JPWO2020161852A1 - Structure measuring device and structure measuring method - Google Patents
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Abstract
本発明は、構造物を正確に計測することが可能な構造物計測装置および構造物計測方法を提供することを目的とする。本発明による構造物計測装置は、モービルマッピングシステムで計測された構造物における複数の計測点の集合である点群データ(5)と、構造物の基準となる形状を表す基準形状データ(6)とを入力するデータ入出力部(2)と、基準形状データ(6)において各計測点に対応する複数の対応点を算出する対応点算出部(8)と、各計測点と各対応点とに基づいて、各計測点を補正するアフィン変換を算出する変換算出部(11)と、変換算出部(11)が算出したアフィン変換で各計測点を補正し、当該補正後の各計測点の集合である補正点群データ(7)を得る点群データ補正部(12)とを備える。An object of the present invention is to provide a structure measuring device and a structure measuring method capable of accurately measuring a structure. The structure measuring device according to the present invention includes point group data (5), which is a set of a plurality of measurement points in a structure measured by a mobile mapping system, and reference shape data (6), which represents a reference shape of the structure. A data input / output unit (2) for inputting data, a corresponding point calculation unit (8) for calculating a plurality of corresponding points corresponding to each measurement point in the reference shape data (6), each measurement point, and each corresponding point. Based on the above, each measurement point is corrected by the conversion calculation unit (11) that calculates the affine transformation that corrects each measurement point, and the affine transformation calculated by the conversion calculation unit (11), and each measurement point after the correction is corrected. It includes a point group data correction unit (12) that obtains a set of correction point group data (7).
Description
本発明は、レーザ計測などによって得たトンネルなどの構造物の三次元の点群データから、構造物の表面形状を計測する構造物計測装置および構造物計測方法に関する。 The present invention relates to a structure measuring device and a structure measuring method for measuring the surface shape of a structure from three-dimensional point group data of a structure such as a tunnel obtained by laser measurement or the like.
トンネル、道路、橋梁、および電柱などの柱状設置物、または建物といった構造物の点検においては、表面の凹凸または経時的な凹凸変形を詳細に計測することが求められる。点検対象の構造物は数が多く、点検対象が道路の場合は総延長も長くなるため、効率的な点検方法が求められる。これに対しては、モービルマッピングシステム(MMS:Mobile Mapping System)と呼ばれる、移動体で測量する方式がある。MMSは、車両(以下、MMS車両ともいう)に緯度経度を計測するGPS(Global Positioning System)、または、移動量および姿勢を計測するIMU(Inertial Measuring Unit)と呼ばれる慣性センサなど、自車両の位置および姿勢を計測する手段を搭載してMMS車両の位置と姿勢を連続的に計測する。それと同時に、搭載しているレーザスキャナからレーザパルスを周囲に照射して照射される計測点までの距離を計測する。計測時のMMS車両の位置に基づいてMMS車両上のレーザスキャナの位置を算出し、当該位置にレーザスキャナで計測した計測点までの距離および方向を加算することによって、計測点の三次元座標を得る。これにより、走行しながら周囲の構造物形状を三次元の計測点の集合である点群データとして計測する(例えば、特許文献1参照)。 In the inspection of columnar installations such as tunnels, roads, bridges, and utility poles, or structures such as buildings, it is required to measure surface irregularities or irregular deformations over time in detail. There are many structures to be inspected, and if the inspection target is a road, the total length will be long, so an efficient inspection method is required. To this end, there is a method called a mobile mapping system (MMS) for surveying with a moving object. The MMS is a position of its own vehicle such as a GPS (Global Positioning System) that measures latitude and longitude of a vehicle (hereinafter, also referred to as an MMS vehicle) or an inertial sensor called an IMU (Inertial Measuring Unit) that measures the amount of movement and attitude. And equipped with a means for measuring the attitude, the position and attitude of the MMS vehicle are continuously measured. At the same time, the distance from the on-board laser scanner to the measurement point where the laser pulse is irradiated to the surroundings is measured. The position of the laser scanner on the MMS vehicle is calculated based on the position of the MMS vehicle at the time of measurement, and the distance and direction to the measurement point measured by the laser scanner are added to the position to obtain the three-dimensional coordinates of the measurement point. obtain. As a result, the shape of the surrounding structure is measured as point cloud data, which is a set of three-dimensional measurement points, while traveling (see, for example, Patent Document 1).
上記のMMSによる計測では、GPSの測位誤差およびIMUのドリフトと呼ばれる誤差によって、MMS車両の位置および姿勢は誤差を有する。この誤差の影響は計測点に及び、計測点も誤差を含むことになる。従って、対象となる構造物の真の形状に対して、点群データは歪んだパターンを示すことになる。対象となる構造物の凹凸変形などの変状を求めるためには、この誤差の影響を取り除くことが必要である。 In the above measurement by MMS, the position and attitude of the MMS vehicle have an error due to the GPS positioning error and the error called IMU drift. The effect of this error extends to the measurement points, and the measurement points also include the error. Therefore, the point cloud data shows a distorted pattern with respect to the true shape of the target structure. It is necessary to remove the influence of this error in order to obtain deformation such as uneven deformation of the target structure.
特許文献1では、既知の位置情報を用いてMMS車両の位置および姿勢(以下、自己位置ともいう)を修正し、点群データを補正する技術が示されている。
また、点群データの座標値は補正せずに、複数の点からそれにフィットする仮想基準面を生成し、計測点の仮想基準面に対する相対的な差異によって、構造物の損傷部を判定する技術が示されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, a technique for generating a virtual reference plane that fits a plurality of points without correcting the coordinate values of the point cloud data, and determining the damaged part of the structure based on the relative difference between the measurement points and the virtual reference plane. Is shown (see, for example, Patent Document 2).
さらに、点群データの重ね合わせにICP(Iterative Closest Point)アルゴリズムを用いる技術がある。ICPアルゴリズムでは、点群データが良好に重なるように回転および平行移動によって一方を変換する。基準となる形状データに点群データがよく重なるように、ICPアルゴリズムによって自己位置を補正して誤差を取り除く技術が示されている(例えば、特許文献3参照)。 Further, there is a technique of using an ICP (Iterative Closest Point) algorithm for superimposing point cloud data. The ICP algorithm transforms one by rotation and translation so that the point cloud data overlap well. A technique for correcting a self-position by an ICP algorithm to remove an error so that the point cloud data well overlaps with the reference shape data has been shown (see, for example, Patent Document 3).
トンネルなどの構造物の維持管理では、mm単位の変状である凹凸変形を検知する必要がある。このため、自己位置の誤差の影響を取り除いて、点群データを正確に補正することが必要になる。また、同一構造物を異なる時点で計測した複数の組の点群データは、各計測時のGPSまたはIMUの誤差が異なるため、歪み方が異なり、同一部位でも互いの計測点が重ならない。従って、構造物の設計時との差異や経年変化を計測する際は、点群データに含まれる誤差を低減し、本来の設計形状または以前に計測されたデータを良好に重ねることが必要になる。構造物を部分的に計測した点群データの組について、その重複する部位を重ねることによって全体の計測結果にまとめる場合も同様である。 In the maintenance of structures such as tunnels, it is necessary to detect uneven deformation, which is a deformation in mm units. Therefore, it is necessary to remove the influence of the self-position error and accurately correct the point cloud data. Further, a plurality of sets of point cloud data obtained by measuring the same structure at different time points are distorted differently because the error of GPS or IMU at the time of each measurement is different, and the measurement points do not overlap each other even at the same part. Therefore, when measuring the difference from the design of the structure and the secular change, it is necessary to reduce the error contained in the point cloud data and to superimpose the original design shape or the previously measured data well. .. The same applies to the case where a set of point cloud data obtained by partially measuring a structure is summarized into an overall measurement result by overlapping the overlapping parts.
