JP7377484B2 - Detection device and detection method - Google Patents

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本開示は、検出装置及び、検出方法に関し、特に、粘土鉱物の検出装置及び、検出方法に関する。 The present disclosure relates to a detection device and a detection method, and particularly relates to a clay mineral detection device and a detection method.

例えば、山岳トンネル工事等においては、切羽を構成する地山に粘土鉱物が含まれていると、該粘土鉱物が水分を吸収して膨潤することにより、トンネルの坑径を縮小させることになる。 For example, in mountain tunnel construction, etc., if clay minerals are contained in the ground forming the face, the clay minerals absorb water and swell, thereby reducing the diameter of the tunnel.

このような粘土鉱物の膨潤が覆工コンクリートの打設前に生じた場合には、当該箇所の再掘削等が必要となり、工期や工費に大きく影響するといった課題がある。また、粘土鉱物の膨潤が覆工コンクリートの打設後に生じた場合には、コンクリートのひび割れ等を引き起こす課題もある。このため、地山に含まれる粘土鉱物を適宜に把握することは、山岳トンネル工事において極めて重要となる。 If such swelling of clay minerals occurs before the lining concrete is placed, it will be necessary to re-excavate the area, which will significantly affect the construction period and cost. Furthermore, if swelling of clay minerals occurs after the lining concrete is placed, there is also the problem of causing cracks in the concrete. For this reason, it is extremely important to properly understand the clay minerals contained in the ground in mountain tunnel construction.

例えば、特許文献1には、対象地盤から採取した試料にX線を照射して蛍光X線を捉え、複数元素の含有の有無や量を分析する技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique for irradiating a sample taken from a target ground with X-rays, capturing fluorescent X-rays, and analyzing the presence or absence and amount of multiple elements contained therein.

特開2017-197955号公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-197955

ところで、上記特許文献1記載の技術を用いて切羽全体の状態を把握するには、切羽から多量の試料を採取して分析する必要がある。このため、試料の採取作業、さらには分析作業に多くの労力や時間が掛かるといった課題がある。また、試料の採取や分析に時間を要すことにより、工期を長引かせるといった課題もある。さらに、試料を採取するには、崩壊の危険性がある切羽に近づく必要があり、安全性を十分に担保できないといった課題もある。 By the way, in order to grasp the state of the entire face using the technique described in Patent Document 1, it is necessary to collect and analyze a large amount of samples from the face. For this reason, there is a problem that a lot of labor and time are required for sample collection work and furthermore for analysis work. There is also the issue of prolonging the construction period as it takes time to collect and analyze samples. Furthermore, in order to collect samples, it is necessary to get close to the face, which is at risk of collapsing, which poses the problem of not being able to fully ensure safety.

本開示の技術は、簡素な構成で被検査体に含まれる粘土鉱物を効果的に検出することを目的とする。 The technology of the present disclosure aims to effectively detect clay minerals contained in a test object with a simple configuration.

本開示の検出装置は、被検査体に赤外線を照射する照射手段と、前記被検査体から反射される赤外線を少なくとも2以上の異なる波長の赤外線画像として撮像する撮像手段と、撮像された前記2以上の異なる波長の赤外線画像から各画像の輝度を算出すると共に、算出した各輝度に基づいて前記被検査体に粘土鉱物が含まれるか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。 The detection device of the present disclosure includes: an irradiation unit that irradiates an object to be inspected with infrared rays; an imaging unit that images the infrared rays reflected from the object to be inspected as infrared images of at least two different wavelengths; A determination means for calculating the brightness of each image from the above-mentioned infrared images of different wavelengths and determining whether or not the object to be inspected contains clay minerals based on each calculated brightness. do.

また、前記撮像手段は、前記赤外線画像として、少なくとも、粘土鉱物の赤外線反射率が所定反射率以下となる低反射率の赤外線画像と、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率よりも高くなる高反射率の赤外線画像とを撮像し、前記判定手段は、前記低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比を算出すると共に、算出した輝度比に基づいて、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に粘土鉱物が含まれるか否かを判定することが好ましい。 Further, the imaging means is configured to provide, as the infrared images, at least an infrared image with a low reflectance in which the infrared reflectance of the clay mineral is lower than or equal to a predetermined reflectance, and an infrared image in which the infrared reflectance of the clay mineral is higher than the predetermined reflectance. the determination means calculates a brightness ratio between the brightness of a predetermined area in the low reflectance infrared image and the brightness of a predetermined area in the high reflectance infrared image. At the same time, it is preferable to determine whether a clay mineral is contained in a portion of the object to be inspected corresponding to the predetermined region based on the calculated brightness ratio.

また、前記撮像手段は、前記低反射率の赤外線画像として、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率以下となる少なくとも2以上の異なる低反射率の赤外線画像を撮像し、前記判定手段は、前記2以上の異なる低反射率の赤外線画像内における所定領域の各輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比をそれぞれ算出すると共に、算出した少なくとも2以上の各輝度比に基づいて、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物の種類を特定することが好ましい。 Further, the imaging means takes at least two or more different low reflectance infrared images in which the infrared reflectance of the clay mineral is equal to or lower than the predetermined reflectance as the low reflectance infrared images, and the determining means includes: Calculate the brightness ratio of each predetermined area in the two or more different infrared images with low reflectance and the brightness of the predetermined area in the high reflectance infrared image, and calculate each of the calculated at least two or more infrared images. It is preferable to specify the type of clay mineral contained in a portion of the object to be inspected corresponding to the predetermined region based on the brightness ratio.

また、前記撮像手段は、前記低反射率の赤外線画像として、波長1.4μm付近の第1低反射率、波長1.9μm付近の第2低反射率及び、波長2.2μm付近の第3低反射率の赤外線画像をそれぞれ撮像し、前記判定手段は、前記第1低反射率、前記第2低反射率及び、前記第3低反射率の赤外線画像内における所定領域の各輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比をそれぞれ算出すると共に、算出した3つの各輝度比が閾値以下の場合に、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイトと特定することが好ましい。 Further, the imaging means may produce an infrared image with a first low reflectance near a wavelength of 1.4 μm, a second low reflectance near a wavelength 1.9 μm, and a third low reflectance near a wavelength 2.2 μm. The determining means captures infrared images of each reflectance, and determines the brightness of each predetermined area within the infrared images of the first low reflectance, the second low reflectance, and the third low reflectance, and the brightness of the high reflectance. The brightness ratio of the reflectance to the brightness of a predetermined area in the infrared image is calculated, and if each of the three calculated brightness ratios is less than or equal to a threshold value, the part of the object to be inspected corresponding to the predetermined area is included. Preferably, the clay mineral is identified as montmorillonite.

また、前記撮像手段が、異なる波長の赤外線を透過可能な複数のバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを透過した赤外線を検出する赤外線カメラとを含むことが好ましい。 Further, it is preferable that the imaging means includes a plurality of bandpass filters that can transmit infrared rays of different wavelengths, and an infrared camera that detects the infrared rays that have passed through the bandpass filters.

本開示の検出方法は、被検査体に赤外線を照射する照射ステップと、前記被検査体から反射される赤外線を少なくとも2以上の異なる波長の赤外線画像として撮像する撮像ステップと、撮像された前記2以上の異なる波長の赤外線画像から各画像の輝度を算出すると共に、算出した各輝度に基づいて前記被検査体に粘土鉱物が含まれるか否かを判定する判定ステップと、を有することを特徴とする。 The detection method of the present disclosure includes an irradiation step of irradiating an object to be inspected with infrared rays, an imaging step of imaging the infrared rays reflected from the object to be inspected as infrared images of at least two or more different wavelengths, and a step of imaging the infrared rays reflected from the object to be inspected as infrared images of at least two different wavelengths; A determination step of calculating the brightness of each image from the infrared images of different wavelengths, and determining whether or not the object to be inspected contains clay minerals based on each calculated brightness. do.

また、前記撮像ステップでは、前記赤外線画像として、少なくとも、粘土鉱物の赤外線反射率が所定反射率以下となる低反射率の赤外線画像と、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率よりも高くなる高反射率の赤外線画像とを撮像し、前記判定ステップでは、前記低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比を算出すると共に、算出した輝度比に基づいて、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に粘土鉱物が含まれるか否かを判定することが好ましい。 Further, in the imaging step, the infrared images include at least an infrared image with a low reflectance in which the infrared reflectance of the clay mineral is less than or equal to a predetermined reflectance, and an infrared image in which the infrared reflectance of the clay mineral is higher than the predetermined reflectance. An infrared image with a high reflectance is captured, and in the determination step, a brightness ratio between the brightness of a predetermined area in the infrared image with a low reflectance and the brightness of a predetermined area in the infrared image with a high reflectance is calculated. At the same time, it is preferable to determine whether a clay mineral is contained in a portion of the object to be inspected corresponding to the predetermined region based on the calculated brightness ratio.

