JP3544630B2

JP3544630B2 - 土量計測方法及び装置

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Publication number: JP3544630B2
Application number: JP11720399A
Authority: JP
Inventors: 良和宮内; 勉早崎; 悟三浦; 出黒沼; 省三青木; 裕士太田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: JP2000304511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は土量計測方法及び装置に関し、とくに土工事現場において掘削土や搬出土の容積（以下、土量という。）を正確に計測する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば土工事で地山の掘削により発生した土（土及び砂を含む。以下同じ。）は、ダンプトラック等に積載して工事現場から搬出し、他の工事現場の埋め立てなどに供される。従来、施工管理の観点からこれらの掘削土量や搬出土量を計測する場合は、次のような方法によることが多い。
【０００３】
（１）掘削前と掘削後の地山の形状を測量し、掘削前後の地山形状の差から掘削土量を求める。
（２）掘削土をトラック等で搬出する場合、土積載前のトラック重量と土積載後のトラック重量をロードセル利用のトラックスケール等の測定装置で測定し、積載前後の重量差を地山における土の単位体積重量で除算することにより、間接的に搬出土量を求める。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の（１）掘削前後の地山形状差から土量を求める方法は、地山の状態からほぐされた土は土量変化率に従って体積が変化すること及び土量変化率自体も土の性状によって異なってくることから、「搬出・運搬した土量は何ｍ^３であるか」という基準で土量管理をする場合に正確な土量が求められない問題点がある。
【０００５】
また従来の（２）積載前後の重量差から間接的に土量を求める方法も、地山における土の単位体積重量は均一でないこと及び除算により間接的に土量を算出する方法であることから、誤差が累積して必ずしも正確な土量を求めることができない問題点がある。
【０００６】
他方、施工管理の情報化の進展に応じ、正確な土量管理による質の高い施工管理が求められている。
【０００７】
そこで本発明の目的は、土の容積を直接且つ正確に計測する土量計測方法及び装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１及び図２の実施例を参照するに、本発明の土量計測方法は、土の容積を計測する方法において、三次元形状が既知の上端開放搬送器２内に土１を積載し、搬送器２全体が撮像範囲に収まる高さ位置に支持した下向きステレオ画像計測装置５により当該撮像範囲内に設けた基準点を検出してステレオ画像法の変換パラメータを較正すると共に較正した変換パラメータを用いて当該撮像範囲内に進入した搬送器２の上端縁3a及び積載土１の表面の三次元座標を計測し、上端縁3aの三次元座標から搬送器２の積載面3b及び積載土１の底側表面の三次元座標を定め、積載土１の表面の三次元座標と底側表面の三次元座標とから土１の容積を算出してなるものである。
【０００９】
また図１及び図２を参照するに、本発明の土量計測装置は、土の容積を計測する装置において、土積載用の上端開放搬送器２の三次元形状を記憶する記憶手段６、土積載後の搬送器２が進入可能な計測室17、計測室17上部の搬送器２全体が撮像範囲に収まる位置に下向きに取り付けられ且つ撮像範囲内に設けた基準点を検出してステレオ画像法の変換パラメータを較正すると共に較正した変換パラメータを用いて当該撮像範囲内に進入した搬送器２の上端縁3a及び積載土１の表面の三次元座標を計測するステレオ画像計測装置５、上端縁3aの三次元座標から搬送器２の積載面3b及び積載土１の底側表面の三次元座標を定める座標割付手段７、並びに積載土１の表面の三次元座標と底側表面の三次元座標とから土１の容積を算出する容積算出手段８を備えてなるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の土量計測装置のシステムブロック図の一例を示し、図２は例えばトラック等の荷台（以下、ベッセルということがある。）を上端開放搬送器２とし、ベッセル上に積載した土量を図１の装置で計測する実施例を示す。図１のステレオ画像計測装置５は、例えばＣＣＤカメラ装置である一対のステレオ式撮像装置12R、12Lと、格子状に組み合わせた可視スリット光の群（以下、メッシュ光という。）を投光する投光器10と、撮像装置12R、12Lによる一対の二次元画像から三次元座標を算出する座標算出手段15を有し、三次元画像計測法の一例であるステレオ画像法に基づき計測対象の三次元座標を計測するものである。座標算出手段15の一例はコンピュータ16に内蔵のプログラムであり、図中の符号14はコンピュータ16に接続した画像入力ボードを示す。
【００１１】
ステレオ画像法とは、図７に示すように、異なる位置に設けた一対の撮像装置１２Ｒ、１２Ｌにより計測対象１９を異なる向きから撮影し、各撮像装置１２Ｒ、１２Ｌの二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌにおける対象１９の像の二次元座標（像に対応する水平画素及び垂直画素の画像上での位置座標をいう。以下同じ。）から対象１９の三次元座標を求める画像計測法である。同図を参照してステレオ画像法の原理を簡単に説明すると、計測対象１９上の点Ｐの三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、撮像装置１２Ｒの画像Ｉｗ_Ｒの座標系における点Ｐの像Ｐａの二次元座標を（Ｘａ、Ｙａ）、撮像装置１２Ｌの画像Ｉｗ_Ｌの座標系における点Ｐの像Ｐｂの二次元座標を（Ｘｂ、Ｙｂ）とした場合、点Ｐから像Ｐａ及び像Ｐｂへの変換式は各座標の同次座標系表現を用いて下記式（１）（２）のように表わすことができる。ここで、（Ｘ、Ｙ、Ｚ、１）^Ｔ、（Ｘａ、Ｙａ、１）^Ｔ、（Ｘｂ、Ｙｂ、１）^Ｔは同次座標系表現による点Ｐ、像Ｐａ、像Ｐｂの座標を表し、肩書のＴは転置行列を示す。
【００１２】
各撮像装置１２Ｒ、１２Ｌの画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌから座標（Ｘａ、Ｙａ）及び（Ｘｂ、Ｙｂ）を求めて式（１）（２）に代入し、式（３）（４）で表されるＨａ及びＨｂを用いて式（１）（２）を展開・整理すると式（５）〜（８）が得られる。式（９）で定義する行列Ｆ、Ｑ、Ｖを用いて式（５）〜（８）を纏めるとＦ＝ＱＶ（式（１０））となるので、逆行列Ｑ^−１の存在を条件に、式（１１）から三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が算出できる。すなわちステレオ画像法では、式（１）（２）の行列Ａ及びＢ等の変換パラメータが定まれば、一対の二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌから複数の像の三次元座標を同時に求めることが可能である。なお３台以上の撮像装置１２によるステレオ画像計測も可能であり、撮像装置１２の台数に応じて行列Ｆ、Ｑの行数が増える。
【００１３】
【数１】

【００１４】
ただしステレオ画像法では、一対の二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌ上の対応点Ｐａ、Ｐｂの検出（以下、マッチングという。）が難しいことがある。図１及び２では、計測対象へメッシュ光を投光し、メッシュ光の投影により計測対象上に形成された格子模様（以下、メッシュという。）を一対の撮像装置１２Ｒ、１２Ｌで撮影し、二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌ上のメッシュ像の交点（以下、メッシュ交点という。）を検出することによりマッチングの容易化、高精度化を図っている。メッシュ光は、光の散乱を防ぐためスリットレーザー光の組み合わせとすることができる。図１の符号１３はコンピュータ１６に接続したメッシュ光制御回路を示し、メッシュ光の間隔をコンピュータ１６及び制御回路１３により調整する。ただしマッチングのための対応点は、メッシュ光の投影に限らず、多数のスポット光の投影など他の方法で形成してもよい。
【００１５】
以下、図２を参照して、図１のステレオ画像計測装置５によりトラック・ベッセルに積載した土量を計測する場合について説明する。ただし、本発明で用いる搬送器２はトラック・ベッセルに限定されない。
【００１６】
図２では、土工事現場の任意場所に搬送器２が進入可能な計測室17を画成する支持枠４を設置し、計測室17の上部の支持枠４にステレオ画像計測装置５を下向きに取り付けている。図示例の支持枠４は、所定間隔で搬送機２を跨ぐ一対の門型部材4a、4bと、門型部材4a、4bの頂部の間を連結する梁部材4cとを有する。一対の門型部材4a、4bで画成した計測室にトラックを進入させ、下向き計測装置５によりベッセル積載の土量を計測する。
【００１７】
なお図示例は２台の撮像装置１２Ｒ、１２Ｌを有する計測装置５を示すが、測定精度向上のため３台以上の撮像装置１２を使用してもよい。また支持枠４上の計測装置５の取付位置は、各撮像装置１２Ｒ、１２Ｌの撮像範囲にトラック・ベッセル全体が収まり且つメッシュ光がベッセル全体に満遍なく投光されるように検討のうえ決定することができ、図示例に限定されない。
【００１８】
図２における土量計測の流れ図の一例を図５に示す。先ずステップ501において、搬送器２の三次元形状を計測して記憶手段６（図１）に記憶する。搬送器２がトラック・ベッセルである場合は、図３（Ｂ）に示すベッセル２の積載面3b及び上端縁3aの三次元形状を計測し、例えば図３（Ｃ）に示すように三次元グラフィック画像Ig_3b、Ig_3aとして記憶手段６に記憶する。搬送器２の積載面3b及び上端縁3aの三次元形状は、例えば土積載前にステレオ画像計測装置５で求めてもよく、またＣＡＤ等で作成した搬送器２の三次元設計形状としてもよい。一旦搬送器２の三次元座標を計測して記憶すれば、次回の土量計測からは記憶データを読み出せば足りるので、ステップ501は省略可能である。
【００１９】
ステップ５０２で土積載後の搬送器２を計測室に進入させて停止させ、ステップ５０３でステレオ画像法の変換パラメータを較正する。変換パラメータには前記式（１）（２）の行列Ａ及びＢ等が含まれる。変換パラメータの較正（以下、キャリブレーションということがある。）は、例えば撮像装置１２Ｒ、１２Ｌの撮像範囲に予め三次元座標（式（１）（２）の（Ｘ、Ｙ、Ｚ））が既知の６以上の基準点（図示せず）を設置し、各基準点について撮像装置１２Ｒ、１２Ｌの各画像上の二次元座標（式（１）（２）の（Ｘａ、Ｙａ）、（Ｘｂ、Ｙｂ））を検出することにより行なうことができる。ステレオ画像法のキャリブレーションについては、本発明者が掘削地山等の変位計測管理システムを開示した特開平８−２１９７８３号公報に詳述されている。
【００２０】
なお、ステレオ画像法の変換パラメータを一旦較正すれば、撮像装置１２Ｒ及び１２Ｌの位置・姿勢・レンズの焦点距離等が一定である限り次回以降の土量計測でも同じ変換パラメータが使用できるので、ステップ５０３は省略可能である。
【００２１】
ステップ５０４及び５０５において投光器１０から搬送器２上へメッシュ光を投光し、撮像装置１２Ｒ及び１２Ｌにより搬送器上端縁３ａ及び積載土１表面を撮影する。図３（Ａ）はトラック後方から見た積載土表面のメッシュ交点１８を表し、図４は撮像装置１２Ｒ及び１２Ｌで撮影した二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌを示す。同図に示すように、二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌにおいてメッシュ交点１８は像１８Ｒ、１８Ｌとして観察できるので、二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌにおける対応点が容易に検出できる。画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌはコンピュータ１６の表示装置（図示せず）に映し出して確認することができる。なお図３及び４では支持枠４を省略している。
【００２２】
ステップ５０６では、座標算出手段１５により二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌの各メッシュ交点像１８Ｒ、１８Ｌの二次元座標（式（１）（２）の（Ｘａ、Ｙａ）、（Ｘｂ、Ｙｂ））を求め、ステップ５０３で較正した変換パラメータＡ、Ｂを用い、前記式（１１）に基づき各メッシュ交点１８の三次元座標（式（１）（２）の（Ｘ、Ｙ、Ｚ））を算出する。メッシュ光の間隔を十分細かくすれば、実質上、メッシュ交点１８の三次元座標の集合を搬送器上端縁３ａ及び積載土１表面の三次元座標とみなすことができる。メッシュ交点１８の三次元座標の集合により作成したベッセル２の上端縁３ａ及び積載土１表面の三次元グラフィック画像Ｉｇ_３ａ、Ｉｇ_１の一例を図３（Ｃ）に示す。
【００２３】
例えば図３（Ａ）のように搬送器２の上端縁３ａが積載土１の表面の周縁に存在する場合は、ステップ５０６で求めたメッシュ交点１８の三次元座標の集合のうち、周縁部分のメッシュ交点１８の三次元座標を搬送器上端縁３ａの三次元座標と考えることができる。搬送器上端縁３ａの三次元座標を一層容易且つ確実に求めるため、図３及び４に示すように、メッシュ交点１８と識別可能な視標２０ａ〜２０ｄを搬送器上端縁３ａに取り付けてもよい。この場合はステップ５０６において、二次元画像Ｉｗ_Ｒ、Ｉｗ_Ｌからメッシュ交点像１８Ｒ、１８Ｌと共に視標像２０Ｒ、２０Ｌの二次元座標を求め、メッシュ交点１８と共に指標２０の三次元座標を算出する。例えばベッセル２の上端縁３ａが同一平面上にあるときは、上端縁３ａに取り付けた３以上の指標２０の三次元座標から上端縁３ａの三次元座標を求めることができる。
【００２４】
ステップ507において、図１の座標割付手段７により、ステップ506で求めた搬送器上端縁3aの三次元座標から搬送器２の形状の三次元座標を定める。例えば搬送器上端縁3aの三次元座標と搬送器２の設計寸法とから、搬送器２の積載面 3bの三次元座標を定めることができる。本ステップで定まる搬送器２の積載面3bの三次元座標は、ベッセル２と接する積載土１の底側表面の三次元座標である。すなわち図３（Ｃ）に示すように、ステップ506及び507により積載土表面の三次元座標と搬送器２の積載面 3bの三次元座標とから積載土１の全表面の三次元座標が定まる。座標割付手段７の一例は、コンピュータ16内蔵の画像処理プログラムである。
【００２５】
なお図３（Ｃ）は積載土表面が搬送器２の上端縁3aより上方にある場合を示すが、図６のように積載土表面が搬送器２の上端縁3aより下方にある場合も、積載土表面の三次元座標と搬送器２の積載面 3bの三次元座標とから積載土１の全表面の三次元座標を定めることができる。
【００２６】
積載土１の全表面の三次元座標が定まれば、ステップ５０８において、図１の容積算出手段８により積載土１の容積が算出できる。容積算出方法の一例は、積載土１の全表面の三次元座標から、例えばメッシュの縦方向断面又は横方向断面毎に平均断面計算法を用いて積載土１の容積を算出するものである。容積算出手段８の一例は、立体表面の三次元座標から平均断面計算法により容積を算出するコンピュータ１６内蔵のプログラムである。ただし、容積算出方法は平均断面計算法に限定されず、立体表面の三次元座標から容積を求める他の従来技術を用いることができる。
【００２７】
ステップ５０９において積載土１の容積を累積したのち、ステップ５１０で土量計測の終了を判断し、ステップ５０２へ戻り土量計測を継続するか又は計測を終了する。土工事現場では、搬出トラックのベッセル積載土量の累積により、搬出土量が管理できる。累積土量は、随時コンピュータ１６の表示装置又は印刷装置に出力して施工管理に供することができる。
【００２８】
本発明によれば、掘削土量及び搬出土量を土量変化率や土の単位体積重量に拘わらず直接的に且つ正確に計測することができ、土量管理のレベル向上を図ることができる。また搬送器識別システム等との組み合わせにより土量の自動計測も可能であり、施工管理の簡易化、コスト低減への寄与も期待できる。
【００２９】
こうして本発明の目的である「土の容積を直接且つ正確に計測する土量計測方法及び装置」の提供が達成できる。
【００３０】
なお図５の流れ図では搬送器２を停止したのち土量計測を行なうが（ステップ５０２）、本発明の土量計測は搬送器上端縁３ａ及び積載土表面の三次元座標が計測できれば足りるので、搬送器２の停止は必須ではない。
【００３１】
【実施例】
図２に示す支持枠４を土工事現場に設置する場合は、ステレオ画像計測装置５の投光器10から投光するメッシュ光の輝度が太陽光で弱まり、二次元画像Iw_R、Iw_Lにおける対応点の検出が困難になるおそれがある。図２の実施例では、計測室17に外部から不所望な光が進入して搬送器10上に投影したメッシュ像がかき消されてしまうことのないように、必要に応じて計測室を覆う暗幕を支持枠４に取り付けることができる。
【００３２】
以上、搬送器２が土１の積載で変形しない場合について説明したが、例えば土１の積載により搬送器２が変形し得る場合でも、搬送器２の三次元形状の変形量が予め予想できる場合は、本発明の適用が可能である。例えば搬送器２の三次元形状の変形量が載積重量のみに依存するような場合は、予め積載重量に応じた搬送器２の変形量を計測して図１の記憶手段６に記憶し、積載土の重量を測定する重量測定装置９を設け、座標割付手段７により搬送器２の上端縁３ａの三次元座標と積載重量に応じた搬送器２の変形量とに基づき搬送器２の形状の三次元座標を定めることも可能である。さらに土の積載位置に応じた搬送器２の変形量を考慮することにより、例えばベルトコンベア上の積載土量の計測に本発明を適用することも期待できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の土量計測方法及び装置は、三次元形状が既知の上端開放搬送器内に土を積載し、前記搬送器全体が撮像範囲に収まる高さ位置に支持した下向きステレオ画像計測装置により当該撮像範囲内に設けた基準点を検出してステレオ画像法の変換パラメータを較正すると共に較正した変換パラメータを用いて当該撮像範囲内に進入した搬送器の上端縁及び積載土表面の三次元座標を計測し、搬送器上端縁の三次元座標から搬送器積載面及び積載土の底側表面の三次元座標を定め、積載土表面の三次元座標と底側表面の三次元座標とから土の容積を算出するので、次の顕著な効果を奏する。
【００３４】
（イ）土量変化率や土の単位体積重量に拘わらず、掘削土量、搬出土量を直接的に且つ正確に計測できる。
（ロ）正確な土量計測により、施工管理の質及びレベルの向上が期待できる。
（ハ）従来の測量等による計測方法に比し、簡易、迅速な土量計測が可能となるので、土量管理コストの低減が図れる。
（ニ）メッシュ光投光器及びステレオ式撮像装置が利用でき、メッシュ光の間隔の調整により計測精度の向上が図れる。
（ホ）搬送器識別システム等との組み合わせにより土量計測の自動化ヘの寄与が期待できる。
（ヘ）土量自動計測システムの構築により、施工管理の簡易化、管理コストの低減が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明のシステムブロック図である。
【図２】は、本発明の一実施例の説明図である。
【図３】は、本発明による土量計測の説明図である。
【図４】は、一対のステレオ画像の説明図である。
【図５】は、本発明による土量計測の流れ図の一例である。
【図６】は、本発明による土量計測の他の説明図である。
【図７】は、ステレオ画像法による三次元画像計測法の説明図である。
【符号の説明】
１…土２…搬送器
３ａ…搬送器上端縁３ｂ…搬送器積載面
４…支持枠４ａ、４ｂ…門型部材
４ｃ…梁部材５…三次元画像計測装置
６…記憶手段７…座標割付手段
８…容積算出手段９…重量測定装置
１０…投光器１１…メッシュ光
１２Ｒ、１２Ｌ…撮像装置１３…メッシュ光制御回路
１４…映像入力ボード１５…座標算出手段
１６…コンピュータ１７…計測室
１８…メッシュ交点１９…計測対象
２０…視標
Ｉｗ…二次元画像Ｉｇ…三次元グラフィック画像

Claims

土の容積を計測する方法において、三次元形状が既知の上端開放搬送器内に土を積載し、前記搬送器全体が撮像範囲に収まる高さ位置に支持した下向きステレオ画像計測装置により当該撮像範囲内に設けた基準点を検出してステレオ画像法の変換パラメータを較正すると共に較正した変換パラメータを用いて当該撮像範囲内に進入した前記搬送器の上端縁及び積載土表面の三次元座標を計測し、前記上端縁の三次元座標から前記搬送器の積載面及び積載土の底側表面の三次元座標を定め、前記積載土表面の三次元座標と底側表面の三次元座標とから土の容積を算出してなる土量計測方法。
請求項１の計測方法において、前記搬送器の三次元形状を、土積載前に前記搬送器の上端縁及び積載面の形状を前記計測装置で計測することにより求めてなる土量計測方法。
請求項１又は２の計測方法において、前記計測装置に、格子状に組み合わせたスリット光又はスポット光の群を投光する投光器と、前記スリット光の群の投影により形成された格子模様の各交点又はスポット光の投影点の三次元座標を計測するステレオ式撮像装置とを含めてなる土量計測方法。
請求項１から３の何れかの計測方法において、前記搬送器をダンプトラックの荷台としてなる土量計測方法。
土の容積を計測する装置において、土積載用の上端開放搬送器の三次元形状を記憶する記憶手段、土積載後の搬送器が進入可能な計測室、前記計測室上部の搬送器全体が撮像範囲に収まる位置に下向きに取り付けられ且つ撮像範囲内に設けた基準点を検出してステレオ画像法の変換パラメータを較正すると共に較正した変換パラメータを用いて当該撮像範囲内に進入した前記搬送器の上端縁及び積載土表面の三次元座標を計測するステレオ画像計測装置、前記上端縁の三次元座標から前記搬送器の積載面及び積載土の底側表面の三次元座標を定める座標割付手段、並びに前記積載土表面の三次元座標と底側表面の三次元座標とから土の容積を算出する容積算出手段を備えてなる土量計測装置。
請求項５の計測装置において、前記計測装置に、格子状に組み合わせたスリット光又はスポット光の群を投光する投光器と、前記スリット光の群の投影により形成された格子模様の各交点又はスポット光の投影点の三次元座標を計測するステレオ式撮像装置とを含めてなる土量計測装置。
請求項５又は６の計測装置において、前記計測室に外部からの光の進入を防ぐ暗幕を設けてなる土量計測装置。