説明

トンネル切羽面の測量システム

【課題】本発明は、簡単に、かつコストを安価にして、トンネルなどの切羽面の不連続面検出や切羽面における地質境界検出などが正確に把握できるトンネル切羽面の測量システムを提供する。
【解決手段】トンネル切羽面の測量システムであって、測量すべき測量面につき、デジタルカメラで撮影を行って測量面の中心投影画像を取得し、少なくともデジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値、さらに、カメラレンズのゆがみ、カメラレンズ中心位置のずれの値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、取得した正射投影画像により、測量面の測量が行える、ことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、トンネル施工における切羽面の測量や調査、観察に使用されるトンネル切羽面の測量システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、トンネル施工の現場においてトンネル切羽面の測量・観察がよく行われており、またその測量、観察が重要視されている。何故なら前記トンネル切羽面の不連続面情報あるいは地質境界の位置情報を得ることがトンネルの安全な施工を行う際のきわめて大切な情報となってきているからである。
しかしながら、従来は、いわゆる点の測量に留まるものであり、不連続面の検出や地質境界の位置情報を詳細に検出、測量するには膨大な回数の測量が必要とされていた。
また、従来より、切羽面の写真を撮影し、この写真から不連続面や地質境界の位置を把握することも行われていたが、正確に前記の不連続面や地質境界の位置を把握、測量することはできないものであった。
このため、簡単に切羽面の不連続面や地質境界を正確に把握できるいわゆる測量システムの提供が要望されていた。
すなわち、従来のいわゆるトータルステーションのような点の測量(特開2004−138422号公開公報参照)では、切羽面全体を把握するために膨大な回数の測量が必要であり、経済的にも測量することが困難でだからである。
【特許文献1】特開2004−138422号公開公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、簡単に、かつコストを安価にして、トンネルなどの切羽面の不連続面検出や切羽面における地質境界検出などが正確に把握できるトンネル切羽面の測量システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明は、
測量すべき測量面につき、デジタルカメラで撮影を行って前記測量面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記取得した正射投影画像により、前記測量面の測量が行える、
ことを特徴とし、
または、
トンネル開口側よりデジタルカメラでトンネル切羽面の撮影を行って前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記取得した正射投影画像により、トンネル切羽面の測量が行える、
ことを特徴とし、
または、
トンネル開口側よりデジタルカメラでトンネル切羽面の撮影を行って前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記複数回の撮影により取得した複数枚の正射投影画像の変化により、トンネル切羽面の測量が行える、
ことを特徴とし、
または、
測量すべき測量面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記測量面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記測量面の正射投影画像を取得してなり、
該正射投影画像により、前記測量面を測量する、
ことを特徴とし、
または、
トンネルの切羽面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
該正射投影画像により、トンネル切羽面の測量を行う、
ことを特徴とし、
または、
トンネルの切羽面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記複数回の撮影により取得した複数枚の正射投影画像の変化により、トンネル切羽面の測量を行う、
ことを特徴とし、
または、
前記撮影可能な基準点は、前記測量面に投射した可視レーザ光による可視できる点で形成した、
ことを特徴とし、
または、
前記撮影可能な基準点はトンネル開口側よりトンネル切羽面に投射した可視レーザ光による可視できる点で形成した、
ことを特徴とし、
または、
前記基準点は、トンネル切羽面に9点形成したこと、
を特徴とするものである。
【発明の効果】
【0005】
本発明によるトンネル切羽面の測量システムであれば、簡単に、かつコストを安価にして、トンネルなどの切羽面の不連続面検出や切羽面における地質境界検出などを迅速、正確に把握、観察、測量できるとの優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0006】
以下、本発明を図に示す発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
