JP3724786B2

JP3724786B2 - 構造物の移動式変位計測方法及び装置

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Publication number: JP3724786B2
Application number: JP2000351789A
Authority: JP
Inventors: 出黒沼; 悟三浦; 道男今井
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP2002156229A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は移動式変位計測方法及び装置に関し、とくに移動体の通路に沿って延びる構造物の変位を該通路上の移動体から撮影した画像を用いて計測する移動式変位計測方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体の通路の安全を管理する上で、その通路に沿った構造物の変位や変形の計測が求められる場合がある。例えば鉄道では、列車の安全運行のため、列車線路の施工基面上に敷設されたレール、枕木、道床等の構造物（以下、軌条ということがある。）の管理が不可欠であり、軌条の変位の定期的な計測が求められている。更に地下鉄道等では、沈下等による地下トンネル壁面の形状の変位も計測する必要がある。従来、鉄道における軌条やトンネル壁面形状の変位は、光波測距儀等の測量機器を利用した測量により計測している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光波測距儀等の測量機器による変位計測は、盛換え等に手間がかかるため、計測に時間がかかる問題点がある。鉄道軌道やトンネル壁面形状の変位計測作業は列車の終発から始発までの限られた時間帯に行うことが求められるので、線路に沿って長い距離に亘る構造物の変位を計測する場合は、従来の測量機器による計測作業では多数の機器と多くの人数・工数が必要であった。列車の終発から始発までの時間は短くなる傾向にあり、計測精度を維持しつつ、構造物の変位を短時間でしかも少人数で計測できる技術の開発が望まれている。
【０００４】
そこで本発明の目的は、移動体の通路に沿って延びる構造物の変位を短時間で計測できる移動式変位計測方法及び装置を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、カメラを取り付けた移動体を通路上で進行させ、通路に沿った軌条やトンネル等の構造物の画像を移動体の進行に応じて撮影し、撮影した画像から構造物の位置や形状を写真測量することに注目した。移動体を進行させながら前記構造物の位置や形状を写真測量することができれば、長い距離に亘る構造物の変位の計測作業を短時間で行うことが期待できる。
【０００６】
写真測量は、図７に示すように、対象点Ｐと撮像面上の像点ｐとカメラの撮像中心（原点）Ｏとの３点が一本の直線上に存在するという幾何学的原理に基づくものである。同図に示すように、地上座標系における対象点Ｐの三次元座標を（X,Y,Z）、地上座標系におけるカメラ中心Ｏの三次元座標を（X₀,Y₀,Z₀）、撮像機の焦点距離をc、カメラ座標系における撮像機のx軸、y軸及びz軸の回りの回転角度をω、φ、κ、カメラ座標系における像点ｐの三次元座標を（x,y,-c）とした場合、前記幾何学的原理は式(1)〜(3)で示す共線条件式として表すことができる。なお同図では、地上座標系における像点ｐの三次元座標を（X_p,Y_p,Z_p）としている。また、撮像機のレンズ歪（lens distortion）を考慮する場合は、式(1)、(2)の共線条件式を変形して式(4)及び(5)とすることができる。式(4)及び(5)におけるΔx、Δyは、レンズ歪係数により定まる補正項である。
【０００７】
