JP4966616B2 - 形状変動監視方法および形状変動監視システム - Google Patents

Description

本発明は、形状変動が起こり得る監視対象部の形状を測定し、前記監視対象部の変動を監視するための形状変動監視方法および形状変動監視システムに関する。

形状変動が起こり得る監視対象部は、例えば、土工事現場直上の鉄道軌道や道路などがある。近年、鉄道軌道直下での土工事（例えば、ＪＥＳ（Ｊｏｉｎｔｅｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）工法で行うアンダーパス工事など）を行う場合、掘削施工時に列車通過直後から次の列車通過までの間に施工範囲の鉄道軌道計測（重点計測）を義務付ける旨の軌道計測指針が鉄道会社から示されている。この重点計測は、３分以内に施工範囲である重点エリアの測定点を測定し、列車通過に影響のある沈下異常かどうかを判断する（鉄道軌道を監視する）必要がある。

この重点計測を行うために、従来、自動追尾式トータルステーション（ＴＳ）を用いた測定が行われていた。しかしながら、前記ＴＳで測定すると、測定点１点当たりで１５〜２０秒を要していたので、測定点が多数あると３分以内に測定が完了しない場合がある。この場合、測定点を少なくすると、３分以内に測定は完了するが、それでは、測定点の不足によって品質が低下してしまう。そこで、複数のロッドを接合部で互いに傾動可能に接合して鉄道軌道に沿わして配置し、ロッド同士の接合部のジョイント角度を測定することで、ロッドジョイント部の相対変位量を測定する装置が提案されていた。

なお、その他の形状変動監視方法としては、例えば、特許文献１に示すようなものもあった。特許文献１には、鉄道軌道を監視するシステムであって、レーザ光を鉄道軌道に照射することでその変位量を検出する変位検出手段を、鉄道軌道に沿って複数設け、この変位検出手段の変位情報を保線区管理所に送信する現場側通信手段と、保線区管理所内に設けられ現場側通信手段からの変位情報を受信する管理側通信手段と、保線区管理所内に設けられ管理側通信手段によって受信された変位情報に基づいて鉄道軌道の異常変位を監視する監視手段とをさらに設けたシステムが示されている。このシステムによれば、労力を要することなく、連続して高精度に鉄道軌道の変位を監視できる。
特開２００２−４６６０５号公報

しかしながら、前記ロッドジョイント式の方法では、複数ジョイントされたロッドを、鉄道軌道に沿わして設けられたガイドパイプに配線しなければならず、その設置に非常に多くの作業手間を要するといった問題があった。また、鉄道軌道を整備する際には、ガイドパイプを一旦、取り外して再び設置しなければならない。

また、特許文献１の鉄道軌道変位監視システムでは、レーザ光を鉄道軌道に照射する変位検出手段を鉄道軌道に沿って複数設けているので、その設置に非常に多くの手間を要する。

そこで、本発明は前記の問題を解決すべく案出されたものであって、監視対象部に非接触で測定でき、高速で且つ精度の高い測定を行うことができる形状変動監視方法および形状変動監視システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、形状変動が起こり得る監視対象部の形状を測定し、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法であって、前記監視対象部の範囲外に基準ポイントを設け、三次元レーザスキャナを用いて、前記監視対象部と前記基準ポイントを含む範囲を、前記基準ポイントを基に決定される同一の測定条件で、所定時間ごとに測定し、前記基準ポイントの測定データ同士を照合させて、所定時間ごとの各測定データを重ね合わせた変位図を作成し、前記監視対象部の測定データ間にずれが発生すると変動発生として検知することで前記監視対象部の変動を監視することを特徴とする形状変動監視方法である。

本発明において、基準ポイントを基に決定される同一の測定条件とは、基準ポイントを原点として、この原点から所定ピッチで、三次元レーザスキャナのレーザ光の照射角度を変えていくことをいう。したがって、原点から数えて所定順番目の測定点ごとに、三次元レーザスキャナのレーザ光の傾斜角度が確定される。

