載される回路基板として構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置を内蔵するプローブをボアホール内に挿入して、ボアホール内の孔壁面を撮影するボアホール観測システムに関する。

ボアホール（ボーリング孔）による地質調査では、ボアホールを掘削し、ボアホール内にプローブと称される観測装置を挿入して、そのプローブに内蔵される撮像装置により、ボアホール内の孔壁面を撮影し、孔壁面の亀裂、破砕、空隙、クラックの有無、及びその走行・傾斜などの地盤状態の観測が行われる。

プローブの撮像装置は、広角レンズや凸面鏡によって映し出された孔壁360度の画像を撮影することができる。プローブは、鉛直方向に掘削されたボアホールの開口部から挿入し、電信ケーブルによりつり下げられ、ウインチによって電信ケーブルの長さを調節することで、プローブを降下又は上昇させ、深さ方向の全長にわたって孔壁面の画像を撮影する。撮影された画像データは、撮像装置と電信ケーブルを介して接続する地上のコンピュータ装置に送られ、保存される（特許文献１、２及び３）。

また、本出願の発明者は、特許文献１及び３において、ボアホールに挿入する透明管の発明について開示し、ボアホール内にその透明管を挿入し、その透明管の中にカメラを内蔵するプローブを挿入して、ボアホール内の孔壁面を撮影する手法を提案した。

特開２０１２－１１２１７５号公報 特開２０１２－２３５４３５号公報 特開２０１７－０１５５８２号公報

地質調査に限らず、グラウト工事においても、グラウト材を注入するためのボアホールの掘削が行われる。グラウト工事では、従来より例えば直径46mmのボアホールを掘削する。実際にグラウト工事が施工されるボアホールを掘削する前に、試験的な掘削では、例えば直径66mmのボアホールが掘削され、撮像装置を内蔵する上記プローブによるボアホール内の観測を行い、その観測結果によりグラウト工事の施工計画を立てている。試験的に掘削されるボアホールの直径が66mmであるのは、ボアホール内に挿入される現在のプローブが直径46mmのボアホールには入らない太さの径を有しているためであって、試験掘削では、プローブが挿入できる大きい径のボアホールを掘削している現状がある。地質調査のために掘削されるボアホールの径は、グラウト工事のボアホールより太く、プローブを細くする必要はない。

しかしながら、近年では、実際にグラウト工事が施工されるボアホールについても、地盤構造の可視化が求められており、グラウト工事で掘削されるボアホールのような比較的細い（例えば直径46mm程度の）ボアホールに挿入可能なプローブを備えたボアホール観測システムが求められている。

そこで、本発明の目的は、比較的細い径のボアホールに挿入可能なプローブを備えたボアホール観測システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のボアホール観測システムは、ボアホール内に挿入されるプローブであって、ボアホール内の孔壁面を撮像する撮像装置及び当該撮像装置の撮影方向を検知する方位センサを内蔵し、撮像装置により撮像された画像データ及び方位センサにより検知された方位データを所定の通信手段を介して当該プローブの外部に出力する当該プローブと、地上に配置され、プローブがボアホール内を昇降するようにプローブと接続するケーブルを引張するウインチと、地上に配置され、プローブから出力された画像データ及び方位データを所定の通信手段を介して受信し、画像データと方位データとを対応付けた合成データを生成するデータ処理ユニットとを備えることを特徴とする。好ましくは、データ処理ユニットは、ウインチ内に搭載される回路基板として構成され、ウインチとデータ処理ユニットは一体的に構成される。

本発明のボアホール観測システムによれば、撮像装置により撮像した画像データと方位センサにより検知された方位データとを対応付けた合成データを生成するデータ処理ユニットを、プローブの内部ではなく、地上に配置される装置（好ましくはウインチ）に搭載することで、比較的幅広の回路基板で形成されるデータ処理ユニットをプローブに内蔵しない構成とすることができ、プローブをより細くすることが可能となる。これにより、グラウト工事で掘削されるボーリング孔（グラウト孔）など地質調査で掘削されるボーリング孔より細いボアホール内にプローブを挿入して、ボアホール内の観測を行うことができる。

