JP6097182B2

JP6097182B2 - データ解析装置、データ解析方法、及びプログラム

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Publication number: JP6097182B2
Application number: JP2013176566A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣吉岡; 秀樹島村; 鎮男真鍋
Original assignee: Pasco Corp
Current assignee: Pasco Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP2015045558A

Description

本発明は、レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいて植生で被覆された堤防や道路沿線の法面などの傾斜面を有する地物表面の形状変化を抽出するデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラムに関する。

河川堤防は主に土で構成されている。一般にその天端は河川管理用通路として利用され、必要に応じて敷砂利やアスファルト舗装が施されている。一方、法面は表面の崩落を防ぐために通常は芝を生やしている。ちなみに、雑草が繁茂し法面が弱体化するのを抑制するために、あるいは堤防の定期的な巡視点検のために年に１，２回程度の除草管理が行われている。

また、河川堤防は流水による浸食や水の浸透による決壊、地盤沈下などによる越水現象が生じないように管理する必要がある。当該管理において、堤防形状の変化の監視が有効である。

ここで、地物の形状を計測する技術として、特許文献１には、レーザスキャナを用いて、地物の形状を表す３次元点群データを取得する技術が示されている。例えば、モービルマッピングシステムでは、車両に搭載したレーザスキャナを用い道路に沿って地物の形状を表す３次元点群データを取得する。当該システムでは、自動車に搭載されたレーザスキャナは車体の上部から斜め下方向や斜め上方向にレーザを照射する。レーザの光軸は横方向に走査され、走査角度範囲内にて微小角度ごとにレーザパルスが発射される。レーザの発射から反射光の受信までの時間に基づいて距離が計測され、またその際、レーザの発射方向、時刻、及び車体の位置・姿勢などが計測される。それら計測データから、レーザパルスを反射した点の３次元座標を表す点群データが求められる。

特開２００９−２０４６１５号公報

従来、点群データをもとに地物を判読するためには人手を要しており、３次元ＣＡＤで編集ツール等を利用して手作業で地物の抽出作業が行われていた。そのため、堤防等の地物から点群データを取得し、それに基づいて地物の形状を抽出するのに手間がかかるという問題があった。特に、法面等の植生によるレーザ反射は、地物の形状を抽出する上でノイズとなる点群を生じるという問題がある。また、例えば、堤防は水平な天端と、主として傾斜面からなる法面とを有し、法面には小段が設けられることもある。このように地物は３次元形状を有し、その本来的な３次元形状の中に現れる微小な形状の変化を人が把握することは容易ではない。

本発明は、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいて植生で被覆された傾斜面を有した地物表面の形状の変化を精度良く検出するデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係るデータ解析装置は、対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出するものであって、前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出手段と、前記切断平面内に基準水平線を設定し、当該基準水平線に沿った各水平位置において、前記基準モデルの表面の点から当該基準水平線への鉛直方向のベクトルで定義される移動を前記射影点群に施して高さ調整点群を求める点群調整手段と、前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出手段と、を有し、前記輪郭線抽出手段は、前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定手段と、前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出手段と、前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定手段と、を有する。

他の本発明に係るデータ解析装置はさらに、前記高さ調整点群のうち、隣接する前記特徴点同士を結ぶ線分からなる暫定輪郭線より高さが低い点を追加特徴点として抽出する追加特徴点抽出手段を有し、前記輪郭線決定手段は、前記特徴点及び前記追加特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める。

さらに他の本発明に係るデータ解析装置においては、前記追加特徴点抽出手段は、隣接する前記特徴点間にて前記暫定輪郭線を複数区間に分割し、当該区間ごとに、矩形領域でありその上辺を当該区間内における前記暫定輪郭線の最高点に応じた高さに設定した探索領域内にて前記追加特徴点を探索する。

本発明に係るデータ解析方法は、対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出する方法であって、前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出ステップと、前記切断平面内に基準水平線を設定し、当該基準水平線に沿った各水平位置において、前記基準モデルの表面の点から当該基準水平線への鉛直方向のベクトルで定義される移動を前記射影点群に施して高さ調整点群を求める点群調整ステップと、前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出ステップと、を有し、前記輪郭線抽出ステップは、前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定ステップと、前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出ステップと、前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出ステップと、前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定ステップと、を有する。