前記のような方法によれば、広い範囲を計測できる三次元レーザスキャナを形状変動監視に用いることで、測定基材の設置手間が少なく監視対象部に非接触で且つ高速な測定を行うことができる。また、監視対象部の範囲外に基準ポイントを設けたことで、基準ポイントを基に決定される同一の測定条件で監視対象部を測定できるので、測定位置の対象点を確定できるとともに、測定ごとに測定点を忠実に再現することができる。三次元レーザスキャナは、対象を多数の点（点群データ）として測定して立体的に表示する装置であるので、単に鉄道軌道（監視対象部）を測定するだけでは、測定位置の対象点を確定できず、測定点の再現性に問題があり、このように、測定の度に測定点が相違すると、監視対象部が変動していない場合でも測定値が変動してしまい、監視対象部の実際の変動を正確に把握することができない問題があったが、この問題を解決することができるので、非常に有意義である。すなわち、同一条件の測定によって忠実に再現された測定点で監視対象部の測定を行うことができ、三次元レーザスキャナによる測定データ同士を、同一の測定面で比較することができるので、短時間で精度の高い測定を行え、正確な監視対象部の変動監視を行うことができる。また、三次元レーザスキャナは、広い範囲の監視対象部を測定することができるので、特許文献１の鉄道軌道変位監視システムと比較して、測定機器の個数が少なく、設置の手間を大幅に低減できる。さらに、本発明では、監視対象部の範囲外に基準ポイントを設けるが、部分的に設置するだけで済み鉄道軌道に沿わせる必要はないので、従来のロッドジョイント式のガイドパイプと比較して部品点数は非常に少なく、施工手間を大幅に低減できる。

請求項２に係る発明は、前記基準ポイントは、箱状のマーカーブロックにて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の形状変動監視方法である。

このような方法によれば、基準ポイントの認識が容易になるとともに、監視対象部への設置固定も容易に行うことができる。

請求項３に係る発明は、形状変動が起こり得る監視対象部の形状を測定し、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法において、前記監視対象部の範囲外に基準ポイントを設け、三次元レーザスキャナを用いて、前記監視対象部と前記基準ポイントを含む範囲を、前記基準ポイントを基に決定される同一の測定条件で、所定時間ごとに測定し、前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点同士を比較して、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法であって、前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点を基に、前記鉄道軌道上の枕木の平面部を比較して、前記監視対象部の変動を監視することを特徴とする形状変動監視方法である。

このような方法によれば、砂利で構成されていることが多い鉄道軌道の道床等では、その形状が不安定であるので、変動の監視が困難であるが、枕木の平面部を比較することで、正確に監視対象部の変動を監視することができる。

請求項４に係る発明は、前記枕木の平面部の比較は、前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点を基に近似する平面方程式を算出して行うことを特徴とする請求項３に記載の形状変動監視方法である。

このような方法によれば、三次元レーザスキャナで監視対象部を測定すると、測定誤差があるが、近似する平面方程式を算出することで、測定誤差を最小にして、監視対象部の変動監視の精度を向上させることができる。

請求項５に係る発明は、前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の延長方向に所定の間隔をあけて設けられ、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道の縦断図を所定時間ごとに作成し、これらの縦断図を比較して前記監視対象部の変動を監視することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の形状変動監視方法である。

このような方法によれば、鉄道軌道における縦断面を重ね合わせて時系列変化を確認することができ、縦断面方向において変動を細かく監視することができる。また、基準ポイントを、鉄道軌道の延長方向に所定の間隔をあけて設けたことによって、基準ポイント同士を繋ぐだけで、縦断図の断面方向を容易に決定できる。

請求項６に係る発明は、前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の幅方向に所定の間隔をあけて設けられ、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道の横断図を所定時間ごとに作成し、これらの横断図を比較して前記監視対象部の変動を監視することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の形状変動監視方法である。