本発明の実施の形態におけるボアホール観測システムの構成例を示す図である。 プローブ１１の外観構成を示す模式図である。 プローブ１１の内部構成を示す模式図である。 データ処理ユニット１３ａに送信される方位データ及び画像データのファイルデータ例を示す図である。 方位データと画像データとを合成処理した合成データのファイルデータ例を示す図である。 本実施の形態におけるプローブ１１の制御部５０を構成する回路基板の例を示す図である。 ウインチ１３に搭載されるデータ処理ユニット１３ａの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の実施の形態におけるボアホール観測システムの構成例を示す図である。本実施の形態のボアホール観測システムは、ボアホールに挿入され且つ撮像面を下向きとしてボアホール内の孔壁面を撮影するカメラ３０、方位センサ３１及び制御部５０を搭載するプローブ１１と、該プローブ１１と連結し且つプローブ１１をボアホール内に吊り下げるとともに信号伝送を担うケーブル１２と、プローブ１１の長さを調節するために地上でケーブル１２を巻取りまたは巻出してケーブル１２を引張するウインチ１３と、ケーブル１２の移動速度（昇降速度）又は移動距離（昇降距離）を検知してプローブ１１の深さ位置（深度）を検知する深度計１４、及びプローブ１１、ウインチ１３、深度計１４を全体制御する制御装置１５とを備える。

ウインチ１３は、回路基板として構成されるデータ処理ユニット１３ａを搭載する。データ処理ユニット１３ａは、深度計１３ａにより検知される深度を取得するとともに、後述するとおり、プローブ１１から送られる画像データと方位データとを対応付けた合成データを生成し、それに基づいて孔壁の周囲画像である展開図データを作成する。ウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａにより処理された展開図データは制御装置１５に送られ、制御装置１５の表示部１５ａに展開図データが表示され、地上において、リアルタイムでボアホール内の画像を確認することができる。制御装置１５は、インストールされた所定の解析プログラムにより、取得した展開図データを解析処理することも可能である。データ処理ユニット１３ａは、ハードウェア電子デバイスを搭載した回路基板により形成される。

ウインチ１３から延びるケーブル１２は、三脚支柱に取り付けられた滑車を介して、ボアホール内に垂れ下がり、その先端に、プローブ１１が防水コネクタ１１１、１１３を介して連結している。ウインチ１３は、内蔵電動モータによりケーブル１２が巻き付いているドラムを回転させ、ケーブル１２の巻取りまたは巻出しを行う。

深度計１４は、ウインチ１３から巻き出される（又はウインチ１３に巻き取られる）ケーブル１２の移動によって回転する回転体と、その回転体の回転数をカウントするカウンタ（パルスエンコーダ又はロータリエンコーダなど）と計時装置とを有し、ケーブル１２の移動距離（深さ位置）さらには移動速度を測定する。制御装置１５は、深度計１４により測定されるケーブル１２の移動速度の情報を取得し、ケーブル１２の移動速度が一定になるように、フィードバック制御など既知の制御方式により、ウインチ１３のドラムの回転速度を制御する。ケーブル１２の移動速度を定速制御することにより、ボアホール内を均一にムラなく撮影することができる。

図２は、プローブ１１の外観構成を示す模式図である。プローブ１１は、金属製（例えばステンレス鋼製）の円筒体１１０であって、その一方の端面（後端面）に、ケーブル１２を連結するための防水コネクタ１１３が取り付けられ、ケーブル１２の先端に取り付けられる防水コネクタ１１１と連結し、プローブ１１はケーブル１２により吊り下げられる。

円筒体１１０のもう一方の端面側（先端側）には、撮影用の窓となる、例えばアクリルガラスなどで形成される透明円筒部１１４が設けられ、透明円筒部１１４からの撮影が可能に鉛直下向きに配置されたカメラは、降下しながら、撮像面を下向きとして、この透明円筒部１１４を通して孔壁面の画像を撮影する。

