JP7235491B2 - 計測方法および計測用冶具 - Google Patents

Description

本発明は、計測方法および計測用冶具に関する。

従来から、下記特許文献１に示されるような、対象物（構造物など）の時間経過に伴う変位量を計測する方法が知られている。

特開２００４－３２５２０９号公報

施工時には、対象物の変位量だけではなく、対象物の傾斜量の変化量（傾斜変化量）を計測する場合がある。変位量および傾斜変化量を別々の系統によって計測することも考えられるが、この場合には、２つの系統を設置・維持・管理するためにコストが増大するなどの課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、変位量および傾斜変化量を１つの系統で計測できる手段を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る計測方法は、互いの距離が固定された複数のターゲットを有する計測用冶具を、計測対象点に取り付ける取付工程と、初期時点Ｔ０における前記ターゲットの三次元座標である初期座標データＤ０を測定する初期測定工程と、第１時点Ｔ１における前記ターゲットの三次元座標である第１座標データＤ１を測定する第１測定工程と、前記初期座標データＤ０および前記第１座標データＤ１に基づき、前記初期時点Ｔ０と前記第１時点Ｔ１との間における前記計測対象点の傾斜変化量および変位量を算出する算出工程と、を有する。

上記態様によれば、計測対象点の傾斜変化量および変位量を共通の計測用冶具を用いて同時に計測することが可能となる。このように、１つの系統で傾斜変化量および変位量を計測することで、計測を省力化・低コスト化するとともに、変位量・傾斜変化量を一元管理することが可能となる。さらに、例えばＧＰＳやトータルステーションによるターゲットの自動測定機能を用いれば、変位量・傾斜変化量の計測を自動化することもできる。

また、本発明の第２態様に係る計測用冶具は、時間の経過に伴う計測対象点の傾斜変化量および変位量を計測するために用いる計測用冶具であって、第１ターゲットと、第２ターゲットと、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとの間の距離を固定する連結部材と、を備える。

上記態様の計測用冶具により、第１態様に係る計測方法を実行することができる。

また、前記連結部材は、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとを連結させる棒状の第１連結部と、前記計測対象点に固定される棒状の固定部とを有し、前記第１連結部と前記固定部とが直線状に連なっていてもよい。

この場合、第１ターゲットと第２ターゲットとを結ぶ直線上に計測対象点が実質的に位置することとなり、各ターゲットの三次元座標から計測対象点の三次元座標を容易に算出することが可能となる。

また、上記態様の計測用冶具は、第３ターゲットをさらに備え、前記連結部材は、前記第２ターゲットと前記第３ターゲットとを連結させる第２連結部を有していてもよい。

この場合、３つのターゲットの三次元座標を用いて、３つの軸方向に対する計測用冶具の傾斜角（３軸傾斜角）を測定することができる。さらに、計測用冶具の３軸傾斜角の変化量から、３つの軸方向に対する計測対象点の傾斜変化量を算出することができる。

また、前記連結部材は、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとを連結させる棒状の第１連結部を有し、前記第２連結部は、棒状に形成されるとともに、前記第１連結部に対して交差する方向に延びていてもよい。

この場合、第１ターゲットと第２ターゲットとを結ぶ直線に対する第３ターゲットの距離をより大きくすることができる。したがって、第３ターゲットの三次元座標によって測定される計測用冶具の傾斜角の測定精度を、より高めることができる。

本発明の上記態様によれば、変位量および傾斜変化量を１つの系統で計測できる手段を提供することができる。

本実施形態に係る計測用冶具の正面図である。 図１の計測用冶具の側面図である。 図１の計測用冶具の平面図である。 本実施形態に係る計測方法の一例を示すフローチャートである。 計測対象としての斜面に、複数の計測用冶具を固定した場合を示す図である。 本実施形態の変形例に係る計測用冶具の正面図である。

