JP2024029712A - トンネル掘削支援システム及びトンネル掘削支援方法 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することで、当り取りの精度向上と時間短縮を可能にするトンネル掘削支援システムを提供する。
【解決手段】トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援システムである。
そして、位置情報及び姿勢情報を取得するとともに、掘削対象の点群データ及びＲＧＢ画像を取得するカメラユニット１と、位置情報及び姿勢情報から特定される設計データと点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき点群データを顕在化させる処理用ＰＣ部１３と、ＲＧＢ画像に基づく画像に、顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる重機用モニタ５１とを備えている。
【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り ２０２２年８月１７日 建設ロボット研究連絡協議会の第２０回建設ロボットシンポジウム事務局が運営する「ダウンロードサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｃｒｒ．ｊｐ／ｅｖｅｎｔ／ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ／２０２２／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ）」にて頒布

本発明は、トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援システム及びトンネル掘削支援方法に関するものである。

山岳トンネルの施工におけるトンネル掘削は、掘削や発破後にずり出しを行い、掘削が足りない箇所の当り取りを行ったのちに、支保工を建て込み、吹付けコンクリートを吹き付けるという一連のサイクルを繰り返して前進する。

現状では、発破後に設計断面と比較して、掘削不足の箇所を切羽近傍の作業員がレーザーマーカで照射し、重機のオペレータがブレーカで叩き落すこと（当り取り）が行われているが、切羽近傍の作業となるため危険を伴う。また、掘削地点で行われている詳細な切羽観察は、不安定な状態の切羽周辺で行われるため安全性や効率性に課題があった。

一方、特許文献１などに開示されているように、最近では３Ｄスキャナで掘削後のトンネル断面を計測し、設計断面と比較して、当り取りや発破パターンの更新に活かすシステムも開発されている。

詳細には、特許文献１では、当り取りを行うブレーカ付きの重機に搭載した３Ｄスキャナで切羽と掘削断面を計測し、設計モデルと計測結果とを比較して、設計よりもトンネル内空側に突出している箇所や引っ込んでいる箇所に対して、設計モデルに色付けをしてタブレット端末上などに二次元で表示する。

特開２０１９－１５８６３７号公報

しかしながら、重機のオペレータが見るタブレット端末には、設計データと３Ｄスキャナによる計測結果との差異のみが二次元の画面で表示されるだけで実写の画像がないので、当り取りをしなければならない注目箇所が実際の掘削対象のどの位置に該当するのかを、オペレータが短時間のうちに認識することは難しい。

そこで、本発明は、掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することで、当り取りの精度向上と時間短縮を可能にするトンネル掘削支援システム及びトンネル掘削支援方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のトンネル掘削支援システムは、トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援システムであって、自身の位置情報及び姿勢情報を取得するとともに掘削対象の点群データ及びＲＧＢ画像を取得する撮影部と、前記位置情報及び姿勢情報から特定される設計データと前記点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき前記点群データを顕在化させる抽出処理部と、前記ＲＧＢ画像に基づく画像に、顕在化された前記点群データを同一視点で重ねて表示させる表示部とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記点群データは距離画像カメラによって取得するとともに、前記距離画像カメラと前記ＲＧＢ画像を取得するカラーカメラとの相対的な位置関係が既知であることが好ましい。

また、前記距離画像カメラ及び複数の前記カラーカメラを固定するカメラ保持具と、前記カメラ保持具を搭載する移動手段部とを備えた構成とすることができる。さらに、前記カメラ保持具には、３個以上の測量ターゲットがそれぞれアームを介して取り付けられている構成とすることもできる。

また、前記点群データ及び前記設計データに基づいて余掘り量を算出する余掘り量算出部を備えた構成とすることができる。さらに、前記表示部は、裸眼立体表示装置であって、複数の前記カラーカメラによって視差画像が生成される構成であることが好ましい。また、前記視差画像は、撮影範囲が異なる複数が生成されて繋ぎ合わされる構成とすることもできる。

一方、前記カメラ保持具には、位置及び姿勢の情報が把握された撮影範囲が異なる複数の前記距離画像カメラが取り付けられていて、それぞれの前記距離画像カメラにより取得された点群データが絶対座標系に変換されて、繋ぎ合わされる構成とすることもできる。