共線条件式(1)及び(2)はカメラ位置（X₀,Y₀,Z₀）及びカメラ角度（ω,φ,κ）の６つの未知数を含む。一般的な写真測量では、測量等で求めた既知三次元座標（X,Y,Z）の複数の対象点Ｐ（以下、基準点ということがある。）に視標を設置して写真に写し込み、撮像面上における視標の像点ｐの二次元座標（x,y）を計測することにより、共線条件式における未知数を標定する。２台のカメラによる写真測量では、１つの視標に対し２つの像点ｐ₁、ｐ₂の座標が与えられるので、原理的には１枚の写真の中に３点の視標があれば共線条件式(1)及び(2)の６つの未知数を標定できる。共線条件式(4)及び(5)を用いる場合は、カメラ位置（X₀,Y₀,Z₀）及びカメラ角度（ω,φ,κ）に加えてレンズ歪係数が未知数であるため、未知数の標定に更に多くの基準点を必要とする。共線条件式における未知数が標定できれば、撮像面上における任意点（以下、測定点ということがある。）の二次元座標を共線条件式へ代入することにより、その測定点に対応する地上座標系の三次元座標を算出することができる。
【０００８】
【数１】

【０００９】
但し、基準点の三次元座標（X,Y,Z）や視標像ｐの二次元座標（x,y）には誤差が含まれるので、実際には必要な数以上の視標を設け、最小二乗法により未知数標定の精度を高める必要がある。この場合、単独の写真毎に未知数を標定するのではなく、図８に示すように、複数の写真の標定を最小二乗法によって同時に解くバンドル調整法が開発されている。
【００１０】
バンドル調整法では、基準点及び測定点の三次元座標、カメラ中心の三次元座標、及びカメラ角度の真値を各々の近似値（X',Y',Z'）（X'₀,Y'₀,Z'₀）及び（ω',φ',κ'）に補正量を加えたもの（X'＋ΔX,Y'＋ΔY,Z'＋ΔZ）、（X'₀＋ΔX₀,Y'₀＋ΔY₀,Z'₀＋ΔZ₀）及び（ω'＋Δω,φ'＋Δφ,κ'＋Δκ）とし、基準点及び測定点に設けた視標の像点の真値をその計測値（x',y'）に誤差を加えたもの（x'＋Δx,y'＋Δy）とする。補正量を加えた近似値と誤差を含む計測値とを複数の写真の共線条件式（式(1)及び(2)）に代入し、複数の共線条件式をテーラー展開により線形化した上で、各補正量（ΔX,ΔY,ΔZ）、（ΔX₀,ΔY₀,ΔZ₀）、（Δω,Δφ,Δκ）及び誤差（Δx,Δy）を最小にする解を逐次繰り返し法の収束解として求める。共線条件式(4)及び(5)を用いたバンドル調整法により、レンズ歪係数の補正量を最小にする解を求めることもできる。このようにバンドル調整法では、共線条件式の未知数のみでなく、基準点及び測定点の三次元座標（X,Y,Z）も未知数として同時に解く。
【００１１】
バンドル調整法によれば、基準点の三次元座標（X,Y,Z）を地上座標系における不動とみなし得る既知座標とし、基準点の近似値の精度が測定点の近似値の精度より高いとする重み付け（基準点の補正量（ΔX,ΔY,ΔZ）を限りなく０とする重み付け）をすることにより、各測定点の三次元座標（X,Y,Z）を正確に求めることができる。本発明者は、移動体を進行させながら撮影した写真にバンドル調整法を適用する技術の開発研究の結果、本発明の完成に至ったものである。
【００１２】
図１の実施例及び図２の流れ図を参照するに、本発明の構造物の移動式変位計測方法は、移動体４により通路３に沿って延びる構造物１（図示例では1a及び1b）の変位を計測する方法において、通路３に臨む構造物１の表面と移動体進行方向に距離を隔てて交差する複数平面5₁、5₂、……上にそれぞれ不動とみなせる３以上の点を定めて基準視標８を固定し且つ各基準視標８の固定三次元座標を求め、構造物１の表面に複数平面5₁、5₂、……との各交線6₁、6₂、……に沿って複数の測定視標７を取り付け且つ各測定視標７の取り付け時の初期三次元座標を求め、所要複数の撮像機10を移動体４の前面の所定位置に所定姿勢で固定したのち該移動体４を通路３上で進行させ、移動体進行方向から見て前記各平面5₁、5₂、……の手前に該平面5₁、5₂、……上の全視標７、８が各撮像機10の画面の広範囲に分散して写り込む移動体４の撮影位置Q₁、Q₂、……及び姿勢を定め（図３参照）、特定平面5iに対する撮影位置Q_iへの移動体４の到達時に前記複数の撮像機10で前方を同時に撮影し、移動体４の撮影位置Q_i及び姿勢から各撮像機10の撮影時位置及び姿勢を算出し、各撮像機10の画面内における特定平面5i上の各基準視標８及び測定視標７の像の二次元座標（図３（Ｂ）参照）と各撮像機10の撮影時位置及び姿勢と各基準視標８の固定三次元座標と各測定視標７の初期三次元座標とに基づくバンドル調整により特定平面5i上の各測定視標７の撮影時三次元座標と初期三次元座標との変位を算出し、移動体４の進行に応じ前記前方の撮影から各測定視標７の変位の算出までのサイクルを繰返すことにより構造物１の変位を計測してなるものである。
