JP6125296B2 - データ解析装置、データ解析方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいて、トンネルの断面形状を検出するデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラムに関する。

従来、トンネル形状の測定方法としては、トンネル内にレーザ測距装置を設置し、レーザ光をトンネルの内周面に所定の角度ごとに順次照射し、レーザの発射から反射光の受信までの時間に基づいて測距装置が置かれた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求めるものがある（特許文献１，２）。

一方、車両に搭載したレーザスキャナを用い道路に沿って地物の形状を表す３次元点群データを取得する技術としてモービルマッピングシステムが近年開発された（特許文献３）。当該システムでは、自動車に搭載されたレーザスキャナは車体の上部から斜め下方向や斜め上方向にレーザを照射する。レーザの光軸は横方向に走査され、走査角度範囲内にて微小角度ごとにレーザパルスが発射され、レーザパルスを反射した点までの距離が計測される。またその際、レーザの発射方向、時刻、及び車体の位置・姿勢などが計測される。それら計測データから、レーザパルスの反射点の３次元座標を表す点群データが求められる。

特開２００３−６５７５５号公報 特開２００１−９１２４９号公報 特開２００９−２０４６１５号公報

従来のトンネル形状の測定方法では、レーザ測距装置をトンネル内に設置して測定すると、広範囲を効率的に測定することが難しい。この点、レーザ測距装置を台車等で移動させながら測定することも提案されている。しかし、この移動させつつ測定する方法も、測定個所ごとに台車等を停止させると、短い移動距離ごとに測定して横断面形状をトンネルの縦断方向に関し高密度に得ようとすると時間と手間がかかる。また、移動させながらレーザの照射角度をトンネルの横断面方向に連続的に変えると、照射点の軌跡がらせん状になる。移動速度が小さければ、らせん形状の測定結果からトンネルの横断面形状を近似的に把握することは可能であるが、広範囲の測定には適さず、一方、移動速度が大きくなると、らせん形状の測定結果からトンネルの横断面形状を把握することが難しくなる。

この点、モービルマッピングシステムは、搭載車両の走行経路の周囲の広い範囲から点群を取得できる。点群は高密度で地物表面に分散して得られるので、点群データをもとに地物の形状を把握することができる。具体的には、点群データからトンネルの任意の断面形状を再構成することができる。一方、点群データをもとに地物を判読するなどの分析は、３次元ＣＡＤで編集ツール等を利用して手作業で行われており、自動化は開発途上である。

本発明は、トンネルの内表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいてトンネルの断面形状を検出する作業の自動化を可能とするデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

（１）本発明に係るデータ解析装置は、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出する装置であって、鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定手段と、前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索手段と、を有し、前記エッジ探索手段は、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求める。

（２）他の本発明に係るデータ解析装置はさらに、前記部分空間にて検出された前記エッジを当該部分空間の外にて追尾するエッジ追尾手段を有し、前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間から前記エッジが検出されると、当該エッジに対応する前記方向線の延長線の方向にて当該解析単位空間に隣接する新たな前記解析単位空間として追尾空間を設定し、前記エッジ探索手段は、前記延長線に沿った前記エッジを前記追尾空間にて探索する。

（３）さらに他の本発明に係るデータ解析装置においては、前記追尾空間は、前記切断平面における形状が矩形であり当該矩形の１辺の中点を既検出の前記エッジの端部に接続された直方体形状の空間であり、前記エッジ追尾手段は、前記中点を通る前記矩形の中心線を前記エッジの延長線に一致させた前記追尾空間を前記解析単位空間として設定し、当該追尾空間内に前記エッジが検出されなかった場合は、前記解析単位空間とする前記追尾空間として、前記切断平面内での前記中心線の向きを変えて内部に最も点群が集まる前記追尾空間を探索する。

（４）上記（２）又は（３）に記載するデータ解析装置はさらに、前記部分空間ごとに、当該部分空間の前記エッジから始まった追尾で得られたエッジ群からトンネルの前記断面形状の一部となる部分断面形状を生成する部分断面形状生成手段を有することができる。

（５）上記（４）に記載するデータ解析装置において、前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間にて検出された前記方向線をエッジ候補とし、当該エッジ候補が前記部分断面形状と交差した場合は当該エッジ候補は新たな前記エッジとしない構成とすることができる。

（６）上記データ解析装置において、前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間にて検出された前記方向線をエッジ候補とし、前記部分空間の前記エッジから追尾された前記エッジ候補が当該部分空間の前記エッジ又は当該エッジから追尾された他の前記エッジと交差した場合は、当該エッジ候補を新たな前記エッジとしない構成とすることができる。

（７）上記（４）から（６）に記載するデータ解析装置はさらに、２つの前記部分断面形状の端部間を接続する部分断面形状接続手段を有し、前記エッジ探索手段は、前記エッジに対応させて、当該エッジを中心線として予め定められた幅を有し、かつ当該エッジに応じた長さを有する帯状の領域であるエッジ近傍領域を定義し、前記部分断面形状接続手段は、一方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの延長線が他方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの前記エッジ近傍領域と交差する場合に、当該両端部間を接続する構成とすることができる。

（８）上記（４）から（７）に記載するデータ解析装置はさらに、２つの前記部分断面形状の端部間を接続する部分断面形状接続手段を有し、前記エッジ探索手段は、前記端部間の距離が予め定めた閾値以下である場合に、当該両端部間を接続する構成とすることができる。

（９）上記（２）から（８）に記載するデータ解析装置において、前記エッジ追尾手段は、前記部分空間にて検出された前記エッジの両端それぞれから追尾を開始してもよい。

（１０）本発明に係るデータ解析方法は、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出する方法であって、鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定ステップと、前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索ステップと、を有し、前記エッジ探索ステップは、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求める。

（１１）本発明に係るプログラムは、コンピュータに、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出するデータ解析を行わせるためのプログラムであって、当該コンピュータを、鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定手段、及び、前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索手段、として機能させ、前記エッジ探索手段は、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求める。

