JPH08219783A - 掘削地山等の変位計測管理システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 地山の変位を一定の時間間隔で自動的に計
測、管理することができるので、崩壊を事前に予知し、
災害から防止することが確実に行える。 【構成】 切土法面２等の変位を生じやすい地盤面に設
置した計測用杭を任意の位置に固定した複数のＣＣＤカ
メラ８で撮影し、その映像をパソコン等の処理装置11に
取込み、取込んだ画像に対して形状抽出、色抽出、縮退
化等の画像処理を施すことで計測用杭６の指標７の重心
を抽出し、この抽出した指標７の重心点を基に、ステレ
オ画像計測法を用いて指標点の三次元座標を抽出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木工事において切土
法面等の崩壊による災害の発生を事前に予知、防止する
掘削地山等の変位計測管理システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】わが国は急峻な地形が多く、また、地質
は複雑かつ多様であることから、地山の掘削深度と掘削
勾配については、労働安全衛生規則により土質別に基準
が定められている。また、これらの基準を遵守すること
は勿論、特に湧水等が多い場合には法面排水手段等を設
ける必要がある。

【０００３】しかしこのように万全を期したつもりで
も、必ずしも崩壊は起こり得ないと断言できない。その
ため、大規模な切土法面が存在する場合には日常管理と
しての安全管理が行われる。

【０００４】従来は図５に示すようにトランシット１等
により管理をおこなっていた。図中２は切土法面であ
り、前記トランシット１は第１の基準点３ａ上に設置
し、第２の基準点３ｂを視準する。

【０００５】視準線上に計測用杭４上のくぎ５（図７参
照）が位置するように計測用杭４を設置する。以後、図
６に示すようにトランシット１を第１の基準点３ａ上に
設置して計測用杭４上のくぎ５が 常に第１の基準点３
ａと第２の基準点３ｂとを結ぶ線上にあるか否かで変位
を判断する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記トランシットによ
る方法では、毎日据え付け、撤去を行う必要があるこ
と、人手による視準確認なので１日の中での計測回数が
限られる。（例えば、30分間隔での計測を毎日続けるの
は現実的でない。）

【０００７】本発明の目的は前記従来例の不都合を解消
し、地山の変位を一定の時間間隔で自動的に計測、管理
することができるので、崩壊を事前に予知し、災害から
防止することが確実に行える掘削地山等の変位計測管理
システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、切土法面等の変位を生じやすい地盤面に設置
した計測用杭を任意の位置に固定した複数のＣＣＤカメ
ラで撮影し、その映像をパソコン等の処理装置に取込
み、取込んだ画像に対して形状抽出、色抽出、縮退化等
の画像処理を施すことで計測用杭の指標の重心を抽出
し、この抽出した指標の重心点を基に、ステレオ画像計
測法を用いて指標点の三次元座標を抽出することを要旨
とするものである。

【０００９】

【作用】本発明によれば、ＣＣＤカメラはこれを所定位
置に常設でき、このＣＣＤカメラで撮影した映像をオン
ラインでタイムリーにパソコン等に取込み、これにより
切土面に設置した指標を有する計測用杭の変位を定量的
に算出し、管理データとして活用することができる。

【００１０】また、キャリブレーション用基準点、およ
び計測用指標の平面座標（モニタ上の画素位置座標）算
出に形状抽出、色抽出、縮退化等の画像処理技術による
抽出を導入することにより、一連の処理の自動化を図る
ことができる。

【００１１】

【実施例】以下、図面について本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明の掘削地山等の変位計測管理シ
ステムの１実施例を示すシステム構成図、図４はフロー
チャートで、図中２は前記従来例と同じくは切土法面で
ある。

【００１２】切土法面２に計測用杭６を設置するが、こ
の計測用杭６は図３に示すように、頂部に任意の形状
（図示では球状）、または色をつけた、もしくはその両
方の指標７を設けている。

【００１３】切土法面２を見晴らせる任意の位置に少な
くとも２基のＣＣＤカメラ８を固定して設け、この２基
のＣＣＤカメラ８を、それぞれの映像中に計測用杭６が
収まるようにカメラ姿勢、ピント、ズーム等の機能を調
節する。ＣＣＤカメラは周知のごとく電荷結合素子を組
込んだデジタル静止画カメラで、撮影した画像を高画質
で処理するものである。

【００１４】また、図２に示すようにステレオ画像計測
の原理に沿ってキャリブレーション（較正）を行うため
の基準点９を設ける。このキャリブレーション用基準点
９は後述のように最低でも座標既知の点を６点設置する
必要がある。ここでは基準点９の個数については限定し
ない。基準点９は各々のＣＣＤカメラ８の映像に全て含
まれなければならない。