本発明に係るプログラムは、コンピュータに、対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出するデータ解析を行わせるためのプログラムであって、当該コンピュータを、前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出手段、前記切断平面内に基準水平線を設定し、当該基準水平線に沿った各水平位置において、前記基準モデルの表面の点から当該基準水平線への鉛直方向のベクトルで定義される移動を前記射影点群に施して高さ調整点群を求める点群調整手段、及び、前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出手段、として機能させ、前記輪郭線抽出手段は、前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定手段と、前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出手段と、前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定手段と、を備える。

本発明によれば、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいて植生で被覆された傾斜面を有した地物表面の形状の変化を精度良く検出することができる。

本発明の実施形態に係る地物変状検出システムの概略の構成を示すブロック図である。堤防の横断方向に設定した切断平面を示す模式的な斜視図である。本発明の実施形態に係る地物変状検出システムによる堤防変状検出処理の概略のフロー図である。点群調整手段による射影点群から高さ調整点群への変換を説明する図であり、切断平面における堤防の基準モデルの表面形状、基準水平線及び射影ベクトルの例を示す模式図である。点群調整手段による射影点群から高さ調整点群への変換を説明する図であり、図４に対応した模式的な射影点群の例と、それに対する高さ調整点群とを示す模式図である。切断平面における堤防の形状及び単位領域の配置の一例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る地物変状検出システムによる堤防変状検出処理の概略の処理フロー図である。堤防法面における射影点群の例を示す切断平面の一部分の模式図である。図８の射影点群から得られた高さ調整点群、及び下限単位領域の例を示す切断平面の一部分の模式図である。図９の例に対応して抽出される特徴点、及び暫定輪郭線の例を示す切断平面の一部分の模式図である。探索領域の設定例を示す切断平面の一部分の模式図である。詳細輪郭線の例を示す切断平面の一部分の模式図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）である地物変状検出システム２について、図面に基づいて説明する。本システムは、地物表面の３次元形状を表す点群データに基づき地物の表面形状の変化を検出することによって例えば、河川堤防等の変状を検出するデータ解析装置である。点群データは例えば、上述のモービルマッピングシステムのように地上を走行する車両に搭載されたレーザスキャナにより取得される。また、レーザスキャナを地上に設置して計測を行っても良い。点群データが地物表面の３次元形状を表すには、地物表面の凹凸、段差のスケールに応じた密度でレーザスキャンが行われる必要がある。この点、車両や三脚等の高さから行うレーザスキャンの走査密度、距離精度及びフットプリントの大きさは、例えば、地物の形状を数センチメートル程度の精度で捉えることができる諸元を有し、河川堤防の法面の変形を航空レーザや衛星レーザなどに比べて高精度に検出することが可能である。

図１は、地物変状検出システム２の概略の構成を示すブロック図である。本システムは、演算処理装置４、記憶装置６、入力装置８及び出力装置１０を含んで構成される。演算処理装置４として、本システムの各種演算処理を行う専用のハードウェアを作ることも可能であるが、本実施形態では演算処理装置４は、コンピュータ及び、当該コンピュータ上で実行されるプログラムを用いて構築される。

当該コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）が演算処理装置４を構成し、後述する点群抽出手段２０、点群調整手段２２及び輪郭線抽出手段２４として機能する。輪郭線抽出手段２４は単位領域設定手段３０、下限単位領域抽出手段３２、特徴点抽出手段３４、追加特徴点抽出手段３６及び輪郭線決定手段３８を含んで構成される。

記憶装置６はコンピュータに内蔵されるハードディスクなどで構成される。記憶装置６は演算処理装置４を点群抽出手段２０、点群調整手段２２及び輪郭線抽出手段２４として機能させるためのプログラム及びその他のプログラムや、本システムの処理に必要な各種データを記憶する。例えば、記憶装置６には、処理対象データとして解析の対象空間の点群データが格納される。地物変状検出システム２は基本的には堤防が存在する空間を解析の対象空間に設定され利用される。特に、地物変状検出システム２は例えば、河川堤防の法面などのように植生が存在した傾斜面での表面の形状変化の把握に有効である。

入力装置８は、キーボード、マウスなどであり、ユーザが本システムへの操作を行うために用いる。

出力装置１０は、ディスプレイ、プリンタなどであり、本システムにより求められた堤防の３次元形状の変化や断面での形状変化を画面表示、印刷等によりユーザに示す等に用いられる。

後述するように本実施形態において堤防の表面形状の変化を抽出する際の基本処理は、対象空間に仮想的に設定した切断平面に現れる地物表面の境界線(断面形状)の変化を検出する処理である。堤防の３次元形状の変化は、切断平面を複数設定してそれぞれについて解析を行うことによって把握することができる。

