トンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法
【課題】変形前の断面形状を示すデータがなくとも、断面の形状にかかわらず変状を計測することのできるトンネル変状計測装置を得る。
【解決手段】軸設定部３は、記憶装置１に格納されている点群データ６からトンネルの軸１０を抽出する。断面設定部４は、軸１０に直交する面に対して軸１０に平行に射影した点群の射影パターンによりトンネルの断面を求める。基準面設定装置２は、断面を軸１０の方向に掃引した面を基準面１４として設定する。変状算出装置５は、点群データ６における任意の点と基準面１４との差をその点の変状として算出する。
【解決手段】軸設定部３は、記憶装置１に格納されている点群データ６からトンネルの軸１０を抽出する。断面設定部４は、軸１０に直交する面に対して軸１０に平行に射影した点群の射影パターンによりトンネルの断面を求める。基準面設定装置２は、断面を軸１０の方向に掃引した面を基準面１４として設定する。変状算出装置５は、点群データ６における任意の点と基準面１４との差をその点の変状として算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ計測などによって得たトンネル覆工面の３次元の点群データから、トンネルの各地点の変状の度合いを表す量を計測するトンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの維持管理においては、コンクリートの落下や崩落事故を未然に防ぐため、その覆工面における浮き、剥がれや荷重による凹凸変形などの変状を計測することが重要である。しかしながら、供用から長く時間が経過して設計断面を示す資料が散逸しているものも多く、また、設計資料があったとしても、厳密にその寸法どおりに施工されているとは限らない。さらに、過去にレーザ等による詳細な計測が行われているトンネルは稀である。従って、レーザ測量等によって形状を計測しただけでは、変状が大きいのか、あるいは、もともとそのように施工されているのかを判断することは難しい。このため、何らかの方法で施工時の初期の形状、つまり、変状を生じる前の形状を推定した上で変状量を計測することになる。
【０００３】
このような従来のトンネル変状計測装置として、レーザ計測を用いて変状の調査を行う方法があった（例えば、特許文献１参照）。この文献に記載された方法では、断面が一定の曲率半径を有するように設計されたトンネルについて、レーザ計測を行うトンネル断面測定機をトンネル内部に設置し、トンネル内の複数地点で断面上に沿ってレーザ計測を行い、断面上に並んだレーザ照射点列の３次元座標値を求める。こうして得た点列の座標値から断面ごとに曲率半径を計算する。さらに、これらの曲率半径の値を平均した値を初期の曲率半径とし、各断面の曲率半径との差をその断面における変状とする。これは、トンネルでは、スライドセントルと呼ばれるかまぼこ型の型枠を順次軸（長尺）方向に移動させつつコンクリートが覆工されることから、初期の覆工面の形状は用いたセントルによって決まる同一の曲率半径をもつと考えられ、この初期の曲率半径の値を各断面の形状から計算した値の平均値として求めるものである。これにより、設計断面の情報や、過去の計測データがなくとも、変状を調査することを可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３２９５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような変状計測方法では、一定の曲率半径の断面をもつトンネルを対象とするのみであり、それ以外の断面形状のトンネルには適用できないという問題点があった。さらに、一つの断面上の点に対して一つの曲率半径を算出するため、曲率半径値が合致すれば変状はないとされることになり、例えば、その断面部分のみが平行移動しているような変状や、断面内にて凹凸が繰り返されて結果的に同一の曲率半径値になるといった変状を計測することができないという問題点があった。さらに、断面内のどこに大きな変状が出ているかを特定できないという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、断面の形状にかかわらず変状を計測できるとともに、平行移動しているような箇所を検知でき、さらに、各計測点各々の変状値を計測できるトンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るトンネル変状計測装置は、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、点群データにおける任意の点と基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のトンネル変状計測装置は、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸と断面を求め、これら軸と断面とに基づいて基準面を設定し、任意の点と基準面との差を変状として算出するようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、断面の形状にかかわらず変状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による変状計測装置の点群を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１による変状計測装置の点群データを示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１による変状計測装置のセントルと断面との関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１による変状計測装置の射影パターンを示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１による変状計測装置の軸上の点を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１による変状計測装置の軸データを示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１による変状計測装置のｕｖ平面で軸を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１による変状計測装置の平均断面を極座標で示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による変状計測装置の平均断面データを示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による変状計測装置の変状を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２による変状計測装置を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による変状計測装置のトンネルとスパンとの関係を示す説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による変状計測装置のスパンデータを示す説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による変状計測装置の平均断面を求める動作を示す説明図である。
【図１７】本発明の実施の形態２による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態３による変状計測装置を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施の形態３による変状計測装置の軸データを示す説明図である。
【図２０】本発明の実施の形態３による変状計測装置の射影パターンを示す説明図である。
【図２１】本発明の実施の形態３による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の実施の形態４による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２３】本発明の実施の形態４による変状計測装置の設置物の点群の判定を示す説明図である。
【図２４】本発明の実施の形態４による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２５】本発明の実施の形態５による変状計測装置の軸の変更を示す説明図である。
【図２６】本発明の実施の形態５による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２７】本発明の実施の形態６による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２８】本発明の実施の形態６による変状計測装置の変状を強調した座標値を示す説明図である。
【図２９】本発明の実施の形態６による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図３０】本発明の実施の形態７による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置を示すブロック図である。
図示のトンネル変状計測装置は、記憶装置１、基準面設定装置２、変状算出装置５からなり、基準面設定装置２は、軸設定部３と断面設定部４とを有している。本実施の形態では、記憶手段である記憶装置１に記憶されたトンネルを計測した３次元の座標値からなる点群データに対して、基準面設定手段である基準面設定装置２はその軸設定部３にてトンネルの軸を求めて設定し、断面設定部４にてトンネルの平均的な断面形状である平均断面を求め、その平均断面を軸の方向に掃引した面をトンネルの基準面とする。そして、変状算出手段である変状算出装置５は、点群データの各点について基準面との距離を計算し、その値を変状の値として記憶装置１に格納する。
【００１１】
図２と図３は点群データ６の内容を示す説明図である。各点７はトンネル８の覆工面９を計測したもので、（ｘ，ｙ，ｚ）の３次元座標値を有している。点はＫ個あるとし、そのｋ番目の点Ｐｋの座標値を（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）で表す。ｘ，ｙ，ｚは平面直角座標系であってもよいし、適宜原点をとって、例えば東向きにｘ、北向きにｙをとった座標系でもよい。単位は例えばｍとする。以下、ｘ，ｙ，ｚは右手系としてｚ軸を鉛直上向きとして説明する。この点群データ６は、例えば、図３に示すような形式にて記憶装置１に格納されている。
図４から図１１は、基準面の設定と変状の計測について説明する説明図である。
【００１２】
点群データ６は、例えば、車両など移動体を走行させながら、周囲の対象空間の３次元形状を取得する三次元形状計測システムであるモービルマッピングシステムによって計測されたものである。モービルマッピングシステムでは、車両にＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）とジャイロスコープ等の慣性航法装置や車速パルスから移動距離を算出するオドメトリ装置といった測位機器、それとレーザスキャナを搭載して、周囲の地物の座標値を点群データ６として取得する。ＧＰＳと慣性航法装置によって自車両の位置と姿勢を正確に計測し、これにレーザスキャナによって対象物までの変位を計測、加算することによって、レーザパルスが照射された地点の３次元座標を取得する。レーザスキャナは、距離計測方向であるレーザパルスの照射方向をその回転面内で回転させながら順次照射し、照射方向にある物体までの距離を計測していく。１周期の回転で１つの面上の点群が得られ、さらに車両を進行させることにより、対象空間にわたる点群データ６を取得していく。トンネル内ではＧＰＳ測位ができないものの、慣性航法とオドメトリを用いて測位を行い、トンネル前後のＧＰＳ計測値を参照することで、トンネル内でも正確な三次元座標値を与えている。
【００１３】
モービルマッピングシステムでは、レーザスキャナのパルス照射間隔、スキャン周期が小さいため、密な点群データ６を得ることができる。現在のシステムにおける一例では、レーザスキャナの照射角度の間隔が１度である。車両に設置されたレーザスキャナからトンネルの覆工面９までが５ｍあったとすると、覆工面９上での計測点の間隔は約９ｃｍになる。また、スキャン周期は１／７５秒であり、車両が時速３０ｋｍで走行して計測を行ったとすると、車両の進行方向には約１１ｃｍ間隔で点が並ぶことになる。速度を落とせばさらに密な点群を得ることもできる。このように、トンネル８内の全域あるいは特定の範囲にて、詳細にトンネルの覆工面９の点群を得ることができる。このようなモービルマッピングシステムについては、例えば「車で走行しながら三次元座標を記録」日経コンストラクション，２００８／１０／２５号、１７ページ、日経ＢＰ社、２００８年発行に示されている。
【００１４】
もちろん、点群データ６はモービルマッピングシステムには限らず、他の計測装置、例えば、据え置き型のレーザスキャナやトータルステーションなどの測量機器を用いて計測したものであってもよい。
【００１５】
次に、点群データ６を用いた、変状を呈する前のトンネルの形状である基準面の設定について図４を用いて説明する。上述の通り、トンネルの覆工面９はセントル１００を用いて軸方向に移動しながらコンクリートが覆工される。セントルによる型枠が十分に正確な柱状の面を持っていると仮定すれば、トンネルの覆工面９の形状はセントル１００で決まる一定の断面１００ａを軸方向に移動させたものになる。この断面１００ａは、トンネルによって多彩であり、また、セントル１００の製作時の状況によっては設計断面と完全に合致するものにはならないことも有り得る。一方、軸１０の方向には同一の断面形状が続くとみなすことができる。よって、点群データ６を軸方向に射影して重ねることで、そのトンネル固有の断面形状を求めることができる。
【００１６】
図５に示すように、変状がないならば、点群データ６を軸１０に直交する射影面１１に射影すると、その射影点１２はトンネル断面を表す線パターン上にのる。この射影パターンによって断面形状を得ることができる。点群データ６に変状があったとしても、射影点１２の平均位置をとることで変状の影響をなくすことができる。こうして射影パターンからトンネル本来の断面形状を表す平均断面１３を求める。この平均断面１３をトンネルの軸１０の方向に掃引した面を基準面１４とする。言い換えれば、基準面１４は、平均断面１３を底面とし、直交する軸１０を持つ柱体の側面である。点７に変状がある場合には、その点７と基準面１４との差が大きくなるので、その差の値によりトンネルの変状を表す。
【００１７】
