JP2017090281A - 構造物変位モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供する。【解決手段】構造物１２を構成する部材３Ｃ等に固定された既知形状の１個または複数個の標識１８Ａ等を含む領域を撮影して、撮影した画像を取得する撮像手段１４Ａ等と、撮像手段１４Ａ等により取得した画像を画像解析処理して画像中に含まれる標識の位置および形状を求める画像解析手段２６と、画像解析手段２６により求めた標識１８Ａ等の位置および形状に基づいて部材３Ｃ等の変形量を計測する変形量計測手段２８とを備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、画像処理を用いて構造物の層間変位をモニタリングするのに好適な構造物変位モニタリングシステムに関するものである。

従来、地震で被災した建物の安全性を検証するには、被災建屋の形状変化を迅速に計測する必要がある。特に、層状構造の高層ビル等は各層の歪みの累積により、荷重が変化し倒壊の危険性が増すため、精度よく迅速に変形を知る必要がある。層状構造の歪み等の層間変位を計測する従来の技術としては、加速度センサを用いた積分型による方法（例えば、特許文献１〜３を参照）、構造体の歪みの直接計測を利用した方法（例えば、特許文献４を参照）、レーザ光を用いた方法（例えば、特許文献５を参照）などが知られている。

特開２０１５−１１７９８７号公報 特開２０１４−１３４４３６号公報 特開２０１２−１８０６９号公報 特許第４８４９５５８号公報 特許第５６１０４２７号公報

しかしながら、加速度センサを用いた積分型による方法は、変位量の直接計測ができないため累積誤差が生じるといった問題がある。また、レーザ光を用いた計測方法は、レーザシステム自体が高価であり、導入コストが大きいといった問題がある。

このため、累積誤差の心配がなく、高価なレーザシステムなどを必要としない簡素で安価な層間変位計測技術の開発が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムは、構造物を構成する部材に固定された既知形状の１個または複数個の標識を含む領域を撮影して、撮影した画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段により取得した画像を画像解析処理して前記画像中に含まれる前記標識の位置および形状を求める画像解析手段と、前記画像解析手段により求めた前記標識の位置および形状に基づいて前記部材の変形量を計測する変形量計測手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムは、上述した発明において、前記標識は、前記部材の外観デザインに含まれる既知形状を利用したものであることを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムは、上述した発明において、前記標識は二次元形状であり、前記変形量計測手段は、前記標識の位置および形状に基づいて前記標識の変位量と回転角度を求め、求めた変位量と回転角度に基づいて前記部材の変形量を計測することを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムは、上述した発明において、前記撮像手段は、前記画像解析手段および前記変形量計測手段が格納されたサーバとネットワーク接続されており、前記変形量計測手段による計測結果は、前記サーバに接続された出力手段から出力されるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムは、上述した発明において、前記撮像手段は、前記画像解析手段、前記変形量計測手段、前記変形量計測手段による計測結果を格納する格納手段と、前記各手段に電源を供給する電源供給手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムは、上述した発明において、前記撮像手段は、前記変形量計測手段による計測結果を出力する出力手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る構造物変位モニタリングシステムによれば、構造物を構成する部材に固定された既知形状の１個または複数個の標識を含む領域を撮影して、撮影した画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段により取得した画像を画像解析処理して前記画像中に含まれる前記標識の位置および形状を求める画像解析手段と、前記画像解析手段により求めた前記標識の位置および形状に基づいて前記部材の変形量を計測する変形量計測手段とを備えるので、簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記標識は、前記部材の外観デザインに含まれる既知形状を利用したものであるので、従来のように高価なレーザシステムや、構造体への計測器の取り付けなどの大掛かりな作業を必要としない簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記標識は二次元形状であり、前記変形量計測手段は、前記標識の位置および形状に基づいて前記標識の変位量と回転角度を求め、求めた変位量と回転角度に基づいて前記部材の変形量を計測するので、部材の変形量を簡易かつ迅速に計測することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記画像解析手段および前記変形量計測手段が格納されたサーバとネットワーク接続されており、前記変形量計測手段による計測結果は、前記サーバに接続された出力手段から出力されるように構成されているので、人間が計測やデータ集計をする手間を省くことができ、迅速に変形量を把握可能であるため、構造物の安全性をリアルタイムで判定することが可能になるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記画像解析手段、前記変形量計測手段、前記変形量計測手段による計測結果を格納する格納手段と、前記各手段に電源を供給する電源供給手段とを備えるので、地震等でシステム用の電源が失われたり、システム間のデータを送受信する通信ネットワークの機能が失われたとしても、電源供給手段を電源として変形量を計測し、その結果を格納手段に記録することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記変形量計測手段による計測結果を出力する出力手段をさらに備えるので、撮像手段に備わる出力手段から変形量を把握することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムの実施の形態１を示す図である。 図２は、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムの実施の形態１を示す画像処理概念図である。 図３は、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムの実施の形態２を示す図である。