地物変状検出システム２において切断平面の設定の仕方は任意であるが、本実施形態では切断平面を堤防の横断方向に設定する場合を例に説明する。図２はこの場合を示す模式的な斜視図である。例えば、ユーザが基準線５０を堤防５２の横断方向に沿って設定すると、切断平面５４は基準線５０を通る鉛直面に設定される。基準線５０は地物変状検出システム２により自動的に設定することもできる。また、例えば、ユーザが基準線５０の最初の位置、間隔、本数や堤防の縦断方向における解析範囲などのパラメータを指定すると、地物変状検出システム２が指定された条件に基づいて複数の基準線を順次、自動設定して解析を行う構成とすることもできる。例えば、モービルマッピングシステムは天端の道路を走行しながらレーザ点群を取得することができる。そこで、モービルマッピングシステムにより取得される車両の走行軌跡に基づいて、天端に縦断方向に沿ったセンター線を設定し、これをある距離(ピッチ)で刻んで横断方向の基準線５０を発生させて連続的にあるいは単独で断面形状を検出する処理を行うことができる。ここで、所定距離で刻む以外に、距離標(キロポスト)の値に基づいて刻んでも良い。また、車両の走行軌跡に基づくセンター線の代わりに既存の縦断センター線を用いてもよい。ここで、基準線に沿った水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とすると切断平面はＸＹ平面であり、Ｚ軸は切断平面に垂直な方向に設定される。なお、Ｙ軸の正の向きは上向きに設定する。

図３は、地物変状検出システム２による堤防変状検出処理の概略のフロー図である。図３を参照しながら、演算処理装置４の各手段を説明する。

点群抽出手段２０は対象空間に切断平面５４を仮想的に設定し（Ｓ１０）、点群のうち切断平面５４から予め設定した近傍距離内に位置する注目点群を抽出する（Ｓ１２）。具体的には、点群抽出手段２０は切断平面５４を中心としてＺ軸方向に寸法（奥行き）Ｄを有する空間（以下、注目部分空間と称する。）を設定し、注目部分空間から注目点群を抽出する。ちなみに図２では、注目部分空間の水平断面５６を矩形で模式的に表している。さらに、点群抽出手段２０は注目点群を切断平面５４へ射影して、その射影像である射影点群を求める（Ｓ１４）。

点群調整手段２２は切断平面５４内に基準水平線を設定し、当該基準水平線に沿った各水平位置において、基準モデルの表面の点から当該基準水平線への鉛直方向のベクトルで定義される移動を射影点群に施して高さ調整点群を求める（Ｓ１６）。

基準モデルは例えば、堤防の設計図、施工情報から得ることができる。また、過去に計測された堤防形状を基準モデルとして変状検出を行うこともできる。基準モデルについて地表での位置が与えられている場合には、その位置情報を用いて、切断平面５４における基準モデルの断面の位置を決定することができる。

基準モデルについて位置情報が与えられていない場合は、射影点群により得られる堤防形状と基準モデルの表面形状とを対比して、基準モデルの切断平面５４内における位置を定める。例えば、当該位置として最小２乗法等を用いて基準モデルが射影点群にフィットする位置を求めることができる。また、その際、当該位置をＺ軸方向の比較的広い範囲やＺ軸方向の複数箇所で求め、その結果に基づいて切断平面５４を設定した箇所（Ｚ座標）での基準モデルのＸＹ平面内での位置を定めるのが好適である。これにより、切断平面５４を設定した箇所にて堤防に変状が生じている場合でも、基準モデルの位置がその変状の影響を受けにくくすることができる。

より簡易なフィッティング方法としては、堤防の法肩、すなわち天端と法面との境界点を基準にして、射影点群に合うように基準モデルの位置を定めてもよい。また、簡易的な基準モデルとして、法肩を通り一定の勾配を有する線を用いることもできる。例えば、河川堤防の標準の勾配は１：３又は１：２であり、これを用いて簡易基準モデルを設定することができる。なお、法面の途中に小段が設けられている場合は、予めそれを考慮して簡易基準モデルを定めてもよいし、それを考慮しない１枚の傾斜面からなる簡易基準モデルで求めた高さ調整点群に生じる高低差に基づいて小段の存在を検知して、適宜、簡易基準モデルを修正してもよい。

図４、図５は点群調整手段２２による射影点群から高さ調整点群への変換を説明する模式図であり、図４は切断平面５４（ＸＹ平面）における堤防５２の基準モデル５８の表面形状、基準水平線６０及び射影を定義するベクトル（射影ベクトル６２）の例を示している。