本発明によれば、トンネルの内表面から抽出された点群の３次元座標データに基づいてトンネルの断面形状を検出する作業の自動化が可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネル形状抽出システムの概略の構成を示すブロック図である。 基準線及び切断平面を示す模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るトンネル形状抽出システムによるトンネル形状抽出処理の概略のフロー図である。 切断平面に沿って設定される部分空間を説明する模式図である。 部分空間設定手段の概略の処理フロー図である。 エッジ探索手段の概略の処理フロー図である。 基点空間でのエッジ探索処理を説明する模式図である。 エッジ追尾手段及び図形登録手段の概略の処理フロー図である。 エッジ追尾手段による連続追尾処理の概略の処理フロー図である。 エッジ追尾手段による連続追尾処理の概略の処理フロー図である。 或る部分空間にて抽出された概略エッジ及び当該エッジを基点とした連続追尾処理の例を示す切断平面の模式図である。 連続線分対の接続可否の第１の判断手法を説明する模式図である。 連続線分対の接続可否の第２の判断手法を説明する模式図である。 エッジ形状調整手段によるエッジの微調整処理の概略のフロー図である。 エッジ形状調整手段によるエッジの微調整処理を説明する模式図である。 トンネルの道路脇の段差部にて抽出された概略エッジを示す切断平面の模式図である。 図１６の概略エッジから詳細エッジを生成する処理を説明する模式図である。 図１６の概略エッジから生成された詳細エッジを示す切断平面の模式図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）であるトンネル形状抽出システム２について、図面に基づいて説明する。本システムは、地物表面の３次元形状を表す点群データに基づいてトンネル内の表面形状を検出するデータ解析装置である。点群データは例えば、上述のモービルマッピングシステムのように地上を走行する車両に搭載されたレーザスキャナにより取得される。また、レーザスキャナを地上に設置して計測を行っても良い。点群データが地物表面の３次元形状を表すには、地物表面の凹凸、段差のスケールに応じた密度でレーザスキャンが行われる必要がある。この点、車両や三脚等の高さから行うレーザスキャンは、例えば、自動車用の複数車線のトンネル程度の大きさの空間内における壁面、道路脇の段差、トンネルの付属構造物などの形状を数センチメートル程度の精度で捉えることができる走査密度を実現できる。

図１は、トンネル形状抽出システム２の概略の構成を示すブロック図である。本システムは、演算処理装置４、記憶装置６、入力装置８及び出力装置１０を含んで構成される。演算処理装置４として、本システムの各種演算処理を行う専用のハードウェアを作ることも可能であるが、本実施形態では演算処理装置４は、コンピュータ及び、当該コンピュータ上で実行されるプログラムを用いて構築される。

当該コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）が演算処理装置４を構成し、後述する部分空間設定手段２０、エッジ探索手段２２、エッジ追尾手段２４、表面要素形状決定手段２６、図形登録手段２８、エッジ接続手段３０及びエッジ形状調整手段３２として機能する。

記憶装置６はコンピュータに内蔵されるハードディスクなどで構成される。記憶装置６は演算処理装置４を部分空間設定手段２０、エッジ探索手段２２、エッジ追尾手段２４、表面要素形状決定手段２６、図形登録手段２８、エッジ接続手段３０及びエッジ形状調整手段３２として機能させるためのプログラム及びその他のプログラムや、本システムの処理に必要な各種データを記憶する。例えば、記憶装置６は、処理対象データとして解析の対象空間の点群データを格納される。例えば、自動車道路におけるトンネル内が解析の対象空間とされる。

入力装置８は、キーボード、マウスなどであり、ユーザが本システムへの操作を行うために用いる。

出力装置１０は、ディスプレイ、プリンタなどであり、本システムにより求められたトンネルの３次元形状や断面形状を画面表示、印刷等によりユーザに示す等に用いられる。

後述するように本実施形態においてトンネル形状を抽出する際の基本的な処理は、対象空間に仮想的に設定した切断平面に現れる地物表面の境界線(エッジ)を検出する処理であり、設定された切断平面に対してはエッジに沿った帯状領域における地物表面が検出される。１つの切断平面に対して抽出される表面は比較的局所的であるが、切断平面を複数設定してそれぞれについて解析を行うことによってより広い範囲での表面形状を把握することが可能である。

トンネル形状抽出システム２において切断平面の設定の仕方は任意であるが、一般的にはトンネルの横断面又は縦断面に設定される。本実施形態では横断面の場合を例に説明する。横断面の場合、水平な基準線を道路の横断方向に沿って設定し、切断平面は当該基準線を通る鉛直面に設定される。例えば、道路にセンター線を設定し、トンネル形状抽出システム２はこれを或る距離(ピッチ)で刻んで横断方向の基準線４０を発生させて連続的にあるいは単独で断面形状を検出する処理を行うことも可能である。図２は基準線及び切断平面を示す模式的な斜視図である。基準線４０は道路４２及びトンネル４４の横断方向に沿って設定される。基準線をＸ軸とし、鉛直方向をＹ軸に、また道路の縦断方向をＺ軸に設定する。よって、切断平面４６はＸＹ平面を規定する。

図３は、トンネル形状抽出システム２によるトンネル形状抽出処理の概略のフロー図である。図３を参照しながら、演算処理装置４の各手段を説明する。

部分空間設定手段２０は、解析の対象空間全体のうち、設定された切断平面でのトンネル形状抽出の処理の対象とされる断面近傍空間を区画して、解析の単位空間となる部分空間を設定する。断面近傍空間は切断平面を中心としてＺ軸方向に寸法（奥行き）Ｄを有する空間である。奥行きＤは上述した切断平面に対応して検出される地物表面の帯状領域の幅に対応している。本実施形態では例えば、Ｄは３０ｃｍに設定する。ちなみに図２では、断面近傍空間の水平断面４８を矩形で模式的に表している。

例えば、部分空間設定手段２０は断面近傍空間を水平方向及び垂直方向に区画して、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸に沿った辺を有する直方体形状の部分空間を作成する。図４は部分空間を説明する模式図であり、切断平面（ＸＹ平面）におけるトンネル断面形状５０と部分空間５２の配置とを示している。断面近傍空間は格子状（メッシュ状）に区画され、部分空間５２はＸ方向及びＹ方向を配列方向とする２次元配列をなす。本実施形態では部分空間のＸ軸方向の寸法（幅Ｗ）及びＹ軸方向の寸法（高さＨ）を例えば、奥行きＤと同じに設定し、部分空間を立方体に設定する。なお、部分空間設定手段２０を構成するプログラムでは、幅Ｗ、高さＨ及び奥行きＤはパラメータ化されており、例えば、ユーザが入力装置８を用いて変更することができる。

部分空間設定手段２０は２次元配列をなす部分空間を順次作成する。部分空間の幅Ｗ及び高さＨがパラメータとして設定されると、対象空間のサイズに応じてＸ，Ｙ各方向の部分空間の配列個数が定まる。当該配列個数により、Ｘ，Ｙ各方向の部分空間の位置を示すインデックスの範囲が決定される。部分空間設定手段２０は、部分空間の２次元配列を表すインデックスを所定の順番で変更し、設定されたインデックスに応じた位置（Ｘ，Ｙ各方向の座標範囲）で定義される部分空間を設定する（Ｓ１０）。