以下に、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明に係る実施の形態１の構造物変位モニタリングシステムについて説明する。本実施の形態１は、撮像手段が、画像解析手段および変形量計測手段を格納するサーバとネットワーク接続されている場合のものである。

図１に示すように、本実施の形態１に係る構造物変位モニタリングシステム１０は、ビルのような層状建物１２（構造物）に適用されるものである。以下では、層状建物１２が階層１〜３からなる３階建ての場合を例にとり説明するが、これ以外の階層数の建物であってもよい。この構造物変位モニタリングシステム１０は、撮像手段としての複数のカメラ１４Ａ〜１４Ｄを備える。

カメラ１４Ａは階層３の天井３Ａに、カメラ１４Ｂは階層２の天井２Ａと側壁２Ｂの交差部に、カメラ１４Ｃは階層１の床１Ｃと側壁１Ｂの交差部に、カメラ１４Ｄは層状建物１２の外部に立てられた柱１６の上部にそれぞれ固定される。

一方、各カメラ１４Ａ〜１４Ｄの撮影画角に収まる場所の層状建物１２の構成部材（天井、床、側壁等）には、既知形状の１個または複数個からなる標識１８Ａ〜１８Ｄが固定される。標識１８Ａ〜１８Ｄとしては、二次元平面に描画可能な二次元形状で構成することができ、例えば、マーカーや星形などの形状特徴物を有する図形や模様で構成してもよい。標識１８Ａはカメラ１４Ａの真下の床３Ｃに、標識１８Ｂはカメラ１４Ｂの斜め下方の床２Ｃに、標識１８Ｃは天井１Ａの図示しない梁側面などに、標識１８Ｄは層状建物１２の階層１の外壁部分に固定される。

各カメラ１４Ａ〜１４Ｄは、床等の構成部材に固定された標識１８Ａ〜１８Ｄを含む領域を所定のサンプリング周期で撮影して、画像を取得する。なお、各カメラ１４Ａ〜１４Ｄの向きは固定されている。したがって、カメラの画角すなわち撮影範囲は固定され、同じ領域の画像が常に取得される。カメラとしては、数十〜百万画素程度の安価なカメラを用いて構成することができる。また、このカメラとして、監視カメラ等で身近に存在するものを流用してもよい。こうすることで導入コストを下げることが可能となる。

カメラ１４Ａ、１４Ｃは、層状建物１２内に配線された有線ネットワーク２０により、階層２に設置されたサーバ２２に接続される。一方、カメラ１４Ｂ、１４Ｄは、無線ネットワークによりアンテナ２４を介してサーバ２２に接続される。各カメラ１４Ａ〜１４Ｄで撮影された画像は、これらのネットワークを介してリアルタイムでサーバ２２に送られるようになっている。