さて、この基準面１４を設定するには、点群データ６から、先ずトンネルの軸１０を求めなければならない。これには、例えば、藤田武洋、佐藤宏介、井口征士著「局所曲面形状解析に基づくビンピッキングのためのビジョンシステム」、電子情報通信学会論文誌Ｄ−ＩＩ、Ｖｏｌ．Ｊ７３−Ｄ−ＩＩ、Ｎｏ．１、４６−５３ページ、１９９０年発行、に示された点群データ６を円柱１５（図６参照）で近似する際に軸を求める手法を用いる。この文献では、点群ごとに法線ベクトルを算出し、それら全体に最も直交する方向として軸を求めている。この手法は円柱に限らず柱体であれば適用できる。この手法によって求めた軸１０をトンネル８の内部を通過するように調整する。これには、例えば、上記文献に示された手法で点群データ６を円柱で近似し、その中心軸とする。あるいは、点群データ６の重心を通るようにするか、モービルマッピングシステムでの計測時に、その車両の走行軌跡が得られている場合は、車両通過時の１点を軸１０が通るようにする。軸１０の方向については、他の手法により、例えば、点群データ６の慣性主軸のうちトンネルの長手方向に近いもので定義する、あるいは、モービルマッピングシステムでの計測において、一回のスキャン内に左右の覆工面９の点が同等に含まれているならば、その中から水平方向に最も離れる２点を求め、その中点を最小二乗法で近似する直線の方向としてもよい。またあるいは、例えば緯度経度にて道路中心線の座標値が測量されている場合には、これを軸１０として用いるように構成してもよい。モービルマッピングシステムでの計測時に、その車両の走行軌跡が得られている場合は、これを最小二乗近似して得られる直線としてもよい。
【００１８】
以下、図１２のフローチャートを用いて実施の形態１のトンネル変状計測装置の動作を説明する。
ステップＳＴ１では、基準面設定装置２が記憶装置１から点群データ６を読み出す。これは、点群データ６を構成する点群すべてでもよいし、範囲を区切って処理を行う場合には、一部分のみでもよい。
【００１９】
ステップＳＴ２では、基準面設定装置２は軸設定部３にて点群データ６からトンネルの軸１０を求める。これは、例えば、上記のような手法による。この軸１０は、図６に示すような、例えば軸１０上の２つの点１６である点Ａ（ａｘ，ａｙ，ａｚ）と点Ｂ（ｂｘ，ｂｙ，ｂｚ）を用いて、軸１０のデータ１０ａを図７のような形式で記憶装置１に格納する。点１６は、点群について各点７の軸１０へ下ろした垂線の足の両端となる点とする。
【００２０】
ステップＳＴ３では、断面設定部４において、点群データ６の射影を行う。これは、図５に示すように、軸１０に直交する射影面１１に、軸１０に平行に射影する。射影面１１内に直交する２軸ｕ，ｖをとる。ここでは、ｕを水平面内にとる。点群データ６の点７（Ｐｋ）の射影点１２をＱｋとしｕｖ座標で（ｕｋ，ｖｋ）と表す。この（ｕｋ，ｖｋ）は以下のように得られる。軸１０の方向ベクトルをｗとし、その単位ベクトルをｅｗ、ｕ，ｖ軸方向の方向単位ベクトルをそれぞれｅｕ，ｅｖ、ただし、ｅｖは上向きとすれば、
であるので、
であり、これが射影点１２（Ｑｋ）である。
【００２１】
続いて、図８に示すように、ｕｖ平面にて軸１０である原点からの角度θと距離ｒとの極座標で表す。
軸１０は、平均断面１３を近似する円の中心に設定されれば、以下の処理で都合がよい。そこで、極座標で表す前に、再度、射影点１２を最小二乗近似する円の中心にｕｖ座標系の原点を設定し直し、射影点１２の座標値を変換し、また、軸１０の両端の座標値も、それが同様の射影変換の際に原点に射影されるように座標値を変更してもよい。
【００２２】
ステップＳＴ４では、射影点１２から平均断面１３を求める。平均断面１３はθに対してそのｒをθの関数とて表す。図９に示すように、θを例えばαからβまでｄ刻みでＮ点とり、これを順にΘｉ＝１，・・・，Ｎとする。Θｉから±δの範囲１７にある点群からそのｒ値の平均値を求め、これをＲｉとする。すなわち、
である。ここで、αとβは、トンネルの覆工面９をカバーするような値に設定する。また、路面を含めて全周をカバーするようにα＝−π／２、β＝３π／２としてもよい。ｄは例えば１度とする。また、覆工面９上で例えば１０ｃｍになる値を設定してもよい。δは例えばｄ／２とする。ｄはまた、覆工面９上で例えば１０ｃｍ間隔になるように、θによって変化させるようにしてもよい。この（Θｉ，Ｒｉ），ｉ＝１，・・・，Ｎで表される平均断面点１８をＳｉとし、点列Ｓｉ，ｉ＝１，・・・，Ｎで平均断面１３を表す。この平均断面１３のデータ１３ａを図１０のような形式で記憶装置１に格納する。この平均断面１３と軸１０とにより基準面１４が構成される。
【００２３】
ステップＳＴ５では、変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。これは、点群データ６を構成する点群すべてでもよいし、一部分のみでもよいし、１点ずつ処理する場合は１点のみでもよい。
以下では、各点７の変状を計算する。これは点７と基準面１４との差であり、これは点７の射影点１２と平均断面１３との差で得られる。
【００２４】
ステップＳＴ６では、上記ステップＳＴ３にて行ったのと同様に、点群の座標値を射影面１１上の極座標（θ，ｒ）に変換する。このとき、記憶装置１に格納されている軸データを用いる。あるいは、基準面設定手段２は上記ステップＳＴ３で得た（θｋ，ｒｋ）座標を記憶装置１に格納するように構成し、本ステップはその変換した座標値を読み出すように構成してもよい。
【００２５】
ステップＳＴ７では、点群の変状量を算出する。前のステップにて点群の座標値から（θｋ，ｒｋ）に変換している。平均断面１３はそのｒをθの関数として求めているので、θの値によって決まる平均断面１３のｒとの比較によって、その点が基準面１４上にあるか、あるいはその内側または外側に変位しているかを計測できる。これは、記憶装置１に格納されている平均断面データを用いて以下のように実行する。θｋに対する平均断面１３のｒ値をＲ（θｋ）とすれば、Ｒ（θｋ）は平均断面データの値を補間して、
として平均断面１３上、θ＝θｋの点１９（θｋ，Ｒ（θｋ））を得る。ここでは、一次補間にて説明したが、より高次の多項式補間など他の補間方式を用いてＲを計算するようにしてもよい。
【００２６】
図１１に示すように、このＲ（θｋ）を用いて点Ｐｋにおける変状Ｄｋを、
のように求める。尚、ここでは覆工面外側への変状を正で表した。求めた変状値Ｄｋを記憶装置１に格納する。
【００２７】
以上の動作により、点群データ６から各点７における覆工面９の変状を計測することができる。
【００２８】
尚、上記実施の形態１では、平均断面１３を定義する点列Ｓｉを（Θｉ，Ｒｉ）によって表したが、平均断面１３が定義できるならば、他の座標系、形式であっても構わない。例えば、平均断面１３を円や楕円で近似し、Θｉに対してその天端部から測った円または楕円の距離をΘｉに代えて用いるようにしてもよい。
また、平均断面１３を定義する点列Ｓｉを極座標（Θｉ，Ｒｉ）によって表したが、射影面上のｕｖ座標によって表してもよい。さらに、点Ｐｋにおける変状Ｄｋを、Ｑｋと点列Ｓｉを順次結んでできる連続線分との距離によって算出するようにしてもよい。
また、軸１０の方向ベクトルｗ、またはその単位ベクトルｅｗを軸のデータ１０ａとして格納するように構成してもよい。
また、スライドセントル１００を用いて覆工されたトンネルを想定して説明したが、これに限るものではなく、他の工法によって施工されたトンネルに対しても同様に実行できる。
【００２９】
このような構成によれば、点群データ６からトンネル８の軸１０と平均断面１３を求め、覆工面９の変状前の形状である基準面１４を構成する。各点７と基準面１４との差は、その点が変形前の面からどれだけ変位しているかを表すことになる。
このようにトンネル８の軸１０と平均断面１３とにより基準面１４を設定することにより、断面の形状にかかわらず基準面１４が構成できて変状を計測することが可能になる。また、大域的に平行移動する変状においても、移動した部分の点群は基準面１４との差が出るので、変状を算出することが可能になる。さらに、点ごとに基準面１４との差によって変状が計測できるため、各計測点各々の変状値を計測することが可能になる。
【００３０】
以上説明したように、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、点群データにおける任意の点と基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円でなくともトンネルの変状を計測することができる。
【００３１】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段の軸設定部が設定する軸は、トンネルを近似する柱体の軸と同一の方向を有する線分または直線またはベクトルであるようにしたので、トンネルの変状を正しく計測することができる。
【００３２】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段の断面設定部が設定する断面は、軸に直交する面に対して、軸に平行に射影したそれぞれの点の射影パターンを近似する点列であるようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円形でなくとも、断面の形状を推定して変状を計測することができる。
【００３３】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段は断面設定部が設定する断面を軸設定部が設定する軸の方向に掃引した面を基準面として設定するようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円形でなくとも、変形前の形状を基準面として推定して変状を計測することができる。
【００３４】
また、実施の形態１のトンネル変状計測方法によれば、３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの変状を計測するトンネル変状計測方法において、基準面設定手段により行われ、点群データからトンネルの軸を抽出すると共にトンネルの断面を設定し、かつ、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定工程と、変状算出手段により行われ、点群データにおける任意の点と設定された基準面との差をその点の変状として算出する変状算出工程とを備えたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円でなくともトンネルの変状を計測することのできるトンネル変状計測装置を実現することができる。
【００３５】
実施の形態２．
図１３は本発明の実施の形態２によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。点群区分手段である点群区分装置２０は、トンネル８がカーブしている場合や勾配が変化する場合に適切な平均断面１３を設定するため、特にセントル１００を用いて一度に覆工した範囲を示すスパンに点群を分割する。すなわち、点群区分装置２０は、点群データ６におけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する。そして、本実施の形態では、スパンごとに軸１０を設定することで、カーブや勾配が変化しているトンネル８においても、適切な平均断面１３と基準面１４が得られるようになる。基準面設定装置２および変状算出装置５の基本的な構成は実施の形態１と同様であるため、該当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
図１４と図１５と図１６はスパン単位での変状計測を説明する説明図である。
トンネル８の中にはカーブしているものもあり、勾配も一様とは限らない。このような場合、トンネル８の軸１０を直線としたのでは射影面１１で断面が重ならず正しい平均断面１３を得ることはできなくなる。従って、基準面１４との差で得られる変状も適切なものにはならない。
一方、カーブ箇所や勾配の変化箇所でも、セントル１００を用いてコンクリートが覆工されることに変わりはない。このため、一度に覆工された範囲はセントル１００で決まる断面をもっている。そこで、図１４に示すように、トンネル８を覆工時の範囲であるスパン２１に区分し、それぞれにて個別に基準面１４を求める。
【００３７】
本発明の実施の形態２によるトンネル変状計測装置の動作を図１７のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけている。
【００３８】
ステップＳＴ２１では、点群区分装置２０は、記憶装置１から点群データ６と図１５に示すようなスパンデータ２１ａを読み込む。スパンデータ２１ａはＭ個のスパン２１の軸方向の長さＬｊ，ｊ＝１，２，・・・，Ｍを有しているもので、この長さＬｊは、例えば、トンネル８の設計資料や調査資料から与えられる。あるいは、スパン２１の境界では目地の凹凸が顕著になる場合もあり、点群データ６を３次元グラフィックス表示して計算機のマウスやキーボードなどの入力デバイスにより対話的に目地がくる位置を指定して長さＬｊを入力して作成してもよい。
【００３９】
ステップＳＴ２２では、点群データ６から補助中心線２２を求める。これは、点群データ６を区分するためにトンネル８のカーブや勾配変化に追随するように表した中心線である。例えば、点群データ６を多項式近似して求める。これは例えば、ｘｙ平面上で近似曲線を求め、さらに、曲線状の距離に対するｚ値（高さ）を多項式近似する。トンネル８の一定間隔ごとに近似するようにしてもよい。もちろん、他の方法にて補助中心線を算出してもよい。
【００４０】
ステップＳＴ２３では、スパン２１ごとの区分点２３を求める。これは補助中心線２２上、スパンデータ２１ａで与えられる距離の点を順次求め、これを区分点２３としたもので、スパンの境界に対応する点である。上記のように補助中心線２２が与えられている場合、距離は点列の連続する２点間の距離を順次積算したものとなる。区分点２３を順にＴｊ（ｔｘｊ，ｔｙｊ，ｔｚｊ），ｊ＝１，・・・，Ｍ＋１とする。区分点２３の数はＭ＋１個となる。
【００４１】
ステップＳＴ２４では、点群データ６がどのスパン２１に属するかを求め、その番号を与える。これは、例えば、ｊ番目のスパン２１を規定する２個の区分点２３の座標値は（ｔｘｊ、ｔｙｊ、ｔｚｊ），（ｔｘｊ＋１，ｔｙｊ＋１，ｔｚｊ＋１）であるので、この２点を結ぶ線分２４のベクトルをｃｊ＝（ｔｘｊ＋１−ｔｘｊ，ｔｙｊ＋１−ｔｙｊ，ｔｚｊ＋１−ｔｚｊ）として、
の場合に、その点７はｊ番目のスパン２１に属すとする。これは、点７からの線分２４がのる直線へ下ろした垂線の足がこの線分２４内に入る場合である。尚、ｊ番目の区分点（ｔｘｊ，ｔｙｊ，ｔｚｊ）近傍の点７は、ｊ−１番目のスパンとｊ番目のスパンのどちらにも属すか、あるいはどちらにも属さないといった状況になる。そこで、さらに、ｃｊとｃｊ−１を用い、
の場合にｊ番目のスパンに属し、そうでないときにｊ−１番目のスパンに属すとする。これは、ＴｊからＰｋに向かうベクトルとｃｊ、−ｃｊ−１とのなす角を比較し、小さくなる方のスパンに属すとするものである。Ｔｊを起点にするため、ｃｊ−１は符号を負にしている。ｋ番目の点Ｐｋがｊ番目のスパンに属す場合、Ｐｋのデータにｊ番目のスパンを示すデータを付加して記憶装置１に記憶する。
【００４２】
ステップＳＴ２５では、スパン２１のうち未処理の一つを対象として、基準面設定装置２は記憶装置１からそのスパンに属する点群データ６を読み込む。
【００４３】
ステップＳＴ２６では、スパン２１ごとに、図１６に示すように、上記実施の形態１でのステップＳＴ２の動作と同様に軸１０を求める。尚、区分点２３近傍の点群は、本来含まれるスパンとは異なるスパンに属すると判定される可能性がある。そこで、区分点２３からの補助中心線２２に沿った距離が、例えば１０ｃｍ以下となる場合、その点は軸１０の設定には用いないようにする。ｊ番目のスパン２１を規定するのはｊ番目とｊ＋１番目の区分点２３であり、両者を結ぶ線分に沿ったｊ番目とｊ＋１番目の区分点２３からの点７の距離をそれぞれλｊ，λｊ＋１とすれば、
