JP2018040181A - 土木工事の出来形評価システム、出来形評価方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】３次元測量データを用いて土木工事の出来形評価の精度、効率の向上を図る。【解決手段】土工出来形評価システム２は土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて出来形を評価する。土工出来形評価システム２は、工事目的物の３次元の設計形状についての設計データ３０を予め記憶する記憶装置６と、点群の各要素点に、設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価部２０とを有する。評価部２０は、設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて属性の属性値を定義する。【選択図】図１

Description

本発明は土木工事の出来形評価システム、出来形評価方法、及びプログラムに関する。

従来の土木工事の出来形は工事目的物の代表的な垂直断面の形状やコンター図といった２次元情報で表現され、当該情報に基づいて出来形の評価が行われてきた。このような従来の方法では、評価者が出来形を正確にイメージし評価することが難しい。

近年、建設現場の生産性向上の取り組みがなされており、ドローン等を用いた写真測量等により３次元測量を行い出来形の評価に活用することが検討されている。

特開２００２−１８８１４９号公報

３次元測量データをどのように用いることにより出来形の評価が正確に、また効率良く行え、土木工事の生産性向上を図れるかはまだ十分には検討されていない。

本発明は、３次元測量データを用いて土木工事の出来形評価の精度、効率の向上を図れる出来形評価システム、出来形評価方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

（１）本発明に係る土木工事の出来形評価システムは、土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価するシステムであって、前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを予め記憶する記憶部と、前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価部と、を有し、前記評価部は、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義する。

（２）上記（１）の土木工事の出来形評価システムにおいて、前記所定方向は、鉛直方向または所定方位の水平方向とすることができる。

（３）上記（１）又は（２）の土木工事の出来形評価システムにおいて、前記評価部は、前記オフセット距離が異なる複数の前記空間を設定し、当該各空間についての前記判別結果の組み合わせに応じて前記属性値を定義する構成とすることができる。

（４）上記（３）の土木工事の出来形評価システムにおいて、前記オフセット距離は、前記乖離に関する前記設計形状の前記表面での平均値についての規格値と、個々の前記要素点の前記乖離についての規格値との２つとすることができる。

（５）上記（１）から（４）の土木工事の出来形評価システムにおいて、前記点群に基づく前記出来形の３次元モデルの画像を生成する画像生成部を有し、前記画像生成部は、前記要素点を前記属性値ごとに異なる色で前記画像に表示する構成とすることができる。

（６）上記（１）から（５）の土木工事の出来形評価システムにおいて、前記点群に基づく前記出来形の３次元モデルの画像を生成する画像生成部を有し、前記画像生成部は、前記要素点のうちユーザにより指定された前記属性値を有するもののみを前記画像に表示する構成とすることができる。

（７）本発明に係る土木工事の出来形評価方法は、土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価する方法であって、前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを取得するステップと、前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価ステップと、を有し、前記評価ステップは、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義する。

（８）本発明に係るプログラムは、土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価する処理をコンピュータに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、前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを予め記憶する記憶手段、及び、前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価手段、として機能させ、前記評価手段は、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義する。

本発明によれば、３次元測量データを用いた土木工事の出来形評価における精度、効率の向上を図れる。

本発明の実施形態である土工出来形評価システムの概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態である土工出来形評価システムの概略の処理フロー図である。 工事目的物の例とする河川堤防の模式的な斜視図である。 基準面が図３に示す堤防の設計形状である場合の境界面を示す模式的な斜視図である。 図３に示す堤防において２つのオフセット距離を用いた乖離評価の例を示す堤防の模式的な横断面図である。

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。

図１は、実施形態である土工出来形評価システム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。

演算処理装置４は、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）からなり、評価部２０及び画像生成部２２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を評価部２０及び画像生成部２２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、土工出来形評価システム２による土木工事の工事目的物の出来形評価処理に先立って、工事目的物の３次元の設計形状を表す設計データ３０、及び工事目的物の３次元測量データとして出来形の空中写真からステレオ写真測量により抽出された点群データ３２を格納される。