図1には、デジタルカメラ1によって、上空から所定の山を撮影した概略図が描かれている。このデジタルカメラ1で撮影される画像は、中心投影画像であり、図1に示される所定の山における地表2の投影面3は、決して等間隔に投影されてはいない。
ここで、図2には、前記所定の山における地表2の正射投影画像を示したものであり、その投影面3は地表2の面を等間隔に示されている。
【0007】
本発明は、まずこの様なデジタルカメラ1で撮影された中心投影画像を、簡単な作業で正射投影画像に変換し、当該変換した、いわゆる実物と相似する正射投影画像を利用して、例えば、トンネル切羽面4における不連続面や地質境界の把握を容易にし、当該正射投影画像からトンネル切羽面4の不連続面や地質境界の測量を可能としたものである。
【0008】
まず、図3に本発明の一実施例を示す。
図3ではトンネル切羽面4に向かい、まず4点の基準点5を形成すべく所定の光源を投射し、これにより当該基準点5がトンネル切羽面4上に写る様構成される。
ここで、本発明ではいかなる光源などを利用してこの基準点5を形成するかについては、何ら限定されるものではない。すなわち前記のトンネル切羽面4上に基準点5が確認でき、後述するが、デジタルカメラ1によってこの基準点5が撮影でき、写真画像上に写っていればよい。
なお、この図3に示す実施例においては、4つの基準点5の形成について、トンネル開口部側から、トンネル切羽面4に向けたレーザビーム発射機6を使用して、トンネル切羽面4に向けてレーザビームを発射し、トンネル切羽面4に写ったレーザビームの点で4つの基準点5を生成するものとしている。
【0009】
次いで、前記4つの基準点5を含めてデジタルカメラ1により、トンネル切羽面4を撮影する。ここで、デジタルカメラ4によるトンネル切羽面4の撮影画像は図4に示すような中心投影画像となる。しかして、このような中心投影画像では図1に示すように、遠近感のある画像となり、いわゆる実物と相似する正射投影画像でないため、トンネル切羽面4における不連続面や地質境界の把握が正確に行えない。従ってトンネル切羽面4の不連続面や地質境界の正確な測量をも出来ないものとなる。
ここで、トンネル開口側の真正面からデジタルカメラ1にてトンネル切羽面4を撮影すればよいとの意見があるが、妥当性に欠ける。真正面から撮影しても、得られる画像は中心投影画像であり、トンネル開口部の幅方向に遠近感が生じてしまう。従って、トンネル開口部の真正面から撮影した中心投影画像でも本発明によって正射投影画像としなければ、トンネル切羽面4における不連続面や地質境界の把握が正確に行えない。従ってトンネル切羽面4の不連続面や地質境界の正確な測量をも出来ない。
【0010】
次に、デジタルカメラ1で撮影した中心投影画像から正射投影画像への変換につき述べる。
なお、コンピュータを使用して、デジタルカメラ1で撮影した中心投影画像から正射投影画像へ変換する画像処理を行うには、前記デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)、デジタルカメラ1の姿勢(カメラの回転角度)や焦点距離(c)が少なくとも必要となる。
これらの数値が把握され明らかであれば、これによって中心投影画像から正射投影画像へ変換するコンピュータを使用して画像処理が行え、変換した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面4の不連続面や地質境界の正確な測量がおこなえることとなる。
【0011】
さらに、カメラレンズのゆがみ値及びカメラレンズ中心位置のずれ値が明確になっていれば、これらの値をも使用して、より正確な正射投影画像を取得でき、正確な測量、観察が行える。
しかし、前記デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)、姿勢(カメラの回転角度)や焦点距離(c)の数値が不明のときは、前記4つの基準点5の既知である空間座標(X,Y)及び画像座標(x,y)のそれぞれの値を使用して、前記デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)、姿勢(カメラの回転角度)や焦点距離(c)の数値を明確にすることが出来る。
【0012】
ここで、デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)の数値をあらかじめ把握するよりも、前記4つの基準点5の空間座標(X,Y)及び画像座標(x,y)の数値を把握する方が容易といえる。
その関係式を図6の(1)、(2)、(3)、(4)に示す。かかる図6に示す関係式により、デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)の数値が明確になる。
すなわち、トンネル切羽面4上に写された4つの基準点5については、それぞれの空間座標(X,Y)の値と画像座標(x、y)の値があらかじめ把握しておけばよい。そして、これらの4つの基準点5の値を図6に示す4つの式(1)、(2)、(3)、(4)にそれぞれ導入し、これによりトンネル切羽面4に対するデジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)の係数(b1ないしb8)を求めるのである。
なお、この際、カメラレンズのゆがみ値及びカメラレンズ中心位置のずれ値については、明らかにされていることが好ましい。