以下、本実施形態の計測方法および当該計測方法に用いる計測用冶具について図面に基づいて説明する。
本明細書では、計測対象における任意の点を計測対象点という。計測対象としては、地盤（坑口、盛土、切土、斜面など）や、構造物（土留、鉄骨、壁体、護岸、建物、塔、橋梁など）が挙げられる。本実施形態は、時間経過に伴う計測対象点の３次元変位量および傾斜変化量を、１つの系統で同時に計測することを可能とする。なお、本明細書において計測対象点の傾斜量とは、当該計測対象点が設定された地盤や構造物などの表面の傾斜量を意味する。また、本明細書において傾斜変化量とは、時間経過に伴う傾斜量の変化量を意味する。
本実施形態の計測方法は、図１に示すような計測用冶具１０を用いる。

（計測用冶具）
図１に示すように、計測用冶具１０は、第１ターゲット１と、第２ターゲット２と、第３ターゲット３と、連結部材４と、を備えている。

ターゲット１～３としては、それぞれの三次元座標を測定可能な任意の物体を用いることができる。例えば、トータルステーションによってターゲット１～３の三次元座標を測定する場合、ターゲット１～３としてはプリズム反射鏡を用いることができる。また、ターゲット１～３の三次元座標をＧＰＳ（Global Positioning System）によって測定する場合には、ターゲット１～３として、人工衛星との間で信号の送受信が可能な電子部品を用いることができる。なお、トータルステーションまたはＧＰＳ以外の方法により、ターゲット１～３の三次元座標を測定してもよい。

連結部材４は、第１連結部４ａと、固定部４ｂと、第２連結部４ｃとを有している。第１連結部４ａ、固定部４ｂ、第２連結部４ｃは、一体に形成されていてもよいし、別体の部品が組み合わされて形成されていてもよい。連結部材４の材質としては金属、樹脂、木材などを用いることができる。特に、温度変化や時間の経過に伴う伸縮量が小さい金属が、連結部材４の材質として好適である。

第１連結部４ａには、第１ターゲット１および第２ターゲット２が間隔を空けて固定されている。これにより、第１連結部４ａは第１ターゲット１と第２ターゲット２とを連結するとともに、第１ターゲット１と第２ターゲット２との間の距離を固定している。本実施形態の第１連結部４ａは棒状に形成されている。ただし、第１連結部４ａの形状は適宜変更可能であり、例えば筒状、板状、ブロック状などであってもよい。

固定部４ｂは、計測用冶具１０のうち、計測対象Ｔの計測対象点Ｐに固定される部分である。本実施形態の固定部４ｂは棒状に形成されており、第１連結部４ａと直線状に連なっている。図１の例では、棒状の固定部４ｂを計測対象Ｔに突き刺すことで、固定部４ｂを計測対象点Ｐに固定している。

ただし、固定部４ｂの形状や、固定部４ｂを計測対象点Ｐに固定する方法は適宜変更可能である。例えば、固定部４ｂに板状の取付部を形成して、当該取付部の貫通孔にボルトを通して計測対象Ｔに締結することで、固定部４ｂを計測対象点Ｐに固定してもよい。あるいは、固定用冶具をボルトなどによって計測対象Ｔに予め固定して、当該固定用冶具に固定部４ｂを固定することで、固定部４ｂを計測対象点Ｐに固定してもよい。また、固定部４ｂの形状は筒状、板状、ブロック状などであってもよい。

第２連結部４ｃは、第１連結部４ａのうち第２ターゲット２が配置された部分に接続されている。第２連結部４ｃのうち、第１連結部４ａから離れた方の端部には、第３ターゲット３が固定されている。これにより第２連結部４ｃは、第２ターゲット２と第３ターゲット３とを連結するとともに、第２ターゲット２と第３ターゲット３との間の距離を固定している。本実施形態の第２連結部４ｃは棒状に形成されている。ただし、第２連結部４ｃの形状は適宜変更可能であり、例えば筒状、板状、ブロック状などであってもよい。

