JP7173779B2 - 構造物の出来形計測方法及び計測システム - Google Patents

Description

本発明は構造物の出来形計測方法及び計測システムに関し、特に張出し架設工法によって施工される橋梁上部工の出来形計測方法に関する。

張出し架設工法によって施工される橋梁上部工では、出来形の施工管理が重要であり、そのために出来形の計測精度の向上が求められている。出来形の寸法計測方法として、３次元スキャナで構造物の表面を走査し、表面の点群を取得し、点群から構造物の表面を再現する技術が知られている。特許文献１には、点群からノイズを排除した後、点群を線分、円弧などの基本的な平面図形で近似してトンネルの内表面を再現する方法が開示されている。

特開２０１６－２０５８３７号公報

特許文献１に記載された方法はトンネルのような比較的単純な形状の構造物には適用できるが、より複雑な構造物では平面図形の選択が困難であり、容易に適用できない場合がある。本発明は表面形状が複雑な構造物に対しても適用できる構造物の出来形計測方法を提供することを目的とする。

本発明の構造物の出来形計測方法は、計測対象面を含む構造物の表面を走査して表面の点群を取得することと、点群から計測対象面の輪郭線を抽出することと、輪郭線に近似したパターンプレートを輪郭線にフィッティングすることと、フィッティングされたパターンプレートに基づき構造物の寸法を計測することと、有する。

本発明では抽出された輪郭線に近似したパターンプレートが輪郭線にフィッティングされる。このため、表面形状が複雑な構造物に対してもフィッティングが容易且つ高精度で行われる。従って、本発明によれば、表面形状が複雑な構造物に対しても適用できる構造物の出来形計測方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る出来形計測システムの概略構成図である。 橋梁上部工の張出し架設工法の概要を示す図である。 第１の計測対象面の近傍の正面図と側面図である。 施工済みのブロックへのターゲットの設置方法を示す図である。 取得された点群を示す図である。 ３次元スキャナで得られるエッジの点群を示す図である。 輪郭線の一例を示す図である。 ターゲットの他の設置方法を示す図である。 フィッティングの手順を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の構造物の出来形計測方法及び計測システムの実施形態について説明する。本実施形態で対象とする構造物は張出し架設工法によって施工される橋梁上部工である。しかし、本発明は橋梁上部工に限定されず、任意の構造物の寸法計測に適用することができる。

図１は本実施形態に係る構造物の出来形計測システム１の概略構成図を示す。出来形計測システム１は３次元スキャナ２と、輪郭線抽出手段３と、フィッティング手段４と、寸法計測手段５と、を有している。３次元スキャナ２は構造物の表面を走査して、構造物の表面の点群を取得する。輪郭線抽出手段３は点群から構造物の計測対象面の輪郭線を抽出する。輪郭線抽出手段３は計測基準面を設定する計測基準面の設定手段３１も有している。フィッティング手段４は輪郭線に近似したパターンプレートを輪郭線にフィッティングする。寸法計測手段５はフィッティングされたパターンプレートに基づき構造物の寸法を計測する。輪郭線抽出手段３とフィッティング手段４と寸法計測手段５はＰＣなどのコンピュータ６で構成することができる。より具体的には、輪郭線抽出手段３とフィッティング手段４と寸法計測手段５は、コンピュータ６にインストールされたプログラムである。３次元スキャナ２の移動及び走査は独立した制御装置によって制御することもできるが、コンピュータ６からの指示によって制御するようにしてもよい。

図２は橋梁上部工１１の張出し架設工法の概要を示している。図２（ａ）に示すように、橋脚１２の上に鉄筋コンクリート製の中央ブロック１３が設置され、次に中央ブロック１３の橋軸方向Ｘにおける両側に第１のブロック１４が継ぎ足される。施工中の第１のブロック１４の上部には、第１のブロック１４を施工するための鉄筋、型枠、コンクリートなどを供給する移動作業車１６が設置されている。第１のブロック１４にはさらに第２のブロック１５が継ぎ足され、最終的にすべてのブロックが連結されて橋梁上部工１１が完成する。図２（ａ）は施工中の状態を示しており、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ方向からみた第１のブロック１４の出来形の正面図である。第１のブロック１４は路面となる上スラブ１４１と、上スラブ１４１と対向する下スラブ１４２と、これらを接続する一対のウエブ１４３とで形成された概ね矩形の中空梁構造を有し、上スラブ１４１は両側に張出部１４４を有している。

