JP4758568B2

JP4758568B2 - トンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法

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Publication number: JP4758568B2
Application number: JP2001182882A
Authority: JP
Inventors: 高弘近藤; 裕道宮崎
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP2003004422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネル形状の測定方法としては、トンネル内に設置した測距手段の原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に所定の角度毎に順次照射し、照射したレーザ光とトンネルの内周面上の照射点で反射されたレーザ光との位相差を検知することで、角度毎に原点から照射点までの距離を測定し、この測定した距離及び角度に基づいて各照射点を位置データに変換することで、トンネルの断面形状を示すものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のレーザ光による測距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、トンネルの断面形状のみが作成されるため、トンネル全体の形状を立体的に把握することができないという問題がある。
また、従来のレーザ光による測距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、測距手段に設けた原点を基準としてトンネルの断面形状を示すため、基準となる測距手段のトンネル内における位置や傾きによって、トンネルの断面形状に誤差が生じる。特に、測距手段を車両等の移動手段に設置し、トンネル内で移動させた場合は、トンネル内における移動手段の位置を把握することが困難であるとともに、移動手段に傾きが生じ易いため、トンネルの断面形状が正確に示されないという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、移動手段に設置した測距手段が、トンネル内における移動手段の位置及び傾きに影響されることなく、トンネル内を移動してトンネルの断面形状を順次測定し、この測定した断面形状を用いて迅速かつ正確にトンネルの三次元形状を作成することができるトンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、請求項１に記載の発明は、トンネル形状の三次元測定装置であって、原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に所定の角度毎に順次照射し、トンネルの内周面上の照射点で反射されたレーザ光を原点において検知することで、原点と照射点との距離を所定の角度毎に順次測定する測距手段と、測距手段を設置した移動手段と、隣り合う照射点の間のベクトルを作成し、連続した２つのベクトルの方向変化が最大となる２つのベクトルが経由する照射点を基準点として検出する基準点検出手段と、複数の照射点を、基準点を基準とする位置データに変換することで、トンネル形状の断面データを作成する断面データ作成手段と、移動手段の移動量を検出する移動量検出手段と、移動手段をトンネルの延長方向に移動させて順次作成した断面データ及び移動手段の移動量に基づいて、トンネル形状の三次元データを作成する三次元データ作成手段とから構成されることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、トンネル形状の三次元測定方法であって、移動手段に設置した測距手段が、原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に所定の角度毎に順次照射し、トンネルの内周面上の照射点で反射されたレーザ光を原点において検知することで、原点と照射点との距離を所定の角度毎に順次測定する測距段階と、隣り合う照射点の間のベクトルを作成し、連続した２つのベクトルの方向変化が最大となる２つのベクトルが経由する照射点を基準点として検出する基準点検出段階と、複数の照射点を、基準点を基準とする位置データに変換することで、トンネル形状の断面データを作成する断面データ作成段階と、移動手段をトンネルの延長方向に移動させて順次作成した断面データ及び移動手段の移動量に基づいて、トンネル形状の三次元データを作成する三次元データ作成段階とから構成されることを特徴とする。
【０００７】
ここで、移動手段とは、自動車、電車等の走行手段を備えたものであり、測距手段を設置してトンネル内を走行することができるものであれば、駆動方式及び構造は限定されない。
なお、トンネルの内周面とは、トンネルの内壁及び路面であり、トンネルの内壁に設けられた送風機や標識等の突起物の表面を含む。さらに、トンネル形状とは、トンネル内に設置された前記突起物の形状を含む。
【０００８】
