JP6996925B2

JP6996925B2 - 杭頭解析システム、杭頭解析方法、及び杭頭解析プログラム

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Publication number: JP6996925B2
Application number: JP2017190104A
Authority: JP
Inventors: 大輔佐々木; 康司大西; 将輝高梨; 秀吾秋山; 清泰高橋
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN109577382B; EP3461954A1; JP2019066242A; CN109577382A; US11195016B2; US20190102624A1

Description

本発明は、建築物の基礎として打設される杭の杭頭の解析を行う杭頭解析システム、杭頭解析方法、及び杭頭解析プログラムに関する。

建築工事において、構造物の基礎となる杭を設計図面どおりに打設することは、建物の基礎作りに影響するため重要である。そのため、杭打設後に杭芯位置や杭頭の高さ等が設計図面に従って正確に建て込みされているかどうかを確認する必要がある。

そこで従来は、打設後の杭頭の位置をＧＰＳやトータルステーション（ＴＳ）等を用いて計測を行い、ＣＡＤデータ等の設計図面と照合して杭芯のずれを測定することで、杭芯が設計値の許容範囲内（施工誤差以内）であるか否かを判定していた。

例えば、自動追尾式のＴＳを設置して、作業者がターゲットを杭頭等の計測したい地点に持っていき、計測指示を出すことで、当該地点における座標を計測可能な技術がある（特許文献１参照）。

また、近年は工事現場の点群モデルを取得して、杭頭部の点群とそれに対応する杭モデルとを合わせることで杭芯の座標を取得する技術も開発されている（特許文献２参照）。

特開平１１－３２５８８４号公報特開２０１７－９６６８８号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように自動追尾式のＴＳを用いたとしても、杭頭の計測には作業者が杭１つ１つを回って計測を行わなくてはならず、労力と時間がかかるという問題がある。また、作業者の経験や技量にも依存することもあり精度が不安定であるという問題もある。

また、特許文献２の技術では、点群モデルを工事現場の上空からレーザスキャナにより走査することによって取得しているが、レーザスキャナにより杭頭部を検出するには工事現場全域を走査して工事現場全域の点群データを取得した後、杭頭部を含む対象エリアの点群だけをトリミングする必要がある。この工事現場全域の点群データはデータ量が膨大となるという問題がある。

特に、大規模な構造物を建築する場合は、工事現場も広範となり、特許文献１の技術では作業者が杭間を移動する距離と時間が増大し、特許文献２の技術では点群のデータ量がさらに増大するという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、杭頭の解析をより効率的に、且つ安定した精度で行うことのできる杭頭解析システム、杭頭解析方法、及び杭頭解析プログラムを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る杭頭解析システムでは、打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析システムであって、移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得部と、前記画像取得部により取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成部と、前記三次元モデル生成部により生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭頭検出部と、前記杭頭検出部により検出された杭頭と、予め取得した設計情報に基づく杭頭との整合を判別する整合判別部と、を備える。

上記杭頭解析システムにおいて、前記杭頭検出部は前記杭頭の杭芯を検出し、前記整合判別部は、前記杭芯と前記設計情報に基づく杭埋設点との整合を判別するものとしてもよい。

また、上記杭頭解析システムにおいて、前記杭頭検出部は前記杭頭の地表から杭の頂面までの高さである杭高さを検出し、前記整合判別部は、前記杭頭高さと前記設計情報に基づく杭頭高さとの整合を判別するものとしてもよい。

また、上記杭頭解析システムにおいて、前記杭頭検出部は前記杭頭の傾きを検出し、前記整合判別部は、前記杭頭の傾きと前記設計情報に基づく前記杭頭の傾きとの整合を判別するものとしてもよい。

また、上記杭頭解析システムにおいて、さらに、前記三次元モデル生成部により生成された三次元モデル上に、前記整合判別部により判別された杭頭の整合に関する情報を表示させる表示部を備えてもよい。

また、上記杭頭解析システムにおいて、前記杭頭には、色が付されており、前記杭頭検出部は前記三次元モデルから杭頭を検出するための要素として、前記色を含めてもよい。

上記した目的を達成するために、本発明に係る杭頭解析方法では、打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析方法であって、移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得工程と、前記画像取得工程にて取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、前記三次元モデル生成工程にて生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭頭検出工程と、前記杭頭検出工程にて検出された杭頭と、予め取得した設計情報との整合を判別する整合判別工程と、を備える。