出来形計測は各ブロックの施工が完了し、ブロックの端面が露出した状態で行われる。すなわち、出来形計測は橋梁上部工１１の施工中に現れる各ブロックの端面を対象に行われる。図２（ａ）は第１のブロック１４の端面が露出した状態を示しており、この端面を第１の計測対象面１７という。図２（ｂ）では分かりやすいように第１の計測対象面１７にハッチングを施している。第１のブロック１４に続いて施工される第２のブロック１５の端面を第２の計測対象面１８という。第１の計測対象面１７の出来形計測が行われた後、第２のブロック１５が施工され、第２のブロック１５の第２の計測対象面１８の出来形計測が行われる。橋梁上部工１１の場合、各ブロックの端面は互いに近似しており、第２の計測対象面１８は第１の計測対象面１７に近似している。出来形計測では例えば図２（ｂ）に示す寸法Ｄ１～Ｄ１０が計測される。以下の説明では上スラブ１４１の中央部における寸法（厚さ）Ｄ３を計測する場合を例に説明する。

（１）ステップ１
図３（ａ）は第１の計測対象面１７の正面図、すなわち第１のブロック１４の出来形を橋軸方向Ｘからみた正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ方向からみた第１のブロック１４の出来形の側面図である。図３（ａ）では分かりやすいように第１の計測対象面１７にハッチングを施している。図４は施工済みの第１のブロック１４の一部を示す、図２（ｂ）のＢ部付近の斜視図である。第２のブロック１５の鉄筋１９が第１の計測対象面１７から橋軸方向Ｘに延びており、その下にコンクリート打設用の仮設構造物である型枠２０が設置されている。第１のブロック１４の上面（以下、第１の水平面２３という）と型枠２０の上面（以下、第２の水平面２６という）は互いに平行な水平面であり、第１の計測対象面１７は第１の水平面２３及び第２の水平面２６と直交する鉛直面である。

まず、第１の計測対象面１７を含む第１のブロック１４の表面を走査して表面の点群を取得する。橋軸方向Ｘ前方には３次元スキャナ２が配置されている。３次元スキャナ２は、移動作業車１６に設置された移動装置２１上を自動走行する。移動装置２１は鉛直方向Ｚ及び横方向Ｙに設置されたレールである。計測ポイントＰ１～Ｐ４は第１の計測対象面１７の四隅の近傍に計４箇所設けられている。３次元スキャナ２はレール上を各計測ポイントＰ１～Ｐ４まで移動し、そこで静止し、レーザ光を鉛直方向Ｚ及び横方向Ｙの所定の角度範囲で照射することにより第１のブロック１４とその周囲の各種構造物の表面を走査する。３次元スキャナ２は反射したレーザ光の受光部（図示せず）を備えており、照射角、照射してから反射光を受光するまでの時間などから、各照射角に対応した第１のブロック１４とその周囲の各種構造物の表面までの距離を測定する。このように、３次元スキャナ２は複数の計測ポイントＰ１～Ｐ４まで自動走行し、各計測ポイントＰ１～Ｐ４で表面の走査を行うことによって、第１のブロック１４とその周囲の各種構造物の表面の３次元的形状を点群として取得する。

複数の計測ポイントＰ１～Ｐ４で取得された点群は合成され、第１のブロック１４とその周囲の各種構造物の表面形状を表す一つの点群データに変換される。点群の合成のため、第１のブロック１４に基準構造体（図示せず）を設け、複数の計測ポイントで基準構造体を走査することが望ましい。これによって、基準構造体を基準とした合成が可能となる。基準構造体としては例えば球体を用いることができる。以下の説明で、取得された点群が分布する空間を点群空間という。点群空間における縮尺（スケール）と実空間における縮尺（スケール）は一致している。従って、測定誤差などを除けば、点群空間で測定した２点間の距離は実構造物における２点間の距離に一致する。

図４に示すように、３次元スキャナ２で第１のブロック１４の表面を走査する際、第１のブロック１４の第１の水平面２３にターゲット２２が設置される。ターゲット２２は第１の計測対象面１７と第１の水平面２３との交線２４の近傍に設置される。ターゲット２２は３次元スキャナ２で認識できればどのようなものであってもよいが、ここでは白黒の市松模様のターゲットを用いている。市松模様はターゲット２２の中心が正確に認識できるため好ましい。この他、十字線などをターゲット２２として用いることもできる。ターゲット２２は塗装、シールの添着などの適宜の方法で設けることができる。