第２連結部４ｃは、第１連結部４ａおよび固定部４ｂから分岐するように延びている。換言すると、第２連結部４ｃは第１連結部４ａに対して交差する方向に延びている。本明細書では、第１ターゲット１と第２ターゲット２とを結ぶ直線を直線Ｌ１といい、第２ターゲット２と第３ターゲット３とを結ぶ直線を直線Ｌ２という。図１に示す、直線Ｌ１と直線Ｌ２とがなす角度φは、略直角であることが好ましい（詳細は後述）。このため、第１連結部４ａが延びる方向と第２連結部４ｃが延びる方向とのなす角度も略直角であることが好ましい。ただし、上記角度が略直角でなくても、計測用冶具１０を用いて計測対象点Ｐの変位および傾斜を計測することは可能である。

（計測方法）
次に、計測用冶具１０を用いて計測対象点Ｐの変位量および傾斜変化量を計測する計測方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。ここでは、図５に示すように、計測対象Ｔが傾斜面である場合について説明する。ただし、以下で説明する計測方法は他の計測対象Ｔについても同様に適用可能である。

なお、以下の説明において、計測対象点Ｐの三次元座標を（Ｘ_st,Ｙ_st,Ｚ_st）のように表し、計測用冶具１０の設置姿勢を（α_st、θ_st、β_st）のように表す場合がある。上記符号sは、計測対象点Ｐを複数設けた場合の、計測対象点Ｐの識別番号に対応している。上記符号tは、測定した時刻（時点）に対応している。例えば、（Ｘ₂₀,Ｙ₂₀,Ｚ₂₀）は、計測対象点Ｐ₂（s=2）の初期測定時（t=0）のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標である。

また、例えば（α₂₀、θ₂₀、β₂₀）は、計測対象点Ｐ₂（s=2）の初期測定時（t=0）のα傾斜角、θ傾斜角、β傾斜角である。α傾斜角は、Ｙ軸方向から見たときのＺ軸に対する直線Ｌ１の傾きである（図１参照）。θ傾斜角は、Ｘ軸方向から見たときのＺ軸に対する直線Ｌ１の傾きである（図２参照）。β傾斜角は、Ｚ軸方向から見たときのＸ軸に対する直線Ｌ２の傾きである（図３参照）。
なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、世界測地系や日本測地系に準拠した座標軸であってもよいし、現場ごとに個別に設定した座標軸であってもよい。

図４に示すように、本実施形態の計測方法では、まず計測用冶具１０を計測対象Ｔの計測対象点Ｐに取り付ける取付工程を行う。図５の例では、計測対象Ｔである斜面に、計１２か所の計測対象点Ｐ₁～Ｐ₁₂を設定している。そして、各計測対象点Ｐ₁～Ｐ₁₂に、計測用冶具１０の固定部４ｂを固定している。このように、複数の計測対象点Ｐを設定することで、斜面の広い範囲における変位量・傾斜変化量を測定することができる。斜面以外の計測対象Ｔについても同様に、複数の計測対象点Ｐを設定し、複数の計測用冶具１０を取り付けてもよい。計測用冶具１０を取り付けた後、必要に応じて、計測用冶具１０周辺の計測対象Ｔの養生処置を行ってもよい。

計測用冶具１０を計測対象点Ｐに取り付けた後、各第２ターゲット２と計測対象点Ｐとの間の間隔ｄ（図１参照）を測定する。なお、間隔ｄが計測用冶具１０の設置状況によらず略一定である場合（例えば、固定用冶具を用いて固定部４ｂを計測対象Ｔに取り付ける場合）には、間隔ｄを測定しなくてもよい。また、測定対象Ｔの大きさに対して間隔ｄが無視できるほど小さい場合には、間隔ｄの測定を省略するとともに、第２ターゲット２の三次元座標を計測対象点Ｐの三次元座標とみなしてもよい。

