JP4945190B2 - 線状構造物形状データ生成装置及び復元装置 - Google Patents

Description

本発明は、石油・天然ガス・熱供給のパイプライン、鉄道、道路のような長距離構造物のデータ管理およびデータ生成方法に関し、曲線部を円弧で表現するかわりに接線の交点によって形状データを表現し、利用時に円弧に再構成する線状構造物形状データ生成装置及び復元装置に係わる。

図形形状は通常、座標によって表現される。図形形状の特徴点を座標として表現するため、曲線部分も短線分で近似するか、スプライン曲線のように制御点を配して曲線形状を表現する方法がとられている。そしてこれらの座標データは座標格納のためのデータ構造に格納される。これにより、曲線形状が多く利用される場合にはデータ容量が多くなる。また、これらの形状は計算機による設計支援システム（ＣＡＤ）で作成されるが、個々の座標入力が必要となる。また、測量会社が現地調査を行っている。例えばＧＰＳやトータルステーションなどを用いて座標データを取得されているが、曲線部が多い場合にはデータ容量は多くなる。また、特開昭63−311579号公報（特許文献１）に見られるように、線分を円弧の複合体により曲線に変換する方法も考えられているが、これは個々の線分を曲線化する方法である。

特開昭63−311579号公報「図形データ補間方法」

上記の図形形状管理においては、すべての形状を特徴点の座標により表現する。そのため、曲線が多い図形に対しては座標データの数が多くなる。とくに数千キロメートル以上の構造物などに対しては座標データの数が多くなり、データの読み出しに時間を要する。また、複合円弧で線分を近似する方法では線分をさらに細分化して曲線近似を行う方法でありデータの量は多くなる。さらに曲線を発生させる場合には、曲線のパラメータを座標データ形式とは別にデータ構造を定義して保持する必要がありデータ管理においても複雑さが増す。そのため、次の二つの課題、
(1)曲線部を管理するためのデータ容量の低減、
(2)１個のデータ構造による長距離構造物の管理、
を本発明で解決する。

曲線部は円弧で近似するが、通常の中心点座標および半径というようなデータの持ち方はせずに、曲線形状の終端に接続する２本の線分を円弧への接線として保持する。ここでは曲線に接する折れ曲がり線分として記述しておき、形状を生成したときに曲線化処理により、円弧を発生させその円周をサンプリングすることにより座標データに変換する。円弧の周囲を座評価する必要がないためデータ容量が圧縮され、また、中心点、半径の長さ、開始角度、終了角度による特別な円弧を管理するデータ構造が必要ではなく、上記の課題を解決できる。

パイプラインの長さは数百キロメートルから数万キロメートルに及ぶ。これらの形状データを一元管理する場合にデータの圧縮を行うことにより、データ容量の低減をはかることができる。また、パイプライン、鉄道、道路の設計においても、あらかじめ、曲線を入力せずに、折れ曲がり線分で入力しておき、折れ曲がり部において円弧による曲線を生成することにより入力の手間も低減できる。

本発明は、コンピュータソフトウエアにて実現され、パイプラインの形状データはコンピュータのデータとして作成される。

実施例を石油・天然ガスパイプラインを例に説明する。パイプラインの形状データについては、次に示すような方法で位置情報が取得されている。
１．ＧＰＳなどにより座標により位置情報を取得する。
２．内部検査ロボット（ピギング）により形状を取得する。

石油や天然ガスなどのトランクパイプラインは内部や外部の腐食を検査するため、ピグロボットが通りやすい形状に建設される。このとき、パイプラインの形状は方向を変えるときに滑らかな曲線を描くように構成される。このような建設方法は、パイプライン建設において、要請されることになっていることもある。パイプライン形状の管理において曲線部のデータが多い場合には、曲線部を短線分で近似するため短線分を表す座標データの数が多くなる。そのため、これらのデータ量を低減することによりコンパクトなデータ管理を実現することも行われている。具体的には、曲線部は外接する円弧を設定することにより曲線として生成が可能となる。ここでは、円弧の中心の座標、半径の長さ、開始角度、終了角度によってあらわされる。このように最低でも４個のデータが必要となり、座標データと円弧の２種類のデータ構造を持つ必要がある。このためパイプラインの設計時にパイプラインの位置を変更しようとすると円弧の内容も変えていくことになる。例えば、円弧と接続する線分の座標を変更すると、新たに円弧の大きさを変えていくことになる。このため、本発明では、この問題点を解決するため、座標データのみで曲線部を表現し、しかも、座標数を圧縮できる方法を示す。