であり、この値の一方が１０ｃｍ以下となる場合は軸１０の設定には用いないようにする。
【００４４】
ステップＳＴ２７では、ステップＳＴ３にて変換した（θｋ，ｒｋ）を用いて、上記実施の形態１のステップＳＴ４と同様に平均断面１３を設定する。ただし、ここでも区分点２３近傍の点群は平均断面１３の設定に用いない。
【００４５】
ステップＳＴ２８では、現在の対象スパン２１について、変状算出装置５は記憶装置１からそのスパン２１に属する点群データ６とそのスパン２１の基準面１４のデータを読み込む。以下、ステップＳＴ６、ステップＳＴ７で変状を計測する。
【００４６】
ステップＳＴ２９では、すべてのスパン２１について変状を算出する処理を終えたかどうかを判定し、そうであれば終了し、そうでなければステップＳＴ２５に戻る。
【００４７】
以上の動作により、カーブ部分や勾配が変化している部分でも、点群データ６から各点７におけるトンネル覆工面９の変状を計測することができる。
【００４８】
尚、上記実施の形態２では、セントル１００による覆工時のスパンごとに処理を実行したが、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパンに係わらず、例えば１０ｍごと、というようにスパン２１を分割構成してもよい。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点２３の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
【００４９】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパン２１の単位で基準面１４を求め、点群データ６と基準面１４との差によって点群データ６が変状前の面からどれだけ変位しているかを表すことになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに基準面１４を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分でも変状を計測することが可能になる。
【００５０】
以上説明したように、実施の形態２のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても変状を計測することができる。
【００５１】
また、実施の形態２のトンネル変状計測装置によれば、点群区分手段は、トンネル覆工時のセントル位置によって決まる位置でそれぞれの点を区分するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても正しく平均断面を設定することができる。
【００５２】
実施の形態３．
図１８は本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。基準面設定装置２ａの軸補正部２５は、スパン２１ごとに得られている軸１０を連続に接続するように補正する。これ以外は、実施の形態２と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
上記実施の形態２では、スパン２１単位で基準面１４の設定を行った。この場合、一つのスパン２１内が全般的に変形しているような大きな変状があると、変状後の形状が基準面１４となってしまい、変状を検知することができなくなる。そこで本実施の形態では、スパン２１単位に軸１０は設定するものの、平均断面１３は全体の点群データ６を用いて設定することで、広範囲にわたる変状があったとしても基準面１４がその影響を受けないようにする。
【００５４】
軸１０の設定と点群データ６の座標（θ，ｒ）への変換はスパン２１ごとに行い、座標値（θ，ｒ）から平均断面１３を求める処理はすべての点群を対象に実行すれば、カーブや勾配の変化を有するトンネルにおいても、変状を計測することができるようになる。
図１９と図２０は、スパン２１ごとの軸１０による基準面１４の設定を説明する説明図である。
【００５５】
本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を図２１のフローチャートによって説明する。図２１において、図１２および図１７のフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけている。
【００５６】
ステップＳＴ２４までで、点群データ６をスパン２１ごとに区分し、各スパン位置を示す補助中心線２２が求まっている。ステップＳＴ２５で基準面設定装置２ａが記憶装置１から未処理のスパンに属する点群データ６を読み込む。
【００５７】
ステップＳＴ３１では、前のステップで一つのスパン２１に属する点群データ６を記憶装置１から読み込んだ後、実施の形態２のステップＳＴ２６と同様な動作で軸１０を設定する。
【００５８】
ステップＳＴ３２では、すべてのスパン２１について処理を終了したかどうかを判定し、そうであればステップＳＴ３３に進み、そうでなければステップＳＴ２５に戻る。
【００５９】
ステップＳＴ３３では、基準面設定装置２ａの軸補正部２５にて、軸１０の端点１６の補正を行う。これは、軸１０がスパン２１間で連続につながるようにするもので、ｊ番目のスパン２１の終点である端点１６とｊ＋１番目のスパン２１の始点である端点１６を、両者の中点の座標にて置き換える。この中点を以下でｊ＋１番目の節点２６とし、Ｕｊ＋１で表す。節点２６は、他の方法、例えば、ｊ番目の区分中心線とｊ＋１番目の区分中心線それぞれが乗る直線の最短距離を与える点の中点として与えてもよい。ｊ番目の節点２６をＵｊ（ｕｘｊ，ｕｙｊ，ｕｚｊ）とする。
さらに、ｊ番目の節点２６について、例えば前後の一定個数の節点２６を用いて多項式近似しその近似式上に乗るようにｊ番目の節点２６を移動させてもよい。これは変状により軸１０が理想的な位置からずれている場合に、その影響を軽減する効果がある。
節点２６からなる軸１０のデータ２６ａを図１９に示すような形式にて記憶装置１に格納する。
【００６０】
ステップＳＴ３４では、基準面設定装置２ａに、再度、記憶装置１からすべての点群データ６を読み込む。
【００６１】
ステップＳＴ３５では、実施の形態１のステップＳＴ３と同様の動作を、点７が属するスパン２１の軸１０と射影面１１に対して行うものである。断面設定部４において点群データ６の座標変換を行う。これは、その点７（Ｐｋ）がｊ番目のスパンに属するとして、その軸１０に直交する射影面１１内にｕｖ軸をとり、以下のように（ｕｋ，ｖｋ）、（θｋ，ｒｋ）に変換する。ここでは、ｕを水平面内にとる。ｊ番目のスパン２１の軸１０の方向ベクトルをｗｊとしその単位ベクトルをｅｗｊ、ｕ，ｖ軸方向の方向単位ベクトルをそれぞれｅｕｊ，ｅｖｊとして変換を行う。
これはつまり、図１４に示すようなカーブのあるトンネルを、図２０に示すように、各スパン２１の軸１０が一つの直線上にのるように、スパンごとに属する点７を変換し、一つの射影面１１へ射影することに相当する。
【００６２】
ステップＳＴ２７にて平均断面１３を設定する。
ステップＳＴ３６では、変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。このとき、各点が属するスパン情報も併せて読み出す。
ステップＳＴ３７での（θｋ，ｒｋ）への変換では、上記ステップＳＴ３５での変換のように、点Ｐｋが属するスパンをｊとすれば、ｊ番目のスパンの軸１０を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップＳＴ７にて各点の変状Ｄｋを算出する。
【００６３】
以上の動作により、カーブ部分や勾配が変化している部分があり、大域的な変状があるような場合でも、点群データ６から各点７におけるトンネルの覆工面９の変状を計測することができる。
【００６４】
尚、上記実施の形態３では、セントル１００による覆工時のスパン２１ごとに処理を実行したが、上記実施の形態２と同様に、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパン２１に係わらず、例えば１０ｍごと、というように区分を分割構成してもよい。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点２３の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
【００６５】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパンごとに軸１０を求め、点群全体で平均断面１３を求めて基準面１４を構成することになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに軸１０、トンネル８全体で平均断面１３を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
【００６６】
以上説明したように、実施の形態３のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は軸を補正する軸補正部を備え、軸設定部は区分された点の集合ごとに軸を設定し、軸補正部は点の集合ごとに設定された軸が連続になるように補正し、断面設定部が設定した断面と連続な軸によって基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても、変状を計測することができる。
【００６７】
実施の形態４．
図２２は本発明の実施の形態４によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。設置物判定手段である設置物判定装置２７は、変状計測値によってその点がトンネル覆工面上の計測点か、あるいはトンネル内壁に設置された設置物上の点かを判定する。また、基準面設定装置２ｂは、設置物判定装置２７によって設置物上の点と判定された点では無い点群を用いて基準面１４を設定するよう構成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００６８】
図２３は設置物の点群の判定を示す説明図である。
トンネルの内壁には照明灯や換気装置など多くの設置物が存在している。これらの多くは覆工面９の面上から内側に出ており、これらを計測した点２８も含めて平均断面１３と基準面１４を求めたのでは、基準面１４が本来の覆工面９から外れてしまい、正しい変状が計測できないことになる。そこで、本実施の形態では、基準面１４を用いてまず設置物点群の判定と除去を行い、改めて基準面１４を設定し直すように動作させる。
【００６９】
本発明の実施の形態４によるトンネル変状計測装置の動作を図２４のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、その説明を省略する。
基準面設定装置２ｂにおいては、実施の形態１での動作と同一となるステップＳＴ１からステップＳＴ７までの動作フロー中、ステップＳＴ４１の、設置物上の点と判定されている点２８を処理対象から除く動作が付加されている。なお、最初の動作においては、点群データ６はすべて設置物とは判定されていないため、除かれる点はない。
【００７０】
ステップＳＴ７において変状を算出した後、ステップＳＴ４２では、設置物判定装置２７に記憶装置１から変状値を含む点群データ６を読み出す。
ステップＳＴ４３では、変状値によってその点７が覆工面９上の点か、あるいは覆工面９以外の設置物の点かを判定する。これには変状値を用い、図２３に示すように、平均断面１３から内部にＤ０の境界２９を設け、上記のように内側の変状を正とした場合には、Ｄｋ＞Ｄ０の点を設置物の点２８と判定する。例えば、Ｄ０＝０．０５とする。この条件を満たして設置物と判定された場合、それを表すため、例えば、Ｄ＝９９９に変更する。この値は、トンネルの値より十分に大きくする。
【００７１】
ステップＳＴ４４では、設置物と判定された点２８を除いての基準面１４の再計算、更新を行うかどうかを判定し、更新する場合はステップＳＴ１に戻り、そうでなければ処理を終了する。ステップＳＴ４２で新たに設置物と判定された点２８が存在しなければ更新しない。また、所定の回数の更新を既に行っていたときには更新しないように動作させてもよい。ステップＳＴ１に戻った場合、次のステップＳＴ４１では、設置物上の点２８を基準面１４の算出に使用しない。ステップＳＴ７では、覆工面９上の点について変状値を算出し更新する。
【００７２】
以上の動作により、覆工面９上に設置物があり、それを計測した点２８も点群データ６に含まれていたとしても、順次設置物の点２８を取り除いていくように構成しているので、設置物があったとしてもその影響を受けずにトンネルの覆工面９の変状を計測することができる。
【００７３】
なお、上記実施の形態４では、変状が５ｃｍより大きい点を設置物上の点２８としたが、この値はトンネル８の状況によって変更してよい。また、覆工面９から窪んだ設置物がある場合には、外側の変状にも制限を加え、例えば、変状が内外５ｃｍ以上を設置物と判定するように構成してもよい。さらに、平均断面１３を求めた際に範囲１５ごとのｒ値の標準偏差を求め、点７について、それが入る範囲１５の標準偏差の一定倍以上の変状を有するときに設置物と判定するようにしてもよい。
【００７４】
このような構成によれば、覆工面９上の設置物を順次判定して基準面１４の算出において用いないようにすることになる。
このようにトンネル覆工面９上の点のみから基準面１４を設定できるようになり、設置物の影響を受けずに変状を正しく計測することが可能になる。
【００７５】
以上説明したように、実施の形態４のトンネル変状計測装置によれば、点群データに含まれるトンネル内壁に設置された設置物を計測した点を判別する設置物判定手段を備え、基準面設定手段は設置物を計測した点を除いた点群データを用いて基準面を設定するようにしたので、トンネル内壁の設置物の影響を受けずにトンネルの変状を計測することができる。
【００７６】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は図１に示す実施の形態１によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図と同一である。
図２５は軸の変更を示す説明図である。
本発明のトンネル変状計測装置で求めた基準面１４を利用し、時間をおいて計測した点群データ６の変状を計測できれば、変状の時間的な変化を捉えることができる。しかしながら、既存の基準面１４との差によって、その後あるいは過去に計測した同一トンネル８の別の点群データ６の変状とすることはできない。これは、点群データ６の座標値にその時々の計測誤差が含まれるためである。例えば、モービルマッピングシステムで用いられるネットワーク型ＲＴＫ（Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）−ＧＰＳの方式では数ｃｍの誤差が生じる。これは変状量より大きい。一方、点どうしの相対的な位置は、慣性航法装置やレーザスキャナの精度が高いことから、正確に得られている。つまり、絶対的な座標値が誤差を有するので軸１０は過去のものと一致しないが、仮に軸１０を一致させれば、相対誤差は小さいので、その平均断面１３はそのまま使えることになる。既存の基準面１４の軸１０を対象の点群に対して新たに求めた軸１０ｂに置き換えればよい。即ち、実施の形態５における基準面設定装置２は、点群データ６を用いて断面設定部４が設定した断面１３と、この設定に用いた点群データ６を計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データ６を用いて軸設定部３が設定した軸１０ｂとで基準面１４を設定する。その他の構成については実施の形態１と同様である。
