JP5190566B2

JP5190566B2 - トンネル内壁面点検システム

Info

Publication number: JP5190566B2
Application number: JP2006039187A
Authority: JP
Inventors: 一彦藤橋; 文夫本多; 知巳松田; 義敏熊野; 隆弘大津; 峰典武山
Original assignee: 株式会社アサノ大成基礎エンジニアリング
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP2007218725A

Description

本発明はトンネル内の亀裂や漏水、あるいは鉄筋の露出、アルカリ性噴出物の発生など、トンネル内壁面に現れた変状の有無を正確に点検するためのシステムに関し、点検労力およびコストの低減と変状監視の正確を期すことを目的とする。

道路や鉄道などの長いトンネル内における内壁面の経時変化を常時監視することは安全性維持の観点から欠かすことができないが、実際上においてトンネル内部を目視により点検するには限界があり、その完全を期することは難しい。そこで近年は、トンネル内に設置した回転装置に１台または複数台のラインセンサーカメラを取り付けるとともに、これをトンネル壁面周方向にスキャニングしてトンネルの内壁面の線分画像を取得し、さらに上記した回転装置をトンネルの軸方向（奥行き方向）に所定幅だけ移動し、この操作を繰り返すことにより、トンネルの軸方向に連続させた展開画像を得るようにした「トンネル壁面画像撮影法および装置」が開発された（特許文献１参照）。

また、トンネル内壁面のひび割れを検出するために、壁面に対応させるべく複数台のカメラにより撮影台車を走行させつつ撮像するとともに、その画像データを画像処理して内部壁面を分割した小区分毎にひび割れの抽出・定量化処理をおこない、これを各小区分毎に出力表示させ、あるいは上記ひび割れ情報を、連続する多数の小区分の全てについて求め、これらのひび割れ情報をその分布図とともに表示するようにしたものも知られている（特許文献２参照）。

さらに、構造を簡素化する目的で電子カメラを１台とし、横抗の中心に設けた凸面鏡に映し出された抗内壁面画像を電子カメラで撮影して基本画像を得るとともに、該基本画像の鉛直方向を重力により指示して修正し、さらに該基本画像を順次半径の異なる同心円状の複数の環状画像に分解し、さらにこれを直線状画像に展開して展開画像を出力できるようにした「抗壁の展開画像作成装置」も知られている（特許文献３参照）。
特開平１１−２９４０６５号公報特開２００１−１４１６６０号公報特許第２５６２０５９号公報

上記特許文献１に記載のものは、トンネル内に設置した回転装置上にラインセンサーカメラを取り付けるとともに、回転装置を回転させることによってトンネル内壁面における周方向にスキャニングしてトンネル内壁面の撮像を取得し、さらに上記の装置をトンネルの長さ方向に所定距離毎に移動しつつ各所での撮像を繰り返し取得することによりトンネル長さ方向に連続した内壁面展開画像を得るようにしたものである。

特許文献１のものでは所謂ＣＣＤ方式のラインセンサーカメラが用いられるために撮影のために比較的大きな規模の照明手段を必要とするところから、装置全体として大掛かりとなるばかりでなく照明用の電源として大規模な発電装置を搭載する必要があること、また壁面の面積が大きい場合においてはラインセンサーカメラを複数設置する必要があること、レンズと被写体各部との間の距離が異なることにより撮影した画像に歪みを生じやすく、トンネル内壁面の正確な検査が困難となりがちである。

また特許文献２に記載のものは、トンネルの内壁面に対面させて放射状に複数台のカメラを配置して用いるために、上記した特許文献１のものと同様に装置の大型化が避けられず、また各カメラの撮影した動画データから重なり合う部分を含んだフレームを抽出して合成するとともに、さらに各カメラのデータについても同様の処理をおこなってトンネル内全体にわたる撮像を作成し、さらにこれを画像の輝度レベルとクラック幅との対応づけをおこなうための、各処理の対応ソフトを別途必要とするなど、システム全体として大掛かりで高コストとなるのを避けられない。