また、本発明のトンネル掘削支援方法では、トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援方法であって、撮影部の位置情報及び姿勢情報を取得するとともに、前記撮影部によって掘削対象の点群データ及びＲＧＢ画像を取得するステップと、前記位置情報及び姿勢情報から特定される設計データと前記点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき前記点群データを顕在化させるステップと、前記ＲＧＢ画像に基づく画像に、顕在化された前記点群データを同一視点で重ねて表示させるステップとを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明のトンネル掘削支援システムでは、撮影部によって取得される掘削対象の点群データを設計データと比較することで注目すべき点群データを顕在化させるとともに、ＲＧＢ画像に基づく画像に顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる表示部を備えている。

ＲＧＢ画像に基づく画像は実物の掘削状況をそのまま示す実写画像となるため、重機のオペレータなどの作業員は、その画像に重ね合わされた顕在化された点群データを見ることで、掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することができるようになる。この結果、当り取りの精度向上と時間短縮を図ることができる。

また、点群データを距離画像カメラによって取得するのであれば、３Ｄスキャナによって点群データを取得する場合と比べて、掘削対象の三次元の点群データを極めて短い時間で取得することができるようになる。この結果、掘削状況の表示までの時間が短縮され、作業の効率化を図ることができる。

さらに、複数のカラーカメラを使用することで、立体的な実写画像を表示させ、奥行きを感じさせることで、より容易に掘削すべき箇所が把握できるようになる。また、距離画像カメラ及びカラーカメラを固定するカメラ保持具が移動手段部に搭載されていれば、発破後に迅速に最適な位置に移動して撮影を行うことができるようになるうえに、振動の大きい重機に撮影部を搭載する場合と比べて、振動の影響（測定誤差、耐久性）を抑えることができる。

また、カメラ保持具に３個以上の測量ターゲットがアームを介して取り付けられていれば、距離画像カメラ及びカラーカメラとの幾何学的な既知の位置関係に基づいて、撮影部の位置情報及び姿勢情報を精度よく計測することができる。

さらに、余掘り量算出部によって三次元の点群データと設計データとを比較して余掘り量を算出させることで、施工管理の負担を軽減することができるようになる。また、表示部が裸眼立体表示装置であれば、重いヘッドマウントディスプレイを装着したり、特殊な眼鏡をかけることなく容易に立体視できるため、重機のオペレータの疲労や不快感を軽減することができる。また、重機のオペレータの視野が狭められないため、周囲の危険を察知しやすく安全である。

そして、カメラ保持具に複数の撮影範囲が異なる距離画像カメラを取り付けて、それぞれの絶対座標系に変換された点群データをつなぎ合わせることで、撮影範囲の拡大が可能になるので、撮影すべき掘削対象が広い場合にも対応できるようになる。

また、本発明のトンネル掘削支援方法では、掘削対象の点群データを設計データと比較することで注目すべき点群データを顕在化させるとともに、ＲＧＢ画像に基づく画像に顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる。

このように、実物の掘削状況をそのまま示す実写画像に顕在化された点群データが重ね合わされていれば、重機のオペレータは、掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することができるようになり、当り取りの精度向上と時間短縮を図ることができる。

本実施の形態のトンネル掘削支援システムの利用状況を例示した説明図である。 本実施の形態のトンネル掘削支援システムの構成を示した説明図である。 カメラユニットの構成を説明する斜視図である。 カメラユニットの位置情報及び姿勢情報の求め方の説明図である。 本実施の形態のトンネル掘削支援システムの処理の流れを示した説明図である。 ＲＧＢ画像に基づく画像に顕在化された点群データを重ねて表示させた合成画像を例示した説明図である。 点群データをサーフェス化するトンネル掘削支援システムの処理の流れを示した説明図である。 本実施の形態のトンネル掘削支援システムを使用して行われるトンネル掘削の工程を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態のトンネル掘削支援システムの利用状況を例示した説明図である。図２は、本実施の形態のトンネル掘削支援システムの構成を示した説明図である。

本実施の形態のトンネル掘削支援システムは、トンネルの掘削状況を表示させるために使用される。山岳トンネルなどのトンネルの掘削現場では、掘削や発破後に切羽などの掘削断面の掘削状況の確認を行い、掘削不足の箇所に対しては、ブレーカなどの掘削機５で追加掘削（当り取り）が行われる。