特許文献1では、既知の位置情報を用いて、GPSまたはIMUなどの観測データに対してカルマンフィルタを作用させて座標値を求めている。このように、特許文献1の技術は、GPSまたはIMUなどの観測データに基づいて自己位置を補正するための技術であり、これらの観測データが必要となる。
In
特許文献2では、仮想基準面に対する差異を構造物の変位としている。しかし、仮想基準面は設計時または変形前の形状に一致するとは限らず、正しい変形が検出できないという課題がある。また、同一構造物の経年変化を計測する場合、異なる時点で計測した複数の組の点群データは、各計測時のGPSおよびIMUの誤差が異なるため歪み方が異なり、同一部位でも互いに重ならない。従って、前の時点における仮想基準面との差異で、後の時点における点群データの変形を検出することができないという課題がある。
In
特許文献3では、ICPアルゴリズムによる点群データの重ね合わせにより自己位置の誤差の補正を行っている。しかし、特許文献3では、補正した自己位置に基づいて点群データの座標を計算することになるので、点群データの計測時の自己位置の情報が必要という課題がある。 In Patent Document 3, the error of the self-position is corrected by superimposing the point cloud data by the ICP algorithm. However, in Patent Document 3, since the coordinates of the point cloud data are calculated based on the corrected self-position, there is a problem that the self-position information at the time of measuring the point cloud data is required.
以上のように、構造物の設計時との差異や経年変化を計測する際は、点群データに含まれる誤差を低減し、本来の設計形状または以前に計測されたデータに対して良好に重ねた上で差異を計測することが必要になる。また、一部重複する部位を計測した複数組の点群データをひとつにまとめて構造物全体の計測結果を得る場合も同様である。このように、従来では、構造物を正確に計測することができるとはいえなかった。 As described above, when measuring the difference from the design of the structure and the secular change, the error included in the point cloud data is reduced, and the original design shape or the previously measured data is well superimposed. After that, it is necessary to measure the difference. The same applies to the case where a plurality of sets of point cloud data obtained by measuring partially overlapping parts are combined into one to obtain the measurement result of the entire structure. As described above, conventionally, it has not been possible to accurately measure a structure.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、構造物を正確に計測することが可能な構造物計測装置および構造物計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a structure measuring device and a structure measuring method capable of accurately measuring a structure.
上記の課題を解決するために、本発明による構造物計測装置は、モービルマッピングシステムで計測された構造物における複数の計測点の集合である点群データと、構造物の基準となる形状を表す基準形状データとを入力するデータ入出力部と、基準形状データにおいて各計測点に対応する複数の対応点を算出する対応点算出部と、各計測点と各対応点とに基づいて、各計測点を補正するアフィン変換を算出する変換算出部と、変換算出部が算出したアフィン変換で各計測点を補正し、当該補正後の各計測点の集合である補正点群データを得る点群データ補正部とを備える。 In order to solve the above problems, the structure measuring device according to the present invention represents point group data, which is a set of a plurality of measurement points in a structure measured by a mobile mapping system, and a reference shape of the structure. Each measurement is based on a data input / output unit for inputting reference shape data, a correspondence point calculation unit for calculating a plurality of correspondence points corresponding to each measurement point in the reference shape data, and each measurement point and each correspondence point. Point group data that corrects each measurement point with the conversion calculation unit that calculates the affine transformation that corrects the points and the affine transformation calculated by the conversion calculation unit, and obtains the correction point group data that is the set of each measurement point after the correction. It is provided with a correction unit.
本発明によると、構造物計測装置は、各計測点と各対応点とに基づいて、各計測点を補正するアフィン変換を算出し、変換算出部が算出したアフィン変換で各計測点を補正し、当該補正後の各計測点の集合である補正点群データを得るため、構造物を正確に計測することが可能となる。 According to the present invention, the structure measuring device calculates an affine transformation for correcting each measurement point based on each measurement point and each corresponding point, and corrects each measurement point by the affine transformation calculated by the conversion calculation unit. Since the correction point group data, which is a set of the correction points after the correction, is obtained, the structure can be accurately measured.
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 Objectives, features, aspects, and advantages of the present invention will be made more apparent with the following detailed description and accompanying drawings.
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<実施の形態1>
<構成>
図1は、本実施の形態1による構造物計測装置1の構成の一例を示すブロック図である。<
<Composition>
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図1に示すように、構造物計測装置1は、データ入出力部2と、対応点算出部8と、変換算出部11と、点群データ補正部12とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
データ入出力部2は、インターネットまたはイントラネットなどの計算機ネットワーク3を介して、データを記憶しているデータサーバ4と接続されている。データ入出力部2は、データサーバ4に記憶されているMMSで計測した点群データ5と基準形状データ6とをデータサーバ4から読み込み、補正点群データ7をデータサーバ4に出力する。
The data input /
対応点算出部8は、点群データの各計測点に対して基準形状データ6上の対応点を算出する。変換算出部11は、点群データ5の座標値を補正するアフィン変換を算出する。点群データ補正部12は、点群データ5の座標値を、変換算出部11で求めたアフィン変換で変換することによって、点群データ5の計測点の補正座標値を算出する。
The corresponding
点群データ5は、MMSで計測された三次元の座標値を持つ計測点の集合である。
The
基準形状データ6は、計測対象の構造物の基準となる形状を表すデータであり、種々の形式であってよい。具体的には、基準形状データ6は、構造物の設計時の設計データであり、三次元のCADソフトウェアで用いられる形式のデータであってもよい。例えば、図2に示すように、基準形状データ6は、図中の破線で示されるトンネル20を対象となる構造物とした場合、標準的な断面形状を底面としてトンネル20の中心軸方向に掃引した柱体の曲面モデル31である。また、基準形状データ6は、曲面モデル31に設置設備の形状モデル37を付加したものであってもよい。
The
さらに、基準形状データ6は、以前に構造物をMMSまたは他の手段によって計測して得たデータであってもよい。例えば、基準形状データ6は、図3に示すような白丸で示される点群データ5そのままの形式でもよく、図4に示すような三次元のポリゴンモデル30に変換した形式で表されていてもよい。図2〜4では、点群データ5を構成する複数の計測点9を併せて描いている。点群データ5は誤差を有するので、基準形状データ6には重ならない。なお、変形点42は、変形している部分を計測した点であるものとする。
Further, the
補正点群データ7は、基準形状データ6に合致するように、点群データ5に含まれる誤差を補正したデータである。
The correction point cloud data 7 is data in which the error included in the
基準形状データ6が以前に計測した点群データであれば、基準形状データ6と補正点群データ7とを比較することによって、構造物の経年変化を計測することができる。また、基準形状データ6が設計時のデータであれば、基準形状データ6と補正点群データ7とを比較することによって、設計時の形状と実際に施工された形状との差異を計測することができる。
If the
点群データ5から対象の構造物の凹凸変形を計測するためには、点群データ5に含まれる誤差を取り除くような、基準形状データ6に対する点群データ5の位置合わせが必要になる。MMS車両で移動しながら計測される点群データ5は、一般的なICPアルゴリズムでの平行移動および回転によって補正することができない。これに対し、本実施の形態では、MMS車両が直進して計測する場合に、計測点の誤差が座標値のアフィン変換で補正できることを示し、これを利用して計測点を補正する。
In order to measure the unevenness deformation of the target structure from the
<MMS>
点群データ5を計測するMMSについて説明する。図5は、MMSの一例を示す図であり、MMS車両13を側面から見た図である。<MMS>
The MMS for measuring the
図5に示すように、MMS車両13には、車体14の上部に設置された天板15と、天板15の上部において三角形の頂点の位置に配置された3台のGPS受信機16と、IMU17と、レーザスキャナ18とが搭載されている。GPS受信機16は3台に限らず、レーザスキャナ18は複数台搭載してもよい。レーザスキャナ18は、その設置位置とスキャン面21がMMS車両13に固定されており、スキャン面21内で光路38を回転させながら順次レーザパルスを照射して対象物までの距離を計測する。レーザスキャナ18の設置角度は、図5に示したものに限らない。上記の構成に加え、車体14にオドメータ19などのMMS車両の速度を検出する装置が搭載されてもよい。
As shown in FIG. 5, the
なお、本実施の形態では、MMS車両13は道路を直進して計測するものとする。直進であるので、その計測の間、MMS車両13の姿勢は変化しない。
In the present embodiment, the
