JP7384742B2

JP7384742B2 - 水中測量方法

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Publication number: JP7384742B2
Application number: JP2020081537A
Authority: JP
Inventors: 健次岡山; 裕紀久米田
Original assignee: Toa Corp
Current assignee: Toa Corp
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2020-05-01
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2040-05-01
Also published as: JP2021175961A

Description

本発明は、水中測量方法に関し、さらに詳しくは、水中の測量対象体の目的範囲の３次元モデルを効率的に生成できる水中測量方法に関するものである。

トンネルの内壁などを測量する方法として、撮影装置により測量対象体の目的範囲の表面を撮影して複数の画像データを取得し、その複数の画像データに基づいた画像処理により測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成する測量が提案されている（例えば、特許文献１参照）。複数の画像データから３次元モデルを生成する画像処理（ＳｆＭ処理）には、隣り合う画像データどうしが重複範囲を有し、その重複範囲に隣り合う画像データどうしの相対的な位置関係を特定するための特徴点（タイポイント）が所定数以上存在することが必要となる。

陸上では測量対象体を遠距離から撮影しても広範囲の鮮明な画像データを取得できるため、隣り合う画像データどうしのラップ率（重複範囲の割合）の不足や重複範囲における特徴点の数の不足は生じ難い。一方、水の濁り等の影響を受ける水中における測量では、鮮明な画像データを取得するために、測量対象体の目的範囲の表面を近距離から撮影する必要があり、画像データの１枚毎の撮影範囲が狭くなる。これに伴い、測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成するには多数の画像データが必要となるため、撮影と画像処理に多大な作業工数を要する。さらに、撮影範囲が狭くなることで、隣り合う画像データどうしのラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足が発生し易くなる。このような問題が生じた場合は、目的とする３次元モデルを生成できないため、改めて撮影および画像処理を行わなければならない。これに伴い、作業工数が益々増加するため、作業効率を向上するには改善の余地がある。

特開２０１７－１９４２７７号公報

本発明の目的は水中の測量対象体の目的範囲の３次元モデルを効率的に生成できる水中測量方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の水中測量方法は、水中撮影装置により水中の測量対象体の目的範囲の表面を細分化して撮影し、隣り合うどうしが重複範囲を有する多数の画像データを取得する撮影工程と、前記多数の画像データに基づいた画像処理により、前記測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成する画像処理工程とを有する水中測量方法において、前記測量対象体の目的範囲の表面に多数の指標を分布させて配置する指標配置工程を有し、前記撮影工程では、前記多数の指標が分布している前記測量対象体の目的範囲の表面を細分化して撮影し、前記画像処理工程では、前記測量対象体の目的範囲の表面を前記多数の指標を基準にして複数に区画した区画エリア毎に３次元モデルを、隣り合う前記区画エリアどうしが共通する前記指標を有する条件で生成し、生成したそれぞれの前記３次元モデルを、隣り合う前記区画エリアどうしの前記共通する指標を利用して結合させることで前記測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成することを特徴とする。

本発明によれば、水中の測量対象体の目的範囲の表面に多数の指標を分布させて配置し、多数の指標が分布している測量対象体の目的範囲の表面を細分化して撮影する。そして、測量対象体の目的範囲の表面を多数の指標を基準にして複数に区画した区画エリア毎に３次元モデルを生成する。これにより、隣り合う画像データどうしのラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足に起因して、目的とする３次元モデルを生成できない場合には、改めて撮影および画像処理を行う範囲をその原因が生じた区画エリアに限定できる。それ故、改めて行う作業工数や作業時間を少なくするには有利になる。さらに、区画エリア毎の３次元モデルを、隣り合う区画エリアどうしが共通する指標を有する条件で生成することで、共通する指標を利用して隣り合う区画エリアの３次元モデルどうしの相対的な位置関係を特定し易くなる。これに伴い、区画エリア毎の３次元モデルどうしを効率的に精度よく結合できる。その結果、水中の測量対象体の目的範囲の３次元モデルを非常に効率的に生成できる。

測量対象体の目的範囲の測量を行っている状況を平面視で例示する説明図である。図１のＡ矢視図である。図１の水中撮影装置で取得した多数の画像データを例示する説明図である。区画エリア毎に生成した３次元モデルを模式的に例示する説明図である。測量対象体の目的範囲の３次元モデルを模式的に例示する説明図である。水中の測量対象体の目的範囲の表面の複数箇所に上下方向に延在する区画部材と横方向に延在する区画部材とを配列した状態を正面視で例示する説明図である。

以下、本発明の水中測量方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。図中のＸ方向は水平方向における測量対象体１０の目的範囲の延在方向（横方向）を示し、Ｙ方向は水平方向においてＸ方向と直交する測量対象体１０の奥行方向を示し、Ｚ方向は上下方向を示している。

本発明では、指標配置工程、撮影工程および画像処理工程を行うことにより、図５に例示するような水中の測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを生成する。図１および図２に例示するように、この実施形態では、測量対象体１０の目的範囲Ｐが、岸壁における水中の壁面である場合を例示する。測量対象体１０の目的範囲Ｐとしては他にも、防波堤やケーソン、マウンドなどの水中の壁面や法面、水底面などが例示できる。

指標配置工程では、水中の測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に多数の指標Ｆを分布させて配置する。指標Ｆは測量を行う際の基準点（標定点）として設定可能な目印であり、例えば、記号や数字、目盛りなどで構成できる。

この実施形態では、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面の上端から下端までＺ方向に延在する計４本の棒状の区画部材１（１ａ～１ｄ）を、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面の４ヶ所に互いにＸ方向に離間させて配列している。それぞれの区画部材１は、水上に配置された１つの指標Ｆと、水中にＺ方向に互いに間隔をあけて配置された３つの指標Ｆとを有している。

区画部材１は、水上から水底Ｇに向かって差し込むようにして立設し、水上に突出した区画部材１の上部を測量対象体１０（岸壁）の上に設置した固定具に固定することで、測量対象体１０に対して簡易に固定できる。図面では区画部材１を太く誇張して図示しているが、区画部材１は実際にはより細く、区画部材１によって覆われる測量対象体１０の表面積は小さい。

測量対象体１０の目的範囲Ｐに配置する指標Ｆの数や配置は、測量対象体１０の目的範囲の広さや形状などに応じて適宜決定できる。好ましくは、図２に例示するように、Ｚ方向に１ｍ～５ｍ程度の間隔をあけて直線上に配置した複数の指標Ｆの列を、Ｘ方向に１０ｍ～３０ｍ程度の間隔をあけて複数ヶ所に配列するとよい。

次いで、測位手段２により、それぞれの指標Ｆを測位し、それぞれの指標Ｆの３次元座標を設定する。測位手段２としては、例えば、全地球測位システム情報（ＧＮＳＳ）を取得するＧＮＳＳ受信装置やトータルステーションなどを使用する。それぞれの指標Ｆの３次元座標は、全地球測位システム情報に基づいた絶対座標で設定することもできるし、１つの指標Ｆを３次元座標の原点として設定して、その原点に対する相対座標で設定することもできる。

この実施形態では、それぞれの区画部材１の水上に配置している指標Ｆを測位手段２によって測位し、予め把握している水上の指標Ｆと水中の指標Ｆとの相対的な位置関係に基づいて、水中のそれぞれの指標Ｆの３次元座標を設定している。

次いで、図３に例示するように、撮影工程では、水中撮影装置３により、多数の指標Ｆが分布している測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面を細分化して撮影し、隣り合うどうしが重複範囲を有する多数の画像データＤ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、・・・Ｄｎ）を取得する。水中撮影装置３による撮影は、動画撮影を行ってもよいし、連続的な静止画撮影を行ってもよい。水中撮影装置３としては、例えば、デジタルカメラを備えた水中ドローンや水中ロボットなどを使用する。水中撮影装置３による撮影作業は、水上の作業者が水中撮影装置３を遠隔操作して行うこともできるし、水中撮影装置３の自動制御によって行うこともできる。例えば、水中撮影装置３として水中カメラを使用して潜水士が撮影作業を行うこともできる。

水中の照度が低い場合には、照明機器により、水中撮影装置３の撮影範囲を一定の照度に調整した状態で撮影することもできる。水中撮影装置３として例えば、暗所でも撮影可能な赤外線暗視カメラや低照度カメラ（高感度カメラ）等を採用することもできる。

画像データＤの１枚毎の撮影範囲の面積や、隣り合う画像データＤどうしのラップ率、取得する画像データＤの数などは、測量対象体１０の目的範囲Ｐの広さや水の濁り具合などに応じて適宜決定できる。画像データＤの１枚毎の撮影範囲の面積は例えば、１ｍ^２～３ｍ^２程度にする。隣り合う画像データＤどうしのラップ率は例えば、６０％以上、より好ましくは８０％以上にするとよい。１００ｍ^２当たり、例えば１０００～３０００枚程度の画像データを取得することになる。撮影工程で取得した多数の画像データＤはコンピュータ等で構成される演算装置４に入力する。

次いで、図４に例示するように、画像処理工程では、演算装置４を使用して、撮影工程で取得した多数の画像データＤに基づいた画像処理により、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面を多数の指標Ｆを基準にして複数に区画した区画エリアｐ（ｐ１～ｐ５）毎に３次元モデルｍ（ｍ１～ｍ５）を、隣り合う区画エリアｐどうしが共通する指標Ｆを有する条件で生成する。多数の画像データＤに基づいて区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを生成する画像処理は公知のＳｆＭ（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒｏｍＭｏｔｉｏｎ）系のソフトウェアを用いることで実行できる。

前述した画像処理（ＳｆＭ処理）では、多数の画像データＤを解析して、それぞれの画像データＤの撮影位置（３次元座標）および撮影方向（撮影姿勢）を推定するとともに、それぞれの画像データＤに存在している特徴点（例えば、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に存在する凹凸や傷、付着物等）を検出して、それぞれの特徴点の３次元座標を推定する。そして、隣り合う画像データＤどうしに共通して存在する特徴点を利用して、画像データＤどうしのマッチングを行い、多視点画像計測による点群生成を行うことで、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを生成する。

図２および図４に例示するように、この実施形態では、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面を４本の区画部材１ａ～１ｄ上の指標Ｆを基準にして区画した５つの区画エリアｐ１～ｐ５に区画し、それぞれの区画エリアｐ１～ｐ５毎に３次元モデルｍ１～ｍ５を生成している。それぞれの区画エリアｐは、隣り合う区画エリアｐどうしが共通する区画部材１上の３つの指標Ｆを有する条件で設定している。つまり、隣り合う区画エリアｐどうしは共通する指標Ｆが存在する重複領域を有している。

測量対象体１０の目的範囲Ｐを区画する数（区画エリアｐの数）や区画エリアｐの広さ等は、測量対象体１０の目的範囲Ｐの広さや形状などに応じて適宜決定できるが、それぞれの区画エリアｐの面積は、例えば、１０ｍ^２～１５０ｍ^２程度に設定する。区画エリアｐは、指標配置工程における指標Ｆの配列を調整することで、所望の範囲に設定することが可能である。

水の濁り等の影響を受ける水中における撮影作業では、画像データＤの１枚毎の撮影範囲が狭くなるため、多数の画像データＤを取得する必要がある。また、水中撮影装置３は、波動や潮流などの影響を受けるため、安定して撮影することが難しい。そのため、隣り合う画像データどうしのラップ率にバラツキが比較的生じ易い。

それ故、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを生成する過程で、隣り合う画像データＤどうしのラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足に起因して、生成した区画エリアｐの３次元モデルｍに欠陥箇所Ｅが生じる場合や、目的とする３次元モデルｍを生成できない場合がある。そのような場合には、欠陥箇所Ｅが生じた区画エリアｐや生成できなかった区画エリアｐの撮影および画像処理を改めて行う。この際、１回目の撮影条件よりも画像データＤどうしのラップ率を高めて撮影し直すとよい。そして、改めて取得した多数の画像データに基づいた画像処理により、不具合が生じた区画エリアｐの３次元モデルｍを改めて生成する。即ち、図４に例示するように、区画エリアｐ３の３次元モデルｍ３に欠陥箇所Ｅが生じた場合には、区画エリアｐ３の撮影を再度行い、改めて取得した多数の画像データＤに基づいて再度画像処理を行い、区画エリアｐ３の３次元モデルｍ３を改めて生成する。

画像処理工程では、次に、演算装置４により、生成したそれぞれの区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを、隣り合う区画エリアｐどうしの共通する指標Ｆを利用して結合させることで、図５に例示するような測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを生成する。この区画エリアｐの３次元モデルｍどうしを結合する画像処理は、公知のＳｆＭ系のソフトウェアを用いて実行できる。以上の作業により、本発明の水中測量方法は完了する。

このように、本発明では、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に多数の指標Ｆを分布させて配置し、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面を多数の指標Ｆを基準にして複数に区画した区画エリアｐ毎に３次元モデルｍを生成する。これにより、隣り合う画像データＤどうしのラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足に起因して、生成した３次元モデルｍに欠陥箇所Ｅが生じた場合や目的とする３次元モデルｍを生成できない場合には、改めて撮影および画像処理を行う範囲をその原因が生じた区画エリアｐに限定できる。それ故、改めて行う作業工数や作業時間を少なくするには有利になる。

水中における撮影は、波動や潮流などの影響によって良好な画像データＤを取得できないリスクがあり、陸上における撮影に比して、隣り合う画像データＤのラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足が生じ易い。また、３次元モデルを生成する画像処理を進めてみなければ、目的とする３次元モデルを正常に生成できるか否かはわからない。そのため、３次元モデルを正常に生成できなかった場合に、その原因が生じたエリアを早期に把握でき、改めて行う作業工数や作業時間を少なくできることは当業者にとって非常に大きなメリットである。

さらに、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを、隣り合う区画エリアｐどうしが共通する指標Ｆを有する条件で生成することで、共通する指標Ｆを利用して隣り合う区画エリアｐの３次元モデルｍどうしの相対的な位置関係を特定し易くなる。これに伴い、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍどうしを効率的に精度よく結合できる。その結果、水中の測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを非常に効率的に生成できる。

本発明では、さらに、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に分布させて配置した多数の指標Ｆは、多数の画像データＤに基づいて３次元モデルｍを生成する画像処理において、画像データＤの撮影位置および撮影方向を推定する際の基準点（標定点）や、画像データＤどうしをマッチングする際の特徴点としても利用できる。それ故、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に多数の指標Ｆを分布させて配置することで、測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを生成する画像処理の精度の向上を図ることができる。

さらに、本発明では、多数の指標Ｆが分布した状態の測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを生成できる。そのため、生成した３次元モデルＭから測量対象体１０の修繕が必要な箇所などを発見した場合に、その位置を指標Ｆとの相対的な位置関係から特定し易くなる。このように、本発明は、測量を行う水域の透明度が低い場合や測量対象体１０の目的範囲が広い場合にも、水中の測量対象体１０の測量を効率的に行えるので、当業者にとって非常に有益である。

この実施形態のように、複数の指標Ｆを有する棒状または紐状の区画部材１を、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面の複数箇所に離間させて配列すると、多数の指標Ｆを少ない作業工数で効率的に配列できる。特に、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面が壁面または法面である場合には、それぞれの区画部材１を測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面の上端から下端まで延在させて配列すると、多数の指標Ｆを簡易に効率的に配列できる。この実施形態では、棒状の区画部材１を使用する場合を例示したが、紐状の区画部材１を使用する場合にも下端部に錘をつけることで水中に安定して設置できる。

撮影工程における水中撮影装置３の撮影経路は特に限定されず適宜決定できるが、区画エリアｐ毎に画像データＤを取得すると、区画エリアｐ内で取得した画像データＤどうしのラップ率のバラツキを抑制し易くなり、隣り合う画像データＤどうしのラップ率の不足が発生するリスクを低くするには有利になる。さらに、複数の水中撮影装置３を使用して、複数の区画エリアｐの画像データＤを並行して取得すると、各々の区画エリアｐの撮影を終えた時点で、速やかに区画エリアｐ毎に３次元モデルｍを生成する画像処理に移行できる。それ故、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍの生成に要する作業時間を短縮するには有利になる。

複数の区画エリアｐの３次元モデルｍを順次生成することもできるが、複数の区画エリアｐの３次元モデルｍを生成する作業を並行して行うと、ラップ率の不足や重複範囲における特徴点の数の不足の問題がある区画エリアｐをより早期に把握できる。そして、問題がある区画エリアｐの撮影と画像処理を早期にやり直しつつ、問題がない他の区画エリアｐの画像処理は各々並行して進めることができる。それ故、区画エリアｐ毎の３次元モデルｍを生成し終えるまでの所要時間を短縮するには有利になる。

本発明では、図６に例示する実施形態のように、多数の指標Ｆを基準にして測量対象体１０の目的範囲の表面を格子状に区画することもできる。この実施形態では、図１～図５で例示した実施形態のＺ方向に延在する４本の区画部材１ａ～１ｄに加えて、さらにＸ方向に延在する３本の棒状の区画部材１ｅ～１ｇを配列している。

