JP3597832B2 - 軌道狂い計測方法およびその方法に用いられる軌道狂い計測システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、既設路線の軌道（レール）を横断するトンネルやガードその他の工事を行う場合等に求められる軌道狂い管理を行うための軌道狂い計測方法および、その方法に用いられる軌道狂い計測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば西日本旅客鉄道株式会社（ＪＲ西日本）の規定（軌道整備基準）によれば、既設路線の軌道を横断するような工事を行う場合、その工事期間中、対象区間の軌道狂い計測を定期的に繰り返して、経時的な狂いを所定値以内に管理する必要があり、その際の管理項目としては、通り狂い（水平方向の狂い）、高低狂い（高さ方向の狂い）、軌間狂い（レール間隔の狂い）、水準狂い（二本のレールの高さの差の狂い）、平面性狂い（二本のレールの高さの捩じれの狂い）の５項目がある。
【０００３】
かかる軌道狂いの管理のための軌道狂い計測方法としては、人手で行う方法とワイヤーセンサーによる自動計測方法の二種類が一般的であり、人手で行う際の各項目の計測方法は以下の通りである。
【０００４】
通り狂いおよび高低狂いについては、図１２中に△印で示すように、対象区間（通常は３０ｍ程度）のレールＲに５ｍピッチでマーキングを行って、そのマーキングに従い、１０ｍの糸（水糸）ＬＳをレールＲに沿って張り渡し、その糸ＬＳの両端位置および中央位置のそれぞれでのレールＲとの間隔ａおよびｂを差し金等で計ってｂ−ａの値を計算することで中央位置（５ｍ位置）での曲がり（通り）を計測し、同様にして糸ＬＳの両端位置および中央位置のそれぞれでのレールＲとの高低差ａおよびｂを差し金等で計ってｂ−ａの値を計算することで中央位置（５ｍ位置）での曲がり（高低）を計測する。
【０００５】
また軌間狂いについては、上記各マーキング位置において、二本の軌道Ｒの間隔をスチールテープ（鋼巻尺）を用いて計測する。そして水準狂いについては、上記各マーキング位置において、二本の軌道Ｒの高低差を、測量用のレベルを用いて計測する。さらに平面性狂いについては、各マーキング位置において、隣りのマーキング位置との水準狂いの相対差を計算する。
【０００６】
一方、ワイヤーセンサーによる自動計測方法は、前述の５項目のうち、通り狂い、高低狂い、水準狂いの３項目を対象とする。計測箇所は人手で行う場合と同様で、対象区間に水糸ＬＳのかわりにワイヤーを張り、図１２中のｂの計測位置においてレールＲに固定した治具にレーザー距離計を設置して、そのレーザー距離計でワイヤーまでの水平および鉛直方向距離を計って通り狂いと高低狂いとを計測する。また水準狂いは、１０ｍピッチで傾斜角計を設置して計測する。この自動計測による管理の際には、軌道狂いの初期値の計測は先の人手で行う方法で行い、その後の変化量を上記方法で自動計測することにより、軌道狂いの管理を行う。
【０００７】
ところで近年、デジタルカメラの普及により、計測対象物に取り付けた標識をデジタルカメラによって撮像し、その標識を含む画像をパーソナルコンピュータに取り込んで、画像上において標識の重心位置を計測し、その値を実計測値に変換して計測を行う計測方法も知られている。この手法には、カメラ一台で一箇所で計測する方法と、カメラ二台あるいは一台で移動して二箇所で計測する方法とがあり、カメラ一台で一箇所で計測する手法は、撮像された画像中の標識の高さ方向および横方向の二次元座標値を計測し、二箇所で計測する手法は、奥行き方向も加えた、標識の三次元座標値を計測する。なお、この明細書では特に断らない限り、「画像」とは一画面分の画像をいう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人手による計測方法では、計測する際に列車見張り監視員が必要であるため、長期間に渡る工事に際してはコストが嵩んでしまうという問題がある。そして、夜間を含めて２４時間計測を行う場合の作業員の確保困難等の問題もある。
【０００９】
一方、ワイヤーセンサーによる自動計測では、計測を行うために種々の機器を軌道に取り付ける必要があるため、機器の初期設置に手間とコストが嵩むという問題があり、また保線作業時にはこれらの機器を一旦撤去し、作業後に再設置する必要があるため、メンテナンスにも手間がかかるという問題がある。さらに、軌道は列車車輪と直接接し、列車運行のための制御信号が流れているため、計測機器を取り付けた場合には、列車走行に悪影響を与える可能性があるという問題がある。加えて、ワイヤーセンサーによる計測方法では、管理者にセンサー（距離計）からの情報しか伝わらないため、異常値発生時の現場状況が画像として確認できないので、管理者が現地に行く必要があり、迅速な対応がとれないという問題もある。
【００１０】
また、デジタルカメラを用いて計測する方法では、計測物を真横から撮影するのが通常であり、その撮影範囲が計測範囲となる。この場合、撮影された範囲をデジタルカメラの画素数によって分割することになるため、１画素の大きさに相当する撮影範囲が計測精度の基準となる。従って、広範囲（約３０ｍ）に渡って高精度（誤差１ｍｍ以内）で計測することは困難であり、軌道や橋梁のような長い計測物を対象とする場合には計測精度が低下し精度基準に満たない場合が多いという問題がある。
【００１１】
そこで、本願発明者はこれらの問題を解決する方法について研究したところ、一般にデジタルカメラでは被写界深度（ピントの合う範囲）が比較的深いため、奥行き方向についてかなり近くから遠くまで一枚の画像中に鮮明に撮影することができるということに想到し、また、軌道狂い管理を行うための軌道狂い計測においては通常、軌道の延在方向の位置ずれは管理対象とされないということに想到した。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上述の点に鑑みて先の課題を有利に解決した計測方法および計測システムを提供することを目的とするものであり、この発明の軌道狂い計測方法は、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめ複数個の標識をその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付け、前記複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置した電子式撮像手段によって前記複数個の標識の全てを所定時間間隔で撮像し、先ず、前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の所定計測座標系での位置との対応関係を求め、次いで、前記所定時間間隔で撮像した画像上での前記複数個の標識の位置から前記対応関係を用いてそれらの標識の前記所定計測座標系での位置をそれぞれ求め、前記求めた複数個の標識の前記所定計測座標系での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求めることを特徴とするものである。
【００１３】
この発明の計測方法によれば、軌道に標識を取り付けて、それらの標識の計測座標系での位置を測量用のトータルステーション等で別途求め、それらの標識の電子式撮像手段で撮像した画像上での位置と上記計測した所定計測座標系での位置との対応関係を求めるキャリブレーション作業を行った後は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の電子式撮像手段により自動計測を行うので、計測する際に列車見張り監視員が不要であるため、長期間に渡る工事でも低コストで計測を行うことができ、しかも夜間を含めて２４時間計測を行う場合でも作業員の確保の心配がない。
【００１４】
また、この発明の計測方法によれば、軌道脇に電子式撮像手段および他の計測機器を設置するとともに軌道に標識を接着剤等を用いて取り付けた後に上記キャリブレーション作業を行うだけで人手による作業が済むので、作業コストが低コストで済み、軌道には標識を取り付けるだけなので軌道に対する負荷が少なく、安全である。
【００１５】
さらに、この発明の計測方法によれば、現地の計測機器と管理事務所とを通信回線で接続することにより、計測結果とともに現地撮影画像を管理事務所に伝送することができる。従って、計測値に異常値が発生した場合等に、現地状況を画像により確認し得て、管理者が現地に行かなくても迅速な対応をとることができる。
【００１６】