また、基準点とは、測距手段の外部に設けられた点であり、この点を基準として照射点の位置を測定することで、測距手段を設置した移動手段の変位に影響されることなく、正確に照射点の位置を測定することができる。なお、基準点は、トンネルの内壁と路面の境界に設けることで、トンネル内における基準点の位置を正確に特定することが、実用上において好適である。
【０００９】
請求項１及び請求項３に記載の発明によれば、移動手段に設置した測距手段のレーザ光によるトンネルの内周面上の照射点を、トンネルの内周面上に設けた基準点を基準とする位置データに変換することで、トンネル形状の断面データを作成するため、測距手段のトンネル内における位置及び傾斜に影響されることなく、トンネル形状の断面データを順次作成し、この断面データに移動手段の移動量を付加することで、トンネル形状の三次元データを迅速かつ正確に作成することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のトンネル形状の三次元測定装置であって、測距手段を移動手段の前部及び後部に各々設けることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、移動手段の前部と後部に設けた測距手段の各測定値を比較することで、トンネルの延長方向における移動手段の傾きを容易に把握することができるため、その傾きを補正し、より正確にトンネル形状の三次元データを作成することができる。
【００１２】
したがって、本発明のトンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法では、移動手段に設置した測距手段を用いて順次作成された正確なトンネル形状の断面データに基づいて、トンネル形状の三次元データを作成するため、トンネル全体の形状を迅速かつ正確に把握することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る三次元測定装置を示した側面図である。図２は本発明の実施形態に係る三次元測定装置を示した背面図である。図３は本発明の実施形態に係る三次元測定装置を示した平面図である。図４は測距手段によってレーザ光を照射した際を示した図で、（ａ）はレーザ光の照射点を示した図、（ｂ）は基準点検出方法を示した図である。図５は基準点検出方法におけるベクトル同士のなす角の比較図である。図６は測距手段によって内壁にレーザ光を照射した際の他の例を示した図で、（ａ）はレーザ光の照射点を示した図、（ｂ）は基準点検出方法におけるベクトル同士のなす角の比較図である。図７は基準点検出方法の他の例を示した図である。図８は形状データ作成手段を示した構成図である。
【００１５】
まず、本発明の実施形態に係るトンネル形状の三次元測定装置における構成を説明する。
三次元測定装置１は、図１，図２に示すように、トンネルＴ内を走行可能な移動手段であるトラック４と、トラック４に設置された測距手段２、傾斜角検出手段６（図示せず）及び形状データ作成手段５（図示せず）、移動量検出手段３とから構成されている。
ここで、三次元データは、トンネルの鉛直断面における後記基準点を絶対基準としてＸ，Ｙ座標を設け、トンネルの延長方向にＺ軸を設けることにより、三次元形状を示すものである。
【００１６】
次に、各構成要素について説明する。
測距手段２は、図１，図３に示すように、トラック４の荷台４ａに設置されたレーザ光による測距装置であって、荷台４ａの前部４ｂに設置した前部測距手段２ａと後部４ｃに設置した後部測距手段２ｂとから構成され、レーザ光を発生させる原点Ｏが鉛直方向に回転可能であり、測距手段２の原点ＯからトンネルＴの内周面にレーザ光を照射し、照射したレーザ光とトンネルＴの内周面上の照射点Ｓで反射されたレーザ光との位相差を検出することで、原点ＯからトンネルＴの内周面上の照射点Ｓまでの距離を測定する。
【００１７】
傾斜角検出手段６は、図８に示すように、測距手段２の傾斜角を検出する自動角度検出装置であり、測距手段２がトラック４の荷台４ａに水平状態で固定されているのであれば、トラック４の荷台４ａの傾斜角を検出するものでもよい。
【００１８】
移動量検出手段３は、図１，図２に示すように、トラック４の移動量を検出することで、トラック４に設置した測距手段２の移動量を検出するものであり、トラック４の下部に所定の間隔（１スパン）で設けた２組の車輪の回転をロータリエンコーダによって検出することで、トラック４の移動量を検出する。なお、トラック４の荷台４ａに設置した前部測距手段２ａ及び後部測距手段２ｂが２組の車輪による１スパン内に配置されるようにしている。
【００１９】
ここで、測距手段２、傾斜角検出手段６及び移動量検出手段３は、既存の測定装置であり、小型で正確に測定することができるものであれば、前記の構成に限定されるものではない。
【００２０】
形状データ作成手段５は、図８に示すように、基準点検出手段５ａと、車両姿勢検出手段５ｂと、断面データ作成手段５ｃと、三次元データ作成手段５ｄと、データ記憶手段５ｅとを備えたコンピュータであり、前部測距手段２ａ、後部測距手段２ｂ、傾斜角検出手段６及び移動量検出手段３から出力された各測定値を入力して処理する。
【００２１】
以下、形状データ作成手段５における各手段について説明する。
