特許 7606140 解析装置、解析方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-17

(45)【発行日】2024-12-25

(54)【発明の名称】解析装置、解析方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/89 20200101AFI20241218BHJP

   G01N 17/00 20060101ALN20241218BHJP

【ＦＩ】

G01S17/89

G01N17/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023525263

(86)(22)【出願日】2021-06-02

(86)【国際出願番号】 JP2021021085

(87)【国際公開番号】W WO2022254636

(87)【国際公開日】2022-12-08

【審査請求日】2023-10-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100164471

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 大和

(74)【代理人】

【識別番号】100176728

【弁理士】

【氏名又は名称】北村 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】涌井 一清

(72)【発明者】

【氏名】松本 安弘

【審査官】▲高▼場 正光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０７０３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３６４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２６４８０１７（ＣＮ，Ａ）

【文献】山本悟外１名，“車載式トンネル３Ｄスキャニングシステムの開発”，西松建設技報［online］，2018年，Volume 41，Number 11，6 Pages，<URL: https://nishimatsu.co.jp/solution/report/pdf/vol41/g041_11.pdf >

【文献】金井仁志 (KANAI, Hitoshi)，“トンネル計測点群評価機能の開発”(“Development of Inspection System for Tunnel Point Cloud”)，UNISYS TECHNOLOGY REVIEW，2020年03月，Volume 39, Number 4 (Issue 143)，Pages 23-34

【文献】“製品情報：C-TUNNEL”，InternetArchive [online]，2021年02月25日，<URL:http://web.archive.org/web/20210225213553/https://www.forum8.co.jp/product/shokai/c-tunnel.htm >

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － Ｇ０１Ｓ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － Ｇ０１Ｓ １７／９５

Ｇ０１Ｎ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造評価対象物の点群データを生成する解析装置であって、
レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力する3D点群データ入力部と、
前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去する第１解析部と、
前記第１解析部によって前記構造評価対象物以外の点群データが除去された後の、前記構造評価対象領域の点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出する第２解析部と、
を備え、
前記第１解析部は、前記点群データの断面線形から、前記構造評価対象領域の内部に設置された付属物で隠れている構造評価対象物の断面線形を推定して、前記構造評価対象領域の点群データから、該推定した断面線形を前記構造評価対象物の進行方向に伸長した領域の内部の点群データを除去する、解析装置。

【請求項2】

前記構造評価対象物は、作業者が立ち入り検査を行うトンネル内部構造であり、前記構造評価対象領域は、前記トンネル内部構造の構造評価対象領域である、請求項１に記載の解析装置。

【請求項3】

前記第２解析部は、ＦＥＭ解析の構造評価で必要な箇所を特定し、点群データを抽出する、請求項１又は２に記載の解析装置。

【請求項4】

前記第２解析部は、前記構造評価対象物の2D内部断面を、床版方向に２分割した2D内部断面を前記構造評価対象物の進行方向に伸長することで、3Dの抽出する点群データ領域を特定し、前記点群データ領域に含まれる点群データを抽出する、請求項３に記載の解析装置。

【請求項5】

構造評価対象物の点群データを生成する解析装置における解析方法であって、
前記解析装置により、
レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力する入力ステップと、
前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去する除去ステップと、
前記除去ステップによって前記構造評価対象物以外の点群データが除去された後の、前記構造評価対象領域の点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出するステップと、
を含み、
前記除去ステップは、前記点群データの断面線形から、前記構造評価対象領域の内部に設置された付属物で隠れている構造評価対象物の断面線形を推定して、前記構造評価対象領域の点群データから、該推定した断面線形を前記構造評価対象物の進行方向に伸長した領域の内部の点群データを除去するステップを実行する解析方法。

【請求項6】

コンピュータを、請求項１から４のいずれか一項に記載の解析装置として機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、点群データの精度を向上させる解析装置、解析方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、とう道（通信ケーブルなどの専用管路トンネルのうち、特に敷設・撤去・保守作業用に人が立ち入れる管径のものをいう）内部の劣化の予測には、３次元座標値を有する点群データが活用される。点群データとは、Ｘ、Ｙ、Ｚの基本的位置情報、色などの情報を有するコンピュータで扱う点の集合のデータをいう。従来、点群データの位置座標の取得では、下記の３種の手法などが行われている。

