JPH0737890B2 - 内空断面計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トンネル，地下大空洞等の掘削断面の形状・
寸法ならびに内空変位等を計測するに好適な内空断面計
測方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、トンネル等の掘削断面の形状・寸法測定には、超
音波やレーザーの反射を利用した方法やステレオ写真を
利用した方法が各種実施されている。

また、内空変位の測定には、特定の測点間の相対距離の
変化をテープで測定する方法が各種実施されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、掘削断面の形状・寸法測定に関し、従来の方法
では、点の測定結果から内空断面全体の形状・寸法を求
めなければならず、いずれの方法も測定や解析作業に時
間が掛かる欠点があった。

また、内空変位の測定に関し、従来の方法では、測点の
数に限りがある上、２点間の相対距離を求めるため、全
体的な変形モードや壁面変位の絶対量が解らない欠点が
有った。

上記の目的を達成するために、本発明の発明者らは、先
に、空洞の中心軸に垂直かつ中心軸方向に広がりのない
光線を所望点から照射して測定断面の空洞内壁面に所望
幅の光跡を形成し、所定位置から前記光跡を含む空洞内
壁面を撮像したのち、その画像および前記所定位置から
撮像した前記空洞内壁面の未照射状態の画像を比較し光
跡部分のみを抽出するとともに、前記所定位置と測定断
面との距離から画像の縮尺を算出して空洞の内空断面の
形状および寸法を計測するようにする内空断面計測方法
を発明した。

この先の発明は、従来の計測方法の欠点を全て解消する
優れた発明であったが、内空断面が偏平であったり、縦
長であるトンネルなどには適用しにくいと言う欠点があ
った。

すなわち、偏平なあるいは縦長なトンネルの場合、測定
断面を全て一度に撮像しようとすると、撮像手段と測定
断面との距離を充分に取らなくてはならないのである
が、計測精度が悪くなったり、内部雰囲気が悪いと充分
な距離がとれないのである。

また、特開昭61−95203号公報に開示されている類似の
技術においても、上記同様の問題があった。

また、特開昭60−84680号公報には、測定面に配置した
マーカーを含む二つの画像を撮像し、両画像において、
マーカーが重なるように合成する技術が開示されてい
る。しかし、大きなトンネル等の空洞内にますめ状のマ
ーカーを配置することは実質上困難である。また、計測
完了後には、そのマーカーを撤去しなければならないの
で、作業性が悪いのである。

発明者らは、先の発明の上記欠点を解消すべく、鋭意検
討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

本発明は、上記欠点を解消すべく、トンネル等の掘削断
面の全体形状・寸法ならびに内空変位が一度に迅速に測
定できる内空断面計測方法を提供することを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明にかかる内空断面計測方法は、空洞の断面方向に
光線を照射して測定断面の空洞内壁面に所望幅の光跡を
形成し、所定位置から前記光跡を含む空洞内壁面を撮像
したのち、その画像および前記所定位置から撮像した前
記空洞内壁面の未照射状態の画像を比較し光跡部分のみ
を抽出するとともに、前記所定位置と測定断面との距離
から画像の縮尺を算出して空洞の内空断面の形状および
寸法を計測するようにする内空断面計測方法であって、
前記測定断面の少なくとも任意の１箇所に光点を形成
し、カメラ軸を測定断面と垂直にして前記光点の少なく
とも１つを含む基準となる画像Ａを撮像し、かつ、カメ
ラ軸を傾けて前記光点の少なくとも１つを含む画像Ｂを
少なくとも１つ撮像し、前記画像Ｂの座標を前記画像Ａ
の座標に座標変換するとともに、対応する光点が重なる
ように全画像を合成して全光跡を抽出することを特徴と
している。

〔作 用〕

本発明にかかる内空断面計測方法によれば、空洞の断面
方向に光線を照射して測定断面の空洞内壁面に所望幅の
光跡を形成するとともに、前記測定断面の少なくとも任
意の１箇所に光点を設ける。そして、カメラ軸を基準の
位置に向け、少なくとも１つの前記光点が含まれるよう
に前記測定断面の一部を基準の画像Ａとして撮像し、か
つ、カメラ軸を傾けて前記光点の少なくとも１つを含む
ように画像Ｂを少なくとも１つ撮像する。すなわち、測
定断面を複数に分割して撮像する。つぎに、画像Ｂの座
標を画像Ａの座標に座標変換し、対応する光点が重なる
ように前記画像Ａおよび画像Ｂを合成し測定断面をあら
わす全光跡を抽出するようにしている。

〔実 施 例〕

以下に、本発明を、その実施例をあらわす図面を参照し
つつ詳しく説明する。

第１図は本発明にかかる内空断面計測方法を用いて計測
する装置の例を横から見た状態で模式的にあらわし、第
２図はその装置がトンネル内に設置された状態を上から
見てあらわしている。