次に、必要に応じてトータルステーション設置工程を行う。トータルステーション設置工程では、各計測用冶具１０を観測可能な箇所にトータルステーションＳを設置する（図５参照）とともに、トータルステーションの座標値を取得する。トータルステーションの座標値は、例えば、２つの基準点Ｂからの後方交会によって取得することができる。
なお、計測用冶具１０のターゲット１～３の座標をＧＰＳで測定する場合など、トータルステーションを用いない場合には、トータルステーション設置工程を行わなくてもよい。

次に、初期測定工程を行う。初期測定工程では、初期時点Ｔ０における各計測用冶具１０のターゲット１～３の三次元座標を測定する。各ターゲット１～３の三次元座標の測定には、トータルステーションを用いてもよいし、ＧＰＳを用いてもよい。
本明細書では、初期時点Ｔ０における各ターゲット１～３の三次元座標データを、初期座標データＤ０と記す。初期座標データＤ０には、初期時点Ｔ０における各計測用冶具１０のターゲット１～３のマトリックス形式の三次元座標の値が含まれている。

次に、初期演算工程を行う。初期演算工程では、初期座標データＤ０に基づいて、初期時点Ｔ０における各計測対象点Ｐの三次元座標（Ｘ_s0,Ｙ_s0,Ｚ_s0）および各計測用冶具１０の設置姿勢（α_s0、θ_s0、β_s0）を演算する。また、各計測対象点Ｐの三次元座標（Ｘ_s0,Ｙ_s0,Ｚ_s0）の演算には、必要に応じて間隔ｄを用いる。
初期座標データＤ０および間隔ｄから（Ｘ_s0、Ｙ_s0、Ｚ_s0）、（α_s0、θ_s0、β_s0）を演算する方法の詳細については省略するが、幾何学的手法によって算出することができる。

次に、第１測定工程を行う。第１測定工程では、第１時点Ｔ１における各計測用冶具１０のターゲット１～３の座標を測定する。各ターゲット１～３の三次元座標の測定には、トータルステーションを用いてもよいし、ＧＰＳを用いてもよい。なお、第１時点Ｔ１は、初期時点Ｔ０より後の任意の時点である。
本明細書では、第１時点Ｔ１における各ターゲット１～３の三次元座標データを、第１座標データＤ１と記す。第１座標データＤ１には、第１時点Ｔ１における各計測用冶具１０のターゲット１～３のマトリックス形式の三次元座標の値が含まれている。

次に、第１演算工程を行う。第１演算工程では、第１座標データＤ１に基づいて、第１時点Ｔ１における各計測対象点Ｐの三次元座標（Ｘ_s1、Ｙ_s1、Ｚ_s1）および各計測用冶具１０の設置姿勢（α_s1、θ_s1、β_s1）を演算する。必要に応じて間隔ｄの値を用いる点は初期演算工程と同様である。また、演算の手法は初期演算工程と同様である。

次に、算出工程を行う。算出工程では、初期座標データＤ０および第１座標データＤ１に基づいて、初期時点Ｔ０と第１時点Ｔ１との間における計測対象点Ｐの変位量および傾斜変化量を算出する。具体的に、変位量の算出は、（Ｘ_s1、Ｙ_s1、Ｚ_s1）のマトリックスから（Ｘ_s0、Ｙ_s0、Ｚ_s0）のマトリックスを減算すればよい。これにより、各計測対象点ＰのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における変位量を算出することができる。

傾斜変化量の算出は、（α_s1、θ_s1、β_s1）のマトリックスから（α_s0、θ_s0、β_s0）のマトリックスを減算すればよい。これにより、各計測対象点Ｐのα傾斜角、θ傾斜角、およびβ傾斜角の変化量（すなわち傾斜変位量）を算出することができる。
なお、図４のフローチャートでは、初期演算工程および第１演算工程の後で算出工程を行っており、初期座標データＤ０および第１座標データＤ１から間接的に変位量および傾斜変化量を算出している。しかしながら、初期演算工程および第１演算工程を省略し、初期座標データＤ０および第１座標データＤ１から直接的に変位量および傾斜変化量を算出してもよい。つまり、算出工程では、初期座標データＤ０および第１座標データＤ１から直接的または間接的に計測対象点Ｐの傾斜変化量および変位量を算出する。