なお、近年、ステレオ写真測量にて、ドローンとも呼ばれる無人航空機（Unmanned aerial vehicle：ＵＡＶ）を用いて空中写真を撮影することが行われるようになっている。また、レーザスキャナを用いて、地物の形状を表す３次元点群データを取得するレーザ計測技術が存在し、その測定結果を点群データ３２として用いてもよい。そのようなレーザ計測技術として例えば、モービルマッピングシステム（Mobile Mapping System：ＭＭＳ）が知られており、このＭＭＳでは、車両に搭載したレーザスキャナを用い道路を走行しつつ、地物の形状を表す３次元点群データを取得する。また、ＵＡＶにレーザスキャナを搭載して点群データ３２を取得することも可能である。これらの手法では、従来の航空機等からの写真撮影やレーザスキャンに基づいて取得される点群よりも高密度の点群を得ることが容易であり、例えば、点群を構成する要素点の間隔は数センチメートル程度にでき、高精度の出来形評価が可能となる。

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、本システムによる出来形の評価結果を画面表示、印刷等によりユーザに示す等に用いられる。また、評価結果に関するデータを他のシステムで利用できるよう、データとして出力してもよい。

評価部２０は、点群データ３２の各要素点に、設計形状からの乖離を表す属性を付与する。

画像生成部２２は、点群データ３２に基づく出来形の３次元モデルである出来形モデルの画像を生成する。

図２は、土工出来形評価システム２の概略の処理フロー図である。ここでは工事目的物の例として河川堤防を用いつつ処理を説明する。図３は河川堤防４０の模式的な斜視図である。例えば、３次元空間をｘｙｚ直交座標系で表現することとし、堤防４０の縦断方向に沿った水平方向をｘ軸に設定する。また、堤防４０の横断方向はｘ軸に直交する水平方向であり、当該横断方向にｙ軸を設定する。また、鉛直方向をｚ軸とする。なお、ｚ軸の正の向きは上向きに設定する。

演算処理装置４は出来形の評価対象とする工事目的物について記憶装置６から設計データ３０及び点群データ３２を読み込む（ステップＳ２）。

演算処理装置４は評価部２０として機能し、設計データ３０に基づく設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に点群データ３２の要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて、当該要素点について上述した設計形状からの乖離を表す属性の属性値を定める。

具体的には、評価部２０は、設計データ３０から例えば、設計形状を表すＴＩＮ（Triangulated Irregular Network）などのポリゴンモデルを生成する。ポリゴンモデルでは例えば、当該モデル内の任意の水平位置（ｘ，ｙ）に対し当該モデルの表面の高さｚが定義される。ここではポリゴンモデルの表面をｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）なる関数で表す。

設計形状からの乖離の評価に用いるオフセット距離は１つでもよいし複数でもよい。ここでは評価に用いるオフセット距離の個数をαとし、ｋを１≦ｋ≦αなる自然数としてオフセット距離をｄ_ｋで表す。また、ｄ_ｊ＜ｄ_ｊ＋１（ｊは１≦ｊ≦α−１なる自然数）とする。

本実施形態では設計形状からの鉛直方向に関する乖離を求める（ステップＳ４）。よって、境界面は、ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）で表される面を基準面Ｓ_０とし、当該基準面をｚ軸の正の向き、つまり上にオフセット距離ｄ_ｋずらした、ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）＋ｄ_ｋで表される面Ｓ_ｋ＋と、当該基準面をｚ軸の負の向き、つまり下にオフセット距離ｄ_ｋずらした、ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）−ｄ_ｋで表される面Ｓ_ｋ−となる。図４は基準面Ｓ_０が図３に示す堤防４０の設計形状である場合の境界面Ｓ_ｋ＋，Ｓ_ｋ−を示す模式的な斜視図である。