【００７７】
本発明の実施の形態５によるトンネル変状計測装置の動作を図２６のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
記憶装置１には、以前に同一トンネルを計測した別の点群データ６に対して、実施の形態１の動作を実行して求めた軸１０と平均断面１３からなる基準面１４のデータが、既に格納されているとする。
ステップＳＴ１からステップＳＴ２までの動作により、新たな点群データ６からトンネル８の軸１０ｂを得る。
【００７８】
ステップＳＴ５１では、基準面設定装置２が既存の軸１０をステップＳＴ１からステップＳＴ２までの動作により求めた軸１０ｂに更新する。なお、対象の点群データ６に対しての平均断面の算出は行わない。本実施の形態５の目的は、過去の形状に対する変状を求めることであり、その基準は過去の平均断面１３となる。
ステップＳＴ５以降で、新たに求めた軸１０ｂと既存の平均断面１３で構成される基準面１４に対して、点群データ６の変状を求める。
【００７９】
図２５は、新たに求めた軸１０ｂと既存の平均断面１３によって得られる基準面１４による変状算出を示している。点群データ６の点７はその計測時点の誤差を有するため、既存の軸１０には合致しない。新たに求めた軸１０ｂにて変状を算出する。
以上の動作により、既存の基準面からの変状値を計測することができる。
【００８０】
このような構成によれば、軸を更新することによって、同一トンネル８の別の時点の基準面１４を変状計測の基準面としている。
このように同一トンネル８の別の時点の基準面１４を利用できるようになり、変状の時間的な変化を確実に計測することが可能になる。
【００８１】
以上説明したように、実施の形態５のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段は、点群データを用いて断面設定部が設定した断面と、この設定に用いた点群データを計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データを用いて軸設定部が設定した軸とで基準面を設定するようにしたので、経時的な変化がある場合でも変状を正しく計測することができる。
【００８２】
実施の形態６．
図２７は本発明の実施の形態６によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。
描画手段である描画装置３０は、点群データ６を入力し、コンピュータグラフィックスにより、強調度設定手段である強調度入力装置３１から入力されているパラメータ値に従って変状を強調して正投影図や中心投影図として描画し、表示装置３２に表示する。その他の構成については実施の形態１と同様である。
図２８は変状を強調した座標値を示す説明図である。
【００８３】
本発明の実施の形態６によるトンネル変状計測装置の動作を図２９のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
本発明の実施の形態１の動作と同一のステップＳＴ１からステップＳＴ７までの動作が実行され、点群データ６の変状値が計測されて記憶装置１に格納されている。
【００８４】
ステップＳＴ６１では、描画装置３０が記憶装置１から点群データ６とその変状値、さらに軸１０と平均断面１３からなる基準面１４のデータを読み出す。
ステップＳＴ６２では、描画装置３０は強調度入力装置３１にて入力された変状を強調するパラメータγを読み取る。強調度入力装置３１は、例えばマウスやキーボードなどの入力デバイスによって構成され、入力がなされなかった場合は、以前に入力された最新の値、あるいは、固定の例えばγ＝５を描画装置３０に渡す。
【００８５】
ステップＳＴ６３では、変状を強調した描画を行うための各点の座標値を計算する。図２８に示すように、点Ｐｋ（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）の描画用の点７ａ（Ｐ’ｋ）の座標値（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）は、基準面１４からの差（変状）Ｄｋをγ倍にした位置の点の座標値で、以下のようになる。
ここで、点７の極座標（θｋ，ｒｋ）、また、ｕｖ軸方向の方向単位ベクトルであるｅｕ、ｅｖを用いる。これらは、軸１０と平均断面１３のデータからここで算出してもよいし、ステップＳＴ３にて求めた後、記憶装置１に格納しておき、これを読み出すように構成してもよい。また、
は基準面１４に対する変状の方向を表すベクトルになり、これにＤｋを乗じたものが点７に含まれる変状の成分３３である。点７の座標値（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）には基準面１４に対してこの変状の成分が含まれていることになるため、実施の形態３中に示した式において第２項の係数はγ−１になる。
【００８６】
ステップＳＴ６４では、描画用の座標値（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）により、３次元コンピュータグラフィックスによって投影図画像を描画し、表示装置３２に表示する。γ＝１が入力されていれば点群データ６がそのままの座標値で描画され、γ＝０が入力されていれば各点７が基準面１４上に投影されて描画されるので基準面１４の形状を描画されることになる。
【００８７】
ステップＳＴ６５では、γを変更して再度描画するかどうかを判定し、再度描画する場合は、ステップＳＴ６２に、そうでなければ終了する。これは、例えば、マウスやキーボードなどの入力デバイスによって行う。
【００８８】
以上の動作により、変状を強調した点群データ６の画像を描画、表示することができる。通常、覆工面９の変状は小さく、点群データ６をそのまま表示したのではどこに変状が出ているのかを見て取ることはできない。変状を強調することで視覚的な理解が可能になる。
【００８９】
なお、上記実施の形態６では、点群データ６の投影図を描画するものとして説明したが、これに限るものではなく、例えば、ある地点での断面図など、他の形式の図面の描画にも適用できる。
また、変状を強調するために座標値を変更して描画するように構成したが、座標値にて強調するのではなく、例えば、変状の値によって描画時の色や輝度をγＤｋの値に従って変更し、描画色にて強調するように構成してもよい。
【００９０】
このような構成によれば、点群データ６の各点７に対し、その基準面１４からの変状を一定倍した点を描画用座標値とするようになっている。
このように変状を一定倍して描画することにより、変状の現れている位置や変状のパターン、傾向を視覚的に容易に把握することが可能になる。
【００９１】
以上説明したように、実施の形態６のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおける任意の点を描画する描画手段と、描画した結果を表示する表示手段と、描画時の変状の強調度を指定する強調度入力手段とを備え、描画手段は、強調度入力手段から入力された描画時の変状の強調度を示すパラメータ値を点群データの任意の点の座標値に含まれる変状成分に乗じ、変状を強調した座標値を持つとして任意の点を描画するようにしたので、変状の計測結果を分かり易く表示することができる。
【００９２】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は、図１３に示す本発明の実施の形態２の構成を示すブロック図と同一である。上記実施の形態３では、軸１０はスパン２１単位に、平均断面１３は全体の点群データ６を用いて設定する際に、基準面設定装置２の軸補正部２５にて、軸１０の端点１６の補正を行い、軸１０がスパン２１間で連続につながるようにした。これは、本来、スパン２１間が滑らかに接続するように施工されていることを想定したものであるが、セントル１００の移動時のずれによって各スパン２１は必ずしも滑らかには接続せず、軸１０の端点はスパン２１間で連続とはなっていない状況も考えられる。このような場合は、補正処理がよくない影響を及ぼす。そこで、本実施の形態７では、スパン２１単位で求めた軸１０により、全体の点群を用いて平均断面１３を設定する際に、軸１０の端点の補正は行わないようにしたものである。
【００９３】
本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を図３０のフローチャートによって説明する。図２１に示す本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
ステップＳＴ２４までで、点群データ６をスパン２１ごとに区分し、各スパン位置を示す補助中心線２２が求まっている。さらに、ステップＳＴ３２までで、すべてのスパン２１について軸１０が求まっている。ステップＳＴ３４で、基準面設定装置２に、再度、記憶装置１から全ての点群データ６を読み込む。
【００９４】
ステップＳＴ７１では、実施の形態１のステップＳＴ３と同様の動作を、点７が属するスパン２１の軸１０のデータを用いて行う。
ステップＳＴ２７にて全ての射影点１２を用いて平均断面１３を設定する。
ステップＳＴ３６で変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。
ステップＳＴ７２では、（θｋ，ｒｋ）への変換では、上記ステップＳＴ７１での変換のように、点Ｐｋが属するスパンの軸１０を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップＳＴ７にて各点の変状Ｄｋを算出する。
以上の動作により、各スパンが滑らかに接続していないような場合でも、点群データ６から各点７におけるトンネル覆工面９の変状を計測することができる。
【００９５】
なお、上記実施の形態７では、セントル１００による覆工時のスパン２１ごとに処理を実行したが、実施の形態２と同様に、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパン２１に係わらず、例えば１０ｍごと、というように区分を分割構成してもよい。
【００９６】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパンごとに軸１０を求め、点群全体で平均断面１３を求めて基準面１４を構成することになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに軸１０、トンネル８全体で平均断面１３を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
【００９７】
以上説明したように、実施の形態７のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても、変状を計測することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 記憶装置、２，２ａ，２ｂ 基準面設定装置、３ 軸設定部、４ 断面設定部、５ 変状算出装置、６ 点群データ、７，７ａ 点、８ トンネル、１０，１０ｂ 軸、１１ 射影面、１３ 平均断面、１４ 基準面、１８ 平均断面点、２０ 点群区分装置、２５ 軸補正部、２７ 設置物判定装置、３０ 描画装置、３１ 強調度入力装置、３２ 表示装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ計測などによって得たトンネル覆工面の３次元の点群データから、トンネルの各地点の変状の度合いを表す量を計測するトンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの維持管理においては、コンクリートの落下や崩落事故を未然に防ぐため、その覆工面における浮き、剥がれや荷重による凹凸変形などの変状を計測することが重要である。しかしながら、供用から長く時間が経過して設計断面を示す資料が散逸しているものも多く、また、設計資料があったとしても、厳密にその寸法どおりに施工されているとは限らない。さらに、過去にレーザ等による詳細な計測が行われているトンネルは稀である。従って、レーザ測量等によって形状を計測しただけでは、変状が大きいのか、あるいは、もともとそのように施工されているのかを判断することは難しい。このため、何らかの方法で施工時の初期の形状、つまり、変状を生じる前の形状を推定した上で変状量を計測することになる。
【０００３】
このような従来のトンネル変状計測装置として、レーザ計測を用いて変状の調査を行う方法があった（例えば、特許文献１参照）。この文献に記載された方法では、断面が一定の曲率半径を有するように設計されたトンネルについて、レーザ計測を行うトンネル断面測定機をトンネル内部に設置し、トンネル内の複数地点で断面上に沿ってレーザ計測を行い、断面上に並んだレーザ照射点列の３次元座標値を求める。こうして得た点列の座標値から断面ごとに曲率半径を計算する。さらに、これらの曲率半径の値を平均した値を初期の曲率半径とし、各断面の曲率半径との差をその断面における変状とする。これは、トンネルでは、スライドセントルと呼ばれるかまぼこ型の型枠を順次軸（長尺）方向に移動させつつコンクリートが覆工されることから、初期の覆工面の形状は用いたセントルによって決まる同一の曲率半径をもつと考えられ、この初期の曲率半径の値を各断面の形状から計算した値の平均値として求めるものである。これにより、設計断面の情報や、過去の計測データがなくとも、変状を調査することを可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３２９５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような変状計測方法では、一定の曲率半径の断面をもつトンネルを対象とするのみであり、それ以外の断面形状のトンネルには適用できないという問題点があった。さらに、一つの断面上の点に対して一つの曲率半径を算出するため、曲率半径値が合致すれば変状はないとされることになり、例えば、その断面部分のみが平行移動しているような変状や、断面内にて凹凸が繰り返されて結果的に同一の曲率半径値になるといった変状を計測することができないという問題点があった。