パイプラインの建設においては、方向を変える場合、方向転換部分では内部検査ロボットが通りやすいように曲線になるように敷設される。このとき曲線の円弧の半径がパイプラインの直径のＮ倍によって建設されるという要請がある。このようなパイプラインの形状はＧＩＳやＣＡＤでは線図形（１０１、１０２）によって表される。これより、図１に示すように、曲線部１０３が生成され、線分形状にフィッティングされる。この曲線は円弧であり、パイプライン口径のＮ倍によって指定（１０４）される。このような形状を表現するために、円弧に接続する線分１０１、１０２を接線としてそれを延長して交点１０５を算出し、円弧上の詳細な座標ではなく、接線の交点によって代表させ、実際に形状データを利用するときに円弧上の座標データに展開する。

このような形状データを作成するためのシステム構成を図２に示す。

初期座標データベース：２０１。
線状構造物の座標列を格納した形状データベース。ここでは曲線部は上記のように交点の座標によって表現されている。

形状記述データ読み出し部：２０２。
形状記述データベース（２０１）に記載された座標データを読み出す機能。

線分データ選択部：２０３。
曲率半径が一定の線分を追跡する機能。

角度判定部：２０４。
選択された２本線分の組み合わせの作る角度を計算する。

曲率半径計算部：２０５。
角度判定部（２０４）によって得られた角度を有する線分群を選択し、曲率を計算し円弧発生の範囲を求める機能。

二等分線生成部：２０６。
複数の線分群から連続する線分を２本ずつ選択して垂直二等分線を設定する機能。

統計的交点座標生成部：２０７。
垂直二等分線の交点を求め、得られた複数の交点から代表となる交点を算出する機能。

接線交点生成部：２０８。
曲率が決定したときに円弧につながる２本の線分を延長し、その交点を生成する機能
曲率データベース：２０９。
得られた曲率半径の格納先。円弧の曲率が変わるときには曲率半径の値を順番に格納する。

座標生成部：２１０。
曲線部の接線の交点を曲線部の座標データ群に置き換える機能。

変換後座標データベース：２１１。
生成された座標データの格納先。

２０１、２０９、２１１のデータベースは、形状データ作成システムの記憶装置により実現され、２０２−２０８、２１０の各機能は、予め記憶されたプログラムを演算部にて実行することにより実現される。

また、接線の交点によって置き換えられた座標データを、曲線を含む形状データに置き換えるためのシステム構成を図３に示す。

圧縮座標ＤＢ：３０１。
曲線部を接線の交点に置き換えた座標による形状データを格納したデータベース。

形状データ読み出し部：３０２。
圧縮座標ＤＢ３０１から形状データを読み出す機能。

線分データ選択部：３０３。
形状データから２本の線分を選択する機能。

角度計算部：３０４。
線分データ選択部３０３で選択した２本線分の角度を計算し、あらかじめ曲線補完すべきかどうかを示す曲率値をもつかどうかを検査する。

最適二等分線生成部：３０５。
２本の接線線分から二等分線を生成し、その位置を変更しつつ所定の曲率半径になるように交点を計算する機能。

円弧生成部：３０６。
二等分線生成部３０５で取得した交点座標から円弧を発生させ、円周をサンプリングして短線分に置き換えるとともに、接線を切断し接続する機能。

曲率ＤＢ：３０７。
生成する円弧の曲率および順番に曲率が変化する場合には、生成される曲線の曲率順序を記載したデータベース。

立体座標生成部：３０８。
生成した円弧形状の円周上の点に高さ情報を付加することにより、円周上の座標を３次元化する機能。

座標データ置換部：３０９。
円弧部分を構成する部分を直線に変換してデータを生成する機能。

座標ＤＢ:３１０。
新しく生成したデータを格納する機能
３０１、３０７、３１０のデータベースは、形状データ復元システムの記憶装置により実現され、３０２−３０６、３０８、３０９の各機能は、予め記憶されたプログラムを演算部にて実行することにより実現される。なお、図２の変換後座標データベース２１１に格納されるデータ形式と図３の圧縮座標データベース３０１に格納されるデータ形式は同じである。