以下では、図6に示すように、座標系は直交座標系であり、当該直交座標系の原点を基準時刻t=0におけるレーザスキャナ18のレーザパルスの照射位置43とし、x軸をMMS車両13の直進方向として説明する。このことは、任意の直交座標系から三次元の回転変換と平行移動とによって変換することができ、一般性を失わない。単位は、例えばメートルとする。
In the following, as shown in FIG. 6, the coordinate system is a Cartesian coordinate system, the origin of the Cartesian coordinate system is the
点群データ5を構成する複数の計測点9は、i番目の点をPiとし、その座標値をpi=(xi,yi,zi)とする。点群データ5のデータ形式を図7に示す。また、Piの計測時刻はtiであるとする。なお、点群データ5はtiを含まなくてもよい。基準形状データ6についても同一の座標系で与えられているものとする。A plurality of
Piについて、それが計測された時刻tiのレーザスキャナ18の照射位置43をq(ti)とする。時刻0は原点であるためq(0)=0、また、x軸方向に一定速度vで直進するとすれば、q(ti)=vti、v=(vx,0,0)である。このq(t)によってMMS車両13の位置を代表させる。For P i, to it the
MMS車両13の自己位置情報は、GPSおよびIMUの観測結果から算出される。GPSの誤差は、短い時間では変動が小さい。なお、トンネル等でGPSでの観測ができない場合は、IMUで車両の速度からMMSの自己位置を算出する。IMUの誤差は、累積していくものの、その変動はゆっくりである。従って、観測されるMMS車両13の速度と姿勢の誤差は、短時間内では一定であるものとする。
The self-position information of the
例えば、トンネルの計測を例に考える。なお、対象の構造物はトンネルに限るものではない。トンネルの維持管理は、スパンと呼ばれるコンクリート覆工の単位である概ね10.5mの区間を基準に行われる。従って、点群データ5の位置合わせもスパン単位で行うことを考えれば、この区間のMMS車両13による計測走行の時間は短くなる。例えば、MMS車両13が時速40kmで走行した場合、スパンを通過する時間はおよそ1秒と短く、MMS車両13の位置および姿勢の誤差は十分一定とみなしてよい。複数スパンに渡って処理する場合も同様である。
For example, consider the measurement of a tunnel. The target structure is not limited to the tunnel. The maintenance of the tunnel is carried out based on a section of approximately 10.5 m, which is a unit of concrete lining called a span. Therefore, considering that the alignment of the
図8は、MMS車両13の位置および姿勢の誤差を説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an error in the position and posture of the
上記で説明した誤差によって、位置q(t)については、基準時刻t=0で位置誤差Δqを有するとする。速度vは、その方向に一定のずれ(回転行列F)、その大きさについては定数倍(倍率r)され、rFvと観測される。これにより、観測される位置q*(t)は下記の式(1)で表される。
また、MMS車両13の姿勢の誤差については、一定の回転とし、その回転行列をEで表す。レーザスキャナ18の照射位置43から計測点Piに向かうベクトルは、車両の姿勢の誤差E分だけ回転されて観測されるため、計測点Piの観測される座標pi *は下記の式(2)で表される。
なお、レーザスキャナ18の計測精度はIMU等に比べて格段に高く、その誤差はないものとして扱う。これより、式(1)を用いてpi *は下記の式(3)で表される。
MMS車両13が直進すれば、そのスキャン面21も平行に移動する。従って、スキャン面21の法線ベクトルをn=(nx,ny,nz)とすると、nは変化しない。計測点piおよびレーザスキャナ18の照射位置q(ti)=vtiは、ともに時刻tiでスキャン面21上に乗るので、下記の式(4)となる。
これより、下記の式(5)となるため、下記の式(6)が得られる。
上記の式(6)を上記の式(3)に代入すると、下記の式(7)が得られる。
上記の式(7)において、第一項はEによるpiに対する三次元の回転変換、第三項はΔqによる三次元の平行移動を表す。また、式(7)における第二項内の(rF−E)は、MMS車両13の位置および姿勢に誤差がある場合には、一般に零行列にならない。従って、式(7)における第二項が残るため、piからpi *への変換は回転と平行移動とでは表すことができないようなアフィン変換となる。式(7)を、第一項と第二項とを合わせて下記の式(8)の形式で表す。
上記の式(8)において、Aは3×3の定数行列、dは三次元の定ベクトルである。このように、計測点9は、本来の座標piから一つのアフィン変換で変換されて観測されることになる。計測点9の誤差を補正するためには、一律にこの逆変換を作用させればよい。この逆変換も三次元のアフィン変換となる。下記の式(9)において、A−1は3×3の定数行列、A−1dは三次元の定ベクトルである。
なお、ここでは上記のように設定した座標系で説明したが、任意の座標系においても、Aおよびdの値は変わるものの、piからpi *への変換およびその逆変換の性質は変わらず、上記と同様にアフィン変換で表される。Here, although described in the coordinate system set as described above, even in an arbitrary coordinate system, although the values of A and d vary, the nature of the transformation and its inverse transformation from p i to p i * is changed However, it is represented by the affine transformation in the same manner as above.
上記の式(9)のアフィン変換は、座標系による行列EやrF、Δqを求めるのではなく、用いている座標系における計測点9と基準形状データ6との座標値の差異から直接求める。各計測点9について観測された座標値pi *から、その本来の座標値piを推定して、座標値pi *を座標値piに変換するようなアフィン変換をひとつ求める。座標値piの推定には、基準形状データ6を用いる。このとき、計測時刻tiおよびスキャン面21の法線ベクトルnを知る必要はない。以下では、基準形状データ6を用いて正しい点として推定した点を対応点Ciとする。The affine transformation of the above equation (9) does not obtain the matrices E, rF, and Δq by the coordinate system, but directly obtains them from the difference in the coordinate values between the
次に、対応点Ciの算出について説明する。対応点算出部8は、基準形状データ6と比較することによって、計測点9(Pi)が観測された座標値pi *に対して対応点Ciを対応付ける。Next, describing calculation of corresponding points C i. Corresponding
例えば、図9に示すように、基準形状データ6が曲面モデルやポリゴンモデルで与えられていれば、計測点9に最も近いモデル上の点を求め、その点を対応点10(Ci)とする。また、基準形状データ6が以前にその構造物を計測した点群データ5であれば、計測点Piに最も近い基準形状データ6の点を対応点10とする。あるいは、例えば図10に示すように、計測点9から10cmといった一定範囲内の点を検索し、それらを最小二乗法で近似した平面への垂線の足を求め、その垂線の足を対応点10としてもよい。橋梁などで三次元の設計時の立体形状である場合も同様である。また、何らかの角やエッジその他の特徴によって計測点9と基準形状データ6との正確な対応が定まる場合は、当該対応する位置を対応点10とする。このようにして、計測点9に対し、対応点10を定める。For example, as shown in FIG. 9, if the
上記の通り、対応点10は、計測点9の正確な位置を推定したものである。また、計測点9の座標値は計測誤差による細かなばらつきを有しており、さらに構造物の変形もある。従って、一つのアフィン変換によって全ての計測点9を対応点10に一致させることはできない。そこで、全体的に合致させるようにする。変換算出部11は、これらの計測点Piと対応点Ciとの組によって、計測点Piと対応点Ciとの座標値を上記の式(9)のそれぞれpi *、piとして、アフィン変換のA−1と(A−1d)の要素を最小二乗法によって求める。これにより、全体的に対応点Ciに合致し、変形部分は対応点Ciとの差異が残るようなアフィン変換を得ることができる。十分な計測点Piと対応点Ciとの組があれば、誤差を補正するアフィン変換を得ることができる。As described above, the corresponding
点群データ補正部12は、各計測点9の座標値をpi *として、一律にこの求めたアフィン変換を上記の式(9)に従って作用させる。これにより、計測点9を補正して図11に示すような補正点34を得る。最小二乗法を用いることによって、多くの変形のない部分で補正点34が基準形状データ6に合致し、凹凸変形部分では補正後の変形点42と基準形状データ6との差異が際立つような補正結果が得られる。補正後の計測点の集合が補正点群データ7である。Point group
<動作>
図12は、構造物計測装置1の動作の一例を示すフローチャートである。<Operation>
FIG. 12 is a flowchart showing an example of the operation of the
ステップS101において、データ入出力部2は、データサーバ4から、点群データ5および基準形状データ6を読み出す。データ入出力部2は、処理対象の範囲における点群データ5および基準形状データ6を読み出す。例えば、対象の構造物がトンネルの場合、データ入出力部2は、対象のスパンの範囲における点群データ5および基準形状データ6を読み出す。
In step S101, the data input /
ステップS102において、対応点算出部8は、点群データ5の各計測点Piについて、基準形状データ6上の対応点Ciを求める。具体的には、対応点算出部8は、上記で説明した方法で対応点Ciを求める。In step S102, the corresponding
ステップS103において、変換算出部11は、上記で説明した方法によって、計測点Piと対応点Ciとの組により、アフィン変換を求める。In step S103, the
ステップS104において、点群データ補正部12は、変換算出部11で求めたアフィン変換によって点群データ5の各計測点Piの座標値を変換し、各計測点Piの補正点の座標を得る。In step S104, the point cloud
ステップS105において、点群データ補正部12は、各計測点Piの座標値を補正点の座標値に更新する。In step S105, the point cloud
ステップS106において、点群データ補正部12は、処理の繰り返しを終了するか否かを判断する。具体的には、点群データ補正部12は、ステップS102からの各工程を所定回数、例えば、10回の繰り返しを終えていた場合、または、ステップS102で求めた点群データ5の各計測点Piと対応点Ciとの距離の平均が所定の量、例えば0.001mを下回った場合、処理の繰り返しを終了すると判断する。処理の繰り返しを終了する場合はステップS107に移行し、処理の繰り返しを終了しない場合はステップS102に戻る。この繰り返しを行うことによって、推定位置である計測点Piの対応点Ciを徐々に正確な位置に近づけることができ、計測点Piの座標を正確に補正することができる。In step S106, the point cloud
ステップS107において、データ入出力部2は、補正した各計測点Piの座標値の集合である補正点群データ7の座標値を、計算機ネットワーク3を介してデータサーバ4に送信する。これにより、点群データ5の各計測点Piの座標値が補正される。以上で動作を終了する。In step S107, the data input-
なお、上記では、MMS車両13は等速度で直進するものとして説明したが、直進であれば速さが変化しても同様の動作で補正を実行することができる。これについて以下に説明する。
In the above description, the
MMS車両13の位置q(t)=vt+q(0)を、スカラー値を返す時刻tの関数fを導入してq(t)=vf(t)+q(0)と表して等速の条件をはずす。この場合でも、同様の式の変形が可能で式(8)、式(9)のアフィン変換が得られる。
The position q (t) = vt + q (0) of the
一方、直進ではない場合はq*(t)が式(1)の形式では得られないため、式(8)と式(9)を得ることができず、アフィン変換では補正できない。On the other hand, if the vehicle is not straight, q * (t) cannot be obtained in the form of the equation (1), so that the equations (8) and (9) cannot be obtained and cannot be corrected by the affine transformation.