例えば、図４に示すようにトンネルの空洞の略中央部の格子点を原点Ｏに設定し、Ｘ方向のインデックスは原点Ｏから右向きに１，２，３，…と順に増加させて設定し、原点Ｏから左向きに−１，−２，−３，…と順に減少させて設定する。また、Ｙ方向のインデックスは原点Ｏから上向きに１，２，３，…と順に増加させて設定し、原点Ｏから下向きに−１，−２，−３，…と順に減少させて設定する。この場合、部分空間設定手段２０は例えば、（１）Ｙ方向のインデックスを１から順番にインクリメントし、Ｙ方向のインデックスの各値にて、Ｘ軸の正方向にＸ方向のインデックスを１から順番にインクリメントする走査、（２）Ｙ方向のインデックスを１から順番にインクリメントし、Ｙ方向のインデックスの各値にて、Ｘ軸の負方向にＸ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントする走査、（３）Ｙ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントし、Ｙ方向のインデックスの各値にて、Ｘ軸の正方向にＸ方向のインデックスを１から順番にインクリメントする走査、（４）Ｙ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントし、Ｙ方向のインデックスの各値にて、Ｘ軸の負方向にＸ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントする走査を行う。部分空間設定手段２０は、各走査にて、部分空間を順次選択してその内部における点群の有無を調べ、点群を含む部分空間をエッジ探索の処理対象として抽出する。

部分空間設定手段２０は上述した走査とは走査方向を９０°変えた走査も行い、当該走査でもエッジ探索の処理対象とする部分空間を抽出する。念のため、当該走査を説明すると、（１）Ｘ方向のインデックスを１から順番にインクリメントし、Ｘ方向のインデックスの各値にて、Ｙ軸の正方向にＹ方向のインデックスを１から順番にインクリメントする走査、（２）Ｘ方向のインデックスを１から順番にインクリメントし、Ｘ方向のインデックスの各値にて、Ｙ軸の負方向にＹ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントする走査、（３）Ｘ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントし、Ｘ方向のインデックスの各値にて、Ｙ軸の正方向にＹ方向のインデックスを１から順番にインクリメントする走査、（４）Ｘ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントし、Ｘ方向のインデックスの各値にて、Ｙ軸の負方向にＹ方向のインデックスを−１から順番にデクリメントする走査である。

エッジ探索手段２２は、解析単位空間ごとに、その中の点群を解析し、切断平面（ＸＹ平面）４６内にてトンネル４４の断面形状５０を構成するエッジを探索する（Ｓ１２，Ｓ１４）。エッジ探索手段２２は、探索過程にて、解析単位空間のＸＹ平面上にて検査線を様々に配置して当該検査線がエッジの候補となる線（候補線）であるかを調べる。本実施形態では、まず部分空間内での地物表面は近似的に平面であると仮定し、エッジとして直線（線分）を抽出対象とする。これに対応して、検査線の形状も直線又は線分とする。エッジ探索手段２２は、検査線に沿って、予め定められた幅の帯状領域を設定し、検査線に応じてＸＹ平面にて様々に設定される帯状領域のうちエッジを包含すると推測されるエッジ見当領域を探索する。具体的には、エッジ探索手段２２は、帯状領域内に位置するデータ点（点群）の個数及び当該帯状領域に属するデータ点の高低差（Ｚ軸方向の座標差）を求める（Ｓ１２）。そしてエッジ探索手段２２はその結果に対して設定された条件に基づいてエッジを抽出する（Ｓ１４）。すなわち、点群が帯状の領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が予め設定した閾値以上の奥行き差を有する場合に、当該領域をエッジ見当領域と判断し、当該エッジ見当領域の元となった検査線をエッジの候補と定める。なお、処理Ｓ１２において、データ点が帯状領域内にあるか否かはデータ点のＺ座標は考慮せずに、ＸＹ座標のみで判断される。例えば、エッジ抽出の条件のうちエッジ見当領域内の点群の数に関する基準として、検査線のうちその近傍に集まる点群の個数が最も多いという条件を設定することができる。

エッジ探索手段２２は解析単位空間内にて、最も点群が集まっているエッジのみを探索してもよいし、解析単位空間内にエッジが複数存在する多重エッジを想定した処理としてもよい。

エッジ追尾手段２４は、部分空間にて検出されたエッジを当該部分空間の外にて追尾する（Ｓ１６）。エッジ追尾手段２４は、基点となる部分空間（基点空間）に存在するエッジの方向線が検出されると、当該方向線の前後の延長線方向にて当該基点空間に隣接する新たな解析単位空間として追尾空間を設定する。この場合、エッジ探索手段２２は、延長線に沿ったエッジを追尾空間内にて探索する。また、追尾空間にてエッジが検出されると、エッジ追尾手段２４はさらに当該追尾空間を求めた方向と同一方向上に、当該エッジの方向線を延長して追尾空間を設定し、エッジ探索手段２２は当該追尾空間にてエッジを探索する。追尾空間として設定される解析単位空間は本実施形態では部分空間と同様、直方体形状とする。寸法（Ｗ×Ｈ×Ｄ）は上述した部分空間と同じとすることもできるし、異ならせてもよい。例えば、追尾しているエッジの方向・位置は予め見当が付いているので、寸法を上述の部分空間と異ならせる設定として、追尾方向に直交する方向の寸法を上述の部分空間より狭くすることが可能である。

表面要素形状決定手段２６は、地物表面のうち基点空間や追尾空間にて切断平面上のエッジとして検出された部分（表面要素）の形状を、点群の奥行き方向の座標を考慮して求める（Ｓ１４，Ｓ１６）。具体的には、表面要素形状決定手段２６は、（Ｘ，Ｙ）座標がエッジに対応する帯状領域内にあるデータ点を、エッジを基線として切断平面に垂直な面に射影し、射影された点群の分布範囲に基づいて表面要素の形状を求める。当該形状は、平行な２辺である上底及び下底をＺ軸方向に設定され、かつ射影面での点群の分布範囲を近似する台形とされる。

図形登録手段２８は、部分空間ごとに、当該部分空間のエッジから始まった追尾で得られたエッジ群からトンネルの断面形状の一部となる部分断面形状を生成する部分断面形状生成手段としての機能を有する。図形登録手段２８は、エッジの連続追尾が途絶えると、エッジ追尾手段２４により求められた一連のエッジをつなぎ合わせて連続線分（部分断面形状）を作成し、当該連続線分を表す情報、及び当該連続線分を構成する各エッジの図形データを記憶装置６に登録する（Ｓ１８）。連続線分はこの段階にて一連のエッジを実際に互いに接続した１つの線（折線）とすることもできるし、この段階では並び順は決められているが接続はされていない複数の線分の状態であるとし、相互接続して１つの線にする処理は別途行ってもよい。後者の場合、例えば、後述するエッジ形状の調整処理で相互接続を行うことができる。