本実施形態では、第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂが、第１の水平面２３に設置される。第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂは第１の計測対象面１７と第１の水平面２３との交線２４と垂直な線２５上の互いに異なる位置に配置される。第１のターゲット２２は交線２４から第１の距離（所定距離）Ｌ１離れており、第２のターゲット２２は交線２４から第２の距離Ｌ２距離離れている。第１の距離Ｌ１または第２の距離Ｌ２、またはこれらの双方は後述するステップ２で使用するため、コンピュータ６に入力される。なお、第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂは第２の水平面２６に設置することもできるが、点群の取得が鉄筋１９によって妨害される可能性があるため、第１の水平面２３に設置することが好ましい。

図５（ａ）は取得された点群を側面図で、図５（ｂ）は取得された点群を平面図で示している。便宜上、点群はグレーのバンドまたは領域で示しており、構造物の符号に対してＸを付けて区別している（例えば、第１の計測対象面１７の点群は符号１７Ｘで示されている）。３次元スキャナ２での走査の際は、鉄筋１９、型枠２０、ターゲット２２ａ，２２ｂも併せて走査される。従って、点群空間は少なくとも、第１の計測対象面１７を示す点群１７Ｘと、第１の水平面２３を示す点群２３Ｘと、型枠２０の第２の水平面２６を示す点群２６Ｘと、第１のブロック１４のその他の面２７（側面、底面等）を示す点群２７Ｘと、鉄筋１９を示す点群１９Ｘと、第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂを示す点群２２ａＸ，２２ｂＸとを含んでいる。

（２）ステップ２
次に輪郭線抽出手段３によって、点群から構造物（第１のブロック１４）の第１の計測対象面１７の輪郭線Ｃを抽出する。まず、図５に示すように、輪郭線抽出手段３は第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂを示す点群２２ａＸ，２２ｂＸを抽出し、点群空間における第１及び第２のターゲット２２ａＸ，２２ｂＸの中心位置（すなわち、市松模様の中心位置）を決定する。次に、輪郭線抽出手段３は第１及び第２のターゲット２２ａＸ，２２ｂＸの中心同士を結ぶ線とその延長線（これらをまとめて線２５Ｘという）を設定する。線２５Ｘは第１のステップでターゲット２２を設置する際に用いた線２５に実質的に一致する。

次に、輪郭線抽出手段３の計測基準面の設定手段３１は点群空間において、第１のターゲット２２ａＸの中心から第１の距離Ｌ１離れた位置に、線２５Ｘと垂直な面を設定する。この面は点群空間で第１の計測対象面１７を含む面であり、以下計測基準面１７Ｙと呼ぶ。計測基準面１７Ｙが第１のターゲット２２ａ側にあるか、第２のターゲット２２ｂ側にあるかの位置情報は設定手段３１に入力される。本実施形態では、計測基準面１７Ｙが第１のターゲット２２ａ側にあるという条件が入力される。従って、設定手段３１は第１のターゲット２２ａＸの中心から第２のターゲット２２ｂＸから離れる方向に第１の距離Ｌ１離れた位置に計測基準面１７Ｙを設定する。第１の距離Ｌ１の代わりに第２の距離Ｌ２を用いてもよく、この場合第２のターゲット２２ｂＸの中心から第２の距離Ｌ２離れた面が計測基準面１７Ｙとして設定される。第１の距離Ｌ１から決まる計測基準面と第２の距離Ｌ２から決まる計測基準面の中間面を計測基準面１７Ｙとして設定してもよい。

次に、輪郭線抽出手段３は一般的な面検出機能を用いて、すべての点群から複数の平面を抽出する。ここでは、平面として認識されるすべての平面が抽出される。平面抽出に使われなかった点群はノイズとして除去される。次に、抽出された平面のうち、ＹＺ面に垂直な平面だけを抽出する。これによって輪郭線抽出に不要な面が除去される。測定誤差などを考慮し、ＹＺ面に完全に垂直な面だけでなく、ＹＺ面にほぼ垂直な面（例えばＹＺ面に対して８５～９５度の角度をなす面）を抽出するようにしてもよい。このようにして求められた面は第１の計測対象面１７と直交する面の近似面を表している。図５（ａ）には一例として第１の水平面２３の近似面２３Ｙと第２の水平面２６の近似面２６Ｙを示している。次に、これらの近似面と計測基準面１７Ｙとの交線を求める。近似面と計測基準面１７Ｙの交線が存在しないときは近似面を延長して交線を求める。交線は点群空間における計測基準面１７Ｙの輪郭線Ｃを示している。

