JP6524527B2

JP6524527B2 - 計測システム、計測処理装置及び計測方法

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Publication number: JP6524527B2
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Inventors: 青野　泰久; 泰久青野; 西　琢郎; 琢郎西
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Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2019-06-05
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Description

本発明は、計測システム、計測処理装置及び計測方法に関する。

山岳トンネルなどの機械掘削においては、掘削面の掘り残し等の確認のために掘削面の測定が行われる。このような掘削面の測定手法として、ノンプリズム断面測定器を利用した測定や、ロッドを用いた検尺などが知られている。しかしながら、ノンプリズム断面測定器による測定では、支保工の影になる部分に光を照射して測定を行うことが困難である。また、上記の各手法では、点による情報しか得ることができないために、面としての正確な形状を把握するには多くの時間を要する。

そこで、３次元スキャナを切羽の後方に設置してトンネル座標を計測し、計測したトンネル座標と基準データとを比較演算して得られた比較断面データに基づいて、比較断面の情報を出力するようにされたトンネル掘削施工支援システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５００７０９号公報

しかしながら、トンネル掘削施工支援システムによる比較断面の情報は、例えば印刷、モニタへの表示などによって、切羽と左右の各側壁が表された展開図として出力される。このような出力の態様では、例えば掘削（変形）を要する箇所などの確認は作業員が出力された展開図と現場の掘削面とを照らし合わせる作業を行うことが必要であり、手間も経験も要する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、変形が必要な箇所の確認を簡単かつ的確に行えるようにすることを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の一態様は、３次元形状を計測する３次元スキャナと、計測処理装置と、入力された画像を投射する投射装置とを備え、前記計測処理装置は、前記３次元スキャナにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定部と、前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる前記変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により生成された投射用画像が投射装置により投射されるように出力する画像出力部とを備える計測システムである。

また、本発明の一態様は、３次元スキャナにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定部と、前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる前記変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により生成された投射用画像が投射装置により投射されるように出力する画像出力部とを備える計測処理装置である。

また、本発明の一態様は、３次元スキャナにより計測対象範囲の３次元形状を計測する形状計測ステップと、前記形状計測ステップにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定ステップと、前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成ステップと、前記画像生成ステップにより生成された投射用画像を投射装置により投射する投射ステップとを含む計測方法である。

以上説明したように、本発明によれば、変形が必要な箇所の確認を簡易かつ的確に行えるようになるという効果が得られる。

第１実施形態における計測システムの構成例を示す図である。第１実施形態における位置計測投射装置の構成例を示す図である。トンネルの坑内における第１実施形態の計測システムの設置例を示す図である。トンネルの坑内における第１実施形態の位置計測投射装置の設置態様の一例を示す図である。トンネルの坑内における第１実施形態の位置計測投射装置の設置態様の他の例を示す図である。第１実施形態における投射距離の算出工程について説明する図である。トンネルの壁面における計測対象範囲と３次元スキャナとの位置関係を示す図である。第１実施形態において１つの計測点を対象とする掘削要否判定について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置による単位掘削必要領域の形成例について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置による単位掘削必要領域の形成例について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置による単位掘削必要領域の形成例について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置による単位掘削必要領域の形成例について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置による掘削必要領域の形成例について説明する図である。第１実施形態の計測処理装置により形成された掘削必要領域と投射用画像における掘削必要領域画像との座標の関係を示す図である。第１実施形態の計測処理装置により形成された掘削必要領域と投射用画像における掘削必要領域画像との座標の関係を示す図である。第１実施形態における掘削必要領域画像を含む投射用画像を模式的に示す図である。第１実施形態における計測処理装置の構成例を示す図である。第１実施形態におけるトンネルの掘削に関する工程手順例を示すフローチャートである。第２実施形態において表示される投射画像の態様例を示す図である。第２実施形態における計測処理装置が実行する掘削ガイド動作対応処理の手順例を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態における計測システムの構成例を示している。同図に示される本実施形態の計測システムは、掘削工事が行われるトンネルの坑内において備えられる。また、本実施形態の計測システムは、トンネルの切羽、側壁などのトンネル坑内の壁面（トンネル壁面）の立体形状を計測し、壁面の立体形状の計測結果に基づいて掘削（変形の一例）が必要な箇所（掘削必要領域）を判定する。そして、計測システムは、判定した掘削必要領域の位置範囲を示す画像を、トンネル壁面に投射する。この際、投射画像における掘削必要領域の領域は、壁面における実の掘削必要領域と位置範囲が合致する状態で表示される。

同図の計測システムは、トータルステーション１００、ＰＣ（Personal Computer）２００、ルータ３００、計測処理装置４００及び位置計測投射装置５００を備える。

トータルステーション１００は、例えば光波測距儀とセオドライトを組み合わせて構成され、距離と角度とを同時に計測することのできる測量機器である。本実施形態において、トータルステーション１００は、位置計測投射装置５００が設置された位置及び方向を計測するのに用いられる。

ＰＣ２００は、トータルステーション１００とルータ３００との間の通信を中継する装置である。即ち、この場合のトータルステーション１００自体は無線通信機能を備えていない。そこで、トータルステーション１００とＰＣ２００とを有線により接続し、さらにＰＣ２００とルータ３００とを無線により接続する。
ルータ３００は、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）に対応する無線通信を介して通信機器間のルーティングを行う通信機器である。この場合のルータ３００は、ＰＣ２００と計測処理装置４００とが無線通信経由で接続されるようにルーティングを行う。このようにルーティングが行われることで、計測処理装置４００がトータルステーション１００により計測された位置計測投射装置５００の位置及び方向の情報をＰＣ２００、ルータ３００を経由して受信することができる。

計測処理装置４００は、例えば以下の演算処理を行う。位置計測投射装置５００が計測したトンネル壁面（計測対象物）の３次元形状を示す計測情報に基づいて、計測されたトンネル壁面における掘削必要領域を判定する。また、計測処理装置４００は、判定された掘削必要領域の位置範囲を示す画像であって、トンネル壁面への投射が行われる投射用画像を生成する。

位置計測投射装置５００は、トンネル壁面の３次元形状を計測する計測装置と、トンネル壁面に画像を投射するプロジェクタ（投射装置）とを備える装置である。
ここで、トンネル壁面の３次元形状を計測する計測装置には、３次元スキャナが用いられる。３次元スキャナは、測域センサとして２軸走査を行うことで３次元の空間データを計測することのできる装置である。本実施形態における位置計測投射装置５００の３次元スキャナは、トンネル側壁の３次元形状を計測する。３次元スキャナによる３次元形状についての計測結果は、前述のように計測処理装置４００が掘削必要領域を判定するのに利用される。

また、位置計測投射装置５００におけるプロジェクタは、計測処理装置４００から出力された投射用画像をトンネル壁面に投射する。このように投射によってトンネル壁面に表示された投射画像によって前述のようにトンネル壁面において掘削必要領域が示される。即ち、投射画像に含まれる掘削必要領域の領域は、壁面における実の掘削必要領域と位置範囲が合致する状態で表示される。

ここで、投射画像が投射されるトンネル壁面の３次元形状は平面ではなく、凹凸が生じている。また、例えばトンネルの側壁面は、断面が円弧形状であって湾曲していることが一般的である。このため、投射用画像として例えば長方形による通常の画像を生成し、生成した画像によりそのままプロジェクタにより投影した場合には、トンネル壁面に投射された状態の投射画像は、トンネル壁面の凹凸や湾曲に応じて正しく長方形により表示されずに変形する。このように変形が生じてしまうと、投射画像に含まれる掘削必要領域の形状も変形し、トンネル壁面における実の掘削必要領域と位置範囲が合致しなくなる。
そこで本実施形態の計測処理装置４００は、投射画像としてトンネル壁面に投射された段階の画像における掘削必要領域を、トンネル壁面における実の掘削必要領域と位置範囲を合致させるために、トンネル壁面の３次元形状に対応させて変形させた（歪ませた）投射用画像を生成する。