エッジ接続手段３０は、エッジが抽出された部分空間ごとにエッジ追尾手段２４により追尾され生成された連続線分同士をそれらの位置関係に基づいてつなぎ合わせる（Ｓ２０）。地物表面から得られる点群の密度は一様ではない。具体的には、モービルマッピングシステムでは、自動車に搭載されたレーザスキャナは車体の上部から斜め下方向や斜め上方向にレーザを照射する。レーザの光軸は横方向に走査され、走査角度範囲内にて微小角度ごとにレーザパルスが発射される。そのため、レーザスキャナと地物表面のレーザ反射点との距離はレーザの発射方向やレーザスキャナと地物表面との距離などの影響を受けて変化する。そしてレーザスキャナからの距離が遠いほどレーザパルスの発射角度差に対するレーザ反射点間の距離は大きくなり、点群の密度が低くなる。また、表面に水が存在したり、レーザスキャナから見て陰になるなどして点群が得られない箇所も生じ得る。このような点群の密度が低い箇所や点群が存在しない箇所では、上述のように基点空間の選択に関する走査方向を変えるなどして多くの部分空間を基点空間として選択して連続追尾を行っても、本来、つながるべき箇所で連続したエッジを抽出できない可能性がある。エッジ接続手段３０はこのような箇所にて、その近傍にて抽出されている連続線分同士をつなぎ合わせる。なお、この連続線分同士をつなぎ合わせる処理に関しても、この段階にて連続線分同士を実際に接続して１つの線（折線）にする処理とすることもできるし、この段階では、接続されるべき連続線分の端部の組み合わせを決めるだけの処理として、実際に接続する処理は別途行ってもよい。後者の場合、例えば、後述するエッジ形状の調整処理において端部間をエッジで接続する処理を行うことができる。

エッジ形状調整手段３２は、部分空間内では直線状に抽出されるエッジを地物表面の概略のエッジであると位置づけて、概略エッジである線分に基づいて、より詳細なエッジ形状を表す折線を求める（Ｓ２２）。

以下、トンネル形状抽出システム２の処理例をより詳しく説明する。図５、図６、図８〜図１０は、演算処理装置４が実行する一連の処理の流れを分割して示しており、まず、図５は、部分空間設定手段２０の概略の処理フロー図であり、トンネル形状抽出システム２における解析単位空間の初期設定、つまり部分空間の作成処理に関する部分の処理を示している。トンネル形状抽出システム２が例えば、トンネルの横断面などのトンネル形状の抽出処理を開始すると（Ｓ３０）、部分空間設定手段２０は、断面近傍空間をメッシュ状に分割した部分空間を追尾処理の基点空間として順次設定する。例えば、部分空間のサイズが設定されている場合には、奥行きＤを有し切断平面に沿って設定される断面近傍空間のＸＹ面内でのサイズに応じて、Ｘ，Ｙ各方向の部分空間の配列個数が定まり、例えば、各方向の部分空間の位置を示すインデックスの範囲が決定される。一方、断面近傍空間の各方向の分割数（インデックスの幅）が設定されている場合には、対象空間のサイズに応じて部分空間のサイズが算出され設定される。

部分空間設定手段２０は、部分空間の２次元メッシュ状の配置を表すインデックスを上述したような順番で指定し、設定されたインデックスに応じた位置（Ｘ，Ｙ各方向の座標範囲）で定義される直方体の部分空間を基点空間として設定する（Ｓ３２）。なお、ここで、インデックス指定されたメッシュの部分空間が未処理のものであれば（Ｓ３４にて「Ｎｏ」の場合）、部分空間設定手段２０は基点空間内の点群を例えば、ハードディスク等の記憶装置６からＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業領域に取り込む（Ｓ３６）。基点空間内に取り込んだ点群の数が閾値ｎ以上であり（Ｓ３８にて「Ｙｅｓ」の場合）、かつ基点空間内に取り込んだ点群が平坦でない場合（Ｓ４０にて「Ｎｏ」の場合）には、当該部分空間を基点空間としたエッジ探索を行う（図６のノードＢへ処理が進む）。例えば、処理Ｓ３８にて、点群の閾値ｎは５以上に設定することができる。また、点群が平坦ではないことは、点群のＺ方向の座標値の最大値と最小値との差が予め設定した値以上、例えば２ｃｍ以上であることと定義することができる。

一方、基点空間内に取り込んだ点群の数が閾値ｎ未満である場合（Ｓ３８にて「Ｎｏ」の場合）、及び、基点空間内に取り込んだ点群が平坦と判断される場合（Ｓ４０にて「Ｙｅｓ」の場合）には、切断平面に交差する地物表面が存在しないか、精度良くエッジ探索ができないとして当該探索は行わない。これらの場合は、当該基点空間については処理を終え、次の部分空間を基点空間とした処理に移る（ノードＡへ処理が戻る）。

上述した走査順序でメッシュ状に並ぶ全ての部分空間について処理が終わっている場合は（Ｓ３４にて「Ｙｅｓ」の場合）、演算処理装置４はエッジ抽出の処理を終える（Ｓ４２）。

図６は、エッジ探索手段２２の概略の処理フロー図であり、基点空間におけるエッジ探索に関する処理を示している。エッジ探索手段２２は基点空間内にエッジが存在するか探索する（Ｓ５０）。

図７は基点空間でのエッジ探索処理Ｓ５０を説明する模式図である。図７は、基点空間を切断平面に直交する方向（Ｚ軸方向）から見た図であり、基点空間６０に対応する矩形と、基点空間内の点群のＸＹ面内での配置の一例が示されている。エッジ探索手段２２は、基点空間内の点群から任意の２つのデータ点Ｐα，Ｐβを選択し、それら２点を両端とするＸＹ面内での線分Ｌ０をエッジの検査線として設定すると共に、線分Ｌ０を中心としてその両側にそれぞれ幅ｗ（合計幅２ｗ）の帯状領域ＥＡを設定する。エッジ探索手段２２は点群のうちＸＹ平面での座標が当該帯状領域ＥＡ内に位置するデータ点の個数をカウントする。データ点が領域ＥＡ内であるか否かは、例えばＸＹ平面上での当該データ点から線分Ｌ０への垂線の長さがｗ以下であるか否かによって判定可能である。また、エッジの条件として、帯状領域ＥＡ内の点群が表す３次元形状が平坦でないことを課す。具体的には、エッジ探索手段２２は、帯状領域ＥＡ内に包含されるデータ点の奥行き差ΔＺが予め設定した閾値γ以上であれば平坦ではないと判定する。ｗ，γはパラメータであり、例えば、ｗは３ｃｍ程度、γは２ｃｍ程度に設定できる。

エッジ探索手段２２は、基点空間内の２つのデータ点の全ての組み合わせについて検査線を設定して上述の判定を行い、領域ＥＡ内に最もデータ点が多く集まり、かつΔＺが閾値γ以上である線分Ｌ０を基点空間における探索処理でのエッジとして選択する。当該エッジは線形リストへの登録候補（エッジ候補）となる。エッジが存在した場合には（Ｓ５２にて「Ｙｅｓ」の場合）、処理Ｓ５４に進む。一方、エッジが見つからなかった場合（Ｓ５２にて「Ｎｏ」の場合）、当該基点空間については処理を終え、図５のノードＡへ進み、次の部分空間を基点空間とした処理に移る。