図６（ａ）にはこのようにして得られた輪郭線Ｃを実線で示す。破線は実際の第１の計測対象面１７の輪郭線Ｃ’を示しており、両者はほぼ一致している。参考として、図６（ｂ）には輪郭線Ｃだけを、図６（ｃ）には輪郭線Ｃ’だけを示している。輪郭線抽出手段３で得られた輪郭線Ｃはところどころ途切れており、また完全な直線状とはなっていない。このような現象が生じる原因として鉄筋１９などの障害物の影響が考えられる。例えば鉄筋１９の陰になったところは鉄筋１９でレーザ光が遮られるため、点群が得られない。この結果、輪郭線Ｃに欠落部が生じる。また、最初に輪郭線抽出手段３で平面を抽出する際に、表面の凹凸などに起因して、一つの面が２以上の面として抽出されることがある。このような面が生成されると、輪郭線Ｃが曲がって見えたり断続して見えたりすることがある。

計測基準面１７Ｙを設定することで交線、すなわち構造物のエッジをより精度よく再現することができる。その理由は以下のとおりである。３次元スキャナ２は距離の計測精度は高いが、エッジの検出精度は十分でない場合がある。図７（ａ）は抽出されたエッジ２４の点群を、図７（ｂ）は同図のＡ部拡大図を示している。これらの図から分かるとおり、エッジ２４は本来のエッジ２４より斜め内側の位置で検出される傾向がある。また、エッジ２４自体も丸く検出され、エッジ２４を表す点も広範囲に分布する。これらの理由により、寸法Ｄ３を計測する際に鉛直方向Ｚの起点を正確に設定できない。これに対し、本実施形態では、エッジ２４が計測基準面１７Ｙと近似面との交線として定義されるため、エッジ２４の位置の誤差が低減される。また、計測基準面１７Ｙの橋軸方向Ｘの位置は、第１のブロック１４上で実測された値（第１の距離Ｌ１）に基づき決められるため、橋軸方向Ｘの位置の誤差が入る余地も小さい。計測基準面１７Ｙの橋軸方向Ｘの位置に誤差が生じると、輪郭線Ｃの抽出誤差が大きくなる。

図８はターゲットの他の設置方法を示す概念図である。図８（ａ）を参照すると第１の水平面２３に３つのターゲット（第１～第３のターゲット１２２ａ～１２２ｃ）が設置される。第１～第３のターゲット１２２ａ～１２２ｃは直角三角形の各頂点に配置され、第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂと同様、市松模様等で形成される。直角三角形の第１の辺Ｓ１は計測対象面１７ないし交線２４と平行で、且つ計測対象面１７ないし交線２４から第１の距離（所定距離）Ｌ１０１離れている。第２の辺Ｓ２は第１の辺Ｓ１と直交し、第１の辺Ｓ１より長い。第１のターゲット１２２ａと第２のターゲット１２２ｂは第１の辺Ｓ１の両端に位置し、第２のターゲット１２２ｂと第３のターゲット１２２ｃは第２の辺Ｓ２の両端に位置している。第１～第３のターゲット１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃの点群は他の構造物の点群とともに３次元スキャナ２によって取得される。計測基準面１７Ｙは、点群空間において、第１のターゲット１２２ａと第２のターゲット１２２ｂとを通る線と垂直で且つ第１の辺Ｓ１から第３のターゲット１２２ｃの反対側に第１の距離Ｌ１０１離れた面として設定される。このように、第１の辺Ｓ１は交線２４までの距離Ｌ１０１を規定し、第２の辺Ｓ２は計測基準面１７ＹのＺ軸周りの角度を規定し、第３のターゲット１２２ｃは計測対象面１７が第１の辺Ｓ１のどちら側にあるかを規定する。設定手段３１は、計測対象面１７が第１の辺Ｓ１に関して第３のターゲット１２２ｃ側にあるか第３のターゲット１２２ｃの反対側にあるかの位置情報を記憶しており、第１～第３のターゲット１２２ａ～１２２ｃはこの位置情報に従って配置される。従って、第１～第３のターゲット１２２ａ～１２２ｃと第１の辺Ｓ１と第２の辺Ｓ２とを認識すれば、測定手段３１に追加の指示を与えることなく、計測基準面１７Ｙが自動的に設定されることになる。本実施形態では、計測対象面１７が第１の辺Ｓ１に関して第３のターゲット１２２ｃの反対側にあるため、計測基準面１７Ｙは第１の辺Ｓ１から第３のターゲット１２２ｃから離れる方向に第１の距離Ｌ１０１離れた位置に設定される。本実施形態では第１の辺Ｓ１が短辺で第２の辺Ｓ２が長辺であるが、第１の辺Ｓ１が長辺で第２の辺Ｓ２が短辺であってもよい。つまり、第１の辺Ｓ１と第２の辺Ｓ２は区別が可能なように互いに長さが異なっていればよい。また、第３のターゲット１２２ｃは第１の辺Ｓ１の交線２４側にあってもよく、そのような位置情報を設定手段３１に記憶させることによって、計測基準面１７Ｙは正しい位置に設定される。