上記した目的を達成するために、本発明に係る杭頭解析プログラムでは、打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析プログラムであって、移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得工程と、前記画像取得工程にて取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、前記三次元モデル生成工程にて生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭頭検出工程と、前記杭頭検出工程にて検出された杭頭と、予め取得した設計情報との整合を判別する整合判別工程と、をコンピュータに実行させる。

上記手段用いる本発明に係る杭頭確認システムによれば、杭頭の解析をより効率的に、且つ安定した精度で行うことができる。

本発明の実施形態に係る杭頭解析システムの全体構成図である。杭頭解析システムの制御ブロック図である。杭頭解析ルーチンを示すフローチャートである。写真測量により杭頭部分を抽出する概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１には本発明の一実施形態に係る杭頭解析システムの全体構成図が示されており、図２には当該杭頭解析システムの制御ブロック図が示されている。これらの図に基づき、杭頭解析システムの構成について説明する。

杭頭解析システム１は、写真測量に基づく解析システムであり、工事現場Ｃの上空を移動しつつ写真測量用の画像を複数撮影する移動撮影装置２と、当該移動撮影装置２により撮影した画像から三次元モデルの生成及び杭頭の解析を行う解析装置３と、を有している。

本実施形態の工事現場Ｃは、杭の打設後、根切りを行い、杭頭処理を行った杭頭Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｍが露出している状態にある。なお本実施形態では、円筒状の鋼杭を例に説明するが、杭の材質や形状はこれに限られるものではなく、例えば、杭は断面矩形の角杭でもよい。

移動撮影装置２は、移動体であるＵＡＶ１０に、写真測量用の画像を撮影するカメラ１１が搭載されて構成されている。なお、カメラ１１が撮影する画像は静止画像及び動画像でもよい。

詳しくは、ＵＡＶ１０は、工事現場Ｃの上空を、予め定められた飛行経路で飛行したり、遠隔操作により自由に飛行したりすることが可能な飛行移動体である。当該ＵＡＶ１０には飛行を行うための飛行機構１０ａの下部にジンバル機構１０ｂが設けられている。

カメラ１１はＵＡＶ１０のジンバル機構１０ｂより支持されており、当該ジンバル機構１０ｂによって撮影方向を自由に変更可能である。本実施形態では、ジンバル機構１０ｂは、工事現場Ｃの撮影のため上空から常に下方を撮影するよう姿勢を安定化させる。

また、カメラ１１には、ＧＰＳ信号を受信可能なＧＰＳユニット１２が設けられている。当該ＧＰＳユニット１２は、受信したＧＰＳ信号に基づき移動撮影装置２の現在位置を測量可能である。

解析装置３は、写真測量用のプログラムや杭解析用のプログラムを実行可能なパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の情報処理端末である。

次に図２を参照しつつ、杭頭解析システム１の移動撮影装置２及び解析装置３が搭載する制御系の構成について説明する。なお、移動撮影装置２のＵＡＶ１０に係る飛行制御については、周知の技術を適用すればよく、説明を省略する。

図２に示すように、移動撮影装置２は、上述したカメラ１１、ＧＰＳユニット１２の他に、撮影制御部１３及び記憶部１４を有している。なお、図示しないが、移動撮影装置２は、この他にも操作部や表示部等が設けられていてもよい。

撮影制御部１３は、カメラ１１及びＧＰＳユニット１２と電気的に接続されている。当該撮影制御部１３は、隣合う画像が一部重複するように、予め設定された撮影周期で撮影を行うようカメラ１１を制御するとともに、撮影時点における位置情報をＧＰＳユニット１２より取得する機能を有している。さらに、撮影制御部１３は、カメラ１１により撮影した画像と、ＧＰＳユニット１２より取得した位置情報とを対応付けて、記憶部１４に記憶する。

記憶部１４は、各種情報を記憶可能な、例えばフラッシュメモリであり、主に撮影制御部１３から送られる位置情報を含む画像を記憶する。当該記憶部１４に記憶された情報は、他の記憶媒体や、有線又は無線による通信を介して他の装置に移動又は複製可能である。

一方、解析装置３は、主に、画像取得部２０、三次元モデル生成部２１、杭頭検出部２２、整合判別部２３、表示部２４を有している。なお、解析装置３には、図示しない記憶部に、工事現場Ｃにおける杭の埋設点座標や、杭の形状、大きさ等の仕様を含む設計情報が記憶されている。