サーバ２２は、画像解析手段２６と、変形量計測手段２８と、出力手段３０と、格納手段３２とを有している。

画像解析手段２６は、カメラ１４Ａ〜１４Ｄにより取得した画像を画像解析処理して画像中に含まれる既知形状の標識１８Ａ〜１８Ｄの三次元位置および形状をそれぞれ求めるものである。この画像解析手段２６としては、こうした画像処理が可能な市販の画像解析ソフトを用いて構成することができる。また、画像中の既知形状の標識１８Ａ〜１８Ｄの位置および形状を求める画像解析手法としては、例えば、格納手段３２などのデータベース中に予め登録された既知形状およびその変形形状と照合して、画像中の相関度の高いドットの組み合わせを抽出するなどの周知の手法を利用することが可能である。

変形量計測手段２８は、画像解析手段２６により求めた標識１８Ａ〜１８Ｄの位置および形状に基づいて計測対象箇所である天井、側壁、床等の構成部材の変形量を計測するものである。

次に、上記の画像解析手段２６および変形量計測手段２８による画像処理の概念について、図２を参照しながら説明する。便宜上、各標識１８Ａ〜１８Ｄは二次元平面に描かれた二次元の星形状の標識１８で代表されるものとする。図２はあるカメラ１４で取得した画像の一例である。この図に示すように、取得した画像中における層状建物１２の変形前の標識位置は、点線で示される標識１８のようになっている。これに対し、変形後に取得した画像中における標識位置は、例えば実線で示される標識１８のように変化する。このとき、星形状の重心位置は矢印の方向に変位するとともに、星形状は重心位置の周りに反時計方向に回転する。

したがって、まず、画像解析手段２６がこれら変形前後の標識１８の位置および形状を求める。次に、求めた標識１８の位置および形状から、変形量計測手段２８が標識１８の変形量（変位量と回転角度）を求める。ここで、標識１８の変形量はそれが固定されている箇所の構成部材（天井、側壁、床等）の変形量と強い相関があり、構成部材の変形量を代表すると考えられる。そこで、例えば、求めた標識１８の変形量と標識１８が固定されている構成部材の変形量が等価であるとして、構成部材の変形量を計測することができる。

出力手段３０は、変形量計測手段２８により計測された構成部材の変形量などを出力するためのものであり、例えば計測結果を印刷出力するプリンタや表示出力するモニタなどにより構成することができる。

格納手段３２は、カメラ１４Ａ〜１４Ｄによる標識１８Ａ〜１８Ｄの画像データ、標識１８Ａ〜１８Ｄの既知形状データ、画像解析結果データ、計測結果データなどを格納するものであり、例えばハードディスクやメモリなどにより構成することができる。

上記構成の動作および作用について説明する。
カメラ１４Ａ〜１４Ｄで標識１８Ａ〜１８Ｄを所定のサンプリング間隔で撮影し、有線または無線ネットワークを介してサーバ２２に画像データを送信する。画像データは画像解析手段２６で画像解析処理され、画像中の標識１８Ａ〜１８Ｄの位置および形状が求められる。変形量計測手段２８は、求められた標識１８Ａ〜１８Ｄの位置および形状に基づいて、構成部材の変形量を計測する。計測された変形量は出力手段３０により出力され、利用者に提供されることとなる。これにより、地震で被災した層状建物１２の全体の形状変化を簡易かつ迅速に計測することができる。

また、本実施の形態によれば、安価なカメラと標識のみで各計測対象箇所の変形量を計測することができる。また、変形量の要求精度に応じて、取得画像中の標識を認識可能な範囲内で、標識の形状や大きさ、配置位置や個数を自由に選定することができる。

例えば、上記の標識１８Ａ〜１８Ｄは、天井、床、側壁等の構成部材に新規に描画したものを用いてもよいし、あるいは構成部材の外観デザインに既に含まれる既知形状や模様を利用したものであってもよい。また、標識１８Ａ〜１８Ｄは、同一の既知形状ではなく互いに異なる形状を用いてもよい。このように、本発明に用いられる標識は、デザインの自由度が高く、環境中のデザインの一部として組み込むことが可能であるので、従来のように高価なレーザシステムや、構造体への計測器の取り付けなどの大掛かりな作業を必要としない簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することができる。