【００１３】
また図１の実施例を参照するに、本発明の構造物の移動式変位計測装置は、移動体４により通路３に沿って延びる構造物１の変位を計測する装置において、通路３に臨む構造物１の表面と移動体進行方向に距離を隔てて交差する複数平面5₁、5₂、……上にそれぞれ不動とみなせる３以上の点を定めて固定される基準視標８、構造物１の表面上に複数平面5₁、5₂、……との各交線6₁、6₂、……に沿って取り付けられる複数の測定視標７、各基準視標８の固定三次元座標及び各測定視標７の取り付け時の初期三次元座標を記憶する記憶手段15、通路３を進行する移動体４の前面の所定位置に所定姿勢で固定する所要複数の撮像機10、移動体進行方向から見て前記各平面5₁、5₂、……の手前に該平面5₁、5₂、……上の全視標７、８が各撮像機10の画面の広範囲に分散して写り込む移動体４の撮影位置Q₁、Q₂、……及び姿勢を定め且つ特定平面5iに対する撮影位置Q_iへの移動体４の到達時に前記複数の撮像機10に対し前方の撮影を同時に指示する撮像機制御手段13、各撮像機10の画面を入力し各画面内における特定平面5i上の各視標７、８の像の二次元座標を求める視標像座標抽出手段16、並びに移動体４の撮影位置Q₁、Q₂、……及び姿勢から各撮像機10の撮影時位置及び姿勢を算出し且つ座標抽出手段16による各基準視標８及び測定視標７の像の二次元座標と各撮像機10の撮影時位置及び姿勢と各基準視標８の固定三次元座標と各測定視標７の初期三次元座標とに基づくバンドル調整により特定平面5i上の各測定視標７の撮影時三次元座標と初期三次元座標との変位を算出するバンドル調整手段17を備えてなるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、トンネル内の列車線路に沿って延びるレール1a及びトンネル壁面1bの変位の計測に本発明を適用した実施例を示す。但し、本発明は列車線路のような軌条の通路３に限定されず、自動車道路等の通路３に沿って延びる構造物にも適用可能である。図１（Ｂ）は、本発明における計測用移動体４の構成を示すブロック図の一例である。計測用移動体４には、所要複数の撮像機10と撮像機制御手段13と視標像座標抽出手段16とバンドル調整手段17とを設ける。図示例では移動体４にコンピュータ11を設け、撮像機制御手段13、視標像座標抽出手段16、及びバンドル調整手段17をコンピュータ11に内臓のプログラムとしている。
【００１５】
図１（Ｂ）のブロック図では、撮像機10としてＣＣＤカメラ等のディジタルカメラを用い、撮像機10が出力するディジタル画像データを視標像座標抽出手段16に直接入力している。但し、撮像機10として従来の光学フィルム式カメラを用いることも可能であり、その場合は撮像機10と視標像座標抽出手段16との間にフィルム画像をディジタルデータに変換するスキャナー等を設ける。複数の撮像機10は、移動体４の前面の所定位置に、所定姿勢で固定する。移動体４上における各撮像機10の固定位置及び姿勢は、移動体４上の記憶手段15に記憶する（図１（Ｂ）参照）。各撮像機10の固定位置及び姿勢は、後述する各撮像機10の撮影時位置及び姿勢の算出に用いる。また、撮影中に撮像機10の焦点距離や画角（内部パラメータ）が変化しないように、例えばレンズを固定することが望ましい。
【００１６】
移動体４に固定する撮像機10の台数Ｍは、標定が必要なカメラの内部パラメータの数Nk（レンズ歪係数等）と、以下に述べる測定視標及び基準視標の数Nrとに基づき、式(6)を満足する整数として定めることができる。但し、バンドル調整法では同時に撮影する画像の数が多いほど計測精度が向上するので、必要な計測精度が得られるように撮像機10の台数Ｍを定める。