このような方法によれば、鉄道軌道における横断面を重ね合わせて時系列変化を確認することができ、横断面方向において変動を細かく監視することができる。また、基準ポイントを、鉄道軌道の幅方向に所定の間隔をあけて設けたことによって、基準ポイント同士を繋ぐだけで、横断図の断面方向を容易に決定できる。

請求項７に係る発明は、形状変動が起こり得る監視対象部の範囲外に設けられた基準ポイントと、前記監視対象部の形状を、前記基準ポイントを基に互いに対応付けられる同一の測定条件で所定時間ごとに測定する三次元レーザスキャナと、前記三次元レーザスキャナで所定時間ごとに測定された座標データの前記基準ポイント同士を照合させて、各座標データを重ね合わせた変位図を作成するとともに、前記監視対象部の各座標データ間にずれが発生すると変動発生として検知する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする形状変動監視システムである。

このような構成によれば、請求項１に係る発明と同様に監視対象部に非接触で且つ高速でさらに精度の高い測定を行うことができる。

請求項８に係る発明は、前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の延長方向に所定の間隔をあけて設けられ、前記画像処理手段は、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道直上の縦断図を所定時間ごとに作成することを特徴とする請求項７に記載の形状変動監視システムである。

このような構成によれば、鉄道軌道において、縦断図を重ね合わせて時系列変化を確認することができ、縦断図方向において変動を細かく監視することができる。

請求項９に係る発明は、前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の幅方向に所定の間隔をあけて設けられ、前記画像処理手段は、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道直上の横断図を所定時間ごとに作成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の形状変動監視システムである。

このような構成によれば、鉄道軌道において、横断図を重ね合わせて時系列変化を確認することができ、横断図方向において変動を細かく監視することができる。

本発明によれば、監視対象部に非接触で測定でき、高速で且つ精度の高い測定を行うことができるといった優れた効果を発揮する。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明に係る形状変動監視方法および形状変動監視システムを実施するための最良の実施の形態を示した全体斜視図、図２は鉄道軌道における縦断図およびその変位図、図３は鉄道軌道における横断図およびその変位図である。なお、本実施の形態では、監視対象部が鉄道軌道であって、その鉄道軌道直下で土工事が行われる場合の形状変動監視方法を例に挙げて説明する。

まず、本実施の形態に係る形状変動監視方法を実施するために用いられる形状変動監視システムについて説明する。

図１に示すように、かかる形状変動監視システム１は、形状変動が起こり得る監視対象部１０の範囲外に設けられた基準ポイント２０と、監視対象部１０の形状を、基準ポイント２０を基に決定される同一の測定条件で所定時間ごとに測定する三次元レーザスキャナ３０と、三次元レーザスキャナ３０で所定時間ごとに測定された座標データの基準ポイント２０同士を照合させて、各座標データを重ね合わせた変位図を作成する画像処理手段４０と、を備えている。

ここで、基準ポイント２０を基に決定される同一の測定条件とは、基準ポイント２０を原点として、この原点から所定角度ピッチで、三次元レーザスキャナ３０のレーザ光３１の照射方向を変えていくことをいう。すなわち、原点から数えて所定順番目の測定点ごとに、三次元レーザスキャナ３０のレーザ光３１の傾斜角度が確定されることとなる。

本実施の形態では、監視対象部１０は、鉄道軌道１１であって、直下の土工事の影響を受けて隆起や陥没などの形状変動が起こり得る部分を示す。鉄道軌道１１は、鉄道車両（図示せず）の走行を誘導するレール１２ａと、このレール１２ａの間隔を一定に保って支持する枕木１２ｂと、この枕木１２ｂを支持して、走行する車両の重量を路面に伝える道床１２ｃとを備えて構成されている。

基準ポイント２０は、箱状のマーカーブロック２１にて構成されており、鉄道車両の走行に影響を与えないレール１２ａの側部の道床１２ｃ上に設置され固定されている。マーカーブロック２１は、直方体または円柱などの特定の形状を呈しており、例えば、温度による膨張などの影響を受けない樹脂材料にて構成されている。