図にみるように、この内空断面計測装置１は、光照射手
段２、撮像手段３、距離測定手段としての測距儀４、画
像処理手段５を備えている。

光照射手段２は、本体21と屈折手段22を備えている。本
体21には、図示していないが、光源が内蔵されている。
この光源は、空洞の中心軸（たとえば、トンネルの掘削
軸）の方向に広がりが無い、たとえば、レーザー光線な
どのようなコヒーレントな光線23を発するようになって
いる。屈折手段22は、本体21の前記光線23の出口前方に
配置され回転駆動手段（図示せず）により回転軸を中心
にして所定の回転速度で回転するようになっているとと
もに、前記光線23を直交方向に屈折させるようになって
いて、たとえば、プリズムなどが用いられる。

撮像手段３は、公知のテレビカメラなどが用いられ、そ
の上に測距儀４が搭載されているとともに、画像処理手
段５が接続されている。

画像処理手段５には、表示手段６および記憶手段７が接
続されている。さらに、記憶手段７は、撮像手段３とも
接続されている。

次に、本発明にかかる内空断面計測方法を、上記内空断
面計測装置１の動作に従って説明する。

トンネルの設計断面や距離の較正値（たとえば、１
画素が何cmに対応するかを距離のパラメータとしてあら
わす）を画像処理手段５に入力して記憶手段７に記憶さ
せる。

光照射手段２の本体21出口からでる光線23の光軸
（基準軸）がトンネル９の掘削軸91に平行となるように
光照射手段２を配置し、更に、撮像手段３を、その位置
を移動させることなく撮像角度の変更のみで被測定断面
全体がその視野内に入るように、光照射手段２から前記
掘削軸91方向に離れた位置に配置する。なお、との
操作は逆であってもよい。

測距儀４によって測定断面と撮像手段３の基準位置
との距離を測定し、記憶手段７に記憶させる。

撮像手段３を基準位置、すなわち、カメラの中心軸
が測定断面に垂直になるようにして第３図（ａ）にみる
ように測定断面の略下側半分を先ず未照射状態で撮像し
てその画像を記憶手段７に記憶する。なお、この時、光
照射手段２により光線23を照射して第１画像31の上限部
分に当たる測定断面のトンネル内壁面に２つの光点24を
形成しこの光点24の位置および光点24を形成する光線23
の照射角度（屈折手段22の角度）も記憶しておく。

光照射手段２の光源から光線23をトンネルの円周方
向に所定の回転速度で照射し、撮像手段３によりある瞬
間Δｔの画像を撮像する。

上記のようにすれば、第３図（ａ）にみるように撮像手
段３の残像現象により、照射光線23が時間Δｔの間に壁
面上を移動した軌跡31b、すなわち、トンネル断面形状
の光跡31aの一部を含む第１画像31を得ることができ
る。

この画像31と前記未照射画像との差あるいは比率を
とり、光跡31aの一部を構成する軌跡31bのみを抽出して
記憶手段７に記憶する。なお、記憶手段７では、記憶し
た軌跡31bを自動的に重ね合わせるようになっている。

重ね合わされた軌跡31bがトンネル断面形状の下側
半分の光跡31aを形成するまで、上記，の動作を繰
り返す。すなわち、照射光線23の回転速度と撮像時間Δ
ｔとの同期をとり、上記の撮像および抽出操作を繰り返
して時間Δｔ毎の画像処理結果を重ね合わせることによ
り、光跡31aの全体を抽出することができる。

第４図にみるように、抽出した光跡31aを記憶手段
７の仮想画面33に記憶しておく。

つぎにカメラの中心軸を基準位置から上方に向け、第
３図（ｂ）にみるように、測定断面の上方の残り部分お
よび前記光点24が画像内に入るようにして、，と同
様にして第２画像32を得る。なお、このときの光点24は
第１画像31撮像の時に記憶した照射角度で光照射手段２
から光線23を再度照射して形成する。

およびと同様にして上半分の光跡32aの全体を
抽出する。

前記光点24の、第１画像31の画面上の画素位置と第
２画像32の画面上の画素位置とを比較して前記カメラの
基準位置からの傾きを演算し、この傾きから第２画像32
の座標を第１画像31と同一座標に座標変換する。そし
て、座標変換された光跡32a′を前記仮想画面33に重ね
て全光跡3aを仮想画面33上に描く。

このようにして仮想画面33上に形成された光跡3aを
構成する個々の画素の平面座標値や光跡3aで囲まれた断
面積等を、撮像距離から求めた画像の縮尺比を用いて算
出し、その結果を表示手段６において表示し、かつ、記
憶装置７において記憶する。結果の表示は、第５図に示
すように、掘削断面の形状線（光跡3aを上記の平面座標
値に変換したもの）34と、本来掘削されるべき設計断面
の形状線35とを、トンネル９の中心線92およびスプリン
グ線93を基準にして重ね合わせるとともに、掘削断面の
形状線34と設計断面の形状線35とで囲まれた部分の断面
積（過不足断面積）も合わせて表示し、実際の掘削断面
と設計断面の差異を数量的に図化表示する。