基準水平線６０の高さｈ_Ｓは任意に設定することができる。ここで上述のようにモービルマッピングシステムによる計測は堤防の天端に基準位置を設定して行われることが多い。そこで、本実施形態では基準水平線６０を基準モデル５８の天端６４の高さに設定する。

射影ベクトル６２は水平方向（Ｘ軸方向）の任意の位置にて定義される。基準モデル５８の高さをＸ軸方向の座標値ｘの関数ｆ(ｘ)で表すと、当該座標値ｘでの射影ベクトル６２のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の成分はそれぞれ０，ｈ_Ｓ−ｆ(ｘ)，０である。

図５は図４に対応した模式的な射影点群６６の例（図５（ａ））と、それに対する高さ調整点群６８（図５（ｂ））とを切断平面５４（ＸＹ平面）上にて表している。図５に示す射影点群６６のうち基準モデル５８の表面の位置（高さ）で検出された点群６６ａは射影ベクトル６２により基準水平線６０の高さを有した点群６８ａに射影される。一方、基準モデル５８の表面より高い位置で検出された点群６６ｂ、低い位置で検出された点群６６ｃはそれぞれ基準水平線６０より高い点群６８ｂ、低い点群６８ｃに射影される。よって、例えば、複数の切断平面５４における高さ調整点群６８を平面図や斜視図といった形態で画像表示する際に、各点にその高さ（Ｙ座標）に応じて変化する色彩を付与するなどの表現上の工夫により、当該画像表示にて視覚的に容易に変状箇所を認識することができ、かつ当該画像から一般の画像処理手法を用いて形状変化を抽出することができる。

ここで、図５（ａ）では図示を簡単にするため、射影点群６６のうち堤防５２の表面での反射により得られる点群のみを示したが、堤防５２の表面に植生が存在する場合、植生に起因する点群が生じ得る。すなわち、射影点群６６は堤防５２の表面及びその上側の領域に分布する。上述の射影点群６６から高さ調整点群６８への変換処理Ｓ１６はそれら全ての射影点群６６に対して行われる。従って、高さ調整点群６８も図５（ｂ）に示すような線状に並んだ点群ではなく、それらより上側の領域に分布する点群を含む。

図３に示す処理Ｓ１６にて、上述のように射影点群６６から高さ調整点群６８への変換が行われると、次に輪郭線抽出手段２４が高さ調整点群の切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線７０を探索する。当該輪郭線７０は、図５（ｂ）の高さ調整点群６８が表す形状のように、堤防５２の表面を射影ベクトル６２で変換した形状となることが期待され、輪郭線抽出手段２４は堤防５２の表面の形状変化を示す結果として輪郭線７０を抽出する。

単位領域設定手段３０は切断平面５４を水平方向及び鉛直方向に区画して、Ｘ，Ｙ各軸に沿った辺を有する矩形の領域（単位領域）を設定する（Ｓ１８）。図６は単位領域を説明する模式図であり、切断平面５４（ＸＹ平面）における輪郭線７０及び単位領域７２の配置の一例を示している。なお、図６の輪郭線７０は図５（ｂ）に示す例に対応している。切断平面５４は直交格子（メッシュ）状に区画され、単位領域７２はＸ方向及びＹ方向を配列方向とする２次元配列をなす。本実施形態では単位領域のＸ軸方向の寸法（幅Ｗ）及びＹ軸方向の寸法（高さＨ）を等しくし、単位領域を正方形に設定する。例えば、単位領域７２は幅Ｗ、高さＨがそれぞれ３０ｃｍの正方形に設定される。なお、点群抽出手段２０及び輪郭線抽出手段２４を構成するプログラムでは、幅Ｗ、高さＨ及び奥行きＤはパラメータ化されており、例えば、ユーザが入力装置８を用いて変更することができる。

下限単位領域抽出手段３２は切断平面５４における単位領域７２の鉛直列ごとに下から上へ順番に単位領域７２を選択して当該単位領域７２内における高さ調整点群６８の有無を調べる。そして、下限単位領域抽出手段３２は、単位領域７２の鉛直列ごとに、高さ調整点群６８が最初に見つかった単位領域を下限単位領域として抽出する（Ｓ２０）。

特徴点抽出手段３４は各下限単位領域内の高さ調整点群６８のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する（Ｓ２２）。

追加特徴点抽出手段３６は、隣接する特徴点同士を結ぶ線分からなる折線を暫定的な輪郭線７０として求め（Ｓ２４）、高さ調整点群６８のうち、暫定の輪郭線７０より高さが低い点を追加特徴点として抽出する（Ｓ２６）。