また、前記撮像ステップでは、前記低反射率の赤外線画像として、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率以下となる少なくとも2以上の異なる低反射率の赤外線画像を撮像し、前記判定ステップでは、前記2以上の異なる低反射率の赤外線画像内における所定領域の各輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比をそれぞれ算出すると共に、算出した少なくとも2以上の各輝度比に基づいて、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物の種類を特定することが好ましい。 Further, in the imaging step, at least two or more different low reflectance infrared images in which the infrared reflectance of the clay mineral is equal to or lower than the predetermined reflectance are captured as the low reflectance infrared images, and in the determining step, Calculate the brightness ratio of each predetermined area in the two or more different infrared images with low reflectance and the brightness of the predetermined area in the high reflectance infrared image, and calculate each of the calculated at least two or more infrared images. It is preferable to specify the type of clay mineral contained in a portion of the object to be inspected corresponding to the predetermined region based on the brightness ratio.

また、前記撮像ステップでは、前記低反射率の赤外線画像として、波長1.4μm付近の第1低反射率、波長1.9μm付近の第2低反射率及び、波長2.2μm付近の第3低反射率の赤外線画像をそれぞれ撮像し、前記判定ステップでは、前記第1低反射率、前記第2低反射率及び、前記第3低反射率の赤外線画像内における所定領域の各輝度と、前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との輝度比をそれぞれ算出すると共に、算出した3つの各輝度比が閾値以下の場合に、前記被検査体の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイトと特定することが好ましい。 In addition, in the imaging step, as the infrared images with low reflectance, a first low reflectance around a wavelength of 1.4 μm, a second low reflectance around a wavelength of 1.9 μm, and a third low reflectance around a wavelength of 2.2 μm are obtained. Infrared images of the respective reflectances are taken, and in the determination step, each brightness of a predetermined area in the infrared images of the first low reflectance, the second low reflectance, and the third low reflectance, and the brightness of the high reflectance are determined. The brightness ratio of the reflectance to the brightness of a predetermined area in the infrared image is calculated, and if each of the three calculated brightness ratios is less than or equal to a threshold value, the part of the object to be inspected corresponding to the predetermined area is included. Preferably, the clay mineral is identified as montmorillonite.

本開示の技術によれば、簡素な構成で被検査体に含まれる粘土鉱物を効果的に検出することができる。 According to the technology of the present disclosure, clay minerals contained in an object to be inspected can be effectively detected with a simple configuration.

本実施形態に係る検出装置を山岳トンネル工法に適用した一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example in which the detection device according to the present embodiment is applied to a mountain tunnel construction method. 粘土鉱物の一例として、モンモリロナイト、カオリナイト及び、イライトの反射率特性を示すグラフである。It is a graph showing the reflectance characteristics of montmorillonite, kaolinite, and illite as examples of clay minerals. 本実施形態に係る検出装置を示す機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram showing a detection device according to the present embodiment. 本実施形態における各輝度画像の具体例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the specific example of each luminance image in this embodiment. 本実施形態における各輝度画像に基づいて生成した輝度比画像の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the brightness ratio image produced|generated based on each brightness image in this embodiment. 本実施形態に係る検出装置による粘土鉱物の検出処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining the flow of a clay mineral detection process by a detection device concerning this embodiment. 他の実施形態に係る粘土鉱物の検出処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining the flow of a clay mineral detection process concerning other embodiments.

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る検出装置及び、検出方法について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, a detection device and a detection method according to the present embodiment will be described based on the accompanying drawings. Identical parts are given the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.

図1は、本実施形態に係る検出装置10を山岳トンネル工法に適用した一例を示す模式図である。同図において、符号Gは地山、符号1は掘削により形成されたトンネル、符号2は切羽、符号3は支保工、符号4は覆工コンクリートをそれぞれ模式的に示している。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example in which a detection device 10 according to the present embodiment is applied to a mountain tunnel construction method. In the figure, reference numeral G schematically indicates the ground, 1 the tunnel formed by excavation, 2 the face, 3 the shoring, and 4 the concrete lining.

図1に示すように、検出装置10は、例えば、切羽2を構成する地山Gに含まれる粘土鉱物の検出に用いられる。具体的には、検出装置10は、照射部20と、撮像部30と、データ処理部50と、入力部60と、表示部70とを備えている。 As shown in FIG. 1, the detection device 10 is used, for example, to detect clay minerals contained in the ground G forming the face 2. Specifically, the detection device 10 includes an irradiation section 20, an imaging section 30, a data processing section 50, an input section 60, and a display section 70.

照射部20は、切羽2に赤外線(以下、本実施形態において、「赤外線」と称した場合には「近赤外線」を含むものとする)を照射可能な照明装置であって、例えばハロゲンランプを用いて構成されている。照射部20は、好ましくは、三脚等を用いてトンネル1内に設置される。なお、照射部20は、ハロゲンランプ以外のランプ光源、発光ダイオードやレーザダイオード等であってもよい。 The irradiation unit 20 is an illumination device capable of irradiating infrared rays (hereinafter, in the present embodiment, when referred to as "infrared rays" includes "near infrared rays") to the face 2, and uses, for example, a halogen lamp. It is configured. The irradiation unit 20 is preferably installed inside the tunnel 1 using a tripod or the like. Note that the irradiation unit 20 may be a lamp light source other than a halogen lamp, a light emitting diode, a laser diode, or the like.

撮像部30は、フィルタ部31及び、赤外線カメラ40を有する。フィルタ部31は、切羽2と赤外線カメラ40との間に配置されており、選択的に切り替え可能な複数(本実施形態では、例えば4個)の第1~第4フィルタ32~35を備えている。これら各フィルタ32~35には、それぞれ異なる特定の波長帯域の赤外線を透過させるバンドパスフィルタ(光学フィルタ)が選定されている。以下、各フィルタ32~35の波長帯域の詳細な選定について説明する。 The imaging section 30 includes a filter section 31 and an infrared camera 40. The filter section 31 is arranged between the face 2 and the infrared camera 40, and includes a plurality of (for example, four in this embodiment) first to fourth filters 32 to 35 that can be selectively switched. There is. Each of these filters 32 to 35 is a bandpass filter (optical filter) that transmits infrared rays in different specific wavelength bands. Detailed selection of wavelength bands for each of the filters 32 to 35 will be described below.

図2は、粘土鉱物の一例として、モンモリロナイト、カオリナイト及び、イライトの反射率特性を示すグラフである(出典:Castaldi, F., Palombo, A., Pascucci, S., Pignatti, S., Santini, F., Casa, R. (2015) Reducing the influence of soil moisture on the estimation of clay from hyperspectral data: a case study using simulated PRISMA data. Remote Sensing, vol. 7, pp. 15561-15582, Fig. 5.)。一般的に、粘土鉱物の赤外線反射率特性には、所定の波長帯域にて赤外線の反射率が急減(吸収率が急増)する複数のボトムが存在する。 Figure 2 is a graph showing the reflectance characteristics of montmorillonite, kaolinite, and illite as examples of clay minerals (Source: Castaldi, F., Palombo, A., Pascucci, S., Pignatti, S., Santini , F., Casa, R. (2015) Reducing the influence of soil moisture on the estimation of clay from hyperspectral data: a case study using simulated PRISMA data. Remote Sensing, vol. 7, pp. 15561-15582, Fig. 5 ). Generally, in the infrared reflectance characteristics of clay minerals, there are a plurality of bottoms where the infrared reflectance rapidly decreases (absorption rate rapidly increases) in a predetermined wavelength band.

より詳しくは、モンモリロナイトには、赤外線の反射率が約60%(所定反射率の一例)以下に急減する波長帯域として、波長1.4μm付近の低反射率帯域A1、波長1.9μm付近の低反射率帯域A2及び、波長2.2μm付近の低反射率帯域A3の約3つのボトムが存在する。カオリナイトには、赤外線の反射率が約50%以下に急減する波長1.4μm付近の低反射率帯域A1及び、赤外線の反射率が約30%以下に急減する波長2.2μm付近の低反射率帯域A3の約2つのボトムが存在する。これら反射率の急減は、粘土鉱物が含有する水酸基(OH)や水分子の振動に電磁波が吸収されることを起因として生じる。 More specifically, montmorillonite has a low reflectance band A1 around a wavelength of 1.4 μm, a low reflectance band A1 around a wavelength of 1.9 μm, and a low reflectance band A1 around a wavelength of 1.9 μm, as wavelength bands where the reflectance of infrared rays rapidly decreases to about 60% or less (an example of a predetermined reflectance). There are approximately three bottoms: a reflectance band A2 and a low reflectance band A3 around a wavelength of 2.2 μm. Kaolinite has a low reflectance band A1 around a wavelength of 1.4 μm, where the reflectance of infrared rays rapidly decreases to about 50% or less, and a low reflectance band A1 of around 2.2 μm, where the reflectance of infrared rays suddenly decreases to about 30% or less. There are approximately two bottoms of rate band A3. These rapid decreases in reflectance occur because electromagnetic waves are absorbed by vibrations of hydroxyl groups (OH) and water molecules contained in clay minerals.

