JP7304781B2 - Tunnel face state display system and tunnel face state display method - Google Patents

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Description

本願発明は、掘削中のトンネル切羽の状態を表示する技術であり、より具体的には、トンネル切羽の3次元モデルに基づいて得られる色情報を用いてトンネル切羽の状態を表示する技術に関するものである。 The present invention relates to a technology for displaying the state of a tunnel face during excavation, and more specifically to a technology for displaying the state of a tunnel face using color information obtained based on a three-dimensional model of the tunnel face. is.

我が国の国土は、およそ2/3が山地であるといわれており、そのため道路や線路など(以下、「道路等」という。)は必ずといっていいほど山地部を通過する区間がある。この山地部で道路等を構築するには、斜面の一部を掘削する切土工法か、地山の内部をくり抜くトンネル工法のいずれかを採用するのが一般的である。トンネル工法は、切土工法に比べて施工単価(道路等延長当たりの工事費)が高くなる傾向にあるものの、切土工法よりも掘削土量(つまり排土量)が少なくなる傾向にあるうえ、道路等の線形計画の自由度が高い(例えば、ショートカットできる)といった特長があり、これまでに建設された国内のトンネルは10,000を超えるといわれている。 It is said that about two-thirds of Japan's land area is mountainous, and therefore roads and railroad tracks (hereinafter referred to as "roads, etc.") almost always have sections that pass through mountainous areas. In order to construct a road or the like in this mountainous area, it is common to adopt either a cutting method for excavating a part of the slope or a tunneling method for hollowing out the inside of the natural ground. Although the tunnel construction method tends to have a higher unit construction cost (construction cost per extension of the road, etc.) than the cutting method, the amount of excavated soil (that is, the amount of soil discharged) tends to be smaller than that of the cutting method. , roads, etc., have a high degree of freedom in linear planning (for example, shortcuts can be made), and it is said that more than 10,000 tunnels have been constructed in Japan so far.

山岳トンネルの施工方法としては、昭和50年代までは鋼アーチ支保工に木矢板を組み合わせて地山を支保する「矢板工法」が主流であったが、現在では地山強度を積極的に活かすNATM(New Austrian Tunnelling Method)が主流となっている。NATMは、地山が有する強度(アーチ効果)に期待する設計思想が主な特徴であり、そのため従来の矢板工法に比べトンネル支保工の規模を小さくすることができ、しかも施工速度を上げることができることから施工コストを減縮することができる。 Until the 1970s, the mainstream method of constructing mountain tunnels was the sheet pile construction method, in which steel arch supports were combined with wooden sheet piles to support the ground. (New Austrian Tunneling Method) is the mainstream. The main feature of NATM is the design concept that expects the strength of the natural ground (arch effect). Therefore, compared to the conventional sheet pile construction method, the scale of the tunnel support can be reduced and the construction speed can be increased. Construction cost can be reduced because it can be done.

またNATMは、本格的に実施されて以来、飛躍的に掘削技術が進歩しており、種々の補助工法が開発されることによって様々な地山に対応することができるようになり、さらに掘削機械(特に、自由断面掘削機)の進歩によって発破掘削のほか機械掘削も選択できるようになった。この機械掘削は、掘削断面積や線形にもよるものの一般的には比較的低い強度(例えば、一軸圧縮強度が49N/mm以下)の地山に対して採用されることが多く、一方、対象地山に岩盤が存在する場合はやはり発破掘削が採用されることが多い。 In addition, since NATM was fully implemented, drilling technology has progressed dramatically. Advances in (particularly, free-section excavators) have made it possible to select not only blast excavation but also mechanical excavation. Although this mechanical excavation depends on the excavation cross-sectional area and alignment, it is generally used for rocks with relatively low strength (for example, unconfined compressive strength of 49 N/mm 2 or less). Blasting excavation is often adopted when bedrock exists in the target ground.

ここでNATMによる掘削手順について簡単に説明する。はじめに、トンネル切羽の掘削を行う。発破掘削の場合は、ドリルジャンボによって削孔して火薬(ダイナマイト)を装填し、作業員と機械が退避したうえで発破する。一方、機械掘削の場合は、自由断面掘削機によってトンネル切羽を切削していく。1回(1サイクル)の掘削進行長(1スパン長)は地山の強度に応じて設定される支保パターンによって異なるが、一般的には1.0m~2.0mのスパン長で掘削が行われる。1スパン長の掘削を行うと、不安化した地山部分(浮石など)を落とす「こそく」を行いながらダンプトラック(あるいはレール工法)によってズリを搬出(ズリ出し)する。そしてズリ出し後に、必要に応じて1次コンクリート吹付けを行ったうえで必要に応じて(支保パターンによって)鋼製支保工を建て込み、2次コンクリート吹付けを行った後にロックボルトの打設を行う。なお、1次コンクリート吹付けと2次コンクリート吹付けは、掘進したスパン長分、すなわち素掘り部分のトンネル内周面(側壁から天端にかけた周面)に対して行われる。 The excavation procedure by NATM will be briefly described here. First, the tunnel face is excavated. In the case of blasting excavation, a drill jumbo is used to drill a hole, dynamite is loaded, and blasting is performed after workers and machines have evacuated. On the other hand, in the case of mechanical excavation, the tunnel face is cut by a free cross section excavator. The excavation progress length (one span length) for one cycle (one cycle) varies depending on the support pattern set according to the strength of the ground, but in general excavation is carried out with a span length of 1.0m to 2.0m. will be After one-span excavation, the muck is carried out by a dump truck (or a rail construction method) while removing the unsettled ground portion (floating rocks, etc.). Then, after removing the muck, the primary concrete is sprayed as necessary, and if necessary (depending on the support pattern), steel shoring is erected, and after the secondary concrete is sprayed, the rock bolts are placed. I do. Note that the primary concrete spraying and the secondary concrete spraying are performed for the length of the excavated span, that is, the inner peripheral surface of the uncut portion of the tunnel (the peripheral surface extending from the side wall to the top).

NATMにおいてトンネル切羽を安定させることは、安全施工の意味からも極めて重要であり、地山強度や湧水、あるいはトンネル切羽の挙動等によっては、トンネル切羽に対して補助工法が行われる。例えば、トンネル切羽を安定させるためのコンクリート吹付け(鏡吹付け)やロックボルト(鏡ボルト)の打設、水抜きボーリング、あるいは先受け工としてのフォアポーリングや長尺フォアパイリングなどが行われる。このうちトンネル切羽のコンクリート吹付けは、段取りや作業が比較的容易であり、トンネル切羽の縦断方向(掘進方向)の緩みを抑えることができるうえ、トンネル切羽の肌落ちを防止することができ、しかも膨張性地山の場合は空気や水分から隔離することができることから、実践的かつ効果的な補助工法といえる。 Stabilizing the tunnel face in NATM is extremely important from the viewpoint of safe construction, and depending on the ground strength, spring water, behavior of the tunnel face, etc., auxiliary construction methods are performed for the tunnel face. For example, concrete spraying (mirror spraying) to stabilize the tunnel face, placing rock bolts (mirror bolts), draining boring, or fore-poling and long-length fore-piling as preliminary work are carried out. Of these, spraying concrete on the tunnel face is relatively easy to set up and work, and not only can it prevent loosening of the tunnel face in the longitudinal direction (digging direction), but it can also prevent the tunnel face from falling off. Moreover, in the case of expansive natural ground, it can be isolated from air and moisture, so it can be said that it is a practical and effective supplementary construction method.

またNATMは、計測工(A計測やB計測)を併用するいわゆる情報化施工であり、計測結果に応じて掘削パターンを変更し、あるいは補助工法を採用する。計測工としては、周辺地山の挙動を計測する内空変位や天端沈下、打設したロックボルトの軸力を計測するロックボルト軸力計測、そして切羽観察などが挙げられる。この切羽観察は、文字どおりトンネル切羽を観察する計測工であり、地山が最も露出したトンネル切羽から得られる情報は有効かつ多量であることを考えれば、今後の掘削を進めていくうえで極めて重要な計測工のひとつである Also, NATM is a so-called computer-aided construction that uses measurement work (A measurement and B measurement) together, and changes the excavation pattern or adopts an auxiliary construction method according to the measurement result. Measurement work includes inner space displacement and crown settlement to measure the behavior of the surrounding ground, rock bolt axial force measurement to measure the axial force of the installed rock bolt, and face observation. This face observation is literally a measurement work to observe the tunnel face, and considering that the information obtained from the tunnel face where the ground is most exposed is effective and abundant, it is extremely important for advancing excavation in the future. one of the best surveyors

従来、切羽観察は人の目視によって行われ、その結果を野帳などにスケッチすることで記録していた。つまり切羽観察の有益さ(有効な情報の多さ)は、観察者の経験や知識に大きく依存していたわけである。ところが建設業界では、しばらく慢性的な人手不足の問題を抱えており、優れた観察者を確保することは今後ますます難しくなることが予想される。また、トンネル切羽の写真は撮影するものの、照明が十分でない(あるいは照明の条件が統一されていない)状況における写真は鮮明でない又は色調が統一されていないことが多く、そのため観察者が判定したトンネル切羽の亀裂や風化の程度、湧水状況などを第三者が検証し確認することができない、つまりトレーサビリティを確保することができないという問題も指摘することができる。 In the past, face observation was done visually, and the results were recorded by sketching in a field notebook. In other words, the usefulness of face observation (the amount of effective information) largely depended on the experience and knowledge of the observer. However, the construction industry has been suffering from a chronic labor shortage for some time, and it is expected that securing excellent observers will become increasingly difficult in the future. In addition, although photographs of the tunnel face are taken, the photographs taken in situations where the lighting is not sufficient (or the lighting conditions are not uniform) are often not clear or the colors are not uniform, so the tunnel is judged by the observer. It is also possible to point out the problem that a third party cannot verify and confirm the cracks and weathering of the face, the state of the spring water, etc. In other words, it is impossible to ensure traceability.

そこで、観察者の経験や知識にできるだけ依存することなく、客観的にトンネル切羽を評価することができる様々な技術がこれまで提案されてきた。例えば特許文献1では、発破孔データと発破した後の評価点との関係を遺伝的プログラミングによって解析し、この解析によって得られた予測式を用いて発破孔データから評価点を算出する切羽面評価システムを提案している。 Therefore, various techniques have been proposed so far that can objectively evaluate the tunnel face without relying on the experience and knowledge of the observer as much as possible. For example, in Patent Document 1, the relationship between the blast hole data and the evaluation points after blasting is analyzed by genetic programming, and the prediction formula obtained by this analysis is used to calculate the evaluation points from the blast hole data Face surface evaluation proposing a system.

特開2018-71165号公報JP 2018-71165 A

特許文献1は、遺伝的プログラミングを利用することから、数多くの発破孔データと評価点の組み合わせを蓄積することによって高い精度の予測式を得られることができ、その結果、適切に掘削パターンや補助工法を検討することができるといった効果を期待することができる。その一方で、発破した後の評価点はやはり観察者のいわば主観に基づくものであり、優れた観察者を確保する困難さや判定結果に対するトレーサビリティ確保といった問題を完全に解決するという点においては、若干の改善点がみられる。 Since Patent Document 1 uses genetic programming, it is possible to obtain a highly accurate prediction formula by accumulating a large number of combinations of blast hole data and evaluation points. The effect of being able to consider the construction method can be expected. On the other hand, the evaluation score after blasting is still based on the observer's subjectivity, so it is somewhat difficult to completely solve the problems of securing excellent observers and ensuring traceability of judgment results. improvement points are seen.