評価部２０は要素点ｐの位置が境界面Ｓ_ｋ＋とＳ_ｋ−との間にあるか否かを判別する。ここでは判別結果に応じて変数Ｅ_ｋの値を定めることとし、例えば、ｐが境界面間にあるときはＥ_ｋ＝１、境界面間にないときはＥ_ｋ＝０と定義する。具体的にはｐの座標を（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ，ｚ_ｐ）とすると、評価部２０は、

ならば、Ｅ_ｋ＝１とし、

ならば、Ｅ_ｋ＝０とする。

評価部２０は、オフセット距離と比較した乖離の大小を示すＥ_ｋに応じて要素点ｐの乖離属性値を決定する（ステップＳ６）。設計形状からの乖離の程度を１つのオフセット距離ｄ_１のみで区分する場合には、変数Ｅ_１が乖離属性値となる。一方、設計形状からの乖離の程度を複数のオフセット距離ｄ_１〜ｄ_αで区分する場合には、変数Ｅ_１〜Ｅ_αの組み合わせに応じて乖離属性値が定義される。

本実施形態ではオフセット距離を２つ用いた乖離評価の例を説明する。図５は図３に示す堤防４０において２つのオフセット距離を用いた例を示す図であり、ｘ軸に垂直な模式的な断面図である。同図には、ｘ方向の或る位置での基準面及び境界面の断面形状が示されている。また、点群が乖離属性値の違いに応じて異なる印“○”、“△”、“×”で示されている。具体的には、変数Ｅ_１，Ｅ_２の組（Ｅ_１，Ｅ_２）が（１，１）である点を“○”で示し、当該変数の組み合わせが（０，１）である点を“△”、また（０，０）である点を“×”で示している。

オフセット距離ｄ_１，ｄ_２には行政や業界などにより予め定められた規格値を用いることができる。例えば、規格値として、設計形状の表面内での乖離の平均値についての許容上限値や、個々の要素点の乖離についての許容上限値が定められ得る。そこで、乖離に関する設計形状の表面での平均値についての規格値をｄ_１とすることができ、また個々の要素点の乖離についての規格値をｄ_２とすることができる。

評価部２０は基本的に、入力された点群データ３２の各要素点について属性値を付与する。すなわち、点群データ３２が上述したように高密度の点群であれば、当該高密度点群の全ての要素点について乖離属性値が定められる。一方、当該高密度の点群を間引いて例えば、１平方メートル当たり比較的少ない所定個数の要素点からなる点群のように低密度点群に変換する処理を行い、その変換処理後の点群を評価部２０に入力することもできる。

画像生成部２２は、評価部２０により乖離を評価された点群を出来形の３次元モデルとして表示する画像を生成する。例えば画像生成部２２は当該画像に、評価部２０にて属性値を付与した全要素点を、属性値ごとに異なる色で表示する。例えば、（Ｅ_１，Ｅ_２）が（１，１）の要素点は青色で表示し、また（０，１）の要素点は黄色、（０，０）の要素点は赤色で表示する。

画像生成部２２は生成した画像のデータを出力装置１０へ出力し、出力装置１０はデータに基づいてユーザが視認できる具体的な画像を生成する。

なお、画像生成部２２は、出来形の３次元モデルを表示する画像に設計形状を重ねて表示してもよい。例えば、設計形状のＴＩＮモデルを画像にワイヤーフレームで表示することができる。

画像生成部２２により生成される画像を、１平方メートル当たり数点といった低密度の点群ではなく上述した高密度の点群の画像とすることで、出来形の詳細な状態の判断が容易となる。また、工事目的物の或る位置での垂直断面形状や、水平面内での工事目的物の表面の起伏を表すコンター図などのような２次元的な表示形態ではなく、３次元モデルを投影した画像とし、また投影に際し視点を変更可能とすることで、出来形の状態の把握が容易となる。

