JP7448304B2 - 構造物形状の確認システム - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 公益社団法人土木学会 ＪＳＣＥ令和３年度土木学会全国大会第７６回年次学術講演会，講演概要集 ［共通セッション］土木分野におけるセンサ技術の利用と可能性 土木分野におけるセンサ技術の利用と可能性（３）ＣＳ９－２１ ２０２１年８月 ２日発行 〔刊行物等〕公益社団法人土木学会 ＪＳＣＥ令和３年度土木学会全国大会第７６回年次学術講演会，オンライン開催（ｚｏｏｍ開催）ＣＳ－７（Ｒｏｏｍ４８） ２０２１年９月 ９日開催

本発明は、例えばトンネル建設工事においてトンネルの全体的な掘削形状を確認できるなど構造物形状の確認システムに関するものである。

近年、国土交通省が提唱するi-Constructionの取り組みに注目が集まっている。ここで、i-Construction（アイ・コンストラクション）とは、いわゆるICTの全面的な活用等の施策を建設現場に導入することによって、建設生産システム全体の生産性向上を図り、もって魅力ある建設現場を目指すシステムの構築を指標するものである。

そして、前記i-Constructionの趣旨に沿うべく、トンネルなど構造物の出来形管理についても、単点計測による「断面管理」から３次元データを用いた「面管理」への移行が求められている。

しかしながら、トンネル工事の切羽など掘削形状を確認する計測については、いわゆるトータルステーションを用いた単点計測が現在でも採用されており、それに代えて３次元掘削形状を取得するシステムを構築するにはかなりの移行期間を必要とする状況である。

ここで前記切羽など掘削形状を確認する計測手法変更の解決手法として、特開2014-2027号ではレーザースキャナーによる計測が提案された。この手法では、面的にトンネルの断面形状を取得できる。しかし計測対象には機械設備などによって計測の際に死角が存在することが多々あり、死角なしに面的にトンネルの断面形状を取得する為にはレーザースキャナーの設置位置をその都度変えて複数回計測することが必要となり、レーザースキャナーを使用したとしても長時間の計測作業時間を要するとの課題があった。

ここで３Ｄレーザースキャナーとは、レーザー光を対象物に直接当て戻ってきたレーザー光の時間のずれにより距離を確定する計測方式（ノンプリズム測定方式）に使用されるもので、1秒間に数万点に及ぶ点群の計測を面的に行い その点群データを取得解析して例えば３次元ＣＡＤモデルなどを生成するものである。

この方式によって、立体的に物体を観測することができることとなり、従来までの計測では補完できなかった事象を正確に補完計測できるようになった。
また、点群データにより「面」的に構造物の形状を取得することができるため、トンネルのような曲面の内部形状も正確にデータ化することができる。
さらに、設計データとの比較による出来形計測や定期的に複数回計測したデータの重ねあわせによる経時的な変位の計測をすることもでき、また任意の位置で断面図を作成できるほか、色彩により視覚的に表現することもできるものとなっている。

しかして、近年では、トンネルの切羽など掘削形状を確認する計測システムに前記３Ｄレーザースキャナーを使用してのさらなる計測精度を向上させた計測システムの構築が叫ばれており、面的に正確、確実に計測でき、かつ計測作業時間を極めて短くできる発明の創案が要請されるに至ったのである。

特開２０２０－１３３１１８号公報 特開２０１９－２０３３２８号公報

かくして、本発明は前記従来の要請及び従来の課題に対処すべく創案されたものであって、トンネルの切羽など掘削形状を確認する計測システムに前記３Ｄレーザースキャナーを使用してのさらに計測精度の向上した計測システムの構築が出来て面的に正確、確実に計測でき、かつ計測作業時間を極めて短くできるトンネルの掘削形状確認システムを提供することを目的とするものである。