本実施形態では、第1フィルタ32として、モンモリロナイトやカオリナイトを含む粘土鉱物全般にて赤外線反射率が急減する波長1.4μm付近の低反射率帯域A1の赤外線を透過可能なバンドパスフィルタが選定されている。また、第2フィルタ33として、少なくともモンモリロナイトにて赤外線反射率が急減する波長1.9μm付近の低反射率帯域A2の赤外線を透過可能なバンドパスフィルタが選定されている。また、第3フィルタ34として、少なくともモンモリロナイト及びカオリナイトにて赤外線反射率が急減する波長2.2μm付近の低反射率帯域A3の赤外線を透過可能なバンドパスフィルタが選定されている。さらに、第4フィルタ35として、これら低反射率帯域A1,A2,A3とは異なる複数の高反射率帯域B1,B2,B3(例えば、モンモリロナイトにて赤外線反射率が約70%よりも高くなる帯域)のうち、何れかの波長の赤外線を透過可能なバンドパスフィルタが選定されている。 In this embodiment, as the first filter 32, a bandpass filter that can transmit infrared rays in a low reflectance band A1 around a wavelength of 1.4 μm, where the infrared reflectance of all clay minerals including montmorillonite and kaolinite rapidly decreases, is selected. has been done. Furthermore, as the second filter 33, a bandpass filter is selected that can transmit at least infrared rays in a low reflectance band A2 around a wavelength of 1.9 μm, where the infrared reflectance of montmorillonite sharply decreases. Further, as the third filter 34, a bandpass filter is selected that can transmit infrared rays in a low reflectance band A3 around a wavelength of 2.2 μm, where the infrared reflectance rapidly decreases in at least montmorillonite and kaolinite. Further, as the fourth filter 35, a plurality of high reflectance bands B1, B2, and B3 different from these low reflectance bands A1, A2, and A3 (for example, a band where the infrared reflectance is higher than about 70% in montmorillonite) ), a bandpass filter that can transmit infrared rays of any wavelength is selected.

なお、各フィルタ32~35の個数や波長帯域の選定は、これらに限定されるものではなく、検出対象となる粘土鉱物の種類や検出目的等に応じて適宜に設定することができる。また、高反射率帯域B1,B2,B3用のフィルタは、第4フィルタ35の1個に限定されず、必要に応じて各高反射率帯域B1,B2,B3毎にフィルタ数を追加して構成してもよい。 Note that the number of filters 32 to 35 and selection of wavelength bands are not limited to these, and can be set as appropriate depending on the type of clay mineral to be detected, the purpose of detection, etc. Further, the number of filters for the high reflectance bands B1, B2, and B3 is not limited to one in the fourth filter 35, and the number of filters may be added for each of the high reflectance bands B1, B2, and B3 as necessary. may be configured.

図1に戻り、赤外線カメラ40は、切羽2から反射されてフィルタ部31を透過した赤外線を検出すると共に、撮像した赤外線画像データをデータ処理部50に入力する。赤外線カメラ40は、好ましくは、三脚等を用いてトンネル1内に設置される。赤外線カメラ40の切羽2から設置距離は、切羽2から反射される赤外線を撮像可能な範囲内にて、好ましくは、一度の撮像により取得される画像内に切羽2の全体像が含まれるか、或は、切羽2の全体像に加えて、支保工3(又は、不図示のアンカーボルトのボルトヘッド等)の一部が含まれるように適宜に調整される。 Returning to FIG. 1, the infrared camera 40 detects the infrared rays reflected from the face 2 and transmitted through the filter section 31, and inputs the captured infrared image data to the data processing section 50. The infrared camera 40 is preferably installed inside the tunnel 1 using a tripod or the like. The installation distance of the infrared camera 40 from the face 2 is within a range where infrared rays reflected from the face 2 can be imaged, and preferably, the entire image of the face 2 is included in the image acquired by one imaging, or Alternatively, in addition to the entire image of the face 2, it is adjusted appropriately so that a part of the shoring 3 (or the bolt head of an anchor bolt (not shown), etc.) is included.

なお、フィルタ部31は、撮像部30の一部に組み込まれるものとしたが、照射部20に組み込んでもよい。照射部20に組み込む場合は、フィルタ部31を照射部20の光源と切羽2との間に配置すればよい。或は、照射部20を波長可変光源とすれば、フィルタ部31そのものを省略することもできる。 Note that although the filter section 31 is assumed to be incorporated into a part of the imaging section 30, it may be incorporated into the irradiation section 20. When incorporated into the irradiation section 20 , the filter section 31 may be placed between the light source of the irradiation section 20 and the face 2 . Alternatively, if the irradiation section 20 is a variable wavelength light source, the filter section 31 itself can be omitted.

データ処理部50は、パーソナルコンピュータやサーバ等の情報処理装置を用いて構成される。なお、データ処理部50は、タブレットやスマートフォン等の情報処理装置を用いて構成されてもよい。データ処理部50は、撮像部30により撮像された赤外線の画像データを取得する。また、データ処理部50は、取得した画像データに基づいて、切羽2を構成する地山Gに粘土鉱物が含まれるか否かの判定及び、地山Gに含まれる粘土鉱物の種類の特定を実施する。 The data processing unit 50 is configured using an information processing device such as a personal computer or a server. Note that the data processing unit 50 may be configured using an information processing device such as a tablet or a smartphone. The data processing unit 50 acquires infrared image data captured by the imaging unit 30. The data processing unit 50 also determines whether clay minerals are included in the ground G constituting the face 2 and specifies the type of clay mineral contained in the ground G based on the acquired image data. implement.

入力部60は、例えば、データ処理部50に接続されたキーボードであって、データ処理部50に種々の情報や指示等を入力する。表示部70は、例えば、データ処理部50に接続されたディスプレイであって、検出装置10による検出結果や入力部60からデータ処理部50への入力内容等を表示する。 The input unit 60 is, for example, a keyboard connected to the data processing unit 50, and inputs various information, instructions, etc. to the data processing unit 50. The display unit 70 is, for example, a display connected to the data processing unit 50, and displays the detection results by the detection device 10, the input contents from the input unit 60 to the data processing unit 50, and the like.

本実施形態において、照射部20及び撮像部30は、太陽光等の外乱の影響を受け難いトンネル1内(暗部)に設置される。また、データ処理部50、入力部60及び、表示部70は、トンネル1内又はトンネル坑外(遠隔地を含む)の何れに設置してもよい。照射部20のオン/オフ、フィルタ部31の切り替え及び、赤外線カメラ40の作動は、作業者の入力部60の操作によりデータ処理部50を介して出力される指令に応じて自動制御されてもよく、或は、作業者がこれら照射部20,フィルタ部31,撮像部40を直接的に手動操作することにより行われてもよい。 In this embodiment, the irradiation unit 20 and the imaging unit 30 are installed inside the tunnel 1 (dark area) that is not easily affected by disturbances such as sunlight. Further, the data processing section 50, the input section 60, and the display section 70 may be installed either inside the tunnel 1 or outside the tunnel (including a remote location). The on/off of the irradiation unit 20, the switching of the filter unit 31, and the operation of the infrared camera 40 may be automatically controlled in accordance with a command outputted via the data processing unit 50 by the operator's operation of the input unit 60. Alternatively, the irradiation section 20, the filter section 31, and the imaging section 40 may be directly operated manually by an operator.

図3は、本実施形態に係る検出装置10を示す機能ブロック図である。検出装置10は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリ、補助記憶装置等を備え、検出プログラムを実行する。また、検出装置10は、検出プログラムの実行によって記憶部51、輝度画像生成部52及び、粘土鉱物検出部53を備える装置として機能する。検出プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば、光磁気ディスク、USB、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、検出プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 FIG. 3 is a functional block diagram showing the detection device 10 according to this embodiment. The detection device 10 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, etc. connected via a bus, and executes a detection program. Furthermore, the detection device 10 functions as a device including a storage section 51, a brightness image generation section 52, and a clay mineral detection section 53 by executing the detection program. The detection program may be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium is, for example, a magneto-optical disk, a portable medium such as a USB, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built into a computer system. The detection program may also be transmitted via a telecommunications line.