基準ポイント２０は、鉄道軌道１１の延長方向に所定の間隔をあけて設けられ、監視対象部１０の両外側に配置されている。また、基準ポイント２０は、鉄道軌道１１の幅方向にも所定の間隔をあけて設けられ、レール１２ａの幅方向両側に配置されている。すなわち、基準ポイント２０は、レール１２ａの幅方向両側で、監視対象部１０の両外側の合計四箇所に設置されている。なお、基準ポイント２０の設置位置は道床１２ｃ上に限られるものではなく、変動が起こらず、鉄道車両の走行に影響を与えない部分であれば他の場所であってもよい。なお、本実施の形態では、基準ポイント２０は、４箇所に設けられているが、少なくとも１箇所に設けられていればよい。

三次元レーザスキャナ３０は、計測対象物（本実施の形態では監視対象部１０である鉄道軌道１１）にレーザ光３１を照射して、そのレーザ光３１が計測対象物で反射して戻ってくるまでの時間から算出される距離と、レーザ光３１の照射角度とから、計測対象物の反射ポイントの三次元座標（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）を算出する。レーザ光３１は、例えば水平方向に３６０度、垂直方法に３２０度の範囲で所定の角度ピッチで放射状に照射可能であり、三次元レーザスキャナ３０は、各反射ポイントを座標データの集まりである点群データとして収集することで、計測対象物を立体的に表示することができる。本実施の形態では、三次元レーザスキャナ３０は、ポール３２を介して所定の位置に固定されている。三次元レーザスキャナ３０は、鉄道軌道１１の監視対象部１０全体を見渡せるとともに、鉄道車両の走行に影響を与えないように、鉄道軌道１１の斜め上方に配置され固定されている。

以下に、三次元レーザスキャナ３０による測定およびデータ処理の状態を具体的に説明する。まず、三次元レーザスキャナ３０でマーカーブロック２１を含む監視対象部１０を測定する。このとき、三次元レーザスキャナ３０は、任意のマーカーブロック２１が特定の形状をしているので、画像処理された画面とマーカーブロック２１の形状を照合させることで、画像処理された画像内からそのマーカーブロック２１を特定することができ、マーカーブロック２１の座標を読込む事ができる。これによって、例えばブロックの重心位置、表面の重心位置を決定できる。

次に、測定したデータのうち、鉄道軌道１１の枕木１２ｂの平らな面（平面部）を処理して変位量を求める。これは、鉄道軌道１１の道床１２ｃが砂利で構成されていることが多く、その形状が不安定であるため、形状が安定している枕木１２ｂを選んだためである。

しかし、この枕木１２ｂ部分を測定しても、図４に示すように、実際の測定値は単に三位元の点座標値であるため、枕木１２ｂ上の測定点も誤差を含んでいる。すなわち、枕木１２ａ上は実際には平らな平面であるが、三次元レーザスキャナ３０で実際に測定すると、測定結果は、測定誤差があるため凹凸の面として測定される。そこで、本発明では、以下のような手法を用いる。

同一平面上の測定点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）には、立体幾何学的に平面方程式ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０を満たすａ，ｂ，ｃ，ｄが存在する。そして、同一平面上の複数の測定点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から、最小二乗法で平面方程式ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０となるａ，ｂ，ｃ，ｄを求める。このようにすることで、三次元レーザスキャナ３０による測定誤差を最小にして最も近似の平面方程式を求めることができ、精度を向上させることができる。

ここで求めた平面方程式に枕木１２ｂの平面中心位置（Ｘ，Ｙ）を与えるとその点でのＺ成分を計算できる。この値を枕木１２ｂの測定座標値とする。そして、この作業を枕木１２ｂの平面位置ごとに行う。このようにすることで、マーカーブロック２１（平面上の位置を確定するための基準点）と測定対象の鉄道軌道１１（枕木１２ｂ部分）の測定処理結果から鉄道軌道１１の縦断図（図２参照（レール１２ａ部分））や横断図（図３参照）などが求められる。