さらに、断面内のどこに大きな変状が出ているかを特定できないという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、断面の形状にかかわらず変状を計測できるとともに、平行移動しているような箇所を検知でき、さらに、各計測点各々の変状値を計測できるトンネル変状計測装置及びトンネル変状計測方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るトンネル変状計測装置は、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、点群データにおける任意の点と基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のトンネル変状計測装置は、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸と断面を求め、これら軸と断面とに基づいて基準面を設定し、任意の点と基準面との差を変状として算出するようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、断面の形状にかかわらず変状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による変状計測装置の点群を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１による変状計測装置の点群データを示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１による変状計測装置のセントルと断面との関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１による変状計測装置の射影パターンを示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１による変状計測装置の軸上の点を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１による変状計測装置の軸データを示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１による変状計測装置のｕｖ平面で軸を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１による変状計測装置の平均断面を極座標で示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による変状計測装置の平均断面データを示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による変状計測装置の変状を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２による変状計測装置を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による変状計測装置のトンネルとスパンとの関係を示す説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による変状計測装置のスパンデータを示す説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による変状計測装置の平均断面を求める動作を示す説明図である。
【図１７】本発明の実施の形態２による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態３による変状計測装置を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施の形態３による変状計測装置の軸データを示す説明図である。
【図２０】本発明の実施の形態３による変状計測装置の射影パターンを示す説明図である。
【図２１】本発明の実施の形態３による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の実施の形態４による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２３】本発明の実施の形態４による変状計測装置の設置物の点群の判定を示す説明図である。
【図２４】本発明の実施の形態４による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２５】本発明の実施の形態５による変状計測装置の軸の変更を示す説明図である。
【図２６】本発明の実施の形態５による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図２７】本発明の実施の形態６による変状計測装置を示すブロック図である。
【図２８】本発明の実施の形態６による変状計測装置の変状を強調した座標値を示す説明図である。
【図２９】本発明の実施の形態６による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図３０】本発明の実施の形態７による変状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置を示すブロック図である。
図示のトンネル変状計測装置は、記憶装置１、基準面設定装置２、変状算出装置５からなり、基準面設定装置２は、軸設定部３と断面設定部４とを有している。本実施の形態では、記憶手段である記憶装置１に記憶されたトンネルを計測した３次元の座標値からなる点群データに対して、基準面設定手段である基準面設定装置２はその軸設定部３にてトンネルの軸を求めて設定し、断面設定部４にてトンネルの平均的な断面形状である平均断面を求め、その平均断面を軸の方向に掃引した面をトンネルの基準面とする。そして、変状算出手段である変状算出装置５は、点群データの各点について基準面との距離を計算し、その値を変状の値として記憶装置１に格納する。
【００１１】
図２と図３は点群データ６の内容を示す説明図である。各点７はトンネル８の覆工面９を計測したもので、（ｘ，ｙ，ｚ）の３次元座標値を有している。点はＫ個あるとし、そのｋ番目の点Ｐｋの座標値を（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）で表す。ｘ，ｙ，ｚは平面直角座標系であってもよいし、適宜原点をとって、例えば東向きにｘ、北向きにｙをとった座標系でもよい。単位は例えばｍとする。以下、ｘ，ｙ，ｚは右手系としてｚ軸を鉛直上向きとして説明する。この点群データ６は、例えば、図３に示すような形式にて記憶装置１に格納されている。
図４から図１１は、基準面の設定と変状の計測について説明する説明図である。
【００１２】
点群データ６は、例えば、車両など移動体を走行させながら、周囲の対象空間の３次元形状を取得する三次元形状計測システムであるモービルマッピングシステムによって計測されたものである。モービルマッピングシステムでは、車両にＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）とジャイロスコープ等の慣性航法装置や車速パルスから移動距離を算出するオドメトリ装置といった測位機器、それとレーザスキャナを搭載して、周囲の地物の座標値を点群データ６として取得する。ＧＰＳと慣性航法装置によって自車両の位置と姿勢を正確に計測し、これにレーザスキャナによって対象物までの変位を計測、加算することによって、レーザパルスが照射された地点の３次元座標を取得する。レーザスキャナは、距離計測方向であるレーザパルスの照射方向をその回転面内で回転させながら順次照射し、照射方向にある物体までの距離を計測していく。１周期の回転で１つの面上の点群が得られ、さらに車両を進行させることにより、対象空間にわたる点群データ６を取得していく。トンネル内ではＧＰＳ測位ができないものの、慣性航法とオドメトリを用いて測位を行い、トンネル前後のＧＰＳ計測値を参照することで、トンネル内でも正確な三次元座標値を与えている。
【００１３】
モービルマッピングシステムでは、レーザスキャナのパルス照射間隔、スキャン周期が小さいため、密な点群データ６を得ることができる。現在のシステムにおける一例では、レーザスキャナの照射角度の間隔が１度である。車両に設置されたレーザスキャナからトンネルの覆工面９までが５ｍあったとすると、覆工面９上での計測点の間隔は約９ｃｍになる。また、スキャン周期は１／７５秒であり、車両が時速３０ｋｍで走行して計測を行ったとすると、車両の進行方向には約１１ｃｍ間隔で点が並ぶことになる。速度を落とせばさらに密な点群を得ることもできる。このように、トンネル８内の全域あるいは特定の範囲にて、詳細にトンネルの覆工面９の点群を得ることができる。このようなモービルマッピングシステムについては、例えば「車で走行しながら三次元座標を記録」日経コンストラクション，２００８／１０／２５号、１７ページ、日経ＢＰ社、２００８年発行に示されている。
【００１４】
もちろん、点群データ６はモービルマッピングシステムには限らず、他の計測装置、例えば、据え置き型のレーザスキャナやトータルステーションなどの測量機器を用いて計測したものであってもよい。
【００１５】
次に、点群データ６を用いた、変状を呈する前のトンネルの形状である基準面の設定について図４を用いて説明する。上述の通り、トンネルの覆工面９はセントル１００を用いて軸方向に移動しながらコンクリートが覆工される。セントルによる型枠が十分に正確な柱状の面を持っていると仮定すれば、トンネルの覆工面９の形状はセントル１００で決まる一定の断面１００ａを軸方向に移動させたものになる。この断面１００ａは、トンネルによって多彩であり、また、セントル１００の製作時の状況によっては設計断面と完全に合致するものにはならないことも有り得る。一方、軸１０の方向には同一の断面形状が続くとみなすことができる。よって、点群データ６を軸方向に射影して重ねることで、そのトンネル固有の断面形状を求めることができる。
【００１６】
図５に示すように、変状がないならば、点群データ６を軸１０に直交する射影面１１に射影すると、その射影点１２はトンネル断面を表す線パターン上にのる。この射影パターンによって断面形状を得ることができる。点群データ６に変状があったとしても、射影点１２の平均位置をとることで変状の影響をなくすことができる。こうして射影パターンからトンネル本来の断面形状を表す平均断面１３を求める。この平均断面１３をトンネルの軸１０の方向に掃引した面を基準面１４とする。言い換えれば、基準面１４は、平均断面１３を底面とし、直交する軸１０を持つ柱体の側面である。点７に変状がある場合には、その点７と基準面１４との差が大きくなるので、その差の値によりトンネルの変状を表す。
【００１７】
さて、この基準面１４を設定するには、点群データ６から、先ずトンネルの軸１０を求めなければならない。これには、例えば、藤田武洋、佐藤宏介、井口征士著「局所曲面形状解析に基づくビンピッキングのためのビジョンシステム」、電子情報通信学会論文誌Ｄ−ＩＩ、Ｖｏｌ．Ｊ７３−Ｄ−ＩＩ、Ｎｏ．１、４６−５３ページ、１９９０年発行、に示された点群データ６を円柱１５（図６参照）で近似する際に軸を求める手法を用いる。この文献では、点群ごとに法線ベクトルを算出し、それら全体に最も直交する方向として軸を求めている。この手法は円柱に限らず柱体であれば適用できる。この手法によって求めた軸１０をトンネル８の内部を通過するように調整する。これには、例えば、上記文献に示された手法で点群データ６を円柱で近似し、その中心軸とする。あるいは、点群データ６の重心を通るようにするか、モービルマッピングシステムでの計測時に、その車両の走行軌跡が得られている場合は、車両通過時の１点を軸１０が通るようにする。軸１０の方向については、他の手法により、例えば、点群データ６の慣性主軸のうちトンネルの長手方向に近いもので定義する、あるいは、モービルマッピングシステムでの計測において、一回のスキャン内に左右の覆工面９の点が同等に含まれているならば、その中から水平方向に最も離れる２点を求め、その中点を最小二乗法で近似する直線の方向としてもよい。またあるいは、例えば緯度経度にて道路中心線の座標値が測量されている場合には、これを軸１０として用いるように構成してもよい。モービルマッピングシステムでの計測時に、その車両の走行軌跡が得られている場合は、これを最小二乗近似して得られる直線としてもよい。
【００１８】
以下、図１２のフローチャートを用いて実施の形態１のトンネル変状計測装置の動作を説明する。
ステップＳＴ１では、基準面設定装置２が記憶装置１から点群データ６を読み出す。これは、点群データ６を構成する点群すべてでもよいし、範囲を区切って処理を行う場合には、一部分のみでもよい。
【００１９】
ステップＳＴ２では、基準面設定装置２は軸設定部３にて点群データ６からトンネルの軸１０を求める。これは、例えば、上記のような手法による。この軸１０は、図６に示すような、例えば軸１０上の２つの点１６である点Ａ（ａｘ，ａｙ，ａｚ）と点Ｂ（ｂｘ，ｂｙ，ｂｚ）を用いて、軸１０のデータ１０ａを図７のような形式で記憶装置１に格納する。点１６は、点群について各点７の軸１０へ下ろした垂線の足の両端となる点とする。
【００２０】
ステップＳＴ３では、断面設定部４において、点群データ６の射影を行う。これは、図５に示すように、軸１０に直交する射影面１１に、軸１０に平行に射影する。射影面１１内に直交する２軸ｕ，ｖをとる。ここでは、ｕを水平面内にとる。点群データ６の点７（Ｐｋ）の射影点１２をＱｋとしｕｖ座標で（ｕｋ，ｖｋ）と表す。この（ｕｋ，ｖｋ）は以下のように得られる。軸１０の方向ベクトルをｗとし、その単位ベクトルをｅｗ、ｕ，ｖ軸方向の方向単位ベクトルをそれぞれｅｕ，ｅｖ、ただし、ｅｖは上向きとすれば、
であるので、
であり、これが射影点１２（Ｑｋ）である。
【００２１】
続いて、図８に示すように、ｕｖ平面にて軸１０である原点からの角度θと距離ｒとの極座標で表す。
軸１０は、平均断面１３を近似する円の中心に設定されれば、以下の処理で都合がよい。そこで、極座標で表す前に、再度、射影点１２を最小二乗近似する円の中心にｕｖ座標系の原点を設定し直し、射影点１２の座標値を変換し、また、軸１０の両端の座標値も、それが同様の射影変換の際に原点に射影されるように座標値を変更してもよい。
【００２２】
ステップＳＴ４では、射影点１２から平均断面１３を求める。平均断面１３はθに対してそのｒをθの関数とて表す。図９に示すように、θを例えばαからβまでｄ刻みでＮ点とり、これを順にΘｉ＝１，・・・，Ｎとする。Θｉから±δの範囲１７にある点群からそのｒ値の平均値を求め、これをＲｉとする。すなわち、
である。ここで、αとβは、トンネルの覆工面９をカバーするような値に設定する。また、路面を含めて全周をカバーするようにα＝−π／２、β＝３π／２としてもよい。ｄは例えば１度とする。また、覆工面９上で例えば１０ｃｍになる値を設定してもよい。δは例えばｄ／２とする。ｄはまた、覆工面９上で例えば１０ｃｍ間隔になるように、θによって変化させるようにしてもよい。この（Θｉ，Ｒｉ），ｉ＝１，・・・，Ｎで表される平均断面点１８をＳｉとし、点列Ｓｉ，ｉ＝１，・・・，Ｎで平均断面１３を表す。この平均断面１３のデータ１３ａを図１０のような形式で記憶装置１に格納する。この平均断面１３と軸１０とにより基準面１４が構成される。
【００２３】
ステップＳＴ５では、変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。これは、点群データ６を構成する点群すべてでもよいし、一部分のみでもよいし、１点ずつ処理する場合は１点のみでもよい。
以下では、各点７の変状を計算する。これは点７と基準面１４との差であり、これは点７の射影点１２と平均断面１３との差で得られる。
【００２４】
ステップＳＴ６では、上記ステップＳＴ３にて行ったのと同様に、点群の座標値を射影面１１上の極座標（θ，ｒ）に変換する。このとき、記憶装置１に格納されている軸データを用いる。あるいは、基準面設定手段２は上記ステップＳＴ３で得た（θｋ，ｒｋ）座標を記憶装置１に格納するように構成し、本ステップはその変換した座標値を読み出すように構成してもよい。
【００２５】
ステップＳＴ７では、点群の変状量を算出する。前のステップにて点群の座標値から（θｋ，ｒｋ）に変換している。平均断面１３はそのｒをθの関数として求めているので、θの値によって決まる平均断面１３のｒとの比較によって、その点が基準面１４上にあるか、あるいはその内側または外側に変位しているかを計測できる。これは、記憶装置１に格納されている平均断面データを用いて以下のように実行する。θｋに対する平均断面１３のｒ値をＲ（θｋ）とすれば、Ｒ（θｋ）は平均断面データの値を補間して、