さらに引用文献３に記載のものは、横抗の中心に凸面鏡と、該凸面鏡に映し出された画像を撮影する電子カメラを設置して坑内撮影画像を得るとともに、その同心円状に撮影された円形画像を円の中心側（外側）から円形断面の幅（直径）に合わせて、水準器により鉛直方向に保たれた線状の画像に展開し、さらにこれを順次繋ぎ合わせつつ連続した画像を得るようにしたものである。

引用文献３のものは、使用する電子カメラを１台としたために装置の簡素化をはかることはできるが、使用する凸レンズはランダムな歪みが多く画像処理にバラツキを生じやすい。また解像度を高めると焦点調節の問題を生ずるために撮影対象がきわめて小断面の場合に限られるため汎用性がない。

そこで本発明にあっては、トンネル内壁面の亀裂や漏水、あるいは鉄筋の露出、アルカリ性噴出物の有無など、内壁面の変状の有無を比較的簡素化された撮影装置により正確に点検し、また点検コストの著しい低減をはかるようにしたものであって、具体的には請求項１に記載の発明は、トンネル内を走行する移動車両に取り付け可能な撮影用架台と、該架台上に取り付けられるデジタルスティルカメラと、該デジタルスティルカメラに装着される全方位撮影レンズと、内壁面に検定撮影用のパターンが施され、前記全方位撮影レンズに装着可能な円筒体と、予め設定された移動車両の移動距離毎に前記デジタルスティルカメラのシャッターを自動制御してトンネル内壁面を連続的に撮影するロータリーエンコーダと、前記円筒体が前記全方位撮影レンズに装着されていない前記デジタルスティルカメラによって前記トンネル内壁面を撮影した環状撮影画像を表示するモニター装置と、前記環状撮影画像を展開した展開撮像を作成し、前記円筒体が前記全方位撮影レンズに装着された前記デジタルスティルカメラによって前記検定撮影用のパターンを撮影した検定用原画像から予め求めた前記全方位撮影レンズの歪み特性に基づいて、前記展開撮像のレンズ歪み補正を行う画像補正ソフトと、を備えることを特徴とするトンネル内壁面点検システムに関する。

さらに請求項２の発明は、請求項１に記載のトンネル内壁面点検システムにおいて、前記画像補正ソフトは、さらに、前記全方位撮影レンズの周方向における該全方位撮影レンズと前記トンネル内壁面との間の距離の変化に基づいて、前記展開撮像の三次元歪み補正を行うことを特徴とするトンネル内壁面点検システムに関する。

さらに請求項５の発明は、撮影用架台には先端部にデジタルスティルカメラを固定したところの、基部を回転可能に固定させた伸縮自在の高さ調整用アームが取り付けられている請求項２〜４の何れか１に記載のトンネル等閉鎖空間内壁面点検システムに関する。

本発明によれば、トンネル内壁面の撮影をデジタルスティルカメラと、該デジタルスティルカメラに装着される全方位撮影レンズとによりおこなうものであるために、デジタルスティルカメラの前方のみならず、該カメラに装着した全方位撮影レンズ位置よりも後方に至るまでの広範囲にわたるトンネル内周面の撮影が可能となり、トンネル内壁面における断面周方向の撮影面積が広くても全周にわたる撮影を僅か１台のデジタルスティルカメラにより広範囲にしかも的確に撮影することができる。

また一般的にはランダムな歪みの避けられない精度の低い凸面レンズを用いて、その使用レンズを個別に検証し、歪み特性を把握したうえで該レンズによる撮像をあらかじめ把握した歪み特性に対応させた補正ソフトを用いることにより正確な展開画像として得るようにしたために、トンネル内壁面の広範囲な検証をきわめて正確にまた低コストに実施することができる。