【００１７】
また、移動体４上における撮像機10の設置間隔Ｌ、及び撮像機10としてディジタルカメラを使用する場合の画素数ａも、必要な計測精度が得られるように適当に定める。一般に写真測量におけるカメラ光軸方向及びその垂直方向の計測精度は、カメラ分解能ａ、カメラと対象点Ｐとの間の撮影距離Ｄ、及びカメラ設置間隔Ｌに基づき、式(7)及び(8)のように表すことができる。同式から分かるように、撮像機10の設置間隔は広いほど、また撮像機10のＣＣＤ画素数は多いほど、計測精度は向上する。なお、式(7)及び(8)におけるカメラ分解能ａとは、ディジタルカメラの場合はＣＣＤ１ピクセル当たりの実空間距離、フィルム式カメラの場合は当該カメラのフィルム画像をディジタルデータに変換するスキャナーの１ピクセル当たりの実空間距離である。
【００１８】
【数２】
M≧3Nr／（2Nr−Nk−6） …………………………………(6)
カメラ光軸方向の計測精度＝a・（D／L） ………………(7)
カメラ光軸と垂直方向の計測精度＝a …………………(8)
【００１９】
図２は、本発明における処理の流れ図の一例を示す。以下、同流れ図を参照して本発明の変位計測方法を説明する。先ずステップ201において、通路３に臨む構造物表面（以下、通路隣接表面ということがある。）の変位計測が必要な箇所に測定視標７を取り付ける。本発明では、図１に示すように、移動体進行方向と交差する複数平面5₁、5₂、……を想定し、構造物４の通路隣接表面に、各平面5₁、5₂、……と通路隣接表面との各交線6₁、6₂、……に沿って、複数の測定視標７を取り付ける。図示例では、移動体進行方向と垂直な平面5₁、5₂、……を想定しているが、平面5₁、5₂、……は互いに距離を隔てて移動体進行方向と交差するものであれば足り、必ずしも移動体進行方向と垂直でなくても足りる。図示例では、各平面5₁、5₂、……と交差するレール1aの表面及びトンネル1bの内面上に測定視標７を取り付けている。交線6₁、6₂、……上に取り付ける測定視標７の数は、必要な計測精度が得られるように適宜定めることができる。
【００２０】
ステップ202において、取り付けた測定視標７の初期三次元座標を例えば測量等により求める。各測定視標７の初期三次元座標は、移動体４上の記憶手段15に記憶する。初期三次元座標は、後述する各測定視標７の変位算出に利用すると共に、バンドル調整法における各測定視標７の近似値として用いる。
【００２１】
次に、ステップ203〜204において、各平面5₁、5₂、……上にそれぞれ地上座標系において変位しないとみなせる３以上の点を定め、その各点に基準視標８を変位が生じ難い様に固定する。基準視標８は測定視標７と識別可能なものとすることが望ましい。また、各基準視標８の三次元座標を測量により求め、移動体４上の記憶手段15に記憶する。変位が生じ難い基準視標８を設けることにより、基準視標８をバンドル調整法の基準点として利用することができる。３点以上の基準点を設けることにより、共線条件式(1)及び(2)、又は式(3)及び(4)のカメラ位置（X₀,Y₀,Z₀）及びカメラ角度（ω,φ,κ）の６つの未知数を定めることができる。図１（Ａ）では、レール1bの左右及び中央部等、杭等の施工により変位の生じるおそれが少ない地盤表面上の点を選択して基準視標８を取り付けている。不動とみなせる電柱等に基準視標８を取付けてもよい。
【００２２】