図２は、位置計測投射装置５００の構成例を示している。図２（Ａ）は、位置計測投射装置５００を平面方向からみた平面図である。図２（Ｂ）は、位置計測投射装置５００を正面方向からみた正面図である。図２（Ｃ）は、位置計測投射装置５００を側面方向からみた側面図である。

位置計測投射装置５００は、直方体形状の筐体５１０を備える。筐体５１０は、正面に対応する面が開口していることで開口部５１１を有する。筐体５１０の内部には、３次元スキャナ５３０とプロジェクタ５４０（投射装置）とが設けられる。
３次元スキャナ５３０は、図２（Ｃ）に示される矢印Ｙａで示す方向を計測方向として、計測対象範囲における３次元形状を計測する。
プロジェクタ５４０は、矢印Ｙｂで示す方向を投射方向として画像を投射する。ここで、プロジェクタ５４０は、投射範囲が３次元スキャナ５３０の計測範囲とほぼ一致するように設定される。

また、筐体５１０の上面部には２つのプリズム５２０Ａ、５２０Ｂが設けられる。プリズム５２０Ａ、５２０Ｂは、トータルステーション１００が位置計測投射装置５００の位置及び方向を計測する際に使用される。つまり、本実施形態のトータルステーション１００は、プリズム測距型であり、照射光がプリズム５２０Ａ、５２０Ｂにて反射して再び入射されるときの水平角と鉛直角に基づいて位置計測投射装置５００までの距離と方向とを計測する。

また、同図においては、位置計測投射装置５００をトンネル壁面に固定するための固定具が取り付けられている。固定具は、フレキシブルアームＡＭの一端にクランプＣＬＰが取り付けられ、他端にマグネットＭＧが取り付けられている。本実施形態において固定具は４つであり、４つの各固定具は、図示するように、位置計測投射装置５００の下側の四隅のそれぞれに、クランプＣＬＰにより取り付けられている。

図３は、掘削工事が行われるトンネルＴＮの坑内における計測システムの設置例を示している。
例えば、計測システムにおけるトータルステーション１００、ＰＣ２００、ルータ３００、計測処理装置４００及び位置計測投射装置５００の各装置は、それぞれ、同図に示されるようにトンネルＴＮ内にて設置される。同図の例の場合、各装置は、作業にできるだけ支障が無いように、また、重機などと重なることなく計測がしやすいように壁面寄りに設置されている。なお、同図における各装置の配置は一例であり、トンネルＴＮの坑内の重機、機材の配置などの状況に応じて適宜異なる。
本実施形態において、トンネルＴＮの坑内の位置は、３軸の直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）により表される。同図の例では、ｘ軸はトンネルＴＮの坑内における幅方向に対応し、ｙ軸はトンネルＴＮの坑内の延伸方向に対応し、ｚ軸はトンネルＴＮの坑内における鉛直方向に対応する。
また、本実施形態においては、投射用画像の生成にあたり、プロジェクタのレンズを原点とする直交座標系（ξ，η，ζ）が用いられる。

ここで、図４は、トンネルＴＮの坑内において図３のように位置計測投射装置５００を設置するにあたってのトンネルの側壁面への固定の態様例を示している。
同図においては、トンネルの側壁面に対して鋼製の支保工ＴＭが設けられた場合を示している。この場合において、位置計測投射装置５００は、固定具のマグネットＭＧを磁力で支保工に固定させ、フレキシブルアームＡＭを調整して、開口部５１１が所望の方向に向くように位置計測投射装置５００の向きを調整する。

図５は、鋼製の支保工が設けられていないなどの理由で、マグネットＭＧを有する固定具により位置計測投射装置５００を固定できない場合の位置計測投射装置５００の設置の態様例を示している。
即ち、この場合には図示するように位置計測投射装置５００を三脚ＦＴに固定したうえで、三脚ＦＴごと位置計測投射装置５００を動かして開口部５１１が所望の方向を向くように調整する。

続いて、本実施形態の計測システムを用いた掘削に関する工程手順について、説明する。
まず、作業者は、現場での計測システムの使用に先立って、事前に、プロジェクタ５４０により予め定めた規定の投射画像サイズが得られる投射距離Ｌを算出する。投射距離Ｌを算出する工程は、トンネルＴＮの坑内にて行われなくともよい。むしろ、外部からの振動や接触などの外的要因が少ない室内などで行われることが好ましい。

投射距離Ｌの算出工程について、図６を参照して説明する。図６（Ａ）は、プロジェクタ５４０により投射平面ＰＬに画像を投射した状態を示している。図６（Ｂ）は、プロジェクタ５４０により投射平面ＰＬに投射された画像（投射画像）を示している。図６（Ｃ）は、計測処理装置４００が生成する投射用画像を示している。

作業者は、例えば室内において、計測処理装置４００が接続されたプロジェクタ５４０を用意する。作業者は、計測処理装置４００にトンネルＴＮの坑内にて生成するのと同じサイズの投射用画像Ｐｐｃｓを生成させる（図６（Ｃ））。ここで、計測処理装置４００が生成する投射用画像Ｐｐｃｓは、表示時におけるサイズについて、水平サイズＨ１、垂直サイズＶ１であるとして予め定められている。
生成された投射用画像Ｐｐｃｓはプロジェクタ５４０に入力され、プロジェクタ５４０は、投射用画像Ｐｐｃｓを投射平面ＰＬに投射させる（図６（Ａ）、図６（Ｂ））。ここで、投射平面ＰＬは、例えばスクリーンなどであればよい。

図６（Ｂ）のように投射用画像Ｐｐｃｓを投射することにより投射平面ＰＬにて表示される投射画像Ｐｐｒｊのサイズ（水平サイズＨ２、垂直サイズＶ２）は、プロジェクタ５４０と投射平面ＰＬとの間の距離、即ち投射距離に応じて変化する。そこで、作業者は、投射画像Ｐｐｒｊの水平サイズＨ２と垂直サイズＶ２とがそれぞれ投射用画像の水平サイズＨ１、垂直サイズＶ１と同じになるように投射距離を調節する。このようにして得られる投射距離が、規定の投射画像サイズに対応する投射距離Ｌとして求められる。
このように投射距離Ｌを求めることで、プロジェクタ５４０の仕様等の相違にかかわらず事前に適切な投射距離Ｌを把握できる。

上記のように投射距離Ｌを求めたうえで、作業者は、図３〜図５にて説明したように、本実施形態の計測システムをトンネルＴＮの坑内に設置する。ここで、計測システムの設置にあたり、位置計測投射装置５００については、トンネルＴＮの坑内の壁面のうち、掘削作業において例えば掘り残しの確認を行いたい範囲を３次元スキャナにより計測できるように方向を設定するようにされる。

計測システムをトンネルＴＮの坑内に設置した後、作業者は、トータルステーション１００を用いて、位置計測投射装置５００の位置と方向を計測する。ここで、位置計測投射装置５００の方向によっては、開口部５１１が開口している方向（開口方向）が示される。また、開口部５１１の開口方向は、３次元スキャナに対して計測対象範囲が位置する計測方向及びプロジェクタ５４０が画像を投射する投射方向に対応する。
上記のように計測された位置計測投射装置５００の位置及び方向の情報（計測投射位置方向情報）は、トータルステーション１００から、ＰＣ２００、ルータ３００の通信を経由して計測処理装置４００に送信される。計測処理装置４００は、送信された計測投射位置方向情報を取得する。
このように計測処理装置４００に計測投射位置方向情報を取得させる工程は、現場（トンネルＴＮの坑内）における計測システムについての初期設定の工程に含まれる。