エッジ探索手段２２は、処理Ｓ５０にてエッジとして選択された線分Ｌ０に対応する帯状領域ＥＡ（エッジ見当領域）内のデータ点に対して最小２乗法を適用し、得られる回帰直線に沿うように線分Ｌ０の位置を修正する最適化処理を行う（Ｓ５４）。

表面要素形状決定手段２６は処理Ｓ５４で得られたエッジに存在する地物の表面要素の形状を求める。具体的には、帯状領域ＥＡ内のデータ点を、エッジを基線として切断平面に垂直な面に射影し、射影された点群の分布範囲を台形で近似した表面要素の形状を求める（Ｓ５６）。

エッジ探索手段２２は、得られたエッジに相当するもの（一致又は交差する方向線）がすでに図形登録されているものの中に存在するかを調べる（Ｓ５８）。図形登録されていなければ（Ｓ６０にて「Ｎｏ」の場合）、当該エッジ（エッジ候補）は新たなエッジであるとして、図８のノードＤへ進み、当該エッジの位置や表面要素形状を含む情報（図形データ）を線形リストに格納して連続追尾処理が開始される。一方、図形登録されていれば（Ｓ６０にて「Ｙｅｓ」の場合）、当該エッジは既検出であり新たなエッジではないとして、基点空間にて得られたエッジの情報は記録せずに、図５のノードＡへ進み、次の部分空間を基点空間とした処理に移る。なお、エッジ探索手段２２はエッジを中心線として予め定められた幅を有し、かつ当該エッジに応じた長さを有する帯状の領域であるエッジ近傍領域を定義し、線形リストに格納される図形データにはこのエッジ近傍領域を表す情報も含まれる。

図８はエッジ追尾手段２４及び図形登録手段２８の概略の処理フロー図である。エッジ追尾手段２４は、エッジの情報をバッファするための線形リストを生成する。エッジ追尾手段２４は、追尾処理がエッジの両端から互いに反対方向に行われることに対応して線形リストを２つ作成する。ここではエッジの一方端からの追尾をＡ方向の追尾、エッジの他方端からの追尾をＢ方向の追尾と称する。エッジ追尾手段２４はＡ方向に追尾するための線形リストと、Ｂ方向に追尾するための線形リストとを作成する（Ｓ８０）。基点空間にて得られたエッジの図形データは、例えば、Ａ方向の線形リストに格納することができる（Ｓ８２）。しかる後、エッジ追尾手段２４は、Ａ方向の連続追尾処理Ｓ８４とＢ方向の連続追尾処理Ｓ８６とを行う。

Ａ方向及びＢ方向それぞれの連続追尾処理で得られたエッジの情報は、Ａ方向及びＢ方向の線形リストに格納される。図形登録手段２８は或る基点空間にて得られたエッジについての２方向の追尾が終了すると、Ａ方向の線形リスト及びＢ方向の線形リストに格納されているエッジの端点を追尾順序に従ってつなぎ合わせて連続線分を作成する（Ｓ８８）。作成した連続線分は記憶装置６に図形登録される（Ｓ９０）。処理は図５のノードＡへ進み、次の部分空間を基点空間とした処理に移る。

図９及び図１０はエッジ追尾手段２４による連続追尾処理の概略の処理フロー図である。エッジ追尾手段２４は、基点空間又は先行して設定された追尾空間にてエッジが検出されると、それら先行してエッジ検出が行われた解析単位空間に隣接する追尾空間を設定する（Ｓ１００）。新たな追尾空間は切断平面における断面である矩形の中心線を、先行する解析単位空間にて検出されているエッジの向きに合わせて配置される。また、先行して設定された追尾空間にてエッジが検出された場合には、当該追尾空間を求めた方向と同一方向上に、当該エッジの方向線を延長して、さらに追尾が行われる。

エッジ追尾手段２４が追尾空間を設定すると、エッジ探索手段２２は当該追尾空間内の点群を記憶装置６からＲＡＭ等の作業領域に取り込み（Ｓ１０２）、先行する解析単位空間のエッジの延長線に沿って設定した追尾空間にエッジが存在するかを調べる（Ｓ１０４）。延長線に沿って設定した追尾空間内に基準以上の点群が集まっており、その高低差が閾値γ以上であれば、当該追尾空間にエッジが存在すると判定する（Ｓ１０６にて「Ｙｅｓ」の場合）。この場合、表面要素形状決定手段２６が基点空間でのエッジに対して行った処理Ｓ５６と同様の処理を行って、追尾空間にて抽出されたエッジに存在する地物の表面要素となる台形を決定する処理を行う（Ｓ１０８）。

エッジ追尾手段２４は抽出したエッジ（エッジ候補）が線形リスト上に格納されているエッジと交差するか否かを調べる（Ｓ１１０）。ここで、線形リストに登録されているエッジは新たに追尾空間から抽出されたエッジと同じ基点空間に端を発するものである。トンネルの横断面のようにエッジが閉じた図形を形成する場合、或る一つの基点空間からの連続追尾処理で当該閉じた図形が抽出される可能性がある。そこで、処理Ｓ１１０にて、新たに抽出されたエッジと線形リスト上のエッジとの交差（一致を含む）の有無を判定し、交差が検出された場合（Ｓ１１２にて「Ｙｅｓ」の場合）、自己ループ又は無限ループを回避するために、新たに抽出されたエッジは線形リストに追加せずに連続追尾処理を終了する（Ｓ１１４）。

交差が検出されなかった場合（Ｓ１１２にて「Ｎｏ」の場合）、さらにエッジ追尾手段２４は、新たに抽出されたエッジがすでに図形登録されているかを調べる（Ｓ１１６）。図形登録されている場合（Ｓ１１８にて「Ｙｅｓ」の場合）、新たに抽出されたエッジは線形リストに追加せずに連続追尾処理を終了する（Ｓ１２０）。

一方、図形登録されていなければ（Ｓ１１８にて「Ｎｏ」の場合）、エッジ追尾手段２４は、現在の追尾空間についてのエッジの情報を線形リストに追加して（Ｓ１２２）、処理Ｓ１００に戻り、現在の追尾空間に続く新たな追尾空間を設定する。このようにしてエッジ追尾手段２４は追尾空間を順次設定してエッジを追尾する。