しかも、一般にデジタルカメラを用いた計測方法では計測誤差が撮影範囲に比例して大きくなるため長い区間の軌道計測を通常の如く真横から行うと計測誤差が過大になってしまう処、この発明の計測方法によれば、複数個の標識が全て一画像中に入るように計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置した電子式撮像手段によって軌道を斜め方向から撮影するので、撮影範囲を小さくしたままで長い区間の軌道計測が行えるため、計測精度の低下を防止することができる。
【００１７】
なお、この発明の計測方法においては、前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の前記所定計測座標系での位置との対応関係は、前記標識の中心位置と前記電子式撮像手段のレンズの中心位置とを通る直線と、前記電子式撮像手段の前記画像が位置する仮想画面上での前記標識の中心位置とレンズの中心位置とを通る直線と、前記所定計測座標系と前記電子式撮像手段の座標系との関係を表す関係式とに基づき、共線条件方程式を用いて求めることとしても良く、このようにすれば、前記対応関係を容易に求めることができる。
【００１８】
また、この発明の計測方法においては、前記標識の撮像時に光量が不足する場合に、前記複数個の標識を照明することとしても良く、このようにすれば、元々の夜間照明が充分でないような区間でも２４時間自動計測を行い得るとともに、曇天時や雨天時等日光の光量が少ない場合でも標識の位置を確実に計測することができる。
【００１９】
一方、この発明の軌道狂い計測システムは、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付けられた複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置された電子式撮像手段と、前記電子式撮像手段を所定時間間隔で作動させてその電子式撮像手段に前記複数個の標識の全てを前記所定時間間隔で撮像させる撮像制御手段と、前記電子式撮像手段が所定時間間隔で撮像した前記複数個の標識の全てを含む画像を画像処理して前記複数個の標識を識別する標識識別手段と、前記識別した複数個の標識の画像上での位置から所定の対応関係を用いてそれらの標識の所定計測座標系上での位置を演算でそれぞれ求める標識位置演算手段と、前記所定時間間隔で撮像された画像から求められた前記複数個の標識の前記所定計測座標系上での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求める軌道狂い演算手段と、を具えてなるものである。
【００２０】
この発明の計測システムにあっては、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付けられた複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置された電子式撮像手段を、撮像制御手段が所定時間間隔で作動させて、その電子式撮像手段に前記複数個の標識の全てを前記所定時間間隔で撮像させ、標識識別手段が、前記電子式撮像手段が所定時間間隔で撮像した前記複数個の標識の全てを含む画像を画像処理して前記複数個の標識を識別し、標識位置演算手段が、前記識別した複数個の標識の画像上での位置から所定の対応関係を用いてそれらの標識の所定計測座標系上での位置を演算でそれぞれ求め、そして軌道狂い演算手段が、前記所定時間間隔で撮像された画像から求められた前記複数個の標識の前記所定計測座標系上での位置の相対的な位置ずれ量から、通り狂いや高低狂い等の軌道狂いを求める。
【００２１】
従って、この発明の計測システムによれば、先の発明の計測方法を実施し得てその計測方法の、軌道狂いを自動計測でき、また軌道に対する負荷が少なく設置費用が低コストで済み、さらに、計測結果を画像とともに管理事務所に伝送し得て、異常値が発生した場合等に現地の画像を遠隔地から確認でき、しかも高い計測精度を確保できるといった効果をもたらすことができる。
【００２２】
なお、この発明の計測システムにおいては、前記標識識別手段が、前記画像処理として、初期登録された前記標識の形状パラメータ（面積、重心座標値、真円度、楕円パラメータ等）を用いて、計測時に前記撮像された画像中から前記標識を抽出し、前記標識を識別するようにしても良く、このようにすれば、標識の識別を確実に行うことができる。
【００２３】
また、この発明の計測システムにおいては、所定時間（例えば３０分）に一回の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から計測を行ってその計測結果から異常値を除去するようにしても良く、通常、列車通過時には電子式撮像手段の画像が振動でブレたり列車が撮影の障害になったりするため標識の自動識別が困難になる処、上記のようにすれば計測値の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の軌道狂いの計測方法の一実施例の実施に用いられる、この発明の軌道狂い計測システムの一実施例の構成を示す説明図、また図２は、その実施例の計測システムにおける電子式撮像手段の配置例を示す説明図であり、図中符号Ｒは軌道（レール）、１は標識、２はカメラハウジング、３はそのカメラハウジング内に外部撮影可能に収容された電子式撮像手段としてのデジタルスチルカメラ（以下単に「デジタルカメラ」という）をそれぞれ示す。
【００２５】
この実施例の計測システムでは、図１に示すように、計測対象の例えば３０ｍの区間に渡って二本の軌道Ｒにそれぞれ標識１を５ｍピッチで取り付け、それらの標識１の全てを撮像するため、図２に示すように、端の標識１から軌道Ｒに沿って２０ｍ離れるとともに軌道Ｒから例えばＬ＝４．５ｍ離れた軌道脇に立設したポスト４上に、外部を撮影可能にガラス窓を設けてデジタルカメラ３を収容したカメラハウジング２を、デジタルカメラ３が軌道Ｒから例えばＨ＝２ｍの高さに位置するように設置してある。ここで、標識１は、図３（ａ）の取付け図と、図３（ｂ）の上側の正面図および下側の下面図とに示すように、非導電性材料であるアクリル板をＬ字状に折曲して全体を黒く塗るとともに中央部に白い円形パターン１ａを描いたもので、軌道Ｒの腹部に接着剤等により取り付ける。なお、軌道Ｒの腹部に取り付けると標識１を障害物が遮る場合は、図３（ｃ）の取付け図と、図３（ｄ）の上側の正面図および下側の下面図とに示すように、標識１を外軌の軌道Ｒの頭部に取り付けるようにしても良い。
【００２６】
デジタルカメラ３は、そのカメラ付近に設置したパソコンハウジング５内に収容した通常のパーソナルコンピューターからなる現場パソコン６に、伝送ケーブルとしてのユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブル６ａを用いて接続してあり、現場パソコン６は、夜間計測用に標識１付近を充分明るくするよう現場付近に複数台設置した照明器具８とデジタルカメラ３とに電源線７ａを介して電源を供給するスイッチ回路７を制御するとともに、ＵＳＢケーブル６ａを介してデジタルカメラ３の作動を制御する。また現場パソコン６には、パーソナルハンディーフォンシステム（ＰＨＳ）９を介して通信回線としての電話回線が引き込まれており、これにより、管理者のいる事務所に置かれたもう一台のＰＨＳ１０を介して、その事務所に設置された通常のパーソナルコンピューターからなる管理パソコン１１との間でデータ転送可能な状態となっている。
【００２７】
この実施例の計測システムを用いた上記実施例の軌道狂い計測方法では、デジタルカメラ３が、全ての標識１を含む現場の画像を所定時間（例えば３０分）毎に撮影し、現場パソコン６が、その画像を自動的に取り込んで軌道狂いの計算を行う。現場パソコン６は、計測値が管理値を越えた場合、通信回線を用いて管理パソコン１１ひいては管理者に自動通報する。ちなみに、この実施例の計測方法は、軌道Ｒの三次元形状を正確に計測することを目的とするものではなく、先の軌道整備基準に示された各計測項目に関し、工事期間中である計測期間中の経時変化（初期値からの変動量）を正確に計測することを目的としている。
【００２８】
図４は、デジタルカメラ３により撮像した計測画像の例を示す。図中符号１Ａ〜７Ａ，１Ｂ〜７Ｂが標識である。また、図５は、この実施例の計測方法での軌道狂い計測作業の手順を示す。すなわちここでは、先ずステップＳ１で、全ての標識１および、デジタルカメラ３を収容したカメラハウジング２や現場パソコン６を収容したパソコンハウジング５等の計測機器を設置し、次いでステップＳ２で、全ての標識１およびカメラ位置の初期値を計測し、次いでステップＳ３で、キャリブレーション計算を行い、そしてステップＳ４で、軌道狂いの変動値を自動計測する。