さらに、本実施の形態によれば、画像解析処理による変形量の直接計測が可能であるため、従来の加速度センサを用いた積分型計測手法で問題となる累積誤差は生じない。また、従来の高価なレーザシステムや、梁、ブレース等の構造体への計測器の取り付けなどの大掛かり作業を必要とせず、カメラと標識、既存のネットワークやサーバのみの安価なモニタリングシステムが構築可能である。さらに、カメラが直接ネットワークへ接続することで、人間が計測やデータ集計をする手間を省くことができ、迅速に全体の変形量を演算可能であるため、建物の安全性をリアルタイムで判定することも可能である。

上記の実施の形態において、カメラ（撮像手段）と標識の組数が４組である場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、これ以外の組数でもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明に係る実施の形態２の構造物変位モニタリングシステムについて説明する。本実施の形態２は、上記の実施の形態１における各カメラ１４Ａ〜１４Ｄが、画像解析手段２６、変形量計測手段２８、格納手段３２、出力手段３０、バッテリ（電源供給手段）３４を備える場合のものである。

図２に示すように、本実施の形態２に係る構造物変位モニタリングシステム１００は、撮像手段としての各カメラ１４Ａ〜１４Ｄを備えている。各カメラ１４Ａ〜１４Ｄにはそれぞれ、画像解析手段２６Ａ〜２６Ｄ、変形量計測手段２８Ａ〜２８Ｄ、出力手段３０Ａ〜３０Ｄ、格納手段３２Ａ〜３２Ｄ、バッテリ（電源供給手段）３４Ａ〜３４Ｄが備わっている。

一方、各カメラ１４Ａ〜１４Ｄは、層状建物１２内に配線された有線ネットワーク２０または無線ネットワークにより、階層２に設置されたサーバ２２にも接続されている。このサーバ２２も出力手段３０と、格納手段３２とを有している。

上記構成の動作および作用について説明する。
カメラ１４Ａ〜１４Ｄで標識１８Ａ〜１８Ｄを所定のサンプリング間隔で撮影すると、画像データは各カメラ１４Ａ〜１４Ｄに備わる画像解析手段２６Ａ〜２６Ｄでそれぞれ画像解析処理され、変形量計測手段２８Ａ〜２８Ｄで変形量がそれぞれ計測される。計測された変形量は各カメラ１４Ａ〜１４Ｄに備わる格納手段３２Ａ〜３２Ｄにそれぞれ記録され、出力手段３０Ａ〜３０Ｄによりそれぞれ出力され、利用者に提供されることとなる。

一方、この計測された変形量は、有線ネットワーク２０または無線ネットワークを介してサーバ２２の格納手段３２にも記録され、出力手段３０によっても出力される。

ここで、地震等でシステム用の電源が失われたり、システム間のデータを送受信する有線ネットワーク２０または無線ネットワークの機能が失われたとしても、各カメラ１４Ａ〜１４Ｄにはバッテリ３４Ａ〜３４Ｄが備わっているので、各バッテリを電源として継続して撮影を行うことができる。また、各カメラ１４Ａ〜１４Ｄに備わる画像解析手段２６Ａ〜２６Ｄ、変形量計測手段２８Ａ〜２８Ｄを使って変形量を継続して計測し、その結果を自身の格納手段３２Ａ〜３２Ｄに記録し、さらに自身の出力手段３０Ａ〜３０Ｄで出力することができる。したがって、地震等でシステム用の電源やネットワーク機能が失われた場合でも、地震で被災した層状建物１２の全体の形状変化を確実に計測することができる。