図８（ｂ）を参照すると、第１及び第２のターゲット２２２ａ，２２２ｂが計測対象面１７と第１の水平面２３との交線２４と垂直な線上の互いに異なる位置に配置されている。第１及び第２のターゲット２２２ａ，２２２ｂは図４における第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂと同じである。さらに本実施形態では、第３及び第４のターゲット２２２ｃ，２２２ｄが第１の水平面２３と垂直な線上の互いに異なる位置に配置されている。第３及び第４のターゲット２２２ｃ，２２２ｄは、例えば市松模様を印刷した透明なプラスチック板を第１の水平面２３に垂直に設置することで設けることができる。第３のターゲット２２２ｃと第４のターゲット２２２ｄの距離は第１のターゲット２２２ａと第２のターゲット２２２ｂの距離より小さい。第１～第４のターゲット２２２ａ～２２２ｄは第１及び第２のターゲット２２ａ，２２ｂと同様、市松模様等で形成される。第１のターゲット２２２ａは計測対象面１７を含む面から第１の距離Ｌ２０１離れた位置に配置され、第２のターゲット２２２ｂは計測対象面１７を含む面から第２の距離Ｌ２０２離れた位置に配置され、第３及び第４のターゲット２２２ｃ，２２２ｄは計測対象面１７を含む面から第３の距離Ｌ２０３離れた位置に配置されている。つまり、第１～第４のターゲット２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄのいずれかを基準ターゲットとしたときに、基準ターゲットは計測対象面１７を含む面から所定距離離れた位置に配置される。第１～第４のターゲット２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄの点群は他の構造物の点群とともに３次元スキャナ２によって取得される。測定手段３１によって、点群空間のＺ軸の向きは第３のターゲット２２２ｃと第４のターゲット２２２ｄとを通る線と平行な方向であると定義される。計測基準面１７Ｙは、点群空間において、第１のターゲット２２２ａと第２のターゲット２２２ｂとを通る線と垂直な面として設定される。計測基準面１７ＹのＸ方向位置は、第１のターゲット２２２ａから第１の距離Ｌ２０１離れた位置、または第３のターゲット２２２ｃから第３の距離Ｌ２０３離れた面として設定される。計測基準面１７ＹのＸ方向位置は、第２のターゲット２２２ｂから第２の距離Ｌ２０２離れた位置、または第４のターゲット２２２ｄから第３の距離Ｌ２０３離れた面として設定することもできる。計測対象面１７と第１～第４のターゲット２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄとの位置情報は予め設定手段３１に記憶される。具体的には、計測対象面１７が第１のターゲット２２２ａと第２のターゲット２２２ｂを結ぶ線に関し第３のターゲット２２２ｃ側にあることが設定手段３１に記憶される。また、第３のターゲット２２２ｃと第４のターゲット２２２ｄの距離が第１のターゲット２２２ａと第２のターゲット２２２ｂの距離より小さいため、第１～第４のターゲット２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄを識別することができる。従って、計測対象面１７は測定手段３１に追加の指示を与えることなく、正しい位置に自動設定される。

３次元スキャナ２が本来の設置姿勢でセットされる場合、点群空間のＸＹＺ軸は実際のＸＹＺ軸と一致する。しかし、３次元スキャナ２を固定用治具から吊り下げて天地逆転してセットする場合、点群空間のＺ軸は反対方向を向くことになる。あるいは設置条件によっては、３次元スキャナ２を斜めの姿勢でセットすることもある。この場合、点群空間のＺ軸は斜め方向を向くことになるため、第１及び第２のターゲット２２２ａ，２２２ｂを通る線と垂直な面を計測基準面１７Ｙとして設定した場合、計測基準面１７Ｙは鉛直面とならない。また、３次元スキャナ２を本来の設置姿勢以外の姿勢でセットする際、３次元スキャナ２に内蔵される傾斜計をオフにすることがあり、その場合どちらの方向が鉛直方向Ｚ上向きかを認識することができない。本実施形態では、第３のターゲット２２２ｃから第４のターゲット２２２ｄを向く方向が鉛直方向Ｚ上向きであると認識される。このため、３次元スキャナ２の設置姿勢によらず点群空間のＺ軸の向きを規定し、鉛直面と平行な計測基準面１７Ｙを設定することができる。