そして、実施に鉄道軌道１１に変位が発生した場合には、図５に示すように、前回測定した枕木１２ｂの平面方程式の平面５１が、変位後の平面方程式の平面５１’のように変化する。そこで、前記したのと同様に枕木１２ａの平面中心位置（Ｘ，Ｙ）を与えて、Ｚ成分を計算すると、鉄道軌道１１の沈下・隆起の影響を知ることができる。

また、かかる三次元レーザスキャナ３０では、マーカーブロック２１を原点として、原点から所定の垂直方向角度ピッチと水平方向角度ピッチで測定点が決定される。したがって、原点（基準ポイント２０）を基に決定される同一の測定条件（垂直方向角度と水平方向角度）で、所定時間ごとに測定することができる。すなわち、原点から数えて所定順番目の測定点では、常に三次元レーザスキャナ３０のレーザ光３１の傾斜角度が確定され同一となる。

画像処理手段４０は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータにて構成されており、三次元レーザスキャナ３０と接続されている。画像処理手段４０は、三次元レーザスキャナ３０で測定された測定点の座標データの集まりである点群データを三次元座標上で整理して立体画像化処理して、モニターなどの表示手段４１に立体的に表示する機能を有している。また、画像処理手段４０は、座標データを記憶する記憶手段（図示せず）を有している。記憶手段は、画像処理手段４０に内蔵されていても、外部に別体で設けられて接続されていてもよい。画像処理手段４０は、三次元レーザスキャナ３０で所定時間ごとに測定された座標データを順次受信して、それらの座標データ内の基準ポイント２０同士を照合させて、同一の測定条件で測定された測定点同士が同一位置に表示されるように各座標データを重ね合わせた変位図を作成する。座標データは、重ね合わさないで、一つずつでも表示可能である。各座標データを重ね合わせた変位図で、監視対象部１０に変動が発生した場合は、各座標データ間にずれが発生する。画像処理手段４０は、座標データ間にずれが発生した場合は、そのずれの差分が予め設定されたしきい値以上の場合、それを変動発生として検知して、色分けして表示するように構成されている。そして、変動発生を検知した場合は、それを警告表示するとともに、警告音を鳴らしたり、所定の監理センターなどに自動的に連絡したりするように構成してもよい。

本実施の形態では、画像処理手段４０は、三次元レーザスキャナ３０で同一の測定条件で測定された測定点を基に、鉄道軌道１１上の枕木１２ｂの平面部を比較して、監視対象部１０の変動を監視するように構成されている。具体的には、枕木１２ｂの平面部の比較は、三次元レーザスキャナ３０で同一の測定条件で測定された測定点５０を基に近似する平面方程式を算出して行う。近似する平面方程式は、前記したように最小二乗法で求めるように構成されている。

また、画像処理手段４０は、鉄道軌道１１の延長方向に所定の間隔をあけて設けられた基準ポイント２０を基準として、三次元レーザスキャナ３０によって測定された座標データを基に鉄道軌道直上の縦断図（図２の（ａ）参照）を所定時間ごとに作成するように構成されている。この縦断図は、画像処理されて形成された立体平面からマーカーブロック２１を抽出して、このマーカーブロック２１を繋ぐことで縦断図の断面方向が決定される。鉄道軌道１１の延長方向両側に設けられた基準ポイント２０であるマーカーブロック２１を両端として、その内側のレール１２ａの天端の測定点を繋ぐことで形成されている。ここで、マーカーブロック２１の位置は変動しないので、マーカーブロック２１とレール１２ａの天端との最初の位置関係（ａ−１）を記憶させておき、その位置関係と計測した座標データとを比較することで、現状の変動状態を検知することができる。ここで、図２の（ａ）の（ａ−２）の場合は、変動なしであり、（ａ−３）の場合は変動ありであることが判る。