基準点検出手段５ａは、トンネルＴの断面データの基準点を、トンネルＴの内周面上の照射点Ｓから検出する手段である。
車両姿勢検出手段５ｂは、トラック４に設置した前部測距手段２ａと後部測距手段２ｂの各原点から内壁までの距離を比較することで、トンネルＴの延長方向におけるトラック４の傾きを検出する手段である。
断面データ作成手段５ｃは、測距手段２によって測定した照射点Ｓの位置を、基準点検出手段５ａによって検出した基準点を基準とする絶対座標に変換することで、トンネル形状の断面データを作成するとともに、傾斜角検出手段６によって検出した傾斜角に基づいて、絶対座標に変換した照射点Ｓの絶対座標を補正する手段である。
三次元データ作成手段５ｄは、トンネルＴの延長方向において順次作成された断面データに、測距手段２を設置したトラック４の移動量を付加することで、トンネルＴの三次元データを作成する手段である。
【００２２】
また、トラック４は、図１に示すように、既存の小型トラックであり、トラック４に設置される測距手段２、傾斜角検出手段６（図示せず）、形状データ作成手段５（図示せず）及び移動量検出手段３は小型の装置であるため、トラック４を三次元測定装置１用に製作する必要はなく、例えば、トンネル構築における作業車を用いてもよい。
【００２３】
次に、本発明の実施形態に係る三次元測定装置１を用いたトンネル形状の三次元測定方法について説明する。
（１）測距段階
まず、図１，図２，図４（ａ）に示すように、測距手段２の原点Ｏから発生されるレーザ光を、トンネルＴの片側の内壁Ｔａ及び路面Ｔｂに所定の角度（ｎ度）毎に順次照射し、照射したレーザ光と内壁Ｔａ及び路面Ｔｂ上の照射点Ｓで反射されたレーザ光の位相差を検出することで、原点Ｏから内壁Ｔａ及び路面Ｔｂまでの距離をｎ度毎に検出する。
ここで、測距手段２はトラック４の荷台４ａに設置されており、レーザ光がトラック４の下方を照射する際に、荷台４ａの上面によって遮られてしまうため、トンネルＴ内における特定の場所からトンネルＴの内周面全体にレーザ光を照射することができない。したがって、この実施形態では、トンネルＴの断面データを片側ずつ作成し、各断面データを合成することでトンネルＴ全体の断面データを作成する。
【００２４】
（２）車両姿勢検出段階
次に、図３，図８に示すように、形状データ作成手段５の車両姿勢検出手段５ｂによって、前部測距手段２ａ及び後部測距手段２ｂによって測定した同一角度における原点Ｏから内壁Ｔａまでの各距離を比較する。このとき、前部測距手段２ａと後部測距手段２ｂの測定値に誤差が生じている場合は、トラック４がトンネルＴの延長方向において傾いた状態であることから、照射点Ｓの位置を正確に測定することができないため、トラック４の位置を補正する。なお、トンネルＴの内壁Ｔａに標識や配管等の突起物がある場合も、前部測距手段２ａと後部測距手段２ｂの測定値に誤差が生じるため、内壁Ｔａに突起物がない部分を選択して測定する。
【００２５】
（３）基準点検出段階
次に、図４，図８に示すように、形状データ作成手段５の基準点検出手段５ａによって、トンネルＴの断面データの基準点を、レーザ光の照射点Ｓから検出する。
ここで、トンネルＴの断面データは、トンネルＴの片側の断面データを合成して作成されるため、各片側の断面データにおける基準点同士の位置関係を正確に把握し、この位置関係に基づいて各基準点を基準とする片側の断面データ同士を合成する必要がある。
【００２６】
この実施形態では、位置関係が明確な２点をトンネルＴ自体に設け、この各点を基準として片側の断面データを示すことで、正確にトンネルＴの片側の断面データ同士を合成する。
ここで、トンネルＴ内における位置関係が明確な２点は、トンネルＴの路面Ｔｂにおける幅員の両端Ｔｃ，Ｔｃとすることが好ましい。トンネルＴの路面Ｔｂの幅員は、トンネルＴ内において一定の大きさであるとともに、幅員は容易に計測することができるため、路面Ｔｂにおける幅員の両端Ｔｃ，Ｔｃ、すなわち、トンネルＴの内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界を基準点とすることで、基準点同士の距離を容易に把握することができる。
【００２７】
以下、基準点検出手段５ａによって、基準点となるトンネルＴの内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界を検出する方法を説明する。なお、前部測距手段２ａと後部測距手段２ｂとは同様の構成であるため、ここでは、後部測距手段２ｂについて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、後部測距手段２ｂによって、トンネルＴの内周面上に照射されたレーザ光の照射点Ｓを点Ａから点Ｅとする。
次に、図４（ｂ）に示すように、点ＡＢ間をベクトルａ、点ＢＣ間をベクトルｂ、点ＣＤ間をベクトルｃ、点ＤＥ間をベクトルｄとする。
ここで、トンネルＴの内壁Ｔａは路面Ｔｂに対して立設した状態であり、内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界である点Ｃを経由するベクトルｂとベクトルｃの方向変化が最大となる。すなわち、トンネルＴの片側の断面形状において連続する２つのベクトルのなす角が最小となるベクトル同士が経由する点を求めることで、基準点となる内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界である点Ｃを検出することができる。
