JP3645253B1 - 体積算定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 黒色または色の濃い被写体であっても、その体積を安全で、早く、かつ、精度よく算定すること。
【解決手段】 照射されたレーザの反射光によって被写体の座標データを収集するデータ収集手段２１と、座標データを送信するデータ送信手段２２と、このデータ伝送手段によって送信された座標データを受信するデータ受信手段１２２と、データ収集手段２１によって収集された座標データを表示するデータ表示手段２３と、データ受信手段１２２によって受信した座標データを用いて被写体の体積を演算する体積演算手段１２３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、体積算定システムに係り、特にレーザを用いて被写体の体積を算定するシステムおよび方法に関する。

石炭等の黒色または色の濃い被写体はレーザを吸収するため、従来ノンプリズム化が不可能であり、黒い被写体の体積を測定する場合は、プリズムを用いた計測システム（トータルステーション、以下ＴＳという）が使用されていた。これは、ＴＳから照射されるレーザをプリズムによって反射して、被写体の計測位置の座標データを求めるものである。

このため、プリズムを持った作業員が、長靴を履き石炭山に埋もれながら測定位置まで移動しなければならず、安全性、作業性の点で問題があった。
特開２００３−４４３５号公報

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、黒色または色の濃い被写体であっても、その体積を安全で、早く、かつ、精度よく算定することのできる体積算定システムおよび方法を提供することを目的とする。

本発明に係わる体積算定システムの第１の特徴は、強いレーザを持つＴＳ（データ収集手段）を備えたことである。このＴＳとしては、たとえば、Trimble社製のＴＳがある。これによりノンプリズム計測が可能になった。

さらに、ノンプリズム計測によって、距離およびレーザの入射角によって測定誤差が生じる。本発明に係わる体積算定システムの第２の特徴は、被写体の測定位置ごとに誤差を求め、さらに誤差範囲ごとに体積を演算することによって全体として精度の高い体積算定を可能としたことである。

本発明に係わる体積算定システムの第３の特徴は、ＴＳと電子平板を接続して、ＴＳで収集したデータを電子平板でリアルタイムに確認できるようにしたことである。また、収集したデータをＰＨＳ等によりサーバへ送信するようにして現地での作業性を改善した。

さらに、本発明に係わる体積算定システムの第４の特徴は、不整三角網（Triangulated Irregular Network、以下ＴＩＮという）モデルよって、体積を算定するようにしたことである。従来一般的に使用されていた平均断面法では変化点が考慮されておらず、高精度の体積計算ができなかったが、特に石炭山などの堆積物は、斜面が直線ではなく弧状になっているためＴＩＮモデルにより高精度の体積算定が可能となる。

また、本発明に係わる体積算定方法は、レーザの反射光によって被写体の座標データを収集し、この座標データをサーバへ送信して被写体の体積を演算する体積算定方法であって、データ収集手段と被写体との距離およびレーザの入射角から測定誤差を演算し、当該測定誤差に基づいてデータ収集手段の設置位置を決定するステップと、データ収集手段を用いて、レーザの反射光によって被写体の各測定位置のデータを収集するステップと、 データ送信手段によって、サーバへ座標データを送信するステップと、サーバにおいて、当該座標データを受信して体積を演算するステップと、を含むことを特徴とする。

測定誤差を考慮して設置位置を調整することによって、ノンプリズム化による問題点を是正して精度の高い体積算定が可能となる。

本発明によれば、黒色あるいは色の濃い被写体に対してもノンプリズム計測が可能となる。これにより作業者が計測のために被写体である堆積物の中に入る必要が無くなり安全な作業ができるようになる。また、取得した三次元データから不整三角網モデルを作成することによって、計測形状がリアルに表現できるようになり高精度の体積算定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態に係わる体積算定システムの構成図である。ここで、体積算定システム１は、レーザによって距離を測定するトータルステーション（ＴＳ、データ収集手段）２１、測定したデータを表示する電子平板（データ表示手段）２３、測定したデータを通信ネットワーク４を介してサーバへ送信する伝送用端末装置（データ送信手段）２２、および、測定したデータを用いて体積を計算するサーバ１０で構成されている。なお、伝送用端末装置２２は、ＰＨＳなどの携帯端末を用いるようにしてもよい。また、電子平板２３はＴＳ２１からＵＳＢなどのインタフェースを通してＴＳ２１が収集した測定ポイントの座標データを受信して表示するようになっている。