以上説明したように、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムによれば、構造物を構成する部材に固定された既知形状の１個または複数個の標識を含む領域を撮影して、撮影した画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段により取得した画像を画像解析処理して前記画像中に含まれる前記標識の位置および形状を求める画像解析手段と、前記画像解析手段により求めた前記標識の位置および形状に基づいて前記部材の変形量を計測する変形量計測手段とを備えるので、簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することができる。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記標識は、前記部材の外観デザインに含まれる既知形状を利用したものであるので、従来のように高価なレーザシステムや、構造体への計測器の取り付けなどの大掛かりな作業を必要としない簡素で安価な構造物変位モニタリングシステムを提供することができる。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記標識は二次元形状であり、前記変形量計測手段は、前記標識の位置および形状に基づいて前記標識の変位量と回転角度を求め、求めた変位量と回転角度に基づいて前記部材の変形量を計測するので、部材の変形量を簡易かつ迅速に計測することができる。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記画像解析手段および前記変形量計測手段が格納されたサーバとネットワーク接続されており、前記変形量計測手段による計測結果は、前記サーバに接続された出力手段から出力されるように構成されているので、人間が計測やデータ集計をする手間を省くことができ、迅速に変形量を把握可能であるため、構造物の安全性をリアルタイムで判定することが可能になる。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記画像解析手段、前記変形量計測手段、前記変形量計測手段による計測結果を格納する格納手段と、前記各手段に電源を供給する電源供給手段とを備えるので、地震等でシステム用の電源が失われたり、システム間のデータを送受信する通信ネットワークの機能が失われたとしても、電源供給手段を電源として変形量を計測し、その結果を格納手段に記録することができる。

また、本発明に係る他の構造物変位モニタリングシステムによれば、前記撮像手段は、前記変形量計測手段による計測結果を出力する出力手段をさらに備えるので、撮像手段に備わる出力手段から変形量を把握することができる。

以上のように、本発明に係る構造物変位モニタリングシステムは、構造物の層間変位をモニタリングするのに有用であり、特に、簡素で安価なモニタリングシステムを提供するのに適している。

１〜３ 階層
１Ａ〜３Ａ 天井（部材）
１Ｂ〜３Ｂ 側壁（部材）
１Ｃ〜３Ｃ 床（部材）
１０，１００ 構造物変位モニタリングシステム
１２ 層状建物（構造物）
１４Ａ〜１４Ｄ カメラ（撮像手段）
１６ 柱
１８Ａ〜１８Ｄ，１８ 標識
２０ 有線ネットワーク
２２ サーバ
２４ アンテナ
２６Ａ〜２６Ｄ，２６ 画像解析手段
２８Ａ〜２８Ｄ，２８ 変形量計測手段
３０Ａ〜３０Ｄ，３０ 出力手段
３２Ａ〜３２Ｄ，３２ 格納手段
３４Ａ〜３４Ｄ バッテリ（電源供給手段）

Claims (6)

1. 構造物を構成する部材に固定された既知形状の１個または複数個の標識を含む領域を撮影して、撮影した画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段により取得した画像を画像解析処理して前記画像中に含まれる前記標識の位置および形状を求める画像解析手段と、前記画像解析手段により求めた前記標識の位置および形状に基づいて前記部材の変形量を計測する変形量計測手段とを備えることを特徴とする構造物変位モニタリングシステム。
2. 前記標識は、前記部材の外観デザインに含まれる既知形状を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載の構造物変位モニタリングシステム。
3. 前記標識は二次元形状であり、前記変形量計測手段は、前記標識の位置および形状に基づいて前記標識の変位量と回転角度を求め、求めた変位量と回転角度に基づいて前記部材の変形量を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の構造物変位モニタリングシステム。
4. 前記撮像手段は、前記画像解析手段および前記変形量計測手段が格納されたサーバとネットワーク接続されており、前記変形量計測手段による計測結果は、前記サーバに接続された出力手段から出力されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の構造物変位モニタリングシステム。
5. 前記撮像手段は、前記画像解析手段、前記変形量計測手段、前記変形量計測手段による計測結果を格納する格納手段と、前記各手段に電源を供給する電源供給手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の構造物変位モニタリングシステム。
6. 前記撮像手段は、前記変形量計測手段による計測結果を出力する出力手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の構造物変位モニタリングシステム。

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