【００１５】このＣＣＤカメラ８は画像処理入力ボード
10を介してパソコン等の処理装置11に接続する。この処
理装置11には画像処理モジュール12が接続される。

【００１６】図４に示すように、複数のＣＣＤカメラ８
で撮影したカメラ映像をパソコン等の処理装置11にオン
ラインで入力し、取込んだ画像に対して形状抽出、色抽
出、縮退化等の画像処理を施す。そして、各基準点９の
モニタ上の平面座標を算出し、両ＣＣＤカメラ８につい
ての平面座標を算出する。

【００１７】各基準点の３次元絶対座標の入力を行い、
設置した基準点９を基にキャリブレーションを行う。キ
ャリブレーションは、各々のＣＣＤカメラ８からの映像
に映されている複数個の基準点９の各カメラでの平面座
標（モニタ上での２次元画素位置座標）を算出し、キャ
リブレーションすなわちカメラパターンの算出を行う。

【００１８】ここでキャリブレーションについて説明す
る。図８にピンホールカメラに基づいた透視変換モデル
を表す。カメラを理想化したこの透視変換モデルは、レ
ンズ面の中心にピンホールが開いたものであり、視線は
この点を通る１本の直線として定義される。ガラスレン
ズを用いた一般の結像系も、歪曲収差が無視できるほど
小さければ、この簡易なモデルで表現できる。実際のカ
メラは対象−レンズ−結像面と配置されるが、これでは
像が逆転してわかりにくいため、仮想的に結像面をレン
ズの前におき、対象−結像面−レンズと配置している。
図中のＦはレンズの中心、ｆはレンズの焦点距離、Ｉは
結像面である。結像面をカメラに固定した座標系の基準
に考えているため、Ｉの中心を座標軸の原点にしてい
る。

【００１９】空間中のある一点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を結像
面Ｉへ透視して点、Ｐ′（Ｘc ，Ｙc ，Ｚc ）、すなわ
ち測定点Ｐへ向かっている視線と結像面との交点は、 で与えられる。また、表現を変えれば、 Ｘc ＝ｆＸ／（ｆ＋Ｚ）， Ｙc ＝ｆＹ／（ｆ＋Ｚ）， （式２） Ｚc ＝０ と表せる。透視変換はこのように非線型な変換である
が、三次元の座標を媒介とする変数を一つ加え、一次元
高めた表現を用いることにより、線型化することができ
る。これを同次座標系（homogeneous coordinates)と呼
んでいる。三次元の点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、次式のように
Ｗh を媒介とする４次元の点（Ｘh ，Ｙh ，Ｚh ，Ｗh
）で表現したものが同次座標である。 Ｘ＝Ｘh ／Ｗh Ｙ＝Ｙh ／Ｗh （式３） Ｚ＝Ｚh ／Ｗh この同次座標系により、透視変換は、 の４×４の行列演算で記述することができる。ここで
〔Ｘ，Ｙ，Ｚ，１〕^T と〔Ｘch，Ｙch，Ｚch，Ｗch〕^T
は同次座標系表現による点ＰとＰ′の座標である。

【００２０】図４に示すように、両ＣＣＤカメラ８のカ
メラパラメータを算出する。前記と同様な画像処理を行
い、計測用杭６の指標７のモニタ平面座標を両ＣＣＤカ
メラ８について算出する。

【００２１】カメラパラメータの算出について説明す
る。図８の透視変換は点Ｐと点Ｐ′がともにカメラに固
定した座標系で表現されているときに適用できる。目的
によっては、測定対象である点Ｐを計測システムの配置
とは独立した別の座標系で表現した方が都合がよい場合
が多い。

【００２２】図９にこの関係を表す。測定対象に用いる
座標を「物体座標系」と呼び、カメラに原点を置いた座
標系を「カメラ座標系」と呼ぶ。この二つの座標系を関
係づける変換Ｔは、同次座標系表現では回転と平行移動
を含めて、 で表すことができる。物体座標系での点Ｐからカメラ座
標系での点Ｐ′への変換は、 と表せる。カメラ座標系での結像面はＺch＝０なので、
結像面上での二次元座標（Ｘc,Ｙc), つまり入力画像中
での画素の位置でこの式を簡略化すると、 と記述できる。この３×４のＣ行列を「カメラパラメー
タ」と呼ぶ。このカメラパラメータに、位置、姿勢、画
角などカメラに関するデータがすべて含まれている。

【００２３】スポット光をガルバノミラーなどで偏向し
て投影する場合、光線がある１点から放射状にのびてい
るとみなせるから、ミラーの回転中心に原点を置いた座
標系で、ピンホールカメラモデルと同じ透視変換の関係
をそのまま当てはめることができる。式８のカメラパラ
メータは、カメラの視線がなす直線を表現している。ま
ったく同じ式でスポット光の光線なす直線の関係を表現
できる。