エッジ追尾手段２４は既検出エッジの延長線に沿って設定した追尾空間内にてエッジを検出できない場合（Ｓ１０６にて「Ｎｏ」の場合）、図１０のノードＦに進み、既検出エッジの延長線からずれた方向における探索処理が行われる。当該探索処理では、追尾空間をその中心軸を切断平面内にて当該延長線の位置から時計回り方向と反時計回り方向とに変化させて設定する。例えば、延長線の向きからの中心軸の向きの変化範囲（±θ）とその分割数ｋを設定し、θ／ｋずつ切断平面内での角度が異なる複数の追尾空間を設定し、各追尾空間にてエッジを探し、そして角度を変えて設定した複数の追尾空間にて得られたエッジのうち最も点群が集まるものを抽出する（Ｓ１３０）。

これによりエッジが抽出された場合（Ｓ１３２にて「Ｙｅｓ」の場合）、表面要素形状決定手段２６は処理Ｓ１０８と同様にして、追尾空間にて抽出されたエッジに存在する地物の表面要素となる台形を決定する処理を行う（Ｓ１３６）。また、エッジ追尾手段２４は処理Ｓ１１０〜Ｓ１２２と同様の処理を行う。すなわち、抽出したエッジと線形リスト上のエッジとの交差の有無を調べ（Ｓ１３８）、また、抽出したエッジがすでに図形登録されているものの中にあるかを調べる（Ｓ１４４）。そして、交差が検出された場合（Ｓ１４０にて「Ｙｅｓ」の場合）及び図形登録されている場合（Ｓ１４６にて「Ｙｅｓ」の場合）は、新たに抽出されたエッジは線形リストに追加せずに連続追尾処理を終了し（Ｓ１４２及びＳ１４８）、当該処理をサブルーチンとして呼び出した図８の処理Ｓ８４，Ｓ８６に戻る。一方、交差が検出されず（Ｓ１４０にて「Ｎｏ」の場合）、かつ図形登録されていなければ（Ｓ１４６にて「Ｎｏ」の場合）、エッジ追尾手段２４は、抽出したエッジの情報を線形リストに追加して（Ｓ１５０）、図９のノードＥに戻り、現在の追尾空間に続く新たな追尾空間を設定する。なお、エッジが抽出されなかった場合（Ｓ１３２にて「Ｎｏ」の場合）は連続追尾処理をサブルーチンとして呼び出した図８の処理Ｓ８４，Ｓ８６に戻る（Ｓ１３４）。

図１１は或る部分空間１００にて抽出されたエッジ１０２と、当該エッジ１０２を基点とした連続追尾処理の例を示す切断平面の模式図である。追尾処理は部分空間１００から時計回りと反時計回りとでそれぞれ追尾空間１０４を順次設定してエッジ１０６を探索する。図１１のトンネル断面形状５０の右側の一連のエッジ１０２，１０６は１つの連続線分を構成する。

演算処理装置４は、基点空間でのエッジ探索、及び追尾空間での連続追尾処理を終え、切断平面におけるトンネルの部分断面形状を表す連続線分の抽出が完了すると（図５のＳ４２）、エッジ接続手段３０により連続線分をつなぎ合わせる処理を行う（図３の処理Ｓ２０）。

エッジ接続手段３０（部分断面形状接続手段）は２つの連続線分の端部間を接続する。エッジ接続手段３０は切断平面に対応して抽出された連続線分を記憶装置６から２つ選択し、当該２つの連続線分について２つの手法で接続の可否を判断する。この判断は切断平面における全ての連続線分対について行われる。

図１２は連続線分対の接続可否の第１の判断手法を説明する模式図である。第１の手法では、選択した連続線分対の一方の連続線分において端部に位置するエッジＥ１の延長線Ｌ１が他方の連続線分において端部に位置するエッジＥ２のエッジ近傍領域Ｒ２と交差するか否かに基づいて接続可否を判断し、接続可能と判断した場合は、それらエッジＥ１，Ｅ２の端部ＰＢ１，ＰＡ２の間を接続し、２つの連続線分を１つに統合する。

ここで、接続の可否の判断は、エッジＥ１の端部ＰＢ１からの延長線Ｌ１がエッジＥ２のエッジ近傍領域Ｒ２と交差するかという一方向の判定だけでなく、双方の判定とすることもできる。つまり、エッジＥ２の端部ＰＡ２からの延長線（図示せず）がエッジＥ１のエッジ近傍領域Ｒ１と交差するかという判定も考慮して接続可否を判断することができる。例えば、双方向のうちいずれか一方で交差が判定されれば接続可能と判断することもできるし、両方向で交差が判定された場合に接続可能と判断することもできる。

また、各連続線分は２つの端部を有するので、２つの連続線分間には４通りの端部の組み合わせが存在する。具体的には一方端にエッジＥ１を有する連続線分の反対端をエッジＥ１’とし、同様に一方端にエッジＥ２を有する連続線分の反対端をエッジＥ２’とすると、エッジＥ１，Ｅ１’それぞれと、エッジＥ２，Ｅ２’それぞれとの組み合わせが考えられる。このうちエッジ接続手段３０は基本的には端部間の距離が最も小さい組み合わせだけについて接続可否を判断すればよいが、複数の組み合わせ、例えば全部の組み合わせについて接続可否を判断してもよい。

エッジ近傍領域の幅（エッジに直交する方向の寸法）ｗ_Ｎ（図示せず）は一定の値とすることができる。一方、例えば、対応するエッジが抽出された解析単位空間やエッジ見当領域での点群の粗密に応じて幅ｗ_Ｎを変えてもよい。例えば、点群の密度が高い解析単位空間やエッジ見当領域から抽出されたエッジの位置の精度は高いと考えられることから、当該密度が高いほど幅ｗ_Ｎを小さく設定することができる。

図１３は連続線分対の接続可否の第２の判断手法を説明する模式図である。第２の手法では、選択した連続線分対の端部間の距離ＤＮが予め定めた閾値ε以下である場合に、当該両端部間を接続する。具体的には、まず２つの連続線分の端部の４通りの組み合わせのうち端部間の距離が最も小さい組み合わせを選択する。図１３では４通りの組み合わせのうちエッジＥ１の端部ＰＢ１とＥ２の端部ＰＡ２との距離が最小であり、当該距離がε以下であれば連続線分対は当該端部にて接続され、当該距離がεより大きければ連続線分対は第２の手法では接続されない。

なお、第１の手法は、点群が比較的疎であり、連続線分対の端部間の距離ＤＮが長い場合に有効である。一方、第２の手法は、点群が比較的密であり、連続線分対の端部間の距離ＤＮが短い場合に有効である。また、第１の手法と第２の手法を併用し、例えば第１の手法で接続できなかった連続線分対を第２の手法で接続することも可能である。