本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち観察者の経験や知識に依存することなく客観的にトンネル切羽を評価し得る技術を提供することである。 An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, that is, to provide a technique that can objectively evaluate the tunnel face without depending on the experience and knowledge of the observer.

本願発明は、トンネル切羽の3次元モデルに基づいて法線画像を作成し、この法線画像の色情報を用いてトンネル切羽状態を表現する、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。 The present invention has been made with a focus on creating a normal image based on a three-dimensional model of the tunnel face and expressing the state of the tunnel face using the color information of this normal image. It is an invention based on an unprecedented idea.

本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、面傾斜度算出手段と法線画像作成手段を備えたものである。このうち面傾斜度算出手段は、小領域(トンネル切羽を分割した領域)によって構成されるトンネル切羽の3次元モデルに基づいて、小領域ごとに3次元空間における面傾斜角度を算出する手段である。また法線画像作成手段は、面傾斜角度に基づいて小領域ごとに色情報を設定することによって、トンネル切羽の法線画像を作成する手段である。なお法線画像作成手段は、面傾斜角度の傾斜角度と傾斜方位に応じた色情報を、小領域ごとに設定する。 A tunnel face state display system according to the present invention comprises surface inclination calculating means and normal image creating means. Of these, the surface inclination degree calculation means is means for calculating the surface inclination angle in the three-dimensional space for each small area based on the three-dimensional model of the tunnel face composed of small areas (areas obtained by dividing the tunnel face). . The normal image creating means is means for creating a normal image of the tunnel face by setting color information for each small area based on the surface inclination angle. The normal image creating means sets color information according to the inclination angle and inclination direction of the surface inclination angle for each small area.

本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、亀裂間隔算出手段と亀裂評価点設定手段をさらに備えたものとすることもできる。この亀裂間隔算出手段は、法線画像をフィルター処理することによって亀裂を抽出するとともに、その亀裂間隔を求める手段である。また亀裂評価点設定手段は、亀裂間隔算出手段によって求められた亀裂間隔と、あらかじめ設定された亀裂間隔閾値を照らし合わせることによって、トンネル切羽の亀裂評価点を設定する手段である。 The tunnel face state display system of the present invention may further include crack interval calculation means and crack evaluation point setting means. This crack interval calculation means is a means for extracting cracks by filtering the normal image and obtaining the crack interval. The crack evaluation point setting means is means for setting the crack evaluation point of the tunnel face by comparing the crack distance obtained by the crack distance calculation means with a preset crack distance threshold value.

本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、岩盤強度分布図作成手段と亀裂分布図作成手段、岩盤風化区分図作成手段、湧水分布図作成手段をさらに備えたものとすることもできる。この岩盤強度分布図作成手段は、発破削孔時の情報に基づいてトンネル切羽の岩盤強度を推定するとともに、座標が付与されたトンネル切羽の岩盤強度分布図を作成する手段である。また亀裂分布図作成手段は、亀裂間隔算出手段によって抽出された亀裂に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の亀裂分布図を作成する手段である。岩盤風化区分図作成手段は、スペクトルカメラによって取得されたトンネル切羽のスペクトルデータと、あらかじめ用意された風化の程度ごとのスペクトルデータを照らし合わせることによって、トンネル切羽の岩盤風化分布を評価するとともに、このスペクトルカメラの位置及び姿勢に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の岩盤風化区分図を作成する手段である。湧水分布図作成手段は、トンネル切羽の温度分布を取得することができる温度分布センサによって取得されたトンネル切羽の温度分布と、この温度分布センサの位置及び姿勢に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の湧水分布図を作成する手段である。 The tunnel face state display system of the present invention may further comprise a rock strength distribution chart creating means, a crack distribution chart creating means, a rock weathering classification chart creating means, and a spring water distribution chart creating means. This rock strength distribution map creating means is a means for estimating the rock strength of the tunnel face based on the information at the time of blasting and creating a rock strength distribution map of the tunnel face to which coordinates are assigned. The crack distribution map creating means is means for creating a crack distribution map of the tunnel face to which coordinates are assigned, based on the cracks extracted by the crack interval calculating means. The rock weathering classification map creation means evaluates the rock weathering distribution of the tunnel face by comparing the spectrum data of the tunnel face acquired by the spectrum camera with the spectrum data for each degree of weathering prepared in advance. This is a means for creating a rock weathering classification diagram of a tunnel face to which coordinates are assigned based on the position and orientation of a spectrum camera. The spring water distribution map creation means is provided with coordinates based on the temperature distribution of the tunnel face acquired by a temperature distribution sensor capable of acquiring the temperature distribution of the tunnel face and the position and orientation of this temperature distribution sensor. This is a means of creating a spring water distribution map of the tunnel face.

本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、岩盤強度評価点設定手段と岩盤風化度評価点設定手段、湧水状態評価点設定手段、総合評価点設定手段をさらに備えたものとすることもできる。この岩盤強度評価点設定手段は、岩盤強度分布図に基づいてトンネル切羽の岩盤強度評価点を設定する手段であり、岩盤風化度評価点設定手段は、岩盤風化区分図に基づいてトンネル切羽の岩盤風化評価点を設定する手段、湧水状態評価点設定手段は、湧水分布図に基づいてトンネル切羽の湧水状態評価点を設定する手段、総合評価点設定手段は、亀裂評価点と岩盤強度評価点、岩盤風化評価点、湧水状態評価点を含む要素に基づいてトンネル切羽の総合評価点を設定する手段である。 The tunnel face state display system of the present invention may further include rock strength evaluation point setting means, rock weathering degree evaluation point setting means, spring condition evaluation point setting means, and comprehensive evaluation point setting means. This rock strength evaluation point setting means is means for setting the rock strength evaluation point of the tunnel face based on the rock strength distribution map, and the rock mass weathering degree evaluation point setting means uses the rock of the tunnel face based on the rock weathering classification map. The means for setting the weathering evaluation point, the spring condition evaluation point setting means is a means for setting the spring condition evaluation point of the tunnel face based on the spring water distribution map, and the comprehensive evaluation point setting means is a crack evaluation point and bedrock strength. It is a means to set the overall score of the tunnel face based on factors including score, rock weathering score, and spring condition score.

本願発明のトンネル切羽状態表示方法は、観測工程と画像作成工程を備えた方法である。このうち観測工程では、2以上の画像取得手段によって、トンネル切羽の画像を取得する。また画像作成工程では、本願発明のトンネル切羽状態表示システムによって、トンネル切羽の法線画像を作成する。 The tunnel face state display method of the present invention is a method comprising an observation step and an image creation step. Among these, in the observation step, images of the tunnel face are acquired by two or more image acquisition means. In the image creation step, a normal image of the tunnel face is created by the tunnel face state display system of the present invention.

本願発明のトンネル切羽状態表示方法は、座標取得工程をさらに備えた方法とすることもできる。この座標取得工程では、ズリ出し後に移動計測体でトンネル切羽近傍まで移動し、移動計測体のうちいずれか3点の座標を計測する。この移動計測体は、2以上の画像取得手段とスペクトルカメラ、温度分布センサ(トンネル切羽の温度分布を取得することができるセンサ)を搭載した移動体である。この場合、観測工程では、スペクトルカメラによってトンネル切羽のスペクトルデータを取得するとともに、温度分布センサによってトンネル切羽の温度分布を取得し、画像作成工程では、トンネル切羽状態表示システムによって、トンネル切羽の亀裂分布図と岩盤風化区分図、湧水分布図を作成する。なお、この場合のトンネル切羽状態表示システムは、空間演算手段と亀裂分布図作成手段、岩盤風化区分図作成手段、湧水分布図作成手段を備えている。ここで空間演算手段とは、座標取得工程で取得された座標に基づいて、移動計測体の位置及び姿勢を算出するとともに、画像取得手段の位置及び姿勢、スペクトルカメラの位置及び姿勢、並びに温度分布センサの位置及び姿勢を算出する手段である。 The tunnel face state display method of the present invention can also be a method further comprising a coordinate acquisition step. In this coordinate acquisition step, after the displacement is detected, the mobile measuring body is moved to the vicinity of the tunnel face, and the coordinates of any three points of the mobile measuring body are measured. This mobile measurement object is a mobile object equipped with two or more image acquisition means, a spectrum camera, and a temperature distribution sensor (sensor capable of acquiring the temperature distribution of the tunnel face). In this case, in the observation process, the spectrum data of the tunnel face is acquired by the spectrum camera, and the temperature distribution of the tunnel face is acquired by the temperature distribution sensor. Create a map, bedrock weathering classification map, and spring water distribution map. In this case, the tunnel face state display system includes space calculation means, crack distribution map creation means, rock weathering classification map creation means, and spring water distribution map creation means. Here, the spatial calculation means calculates the position and orientation of the moving measuring object based on the coordinates acquired in the coordinate acquisition step, and calculates the position and orientation of the image acquisition means, the position and orientation of the spectral camera, and the temperature distribution. It is means for calculating the position and orientation of the sensor.

本願発明のトンネル切羽状態表示方法は、移動計測体に搭載された照明機器を用いた方法とすることもできる。この場合、観測工程では、トンネル切羽付近に設置された常設の照明を消灯するとともに、移動計測体に搭載された照明機器でトンネル切羽に投光した状態で、画像取得手段によってトンネル切羽の画像を取得し、スペクトルカメラによってトンネル切羽のスペクトルデータを取得し、温度分布センサによってトンネル切羽の温度分布を取得する。 The tunnel face state display method of the present invention can also be a method using lighting equipment mounted on a mobile measuring object. In this case, in the observation process, the permanent lighting installed near the tunnel face is turned off, and the image of the tunnel face is captured by the image acquisition means while the lighting device mounted on the mobile measuring object is emitting light onto the tunnel face. A spectral camera acquires spectral data of the tunnel face, and a temperature distribution sensor acquires the temperature distribution of the tunnel face.

本願発明の移動計測体は、トンネル内を移動することができる移動体と、2以上の画像取得手段、スペクトルカメラ、温度分布センサ、3以上の反射体を備えたものである。なお、2以上の画像取得手段と、スペクトルカメラ、温度分布センサ、3以上の反射体は、移動体に搭載される。そして本願発明の移動計測体は、トンネル切羽前で停止した状態で、画像取得手段によってトンネル切羽の画像を取得することができるとともに、スペクトルカメラによってトンネル切羽のスペクトルデータを取得することができ、温度分布センサによってトンネル切羽の温度分布を取得することができ、測量機器で反射体を視準することによって移動体の位置及び姿勢を取得することができるものである。 A mobile measuring object according to the present invention includes a mobile object that can move in a tunnel, two or more image acquisition means, a spectrum camera, a temperature distribution sensor, and three or more reflectors. The two or more image acquisition means, the spectral camera, the temperature distribution sensor, and the three or more reflectors are mounted on the moving body. Then, the mobile measuring body of the present invention can acquire an image of the tunnel face by the image acquisition means while it is stopped in front of the tunnel face, and can acquire spectral data of the tunnel face by the spectrum camera. The temperature distribution of the tunnel face can be acquired by the distribution sensor, and the position and attitude of the moving object can be acquired by collimating the reflector with the surveying instrument.