【0003】

第1の手法は、レーザースキャナが、取得したデータを、色付き点群データとして出力し、該点群データをＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）により自動的に位置補正する手法である。点群データは，レーザースキャナから照射されたレーザー光が物体にあたり反射された情報を読み取ることにより取得される。例えば、非特許文献１には、効率的な３次元点群データを活用したコンクリート構造物の点検手法が記載されており、非特許文献２には、コンパクト且つ高精度のレーザースキャナのカタログ仕様が記載されている。

【0004】

第２の手法は、ステレオカメラを用いて撮影した画像からＳＦＭ（Structure from Motion）技術を利用して位置座標を生成する手法である。高密度な点群データを生成するために、ＳＦＭ技術の一概念である「ＭＶＳ（Multi-View Stereo）多眼ステレオ」技術を使用してもよい。

【0005】

第３の手法は、とう道の平面図及び内部構造図を組み合わせることにより、とう道内部の絶対位置座標を取得する手法である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】亀岡 誠、外５名、「点群データを活用したコンクリート構造物の点検」、令和２年度土木学会全国大会第７５回年次学術講演会、ＶＩ－２７０

【文献】FARO Focus Laser Scanner カタログ、［ｏｎｌｉｎｅ］、［２０２１年５月１０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.faro.com/ja-JP/Resource-Library/Tech-Sheet/techsheet-faro-focus-laser-scanner＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、とう道の構造評価により劣化予測を行うためには、とう道内部の点群データの位置情報の誤差を軽微にして、ＦＥＭ（Finite Element Method）解析などを実施する必要がある。例えば、変位そのものの許容量はトンネル直径の１／５００などであり、直径が３ｍであると６ｍｍ程度の許容量が必要となる。すでに土圧がかかっており、残された許容変位も数ｍｍなので、ｍｍ単位の変位計測が必要であるが、点群スキャナでは最高精度でも直径の変位は±２ｍｍ精度にとどまる。

【0008】

更に、とう道の平面図、縦断図、内部構造図の相互の位置情報には不一致な箇所があり、また、とう道の平面図、縦断図、内部構造図には現地構造と一致しない箇所があるため、とう道の平面図及び内部構造図の組み合わせによる図面位置情報を用いて構造評価することが困難となる。

【0009】

一方、高精度なレーザースキャナで取得した点群データの位置情報の精度は高い（最高精度±1.0ｍｍ）が、据え置いて測定するものが大半であるため、とう道のような広範囲かつ長区間の測定には時間がかかり、測定費用が高額になる。

【0010】

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、構造物の内部画像及び点群データの解析において、構造評価のための点群データの精度を向上させる技術を確立することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、一実施形態に係る解析装置は、構造評価対象物の点群データを生成する解析装置であって、レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力する3D点群データ入力部と、前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去する第１解析部と、前記第１解析部により除去された点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出する第２解析部と、を備える。

【0012】

上記課題を解決するため、一実施形態に係る解析方法は、構造評価対象物の点群データを生成する解析装置における解析方法であって、前記解析装置により、レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力する入力ステップと、前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去する除去ステップと、前記除去ステップにより除去された点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出するステップと、を含む。

【0013】

上記課題を解決するため、一実施形態に係るプログラムは、コンピュータを、上記解析装置として機能させる。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、構造評価のための点群データの精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一実施形態に係る解析装置の構成例を示すブロック図である。

【図2A】構造評価対象物以外の除去する点群データ領域を特定する概略図である。

【図2B】構造評価対象物以外の除去する点群データ面を特定するための基準を示す概略図である。

【図3】構造解析に必要な箇所の点群データの抽出方法を説明する概略図である。

【図4】一実施形態に係る解析装置が実行する解析方法の一例を示すフローチャートである。

【図5】解析装置として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、一実施形態に係る解析装置を、詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