輪郭線決定手段３８は特徴点抽出手段３４により抽出された特徴点及び追加特徴点抽出手段３６により抽出された追加特徴点を節点に有する折線を輪郭線７０として求める（Ｓ２８）。

以下、地物変状検出システム２の処理をより詳しく説明する。図７は地物変状検出システム２による堤防変状検出処理の概略の処理フロー図であり、切断平面に現れる堤防表面に対応して得られる輪郭線７０を検出する処理を示している。

点群抽出手段２０は対象空間に切断平面５４を仮想的に設定し、切断平面５４を中心としてＺ軸方向に寸法Ｄを有する注目部分空間内の点群を注目点群として、例えばハードディスク等の記憶装置６から演算処理装置４のＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業領域に取り込む。点群抽出手段２０は注目点群を切断平面５４に射影して射影点群を求め、点群調整手段２２は射影点群に対して上述した高さ調整処理を施し、高さ調整点群６８を求める（Ｓ３０）。

単位領域設定手段３０は切断平面５４をメッシュ状に分割して、単位領域７２に区画する。例えば、注目部分空間のサイズが設定されている場合には、単位領域のサイズＷ，Ｈに応じて、Ｘ，Ｙ各方向の単位領域の配列個数が定まり、例えば、各方向の単位領域の位置を示すインデックスの範囲が決定される。ここで、Ｘ，Ｙ方向のインデックスをそれぞれＩ_Ｘ，Ｉ_Ｙ、またＩ_Ｘの範囲を１〜Ｎ_Ｘ、Ｉ_Ｙの範囲を１〜Ｎ_Ｙと表す。ここで、Ｉ_ＹはＹ軸の正の向き、つまり下から上に順に増加するように設定される。

下限単位領域抽出手段３２は単位領域の鉛直列を指定するインデックスＩ_Ｘの値を０に初期設定し（Ｓ３２）、Ｉ_Ｘをインクリメントし、単位領域の鉛直列を１列ずつ処理対象として選択する（Ｓ３６）。

下限単位領域抽出手段３２は、各列の処理開始に際しインデックスＩ_Ｙの値を０に初期設定する（Ｓ３８）。そして、下限単位領域抽出手段３２は、Ｉ_Ｙをインクリメントして単位領域を下から順番に１つずつ選択し（Ｓ４２）、高さ調整点群６８高さ調整点群６８を含む単位領域のうち最も下に位置する下限単位領域を探索する。具体的には、選択した単位領域内に高さ調整点群６８の要素点があるか否かを調べ（Ｓ４４）、要素点が存在しない場合には（Ｓ４６にて「Ｎｏ」の場合）、順次、１つ上の単位領域が選択される（Ｓ４２）。一方、選択した単位領域内に要素点が存在した場合（Ｓ４６にて「Ｙｅｓ」の場合）、当該単位領域が下限単位領域となる。

図８は堤防法面における射影点群６６の例を示す切断平面５４の一部分の模式図であり、図９は図８の射影点群から得られた高さ調整点群６８を示す切断平面５４の一部分の模式図である。図９には単位領域の境界を示すメッシュが示されており、第ｋ列〜第（ｋ＋５）列の単位領域７２及び高さ調整点群６８の例が示され、また当該高さ調整点群６８に対し各単位領域列にて抽出された下限単位領域８０が太線の矩形で示されている。なお、図８には図９との対比を容易とする都合から、単位領域列の境界の位置を直線８２で、また基準モデル５８の表面の位置を直線８４でそれぞれ示している。また図９には、図８に示す射影点群の一部の点ξ_１〜ξ_９に対応する高さ調整点群６８の要素点η_１〜η_９を示している。

特徴点抽出手段３４は下限単位領域内の高さ調整点群６８のうち最も下に位置する要素点を探索し、当該要素点を処理対象としている第Ｉ_Ｘ列の単位領域列の特徴点Ｐ(Ｉ_Ｘ)として抽出する（Ｓ４８）。特徴点Ｐ(Ｉ_Ｘ)が見つかると、下限単位領域抽出手段３２は次の単位領域列の処理を始める（Ｓ３６）。なお、Ｉ_Ｙ＝Ｎ_Ｙの単位領域、つまり単位領域列の上端まで高さ調整点群６８が見つからなかった場合も（Ｓ４０にて「Ｙｅｓ」の場合）、次の単位領域列の処理に移る（Ｓ３６）。