本願発明のトンネル切羽状態表示システム、トンネル切羽状態表示方法、及び移動計測体には、次のような効果がある。
(1)従来に比して高い精度でトンネル切羽の状態を評価することができる。その結果、最適な支保パターンや補助工法を選択することができ、施工品質が確保され、しかも工費を低減し工期を短縮することができる。
(2)観察者のいわば主観に基づくことなく、客観的にトンネル切羽の状態を評価することができるため、観察労力を抑えることができるうえ、評価に対するトレーサビリティを確保することができる。
(3)また、観察者の経験や知識に依存しないため、優れた観察者を確保する困難さを回避することができる。
(4)従来の切羽観察と大差ない作業労力や作業時間で、上記効果を得ることができる。
The tunnel face state display system, tunnel face state display method, and movement measuring body of the present invention have the following effects.
(1) It is possible to evaluate the state of the tunnel face with higher accuracy than in the past. As a result, the optimum support pattern and auxiliary construction method can be selected, construction quality can be ensured, construction costs can be reduced, and the construction period can be shortened.
(2) Since the condition of the tunnel face can be objectively evaluated without being based on the observer's subjectivity, it is possible to reduce the observation effort and ensure traceability of the evaluation.
(3) In addition, since it does not depend on the experience and knowledge of observers, it is possible to avoid the difficulty of securing excellent observers.
(4) The above effect can be obtained with work labor and work time not much different from conventional face observation.

トンネル切羽の状態を本願発明の移動計測体によって観測している状況を模式的に示すモデル図。FIG. 4 is a model diagram schematically showing a situation in which the state of the tunnel face is observed by the mobile measuring body of the present invention; (a)は本願発明の移動計測体を示す側面図、(b)は本願発明の移動計測体を示す正面図。(a) is a side view showing the movement measuring body of the present invention, and (b) is a front view showing the movement measuring body of the present invention. 本願発明のトンネル切羽状態表示システムの主な構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing the main configuration of a tunnel face state display system of the present invention; FIG. トンネル切羽状態表示システムを構成する空間演算手段の主な処理の流れを示すフロー図。FIG. 4 is a flow diagram showing the main processing flow of the space computing means that constitutes the tunnel face state display system. 切羽3Dモデルの作成から亀裂分布図を表示するまでの一連の処理の流れを示すフロー図。The flowchart which shows the flow of a series of processes from creation of a face 3D model to display of a crack distribution map. (a)は赤の値を示すR軸と緑の値を示すG軸と青の値を示すB軸からなる3次元空間を模式的に示すモデル図、(b)は色情報を求めるための色相環を模式的に示すモデル図。(a) is a model diagram schematically showing a three-dimensional space consisting of the R axis indicating the red value, the G axis indicating the green value, and the B axis indicating the blue value, and (b) is a model diagram for obtaining color information. The model figure which shows a hue circle typically. 岩盤強度評価点と岩盤風化評価点、湧水状態評価点を設定し、さらに総合評価点を設定するまでの一連の処理の流れを示すフロー図。A flow chart showing the flow of a series of processes from setting a rock strength evaluation point, a rock weathering evaluation point, and a spring state evaluation point, to setting a comprehensive evaluation point. 本願発明のトンネル切羽状態表示方法の主な工程を示すフロー図。FIG. 4 is a flowchart showing main steps of the tunnel face state display method of the present invention;

本願発明のトンネル切羽状態表示システム、トンネル切羽状態表示方法、及び移動計測体の実施の例を図に基づいて説明する。 Embodiments of the tunnel face state display system, the tunnel face state display method, and the movement measuring body of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.全体概要
図1は、トンネル切羽の状態を本願発明の移動計測体200によって観測している状況を模式的に示すモデル図である。図2に示すようにこの移動計測体200は、移動体210と画像取得手段220、スペクトルカメラ230、温度分布センサ240、反射体250、照明機器260を含んで構成することができる。
1. Overall Overview FIG. 1 is a model diagram schematically showing a situation in which the state of a tunnel face is observed by a mobile measuring body 200 of the present invention. As shown in FIG. 2, this mobile measurement object 200 can be configured including a mobile object 210, an image acquisition means 220, a spectrum camera 230, a temperature distribution sensor 240, a reflector 250, and an illumination device 260. FIG.

移動計測体200を構成する移動体210は、種々の計測器を搭載してトンネル内を移動することができるいわばベースマシンであり、図2に示すようにタイヤ式の普通自動車などを利用することもできるし、あるいはクローラ式のものを利用することもできる。画像取得手段220は、デジタルカメラやスチールカメラ、デジタルビデオカメラなどトンネル切羽の画像を取得することができるものである。なお、後述するようにトンネル切羽の3次元モデル(以下単に「切羽3Dモデル」という。)を作成するため、すなわちステレオペア画像を得るため2以上の画像取得手段220が設けられる。例えば図2では、移動体210の後方に第1画像取得手段221、移動体210の前方右側に第2画像取得手段222、移動体210の前方左側に第3画像取得手段223の3つの画像取得手段220が設けられている。 A moving body 210 that constitutes the moving measuring body 200 is a so-called base machine that can move in a tunnel with various measuring instruments mounted thereon. You can also use a crawler type one. The image acquiring means 220 is a digital camera, a still camera, a digital video camera, or the like, which can acquire an image of the tunnel face. As will be described later, two or more image acquisition means 220 are provided to create a three-dimensional model of the tunnel face (hereinafter simply referred to as "face 3D model"), that is, to obtain stereo pair images. For example, in FIG. 2, the first image acquisition means 221 behind the moving body 210, the second image acquisition means 222 on the front right side of the moving body 210, and the third image acquisition means 223 on the front left side of the moving body 210. Means 220 are provided.

スペクトルカメラ230は、トンネル切羽のスペクトルデータを取得することができるものであり、温度分布センサ240は、熱赤外線画像を取得するサーモグラフィなどトンネル切羽の温度分布を取得することができるものである。また反射体250は、例えばトータルステーションといった測量機器による標的となるものであり、従来用いられている測量用プリズム(ミラーやターゲットとも呼ばれる)などを利用することができる。なお、後述するように移動体210の位置と姿勢を取得することができるよう、反射体250は同一直線上に並ばない3以上の個所に配置される。例えば図2では、移動体210の後方に第1反射体251、移動体210の前方右側に第2反射体252、移動体210の前方左側に第3反射体253の3つの反射体250が配置されている。 The spectrum camera 230 can acquire spectral data of the tunnel face, and the temperature distribution sensor 240 can acquire the temperature distribution of the tunnel face, such as a thermography that acquires a thermal infrared image. The reflector 250 is a target of a surveying instrument such as a total station, and a conventionally used surveying prism (also called a mirror or target) can be used. Note that the reflectors 250 are arranged at three or more locations that are not aligned on the same straight line so that the position and orientation of the moving body 210 can be obtained as described later. For example, in FIG. 2, three reflectors 250 are arranged: a first reflector 251 behind the moving body 210, a second reflector 252 on the front right side of the moving body 210, and a third reflector 253 on the front left side of the moving body 210. It is

照明機器260は、トンネル切羽に光を当てることができるものであり、従来用いられている種々の照明器具を利用することができる。画像取得手段220とスペクトルカメラ230、温度分布センサ240、反射体250、照明機器260は、移動体210に固定され、この移動体210との相対的な位置(つまり移動体210のうちどこに設置されているか)はあらかじめ把握されている。さらに画像取得手段220とスペクトルカメラ230、温度分布センサ240に関しては、移動体210との相対的な姿勢(つまり移動体210の向きに対してどの方向を向いているか)もあらかじめ把握されている。これら画像取得手段220とスペクトルカメラ230、温度分布センサ240、反射体250、照明機器260は、図2に示すように、移動体210の上部に固定された架台FRに設置するとよい。 The lighting device 260 can apply light to the tunnel face, and various conventionally used lighting devices can be used. The image acquisition means 220, the spectral camera 230, the temperature distribution sensor 240, the reflector 250, and the lighting device 260 are fixed to the moving body 210, and their relative positions with respect to this moving body 210 (that is, where they are installed in the moving body 210). is known in advance. Furthermore, regarding the image acquisition means 220, the spectrum camera 230, and the temperature distribution sensor 240, the relative attitudes with respect to the moving body 210 (that is, in which direction they are facing with respect to the direction of the moving body 210) are grasped in advance. These image acquisition means 220, spectral camera 230, temperature distribution sensor 240, reflector 250, and lighting equipment 260 are preferably installed on a frame FR fixed above the moving body 210, as shown in FIG.

トンネル切羽手前で停止した移動計測体200は、図1に示すようにトンネル切羽を照明機器260で照らしたうえで、画像取得手段220によってトンネル切羽の画像(ステレオペア画像)を取得し、スペクトルカメラ230によってトンネル切羽のスペクトルデータを取得し、温度分布センサ240によってトンネル切羽の温度分布を取得する。このとき、トンネル内に設置されている測量機器TS(例えばトータルステーション)で反射体250を視準することによって、移動体210のトンネル内における位置(以下、単に「坑内位置」という。)と姿勢が計測され、さらに画像取得手段220の坑内位置と姿勢、スペクトルカメラ230の坑内位置と姿勢、温度分布センサ240の坑内位置と姿勢が得られる。 The moving measuring object 200 stopped in front of the tunnel face illuminates the tunnel face with a lighting device 260 as shown in FIG. 230 acquires spectral data of the tunnel face, and a temperature distribution sensor 240 acquires the temperature distribution of the tunnel face. At this time, by collimating the reflector 250 with a surveying instrument TS (for example, a total station) installed in the tunnel, the position (hereinafter simply referred to as the “downhole position”) and attitude of the moving body 210 in the tunnel are determined. Further, the underground position and orientation of the image acquisition means 220, the underground position and orientation of the spectral camera 230, and the underground position and orientation of the temperature distribution sensor 240 are obtained.

本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、画像取得手段220によって取得されたトンネル切羽のステレオペア画像に基づいて切羽3Dモデルを作成し、この切羽3Dモデルからトンネル切羽の「法線画像」を作成する。さらにこの法線画像に基づいて、トンネル切羽の亀裂や亀裂間隔を求め、亀裂評価点を算出し、亀裂分布図を作成することもできる。ここで画像取得手段220の坑内位置と姿勢が得られていることから、亀裂分布図は座標が付与されたものとすることができ、座標が与えられたトンネル切羽写真や他のトンネル切羽画像(岩盤風化区分図や湧水分布図など)と重畳表示することができるわけである。 The tunnel face state display system of the present invention creates a 3D face model based on the stereo pair images of the tunnel face acquired by the image acquisition means 220, and creates a "normal image" of the tunnel face from this 3D face model. . Furthermore, based on this normal image, cracks and crack intervals in the tunnel face can be obtained, crack evaluation points can be calculated, and a crack distribution map can be created. Here, since the underground position and orientation of the image acquisition means 220 are obtained, the crack distribution map can be assumed to be given coordinates, and the tunnel face photograph and other tunnel face images given the coordinates ( It can be displayed superimposed on rock weathering classification maps, spring water distribution maps, etc.).

また本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、スペクトルカメラ230によって取得されたトンネル切羽のスペクトルデータに基づいて岩盤風化区分図を作成し、この岩盤風化区分図から岩盤風化評価点を設定することもできるし、温度分布センサ240によって取得されたトンネル切羽の温度分布に基づいて湧水分布図を作成し、この湧水分布図から湧水状態評価点を設定することもできる。ここでスペクトルカメラ230と温度分布センサ240の坑内位置と姿勢が得られていることから、岩盤風化区分図と湧水分布図は座標が付与されたものとすることができ、座標が与えられたトンネル切羽写真や他のトンネル切羽画像(亀裂分布図など)と重畳表示することができるわけである。 In addition, the tunnel face state display system of the present invention can create a rock weathering classification map based on the tunnel face spectrum data acquired by the spectrum camera 230, and set a rock weathering evaluation point from this rock weathering classification map. Alternatively, a spring water distribution map can be created based on the temperature distribution of the tunnel face obtained by the temperature distribution sensor 240, and the spring water condition evaluation points can be set from this spring water distribution map. Since the underground positions and attitudes of the spectral camera 230 and the temperature distribution sensor 240 are obtained here, the rock weathering classification map and the spring water distribution map can be given coordinates. It can be superimposed on a tunnel face photograph or another tunnel face image (crack distribution map, etc.).