【００２８】
次に、各ベクトル同士のなす角の比較方法について説明する。
まず、図５に示すように、点Ｃを経由するベクトルｂとベクトルｃのなす角を角βとした場合、角βは、次式（数１）によって求まる。
【００２９】
【数１】

【００３０】
同様にして、内壁Ｔａ上の点Ｂを経由するベクトルａとベクトルｂのなす角を角α、路面Ｔｂ上の点Ｄを経由するベクトルｃとベクトルｄのなす角を角γとして角度を求め、各角度を比較する。この結果、内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界である点Ｃを経由するベクトルｂとベクトルｃのなす角βが最小となることから、トンネルＴの片側の断面形状において連続する２つのベクトルのなす角が最小となるベクトル同士が経由する点が内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界であることが確認された。
【００３１】
ここで、図６（ａ）に示すように、測距手段２をトラック４の荷台４ａに、前記基準点検出段階の場合と反対側に配置して、反対側のトンネルＴの内壁Ｔａにレーザ光を照射した場合は、各ベクトルの方向が前記基準点検出段階の場合と反対になることから、図６（ｂ）に示すように、内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界である点Ｃ’を経由するベクトルｂ’とベクトルｃ’のなす角β’は、各角度α’、β’、γ’の中で最大となる。したがって、この場合は、トンネルＴの片側の断面形状において連続する２つのベクトルのなす角が最大となるベクトル同士が経由する点が内壁Ｔａと路面Ｔｂの境界となる。
【００３２】
（４）断面データ作成段階
次に、図８に示すように、形状データ作成手段５の断面データ作成手段５ｃが、測距手段２によって測定した照射点Ｓの位置を、点Ｃを基準とする絶対座標に変換することで、トンネルＴの片側の断面データを作成する。
ここで、図４（ａ）に示すように、トラック４が傾斜角θで傾いている場合は、照射点Ｓの位置を変換した絶対座標に傾斜角θによる誤差が生じ、正確な断面データが作成されないため、各照射点Ｓの座標を補正する必要がある。なお、傾斜角θは、傾斜角検出手段６によって検出された測定値である。
以下、照射点Ｓの絶対座標の補正について説明する。
照射点Ｃの座標を（Ｘｃ，Ｙｃ）とし、傾斜角θを補正することなく示された照射点ｎの座標を（Ｘｎ，Ｙｎ）とすると、傾斜角θを補正した照射点ｎの座標（Ｘｃｎ，Ｙｃｎ）は次式（数２）によって示される。
【００３３】
【数２】

【００３４】
次に、トラック４を移動量検出手段３の１スパンだけ移動させ、同様にして断面データを作成する。ここで、前部測距手段２ａ及び後部測距手段２ｂは、図１に示すように、移動量検出手段３の１スパン内に配置されているため、１スパンにおいて２つの断面データが同時に作成される。この作業をトンネルの延長方向において順次繰り返すことで、各スパンにおけるトンネルＴの片側の断面データを作成する。
次に、同様にして反対側においてもトンネルＴの片側の断面データを作成し、１スパン毎の各片側の断面データを、各基準点の位置関係に基づいて合成することで、各スパンにおけるトンネルＴの断面データを作成する。
【００３５】
（５）三次元データ作成段階
次に、図８に示すように、形状データ作成手段５の三次元データ作成手段５ｄによって、１スパン毎のトンネルＴの断面データに、移動量検出手段３によるトラック４の移動量のデータを付加して各断面データをトンネルＴの延長方向に配置し、この各断面データ間を連続させることで、トンネルＴ形状の三次元データを作成する。
最後に、図８に示すように、形状データ作成手段５のデータ記憶手段５ｅに、三次元データを記憶し、磁気記録媒体等を介してデータの表示手段を備えるパソコン等を用いてトンネルＴ全体の三次元形状を表示する。なお、測距手段２による測定値をデータ記憶手段５ｅに記憶し、磁気記録媒体等を介して断面データ作成手段５ｃ及び三次元データ作成手段５ｄを備えるパソコン等によってトンネルＴ形状の三次元データを作成してもよい。
【００３６】
したがって、本発明のトンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法では、トラック４に設置した測距手段２を用いてトンネルＴ形状の三次元データを作成するため、トンネルＴ全体の形状を迅速かつ正確に把握することができる。
【００３７】
以上、本発明を前記実施の形態によって説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。前記本発明のトンネル形状の三次元測定装置１及び三次元測定方法と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３８】