図１０は図９の例に対応して抽出される特徴点を示す切断平面５４の一部分の模式図である。特徴点Ｐ(ｋ)〜Ｐ(ｋ＋５)として点η_１，η_２，η_４，η_５，η_７，η_９が抽出される。全ての単位領域列について特徴点の探索・抽出処理が完了すると（Ｓ３４にて「Ｙｅｓ」の場合）、当該特徴点を節点とする折線が輪郭線７０（暫定輪郭線）として設定される（Ｓ５０）。

ここで、図８に示す射影点群６６から高さ調整点群６８に対するのと同様の手法で単位領域列ごとの最下点を求めてみると、第ｋ列〜第（ｋ＋５）それぞれにて、点ξ_１，ξ_２，ξ_４，ξ_６，ξ_８，ξ_９が抽出される。これらと図９の点η_１，η_２，η_４，η_５，η_７，η_９とを比べると、第（ｋ＋３）列及び第（ｋ＋４）列にて抽出される点が相違している。これは図８に示す射影点群６６の分布が法面に対応して傾斜を有する、具体的には図８では右側に位置する法尻に近いほど射影点群６６の各点の高さが低くなる傾向を有することに起因している。この相違により、法面にて基準モデル５８より凹んだ変状箇所において、図９に示す高さ調整点群６８では例えば、第（ｋ＋３）列にて特徴点として点η_５が抽出されるのに対し、図８に示す射影点群６６では、凹部にて点η_５に対応するξ_５は特徴点として抽出されず、それより浅い箇所の点ξ_６が抽出される。つまり、本実施形態の高さ調整点群６８を用いた手法は、凹部の深い箇所の特徴点を好適に抽出でき、凹部の深さや位置を高精度で把握可能である。

追加特徴点抽出手段３６は暫定輪郭線より下に位置する要素点を追加特徴点として抽出する（Ｓ５２，Ｓ５４）。具体的には、追加特徴点抽出手段３６は、暫定輪郭線を構成する線分ごとに当該処理Ｓ５０〜Ｓ５４を行うことができる。下限単位領域抽出手段３２は暫定輪郭線を構成する線分の両端となる特徴点対、すなわちＸ方向に関して隣接する特徴点の対を順次選択し（Ｓ５０）、当該選択した２つの特徴点の間をＸ方向に関し複数区間に分割し、当該区間ごとに追加特徴点の探索領域を設定する（Ｓ５２）。探索領域はＸ方向に沿った辺とＹ方向に沿った辺とからなる矩形領域に設定され、その上辺は当該区間内における暫定輪郭線の最高点に応じた高さに設定される。

図１１は探索領域の設定例を示す切断平面５４の一部分の模式図であり、図９及び図１０の例に対応している。具体的には、図１１は図９，図１０に示す単位領域列のうち第（ｋ＋１）列〜第（ｋ＋４）列の部分を示している。例えば、追加特徴点抽出手段３６は特徴点間をＸ座標が小さい側（図において左側）から所定間隔で分割して区間を設定する。なお、この場合、特徴点間にて最も右側の区間は他の区間より小さくなり得る。例えば、特徴点Ｐ(ｋ＋１)とＰ(ｋ＋２)との間は暫定輪郭線上の点Ｑ_１〜Ｑ_３で分割され４つの区間［Ｐ(ｋ＋１)，Ｑ_１］，［Ｑ_１，Ｑ_２］，［Ｑ_２，Ｑ_３］，［Ｑ_３，Ｐ(ｋ＋２)］が設定される。これら各区間に対応して探索領域９０が設定される。例えば、区間［Ｑ_１，Ｑ_２］ではＱ_１が最高点となるので、当該区間の探索領域９０の上辺の高さは基本的にＱ_１の高さに設定することができる。この設定の趣旨は、追加特徴点を抽出する暫定輪郭線より下側の領域は排除せずに、堤防表面の上側に多数存在する植生に起因する点群をできるだけ含まないように探索領域を設定することで、処理効率の向上を図ることにある。

なお、上辺の高さは当該趣旨からは区間の最高点に一致させることが好適であるが、当該趣旨に与える影響が許容される範囲内にて最高点からずれた高さに設定することもできる。また、上記趣旨からは、探索領域の上辺は必ずしも水平でなくてもよく、暫定輪郭線に沿って設定することが好適であり、そのように構成しても良い。一方、上述のように区間内で一定のＹ座標を有する上辺とする構成は、Ｘ方向の位置に応じて上辺の高さを計算する必要がない分、処理が簡素化される。