図２に示す機能を用いて形状データから曲線部を抽出しデータ変換するフローを図４に示し、図５を用いて説明する。

図５は形状データの形態を示す。形状データは、図５(a)に示すように折れ曲がり点（特徴点）によって構成されている。折れ曲がり線分は連続した特徴点を順番に選択することによって表示する。そして、各線分のなす角度は２本の線分を取り出すことによって計算できる。以下に形状データ作成フローの詳細を示す。

ステップ1：線分の読み出し４０１。
初期座標ＤＢ２０１より形状データ読み出し部２０２が図形形状データを読み出す。こお初期座標データは測量機器やＧＰＳ(Global Positioning System：汎用測位システム)などで測定されたものを想定する。

ステップ２：特徴点の選択４０２。
図形形状データから線分データ選択部２０３が特徴点を３個取り出す。

ステップ３：角度の計算４０３。
角度判定部２０４は３個の特徴点から構成される２本の線分の角度を求める。角度は２個求まるが、小さい方の角度を選択する。これは連続する線分すべてにおいて角度を計算し、あらかじめ決められた角度範囲であれば、図５(b)に示すように最初に選択された線分５０２と最後に選択された線分５０５を除きすべての線分５０３、５０４を選択する。角度の閾値以上になった時点でステップ４を実行する。

ステップ４：垂直二等分の交点の計算４０４。
二等分線生成部２０７は、角度があらかじめ決められた閾値以内であれば、図５(b)に示すように各線分の中点に垂直二等分線５０６、５０７を設定する。そしてその２本の垂直二等分線の交点を計算する。

ステップ５：垂直二等分交点の重心座標の計算４０５。
統計的交点座標生成部２０６では、連続した線分に設定して得られる垂直二等分線の交点を次々に求める。この交点座標は線分の計測データに誤差を持っているため、交点の座標は必ずしも一致しない。さらに複数個の交点の重心を求め、その求めた点を曲率半径の中心座標とする。

ステップ６：曲率半径の計算４０６。
曲率半径計算部２０５ではステップ４０５で求めた交点から曲率半径を求める。これは交点から形状データの特徴点までの距離に相当する。得られた曲率は曲率ＤＢ２０９に格納する。

ステップ７：接線交点の計算４０７。
接線交点生成部２０８では円弧に接続するとした最初と最後の選択線を延長し、その交点を求める。

ステップ８：座標データの生成４０８。
座標生成部２１０では、得られた接線の交点を曲線部の線分と置き換えて変換後座標ＤＢ２１１に格納する。図５(c)は最終結果を示す。折れ線５０８は曲線部を接線の交点に置き換えた結果である。

ステップ９：繰り返し実行４０９。
すべての線分について接線交点の生成処理を終了したかどうか調べ、終了していない場合にはステップ２以降を実行する。

曲線形状の生成において、最初の初期座標ＤＢに格納されているデータが別の形式になることも考えられる。具体的には、個々の線分形状の長さと角度で表現されることがある。このとき、角度はパン角度θとチルト角度φによって立体形状の生成が可能となる。このようなデータ形式を用いて上記の形状データを取得することも可能である。なおこのとき座標はまず、基点座標をメモリ上に設定し、最初の線分の基点を基準点に合わせることから順番に生成される。具体的には指定されたパン角度θに指定された線分を延長し、さらにチルト角度φにより高さ方向の座標を設定する。

次に取得された形状データを用いて曲線データを生成し、座標データに復元する方法について説明する。図６に復元のフローを示す。

ステップ1：座標データの読み出し６０１。
形状データ読み出し部３０４は圧縮座標データ３０１より上記の方法で圧縮された座標形状データを読み出す。

ステップ２：線分データの選択６０２。
線分データ選択部３０３は座標データから２本の線分を選択する。

ステップ３：角度の計算６０３。
角度計算部３０４は選択された２本線分の作る角度を計算する。

ステップ４：角度値の判定。
ステップ６０３において、角度が閾値よりも小さければ円弧を生成する。大きい場合にはステップ６０９を実行する。

ステップ５：垂直二等分線の試行錯誤型設定６０５。
最適二等分線生成部３０５では２本の線分に垂直二等分線を設定し、その交点を求める。交点を垂直二等分線の足までの長さを計算し、それがあらかじめ決められた曲率半径、または曲率ＤＢ３０７に格納された曲率値と一致しなければ、二等分線の足の位置を直線上で動かし、再度交点を計算する。この交点が一定の閾値は入った場合はステップ６０８を行う。上記した形状データ取得において接線の線分を延長する前に、延長前の点を保持して、この点に垂直二等分線を生成することもできるが、無理に保持しておく必要はなくステップ６０５に示すように試行錯誤で交点を求めることができる。