ステップ205で、複数の撮像機10が取り付けられた計測用移動体４を通路３上に進行させ、移動体進行方向から見て各平面5₁、5₂、……の手前において、各平面5₁、5₂、……上に設けた測定視標７及び基準視標８の全てが含まれる画面を各撮像機10で撮影する。撮像機10により撮影した画面の一例を図６に示す。バンドル調整法において計測精度を上げるためには、各撮像機10の画面内における各視標７，８の像が広範囲に分散していることが望ましい。本発明では、図３に示すように、各平面5_iの移動体進行方向手前に平面5_i上の全視標7_i1〜7_i10、8_i1〜8_i3が各撮像機10の画面の広範囲に分散して写り込む移動体４の撮影位置Q_i及び姿勢を定め、移動体４が撮影位置Q_iへ到達したときに複数の撮像機10で前方を同時に撮影する（ステップ206）。移動体４の撮影位置Q_i及び姿勢は、例えば図３（Ｂ）に示すように、各撮像機10の画面周縁部に全視標7_i1〜7_i10、8_i1〜8_i3が写り込むように定めることができるが、画面周縁部の歪みが問題となる場合は、画面の歪みが生じない範囲内に全視標7_i1〜7_i10、8_i1〜8_i3が分散して写り込むように定める。
【００２３】
図１（Ｂ）のブロック図では、撮影位置算出手段14が、記憶装置15に記憶した各視標７、８の初期三次元座標（平面5_iの初期座標）と各撮像機10の画角とに基づき、各平面5iの全視標７、８が含まれる画面の撮影を可能とする平面5iと移動体４との間の撮影距離Diを求め、初期三次元座標と撮影距離Diとに基づき移動体４の撮影位置Q_i及び姿勢を算出している。また、撮像機制御手段13が撮影位置Q_iへの移動体４の到達を検知し、撮影位置Q_iへの到達時に複数の撮像機10に対し撮影を同時に指示する。移動体４の撮影位置Q_iへの到達は、移動体４の進行速度等に基づき検知できる。必要に応じて、移動体４に位置計測器及び姿勢計測器等を取り付けてもよい。
【００２４】
ステップ207において、各撮像機10の画像を視標像座標抽出手段16へ入力し，各画面内における各視標７、８の像の二次元座標を求める。例えば視標７、８の像の重心位置の二次元座標を求める。各視標７、８の像の二次元座標を求めるためには、画面内における視標像の検出と共に、各視標像と測定視標７又は基準視標８との対応付けを行う必要がある。従来のバンドル調整法では、視標像の検出及び対応付けの作業に時間がかかり、変位計測作業の時間短縮上の問題となっていた。本発明においては、図３（Ｂ）に示すように、各撮像機10の撮影時位置Q_i及び姿勢と各測定視標７の初期三次元座標と各基準視標８の固定三次元座標とから、各視標７、８に対応する視標像が各撮像機10の画面内で存在する範囲（例えば画面の最外側部）を推定することが可能である。
【００２５】
視標像座標抽出手段16は、推定した存在範囲の走査により各視標７、８に対応する視標像を抽出し、視標像の二次元座標を自動的に短時間で求める。例えば、画面内における最外側の視標像を、撮影位置Q_iの直前にある特定平面5_i上の視標７、８の像として抽出する。また後述するように、測定視標７及び基準視標８をそれぞれＩＤ付き反射素材とすることにより、対応付けの確実性を高め、視標像の二次元座標の算出時間を一層短縮できる。視標像座標抽出手段16で求めた各視標の二次元座標は、バンドル調整法において、真値に対して誤差（Δx,Δy）を含む計測値（x',y'）として用いる。
【００２６】
ステップ208において、移動体４の撮影位置Qi及び姿勢から、各撮像機10の撮影時位置及び姿勢を算出する。移動体４上における各撮像機10の固定位置及び姿勢は記憶手段15に記憶されているので、撮影位置算出手段14で求めた移動体４の撮影位置Q_i及び姿勢と記憶手段15に記憶した各撮像機10の固定位置及び姿勢とに基づき、撮影機位置及び姿勢算出手段18（図１（Ｂ）参照）により、各撮像機10の撮影時における地上座標系の撮影時位置及び姿勢を算出することができる。各撮像機10の撮影時位置及び姿勢は、バンドル調整法において、カメラ中心及びカメラ角度の近似値（X'₀,Y'₀,Z'₀）及び（ω',φ',κ'）として用いる。
【００２７】