サーバ１０は、伝送用端末装置２２とデータの送受信を行う送受信部１１、受信したデータを処理する中央演算処理部１２、および、データを記憶する記憶部１３を備えている。さらに、中央演算処理部１２は、送受信部１１を介して他の装置とデータのやり取りを行う送受信処理手段（機能）１２１、ＴＳ２１から送られてくる測定データを受信して記憶部１３へ保存するデータ入力手段（機能）１２２、入力したデータを用いて体積を計算する体積演算手段（機能）１２３、および、演算結果を出力する演算結果出力手段（機能）１２４を備えている。

記憶部１３は、ＴＳ２１から送られてきた座標データを保存する入力データファイル１３１と演算結果を保存する演算結果ファイル１３２を有している。

次に、上記の構成を有する体積算定システム１の動作を説明する。
まず、被写体の周りに基準点を設け、その基準点にＴＳ２１を設置する。そして、ＴＳ２１から被写体へレーザを照射してその反射光によって被写体の測定ポイントまでの距離を測定する。
このとき、石炭山などの黒い被写体の距離を測定する場合は、たとえば、Trimble社製のＴＳのように強いレーザを発するＴＳを用いることによりノンプリズム計測が可能となる。

この測定データを図２に示す。測定ポイントごとに識別番号（測定ＮＯ．）が採られ、測定ポイントまでの距離や入射角などのデータが収集される。ここで入射角は、図３に示すようにＴＳ２１から発せられるレーザの照射線と垂線との成す角αを意味する。

この測定データは、伝送用端末装置２２および通信ネットワーク４を介してサーバ１０へ送られる。サーバ１０では、送受信部１１でデータを受信すると、中央演算処理部１２のデータ入力手段１２２によって記憶部１３の入力データファイル１３１に格納する。

また、測定場所、天候などの気象情報および標高の基準点情報も同時に送信され、入力データファイル１３１に保存される。図４は、入力データファイルのデータ構成例である。距離、入射角および標高の基準点（ＤＬ）のデータをもとにＸ座標、Ｙ座標、標高（Ｚ座標）の座標データとして保存されている。

一方、ＴＳ２１は、電子平板２３へ座標データを出力して、電子平板上へ被写体の外形を表示させる。図５は、その外形図の例である。ＴＳ２１で観測した座標をもとに表示させるので、測定ミス等があった場合は、被写体の外形から離れたところにプロットされるため、現地作業者は直ちに把握することができる。

一方、サーバ１０の体積演算手段１２３は、この座標データを用いて、不整三角網モデルに基づいて被写体の体積を計算する。図６は、体積演算手段１２３の処理手順を示すフローチャートである。

体積演算手段１２３は起動されるとまず、任意の３点を抽出して（Ｓ１０１）、その３点の各辺の長さを算出する（Ｓ１０２）。次に、３点のうち任意の一点を抽出して他の２点の高さの相対値を計算する（Ｓ１０３）。そして次の式を用いて３点で定まる三角形の面積Ａを算出する（Ｓ１０４）。

ここで、ｓ＝（ａｂ＋ｂｃ＋ｃａ）／２
なお、ａｂ、ｂｃ、ｃａは、３点（ａ，ｂ，ｃ）を水平断面に投射したときの各辺の長さである。

このようにして求めた水平断面積ＡにステップＳ１０３で抽出した任意の一点の高さを掛ける。また、面積Ａに他の２点の高さの相対値を夫々掛け合せて、１／３倍し、夫々の計算値を合計して図７に示す体積片の体積値を算出する（Ｓ１０５）。