すなわち、例えば、トンネル掘削における余掘り管理がリアルタイムで実施できて、最適な余掘り量での最適な発破パターンの選定が出来、もって次の掘削施工サイクルへ前記計測結果を反映させることによりトンネルの切羽などの掘削作業が正確、確実に行え、かつ計測に係わる計測時間を極めて短くすることが出来、ひいてはトンネルの構築作業を迅速に行え、もって構築コストをも低減できるものとなる。

本発明は、トンネル内部形状の点群データを取得する点群データ取得装置と、該点群データ取得装置を搭載して前記点群データのトンネル内での連続取得を可能とした移動手段と、を備え、
前記点群データ取得装置は、トンネル内の鉛直方向３６０°方向の点群データが取得できるデータ取得部を有し、前記データ取得部は水平方向に回動可能とされ、前記点群データ取得装置自体の移動後の座標位置が、点群データ取得装置に設けられた自己位置推定装置を用いて点群データ取得中に取得でき、トンネル内における３次元方向の相対座標の点群データの連続取得が、トンネル内を移動する度に、点群データ取得装置自体の座標位置を計測する為に点群データの取得作業を中止することなく前記点群データ取得中に取得された点群データ取得装置自体の座標位置に基づいて行え、
トンネル側面に設けられたＨ形鋼からなる支保工には、座標位置が既知の複数ターゲットがトンネル両側面における支保工の側面に取り付けられ、前記各ターゲットには、識別手段が設けられ、該識別手段は、中央にターゲットの周囲より反射強度の強い反射部が四角形状にして設けられると共に、該ターゲットの周囲より反射強度の強い反射部の外周側には前記ターゲットの周囲より反射強度の強い反射部を囲むターゲットの周囲より反射強度を低くした反射部が設けられて構成され、
前記ターゲットは、シート状に構成されて、裏面には前記支保工に吸着するマグネット部を備えて支保工への取り付け、取り外しが簡易に行えると共に、前記取得した複数の点群データの中から前記ターゲットの点群データが識別できて各ターゲットの座標位置が取得できる、
ことを特徴とし、
または、
前記自己位置推定装置は、前記点群データ取得装置に取り付けられた６軸センサ（x，y，z，ヨー，ロール，ピッチ）と、撮像手段で撮像した映像による特徴点を追跡しての位置検知機能を備えて構成された、
ことを特徴とし、
または、
点群データの中から各ターゲットの座標位置を識別し、これら各ターゲットの座標位置に基づいて、前記点群データ取得装置にて取得した点群データの相対的な座標を絶対座標に変換する、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、トンネルの切羽など掘削計測システムに例えば３Ｄレーザースキャナーを使用してさらに計測精度の向上した計測システムの構築が出来て面的に正確、確実に計測でき、かつ計測作業時間を極めて短くできるとの効果を奏する。

すなわち、例えば、トンネル掘削における余掘り管理がリアルタイムで実施できて、最適な余掘り量での最適な発破パターンの選定が出来、もって次の掘削施工サイクルへ前記計測結果を反映させることによりトンネルの切羽など掘削作業が正確、確実に行え、かつ計測に係わる計測時間を極めて短くすることが出来、ひいてはトンネルの構築作業を迅速に行え、もって構築コストをも低減できるものとなる。

本発明の概略構成を説明する説明図（１）である。 本発明の概略構成を説明する説明図（２）である。 本発明の概略構成を説明する説明図（３）である。 本発明の概略構成を説明する説明図（４）である。 本発明の概略構成を説明する説明図（５）である。 本発明の概略構成を説明する説明図（６）である。 ターゲットの構成を説明する説明図である。 ターゲットの設置位置を説明する説明図である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（１）である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（２）である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（３）である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（４）である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（５）である。 トンネルの掘削工程を説明する説明図（６）である。 掘削後のトンネルの断面を説明する説明図（１）である。 トンネル出来形の設定値を説明する説明図である。 掘削後のトンネルの断面を説明する説明図（２）である。 処理装置の構成を説明する構成説明図である。 演算部の構成を説明する説明図である。