【0017】

図１に示すように、一実施形態に係る解析装置１は、構造評価必要性判断部１１と、3D点群データ入力部１２と、第１解析部１３と、第２解析部１４と、を備える。解析装置１は、構造評価対象物の点群データを生成する。

【0018】

構造評価必要性判断部１１は、構造物の断面線形のデータに基づいて、構造物が構造評価が必要な構造評価対象領域であるか否かを判断する。構造評価対象領域とは、立坑～トンネルの接続部、建物～トンネルの接続部など、経年的な振動により応力がかかる箇所である。例えば、構造評価必要性判断部１１は、構造物の平面図・縦断図・内部構造図のいずれかに記載されている断面線形のデータを用いて、形状が他の箇所と比べて変化している箇所を構造評価対象領域とみなして選定する。構造評価必要性判断部１１は、判断結果を3D点群データ入力部１２へ出力する。構造評価必要性判断部１１は、作業者が構造評価をするための位置を見て回ることにより、手動による構造評価の要否の判断を行ってもよいし、また、トンネルの図面上の場所を認識できるデータを読み込ませることにより、自動的に構造評価の要否の判断を行う機能部としてハードウェアで実現してもよい。本実施形態では構造評価対象領域をトンネル内部構造として以下に説明するが、構造評価対象領域はこれに限られるものではない。

【0019】

3D点群データ入力部１２は、構造評価必要性判断部１１が構造物を、構造評価対象領域と判断した場合には、レーザースキャナ１５により計測された構造対象領域の点群データ（3D点群データ）を入力し、該点群データを第１解析部１３へ出力する。

【0020】

第１解析部１３は、3D点群データから構造評価対象物以外の点群データを除去すると共に、該構造評価対象物以外の点群データを除去した点群データを第２解析部へ出力する。以下に、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら、劣化予測対象物以外の点群データを除去する方法を詳細に説明する。

【0021】

第１解析部１３は、構造評価対象物以外の点群データを除去するにあたり、構造評価対象物以外の付属物を特定し、該付属物の点群データを除去する。構造評価対象領域がトンネル内部構造である場合、付属物とは、トンネル内部に設置された金物、ケーブルなどである。

【0022】

例えば、第１解析部１３は、構造物の2D内部断面と点群データ面間の法線の長さが一定の長さ以上である点群データ面を特定し、該特定した点群データ面を構造物の進行方向に伸長した領域を除去する。この処理を図２を参照して説明する。図２では、構造評価対象領域をトンネル内部構造として以下に説明するが、劣化予測対象はこれに限られるものではない。

【0023】

図２Ａは、構造評価対象物以外の除去する点群データ領域を特定する概略図である。図２Ａ中、実線はトンネルの2D内部断面２１及び内部断面２１をトンネル進行方向に伸長した領域２１′を、破線はレーザースキャナーから生成された2Dの点群データ面２２及び点群データ面２２をトンネル進行方向に伸長した領域２２′を、一点鎖線は2Dの除去する点群データ面２３及び除去する点群データ面２３をトンネル進行方向に伸長した除去する点群データ領域２３′を、黒丸及び三角形は付属物（黒丸はケーブル、三角形は金物）を示す。

【0024】

図２Ｂは、構造評価対象物以外の除去する点群データ面を特定するための基準を示す概略図である。具体的には、第１解析部１３は、図２Ｂに示すように、トンネルの2D内部断面において、点群データ面２２から直角に、トンネルの2D内部断面２１へ伸ばした法線Ｌの長さが一定の長さ以上であるか否かを判断する。該法線Ｌの長さが一定の長さ以上である場合、第１解析部１３は、該トンネルの2D内部断面２１及び該点群データ面２２が大きく乖離していると判断し、図２Ａに示すように、該トンネルの2D内部断面２１において、除去する点群データ面２３を特定し、該点群データ面２３をトンネル進行方向に伸長し、3Dの除去する点群データ領域２３′を特定する。

【0025】

また、第１解析部１３は、3D点群データの断面線形から、構造評価対象領域の内部に設置された付属物（図２Ｂに示すケーブル・金物２０など）で隠れている構造評価対象物の断面線形を推定して、該推定した断面線形を構造物の進行方向に伸長した領域を除去してもよい。