また、内空変位の表示は、第６図に示すように、中心線
92とスプリング線93の交点Ｏを中心とする極座標（r,
θ）における現在の掘削断面の座標値と初期の座標値と
の差を求め、基準線94の外側を伸び、内側を縮みとして
図化表示することもできる。

さらに、同様にして、トンネル内壁面にコンクリートを
吹き付ける場合、吹き付ける前の内空断面と吹き付け後
の内空断面を比較してコンクリートの吹き付け厚みを図
化表示することもできる。

上記の実施例において、時間Δｔ毎の画像を重ね合わせ
ることより、光跡全体画像を纒めて撮像し、その後に未
照射画像との差あるいは比率をとれば、抽出時間をより
短縮することが出来る。

本発明は、上記の実施例に限定されない。上記実施例で
は、光照射手段が光源からの光を一本の光線として照射
し屈折手段を回転させることによりこの光線を経時的に
円周方向に照射し、時間Δｔ毎の軌跡を撮像して画像を
重ね合わせ光跡全体を抽出するようにしたが、光照射手
段から面状に光線を照射して光跡を一度に撮像できるよ
うにしてもよい。

上記の実施例では、光照射手段がトンネルの掘削軸、す
なわち、空洞の中心線上に配置されるようになっていた
が、所望の位置にクリアーな光跡を描くことができれ
ば、中心線上に配置しなくても構わない。また、撮像手
段も幾何学的補正を行うようにすれば、中心線上に配置
しなくても構わない。このようにすれば、計測を空洞の
直線部分だけでなく曲線部分でも行うことができる。

上記の実施例では空洞がトンネルであったが、地下の大
空洞や立坑など全ての空洞に適用することができる。

上記の実施例では、距離測定手段が測距儀であったが、
メジャーなどの計測手段でも構わない。

上記の実施例では、トンネルの内空断面を上下に２分割
して撮像するようにしたが、３つ以上に分割するように
しても構わない。また、トンネル内空断面を水平に分割
しても構わない。

上記の実施例では、光点が２つであったが、１つでも構
わない。

〔発明の効果〕

本発明にかかる内空断面計測方法は、以上のように構成
されているので、大径のトンネルの内空のような広い空
間であっても、少なくとも１箇所に光点を形成すればよ
いので、計測の準備においても、終了後の撤去において
も、優れた作業性が得られる。

このように、本発明によれば、準備と撤去に優れた作業
性が得られるとともに、内空変位やコンクリートの吹き
付け厚みの測定についても、従来の方法では現実的に測
定不可能であった横断面全体の変形モードや壁面変位や
吹き付けコンクリートの厚みの絶対量を直ちに知ること
ができ、支保の補強や変更等、トンネルの安全管理・施
工管理に極めて有効である。しかも、断面が偏平であっ
たり、縦長であるようなトンネルにも適用することがで
きる。また、画像処理するため、撮像手段の振り角度な
どが実測せずに計算で求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる内空断面計測装置の１実施例を
あらわす模式図、第２図はそのトンネルに設置した状態
をあらわす平面図、第３図（ａ）は第１画像をあらわす
正面図、第３図（ｂ）は第２画像をあらわす正面図、第
４図は仮想画面をあらわす正面図、第５図は表示手段に
おける表示の１例をあらわす説明図、第６図は表示手段
における表示の別の例をあらわす説明図である。 １……内空断面計測装置、２……光照射手段、３……撮
像手段、４……測距儀（距離測定手段）、５……画像処
理手段、６……表示手段、７……記憶手段、９……トン
ネル（空洞）、23……光線、24……光点、31……第１画
像（画像Ａ）、32……第２画像（画像Ｂ）、91……掘削
軸（中心軸）、3a,31a,32a′……光跡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空洞の断面方向に光線を照射して測定断面
   の空洞内壁面に所望幅の光跡を形成し、所定位置から前
   記光跡を含む空洞内壁面を撮像したのち、その画像およ
   び前記所定位置から撮像した前記空洞内壁面の未照射状
   態の画像を比較し光跡部分のみを抽出するとともに、前
   記所定位置と測定断面との距離から画像の縮尺を算出し
   て空洞の内空断面の形状および寸法を計測するようにす
   る内空断面計測方法であって、前記測定断面の少なくと
   も任意の１箇所に光点を形成し、カメラ軸を測定断面と
   垂直にして前記光点の少なくとも１つを含む基準となる
   画像Ａを撮像し、かつ、カメラ軸を傾けて前記光点の少
   なくとも１つを含む画像Ｂを少なくとも１つ撮像し、前
   記画像Ｂの座標を前記画像Ａの座標に座標変換するとと
   もに、対応する光点が重なるように全画像を合成して全
   光跡を抽出することを特徴とする内空断面計測方法。