以下本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
本発明は、例えばトンネル１を掘削した際の内部形状を確認すべく前記内部形状からの点群データを取得する点群データ取得装置２を有している。

前記点群データ取得装置２としては、例えば３Ｄレーザースキャナーが挙げられる。背景技術の欄で説明した通り３Ｄレーザースキャナーは、レーザー光を対象物に当て、戻ってきたレーザー光の時間のずれにより距離を確定する計測方式（ノンプリズム測定方式）に使用されるもので、例えば1秒間に数万点に及ぶ点群の計測を面的に行い、その点群データをコンピュータなどの処理装置１７に送信し、例えば、演算部２０で解析して３次元ＣＡＤモデルなどを生成するものである。よって、立体的に物体を観測することができ、特に、大量の点群データにより「面」的に構造物の形状を取得することができるため、トンネル１のような曲面の内部形状も正確にデータ化することができる。さらに、設計データとの比較による出来形計測や定期的に複数回計測したデータの重ねあわせによる経時的な変位の計測をすることもでき、さらには任意の位置での断面図を作成することも出来る。

なお、点群データとは、例えば計測対象物(トンネル１の内部表面)に対して数万回/秒のレーザー照射をし、その反射信号から得られる多数の点の集合体（近似的な面形状）のデータであり、該点群データの計測値につき、例えば演算部２０などで演算解析することにより、具体的な３Ｄレーザースキャナーの中心位置および方位を基準とした座標値(ｌ:距離,θ:方位角,α:仰角、または相対座標系におけるｘ,ｙ,ｚ)が得られ、その他に反射強度の違う前記反射信号の認識や計測時刻ｔ等の値が得られる。

図１に３Ｄレーザースキャナーなどで構成される本発明における点群データ取得装置２の構成を示す。該点群データ取得装置２は、略円柱状に形成された計測部３を有しており、リング状をなす外周面から外側に向かって３６０°の方向にスキャンして計測時における相対的な座標（いわゆるローカル座標）を有する点群データを取得、計測できる構成となっている。次に符号４は更新手段としての自己位置推定装置を示す。該自己位置推定装置４は、例えば、６軸センサ（ｘ，ｙ，ｚ,ヨー,ロール,ピッチ）などの加速度センサ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ；ＩＭＵ）７及び周辺領域を撮像するカメラ８などを有し、特徴点を追跡して位置検知する機能等を備えた構成などが好ましい。すなわち、点群データ取得装置２の運動パラメータを取得するための加速度センサ（ＩＭＵ）７、点群データ取得装置２の周辺領域を撮像するカメラ８、これら加速度センサ７やカメラ８からの情報に基づき点群データ取得装置２の運動情報に伴う自己位置データを算出する演算装置９及びこの演算装置９で算出したデータを記憶する記憶装置１０などを利用したＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）技術により、点群データ取得装置２が移動したとしても、その移動箇所での自己位置を直ちに推定でき、点群データ取得装置２の相対的な座標位置を確定できるものとされている。

つまり、本発明に係る計測システムでは、構造物形状の認識を行う計測操作において、例えば点群データ取得装置２の移動後の相対的な座標位置を、自己位置推定装置４の演算装置９内に存する点群データ取得装置座標位置更新部２６で更新される自己位置更新データを用いて移動前後の時刻や座標から任意の時刻における点群データ取得装置２の相対位置座標が取得できるものとなっている。
よって、点群データ取得装置２の設置位置を変更する度毎に、計測作業を中断し、新たな場所における点群データ取得装置２の座標位置を計測する必要がないのである。

図１乃至図４に示すように、計測部３の外周面から送出される点群データ取得信号１１（例えばレーザー光）は鉛直方向において３６０°の方向に発射されるよう計測部３が配置される。しかしながら、この点群データ取得信号１１は水平方向に向かっては所定範囲（約３０°～６０°）の角度でしか広がらないものとなっている（図３参照）。