上記のように計測システムの設置と初期設定とを行った後、作業者は、計測システムに掘削ガイド動作を実行させる。ここでの掘削ガイド動作とは、３次元スキャナ５３０による計測対象範囲の計測、計測処理装置４００による掘削必要領域の判定及びプロジェクタ５４０による掘削必要領域を示す画像のトンネル壁面への投射を含む一連の動作である。
本実施形態においては、作業者が掘削ガイド動作の開始を指示する操作を行うことに応じて、計測処理装置４００の制御によって掘削ガイド動作が行われる。

掘削ガイド動作においては、まず、３次元スキャナ５３０により計測対象範囲の３次元形状計測が行われる。本実施形態における３次元形状計測について、図７を参照して説明する。図７は、トンネルＴＮの壁面における計測対象範囲ＯＢＪと３次元スキャナ５３０との位置関係を示している。図７（Ａ）は、計測対象範囲ＯＢＪと３次元スキャナ５３０との位置関係を平面方向からみた平面図である。図７（Ｂ）は、計測対象範囲ＯＢＪと３次元スキャナ５３０との位置関係を正面方向からみた正面図である。図７（Ｃ）は、計測対象範囲ＯＢＪと３次元スキャナ５３０との位置関係を側面方向からみた側面図である。
計測対象範囲ＯＢＪとしてはトンネルＴＮの壁面部分であればよく、特に制限はない。具体的には、計測対象範囲ＯＢＪとしてのトンネルＴＮの壁面部分は、トンネルＴＮの坑内における切羽の部分であってもよいし、左右の側壁のいずれかであってもよい。さらには、計測対象範囲ＯＢＪとしてのトンネルＴＮの壁面部分は、切羽から左側壁または右側壁の少なくともいずれかにわたってまたがっていてもよい。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）のそれぞれにおいては、計測対象範囲ＯＢＪとしてのトンネル壁面において実際の掘削必要領域である実掘削必要領域ＰＴが存在している例が示されている。この場合の３次元スキャナ５３０は、実掘削必要領域ＰＴを含む計測対象範囲ＯＢＪを計測対象として３次元形状の計測を行う。
３次元形状の計測にあたり、３次元スキャナ５３０は、図７（Ｂ）に示される計測点ＭＰごとの座標（位置）を計測する。計測点ＭＰは、同図に示すように計測対象範囲ＯＢＪに対してマトリクス状に一定間隔で配置されるように設定される。３次元スキャナ５３０は、計測点ＭＰごとに計測した座標値の情報を、計測対象範囲位置情報として計測処理装置４００に出力する。

計測処理装置４００は、３次元スキャナ５３０から取得した計測対象範囲位置情報に基づいて、計測対象範囲ＯＢＪにおける実掘削必要領域ＰＴに対応する掘削必要領域を判定する。掘削必要領域の判定にあたり、計測処理装置４００は、計測対象範囲位置情報に含まれる計測点ＭＰごとに掘削の要否を判定し、計測点ＭＰごとの掘削要否の判定結果を利用して掘削必要領域を判定する。ここで、「掘削必要領域を判定する」とは、掘削必要領域の有無についての判定行うことと、掘削必要領域が有る場合には掘削必要領域を形成することである。

図８を参照して、１つの計測点ＭＰを対象とする掘削要否判定について説明する。同図においては、トンネルＴＮの断面図が示されている。同図においては、トンネルＴＮの坑内における側壁の一部を計測対象範囲とする例が示されている。
同図において、判定対象となる計測点ＭＰについて計測された位置は、点Ｐ（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）として表されている。また、同図において、点Ｑ（ｘ_２、ｙ_１、ｚ_２）は、トンネルＴＮの坑内の延伸方向において定められた中心を通る線上に位置し、点Ｐと同じトンネルＴＮの断面において、トンネルＴＮの坑内の延伸方向において設定された中心位置を通る線上に位置する基準点である。

点Ｐについての掘削の要否は、点Ｐと点Ｑとの距離ｃによって決まる。そこで、計測処理装置４００は、例えば以下の式１により距離ｃを算出する。

同図において掘削半径ｄは、トンネルＴＮの設計に応じて決まる値であって、トンネルＴＮの坑内の延伸方向における中心から掘削すべき半径を表す。従って、掘削要否判定としては上記の式１によって求められた距離ｃと掘削半径ｄとについてｃ＜ｄが成立すれば掘削が必要であると判定し、ｃ＜ｄが成立しなければ掘削が不要であると判定すればよい。しかし、３次元スキャナ５３０には、同図に示されるように、一定の計測誤差±ｅが存在する。このため、掘削要否判定の信頼性を高めるには３次元スキャナ５３０の計測誤差を考慮することが好ましい。

そこで、計測処理装置４００は、以下のようにして掘削要否判定を行う。つまり、計測処理装置４００は、距離ｃについて、以下の式２、式３、式４のいずれが成立するのかを判定する。
ｃ＜ｄ−ｅ・・・（式２）
ｄ−ｅ≦ｃ≦ｄ＋ｅ・・・（式３）
ｃ＞ｄ＋ｅ・・・（式４）

式２が成立する場合、点Ｑから点Ｐまでの実際の距離は、距離ｃに誤差ｅを加算して多めに見積もったとしても掘削半径ｄ未満であるということがいえる。そこで、計測処理装置４００は。式２が成立する場合には、掘削が必要であると判定する。
式３が成立する場合、点Ｑから点Ｐまでの実際の距離は、最長で誤差ｅの分だけ掘削半径ｄより長くなるが、最短では（ｄ−ｅ）の長さにまで短くなる可能性がある。本実施形態においては、掘削半径ｄ未満となる状態の掘削箇所の存在は許容されないが、掘削半径ｄを或る程度越えた状態の掘削は許容される。そこで、計測処理装置４００は、式３が成立する場合には掘削が必要であると判定する。
また、式４が成立する場合、点Ｑから点Ｐまでの実際の距離は、誤差ｅを考慮して短めに見積もったとしても掘削半径ｄより長いということがいえる。そこで、計測処理装置４００は、式４が成立する場合には掘削が不要であると判定する。
このように、本実施形態の計測処理装置４００によっては、３次元スキャナ５３０によって計測点ＭＰごとに測定された位置（座標）について、掘削が必要であるか否かについての判定が行われる。

ここで、上記のように求められる掘削の要否に関する判定結果は、あくまでも、計測点ＭＰとしての点ごとに対応する情報である。そこで、本実施形態の計測処理装置４００は、計測点ＭＰごとの掘削要否判定の結果を利用して、計測対象範囲における面（範囲）としての掘削必要領域を判定する。
図９を参照して、本実施形態の計測処理装置４００による掘削必要領域の判定手法例について説明する。図９（Ａ）は、同図では、計測対象範囲において、３×３による９個の計測点ＭＰが存在する単位計測対象範囲ＯＢＪｕの一部を抜き出して示している。単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいては、互いに隣接する３つの計測点ＭＰを含む１つの実掘削必要領域ＰＴが存在している。ここで、白抜きの四角形による計測点ＭＰは、未だ掘削の要否判定が行われていないことを示す。