また、画像生成部２２は、要素点の乖離の連続的な変化に対応して要素点の色をグラデーション表示とした画像ではなく、評価部２０が定義する乖離属性値に対応して比較的少ない種類の色で点群が表示された画像を生成する。この画像生成部２２による画像によれば、規格値などであるオフセット距離を超えている部分とそうでない部分とをユーザが把握することが容易となる。

さらに、画像生成部２２は、出来形の３次元モデルとして、要素点のうちユーザにより指定された属性値を有するもののみを画像に表示してもよい。画像生成部２２により生成される上述の画像では、要素点の乖離の評価結果は比較的少ない数の色で表示されるので、ユーザが要素点間での評価結果の差異を把握しやすい。それでも、点群の密度が高くなるほど画像の表示内容が繁雑になり、ユーザが評価結果を判読しにくくなり得る。このような場合に、点群のうち一部の属性値のものだけを選択的に表示することで判読を容易とすることができる。例えば、（Ｅ_１，Ｅ_２）が（０，０）の要素点だけや、（０，０）と（０，１）の要素点だけを画像に表示させることで、乖離が大きい箇所の把握を容易にすることができる。

上述の実施形態では、設計形状の表面を鉛直方向に平行移動させた境界面に基づいて乖離属性値を定義したが、当該平行移動の方向は、工事目的物や評価目的に応じて他の方向とすることができる。例えば、工事目的物における鉛直面の位置を評価する場合などには、当該平行移動の方向は当該鉛直面の法線方向とすることができる。

２ 土工出来形評価システム、４ 演算処理装置、６ 記憶装置、８ 入力装置、１０ 出力装置、２０ 評価部、２２ 画像生成部、３０ 設計データ、３２ 点群データ。

Claims (8)

1. 土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価するシステムであって、
   前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを予め記憶する記憶部と、
   前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価部と、
   を有し、
   前記評価部は、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義すること、
   を特徴とする出来形評価システム。
2. 請求項１に記載の出来形評価システムにおいて、
   前記所定方向は、鉛直方向または所定方位の水平方向であること、を特徴とする出来形評価システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の出来形評価システムにおいて、
   前記評価部は、前記オフセット距離が異なる複数の前記空間を設定し、当該各空間についての前記判別結果の組み合わせに応じて前記属性値を定義すること、を特徴とする出来形評価システム。
4. 請求項３に記載の出来形評価システムにおいて、
   前記オフセット距離は、前記乖離に関する前記設計形状の前記表面での平均値についての規格値と、個々の前記要素点の前記乖離についての規格値との２つであること、を特徴とする出来形評価システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の出来形評価システムにおいて、
   前記点群に基づく前記出来形の３次元モデルの画像を生成する画像生成部を有し、
   前記画像生成部は、前記要素点を前記属性値ごとに異なる色で前記画像に表示すること、
   を特徴とする出来形評価システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の出来形評価システムにおいて、
   前記点群に基づく前記出来形の３次元モデルの画像を生成する画像生成部を有し、
   前記画像生成部は、前記要素点のうちユーザにより指定された前記属性値を有するもののみを前記画像に表示すること、
   を特徴とする出来形評価システム。
7. 土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価する方法であって、
   前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを取得するステップと、
   前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価ステップと、
   を有し、
   前記評価ステップは、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義すること、
   を特徴とする出来形評価方法。
8. 土木工事の工事目的物の出来形の表面から計測された点群の３次元座標データに基づいて前記出来形を評価する処理をコンピュータに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、
   前記工事目的物の３次元の設計形状についての設計データを予め記憶する記憶手段、及び、
   前記点群の各要素点に、前記設計形状からの乖離を表す属性を付与する評価手段、として機能させ、
   前記評価手段は、前記設計形状の表面を所定方向の一方向きと他方向きとにそれぞれ所定のオフセット距離ずつ平行移動した２つの面を境界面として、当該境界面に挟まれる空間内に前記要素点が含まれるか否かの判別結果に応じて前記属性の属性値を定義すること、
   を特徴とするプログラム。

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