【００２９】
この実施例の計測方法の原理を図６により説明する。この計測方法を成立させるためには、準備作業としてキャリブレーション作業が必要となる。ここでのキャリブレーションとは、単写真標定の理論に基づき後述のカメラ外部評定要素をあらかじめ算出することである。このキャリブレーション作業は、先ず、上記ステップＳ２で、水平垂直座標系である計測座標系０−ＸＹＺに基づき、標識１ｉ（デジタルカメラ３から例えば遠い方の端からｉ番目の標識１；ｉ＝１〜７）の三次元座標値（Ｘｉ ，Ｙｉ ，Ｚｉ ）を例えば測量用のトータルステーション（測角・測距可）その他の三次元計測装置やワイヤーセンサー等によって計測する。また、その計測の際同時に、デジタルカメラ３で標識１を撮像し、撮像した画像（仮想画面）ＶＩに写り込んだ標識１のその画像ＶＩ上での重心位置座標値Ｍｉを、図７に示すように、デジタルカメラ３の電荷結合素子（ＣＣＤ）座標系Ｃｇ−ｘｇ ｙｇ でＭｉ（ｘｇｉ，ｙｇｉ）として計測し、デジタルカメラ３のレンズ中心であるカメラ中心に原点Ｃが位置するとともにレンズ光軸にｚ軸が一致するカメラ座標系Ｃ−ｘｙｚでの座標値Ｍｉ（ｘｉ ，ｙｉ ，−ｂｆ ）に座標変換する。
【００３０】
次いで、上記ステップＳ３で、標識１ｉ（ｉ＝１〜７）の計測座標系での三次元座標とカメラ座標系での重心位置座標との上記計測値および、デジタルカメラ３のあらかじめ知られているカメラパラメータ（焦点距離、ＣＣＤの大きさ、撮像面を構成するＣＣＤの画素数ｍ×ｎ）を用いて、カメラ外部評定要素（計測座標系０−ＸＹＺにおけるカメラ中心座標値Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃおよびカメラ座標系の傾きα，β，γ）を最小二乗法の計算により求める。
【００３１】
上記ステップＳ４の自動計測においては、キャリブレーション作業で求めた外部評定要素および標識１の初期Ｚ座標値を用いて、計測座標系での標識１の三次元座標値を求める。その手順は、先ずデジタルカメラ３で全ての標識１を含む現地画像を撮像し、その画像中から標識１の座標値Ｍｉを計算する。実際の標識１の中心位置は、図６に示すように、カメラ中心Ｃと仮想画面ＶＩ上の標識中心Ｍｉを結ぶ延長線上にあることから、以下のように共線条件方程式をたて、その式に標識１位置の初期Ｚ座標値を代入することにより、計測座標系における標識１の三次元座標値を求めることができる。
【００３２】
すなわち、カメラ座標系Ｃ−ｘｙｚの各座標軸が計測座標系０−ＸＹＺに対してγ→β→αの順に反時計回りに回転した状態で画像が入力され、実際の標識１ｉが仮想画面上の点Ｍｉ に撮像されたとする。この場合に、標識１ｉの計測座標値（Ｘｉ ， Ｙｉ ， Ｚｉ ）は回転行列を用いると、（１）式のようなカメラ座標系の座標値（ｘｐｉ， ｙｐｉ， ｚｐｉ）に変換することができる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
ここに、（Ｘｃ ，Ｙｃ ，Ｚｃ ） Ｔ ：カメラ座標系原点Ｃの計測座標
Ｌ１ ＝ｃｏｓ β・ｃｏｓ γ
Ｌ２ ＝−ｃｏｓ β・ｓｉｎ γ
Ｌ３ ＝ｓｉｎ β
Ｍ１ ＝ｃｏｓ α・ｓｉｎ γ＋ｓｉｎ α・ｓｉｎ β・ｃｏｓ γ
Ｍ２ ＝ｃｏｓ α・ｃｏｓ β−ｓｉｎ α・ｓｉｎ β・ｓｉｎ γ
Ｍ３ ＝−ｓｉｎ α・ｃｏｓ β
Ｎ１ ＝ｓｉｎ α・ｓｉｎ γ−ｃｏｓ α・ｓｉｎ β・ｃｏｓ γ
Ｎ２ ＝ｓｉｎ α・ｃｏｓ γ＋ｃｏｓ α・ｓｉｎ β・ｓｉｎ γ
Ｎ３ ＝ｃｏｓ α・ｃｏｓ β
【００３５】
いま、図６のカメラ座標値に着目すると、標識１ｉ（ｘｐｉ， ｙｐｉ， ｚｐｉ）から出た光線は、レンズ中心点Ｃ（０， ０， ０）を通る直線となるので、
【００３６】
【数２】
の直線方程式が得られる。
また、光線は仮想画面上の点Ｍｉ （ ｘｉ ， ｙｉ ，−ｂｆ ） と点Ｃ（０， ０， ０）とを通るので、次式のようにも書き表すことが出来る。
【００３７】
【数３】
（２）式と（３）式とは同一直線の式であり、両者を連立させ、さらに（１）式を用いると次の共線条件方程式が得られる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
【数５】
【００４０】
また、（４）式、（５）式の共線条件方程式は、次の（６）式、（７）式のように計測座標値を求める式に書き直すことができる。
【００４１】
【数６】
【００４２】
【数７】
【００４３】
（６）式および（７）式を見ると、画像座標値（ｘｉ ， ｙｉ ）およびＺｉ を与えることにより、標識１ｉの計測座標値（Ｘｉ ， Ｙｉ ， Ｚｉ ）が得られることがわかる。
【００４４】
このようにして、ｉ＝１〜７の全ての標識１の三次元座標値を求め、この三次元座標値を用いて、通り狂い、高低狂い、軌間狂い、水準狂い、平面性狂いを計算する。例として、レール曲がり（通り狂いおよび高低狂い）の計算方法を図８に示す。レール曲がりは、図示のように▲１▼、▲２▼、▲３▼の三点の三次元座標値が求まると、次の（８）式および（９）式によって求めることができる。
【００４５】
【数８】
【００４６】
【数９】
【００４７】
この計算の際、カメラ外部評定要素（カメラ中心位置およびカメラ座標系の傾き）はキャリブレーション時に求められた値を使用しており、この値は計測期間中に微少変動する可能性がある。しかしながらカメラ外部評定要素が微少変動しても、標識１の三次元座標値としてはその影響を受けるが、図８に示すように、各計測項目は標識１間の相対変位により算出されるので、軌道狂い計測値は大きな影響を受けない。
【００４８】
ところでこの実施例の計測方法では、上記原理で示したように、撮像された画像中から標識１の重心座標を算出する。標識１の重心位置の算出方法は、初期値取得ルーチンと自動計測ルーチンとに別れており、図９は、初期値取得ルーチンの手順を示す。ここでは現場パソコン６が、先ずステップＳ１１でデジタルカメラ３を作動させて、デジタルカメラ３が撮像した図１０に示す如き初期画像ＰＩを取り込み、続くステップＳ１２でその初期画像ＰＩ中において標識１を抽出する領域ＴＥを手動により指定され、続くステップＳ１３でその領域ＴＥの画像に対し画像処理を施して標識１の候補領域を抽出する。ここでの画像処理は、標識１が黒い板に白い円形パターン１ａが描かれたものであるため、周囲より輝度が高い領域を抽出する処理を行う。
【００４９】
この時、標識１の候補領域ＴＰは図１０に示すように複数個抽出される場合があるが、次のステップＳ１４でそれらの候補領域ＴＰ中から操作者により明示的に標識１の領域を指定されることにより、現場パソコン６は続くステップＳ１５で、操作者が抽出させたい標識１の形状パラメータ（重心位置、面積、真円度、楕円パラメータ）を求める。この作業は画像中の計測すべき全ての標識１について行い、現場パソコン６は各標識１の形状パラメータを初期値として記憶しておく。ここで、例えば真円度については、真円度の低い候補を計測対象から外すというように用いることができ、また楕円度（長径／短径）が大きい程数値が大きい楕円パラメータについても、同様にして用いることができる。ステップＳ１６で全ての標識１について処理が終了したと現場パソコン６が判断すると、この初期値取得ルーチンは終了する。
【００５０】
図１１は、現場パソコン６が所定時間（例えば３０分）毎に実行する自動計測ルーチンの手順を示し、この自動計測時には現場パソコン６が撮像制御手段として、先ずステップＳ２１でデジタルカメラ３を作動させて現場の画像を自動取得し、次いでステップＳ２２で標識番号ｉをｉ＝０に初期設定し、次いでステップＳ２３で標識番号ｉをｉ＝ｉ＋１にインクリメントし、続くステップＳ２４でｉが標識数ｎ（ここではｎ＝７）より大きい（ｉ＞ｎ）か否かを判断して、大きくない場合にステップＳ２５でそのｉ測点標識（標識１ｉ）の形状パラメータ初期値を記憶媒体より読み込み、続くステップＳ２６で上述した周囲より輝度が高い領域を抽出する画像処理によって標識１の候補領域を抽出する。
【００５１】
続くステップＳ２７では、上記抽出した標識１の候補領域のもつ形状パラメータと形状パラメータ初期値とを比較する画像処理を行って、標識１の領域すなわち標識１を特定する。この比較では、パラメータ初期値を基準とし、その値からある範囲内にある候補領域のみを選択する（例えば、初期値±２０％以内の形状パラメータをもつ候補領域のみ抽出する）。ここで、この条件に該当する候補領域が複数個存在した場合は、その中で重心位置が前回計測した重心位置に最も近いものを標識１として特定する。ステップＳ２８では、標識１が特定できたか否かを判断し、特定できた場合はステップＳ２９でその標識１の重心座標値を計算して記憶媒体に保存した後ステップＳ２３へ戻り、その一方、ステップＳ２８で上記条件に該当する候補領域が存在しない場合は、計測不能として警告を発した後ステップＳ２３へ戻る。従って、上記ステップＳ２５〜Ｓ２８を実行する現場パソコン６は、標識識別手段に相当する。
【００５２】
そしてステップＳ２４でｉが標識数ｎより大きい（ｉ＞ｎ）と判断し、全ての標識１の重心座標値算出処理が終わったと判断したら、現場パソコン６はその重心座標値を基にステップＳ３０で全ての標識１の三次元座標値を計算し、続くステップＳ３１で上述の如くして軌道狂い変動量を計算する。従って、上記ステップＳ２９，Ｓ３０を実行する現場パソコン６は、標識位置演算手段に相当し、また、上記ステップＳ３１を実行する現場パソコン６は、軌道狂い演算手段に相当する。なお、上記実施例の計測システムは、上記の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から上記計測を行ってその計測結果から異常値を除去する。
【００５３】
かくしてこの実施例の計測方法によれば、軌道Ｒに標識１を取り付けて、それらの標識１の、計測座標系での位置をトータルステーション等で別途求め、それらの標識１の、デジタルカメラ３で撮像した画像上での位置と上記計測した計測座標系での位置との対応関係を求めるキャリブレーション作業を行った後は、デジタルカメラ３により自動計測を行うので、計測する際に列車見張り監視員が不要であるため、長期間に渡る工事でも低コストで計測を行うことができ、しかも夜間を含めて２４時間計測を行う場合でも作業員の確保の心配がない。
【００５４】
また、この実施例の計測方法によれば、軌道Ｒの脇にデジタルカメラ３および他の計測機器を設置するとともに軌道Ｒに標識１を接着剤等を用いて取り付けた後に上記キャリブレーション作業を行うだけで人手による作業が済むので、作業コストが低コストで済み、軌道Ｒには標識１を取り付けるだけなので軌道Ｒに対する負荷が少なく、安全である。
【００５５】
さらに、この実施例の計測方法によれば、現地の計測機器と管理事務所とを通信回線で接続していることから、計測結果とともに現地画像を管理事務所に伝送することができるので、計測値に異常値が発生した場合等に現地状況を画像により確認し得て、管理者が現地に行かなくても迅速な対応をとることができる。
【００５６】
しかも、この実施例の計測方法によれば、複数個の標識１が全て一画像中に入るように計測対象区間の軌道Ｒの延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置したデジタルカメラ３によって軌道Ｒを斜め方向から撮影するので、撮影範囲を小さくしたままで長い区間の軌道計測が行えるため、計測精度の低下を防止することができる。
【００５７】
さらに、この実施例の計測方法によれば、撮像した画像上での複数個の標識１の位置と、別途計測したそれらの標識１の計測座標系での位置との対応関係を示す（６）式及び（７）式を、標識１の中心位置とデジタルカメラ３のレンズ中心位置Ｃとを通る直線と、デジタルカメラ３の画像が位置する仮想画面ＶＩ上での標識１の中心位置Ｍｉとレンズ中心位置Ｃとを通る直線と、計測座標系とデジタルカメラ３のカメラ座標系との関係を表す関係式とに基づき、共線条件方程式を用いて求めるので、その対応関係を容易に求めることができる。
【００５８】
そして、この実施例の計測方法によれば、標識１の撮像時に光量が不足する場合に複数個の標識１を照明器具８で照明できるので、元々の夜間照明が充分でないような区間でも２４時間自動計測を行い得るとともに、曇天時や雨天時等日光の光量が少ない場合でも標識１の位置を確実に計測することができる。
【００５９】
また、この実施例の軌道狂い計測システムによれば、上記実施例の計測方法を実施し得て、その計測方法の、軌道狂いを自動計測でき、また軌道Ｒに対する負荷が少なく設置費用が低コストで済み、さらに計測結果を画像とともに管理事務所に伝送し得て、異常値が発生した場合等に現地の画像を遠隔地から確認でき、しかも高い計測精度を確保できるといった効果をもたらすことができる。
【００６０】
しかも、この実施例の計測システムによれば、現場パソコン６が画像処理として、初期登録された標識１の形状パラメータ（面積、重心座標値、真円度、楕円パラメータ等）を用いて、計測時に撮像された画像中から標識１を抽出し、標識１を識別するので、標識１の識別を確実に行うことができる。
【００６１】
そして、通常、列車通過時にはデジタルカメラ３の画像が振動でブレたり列車が撮影の障害になったりするため標識１の自動識別が困難になる処、この実施例の計測システムによれば、所定時間（例えば３０分）に一回の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から計測を行ってその計測結果から異常値を除去するので、計測値の信頼性を向上させることができる。
【００６２】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、現場パソコン６と管理パソコン１１とは有線の電話回線を用いてデータ転送を行うようにしても良く、また現場パソコン６はデジタルカメラ３を制御して取得した画像を管理パソコン１１に伝送し、管理パソコン１１が軌道狂い計算を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の軌道狂いの計測方法の一実施例の実施に用いられる、この発明の軌道狂い計測システムの一実施例の構成を示す説明図である。
【図２】上記実施例の計測システムにおける電子式撮像手段としてのデジタルカメラの配置例を示す説明図である。
【図３】上記実施例の計測システムにおける標識の例を示す説明図である。
【図４】上記実施例の計測システムにおけるデジタルカメラでの標識の撮像例を示す説明図である。
【図５】上記実施例の計測方法での軌道狂い計測作業の手順を示すフローチャートである。
【図６】上記実施例の計測方法での計測の原理を示す説明図である。
【図７】上記実施例の計測方法での仮想画面上の標識を示す説明図である。
【図８】上記実施例の計測方法でのレール曲がりの計算方法を示す説明図である。
【図９】上記実施例の計測方法での初期値取得ルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１０】上記実施例の計測方法での標識候補領域の状態を例示する説明図である。
【図１１】上記実施例の計測方法での自動計測ルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１２】従来の軌道狂いの計測方法を例示する平面図である。
【符号の説明】
１ 標識
１ａ 円形パターン
２ カメラハウジング
３ デジタルカメラ
４ ポスト
５ パソコンハウジング
６ 現場パソコン
６ａ ＵＳＢケーブル
７ スイッチ回路
７ａ 電源線
８ 照明器具
９，１０ ＰＨＳ
１１ 管理パソコン
ＬＳ 水糸
ＰＩ 初期画像
Ｒ 軌道
ＴＥ 領域
ＴＰ 候補領域
ＶＩ 画像
【発明の属する技術分野】
この発明は、既設路線の軌道（レール）を横断するトンネルやガードその他の工事を行う場合等に求められる軌道狂い管理を行うための軌道狂い計測方法および、その方法に用いられる軌道狂い計測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば西日本旅客鉄道株式会社（ＪＲ西日本）の規定（軌道整備基準）によれば、既設路線の軌道を横断するような工事を行う場合、その工事期間中、対象区間の軌道狂い計測を定期的に繰り返して、経時的な狂いを所定値以内に管理する必要があり、その際の管理項目としては、通り狂い（水平方向の狂い）、高低狂い（高さ方向の狂い）、軌間狂い（レール間隔の狂い）、水準狂い（二本のレールの高さの差の狂い）、平面性狂い（二本のレールの高さの捩じれの狂い）の５項目がある。
【０００３】
かかる軌道狂いの管理のための軌道狂い計測方法としては、人手で行う方法とワイヤーセンサーによる自動計測方法の二種類が一般的であり、人手で行う際の各項目の計測方法は以下の通りである。
【０００４】
通り狂いおよび高低狂いについては、図１２中に△印で示すように、対象区間（通常は３０ｍ程度）のレールＲに５ｍピッチでマーキングを行って、そのマーキングに従い、１０ｍの糸（水糸）ＬＳをレールＲに沿って張り渡し、その糸ＬＳの両端位置および中央位置のそれぞれでのレールＲとの間隔ａおよびｂを差し金等で計ってｂ−ａの値を計算することで中央位置（５ｍ位置）での曲がり（通り）を計測し、同様にして糸ＬＳの両端位置および中央位置のそれぞれでのレールＲとの高低差ａおよびｂを差し金等で計ってｂ−ａの値を計算することで中央位置（５ｍ位置）での曲がり（高低）を計測する。
【０００５】
また軌間狂いについては、上記各マーキング位置において、二本の軌道Ｒの間隔をスチールテープ（鋼巻尺）を用いて計測する。そして水準狂いについては、上記各マーキング位置において、二本の軌道Ｒの高低差を、測量用のレベルを用いて計測する。さらに平面性狂いについては、各マーキング位置において、隣りのマーキング位置との水準狂いの相対差を計算する。
【０００６】
一方、ワイヤーセンサーによる自動計測方法は、前述の５項目のうち、通り狂い、高低狂い、水準狂いの３項目を対象とする。計測箇所は人手で行う場合と同様で、対象区間に水糸ＬＳのかわりにワイヤーを張り、図１２中のｂの計測位置においてレールＲに固定した治具にレーザー距離計を設置して、そのレーザー距離計でワイヤーまでの水平および鉛直方向距離を計って通り狂いと高低狂いとを計測する。また水準狂いは、１０ｍピッチで傾斜角計を設置して計測する。この自動計測による管理の際には、軌道狂いの初期値の計測は先の人手で行う方法で行い、その後の変化量を上記方法で自動計測することにより、軌道狂いの管理を行う。
【０００７】
ところで近年、デジタルカメラの普及により、計測対象物に取り付けた標識をデジタルカメラによって撮像し、その標識を含む画像をパーソナルコンピュータに取り込んで、画像上において標識の重心位置を計測し、その値を実計測値に変換して計測を行う計測方法も知られている。この手法には、カメラ一台で一箇所で計測する方法と、カメラ二台あるいは一台で移動して二箇所で計測する方法とがあり、カメラ一台で一箇所で計測する手法は、撮像された画像中の標識の高さ方向および横方向の二次元座標値を計測し、二箇所で計測する手法は、奥行き方向も加えた、標識の三次元座標値を計測する。なお、この明細書では特に断らない限り、「画像」とは一画面分の画像をいう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人手による計測方法では、計測する際に列車見張り監視員が必要であるため、長期間に渡る工事に際してはコストが嵩んでしまうという問題がある。そして、夜間を含めて２４時間計測を行う場合の作業員の確保困難等の問題もある。
【０００９】
一方、ワイヤーセンサーによる自動計測では、計測を行うために種々の機器を軌道に取り付ける必要があるため、機器の初期設置に手間とコストが嵩むという問題があり、また保線作業時にはこれらの機器を一旦撤去し、作業後に再設置する必要があるため、メンテナンスにも手間がかかるという問題がある。さらに、軌道は列車車輪と直接接し、列車運行のための制御信号が流れているため、計測機器を取り付けた場合には、列車走行に悪影響を与える可能性があるという問題がある。加えて、ワイヤーセンサーによる計測方法では、管理者にセンサー（距離計）からの情報しか伝わらないため、異常値発生時の現場状況が画像として確認できないので、管理者が現地に行く必要があり、迅速な対応がとれないという問題もある。
【００１０】
また、デジタルカメラを用いて計測する方法では、計測物を真横から撮影するのが通常であり、その撮影範囲が計測範囲となる。この場合、撮影された範囲をデジタルカメラの画素数によって分割することになるため、１画素の大きさに相当する撮影範囲が計測精度の基準となる。従って、広範囲（約３０ｍ）に渡って高精度（誤差１ｍｍ以内）で計測することは困難であり、軌道や橋梁のような長い計測物を対象とする場合には計測精度が低下し精度基準に満たない場合が多いという問題がある。
【００１１】
そこで、本願発明者はこれらの問題を解決する方法について研究したところ、一般にデジタルカメラでは被写界深度（ピントの合う範囲）が比較的深いため、奥行き方向についてかなり近くから遠くまで一枚の画像中に鮮明に撮影することができるということに想到し、また、軌道狂い管理を行うための軌道狂い計測においては通常、軌道の延在方向の位置ずれは管理対象とされないということに想到した。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上述の点に鑑みて先の課題を有利に解決した計測方法および計測システムを提供することを目的とするものであり、この発明の軌道狂い計測方法は、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめ複数個の標識をその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付け、前記複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置した電子式撮像手段によって前記複数個の標識の全てを所定時間間隔で撮像し、先ず、前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の所定計測座標系での位置との対応関係を求め、次いで、前記所定時間間隔で撮像した画像上での前記複数個の標識の位置から前記対応関係を用いてそれらの標識の前記所定計測座標系での位置をそれぞれ求め、前記求めた複数個の標識の前記所定計測座標系での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求めることを特徴とするものである。
【００１３】
この発明の計測方法によれば、軌道に標識を取り付けて、それらの標識の計測座標系での位置を測量用のトータルステーション等で別途求め、それらの標識の電子式撮像手段で撮像した画像上での位置と上記計測した所定計測座標系での位置との対応関係を求めるキャリブレーション作業を行った後は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の電子式撮像手段により自動計測を行うので、計測する際に列車見張り監視員が不要であるため、長期間に渡る工事でも低コストで計測を行うことができ、しかも夜間を含めて２４時間計測を行う場合でも作業員の確保の心配がない。
【００１４】
また、この発明の計測方法によれば、軌道脇に電子式撮像手段および他の計測機器を設置するとともに軌道に標識を接着剤等を用いて取り付けた後に上記キャリブレーション作業を行うだけで人手による作業が済むので、作業コストが低コストで済み、軌道には標識を取り付けるだけなので軌道に対する負荷が少なく、安全である。
【００１５】
さらに、この発明の計測方法によれば、現地の計測機器と管理事務所とを通信回線で接続することにより、計測結果とともに現地撮影画像を管理事務所に伝送することができる。従って、計測値に異常値が発生した場合等に、現地状況を画像により確認し得て、管理者が現地に行かなくても迅速な対応をとることができる。
【００１６】
しかも、一般にデジタルカメラを用いた計測方法では計測誤差が撮影範囲に比例して大きくなるため長い区間の軌道計測を通常の如く真横から行うと計測誤差が過大になってしまう処、この発明の計測方法によれば、複数個の標識が全て一画像中に入るように計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置した電子式撮像手段によって軌道を斜め方向から撮影するので、撮影範囲を小さくしたままで長い区間の軌道計測が行えるため、計測精度の低下を防止することができる。
【００１７】
なお、この発明の計測方法においては、前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の前記所定計測座標系での位置との対応関係は、前記標識の中心位置と前記電子式撮像手段のレンズの中心位置とを通る直線と、前記電子式撮像手段の前記画像が位置する仮想画面上での前記標識の中心位置とレンズの中心位置とを通る直線と、前記所定計測座標系と前記電子式撮像手段の座標系との関係を表す関係式とに基づき、共線条件方程式を用いて求めることとしても良く、このようにすれば、前記対応関係を容易に求めることができる。
【００１８】
また、この発明の計測方法においては、前記標識の撮像時に光量が不足する場合に、前記複数個の標識を照明することとしても良く、このようにすれば、元々の夜間照明が充分でないような区間でも２４時間自動計測を行い得るとともに、曇天時や雨天時等日光の光量が少ない場合でも標識の位置を確実に計測することができる。
