JP4403546B2 - 自動測量システム - Google Patents

Description

本発明は、トンネル工事等において内空形状を計測管理する自動測量システムの技術分野に属する。

トンネル工事等において、内空形状を計測管理することは、周辺地山の安定性を把握する上で非常に重要な日常管理項目である。トンネル内空の計測手段としては、測距測角機能を備えたトータルステーションを用いることが行われている。これは図１に示すように、トンネル内の複数箇所にターゲット１を設置し、これをトータルステーション２により視準することによりターゲット１の三次元位置を計測し、刻々と変化するトンネル内空変位を計測するものである。この装置は遠隔計測が可能で大断面や大規模空間での利用に適し、他の作業を妨げることなく計測ができる。しかし、目視による計測は、人による計測であるため、個人差が出易く、さらに視準の位置合わせに手間がかかる等の問題を有している。

この問題を解決するために、特許文献１においては、測量機器の望遠鏡接眼部に取り付けられたカメラと、望遠鏡の光軸と平行な光軸を有するように設けられたペンライトと、目標点に配設され、光を反射しない黒系統のシート上に円形の反射シートを設けたターゲットと、前記ペンライトの光とカメラにより撮像した前記ターゲットと望遠鏡のスケールを液晶画面に表示させる画像処理装置とを備え、前記液晶画面内で望遠鏡のスケール中心点が前記ターゲットの前記円内に入るように測量機器をターゲットに対して概略視準し、前記ターゲットの反射シートの重心点位置と望遠鏡のスケール中心点位置との水平及び鉛直の偏差を計算し、この偏差を角度の偏差として前記概略視準で得られた水平角及び鉛直角に加えることにより、目標点の水平角及び鉛直角を求めることを特徴とする自動測量方法を提案している。この方法によれば、目標点の測量作業は、モニタ画面上に目標点のターゲットの同心円が入るように測量機器を操作するだけで、その後の微調整が不要であり、視準合わせを容易にかつ短時間に行うことができる。
特開平１１−２５１８号公報

しかしながら、特許文献１に示すシステムにおいては、計測対象であるターゲットが工事中の破損や、表面に汚れが付着することにより、その光の反射性能が低下し、ターゲットの重心点位置を計測することが困難になるという問題を有している。また、円形ターゲットを正対して見る場合には、見かけ上、円形に写るため問題はないが、ターゲットを正対して設置することができずターゲットを斜めから視準する場合は見かけ上、楕円になるため、ターゲットの重心点位置に誤差を生じるという問題を有している。

本発明は上記問題を解決するものであって、ターゲットが工事中の破損や、表面に汚れが付着することにより、その光の反射性能が低下した場合でも、また、円形ターゲットを斜めから見た場合でも、誤差を解消し測量精度を確保することができる自動測量システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の自動測量システムは、トータルステーションの望遠鏡接眼部に取り付けられたカメラと、望遠鏡の光軸と平行な光軸を有するように設けられたペンライトと、目標点に配設され円形の反射シートを設けたターゲットと、前記ペンライトの光とカメラにより撮像した前記ターゲットを表示させる液晶画面とを備え、前記液晶画面内で望遠鏡の光軸中心が前記ターゲットの前記円内に入るようにトータルステーションをターゲットに対して概略視準し、液晶画面に写し出された入力画像において、明るい領域をターゲットの領域と推定し、その領域の楕円の慣性主軸の傾き、長軸および短軸の長さを計測し、計測した結果を基に、楕円型のパターンを作成し、入力画像との比較により、対応するパターンの位置を探索し、ターゲットの重心位置を求め、前記ターゲットの重心点位置と望遠鏡の光軸中心位置との誤差を計算し、ターゲットの重心点を求めることを特徴とする。

本発明によれば、目標点の測量作業は、モニタ画面上に目標点のターゲットが入るように測量機器を操作するだけで、その後の微調整が不要であり、視準合わせを容易にかつ短時間に行うことができる。また、ターゲットが工事中の破損や、表面に汚れが付着することにより、その光の反射性能が低下した場合でも、また、円形ターゲットを斜めから見た場合でも、誤差を解消し測量精度を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図２は、本発明の自動測量システムの１実施形態を示すシステム構成図である。
図２において、トータルステーション１は、測距測角機能を備えた光波測距儀、トランシット等の測量機器であり、望遠鏡３の接眼部にはＣＣＤカメラ５が取り付けられ、ＣＣＤカメラ５の上部にはペンライト４が設けられている。また、望遠鏡３の光軸とペンライト４の光軸は平行に設けられており、後述するターゲット２で反射したペンライト４からの光は望遠鏡３に平行になって返るようになっている。このため、ターゲット２を概略視準することによりターゲット２は十分な明るさの画像として液晶画面６上に映し出される。