以降、必要に応じて測定工程、演算工程、および算出工程を繰り返すことで、第１時点Ｔ１より後の時点の各計測対象点Ｐの変位量および傾斜変化量を計測してもよい。例えば、第２時点Ｔ２では第２測定工程を行い、第２座標データＤ２を取得する。また、第２演算工程では、第２座標データＤ２に基づいて、第２時点Ｔ２における各計測対象点Ｐの三次元座標（Ｘ_s2、Ｙ_s2、Ｚ_s2）および各計測用冶具１０の設置姿勢（α_s2、θ_s2、β_s2）を演算する。そして、算出工程において、（Ｘ_s2,Ｙ_s2,Ｚ_s2）および（Ｘ_s0,Ｙ_s0,Ｚ_s0）から変位量を算出し、（α_s2、θ_s2、β_s2）および（α_s0、θ_s0、β_s0）から傾斜変化量を算出することができる。

なお、上記の計測方法における演算や算出は、トータルステーションに接続された電子機器（ノートＰＣなど）で実行してもよいし、当該電子機器と通信する電子機器（デスクトップ型ＰＣなど）で実行してもよい。また、トータルステーションから初期座標データＤ０、第１座標データＤ１などを無線で受信した電子機器で実行してもよい。あるいは、ＧＰＳを利用する場合に、通信衛星から初期座標データＤ０、第１座標データＤ１などを無線で受信した電子機器で実行してもよい。

以上説明したように、本実施形態の計測方法は、互いの距離が固定された複数のターゲット１～３を有する計測用冶具１０を計測対象点Ｐに取り付ける取付工程と、初期時点Ｔ０におけるターゲット１～３の三次元座標である初期座標データＤ０を測定する初期測定工程と、第１時点Ｔ１におけるターゲット１～３の三次元座標である第１座標データＤ１を測定する第１測定工程と、初期座標データＤ０および第１座標データＤ１に基づいて初期時点Ｔ０と第１時点Ｔ１との間における計測対象点Ｐの傾斜変化量および変位量を算出する算出工程と、を有している。

この構成により、計測対象点Ｐの傾斜変化量および変位量を共通の計測用冶具１０を用いて同時に計測することが可能となる。このように、１つの系統で傾斜変化量および変位量を計測することで、計測を省力化するとともに、変位量・傾斜変化量を一元管理することが可能となる。さらに、例えばＧＰＳやトータルステーションによるターゲット１～３の自動測定機能を用いれば、変位量・傾斜変化量の計測を自動化することもできる。

また、本実施形態の計測用冶具１０は、時間の経過に伴う計測対象点Ｐの傾斜変化量および変位量を計測するために用いられ、第１ターゲット１と、第２ターゲット２と、第１ターゲット１と第２ターゲット２との間の距離を固定する連結部材４と、を備えている。この計測用冶具１０により、本実施形態に係る計測方法を実行することができる。

また、連結部材４は、第１ターゲット１と第２ターゲット２とを連結させる棒状の第１連結部４ａと、計測対象点Ｐに固定される棒状の固定部４ｂとを有している。そして、第１連結部４ａと固定部４ｂとが直線状に連なっている。この構成により、第１ターゲット１と第２ターゲット２とを結ぶ直線Ｌ１上に計測対象点Ｐが実質的に位置することとなり、各ターゲット１、２の三次元座標から計測対象点Ｐの三次元座標を容易に算出することが可能となる。

また、計測用冶具１０は第３ターゲット３をさらに備えており、連結部材４は、第２ターゲット２と第３ターゲット３とを連結させる第２連結部４ｃを有している。この場合、３つのターゲット１～３の三次元座標を用いて、３つの軸方向に対する計測用冶具１０の傾斜角（３軸傾斜角）を測定することができる。さらに、計測用冶具１０の３軸傾斜角（α、θ、β）の変化量から、３つの軸方向に対する計測対象点Ｐの傾斜変化量を算出することができる。