同図の実掘削必要領域ＰＴに対応する掘削必要領域の判定は、例えば以下のように行われる。
計測処理装置４００は、計測点ＭＰのうちから選択した１つの注目点と、当該注目点に隣接する隣接点とのそれぞれについて、前述のように掘削要否判定を行う。図９（Ｂ）においては、９つの計測点のうち、中央の計測点ＭＰを注目点とし、注目点に隣接する周囲の８つの計測点ＭＰを隣接点として、これら注目点及び隣接点について掘削要否判定を行った結果が示されている。
ここで、同図及び以降の図１０〜図１３の説明にあたり、白抜きの三角形による計測点ＭＰは、掘削が必要と判定された注目点を示す。また、同図においては示されていないが、黒色の三角形による計測点ＭＰは、掘削が不要と判定された注目点を示す。また、白い丸による計測点ＭＰは、掘削が必要と判定された隣接点を示す。黒い丸による計測点ＭＰは、掘削が不要と判定された隣接点を示す。

図９（Ｂ）においては、実掘削必要領域ＰＴに応じて、以下の掘削要否の判定結果が示されている。つまり、注目点としての計測点ＭＰについては掘削が必要であると判定され、注目点の右と下とのそれぞれにおいて隣接する隣接点については掘削が必要であると判定されている。また、残る６つの隣接点については掘削が不要であると判定されている。

上記のように注目点と隣接点とのそれぞれについて掘削要否判定を行った後、計測処理装置４００は、掘削が必要であると判定された３つの計測点ＭＰを結ぶことにより、１つの注目点に対応する単位掘削必要領域ＤＡＲｕを形成する。
同図では、注目点としての計測点ＭＰと２つの隣接点としての計測点ＭＰとを結んだことによる三角形の単位掘削必要領域ＤＡＲｕが形成される。

また、図１０（Ａ）のように単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて、４つの隣接する計測点ＭＰを含む略四角形の平面形状の実掘削必要領域ＰＴが存在する場合には、図１０（Ｂ）に示すように、注目点としての計測点ＭＰと、注目点に対して右、下、右下のそれぞれに位置する隣接点としての３つの計測点ＭＰとについて掘削が必要であると判定される。このような判定結果に従い、この場合には、注目点としての計測点ＭＰと、注目点の右、下、右下にそれぞれ位置する３つの隣接点としての計測点ＭＰとを結んだ四角形の単位掘削必要領域ＤＡＲｕが形成される。

また、図１１（Ａ）のように単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて、最も下の行における中央の計測点ＭＰ以外の８つの計測点ＭＰを含む実掘削必要領域ＰＴが存在する場合には、図１１（Ｂ）に示すように、単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて最も下の行における中央の隣接点について掘削が不要であると判定され、これ以外の全ての８つ計測点ＭＰについて掘削が必要であると判定される。このような判定結果に従い、単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて最も下の行における中央の隣接点としての計測点ＭＰを除外した８個の計測点ＭＰを結んだ多角形の単位掘削必要領域ＤＡＲｕが形成される。

また、図１２（Ａ）のように単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて２行目における中央（中心）の計測点ＭＰ以外の８つの計測点ＭＰを含む中抜きの状態の実掘削必要領域ＰＴが存在する場合には、各計測点ＭＰは、図１２（Ｂ）に示す掘削要否の判定結果が得られる。つまり、注目点としての計測点ＭＰのみが掘削が不要と判定され、残る８つの全ての隣接点としての計測点ＭＰについて掘削が必要であると判定される。この場合、掘削が必要と判定された８つの隣接点を連結することにより、同図に示すように、注目点の計測点ＭＰを４つの三角形の領域で囲むようにして単位掘削必要領域ＤＡＲｕが形成される。

そして、計測処理装置４００は、以下に図１３により説明するようにして単位掘削必要領域ＤＡＲｕの集合体としての単位掘削必要領域を形成する。
図１３（Ａ）においては、計測対象範囲ＯＢＪの一例が示されている。同図の計測対象範囲ＯＢＪにおいては、２つの実掘削必要領域ＰＴ１、ＰＴ２が存在している。また、同図の計測対象範囲ＯＢＪに対しては５行×１０列による５０個の計測点ＭＰが配置されている。

計測処理装置４００は、５行×１０列による計測点ＭＰについて、最も上の１行目の左から右にかけて、次いで、２行目以降の各行の左（１列目）から右（１０列目）にかけて、順次、注目点として設定していく。そして、計測処理装置４００は、設定した注目点ごとに、当該注目点に隣接する隣接点ごとに掘削要否判定を行い、前述のように単位掘削必要領域を形成していく。
図１３（Ｂ）においては、１行１列の位置の計測点ＭＰを注目点とし、隣接する１行２列、２行１列、２行２列の各位置の３つの計測点ＭＰを隣接点として掘削必要判定を行った結果が示されている。
この場合、１行１列の位置の注目点は掘削不要と判定され、１行２列及び２行１列の各位置の隣接点は掘削不要と判定され、２行２列の位置の隣接点は掘削が必要であると判定される。なお、この段階においては、掘削が必要と判定された計測点ＭＰは、２行２列の位置の１つのみであるため、掘削必要領域ＤＡＲは形成されない。掘削必要領域ＤＡＲの形成には、３以上の掘削が必要と判定された計測点ＭＰが必要である。

続いて、図１３（Ｃ）には、１行２列の位置に注目点を移動させ、当該注目点と隣接点とについて掘削要否判定を行った結果が示されている。ここで、１行２列の計測点ＭＰが注目点とされた場合の隣接点は、１行１列、１行３列、２行１列、２行２列、２行３列の各位置の計測点ＭＰである。
ここで、１行１列、１行２列、２行１列、２行２列の各位置の計測点ＭＰは、図１３（Ｂ）に示したように、１行１列の計測点を注目点とした段階で掘削要否判定が完了している。従って、図１３（Ｃ）の段階では、隣接点である２行３列、３行３列のそれぞれに対応する２つの計測点ＭＰを要否判定対象として掘削要否判定を行えばよい。２行３列、３行３列の隣接点としての各計測点ＭＰについては、それぞれ、掘削が必要と判定される。
ここまでの段階で、１行２列、２行２列及び２行３列の各位置における３つの計測点ＭＰについて掘削が必要であると判定されたことになる。そこで、計測処理装置４００は、これら３つの計測点ＭＰを結ぶことにより、同じ図１３（Ｃ）に示すように、単位掘削必要領域ＤＡＲｕを形成する。このように形成される単位掘削必要領域ＤＡＲｕは、２行２列の計測点ＭＰを注目点とした場合に対応するものであり、また、実掘削必要領域ＰＴ１の一部領域に対応する。

そして、計測処理装置４００は、上記の状態から、注目点としての計測点ＭＰを順次移動させていきながら、注目点ごとに決まる要否判定対象の計測点ＭＰについて掘削要否判定を行っていく。そして、計測処理装置４００は、掘削が必要と判定された計測点ＭＰが新たに得られるごとに単位掘削必要領域が形成可能であれば、単位掘削必要領域の形成を行っていく。このように処理を行っていく結果、複数の単位掘削必要領域が形成されていくことになる。計測処理装置４００は、形成された複数の単位掘削必要領域において境界が隣接するもの、あるいは領域の一部が重複するものについて連結していく。