【００１９】
一方、この発明の軌道狂い計測システムは、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付けられた複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置された電子式撮像手段と、前記電子式撮像手段を所定時間間隔で作動させてその電子式撮像手段に前記複数個の標識の全てを前記所定時間間隔で撮像させる撮像制御手段と、前記電子式撮像手段が所定時間間隔で撮像した前記複数個の標識の全てを含む画像を画像処理して前記複数個の標識を識別する標識識別手段と、前記識別した複数個の標識の画像上での位置から所定の対応関係を用いてそれらの標識の所定計測座標系上での位置を演算でそれぞれ求める標識位置演算手段と、前記所定時間間隔で撮像された画像から求められた前記複数個の標識の前記所定計測座標系上での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求める軌道狂い演算手段と、を具えてなるものである。
【００２０】
この発明の計測システムにあっては、軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付けられた複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置された電子式撮像手段を、撮像制御手段が所定時間間隔で作動させて、その電子式撮像手段に前記複数個の標識の全てを前記所定時間間隔で撮像させ、標識識別手段が、前記電子式撮像手段が所定時間間隔で撮像した前記複数個の標識の全てを含む画像を画像処理して前記複数個の標識を識別し、標識位置演算手段が、前記識別した複数個の標識の画像上での位置から所定の対応関係を用いてそれらの標識の所定計測座標系上での位置を演算でそれぞれ求め、そして軌道狂い演算手段が、前記所定時間間隔で撮像された画像から求められた前記複数個の標識の前記所定計測座標系上での位置の相対的な位置ずれ量から、通り狂いや高低狂い等の軌道狂いを求める。
【００２１】
従って、この発明の計測システムによれば、先の発明の計測方法を実施し得てその計測方法の、軌道狂いを自動計測でき、また軌道に対する負荷が少なく設置費用が低コストで済み、さらに、計測結果を画像とともに管理事務所に伝送し得て、異常値が発生した場合等に現地の画像を遠隔地から確認でき、しかも高い計測精度を確保できるといった効果をもたらすことができる。
【００２２】
なお、この発明の計測システムにおいては、前記標識識別手段が、前記画像処理として、初期登録された前記標識の形状パラメータ（面積、重心座標値、真円度、楕円パラメータ等）を用いて、計測時に前記撮像された画像中から前記標識を抽出し、前記標識を識別するようにしても良く、このようにすれば、標識の識別を確実に行うことができる。
【００２３】
また、この発明の計測システムにおいては、所定時間（例えば３０分）に一回の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から計測を行ってその計測結果から異常値を除去するようにしても良く、通常、列車通過時には電子式撮像手段の画像が振動でブレたり列車が撮影の障害になったりするため標識の自動識別が困難になる処、上記のようにすれば計測値の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の軌道狂いの計測方法の一実施例の実施に用いられる、この発明の軌道狂い計測システムの一実施例の構成を示す説明図、また図２は、その実施例の計測システムにおける電子式撮像手段の配置例を示す説明図であり、図中符号Ｒは軌道（レール）、１は標識、２はカメラハウジング、３はそのカメラハウジング内に外部撮影可能に収容された電子式撮像手段としてのデジタルスチルカメラ（以下単に「デジタルカメラ」という）をそれぞれ示す。
【００２５】
この実施例の計測システムでは、図１に示すように、計測対象の例えば３０ｍの区間に渡って二本の軌道Ｒにそれぞれ標識１を５ｍピッチで取り付け、それらの標識１の全てを撮像するため、図２に示すように、端の標識１から軌道Ｒに沿って２０ｍ離れるとともに軌道Ｒから例えばＬ＝４．５ｍ離れた軌道脇に立設したポスト４上に、外部を撮影可能にガラス窓を設けてデジタルカメラ３を収容したカメラハウジング２を、デジタルカメラ３が軌道Ｒから例えばＨ＝２ｍの高さに位置するように設置してある。ここで、標識１は、図３（ａ）の取付け図と、図３（ｂ）の上側の正面図および下側の下面図とに示すように、非導電性材料であるアクリル板をＬ字状に折曲して全体を黒く塗るとともに中央部に白い円形パターン１ａを描いたもので、軌道Ｒの腹部に接着剤等により取り付ける。なお、軌道Ｒの腹部に取り付けると標識１を障害物が遮る場合は、図３（ｃ）の取付け図と、図３（ｄ）の上側の正面図および下側の下面図とに示すように、標識１を外軌の軌道Ｒの頭部に取り付けるようにしても良い。
【００２６】
デジタルカメラ３は、そのカメラ付近に設置したパソコンハウジング５内に収容した通常のパーソナルコンピューターからなる現場パソコン６に、伝送ケーブルとしてのユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブル６ａを用いて接続してあり、現場パソコン６は、夜間計測用に標識１付近を充分明るくするよう現場付近に複数台設置した照明器具８とデジタルカメラ３とに電源線７ａを介して電源を供給するスイッチ回路７を制御するとともに、ＵＳＢケーブル６ａを介してデジタルカメラ３の作動を制御する。また現場パソコン６には、パーソナルハンディーフォンシステム（ＰＨＳ）９を介して通信回線としての電話回線が引き込まれており、これにより、管理者のいる事務所に置かれたもう一台のＰＨＳ１０を介して、その事務所に設置された通常のパーソナルコンピューターからなる管理パソコン１１との間でデータ転送可能な状態となっている。
【００２７】
この実施例の計測システムを用いた上記実施例の軌道狂い計測方法では、デジタルカメラ３が、全ての標識１を含む現場の画像を所定時間（例えば３０分）毎に撮影し、現場パソコン６が、その画像を自動的に取り込んで軌道狂いの計算を行う。現場パソコン６は、計測値が管理値を越えた場合、通信回線を用いて管理パソコン１１ひいては管理者に自動通報する。ちなみに、この実施例の計測方法は、軌道Ｒの三次元形状を正確に計測することを目的とするものではなく、先の軌道整備基準に示された各計測項目に関し、工事期間中である計測期間中の経時変化（初期値からの変動量）を正確に計測することを目的としている。
【００２８】
図４は、デジタルカメラ３により撮像した計測画像の例を示す。図中符号１Ａ〜７Ａ，１Ｂ〜７Ｂが標識である。また、図５は、この実施例の計測方法での軌道狂い計測作業の手順を示す。すなわちここでは、先ずステップＳ１で、全ての標識１および、デジタルカメラ３を収容したカメラハウジング２や現場パソコン６を収容したパソコンハウジング５等の計測機器を設置し、次いでステップＳ２で、全ての標識１およびカメラ位置の初期値を計測し、次いでステップＳ３で、キャリブレーション計算を行い、そしてステップＳ４で、軌道狂いの変動値を自動計測する。
【００２９】
この実施例の計測方法の原理を図６により説明する。この計測方法を成立させるためには、準備作業としてキャリブレーション作業が必要となる。ここでのキャリブレーションとは、単写真標定の理論に基づき後述のカメラ外部評定要素をあらかじめ算出することである。このキャリブレーション作業は、先ず、上記ステップＳ２で、水平垂直座標系である計測座標系０−ＸＹＺに基づき、標識１ｉ（デジタルカメラ３から例えば遠い方の端からｉ番目の標識１；ｉ＝１〜７）の三次元座標値（Ｘｉ ，Ｙｉ ，Ｚｉ ）を例えば測量用のトータルステーション（測角・測距可）その他の三次元計測装置やワイヤーセンサー等によって計測する。また、その計測の際同時に、デジタルカメラ３で標識１を撮像し、撮像した画像（仮想画面）ＶＩに写り込んだ標識１のその画像ＶＩ上での重心位置座標値Ｍｉを、図７に示すように、デジタルカメラ３の電荷結合素子（ＣＣＤ）座標系Ｃｇ−ｘｇ ｙｇ でＭｉ（ｘｇｉ，ｙｇｉ）として計測し、デジタルカメラ３のレンズ中心であるカメラ中心に原点Ｃが位置するとともにレンズ光軸にｚ軸が一致するカメラ座標系Ｃ−ｘｙｚでの座標値Ｍｉ（ｘｉ ，ｙｉ ，−ｂｆ ）に座標変換する。
【００３０】
次いで、上記ステップＳ３で、標識１ｉ（ｉ＝１〜７）の計測座標系での三次元座標とカメラ座標系での重心位置座標との上記計測値および、デジタルカメラ３のあらかじめ知られているカメラパラメータ（焦点距離、ＣＣＤの大きさ、撮像面を構成するＣＣＤの画素数ｍ×ｎ）を用いて、カメラ外部評定要素（計測座標系０−ＸＹＺにおけるカメラ中心座標値Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃおよびカメラ座標系の傾きα，β，γ）を最小二乗法の計算により求める。
【００３１】
上記ステップＳ４の自動計測においては、キャリブレーション作業で求めた外部評定要素および標識１の初期Ｚ座標値を用いて、計測座標系での標識１の三次元座標値を求める。その手順は、先ずデジタルカメラ３で全ての標識１を含む現地画像を撮像し、その画像中から標識１の座標値Ｍｉを計算する。実際の標識１の中心位置は、図６に示すように、カメラ中心Ｃと仮想画面ＶＩ上の標識中心Ｍｉを結ぶ延長線上にあることから、以下のように共線条件方程式をたて、その式に標識１位置の初期Ｚ座標値を代入することにより、計測座標系における標識１の三次元座標値を求めることができる。
【００３２】
すなわち、カメラ座標系Ｃ−ｘｙｚの各座標軸が計測座標系０−ＸＹＺに対してγ→β→αの順に反時計回りに回転した状態で画像が入力され、実際の標識１ｉが仮想画面上の点Ｍｉ に撮像されたとする。この場合に、標識１ｉの計測座標値（Ｘｉ ， Ｙｉ ， Ｚｉ ）は回転行列を用いると、（１）式のようなカメラ座標系の座標値（ｘｐｉ， ｙｐｉ， ｚｐｉ）に変換することができる。
【００３３】
【数１】
ここに、（Ｘｃ ，Ｙｃ ，Ｚｃ ） Ｔ ：カメラ座標系原点Ｃの計測座標
Ｌ１ ＝ｃｏｓ β・ｃｏｓ γ
Ｌ２ ＝−ｃｏｓ β・ｓｉｎ γ
Ｌ３ ＝ｓｉｎ β
Ｍ１ ＝ｃｏｓ α・ｓｉｎ γ＋ｓｉｎ α・ｓｉｎ β・ｃｏｓ γ
Ｍ２ ＝ｃｏｓ α・ｃｏｓ β−ｓｉｎ α・ｓｉｎ β・ｓｉｎ γ
Ｍ３ ＝−ｓｉｎ α・ｃｏｓ β
Ｎ１ ＝ｓｉｎ α・ｓｉｎ γ−ｃｏｓ α・ｓｉｎ β・ｃｏｓ γ
Ｎ２ ＝ｓｉｎ α・ｃｏｓ γ＋ｃｏｓ α・ｓｉｎ β・ｓｉｎ γ
Ｎ３ ＝ｃｏｓ α・ｃｏｓ β
【００３５】
いま、図６のカメラ座標値に着目すると、標識１ｉ（ｘｐｉ， ｙｐｉ， ｚｐｉ）から出た光線は、レンズ中心点Ｃ（０， ０， ０）を通る直線となるので、
【００３６】
【数２】
また、光線は仮想画面上の点Ｍｉ （ ｘｉ ， ｙｉ ，−ｂｆ ） と点Ｃ（０， ０， ０）とを通るので、次式のようにも書き表すことが出来る。
【００３７】
【数３】
【００３８】
【数４】
【数５】
また、（４）式、（５）式の共線条件方程式は、次の（６）式、（７）式のように計測座標値を求める式に書き直すことができる。
【００４１】
【数６】
【数７】
（６）式および（７）式を見ると、画像座標値（ｘｉ ， ｙｉ ）およびＺｉ を与えることにより、標識１ｉの計測座標値（Ｘｉ ， Ｙｉ ， Ｚｉ ）が得られることがわかる。
【００４４】
このようにして、ｉ＝１〜７の全ての標識１の三次元座標値を求め、この三次元座標値を用いて、通り狂い、高低狂い、軌間狂い、水準狂い、平面性狂いを計算する。例として、レール曲がり（通り狂いおよび高低狂い）の計算方法を図８に示す。レール曲がりは、図示のように▲１▼、▲２▼、▲３▼の三点の三次元座標値が求まると、次の（８）式および（９）式によって求めることができる。
【００４５】
【数８】
【数９】
この計算の際、カメラ外部評定要素（カメラ中心位置およびカメラ座標系の傾き）はキャリブレーション時に求められた値を使用しており、この値は計測期間中に微少変動する可能性がある。しかしながらカメラ外部評定要素が微少変動しても、標識１の三次元座標値としてはその影響を受けるが、図８に示すように、各計測項目は標識１間の相対変位により算出されるので、軌道狂い計測値は大きな影響を受けない。
【００４８】
ところでこの実施例の計測方法では、上記原理で示したように、撮像された画像中から標識１の重心座標を算出する。標識１の重心位置の算出方法は、初期値取得ルーチンと自動計測ルーチンとに別れており、図９は、初期値取得ルーチンの手順を示す。ここでは現場パソコン６が、先ずステップＳ１１でデジタルカメラ３を作動させて、デジタルカメラ３が撮像した図１０に示す如き初期画像ＰＩを取り込み、続くステップＳ１２でその初期画像ＰＩ中において標識１を抽出する領域ＴＥを手動により指定され、続くステップＳ１３でその領域ＴＥの画像に対し画像処理を施して標識１の候補領域を抽出する。ここでの画像処理は、標識１が黒い板に白い円形パターン１ａが描かれたものであるため、周囲より輝度が高い領域を抽出する処理を行う。
【００４９】
この時、標識１の候補領域ＴＰは図１０に示すように複数個抽出される場合があるが、次のステップＳ１４でそれらの候補領域ＴＰ中から操作者により明示的に標識１の領域を指定されることにより、現場パソコン６は続くステップＳ１５で、操作者が抽出させたい標識１の形状パラメータ（重心位置、面積、真円度、楕円パラメータ）を求める。この作業は画像中の計測すべき全ての標識１について行い、現場パソコン６は各標識１の形状パラメータを初期値として記憶しておく。ここで、例えば真円度については、真円度の低い候補を計測対象から外すというように用いることができ、また楕円度（長径／短径）が大きい程数値が大きい楕円パラメータについても、同様にして用いることができる。ステップＳ１６で全ての標識１について処理が終了したと現場パソコン６が判断すると、この初期値取得ルーチンは終了する。
【００５０】
図１１は、現場パソコン６が所定時間（例えば３０分）毎に実行する自動計測ルーチンの手順を示し、この自動計測時には現場パソコン６が撮像制御手段として、先ずステップＳ２１でデジタルカメラ３を作動させて現場の画像を自動取得し、次いでステップＳ２２で標識番号ｉをｉ＝０に初期設定し、次いでステップＳ２３で標識番号ｉをｉ＝ｉ＋１にインクリメントし、続くステップＳ２４でｉが標識数ｎ（ここではｎ＝７）より大きい（ｉ＞ｎ）か否かを判断して、大きくない場合にステップＳ２５でそのｉ測点標識（標識１ｉ）の形状パラメータ初期値を記憶媒体より読み込み、続くステップＳ２６で上述した周囲より輝度が高い領域を抽出する画像処理によって標識１の候補領域を抽出する。
【００５１】
続くステップＳ２７では、上記抽出した標識１の候補領域のもつ形状パラメータと形状パラメータ初期値とを比較する画像処理を行って、標識１の領域すなわち標識１を特定する。この比較では、パラメータ初期値を基準とし、その値からある範囲内にある候補領域のみを選択する（例えば、初期値±２０％以内の形状パラメータをもつ候補領域のみ抽出する）。ここで、この条件に該当する候補領域が複数個存在した場合は、その中で重心位置が前回計測した重心位置に最も近いものを標識１として特定する。ステップＳ２８では、標識１が特定できたか否かを判断し、特定できた場合はステップＳ２９でその標識１の重心座標値を計算して記憶媒体に保存した後ステップＳ２３へ戻り、その一方、ステップＳ２８で上記条件に該当する候補領域が存在しない場合は、計測不能として警告を発した後ステップＳ２３へ戻る。従って、上記ステップＳ２５〜Ｓ２８を実行する現場パソコン６は、標識識別手段に相当する。
【００５２】
そしてステップＳ２４でｉが標識数ｎより大きい（ｉ＞ｎ）と判断し、全ての標識１の重心座標値算出処理が終わったと判断したら、現場パソコン６はその重心座標値を基にステップＳ３０で全ての標識１の三次元座標値を計算し、続くステップＳ３１で上述の如くして軌道狂い変動量を計算する。従って、上記ステップＳ２９，Ｓ３０を実行する現場パソコン６は、標識位置演算手段に相当し、また、上記ステップＳ３１を実行する現場パソコン６は、軌道狂い演算手段に相当する。なお、上記実施例の計測システムは、上記の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から上記計測を行ってその計測結果から異常値を除去する。
【００５３】
かくしてこの実施例の計測方法によれば、軌道Ｒに標識１を取り付けて、それらの標識１の、計測座標系での位置をトータルステーション等で別途求め、それらの標識１の、デジタルカメラ３で撮像した画像上での位置と上記計測した計測座標系での位置との対応関係を求めるキャリブレーション作業を行った後は、デジタルカメラ３により自動計測を行うので、計測する際に列車見張り監視員が不要であるため、長期間に渡る工事でも低コストで計測を行うことができ、しかも夜間を含めて２４時間計測を行う場合でも作業員の確保の心配がない。
【００５４】