図３は、プローブ１１の内部構成を示す模式図であり、図３（ａ）は、プローブ１１の内部構成の概略を示し、図３（ａ）において、カメラ３０は、透明円筒部１１４から孔壁面を撮影可能な位置（例えば、図示されるように、透明円筒部１１４の縁近辺）に配置され、円筒体１１０の中心軸上のカメラ３０の周囲には照明部３２が配置される。照明部３２は、カメラ３０のレンズ外周部に取り付けられて、透明円筒部１１４を通じて斜め前方所定範囲の孔壁面を照らす。カメラ３０の前方斜め方向の孔壁面を撮影するために、好ましくは、カメラ３０には、魚眼レンズのような広角レンズが取り付けられる。照明部３２は、好ましくは、ＬＥＤライトであり、全周にわたって均等な光量を照射する。

プローブ１１の円筒体１１０の内部には、カメラ３０、方位センサ３１、照明部３２、制御部５０を含む複数の電子部品要素が内蔵される。

図３（ｂ）は、制御部５０の機能ブロックを示す。制御部５０は、ＣＰＵを含む各種ハードウェア電子デバイスを搭載した回路基板として形成される。カメラ３０は、アナログ方式またはデジタル方式の小型カメラである。孔壁面の画像解析の為に視野角度１２０度以上の広角レンズを使用する。照明部３２は、孔壁を照らすための照明手段であり、例えばＬＥＤライトで構成される。

方位センサ３１は、プローブ１１の方位を測定する。画像解析のため、またはスキャン画像生成の為に方位情報が必要となる。その方位情報を方位センサ３１によって取得する。カメラ制御部３３は、アナログ方式のカメラ３０の場合、アナログ信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部を有する。カメラ３０で撮像された画像データがこのカメラ制御部３３を経て画像３原色ＲＧＢの形式に変換される。

方位センサ制御部３４は、カメラ３０のフレーム同期信号に従い、方位センサ３１に対して、方位情報データを出力させ、方位センサ３１からの方位情報データを取得する。

照明制御部３５は、照明の明るさを制御する回路部であり、周囲の明るさに応じて照度を自動調整する。

ＣＰＵ３６は、ソフトウェアを実行するハードウェア中央演算ユニットであり、カメラ制御部３３、方位センサ制御部３４及び照明制御部３５を制御する。制御ソフトウェア３７は、ＣＰＵ３６のハードウェア環境においてプローブ１１の動作全体を制御するために組み込まれるソフトウェアであり、具体的には、以下の主な機能によって実現される。

１）ユーザスイッチの状態を入力し所要動作を起動させ、ランプ類の点灯、消灯または点滅によって本装置の動作状況をユーザに知らせる。

２）通信部３９を介してウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａとのデータのやり取りを行う。

３）画像データの入力及びウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａへの転送を行う。

４）方位データの入力及びウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａへの転送を行う。

５）照明制御部３５を介して照明部３２の明るさを調整する。

６）方位センサ制御部３４を介して方位センサ３１からの方位データを取得する。

７）カメラ制御部３３を介してカメラ３０を動作させるための設定を行う。

メモリ３８は、制御ソフトウェア３７またはデータ格納のためのメモリであり、カメラ３０で撮像された画像データも一時的にメモリ３８に格納される。メモリ３８とは別に、画像データや方位データなど取得データを記録するための別のメモリが設けられてもよい。

プローブ１１の電源が入ると、画像入力及び画像出力の処理と共に動作開始ボタン、またはタイマ設定スイッチの状態を受け付けて処理する。タイマが設定された場合、動作開始ボタンが押された時刻から経過時間を計測し、設定された時刻に達するとデータ取込動作モードに入って、カメラ３０により撮像される画像データを取り込み、メモリ３８に保存する。タイマ設定がない場合、動作開始ボタンが押されると直ちに上記取込動作が実施される。取込動作は動作終了ボタン（回路上、開始ボタンと同一でも構わない）が押されるまで継続する。

通信部３９は、ケーブル１２上の伝送信号を送受信する通信インターフェースであって、ウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａに搭載されるウインチ側通信部と有線通信を行う。ケーブル１２に電信ケーブルではない非電信ケーブルが用いられる場合、通信部３９により、無線通信による伝送信号の送受信が行われてもよい。。