【0026】

第２解析部１４は、第１解析部１３により除去された点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出する機能部である。

【0027】

第２解析部１４は、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出するにあたり、ＦＥＭ解析などの構造評価で必要な箇所を特定する。以下に、具体的な抽出方法を記載する。

【0028】

図３は、トンネルの2D内部断面の形状が四角形である場合の、構造解析に必要な箇所の点群データの抽出方法を説明する概略図である。図中、以下の説明を円滑に行うために、四角形のトンネルの2D内部断面上に、隅角部２４、上床版支点２５、上床版中央２６、側壁上支点２９、側壁上中央３０、側壁下支点３１、下床版支点２７及び下床版中央２８という位置が特定されている。

【0029】

具体的な3Dの抽出する点群データ面を特定する方法は次のとおりである。最初に、トンネル内部画像上のトンネル2D内部断面の任意３点を結ぶ角度が９０度となる３点のうちの中央点を、トンネル2D内部断面の頂点と、特定する。次に、第２解析部１４は、上記の４頂点を、レーザースキャナで取得した点群データ上にプロットし、４頂点に囲まれるトンネル2D内部断面を床版方向に２分割し、斜線で表したエリア３２（床版方向に２分割した2D内部断面）に含まれる点群データを抽出する。エリア３２に含まれる点群データに限定する理由は、ＦＥＭ解析などをする際の入力するデータ範囲が床方向の半分になるためである。次に、該点群データをトンネル進行方向に伸長することにより、3Dの抽出する点群データ領域を特定し、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出する。すなわち、第２解析部１４は、図３に示すように、四角形のトンネル（構造物）の2D内部断面を、上床版中央２６及び下床版中央２８を結ぶ線で、床版方向に２分割した2D内部断面をトンネル（構造物）の進行方向に伸長することで、3Dの抽出する点群データ領域を特定し、該領域に含まれる点群データを抽出する。

【0030】

図４は、第１の実施形態に係る解析装置１が実行する解析方法の一例を示すフローチャートである。

【0031】

ステップＳ１０１では、構造評価必要性判断部１１が、トンネル（構造物）が、構造評価が必要な構造評価対象領域に該当するか否かを判定する。

【0032】

構造評価必要性判断部１１が、トンネルが構造評価対象領域に該当すると判断した場合には、解析装置１は、Ｓ１０２～Ｓ１０５のステップを実行する。

【0033】

ステップＳ１０２では、3D点群データ入力部が、レーザースキャナ１５により計測された構造対象領域の点群データ（3D点群データ）を入力する。

【0034】

ステップＳ１０３では、第１解析部１３が、該3D点群データから構造評価対象物以外の点群データを除去する。

【0035】

ステップＳ１０４では、第２解析部１４が、構造評価に必要な箇所の点群データの抽出を行う。

【0036】

一方、図４に示すように、ステップＳ１０１において、構造評価必要性判断部１１が、トンネルが構造評価対象領域に該当しないと判断した場合には、解析装置１は、Ｓ１０５～Ｓ１０７のステップを実行する。

【0037】

ステップＳ１０５では、内部画像入力部１６が、カメラにより撮影したトンネル内部の画像を入力する。

【0038】

ステップＳ１０６では、3D点群データ生成部１７が、撮影ルート上の各内部画像により、内部構造の3D点群データを生成する。

【0039】

ステップＳ１０７では、不良データ抽出部１８が、生成された3D点群データから、不良位置のデータを抽出する。不良データとは、トンネルの形状が大きく曲がっているなど、他の箇所と比べて変化している箇所の位置データを指す。

【0040】

解析装置１によれば、構造評価のための点群データの精度を向上させることができる。

【0041】

上記の解析装置１における構造評価必要性判断部１１、3D点群データ入力部１２、第１解析部１３及び第２解析部１４は、制御部（コントローラ）の一部を構成する。該制御演算回路は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array)などの専用のハードウェアによって構成されてもよいし、プロセッサによって構成されてもよいし、双方を含んで構成されてもよい。