画像取得部２０は、上記記憶部１４に記憶されている位置情報を含む画像を取得する部分である。

三次元モデル生成部２１は、画像取得部２０にて取得した複数の画像に基づき、写真測量の手法により、三次元モデルを生成する部分である。詳しくは、一部重複する複数の画像から互いに共通する特徴点を抽出し、空間的な位置関係が合うように合成することで三次元モデル（ステレオモデル）を生成する。例えば、工事現場Ｃにおける根切り部分の形状や頂点を特徴点とする。また、予め工事現場Ｃの既知点に対空標識等を設置し、画像と地上点との対応付け（相対的な座標から絶対的な座標への対応付け）のための標定点や、精度確認を行うための検証点として使用する。また、杭頭に対空標識や画像処理において認識しやすいマークを付けたり、杭そのものの形状を利用することで、杭頭位置の三次元計測作業の向上を図ることができる。

杭頭検出部２２は、三次元モデル生成部２１により生成された三次元モデルの中から、杭頭を検出する部分である。これは、例えば画像認識により自動で杭頭を検出したり、作業者が表示部２４を通して三次元モデルの中から目視により手動で検出してもよい。そして、杭頭検出部２２は、検出された杭頭の杭芯の位置、杭頭の高さ、杭頭の傾きを検出する。つまり、円筒状の杭頭の中心位置のＸＹ座標（水平面座標）を杭芯の位置として検出し、地表から杭頂面までのＺ座標（鉛直座標）を杭頭の高さとして検出し、杭芯軸とＺ軸（鉛直軸）との角度差を杭頭の傾きとして検出する。

整合判別部２３は、杭頭検出部２２により検出された杭頭と、記憶部から予め取得した設計情報における杭頭の仕様との整合を判別する部分である。具体的には、杭芯の位置、杭頭の高さ、杭頭の傾きが、設計情報の値に対して許容範囲内にあるか否かを判別する。

表示部２４は、ＰＣのディスプレイ等であり、三次元モデル生成部２１により生成された三次元モデル上に、整合判別部２３により判別された杭頭の整合に関する情報を表示させることが可能である。

このように構成された、杭頭解析システム１は、まず、図１に示すように、移動撮影装置２により工事現場Ｃの上空を移動しながら所定の撮影周期で写真測量用の画像Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎを複数撮影する。その後、解析装置３により当該画像Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎから三次元モデルを生成して、杭頭を検出して、当該杭頭の整合を判別する。

ここで、図３、図４を参照すると、図３には本実施形態の杭頭解析システムにおける杭頭解析ルーチンが示されており、図４には杭頭の整合判別についての説明図が示されており、以下、途中図５を参照しつつ、図４のフローチャートに沿って杭頭解析プログラムの実行による杭頭解析方法について説明する。なお、図４は、簡略化のために三次元モデルＭを平面とし杭頭のみを三次元化して示しており、杭頭は大きさ、高さ、傾き等は実際の表示よりも大きく示している。

図４に示すように、まず杭頭解析ルーチンのステップＳ１として、移動撮影装置２が工事現場Ｃの上空を飛行し、隣り合う画像が一部重複するように所定の周期で工事現場Ｃの画像を撮影する。また、撮影制御部１３は、各撮影と同時にＧＰＳユニット１２により撮影時点の移動撮影装置２の位置情報を取得し、位置情報を含む画像を記憶部１４に記憶する。

ステップＳ２として、移動撮影装置２は、全ての撮影を終えると飛行を完了する。

そして、ステップＳ３として、解析装置３の画像取得部２０は、移動撮影装置２の記憶部１４から、位置情報を含む画像を取得する（画像取得工程）。

ステップＳ４として、三次元モデル生成部２１は、取得した複数の画像から写真測量の手法に基づき、三次元モデルを生成する（三次元モデル生成工程）。具体的には、各画像の撮影姿勢（外部標定要素）とカメラの校正パラメータ（内部標定要素）を推定する。そして、各画像内より特徴点を抽出し、画像間でマッチングを行い、ステレオモデルを生成する。また、複数画像内から対象物（例えば杭頭）の画素を指定し、三次元位置を計測する、いわゆるマニュアル計測を行う。又は、このマニュアル計測を自動化し、画像間で重複するエリアに対して、三次元の点群データを生成してもよい。