【００２４】スリット光はスポット光が１列に連続して
並んだものとん考えることができるので、図９に示すよ
うに、結像面での二次元座標の内、一方の座標値を無視
すればよい。いいかえれば、結像面の二次元座標が一次
元に縮退したものになっている。したがって、スリット
の位置を表す座標Ｘp と空間上の点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の関
係は式８とまったく同様であるが、変換行列は２×４と
なる。次式にこの関係を示す。 ここで、この２×４のＰ行列を「プロジェクタパラメー
タ」と呼ぶ。そしてカメラパラメータとプロジェクタパ
ラメータの両者で、ステレオ計測全体の系が決定できる
ことから、この二つを合わせて「システムパラメータ」
と呼ぶ。ここで、プロジェクタに固定した座標系を「プ
ロジェクタ座標系」と呼ぶ。プロジェクタ座標Ｘp は、
カメラの結像面と同様に平面上に与えられるが、ちょう
どこれはプロジェクタのマスク板に相当している。した
がって、マスク上でのスリットの位置を示している空間
コードをＸp と考えてよい。

【００２５】図４に示すように、計測用杭６の指標７の
位置算出は、前記キャリブレーションの結果を基に３次
元座標を求める。

【００２６】この３次元座標の算出について説明する
と、前記カメラパラメータＣがカメラの視線を表し、プ
ロジェクタパラメータＰがスリット光の平面を表してい
る。いま、それらを既知として、与えられた注目画素の
位置（Ｘc ，Ｙc ）と空間コードＸp から、測定点つま
り視線とスリット光平面との交点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を物体
座標系で求める。これは式８、式９を連立させて解けば
よい。両式には、 Ｈc ＝Ｃ₃₁Ｘ＋Ｃ₃₂Ｙ＋Ｃ₃₃Ｚ＋Ｃ₃₄ （式10) Ｈc ＝Ｐ₂₁Ｘ＋Ｐ₂₂Ｙ＋Ｐ₂₃Ｚ＋Ｐ₂₄ （式11) の関係があり、さらに展開して整理すると、 （Ｃ₁₁−Ｃ₃₁Ｘc)Ｘ＋（Ｃ₁₂−Ｃ₃₂Ｙc)Ｙ＋（Ｃ₁₃−Ｃ₃₃Ｙc)Ｚ ＝Ｃ₃₄Ｘc −Ｃ₁₄ （式12) （Ｃ₂₁−Ｃ₃₁Ｘc)Ｘ＋（Ｃ₂₂−Ｃ₃₂Ｘc)Ｙ＋（Ｃ₂₃−Ｃ₃₃Ｘc)Ｚ ＝Ｃ₃₄Ｙc −Ｃ₂₄ （式13) （Ｐ₁₁−Ｐ₂₁Ｘp)Ｘ＋（Ｐ₁₂−Ｐ₂₂Ｘp)Ｙ＋（Ｐ₁₃−Ｐ₂₃Ｘp)Ｚ ＝Ｐ₂₄Ｘp −Ｐ₁₄ （式14) となる。ここで、 とおけば、式12、式13、式14はまとめて、 Ｆ＝Ｑ・Ｖ （式16) と行列演算の形で表現できる。したがって、Ｑの逆行列
が存在するならば、 Ｖ＝Ｑ^-1Ｆ （式17) から、交点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められる。

【００２７】このようにして切土法面２上に設置した指
標７の変位を定量的に算出し、管理データとして活用す
ることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明の掘削地山等の
変位計測管理システムは、地山の変位を一定の時間間隔
で自動的に計測、管理することができるので、崩壊を事
前に予知し、災害から防止することが確実に行えるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の掘削地山等の変位計測管理システムの
１実施例を示すシステム構成図である。

【図２】本発明の掘削地山等の変位計測管理システムで
ＣＣＤカメラとキャリブレーション用基準点との関係を
示す斜視図である。

【図３】本発明で使用する指標付き計測用杭の１例を示
す斜視図である。

【図４】本発明の掘削地山等の変位計測管理システムの
１実施例を示すフローチャートである。

【図５】従来例を示す斜視図である。

【図６】従来例でのトランシットの画像を示す正面図で
ある。

【図７】従来例での計測用杭の斜視図である。

【図８】ピンホールカメラに基づいた透視変換モデル図
である。

【図９】物体座標系とカメラ座標系、プロジェクタ座標
系の関係図である。

【符号の説明】

１…トランシット ２…切土法面 ３ａ，３ｂ…基準点 ４…計測用杭 ５…くぎ ６…計測用杭 ７…指標 ８…ＣＣＤカメラ ９…基準点 10…画像処理入力ボー
ド 11…処理装置 12…画像処理モジュー
ル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切土法面等の変位を生じやすい地盤面に
   設置した計測用杭を任意の位置に固定した複数のＣＣＤ
   カメラで撮影し、その映像をパソコン等の処理装置に取
   込み、取込んだ画像に対して形状抽出、色抽出、縮退化
   等の画像処理を施すことで計測用杭の指標の重心を抽出
   し、この抽出した指標の重心点を基に、ステレオ画像計
   測法を用いて指標点の三次元座標を抽出することを特徴
   とした掘削地山等の変位計測管理システム。