また、図２の（ｂ）に示すように、複数の縦断図を重ねて表示して変位図を形成するようにしてもよい。このようにすれば、監視対象部１０の縦断方向の変動を時系列で表示でき、容易に検知することができる。変動を検知した場合は、ずれの部分を、色を変えて表示したり、線種を変えて表示したりしてもよいし（図２の（ｂ）では線種を変えて表示し、１２ａ’にて示している）、変動の検知を警告表示するとともに、警告音を発したり、所定の監理センターなどに自動的に連絡したりするように構成してもよい。

また、画像処理手段４０は、鉄道軌道１１の幅方向にも所定の間隔をあけて設けられた基準ポイント２０を基準として、三次元レーザスキャナ３０によって測定された座標データを基に鉄道軌道直上の横断図（図３の（ａ）参照）を所定時間ごとに作成するように構成されている。この横断図は、鉄道軌道１１の幅方向両側に設けられた基準ポイント２０であるマーカーブロック２１同士を結ぶ面と平行な断面であり、その部分のレール１２ａ、枕木１２ｂおよび道床１２ｃの天端の測定点を繋ぐことで形成されている。ここで、マーカーブロック２１の位置は変動しないので、マーカーブロック２１とレール１２ａ、枕木１２ｂおよび道床１２ｃの天端との最初の位置関係（ａ−１（マーカーブロック２１は図示せず））を記憶させておき、その位置関係と計測した座標データとを比較することで、現状の変動状態を検知することができる。ここで、図３の（ａ）の（ａ−２）の場合は、変動なしであり、（ａ−３）の場合は変動ありであることが判る。

また、図３の（ｂ）に示すように、同位置での複数の横断図を重ねて表示するようにしてもよい。このようにすれば、監視対象部１０の横断方向の変動を時系列で表示でき、容易に検知することができる。変動を検知した場合は、ずれの部分を、色を変えて表示したり、線種を変えて表示したりしてもよいし（図３の（ｂ）では線種を変えて表示し、１２’にて示している）、変動の検知を警告表示するとともに、警告音を発したり、所定の監理センターなどに自動的に連絡したりするように構成してもよい。

前記構成の形状変動監視システム１を用いて監視対象部１０の形状変動を監視するに際しては、監視対象部１０の範囲外に基準ポイント２０を設け、三次元レーザスキャナ３０で監視対象部１０と基準ポイント２０を含む範囲を、基準ポイント２０を原点として、これを基に決定された同一の測定条件で、所定時間ごとに測定し、三次元レーザスキャナ３０で同一の測定条件で測定された測定点同士を比較して監視する。これによれば、以下のような作用効果を得られる。三次元レーザスキャナ３０で形状の測定を行う場合は、対象を多数の点で測定するため、基準ポイント２０を設けなければ、対象点の確定や計測点の再現性に問題があったが、この問題を解決することができる。具体的には、図４に示すように三次元レーザスキャナ３０（図１参照）で測定した測定面は、３個の測定点５０，５０，５０を結んだ三角形の平面５１でサーフェスモデルを作っている。この場合、ある監視対象部の表面を測定しても、その測定表面上は凸凹した面で構成されることとなる。この凹凸面では、局所的に高い場所と低い場所が発生するので、測定点がずれると、同一の監視対象部の表面を測定しても、測定表面にばらつきが発生する。このことは構造物の変位量を測定する場合、大きな誤差となってしまう。しかし、本実施の形態では、前記のように、監視対象部１０の範囲外に基準ポイント２０を設けたことで、基準ポイント２０が移動することはなく、基準点を設定できるので、測定位置の原点を確定できるとともに、測定点を、原点からの垂直方向角度と水平方向角度とから一義的に特定できるので忠実に再現することができる。したがって、互いに同一の測定条件で監視対象部１０の測定を行うことができるので、三次元レーザスキャナ３０による測定データ同士を、同一条件で比較することができ、精度の高い正確な監視対象部１０（鉄道軌道１１）の変動監視を行うことができる。