図１３（Ｄ）は、上記のように処理が行われていった場合の途中経過の例が示されている。同図においては、２行６列の位置の計測点ＭＰを注目点として要否判定対象の計測点ＭＰについて掘削要否判定を行い、ここまでの掘削要否判定に基づいて形成された単位掘削必要領域を連結した結果が示されている。
同図に示されるように、ここまで掘削要否判定が行われた段階では、実掘削必要領域ＰＴ１に対応しては、掘削必要領域ＤＡＲ１が形成されている。掘削必要領域ＤＡＲ１は、これまでに実掘削必要領域ＰＴ１に対応して掘削が必要と判定された１０個の計測点ＭＰに基づいて形成された複数の単位掘削必要領域の集合により形成されたものである。
また、実掘削必要領域ＰＴ２に対応しては、掘削必要領域ＤＡＲ２が形成されている。掘削必要領域ＤＡＲ２は、これまでに実掘削必要領域ＰＴ２に対応して掘削が必要と判定された４個の計測点ＭＰに基づいて形成された複数の単位掘削必要領域の集合により形成されたものである。

そして、さらに注目点としての計測点ＭＰを順次移動させながら、要否判定対象となった計測点ＭＰについて掘削要否判定を行っていく。そして、最終的に計測対象範囲ＯＢＪにおける全ての計測点ＭＰについての掘削要否判定が完了する。この段階では、図１３（Ｅ）に示されるように、掘削必要領域ＤＡＲ１と掘削必要領域ＤＡＲ２とが形成されることになる。掘削必要領域ＤＡＲ１と掘削必要領域ＤＡＲ２は、それぞれ、注目点ごとに対応して掘削が必要と判定された計測点ＭＰを結んで形成された単位掘削必要領域が集合した結果である。
このようにして計測処理装置４００は、３次元スキャナ５３０により計測された計測点ＭＰごとの位置（座標）に基づいて、計測対象範囲ＯＢＪにおける掘削必要領域ＤＡＲを形成することができる。

上記のようにして掘削必要領域ＤＡＲが形成された場合、計測処理装置４００は、掘削必要領域ＤＡＲの位置を作業者に提示するためにトンネルＴＮの壁面に投射する投射用画像を生成する。
ここで、前述のようにトンネルＴＮの壁面は一般的なスクリーンのような平面ではなく、凹凸や湾曲などにより変形している。このために、投射画像における掘削必要領域を、実際のトンネルＴＮの壁面における掘削必要箇所の位置範囲に合致させるためには、投射用画像について、通常の四角形の形状からトンネル壁面の形状に対応させて歪ませればよい。

図１４及び図１５は、計測処理装置４００により形成された掘削必要領域ＤＡＲと投射用画像における掘削必要領域の画像（掘削必要領域画像Ｐｄａｒ）との座標の関係を示している。なお、図１４及び図１５は、トンネルＴＮの側壁面を対象として掘削必要領域ＤＡＲを判定した場合の例を示している。

掘削必要領域ＤＡＲにおける計測点ＭＰごとに対応するｎ個の座標を、Ａ_１（ξ_１，η_１，ζ_１）、Ａ_２（ξ_２，η_２，ζ_２）・・・・、Ａ_ｎ（ξ_ｎ，η_ｎ，ζ_ｎ）で表す。また、掘削必要領域ＤＡＲにおける座標Ａ_１（ξ_１，η_１，ζ_１）、Ａ_２（ξ_２，η_２，ζ_２）・・・・、Ａ_ｎ（ξ_ｎ，η_ｎ，ζ_ｎ）ごとに対応する、掘削必要領域画像Ｐｄａｒにおける座標を、Ａ’_１（Ｌ，ｙ_１，ｚ_１）、Ａ’_２（Ｌ，ｙ_２，ｚ_２）・・・・、Ａ’_ｎ（Ｌ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）と表す。
図１４においては、座標Ａ_１（ξ_１，η_１，ζ_１）と座標Ａ’_１（Ｌ，ｙ_１，ｚ_１）との関係が明示的に示されている。また、図１５においては、或る１つの任意の座標Ａ_ｉ（ξ_ｉ，η_ｉ，ζ_ｉ）と座標Ａ’_ｉ（Ｌ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）との関係が示されている。
なお、原点０の座標は、３次元スキャナ５３０の計測基準点及びプロジェクタ５４０のレンズ位置に対応する。３次元スキャナ５３０の計測基準点とプロジェクタ５４０のレンズ位置とは物理的に異なる。そこで、計測処理装置４００は、掘削必要領域画像Ｐｄａｒの生成にあたり、３次元スキャナ５３０の計測基準点とプロジェクタ５４０の投射レンズの位置との差分に基づいて、両者の座標が原点０として一致するように設定する。

図１４においては、便宜上、掘削必要領域ＤＡＲについて平面として示しているが、実際には凹凸が存在し、これに伴って、座標Ａ_ｉ（ξ_ｉ，η_ｉ，ζ_ｉ）における座標値ζ_ｉは変化する。これに対して、予め求められた投射距離Ｌは一定である。
このことから、掘削必要領域ＤＡＲにおける任意の座標Ａ_ｉ（ξ_ｉ，η_ｉ，ζ_ｉ）に対応する掘削必要領域画像Ｐｄａｒの垂直方向における座標ｚｉは、三角形の相似を用いて以下の式５により求められる。同様に、掘削必要領域画像Ｐｄａｒの水平方向における座標ｙｉは、三角形の相似を用いて以下の式６により求められる。

計測処理装置４００は、式５及び式６を用いて、掘削必要領域ＤＡＲの座標Ａ_１（ξ_１，η_１，ζ_１）〜Ａ_ｎ（ξ_ｎ，η_ｎ，ζ_ｎ）ごとに対応する掘削必要領域画像Ｐｄａｒの座標Ａ’_１（Ｌ，ｙ_１，ｚ_１）〜Ａ’_ｎ（Ｌ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）を算出する。そして、計測処理装置４００は、図１６のように算出された座標Ａ’_１（Ｌ，ｙ_１，ｚ_１）〜Ａ’_ｎ（Ｌ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）により形成される掘削必要領域画像Ｐｄａｒの部分を含む投射用画像Ｐｐｃｓを生成する。同図では、便宜上、単に長方形の掘削必要領域画像Ｐｄａｒが示されているが、掘削必要領域画像Ｐｄａｒは、算出された座標Ａ’_１（Ｌ，ｙ_１，ｚ_１）〜Ａ’_ｎ（Ｌ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ）に応じて歪みが与えられた形状を有する。

計測処理装置４００は、上記のように生成した投射用画像Ｐｐｃｓをプロジェクタ５４０に出力し、プロジェクタ５４０から投射用画像Ｐｐｃｓを投射させる。
ここで、３次元スキャナ５３０の測定基準と投射レンズとはほぼ一致するようにされている。このため、プロジェクタ５４０が投射用画像Ｐｐｃｓを投射することでトンネルＴＮの壁面にて表示される投射画像における掘削必要領域画像Ｐｄａｒは、実掘削必要領域ＰＴに対応する位置に存在する状態となる。そのうえで、掘削必要領域画像Ｐｄａｒは、前述のように、掘削必要領域ＤＡＲの形状に応じて歪みが与えられている。このために壁面に表示される投射画像に含まれる掘削必要領域画像Ｐｄａｒの部分は、実掘削必要領域ＰＴに対して位置や形状が大きくずれることなく、実掘削必要領域ＰＴの位置範囲にほぼ合致した状態となる。

このようにして本実施形態においては、掘削必要箇所の作業員への提示が、モニタへの表示や印刷などではなく、トンネルＴＮの壁面における実掘削必要領域ＰＴに対する掘削必要領域画像Ｐｄａｒの投射によって行われる。これにより、作業者は、掘削必要箇所を即座に、かつ、的確に把握することができる。
そして、作業者は、実掘削必要領域ＰＴに対して掘削必要領域画像Ｐｄａｒが表示された状態のまま、実掘削必要領域ＰＴに対応する箇所の掘削作業を行えばよい。この際、掘削必要領域画像Ｐｄａｒが表示されていることから作業箇所を把握する際の目安となり、的確かつ効率よく作業を進めることができる。