として平均断面１３上、θ＝θｋの点１９（θｋ，Ｒ（θｋ））を得る。ここでは、一次補間にて説明したが、より高次の多項式補間など他の補間方式を用いてＲを計算するようにしてもよい。
【００２６】
図１１に示すように、このＲ（θｋ）を用いて点Ｐｋにおける変状Ｄｋを、
のように求める。尚、ここでは覆工面外側への変状を正で表した。求めた変状値Ｄｋを記憶装置１に格納する。
【００２７】
以上の動作により、点群データ６から各点７における覆工面９の変状を計測することができる。
【００２８】
尚、上記実施の形態１では、平均断面１３を定義する点列Ｓｉを（Θｉ，Ｒｉ）によって表したが、平均断面１３が定義できるならば、他の座標系、形式であっても構わない。例えば、平均断面１３を円や楕円で近似し、Θｉに対してその天端部から測った円または楕円の距離をΘｉに代えて用いるようにしてもよい。
また、平均断面１３を定義する点列Ｓｉを極座標（Θｉ，Ｒｉ）によって表したが、射影面上のｕｖ座標によって表してもよい。さらに、点Ｐｋにおける変状Ｄｋを、Ｑｋと点列Ｓｉを順次結んでできる連続線分との距離によって算出するようにしてもよい。
また、軸１０の方向ベクトルｗ、またはその単位ベクトルｅｗを軸のデータ１０ａとして格納するように構成してもよい。
また、スライドセントル１００を用いて覆工されたトンネルを想定して説明したが、これに限るものではなく、他の工法によって施工されたトンネルに対しても同様に実行できる。
【００２９】
このような構成によれば、点群データ６からトンネル８の軸１０と平均断面１３を求め、覆工面９の変状前の形状である基準面１４を構成する。各点７と基準面１４との差は、その点が変形前の面からどれだけ変位しているかを表すことになる。
このようにトンネル８の軸１０と平均断面１３とにより基準面１４を設定することにより、断面の形状にかかわらず基準面１４が構成できて変状を計測することが可能になる。また、大域的に平行移動する変状においても、移動した部分の点群は基準面１４との差が出るので、変状を算出することが可能になる。さらに、点ごとに基準面１４との差によって変状が計測できるため、各計測点各々の変状値を計測することが可能になる。
【００３０】
以上説明したように、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、点群データにおける任意の点と基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円でなくともトンネルの変状を計測することができる。
【００３１】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段の軸設定部が設定する軸は、トンネルを近似する柱体の軸と同一の方向を有する線分または直線またはベクトルであるようにしたので、トンネルの変状を正しく計測することができる。
【００３２】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段の断面設定部が設定する断面は、軸に直交する面に対して、軸に平行に射影したそれぞれの点の射影パターンを近似する点列であるようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円形でなくとも、断面の形状を推定して変状を計測することができる。
【００３３】
また、実施の形態１のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段は断面設定部が設定する断面を軸設定部が設定する軸の方向に掃引した面を基準面として設定するようにしたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円形でなくとも、変形前の形状を基準面として推定して変状を計測することができる。
【００３４】
また、実施の形態１のトンネル変状計測方法によれば、３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの変状を計測するトンネル変状計測方法において、基準面設定手段により行われ、点群データからトンネルの軸を抽出すると共にトンネルの断面を設定し、かつ、軸と断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定工程と、変状算出手段により行われ、点群データにおける任意の点と設定された基準面との差をその点の変状として算出する変状算出工程とを備えたので、変形前の断面形状を示すデータがなくとも、また、断面が円でなくともトンネルの変状を計測することのできるトンネル変状計測装置を実現することができる。
【００３５】
実施の形態２．
図１３は本発明の実施の形態２によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。点群区分手段である点群区分装置２０は、トンネル８がカーブしている場合や勾配が変化する場合に適切な平均断面１３を設定するため、特にセントル１００を用いて一度に覆工した範囲を示すスパンに点群を分割する。すなわち、点群区分装置２０は、点群データ６におけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する。そして、本実施の形態では、スパンごとに軸１０を設定することで、カーブや勾配が変化しているトンネル８においても、適切な平均断面１３と基準面１４が得られるようになる。基準面設定装置２および変状算出装置５の基本的な構成は実施の形態１と同様であるため、該当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
図１４と図１５と図１６はスパン単位での変状計測を説明する説明図である。
トンネル８の中にはカーブしているものもあり、勾配も一様とは限らない。このような場合、トンネル８の軸１０を直線としたのでは射影面１１で断面が重ならず正しい平均断面１３を得ることはできなくなる。従って、基準面１４との差で得られる変状も適切なものにはならない。
一方、カーブ箇所や勾配の変化箇所でも、セントル１００を用いてコンクリートが覆工されることに変わりはない。このため、一度に覆工された範囲はセントル１００で決まる断面をもっている。そこで、図１４に示すように、トンネル８を覆工時の範囲であるスパン２１に区分し、それぞれにて個別に基準面１４を求める。
【００３７】
本発明の実施の形態２によるトンネル変状計測装置の動作を図１７のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけている。
【００３８】
ステップＳＴ２１では、点群区分装置２０は、記憶装置１から点群データ６と図１５に示すようなスパンデータ２１ａを読み込む。スパンデータ２１ａはＭ個のスパン２１の軸方向の長さＬｊ，ｊ＝１，２，・・・，Ｍを有しているもので、この長さＬｊは、例えば、トンネル８の設計資料や調査資料から与えられる。あるいは、スパン２１の境界では目地の凹凸が顕著になる場合もあり、点群データ６を３次元グラフィックス表示して計算機のマウスやキーボードなどの入力デバイスにより対話的に目地がくる位置を指定して長さＬｊを入力して作成してもよい。
【００３９】
ステップＳＴ２２では、点群データ６から補助中心線２２を求める。これは、点群データ６を区分するためにトンネル８のカーブや勾配変化に追随するように表した中心線である。例えば、点群データ６を多項式近似して求める。これは例えば、ｘｙ平面上で近似曲線を求め、さらに、曲線状の距離に対するｚ値（高さ）を多項式近似する。トンネル８の一定間隔ごとに近似するようにしてもよい。もちろん、他の方法にて補助中心線を算出してもよい。
【００４０】
ステップＳＴ２３では、スパン２１ごとの区分点２３を求める。これは補助中心線２２上、スパンデータ２１ａで与えられる距離の点を順次求め、これを区分点２３としたもので、スパンの境界に対応する点である。上記のように補助中心線２２が与えられている場合、距離は点列の連続する２点間の距離を順次積算したものとなる。区分点２３を順にＴｊ（ｔｘｊ，ｔｙｊ，ｔｚｊ），ｊ＝１，・・・，Ｍ＋１とする。区分点２３の数はＭ＋１個となる。
【００４１】
ステップＳＴ２４では、点群データ６がどのスパン２１に属するかを求め、その番号を与える。これは、例えば、ｊ番目のスパン２１を規定する２個の区分点２３の座標値は（ｔｘｊ、ｔｙｊ、ｔｚｊ），（ｔｘｊ＋１，ｔｙｊ＋１，ｔｚｊ＋１）であるので、この２点を結ぶ線分２４のベクトルをｃｊ＝（ｔｘｊ＋１−ｔｘｊ，ｔｙｊ＋１−ｔｙｊ，ｔｚｊ＋１−ｔｚｊ）として、
の場合に、その点７はｊ番目のスパン２１に属すとする。これは、点７からの線分２４がのる直線へ下ろした垂線の足がこの線分２４内に入る場合である。尚、ｊ番目の区分点（ｔｘｊ，ｔｙｊ，ｔｚｊ）近傍の点７は、ｊ−１番目のスパンとｊ番目のスパンのどちらにも属すか、あるいはどちらにも属さないといった状況になる。そこで、さらに、ｃｊとｃｊ−１を用い、
の場合にｊ番目のスパンに属し、そうでないときにｊ−１番目のスパンに属すとする。これは、ＴｊからＰｋに向かうベクトルとｃｊ、−ｃｊ−１とのなす角を比較し、小さくなる方のスパンに属すとするものである。Ｔｊを起点にするため、ｃｊ−１は符号を負にしている。ｋ番目の点Ｐｋがｊ番目のスパンに属す場合、Ｐｋのデータにｊ番目のスパンを示すデータを付加して記憶装置１に記憶する。
【００４２】
ステップＳＴ２５では、スパン２１のうち未処理の一つを対象として、基準面設定装置２は記憶装置１からそのスパンに属する点群データ６を読み込む。
【００４３】
ステップＳＴ２６では、スパン２１ごとに、図１６に示すように、上記実施の形態１でのステップＳＴ２の動作と同様に軸１０を求める。尚、区分点２３近傍の点群は、本来含まれるスパンとは異なるスパンに属すると判定される可能性がある。そこで、区分点２３からの補助中心線２２に沿った距離が、例えば１０ｃｍ以下となる場合、その点は軸１０の設定には用いないようにする。ｊ番目のスパン２１を規定するのはｊ番目とｊ＋１番目の区分点２３であり、両者を結ぶ線分に沿ったｊ番目とｊ＋１番目の区分点２３からの点７の距離をそれぞれλｊ，λｊ＋１とすれば、
であり、この値の一方が１０ｃｍ以下となる場合は軸１０の設定には用いないようにする。
【００４４】
ステップＳＴ２７では、ステップＳＴ３にて変換した（θｋ，ｒｋ）を用いて、上記実施の形態１のステップＳＴ４と同様に平均断面１３を設定する。ただし、ここでも区分点２３近傍の点群は平均断面１３の設定に用いない。
【００４５】
ステップＳＴ２８では、現在の対象スパン２１について、変状算出装置５は記憶装置１からそのスパン２１に属する点群データ６とそのスパン２１の基準面１４のデータを読み込む。以下、ステップＳＴ６、ステップＳＴ７で変状を計測する。
【００４６】
ステップＳＴ２９では、すべてのスパン２１について変状を算出する処理を終えたかどうかを判定し、そうであれば終了し、そうでなければステップＳＴ２５に戻る。
【００４７】
以上の動作により、カーブ部分や勾配が変化している部分でも、点群データ６から各点７におけるトンネル覆工面９の変状を計測することができる。
【００４８】
尚、上記実施の形態２では、セントル１００による覆工時のスパンごとに処理を実行したが、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパンに係わらず、例えば１０ｍごと、というようにスパン２１を分割構成してもよい。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点２３の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
【００４９】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパン２１の単位で基準面１４を求め、点群データ６と基準面１４との差によって点群データ６が変状前の面からどれだけ変位しているかを表すことになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに基準面１４を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分でも変状を計測することが可能になる。
【００５０】
以上説明したように、実施の形態２のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても変状を計測することができる。
【００５１】
また、実施の形態２のトンネル変状計測装置によれば、点群区分手段は、トンネル覆工時のセントル位置によって決まる位置でそれぞれの点を区分するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても正しく平均断面を設定することができる。
【００５２】
実施の形態３．
図１８は本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。基準面設定装置２ａの軸補正部２５は、スパン２１ごとに得られている軸１０を連続に接続するように補正する。これ以外は、実施の形態２と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
上記実施の形態２では、スパン２１単位で基準面１４の設定を行った。この場合、一つのスパン２１内が全般的に変形しているような大きな変状があると、変状後の形状が基準面１４となってしまい、変状を検知することができなくなる。そこで本実施の形態では、スパン２１単位に軸１０は設定するものの、平均断面１３は全体の点群データ６を用いて設定することで、広範囲にわたる変状があったとしても基準面１４がその影響を受けないようにする。
【００５４】
軸１０の設定と点群データ６の座標（θ，ｒ）への変換はスパン２１ごとに行い、座標値（θ，ｒ）から平均断面１３を求める処理はすべての点群を対象に実行すれば、カーブや勾配の変化を有するトンネルにおいても、変状を計測することができるようになる。
図１９と図２０は、スパン２１ごとの軸１０による基準面１４の設定を説明する説明図である。
【００５５】
本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を図２１のフローチャートによって説明する。図２１において、図１２および図１７のフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけている。
【００５６】
ステップＳＴ２４までで、点群データ６をスパン２１ごとに区分し、各スパン位置を示す補助中心線２２が求まっている。ステップＳＴ２５で基準面設定装置２ａが記憶装置１から未処理のスパンに属する点群データ６を読み込む。
【００５７】
ステップＳＴ３１では、前のステップで一つのスパン２１に属する点群データ６を記憶装置１から読み込んだ後、実施の形態２のステップＳＴ２６と同様な動作で軸１０を設定する。
【００５８】
ステップＳＴ３２では、すべてのスパン２１について処理を終了したかどうかを判定し、そうであればステップＳＴ３３に進み、そうでなければステップＳＴ２５に戻る。
【００５９】