記憶部51は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構
成されている。記憶部51は、赤外線カメラ40によって取得された赤外線画像データを記憶する。
The storage unit 51 is configured using a storage device such as a magnetic hard disk device or a semiconductor storage device. The storage unit 51 stores infrared image data acquired by the infrared camera 40.

輝度画像生成部52は、記憶部51に記憶された赤外線画像データに基づいて、赤外線反射率に応じた輝度画像(白黒のモノクロ画像)を生成する。輝度画像は、例えば、赤外線画像データを白黒256階調のグレースケールに変換後、好ましくは、照射部20の光源特性や赤外線カメラ40の感度特性に応じた補正係数で補正することにより生成される。なお、階調数は256階調に限定されず、種々の階調数とすることができる。 The brightness image generation unit 52 generates a brightness image (black and white monochrome image) according to the infrared reflectance based on the infrared image data stored in the storage unit 51. The brightness image is generated, for example, by converting the infrared image data into a gray scale of 256 black and white gradations, and then preferably correcting it with a correction coefficient according to the light source characteristics of the irradiation unit 20 and the sensitivity characteristics of the infrared camera 40. . Note that the number of gradations is not limited to 256 gradations, and may be any number of gradations.

図4は、本実施形態における輝度画像の具体例を示す模式図である。図4(A)は、第1フィルタ32を透過した低反射率帯域A1(図2参照)の赤外線の画像データから生成された輝度画像、図4(B)は、第2フィルタ33を透過した低反射率帯域A2(図2参照)の赤外線の画像データから生成された輝度画像、図4(C)は、第3フィルタ34を透過した低反射率帯域A3(図2参照)の赤外線の画像データから生成された輝度画像、図4(D)は、第4フィルタ35を透過した高反射率帯域(図2に示すB1,B2,B3の何れか)の赤外線の画像データから生成された輝度画像をそれぞれ模式的に示している。これら各輝度画像内の各領域X,Yの濃淡は、色が濃い(輝度が暗い)領域ほど切羽2に照射された赤外線の反射率が低く、色が淡い(輝度が明るい)領域ほど切羽2に照射された赤外線の反射率が高いことを示している。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a specific example of a brightness image in this embodiment. 4(A) is a brightness image generated from the infrared image data of the low reflectance band A1 (see FIG. 2) transmitted through the first filter 32, and FIG. 4(B) is the luminance image generated from the infrared image data transmitted through the second filter 33. The brightness image generated from the infrared image data of the low reflectance band A2 (see FIG. 2), and FIG. 4(C) is the infrared image of the low reflectance band A3 (see FIG. 2) that has passed through the third filter 34. The luminance image generated from the data, FIG. 4(D), is the luminance image generated from the infrared image data in the high reflectance band (any of B1, B2, and B3 shown in FIG. 2) transmitted through the fourth filter 35. Each image is schematically shown. Regarding the shading of each region X, Y in each of these brightness images, the darker the color (darker the brightness), the lower the reflectance of the infrared rays irradiated to the face 2, and the lighter the color (brighter the brightness), the lower the reflectance of the infrared rays irradiated to the face 2. This shows that the reflectance of infrared rays irradiated to the area is high.

具体的には、輝度画像内の領域Xに対応する切羽2に、粘土鉱物として、例えばモンモリロナイトが含まれていると、該モンモリロナイトに照射された赤外線のうち、低反射率帯域A1,A2,A3の赤外線の反射率は低くなり、高反射率帯域B1,B2,B3の赤外線の反射率は高くなる。このため、図4(A)、(B)及び、(C)に示すように、低反射率帯域A1,A2,A3の赤外線画像データから生成される輝度画像IMG1,IMG2,IMG3では、モンモリロナイトを含む領域Xの輝度がモンモリロナイトを含まない領域Y(主として珪酸塩鉱物等で構成された岩石)の輝度よりも暗くなる。一方、図4(D)に示すように、高反射率帯域(B1,B2,B3の何れか)の赤外線画像データから生成される輝度画像IMG4では、画像全体の輝度が明るくなることで、領域Xと領域Yとの輝度差は小さく表される。 Specifically, if the face 2 corresponding to the region The reflectance of infrared rays becomes low, and the reflectance of infrared rays in high reflectance bands B1, B2, and B3 becomes high. Therefore, as shown in FIGS. 4(A), (B), and (C), the brightness images IMG1, IMG2, and IMG3 generated from the infrared image data in the low reflectance bands A1, A2, and A3 contain montmorillonite. The brightness of region X containing montmorillonite becomes darker than the brightness of region Y (rock mainly composed of silicate minerals, etc.) that does not contain montmorillonite. On the other hand, as shown in FIG. 4(D), in the brightness image IMG4 generated from infrared image data in the high reflectance band (any of B1, B2, or B3), the brightness of the entire image becomes brighter, so that the area The difference in brightness between X and area Y is expressed as small.

輝度画像は、このような切羽2に照射された赤外線の反射率に応じた輝度値を各画素の画素値として有する。なお、説明の便宜上、以下では、第1フィルタ32を透過した赤外線の画像データから生成される輝度画像IMG1を「第1低反射率輝度画像IMG1」、第2フィルタ33を透過した赤外線の画像データから生成される輝度画像IMG2を「第2低反射率輝度画像IMG2」、第3フィルタ34を透過した赤外線の画像データから生成される輝度画像IMG3を「第3低反射率輝度画像IMG3」、第4フィルタ35を透過した赤外線の画像データから生成される輝度画像IMG4を「基準輝度画像IMG4」と称する。 The brightness image has, as the pixel value of each pixel, a brightness value that corresponds to the reflectance of the infrared rays irradiated onto the face 2. For convenience of explanation, the brightness image IMG1 generated from the infrared image data transmitted through the first filter 32 will be referred to as "first low reflectance brightness image IMG1", and the infrared image data transmitted through the second filter 33 will be referred to as "first low reflectance brightness image IMG1". The brightness image IMG2 generated from the third filter 34 is referred to as a "second low reflectance brightness image IMG2", and the brightness image IMG3 generated from the infrared image data transmitted through the third filter 34 is referred to as a "third low reflectance brightness image IMG3". The brightness image IMG4 generated from the infrared image data that has passed through the four filters 35 is referred to as a "reference brightness image IMG4."

粘土鉱物検出部53は、輝度画像生成部52により生成された輝度画像に基づいて、切羽2に粘土鉱物が含まれるか否かを検出する。具体的には、粘土鉱物検出部53は、第1低反射率輝度画像IMG1内のx点の輝度α1と、対応する基準輝度画像IMG4内のx点の輝度βとの輝度比γ1(=α1/β)を算出し、輝度比γ1が所定の閾値以下であれば、切羽2の当該部分に粘土鉱物(少なくともモンモリロナイト又はカオリナイトを含む粘土鉱物全般)が含まれると判定する。このように、赤外線反射率が低い低反射率輝度画像IMG1の輝度α1と、赤外線反射率が高い基準輝度画像IMG4の輝度βとの輝度比γ1を用いることで、切羽2の各地点と照射部20(光源)との距離差の影響が低減されるようになり、これらの距離差に応じた補正を行うことなく、粘土鉱物の有無を容易に検出することが可能になる。 The clay mineral detection unit 53 detects whether the face 2 contains clay minerals based on the brightness image generated by the brightness image generation unit 52. Specifically, the clay mineral detection unit 53 determines the brightness ratio γ1 (=α1) between the brightness α1 of point x in the first low reflectance brightness image IMG1 and the brightness β of point /β), and if the brightness ratio γ1 is less than a predetermined threshold value, it is determined that the corresponding portion of the face 2 contains clay minerals (clay minerals in general including at least montmorillonite or kaolinite). In this way, by using the brightness ratio γ1 between the brightness α1 of the low reflectance brightness image IMG1 with a low infrared reflectance and the brightness β of the reference brightness image IMG4 with a high infrared reflectance, each point on the face 2 and the irradiation area can be adjusted. 20 (light source) is reduced, and it becomes possible to easily detect the presence or absence of clay minerals without making corrections according to these distance differences.