そこで、本発明の点群データ取得装置２には、視準範囲や、対象物までの離間距離によっては所定間隔内の視準を補えるよう、該点群データ取得装置２を水平方向に回動させる回動装置５が取り付けられている。すなわち、回動装置５によって点群データ取得装置２を水平方向に例えば１８０°回動させ、これにより例えばトンネル１の側面から取得する点群データ信号１１が確実に取得出来るものとなっている。回動装置５において、水平方向に回動させる角度設定は任意に設定でき、現場の状況に合わせて適切な回動角度を設定することが出来る。

次に符号６は点群データ取得装置２を搭載して移動する移動手段を示す。ここで、移動手段６の構成については何ら限定されるものではなく、軽トラックなどの車両でも構わない。移動手段６として軽トラックを使用する場合には、荷台に前記点群データ取得装置２を搭載することになる。

次に、本発明の動作について説明する。
はじめにトンネル1の掘削工程につき、図９から図１４を参照して説明する。トンネル１の切羽面に爆薬をセットする（図９）。ここで、符号１２はＨ形鋼などで形成された支保工を示す。

次いで、セットした爆薬を爆破させて掘削する。すると地山が現れて、ずり（土砂）が発生する（図１０参照）。通常、1回の掘削長は約１ｍ～１．５ｍ程度である。なお、アタリやコソクが生じる場合があるので、アタリやコソクを除去する作業を行う（図１１参照）。その後、ズリだし作業を行う（図１２参照）。次いで、掘削した箇所にコンクリートを吹き付けて地山を安定させる(図１３参照)。次いで支保工１２を建て込み、ロックボルト１３を打ち込むなど一次覆工を行う（図１４参照）。

ここで、本発明を使用して掘削形状の確認は、例えば図１０に示す爆破後から図１１に示すアタリやコソクの除去までの間に行われる。

図２に示すように、移動手段６に搭載した点群データ取得装置２は、掘削した切羽面に対向するよう切羽面の近傍位置に設置する。計測部３からは鉛直方向３６０°の方向に亘って点群のデータ計測出来る構成となっている。

図４に示すように、点群データ取得装置２は回動装置５によって水平方向に回動して点群データの計測を行う。前記回動計測は例えば、1回の掘削（１ｍ～１．５ｍ）が終了するごとに実施される。

ここで、トンネル１の側面には絶対座標（例えば、平面直角座標）を測定する際に用いられる標定点となるターゲット１４が取り付けられている。このターゲット１４は図７に示すシート状のものが使用される。しかしこの構成に決して限定されるものではない。

そして、ターゲット１４は、点群データから識別できる識別手段となっている。具体的に説明すると、ターゲット１４は、その中央に配置され、例えばレフシートで構成されてターゲット１４の周囲より反射強度の強い反射部１５と、該反射部１５の周囲に配置され、例えば合成樹脂材で形成されてターゲット１４の周囲より反射強度の低い反射部１６とを有して構成される。すなわち、ターゲット１４は、平面視にて反射部１６によって反射部１５を囲むように構成されている（図７参照）。

このような構成のターゲット１４から複数の反射レーザー（点群データ取得信号１１）を取得することにより、その反射レーザーの反射強度の違いによって点群データの中から前記ターゲット１４の設置位置を識別して取得できるのである。

ところで、データを取得すべき構造物表面には反射強度の強い箇所が該ターゲット１４のほかに存在する可能性がある。従って、たとえ反射強度を強くして構成したターゲット１４であっても前記構造物表面にある反射強度の強い箇所を誤認識してしまい、ターゲット１４の識別に誤認を生じさせる恐れがある。そこで本発明ではかかる誤認が生じないよう、ターゲット１４につき、その中央に例えばレフシートで構成されてターゲット１４の周囲より反射強度の強い反射部１５を配置し、該反射部１５の周囲には、例えば合成樹脂材で形成されてターゲット１４の周囲より反射強度の低い反射部１６を配置して構成したのである。このような構成とすることにより、ターゲット１４の確実な識別が企図できる。