探索領域９０の下辺の高さに関しては、例えば、特徴点Ｐ(ｋ＋１)とＰ(ｋ＋２)との間の各区間について、特徴点Ｐ(ｋ＋１)とＰ(ｋ＋２)とのうち低い方であるＰ(ｋ＋２)の高さ以下で任意に設定することができる。これは、特徴点が下限単位領域内の最下点であることから、特徴点Ｐ(ｋ＋１)とＰ(ｋ＋２)との間には、Ｐ(ｋ＋２)より低い点は存在せず、追加特徴点はＰ(ｋ＋２)の高さ以上にしか存在しないからである。

本実施形態では、探索領域９０のＹ方向の寸法を暫定輪郭線の各線分及び当該線分毎の各区間にて画一的に設定しており、これにより処理の簡素化を図れる。そのため、図１１に示す探索領域９０の下辺の高さは暫定輪郭線の各線分の低い方の高さよりも十分低く設定している。

なお、特徴点Ｐ(ｋ＋１)とＰ(ｋ＋２)との間での追加特徴点の探索において、両特徴点のうち高い方であるＰ(ｋ＋１)が抽出された単位領域列に対応したＸ座標の範囲では追加特徴点の探索を省略してもよい。これは当該範囲では、Ｐ(ｋ＋１)が最下点であり暫定輪郭線より低い点は存在しないからである。

追加特徴点抽出手段３６は上述のように設定した探索領域内にて、暫定輪郭線より高さが低い高さ調整点群６８を探索し、得られた高さ調整点群６８の要素点を追加特徴点とする（Ｓ５４）。例えば、図１１の例では点η_３，η_６が追加特徴点となる。

輪郭線決定手段３８は点群抽出手段２０が設定した切断平面５４での堤防表面の輪郭線７０（詳細輪郭線７０ｂ）として、特徴点抽出手段３４及び追加特徴点抽出手段３６により抽出された特徴点及び追加特徴点をＸ軸方向の並び順に従って接続した折線を生成する（Ｓ５６）。図１２は詳細輪郭線７０ｂの例を示す切断平面５４の一部分の模式図であり、図９〜図１１の例に対応している。

輪郭線決定手段３８は例えば、求めた輪郭線７０のデータを基準線５０（又は切断平面５４）の位置・方向と関連づけて記憶装置６に登録する（Ｓ５８）。

演算処理装置４は複数の切断平面５４での輪郭線７０を求め、記憶装置６に蓄積する。そして、蓄積された複数の輪郭線７０のデータに基づいて堤防の３次元形状や断面形状の基準モデル５８からの変化（変状）を表す画像データを生成し、出力装置１０であるディスプレイ、プリンタなどに出力する。

高さ調整点群６８から求めた輪郭線７０及び複数の切断平面５４にて求めた輪郭線７０の集合が表す面は、基準モデル５８からの変形が無ければ、基本的に直線又は平面になる。よって、例えば、輪郭線７０の集合が表す面を平面図や斜視図といった形態で画像表示する際に、高さ調整点群６８について上述した手法と同様に、当該面の各点における高さ（Ｙ座標）又は勾配に応じて色彩を変えて表示するなどの表現により、視覚的に容易に変状箇所を認識することができ、かつ一般の画像処理手法を用いて形状変化を抽出することができる。

なお、上述の実施形態では、輪郭線７０として特徴点及び追加特徴点を節点に含む折線である詳細輪郭線７０ｂを求めたが、特徴点だけを節点に含む折線、つまり上述の実施形態では暫定輪郭線とした折線を輪郭線７０として求めても良い。

地物変状検出システム２は基準線５０に沿った方向に関し単位領域の幅Ｗ程度の分解能で地物断面形状の変化を抽出する。単位領域列は、多数の点群を含むように設定され、単位領域列ごとに多数の点群のうちの最下点を特徴点として抽出する。ここで、レーザスキャナはＸ軸方向の任意の位置で堤防表面から反射点を得られるわけではなく、或るＸ座標での点群の最下点は植生からの反射点である可能性がある。すなわち、基準線に沿って微細に高さ調整点群６８の最下点を抽出し点群の下側の輪郭を求めても、当該輪郭は植生の反射点をノイズとして含んでおり、堤防表面の形状を好適に捉えておらず、堤防表面の形状の変化の観察には適していない。これに対し、本システムの単位領域列ごとに抽出した最下点によれば堤防表面が好適に捉えられることが期待できる。つまり、本システムが生成する輪郭線は植生によるノイズの影響を受けにくい。また、地上からのレーザスキャンにより取得される点群は航空レーザや衛星レーザなどに比べて高密度であるので、単位領域の幅Ｗは比較的小さくできる。よって、本システムによれば、ノイズの影響を受けにくく高精度・高分解能で堤防の変形を検出することができる。