ステップ209において、バンドル調整法により、各測定視標７の地上座標系における三次元座標を算出する。具体的には、先ず、記憶手段15に記憶した三次元座標を各視標７、８の近似座標（X',Y',Z'）とし、撮影機位置及び姿勢算出手段18で算出した撮影時位置及び姿勢をカメラ中心及びカメラ角度の近似値（X'₀,Y'₀,Z'₀）及び（ω',φ',κ'）とし、視標像座標抽出手段16により各撮像機10の画像から抽出した各視標の二次元座標を誤差が含まれる計測値（x',y'）として式(1)及び(2)、又は式(4)及び(5)の共線条件式に代入し、複数の共線方程式を作る。次に、複数の共線方程式から、各視標７、８の近似座標（X',Y',Z'）に対する補正量（ΔX,ΔY,ΔZ）と、カメラ中心及びカメラ角度の近似値（X'₀,Y'₀,Z'₀）及び（ω',φ',κ'）に対する補正量（ΔX₀,ΔY₀,ΔZ₀）及び（Δω,Δφ,Δκ）と、計測値（x',y'）に対する誤差（Δx,Δy）とを最小にする解を最小二乗法により求める。更に、求めた最小補正量及び誤差を近似値及び計測値に加えたものを新たな近似値及び計測値として採用し、再度補正量及び誤差を最小にする解を求める。この過程を補正量及び誤差が十分に小さくなるまで繰り返すことにより、各測定視標７の撮影時の三次元座標の収束解を求める。
【００２８】
本発明では、基準視標８は不動とみなせる点に固定されているので、最小二乗法による補正量の算出時に基準視標８に対する補正量（ΔX,ΔY,ΔZ）を限りなく０とする重み付けにより、基準視標８の座標値を固定することで、基準視標８により定められる実際の三次元座標系（地上座標系）における各測定視標７の撮影時の三次元座標の収束解を正確に算出することができる。
【００２９】
ステップ210において、バンドル調整法により算出した各測定視標７の三次元座標と各測定視標７の初期三次元座標との偏差として、測定視標７の変位を算出する。算出した測定視標７の変位は、例えばディスプレイ又はプリンタである図１（Ｂ）の変位出力手段19に表示又は印刷して確認することができる。
【００３０】
ステップ211において、構造物の変位計測が終了したか否か、この場合は全ての平面5_iに取り付けた測定視標７の変位計測が終了したか否かを判断し、変位計測を継続する場合はステップ205へ戻り、更に移動体４を前進させながら上述したステップ205〜210を繰り返す。ステップ205〜210のサイクルを、測定視標が取り付けられた全ての平面5₁、5₂、……に対して繰返すことにより、構造物１の各平面5₁、5₂、……との交線6₁、6₂、……における変位を計測することができる。
【００３１】
以上、移動体４に搭載したコンピュータ11に内臓のプログラムにより各測定視標７の変位をリアルタイムで計測する場合について説明したが、移動体４の進行時にはステップ206において各撮像機10の画像をコンピュータ11へ記憶し、ステップ207〜210の処理は撮影後に別の場所で行うことも可能である。また、ステップ206においてフィルムカメラにより画像を撮影し、現像後の画像を別の場所でスキャナ等によりコンピュータ11へ取り込んでステップ207〜210の処理を行ってもよい。
【００３２】
本発明によれば、構造物の通路隣接表面に測定視標を取り付けた上で、通路上を進行する移動体から測定視標の画像を撮影し、撮影した画像から構造物の経時的な変位をコンピュータで求めることができるので、従来の光波測距儀等を用いた変位計測方法に比し、現場作業の大幅な省力化を図ることができる。また、構造物の変位をバンドル調整法により自動的に算出することができるので、変位計測時間も大幅に短縮できる。また本発明のバンドル調整法によれば、各測定視標の三次元座標を正確に求めることができるので、構造物の変位計測精度の向上も期待できる。
【００３３】
こうして本発明の目的である「移動体の通路に沿って延びる構造物の変位を短時間で計測できる移動式変位計測方法及び装置」を提供することができる。
【００３４】
【実施例】
図４は、構造物1a、1bの通路隣接表面への測定視標７の取り付け方法の一例を示す。一般の写真測量では、計測対象に対し様々な角度から撮影を行うため、計測対象の面と平行に視標を設置する場合が多い。しかし本発明では、移動体進行方向から撮影するので、構造物1a、1bの通路隣接平面と平行に測定視標７を取り付けると、撮影された測定視標７の像が変形し、視標像座標抽出手段16における誤差の原因となり得る。図４では、アングル部材９により各測定視標７を移動体進行方向に向けて取り付けている。測定視標７を移動体進行方向に向けて取り付けることにより、各撮像機10の画面内における視標像の変形を最小化し、視標像座標抽出手段16における誤差の発生を抑制することができる。