尚、ターゲット１４は反射強度の違いによって点群データの中から識別できる構成に限定されるものではなく、色や形状等に基づいて点群データの中から識別できる構成等にすることも考えられる。いずれにせよ、ターゲット１４については、データを取得すべき構造物表面に存する箇所をターゲット１４と誤認識しないよう確実に区別できる構成のものにすることが重要である。

ここで、ターゲット１４の裏面側は例えばマグネット部材が取り付けられており、建て込んだＨ形鋼からなる支保工１２に磁力により簡単に取り付けることができるものとなっている。

しかるに図５あるいは図８に示すようにターゲット１４は、例えば支保工１２の表面に少なくとも３箇所以上取り付けられる。すなわち図５および図６に示すように、トンネル１の左側面に２箇所、右側面に２箇所の如きである。尚、当然ながらトンネル１の左側面に２箇所、右側面に１箇所設置する構成などでもよい。

そして、点群データ取得装置２の計測部３がトンネル１の側面に設置されたターゲット１４をスキャンすると、前記ターゲット１４の反射部１５、１６からの反射レーザー（点群データ取得信号１１）を取得でき、取得した点群データ取得信号１１を処理装置１７の演算部２０等で解析することにより点群データにおけるターゲット１４の位置を識別し確定できる。

そして、設置位置が確定された３つ以上の各ターゲット１４をスキャンし点群データにおける各ターゲット１４の位置を識別することで、相対的な座標系である各点群データの座標を、標定点として識別したターゲット１４の座標（平面直角座標）に基づいて、平面直角座標系に変換できるのである。

そのため、座標変換後の点群データが示す形状と、後述するトンネル１の設計データで示された形状を比較する作業などが容易に行え、出来形計測や経時的な変位の計測が可能となるのである（図１６、図１７参照）。

つまり、本発明では、構造物内を移動しながら計測を行い、点群データを先に取得する。そして移動しながら計測して取得した点群データにより計測時毎の相対的な仮の座標（相対座標）を取得する。そして、少なくとも３箇所に配置されたターゲット１４から取得した点群データ（ターゲットデータ）に基づいて前記構造物内の絶対座標を得る。

そして、前記取得した絶対座標に、前記先に取得した点群データからの相対的な仮の座標（相対座標）を合わせるべく演算解析し、変換操作を行う。すなわち点群データからの相対的な仮の座標（相対座標）を絶対座標（平面直角座標系）にと変換するのである。
上記の如く変換作業を行うと、その座標変換した点群データと予め設計されている設計データとを比較・確認が容易にできることとなる。

そして、このことは、点群データ取得装置２による計測前に該点群データ取得装置２の３次元座標位置を計測して確定しておく必要がないことを意味する。すなわち、本発明では点群データ取得装置２による計測中に該点群データ取得装置２の３次元座標位置を計測して確定出来るとのメリットがあるのである。

また、トンネル１の内空断面の出来形管理では、工事測量等で得た少なくとも３箇所以上に取り付けられたターゲット１４のレフシート中央の座標を、点群データ取得装置２で取得した点群データにおける対応する点の座標に一致させる演算解析を行うことも出来、いつでも点群データ取得装置２で取得した点群データの絶対座標を知ることも可能なのである。

図６に示すように、掘削部分とトンネル１の両側面にセットされたターゲット１４の計測が完了するまで点群データ取得装置２を左右に回動させて計測する。ここで、点群データ取得装置２を左右に回動して計測する際は移動手段６によって点群データ取得装置２は移動させず、停車した状態としてある。