このように、MMS車両13が直進し、MMS車両13の位置および姿勢に一定の誤差があるという条件下において、当該誤差を補正するアフィン変換が一つ存在する。本実施の形態1では、この条件とアフィン変換の存在を示した上で、アフィン変換を求めて計測点を補正する構成を示した。本実施の形態1の動作によって、計測点9は誤差が正しく補正される。
As described above, under the condition that the
<効果>
以上のことから、本実施の形態1によれば、点群データ5および基準形状データ6から求めたアフィン変換によって、MMS車両13で計測した点群データ5を正確に補正することができるという効果がある。すなわち、本実施の形態1によれば、構造物を正確に計測することが可能となる。また、MMS車両13の自己位置の情報を必要とせずに、点群データ5を正確に補正できるという効果がある。<Effect>
From the above, according to the first embodiment, the effect that the
なお、本実施の形態1では、MMS車両13は直進するものとして説明したが、大きくカーブしていないような場合においても、上記と同様の動作で計測点9の補正を実行するようにしてよい。また、直進とは限らない走行であっても、例えば5mごとに範囲を区切り、その範囲内を直進とみなして動作させることが可能であり、計測点9の補正を実行することができる。
Although the
本実施の形態1では、トンネル20のスパンの例で計測範囲を説明したが、一定の距離ごとに、または、MMS車両13が一定の時間に走行して計測した点群データ5ごとに補正を行うようにしてもよい。橋梁、法面、堤防などその他の構造物であっても、トンネル20のスパンに対応するような区分、あるいは、一定距離、一定時間、または、橋梁での橋脚など部材ごとに計測点9の補正を実行するようにしてもよい。
In the first embodiment, the measurement range has been described with the example of the span of the
MMS車両13の自己位置の位置および姿勢の情報が使えるのであれば、それらを用いて範囲を区分する手段を設けてもよい。この場合、姿勢の角度変化が例えば1度以下、q(t)のその近似直線からのずれが例えば10cm以下になるように、直進とみなせる領域に区分して、それぞれの領域で計測点9の補正を実行する。
If the information on the position and posture of the self-position of the
本実施の形態1では、計測点Piの全てに対して対応点Ciを求めて処理を行うが、計測ノイズなどによる基準形状に乗らないと判断される点を除いて処理を行うように構成してもよい。例えば、計測点Piと対応点Ciとの距離が所定の値より大きい場合、その計測点Piを除くようにする。In the first embodiment, so performs the process in search of corresponding points C i for all the measuring points P i, performs processing except that it is determined not to take a reference shape due to measurement noise It may be configured. For example, if the distance between the corresponding points C i and the measurement point P i is greater than the predetermined value, so that except for the measurement points P i.
本実施の形態1では、図12のステップS102からステップS105までの処理を繰り返す場合について説明したが、処理の繰り返しを行わず、一回のみの動作として構成してもよい。 In the first embodiment, the case where the processes from step S102 to step S105 in FIG. 12 are repeated has been described, but the process may not be repeated and may be configured as a one-time operation.
本実施の形態1では、モービルマッピングシステムとして図5に示すようなMMS車両13で説明したがこれに限るものではなく、例えば、GPS、IMU、またはレーザスキャナなどの計測機器を台車に載せて、または計測機器を手で保持して移動してモービルマッピングシステムを構成し、それで計測した点群データ5についても、上記と同様に計測点9の補正を実行することができる。あるいは、計測機器を航空機、またはドローンと呼ばれる無人の航空機に搭載してモービルマッピングシステムを構成し、それで計測した点群データ5についても、上記と同様に計測点9の補正を実行することができる。
In the first embodiment, the mobile mapping system has been described with the
本実施の形態1では、変換算出部11で計測点Piと対応点Ciとの組から式(9)のA−1とA−1dとで表されるアフィン変換を求める場合について説明したが、式(8)のAとdとで表されるアフィン変換を求め、点群データ補正部12では、その逆変換で計測点Piの座標値を補正してもよい。In the first embodiment, a case where the
本実施の形態1では、piを正確な座標値、pi *を計測される座標値として説明および各数式を示したが、これを逆に考え、姿勢の誤差を解消する回転変換をE、位置の誤差を解消する回転変換をF、倍率をrとして数式を立てても、同様に誤差を補正するアフィン変換を得ることができる。In the first embodiment, the p i accurate coordinate values have been descriptions and the formula as coordinate value measured with p i *, consider it to reverse, the rotational transformation to eliminate the error of the position E , Even if a mathematical formula is set up with the rotation conversion for eliminating the position error as F and the magnification as r, an affine transformation for correcting the error can be obtained in the same manner.
本実施の形態1では、A−1とA−1dとで表されるアフィン変換によって計測点9の座標値を補正するように構成したが、MMS車両13が自己位置情報を有する場合は、得られたアフィン変換に基づいて誤差の回転E,F,誤差の倍率rを推定する手段を設けてもよい。これにより、推定したE,F,rを用いて自己位置の位置と姿勢を補正する。さらに、計測時刻tiが得られているならば、補正した自己位置から計測点の正確な座標値piを再計算することもできる。In the first embodiment, the coordinate value of the
本実施の形態1では、データサーバに格納されている点群データに対して処理を行うように構成したが、MMSによる計測と同時に得られた点群データに対して処理を行うように構成してもよい。この場合、例えば、構造物計測装置1およびデータサーバ4をMMS車両13に搭載し、計測した点群データを即時にデータサーバに格納するようにして、現在までの一定時間内に計測された点群データを対象に随時アフィン変換を求めて補正を実施するように構成する。
In the first embodiment, the point cloud data stored in the data server is processed, but the point cloud data obtained at the same time as the measurement by MMS is processed. You may. In this case, for example, the
本実施の形態では、A−1とA−1dとで表されるアフィン変換によって計測点9の座標値を補正するように構成したが、式(9)のAについての第二項が零行列になる場合は、AおよびA−1は回転変換を表す行列となる。この場合は、アフィン変換の特殊な場合である回転と平行移動による変換によって計測点9の座標値を補正することになる。In the present embodiment, the coordinate value of the
本実施の形態では、最小二乗法で得たA−1とA−1dとで表されるアフィン変換によって計測点9の座標値を補正するように構成したが、Aが式(8)に示したAの形式に合致するように修正した後に補正するように構成してもよい。EおよびFを微小角度の回転を表す行列とし、それぞれを下記の式(10)のように表す。
また、Y=ny/nxとすると、Aは下記の式(11)のように表される。
最小二乗法で求めたA−1から得たAがこの形式で表されるようにする。これは、例えば第一列を比較してr、f12、およびf13を決定し、次に第二列および第三列から得られる6個の等式のうちの5個を使って、残りの5個の変数e12、e13、e23、Y、およびZを求める。これらの値を再度式(11)に代入してAとする。このAを用いて補正を行うように構成する。A obtained from A -1 obtained by the least squares method is expressed in this format. This determines, for example, r, f12, and f13 by comparing the first column, and then using five of the six equations obtained from the second and third columns, the remaining five. Find the variables e12, e13, e23, Y, and Z. Substitute these values into Eq. (11) again to obtain A. It is configured to perform correction using this A.
