JP5137448B2 - トンネル切羽面の測量システム - Google Patents

Description

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。

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。
特開２００４−１３８４２２号公開公報

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。

本発明は、
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、中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量システムであり、
前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知か否かの判断を行い、前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知でない場合は、トンネルの切羽面上に、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、
少なくとも前記４点の基準点の空間座標及び画像座標の値、さらには、デジタルカメラ撮影における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画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
前記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が不知の場合には、前記基準点を、トンネル切羽面に９点以上形成し、形成した９点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した、中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
前記デジタルカメラでの撮影可能な基準点の形成は、前記トンネル開口側真正面にレーザビーム発射機を設置し、該レーザビーム発射機からレーザビームを発射してトンネル切羽面に投射し、前記トンネル切羽面に可視レーザ光による可視できる点を写し出して形成し、
前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知か否かの判断において、前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知である場合は、前記基準点の形成及び前記基準点を取り込んでの写真撮影をせずに、トンネル切羽面の写真撮影を行い、該取得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画像解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
前記デジタルカメラによる撮影は、トンネル開口側真正面からではなくともトンネル開口側のいずれの位置からもトンネル切羽面に向けて行える、
ことを特徴とし、
または、
デジタルカメラでの前記した撮影を複数回行い、該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、
を特徴とするものである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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）。

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。

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

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。 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。 本発明で使用される関係式を示す説明図（その１）である。 本発明で使用される関係式を示す説明図（その２）である。 本発明で使用される関係式を示す説明図（その３）である。 本発明のフローを説明する説明図である。

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

Claims (2)

1. 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、中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量システムであり、
   前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知か否かの判断を行い、前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知でない場合は、トンネルの切羽面上に、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、
   少なくとも前記４点の基準点の空間座標及び画像座標の値、さらには、デジタルカメラ撮影における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画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
   前記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が不知の場合には、前記基準点を、トンネル切羽面に９点以上形成し、形成した９点の基準点の空間座標及び画像座標の値を使用した、中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて画像解析し、前記中心投影画像から前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
   前記デジタルカメラでの撮影可能な基準点の形成は、前記トンネル開口側真正面にレーザビーム発射機を設置し、該レーザビーム発射機からレーザビームを発射してトンネル切羽面に投射し、前記トンネル切羽面に可視レーザ光による可視できる点を写し出して形成し、
   前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知か否かの判断において、前記デジタルカメラの位置、姿勢が既知である場合は、前記基準点の形成及び前記基準点を取り込んでの写真撮影をせずに、トンネル切羽面の写真撮影を行い、該取得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画像解析し、前記トンネル切羽面の正射投影画像を取得し、前記取得した正射投影画像をディスプレイ上に表示して、トンネル切羽面の不連続面や地質境界の把握が出来る測量を行え、
   前記デジタルカメラによる撮影は、トンネル開口側真正面からではなくともトンネル開口側のいずれの位置からもトンネル切羽面に向けて行える、
   ことを特徴とするトンネル切羽面の測量システム。
   
2. デジタルカメラでの前記した撮影を複数回行い、該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、
   ことを特徴とする請求項１記載のトンネル切羽面の測量システム。

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