なお、輝度比γ1の算出は、1画素毎又は複数画素の平均値からなる所定領域毎の何れであってもよい。各輝度画像IMG1,IMG4の位置合わせは、例えば、画像内に含まれる支保工3(又は、不図示のアンカーボルトのボルトヘッド等)を基準点に用いればよい。 Note that the brightness ratio γ1 may be calculated for each pixel or for each predetermined area formed from the average value of a plurality of pixels. The respective brightness images IMG1 and IMG4 may be aligned using, for example, the shoring 3 (or the bolt head of an anchor bolt (not shown), etc.) included in the image as a reference point.

また、粘土鉱物検出部53は、輝度比γ1が閾値以下となる領域に基づいて、切羽2における粘土鉱物の分布域を抽出する。図5は、図4(A)及び(D)に示される各輝度画像IMG1,IMG4に基づいて生成した輝度比画像IMG5の一例を示す模式図である。このように輝度比γ1に基づいて生成された輝度比画像IMG5を用いれば、輝度比γ1が閾値以下となる粘土鉱物を多く含む領域Xと、輝度比γ1が閾値よりも高くなる粘土鉱物を含まない領域Y(主として岩石)との輝度差が明確に表されるようになり、粘土鉱物の分布域を容易且つ正確に抽出することができる。 Furthermore, the clay mineral detection unit 53 extracts the distribution area of clay minerals in the face 2 based on the area where the brightness ratio γ1 is equal to or less than the threshold value. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a brightness ratio image IMG5 generated based on the brightness images IMG1 and IMG4 shown in FIGS. 4(A) and (D). By using the brightness ratio image IMG5 generated based on the brightness ratio γ1 in this way, it is possible to identify a region The brightness difference with the area Y (mainly rocks) where there is no clay mineral can be clearly expressed, and the distribution area of clay minerals can be easily and accurately extracted.

なお、判定や抽出に用いる輝度画像は、第1低反射率輝度画像IMG1に限定されず、図4(B)に示す第2低反射率輝度画像IMG2又は、図4(C)に示す第3低反射率輝度画像IMG3の何れを用いてもよい。第2低反射率輝度画像IMG2を用いる場合は、第2低反射率輝度画像IMG2内のx点の輝度α2と、対応する基準輝度画像IMG4内のx点の輝度βとの輝度比γ2(=α2/β)を算出し、輝度比γ2が閾値以下であれば当該部分に粘土鉱物(少なくともモンモリロナイトを含有する粘土鉱物)が含まれると判定すればよい。同様に、第3低反射率輝度画像IMG3を用いる場合は、第3低反射率輝度画像IMG3内のx点の輝度α3と、対応する基準輝度画像IMG4内のx点の輝度βとの輝度比γ3(=α3/β)を算出し、輝度比γ3が閾値以下であれば当該部分に粘土鉱物(少なくともモンモリロナイト又はカオリナイトの何れかを含有する粘土鉱物)が含まれると判定すればよい。判定に用いる各閾値は、検出対象となる粘土鉱物の種類や検出目的等に応じて適宜に設定すればよい。 Note that the brightness image used for determination and extraction is not limited to the first low reflectance brightness image IMG1, but may be the second low reflectance brightness image IMG2 shown in FIG. 4(B) or the third low reflectance brightness image IMG2 shown in FIG. 4(C). Any of the low reflectance brightness images IMG3 may be used. When using the second low reflectance brightness image IMG2, the brightness ratio γ2 (= α2/β), and if the brightness ratio γ2 is less than or equal to the threshold value, it may be determined that the corresponding portion contains clay minerals (clay minerals containing at least montmorillonite). Similarly, when using the third low reflectance brightness image IMG3, the brightness ratio between the brightness α3 of point x in the third low reflectance brightness image IMG3 and the brightness β of point x in the corresponding reference brightness image IMG4 γ3 (=α3/β) is calculated, and if the brightness ratio γ3 is less than or equal to a threshold value, it may be determined that a clay mineral (a clay mineral containing at least montmorillonite or kaolinite) is included in the portion. Each threshold value used for determination may be appropriately set according to the type of clay mineral to be detected, the purpose of detection, etc.

さらに、粘土鉱物検出部53は、算出した各輝度比γ1,γ2,γ3に基づいて、切羽2の領域Xに含まれる粘土鉱物の種類を特定する。図2に基づいて説明したように、モンモリロナイト及び、カオリナイトでは、波長1.4μm付近及び、波長2.2μm付近の2つの波長帯域A1,A3にて赤外線反射率が急減する一方、モンモリロナイトにおいては、さらに波長1.9μm付近の波長帯域A2でも赤外線反射率が急減する。粘土鉱物判定部53は、このような粘土鉱物の種類に応じた赤外線反射率の相違を用いることにより粘土鉱物の種類を特定する。 Further, the clay mineral detection unit 53 identifies the type of clay mineral included in the region X of the face 2 based on the calculated brightness ratios γ1, γ2, and γ3. As explained based on FIG. 2, in montmorillonite and kaolinite, the infrared reflectance rapidly decreases in the two wavelength bands A1 and A3, around the wavelength of 1.4 μm and around the wavelength of 2.2 μm, while in montmorillonite, Furthermore, the infrared reflectance rapidly decreases even in the wavelength band A2 near the wavelength of 1.9 μm. The clay mineral determination unit 53 identifies the type of clay mineral by using the difference in infrared reflectance depending on the type of clay mineral.

具体的には、(1)第1低反射率輝度画像IMG1と基準輝度画像IMG4とに基づいて算出される輝度比γ1が閾値以下、且つ(2)第2低反射率輝度画像IMG2と基準輝度画像IMG4とに基づいて算出される輝度比γ2が閾値以下、且つ(3)第3低反射率輝度画像IMG3と基準輝度画像IMG4とに基づいて算出される輝度比γ3が閾値以下となる(1)~(3)の全ての条件が成立すれば、モンモリロナイト特有の低反射率帯域A1,A2,A3にて赤外線反射率が急減していることになる。この場合、粘土鉱物検出部53は、領域Xに含まれる粘土鉱物の種類をモンモリロナイトと特定する。一方、条件(1)及び条件(3)は成立するが、条件(2)が成立しない場合は、モンモリロナイト及びカオリナイトに共通する低反射率帯域A1,A3にて赤外線反射率が急減し、モンモリロナイト特有の低反射率帯域A2では赤外線反射率が急減していないことになる。この場合、粘土鉱物検出部53は、領域Xに含まれる粘土鉱物の種類をカオリナイトと特定する。 Specifically, (1) the brightness ratio γ1 calculated based on the first low reflectance brightness image IMG1 and the reference brightness image IMG4 is equal to or less than the threshold, and (2) the second low reflectance brightness image IMG2 and the reference brightness The brightness ratio γ2 calculated based on the image IMG4 is below the threshold value, and (3) the brightness ratio γ3 calculated based on the third low reflectance brightness image IMG3 and the reference brightness image IMG4 is below the threshold value (1 ) to (3), it means that the infrared reflectance rapidly decreases in the low reflectance bands A1, A2, and A3 unique to montmorillonite. In this case, the clay mineral detection unit 53 identifies the type of clay mineral contained in region X as montmorillonite. On the other hand, if conditions (1) and (3) hold, but condition (2) does not hold, the infrared reflectance decreases rapidly in the low reflectance bands A1 and A3 common to montmorillonite and kaolinite, and montmorillonite This means that the infrared reflectance does not suddenly decrease in the unique low reflectance band A2. In this case, the clay mineral detection unit 53 identifies the type of clay mineral contained in region X as kaolinite.

なお、粘土鉱物の種類の特定は、これらモンモリロナイトやカオリナイトに限定されず、他の粘土鉱物をさらに特定できるように構成してもよい。この場合は、まず、フィルタ部31に、他の粘土鉱物において赤外線反射率が急減する波長帯域の赤外線を透過可能なバンドパスフィルタを追加する。そして、追加したバンドパスフィルタに応じた赤外線画像データから輝度画像を生成して基準輝度画像IMG4との輝度比を算出し、複数の輝度比を組み合わせて比較することにより、当該粘土鉱物の種類を特定するように構成すればよい。 Note that the specification of the type of clay mineral is not limited to these montmorillonite and kaolinite, and may be configured to further specify other clay minerals. In this case, first, a bandpass filter that can transmit infrared rays in a wavelength band where the infrared reflectance of other clay minerals sharply decreases is added to the filter section 31. Then, a brightness image is generated from the infrared image data according to the added bandpass filter, the brightness ratio with the reference brightness image IMG4 is calculated, and the type of clay mineral is determined by combining and comparing multiple brightness ratios. What is necessary is to configure it so that it can be specified.