【００３５】
また、視標像座標抽出手段16における視標像の二次元座標の精度を更に高めるためには、視標のみが画面上に浮き上がるように撮影することが理想的である。このため図１の実施例では、移動体４の前面にフラッシュ20を固定し、測定視標７及び基準視標８を光反射率の高い素材製としている。この場合は、移動体４の撮影位置Q_iへの到達時に、撮像機制御手段13がフラッシュ20に対して発光を指示すると共に、各撮像機10に対し撮影を同時に指示する。上述したアングル部材９により各反射素材をフラッシュの発光が反射され易い向きに取り付け、各撮像機10の絞りを反射素材の撮影が可能な限り絞ることにより、視標のみが写真上に浮き上がる画面を撮影することができる。なお、移動しながら撮影するため、各撮像機10のシャッター速度は短く設定する。
【００３６】
更に図１の実施例では、各測定視標７及び基準視標８をそれぞれ異なるＩＤが付された反射素材としている。ＩＤ付き反射素材を用いることにより、視標像座標抽出手段16において、画像内の各視標像と測定視標７及び基準視標８との対応付けの更なる容易化を図ることができる。図５は、ＩＤ付き反射素材付きシートの一例を示す。図示例の反射素材付きシートは、通常の円形反射素材を貼り付けたシートと異なり、複数の反射素材21a〜21hを二次元形状に規則的に配置させ、その配置の仕方によりＩＤ付けを行うものである。測定視標７及び基準視標８毎に、例えば図５に示す内側の５つの小径反射素材21d〜21hの配置を変えることにより、視標像の識別を容易にすることができる。測定視標７のみをＩＤ付き反射素材としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の移動式変位計測方法及び装置は、通路に臨む構造物表面と移動体進行方向に距離を隔てて交差する複数平面との各交線上に測定視標を取り付けと共に、その複数平面上にそれぞれ不動とみなせる３以上の点を定めて基準視標を固定し、通路上を進行する移動体に固定の所要複数の撮像機で同時に測定視標及び基準視標を撮影し、各撮像機の画面内における各視標像の二次元座標からバンドル調整により各測定視標の三次元座標と初期三次元座標との変位を算出するので、次の顕著な効果を奏する。
【００３８】
（イ）構造物に沿って移動体を進行させながら構造物の変位を計測することができるので、従来方法に比し計測作業の大幅な簡易化・省力化が可能である。
（ロ）撮影から変位の算出までを全てコンピュータで制御及び処理することができるので、変位計測時間の短縮が図れる。
（ハ）撮像機の分解能、撮像機の台数や設置間隔の調整により、従来方法に比し、変位計測精度を高めることができる。
（ニ）現場では画像撮影のみを行い、画像の解析・計算といった作業を撮影後に別の場所で行なうことにより、現場作業の一層の簡易化、短時間化を図ることができる。
（ホ）測定データをコンピュータに蓄積保存することができ、構造物の経時的変位を容易に参照することができる。
（ヘ）移動体の通路に沿って延びる種々の構造物、例えば鉄道線路、トンネル、車両道路等の経時的変位の計測に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例の説明図である
【図２】は、本発明の計測方法の流れ図の一例である
【図３】は、撮像機の画面からの視標像座標抽出方法の説明図である。
【図４】は、視標の取り付け方法の説明図である。
【図５】は、ＩＤ付き反射素材の一例である。
【図６】は、撮像機により撮影した画面の一例である。
【図７】は、共線条件式の説明図である。
【図８】は、バンドル調整法の説明図である。
【符号の説明】
１…構造物 1a…軌条
1b…トンネル２…構造物表面
2a…軌条の表面 2b…トンネルの内側表面
３…移動体の通路４…移動体
５…平面６…交線
７…測定視標８…基準視標
９…アングル部材 10…撮像機
11…コンピュータ 12…台車