以上の処理を全ての３点について計算して（Ｓ１０６）、それぞれの値を合計して被写体全体の体積を求める（Ｓ１０７）。このとき体積に密度を掛け合わせて、被写体の重量を演算するようにしてもよい。そして、この演算結果を図８に例示する演算結果ファイル１３２へ保存する。

次に、演算結果出力手段１２４は、演算結果ファイル１３２に保存されている被写体の体積データまたは重量データを伝送用端末装置２２へ送信し、ディスプレイに表示させる。

本実施の形態によれば、黒いあるいは色の濃い被写体に対してノンプリズム手法で体積や重量の精度の高い計算ができるようになる。また、被写体である貯炭山などに作業者が立ち入ることが不要となるため、作業者の安全性が向上する。また、これに伴い、作業者の人数を削減できるため業務委託側（発注者側）の現場立会数や立会時間も従来より削減されコストの縮減を図ることができる。

さらに、電子平板との併用により観測地点の３次元座標がリアルタイムに確認できるため、観測時の作業者の不注意によるミスを防ぎ、データ数として充分であるかどうか等の現地判断が容易となる。また体積算定を取得データと演算結果のみの単なる数値表示のみでなく「可視化」という分かり易さの付加価値を与えることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図９は、本実施の形態に係わる体積算定システムの構成図である。図１との違いは、記憶部１３に体積や重量を演算するための演算条件を記憶する演算条件ファイル１３３を追加し、その演算条件を登録するためのユーザインタフェースとして入力部１４と出力部１５を備え、中央演算処理部にこの入力部１４、出力部１５とデータのやり取りを行う入出力処理手段（機能）１２５、入力された演算条件を記憶部１３に保存する演算条件設定手段（機能）１２６、収集された座標データを送信するデータ出力手段（機能）１２７、および、収集したデータの補正を行うデータ補正手段（機能）１２８を追加したことである。また、電子平板２３は、通信ネットワーク４と繋がる伝送機能を備え、サーバ１０のデータ出力手段１２７から送られてくるデータを受信して表示するようにした。その他については、同一機能には同一符号を付して説明を省略する。

以下、第１の実施の形態との違いを中心に体積算定システム１の動作を説明する。
まず、入力部１４から演算条件を設定する。この演算条件は、入出力処理手段１２５、演算条件設定手段１２６を介して演算条件ファイル１３３に保存される。図１０は、演算条件ファイル１３３のデータ構成例である。入射角範囲ごとに測定誤差情報が記憶されており、さらに測定誤差情報には、その値に対応して誤差区分番号（識別情報）が付されている。

なお、被写体の体積のみならず、重量を算出する場合は、演算条件として図１１に示すような重量算定条件データを設けるようにするとよい。ここで、重量算定条件データは、被写体の形状をパターン化して、その被写体を複数の区分に分割し、区分ごとに密度情報を記憶するようにしたものである。たとえば、被写体が図１２に示すように断面が三角形の場合はパターン区分１とし、エリアを１から４に分け、そのエリアごとに密度情報を記憶する。同様に台形の場合は、パターン区分２として、区分されたエリアごとに密度情報を記憶するようにする。なお、パターン化のしかたや区分の方法はこれに限られるものではなく、たとえば立体的に分割するようにしてもよい。

ＴＳ２１から送られてくる測定データは、データ入力手段１２２によって、入力データファイル１３１に保存される。図１３に入力データファイル１３１の例を示す。このデータには、ＴＳ２１から送られてきた入射角をもとに演算条件ファイル１３３を参照して、誤差区分情報が付されている。

そして、データ出力手段１２７は、入力データファイル１３１の座標データを通信ネットワーク４を介して電子平板２３へ送る。この座標データには、誤差区分情報が付されている。なお、誤差区分情報を送る替わりに表示色などの誤差識別情報を送るようにしてもよい。電子平板２３では、座標データを誤差ごとに異なる表示色で表示する。このようにすれば、現地作業者は、被写体の測定において、同じエリアは、同じ表示色すなわち同じ誤差で測定することができる。