測量対象となる目標点には円形のターゲット２が設置される。このターゲット２は従来のように同心円（或は十字線）を刻むものとは異なり、光を反射しない黒系統のシートまたは薄板上に円形の反射シートを設けたものである。

液晶画面６の画像は、画像処理手段７においてパターンマッチングの処理が行われ、演算処理手段８において、トータルステーション１からの距離情報と画像処理手段７からのターゲット重心位置情報に基づいてターゲット２の位置が演算され、記憶手段９に格納される。

図３は、計測原理を説明するための図であり、ターゲット２にトータルステーションを向けている状態を示し、概略視準したターゲット２の円形画像が写し出されている。トータルステーション光軸中心Ｔとターゲット中心Ｃとのずれが計測の誤差であり、これがいわゆる視準誤差に相当する。この誤差は視準画像を基に計算することができる。水平方向の誤差をｄｘ、垂直方向の誤差をｄｙとすると、ターゲット２の位置を画像処理により割り出し、次式（１）、（２）により算出する。

ここで、（Ｘｃ，Ｙｃ）は液晶画面上でのトータルステーション１の光軸中心、（Ｘｔ，Ｙｔ）はターゲット２の中心、Ｌはトータルステーション１からターゲット２までの距離、ｋは倍率変換係数を示す。Ｌはトータルステーションの測距機能により事前に求めることができる。

ところで、図３に示すように、液晶画面に写し出されるターゲットが円形であれば、ターゲット中心抽出は、面積重心の検出を行い、汚れ・破損などにより十分な輝度画像が得られない場合でも、正規化相関に基づくパターンマッチングで中心を求めることができる。このパターンマッチングは、円形画像のパターンを作成し、入力画像との比較により対応するパターンの位置を探索し、ターゲットの中心位置を求めるものである。

しかし、ターゲットを正対して設置することができずターゲットを斜めから視準する場合は見かけ上、図４に示すように、楕円になる。この場合、上記の円形パターンマッチングで画像照合を行うと、図５（ａ）に示すように、楕円の短軸方向にずれてターゲットの位置に対して抽出円（白い円）にずれが出る。

そこで、図６に示すように、望遠鏡を視準して液晶画面に写し出された入力画像において、明るい領域をターゲットの領域と推定し、その領域の楕円の慣性主軸の傾き、長軸および短軸の長さを計測する。次に、図７に示すように、計測した結果を基に、楕円型のパターンを作成する。作成に際しては、ターゲットまでの距離は既知であるので、その長径はその距離を基に計算できるので、その理論値と実際に計測した長径とを比較し、作成パターンの妥当性を確認する。続いて、図８に示すように、入力画像との比較により、対応するパターンの位置を探索し、ターゲットの重心位置を求める。その結果、図５（ｂ）に示すように、抽出円（白い円）の位置がターゲットに一致し正確にターゲットを捉えることができる。

本発明に係るトンネル内空変位計測を説明するための図である。 本発明の自動測量システムの１実施形態を示すシステム構成図である。 本発明の計測原理を説明するための図である。 本発明の計測方法を説明するための図である。 本発明の計測方法を説明するための図である。 本発明の計測方法を説明するための図である。 本発明の計測方法を説明するための図である。 本発明の計測方法を説明するための図である。

Claims (1)

1. トータルステーションの望遠鏡接眼部に取り付けられたカメラと、望遠鏡の光軸と平行な光軸を有するように設けられたペンライトと、目標点に配設され円形の反射シートを設けたターゲットと、前記ペンライトの光とカメラにより撮像した前記ターゲットを表示させる液晶画面とを備え、前記液晶画面内で望遠鏡の光軸中心が前記ターゲットの前記円内に入るようにトータルステーションをターゲットに対して概略視準し、液晶画面に写し出された入力画像において、明るい領域をターゲットの領域と推定し、その領域の楕円の慣性主軸の傾き、長軸および短軸の長さを計測し、計測した結果を基に、楕円型のパターンを作成し、入力画像との比較により、対応するパターンの位置を探索し、ターゲットの重心位置を求め、前記ターゲットの重心点位置と望遠鏡の光軸中心位置との誤差を計算し、ターゲットの重心点を求めることを特徴とする自動測量システム。

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