エッジ接続手段３０により連続線分を接続することで例えば、トンネルの横断面形状が閉じた図形で得られやすくなる。ここまでの処理でトンネルの断面形状を、部分空間や追尾空間ごとに抽出されたエッジをつなぎ合わせた折線で表現することができる。トンネル形状抽出システム２はこれをトンネルの断面形状として出力することもできるが、トンネル形状抽出システム２はさらにエッジ形状調整手段３２により、トンネルの断面形状を調整して出力することができる。エッジ形状調整手段３２は、エッジ探索手段２２により部分空間や追尾空間にて抽出されるエッジを概略エッジであると位置づけて、概略エッジである線分に基づいて、より詳細なエッジ形状を表す折線を求めるエッジの微調整処理を行う（図３の処理Ｓ２２）。

図１４はエッジ形状調整手段３２によるエッジの微調整処理Ｓ２２の概略のフロー図である。図１５はエッジ形状調整手段３２によるエッジの微調整処理を説明する模式図である。図１５は、部分空間７０を切断平面に直交する方向（Ｚ軸方向）から見た図であり、部分空間７０に対応する矩形と、部分空間７０にて検出された概略エッジＬ０に対応して生成される詳細エッジＬｆの例を示している。なお、図１５では空間７０を部分空間としているが、これが追尾空間であってもエッジの微調整処理は同様に行われる。

エッジ形状調整手段３２はエッジ探索手段２２により概略エッジを示す線分Ｌ０が得られると、当該線分を一方端から一定の長さずつ区切り（Ｓ１６０）、これにより生成された各区間にて詳細エッジが通る点（代表点）を探索し、ＸＹ面内にてＰＡ，ＰＢを結ぶ概略エッジを示す線分Ｌ０に代えて、各区間にて求めた代表点をつなぐ折線Ｌｆをエッジとする。ここでは区間数をＮとする。演算処理装置４は、選択した区間Ｋから代表点Ｐ_Ｋが得られると、当該代表点Ｐ_Ｋの切断平面内の座標（Ｘ_Ｋ，Ｙ_Ｋ）を代表点情報として求める。

エッジ形状調整手段３２は、区間番号Ｋを１ずつ増加させて、区間を選択し（Ｓ１６２，Ｓ１６４）、各区間にて代表点を探索する（Ｓ１６８）。探索は、エッジ周辺空間７２を区間ごとに分割したコンパートメント７４内で行われる。エッジ周辺空間７２は切断平面に射影した形状が概略エッジの近傍領域であり、Ｚ方向に表面要素に応じた奥行きを有する空間に設定することができる。具体的にはエッジ周辺空間７２の切断平面上の形状は、対向する２辺の中点に概略エッジの両端ＰＡ，ＰＢが位置した矩形である。当該矩形の概略エッジに直交する方向の寸法は、検出対象とするトンネルの断面形状に想定される曲率や凹凸の大きさを考慮して設定することができる。その寸法は、トンネルの切断平面でのエッジを正確に捉えることができる程度に大きくする必要があるが、一方、トンネルのエッジに起因しない点群が代表点として誤検出されにくいようにする観点からは小さくすることが好適であり、例えば部分空間の幅Ｗや高さＨより小さく設定される。コンパートメント７４は、概略エッジを区切った区間の境界点を通り概略エッジに直交する面でエッジ周辺空間７２を区切って生成される。エッジ形状調整手段３２は区間ごとに当該区間に対応するコンパートメント７４内の点群データを取り込んで、当該コンパートメント７４の切断平面内における最も点群が密集する位置を求める。密集位置は、当該点群の任意の点を中心とする円内に包含される点群の数で判断される。例えば、円の半径は２ｃｍとすることができる。そして当該位置に密集する点の数が予め定めた個数以上であれば（Ｓ１７０にて「Ｙｅｓ」の場合）、当該位置を代表点としてエッジ代表点リストに追加し（Ｓ１７２）、次の区間の処理に進む（Ｓ１６４）。一方、当該位置に密集する点の数が予め定めた個数未満であれば（Ｓ１７０にて「Ｎｏ」の場合）、当該区間にエッジの代表点が存在しないとしてエッジ代表点リストに追加せずに次の区間の処理に進む（Ｓ１６４）。全ての区間について処理が終わると（Ｓ１６６にて「Ｙｅｓ」の場合）、エッジ形状の微調整処理を終了する。

図１５に示す例では、概略エッジを示す線分Ｌ０は例えば４つの区間に分割されており、Ｌ０を中心線とする点線の矩形で表されるエッジ周辺空間７２も区間に対応して４つのコンパートメント７４ａ〜７４ｄに区画される。例えば、コンパートメント７４ａ，７４ｂ，７４ｄにて代表点Ｐ_ｋ，Ｐ_ｋ＋１，Ｐ_ｋ＋２が抽出され、それらをコンパートメントの並び順につないだ折線Ｐ_ｋＰ_ｋ＋１Ｐ_ｋ＋２が詳細エッジＬｆとなる。ちなみに、図１５に示す例では、エッジ周辺空間７２の分割はＰＡ側から一定間隔ごとに行われており、その結果、最後の区間が他の区間より小さくなり得ることが示されている。

得られた詳細エッジの情報は、例えば、概略エッジの図形データと対応付けて記憶装置６に登録される。なお、詳細エッジＬｆに対応した表面要素の形状は、例えばそれを概略エッジＬ０を基線として切断平面に垂直な面に射影した形状が、概略エッジについての表面要素の形状と一致するように定めることができる。

図１６〜図１８は概略エッジから詳細エッジを生成する処理を説明する切断平面の模式図であり、トンネル断面形状５０の道路脇の段差部分１０８（図１１）を示している。図１６は段差部分１０８に設定された各追尾空間１２０から抽出された概略エッジ１２２を示している。図１７では概略エッジ１２２を中心線とする矩形の断面形状を有するエッジ周辺空間１３０を概略エッジ１２２の一方端から一定間隔の位置で分割して、コンパートメント１３２が設定されている。各コンパートメントでは代表点が探索され、得られた代表点１３４を順に接続して折線の詳細エッジ１４０が生成される。図１８はその詳細エッジ１４０を示している。図１８に示す詳細エッジ１４０は図１６に示す概略エッジ１２２より段差部分１０８の形状をよく表している。すなわち、トンネル形状抽出システム２は詳細エッジを求めることで、トンネルの断面形状を精度良く抽出することができ、これにより例えばトンネル内空表面の形状変化を感度よく検出することが可能となる。

上記実施形態では、コンピュータをトンネル形状抽出システム２の各手段として動作させるプログラムは記憶装置６に格納され、コンピュータはこれを読み出して実行する構成としたが、他の構成では、当該プログラムはネットワーク等の通信媒体を介してコンピュータに提供することができ、この場合、トンネル形状抽出システム２は通信装置を備え当該通信装置がネットワーク等からプログラムを取得し、演算処理装置４に提供したり、記憶装置６に記憶させる。また、当該プログラムはＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の記録媒体に格納して提供することも可能である。