また、この実施例の計測方法によれば、軌道Ｒの脇にデジタルカメラ３および他の計測機器を設置するとともに軌道Ｒに標識１を接着剤等を用いて取り付けた後に上記キャリブレーション作業を行うだけで人手による作業が済むので、作業コストが低コストで済み、軌道Ｒには標識１を取り付けるだけなので軌道Ｒに対する負荷が少なく、安全である。
【００５５】
さらに、この実施例の計測方法によれば、現地の計測機器と管理事務所とを通信回線で接続していることから、計測結果とともに現地画像を管理事務所に伝送することができるので、計測値に異常値が発生した場合等に現地状況を画像により確認し得て、管理者が現地に行かなくても迅速な対応をとることができる。
【００５６】
しかも、この実施例の計測方法によれば、複数個の標識１が全て一画像中に入るように計測対象区間の軌道Ｒの延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置したデジタルカメラ３によって軌道Ｒを斜め方向から撮影するので、撮影範囲を小さくしたままで長い区間の軌道計測が行えるため、計測精度の低下を防止することができる。
【００５７】
さらに、この実施例の計測方法によれば、撮像した画像上での複数個の標識１の位置と、別途計測したそれらの標識１の計測座標系での位置との対応関係を示す（６）式及び（７）式を、標識１の中心位置とデジタルカメラ３のレンズ中心位置Ｃとを通る直線と、デジタルカメラ３の画像が位置する仮想画面ＶＩ上での標識１の中心位置Ｍｉとレンズ中心位置Ｃとを通る直線と、計測座標系とデジタルカメラ３のカメラ座標系との関係を表す関係式とに基づき、共線条件方程式を用いて求めるので、その対応関係を容易に求めることができる。
【００５８】
そして、この実施例の計測方法によれば、標識１の撮像時に光量が不足する場合に複数個の標識１を照明器具８で照明できるので、元々の夜間照明が充分でないような区間でも２４時間自動計測を行い得るとともに、曇天時や雨天時等日光の光量が少ない場合でも標識１の位置を確実に計測することができる。
【００５９】
また、この実施例の軌道狂い計測システムによれば、上記実施例の計測方法を実施し得て、その計測方法の、軌道狂いを自動計測でき、また軌道Ｒに対する負荷が少なく設置費用が低コストで済み、さらに計測結果を画像とともに管理事務所に伝送し得て、異常値が発生した場合等に現地の画像を遠隔地から確認でき、しかも高い計測精度を確保できるといった効果をもたらすことができる。
【００６０】
しかも、この実施例の計測システムによれば、現場パソコン６が画像処理として、初期登録された標識１の形状パラメータ（面積、重心座標値、真円度、楕円パラメータ等）を用いて、計測時に撮像された画像中から標識１を抽出し、標識１を識別するので、標識１の識別を確実に行うことができる。
【００６１】
そして、通常、列車通過時にはデジタルカメラ３の画像が振動でブレたり列車が撮影の障害になったりするため標識１の自動識別が困難になる処、この実施例の計測システムによれば、所定時間（例えば３０分）に一回の定期的な計測時に複数回（例えば５回）続けて撮像し、それらの画像から計測を行ってその計測結果から異常値を除去するので、計測値の信頼性を向上させることができる。
【００６２】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、現場パソコン６と管理パソコン１１とは有線の電話回線を用いてデータ転送を行うようにしても良く、また現場パソコン６はデジタルカメラ３を制御して取得した画像を管理パソコン１１に伝送し、管理パソコン１１が軌道狂い計算を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の軌道狂いの計測方法の一実施例の実施に用いられる、この発明の軌道狂い計測システムの一実施例の構成を示す説明図である。
【図２】上記実施例の計測システムにおける電子式撮像手段としてのデジタルカメラの配置例を示す説明図である。
【図３】上記実施例の計測システムにおける標識の例を示す説明図である。
【図４】上記実施例の計測システムにおけるデジタルカメラでの標識の撮像例を示す説明図である。
【図５】上記実施例の計測方法での軌道狂い計測作業の手順を示すフローチャートである。
【図６】上記実施例の計測方法での計測の原理を示す説明図である。
【図７】上記実施例の計測方法での仮想画面上の標識を示す説明図である。
【図８】上記実施例の計測方法でのレール曲がりの計算方法を示す説明図である。
【図９】上記実施例の計測方法での初期値取得ルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１０】上記実施例の計測方法での標識候補領域の状態を例示する説明図である。
【図１１】上記実施例の計測方法での自動計測ルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１２】従来の軌道狂いの計測方法を例示する平面図である。
【符号の説明】
１ 標識
１ａ 円形パターン
２ カメラハウジング
３ デジタルカメラ
４ ポスト
５ パソコンハウジング
６ 現場パソコン
６ａ ＵＳＢケーブル
７ スイッチ回路
７ａ 電源線
８ 照明器具
９，１０ ＰＨＳ
１１ 管理パソコン
ＬＳ 水糸
ＰＩ 初期画像
Ｒ 軌道
ＴＥ 領域
ＴＰ 候補領域
ＶＩ 画像
Claims (6)
- 軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめ複数個の標識をその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付け、
前記複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置した電子式撮像手段によって前記複数個の標識の全てを所定時間間隔で撮像し、
先ず、前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の所定計測座標系での位置との対応関係を求め、
次いで、前記所定時間間隔で撮像した画像上での前記複数個の標識の位置から前記対応関係を用いてそれらの標識の前記所定計測座標系での位置をそれぞれ求め、
前記求めた複数個の標識の前記所定計測座標系での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求めることを特徴とする、軌道狂い計測方法。 - 前記撮像した画像上での前記複数個の標識の位置と、別途計測したそれらの標識の前記所定計測座標系での位置との対応関係は、前記標識の中心位置と前記電子式撮像手段のレンズの中心位置とを通る直線と、前記電子式撮像手段の前記画像が位置する仮想画面上での前記標識の中心位置とレンズの中心位置とを通る直線と、前記所定計測座標系と前記電子式撮像手段の座標系との関係を表す関係式とに基づき、共線条件方程式を用いて求めることを特徴とする、請求項１記載の軌道狂い計測方法。
- 前記標識の撮像時に光量が不足する場合は、前記複数個の標識を照明することを特徴とする、請求項１または２記載の軌道狂い計測方法。
- 軌道狂い計測対象区間の軌道にあらかじめその軌道の延在方向に沿って所定間隔を空けて取り付けられた複数個の標識が全て一画像中に入るように前記計測対象区間の軌道の延在方向に対し斜め方向に光軸を向けて設置された電子式撮像手段と、
前記電子式撮像手段を所定時間間隔で作動させてその電子式撮像手段に前記複数個の標識の全てを前記所定時間間隔で撮像させる撮像制御手段と、
前記電子式撮像手段が所定時間間隔で撮像した前記複数個の標識の全てを含む画像を画像処理して前記複数個の標識を識別する標識識別手段と、
前記識別した複数個の標識の画像上での位置から所定の対応関係を用いてそれらの標識の所定計測座標系上での位置を演算でそれぞれ求める標識位置演算手段と、
前記所定時間間隔で撮像された画像から求められた前記複数個の標識の前記所定計測座標系上での位置の相対的な位置ずれ量から軌道狂いを求める軌道狂い演算手段と、
を具えてなる、軌道狂い計測システム。 - 前記標識識別手段は、前記画像処理として、初期登録された前記標識の形状パラメータを用いて、計測時に前記撮像された画像中から前記標識を抽出し、前記標識を識別することを特徴とする、請求項４記載の軌道狂い計測システム。
- 所定時間に一回の定期的な計測時に複数回続けて撮像し、それらの画像から計測を行ってその計測結果から異常値を除去することを特徴とする、請求項４または５記載の軌道狂い計測システム。
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