Ｘ方向に延在する区画部材１ｅ～１ｇは、例えば、潜水作業で設置することができる。例えば、Ｚ方向に延在配置する区画部材１ａ～１ｄとＸ方向に延在配置する区画部材１ｅ～１ｇとを水上において予め連結しておき、その組み上げた状態の複数の区画部材１ａ～１ｇを水上から水中に設置することもできる。

この実施形態では、図２で例示した実施形態の区画エリアｐ２～ｐ４をＸ方向に延在する区画部材１ｅ～１ｇ上に配置された指標Ｆを基準にしてそれぞれ上下の２つの区画エリアｐ２ａ～ｐ４ｂに分割し、測量対象体１０の目的範囲Ｐを計８つの区画エリアｐに区画している。上下に隣り合う区画エリアｐどうしは、それぞれＸ方向に延在する区画部材１ｅ～１ｇ上に配置された共通する指標Ｆを有している。

このように測量対象体１０の目的範囲Ｐを格子状に区画すると、測量対象体１０の目的範囲Ｐをより細分化して区画でき、それぞれの区画エリアｐの面積を小さくできるので、ラップ率の不足や特徴点の数の不足が発生した場合の作業工数や作業時間を少なくするには益々有利になる。

なお、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面が水中の法面（傾斜面）や水底面である場合にも上記で例示した実施形態と同様の方法で、測量対象体１０の目的範囲Ｐの３次元モデルＭを生成することが可能である。測量対象体１０の目的範囲Ｐに配置する指標Ｆの数や配置、区画エリアｐの数や配置、区画部材１のサイズや形状などは上記で例示した実施形態に限定されず、測量対象体１０の目的範囲Ｐの広さや形状などに応じて適宜決定できる。

測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に多数の指標Ｆを分布させて配置する方法も上記で例示した実施形態の方法に限定されない。例えば、測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に指標Ｆを有するシート状や板状の部材を磁石や吸盤などを利用して貼り付けることもできる。また、例えば、ペンや塗料などで測量対象体１０の目的範囲Ｐの表面に指標Ｆとなる目印を書くこともできる。

１（１ａ～１ｇ）区画部材
２測位手段
３水中撮影装置
４演算装置
１０測量対象体
Ｆ指標
Ｐ測量対象体の目的範囲
ｐ（ｐ１～ｐ５）区画エリア
Ｄ（Ｄ１～Ｄｎ）画像データ
Ｍ測量対象体の目的範囲の３次元モデル
ｍ（ｍ１～ｍ５）区画エリア毎の３次元モデル
Ｅ欠陥箇所
Ｇ水底

Claims

水中撮影装置により水中の測量対象体の目的範囲の表面を細分化して撮影し、隣り合うどうしが重複範囲を有する多数の画像データを取得する撮影工程と、前記多数の画像データに基づいた画像処理により、前記測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成する画像処理工程とを有する水中測量方法において、
前記測量対象体の目的範囲の表面に多数の指標を分布させて配置する指標配置工程を有し、
前記撮影工程では、前記多数の指標が分布している前記測量対象体の目的範囲の表面を細分化して撮影し、
前記画像処理工程では、前記測量対象体の目的範囲の表面を前記多数の指標を基準にして複数に区画した区画エリア毎に３次元モデルを、隣り合う前記区画エリアどうしが共通する前記指標を有する条件で生成し、生成したそれぞれの前記３次元モデルを、隣り合う前記区画エリアどうしの前記共通する指標を利用して結合させることで前記測量対象体の目的範囲の３次元モデルを生成することを特徴とする水中測量方法。
複数の前記指標を有する棒状または紐状の区画部材を、前記測量対象体の目的範囲の表面の複数箇所に離間させて配列することにより、前記多数の指標を分布させて配置する請求項１に記載の水中測量方法。
前記測量対象体の目的範囲の表面が壁面または法面であり、それぞれの前記区画部材を前記測量対象体の目的範囲の表面の上端から下端まで延在させて配列する請求項２に記載の水中測量方法。
前記区画エリア毎に前記画像データを取得する請求項１～３のいずれかに記載の水中測量方法。
複数の前記水中撮影装置を使用して、前記画像データを取得する作業を複数の前記区画エリアで並行して行う請求項４に記載の水中測量方法。
それぞれの前記区画エリアの前記３次元モデルを生成する作業を並行して行う請求項１～５のいずれかに記載の水中測量方法。