プローブ１１の電源が入ると、カメラ３０で撮像された画像信号がカメラ制御部３３に入力される。アナログ方式のカメラの場合、Ａ／Ｄ変換部を経てアナログ信号がデジタルの画像データに変換される。取り込まれた画像データを、カメラ制御部３３にて画像３原色フォーマットに変換し、画像水平ライン同期信号及び画像フレーム同期信号とともに制御ＣＰＵ３６へ送られる。

ＣＰＵ３６は、画像フレーム同期信号に従い、内蔵された方位センサ３１に方位データ出力コマンドを出す。その方位センサ３１からの方位データを受信すると直ちに取り入れて、その方位データと画像データとをそれぞれその撮像時刻にかかる時間情報とともにＣＰＵ用メモリ３８に保存する。

ＣＰＵ３６は、方位データ及び画像データをそれぞれ通信部３９を介して地上に配置されたウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａに送信する。

図４は、データ処理ユニット１３ａに送信される方位データ及び画像データのファイルデータ例を示す図である。図４（ａ）に示す方位データは、データＩＤ、時間情報及び方位情報を有し、図４（ｂ）に示す画像データは、データＩＤ、時間情報及び画像情報を有する。

ウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａは、方位データ及び画像データを受信すると、同一の時間情報を有するもの同士を合成処理し、方位データと画像データとを対応付けた合成データを生成する。

図５は、方位データと画像データとを合成処理した合成データのファイルデータ例を示す図である。合成データは、同一の時間情報における方位データと画像データとを対応付ける合成処理により生成される。

従来、方位データと画像データとの合成処理は、プローブ１１内に収容される回路基板である制御部５０の処理として実行され、特に、この合成処理は、制御部５０に搭載される例えばＦＰＧＡのようなハードウェア装置により実行されていた。

従来の制御部５０を構成する回路基板には、画像データと方位データとを合成処理のためのデジタル回路素子（例えばＦＰＧＡ (Field Programmable Gate Array)）５０ａ（図６参照）が搭載されていた。しかしながら、当該合成処理を実行するデジタル回路素子５０ａ（図６参照）は、その大きさが比較的大きく、プローブ１１内の制御部５０の基板サイズもそれに応じて幅広となり、それを収容するプローブ１１の径も少なくとも42mmほどの比較的太い径となっており、グラウト工事で掘削されるより細い孔のグラウト孔には挿入できず、従来のプローブ１１をグラウト工事には利用することができなかった。

これに対して、本実施の形態では、プローブ１１内の制御部５０から、方位データと画像データと対応付けて合成するデジタル回路素子５０ａを外し、それをウインチ１３に内蔵されるデータ処理ユニット１３ａに搭載し、方位データと画像データとをプローブ１１で合成処理せずに、各データを別々にウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａに送信し、ウインチ１３のデータ処理ユニット１３ａにより、方位データと画像データを合成することとした。

これにより、プローブ１１に収容される回路基板である制御部５０を小さく、特に、プローブ１１の径方向の幅を細くすることができ、その結果、プローブ１１の径も細くすることが可能となる。

図６は、本実施の形態におけるプローブ１１の制御部５０を構成する回路基板の例を示す図である。なお、図６（ａ）は、方位データと画像データとを合成処理するＦＰＧＡ５０ａが搭載されている従来の回路基板の例であり、その寸法はおよそ長さ350mm×幅29mmであり、この場合、これを収容するプローブ１１の直径は42mm程度となるが、42mm径のプローブ１１は、グラウト工事において掘削されるボーリング孔（グラウト孔）の一般的な径サイズ46mmには挿入して孔内撮像に利用することができない。サイズがギリギリであり、プローブ１１と孔内にスムーズに挿入できず、また、プローブ１１と孔壁との間に必要な隙間を確保することができないため、42mm径のプローブ１１は、46mm径のグラウト孔に対しては実際に使用することができなかった。