<実施の形態2>
<構成>
実施の形態1では、データ入出力部2が、計算機ネットワーク3を介して接続されたデータサーバ4から点群データ5および基準形状データ6を入力する構成について説明したが、データサーバ4が記憶している点群データ5、基準形状データ6、および補正点群データ7を記憶する記憶手段を構造物計測装置1が備えるように構成してもよい。<
<Composition>
In the first embodiment, the configuration in which the data input /
図13は、本発明の実施の形態2による構造物計測装置100の構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図13に示すように、構造物計測装置100は、点群データ5、基準形状データ6、および補正点群データ7を記憶する記憶部22を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態1と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 13, the
<動作>
図14は、構造物計測装置100の動作の一例を示すフローチャートである。<Operation>
FIG. 14 is a flowchart showing an example of the operation of the
本実施の形態2による構造物計測装置100の動作は、実施の形態1による構造物計測装置1の動作における、データ入出力部2と外部のデータサーバ4との間で行うデータのやり取りを、データ入出力部2と記憶部22との間で行う。この点以外は、実施の形態1による構造物計測装置1の動作と同一である。
The operation of the
図14のステップS202〜ステップS206は、図12のステップS102〜ステップS106に対応しているため、ここでは説明を省略する。以下では、ステップS201およびステップS202について説明する。 Since steps S202 to S206 of FIG. 14 correspond to steps S102 to S106 of FIG. 12, description thereof will be omitted here. In the following, step S201 and step S202 will be described.
ステップS201において、データ入出力部2は、記憶部22から点群データ5および基準形状データ6を読み出す。
In step S201, the data input /
ステップS207において、データ入出力部2は、補正点群データ7の座標値を記憶部22に記憶する。これにより、点群データ5の計測点Piが適切に補正される。計測点Piの補正後の座標値は、計測点Piの補正前の座標値とは別に同一の形式で記憶部22に記憶する。または、記憶部22に記憶されている各計測点Piの座標値は、計測点Piの補正後の座標値に更新するようにしてもよい。In step S207, the data input /
<効果>
以上のことから、本実施の形態2によれば、記憶部22に必要なデータを記憶することによって、実施の形態1のように計算機ネットワーク3を介して外部のデータサーバ4に接続することなく、点群データ5を正確に補正できるという効果がある。すなわち、本実施の形態2によれば、構造物を正確に計測することが可能となる。<Effect>
From the above, according to the second embodiment, by storing the necessary data in the
なお、本実施の形態2では、実施の形態1のように、データ入出力部2を計算機ネットワーク3を介して外部のデータサーバ4に接続し、データサーバ4から点群データ5および基準形状データ6を読み出して計測点の補正を実行するのか、または、記憶部22に記憶されている点群データ5および基準形状データ6を読み出して計測点の補正を実行するのかを切り替えるようにしてもよい。また、点群データ5および基準形状データ6のうちの一方、またはいずれか一方の一部を、計算機ネットワーク3を介してデータサーバ4から読み出し、残りのデータを記憶部22から読み出すように構成してもよい。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the data input /
<実施の形態3>
<構成>
実施の形態1,2では、対応点算出部8が、点群データ5の計測点9に対して基準形状データ6上の対応点10を自動的に算出するように構成したが、これを対話操作処理によって指定するように構成してもよい。<Embodiment 3>
<Composition>
In the first and second embodiments, the corresponding
図15は、本実施の形態3による構造物計測装置200の構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 15 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図15に示すように、構造物計測装置200は、対話処理入力部23および表示部25を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態1と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 15, the
対話処理入力部23は、マウスまたはキーボードなどユーザからの入力を受け付ける入力装置24と接続されており、入力装置24を介してユーザが指定した計測点9または対応点10を受け取る。
The interactive
表示部25は、表示装置27と接続されており、点群データ5の計測点9と、基準形状データ6によって表される図形26とを三次元のコンピュータグラフィックスの技法によって表示装置27に出力する。
The
計測点9が、角やエッジなどの顕著に他と識別できる特徴点28であって、基準形状データ6上において対応する位置が明らかに判別できる場合、特徴点28に対する対応点10を明確に指定すれば、誤差を補正するアフィン変換の精度が増すことになる。本実施の形態3では、入力装置24を用いて、表示装置27の画面29上に描かれた計測点9と、基準形状データ6によって表される図形26とから、特徴点28およびその対応点10を対話処理によって指定する。
When the
<動作>
図16は、構造物計測装置200の動作の一例を示すフローチャートである。図16のステップS301は図12のステップS201に対応し、図16のステップS304およびステップS305は図12のステップS203およびステップS204に対応し、図16のステップS308は図12にステップS207に対応する。以下では、ステップS302、ステップS303、ステップS306、およびステップS307について説明する。<Operation>
FIG. 16 is a flowchart showing an example of the operation of the
ステップS302において、表示部25は、点群データ5の計測点Piと、基準形状データ6によって表される図形26とを表示装置27に描画する。基準形状データ6によって表される図形26は、次のようになる。すなわち、基準形状データ6が以前にその構造物を計測した点群データであれば、計測点9と同様に点として描画される。基準形状データ6がポリゴンモデル30で与えられていれば、各ポリゴンを面として、またはその辺をワイヤフレームモデルとして描画する。基準形状データ6が柱体など曲面モデル31であれば、柱体の各面を面モデルあるいは辺をワイヤフレームモデルとして描画する。In step S302, the
ステップS303において、ユーザは、表示装置27の画面上に描かれた計測点9と基準形状データ6によって表される図形26とから、特徴点28となる計測点9およびその対応点10を指定する。
In step S303, the user designates the
具体的には、ユーザは、対話処理入力部23に接続された入力装置24を用いて、例えば、表示装置27の画面上のカーソル40を移動させて複数の計測点のうちの一点を選択することによって特徴点28を指定する。次に、同様に表示装置27の画面上のカーソル40を移動させて図形26上の一点を選択することによって、指定した特徴点28に対応する対応点10を指定する。このような指定を特徴点28の数分繰り返す。特徴点28は、三次元のアフィン変換の未知数12個の解決のため、望ましくは12個以上選定する。
Specifically, the user uses the
表示部25は、特徴点28およびその対応点10について、選択されていることと各々の対応が明確に判別できるように描画する。例えば、表示部25は、選択された点の色、図形、または大きさを変え、特徴点とその対応点は両者を線分で結んで描画する。描画の一例を図17および図18に示す。図17は、表示装置27の画面29上に表示された特徴点28を選択したときの描画例である。特徴点28にハッチングを施しており、特徴点28を明確に判別できるように表示している。図18は、特徴点28の対応点10を選択し、特徴点28と対応点10とを矢印の図形41で対応付けて表した例である。
The
特徴点28とその対応点10の指定は画面29上の描画位置で入力されるため、対応点算出部8によってその計測点9を特定し、対応点10の座標値を算出する。
Since the designation of the
ステップS306において、表示部25は、元の計測点Piに代えてその補正点Piを、基準形状データ6によって表される図形26とともに表示装置27に描画する。これにより、補正点34(Pi)が基準形状データ6により表される図形26と合致するか、すなわち、行った補正が適正かどうかを確認することができる。In step S306, the
ステップS307において、ユーザは、ステップS306での描画結果から、補正が適切で処理を完了するか否かを判断し、当該判断結果を入力装置24を用いて対話処理入力部23に入力する。補正を続行する場合は、ステップS302に戻る。
In step S307, the user determines from the drawing result in step S306 whether or not the correction is appropriate and completes the processing, and inputs the determination result to the interactive
<効果>
以上のことから、本実施の形態3によれば、対話処理入力部23を設け、特徴点28に対する対応点10を明確に指定してアフィン変換を求めるようにしたことによって、誤差を補正するアフィン変換を確実に効率良く求めることができる効果がある。<Effect>
From the above, according to the third embodiment, the affine that corrects the error is corrected by providing the interactive
本実施の形態3によれば、表示部25を設け、補正結果を画面表示するようにしたので、補正結果が適切かどうかを視覚的に判断できる効果がある。
According to the third embodiment, since the