【0042】

また、上記の解析装置１を機能させるために、プログラム命令を実行可能なコンピュータを用いることも可能である。図５は、解析装置１として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。ここで、コンピュータ１００は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、ワークステーション、ＰＣ(Personal Computer)、電子ノートパッドなどであってもよい。プログラム命令は、必要なタスクを実行するためのプログラムコード、コードセグメントなどであってもよい。

【0043】

図５に示すように、コンピュータ１００は、プロセッサ１１０と、記憶部としてＲＯＭ(Read Only Memory)１２０、ＲＡＭ(Random Access Memory)１３０、及びストレージ１４０と、入力部１５０と、出力部１６０と、通信インターフェース（I/F）１７０と、を備える。各構成は、バス１８０を介して相互に通信可能に接続されている。

【0044】

ＲＯＭ１２０は、各種プログラム及び各種データを保存する。ＲＡＭ１３０は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ１４０は、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)又はＳＳＤ(Solid State Drive)により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム及び各種データを保存する。本開示では、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０に、本開示に係るプログラムが保存されている。

【0045】

プロセッサ１１０は、具体的にはＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＭＰＵ(Micro Processing Unit)、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)、ＳｏＣ（System on a Chip)などであり、同種又は異種の複数のプロセッサにより構成されてもよい。プロセッサ１１０は、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１３０を作業領域としてプログラムを実行することで、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。なお、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェアで実現することとしてもよい。

【0046】

プログラムは、コンピュータ１００が読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。このような記録媒体を用いれば、プログラムをコンピュータ１００にインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録された記録媒体は、非一過性(non-transitory)の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリなどであってもよい。また、このプログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

【0047】

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

【0048】

（付記項１）
構造評価対象物の点群データを生成する解析装置であって、レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力し、前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去し、前記第１解析部により除去された点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出する制御部
を備える解析装置。
（付記項２）
前記制御部は、
構造物の2D内部断面と点群データ面間の法線の長さが一定の長さ以上である点群データ面を特定し、該特定した点群データ面を構造物の進行方向に伸長した領域を除去する、付記項１に記載の解析装置。
（付記項３）
前記制御部は、
前記点群データの断面線形から、前記構造評価対象領域の内部に設置された付属物で隠れている構造評価対象物の断面線形を推定して、該推定した断面線形を構造物の進行方向に伸長した領域を除去する、付記項１に記載の解析装置
（付記項４）
前記制御部は、
ＦＥＭ解析などの構造評価で必要な箇所を特定し、点群データを抽出する、付記項１から３のいずれか一項に記載の解析装置。
（付記項５）
前記制御部は、
構造物の2D内部断面を、床版方向に２分割した2D内部断面を構造物の進行方向に伸長することで、3Dの抽出する点群データ領域を特定し、前記領域に含まれる点群データを抽出する、付記項４に記載の解析装置。
（付記項６）
構造評価対象物の点群データを生成する解析装置における解析方法であって、
前記解析装置により、
レーザースキャナにより計測された構造評価対象領域の点群データを入力する入力ステップと、
前記点群データから、構造評価対象物以外の点群データを除去する除去ステップと、
前記除去ステップにより除去された点群データから、構造評価に必要な箇所の点群データを抽出するステップと、
を含む解析方法。
（付記項７）
コンピュータによって実行可能なプログラムを記憶した非一時的記憶媒体であって、前記コンピュータを付記項１から５のいずれか一項に記載の解析装置として機能させるプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。

【0049】

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。たとえば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 解析装置
１１ 構造評価必要性判断部
１２ 3D点群データ入力部
１３ 第１解析部
１４ 第２解析部
１５ レーザースキャナ
１６ 内部画像入力部
１７ 3D点群データ生成部
１８ 不良データ抽出部
１９ カメラ
１００ コンピュータ
１１０ プロセッサ
１２０ ＲＯＭ
１３０ ＲＡＭ
１４０ ストレージ
１５０ 入力部
１６０ 出力部
１７０ 通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）
１８０ バス

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】