（３）ステップ３
次にフィッティング手段４が、輪郭線Ｃに近似したパターンプレートＰを輪郭線Ｃにフィッティングする。パターンプレートＰは輪郭線Ｃに近似しているものであれば特に限定されないが、一例として橋梁上部工１１の設計図、すなわち橋梁上部工１１の設計輪郭線から求めることができる。図９はフィッティング方法の基本的な概念を示す。同図は説明の便宜上、第１の計測対象面１７より単純な図形を示している。図９（ａ）はパターンプレートＰの一例を示している。パターンプレートＰは第１の線Ｓ１（辺）～第５の線Ｓ５（辺）からなる五角形であり、パターンプレートＰには所定の位置と他の所定の位置との間の寸法、ここでは第１の線Ｓ１の中点と、第１の線Ｓ１の中点から引いた垂線の第４の線Ｓ４との交点との間の距離Ｄを自動計測する指示が与えられている。図９（ｂ）はパターンプレートＰと輪郭線Ｃ０を示している。パターンプレートＰと輪郭線Ｃ０の近似性はこの程度で十分であり、「輪郭線Ｃ０に近似した」とは、パターンプレートＰが輪郭線Ｃ０を構成する複数の区間にそれぞれ対応する複数の線Ｓ１～Ｓ５から構成されることを意味する。換言すれば、輪郭線Ｃ０が多角形で近似可能な場合、近似された輪郭線Ｃ０の辺の数とパターンプレートＰの辺の数が一致していれば両者は近似しているとみなすことができる。また、輪郭線Ｃ０における面取り部のように寸法計測に直接関係しない部位は辺から除外することもできる。この場合、多角形で近似された輪郭線Ｃ０から面取り部の線を除いた辺の数がパターンプレートＰの辺の数と一致していれば両者は近似しているとみなすことができる。

フィッティングはパターンプレートＰの線ごとに行われる。そのため、まず、パターンプレートＰの各辺と輪郭線Ｃ０の各区間との対応付けを行う。具体的には、パターンプレートＰの第１～第５の線Ｓ１～Ｓ５が輪郭線Ｃ０の第１～第５の区間Ｃ１～Ｃ５とそれぞれ対応付けされる。対応付けはパターン認識によって自動的に行ってもよいし、人間がコンピュータ６上で区間を設定することで行ってもよい。次に、図９（ｃ）に示すようにパターンプレートＰの第２の線Ｓ２を輪郭線Ｃ０の対応する第２の区間Ｃ２にフィッティングする。フィッティングには、例えば最小自乗法を用いることができる。ここで重要なことはパターンプレートＰの頂点と輪郭線Ｃ０の頂点を一致させることではなく、パターンプレートＰの線と輪郭線Ｃ０の対応する区間とを合わせることである。頂点同士を合わせると輪郭線Ｃ０の頂点の位置の誤差が大きく、高い再現性が得られない。パターンプレートＰの線と輪郭線Ｃ０の対応する区間とを合わせることで、フィッティングの誤差を低減することができる。頂点は、求められた近似直線の交点として結果的に求められるに過ぎない。その後、図９（ｄ）～（ｆ）に示すように、第３～第５の線Ｓ３～Ｓ５を対応する輪郭線Ｃ０の区間Ｃ３～Ｃ５に同様の方法でフィッティングする。このようにして、輪郭線Ｃ０にフィッティングされたパターンプレートＰＦが求められる。

（４）ステップ４
次に寸法計測手段５が、フィッティングされたパターンプレートＰＦに基づき第１の計測対象面１７の寸法Ｄ３を計測する。パターンプレートＰＦは形状が変更されているが、寸法計測指示は維持されているため、図９（ｆ）に示すフィッティングが終了した状態で寸法Ｄ３（図９における寸法Ｄ）が自動計測される。前述のように、点群の各点は実空間と同じ固有の位置座標を持つため、第１の計測対象面１７における寸法はパターンプレートＰＦから容易に測定することができる。他の寸法Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４～Ｄ１０も同様にして求めることができる。