13…撮像機制御手段 14…撮影位置算出手段
15…記憶手段 16…視標像座標抽出手段
17…バンドル調整手段 18…撮影機位置及び姿勢算出手段
19…変位出力手段 20…フラッシュ
21…反射素材

Claims

移動体により通路に沿って延びる構造物の変位を計測する方法において、通路に臨む構造物表面と移動体進行方向に距離を隔てて交差する複数平面上にそれぞれ不動とみなせる３以上の点を定めて基準視標を固定し且つ各基準視標の固定三次元座標を求め、前記構造物表面に前記複数平面との各交線に沿って複数の測定視標を取り付け且つ各測定視標の取り付け時の初期三次元座標を求め、所要複数の撮像機を移動体前面の所定位置に所定姿勢で固定したのち該移動体を通路上で進行させ、移動体進行方向から見て前記各平面の手前に該平面上の全視標が各撮像機の画面の広範囲に分散して写り込む移動体の撮影位置及び姿勢を定め、特定平面に対する撮影位置への移動体到達時に前記複数の撮像機で前方を同時に撮影し、前記移動体の撮影位置及び姿勢から各撮像機の撮影時位置及び姿勢を算出し、前記各撮像機の画面内における前記特定平面上の各基準視標及び測定視標の像の二次元座標と前記各撮像機の撮影時位置及び姿勢と前記各基準視標の固定三次元座標と前記各測定視標の初期三次元座標とに基づくバンドル調整により前記特定平面上の各測定視標の撮影時三次元座標と初期三次元座標との変位を算出し、移動体の進行に応じ前記前方の撮影から各測定視標の変位の算出までのサイクルを繰返すことにより前記構造物の変位を計測してなる構造物の移動式変位計測方法。
請求項１の計測方法において、前記各撮像機の画面内における最外側の視標像を前記特定平面上の各測定視標及び基準視標の像として抽出してなる構造物の移動式変位計測方法。
請求項１又は２の計測方法において、前記移動体前面にフラッシュを固定し、前記基準視標及び／又は測定視標をＩＤ付き反射素材とし、前記撮影位置への到達時にフラッシュを発光してなる構造物の移動式変位計測方法。
請求項１から３の何れかの計測方法において、前記基準視標及び／又は測定視標を、前記移動体進行方向に向けて設けてなる構造物の移動式変位計測方法。
移動体により通路に沿って延びる構造物の変位を計測する装置において、通路に臨む構造物表面と移動体進行方向に距離を隔てて交差する複数平面上にそれぞれ不動とみなせる３以上の点を定めて固定される基準視標、前記構造物表面上に前記複数平面との各交線に沿って取り付けられる複数の測定視標、各基準視標の固定三次元座標及び各測定視標の取り付け時の初期三次元座標を記憶する記憶手段、通路を進行する移動体前面の所定位置に所定姿勢で固定する所要複数の撮像機、移動体進行方向から見て前記各平面の手前に該平面上の全視標が各撮像機の画面の広範囲に分散して写り込む移動体の撮影位置及び姿勢を定め且つ特定平面に対する撮影位置への移動体到達時に前記複数の撮像機に対し前方の撮影を同時に指示する撮像機制御手段、各撮像機の画面を入力し各画面内における前記特定平面上の各視標像の二次元座標を求める視標像座標抽出手段、並びに前記移動体の撮影位置及び姿勢から各撮像機の撮影時位置及び姿勢を算出し且つ座標抽出手段による各基準視標及び測定視標の像の二次元座標と各撮像機の撮影時位置及び姿勢と前記各基準視標の固定三次元座標と前記各測定視標の初期三次元座標とに基づくバンドル調整により前記特定平面上の各測定視標の撮影時三次元座標と初期三次元座標との変位を算出するバンドル調整手段を備えてなる構造物の移動式変位計測装置。
請求項５の計測装置において、前記視標座標抽出手段において、前記各撮像機の撮影時位置及び姿勢と前記測定視標の初期三次元座標と前記基準視標の固定三次元座標とから各撮像機の画面内における前記特定平面上の視標像の存在範囲を推定し、前記推定した存在範囲の走査により前記特定平面上の視標像を抽出し、抽出した視標像の二次元座標を求めてなる構造物の移動式変位計測装置。
請求項５又は６の計測装置において、前記移動体前面に前向きに固定するフラッシュを設け、前記測定視標及び／又は基準視標をＩＤ付き反射素材としてなる構造物の移動式変位計測装置。