そして、例えば或る程度の時間にわたって掘削に関する作業を進めると、作業員は一旦掘削作業を中断し、確認のために、再度、３次元スキャナ５３０による同じ計測対象範囲ＯＢＪの３次元形状の計測と、計測処理装置４００による計測結果に基づく掘削必要領域ＤＡＲの形成を行わせる。
ここで、計測対象範囲ＯＢＪにおいて掘削が必要な箇所が残っている場合、計測処理装置４００により前回とは異なる形状の掘削必要領域ＤＡＲが形成され、形成された掘削必要領域ＤＡＲに対応して生成された投射用画像が再度投射される。作業者は、壁面に表示された投射画像における掘削必要領域画像Ｐｄａｒの部分を確認し、さらに掘削作業を行えばよい。
そして、再度、３次元スキャナ５３０による３次元形状の計測と、計測処理装置４００による掘削必要領域ＤＡＲの形成を行わせた結果、掘削必要領域ＤＡＲが形成されなかったのであれば、計測対象範囲ＯＢＪにおいて掘削が必要な箇所が残っていないことになる。この場合、作業者は、計測対象範囲ＯＢＪについての掘削作業が完了したとして、次の計測対象範囲ＯＢＪを対象として同様に掘削作業を行っていけばよい。

図１７を参照して、本実施形態における計測処理装置４００の構成例について説明する。同図の計測処理装置４００は、位置方向情報取得部４０１、計測結果取得部４０２、掘削必要領域判定部４０３、画像生成部４０４及び画像出力部４０５を備える。
なお、時間監視部４０６は、後述の第２実施形態において備えられる機能部であることから、ここでの説明は省略する。

位置方向情報取得部４０１は、トータルステーション１００により計測された計測投射位置方向情報を取得する。計測投射位置方向情報は、前述のように、位置計測投射装置５００の位置及び方向を示す情報である。
なお、同図においては、図１においてトータルステーション１００と計測処理装置４００との間で通信を介在するＰＣ２００とルータ３００についての図示を省略している。

計測結果取得部４０２は、３次元スキャナ５３０の計測結果としての計測対象範囲位置情報を取得する。計測対象範囲位置情報は、前述のように、計測対象範囲における計測点ごとの座標値を示す情報である。

掘削必要領域判定部４０３は、３次元スキャナ５３０により計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において掘削（変形の一例）が必要な掘削必要領域を判定する。
掘削必要領域判定部４０３は、先に図６〜図１３により説明したようにして掘削必要領域を判定する。つまり、掘削必要領域判定部４０３は、計測結果取得部４０２により取得された計測対象範囲位置情報における計測点ＭＰごとの座標値を利用して、注目点として順次設定した計測点ＭＰごとに対応して単位掘削必要領域ＤＡＲｕを形成していき、形成された単位掘削必要領域ＤＡＲｕの集合により、実掘削必要領域ＰＴに対応する掘削必要領域ＤＡＲを形成する。このように、掘削必要領域判定部４０３は、掘削必要領域ＤＡＲを形成することを以て、計測対象範囲ＯＢＪにおいて掘削必要領域ＤＡＲの有ることを判定する。また、掘削必要領域判定部４０３は、掘削必要領域ＤＡＲが形成されなかった場合には、計測対象範囲ＯＢＪにおいて掘削必要領域ＤＡＲが無いと判定する。

画像生成部４０４は、計測対象範囲ＯＢＪに投射した際に、投射により表示された投射画像Ｐｐｒｊに含まれる掘削必要領域の画像が実掘削必要領域ＰＴの位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた掘削必要領域の画像（掘削必要領域画像Ｐｄａｒ）を含む投射用画像Ｐｐｃｓを生成する。
画像出力部４０５は、画像生成部４０４により生成された投射用画像Ｐｐｃｓをプロジェクタ５４０に出力し、プロジェクタ５４０により投射用画像Ｐｐｃｓが投射されるようにする。プロジェクタ５４０が、画像出力部４０５から入力された投射用画像Ｐｐｃｓを投射することで、トンネルＴＮの壁面には投射画像Ｐｐｒｊが表示される。この際、投射画像Ｐｐｒｊにおける掘削必要領域画像Ｐｄａｒは、実掘削必要領域ＰＴに対して位置範囲が合致する状態で表示されている。

続いて、図１８のフローチャートを参照して、本実施形態におけるトンネルＴＮの掘削に関する工程手順例について説明する。
まず、作業者は、図６にて説明したように、プロジェクタ５４０により予め定めた規定の投射画像サイズが得られる投射距離Ｌを算出する（ステップＳ１０１）。
次に、作業者は、例えば図３〜図５により説明したように、本実施形態の計測システムを構成する各装置をトンネルＴＮの坑内に設置する（ステップＳ１０２）。
次に、作業者は、トータルステーション１００を用いて、位置計測投射装置５００の位置と方向を計測する（ステップＳ１０３）。

続いては、計測処理装置４００による掘削ガイド動作対応処理が実行される（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４としての掘削ガイド動作対応処理は、例えば、以下の手順により行われる。
計測処理装置４００において、位置方向情報取得部４０１は、ステップＳ１０３により計測された位置計測投射装置５００の位置と方向とを示す計測投射位置方向情報を、トータルステーション１００から取得する（ステップＳ１１１）。
次に、計測結果取得部４０２は、３次元スキャナ５３０に計測対象範囲ＯＢＪの３次元形状の計測を実行させる（ステップＳ１１２）。なお、３次元スキャナ５３０に計測を実行させるにあたっては、計測処理装置４００の制御によらず、作業者が３次元スキャナ５３０を操作することによって行われるようにしてもよい。
３次元スキャナ５３０は、計測結果として、計測対象範囲ＯＢＪにおける計測点ＭＰごとの座標（位置）を得る。そこで、計測結果取得部４０２は、計測点ＭＰごとの座標値を含む計測対象範囲位置情報を３次元スキャナ５３０から取得する（ステップＳ１１３）。

続くステップＳ１１４〜Ｓ１１７の処理は、掘削必要領域ＤＡＲについて判定を行うための処理となる。まず、掘削必要領域判定部４０３は、計測対象範囲位置情報に含まれる計測点ＭＰのうちの１つを注目点として設定する（ステップＳ１１４）。１つの注目点を設定することにより、図９などで説明したように、１つの単位計測対象範囲ＯＢＪｕが定まる。
次に、掘削必要領域判定部４０３は、ステップＳ１１４により設定した注目点に応じて要否判定対象とされた計測点ＭＰのそれぞれについて掘削要否判定を行う（ステップＳ１１５）。要否判定対象となる計測点ＭＰは、図１３にて説明したように、注目点及び注目点に隣接する隣接点としての各計測点ＭＰのうち、未だ掘削要否判定が行われていない計測点ＭＰである。
掘削必要領域判定部４０３は、ステップＳ１１５による掘削要否判定の結果に基づいて、対応の単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおける単位掘削必要領域ＤＡＲｕを形成する（ステップＳ１１６）。ただし、単位計測対象範囲ＯＢＪｕにおいて掘削が必要であると判定された計測点ＭＰの数が３未満である場合には、ステップＳ１１６にて単位掘削必要領域ＤＡＲｕは形成されない。
次に、掘削必要領域判定部４０３は、ステップＳ１１６により形成された単位掘削必要領域ＤＡＲｕがこれまでにおいて形成されていると連結可能であれば、連結を行う（ステップＳ１１７）。