また、上述の実施形態では、河川堤防の法面を対象に説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば植生が繁茂した道路沿線の法面にも適用することができる。

２地物変状検出システム、４演算処理装置、６記憶装置、８入力装置、１０出力装置、２０点群抽出手段、２２点群調整手段、２４輪郭線抽出手段、３０単位領域設定手段、３２下限単位領域抽出手段、３４特徴点抽出手段、３６追加特徴点抽出手段、３８輪郭線決定手段、５０基準線、５２堤防、５４切断平面、５８基準モデル、６０基準水平線、６２射影ベクトル、６４天端、６６射影点群、６８高さ調整点群、７０輪郭線、７２単位領域、８０下限単位領域、９０探索領域。

Claims

対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出するデータ解析装置であって、
前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出手段と、
前記切断平面内に基準水平線を設定し、前記射影点群の各点に対して、当該点の前記基準水平線に沿った水平位置での前記基準モデルの表面の点を始点とし、且つ前記基準水平線における当該水平位置の点を終点とした鉛直方向のベクトルで定義される移動を施して高さ調整点群を求める点群調整手段と、
前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出手段と、を有し、
前記輪郭線抽出手段は、
前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定手段と、
前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出手段と、
前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、
前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定手段と、
を有することを特徴とするデータ解析装置。
請求項１に記載のデータ解析装置において、
前記高さ調整点群のうち、隣接する前記特徴点同士を結ぶ線分からなる暫定輪郭線より高さが低い点を追加特徴点として抽出する追加特徴点抽出手段を有し、
前記輪郭線決定手段は、前記特徴点及び前記追加特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求めること、
を特徴とするデータ解析装置。
請求項２に記載のデータ解析装置において、
前記追加特徴点抽出手段は、隣接する前記特徴点間にて前記暫定輪郭線を複数区間に分割し、当該区間ごとに、水平方向に沿った辺と垂直方向に沿った辺とからなる矩形領域でありその水平な上辺を当該区間内における前記暫定輪郭線の最高点に応じた高さに設定した探索領域内にて前記追加特徴点を探索すること、
を特徴とするデータ解析装置。
対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出するデータ解析方法であって、
前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出ステップと、
前記切断平面内に基準水平線を設定し、前記射影点群の各点に対して、当該点の前記基準水平線に沿った水平位置での前記基準モデルの表面の点を始点とし、且つ前記基準水平線における当該水平位置の点を終点とした鉛直方向のベクトルで定義される移動を施して高さ調整点群を求める点群調整ステップと、
前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出ステップと、を有し、
前記輪郭線抽出ステップは、
前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定ステップと、
前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出ステップと、
前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出ステップと、
前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定ステップと、
を有することを特徴とするデータ解析方法。
コンピュータに、対象空間における地物表面からレーザスキャナによって抽出された点群の３次元座標データに基づき、植生で被覆された傾斜面を有する地物について、当該地物に関する与えられた基準モデルとの間での形状変化を抽出するデータ解析を行わせるためのプログラムであって、当該コンピュータを、
前記対象空間に鉛直面である切断平面を仮想的に設定して、前記点群のうち当該切断平面から予め設定した近傍距離内に位置するものを注目点群とし、当該注目点群の前記切断平面への射影像である射影点群を求める点群抽出手段、
前記切断平面内に基準水平線を設定し、前記射影点群の各点に対して、当該点の前記基準水平線に沿った水平位置での前記基準モデルの表面の点を始点とし、且つ前記基準水平線における当該水平位置の点を終点とした鉛直方向のベクトルで定義される移動を施して高さ調整点群を求める点群調整手段、及び、
前記高さ調整点群の前記切断平面内での分布領域の下縁に沿った輪郭線を前記形状変化を示す結果として抽出する輪郭線抽出手段、として機能させ、
前記輪郭線抽出手段は、
前記切断平面を水平方向及び鉛直方向に沿って格子状に分割して複数の単位領域を設定する単位領域設定手段と、
前記切断平面における前記単位領域の各鉛直列を下から上へ順番に調べて、前記高さ調整点群が最初に見つかった前記単位領域を下限単位領域として抽出する下限単位領域抽出手段と、
前記下限単位領域内の前記高さ調整点群のうち高さが最も低い点を特徴点として抽出する特徴点抽出手段と、
前記単位領域の鉛直列ごとの前記特徴点を節点に有する折線を前記輪郭線として求める輪郭線決定手段と、
を備えることを特徴とするプログラム。