また、第２連結部４ｃは、棒状に形成されるとともに、第１連結部４ａに対して交差する方向に延びている。この構成により、第１ターゲット１と第２ターゲット２とを結ぶ直線Ｌ１に対する第３ターゲット３の距離をより大きくすることができる。したがって、第３ターゲット３の三次元座標によって測定される計測用冶具１０のβ傾斜角の測定精度を、より高めることができる。なお、直線Ｌ１と直線Ｌ２とがなす角φ（図１参照）が直角に近いほど、β傾斜角（図３参照）が変化したとき、第３ターゲット３の三次元座標の変化量が大きくなり、β傾斜角の変化の測定精度を高めることができる。したがって、第１連結部４ａと第２連結部４ｃとがなす角も直角に近いことが望ましい。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、計測用冶具１０が第３ターゲット３を備えていたが、第３ターゲット３を備えていない計測用冶具１０を採用してもよい。この場合、連結部材４は第２連結部４ｃを有していなくてもよい。計測用冶具１０が第３ターゲット３を備えていない場合は、計測用冶具１０のβ傾斜角を測定しない点が前記実施形態と異なるが、その他の点は前記実施形態と同様である。

また、連結部材４は第１連結部４ａ、固定部４ｂ、および第２連結部４ｃ以外の部位を有していてもよい。例えば図６に示すように、連結部材４は補強部４ｄを有していてもよい。補強部４ｄによって、第１連結部４ａおよび第２連結部４ｃの中間部分同士を接続することで、第１ターゲット１および第２ターゲット２に対する第３ターゲット３の位置を安定させることができる。なお、補強部４ｄは、第１連結部４ａの第１ターゲット１近傍の部分と、第２連結部４ｃの第３ターゲット３近傍の部分とを接続していてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…第１ターゲット ２…第２ターゲット ３…第３ターゲット ４…連結部材 ４ａ…第１連結部 ４ｂ…固定部 ４ｃ…第２連結部 １０…計測用冶具 Ｐ…計測対象点 Ｔ…計測対象

Claims (3)

1. 互いの距離が固定された複数のターゲットを有する計測用冶具を、計測対象点に取り付ける取付工程と、
   初期時点Ｔ０における前記ターゲットの三次元座標である初期座標データＤ０を測定する初期測定工程と、
   第１時点Ｔ１における前記ターゲットの三次元座標である第１座標データＤ１を測定する第１測定工程と、
   前記初期座標データＤ０および前記第１座標データＤ１に基づき、前記初期時点Ｔ０と前記第１時点Ｔ１との間における前記計測対象点の傾斜変化量および変位量を算出する算出工程と、を有し、
   前記計測用冶具は、
   第１ターゲットと、
   第２ターゲットと、
   第３ターゲットと、
   前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとの間の距離を固定する連結部材と、を備え、
   前記連結部材は、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとを連結させる棒状の第１連結部と、前記第２ターゲットと前記第３ターゲットとを連結させ前記第１連結部に対して交差する方向に延びる棒状の第２連結部と、を有する、計測方法。
2. 時間の経過に伴う計測対象点の傾斜変化量および変位量を計測するために用いる計測用冶具であって、
   第１ターゲットと、
   第２ターゲットと、
   第３ターゲットと、
   前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとの間の距離を固定する連結部材と、を備え、
   前記連結部材は、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとを連結させる棒状の第１連結部と、前記第２ターゲットと前記第３ターゲットとを連結させ前記第１連結部に対して交差する方向に延びる棒状の第２連結部と、を有する、計測用冶具。
3. 前記連結部材は、前記計測対象点に固定される棒状の固定部を有し、
   前記第１連結部と前記固定部とが直線状に連なっている、請求項２に記載の計測用冶具。

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