本実施の形態3では、対話処理入力部23を設けて補正が適切か否かを入力するように構成したが、入力なしで、ステップS307においてステップS302からステップS306までを所定の回数繰り返してもよい。このとき、所定の回数の最終回のみステップS306の描画処理を実行してもよい。
In the third embodiment, the interactive
本実施の形態3では、ステップS306において、表示部25は、表示装置27に補正点群データ7の補正点34と、基準形状データ6によって表される図形26とを描画するように構成したが、これらとともに点群データ5の計測点9を描画してもよい。
In the third embodiment, in step S306, the
対応点Ciは、画面29上のカーソル40で選択されるのではなく、ユーザが座標値をキーボードなどによって直接数値として入力することによって指定されてもよい。Corresponding point C i, rather than being selected by the
本実施の形態3では、対話処理操作によって計測点9に対応する対応点10を指定する場合について説明したが、対話処理操作によって対応点10を指定しなかった計測点9の一部または残り全部の点について、それらの対応点10を実施の形態1で説明したように対応点算出部8で算出してもよい。
In the third embodiment, the case where the
ステップS303では、特徴点28とその対応点10とを指定する動作に限って説明したが、入力装置24を用いて特徴点28の選択または対応点10との対応を解除することができる機能を付加してもよい。
Although the operation of designating the
本実施の形態3では、対話処理入力部23に接続された入力装置24を用いて、表示装置27の画面29上の特徴点28および対応点10を指定することについて説明したが、入力装置24を用いて画面29上に表示された点群データ5、基準形状データ6、および補正点群データ7のうちの少なくとも1つの描画位置、倍率、および視線方向を調整することができるように構成してもよい。
In the third embodiment, it has been described that the
さらに、入力装置24を用いて点群データ5の移動量、回転方向、および回転量を指定し、結果を表示装置27の画面29上に表示しつつ、点群データ5を一律に回転変換または平行移動変換によって補正する機能を付加してもよい。
Further, the movement amount, the rotation direction, and the rotation amount of the
<実施の形態4>
<構成>
実施の形態1〜3では、点群データ5および基準形状データ6によって点群データ5を補正した補正点群データ7を得るように構成したが、さらに、補正点群データ7について基準形状データ6からの差異を凹凸の変状として求めるように構成してもよい。<
<Composition>
In the first to third embodiments, the correction point cloud data 7 obtained by correcting the
図19は、本実施の形態4による構造物計測装置300の構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 19 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図19に示すように、構造物計測装置300は、変状計測部32を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態1,3と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 19, the
変状計測部32は、補正点群データ7の各補正点Piについて基準形状データ6との差異を求め、これを各補正点Piの変状として計測する。
<動作>
図20は、変状計測部32の動作を説明する図である。変状計測部32は、補正点群データ7の補正点34(Pi)に対して改めて対応点Ciを求め、補正点34とその対応点10(Ci)との差異を求める。当該差異は、例えば補正点34と対応点10との距離であり、これを補正点34の変状値δiとする。補正点34は、基準形状データ6が構成する面のどちらにあるかで符号を変えてもよい。構造物がトンネルの場合は、基準形状データ6が表すトンネル内壁の面の内側か外側かで符号を変える。これにより、補正点群データ7の補正点34によって表される構造物の表面が、基準形状データ6よりも内側に膨れているか、外側に変形しているかを判別することができる。この他に、補正点34が基準形状データ6の構成する面の上方か下方かで符号を変えてもよい。<Operation>
FIG. 20 is a diagram illustrating the operation of the
表示部25は、例えば、変状値δiが5mm大きくなる、または5mm小さくなるごとに補正点34の色を変えて描画する。これにより、補正点34を描画した色調から、補正点34の全てが適切に補正されているかを判断することができる。つまり、補正点34が全体的に変状値δiの絶対値が小さい範囲を示す色の場合、補正点34が補正されて、基準形状データ6によって表される図形26に合致していることになる。また同時に、その中で変状値δiの絶対値が大きい色の部分を、変形が生じている部分として視覚的に確認することができる。The
図21は、構造物計測装置300の動作の一例を示すフローチャートである。図21のステップS401〜ステップS404は図12のステップS101〜ステップS104に対応し、図21のステップS407は図12ステップS105に対応しているため、ここでは説明を省略する。以下では、ステップS405、ステップS406、ステップS408、およびステップS409について説明する。
FIG. 21 is a flowchart showing an example of the operation of the
ステップS405において、変状計測部32は、補正点群データ7の補正点34(Pi)の対応点10(Ci)を求め、その差異から変状値δiを計測する。対応点10の選定は、対応点算出部8の動作と同一であり、対応点算出部8が実行してもよい。In step S405,
ステップS406において、表示部25は、補正点群データ7の補正点34に変状値δiによって決まる色をつけ、三次元コンピュータグラフィックスの技法によって表示装置27に描画する。上記のように、例えば、変状値δiが5mm大きくなる、または5mm小さくなるごとに色を変えて描画する。図22は、補正点34の描画の一例を示しており、変状値δiによって補正点34の色(図22ではハッチング)を変えて表している。In step S406, the
ステップS408において、ユーザは、ステップS406での描画結果から、上記のように補正が適切かどうかを判断し、判断結果を入力装置24を用いて対話処理入力部23に入力する。補正が適切でないと判断された場合は、ステップS402に戻る。
In step S408, the user determines from the drawing result in step S406 whether the correction is appropriate as described above, and inputs the determination result to the interactive
ステップS409において、データ入出力部2は、補正点群データ7の補正点34の座標値piと変状値δiとを図23に示すように併せた形式で、データサーバ4に送信する。変状値δiは、補正点群データ7とは別個にデータサーバ4に送信するようにしてもよい。In step S409, the data input-
<効果>
以上のことから、本実施の形態4によれば、変状計測部32を設け、点群データ5の凹凸変形である変状を計測することによって、補正点群データ7から、補正前の点群データ5が有していた誤差によらない変状値を計測できる効果がある。<Effect>
From the above, according to the fourth embodiment, by providing the
なお、本実施の形態4では、対話処理入力部23を設けて補正が適切かどうかを入力するように構成したが、入力なしで、ステップS408において、ステップS402からステップS407までの処理を所定の回数繰り返してもよい。このとき、所定の回数の最終回のみステップS406を実行してもよい。
In the fourth embodiment, the interactive
本実施の形態4では、表示部25は、表示装置27の補正点群データ7の補正点34を描画するように構成したが、これに併せて点群データ5の計測点9と、基準形状データ6によって表される図形26とのうちの一方または両方を描画してもよい。
In the fourth embodiment, the
本実施の形態4では、表示部25は、表示装置27の補正点群データ7の補正点34を描画するように、また、ステップS408における補正処理完了の判断を対話処理入力部23による対話処理で行うように構成したが、実施の形態1のように、表示部と対話処理入力部を設けず、ステップS406の処理を行わず、かつステップS408の処理は図12に示すステップS106の処理と同様の動作で実行してもよい。
In the fourth embodiment, the
<実施の形態5>
<構成>
実施の形態1〜4では、点群データ5を補正する三次元のアフィン変換を求め、当該アフィン変換によって計測点を補正する場合について説明したが、求めたアフィン変換によって点群データ5の評価を行うようにしてもよい。<
<Composition>
In the first to fourth embodiments, a case where a three-dimensional affine transformation for correcting the
図24は、本実施の形態5による構造物計測装置400の構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 24 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図24に示すように、構造物計測装置400は、評価部35を備えることを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態1,3と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 24, the
評価部35は、変換算出部11で求めたアフィン変換の要素から、MMS車両13の姿勢の誤差E、位置q(t)の誤差r、およびFによる点群データ5の歪みの程度を評価する。
The
点群データ5は、誤差E、r、およびFの影響を受け、式(8)のアフィン変換によって変換されて観測される。点群データ5において誤差の影響が大きい場合、アフィン変換によって与えられる変形の量も大きくなる。そこで、式(8)またはその逆変換である式(9)のアフィン変換に基づいて、点群データ5の変形の度合いを求めて誤差の影響を評価することを考える。例えば、同一構造物に対して複数回の計測走行を実施する場合、それぞれの計測で点群データ5を得る。式(8)またはその逆変換の式(9)のアフィン変換に基づいてこれらの点群データ5の変形の度合いを求めることによって、複数の点群データ5の組から最も変形が少なく正確に計測されている点群データ5を選ぶことができる。
The