計測された寸法Ｄ３は帳票に出力される。この際、計測された寸法Ｄ３が所定の許容範囲内にあるかどうかを判定することができる。この作業は人間が行うこともできるが、寸法計測手段５が、計測された寸法Ｄ３を予めメモリに記憶された許容値と比較し、判定結果を帳票に出力することもできる。

第１の計測対象面１７で必要な計測が終了したら第２のブロック１５の施工を行い、第２の計測対象面１８に対して同様の計測を行う。この際に使用するパターンプレートＰは設計輪郭線から求めてもよいが、第１の計測対象面１７の輪郭線ＣにフィッティングされたパターンプレートＰＦを第２の計測対象面１８の輪郭線ＣにフィッティングされるパターンプレートＰとして用いることもできる。第１の計測対象面１７の輪郭線ＣにフィッティングされたパターンプレートＰＦは通常は第２の計測対象面１８の輪郭線Ｃと近似しており、パターンプレートＰとして問題なく使用できる。また、第１の計測対象面１７の輪郭線ＣにフィッティングされたパターンプレートＰＦは、メモリに記憶しておけば簡単に取り出すことができるため、パターンプレートＰを求めるための演算などを行う必要がない。

このように、輪郭線Ｃに近似したパターンプレートＰを輪郭線Ｃにフィッティングすることで、出来形の形状をより精度よく再現することができる。前述のように、輪郭線Ｃは部分的に欠落することがあり、ぎざぎざの形状になることもある。しかし、通常出来形はほぼ設計通りの形状で施工され、基本的な形状が設計と大きく異なることはほぼあり得ない。出来形の施工管理で重要なのは基本的な形状の検査ではなく、各部分の寸法が許容範囲内にあるかどうかであり、基本形状が一致していることは当然の前提として採用することができる。このため、欠落部分をパターンプレートＰで補い、ぎざぎざの部分をパターンプレートＰに従って直線に修正しても大きな問題はなく、むしろ形状の再現性が上がるため施工管理の信頼性が高まる。

また、従来の橋梁上部工の出来形検査は、計測、検査、写真撮影、帳票記入などの人手のかかる作業を行うため長時間を要していた。これに対し本実施形態では３次元スキャナ２の設置、ターゲット２２の設置、３次元スキャナ２の起動、走査、撤去などが必要となるが、ステップ２の輪郭線抽出、ステップ３のフィッティング、ステップ４の寸法計測及び帳票出力はＰＣ上でごく短時間で行われる。一例では同一の検査対象に対し、従来の方法では４５分程度を要していたのに対し、本実施形態では２５分程度で可能となった。

また、本実施形態では橋軸と直交する面の出来形の寸法計測を例に説明したが、検査対象はこれに限定されず、例えば橋梁上部工１１の側面、上面、下面を同様にして検査することもできる。従って、計測された寸法に基づき出来形図を作成することも可能である。

１ 出来形計測システム
２ ３次元スキャナ
３ 輪郭線抽出手段
４ フィッティング手段
５ 寸法計測手段
１１ 橋梁上部工（構造物）
１７ 第１の計測対象面
１７Ｙ 計測基準面
１８ 第２の計測対象面
２２ ターゲット
２２ａ 第１のターゲット
２２ｂ 第２のターゲット
２３ 第１の水平面
２４ 交線（エッジ）
２６ 第２の水平面
Ｃ 輪郭線
Ｐ パターンプレート

Claims (13)