図6は、本実施形態に係る検出装置10による粘土鉱物の検出処理の流れを説明するフローチャートである。検出装置10を用いた粘土鉱物の検出処理は、好ましくは、山岳トンネル工事の工程の一部である切羽観察工程に組み込まれて実施されるものとする。 FIG. 6 is a flowchart illustrating the flow of clay mineral detection processing by the detection device 10 according to the present embodiment. The clay mineral detection process using the detection device 10 is preferably carried out by being incorporated into the face observation process that is part of the mountain tunnel construction process.

ステップS110では、照射部20から切羽2に向けて赤外線を照射する。 In step S110, infrared rays are irradiated from the irradiation unit 20 toward the face 2.

次いで、ステップS120では、フィルタ部31の各フィルタ32~35を適宜に切り替えながら、切羽2から反射される赤外線の画像データを赤外線カメラ40により撮像する。撮像回数は、検出目的に応じて適宜に設定可能である。具体的には、切羽2に粘土鉱物が含まれるか否かの判定のみを行う場合は、少なくとも、第1フィルタ32及び、第4フィルタ35を用いた計2回の撮像を連続して行えばよい。また、粘土鉱物の種類の特定も行う場合は、第1~第4フィルタ32~35を用いた少なくとも計4回の撮像を行えばよい。これら各フィルタ32~35を用いた撮像の順序は順不同である。 Next, in step S120, image data of infrared rays reflected from the face 2 is captured by the infrared camera 40 while appropriately switching each of the filters 32 to 35 of the filter section 31. The number of times of imaging can be set as appropriate depending on the purpose of detection. Specifically, when only determining whether or not clay minerals are included in the face 2, it is necessary to perform at least two consecutive imaging operations using the first filter 32 and the fourth filter 35. good. Furthermore, if the type of clay mineral is also to be specified, imaging may be performed at least four times in total using the first to fourth filters 32 to 35. The order of imaging using each of these filters 32 to 35 is random.

ステップS130では、ステップS120にて取得された赤外線画像データを記憶部51に入力し、ステップS140では、記憶部51に記憶された赤外線画像データに基づいて、赤外線の反射率に応じた輝度画像を生成する。 In step S130, the infrared image data acquired in step S120 is input into the storage unit 51, and in step S140, a brightness image according to the reflectance of infrared rays is created based on the infrared image data stored in the storage unit 51. generate.

ステップS150では、第1低反射率輝度画像IMG1の輝度α1と基準輝度画像IMG4の輝度βとの輝度比γ1(=α1/β)を算出し、次いで、ステップS160では、輝度比γ1が所定の閾値以下か否かを判定する。輝度比γ1が閾値以下(肯定)であれば、多くの粘土鉱物に共通する波長1.4μm付近の低反射率帯域A1で赤外線反射率が急減していることになる。この場合は、ステップS170にて、切羽2の当該部分に粘土鉱物(少なくともモンモリロナイト又はカオリナイトを含む粘土鉱物全般)が含まれる(有り)と判定する。一方、輝度比γ1が閾値よりも高い場合(否定)は、ステップS300にて切羽2の当該部分に粘土鉱物が含まれない(無し)と判定する。 In step S150, the brightness ratio γ1 (=α1/β) between the brightness α1 of the first low reflectance brightness image IMG1 and the brightness β of the reference brightness image IMG4 is calculated, and then in step S160, the brightness ratio γ1 is set to a predetermined value. Determine whether it is below a threshold value. If the brightness ratio γ1 is below the threshold value (affirmative), it means that the infrared reflectance decreases rapidly in the low reflectance band A1 around the wavelength of 1.4 μm, which is common to many clay minerals. In this case, in step S170, it is determined that clay minerals (general clay minerals including at least montmorillonite or kaolinite) are contained (present) in the part of the face 2. On the other hand, if the brightness ratio γ1 is higher than the threshold (no), it is determined in step S300 that clay minerals are not included in the part of the face 2 (absent).

ステップS180では、各輝度画像IMG1,IMG4に基づいて生成した輝度比画像IMG5から、輝度比γ1が閾値以下となる領域Xを特定し、切羽2全体における粘土鉱物の分布域を抽出する。 In step S180, a region X where the brightness ratio γ1 is equal to or less than a threshold is specified from the brightness ratio image IMG5 generated based on each brightness image IMG1, IMG4, and the distribution area of clay minerals in the entire face 2 is extracted.

次いで、ステップS200では、第3低反射率輝度画像IMG3の輝度α3と基準輝度画像IMG4の輝度βとの輝度比γ3(=α3/β)を算出し、ステップS210では、輝度比γ3が所定の閾値以下か否かを判定する。輝度比γ3が閾値よりも高い場合(否定)は、モンモリロナイト及びカオリナイトに特有の波長2.2μm付近の第3低反射率帯域A3で赤外線反射率が急減していないことになる。この場合は、ステップS270に進み、粘土鉱物をモンモリロナイト及びカオリナイトの何れにも該当しない他の粘土鉱物と特定する。 Next, in step S200, a brightness ratio γ3 (=α3/β) between the brightness α3 of the third low reflectance brightness image IMG3 and the brightness β of the reference brightness image IMG4 is calculated, and in step S210, the brightness ratio γ3 is determined to be a predetermined value. Determine whether it is below a threshold value. If the brightness ratio γ3 is higher than the threshold value (negative), it means that the infrared reflectance has not sharply decreased in the third low reflectance band A3 around the wavelength of 2.2 μm, which is specific to montmorillonite and kaolinite. In this case, the process proceeds to step S270, and the clay mineral is identified as another clay mineral that does not fall under either montmorillonite or kaolinite.

一方、ステップS210にて、輝度比γ3が閾値以下であった場合(肯定)は、ステップS220に進み、第2低反射率輝度画像IMG2の輝度α2と基準輝度画像IMG4の輝度βとの輝度比γ2(=α2/β)を算出する。 On the other hand, if the brightness ratio γ3 is equal to or less than the threshold in step S210 (affirmative), the process proceeds to step S220, where the brightness ratio between the brightness α2 of the second low reflectance brightness image IMG2 and the brightness β of the reference brightness image IMG4 is determined. Calculate γ2 (=α2/β).

ステップS230では、輝度比γ2が所定の閾値以下か否かを判定する。輝度比γ2が閾値よりも高い場合(否定)は、モンモリロナイト及びカオリナイトに共通する波長1.4μm付近及び、波長2.2μm付近の2つの低反射率帯域A1,A3で赤外線反射率が急減しているが、モンモリロナイトに特有の波長1.9μm付近の第2低反射率帯域A2では、赤外線反射率が急減していないことになる。この場合は、ステップS280に進み、粘土鉱物の種類をカオリナイトと特定する。 In step S230, it is determined whether the brightness ratio γ2 is less than or equal to a predetermined threshold value. If the brightness ratio γ2 is higher than the threshold (negative), the infrared reflectance sharply decreases in two low reflectance bands A1 and A3, around a wavelength of 1.4 μm and around a wavelength of 2.2 μm, which are common to montmorillonite and kaolinite. However, in the second low reflectance band A2 around the wavelength of 1.9 μm, which is unique to montmorillonite, the infrared reflectance does not decrease sharply. In this case, the process proceeds to step S280, and the type of clay mineral is identified as kaolinite.

一方、ステップS230にて、輝度比γ2が閾値以下の場合(肯定)は、モンモリロナイトに特有の波長1.4μm付近、波長1.9μm付近及び、波長2.2μm付近の計3つの低反射率帯域A1,A2,A3にて赤外線反射率が急減していることになる。この場合は、ステップS240に進み、粘土鉱物をモンモリロナイトと特定し、粘土鉱物の検出を終了する。以降、上述の各ステップは、好ましくは、山岳トンネル工事における次の切羽観察工程にて繰り返し実施される。 On the other hand, in step S230, if the brightness ratio γ2 is less than the threshold value (affirmative), a total of three low reflectance bands of around 1.4 μm wavelength, around 1.9 μm wavelength, and around 2.2 μm wavelength, which are unique to montmorillonite, are detected. This means that the infrared reflectance rapidly decreases at A1, A2, and A3. In this case, the process proceeds to step S240, where the clay mineral is identified as montmorillonite, and the detection of the clay mineral is ended. Thereafter, each of the above-mentioned steps is preferably repeated in the next face observation process in mountain tunnel construction.

以上詳述した本実施形態によれば、照射部20から切羽2に赤外線を照射すると共に、赤外線カメラ40により少なくとも低反射率帯域及び高反射率帯域の各赤外線画像を撮像し、撮像したこれら低反射率帯域及び高反射率帯域の各赤外線画像の輝度比を比較することにより、切羽2の粘土鉱物の有無、さらには粘土鉱物の種類を把握できるように構成されている。 According to the present embodiment described in detail above, the irradiation unit 20 irradiates the face 2 with infrared rays, and the infrared camera 40 captures infrared images of at least the low reflectance band and the high reflectance band, and By comparing the brightness ratio of each infrared image in the reflectance band and the high reflectance band, the presence or absence of clay minerals in the face 2 and further the type of clay minerals can be determined.