この評価値については、一例として、アフィン変換による歪みエネルギー密度に相当する値を用いる。ここで、実施の形態1の図12のステップS103では、計測点Piを補正点34に変換するアフィン変換を求めるように説明しているので、式(9)のアフィン変換で考える。式(9)の行列A−1をA−1={aij}と記述すると、そのアフィン変換による歪み行列Φは、下記の式(12)で表される。
この歪みの歪みエネルギー密度に相当する評価値として、下記の式(13)で表される評価値sを定義する。ここで、Φ={φij}と記述する。
評価値sは、アフィン変換による拡大縮小またはせん断を弾性変形としたときの歪みエネルギー密度を表している。等方的な材質でヤング率を1、ポアソン比を0としたものに相当する。拡大縮小またはせん断変形によって、点間の相対位置が大きく変わる場合に、それに応じて歪みエネルギー密度に相当する評価値sも大きくなる。一方、回転変換と平行移動は合同変換、つまり剛体変位であって相対的な変形を生じないため、評価値sに影響しない。このように、評価値sは、計測点Piの相対的な位置関係の歪みを表す。評価値sが小さいほど相対的な歪みが小さいことになる。相対的な歪みが大きい場合、これを補正する変換は座標値を相対的に大きく変えるものとなる。このため、その変換に僅かでも不正確さがあると、それが変換後の相対的な位置関係に大きく影響することになる。従って、評価値sが小さくて相対的な位置関係を保つ変換で補正することができる点群データ5が変状の計測には適している。The evaluation value s represents the strain energy density when the expansion / contraction due to the affine transformation or the shear is elastic deformation. It corresponds to an isotropic material with Young's modulus of 1 and Poisson's ratio of 0. When the relative position between points changes significantly due to enlargement / reduction or shear deformation, the evaluation value s corresponding to the strain energy density also increases accordingly. On the other hand, the rotational transformation and the translation are joint transformations, that is, rigid body displacements that do not cause relative deformation, and therefore do not affect the evaluation value s. Thus, the evaluation value s represents the distortion of the relative positional relationship of the measurement points P i. The smaller the evaluation value s, the smaller the relative distortion. If the relative distortion is large, the transformation that corrects it will change the coordinate values relatively significantly. Therefore, if there is any inaccuracy in the conversion, it will greatly affect the relative positional relationship after the conversion. Therefore, the
また、評価値sは、構造物のサイズによらない。同一の姿勢の角度による変形でもMMS車両13から遠い位置では正しい位置との差異が大きくなるため、例えばその差異の距離に基づいて評価したのでは、構造物のサイズによって数値が異なってしまう。ここで示した評価値sは、サイズによらず一律の評価基準で評価を行うことができる。
Further, the evaluation value s does not depend on the size of the structure. Even if the deformation is caused by the angle of the same posture, the difference from the correct position becomes large at the position far from the
評価値sは、式(8)のアフィン変換の行列Aに対してA={aij}として求めるようにしてもよい。観測値から正しい値に戻す歪みが大きい場合は、正しい値から観測値への変形もそれに応じて大きくなる。 The evaluation value s may be obtained as A = {aij} for the affine transformation matrix A of the equation (8). If the distortion from the observed value to the correct value is large, the deformation from the correct value to the observed value also increases accordingly.
<動作>
図25は、構造物計測装置400の動作の一例を示すフローチャートである。図25のステップS501は図12のステップS101に対応し、図25のステップS503〜ステップS506は図12のステップS102〜ステップS105に対応し、図25のステップ507は図16のステップS306に対応し、図25のステップS511およびステップS512は図12のステップS106およびステップS107に対応しているため、ここでは説明を省略する。以下では、ステップS502、およびステップS508〜ステップS510について説明する。<Operation>
FIG. 25 is a flowchart showing an example of the operation of the
ステップS502において、評価部35は、繰り返しの処理で各々求める式(9)のアフィン変換の行列A−1を積算する3×3の行列Bを単位行列に初期化する。行列Bは、計測点の初期の観測値が正しいと推定される補正点に変換するアフィン変換の、式(9)のA−1に相当する行列である。In step S502, the
ステップS508において、評価部35は、変換算出部11で求めたアフィン変換A−1を行列Bに乗じる。行列Bは、繰り返し処理で求めるアフィン変換を順次合成し、計測点Piの初期の座標値を現在の補正点の座標値に変換するアフィン変換の平行移動成分以外を表す行列になる。なお、上述のように、ステップS504で求めている行列A−1の逆行列として行列Aを計算してこれを積算し、正しい座標値を観測値に補正する式(8)のアフィン変換によって次のステップS509で評価値sを求めるようにしてもよい。In step S508, the
ステップS509において、評価部35は、行列Bの要素をB={aij}として、式(12)および式(13)によって歪みエネルギー密度を表す評価値sを計算する。
In step S509, the
ステップS510において、表示部25は、例えば図26に示すように、評価値sを表示装置27に表示する。図26では、ステップS507で描画された補正点34と、基準形状データ6によって表される図形26とともに、表示領域36に評価値sを画面29に表示する一例を示している。
In step S510, the
<効果>
以上のことから、本実施の形態5によれば、点群データ5の評価を行うようにしたので、点群データ5が受けている相対的な位置関係の歪みの程度を確認することができる効果がある。<Effect>
From the above, according to the fifth embodiment, since the
なお、本実施の形態5では、評価部35で求めた評価値sを表示装置27に表示するように構成したが、評価値sの数値を示すのではなく、予め定められた値よりも上か下かを判別して表示するように構成してもよい。例えば、MMS車両13の姿勢と速度方向に、IMUの角度精度(標準偏差)の回転の誤差があった場合の誤差E,Fを計算し、当該誤差E,Fによる評価値SIMUを求め、評価値sが評価値SIMUよりも上か下かを、色を変えるなどして表示する。このとき、数値ではなく、判別結果のみを表示するように構成してもよい。判別の値を複数としてそれらの値に基づくランク付けをして当該ランクを表示するようにしてもよい。また、評価値sをデータサーバ4に送信、または記憶部22(図13参照)に記憶してもよい。In the fifth embodiment, the evaluation value s obtained by the
本実施の形態5では、ステップS503からステップS510の処理を繰り返すように構成したが、処理の繰り返しを行わず、一回のみの動作として構成してもよい。 In the fifth embodiment, the processes of steps S503 to S510 are repeated, but the processes may not be repeated and may be configured as a one-time operation.
本実施の形態5では、ステップS512で補正点群データ7を出力するように構成したが、点群データ5の歪みの評価が目的である場合、ステップS512の補正点群データ7の出力を行わないように構成してもよい。このとき、ステップS503からステップS510の処理を1回に限って実行する場合は、ステップS505での補正点の算出と、ステップS506での計測点の補正点への更新を省略するように構成してもよい。
In the fifth embodiment, the correction point cloud data 7 is output in step S512, but when the purpose is to evaluate the distortion of the
本実施の形態5では、アフィン変換から歪みエネルギー密度を表す評価値sにより評価を行うように構成したが、さらに、回転変換成分の角度、および平行移動成分の距離などを加えた評価指標によって評価するように構成してもよい。 In the fifth embodiment, the evaluation is performed from the affine transformation by the evaluation value s representing the strain energy density, but further, the evaluation is performed by the evaluation index including the angle of the rotation conversion component and the distance of the translation component. It may be configured to do so.