さらに本願発明のトンネル切羽状態表示システムは、1サイクル前の発破のための削孔時の情報(以下、「発破削孔時データ」という。)に基づいて岩盤強度分布図を作成し、この岩盤強度分布図から岩盤強度評価点を設定することもできる。ここで発破削孔時データとしては、削孔位置と削孔速度が挙げられ、そのほかロッドのフィード圧、打撃圧、回転圧などを含めることもできる。そして、亀裂評価点と岩盤強度評価点、岩盤風化評価点、湧水状態評価点が得られると、これらの評価点に基づいてトンネル切羽の総合評価点を設定することもできる。 Furthermore, the tunnel face state display system of the present invention creates a rock strength distribution map based on information during drilling for blasting one cycle before (hereinafter referred to as "data during blast drilling"), and It is also possible to set the rock mass strength evaluation point from the strength distribution map. Here, the blast-drilling data includes the drilling position and drilling speed, and may also include rod feed pressure, impact pressure, rotation pressure, and the like. When the crack evaluation score, bedrock strength evaluation score, bedrock weathering evaluation score, and spring condition evaluation score are obtained, a comprehensive evaluation score for the tunnel face can be set based on these evaluation scores.

2.トンネル切羽状態表示システム
本願発明のトンネル切羽状態表示システムの例を、図に基づいて説明する。なお、本願発明のトンネル切羽状態表示方法は、本願発明のトンネル切羽状態表示システムを用いた方法であり、したがってまずはトンネル切羽状態表示システムについて説明し、その後にトンネル切羽状態表示方法について説明することとする。
2. Tunnel Face State Display System An example of the tunnel face state display system of the present invention will be described with reference to the drawings. The tunnel face state display method of the present invention is a method using the tunnel face state display system of the present invention. Therefore, the tunnel face state display system will be described first, and then the tunnel face state display method will be described. do.

図3は、本願発明のトンネル切羽状態表示システム100の主な構成を示すブロック図である。この図に示すように本願発明のトンネル切羽状態表示システム100は、面傾斜度算出手段101と法線画像作成手段102を含んで構成され、さらに亀裂間隔算出手段103や亀裂評価点設定手段104、亀裂分布図作成手段105、岩盤強度分布図作成手段106、岩盤強度評価点設定手段107、岩盤風化区分図作成手段108、岩盤風化度評価点設定手段109、湧水分布図作成手段110、湧水状態評価点設定手段111、総合評価点設定手段112、空間演算手段113、3Dモデル作成手段114、ディスプレイといった表示手段115、移動計測体200を含んで構成することもできる。 FIG. 3 is a block diagram showing the main configuration of the tunnel face state display system 100 of the present invention. As shown in this figure, the tunnel face state display system 100 of the present invention includes surface inclination calculating means 101 and normal image creating means 102, crack interval calculating means 103, crack evaluation point setting means 104, Crack distribution map creating means 105, rock strength distribution map creating means 106, rock strength evaluation point setting means 107, rock weathering classification map creating means 108, rock mass weathering degree evaluation point setting means 109, spring water distribution map creating means 110, spring water It can also be configured to include state evaluation point setting means 111 , total evaluation point setting means 112 , space calculation means 113 , 3D model creation means 114 , display means 115 such as a display, and movement measurement object 200 .

トンネル切羽状態表示システム100を構成する主な要素のうち面傾斜度算出手段101と法線画像作成手段102、亀裂間隔算出手段103、亀裂評価点設定手段104、亀裂分布図作成手段105、岩盤強度分布図作成手段106、岩盤強度評価点設定手段107、岩盤風化区分図作成手段108、岩盤風化度評価点設定手段109、湧水分布図作成手段110、湧水状態評価点設定手段111、総合評価点設定手段112、空間演算手段113、3Dモデル作成手段114は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、CPU等のプロセッサ、ROMやRAMといったメモリ、マウスやキーボード等の入力手段やディスプレイ(表示手段115)を具備するもので、パーソナルコンピュータ(PC)や、iPad(登録商標)といったタブレット型PC、スマートフォンを含む携帯端末などによって構成することができる。コンピュータ装置を利用する場合、そのコンピュータ装置は移動計測体200内に置くこともできるし、特にタブレット型PCや携帯端末を利用する場合は作業者が携行することもできるし、あるいは管理事務所など移動計測体200とは異なる場所に設置することもできる。なお管理事務所などにコンピュータ装置を設置するときは、画像取得手段220が取得した画像データや、スペクトルカメラ230が取得したスペクトルデータ、温度分布センサ240が取得した温度分布データ、ドリルジャンボによる発破削孔時データを、コンピュータ装置が送受信できるように無線通信(あるいは有線通信)手段を設けるとよい。 Of the main elements constituting the tunnel face state display system 100, a surface inclination calculation means 101, a normal image creation means 102, a crack interval calculation means 103, a crack evaluation point setting means 104, a crack distribution map creation means 105, and a rock strength Distribution map creation means 106, rock strength evaluation point setting means 107, rock weathering classification map creation means 108, rock weathering degree evaluation point setting means 109, spring distribution map creation means 110, spring condition evaluation point setting means 111, comprehensive evaluation The point setting means 112, the space calculation means 113, and the 3D model creation means 114 can be manufactured as dedicated ones, or can be used as general-purpose computer devices. This computer device includes a processor such as a CPU, memory such as ROM and RAM, input means such as a mouse and keyboard, and a display (display means 115). It can be configured by a type PC, a mobile terminal including a smart phone, or the like. When a computer device is used, the computer device can be placed in the mobile measuring body 200. In particular, when a tablet PC or a mobile terminal is used, it can be carried by the worker, or can be carried by the operator. It can also be installed at a location different from the moving measuring object 200 . When the computer is installed in a management office, the image data acquired by the image acquisition means 220, the spectrum data acquired by the spectrum camera 230, the temperature distribution data acquired by the temperature distribution sensor 240, and the blasting by a drill jumbo are used. A wireless communication (or wired communication) means may be provided so that the computer can transmit and receive the time data.

(空間演算)
図4は、トンネル切羽状態表示システム100を構成する空間演算手段113の主な処理の流れを示すフロー図である。なおこのフロー図では、中央の列に実施する行為を示し、左列にはその行為に必要なものを、右列にはその行為から生ずるものを示している。既述したとおりトンネル切羽手前で停止した移動計測体200は、図1に示すようにトンネル内に設置されている測量機器TSによって視準され、それぞれ反射体250の座標が取得される。そして反射体250の座標から、移動計測体200の坑内位置と姿勢が算出される(図4のStep11)。このとき、3以上の反射体250が同一直線上とならないように配置されていることから、これら反射体250の座標から3次元平面が決定され、この3次元平面に基づいて移動計測体200(つまり移動体210)の姿勢(ピッチ、ロール、ヨー)を算出することができるわけである。また、反射体250の移動体210との相対的な位置(つまり移動体210のうちどこに反射体250を設置されているか)はあらかじめ把握されていることから、移動計測体200(つまり移動体210)全体の坑内位置が決定され、すなわちトンネル内における移動計測体200の平面位置を特定することができる。
(spatial operation)
FIG. 4 is a flow chart showing the main processing flow of the space computing means 113 that constitutes the tunnel face state display system 100. As shown in FIG. Note that in this flow diagram, the middle column shows the action to be performed, the left column shows what the action requires, and the right column shows what results from the action. As described above, the mobile measuring object 200 stopped in front of the tunnel face is collimated by the surveying instrument TS installed in the tunnel as shown in FIG. 1, and the coordinates of the reflector 250 are obtained. Then, the underground position and attitude of the mobile measuring body 200 are calculated from the coordinates of the reflector 250 (Step 11 in FIG. 4). At this time, since the three or more reflectors 250 are arranged so as not to be on the same straight line, a three-dimensional plane is determined from the coordinates of these reflectors 250, and based on this three-dimensional plane, the movement measuring object 200 ( That is, the posture (pitch, roll, yaw) of the moving body 210) can be calculated. In addition, since the position of the reflector 250 relative to the moving object 210 (that is, where in the moving object 210 the reflector 250 is installed) is known in advance, the moving measurement object 200 (that is, the moving object 210 ) the overall downhole position is determined, ie the planar position of mobile metrology 200 in the tunnel can be determined.

移動計測体200の坑内位置と姿勢が算出されると、画像取得手段220の坑内位置と姿勢が算出され(図4のStep12)、スペクトルカメラ230の坑内位置と姿勢が算出され(図4のStep13)、温度分布センサ240の坑内位置と姿勢が算出される(図4のStep14)。既述したとおり画像取得手段220とスペクトルカメラ230、温度分布センサ240は、それぞれ移動体210との相対的な位置(つまり移動体210のうちどこに設置されているか)と、移動体210との相対的な姿勢(つまり移動体210の向きに対してどの方向を向いているか)があらかじめ把握されていることから、移動体210の坑内位置と姿勢が定まると画像取得手段220とスペクトルカメラ230、温度分布センサ240の坑内位置と姿勢を算出することができるわけである。 When the underground position and orientation of the mobile measuring object 200 are calculated, the underground position and orientation of the image acquisition means 220 are calculated (Step 12 in FIG. 4), and the underground position and orientation of the spectral camera 230 are calculated (Step 13 in FIG. 4). ), the underground position and attitude of the temperature distribution sensor 240 are calculated (Step 14 in FIG. 4). As described above, the image acquisition means 220, the spectral camera 230, and the temperature distribution sensor 240 are positioned relative to the moving body 210 (that is, where they are installed in the moving body 210) and relative to the moving body 210. (i.e., which direction the moving body 210 faces relative to the orientation) is known in advance. This means that the underground position and orientation of the distribution sensor 240 can be calculated.

(法制画像の作成)
図5は、切羽3Dモデルの作成から亀裂分布図を表示するまでの一連の処理の流れを示すフロー図である。なおこのフロー図も、図4と同様、中央の列に実施する行為を示し、左列にはその行為に必要なものを、右列にはその行為から生ずるものを示している。画像取得手段220によって2以上のトンネル切羽画像(ステレオペア画像)が取得され、空間演算手段113によって画像取得手段220の坑内位置と姿勢が算出されると、3Dモデル作成手段114が切羽3Dモデルを作成する(図5のStep21)。より詳しくは、従来用いられているステレオ写真技術によってトンネル切羽上にある複数点の3次元座標を求めるとともに、これら点群座標から切羽3Dモデルを作成する。切羽3Dモデルは、トンネル切羽を複数に分割したいわゆるメッシュ(以下、「小領域」という。)にそれぞれ3次元座標が付与されたものであり、例えばランダムデータ(点群座標)で形成される不整三角網によって高さを求めるTIN(Triangulated Irregular Network)による手法、最も近いレーザー計測点4を採用する最近隣法(Nearest Neighbor)による手法のほか、逆距離加重法(IWD)、Kriging法、平均法など種々の手法を採用することができる。なお切羽3Dモデルは、トンネル切羽と略平行(平行含む)な鉛直面(以下、「切羽基準面」という。)を構成する2軸(例えば、X軸とY軸)と、この切羽基準面に対して垂直な軸(例えば、Z軸)からなる3次元座標軸で設定するとよい。
(Creation of legal images)
FIG. 5 is a flowchart showing a series of processes from creation of a face 3D model to display of a crack distribution map. In this flow diagram, as in FIG. 4, the middle column shows the action to be performed, the left column shows what is necessary for the action, and the right column shows what results from the action. When two or more tunnel face images (stereo pair images) are acquired by the image acquisition means 220, and the underground position and orientation of the image acquisition means 220 are calculated by the space calculation means 113, the 3D model creation means 114 creates the face 3D model. Create (Step 21 in FIG. 5). More specifically, three-dimensional coordinates of a plurality of points on the tunnel face are obtained by conventional stereo photography technology, and a face 3D model is created from these point group coordinates. The face 3D model is obtained by dividing the tunnel face into a plurality of meshes (hereinafter referred to as "small regions"), each of which has three-dimensional coordinates. In addition to the method by TIN (Triangulated Irregular Network) that finds the height by a triangular network, the method by the nearest neighbor method (Nearest Neighbor) that adopts the nearest laser measurement point 4, the inverse distance weighting method (IWD), the Kriging method, and the average method Various methods can be adopted. In addition, the face 3D model has two axes (for example, the X axis and the Y axis) that constitute a vertical plane (hereinafter referred to as "face reference plane") that is approximately parallel (including parallel) to the tunnel face, and on this face reference plane A three-dimensional coordinate axis (for example, the Z axis) perpendicular to the axis may be set.