また、ステップＳ５として、杭頭検出部２２は、生成された三次元モデルの中から杭頭を検出する（杭頭検出工程）。

このステップＳ４及びＳ５について、具体的には、図４に示すように、三次元モデル生成部２１は、一部重複する画像Ｐ１、Ｐ２及び図示しないその他の画像から三次元モデルＭを生成する。

図４では、三次元モデルＭ上に第１の杭頭Ｈ１から第４の杭頭Ｈ４が含まれており、杭頭検出部２２は、自動又は手動によりこれらの杭頭を検出する。さらに、杭頭検出部２２はこれらの杭芯位置（例えばＨ１ｏ）、杭頭の高さ（例えばＨ１ｈ）、杭芯軸（例えばＨ１ａ）を検出し、続くステップＳ６からＳ８にてこの検出された杭の整合判別を行う（整合判別工程）。

ステップＳ６において、整合判別部２３は、杭芯位置が許容範囲内であるか否かを判別する。当該判別は、例えば杭頭の杭芯位置の座標と設計情報における杭芯位置座標との位置差分を算出し、当該位置差分が予め定めた許容範囲内であるかで判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち図４の第１の杭頭Ｈ１のように、杭芯位置Ｈ１ｏの座標が設計情報における杭芯位置Ｈ１ｐ（杭埋設点）とほぼ一致する場合は、次のステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、整合判別部２３は、杭頭高さが許容範囲内であるか否かを判別する。当該判別は、例えば杭頭高さと杭頭モデルＨ０の杭頭高さＨ０ｈとの高さ差分を算出し、当該高さ差分が予め定めた許容範囲内であるかで判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち図４の第１の杭頭Ｈ１のように、杭頭高さＨ１ｈが杭頭モデルＨ０における杭頭高さＨ０ｈとほぼ一致する場合は、次のステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、整合判別部２３は、杭頭傾きが許容範囲内であるか否かを判別する。当該判別は、例えば杭頭傾きと杭頭モデルＨ０の杭頭傾き（例えば鉛直）との傾き差分を算出し、当該傾き差分が予め定めた許容範囲内であるかで判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち図４の第１の杭頭Ｈ１のように、杭頭軸Ｈ１ａの傾きが杭頭モデルＨ０における杭頭軸Ｈ０ａの傾きとほぼ一致する場合（傾き０）は、次のステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、表示部２４はステップＳ６～Ｓ８の判別結果が全て真（Ｙｅｓ）である杭頭はほぼ設計通りに設置されているものとして、当該杭頭については表示画面上では通常表示で表示する。例えば図４の第１の杭頭Ｈ１は、通常表示で表示される。

次のステップＳ１０において、整合判別部２３は、この時点で上記ステップＳ５にて検出された杭頭の全ての整合判別を完了したか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は当該ルーチンを終了する。一方、当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち整合判別を行っていない杭頭が残っている場合は、ステップＳ５に戻り、次の杭頭の整合判別を行う。

上記ステップＳ６～Ｓ８のいずかの判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、即ち杭芯位置、杭頭高さ、杭頭傾きのいずれか一つでも許容範囲外である場合は、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、許容範囲外であった杭頭について表示画面上にて警告表示を行う。この警告表示は、許容範囲外にある要素の種類（杭芯位置、杭頭高さ、杭頭傾き）に応じて警告表示を変えてもよいし、差分の程度によって警告表示を変えてもよい。

例えば、図４では、第２の杭頭Ｈ２は位置差分ΔＨ２ｏが許容範囲外であることを示しており、第３の杭頭Ｈ３は高さ差分ΔＨ３ｈが許容範囲外であることを示しており、第４の杭頭は傾き差分ΔＨ４ａが許容範囲外であることを示している。

以上のように、本実施形態の杭頭解析システム１では、解析装置３が、ＵＡＶ１０に設けられたカメラ１１により撮影された工事現場Ｃの複数の画像を取得する。そして解析装置３は、当該画像から三次元モデルを生成し、そこから杭頭を検出して、整合判別を行っている。写真測量による三次元モデルので生成は、レーザスキャナのように工事現場全域において点群データを取得する必要はなく、杭頭を含む必要な範囲のみの点群データを生成すれば杭頭の整合判別に足りることからデータ量を少なくすることができ効率的に杭頭の解析を行うことができる。また、作業者が杭頭を計測するよりも安定した精度を確保することができる。