さらに照明用フラッシュについても、デジタルスティルカメラが１台であるところから、僅か１台のデジタルスティルカメラを囲むべく配設されるだけで足り、在来のものに比べて装置全体がコンパクト化し、狭隘な部分においても使用が可能となり、また移動や組み立てが容易となる。また消費電力も少ないために商用電源接続の必要性もなく、さらに発電機の設置も不要で各フラッシュ内蔵のバッテリーにより、あるいは各フラッシュに供給する１台の小型の直流バッテリーを備えるだけでよく、しかもトンネルの長さが相当程度長くとも、全長にわたり連続した展開画像を撮影することが可能となる。

さらに移動車両の移動距離毎にデジタルスティルカメラのシャッターを自動制御してトンネル内壁面を連続的に撮影するロータリーエンコーダを備えているために、トンネルの長さ方向にわたる一定距離毎の連続した正確な撮像が自動的に得られ、労力の著しい軽減が可能となる。

また、先端部にデジタルスティルカメラを固定したところの、基部を回転可能に固定させた伸縮自在の高さ調整用アームが取り付けられた撮影用架台を用いる場合には、台車に積載し、あるいはトラックの荷台に積載固定した場合に、トンネル内を撮影するデジタルスティルカメラをトンネル内の中心部に位置させることが容易となる。

以下において本発明の具体的な内容を説明すると、図１において１はトンネル内を走行する移動車両（図１ではトラックＴ）の荷台後方等に取り付け可能な撮影用架台、６は高さ調整用アーム、１４は架台１上に高さ調整用アーム６を介して取り付けられるデジタルスティルカメラ、１５は該デジタルスティルカメラに装着される全方位撮影レンズ、１８はロータリーエンコーダを示す。さらに架台１にはフレーム２および架台１上に植立状態にて取り付けられた固定マスト４を有し、フレーム２の両端部には移動用のキャスター３・３が取り付けられている。

高さ調整用アーム６は、一端をヒンジ５を介して固定マスト４の上端部に回動可能に取り付けられた固定アーム７と、該固定アーム７に沿って該固定アーム７内に摺動移動が可能な伸縮アーム８、および固定アーム７の先端を必要に応じて任意の角度上下方向に移動させるための、一端を前記固定マスト４にヒンジ９ａを介して固定した油圧シリンダー９とからなる。なお図において１０は油圧シリンダー９による固定アーム７の角度調整の目安とするための角度計をあらわしている。なお上記した伸縮アーム８はとくに図示はしないが、別途設けた油圧シリンダーにより固定アーム７に対してその長さ方向に必要長さだけ伸縮自在に構成されている。

また伸縮アーム８の先端部には角度を自在に調整することができるヒンジ１１を介して取り付け台１２が設けられ、さらに該取り付け台１２にはデジタルスティルカメラ１４およびフラッシュ装置取り付け用の枠体１３および補助枠１３ａが取り付けられる。デジタルスティルカメラ１４は５００万画素以上の高画質のものが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。デジタルスティルカメラ１４は、底部の固定ネジ部を利用するなど適当な方法により取り付け台１２上に取り付け固定される。

さらにデジタルスティルカメラ１４には全方位撮影レンズ１５が装着される。ここで用いられる全方位撮影レンズ１５は、例えばＰＡＬ−Ｓ６０ーＦをはじめとしたＰＡＬＮＯＮレンズユニット（販売元：株式会社立山システム研究所）が好ましい。このＰＡＬＮＯＮレンズユニットは Panorama Annular Lens（パノラマ環状レンズ）であって、１回の撮影により周囲３６０度を撮影することができるカメラ用の全方位レンズであって一部はレンズの側面よりさらに後方の一定角度範囲に至るまで広角に撮影が可能であり、一般的には主に屋内・外の監視やモニター用として用いられているものを本発明のトンネル内撮影用に転用する。

また取り付け台１２上のフラッシュ装置取り付け用の枠体１３には上記したデジタルスティルカメラ１４を取り囲むように合計８個のフラッシュ装置１６が、それぞれのフラッシュの照射方向がトンネルの内壁面に向くように放射外方に向けて取り付けられている（図２参照）。なお図において１７はカメラ取り付け角度を微調整するための角度計をあらわしている。