例えば、測距手段２の傾斜角θを、傾斜角検出手段６等の装置を用いることなく求めることも可能である。例えば、基準点検出段階において、図７に示すように、ベクトルｃは路面Ｔｂを示しており、トンネルＴの路面Ｔｂは水平状態であるため、ベクトルｃは水平状態を示さなければならないが、傾斜角θで傾いている測距手段２を用いた場合は、ベクトルｃが水平に対して角度θの傾きを有する状態となる。すなわち、この角度θは傾斜角θと同一であるため、角度θを求めることで、測距手段２の傾斜角θを検出することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のトンネル形状の三次元測定装置及び三次元測定方法によれば、移動手段に設置した測距手段による測定値を、トンネルの内周面上に設けた基準点を基準とする位置データに変換することで、トンネル内における測距手段の位置や傾きに影響されることなく、トンネル形状の断面データが作成されるため、移動手段をトンネル内で移動させて正確な断面データを順次作成し、この断面データに車両の移動量を付加することで、トンネル形状の三次元データを作成するため、トンネル全体の形状を迅速かつ正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るトンネル形状の三次元測定装置を示した側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトンネル形状の三次元測定装置を示した背面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るトンネル形状の三次元測定装置を示した平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る測距手段によってレーザ光を照射した際を示した図で、（ａ）はレーザ光の照射点を示した図、（ｂ）は基準点検出方法を示した図である。
【図５】基準点検出方法におけるベクトル同士のなす角の比較図である。
【図６】本発明の実施形態に係る測距手段によって内壁にレーザ光を照射した際の他の例を示した図で、（ａ）はレーザ光の照射点を示した図、（ｂ）は基準点検出方法におけるベクトル同士のなす角の比較図である。
【図７】本発明の実施形態に係る基準点検出方法の他の例を示した図である。
【図８】本発明の実施形態に係る形状データ作成手段を示した構成図である。
【符号の説明】
１・・・・三次元測定装置
２・・・・測距手段
２ａ・・・・前部測距手段
２ｂ・・・・後部測距手段
３・・・・移動量検出手段
４・・・・トラック
４ａ・・・・トラックの荷台
４ｂ・・・・トラックの荷台の前部
４ｃ・・・・トラックの荷台の後部
５・・・・形状データ作成手段
５ａ・・・・基準点検出手段（形状データ作成手段）
５ｂ・・・・車両姿勢検出手段（形状データ作成手段）
５ｃ・・・・断面データ作成手段（形状データ作成手段）
５ｄ・・・・三次元データ作成手段（形状データ作成手段）
５ｅ・・・・データ記憶手段（形状データ作成手段）
６・・・・傾斜角検出手段
Ｏ・・・・原点
Ｔ・・・・トンネル
Ｔａ・・・・トンネルの内壁
Ｔｂ・・・・トンネルの路面
Ｔｃ・・・・トンネルの路面における幅員の両端

Claims

原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に所定の角度毎に順次照射し、前記トンネルの内周面上の照射点で反射された前記レーザ光を前記原点において検知することで、前記原点と前記照射点との距離を所定の角度毎に順次測定する測距手段と、
前記測距手段を設置した移動手段と、
隣り合う前記照射点の間のベクトルを作成し、連続した２つの前記ベクトルの方向変化が最大となる２つの前記ベクトルが経由する照射点を基準点として検出する基準点検出手段と、
前記複数の照射点を、前記基準点を基準とした位置データに変換することで、トンネル形状の断面データを作成する断面データ作成手段と、
前記移動手段の移動量を検出する移動量検出手段と、
前記移動手段をトンネルの延長方向に移動させて順次作成した前記断面データ及び前記移動手段の移動量に基づいて、トンネル形状の三次元データを作成する三次元データ作成手段とから構成されることを特徴とするトンネル形状の三次元測定装置。
前記測距手段を前記移動手段の前部及び後部に各々設けることを特徴とする請求項１に記載のトンネル形状の三次元測定装置。
移動手段に設置した測距手段が、原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に所定の角度毎に順次照射し、前記トンネルの内周面上の照射点で反射された前記レーザ光を前記原点において検知することで、前記原点と前記照射点との距離を所定の角度毎に順次測定する測距段階と、
隣り合う前記照射点の間のベクトルを作成し、連続した２つの前記ベクトルの方向変化が最大となる２つの前記ベクトルが経由する照射点を基準点として検出する基準点検出段階と、
前記複数の照射点を、前記基準点を基準とする位置データに変換することで、トンネル形状の断面データを作成する断面データ作成段階と、
前記移動手段をトンネルの延長方向に移動させて順次作成した前記断面データ及び前記移動手段の移動量に基づいて、トンネル形状の三次元データを作成する三次元データ作成段階とから構成されることを特徴とするトンネル形状の三次元測定方法。