さらに、三次元レーザスキャナ３０で同一の測定条件で測定された測定点を基に、最小二乗法によって近似する平面方程式を求めて、測定データを平面処理することによって、三次元レーザスキャナ３０で測定された平面上の測定点の誤差が最小化される。また、座標データを平面処理することで、再度、同一平面５１’を測定したときに前回平面５１との比較が容易になり、平面の離反距離Ｌや傾斜角度Ａなどの新たな情報を得ることができる。具体的には、三次元レーザスキャナ３０で、鉄道軌道１１の枕木１２ｂを測定して平面処理し、再度、同一平面５１’を測定した場合に、各平面５１，５１’間の離反距離Ｌや傾斜角度Ａから、鉄道軌道１１の隆起や沈下を測定できる。

このように、枕木１２ｂの平面部を比較することで、正確に監視対象部の変動を監視することができる。また、枕木１２ｂの平面部の比較を、三次元レーザスキャナ３０で同一の測定条件で測定された測定点５０を基に近似する平面方程式を最小二乗法で算出して行うことで、測定誤差を最小にして、監視対象部の変動監視の精度を向上させることができる。

そして、三次元レーザスキャナ３０は、トータルステーションと比較して測定時間が短いので、短時間で監視対象部１０の測定を行うことができる。したがって、土工事現場直上の鉄道軌道１１の監理を行うに際して、３分以内に施工範囲である重点エリアの測定点を測定することができる。また、三次元レーザスキャナ３０は、一度の測定で広い範囲の監視対象部１０を測定することができるので、測定時間の短縮を図れるとともに、特許文献１の鉄道軌道変位監視システムと比較して、測定機器の個数が少なく、設置の手間を大幅に低減できる。さらに、本発明では、監視対象部１０の範囲外に基準ポイント２０を設けるが、部分的に設置するだけで済み鉄道軌道１１に沿わせる必要はないので、従来のロッドジョイント式のガイドパイプと比較して部品点数は非常に少なく、施工手間および施工費用を大幅に低減できる。

さらに、基準ポイント２０を、箱状のマーカーブロック２１にて構成しているので、三次元レーザスキャナ３０による測定データ内での基準ポイント２０の認識が容易になるとともに、監視対象部１０への設置固定も容易に行うことができる。

また、本実施の形態では、基準ポイント２０は、鉄道軌道１１の延長方向および幅方向に所定の間隔をあけて設けられたマーカーブロック２１にて構成されて、三次元レーザスキャナ３０によって測定された座標データを基に鉄道軌道１１の縦断図および横断図を所定時間ごとに作成し、これらの縦断図および横断図を比較して、監視対象部１０の変動を監視するようになっているので、容易に精度よく変動状態を検知することができる。また、このとき、マーカーブロック２１を鉄道軌道１１の延長方向に所定の間隔をあけて設けたことによって、これらマーカーブロック２１同士を繋ぐだけで、縦断図の断面方向を決定することができ、座標データから縦断図の断面方向を算定して決定しなくても済むので、その断面方向を容易に決定することができる。また、マーカーブロック２１を鉄道軌道１１の幅方向に所定の間隔をあけて設けたことによって、これらマーカーブロック２１同士を繋ぐだけで、横断図の断面方向を容易に決定することができる。

さらに、図２の（ｂ）または図３の（ｂ）に示すように、複数の縦断図同士、または横断図同士を重ねて表示して変位図を形成すれば、監視対象部１０の縦断方向または横断方向の変動を視覚的に把握することができ、さらに容易に且つ精度よく検知することができる。

前記のような形状変動監視方法および形状変動監視システムを列車安全運行の警報用測定装置に適用する一方で、三次元レーザスキャナよりも詳細な変化を精密に把握できるトータルステーションやリンク式の測定装置などの従来の計測方法を併用して計測することで、きめ細かく且つ緊急性の高い高速測定を同時に行うことが可能となる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、前記実施の形態では、鉄道軌道１１の変動を計測する場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。例えば、道路面下にトンネルを構築する場合や、トンネルの下方に他のトンネルを構築する場合などにも適用できる。さらに、法面の変動管理にも適用することができる。