２ トンネル形状抽出システム、４ 演算処理装置、６ 記憶装置、８ 入力装置、１０ 出力装置、２０ 部分空間設定手段、２２ エッジ探索手段、２４ エッジ追尾手段、２６ 表面要素形状決定手段、２８ 図形登録手段、３０ エッジ接続手段、３２ エッジ形状調整手段、５０ トンネル断面形状、５２，７０，１００ 部分空間、７２，１３０ エッジ周辺空間、７４，１３２ コンパートメント、１２２ 概略エッジ、１３４ 代表点、１４０ 詳細エッジ。

Claims (8)

1. 地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出するデータ解析装置であって、
   鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定手段と、
   前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索手段と、
   前記部分空間にて検出された前記エッジを当該部分空間の外にて追尾するエッジ追尾手段と、
   前記部分空間ごとに、当該部分空間の前記エッジから始まった追尾で得られたエッジ群からトンネルの前記断面形状の一部となる部分断面形状を生成する部分断面形状生成手段と、
   ２つの前記部分断面形状の端部間を接続する部分断面形状接続手段と、を有し、
   前記エッジ探索手段は、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求め、
   前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間から前記エッジが検出されると、当該エッジに対応する前記方向線の延長線の方向にて当該解析単位空間に隣接する新たな前記解析単位空間として追尾空間を設定し、
   前記エッジ探索手段は、前記延長線に沿った前記エッジを前記追尾空間にて探索する一方、前記エッジに対応させて、当該エッジを中心線として予め定められた幅を有し、かつ当該エッジに応じた長さを有する帯状の領域であるエッジ近傍領域を定義し、
   前記部分断面形状接続手段は、一方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの延長線が他方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの前記エッジ近傍領域と交差する場合に、当該両端部間を接続すること、
   を特徴とするデータ解析装置。
2. 請求項１に記載のデータ解析装置において、
   前記追尾空間は、前記切断平面における形状が矩形であり当該矩形の１辺の中点を既検出の前記エッジの端部に接続された直方体形状の空間であり、
   前記エッジ追尾手段は、
   前記中点を通る前記矩形の中心線を前記エッジの延長線に一致させた前記追尾空間を前記解析単位空間として設定し、
   当該追尾空間内に前記エッジが検出されなかった場合は、前記解析単位空間とする前記追尾空間として、前記切断平面内での前記中心線の向きを変えて内部に最も点群が集まる前記追尾空間を探索すること、
   を特徴とするデータ解析装置。
3. 請求項１に記載のデータ解析装置において、
   前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間にて検出された前記方向線をエッジ候補とし、当該エッジ候補が前記部分断面形状と交差した場合は当該エッジ候補は新たな前記エッジとしないこと、を特徴とするデータ解析装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のデータ解析装置において、
   前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間にて検出された前記方向線をエッジ候補とし、前記部分空間の前記エッジから追尾された前記エッジ候補が当該部分空間の前記エッジ又は当該エッジから追尾された他の前記エッジと交差した場合は、当該エッジ候補を新たな前記エッジとしないこと、を特徴とするデータ解析装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のデータ解析装置において、
   前記部分断面形状接続手段は、前記端部間の距離が予め定めた閾値以下である場合に、当該両端部間を接続すること、
   を特徴とするデータ解析装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載のデータ解析装置において、
   前記エッジ追尾手段は、前記部分空間にて検出された前記エッジの両端それぞれから追尾を開始すること、を特徴とするデータ解析装置。
7. 地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出するデータ解析方法であって、
   鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定ステップと、
   前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索ステップと、
   前記部分空間にて検出された前記エッジを当該部分空間の外にて追尾するエッジ追尾ステップと、
   前記部分空間ごとに、当該部分空間の前記エッジから始まった追尾で得られたエッジ群からトンネルの前記断面形状の一部となる部分断面形状を生成する部分断面形状生成ステップと、
   ２つの前記部分断面形状の端部間を接続する部分断面形状接続ステップと、を有し、
   前記エッジ探索ステップは、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求め、
   前記エッジ追尾ステップは、前記解析単位空間から前記エッジが検出されると、当該エッジに対応する前記方向線の延長線の方向にて当該解析単位空間に隣接する新たな前記解析単位空間として追尾空間を設定し、
   前記エッジ探索ステップは、前記延長線に沿った前記エッジを前記追尾空間にて探索する一方、前記エッジに対応させて、当該エッジを中心線として予め定められた幅を有し、かつ当該エッジに応じた長さを有する帯状の領域であるエッジ近傍領域を定義し、
   前記部分断面形状接続ステップは、一方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの延長線が他方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの前記エッジ近傍領域と交差する場合に、当該両端部間を接続すること、
   を特徴とするデータ解析方法。
8. コンピュータに、地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき、対象空間に存在するトンネルについて断面形状を検出するデータ解析を行わせるためのプログラムであって、当該コンピュータを、
   鉛直な切断平面を前記対象空間に仮想的に設定し、前記対象空間のうち前記切断平面に沿い、かつ当該切断平面に直交した奥行き方向に予め設定した幅を有した断面近傍空間を格子状に分割して当該切断平面に沿って２次元配列された複数の部分空間を設定する部分空間設定手段、
   前記各部分空間を解析単位空間として設定し、当該解析単位空間ごとに、前記切断平面における前記トンネル内の表面の位置であるエッジを探索するエッジ探索手段、
   前記部分空間にて検出された前記エッジを当該部分空間の外にて追尾するエッジ追尾手段、
   前記部分空間ごとに、当該部分空間の前記エッジから始まった追尾で得られたエッジ群からトンネルの前記断面形状の一部となる部分断面形状を生成する部分断面形状生成手段、及び、
   ２つの前記部分断面形状の端部間を接続する部分断面形状接続手段、として機能させ、
   前記エッジ探索手段は、予め定められた幅の帯状の領域であって、前記切断平面に射影された点群が当該領域内に予め設定した基準以上に集まり、かつ当該領域内の点群が前記奥行き方向に予め設定した閾値以上の分布幅を有するエッジ見当領域を前記切断平面内にて探索し、当該エッジ見当領域に属する点群の前記切断平面内での分布に沿った方向線を前記エッジとして求め、
   前記エッジ追尾手段は、前記解析単位空間から前記エッジが検出されると、当該エッジに対応する前記方向線の延長線の方向にて当該解析単位空間に隣接する新たな前記解析単位空間として追尾空間を設定し、
   前記エッジ探索手段は、前記延長線に沿った前記エッジを前記追尾空間にて探索する一方、前記エッジに対応させて、当該エッジを中心線として予め定められた幅を有し、かつ当該エッジに応じた長さを有する帯状の領域であるエッジ近傍領域を定義し、
   前記部分断面形状接続手段は、一方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの延長線が他方の前記部分断面形状の端部の前記エッジの前記エッジ近傍領域と交差する場合に、当該両端部間を接続すること、
   を特徴とするプログラム。

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