一方、図６（ｂ）は、方位データと画像データとを合成処理するＦＰＧＡを省いた本実施の形態におけるプローブ１１の制御部５０の回路基板の例であり、その寸法はおよそ長さ250mm×幅22mmであり、この場合、これを収容するプローブ１１の直径は34mmまで細くすることができる。従来の構成と比較して、プローブ１１をより細くすることができるようになり、グラウト工事のグラウト孔に挿入し、グラウト孔内の孔壁画像の撮像が可能となる。

図６（ｃ）は、42mm径のプローブ１１と34mm径のプローブ１１の大きさ（太さ）の比較例を示し、34mm径のプローブ１１は、その円筒体１１０が透明円筒部１１４から外され、制御部５０が露出した状態で示される。本実施の形態における34mm径のプローブ１１は、42mm径のものと比べて、太さも長さも小型化され、グラウト孔に挿入してリアルタイムで孔壁画像を確認することができる。

図７は、ウインチ１３に搭載されるデータ処理ユニット１３ａの構成例を示す図であり、図７（ａ）は機能ブロック図、図７（ｂ）は実際の回路基板の例を示す図である。図７（ｂ）に示す回路基板のサイズはおよそ75mm×120mmであり、合成処理を実行するＦＰＧＡ５０ａが搭載される。

データ処理ユニット１３ａは、プローブ１１の制御部５０及び制御装置１５それぞれと各種データの送受信を行うウインチ側通信部１３１、方位データと画像データとを対応づける合成処理を実行して合成データを生成する合成データ生成部１３２、及び当該合成データと深度データに基づいて展開図データを作成する展開図作成部１３３を備える。データ処理ユニット１３ａには、合成データ生成部１３２として、ハードウェア装置（ＦＰＧＡ）５０ａが搭載され、地上のウインチ１３側で合成処理を行う。データ処理ユニット１３ａの展開図作成部１３３は、画像処理ユニットであって、合成データと深度データとに基づいて展開画像データを作成する。展開図作成部１３３は、合成データ生成部１３２と共通に、上記ハードウェア装置（ＦＰＧＡ）５０ａで実現されてもよいし、別のハードウェア装置として設けられてもよい。展開画像データは、カメラ３０で撮像された平面画像を孔壁の周囲３６０度に連続する円周展開画像である。展開画像データは、ウインチ側通信部１３１を介して制御装置１５に転送され、表示部１５ａに表示される。

データ処理ユニット１３ａは、ウインチ１３に搭載されることが好ましいが、ウインチ１３に搭載されることに限らず、ウインチ１３と接続した独立した装置として地上に設けられる構成であってもよい。

本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１１：プローブ、１２：ケーブル、１３：ウインチ、１３ａ：データ処理ユニット、１４：深度計、１５：制御装置、３０：カメラ、３１：方位センサ、３２：照明部、３３：カメラ制御部、３４：方位センサ制御部、３５：照明制御部、３６：ＣＰＵ、３７：制御ソフトウェア、３８：メモリ、３９：通信部、５０：制御部、５０ａ：ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、１１０：円筒体、１１１：防水コネクタ、１１３：防水コネクタ、１１４：透明円筒部、１３１：ウインチ側通信部、１３２：合成データ生成部、１３３：展開図作成部

Claims (2)

1. ボアホール内に挿入されるプローブであって、ボアホール内の孔壁面を撮像する撮像装置及び当該撮像装置の撮影方向を検知する方位センサを内蔵し、前記撮像装置により撮像された画像データ及び前記方位センサにより検知された方位データを所定の通信手段を介して当該プローブの外部に出力する当該プローブと、
   地上に配置され、前記プローブがボアホール内を昇降するように前記プローブと接続するケーブルを引張するウインチと、
   地上に配置され、前記プローブから出力された前記画像データ及び前記方位データを所定の通信手段を介して受信し、前記画像データと前記方位データとを対応付けた合成データを生成するデータ処理ユニットとを備えることを特徴とするボアホール観測システム。
2. 前記データ処理ユニットは前記ウインチ内に搭載される回路基板として構成されることを特徴とする請求項１に記載のボアホール観測システム。

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