次に、データ補正手段１２８は、同一場所についてプリズム測定とノンプリズム測定をそれぞれ行い、データの偏差に基づいて他のデータの補正を行う。補正のしかたとしては、この他、天候や入射角に基づく定常誤差の補正を行うようにしてもよい。特に入射角が９０度から大きくずれると、反射光を収集しづらくなり、例えば高さの高い石炭山の頂上付近の誤差が大きくなる可能性がある。このため、入射角あるいは誤差区分に関連付けて所定の補正値で補正を行うようにすると精度のよい計測が可能となる。

そして、体積演算手段１２３は、この補正データを用いて体積の計算を行う。この計算のしかたは、第１の実施の形態の図６に記載したフローチャートによる。この計算において、エリアごとに、ほぼ同一誤差のデータを用いるため全体として精度の高い体積の算定が可能となる。

なお、算定した体積に対して、図１１の重量算定条件データを用いて、エリアごとに重量を計算し、各エリアの重量を加算して、被写体全部の重量を算出するようにしてもよい。

この演算結果は、演算結果出力手段１２４によって、伝送用端末装置２２または出力部１５に表示される。

本実施の形態によれば、入力データの入射角によって誤差表示を行い、さらに入射角に基づいて補正を行うので、体積計算を精度良く行うことができる。また、被写体の形状をパターン化して、そのパターンに応じて被写体を複数の領域（エリア）に分割し、予め設定されたそれぞれの領域の密度情報を用いて計算を行うので、精度の高い重量算定が可能となる。

本発明の第１の実施の形態による体積算定システムの構成図である。 図１のトータルステーション（ＴＳ）２１から送られてくる測定データの説明図である。 本発明の第１の実施の形態による入射角の説明図である。 図１の入力データファイル１３１のデータ構成図である。 図１の電子平板２３に表示される被写体外観の説明図である。 図１の体積演算手段１２３の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による不整三角網モデルを用いた体積の計算の説明図である。 図１の演算結果ファイル１３２のデータ構成図である。 本発明の第２の実施の形態による体積算定システムの構成図である。 図９の演算条件ファイル１３３のデータ構成図である。 演算条件ファイル１３３における重量算定条件データの例である。 本発明の第２の実施の形態における重量算定の際の領域区分の説明図である。 図９の入力データファイル１３１のデータ構成図である。

符号の説明

１ 体積算定システム
４ 通信ネットワーク
１０ サーバ
１１ 送受信部
１２ 中央演算処理部
１３ 記憶部
１４ 入力部
１５ 出力部
２１ トータルステーション
２２ 伝送用端末装置
２３ 電子平板
１２１ 送受信処理手段
１２２ データ入力手段
１２３ 体積演算手段
１２４ 演算結果出力手段
１２５ 入出力処理手段
１２６ 演算条件設定手段
１２７ データ出力手段
１２８ データ補正手段
１３１ 入力データファイル
１３２ 演算結果ファイル
１３３ 演算条件ファイル

Claims (3)

1. ノンプリズム測定により被写体へ照射されたレーザの反射光によって得られる座標データを用いて被写体の体積を演算する体積算定システムであって、
   レーザの入射角範囲と誤差区分とを関連付けて保存する演算条件ファイルと、
   照射されたレーザの反射光によって被写体の座標データを収集するデータ収集手段と、
   前記座標データおよびレーザの入射角情報を送信するデータ送信手段と、
   このデータ送信手段によって送信された座標データおよびレーザの入射角情報を受信するデータ受信手段と、
   当該入射角情報をもとに前記演算条件ファイルを参照して、座標データの属する誤差区分を特定すると共に誤差区分ごとに不整三角網モデルに基づいて被写体の体積を演算する体積演算手段と、
   を備えたことを特徴とする体積算定システム。
2. 前記データ収集手段によって収集された座標データによる被写体の形状を該データの誤差に基づいて識別表示するデータ表示手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の体積算定システム。
3. 被写体を形状パターンに基づいて複数の区分に分割し、該区分ごとに予め設定された密度情報を記憶する手段を備え、
   前記体積演算手段は、該当する形状パターンの前記区分ごとの密度情報を用いて被写体の重量を演算することを特徴とする請求項１または２記載の体積算定システム。