まず、点群取得装置２を現段階で形成されている切羽面に安全に接近できる地点に移動させ、計測を行う。そして、その計測が完了したときには、回動装置５の操作をストップさせ、計測部３を図３の状態にして計測を継続させておく。その状態で移動手段６をトンネル１の入口側へ移動させ、点群データ取得装置２を左右に回動させて計測する。この動作を切羽及びトンネル側面にセットされたターゲット１４の計測が完了するまで実施する。この場合、１回目の回動計測と２回目の回動計測に際しては、同じ箇所の点群データを重複して計測することもありうるが、重複した点群データを計測することにより、さらに正確で詳細なデータが得られ、最適なデータ処理が行えるものとなる。また、従来では点群データ取得装置２の設置位置を変更する度に前記点群データ取得装置２の３次元座標位置を計測して取得しなければならなかったが、本発明では前記した自己位置推定装置４により、移動があったとしても絶えず点群データ取得装置２の自己位置が更新されて推定されるものとなり、設置位置を変更する度毎に点群データ取得装置２の３次元座標位置を計測して取得する必要がない。

図１８は前記点群データ取得装置２が取得した点群データを入力して演算解析処理等の処理を行う処理装置１７を示す。ここで、処理装置１７は通常ＰＣなどのコンピュータで構成される。図１８に示すように処理装置１７は、受信部１８、演算部２０、記憶部２１、表示部２２、入力部２３などを有して構成されている。また、点群データ取得装置２には、取得した点群データや自己位置推定装置４によって更新された自己位置データを例えば処理装置１７が遠隔エリアにあったとしてもインターネット回線を介して処理装置１７に送信できる送信部１９を有して構成されている（図１参照）。

よって、点群データ取得装置２で取得した点群データや自己位置推定装置４によって更新された自己位置データは瞬時に処理装置１７で確認できる。

なお、前記点群データ取得装置２が取得した点群データを処理装置１７に送信するに当たっては有線ケーブルを用いて点群データ取得装置２と処理装置１７を繋いで点群データを取得できる様に構成しても構わない。

送出された点群データは前記処理装置１７の受信部１８を介して演算部２０に送られる。演算部２０での演算解析作動には、いわゆる可搬式のマッピングシステムのアプリが使用されており、点群データ取得装置２にて取得した点群データの相対座標を、該アプリによって、各ターゲット１４から取得した絶対座標に基づいて平面直角座標系に変換することが出来るものとなっている。よって、従来の地上据え置き型レーザースキャナーよりも効率的・短時間で計測可能となっている。

つまり、本発明では、まず、相対座標系による構造物形状が迅速に得られものとなり、しかも迅速に得られた相対座標系による構造物形状を必要に応じて平面直角座標系等のいわゆる絶対座標系の構造物形状に迅速に変換できる。よって、効率よく合理的な出来形管理が可能となっている。

ここで、演算部２０は、図１９に示すように、ターゲット座標位置計算部２４、点群データ座標位置変換部２５、トンネル形状描画部２７などを有して構成されている。

ターゲット座標位置計算部２４は、取り込まれた点群データから反射強度の違いによりターゲット１４からの反射強度の強い反射部１５と反射鏡の弱い反射部１６を有する点群データを選択して取得する。そして、これらのデータから計測対象物の絶対座標（３次元絶対座標位置）が演算解析されて求められる。

すなわち、計測対象物であるトンネル１の両側面に設置された３箇所以上のターゲット１４の絶対座標を用いて、これらのデータにより相対座標の点群データにおける絶対座標（３次元絶対座標位置）が求められるのである。この場合、例えば右側の側面に２箇所、左側の側面に１箇所設置するものとなるが、この設置状態に限定されるものではなく、右側の側面に２箇所、左側の側面に２箇所設置しても構わないしそれ以上設置しても構わない。またターゲット１４の設置数が多い場合、より正確な演算解析が行え、より正確な点群データの３次元絶対座標が得られる。