ステップＳＴ３３では、基準面設定装置２ａの軸補正部２５にて、軸１０の端点１６の補正を行う。これは、軸１０がスパン２１間で連続につながるようにするもので、ｊ番目のスパン２１の終点である端点１６とｊ＋１番目のスパン２１の始点である端点１６を、両者の中点の座標にて置き換える。この中点を以下でｊ＋１番目の節点２６とし、Ｕｊ＋１で表す。節点２６は、他の方法、例えば、ｊ番目の区分中心線とｊ＋１番目の区分中心線それぞれが乗る直線の最短距離を与える点の中点として与えてもよい。ｊ番目の節点２６をＵｊ（ｕｘｊ，ｕｙｊ，ｕｚｊ）とする。
さらに、ｊ番目の節点２６について、例えば前後の一定個数の節点２６を用いて多項式近似しその近似式上に乗るようにｊ番目の節点２６を移動させてもよい。これは変状により軸１０が理想的な位置からずれている場合に、その影響を軽減する効果がある。
節点２６からなる軸１０のデータ２６ａを図１９に示すような形式にて記憶装置１に格納する。
【００６０】
ステップＳＴ３４では、基準面設定装置２ａに、再度、記憶装置１からすべての点群データ６を読み込む。
【００６１】
ステップＳＴ３５では、実施の形態１のステップＳＴ３と同様の動作を、点７が属するスパン２１の軸１０と射影面１１に対して行うものである。断面設定部４において点群データ６の座標変換を行う。これは、その点７（Ｐｋ）がｊ番目のスパンに属するとして、その軸１０に直交する射影面１１内にｕｖ軸をとり、以下のように（ｕｋ，ｖｋ）、（θｋ，ｒｋ）に変換する。ここでは、ｕを水平面内にとる。ｊ番目のスパン２１の軸１０の方向ベクトルをｗｊとしその単位ベクトルをｅｗｊ、ｕ，ｖ軸方向の方向単位ベクトルをそれぞれｅｕｊ，ｅｖｊとして変換を行う。
これはつまり、図１４に示すようなカーブのあるトンネルを、図２０に示すように、各スパン２１の軸１０が一つの直線上にのるように、スパンごとに属する点７を変換し、一つの射影面１１へ射影することに相当する。
【００６２】
ステップＳＴ２７にて平均断面１３を設定する。
ステップＳＴ３６では、変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。このとき、各点が属するスパン情報も併せて読み出す。
ステップＳＴ３７での（θｋ，ｒｋ）への変換では、上記ステップＳＴ３５での変換のように、点Ｐｋが属するスパンをｊとすれば、ｊ番目のスパンの軸１０を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップＳＴ７にて各点の変状Ｄｋを算出する。
【００６３】
以上の動作により、カーブ部分や勾配が変化している部分があり、大域的な変状があるような場合でも、点群データ６から各点７におけるトンネルの覆工面９の変状を計測することができる。
【００６４】
尚、上記実施の形態３では、セントル１００による覆工時のスパン２１ごとに処理を実行したが、上記実施の形態２と同様に、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパン２１に係わらず、例えば１０ｍごと、というように区分を分割構成してもよい。
また、スパンの長さからなるスパンデータを用いるように実行したが、測量等により区分点２３の座標値が得られているならば、これを直接入力して実行するように構成してもよい。
【００６５】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパンごとに軸１０を求め、点群全体で平均断面１３を求めて基準面１４を構成することになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに軸１０、トンネル８全体で平均断面１３を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
【００６６】
以上説明したように、実施の形態３のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は軸を補正する軸補正部を備え、軸設定部は区分された点の集合ごとに軸を設定し、軸補正部は点の集合ごとに設定された軸が連続になるように補正し、断面設定部が設定した断面と連続な軸によって基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても、変状を計測することができる。
【００６７】
実施の形態４．
図２２は本発明の実施の形態４によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。設置物判定手段である設置物判定装置２７は、変状計測値によってその点がトンネル覆工面上の計測点か、あるいはトンネル内壁に設置された設置物上の点かを判定する。また、基準面設定装置２ｂは、設置物判定装置２７によって設置物上の点と判定された点では無い点群を用いて基準面１４を設定するよう構成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００６８】
図２３は設置物の点群の判定を示す説明図である。
トンネルの内壁には照明灯や換気装置など多くの設置物が存在している。これらの多くは覆工面９の面上から内側に出ており、これらを計測した点２８も含めて平均断面１３と基準面１４を求めたのでは、基準面１４が本来の覆工面９から外れてしまい、正しい変状が計測できないことになる。そこで、本実施の形態では、基準面１４を用いてまず設置物点群の判定と除去を行い、改めて基準面１４を設定し直すように動作させる。
【００６９】
本発明の実施の形態４によるトンネル変状計測装置の動作を図２４のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、その説明を省略する。
基準面設定装置２ｂにおいては、実施の形態１での動作と同一となるステップＳＴ１からステップＳＴ７までの動作フロー中、ステップＳＴ４１の、設置物上の点と判定されている点２８を処理対象から除く動作が付加されている。なお、最初の動作においては、点群データ６はすべて設置物とは判定されていないため、除かれる点はない。
【００７０】
ステップＳＴ７において変状を算出した後、ステップＳＴ４２では、設置物判定装置２７に記憶装置１から変状値を含む点群データ６を読み出す。
ステップＳＴ４３では、変状値によってその点７が覆工面９上の点か、あるいは覆工面９以外の設置物の点かを判定する。これには変状値を用い、図２３に示すように、平均断面１３から内部にＤ０の境界２９を設け、上記のように内側の変状を正とした場合には、Ｄｋ＞Ｄ０の点を設置物の点２８と判定する。例えば、Ｄ０＝０．０５とする。この条件を満たして設置物と判定された場合、それを表すため、例えば、Ｄ＝９９９に変更する。この値は、トンネルの値より十分に大きくする。
【００７１】
ステップＳＴ４４では、設置物と判定された点２８を除いての基準面１４の再計算、更新を行うかどうかを判定し、更新する場合はステップＳＴ１に戻り、そうでなければ処理を終了する。ステップＳＴ４２で新たに設置物と判定された点２８が存在しなければ更新しない。また、所定の回数の更新を既に行っていたときには更新しないように動作させてもよい。ステップＳＴ１に戻った場合、次のステップＳＴ４１では、設置物上の点２８を基準面１４の算出に使用しない。ステップＳＴ７では、覆工面９上の点について変状値を算出し更新する。
【００７２】
以上の動作により、覆工面９上に設置物があり、それを計測した点２８も点群データ６に含まれていたとしても、順次設置物の点２８を取り除いていくように構成しているので、設置物があったとしてもその影響を受けずにトンネルの覆工面９の変状を計測することができる。
【００７３】
なお、上記実施の形態４では、変状が５ｃｍより大きい点を設置物上の点２８としたが、この値はトンネル８の状況によって変更してよい。また、覆工面９から窪んだ設置物がある場合には、外側の変状にも制限を加え、例えば、変状が内外５ｃｍ以上を設置物と判定するように構成してもよい。さらに、平均断面１３を求めた際に範囲１５ごとのｒ値の標準偏差を求め、点７について、それが入る範囲１５の標準偏差の一定倍以上の変状を有するときに設置物と判定するようにしてもよい。
【００７４】
このような構成によれば、覆工面９上の設置物を順次判定して基準面１４の算出において用いないようにすることになる。
このようにトンネル覆工面９上の点のみから基準面１４を設定できるようになり、設置物の影響を受けずに変状を正しく計測することが可能になる。
【００７５】
以上説明したように、実施の形態４のトンネル変状計測装置によれば、点群データに含まれるトンネル内壁に設置された設置物を計測した点を判別する設置物判定手段を備え、基準面設定手段は設置物を計測した点を除いた点群データを用いて基準面を設定するようにしたので、トンネル内壁の設置物の影響を受けずにトンネルの変状を計測することができる。
【００７６】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は図１に示す実施の形態１によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図と同一である。
図２５は軸の変更を示す説明図である。
本発明のトンネル変状計測装置で求めた基準面１４を利用し、時間をおいて計測した点群データ６の変状を計測できれば、変状の時間的な変化を捉えることができる。しかしながら、既存の基準面１４との差によって、その後あるいは過去に計測した同一トンネル８の別の点群データ６の変状とすることはできない。これは、点群データ６の座標値にその時々の計測誤差が含まれるためである。例えば、モービルマッピングシステムで用いられるネットワーク型ＲＴＫ（Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）−ＧＰＳの方式では数ｃｍの誤差が生じる。これは変状量より大きい。一方、点どうしの相対的な位置は、慣性航法装置やレーザスキャナの精度が高いことから、正確に得られている。つまり、絶対的な座標値が誤差を有するので軸１０は過去のものと一致しないが、仮に軸１０を一致させれば、相対誤差は小さいので、その平均断面１３はそのまま使えることになる。既存の基準面１４の軸１０を対象の点群に対して新たに求めた軸１０ｂに置き換えればよい。即ち、実施の形態５における基準面設定装置２は、点群データ６を用いて断面設定部４が設定した断面１３と、この設定に用いた点群データ６を計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データ６を用いて軸設定部３が設定した軸１０ｂとで基準面１４を設定する。その他の構成については実施の形態１と同様である。
【００７７】
本発明の実施の形態５によるトンネル変状計測装置の動作を図２６のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
記憶装置１には、以前に同一トンネルを計測した別の点群データ６に対して、実施の形態１の動作を実行して求めた軸１０と平均断面１３からなる基準面１４のデータが、既に格納されているとする。
ステップＳＴ１からステップＳＴ２までの動作により、新たな点群データ６からトンネル８の軸１０ｂを得る。
【００７８】
ステップＳＴ５１では、基準面設定装置２が既存の軸１０をステップＳＴ１からステップＳＴ２までの動作により求めた軸１０ｂに更新する。なお、対象の点群データ６に対しての平均断面の算出は行わない。本実施の形態５の目的は、過去の形状に対する変状を求めることであり、その基準は過去の平均断面１３となる。
ステップＳＴ５以降で、新たに求めた軸１０ｂと既存の平均断面１３で構成される基準面１４に対して、点群データ６の変状を求める。
【００７９】
図２５は、新たに求めた軸１０ｂと既存の平均断面１３によって得られる基準面１４による変状算出を示している。点群データ６の点７はその計測時点の誤差を有するため、既存の軸１０には合致しない。新たに求めた軸１０ｂにて変状を算出する。
以上の動作により、既存の基準面からの変状値を計測することができる。
【００８０】
このような構成によれば、軸を更新することによって、同一トンネル８の別の時点の基準面１４を変状計測の基準面としている。
このように同一トンネル８の別の時点の基準面１４を利用できるようになり、変状の時間的な変化を確実に計測することが可能になる。
【００８１】
以上説明したように、実施の形態５のトンネル変状計測装置によれば、基準面設定手段は、点群データを用いて断面設定部が設定した断面と、この設定に用いた点群データを計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データを用いて軸設定部が設定した軸とで基準面を設定するようにしたので、経時的な変化がある場合でも変状を正しく計測することができる。
【００８２】
実施の形態６．
図２７は本発明の実施の形態６によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図である。
描画手段である描画装置３０は、点群データ６を入力し、コンピュータグラフィックスにより、強調度設定手段である強調度入力装置３１から入力されているパラメータ値に従って変状を強調して正投影図や中心投影図として描画し、表示装置３２に表示する。その他の構成については実施の形態１と同様である。
図２８は変状を強調した座標値を示す説明図である。
【００８３】
本発明の実施の形態６によるトンネル変状計測装置の動作を図２９のフローチャートによって説明する。図１２に示す本発明の実施の形態１によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
本発明の実施の形態１の動作と同一のステップＳＴ１からステップＳＴ７までの動作が実行され、点群データ６の変状値が計測されて記憶装置１に格納されている。
【００８４】
ステップＳＴ６１では、描画装置３０が記憶装置１から点群データ６とその変状値、さらに軸１０と平均断面１３からなる基準面１４のデータを読み出す。
ステップＳＴ６２では、描画装置３０は強調度入力装置３１にて入力された変状を強調するパラメータγを読み取る。強調度入力装置３１は、例えばマウスやキーボードなどの入力デバイスによって構成され、入力がなされなかった場合は、以前に入力された最新の値、あるいは、固定の例えばγ＝５を描画装置３０に渡す。
【００８５】
ステップＳＴ６３では、変状を強調した描画を行うための各点の座標値を計算する。図２８に示すように、点Ｐｋ（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）の描画用の点７ａ（Ｐ’ｋ）の座標値（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）は、基準面１４からの差（変状）Ｄｋをγ倍にした位置の点の座標値で、以下のようになる。
ここで、点７の極座標（θｋ，ｒｋ）、また、ｕｖ軸方向の方向単位ベクトルであるｅｕ、ｅｖを用いる。これらは、軸１０と平均断面１３のデータからここで算出してもよいし、ステップＳＴ３にて求めた後、記憶装置１に格納しておき、これを読み出すように構成してもよい。また、
は基準面１４に対する変状の方向を表すベクトルになり、これにＤｋを乗じたものが点７に含まれる変状の成分３３である。点７の座標値（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）には基準面１４に対してこの変状の成分が含まれていることになるため、実施の形態３中に示した式において第２項の係数はγ−１になる。
【００８６】