すなわち、現場での作業は赤外線の照射及び撮像のみとなり、時間や労力を必要とする試料の採取作業を省略することが可能になり、作業時間を大幅に短縮することができる。 That is, on-site work is limited to infrared ray irradiation and imaging, making it possible to omit sample collection work that requires time and labor, and making it possible to significantly shorten work time.

また、赤外線の照射及び撮像は、崩壊の危険性がある切羽2に近づく必要がないため、作業の安全性も効果的に確保することができる。 Further, since infrared ray irradiation and imaging do not require getting close to the face 2, which is at risk of collapse, work safety can also be effectively ensured.

また、赤外線の照射及び撮像は、山岳トンネル工事における切羽観察工程の一部に組み込んで行えるため、トンネル工事全体の工程に遅延を生じさせることも効果的に防止することができる。 Furthermore, since infrared irradiation and imaging can be incorporated into a part of the face observation process in mountain tunnel construction, it is possible to effectively prevent delays in the entire tunnel construction process.

また、粘土鉱物の検出及び特定に、低反射率帯域の赤外線画像と高反射率帯域の赤外線画像との輝度比を用いることで、切羽2の各地点と光源との距離差の影響が効果的に低減されるようになる。すなわち、距離差に応じた補正が不要となることで、解析時間を効果的に短縮しつつ、高精度な粘土鉱物の検出及び特定を実現することが可能になる。 In addition, by using the brightness ratio of an infrared image in a low reflectance band and an infrared image in a high reflectance band to detect and identify clay minerals, the influence of the distance difference between each point on Face 2 and the light source can be effectively ignored. It will be reduced to That is, by eliminating the need for correction according to the distance difference, it becomes possible to realize highly accurate detection and identification of clay minerals while effectively shortening the analysis time.

また、撮像した赤外線画像から得られる輝度比を比較するのみで、切羽2全体にわたる粘土鉱物の分布域を適宜に把握できるため、解析結果を山岳トンネル工事における地山Gの補助工法の選定や支保工3の強度選定に効果的に活用することも可能になる。 In addition, the distribution area of clay minerals over the entire face 2 can be appropriately understood by simply comparing the brightness ratio obtained from the captured infrared images, so the analysis results can be used to select auxiliary methods for ground G in mountain tunnel construction and It also becomes possible to effectively utilize this method for strength selection of work 3.

なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。 Note that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be modified and implemented as appropriate without departing from the spirit of the present disclosure.

上記実施形態では、山岳トンネル工事の現場を例に挙げて説明したが、例えば、屋外のダム施工現場であっても夜間に行う等、太陽光等の外乱の影響を受け難い環境下(暗部)で実施すれば、他の現場にも広く適用することが可能である。 In the above embodiment, the explanation was given using a mountain tunnel construction site as an example, but for example, even if it is an outdoor dam construction site, it is carried out at night, in an environment that is not easily affected by disturbances such as sunlight (dark area). If implemented, it can be widely applied to other sites.

また、検出対象は切羽2に含まれる粘土鉱物に限定されず、赤外線画像の輝度比に基づいて検出可能な他の鉱物、岩石の検出にも広く適用することが可能である。 Furthermore, the detection target is not limited to the clay minerals contained in the face 2, but can be widely applied to the detection of other minerals and rocks that can be detected based on the brightness ratio of the infrared image.

また、粘土鉱物の種類の特定は、モンモリロナイトやカオリナイトに限定されず、例えば、イライトをさらに特定できるように構成してもよい。イライトは、モンモリロナイトやカオリナイトとは異なり、図2に示す反射率特性において、波長1.4μm付近の帯域A1では赤外線反射率の低下が相対的に小さく、波長1.9μm付近の帯域A2にて赤外線反射率が最も大きく低下し、次いで、波長2.2μm付近の帯域A3にて赤外線反射率が大きく低下する特性がある。 Further, the type of clay mineral is not limited to montmorillonite or kaolinite, and for example, illite may be further specified. Unlike montmorillonite and kaolinite, in the reflectance characteristics shown in Figure 2, illite has a relatively small decrease in infrared reflectance in band A1 near the wavelength 1.4 μm, and in band A2 near the wavelength 1.9 μm. There is a characteristic that the infrared reflectance decreases the most, and then the infrared reflectance decreases greatly in the band A3 near the wavelength of 2.2 μm.

すなわち、図6に示すフローチャートのステップS300以降を、図7に示すフローに変更すれば、イライトをさらに特定することが可能になる。具体的には、図7に示すように、ステップS160にて、輝度比γ1が閾値よりも高い(反射率がほとんど低下していない)と判定したならば、ステップS300にて輝度比γ2を算出し、さらに、ステップS310にて輝度比γ3を算出する。なお、これらステップS300,S310の処理は順不同である。次いで、ステップS320にて、輝度比γ2<輝度比γ3≦閾値の関係が成立していれば(肯定)、ステップS330にて粘土鉱物をイライトと特定すればよい。 That is, by changing the steps after step S300 in the flowchart shown in FIG. 6 to the flow shown in FIG. 7, illite can be further specified. Specifically, as shown in FIG. 7, if it is determined in step S160 that the brightness ratio γ1 is higher than the threshold (the reflectance has hardly decreased), the brightness ratio γ2 is calculated in step S300. Furthermore, in step S310, the brightness ratio γ3 is calculated. Note that the processing in steps S300 and S310 is performed in random order. Next, in step S320, if the relationship of brightness ratio γ2<brightness ratio γ3≦threshold holds true (affirmative), the clay mineral may be identified as illite in step S330.

G…地山,1…トンネル,2…切羽,3…支保工,4…覆工コンクリート,10…検出装置,20…照射部,30…撮像部,31…フィルタ部,32…第1フィルタ,33…第2フィルタ,34…第3フィルタ,35…第4フィルタ,40…赤外線カメラ,50…データ処理部,51…記憶部,52…輝度画像生成部,53…粘土鉱物検出部,60…入力部,70…表示部 G... Earth, 1... Tunnel, 2... Face, 3... Shoring, 4... Lining concrete, 10... Detection device, 20... Irradiation section, 30... Imaging section, 31... Filter section, 32... First filter, 33...Second filter, 34...Third filter, 35...Fourth filter, 40...Infrared camera, 50...Data processing section, 51...Storage section, 52...Brightness image generation section, 53...Clay mineral detection section, 60... Input section, 70...display section

Claims (4)