次に、点群データ座標位置変換部２５の動作につき説明する。
点群データ座標位置変換部２５は、点群データ取得装置２からの点群データを取得する。また、自己位置推定装置４の演算装置９に存する点群データ取得装置座標位置更新部２６によって得られた、点群データ取得装置２がトンネル１内で移動したときに更新される自己位置推定装置４からの更新自己位置データ、すなわち移動後の点群データ取得装置２が取得した相対座標データを取得する。

さらに、前記ターゲット座標位置計算部２４が算出した絶対座標（３次元絶対座標位置）のデータを取得する。
そして、これら相対座標データ及び絶対座標データを用いて相対座標データの座標を絶対座標に変換するのである。

トンネル形状描画部２７は、記憶部２１に格納されているトンネル１の設計データ、すなわちトンネル１の横幅及び高さの寸法、適切な余堀量を有する予定掘削ライン２８あるいは吹き付けコンクリートの厚さなどの設計値データを取り込むと共に、前記点群データ取得装置２によって取得された点群データを取り込み、これらのデータからトンネルの掘削状態を断面図にして表示する作業を行うものである。図１５にトンネル形状描画部２７によって作製されたトンネル断面図を示す。この断面図は掘削途中での断面図であり、破線で示された予定掘削ライン２８より深く掘削した状態、すなわち余堀量の大きさの状態も示すことが出来る。予定掘削ライン２８より、一層深く掘削し、余堀量が多い状態であると、一次覆工で充填するコンクリートの量が多くなりコスト高になってしまう。よって、次に掘削する場合に備え、図１５で示される断面図を確認し、余堀量を適切にすべく爆薬の仕込み箇所あるいは仕込み量を調整することが出来る。

ここで、トンネル建設工事における余掘りとは、設計巻厚を確保するため設計断面積より大きく掘ることをいう。本発明では、前記の余掘りの管理をリアルタイムで管理できるシステムとし、該システムによって適切な余堀量を算出することが出来、もって最適な発破パターンの選定が出来る構成としてある。

また、本発明では上記の判断がトンネル掘削現場から離れた場所においてＰＣなど処理装置１７の表示部２２で確認でき、かつ適切な操作ができるという大きな利点もある。

さらに、図１５から理解されるように、処理装置１７の表示部２２などで表示された前記断面図からは、掘削したトンネル１の側面に現れたアタリの存在も確認できる。このアタリを確認することにより、次の掘削に際しても同じ箇所にアタリがあるとの推定もでき、その対策を事前に取ることが出来るものとなる。

上記説明したように、本発明は、トンネル１の掘削サイクルに悪影響を与えない様、短時間で計測出来るシステムとしてある。そのため、一般的なレーザースキャナーでは、前記したように、死角なく点群データを取得するためには設置位置を変えながら、そのたび毎にレーザースキャナーの３次元座標位置を計測し直す必要があるが、本発明では、ＩＭＵ等による自己位置推定技術を搭載した計測機器を用いることで、移動しながら計測可能とした。そのため、以前より短時間で計測を完了させることができるのである。
尚、本発明で点群データ取得装置２として３Ｄレーザースキャナーを用いることにつき述べる。

３Ｄレーザースキャナーに用いられるレーザーセンサーはカメラやToFなどの他のセンサに比べて格段に精度が高く、自動運転やドローンなど速度が速い移動体で行う移動計測に広く使用されている。レーザーセンサーの出力値は一般的に２Ｄ (X、Y座標)もしくは３Ｄ (X、Y、Z座標)の点群データとなる。レーザーセンサーの点群は距離精度が高く、ＳＬＡＭの地図構築などに対して非常に有効に働く。そして、一般に点群同士をマッチングすることで移動量を逐次推定できる。さらに移動量を積算することで自己位置を推定することができる。３Ｄレーザースキャナー（LiDAR）からの点群のマッチングシステムではICP (Iterative Closest Point)アルゴリズムやNDT (Normal Distributions Transform)アルゴリズムなどが用いられる。地図としては２Ｄや３Ｄの点群地図やグリッドマップ、ボクセルマップとして表現できる。