ステップＳ１１７の処理の後、掘削必要領域判定部４０３は、計測対象範囲位置情報に含まれる全ての計測点ＭＰについての掘削要否判定を完了したか否かについて判定する（ステップＳ１１８）。
全ての計測点ＭＰについての掘削要否判定が完了していない場合（ステップＳ１１８−ＮＯ）、掘削必要領域判定部４０３は、ステップＳ１１４に処理を戻す。これにより、次の注目点としての計測点ＭＰが設定され、新たな要否判定対象の計測点ＭＰについての掘削要否判定と、掘削要否判定結果に応じた単位掘削必要領域ＤＡＲｕの形成と、これまでに形成されている掘削必要領域ＤＡＲへの単位掘削必要領域ＤＡＲｕの連結が行われる。このようにして、ステップＳ１１４〜Ｓ１１７の処理が繰り返されていくことで、実掘削必要領域ＰＴに対応する形状に近づいていくようにして掘削必要領域ＤＡＲが形成されていく。

そして、全ての計測点ＭＰについての掘削要否判定が完了すると（ステップＳ１１８−ＹＥＳ）、掘削必要領域判定部４０３は、これまでのステップＳ１１４〜Ｓ１１８の処理によって掘削必要領域ＤＡＲが形成されたか否かについて判定する（ステップＳ１１９）。

掘削必要領域ＤＡＲが形成されていた場合（ステップＳ１１９−ＹＥＳ）、画像生成部４０４は、投射用画像Ｐｐｃｓを生成する（ステップＳ１２０）。ここで、画像生成部４０４は、図１４〜図１６により説明したように、投射用画像Ｐｐｃｓの生成にあたり、掘削必要領域ＤＡＲの形状に応じて掘削必要領域画像Ｐｄａｒを歪ませる処理を行う。
そして、画像出力部４０５は、ステップＳ１２０により生成された投射用画像Ｐｐｃｓをプロジェクタ５４０に出力する（ステップＳ１２１）。

ステップＳ１２１により投射用画像Ｐｐｃｓが出力されたことに応じて、プロジェクタ５４０は、投射用画像Ｐｐｃｓを投射する。これにより、トンネルＴＮの坑内において計測対象範囲ＯＢＪに対応する位置には投射画像Ｐｐｒｊが表示される。このとき、投射画像Ｐｐｒｊにおける掘削必要領域画像Ｐｄａｒは実掘削必要領域ＰＴに位置範囲が合致する状態となっている。
そこで、作業者は、表示された掘削必要領域画像Ｐｄａｒをガイドとして掘削すべき箇所を判断し、掘削作業を行う（ステップＳ１０５）。そして、例えば或る時間にわたって掘削作業を行った後、作業者は、例えば計測処理装置４００に対して操作を行い、計測処理装置４００にステップＳ１１２以降の処理を再開させる。
このようにステップＳ１０５による掘削の工程とともに、計測処理装置４００によるステップＳ１１２〜Ｓ１２１の処理が繰り返されるうちに、或る段階にてステップＳ１１９にて掘削必要領域ＤＡＲが形成されなくなった（掘削必要領域ＤＡＲが無い）ことが判定されることになる。この場合、対応の計測対象範囲ＯＢＪについては掘削が完了したとして、同図の工程が完了する。

なお、図示は省略するが、ステップＳ１１９にて掘削必要領域ＤＡＲが形成されなくなったことが判定された場合には、対応の計測対象範囲ＯＢＪを対象とする掘削が完了したことを作業者に通知する画像がプロジェクタ５４０により投射されるようにしてもよい。

［第２実施形態］
続いて、第２実施形態について説明する。本実施形態においては、３次元スキャナ５３０による測定から測定結果に基づく掘削必要領域ＤＡＲの判定と掘削必要領域画像Ｐｄａｒを含む投射用画像の投射までの工程が、掘削必要領域ＤＡＲの無いことが判定されるまで一定時間ごとに繰り返し実行される。

本実施形態に対応する計測処理装置４００の構成例について、再度、図１７を参照して説明する。本実施形態における計測処理装置４００は、時間監視部４０６をさらに備える。
時間監視部４０６は、一定時間ごとに３次元スキャナ５３０による計測が行われるように制御を行う。このために、時間監視部４０６は、一定時間が経過するごとに、計測結果取得部４０２に計測対象範囲位置情報の取得を指示する。
指示を受けた計測結果取得部４０２は、３次元スキャナ５３０による計測を実行させ、計測結果としての計測対象範囲位置情報を取得する。そして、掘削必要領域判定部４０３、画像生成部４０４及び画像出力部４０５は、計測結果取得部４０２により計測対象範囲位置情報が取得されたことに応じて、それぞれの処理を実行する。
上記のような処理が行われることで、本実施形態においては、一定時間ごとに掘削必要領域ＤＡＲについての判定結果が更新され、これに伴って、掘削必要領域画像Ｐｄａｒとして更新された判定結果が反映されるように投射画像Ｐｐｒｊの表示も更新される。なお、３次元スキャナ５３０が計測を開始してから掘削必要領域ＤＡＲについての判定が行われ、投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新されるまでには１分ほどを要する。

この場合、作業者は、投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新されたタイミングで掘削作業を開始し、３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでには掘削作業を中断する。作業者は、３次元スキャナ５３０による次の計測が開始され、投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新されるまで待機し、投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新されると再び掘削作業を開始する。このようにして、第２実施形態においては、一定時間ごとに３次元スキャナ５３０による計測が行われ、これに伴って投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新される。この場合、作業者は、例えば３次元スキャナ５３０による次の計測を開始させるための操作を逐一行う必要がなくなる。

例えば、投射画像Ｐｐｒｊの表示が更新されてから３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでの時間は、作業者が時計などを見て把握するようにしてもよい。しかし、この場合には掘削作業が再開されるごとに作業者が時間を管理しなければならず，作業者の負担になる場合がある。

そこで、本実施形態においては、計測処理装置４００が、３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでの時間を投射画像Ｐｐｒｊにおいて表示させる。
図１９は、投射画像Ｐｐｒｊにおいて３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでの時間を表示させる態様の一例を示している。同図の例では、掘削必要領域画像Ｐｄａｒにおいて、３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでの残り時間が２分１５秒であることが示されている。時間経過にしたがって、掘削必要領域画像Ｐｄａｒにおいて示される残り時間は少なくなっていく。作業者は、表示される残り時間を確認しながら掘削作業を行い、残り時間が「０」となるまでに掘削作業を中断させることができる。
このようにすれば、作業者が時計を見ながら３次元スキャナ５３０による次の計測が開始されるまでの残り時間を把握する必要はなくなり、作業効率を向上させることができる。

図２０のフローチャートは、本実施形態における計測処理装置４００が実行する掘削ガイド動作対応処理（ステップＳ１０４Ａ）の手順例を示している。
なお、図１８においてステップＳ１０１〜Ｓ１０３として示した、投射距離Ｌの算出、計測システムの設置、トータルステーション１００を用いた位置計測投射装置５００の位置及び方向の測定の各工程は、本実施形態においても、同図の掘削ガイド動作対応処理（ステップＳ１０４Ａ）が実行される前の段階にて行われる。

同図において、ステップＳ１３１は、図１８のステップＳ１１１と同様である。つまり、計測処理装置４００における位置方向情報取得部４０１は、トータルステーション１００により計測された位置計測投射装置５００の位置と方向とを示す計測投射位置方向情報を取得する。