本発明に係る形状変動監視方法および形状変動監視システムを実施するための最良の実施の形態を示した全体斜視図である。 鉄道軌道における（ａ）は縦断図、（ｂ）はその変位図である。 鉄道軌道における（ａ）は横断図、（ｂ）はその変位図である。 三次元レーザスキャナで測定した座標データのサーフェスモデルを示した図である。 平面処理された座標データを示した図である。

符号の説明

１ 形状変動監視システム
１０ 監視対象部
１１ 鉄道軌道
１２ｂ 枕木
２０ 基準ポイント
２１ マーカーブロック
３０ 三次元レーザスキャナ
４０ 画像処理手段

Claims (9)

1. 形状変動が起こり得る監視対象部の形状を測定し、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法であって、
   前記監視対象部の範囲外に基準ポイントを設け、
   三次元レーザスキャナを用いて、前記監視対象部と前記基準ポイントを含む範囲を、前記基準ポイントを基に決定される同一の測定条件で、所定時間ごとに測定し、
   前記基準ポイントの測定データ同士を照合させて、所定時間ごとの各測定データを重ね合わせた変位図を作成し、前記監視対象部の測定データ間にずれが発生すると変動発生として検知することで前記監視対象部の変動を監視する
   ことを特徴とする形状変動監視方法。
2. 前記基準ポイントは、箱状のマーカーブロックにて構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状変動監視方法。
3. 形状変動が起こり得る監視対象部の形状を測定し、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法において、
   前記監視対象部の範囲外に基準ポイントを設け、
   三次元レーザスキャナを用いて、前記監視対象部と前記基準ポイントを含む範囲を、前記基準ポイントを基に決定される同一の測定条件で、所定時間ごとに測定し、
   前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点同士を比較して、前記監視対象部の変動を監視する形状変動監視方法であって、
   前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、
   前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点を基に、前記鉄道軌道上の枕木の平面部を比較して、前記監視対象部の変動を監視する
   ことを特徴とする形状変動監視方法。
4. 前記枕木の平面部の比較は、前記三次元レーザスキャナで同一の測定条件で測定された測定点を基に近似する平面方程式を算出して行う
   ことを特徴とする請求項３に記載の形状変動監視方法。
5. 前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、
   前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の延長方向に所定の間隔をあけて設けられ、
   前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道の縦断図を所定時間ごとに作成し、これらの縦断図を比較して前記監視対象部の変動を監視する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の形状変動監視方法。
6. 前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、
   前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の幅方向に所定の間隔をあけて設けられ、
   前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道の横断図を所定時間ごとに作成し、これらの横断図を比較して前記監視対象部の変動を監視する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の形状変動監視方法。
7. 形状変動が起こり得る監視対象部の範囲外に設けられた基準ポイントと、
   前記監視対象部の形状を、前記基準ポイントを基に互いに対応付けられる同一の測定条件で所定時間ごとに測定する三次元レーザスキャナと、
   前記三次元レーザスキャナで所定時間ごとに測定された座標データの前記基準ポイント同士を照合させて、各座標データを重ね合わせた変位図を作成するとともに、前記監視対象部の各座標データ間にずれが発生すると変動発生として検知する画像処理手段と、を備えた
   ことを特徴とする形状変動監視システム。
8. 前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、
   前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の延長方向に所定の間隔をあけて設けられ、
   前記画像処理手段は、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道直上の縦断図を所定時間ごとに作成する
   ことを特徴とする請求項７に記載の形状変動監視システム。
9. 前記監視対象部は、鉄道軌道上に設けられ、
   前記基準ポイントは、前記鉄道軌道の幅方向に所定の間隔をあけて設けられ、
   前記画像処理手段は、前記三次元レーザスキャナによって測定された座標データを基に前記鉄道軌道直上の横断図を所定時間ごとに作成する
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の形状変動監視システム。

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