一方、密度の観点において、点群は画像などに比べて粗く、点群同士のマッチングにおいて、特徴が十分でない側面がある。例えば、周囲に障害物が多いような場所では点群間の位置合わせが容易でなく、移動体の位置を見失ってしまうことがある。また、点群のマッチングは一般に処理負荷が高いため、高速化の工夫が必要となる。そして車両など移動手段６の位置推定にはホイールオドメトリーやGNSS (RTKなどの高精度なもの)、IMUなどの他の計測結果を統合して計測を行うのである。

１ トンネル
２ 点群データ取得装置
３ 計測部
４ 自己位置推定装置
５ 回動装置
６ 移動手段
７ 加速度センサ
８ カメラ
９ 演算装置
１０ 記憶装置
１１ 点群データ取得信号
１２ 支保工
１３ ロックボルト
１４ ターゲット
１５ 反射強度の強い反射部
１６ 反射強度の弱い反射部
１７ 処理装置
１８ 受信部
１９ 送信部
２０ 演算部
２１ 記憶部
２２ 表示部
２３ 入力部
２４ ターゲット座標位置計測部
２５ 点群データ取得装置座標位置計測部
２６ 点群データ取得装置座標位置更新部
２７ トンネル形状描画部
２８ 予定掘削ライン

Claims (3)

1. トンネル内部形状の点群データを取得する点群データ取得装置と、該点群データ取得装置を搭載して前記点群データのトンネル内での連続取得を可能とした移動手段と、を備え、
   前記点群データ取得装置は、トンネル内の鉛直方向３６０°方向の点群データが取得できるデータ取得部を有し、前記データ取得部は水平方向に回動可能とされ、前記点群データ取得装置自体の移動後の座標位置が、点群データ取得装置に設けられた自己位置推定装置を用いて点群データ取得中に取得でき、トンネル内における３次元方向の相対座標の点群データの連続取得が、トンネル内を移動する度に、点群データ取得装置自体の座標位置を計測する為に点群データの取得作業を中止することなく前記点群データ取得中に取得された点群データ取得装置自体の座標位置に基づいて行え、
   トンネル側面に設けられたＨ形鋼からなる支保工には、座標位置が既知の複数ターゲットがトンネル両側面における支保工の側面に取り付けられ、前記各ターゲットには、識別手段が設けられ、該識別手段は、中央にターゲットの周囲より反射強度の強い反射部が四角形状にして設けられると共に、該ターゲットの周囲より反射強度の強い反射部の外周側には前記ターゲットの周囲より反射強度の強い反射部を囲むターゲットの周囲より反射強度を低くした反射部が設けられて構成され、
   前記ターゲットは、シート状に構成されて、裏面には前記支保工に吸着するマグネット部を備えて支保工への取り付け、取り外しが簡易に行えると共に、前記取得した複数の点群データの中から前記ターゲットの点群データが識別できて各ターゲットの座標位置が取得できる、
   ことを特徴とした構造物形状の確認システム。
   
2. 前記自己位置推定装置は、前記点群データ取得装置に取り付けられた６軸センサ（x，y，z，ヨー，ロール，ピッチ）と、撮像手段で撮像した映像による特徴点を追跡しての位置検知機能を備えて構成された、
   ことを特徴とした請求項1記載の構造物形状の確認システム。
   
3. 点群データの中から各ターゲットの座標位置を識別し、これら各ターゲットの座標位置に基づいて、前記点群データ取得装置にて取得した点群データの相対的な座標を絶対座標に変換する、
   ことを特徴とした請求項１記載の構造物形状の確認システム。
   

Images