さらにロータリーエンコーダ１８は、トラックＴに固定可能なホルダー１９により高さ調整自在に保持されたエンコーダバー２０の先端部に取り付けられた車輪２１に内装されており、トラックＴの荷台後方に取り付けられ、トラックＴの走行に伴う移動距離を自動計測するとともに、所定の移動距離（例えば２ｍ）毎に架台１上に備えたシーケンサーを介してデジタルスティルカメラ１４に信号を送って８個のフラッシュ装置１６のフラッシュ照射と同期させつつシャッターを作動させることにより連続した自動撮影をおこなうことができる。

上記した構成において、トラックＴの荷台後部に架台１を固定設置するとともに、油圧シリンダー９および伸縮アーム８を操作してデジタルスティルカメラ１４をトンネル内の略中央に位置させ、さらにデジタルスティルカメラ１４の正面をトンネルの長さ方向に、またデジタルスティルカメラ１４を囲む８個のフラッシュ装置１６のフラッシュ照射方向をデジタルスティルカメラ１４の側方（トンネル内壁面）に、それぞれ向けた状態においてトラックＴを低速（例えば時速２ｋｍ程度）で定速走行させつつ、ロータリーエンコーダ１８により順次一定距離毎のトンネル内壁面の連続自動撮影をおこなう。

撮影が終了すると、デジタルスティルカメラ１４から撮影済みの記録媒体を取り出し、これを別途備えたモニター装置（図示省略）により環状画像として表示・監視するとともに、さらにこれを展開撮像に変換するソフトを用いて展開撮像に変換し、さらに該展開撮像を補正するソフトを用いてトンネル内壁断面の形状に合わせて歪み補正をすることにより最終的なトンネル内壁面の変状を点検・監視する画像を得る。

すなわち撮影済みの記録媒体より取り出された環状画像（一次画像）は環状画像レンズで撮影したものであるために大きな歪みを伴っているところから、あらかじめ使用する環状画像レンズの歪み特性を事前に検定して計測写真レベルと同等の歪み除去をおこなうためのソフトウエアを作成しておく必要がある。

具体的には、図４に示したような断面が真円の円筒体Ｒを用い、その内壁面に検定撮影用のパターン（図４における円筒体内周面の多点図参照）を施しておき、該円筒体Ｒの一端側に全方位撮影レンズ１５を取り付けたデジタルスティルカメラ１４を配し、全方位撮影レンズ１５を円筒体Ｒの中心に位置せしめた状態にて円筒体Ｒの他端側に向けて撮影を開始する。撮影された画像は原画像として図５（Ａ）のように表示され、これをさらに歪み補正ソフトを用いて展開画像とすると図（Ｂ）のように一次展開画像としてあらわれる。このように全方位撮影レンズ１５の歪み特性は真円円筒体Ｒの内径面をあらかじめ検定撮影して求めることができる。

しかし上記は被写体（トンネルの内径面）が真円であるという条件に基づいているから、実際の被写体であるトンネルの内径面が非真円、あるいは矩形などの場合においては、全方位撮影レンズ１５と被写体（トンネル内径面）との間の距離の変動に起因する三次元歪みが発生する。実際のトンネル断面が真円でない場合においては、図３（Ａ）に示したように、トンネル内の断面形状如何により中心に位置する全方位撮影レンズ１５との距離が周方向にかけて順次相違し、壁面上方又は下方の撮影点間隔U1〜U6と壁面側方の撮影点間隔O1〜O6とでは異なって表示される。

その結果この環状画像（一次画像）を展開撮像に変換するソフトを用いて展開撮像に変換した場合には図３（Ｂ）の下段にあらわされた「画像一次展開」のように歪みを伴った形態にてあらわされることになる。三次元歪みについては構造物の設計形状または構造物そのものの実測をおこなうことにより歪み成分を把握し、それに基づいて画像処理をおこなって図３（Ｂ）の上段にあらわされたように三次元歪み補正をおこなう。

以上により、トンネル内径面を輪切りにした状態での展開画像が取得でき、さらにこれらの画像を撮影した順に合成するソフトを用いて合成すればトンネル内の連続した展開画像を得ることができ、得られた連続画像をもとに目視検証することによりトンネル内壁面の亀裂や漏水、あるいは鉄筋の露出、アルカリ性噴出物の有無などについて高精度の点検を実施することができる。

なおこの場合において、亀裂については専用の画像ソフトウエアを作成し、長さや幅など亀裂の形状や大きさ等についての自動抽出をおこなうことも可能である。また亀裂以外の異常発生については上記した展開画像を目視により確認して手動にて抽出することも可能である。さらに抽出した亀裂や漏水発生、あるいは鉄筋の露出、アルカリ性噴出物などの各種情報に関しては、別途帳票作成ソフトを用いてデータをこれに移植して整理するようにすると、トンネル内壁面点検の作業がより一層効率的となる。

なお、上記の実施例においては撮影用架台１をトラックＴなどの移動車両における荷台後方部に取り付けるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、このほかにも例えば手押し式の台車上に設置するようにしてもよい。またデジタルスティルカメラ１４の周りに取り付けられたフラッシュ装置１６についても上記の実施例においては８個としたが、場合によってはこれよりも少なくし、あるいは逆に多く設置するようにしてもよい。

本発明のトンネル内壁面点検システムの一例をあらわした撮影器具の概略をあらわした側面図。図１におけるデジタルスティルカメラと、該デジタルスティルカメラに装着される全方位撮影レンズ、およびフラッシュ装置の部分の取り付け関係を具体的にあらわした要部拡大斜面図。全方位撮影レンズを用いたデジタルスティルカメラの撮像をあらわした撮像原理図（Ａ）および展開図（Ｂ）。使用する全方位撮影レンズの歪み特性を計測するために使用する断面が真円の円筒体の一例をあらわした斜面図。図４の円筒体を用いて計測した全方位撮影レンズによる原画像（Ａ）およびその一次展開画像（Ｂ）。

符号の説明

１架台
２フレーム
３キャスター
４固定マスト
５ヒンジ
６高さ調整用アーム
７固定アーム
８伸縮アーム
９油圧シリンダー
９ａヒンジ
１０角度計
１１ヒンジ
１２取り付け台
１３枠体
１３ａ補助枠
１４デジタルスティルカメラ
１５全方位撮影レンズ
１６フラッシュ装置
１７角度計
１８ロータリーエンコーダ
１９ホルダー
２０エンコーダバー
２１車輪
Ｒ真円円筒体
Ｔトラック

Claims

トンネル内を走行する移動車両に取り付け可能な撮影用架台と、
該架台上に取り付けられるデジタルスティルカメラと、
該デジタルスティルカメラに装着される全方位撮影レンズと、
内壁面に検定撮影用のパターンが施され、前記全方位撮影レンズに装着可能な円筒体と、
予め設定された移動車両の移動距離毎に前記デジタルスティルカメラのシャッターを自動制御してトンネル内壁面を連続的に撮影するロータリーエンコーダと、
前記円筒体が前記全方位撮影レンズに装着されていない前記デジタルスティルカメラによって前記トンネル内壁面を撮影した環状撮影画像を表示するモニター装置と、
前記環状撮影画像を展開した展開撮像を作成し、前記円筒体が前記全方位撮影レンズに装着された前記デジタルスティルカメラによって前記検定撮影用のパターンを撮影した検定用原画像から予め求めた前記全方位撮影レンズの歪み特性に基づいて、前記展開撮像のレンズ歪み補正を行う画像補正ソフトと、を備えることを特徴とするトンネル内壁面点検システム。
前記画像補正ソフトは、さらに、前記全方位撮影レンズの周方向における該全方位撮影レンズと前記トンネル内壁面との間の距離の変化に基づいて、前記展開撮像の三次元歪み補正を行うことを特徴とする請求項１に記載のトンネル内壁面点検システム。