JP3949397B2

JP3949397B2 - オーバーハング地形の３次元地形モデルの作成システム

Info

Publication number: JP3949397B2
Application number: JP2001179406A
Authority: JP
Inventors: 輝明高橋; 治雄中筋; 裕文川村; 孝敏郷内
Original assignee: 株式会社ダイヤコンサルタント
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP2002373351A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜面災害の緊急対応時の調査・解析から対策工設計の検討に有用な、オーバーハングなどの複雑な地形の３次元地形モデルの解析処理プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地形解析のためのツールとして、等高線データおよび三角形モデルがある。等高線データは、３次元地形を平面上に表現するものであり、同様に三角形モデルも立体構造をＸＹ平面上に表示するものである。一般に、土木工事の設計・施行は後者の三角形モデルに基づいて行う。このような三角形モデルは、通常、上部から撮影した空中写真を計測して得られる等高線データから作成される。
【０００３】
しかし、例えば、バスが埋まったことで有名な北海道のトンネル崩落（斜面滑落）事故のような斜面での災害発生時には、地形自体にオーバーハングの箇所があり、該箇所の切り土処理を計画するに際し、従来の地形解析ツールが使えないことが判明した。
【０００４】
これら地形解析ツールとして、従来MicroStation上で動くInRoads（商標）とか、Vulcan（商標）が知られている。InRoadsは、上記のように等高線データから三角形モデルを作成し、該三角形モデルのデータをメモリ内で処理するソフトである。また、Vulvcanは、本来鉱山調査用のソフトであり、鉱山調査の前提として地形解析用の処理も含んでいるが、本来土木工事を目的としていないので、土木工事用としては使い勝手が悪いという欠点がある。
【０００５】
上記北海道のトンネル崩落（斜面滑落）事故のような場合、現場での空中写真撮影、目視調査、斜面評価などの現地調査を行い、これらの調査をもとに応急対策の現地検討や測量箇所の検討を行い、斜面の代表的な１断面を測量し、このデータをもとに横断図を作成し、手作業により亀裂解析や岩体の解析を行っていた。また、この１断面の測量データをもとに数値解析を行い、上記解析結果と併せて応急対策のための設計を行っていた。このとき、対策工設計の施工に関する視覚的評価は、２次元図面に基づく担当者のイメージに依存していた。
【０００６】
従って、従来は横断図作成や解析断面図作成は手作業で処理していたため、非常に時間を要していた。また、対策工の検討は、１断面の測量データをもとに解析していたため、総合的な解析といった点からは不十分なものであり、危険岩体の最適な除去方法の検討は時間的・技術的に困難となって、緊急を要するにも拘わらずその対応は遅々としたものとなる欠点があった。この場合、数値解析などの一部の処理は電算機で処理できるが、各プログラムが個々に独立したものであるので、プログラム間のデータの受け渡しが手作業となり、不便なものであった。
【０００７】
このため、危険な岩体や亀裂面を適切に除去するため、複雑な形状の岩体を高精度でモデル化し、該モデルに対して各種解析を行う必要がある。また、各種資料は各組織（国、自治体、警察、消防、民間会社等）に理解し易いビジュアル化を図る必要がある。
【０００８】
しかし、既存の市販のシステムには、上記３次元モデルの作成・解析に対して以下の問題点があった。
【０００９】
（１）市販のシステムは、オーバーハングモデルの処理ができない。
市販のシステムは、大別すると「３次元モデルの作成・解析をコンピュータのメモリ内で処理するシステム」（ＩｎＲｏａｄｓ）と「既に作成された３次元モデルをメモリ内に展開し、メモリ内で解析処理するシステム」（ＶＵＬＣＡＮ）の２種類がある。前者のシステムは、３次元等高線データからメモリ内に３次元地形モデルを作成し、等高線や切り土処理等の解析処理を行う。このシステムは、等高線が重なってしまうオーバーハング部の等高線処理ができないので、該部分の３次元モデルの作成ができない。
【００１０】
また、後者のシステムは、３次元モデルの作成はできるが、そもそもが鉱山調査用のソフトなので処理が複雑となり、時間が掛かるとか、切り土・重心計算機能がない等の欠点がある。
【００１１】
また、図１のようなオーバーハング形状を扱うものとして、特開平８−１３６２５５号公報があるが、該公報はスライス計測法を用いるものであって上記三角形モデルを用いたものではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、事故発生等の緊急時にも迅速・的確に対応できる、オーバーハングモデル等の複雑な３次元地形モデルの作成・解析を簡単にできる手法、プログラム及びシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の地形解析用３次元地形モデルの作成システムは、オーバーハング部分を含む等高線データを回転させて、該等高線データをオーバーハングしない状態で表現できる回転角度を探索し、該角度で上記等高線データをＸＹＺ軸上で回転変換し、変換した等高線データにより３次元モデルを作成することを特徴とする。
さらに、前記作成した該３次元モデルを元の位置まで逆回転変換することにより３次元モデルを完成することを特徴とし、前記回転変換処理は、ファイル内に既に作成されている３次元モデルを直接プログラムでアクセスすることにより行われることを特徴とする。
また、等高線データのオーバーハングしている部分を切り取り、該部分の等高線データを回転させてオーバーハングしない回転角度を探索し、該角度で等高線データをＸＹＺ軸上で回転変換し、変換した等高線データにより３次元モデルを作成し、上記作成した３次元モデルを元の位置まで逆回転変換することにより３次元モデルを完成すると共に、上記切り取られた残りの等高線データから作成される３次元モデルと貼り合わせることを特徴とする。
また、本発明は、オーバーハング部分を含む等高線データを回転させて該等高線データをオーバーハングしない状態で表現できる回転角度を探索し、該角度で等高線データをＸＹＺ軸上で回転変換して変換した等高線データにより３次元モデルを作成し、前記作成した該３次元モデルを元の位置まで逆回転変換することにより３次元モデルを完成することを特徴とする地形解析用３次元地形モデルの作成方法、もしくはプログラムである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図２は、この発明の一実施例によるオーバーハング解析システムの全体的なハードウエア構成を表わすシステムブロック図である。この例では、この発明によるオーバーハング解析業務を中心的に行うホストコンピュータ1は、パーソナルコンピュータ(PC)が用いられ、CPU(中央処理装置)2、システムメモリ3、外部記憶装置4、キーボードやマウス等の操作子をもつ入力操作装置5、ディスプレイ等の表示装置6を備え、これらの装置2〜6は、バス7を介して互いに接続されている。
【００１５】
システム全体を制御するCPU2は、この発明によるオーバーハング解析処理に関する各種プログラムに従って種々の制御を行い、システムメモリ(ROM;RAM)3は、基本プログラムや固定データ/パラメータを記憶したROM(読出専用メモリ)、及び、各種アプリケーションプログラムやデータ等を一時記憶するRAM(ランダムアクセスメモリ)を備える。
【００１６】
さらに、外部記憶装置4は、ハードディスクドライブ(HDD)の外、CD-ROM/FDD(フロッピィディスク)/MO(光磁気)ディスク等の記憶媒体を用いた記憶装置から成り、オーバーハング解析処理に関する各種アプリケーションプログラムや各種データ/パラメータを記憶している。
【００１７】
また、入力操作装置5は、ディスプレイ6に表示される各種画面を視認しつつキーボードの所定キーを操作したり或いはディスプレイ6土の操作ボタンをマウス等で指示することにより、オーバーハング解析のための各種処理を遂行することができる。
【００１８】
バス7には、入出カインターフェイス8を介して、スキャナシステム等の図面データ入力装置9、実測図データ入力装置10、画像データ入力装置11、プリンタ(例えば、カラーレーザプリンタ)やプロッタ(例えば、カラーインクジェットプロッタ)などの書面出力装置12が接続される。バス7には、さらに、通信インターフェイス13及び通信ネットワーク14を介して他のコンピュータシステム15を接続して、入出力装置9〜12を含むホストコンピュータ1のシステムとの間で、必要なデータを授受することができる構成としている。従って、他のコンピュータシステム15は、ホストコンピュータ1のシステムの一部機能を負担することができる。
【００１９】
なお、図面データ入力装置9は、通常、操作一性の容立体スキャナシステムを用いるが、デジタイザシステムを用いることもできる。図面データ入力装置9のうち、スキャナシステムは、詳細現況図を背景図データとして新たに入力するのにも用いられる。実測図データ入力装置10は、必要に応じて、例えば、地上のトータルステーション(TS:TotalStation)やGPS(Global Positioning System:全地球測位システム)装置等のディジタル測量装置から得たディジタル測量データを基にして得た実測図データを、部分的な地図として入力するものである。また、画像データ入力装置11は、ディジタルカメラ等から得た当該地域内の現況写真データを、現状確認データとして、必要に応じて入力するものである。
【００２０】
ホストコンピュータ1(更には他のコンピュータシステム15)は、外部記憶装置4や入力装置9,10から入力される図面データを利用し、ディスプレイ6の表示援助の下で入力操作装置5を操作することにより、以下に説明するオーバハング解析業務支援のための各種処理を行う。そして、ホストコンピュータ1による各種処理の結果得られる成果物データは、書面出力装置12から、図面や設計図などの紙書面として出力される。
【００２１】
この発明に用いる基本の等高線データは、以下の２方法で処理可能である。本発明のシステムは、災害時の緊急対策を目的としている為、方法１が最適である。
方法１・・・斜め写真をもとにデジタル図化機で等高線を計測する方法
方法２・・・既成図の等高線をデジタイズする方法
【００２２】
該等高線データから地形三角形モデルが作成される。地形三角形モデルの作成方法は、ボロノイ分割による方法とドローネ分割による方法がある。三角形分割は、遠距離の点を使用すると三角形が細長くなり、最近隣点を使用するドローネ分割によるとコンパクトになる。近似精度を考慮すると、最近隣点を使用したほうが精度は向上する。上述の手法は、三角形の最小角度を最大にする手法（最近隣点）として、地形三角形モデルの作成に使用されている。
【００２３】
デジタル図化機で等高線を計測する場合、図３のとおり、点を一定間隔に取得する。三角形モデルは、この点をもとに作成する。なお、三角形モデルは、任意の三角形である。ここまでの処理は、従来のInRoadsと同じである。ただし、上記扱う等高線データが、オーバーハングの等高線データを含むものである点が従来と異なる。
【００２４】
該三角形モデルのデータは、図１９のレイヤー上に記録される。該三角形モデルデータは、等高線データを計測した仰角方向、すなわち測定箇所を斜めから見た場合の測定箇所の垂線上からの角度データを含んでいる。
【００２５】
オーバーハングの地形を等高線で表現すると、標高の低い等高線上にオーバーハング部分の標高の高い等高線が描かれるので図１，４に示されるように等高線が重なり合ってしまう。また、緊急時のように、等高線データを写真計測から得ようとすると、計測箇所の垂線上からの撮影では、オーバーハングに隠れてしまうのでオーバーハングの下部の等高線データが得られない欠点があった。
【００２６】
そこでこの発明は、オーバーハングの隠れた部分が見えるように、視点を変えて撮影し、写真計測により等高線データを作成し、該等高線データから前記地形三角形モデルを作成し、該地形三角形モデルに基づいて切り土等の土木工事の設計に役立てようとするものである。
【００２７】
以下、簡単な地形モデルを用いてこの発明のオーバーハング地形の地形三角形モデル化処理の実施例を説明する。なお、図２０〜２３は、該処理の各フローチャートを示す。
【００２８】
図５は、前記図４に相当する、単純なオーバーハング地形であり、かつ等高線がほぼ平行状態になるオーバーハング部分の簡単な等高線データの表示例を示す。オーバ−ハング部分２では前述のように等高線が交差してしまう。
【００２９】
（１）図５において、等高線データから、まず前記オーバーハング部分１を切り出す（図２０のＳ２，Ｓ３）。図６に該切り出された部分の拡大図を示す。この切り出しは、座標交点から一定距離で自動的に行われる。図７は、該切り出された等高線データ（図６）の組成を示す座標軸上の表示例である。図８は、該切り出された等高線データそのものを示す。自８において、上から順番に図７の３，４，５，６の等高線を示すデータであり、それぞれ折れ線の変化点の座標を示している。なお、この場合、説明を簡易化するためＺ座標を０としている。
【００３０】
（２）次に、等高線データを回転させる（図２０のＳ４）。
【００３１】
今、図１を垂線上方から見ている等高線図であるとして、視点を垂線上方から下方の斜めの方向に持ってくると、オーバーハング部分が全部底まで見えるようになる。すなわち、図１において、当初視点が５０にあったとして、これを回転させて視点を５１に持ってくれば、オーバーハングの底の部分５２も見えることになる。これは例えば図６において、横軸をＹ、縦軸をＸとすると、ＸＹ平面を上方に回転させることを意味する。こうすることにより、等高線図には見かけ上オーバーハング部分が生じないため、図９に示す如く、等高線図に等高線の重なりが生じないことになる（図２０のＳ５）。この回転後の等高線図が図９に示される。図９の等高線データが図１０である。簡単のため、回転はＹ軸に平行に（Ｙ＝Ｃ１（一定）の軸を中心に）行われることが望ましい。このため、オーバーハングは正面から見て、等高線データを作成することが好ましい。なお、正面とは、オーバーハング面をＹ軸、奥行き方向をＸ軸、天頂方向をＺ軸にした任意座標系を設定した場合の、オーバーハング面と向かいあって見た面のことである。
しかし、どの角度から見てもオーバーハングが残ってしまう複雑な地形もあり得る。この場合は、等高線の重ならない個々のオーバーハング部分に分解して処理するしかない。一般に工事対象箇所には、方向の異なる複数のオーバーハング箇所が存在し、各オーバーハング箇所は個々に切り取られ、後述するように残りの地形三角形モデル図に貼り付けて合成される。オーバーハング箇所を切り取り再合成するこの手法がこの発明の一つの特徴でもある。
【００３２】
当然のことながら、上記図１０のデータには、垂線上からの元の図からの回転方向及び回転中心座標を含む回転角データがリンクして別途保存されている。
【００３３】
上記図１０の回転変換の等高線データの一般式は、図２４を参照し、ヘルマート変換を用いて次式で表現される。なお、全体の三次元ヘルマート変換の詳細は図２５に説明される。
【００３４】
【数１】

【００３５】
【数２】

【００３６】
【数３】

【００３７】
【数４】

【００３８】
【数５】

【００３９】
ただし、θ１，θ２，θ３は各Ｘ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上の回転角であり、このデータは実データとしてファイルに保存される。
【００４０】
（３）上記回転変換したデータを基に三角形モデルを作成する（図２１のＳ１３）。これは、図９においてはすでに等高線データは重なり合っていないので、いわば図９をあたかも垂線上から見たデータと同じとみなして三角形モデルを作成すればいいので、既存のＣＡＤ、例えばInRoadで作成することができる。例えば、ドローネ分割によって、内接の三角形の最小の角がなるべく大きくなるように三角形モデルが作成される。
【００４１】
図１１は、このようにして回転変換したデータを基にInRoadで三角形モデルを作成した例である。
【００４２】
（４）次に、上記三角形モデルの外形線データを作成する（図２１のＳ１４）。
該外形線データは、切り取られて残ったオーバーハング部分を含まない等高線データと合わせて三角形モデルを作成するために必要になる。
【００４３】
該外形線は図１２の外形線のみを抽出する「外形線作成プログラム」を用いて作成される。該外形線データは、実ファイルに保存される（図２１のＳ１５）。
【００４４】
（５）次に、上記作成した三角形モデルを図１３に示すように、逆回転変換により元の状態、すなわち垂線上から見た三角形モデル・データに変換する（図２２のＳ２３）。該実データもファイルに保存される（図２２のＳ２４）。
【００４５】
この逆回転変換は、「回転変換処理プログラム」により図８のデータとリンクする回転角データを用いて行われる。（逆回転式参照。）
【００４６】
（６）最後に、上記処理されたオーバーハング部分の三角形モデルを切り取られて残ったオーバーハング部分を含まない元データから得られる三角形モデルにはめ込む。
【００４７】
まず、外形線を含む外側の三角形モデルを作成する。すなわち、InRoadで外形線を含まない等高線データ（図１４）と外形線データ（図１５）を別々に読み込み（図２３のＳ３２）、外形線を含む外側の三角形モデルを作成する（図２３のＳ３３）。この場合、図１６に示されるように、元の図に外形線データをはめ込んで元の図の三角形データを完成させる。このように外形線データがないと、外形線データの内側まで三角形モデルを作ってしまうので外形線データは必要である。
【００４８】
次に、図１７に示す如く、上記処理されたオーバーハング部分の三角形モデルを、切り取られて残ったオーバーハング部分を含まない元データから得られる三角形モデル（図１６）にはめ込む（図23のＳ３９）。この場合、外形線データは、外形線の内側（オーバーハング部）と外側の三角形モデルを正確に接合するため、使用される。すなわち、元の図に外形線データをはめ込んで元の図の全体の三角形データを完成させる（図２３のＳ３５）。
【００４９】
完成した三角形モデルは図１８に示す如く、任意に回転可能であり、各種解析に用いることができる。これらのデータは、ファイル上に図１９に示す如くレイヤーが作られて保存される。解析は、これらデータを適宜呼び出して行われる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、この発明のシステムを用いれば、従来不可能であった、オーバーハング部分の三角形モデルが作成でき、該三角形モデルにより切り土対策や重心解析等の各種解析が可能となる。
【００５１】
該三角形モデルは、斜面災害の緊急対応時の調査・解析から対策工設計の検討に有用であり、即時に対応が取れるので緊急を要する場合に特に顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、オーバーハング部分の簡単な等高線データ表示例である。
【図２】図２は、システム構成図である。
【図３】図３は、等高線データを示す。
【図４】図４は、オーバーハング部分の等高線データ表示例である。
【図５】図５は、オーバーハング部分の簡単な等高線データ表示例（模式図）である。
【図６】図６は、図５のオーバーハング部分を切り出した図である。
【図７】図７は、図６の座標表示例を示す。
【図８】図８は、図７の実データを示す。
【図９】図９は、図６を回転変換した後の等高線データ表示例である。
【図１０】図１０は、図９の実データを示す。
【図１１】図１１は、回転変換した後の等高線データをもとに三角形モデルを作成した表示例を示す。
【図１２】図１２は、図１１において外形線を作成する場合の表示例である。
【図１３】図１３は、図１２を逆回転した場合の表示例を示す。
【図１４】図１４は、処理されたオーバーハング部分の三角形モデルを、切り取られて残ったオーバーハング部分を含まない元データの等高線データの表示例である。
【図１５】図１５は、処理されたオーバーハング部分の三角形モデルの外形線の表示例である。
【図１６】図１６は、外形線を含む外側の三角形モデルの表示例である。
【図１７】図１７は、処理されたオーバーハング部分の三角形モデルを、切り取られて残ったオーバーハング部分を含まない元データから得られる三角形モデルにはめ込み処理した後の完成された表示例である。
【図１８】図１８は、図１７の応用表示例を示す。
【図１９】図１９は、データの保存形式を示す。
【図２０】図２０は、この発明の地形三角形モデル化処理の各フローを示す（１）。
【図２１】図２１は、この発明の地形三角形モデル化処理の各フローを示す（２）。
【図２２】図２２は、この発明の地形三角形モデル化処理の各フローを示す（３）。
【図２３】図２３は、この発明の地形三角形モデル化処理の各フローを示す（４）。
【図２４】図２４は、三次元変換の遷移図である。
【図２５】図２５は、三次元ヘルマート変換の説明図である。
【符号の説明】
１オーバーハング部
３，４，５，６等高線
１０，１１，１２，１３等高線

Claims

デジタルカメラからの写真画像データ入力装置、デジタル測量データを基にした実測図データ入力装置、スキャナー、又はデジタイザによる図面データ入力装置及び書面出力装置を有する計算機システムにおいて、
デジタル図化機で計測された単純なオーバーハング地形であり、かつ等高線がほぼ平行状態になる、オーバーハング面を正面とした任意座標系で取得した等高線データにおいて、等高線が交差する箇所を抽出し、該交差する座標交点から一定距離の範囲をオーバーハング部分として自動的に切り出し、該切り出されたオーバーハング図形を上記オーバーハング部分が全部底までみえるように視点を垂線上方から下方の斜めの方向に、かつ前記座標交点を生じる等高線と垂直方向にＹ軸上９０°回転させて前記座標交点の生じない回転角度を設定し、該角度において等高線データをオーバーハングしない状態で表現すると共に、該表現された等高線データにより３次元モデルを作成し、該作成した３次元モデルを元の垂線上方の位置まで逆回転変換することにより部分的３次元モデルを完成して、該３次元モデルを前記切り取られた残りの等高線データから作成される３次元モデルに貼り合わせることにより全体の３次元モデルを完成する処理を前記計算機による自動的な処理により行うことを特徴とする地形解析用３次元地形モデルの作成システム。
デジタル図化機で計測された単純なオーバーハング地形であり、かつ等高線がほぼ平行状態になる、オーバーハング面を正面とした任意座標系で取得した等高線データにおいて、等高線が交差する箇所を抽出する手順、該交差する座標交点から一定距離の範囲をオーバーハング部分として自動的に切り出す手順、該切り出されたオーバーハング図形を上記オーバーハング部分が全部底までみえるように視点を垂線上方から下方の斜めの方向に、かつ前記座標交点を生じる等高線と垂直方向にＹ軸上９０°回転させて前記座標交点の生じない回転角度を設定し、該角度において等高線データをオーバーハングしない状態で表現する手順、該表現された等高線データにより３次元モデルを作成し、該作成した３次元モデルを元の垂線上方の位置まで逆回転変換することにより部分的３次元モデルを完成する手順、および該３次元モデルを前記切り取られた残りの等高線データから作成される３次元モデルに貼り合わせることにより全体の３次元モデルを完成する手順を、
計算機による自動的な処理により実行させることを特徴とする地形解析用３次元地形モデルの作成プログラム。