しかし、これらの値がたとえ明確でなくとも、正射投影画像の取得は可能ではある。
【0013】
ついで、求められた前記係数(b1ないしb8)を、図7に示す、係数(b1ないしb8)とデジタルカメラの撮影位置(X,Y,Z)、姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)との関係式に導入すると、デジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)が求まるものとなる。
【0014】
しかして、求められたデジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)の係数(b1ないしb8)、そしてデジタルカメラ1の撮影位置(X,Y,Z)や姿勢(カメラの回転角度)、焦点距離(c)の値と図6及び図7の関係式によって解析し、もって中心投影画像から正射投影画像へ変換する画像処理が行うのである。
【0015】
しかして、図5に図4の中心投影画像から正射投影画像に変換した説明図を示す。
そして、変換した正射投影画像をコンピュータのディスプレイ上に表示し、トンネル切羽面4の不連続面や地質境界の測量をおこなうのである。
ところで、前記基準点5をトンネルの切羽面4に4つ以上、できれば9つ形成して正射投影画像を取得することも考えられる。
すなわち、より詳細な、またより正確な正射投影画像の取得に際しては、前述したように、デジタルカメラ1のレンズのゆがみ等内部標定要素をも考慮しなければならない。従って、前記実施例のように基準点5が4つ設けられている場合には、基本的にカメラレンズのゆがみ値及びカメラレンズ中心位置のずれ値について、明らかにされていることが好ましいのである。
【0016】
しかし、カメラレンズのゆがみ値及びカメラレンズ中心位置のずれ値がわかっていない場合には、前記基準点5をトンネルの切羽面4上に9つ以上設けるとよいのである。
9つの基準点5の空間座標の値と画像座標の値により、デジタルカメラ1のレンズのゆがみ等内部標定要素をも求めることが出来るからである。そして、これらの9つの値が解れば、より詳細な、またより正確な正射投影画像が取得出来るからである。
【0017】
すなわち、図8に示す関係式に前記9つの基準点5の空間座標及び画像座標のそれぞれの値を導入すれば、カメラの回転角度、カメラ位置、焦点距離のほかレンズ中心位置のずれ、レンズのゆがみ係数など17個の未知数が解けるものとなる。
そして、最終的により詳細な、またより正確な正射投影画像が取得出来ることになる。
より詳細な、またより正確な正射投影画像が取得出来ることにより、トンネル切羽面4における不連続面、地質境界の把握がさらに正確に行え、トンネル切羽面4の不連続面や地質境界のさらに正確な測量が行えるのである。
【0018】
図9に本発明のフローを示す。
まず、デジタルカメラ1のカメラ位置や姿勢は既知か否かが判断される(ステップ100)。ここで、デジタルカメラ1のカメラ位置や姿勢などが把握されておらず、既知でないとき(ステップ100でNO)は、カメラレンズのひずみ等が既知か否かが判断される(ステップ101)。そして、カメラレンズのひずみ等が既知である場合(ステップ101でYES)は、空間座標(X,Y)が既知な4つ、あるいは4つ以上の基準点5をトンネル切羽面4上に形成し(ステップ102)、該基準点5を写し込んで写真撮影が行われる(ステップ103)。
また、カメラレンズのひずみ等が既知でない場合(ステップ101でNO)は、空間座標(X,Y)が既知な9つ、あるいは9つ以上の基準点5をトンネル切羽面4上に形成し(ステップ104)、該基準点5を写し込んで写真撮影が行われる(ステップ103)。
【0019】
その後、4つ以上あるいは9つ以上の基準点5のそれぞれの既知である空間座標及び画像に取り込んで明らかになった前記4つ以上あるいは9つ以上の基準点5のそれぞれの画像座標(x,y)の値を用い、前記デジタルカメラ1のカメラ位置、姿勢などを解析的に求めるのである(ステップ106)。
その後、求められたデジタルカメラ1のカメラ位置、姿勢などの値を使用し、前記写真撮影を行ったトンネル切羽面4の中心投影画像からの正射投影画像処理(オルソ画像作成)を行う(ステップ107)。
そして、前記オルソ画像を基にパソコン上で正確な掘削面積等の測量を行うのである(ステップ108)。
【0020】
なお、デジタルカメラ1のカメラ位置や姿勢は既知か否かが判断時において(ステップ100)、ここで、デジタルカメラ1のカメラ位置や姿勢などがあらかじめ把握されており、その値が既知であるとき(ステップ100でYES)は、基準点5の形成をすることなく、また、基準点5を取り込んでの写真撮影を必要とすることなく、直ちにトンネル切羽面4の写真撮影を行う(ステップ105)。
そして、その後、前記既知のデジタルカメラ1のカメラ位置、姿勢などの値を使用して、前記写真撮影を行ったトンネル切羽面4の中心投影画像からの正射投影画像処理(オルソ画像作成)を行い(ステップ107)、前記オルソ画像を基にパソコン上で正確な掘削面積等の測量を行えばよいのである(ステップ108)。
【0021】
この様に、本発明によれば現地においては写真撮影のみでよいため現地作業をきわめて省力化することができる。
また、トンネル切羽面における不連続面や地質境界の位置などが面的に正確にわかりやすく把握できる。