切羽3Dモデルを作成すると、面傾斜度算出手段101が小領域ごとに面傾斜角度を算出する(図5のStep22)。この面傾斜度は、小領域の姿勢を示す値であり、水平面(あるいは切羽基準面)に対する角度(以下、「俯角」という。)と、小領域と水平面との交差直線の方向又はその直交方向(以下、「方位」という。)からなる値である。なお面傾斜度を算出するにあたっては、着目した小領域の周囲にある8個の小領域の3次元座標を用いて計算するなど、従来用いられている種々の手法によって求めることができる。 When the face 3D model is created, the surface inclination degree calculation means 101 calculates the surface inclination angle for each small region (Step 22 in FIG. 5). This surface inclination is a value indicating the posture of the small area, and is an angle with respect to the horizontal plane (or face reference plane) (hereinafter referred to as "depression angle"), and the direction of the intersection straight line between the small area and the horizontal plane or the orthogonal direction (hereinafter referred to as "azimuth"). When calculating the degree of surface inclination, it can be obtained by various methods conventionally used, such as calculation using the three-dimensional coordinates of eight small regions surrounding the small region of interest.

小領域ごとに面傾斜角度を算出すると、法線画像作成手段102がトンネル切羽の法線画像を作成する(図5のStep23)。この法線画像は、法線マップと呼ばれることもあるもので、対象となる物の空間情報(座標や姿勢)に応じた色情報が付与された画像である。そしてトンネル切羽状態表示システム100の面傾斜度算出手段101は、小領域の面傾斜角度(俯角と方位)に応じた色情報を付与することによってトンネル切羽の法線画像を作成する。以下、トンネル切羽の法線画像を作成する手順について詳しく説明する。 After calculating the surface inclination angle for each small region, the normal image creating means 102 creates a normal image of the tunnel face (Step 23 in FIG. 5). This normal image is sometimes called a normal map, and is an image to which color information according to the spatial information (coordinates and orientation) of the target object is added. Then, the surface inclination calculating means 101 of the tunnel face state display system 100 creates a normal image of the tunnel face by adding color information according to the surface inclination angle (depression angle and azimuth) of the small area. The procedure for creating the normal image of the tunnel face will be described in detail below.

まず図6(a)に示すように、赤の値を示すR軸と、緑の値を示すG軸と、青の値を示すB軸からなる3次元空間(以下、「色空間」という。)を設定する。この色空間に配置される点は3次元座標で表すことができ、その座標値がそのまま色情報(つまりRGB)とされる。例えば、図6(a)の場合、原点であるRGB(0,0,0)は「黒」で表示され、RGB(255,0,0)は「赤」、RGB(0,255,0)は「緑」、RGB(0,0,255)は「青」、RGB(255,255,255)は「白」でそれぞれ表示される。 First, as shown in FIG. 6(a), a three-dimensional space (hereinafter referred to as "color space") consisting of the R axis indicating the red value, the G axis indicating the green value, and the B axis indicating the blue value. ). Points arranged in this color space can be represented by three-dimensional coordinates, and the coordinate values are used as color information (that is, RGB) as they are. For example, in the case of FIG. 6A, the origin RGB(0,0,0) is displayed as "black", RGB(255,0,0) is displayed as "red", and RGB(0,255,0) is displayed as "red". are displayed in "green", RGB(0,0,255) in "blue", and RGB(255,255,255) in "white".

次に、図6(a)に示す立方体のうち6つの頂点、すなわち頂点PT11(255,0,0)と、頂点PT21(0,255,0)、頂点PT31(0,0,255)、頂点PT41(255,255,0)、頂点PT51(0,255,255)、頂点PT61(255,0,255)に着目し、図6(b)に示すような平面上の正六角形、すなわち頂点PT11に対応する頂点PT12と、頂点PT41に対応する頂点PT42、頂点PT21に対応する頂点PT22、頂点PT51に対応する頂点PT52、頂点PT31に対応する頂点PT32、頂点PT61に対応する頂点PT62の6つの頂点からなるとともに、図6(a)に示す立方体の中心点を中心Oとする正六角形を考える。なお便宜上ここでは、図6(b)に示す正六角形のことを「色相環」ということとする。 Next, six vertices of the cube shown in FIG. Focusing on PT41 (255, 255, 0), vertex PT51 (0, 255, 255), and vertex PT61 (255, 0, 255), a regular hexagon on a plane as shown in FIG. , vertex PT42 corresponding to vertex PT41, vertex PT22 corresponding to vertex PT21, vertex PT52 corresponding to vertex PT51, vertex PT32 corresponding to vertex PT31, and vertex PT62 corresponding to vertex PT61. Consider a regular hexagon whose center O is the center point of the cube shown in FIG. 6(a). For the sake of convenience, the regular hexagon shown in FIG.

色相環を設定すると、小領域の面傾斜角度に応じてその小領域を色相環に配置(プロット)する。具体的には、中心Oから頂点PT12に向かう基準ベクトルを定め、さらに小領域の方位に応じた係数(以下、「方位係数」という。)を設定するとともに、基準ベクトルの大きさ(長さ)に方位係数を乗じた長さ(以下、「回転長」)という。)を設定する。なお方位係数は、基準とする所定の角度(例えば、180°や360°など)に対する方位の割合として求めることができる。そして、この回転長(つまり半径)を中心O周りに基準ベクトルの方向から小領域の俯角だけ回転させた点(つまり回転長と俯角から得られる極座標)を、色相環における当該小領域の配置(座標)とする。 When the hue circle is set, the small regions are arranged (plotted) on the hue circle in accordance with the surface inclination angles of the small regions. Specifically, a reference vector directed from the center O to the vertex PT12 is determined, a coefficient corresponding to the orientation of the small region (hereinafter referred to as "orientation coefficient") is set, and the magnitude (length) of the reference vector is determined. is multiplied by the azimuth coefficient (hereinafter referred to as "rotational length"). ). Note that the azimuth coefficient can be obtained as a ratio of the azimuth with respect to a predetermined reference angle (for example, 180° or 360°). Then, the rotation length (that is, radius) is rotated from the direction of the reference vector by the depression angle of the small region around the center O (that is, the polar coordinates obtained from the rotation length and the depression angle), and the arrangement of the small region on the color wheel ( coordinates).

色相環における小領域の配置(座標)が得られると、その座標に基づいて図6(a)に示す色空間における座標値(RGB)を求める。例えば図6(b)の場合、色相環に配置された点p及び中心Oを通る直線と、頂点PT12-頂点PT42(線分)との交点aを求めるとともに、頂点PT12-頂点PT42(線分)における点aの内分比と同一となるように、図6(a)の頂点PT11-頂点PT41(線分)の内分点bを求め、さらに中心O-交点a(線分)における点pの内分比と同一となるように、図6(a)に示す立方体の中心点-交点b(線分)の内分点を求め、この内分点を色空間における当該小領域の座標値(RGB)とする。 Once the arrangement (coordinates) of the small areas on the color wheel is obtained, coordinate values (RGB) in the color space shown in FIG. 6A are obtained based on the coordinates. For example, in the case of FIG. 6(b), the intersection a between the vertex PT12 and the vertex PT42 (line segment) and the straight line passing through the point p and the center O arranged on the hue circle is obtained. ), find the internally dividing point b of vertex PT11-vertex PT41 (line segment) in FIG. The internal division point of the intersection point b (line segment) between the center point of the cube shown in FIG. value (RGB).

上記したように色相環における座標値から色空間における座標値に変換する手法に代えて、色相H(Hue)と、彩度S(Saturation)、明度V(Value of Brightness) からなるHSVモデルに基づいて、RGB値を求める手法を採用することもできる。具体的には、図6(b)に示すように小領域の俯角を基準ベクトル(つまりR軸)からの回転角として色相Hを求めるとともに、方位係数に応じた彩度Sを求め、あらかじめ設定された明度VによってHSVを定める。そして、従来用いられている換算式によって、そのHSV値からRGBを算出するわけである。 As described above, instead of the method of converting the coordinate values on the color wheel to the coordinate values on the color space, the HSV model consisting of hue H (Hue), saturation S (Saturation), and brightness V (Value of Brightness) is used. Therefore, it is also possible to adopt a method of obtaining RGB values. Specifically, as shown in FIG. 6(b), the depression angle of the small area is determined as a rotation angle from the reference vector (that is, the R axis) to obtain the hue H, and the saturation S corresponding to the azimuth coefficient is obtained and set in advance. HSV is defined by the calculated brightness V. Then, RGB values are calculated from the HSV values by a conventionally used conversion formula.

このように、小領域ごとに面傾斜角度(俯角と方位)が求められ、面傾斜角度に応じた色情報が付与されることで、トンネル切羽の法線画像が作成される。また、所定の基準点(例えば、画像取得手段220)からの距離(つまり切羽基準面に対する凹凸)を小領域ごとに求め、その距離に応じた色情報(例えば、グレースケール)を付与した距離画像を作成することもできる。 In this way, the surface inclination angle (depression angle and azimuth) is obtained for each small area, and the normal image of the tunnel face is created by adding color information according to the surface inclination angle. In addition, the distance from a predetermined reference point (for example, the image acquisition means 220) (that is, unevenness with respect to the face reference surface) is obtained for each small region, and color information (for example, grayscale) according to the distance is added to the distance image. can also be created.

トンネル切羽の法線画像を作成すると、亀裂間隔算出手段103がトンネル切羽の亀裂を抽出し(図5のStep24)、亀裂の配置に基づいて亀裂間隔を算出する(図5のStep25)。トンネル切羽の亀裂を抽出するにあたっては、トンネル切羽の法線画像に対してフィルター(ソーベルフィルタなど)処理を行うとよい。例えば、フィルター処理によって法線画像を2値化し、白い画素が歩いて緯度(閾値以上)集合した範囲を亀裂として抽出する。あるいは、フィルター処理によって法線画像をグレースケール化し、所定値以上の部分が集合した範囲や、グレースケールの勾配(微分値)が閾値以上となる範囲を亀裂として抽出することもできる。そして、亀裂を抽出することができると、亀裂と亀裂との距離を亀裂間隔として算出する。なお、亀裂と亀裂の間にある小領域に対して、これら亀裂からなる亀裂間隔を付与することとし、小領域ごとに亀裂間隔を求めることもできる。 When the normal image of the tunnel face is created, the crack interval calculation means 103 extracts the cracks in the tunnel face (Step 24 in FIG. 5), and calculates the crack interval based on the arrangement of the cracks (Step 25 in FIG. 5). In order to extract cracks in the tunnel face, it is preferable to apply a filter (Sobel filter or the like) to the normal image of the tunnel face. For example, the normal image is binarized by filtering, and the range where white pixels are walking and latitude (greater than or equal to a threshold) is extracted as a crack. Alternatively, it is also possible to convert the normal image to grayscale by filtering, and to extract as cracks a range in which portions of a predetermined value or more are aggregated or a range in which the grayscale gradient (differential value) is greater than or equal to a threshold. Then, when the crack can be extracted, the distance between the cracks is calculated as the crack interval. It is also possible to determine the crack interval for each small region by assigning a crack interval composed of these cracks to small regions between cracks.

トンネル切羽の亀裂を抽出し、亀裂間隔を算出すると、亀裂評価点設定手段104が亀裂評価点を設定する(図5のStep26)。具体的には、あらかじめ亀裂間隔を複数のレンジで分割設定するとともにそれぞれのレンジに対して得点を付与しておき、亀裂間隔算出手段103によって求められた亀裂間隔に基づいて小領域ごとに亀裂間隔のレンジを設定してその得点を与える。そしてすべての小領域(あるいは一部の小領域)の得点に基づいて統計値(平均値や、中央値、最頻値など)を算出し、これをトンネル切羽の亀裂評価点として設定する。 When the cracks in the tunnel face are extracted and the crack interval is calculated, the crack evaluation point setting means 104 sets the crack evaluation points (Step 26 in FIG. 5). Specifically, the crack interval is divided and set in advance into a plurality of ranges, and a score is assigned to each range, and the crack interval is calculated for each small region based on the crack interval obtained by the crack interval calculation means 103. , and give its score. Statistical values (average value, median value, mode value, etc.) are calculated based on the scores of all small regions (or some small regions), and these are set as tunnel face crack evaluation points.

またトンネル切羽の亀裂を抽出すると、亀裂分布図作成手段105が亀裂分布図を作成する(図5のStep27)。亀裂間隔算出手段103によって抽出された亀裂は、切羽3Dモデルに基づくものであるから座標が付与されており、すなわち亀裂分布図は座標が付与されたものである。そのため亀裂分布図は、座標が与えられたトンネル切羽の写真(例えば、オルソフォト)や、岩盤風化区分図、湧水分布図といった他の切羽画像と重畳表示することができる(図5のStep28)。 Further, when the cracks in the tunnel face are extracted, the crack distribution map creating means 105 creates a crack distribution map (Step 27 in FIG. 5). The cracks extracted by the crack interval calculation means 103 are given coordinates because they are based on the face 3D model. That is, the crack distribution map is given coordinates. Therefore, the crack distribution map can be displayed superimposed on other face images such as a photograph of the tunnel face with coordinates (for example, an orthophoto), a bedrock weathering classification map, and a spring water distribution map (Step 28 in Fig. 5). .

(総合評価点の設定)
図7は、岩盤強度評価点と岩盤風化評価点、湧水状態評価点を設定し、さらに総合評価点を設定するまでの一連の処理の流れを示すフロー図である。なおこのフロー図も、図4や図5と同様、中央の列に実施する行為を示し、左列にはその行為に必要なものを、右列にはその行為から生ずるものを示している。この図に示すように発破削孔時データが得られると、岩盤強度分布図作成手段106が岩盤強度分布図を作成する(図7のStep31)。発破削孔時データには削孔位置が含まれていることから、削孔位置ごとに岩盤強度を示すことによって岩盤強度分布図を作成することができる。なお削孔位置ごとの岩盤強度は、削孔速度に基づいて、あるいは削孔速度とロッドのフィード圧や打撃圧、回転圧などに基づいて設定することができる。岩盤強度分布図を作成すると、岩盤強度評価点設定手段107が岩盤強度評価点を設定する(図7のStep32)。具体的には、あらかじめ岩盤強度を複数のレンジで分割設定するとともにそれぞれのレンジに対して得点を付与しておき、得られた岩盤強度に基づいて小領域ごとに岩盤強度のレンジを設定してその得点を与える。そしてすべての削孔位置(あるいは一部の削孔位置)における得点に基づいて統計値(平均値や、中央値、最頻値など)を算出し、これをトンネル切羽の岩盤強度評価点として設定する。
(Setting of comprehensive evaluation points)
FIG. 7 is a flowchart showing a series of processing steps from setting a rock strength evaluation point, a rock weathering evaluation point, and a spring condition evaluation point to setting a total evaluation point. 4 and 5, this flow diagram also shows actions to be performed in the center column, what is necessary for the action in the left column, and what results from the action in the right column. When the data at the time of blast drilling is obtained as shown in this figure, the rock strength distribution chart creation means 106 creates a rock strength distribution chart (Step 31 in FIG. 7). Since the drilling position data is included in the blasting drilling data, a rock strength distribution map can be created by showing the rock strength at each drilling position. The rock strength for each drilling position can be set based on the drilling speed, or based on the drilling speed and rod feed pressure, impact pressure, rotation pressure, and the like. When the rock strength distribution map is created, the rock strength evaluation point setting means 107 sets the rock strength evaluation points (Step 32 in FIG. 7). Specifically, the rock strength is set in advance by dividing it into multiple ranges, and a score is assigned to each range. Give that score. Then, based on the scores at all drilling positions (or some drilling positions), statistical values (average, median, mode, etc.) are calculated and set as the rock strength evaluation point for the tunnel face. do.

スペクトルカメラ230によってトンネル切羽のスペクトルデータが得られると、岩盤風化区分図作成手段108が岩盤風化区分図を作成する(図7のStep41)。空間演算手段113によってスペクトルカメラ230の坑内位置と姿勢が得られていることから、取得したスペクトルデータをトンネル切羽の位置と対応させることができ、すなわち座標が付与された岩盤風化区分図を作成することができるわけである。岩盤風化区分図を作成するにあたっては、取得されたスペクトルデータに応じて岩盤の風化の程度(以下、「岩盤風化度」という。)を設定する必要がある。これには、岩盤風化度とスペクトルデータとの関係を示す岩盤風化度テーブルを利用するとよい。この岩盤風化度テーブルは、岩盤風化度が既知である岩盤に対して取得したスペクトルデータの実績値に基づくもので、複数段階の岩盤風化度とそれぞれ対応するスペクトルデータとの関係を表したものである。なお岩盤風化度テーブルは、砂岩や花崗岩など岩盤の種類ごとに用意しておくとよい。岩盤風化区分図を作成すると、岩盤風化度評価点設定手段109が岩盤風化度評価点を設定する(図7のStep42)。具体的には、あらかじめ各段階の岩盤風化度に対して得点を付与しておき、得られた岩盤風化度に基づいて小領域ごとにその得点を与える。そしてすべての小領域(あるいは一部の小領域)における得点に基づいて統計値(平均値や、中央値、最頻値など)を算出し、これをトンネル切羽の岩盤風化度評価点として設定する。 When the spectral data of the tunnel face is obtained by the spectrum camera 230, the rock weathering map creating means 108 creates a rock weathering map (Step 41 in FIG. 7). Since the underground position and attitude of the spectral camera 230 have been obtained by the space computing means 113, the obtained spectral data can be associated with the position of the tunnel face, that is, a rock weathering division chart with coordinates assigned can be created. It is possible. In creating a rock weathering classification map, it is necessary to set the degree of rock weathering (hereinafter referred to as "rock weathering degree") in accordance with the acquired spectrum data. For this purpose, it is recommended to use a rock weathering degree table that shows the relationship between rock weathering degree and spectrum data. This bedrock weathering degree table is based on the actual values of spectral data obtained for rocks with known rock weathering degrees, and shows the relationship between multiple levels of rock weathering degrees and the corresponding spectral data. be. Bedrock weathering degree tables should be prepared for each type of bedrock such as sandstone and granite. When the rock mass weathering classification map is created, the rock mass weathering degree evaluation point setting means 109 sets the rock mass weathering degree evaluation points (Step 42 in FIG. 7). Specifically, a score is assigned in advance to the degree of rock weathering at each stage, and the score is assigned to each small region based on the obtained degree of rock weathering. Statistical values (average, median, mode, etc.) are then calculated based on the scores in all small areas (or some small areas), and these are set as rock weathering evaluation points for the tunnel face. .

温度分布センサ240によってトンネル切羽の温度分布が得られると、湧水分布図作成手段110が湧水分布図を作成する(図7のStep51)。空間演算手段113によって温度分布センサ240の坑内位置と姿勢が得られていることから、取得した温度分布をトンネル切羽の位置と対応させることができ、すなわち座標が付与された湧水分布図を作成することができるわけである。湧水分布図を作成するにあたっては、温度分布センサ240によって取得された温度データに応じて湧水の程度(以下、「湧水レベル」という。)を設定する必要がある。これには、あらかじめ段階的に設定された湧水レベルと温度分布センサ240による温度データとの関係を示す湧水レベルテーブルを利用するとよい。この湧水レベルテーブルは、湧水レベルが既知である岩盤に対して取得した温度データの実績値に基づくもので、複数段階の湧水レベルとそれぞれ対応する温度データとの関係を表したものである。湧水分布図を作成すると、湧水状態評価点設定手段111が湧水状態評価点設定する(図7のStep52)。具体的には、あらかじめ各湧水レベルに対して得点を付与しておき、得られた湧水レベルに基づいて小領域ごとにその得点を与える。そしてすべての小領域(あるいは一部の小領域)における得点に基づいて統計値(平均値や、中央値、最頻値など)を算出し、これをトンネル切羽の湧水状態評価点として設定する。 When the temperature distribution of the tunnel face is obtained by the temperature distribution sensor 240, the spring water distribution map creation means 110 creates a spring water distribution map (Step 51 in FIG. 7). Since the underground position and attitude of the temperature distribution sensor 240 are obtained by the space calculation means 113, the obtained temperature distribution can be associated with the position of the tunnel face, that is, a spring water distribution map with coordinates is created. It is possible. In creating the spring water distribution map, it is necessary to set the degree of spring water (hereinafter referred to as “spring water level”) according to the temperature data acquired by the temperature distribution sensor 240 . For this, it is preferable to use a spring water level table that shows the relationship between the spring water level set in advance in steps and the temperature data obtained by the temperature distribution sensor 240 . This spring water level table is based on the actual values of temperature data obtained for rocks with known spring water levels, and shows the relationship between multiple stages of spring water levels and the corresponding temperature data. be. When the spring water distribution map is created, the spring state evaluation point setting means 111 sets the spring state evaluation points (Step 52 in FIG. 7). Specifically, a score is given to each spring water level in advance, and the score is given to each small area based on the obtained spring water level. Statistical values (average, median, mode, etc.) are then calculated based on the scores in all small areas (or some small areas), and these are set as spring water condition evaluation points for the tunnel face. .

亀裂評価点と岩盤強度評価点、岩盤風化評価点、湧水状態評価点が設定されると、総合評価点設定手段112が当該トンネル切羽の総合評価点を設定する(図7のStep60)。具体的には、亀裂評価点と岩盤強度評価点、岩盤風化評価点、湧水状態評価点からなる合計値、あるいは重みづけを行ったうえでの合計値、平均値、加重平均値といった統計値を求め、これをトンネル切羽の総合評価点として設定する。 When the crack evaluation point, rock strength evaluation point, bedrock weathering evaluation point, and spring state evaluation point are set, the comprehensive evaluation point setting means 112 sets the comprehensive evaluation point of the tunnel face (Step 60 in FIG. 7). Specifically, statistical values such as the sum of crack evaluation points, rock strength evaluation points, rock weathering evaluation points, and spring state evaluation points, or weighted total values, average values, and weighted average values. is obtained and set as the overall evaluation score for the tunnel face.

3.トンネル切羽状態表示方法
続いて、本願発明のトンネル切羽状態表示方法について図8を参照しながら説明する。なお、本願発明のトンネル切羽状態表示方法は、ここまで説明したトンネル切羽状態表示システム100を用いた方法であり、したがってトンネル切羽状態表示システム100で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明のトンネル切羽状態表示方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「2.トンネル切羽状態表示システム」で説明したものと同様である。
3. Tunnel Face State Display Method Next, the tunnel face state display method of the present invention will be described with reference to FIG. The tunnel face state display method of the present invention is a method using the tunnel face state display system 100 described so far. Only the content specific to the tunnel face status indication method will be described. That is, the contents not described here are the same as those described in "2. Tunnel Face State Display System".

図8は、本願発明のトンネル切羽状態表示方法の主な工程を示すフロー図である。1サイクル分の発破掘削(あるいは機械掘削)を行い、浮石などを落としながらダンプトラック(あるいはレール工法)によってズリを搬出した(Step101)タイミングで、すなわち従来の目視による切羽観察を行うタイミングで、移動計測体200が切羽近傍まで接近する(Step102)。移動計測体200が停止すると、図1に示すように測量機器TSによって、移動計測体200(移動体210)に搭載された反射体250の座標を計測する(Step103)。ここで計測された結果(つまり反射体250の座標)は、無線通信(あるいは有線通信)手段などを利用して空間演算手段113に送信される。 FIG. 8 is a flowchart showing main steps of the tunnel face state display method of the present invention. Blasting excavation (or mechanical excavation) for one cycle is performed, and the muck is transported by dump truck (or rail construction method) while removing loose rocks (Step 101). The measuring body 200 approaches near the face (Step 102). When the mobile measuring object 200 stops, the surveying instrument TS measures the coordinates of the reflector 250 mounted on the mobile measuring object 200 (moving object 210) as shown in FIG. 1 (Step 103). The results of the measurement (that is, the coordinates of the reflector 250) are transmitted to the space computing means 113 using wireless communication (or wired communication) means or the like.

画像取得手段220によってトンネル切羽の画像を取得する(Step105)が、その前に照明の切り替えを行うとよい(Step104)。具体的には、トンネル切羽付近に常設された照明(水銀灯や蛍光灯など)を消灯し、移動計測体200に搭載された照明機器260でトンネル切羽を照らす。施工用の照明(常設された照明)は比較的照度が安定し難い傾向にあるが、一方の照明機器260によると概ね照度が安定するため、毎トンネル切羽で同様の条件で画像を取得することができるわけである。 An image of the tunnel face is acquired by the image acquiring means 220 (Step 105), but before that, it is preferable to switch the illumination (Step 104). Specifically, the lighting (mercury lamp, fluorescent lamp, etc.) permanently installed near the tunnel face is turned off, and the tunnel face is illuminated by the lighting device 260 mounted on the mobile measuring body 200 . Lighting for construction (permanently installed lighting) tends to be relatively difficult to stabilize in illuminance, but with the lighting equipment 260 on the other hand, the illuminance is generally stable, so images can be acquired under the same conditions for each tunnel face. is possible.

照明の切り替えを行うと観測工程(Step105~Step107)を行う。具体的には、画像取得手段220によってトンネル切羽の画像を取得し(Step105)、スペクトルカメラ230によってトンネル切羽のスペクトルデータを取得し(Step106)、温度分布センサ240によってトンネル切羽の温度分布を取得する(Step107)。なお、トンネル切羽の画像を取得する工程(Step105)と、トンネル切羽のスペクトルデータを取得する工程(Step106)、トンネル切羽の温度分布を取得する工程(Step107)を行う順は適宜選択でき、また測量機器TSによる座標取得工程(Step103)と観測工程を行う順も適宜選択でき、さらに座標取得工程と観測工程を並行して行うこともできる。ここで取得されたトンネル切羽の画像は3Dモデル作成手段114に、トンネル切羽のスペクトルデータは岩盤風化区分図作成手段108に、トンネル切羽の温度分布は湧水分布図作成手段110に、それぞれ無線通信(あるいは有線通信)手段などを利用して送信される。 When the lighting is switched, the observation process (Step 105 to Step 107) is performed. Specifically, the image acquisition means 220 acquires an image of the tunnel face (Step 105), the spectral camera 230 acquires spectral data of the tunnel face (Step 106), and the temperature distribution sensor 240 acquires the temperature distribution of the tunnel face. (Step 107). The order of performing the step of acquiring an image of the tunnel face (Step 105), the step of acquiring spectrum data of the tunnel face (Step 106), and the step of acquiring the temperature distribution of the tunnel face (Step 107) can be selected as appropriate. The order of performing the coordinate acquisition process (Step 103) and the observation process by the device TS can be selected as appropriate, and the coordinate acquisition process and the observation process can be performed in parallel. The tunnel face image obtained here is sent to the 3D model creation means 114, the tunnel face spectrum data to the rock weathering classification map creation means 108, and the temperature distribution of the tunnel face to the spring water distribution map creation means 110, respectively. (or wired communication) means is used to transmit.

観測工程によってトンネル切羽の画像とスペクトルデータ、温度分布が得られると、各種の画像を作成する(Step201)。具体的には、岩盤強度分布図作成手段106が発破削孔時データに基づいて岩盤強度分布図を作成し、岩盤風化区分図作成手段108がトンネル切羽のスペクトルデータに基づいて岩盤風化区分図を作成し、湧水分布図作成手段110がトンネル切羽の温度分布に基づいて湧水分布図を作成する。また、3Dモデル作成手段114がトンネル切羽の画像(ステレオペア画像)に基づいて切羽3Dモデルを作成し、面傾斜度算出手段101が切羽3Dモデルに基づいて面傾斜度を算出し、法線画像作成手段102が面傾斜度に基づいて法線画像を作成するとともに亀裂間隔算出手段103が亀裂を抽出したうえで、亀裂分布図作成手段105が亀裂分布図を作成する。なお亀裂分布図と岩盤強度分布図、岩盤風化区分図、湧水分布図はそれぞれ座標が付与されていることから、これらの画像を相互に重畳表示することができ、あるいは座標が与えられたトンネル切羽の写真と重畳表示することもできる(Step202)。 When the tunnel face image, spectral data, and temperature distribution are obtained in the observation process, various images are created (Step 201). Specifically, the rock strength distribution map creation means 106 creates a rock strength distribution map based on the blast drilling data, and the rock weathering classification map creation means 108 creates a rock weathering classification map based on the spectrum data of the tunnel face. The spring water distribution map creating means 110 creates a spring water distribution map based on the temperature distribution of the tunnel face. Further, the 3D model creation means 114 creates a face 3D model based on the tunnel face image (stereo pair image), the surface inclination degree calculation means 101 calculates the surface inclination degree based on the face 3D model, and the normal image The creating means 102 creates a normal image based on the degree of surface inclination, the crack interval calculating means 103 extracts cracks, and the crack distribution chart creating means 105 creates a crack distribution chart. Coordinates are assigned to each of the crack distribution map, rock strength distribution map, bedrock weathering classification map, and spring water distribution map. It can also be superimposed on the photograph of the face (Step 202).

亀裂分布図と岩盤強度分布図、岩盤風化区分図、湧水分布図を作成すると、トンネル切羽の各種評価点を設定する(Step203)。具体的には、亀裂評価点設定手段104が亀裂間隔に基づいてトンネル切羽の亀裂評価点を設定し、岩盤強度評価点設定手段107が岩盤強度分布図に基づいてトンネル切羽の岩盤強度評価点を設定し、岩盤風化度評価点設定手段109が岩盤風化区分図に基づいてトンネル切羽の岩盤風化度評価点を設定し、湧水状態評価点設定手段111が湧水分布図に基づいてトンネル切羽の湧水状態評価点を設定する。そして総合評価点設定手段112が、岩盤強度評価点と亀裂評価点、岩盤風化度評価点、湧水状態評価点に基づいてトンネル切羽の総合評価点を設定する(Step204)。 When the crack distribution map, rock strength distribution map, rock weathering classification map, and spring water distribution map are created, various evaluation points for the tunnel face are set (Step 203). Specifically, the crack evaluation point setting means 104 sets the crack evaluation point of the tunnel face based on the crack interval, and the rock strength evaluation point setting means 107 sets the rock strength evaluation point of the tunnel face based on the rock strength distribution map. The rock weathering degree evaluation point setting means 109 sets the rock weathering degree evaluation point of the tunnel face based on the rock weathering classification map, and the spring condition evaluation point setting means 111 sets the tunnel face based on the spring water distribution map. Set the spring water condition evaluation point. Then, the total evaluation point setting means 112 sets the total evaluation point of the tunnel face based on the rock strength evaluation point, crack evaluation point, rock weathering degree evaluation point, and spring state evaluation point (Step 204).

本願発明のトンネル切羽状態表示システム、トンネル切羽状態表示方法、及び移動計測体は、道路トンネルや鉄道トンネルのほか、人道トンネルなど様々なトンネル掘削に利用することができる。本願発明によれば、トンネル切羽を安定した状態で掘削することによって高い品質のトンネルを完成させることができ、しかも早々にトンネルを共用することができるとともに、作業者の安全を確保したうえで施工することができることを考えれば、産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明である。 The tunnel face state display system, tunnel face state display method, and mobile measuring object of the present invention can be used for various tunnel excavations such as road tunnels, railway tunnels, and pedestrian tunnels. According to the present invention, a high-quality tunnel can be completed by excavating the tunnel face in a stable state, and the tunnel can be shared quickly, and the safety of workers is ensured before construction. Considering that it can be used in the industrial field, it is an invention that can be expected to make a great contribution to society as well as being industrially applicable.

100 トンネル切羽状態表示システム
101 (トンネル切羽状態表示システムの)面傾斜度算出手段
102 (トンネル切羽状態表示システムの)法線画像作成手段
103 (トンネル切羽状態表示システムの)亀裂間隔算出手段
104 (トンネル切羽状態表示システムの)亀裂評価点設定手段
105 (トンネル切羽状態表示システムの)亀裂分布図作成手段
106 (トンネル切羽状態表示システムの)岩盤強度分布図作成手段
107 (トンネル切羽状態表示システムの)岩盤強度評価点設定手段
108 (トンネル切羽状態表示システムの)岩盤風化区分図作成手段
109 (トンネル切羽状態表示システムの)岩盤風化度評価点設定手段
110 (トンネル切羽状態表示システムの)湧水分布図作成手段
111 (トンネル切羽状態表示システムの)湧水状態評価点設定手段
112 (トンネル切羽状態表示システムの)総合評価点設定手段
113 (トンネル切羽状態表示システムの)空間演算手段
114 (トンネル切羽状態表示システムの)3Dモデル作成手段
115 (トンネル切羽状態表示システムの)表示手段
200 (トンネル切羽状態表示システムの)移動計測体
210 (移動計測体の)移動体
220 (移動計測体の)画像取得手段
230 (移動計測体の)スペクトルカメラ
240 (移動計測体の)温度分布センサ
250 (移動計測体の)反射体
260 (移動計測体の)照明機器
TS (トンネル切羽状態表示システムの)測量機器
100 Tunnel face status display system 101 Surface inclination calculation means (of tunnel face status display system) 102 Normal image creation means (of tunnel face status display system) 103 Crack interval calculation means (of tunnel face status display system) 104 (Tunnel Crack evaluation point setting means (of tunnel face condition display system) 105 Crack distribution map creation means (of tunnel face condition display system) 106 Rock strength distribution map creation means (of tunnel face condition display system) 107 Bedrock (of tunnel face condition display system) Strength evaluation point setting means 108 (Tunnel face condition display system) Rock weathering classification map creation means 109 Rock weathering degree evaluation point setting means (Tunnel face condition display system) Spring water distribution map creation (Tunnel face condition display system) Means 111 Spring condition evaluation point setting means (of tunnel face condition display system) 112 Overall evaluation point setting means (of tunnel face condition display system) 113 Spatial calculation means (of tunnel face condition display system) 114 (Tunnel face condition display system) 3D model creation means 115 (of tunnel face state display system) display means 200 (of tunnel face state display system) moving measuring object 210 (moving measuring object) moving object 220 (moving measuring object) image acquisition means 230 ( Moving measuring object) Spectral camera 240 (Moving measuring object) Temperature distribution sensor 250 (Moving measuring object) Reflector 260 (Moving measuring object) Lighting device TS (Tunnel face status display system) Surveying equipment

Claims (6)

トンネル切羽の状態を表示するシステムにおいて、
トンネル内を移動することができる移動体と、
前記移動体に搭載される2以上の画像取得手段と、
前記移動体に搭載される3以上の反射体と、
前記移動体に搭載されるスペクトルカメラと、
前記移動体に搭載され、トンネル切羽の温度分布を取得することができる温度分布センサと、
トンネル切羽を分割した小領域によって構成されるトンネル切羽の3次元モデルに基づいて、該小領域ごとに3次元空間における面傾斜角度を算出する面傾斜度算出手段と、
前記面傾斜角度に基づいて前記小領域ごとに色情報を設定することで、トンネル切羽の法線画像を作成する法線画像作成手段と、
前記法線画像をフィルター処理することによって、亀裂を抽出するとともに亀裂の間隔を求める亀裂間隔算出手段と、
前記亀裂間隔算出手段によって求められた亀裂間隔と、あらかじめ設定された亀裂間隔閾値と、を照らし合わせることによってトンネル切羽の亀裂評価点を設定する亀裂評価点設定手段と、
発破削孔時の情報に基づいて、トンネル切羽の岩盤強度を推定するとともに座標が付与されたトンネル切羽の岩盤強度分布図を作成する岩盤強度分布図作成手段と、
前記亀裂間隔算出手段によって抽出された亀裂に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の亀裂分布図を作成する亀裂分布図作成手段と、
前記スペクトルカメラによって取得されたトンネル切羽のスペクトルデータと、あらかじめ用意された風化の程度ごとのスペクトルデータと、を照らし合わせることによってトンネル切羽の岩盤風化分布を評価するとともに、該スペクトルカメラの位置及び姿勢に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の岩盤風化区分図を作成する岩盤風化区分図作成手段と、
前記温度分布センサによって取得されたトンネル切羽の温度分布と、該温度分布センサの位置及び姿勢に基づいて、座標が付与されたトンネル切羽の湧水分布図を作成する湧水分布図作成手段と、を備え、
前記画像取得手段は、前記移動体との相対的位置、及び相対的姿勢があらかじめ把握され、
前記スペクトルカメラと前記温度分布センサは、それぞれ前記移動体との相対的位置、及び相対的姿勢があらかじめ把握され、
トンネル内に設置された測量機器が前記反射体を視準することによって、前記画像取得手段のトンネル内における位置と姿勢が得られるとともに、前記3次元モデルにはトンネル内における3次元座標が付与され、
前記法線画像作成手段は、前記面傾斜角度の傾斜角度と傾斜方位に応じた前記色情報を設定
前記岩盤強度分布図、前記亀裂分布図、前記岩盤風化区分図、及び前記湧水分布図は、相互に重畳表示することができる、
ことを特徴とするトンネル切羽状態表示システム。
In the system that displays the state of the tunnel face,
a mobile body capable of moving in a tunnel;
two or more image acquisition means mounted on the moving object;
three or more reflectors mounted on the moving object;
a spectral camera mounted on the moving object;
a temperature distribution sensor mounted on the moving body and capable of acquiring a temperature distribution of the tunnel face;
surface inclination calculation means for calculating a surface inclination angle in a three-dimensional space for each small area based on a three-dimensional model of the tunnel face composed of small areas obtained by dividing the tunnel face;
normal image creation means for creating a normal image of the tunnel face by setting color information for each of the small regions based on the surface inclination angle;
crack interval calculation means for extracting cracks and obtaining crack intervals by filtering the normal image;
crack evaluation point setting means for setting a crack evaluation point of the tunnel face by comparing the crack interval obtained by the crack interval calculation means with a preset crack interval threshold value;
A bedrock strength distribution map creation means for estimating the rock strength of the tunnel face based on information during blast drilling and creating a bedrock strength distribution map of the tunnel face to which coordinates are assigned;
crack distribution map creation means for creating a crack distribution map of the tunnel face to which coordinates are assigned based on the cracks extracted by the crack interval calculation means;
Evaluate the rock weathering distribution of the tunnel face by comparing the spectral data of the tunnel face acquired by the spectral camera with the spectral data for each degree of weathering prepared in advance, and the position and attitude of the spectral camera. a bedrock weathering classification diagram creation means for creating a rock weathering classification diagram of a tunnel face to which coordinates are assigned based on;
Spring water distribution map creation means for creating a spring water distribution map of the tunnel face to which coordinates are assigned based on the temperature distribution of the tunnel face acquired by the temperature distribution sensor and the position and orientation of the temperature distribution sensor; with
The image acquisition means grasps in advance a relative position and a relative attitude with respect to the moving body,
The spectral camera and the temperature distribution sensor have their respective relative positions and relative orientations with respect to the moving object grasped in advance,
A surveying instrument installed in the tunnel collimates the reflector to obtain the position and attitude of the image acquisition means in the tunnel, and the three-dimensional model is given three-dimensional coordinates in the tunnel. ,
The normal image creating means sets the color information according to the inclination angle and the inclination direction of the surface inclination angle,
The rock strength distribution map, the crack distribution map, the rock weathering classification map, and the spring water distribution map can be displayed superimposed on each other.
A tunnel face state display system characterized by:
前記法線画像作成手段は、直交するR軸とG軸とB軸からなる3次元の「色空間」を設定するとともに、該色空間を構成する6つの頂点からなる「色相環」を設定し、該色相環の中心からいずれかの該頂点に向かう基準ベクトルを定め、
また前記法線画像作成手段は、前記傾斜方位に応じた「方位係数」を前記基準ベクトルの大きさに乗じて「回転長」を求めるとともに、該回転長の線分を前記色相環の中心周りに前記傾斜角度だけ回転して該色相環における極座標を求め、
さらに前記法線画像作成手段は、前記極座標を前記色空間に配置することによってRGB値を得るとともに、前記小領域に当該RGB値を付与する、
ことを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽状態表示システム。
The normal image creating means sets a three-dimensional "color space" consisting of orthogonal R, G, and B axes, and sets a "hue circle" consisting of six vertices constituting the color space. , defining a reference vector from the center of the color wheel to any of the vertices,
Further, the normal image creating means multiplies the magnitude of the reference vector by a "direction coefficient" corresponding to the tilt direction to obtain a "rotation length", and calculates a line segment of the rotation length around the center of the hue circle. to obtain the polar coordinates in the color wheel by rotating by the tilt angle,
Further, the normal image creating means obtains RGB values by arranging the polar coordinates in the color space, and assigns the RGB values to the small area.
The tunnel face state display system according to claim 1, characterized in that:
前記法線画像作成手段は、前記傾斜角度に基づいて色相Hを求めるとともに、前記傾斜方位に応じた彩度Sを求め、当該色相Hと当該彩度Sとあらかじめ設定された明度VからなるHSV値を換算することによってRGB値を算出し、前記小領域に当該RGB値を付与する、
ことを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽状態表示システム。
The normal image creating means obtains a hue H based on the tilt angle, obtains a saturation S corresponding to the tilt direction, and obtains an HSV consisting of the hue H, the saturation S, and the brightness V set in advance. calculating an RGB value by converting the value, and assigning the RGB value to the small area;
The tunnel face state display system according to claim 1, characterized in that:
前記岩盤強度分布図に基づいて、トンネル切羽の岩盤強度評価点を設定する岩盤強度評価点設定手段と、
前記岩盤風化区分図に基づいて、トンネル切羽の岩盤風化評価点を設定する岩盤風化度評価点設定手段と、
前記湧水分布図に基づいて、トンネル切羽の湧水状態評価点を設定する湧水状態評価点設定手段と、
前記亀裂評価点、前記岩盤強度評価点、前記岩盤風化評価点、及び前記湧水状態評価点を含む要素に基づいて、トンネル切羽の総合評価点を設定する総合評価点設定手段と、をさらに備えた、
ことを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽状態表示システム。
a rock strength evaluation point setting means for setting a rock strength evaluation point for a tunnel face based on the rock strength distribution map;
a rock weathering degree evaluation point setting means for setting a rock weathering evaluation point for a tunnel face based on the rock weathering classification map;
Spring water state evaluation point setting means for setting a spring water state evaluation point for the tunnel face based on the spring water distribution map;
a total evaluation point setting means for setting a total evaluation point of the tunnel face based on elements including the crack evaluation point, the rock strength evaluation point, the rock weathering evaluation point, and the spring water condition evaluation point. rice field,
The tunnel face state display system according to claim 1, characterized in that:
請求項1乃至請求項4のいずれに記載の前記トンネル切羽状態表示システムを用いて、トンネル切羽の状態を表示する方法であり、
トンネル内に設置された測量機器が前記反射体を視準することによって、前記画像取得手段のトンネル内における位置と姿勢を取得する工程と、
トンネル内における位置と姿勢が把握された2以上の画像取得手段によって、トンネル切羽の画像を取得する観測工程と、
前記観測工程で取得した前記画像に基づいて、トンネル切羽を分割した小領域によって構成されるトンネル切羽の3次元モデルを作成する切羽モデル作成工程と、
前記法線画像作成手段によって、トンネル切羽の法線画像を作成する画像作成工程と、を備え、
前記切羽モデル作成工程で作成される前記3次元モデルには、トンネル内における3次元座標が付与され、
前記画像作成工程では、前記面傾斜角度の傾斜角度と傾斜方位に応じた前記色情報を設定する、
ことを特徴とするトンネル切羽状態表示方法。
A method for displaying the state of a tunnel face using the tunnel face state display system according to any one of claims 1 to 4,
acquiring the position and orientation of the image acquisition means in the tunnel by collimating the reflector with a surveying instrument installed in the tunnel;
an observation step of acquiring an image of the tunnel face by two or more image acquisition means whose positions and orientations in the tunnel are grasped;
a face model creation step of creating a three-dimensional model of the tunnel face composed of small regions obtained by dividing the tunnel face based on the image acquired in the observation step;
an image creating step of creating a normal image of the tunnel face by the normal image creating means;
The three-dimensional model created in the face model creation step is given three-dimensional coordinates in the tunnel,
In the image creation step, the color information is set according to the inclination angle and the inclination direction of the surface inclination angle.
A tunnel face state display method characterized by:
前記観測工程では、トンネル切羽付近に設置された常設の照明を消灯するとともに、前記移動計測体に搭載された照明機器でトンネル切羽に投光した状態で、前記画像取得手段によってトンネル切羽の前記画像を取得する、
ことを特徴とする請求項5記載のトンネル切羽状態表示方法。
In the observation step, the image of the tunnel face is captured by the image acquiring means in a state in which the permanent lighting installed near the tunnel face is turned off and the tunnel face is illuminated by the lighting device mounted on the mobile measuring object. to get the
6. The tunnel face state display method according to claim 5, wherein:
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