1. 計測対象面を含む構造物の表面を走査して前記表面の点群を取得することと、
   前記点群から前記計測対象面の輪郭線を抽出することと、
   前記輪郭線に近似したパターンプレートを前記輪郭線にフィッティングすることと、
   フィッティングされた前記パターンプレートに基づき前記構造物の寸法を計測することと、有する構造物の出来形計測方法。
2. 前記パターンプレートは前記輪郭線を構成する複数の区間にそれぞれ対応する複数の線を有し、前記フィッティングは前記パターンプレートの前記線ごとに行われる、請求項１に記載の構造物の出来形計測方法。
3. 前記パターンプレートに、前記パターンプレート上の所定の位置と他の所定の位置との間の距離を自動計測する指示が与えられる、請求項１または２に記載の出来形計測方法。
4. 前記パターンプレートは前記構造物の設計輪郭線から求められる、請求項１から３のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
5. 前記構造物の寸法の計測は、前記構造物の施工中に現れる第１の計測対象面と、前記第１の計測対象面の後に現れ、前記第１の計測対象面に近似した第２の計測対象面と、に対して行われ、
   前記第１の計測対象面の前記輪郭線にフィッティングされた前記パターンプレートが、前記第２の計測対象面の前記輪郭線にフィッティングされるパターンプレートとして用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
6. 前記点群は、３次元スキャナを複数の計測ポイントまで走行させ、各計測ポイントで前記３次元スキャナによって前記表面を走査することによって得られた点群を合成することによって取得される、請求項１から５のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
7. 前記計測対象面は、前記構造物または仮設構造物の水平面と垂直な鉛直面であり、
   前記点群を取得する際に、前記水平面に複数のターゲットが設置され、前記複数のターゲットの点群が併せて取得され、
   取得された前記点群が分布する点群空間において、前記複数のターゲットの点群から前記計測対象面を含む計測基準面が設定され、前記点群から前記計測基準面と直交する複数の面が抽出され、前記複数の面と前記計測基準面との交線から前記輪郭線が抽出される、請求項１から６のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
8. 前記複数のターゲットは、前記計測対象面と前記水平面との交線から所定距離離れた第１のターゲットと、前記交線と垂直で前記第１のターゲットを通る線上の前記第１のターゲットと異なる位置に配置された第２のターゲットと、を有し、
   前記計測基準面の設定手段に、前記計測対象面が前記第１のターゲット側にあるか前記第２のターゲット側にあるかの位置情報が入力され、
   前記設定手段は前記位置情報に基づき、前記点群空間において、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとを通る線と垂直で且つ前記第１のターゲットから前記所定距離離れた面を前記計測基準面として設定する、請求項７に記載の出来形計測方法。
9. 前記複数のターゲットは直角三角形の各頂点に位置する第１～第３のターゲットを有し、前記直角三角形は、前記計測対象面と前記水平面との交線と平行で且つ前記交線から所定距離離れ、両端に前記第１及び第２のターゲットが位置する第１の辺と、前記第１の辺と直交し前記第１の辺と長さが異なり、両端に前記第２及び第３のターゲットが位置する第２の辺とを備え、
   前記計測基準面の設定手段は、前記計測対象面が前記第１の辺に関し前記第３のターゲット側にあるか前記第３のターゲットの反対側にあるかの位置情報を記憶しており、前記第１～第３のターゲットは前記位置情報に従って配置され、
   前記設定手段は前記位置情報に基づき、前記点群空間において、前記第２のターゲットと前記第３のターゲットとを通る線と垂直で且つ前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとを通る線から前記所定距離離れた面を前記計測基準面として設定する、請求項７に記載の出来形計測方法。
10. 前記複数のターゲットは、前記計測対象面と前記水平面との交線と垂直な線上の互いに異なる位置に配置された第１及び第２のターゲットを有し、前記点群を取得する際に、前記水平面と垂直な線上の互いに異なる位置に、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとの間隔と異なる間隔で第３及び第４のターゲットが配置され、前記第１～第４のターゲットのいずれかである基準ターゲットが前記計測対象面を含む面から所定距離離れた位置に配置され、前記第３及び第４のターゲットの点群が併せて取得され、
    前記計測基準面の設定手段は、前記計測対象面と前記第１～第４のターゲットとの位置情報を記憶しており、前記第１～第４のターゲットは前記位置情報に従って配置され、
    前記設定手段は、前記点群空間の鉛直方向を前記第３のターゲットと前記第４のターゲットとを通る線と平行な方向であると定義し、
    前記設定手段は前記位置情報に基づき、前記点群空間において、前記第１のターゲットと前記第２のターゲットとを通る線と垂直で且つ前記基準ターゲットから前記所定距離離れた鉛直面を前記計測基準面として設定する、請求項７に記載の出来形計測方法。
11. 前記構造物の計測された寸法が所定の許容範囲内にあるかどうかの判定結果が帳票に出力される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
12. 前記構造物は張出し架設工法によって施工される橋梁上部工である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の出来形計測方法。
13. 構造物の表面を走査して前記表面の点群を取得する３次元スキャナと、
    前記点群から前記構造物の計測対象面の輪郭線を抽出する輪郭線抽出手段と、
    前記輪郭線に近似したパターンプレートを前記輪郭線にフィッティングするフィッティング手段と、
    フィッティングされた前記パターンプレートに基づき前記構造物の寸法を計測する寸法計測手段と、を有する構造物の出来形計測システム。

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