ステップ６：円弧の生成６０６。
ステップ６０５にて交点が求まると円弧生成部３０６では円弧を生成し、その円周上の点をサンプリングして座標を生成する。最終的の求めた垂直二等分線の足は円弧開始点座標、終了点座標として取り込む。

ステップ７：立体形状の生成６０７。
円弧起点の高さと円弧終点の高さが異なる場合にはサンプリングした円弧の座標点に高さ情報を生成し、座標に付加してデータを格納する。高さは、別途データを用意するが、垂直方向に投影を行い得られた高さを与える。

ステップ８：座標データの生成６０８。
座標置換部３０９では取得したデータは座標データテーブルに格納し、座標ＤＢ３１０に格納する。このとき、接線の交点は消去して新しく得た円周上の座標を挿入する。

ステップ９：すべての線分に関して曲線化を実行６０９。
すべての線分に対して曲線化処理を行った場合には終了する。そうでない場合はステップ２以降を実施する。

上記に距離と角度で取得される計測について示したが、このとき、折れ曲がりの時には曲線部を直接測量するのではなく、接線方向に計測を行い、折れ曲がり角度によって形状を表現することがある。このような場合には上記のデータ生成方法によって曲線部を表示することが可能となる。

これらのデータの取得や管理方法は鉄道や道路においても適用可能である。実際に道路や鉄道の場合は曲率をつけて建設されることが多いと考えられる。この場合にも、上記のデータ管理方法が適用できることは明らかである。鉄道や道路の場合にも曲率半径をもって線路の設計が行われていると考えられる。ただしこの場合は、一様な曲率であるとは限らない。場所によって曲率半径は変化すると考えられる。この場合は、各地域ごとの曲率半径をデータとしてもつことが必要である。

本発明は、地理情報システムやコンピュータ支援設計支援システム（ＣＡＤ）において、パイプラインや鉄道、道路の設計を行う場合に利用する。とくに数千kmから数万kmにおよぶ構造物の設計においてデータの圧縮を図ることができさらに形状を生成することにより形状の正確さを保持することができる。

曲線形状の生成を説明する図。 形状データ取得のシステム構成を示す図。 形状データ復元のシステム構成を示す図。 形状データ取得フローを示す図。 形状データの形態とデータ置換を示す図。 形状データ復元フローを示す図。

符号の説明

２０１・・・初期座標ＤＢ、２０２・・・形状データ読み出し部、２０３・・・線分データ選択部、２０４・・・角度判定部、２０５・・・曲率半径計算部、２０６・・・統計的交点座標生成部、２０７・・・二等分線生成部、２０８・・・接線交点生成部、２０９・・・曲率ＤＢ、２１０・・・座標生成部、２１１・・・変換後座標ＤＢ
３０１・・・圧縮座標ＤＢ、３０２・・・形状データ生成部、３０３・・・線分データ選択部、３０４・・・角度計算部、３０５・・・最適二等分線生成部、３０６・・・円弧生成部、３０７・・・曲率ＤＢ、３０８・・・立体座標生成部、３０９・・・座標変換部、３１０・・・座標ＤＢ。

Claims (2)

1. 線状構造物の座標列を格納するデータベースと、
   前記データベースから前記線状構造物の座標列を読み出す読み出し部と、
   前記読み出された線状構造物の座標列から円弧の範囲を求める計算部と、
   前記円弧の範囲に相当する座標列から前記円弧につながる２本の接線同士の交点を求める接線交点生成部と、
   前記円弧の範囲に相当する座標列を前記接線の交点と前記円弧の曲率半径とに置換して出力する出力部と
   を有することを特徴とする線状構造物形状データ生成装置。
2. 前記線状構造物形状データ生成装置は、更に、
   前記読み出された線状構造物の座標列から、特徴点を抽出する線分データ選択部と、
   前記特徴点同士を結ぶ線分の中点に、それぞれ垂直二等分線を生成する二等分線生成部と、
   前記生成されたそれぞれの垂直二等分線の交点を求める交点座標生成部と、
   前記求められた交点から、前記円弧の曲率半径を求める曲率半径計算部と
   を有することを特徴とする請求項１記載の線状構造物形状データ生成装置。

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