トンネル工事の切羽に赤外線を照射する照射手段と、
前記切羽から反射される赤外線を少なくとも2以上の異なる波長の赤外線画像として撮像する撮像手段と、
撮像された前記2以上の異なる波長の赤外線画像から各画像の輝度を算出すると共に、算出した各輝度に基づいて前記切羽に粘土鉱物が含まれるか否かを判定する判定手段と、を備え、
前記撮像手段は、粘土鉱物の赤外線反射率が所定反射率以下となる低反射率の赤外線画像として、波長1.4μm付近の第1低反射率の赤外線画像、波長1.9μm付近の第2低反射率の赤外線画像及び、波長2.2μm付近の第3低反射率の赤外線画像をそれぞれ撮像すると共に、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率よりも高くなる高反射率の赤外線画像として、モンモリロナイトにて赤外線反射率が70%よりも高くなる波長帯域の赤外線画像を撮像し、
前記判定手段は、前記第1低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第1輝度比、前記第2低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第2輝度比及び、前記第3低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第3輝度比をそれぞれ算出し、
前記判定手段は、さらに、前記第1輝度比、前記第2輝度比及び、前記第3輝度比が所定の閾値以下の場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイトと判定し、前記第1輝度比及び、前記第3輝度比が前記閾値以下であり、且つ、前記第2輝度比が前記閾値よりも高い場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をカオリナイトと判定し、前記第1輝度比が前記閾値よりも高い場合であって、前記第2輝度比が前記第3輝度比よりも低く、且つ、前記第3輝度比が前記閾値以下である関係が成立する場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をイライトと判定し、前記第1輝度比が前記閾値よりも高い場合であって、前記関係が成立しない場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に粘土鉱物は無いと判定し、前記第1輝度比が前記閾値以下であり、且つ、前記第3輝度比が前記閾値よりも高い場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイト、カオリナイト、イライト以外の他の粘土鉱物と判定する
ことを特徴とする検出装置。
Irradiation means for irradiating infrared rays onto a tunnel construction face ;
an imaging means for imaging infrared rays reflected from the face as infrared images of at least two or more different wavelengths;
A determining means for calculating the brightness of each image from the captured infrared images of two or more different wavelengths, and determining whether or not the face contains clay minerals based on each calculated brightness,
The imaging means is configured to produce a first low reflectance infrared image at a wavelength of around 1.4 μm, and a first low reflectance infrared image at a wavelength around 1.9 μm, as a low reflectance infrared image in which the infrared reflectance of the clay mineral is equal to or lower than a predetermined reflectance. A second low-reflectance infrared image and a third low-reflectance infrared image at a wavelength of around 2.2 μm are respectively captured, and a high-reflectance infrared ray that causes the infrared reflectance of the clay mineral to be higher than the predetermined reflectance. As an image, an infrared image is taken in a wavelength band where the infrared reflectance of montmorillonite is higher than 70% ,
The determining means includes a first brightness ratio that is a ratio between the brightness of a predetermined area in the first low reflectance infrared image and the brightness of a predetermined area in the high reflectance infrared image, and the second low reflectance. a second brightness ratio that is the ratio of the brightness of a predetermined area in the infrared image with the high reflectance to the brightness of the predetermined area in the infrared image with the third low reflectance; Calculating a third brightness ratio that is a ratio to the brightness of a predetermined area in the high reflectance infrared image ,
The determining means is further configured to convert clay minerals contained in a portion of the face corresponding to the predetermined region into montmorillonite when the first brightness ratio, the second brightness ratio, and the third brightness ratio are below a predetermined threshold. If it is determined that the first brightness ratio and the third brightness ratio are less than or equal to the threshold value, and the second brightness ratio is higher than the threshold value, the part of the face corresponding to the predetermined area includes is determined to be kaolinite, the first brightness ratio is higher than the threshold, the second brightness ratio is lower than the third brightness ratio, and the third brightness ratio is lower than the third brightness ratio. If the relationship is equal to or less than the threshold value, the clay mineral contained in the part corresponding to the predetermined area of the face is determined to be illite, and if the first brightness ratio is higher than the threshold value, the relationship is determined to be illite. If this is not true, it is determined that there is no clay mineral in a portion of the face corresponding to the predetermined region, and if the first brightness ratio is less than or equal to the threshold value and the third brightness ratio is higher than the threshold value, A detection device characterized in that a clay mineral contained in a portion of the face corresponding to the predetermined region is determined to be a clay mineral other than montmorillonite, kaolinite, and illite.
前記撮像手段が、異なる波長の赤外線を透過可能な複数のバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを透過した赤外線を検出する赤外線カメラとを含む
請求項1に記載の検出装置。
The detection device according to claim 1 , wherein the imaging means includes a plurality of bandpass filters that can transmit infrared rays of different wavelengths, and an infrared camera that detects the infrared rays that have passed through the bandpass filters.
記撮像手段は、トンネル内に設置され、前記撮像手段の前記切羽から設置距離は、前記切羽から反射される赤外線を撮像可能な範囲内にて、一度の撮像により取得される画像内に前記切羽の全体像が含まれ、且つ、支保工の一部が含まれる距離に設定され
前記判定手段は、前記第1低反射率の赤外線画像、前記第2低反射率の赤外線画像、前記第3低反射率の赤外線画像及び、前記高反射率の赤外線画像の各画像内に含まれる前記支保工を基準点に用いて各画像の位置合わせを行う
請求項1又は2に記載の検出装置。
The imaging means is installed in a tunnel, and the installation distance of the imaging means from the face is within a range where infrared rays reflected from the face can be imaged, and within an image obtained by one imaging. Set at a distance that includes the entire image of the face and also includes a part of the shoring ,
The determination means is included in each of the first low reflectance infrared image, the second low reflectance infrared image, the third low reflectance infrared image, and the high reflectance infrared image. Align each image using the support as a reference point.
The detection device according to claim 1 or 2 .
トンネル工事の切羽に赤外線を照射する照射ステップと、
前記切羽から反射される赤外線を少なくとも2以上の異なる波長の赤外線画像として撮像する撮像ステップと、
撮像された前記2以上の異なる波長の赤外線画像から各画像の輝度を算出すると共に、算出した各輝度に基づいて前記切羽に粘土鉱物が含まれるか否かを判定する判定ステップと、を有し、
前記撮像ステップでは、粘土鉱物の赤外線反射率が所定反射率以下となる低反射率の赤外線画像として、波長1.4μm付近の第1低反射率の赤外線画像、波長1.9μm付近の第2低反射率の赤外線画像及び、波長2.2μm付近の第3低反射率の赤外線画像をそれぞれ撮像すると共に、粘土鉱物の赤外線反射率が前記所定反射率よりも高くなる高反射率の赤外線画像として、モンモリロナイトにて赤外線反射率が70%よりも高くなる波長帯域の赤外線画像を撮像し、
前記判定ステップでは、前記第1低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第1輝度比、前記第2低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第2輝度比及び、前記第3低反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度と前記高反射率の赤外線画像内における所定領域の輝度との比である第3輝度比をそれぞれ算出し、
前記判定ステップでは、さらに、前記第1輝度比、前記第2輝度比及び、前記第3輝度比が所定の閾値以下の場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイトと判定し、前記第1輝度比及び、前記第3輝度比が前記閾値以下であり、且つ、前記第2輝度比が前記閾値よりも高い場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をカオリナイトと判定し、前記第1輝度比が前記閾値よりも高い場合であって、前記第2輝度比が前記第3輝度比よりも低く、且つ、前記第3輝度比が前記閾値以下である関係が成立する場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をイライトと判定し、前記第1輝度比が前記閾値よりも高い場合であって、前記関係が成立しない場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に粘土鉱物は無いと判定し、前記第1輝度比が前記閾値以下であり、且つ、前記第3輝度比が前記閾値よりも高い場合、前記切羽の前記所定領域に対応する部分に含まれる粘土鉱物をモンモリロナイト、カオリナイト、イライト以外の他の粘土鉱物と判定する
ことを特徴とする検出方法。
an irradiation step of irradiating infrared rays onto the tunnel construction face ;
an imaging step of imaging infrared rays reflected from the face as infrared images of at least two or more different wavelengths;
a determination step of calculating the brightness of each image from the captured infrared images of two or more different wavelengths, and determining whether or not the face contains clay minerals based on each calculated brightness. ,
In the imaging step , a first low reflectance infrared image with a wavelength of about 1.4 μm and a first low reflectance infrared image with a wavelength of about 1.9 μm are used as low reflectance infrared images in which the infrared reflectance of the clay mineral is less than or equal to a predetermined reflectance. A second low-reflectance infrared image and a third low-reflectance infrared image at a wavelength of around 2.2 μm are respectively captured, and a high-reflectance infrared ray that causes the infrared reflectance of the clay mineral to be higher than the predetermined reflectance. As an image, an infrared image is taken in a wavelength band where the infrared reflectance of montmorillonite is higher than 70% ,
In the determination step, a first brightness ratio, which is a ratio between the brightness of a predetermined area in the first low reflectance infrared image and the brightness of a predetermined area in the high reflectance infrared image, and the second low reflectance a second brightness ratio that is the ratio of the brightness of a predetermined area in the infrared image with the high reflectance to the brightness of the predetermined area in the infrared image with the third low reflectance; Calculating a third brightness ratio that is a ratio to the brightness of a predetermined area in the high reflectance infrared image ,
In the determination step, if the first brightness ratio, the second brightness ratio, and the third brightness ratio are less than or equal to a predetermined threshold, the clay mineral contained in the portion corresponding to the predetermined area of the face is converted into montmorillonite. If it is determined that the first brightness ratio and the third brightness ratio are less than or equal to the threshold value, and the second brightness ratio is higher than the threshold value, the part of the face corresponding to the predetermined area includes is determined to be kaolinite, the first brightness ratio is higher than the threshold, the second brightness ratio is lower than the third brightness ratio, and the third brightness ratio is lower than the third brightness ratio. If the relationship is equal to or less than the threshold value, the clay mineral contained in the part corresponding to the predetermined area of the face is determined to be illite, and if the first brightness ratio is higher than the threshold value, the relationship is determined to be illite. If this is not true, it is determined that there is no clay mineral in a portion of the face corresponding to the predetermined region, and if the first brightness ratio is less than or equal to the threshold value and the third brightness ratio is higher than the threshold value, A detection method characterized in that a clay mineral contained in a portion of the face corresponding to the predetermined region is determined to be a clay mineral other than montmorillonite, kaolinite, and illite.
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