そして、当該写真測量に基づく三次元モデルから、杭頭の杭芯の位置、杭頭高さ、杭頭の傾きを検出し、それぞれの整合を判別することで、杭の打設状態の確認も行うことができる。

また、例えば図４に示す三次元モデルＭのように、杭頭の整合に関する情報を閲覧者が理解しやすく表示することで、杭の打設の不具合というを即座に発見することができる。

以上のことから本実施形態に係る杭頭解析システム、杭頭解析方法、及び杭頭解析プログラムによれば、杭頭の解析をより効率的に、且つ安定した精度で行うことができる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、杭頭検出部２２において、自動又は手動で杭頭を検出しているが、予め工事現場Ｃにて杭頭に色を付しておいてから移動撮影装置２による撮影を行い、三次元モデルから杭頭を検出するための一つの要素として、付した色を用いてもよい。例えば、杭の種類ごとに色を変えたりしてもよい。レーザスキャナによる点群データで対象物の色を識別することができないが、写真測量では実際の工事現場Ｃの色までモデル化に含めることができ、これにより杭頭の検出をより円滑に且つ正確に行うことができるようになる。

また、上記実施形態では、移動撮影装置２はＵＡＶ１０を移動体として用いているが、移動体はこれに限られず、例えば、有人の飛行体であってもよい。

また、上記実施形態では、移動撮影装置２の位置をＧＰＳユニット１２により測量しているが、移動撮影装置２の位置を測量する手段はこれに限られるものではなく、例えば自動追尾式のトータルステーションにより移動撮影装置２を追尾測量した結果を用いてもよい。

１杭頭解析システム
２移動撮影装置
３解析装置
１０ＵＡＶ
１１カメラ
１２ＧＰＳユニット
１３撮影制御部
１４記憶部
２０画像取得部
２１三次元モデル生成部
２２杭頭検出部
２３整合判別部
２４表示部
Ｃ工事現場
Ｍ三次元モデル
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈｍ杭頭

Claims

打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析システムであって、
移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得部と、
前記画像取得部により取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成部と、
前記三次元モデル生成部により生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭頭検出部と、
前記杭頭検出部により検出された杭頭と、予め取得した設計情報に基づく杭頭との整合を判別する整合判別部と、
を備える杭頭解析システム。
前記杭頭検出部は前記杭頭の杭芯を検出し、
前記整合判別部は、前記杭芯と前記設計情報に基づく杭埋設点との整合を判別する請求項１記載の杭頭解析システム。
前記杭頭検出部は前記杭頭の地表から杭の頂面までの高さである杭頭高さを検出し、
前記整合判別部は、前記杭頭高さと前記設計情報に基づく杭頭高さとの整合を判別する請求項１又は２記載の杭頭解析システム。
前記杭頭検出部は前記杭頭の傾きを検出し、
前記整合判別部は、前記杭頭の傾きと前記設計情報に基づく前記杭頭の傾きとの整合を判別する請求項１から３のいずれか一項に記載の杭頭解析システム。
さらに、前記三次元モデル生成部により生成された三次元モデル上に、前記整合判別部により判別された杭頭の整合に関する情報を表示させる表示部を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の杭頭解析システム。
前記杭頭には、色が付されており、
前記杭頭検出部は前記三次元モデルから杭頭を検出するための要素として、前記色を含める請求項１から５のいずれか一項に記載の杭頭解析システム
コンピュータが、打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析方法であって、
移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得工程と、
前記画像取得工程にて取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、
前記三次元モデル生成工程にて生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭頭検出工程と、
前記杭頭検出工程にて検出された杭頭と、予め取得した設計情報との整合を判別する整合判別工程と、
を備える杭頭解析方法。
打設された杭の杭頭を解析する杭頭解析プログラムであって、
移動体に設けられたカメラにより撮影された、前記杭を含む対象地の画像を複数取得する画像取得工程と、
前記画像取得工程にて取得した複数の画像から前記対象地の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、
前記三次元モデル生成工程にて生成された前記三次元モデルから前記杭頭を検出する杭
頭検出工程と、
前記杭頭検出工程にて検出された杭頭と、予め取得した設計情報との整合を判別する整合判別工程と、
をコンピュータに実行させるための杭頭解析プログラム。