ステップＳＴ６４では、描画用の座標値（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）により、３次元コンピュータグラフィックスによって投影図画像を描画し、表示装置３２に表示する。γ＝１が入力されていれば点群データ６がそのままの座標値で描画され、γ＝０が入力されていれば各点７が基準面１４上に投影されて描画されるので基準面１４の形状を描画されることになる。
【００８７】
ステップＳＴ６５では、γを変更して再度描画するかどうかを判定し、再度描画する場合は、ステップＳＴ６２に、そうでなければ終了する。これは、例えば、マウスやキーボードなどの入力デバイスによって行う。
【００８８】
以上の動作により、変状を強調した点群データ６の画像を描画、表示することができる。通常、覆工面９の変状は小さく、点群データ６をそのまま表示したのではどこに変状が出ているのかを見て取ることはできない。変状を強調することで視覚的な理解が可能になる。
【００８９】
なお、上記実施の形態６では、点群データ６の投影図を描画するものとして説明したが、これに限るものではなく、例えば、ある地点での断面図など、他の形式の図面の描画にも適用できる。
また、変状を強調するために座標値を変更して描画するように構成したが、座標値にて強調するのではなく、例えば、変状の値によって描画時の色や輝度をγＤｋの値に従って変更し、描画色にて強調するように構成してもよい。
【００９０】
このような構成によれば、点群データ６の各点７に対し、その基準面１４からの変状を一定倍した点を描画用座標値とするようになっている。
このように変状を一定倍して描画することにより、変状の現れている位置や変状のパターン、傾向を視覚的に容易に把握することが可能になる。
【００９１】
以上説明したように、実施の形態６のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおける任意の点を描画する描画手段と、描画した結果を表示する表示手段と、描画時の変状の強調度を指定する強調度入力手段とを備え、描画手段は、強調度入力手段から入力された描画時の変状の強調度を示すパラメータ値を点群データの任意の点の座標値に含まれる変状成分に乗じ、変状を強調した座標値を持つとして任意の点を描画するようにしたので、変状の計測結果を分かり易く表示することができる。
【００９２】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７によるトンネル変状計測装置の構成を示すブロック図は、図１３に示す本発明の実施の形態２の構成を示すブロック図と同一である。上記実施の形態３では、軸１０はスパン２１単位に、平均断面１３は全体の点群データ６を用いて設定する際に、基準面設定装置２の軸補正部２５にて、軸１０の端点１６の補正を行い、軸１０がスパン２１間で連続につながるようにした。これは、本来、スパン２１間が滑らかに接続するように施工されていることを想定したものであるが、セントル１００の移動時のずれによって各スパン２１は必ずしも滑らかには接続せず、軸１０の端点はスパン２１間で連続とはなっていない状況も考えられる。このような場合は、補正処理がよくない影響を及ぼす。そこで、本実施の形態７では、スパン２１単位で求めた軸１０により、全体の点群を用いて平均断面１３を設定する際に、軸１０の端点の補正は行わないようにしたものである。
【００９３】
本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を図３０のフローチャートによって説明する。図２１に示す本発明の実施の形態３によるトンネル変状計測装置の動作を示すフローチャートと同一の動作を行う部分は同一の符号をつけ、説明を省略する。
ステップＳＴ２４までで、点群データ６をスパン２１ごとに区分し、各スパン位置を示す補助中心線２２が求まっている。さらに、ステップＳＴ３２までで、すべてのスパン２１について軸１０が求まっている。ステップＳＴ３４で、基準面設定装置２に、再度、記憶装置１から全ての点群データ６を読み込む。
【００９４】
ステップＳＴ７１では、実施の形態１のステップＳＴ３と同様の動作を、点７が属するスパン２１の軸１０のデータを用いて行う。
ステップＳＴ２７にて全ての射影点１２を用いて平均断面１３を設定する。
ステップＳＴ３６で変状算出装置５が記憶装置１から点群データ６を読み出す。
ステップＳＴ７２では、（θｋ，ｒｋ）への変換では、上記ステップＳＴ７１での変換のように、点Ｐｋが属するスパンの軸１０を用いて変換を行うことが特徴となる。
続いて、ステップＳＴ７にて各点の変状Ｄｋを算出する。
以上の動作により、各スパンが滑らかに接続していないような場合でも、点群データ６から各点７におけるトンネル覆工面９の変状を計測することができる。
【００９５】
なお、上記実施の形態７では、セントル１００による覆工時のスパン２１ごとに処理を実行したが、実施の形態２と同様に、直線部分などは複数のスパン２１を合わせて処理するようにしてもよい。また、覆工時のスパン２１に係わらず、例えば１０ｍごと、というように区分を分割構成してもよい。
【００９６】
このような構成によれば、セントル１００を用いて一度に覆工したスパンごとに軸１０を求め、点群全体で平均断面１３を求めて基準面１４を構成することになる。
このようにトンネル８のスパン２１ごとに軸１０、トンネル８全体で平均断面１３を設定することにより、カーブしている部分や勾配が変化している部分を有しさらに大きな変状が存在するような場合で変状を計測することが可能になる。
【００９７】
以上説明したように、実施の形態７のトンネル変状計測装置によれば、点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定するようにしたので、カーブや勾配が一定でないトンネルにおいても、変状を計測することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 記憶装置、２，２ａ，２ｂ 基準面設定装置、３ 軸設定部、４ 断面設定部、５ 変状算出装置、６ 点群データ、７，７ａ 点、８ トンネル、１０，１０ｂ 軸、１１ 射影面、１３ 平均断面、１４ 基準面、１８ 平均断面点、２０ 点群区分装置、２５ 軸補正部、２７ 設置物判定装置、３０ 描画装置、３１ 強調度入力装置、３２ 表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、前記トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、
前記点群データにおける任意の点と前記基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたトンネル変状計測装置。
【請求項２】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項３】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに設定した軸を用いて基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項４】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は軸を補正する軸補正部を備え、軸設定部は区分された点の集合ごとに前記軸を設定し、前記軸補正部は点の集合ごとに設定された前記軸が連続になるように補正し、断面設定部が設定した断面と連続な軸によって基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項５】
点群区分手段は、トンネル覆工時のセントル位置によって決まる位置でそれぞれの点を区分することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項６】
点群データに含まれるトンネル内壁に設置された設置物を計測した点を判別する設置物判定手段を備え、
基準面設定手段は前記設置物を計測した点を除いた点群データを用いて基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項７】
基準面設定手段は、点群データを用いて断面設定部が設定した断面と、当該設定に用いた点群データを計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データを用いて軸設定部が設定した軸とで基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項８】
点群データにおける任意の点を描画する描画手段と、前記描画した結果を表示する表示手段と、描画時の変状の強調度を指定する強調度入力手段とを備え、
前記描画手段は、前記強調度入力手段から入力された描画時の変状の強調度を示すパラメータ値を点群データの任意の点の座標値に含まれる変状成分に乗じ、変状を強調した座標値を持つとして前記任意の点を描画することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項９】
基準面設定手段の軸設定部が設定する軸は、トンネルを近似する柱体の軸と同一の方向を有する線分または直線またはベクトルであることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１０】
基準面設定手段の断面設定部が設定する断面は、軸に直交する面に対して、当該軸に平行に射影したそれぞれの点の射影パターンを近似する点列であることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１１】
基準面設定手段は断面設定部が設定する断面を軸設定部が設定する軸の方向に掃引した面を基準面として設定することを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１２】
３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの変状を計測するトンネル変状計測方法において、
基準面設定手段により行われ、前記点群データからトンネルの軸を抽出すると共に前記トンネルの断面を設定し、かつ、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定工程と、
変状算出手段により行われ、前記点群データにおける任意の点と前記設定された基準面との差をその点の変状として算出する変状算出工程とを備えたトンネル変状計測方法。
【請求項１】
トンネルを計測した３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの軸を抽出する軸設定部と、前記トンネルの断面を設定する断面設定部とを有し、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定手段と、
前記点群データにおける任意の点と前記基準面との差をその点の変状として算出する変状算出手段とを備えたトンネル変状計測装置。
【請求項２】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項３】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は区分された点の集合ごとに設定した軸を用いて基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項４】
点群データにおけるそれぞれの点を位置によって複数の集合に区分する点群区分手段を備え、
基準面設定手段は軸を補正する軸補正部を備え、軸設定部は区分された点の集合ごとに前記軸を設定し、前記軸補正部は点の集合ごとに設定された前記軸が連続になるように補正し、断面設定部が設定した断面と連続な軸によって基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項５】
点群区分手段は、トンネル覆工時のセントル位置によって決まる位置でそれぞれの点を区分することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項６】
点群データに含まれるトンネル内壁に設置された設置物を計測した点を判別する設置物判定手段を備え、
基準面設定手段は前記設置物を計測した点を除いた点群データを用いて基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項７】
基準面設定手段は、点群データを用いて断面設定部が設定した断面と、当該設定に用いた点群データを計測した時刻とは異なる時刻に計測した点群データを用いて軸設定部が設定した軸とで基準面を設定することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項８】
点群データにおける任意の点を描画する描画手段と、前記描画した結果を表示する表示手段と、描画時の変状の強調度を指定する強調度入力手段とを備え、
前記描画手段は、前記強調度入力手段から入力された描画時の変状の強調度を示すパラメータ値を点群データの任意の点の座標値に含まれる変状成分に乗じ、変状を強調した座標値を持つとして前記任意の点を描画することを特徴とする請求項１記載のトンネル変状計測装置。
【請求項９】
基準面設定手段の軸設定部が設定する軸は、トンネルを近似する柱体の軸と同一の方向を有する線分または直線またはベクトルであることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１０】
基準面設定手段の断面設定部が設定する断面は、軸に直交する面に対して、当該軸に平行に射影したそれぞれの点の射影パターンを近似する点列であることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１１】
基準面設定手段は断面設定部が設定する断面を軸設定部が設定する軸の方向に掃引した面を基準面として設定することを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載のトンネル変状計測装置。
【請求項１２】
３次元の座標値をもつ点群データからトンネルの変状を計測するトンネル変状計測方法において、
基準面設定手段により行われ、前記点群データからトンネルの軸を抽出すると共に前記トンネルの断面を設定し、かつ、前記軸と前記断面とに基づいて構成される面を基準面として設定する基準面設定工程と、
変状算出手段により行われ、前記点群データにおける任意の点と前記設定された基準面との差をその点の変状として算出する変状算出工程とを備えたトンネル変状計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
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【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２０１１−２０３０９０（Ｐ２０１１−２０３０９０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７０１９４（Ｐ２０１０−７０１９４）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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