そこで、本実施の形態のトンネル掘削支援システムによって、設計データと比較した現在のトンネルの掘削状況を表示させることで、安全かつ効率的に当り取りなどの掘削作業が行えるようにする。

本実施の形態のトンネル掘削支援システムは、図１，２に示すように、切羽及び隣接するトンネル周壁などの掘削対象を撮影する撮影部となるカメラユニット１と、各種演算処理を行うコンピュータ（処理用ＰＣ部１３、管理用ＰＣ部６）と、撮影及び演算処理結果を表示させる表示部（重機用モニタ５１、裸眼立体表示装置６１）とを備えている。

図３は、カメラユニット１の構成を示した説明図である。カメラユニット１は、掘削対象の点群データを取得するための距離画像カメラとなるＴｏＦカメラ１１と、ＲＧＢ画像を取得するためのカラーカメラ１２とを備えている。

ＴｏＦカメラ１１は、赤外光などの照射光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間（Time-of-Flight）を測定することで、被写体までの距離を計測することができるカメラである。ＴｏＦカメラ１１は、光の照射範囲を拡散して、カメラのように画素毎の明るさの情報を得るだけでなく、距離情報をも得ることができる。要するに、ＴｏＦカメラ１１で撮影することによって、掘削対象となる範囲の三次元の点群データを得ることができる。

ＴｏＦカメラ１１は、ステレオカメラに比べて距離演算負荷が少なく、暗所でも撮影（計測）ができるという特徴がある。また、レーザーを照射しながら360度回転して計測を行う３Ｄスキャナによって点群データを得ようとすれば、１回の計測に数十秒から数分の計測時間がかかるが、ＴｏＦカメラ１１であれば、１秒程度の撮影時間で点群データを得ることができる。

ＴｏＦカメラ１１は、１台でも対象物の三次元点群データを取得することができるが、本実施の形態のカメラユニット１には、広い画角を得るために、２台のＴｏＦカメラ１１が搭載されている。要するに、２台のＴｏＦカメラ１１で取得される点群データを繋ぎ合わせることで、掘削対象が径の大きなトンネルの切羽等であっても、一度に撮影することができるようになる。

一方、カラーカメラ１２は、立体画像を生成させるためには、複数台がカメラユニット１に搭載される。本実施の形態のカメラユニット１には、４台のカラーカメラ１２が搭載されている。

間隔を置いて配置された２台のカラーカメラ１２で同時に撮影して２枚のＲＧＢ画像を取得して視差画像を生成すれば、被写体の立体画像を作成することができる。さらに、３台以上のカラーカメラ１２で撮影を行うことで、３枚以上の視差画像を作成することができるようになり、オペレータなど作業員の視点が表示部からずれた場合にも対応することができるようになる。

カメラユニット１によって取得される点群データ及び視差画像は、後の処理で設計データと比較したり、点群データと視差画像とを重ね合わせたりするために、各々のカメラの視点（どこから見ているか）と姿勢（どこを向いているか）、すなわち位置情報（三次元座標）と姿勢情報（三次元ベクトル）を取得しておく必要がある。

本実施の形態のカメラユニット１は、図３に示すようなカメラ保持具２に固定されており、ＴｏＦカメラ１１とカラーカメラ１２との相対的な位置関係は、既知の情報となる。さらに、カメラ保持具２は３本以上のアーム２１を有しており、それぞれのアーム２１の先端には、測量ターゲットとなるプリズム４１が取り付けられている。

プリズム４１は、カメラユニット１の位置情報及び姿勢情報を検出するためにカメラ保持具２に取り付けられる。このため、３個のプリズム４１の位置とＴｏＦカメラ１１及びカラーカメラ１２との相対的な位置関係も、既知の情報となる。

カメラユニット１の位置情報及び姿勢情報は、外部からトータルステーション４によって３個以上のプリズム４１の位置を測量することで算出される。３個以上のプリズム４１は、それぞれシャッターを有してトータルステーション４と連携して開閉し、順番に計測するものを使用すれば、自動計測が可能となる。またこの際、プリズム４１どうしの距離は、大きいほど位置及び姿勢の計測精度が高くなる。カメラ保持具２は、移動手段部となる撮影車両３に搭載されるので、車両の幅に収まる最大の長さのアーム２１の先端に取り付けることで、距離を確保するのが望ましい。

プリズム４１の個数は、カメラユニット１の位置と姿勢を三次元空間で一意に特定するために３個以上が必要となるが、計測値のばらつきを低くするためには、個数は多いほどよい。反面、個数が多くなると、トータルステーション４で計測する時間が増加することになるので、そのバランスを考慮する必要はある。

カメラユニット１は、トンネル内の粉塵や湧水による水滴といった環境にさらされ、不陸を走行する撮影車両３に搭載して使用するため、振動、粉塵、水滴などの影響を受けにくい構成にしておく必要がある。ＴｏＦカメラ１１は防塵性及び防滴性を備えたものを選択し、カラーカメラ１２は防塵及び防滴性能のあるケースに収め、防振ゴム等を介在させてカメラ保持具２に取り付けることができる。また、カメラユニット１を固定するカメラ保持具２ごと防振雲台２２に取り付けることで、振動の影響を抑えることもできる。

防振雲台２２は、撮影車両３の荷台に設けられた架台２３の上に取り付けられる。架台２３に載せることによって、例えばカメラユニット１の高さを、掘削機５のオペレータの視点の高さと同程度になるようにする。

撮影は、撮影車両３を不陸のある坑内で停車して行われるため、車両の停止位置や角度によっては、必要な撮影範囲がＴｏＦカメラ１１やカラーカメラ１２の画角に収まらない場合がある。このため、カメラユニット１のパンやチルトを、遠隔操作や自動制御で行えるように構成することが望ましい。

図４は、カメラユニット１の位置情報及び姿勢情報の求め方の説明図である。カメラユニット１には、カラーカメラ１２が４台と、ＴｏＦカメラ１１が２台と、トータルステーション４で測定するためのプリズム４１が３個とが装着されている。ＴｏＦカメラ１１とカラーカメラ１２とプリズム４１との間の幾何学的な位置関係は既知のため、これらの既知パラメータと、トータルステーション４の測定値とを用いて、カメラユニット１の位置と姿勢を計算する。

ここで、３個のプリズム４１の間の重心４２から、それぞれのプリズム４１までのベクトルを、v_ga，v_gb，v_gcと定義する。v_ga，v_gb，v_gcは、それぞれ三次元ベクトルで、xyz座標を持つ。また、カメラユニット１の中の着目する１台のカメラ（ここではＴｏＦカメラ１１）の重心４２からのベクトルを、v_gcamと定義する。x軸とy軸の正方向をそれぞれ北向きと東向きとする左手座標系において、カメラユニット１が水平面でx軸の正方向を向いている状態を初期状態と定義すると、上記ベクトルの初期値v_ga0，v_gb0，v_gc0，v_gcam0は既知パラメータのみから決定される。

そして、カメラユニット１が初期状態とは異なるときの重心４２からそれぞれのプリズム４１までの各々のベクトルは、回転行列Qを用いて次式で示すことができる。
v_*=Qv_*0
ここに、*にはga，gb，gc，gcamが入る。

ここで、qを単位クォータニオンとし、q=q₀+q₁i+q₂j+q₃kで表されるとすると、回転行列Qは以下の式で表すことができる。

トータルステーション４による測量によって、それぞれのプリズム４１の座標P_a，P_b，P_cが得られ、重心４２の座標P_gは、P_g=(P_a+P_b+P_c)/3と表されることから、未知の姿勢においてもベクトルv_ga（＝P_a-P_g），v_gb（＝P_b-P_g），v_gc（＝P_c-P_g）が求められる。

こうして求められた３つのベクトルv_ga，v_gb，v_gcのそれぞれに対して、上記した式v_*=Qv_*0が成り立つことから、Σ（v_*-Qv_*0）を最小とするようなq₀,q₁,q₂,q₃を最小二乗法により求める。

以上により、初期状態に対する計測時のカメラユニット１の重心４２周りの回転量(q)が求まり、そのときのカメラ位置の座標はP_cam=P_g+Qv_gcam0と表すことができる。ＴｏＦカメラ１１により測定される点群データは、ＴｏＦカメラ１１の位置を原点とする相対座標系で得られる。さらに、絶対座標系で表された設計データと比較するために、点群データに回転行列Qを乗じ、上記で求められたカメラ位置の座標P_camに平行移動させることで、点群データを絶対座標系に変換する。

このようなカメラユニット１の位置情報及び姿勢情報の取得のための演算処理や座標変換の演算処理は、例えば撮影車両３に搭載された処理用ＰＣ部１３で行われる（図２参照）。

また、この処理用ＰＣ部１３には、設計データと点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき点群データを顕在化させる抽出処理部も設けられる。要するに、ＴｏＦカメラ１１の位置情報及び姿勢情報が特定されると、点群データの絶対座標も明らかになるので、抽出処理部では、撮影によって得られた掘削対象の点群データを、同じ絶対座標で表される設計データと比較する。

そして、設計データよりトンネルの内空側に突出している点群データについては、当り取りの対象とするために、突出している程度に応じた着色をして顕在化させる。要するに、設計ラインを超えるという条件を満たす注目すべき点群データには、重機のオペレータにとって目立つ、例えば赤色や黄色の着色を行う。他方、設計データより引っ込んでいる箇所については、掘削対象とはならないので、重機のオペレータにとって目立たない、例えば青色や緑色に着色する。

処理用ＰＣ部１３は、図２に示すように、撮影車両３に搭載された無線ルータなどの無線伝送装置１５やモニタ１４などと接続されており、トータルステーション４による計測結果を受け取ることができる。

また、処理用ＰＣ部１３による演算処理結果は、無線伝送装置１５を介して、掘削機５の無線伝送装置５２や施工管理を行う事務所に設置された無線伝送装置６２に送られる。なお、事務所の無線伝送装置６２は例示であって、トンネル掘削現場と事務所との通信は、トンネル内の無線中継装置を介して有線を加えて行うこともできる。

掘削機５には、ＲＧＢ画像に基づいて生成された視差画像に、顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる表示部となる重機用モニタ５１が設置される。重機用モニタ５１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に接続される液晶モニタなどであってもよいし、タブレット端末などのモニタであってもよい。

また、重機用モニタ５１に裸眼立体モニタを使用すれば、複数の視差画像を表示することで裸眼によって容易に画像を立体視することが可能になる。立体視により重機のオペレータは奥行き感を得られるようになるため、掘削すべき突出箇所の把握が容易になる。

一方、事務所に設置される管理用ＰＣ部６にも、処理用ＰＣ部１３による演算処理結果が送られる。管理用ＰＣ部６では、余掘り量算出部において、点群データと設計データとに基づいて、余掘り量を算出させることができる。例えば、点群データの各点の設計面からの距離に単位面積を乗ずることで、１掘削サイクル分など指定範囲の余掘り量となる体積を算出する。そして、管理用ＰＣ部６に接続されたモニタには、処理用ＰＣ部１３による演算処理結果や、余掘り量算出部の算出結果などを表示させることができる。

また、管理用ＰＣ部６には、裸眼立体表示装置６１を接続することもできる。裸眼立体表示装置６１は、裸眼立体モニタ、又はスクリーン６１１とプロジェクタ６１２とによって構成される装置で、ヘッドマウントディスプレイや特殊な眼鏡などを装着しなくても、裸眼によって容易に画像を立体視することが可能になる。また、観察者が左右に頭部をずらしても立体視が可能である。詳細については、特開２０２２－５９８９８号公報に開示されている。

次に、本実施の形態のトンネル掘削支援システムの処理の流れについて、図２及び図５を参照しながら説明する。
カメラユニット１の位置と姿勢の計測は、撮影車両３を停止し、カメラユニット１を被写体に向けた後に行われる。例えば、カメラ保持具２に固定された３個の開閉式のプリズム４１を、トータルステーション４によって自動測量させる。トータルステーション４は、図１に例示したように、例えば坑壁に設置されていて、測量ターゲットとなるプリズム４１の位置を自動で測量させることができる。

自動測量された絶対座標系のプリズム４１の座標は、無線伝送によって処理用ＰＣ部１３に送られ、カメラユニット１の位置と姿勢の算出が行われる。一方、カメラユニット１のＴｏＦカメラ１１とカラーカメラ１２とによって、切羽やその周辺などの掘削対象となる箇所の撮影が行われる。

ＴｏＦカメラ１１による１回の撮影は、短時間（例えば１秒程度）で終了する。また、２台のＴｏＦカメラ１１が配置されていることで、切羽の全幅を一度に撮影することができる。こうしたＴｏＦカメラ１１の撮影によって、掘削対象の点群データを取得することができる。撮影によって取得された点群データは、カメラユニット１の位置情報及び姿勢情報に基づいて、絶対座標に変換される。

絶対座標に変換された点群データは、CIM（Construction Information Modeling）などの三次元の設計データと比較される。そして、設計データと比較し、差の方向と程度に基づいて、点群の色分けがされる。例えば、設計ラインよりトンネル内側に突出している点は暖色系に着色され、トンネル外側に引っ込んでいる点は寒色系に着色される。

一方、複数台（図５では４台）のカラーカメラ１２においても、掘削対象の撮影が行われ、各カメラのＲＧＢ画像から複数の視点の視差画像（実写画像）が生成される。そして、着色された点群データについても、複数台のカラーカメラ１２の位置情報及び姿勢情報に基づいて、それぞれの視点から見た色分けされた点群データの視差画像（点群画像）が生成される。

図６の左側には、同一視点の点群画像Ｍ１と実写画像Ｍ２とを例示している。この点群画像Ｍ１は、１掘削サイクルに該当する１リング分（トンネル軸方向の長さで、例えば1mから1.2m程度）だけが表示されている。そして、点群画像Ｍ１と実写画像Ｍ２とを指定の透過率で重ね合わせることで、図６の右側に示したような合成画像Ｍ３を作成する。この合成画像Ｍ３は、視差画像の数に応じて作成される。要するに、４枚の視差画像（Ｍ１、Ｍ２）があれば、４枚の合成画像Ｍ３が作成される。

このようにして作成された複数枚の合成画像Ｍ３は、無線伝送によって送られ、掘削機５のオペレータが操作中に見られる位置に設置された重機用モニタ５１に表示される。オペレータは、実際に目視できる切羽等と、重機用モニタ５１に表示された合成画像Ｍ３とを見比べながら、掘削作業を行うことになる。

一方、設計データと比較された点群データは、無線伝送や有線伝送によって、現場事務所などに設置された管理用ＰＣ部６に送られ、余掘り量の計算などに利用される。また、カラーカメラ１２の撮影によって得られた実写画像は、管理用ＰＣ部６に送られ、それに接続された裸眼立体表示装置６１によって立体的に表示される。

ところで、図５では、点群データをそのまま利用する処理の流れを説明したが、点群から面を作成してから、その面を色分けなどによって顕在化させる処理にすることもできる。図７は、点群データをサーフェス化するトンネル掘削支援システムの処理の流れを示した説明図である。

サーフェス化する場合は、座標変換された点群データから、掘削面を表すサーフェスデータを生成し、設計データによって生成された設計モデルのサーフェス（トンネル内周面）との比較を行う。そして、設計ラインに対する現況の凹凸の度合いに応じて、サーフェスが色分けされる。

次に、本実施の形態のトンネル掘削支援システムを使用したトンネル掘削の各工程について、図８を参照しながら説明する。
以下では、発破を使用するNATM工法による山岳トンネルの掘削工事の施工を例に説明する。

まず、発破の工程から説明を開始すると、発破後に、ホイールローダやバックホウ等の重機によってずり出しを行う。続いて、カメラユニット１を搭載した撮影車両３を、掘削箇所（切羽）から数mまでの位置に移動させ、停車させる。

そして、カメラユニット１を掘削対象（掘削部）に向けた状態で、トータルステーション４によってカメラユニット１の位置と姿勢を計測させる。カメラユニット１による掘削部の撮影は、ＴｏＦカメラ１１とカラーカメラ１２とによって同時に行われ、掘削部の点群データと実写画像とが取得される。

点群データについては、ＴｏＦカメラ１１の位置情報及び姿勢情報に基づいて座標変換が行われ、設計データと比較される。そして、設計ラインに対する現況の凹凸の度合いに応じて、各点が色分けされる。

実写画像Ｍ２と色付けされた点群画像Ｍ１とは、同一視点で重ね合わせが行われ、重ね合わされた合成画像Ｍ３は、掘削機５に無線伝送され、搭載された重機用モニタ５１に表示される。要するに重機用モニタ５１には、当り取り箇所が、目立つ着色がされた点群として実写画像の上に表示されている。そこで、オペレータは、重機用モニタ５１を見ながら、掘削機５のブレーカなどによって当り取りを実施する。

実写画像は、事務所にも伝送されるので、裸眼立体表示装置６１によって遠隔から立体視で切羽観察を行うことができる。また、点群データも事務所に伝送されるので、設計との比較から、余掘り量（体積）を算出することができる。

トンネルの掘削現場では、当り取り後に、必要に応じて支保工の建込みが行われる。続いて、掘削箇所と切羽には、コンクリートの吹付けとロックボルトの打設が行われる。一方、事務所では、切羽観察結果と余掘り量の算出結果などを参照しながら、次回の発破計画の策定が行われる。

要するに、余掘り量算出部による余掘り量の算出結果と、複数のカラーカメラ１２による視差画像を用いて遠隔からの切羽の詳細観察を行うことで、次回の発破計画に活かすことができる。例えば、発破の結果に基づいて算出される余掘り量（掘削不足又は掘削過多）と、切羽の岩盤の状態（良し悪し、目の方向等）から、当初予定していた次回の発破計画（装薬の配置や量など）を一部修正して、より精度の高い発破を行えるようにする。このようにして策定された計画に基づいて、次回の発破のための削孔と装薬が行われ、発破からの工程が繰り返される。

次に、本実施の形態のトンネル掘削支援システム及びトンネル掘削支援方法の作用について説明する。
このように構成されたトンネル掘削支援システムでは、カメラユニット１によって取得される掘削対象の点群データを設計データと比較することで注目すべき点群データを顕在化させるとともに、実写画像に顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる重機用モニタ５１を備えている。

ＲＧＢ画像に基づく視差画像は実物の掘削状況をそのまま示す実写画像であるため、掘削機５のオペレータは、実写画像に重ね合わされた着色された点群データを見ることで、掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することができるようになる。この結果、当り取りの精度向上と時間短縮を図ることができる。

また、点群データをＴｏＦカメラ１１によって取得するのであれば、３Ｄスキャナによって点群データを取得する場合（数十秒から数分）と比べて、掘削対象の三次元の点群データを極めて短い時間（１秒程度）で取得することができるようになる。この結果、掘削状況の表示までの時間が短縮され、掘削に迅速に取り掛かることができるようになったり、トンネル掘削のサイクルタイムが短くなったりして、作業の効率化を図ることができる。

また、複数のカラーカメラ１２を使用することで、立体的な実写画像を表示させれば、奥行きを感じることで凹凸の状態をよりリアルに把握することができるようになり、容易に掘削すべき箇所を把握することが可能になる。さらに、カメラ保持具２に複数のＴｏＦカメラ１１を取り付けることで、撮影すべき掘削対象が広い場合にも対応できるようになる。

また、ＴｏＦカメラ１１及びカラーカメラ１２を固定するカメラ保持具２が撮影車両３に搭載されていれば、発破後に迅速に最適な位置に移動して撮影を行うことができるようになるうえに、振動の大きい掘削機５に撮影部を搭載する場合と比べて、振動の影響（測定誤差、耐久性）を抑えることができる。

また、カメラ保持具２の３本以上のアーム２１にそれぞれプリズム４１が取り付けられていれば、ＴｏＦカメラ１１及びカラーカメラ１２との幾何学的な既知の位置関係に基づいて、カメラユニット１の位置情報及び姿勢情報を、短時間で精度よく計測することができる。

さらに、余掘り量算出部によって三次元の点群データと設計データとを比較して余掘り量を算出させることで、施工管理の負担を軽減することができるようになる。また、管理用ＰＣ部６に裸眼立体表示装置６１が接続されていれば、重いヘッドマウントディスプレイを装着したり特殊な眼鏡をかけたりすることなく、容易に実写画像を立体視できるようになる。

また、重機用モニタ５１も裸眼立体モニタなどの裸眼立体表示装置となっていれば、作業員は疲労や不快感を感じることなく、容易に実写画像を立体視することができる。また、作業員の視野が狭められないため、周囲の危険を察知しやすく安全である。

また、本実施の形態のトンネル掘削支援方法では、掘削対象の点群データを設計データと比較することで注目すべき点群データを着色によって顕在化させるとともに、実写画像に顕在化された点群データを同一視点で重ねて表示させる。

このように、実物の掘削状況をそのまま示す実写画像に顕在化された点群データが重ね合わされていれば、作業員は、掘削すべき箇所を直感的かつ正確に把握することができるようになり、当り取りの精度向上と時間短縮を図ることができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、複数のカラーカメラ１２によって視差画像を生成して立体画像を表示させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、立体画像を生成しない場合は、撮影部のカラーカメラ１２は１台であってもよい。

また、前記実施の形態では、点群データの取得をＴｏＦカメラ１１で行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば３Ｄスキャナ、ステレオカメラなどによって点群データを取得させることもできる。

また、前記実施の形態では、既存の車両を撮影車両３として利用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、遠隔操作や自動走行が行える専用車両を移動手段部にすることもできる。

さらに、前記実施の形態では、抽出処理部によって注目すべき箇所を暖色系の色で着色する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば注目不要な箇所を非表示にするような処理であってもよい。

また、前記実施の形態では、山岳トンネルの発破による掘削作業を例に説明したが、これに限定されるものではなく、発破を使用せずに掘削をおこなうトンネルにも本発明を適用することができる。

１ ：カメラユニット（撮影部）
１１ ：ＴｏＦカメラ（距離画像カメラ）
１２ ：カラーカメラ
１３ ：処理用ＰＣ部
２ ：カメラ保持具
２１ ：アーム
３ ：撮影車両（移動手段部）
４１ ：プリズム（測量ターゲット）
５１ ：重機用モニタ（表示部）
６１ ：裸眼立体表示装置
Ｍ１ ：点群画像
Ｍ２ ：実写画像
Ｍ３ ：合成画像

Claims (9)

1. トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援システムであって、
   位置情報及び姿勢情報を取得するとともに、掘削対象の点群データ及びＲＧＢ画像を取得する撮影部と、
   前記位置情報及び姿勢情報から特定される設計データと前記点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき前記点群データを顕在化させる抽出処理部と、
   前記ＲＧＢ画像に基づく画像に、顕在化された前記点群データを同一視点で重ねて表示させる表示部とを備えたことを特徴とするトンネル掘削支援システム。
2. 前記点群データは距離画像カメラによって取得するとともに、前記距離画像カメラと前記ＲＧＢ画像を取得するカラーカメラとの相対的な位置関係が既知であることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削支援システム。
3. 前記距離画像カメラ及び複数の前記カラーカメラを固定するカメラ保持具と、
   前記カメラ保持具を搭載する移動手段部とを備えたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削支援システム。
4. 前記カメラ保持具には、３個以上の測量ターゲットがそれぞれアームを介して取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削支援システム。
5. 前記点群データ及び前記設計データに基づいて余掘り量を算出する余掘り量算出部を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトンネル掘削支援システム。
6. 前記表示部は、裸眼立体表示装置であって、複数の前記カラーカメラによって視差画像が生成されることを特徴とする請求項３又は４に記載のトンネル掘削支援システム。
7. 前記視差画像は、撮影範囲が異なる複数が生成されて繋ぎ合わされることを特徴とする請求項６に記載のトンネル掘削支援システム。
8. 前記カメラ保持具には、位置及び姿勢の情報が把握された撮影範囲が異なる複数の前記距離画像カメラが取り付けられていて、それぞれの前記距離画像カメラにより取得された点群データが絶対座標系に変換されて、繋ぎ合わされることを特徴とする請求項３又は４に記載のトンネル掘削支援システム。
9. トンネルの掘削状況を表示させるトンネル掘削支援方法であって、
   撮影部の位置情報及び姿勢情報を取得するとともに、前記撮影部によって掘削対象の点群データ及びＲＧＢ画像を取得するステップと、
   前記位置情報及び姿勢情報から特定される設計データと前記点群データとを比較して、設定された条件を満たす注目すべき前記点群データを顕在化させるステップと、
   前記ＲＧＢ画像に基づく画像に、顕在化された前記点群データを同一視点で重ねて表示させるステップとを備えたことを特徴とするトンネル掘削支援方法。