また、時間監視部４０６は、以降の掘削必要領域に関する計測の開始に先立ち、計測時間間隔を入力する（ステップＳ１３２）。計測時間間隔は、３次元スキャナ５３０による計測が開始される時間間隔である。
作業者は、計測時間間隔の値を指定する操作を行う。作業者は、例えばトンネルＴＮの坑内の壁面の硬さなどの状況を考慮して、例えば一回の計測に対応する掘削作業に適した時間長を決定し、決定した時間長に応じて計測時間間隔を決定すればよい。
時間監視部４０６は、操作によって指定された時間間隔の値を計測時間間隔として入力する。

そして、例えば計測処理装置４００に計測開始を指示する操作が行われることに応じて、以下の処理が開始される。
まず、計測処理装置４００における時間監視部４０６は、ステップＳ１３２により入力した計測時間間隔に応じたタイマ値が設定されるようにタイマをリセットしたうえで、タイマを起動し、タイマ値のダウンカウントを実行する（ステップＳ１３３）。

続く、ステップＳ１３４〜Ｓ１４１の処理は、図１８のステップＳ１１２〜Ｓ１１９の処理と同様である。
そして、ステップＳ１４１において掘削必要領域ＤＡＲの形成されたことが判定された場合には、画像生成部４０４は投射用画像Ｐｐｃｓの生成を開始する（ステップＳ１４２）。画像生成部４０４は、投射用画像Ｐｐｃｓの生成にあたり、掘削必要領域ＤＡＲの形状に応じて掘削必要領域画像Ｐｄａｒを歪ませるとともに、現在においてタイマがカウントしているタイマ値に応じた残り時間の画像を合成する。
そして、画像出力部４０５は、ステップＳ１４１により生成された投射用画像Ｐｐｃｓの出力を開始する（ステップＳ１４３）。これにより、以降において、図１９に例示したように、次の３次元スキャナ５３０の計測開始までの残り時間が示される投射画像Ｐｐｒｊの表示が開始され、時間経過に応じて投射画像Ｐｐｒｊにおける残り時間が少なくなっていく。
作業者は、ステップＳ１４２により更新された投射画像Ｐｐｒｊの表示が開始され、表示される残り時間が「０」となるまでの間に掘削作業を進める。

時間監視部４０６は、ステップＳ１３３にて起動させたタイマのタイマ値が「０」となるのを待機する（ステップＳ１４４−ＮＯ）。そして、タイマ値が「０」となって（ステップＳ１４４−ＹＥＳ）、３次元スキャナ５３０による次の計測を開始すべきタイミングに至ると、ステップＳ１１３に処理が戻される。これにより、本実施形態においては、特に作業者が操作を行わなくとも、計測時間間隔ごとに３次元スキャナ５３０による計測と、計測結果に応じた投射画像Ｐｐｒｊの更新が行われる。作業者は、更新された投射画像Ｐｐｒｊにおける掘削必要領域画像Ｐｄａｒにより掘削箇所を確認しながら掘削を行う。
そして、対応の計測対象範囲ＯＢＪにおける実掘削必要領域ＰＴの掘削が完了すると、ステップＳ１４０において掘削必要領域ＤＡＲが形成されなかったことが判定され、同図の処理が終了される。この場合にも、ステップＳ１４０にて掘削必要領域ＤＡＲが形成されなくなったことが判定された場合には、対応の計測対象範囲ＯＢＪについての掘削が完了したことを作業者に通知するメッセージの画像がプロジェクタ５４０により投射されるようにしてもよい。

なお、これまでの説明においては、トンネルＴＮの坑内において１つの位置計測投射装置５００を設置し、１つの計測対象範囲ＯＢＪにおける掘削必要領域ＤＡＲを判定し、画像を投射する例を挙げていた。しかし、計測対象範囲ＯＢＪの面積が広いような場合には、例えば複数の計測対象範囲ＯＢＪがつながるように複数の位置計測投射装置５００を設置してもよい。これにより、広い計測対象範囲に対応して掘削必要領域ＤＡＲの判定と画像の投射とを行うことが可能になる。

なお、これまでの説明においては、トンネルにおける堀り残しの箇所を判定し、投射画像によりガイドする場合について説明した。しかし、本実施形態の構成は、例えばトンネルにおける設計断面積よりも大きく掘削する余掘り量の管理にも適用できる。
また、本実施形態の構成は、曲面切羽のような複雑な形状の掘削に対しても有効である。
さらに本実施形態の構成は、トンネルにおける壁面の管理だけではなく、例えば盛り土の工程にも有効に適用できる。

なお、上述の計測処理装置４００としての機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより上述の計測処理装置４００としての処理を行ってもよい。ここで、「記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行する」とは、コンピュータシステムにプログラムをインストールすることを含む。ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、インターネットやＷＡＮ、ＬＡＮ、専用回線等の通信回線を含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータ装置を含んでもよい。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。このように、プログラムを記憶した記録媒体は、ＣＤ−ＲＯＭ等の非一過性の記録媒体であってもよい。また、記録媒体には、当該プログラムを配信するために配信サーバからアクセス可能な内部または外部に設けられた記録媒体も含まれる。配信サーバの記録媒体に記憶されるプログラムのコードは、端末装置で実行可能な形式のプログラムのコードと異なるものでもよい。すなわち、配信サーバからダウンロードされて端末装置で実行可能な形でインストールができるものであれば、配信サーバで記憶される形式は問わない。なお、プログラムを複数に分割し、それぞれ異なるタイミングでダウンロードした後に端末装置で合体される構成や、分割されたプログラムのそれぞれを配信する配信サーバが異なっていてもよい。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ネットワークを介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

１００トータルステーション、２００ＰＣ、３００ルータ、４００計測処理装置、４０１位置方向情報取得部、４０２計測結果取得部、４０３掘削必要領域判定部、４０４画像生成部、４０５画像出力部、４０６時間監視部、５００位置計測投射装置、５１０筐体、５１１開口部、５２０Ａ，５２０Ｂプリズム、５２０Ｂプリズム、５３０３次元スキャナ、５４０プロジェクタ

Claims

３次元形状を計測する３次元スキャナと、計測処理装置と、入力された画像を投射する投射装置とを備え、
前記計測処理装置は、
前記３次元スキャナにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定部と、
前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる前記変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された投射用画像が投射装置により投射されるように出力する画像出力部とを備える
計測システム。
前記画像生成部は、
前記変形必要領域判定部により変形必要領域の無いことが判定された場合には、前記変形必要領域の画像を含む投射用画像の生成を行わない
請求項１に記載の計測システム。
前記変形必要領域判定部は、
一定の時間間隔ごとに前記３次元スキャナが計測した計測対象範囲の３次元形状に基づいて変形必要領域を判定し、
前記画像生成部は、
前記変形必要領域判定部により一定の時間間隔ごとに変形必要領域が判定されることに応じて前記投射用画像を生成する
請求項１または２に記載の計測システム。
前記画像生成部は、３次元スキャナによる次の計測が開始されるまでの時間を示す前記投射用画像を生成する
請求項３に記載の計測システム。
３次元スキャナにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定部と、
前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる前記変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された投射用画像が投射装置により投射されるように出力する画像出力部と
を備える計測処理装置。
３次元スキャナにより計測対象範囲の３次元形状を計測する形状計測ステップと、
前記形状計測ステップにより計測された計測対象範囲の３次元形状に基づいて、前記計測対象範囲において変形が必要な変形必要領域を判定する変形必要領域判定ステップと、
前記計測対象範囲に投射した際に、投射により表示された投射画像に含まれる変形必要領域の画像が実の変形必要領域の位置範囲と合致するように形状に歪みを与えた変形必要領域の画像を含む投射用画像を生成する画像生成ステップと、
前記画像生成ステップにより生成された投射用画像を投射装置により投射する投射ステップと
を含む計測方法。