<ハードウェア構成>
各実施の形態1〜5で説明した構造物計測装置1,100,200,300,400におけるデータ入出力部2、対応点算出部8、変換算出部11、点群データ補正部12、対話処理入力部23、表示部25、変状計測部32、および評価部35の各機能は、処理回路により実現される。すなわち、構造物計測装置1,100,200,300,400は、データの入出力を行い、対応点を算出し、アフィン変換を算出し、計測点の座標値を補正し、ユーザの指示を受け取り、情報を画面に描画し、補正点群データの各補正点の変状を計測し、点群データの歪みの程度を評価するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサ(CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)であってもよい。<Hardware configuration>
Data input /
処理回路が専用のハードウェアである場合、図27に示すように、処理回路500は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、EPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものが該当する。データ入出力部2、対応点算出部8、変換算出部11、点群データ補正部12、対話処理入力部23、表示部25、変状計測部32、および評価部35の各部の機能それぞれを処理回路500で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路500で実現してもよい。
When the processing circuit is dedicated hardware, as shown in FIG. 27, the
処理回路が図28に示すプロセッサ600の場合、データ入出力部2、対応点算出部8、変換算出部11、点群データ補正部12、対話処理入力部23、表示部25、変状計測部32、および評価部35の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ700に格納される。プロセッサ600は、メモリ700に記録されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、構造物計測装置1,100,200,300,400は、データの入出力を行うステップ、対応点を算出するステップ、アフィン変換を算出するステップ、計測点の座標値を補正するステップ、ユーザの指示を受け取るステップ、情報を画面に描画するステップ、補正点群データの各補正点の変状を計測するステップ、点群データの歪みの程度を評価するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ700を備える。また、これらのプログラムは、データ入出力部2、対応点算出部8、変換算出部11、点群データ補正部12、対話処理入力部23、表示部25、変状計測部32、および評価部35の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリとは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、DVD等、または、今後使用されるあらゆる記憶媒体であってもよい。
When the processing circuit is the
なお、データ入出力部2、対応点算出部8、変換算出部11、点群データ補正部12、対話処理入力部23、表示部25、変状計測部32、および評価部35の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
Regarding the functions of the data input /
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。 In this way, the processing circuit can realize each of the above-mentioned functions by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 In the present invention, each embodiment can be freely combined, and each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although the present invention has been described in detail, the above description is exemplary in all embodiments and the invention is not limited thereto. It is understood that a myriad of variations not illustrated can be envisioned without departing from the scope of the invention.
1 構造物計測装置、2 データ入出力部、3 計算機ネットワーク、4 データサーバ、5 点群データ、6 基準形状データ、7 補正点群データ、8 対応点算出部、9 計測点、10 対応点、11 変換算出部、12 点群データ補正部、13 MMS車両、14 車体、15 天板、16 GPS受信機、17 IMU、18 レーザスキャナ、19 オドメータ、20 トンネル、21 スキャン面、22 記憶部、23 対話処理入力部、24 入力装置、25 表示部、26 図形、27 表示装置、28 特徴点、29 画面、30 ポリゴンモデル、31 曲面モデル、32 変状計測部、34 補正点、35 評価部、36 表示領域、37 形状モデル、38 光路、40 カーソル、41 図形、42 変形点、43 照射位置、100 構造物計測装置、200 構造物計測装置、300 構造物計測装置、400 構造物計測装置、500 処理回路、600 プロセッサ、700 メモリ。 1 structure measuring device, 2 data input / output unit, 3 computer network, 4 data server, 5 point group data, 6 reference shape data, 7 correction point group data, 8 corresponding point calculation unit, 9 measurement points, 10 corresponding points, 11 Conversion calculation unit, 12-point group data correction unit, 13 MMS vehicle, 14 vehicle body, 15 top plate, 16 GPS receiver, 17 IMU, 18 laser scanner, 19 odometer, 20 tunnel, 21 scan surface, 22 storage unit, 23 Interactive processing Input unit, 24 input device, 25 display unit, 26 figures, 27 display device, 28 feature points, 29 screens, 30 polygon models, 31 curved surface models, 32 deformation measurement units, 34 correction points, 35 evaluation units, 36 Display area, 37 shape model, 38 optical path, 40 cursor, 41 figure, 42 deformation point, 43 irradiation position, 100 structure measuring device, 200 structure measuring device, 300 structure measuring device, 400 structure measuring device, 500 processing Circuits, 600 processors, 700 memories.
上記の課題を解決するために、本発明による構造物計測装置は、モービルマッピングシステムで計測された構造物における誤差を含む複数の計測点の集合である点群データと、構造物の基準となる形状を表す基準形状データとを入力するデータ入出力部と、基準形状データにおいて各計測点に対応する複数の対応点を算出する対応点算出部と、モービルマッピングシステムで直進して計測した各計測点と各対応点とに基づいて、各計測点から誤差を補正するアフィン変換を算出する変換算出部と、変換算出部が算出したアフィン変換で各計測点の誤差を補正し、当該補正後の各計測点の集合である補正点群データを得る点群データ補正部とを備える。 In order to solve the above problems, the structure measuring device according to the present invention serves as a reference for the structure and point group data which is a set of a plurality of measuring points including an error in the structure measured by the mobile mapping system. A data input / output unit for inputting reference shape data representing a shape, a corresponding point calculation unit for calculating a plurality of corresponding points corresponding to each measurement point in the reference shape data, and each measurement measured by going straight with a mobile mapping system. A conversion calculation unit that calculates an affine conversion that corrects an error from each measurement point based on the points and each corresponding point, and an affine conversion calculated by the conversion calculation unit corrects the error at each measurement point , and after the correction It is provided with a point group data correction unit that obtains correction point group data that is a set of each measurement point.
本発明によると、構造物計測装置は、モービルマッピングシステムで直進して計測した各計測点と各対応点とに基づいて、各計測点から誤差を補正するアフィン変換を算出し、変換算出部が算出したアフィン変換で各計測点の誤差を補正し、当該補正後の各計測点の集合である補正点群データを得るため、構造物を正確に計測することが可能となる。
According to the present invention, the structure measuring device calculates an affine transformation that corrects an error from each measuring point based on each measuring point measured by a mobile mapping system and each corresponding point, and the conversion calculation unit calculates the affine transformation. Since the error of each measurement point is corrected by the calculated affine transformation and the correction point group data which is a set of the corrected measurement points is obtained, the structure can be measured accurately.
Claims (8)
前記基準形状データ(6)において各前記計測点に対応する複数の対応点を算出する対応点算出部(8)と、
各前記計測点と各前記対応点とに基づいて、各前記計測点を補正するアフィン変換を算出する変換算出部(11)と、
前記変換算出部(11)が算出した前記アフィン変換で各前記計測点を補正し、当該補正後の各前記計測点の集合である補正点群データ(7)を得る点群データ補正部(12)と、
を備える、構造物計測装置。A data input / output unit that inputs point cloud data (5), which is a set of a plurality of measurement points in a structure measured by a mobile mapping system, and reference shape data (6), which represents a reference shape of the structure. (2) and
A correspondence point calculation unit (8) that calculates a plurality of correspondence points corresponding to each measurement point in the reference shape data (6),
A conversion calculation unit (11) that calculates an affine transformation that corrects each measurement point based on each measurement point and each corresponding point.
The point cloud data correction unit (12) corrects each of the measurement points by the affine transformation calculated by the conversion calculation unit (11) and obtains correction point cloud data (7) which is a set of the corrected measurement points. )When,
A structure measuring device.
前記データ入出力部(2)は、前記記憶部(22)から前記点群データ(5)および前記基準形状データ(6)を入力し、前記補正点群データ(7)を前記記憶部(22)に出力することを特徴とする、請求項1に記載の構造物計測装置。A storage unit (22) for storing the point cloud data (5), the reference shape data (6), and the correction point cloud data (7) is further provided.
The data input / output unit (2) inputs the point cloud data (5) and the reference shape data (6) from the storage unit (22), and stores the correction point cloud data (7) in the storage unit (22). ), The structure measuring apparatus according to claim 1.
前記基準形状データ(6)において各前記計測点に対応する複数の対応点を算出し、
各前記計測点と各前記対応点とに基づいて、各前記計測点を補正するアフィン変換を算出し、
算出した前記アフィン変換で各前記計測点を補正し、当該補正後の各前記計測点の集合である補正点群データ(7)を得る、構造物計測方法。Input point cloud data (5), which is a set of a plurality of measurement points in a structure measured by a mobile mapping system, and reference shape data (6), which represents a reference shape of the structure.
A plurality of corresponding points corresponding to the respective measurement points are calculated in the reference shape data (6), and the corresponding points are calculated.
Based on each of the measurement points and each of the corresponding points, an affine transformation that corrects each of the measurement points is calculated.
A structure measurement method in which each of the measurement points is corrected by the calculated affine transformation, and correction point cloud data (7), which is a set of the corrected measurement points, is obtained.
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