さらに、従来は数値データでの把握でしかできなかったが、本発明では画像、すなわち正射投影画像を使用するためきわめて認識しやすいものとなった。しかも、トンネル切羽面の余堀量をも測量できることとなった。
また、蓄積された画像処理後の切羽画像(正射投影画像)はそのまま比較でき、長期的な測量、観察が行えるものである。
【産業上の利用可能性】
【0022】
本発明は、トンネル切羽面の観察・測量による地質分析やトンネル掘削の余堀量管理、さらにはトンネル内空変位計測等に幅広く応用出来る
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】上空より所定の山をデジタルカメラで撮影し、得られた中心投影画像の概略を説明する概略説明図である。
【図2】図1の中心投影画像を正射投影画像に変換した概略を説明する概略説明図である。
【図3】本発明の具体的な実施の態様を説明する説明図である。
【図4】図3の実施の態様で得られた中心投影画像を説明する説明図である。
【図5】図4の中心投影画像を正射投影画像に変換した状態を説明する説明図である。
【図6】本発明で使用される関係式を示す説明図(その1)である。
【図7】本発明で使用される関係式を示す説明図(その2)である。
【図8】本発明で使用される関係式を示す説明図(その3)である。
【図9】本発明のフローを説明する説明図である。
【符号の説明】
【0024】
1 デジタルカメラ
2 地表
3 投影面
4 トンネル切羽面
5 基準点
6 レーザビーム発射機

【特許請求の範囲】
【請求項1】
測量すべき測量面につき、デジタルカメラで撮影を行って前記測量面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値、さらに、カメラレンズのゆがみ、カメラレンズ中心位置のずれの値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記取得した正射投影画像により、前記測量面の測量が行える、
ことを特徴とする面の測量システム。
【請求項2】
トンネル開口側よりデジタルカメラでトンネル切羽面の撮影を行って前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値、さらに、カメラレンズのゆがみ、カメラレンズ中心位置のずれの値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記取得した正射投影画像により、トンネル切羽面の測量が行える、
ことを特徴とするトンネル切羽面の測量システム。
【請求項3】
トンネル開口側よりデジタルカメラでトンネル切羽面の撮影を行って前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
少なくとも前記デジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値、さらに、カメラレンズのゆがみ、カメラレンズ中心位置のずれの値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記複数回の撮影により取得した複数枚の正射投影画像の変化により、トンネル切羽面の観察、測量が行える、
ことを特徴とするトンネル切羽面の測量システム。
【請求項4】
測量すべき測量面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記測量面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記測量面の正射投影画像を取得してなり、
該正射投影画像により、前記測量面を測量する、
ことを特徴とする面の測量システム。
【請求項5】
トンネルの切羽面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
該正射投影画像により、トンネル切羽面の測量を行う、
ことを特徴とするトンネル切羽面の測量システム。
【請求項6】
トンネルの切羽面に、空間座標及び画像座標が既知で撮影可能な基準点を少なくとも4点設け、該基準線を含んで、トンネル開口側よりデジタルカメラでの撮影を行い、前記トンネル切羽面の中心投影画像を取得し、
前記少なくとも4点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した前記該中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得してなり、
前記複数回の撮影により取得した複数枚の正射投影画像の変化により、トンネル切羽面の観察、測量を行う、
ことを特徴とするトンネル切羽面の測量システム。
【請求項7】
前記撮影可能な基準点は、前記測量面に投射した可視レーザ光による可視できる点で形成した、
ことを特徴とする請求項1または請求項4記載の面の測量システム。
【請求項8】
前記撮影可能な基準点はトンネル開口側よりトンネル切羽面に投射した可視レーザ光による可視できる点で形成した、
ことを特徴とする請求項2または請求項3記載のトンネル切羽面の測量システム。
【請求項9】
前記基準点は、トンネル切羽面に9点以上形成したこと、
を特徴とする請求項2、請求項3または請求項5記載のトンネル切羽面の測量システム。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate