JP2012150060A - 空洞計測装置及びレーザプローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて容易な計測作業で迅速且つ正確に空洞の体積及び形状を把握できる、空洞計測装置と、これに使用するレーザプローブ装置を提供する。
【解決手段】空洞をレーザプローブユニットとレーザ測距装置を用いて計測する際、レーザプローブユニットの初期位置決めを重力に基づいて行う、レーザプローブ装置を作成した。このレーザプローブ装置を用いることで、測定誤差が生じ難く、精度の高い空洞計測を実施することができる。更に、複数の計測データファイルで合成されるべき空洞を、直方体の集まりで近似して格子点データを求めることで、空洞の正確な体積と三次元画像を容易に得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空洞計測装置及びレーザプローブ装置に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、地中の空洞の形状と体積を迅速に把握するための空洞計測装置と、これに使用するレーザプローブ装置に関する。

道路やトンネル等の、地表に設けられる交通施設には、時に様々な要因によって空洞が生じることがある。道路であれば道路の地下に、またトンネルであればトンネルの内壁に、空洞が生じることがある。この空洞は、係る施設の安全性を脅かす多くの要因の一つであり、陥没や崩落等の事故が発生する前に除去しなければならない。

先ず、超音波等を利用する計測装置を用いて交通施設を探査し、空洞の存在を検出する。空洞が放置できない程大きいと判断できる場合は、当該空洞を除去する作業に移行する。
空洞を除去するには、空洞の体積を計測した後、空洞を繊維補強コンクリート等で埋める。周知のようにコンクリートは保存が効かないので、空洞を埋めるコンクリートの量は過不足が生じないように予め正確に把握できなければならない。このため、空洞の体積を正確に把握するための計測装置が必要不可欠である。

上述の理由により、敷設済みの道路やトンネルを破壊することなく空洞を迅速且つ正確に把握するための空洞計測装置が存在する。この先行技術を非特許文献１に示す。

「レーザー式体積測定システム」株式会社丸東製作所［２０１１年１月１０日検索］、インターネット＜URL:http://www.maruto-group.co.jp/products/cement_concrete/SH-1009.htm＞

非特許文献１に示される空洞計測装置は、レーザ測距計を用いて、空洞の形状を把握する。
一方、空洞には様々な形状のものがあるから、空洞の形状及び体積を正確に把握するためには、一つの空洞に対して複数の箇所からレーザプローブを挿入して、形状を把握する必要がある。しかし、複数の計測箇所から空洞の全貌を把握する技術は未だ確立されていない。

本発明はかかる課題を解決し、極めて容易な計測作業で迅速且つ正確に空洞の体積及び形状を把握できる空洞計測装置と、これに使用するレーザプローブ装置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、本発明の空洞計測装置は、空洞に挿入され、空洞の内壁との距離を計測する空洞測距装置と、測距装置から得られる空洞内壁の距離から空洞内壁の座標データを算出する座標演算部と、座標データを格納する計測データファイルと、計測データファイルにて定義される空洞を直方体の集まりで近似演算して、空洞に含まれる格子点データを作成する体積算出部と、格子点データに基づいて空洞の立体画像を作成する立体画像構成部とを具備する。

複数の計測データファイルで合成されるべき空洞を、直方体の集まりで近似して格子点データを求めることで、空洞の正確な体積と三次元画像を容易に得ることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明のレーザプローブ装置は、脚部と、脚部に回転可能に支持される基準円盤と、基準円盤の半径方向に設けられる水準器と、基準円盤の半径方向且つ水準器の直角方向に設けられる傾斜計と、空洞に挿入され、空洞の内壁との距離を計測するためのレーザ光を発するレーザプローブユニットと、基準円盤に支持され、レーザプローブユニットを基準円盤の傾斜計と平行な直径方向に支持するプローブ支持体と、レーザプローブユニットを基準円盤と平行な平面上に回転駆動する円周駆動モータと、レーザプローブユニットを基準円盤と垂直な平面上に駆動する仰俯角モータとを具備する。

空洞をレーザ光を用いて計測する際、レーザプローブユニットの初期位置決めを重力に基づいて行う。このため、測定誤差が生じ難く、精度の高い空洞計測を実施することができる。

本発明により、極めて容易な計測作業で迅速且つ正確に空洞の体積及び形状を把握できる、空洞計測装置と、これに使用するレーザプローブ装置を提供できる。

本発明の実施形態の例である、空洞計測装置のブロック図である。 レーザプローブ装置の外観斜視図である。 レーザプローブ装置の上面図及び一部断面図である。 基準円盤と水準器と傾斜計の角度位置関係を説明する概略図である。 基準円盤とプローブパイプ及びレーザプローブユニットの角度位置関係を説明する概略図である。 演算装置の体積算出部と立体画像構成部の処理の流れを示すフローチャートである。 体積算出部による直方体判定処理の流れを示すフローチャートである。 体積算出部による直方体分割処理の流れを示すフローチャートである。 格子点データが計測データファイルで定義される空洞の内側にあるか否かを判定する方法を説明する概略図である。 本実施形態の演算装置が行う、直方体の分割処理の概念を説明する、第一の状態の概略図である。 本実施形態の演算装置が行う、直方体の分割処理の概念を説明する、第二の状態の概略図である。 本実施形態の演算装置が行う、直方体の分割処理の概念を説明する、第三の状態の概略図である。 本実施形態の演算装置が行う、直方体の分割処理の概念を説明する、第四の状態の概略図である。 第一計測点にレーザプローブ装置を配置して得た第一の計測データファイルに基づく空洞を示す斜視図である。 第二計測点にレーザプローブ装置を配置して得た第二の計測データファイルに基づく空洞を示す斜視図である。 体積算出部によって作成された格子点データに基づいて、立体画像構成部が形成した空洞を示す斜視図である。

［全体構成］
図１は、本発明の実施形態の例である、空洞計測装置のブロック図である。
空洞計測装置１０１は、レーザプローブ装置１０２と、レーザ測距装置１０３と、演算装置１０４よりなる。
レーザプローブ装置１０２は、空洞内部にレーザプローブユニット１０５を挿入し、レーザプローブユニット１０５を所定の位置及び角度に固定する。また、レーザプローブ装置１０２はレーザプローブユニット１０５の角度や位置に関する情報を出力する。更に、レーザプローブ装置１０２には周知のＧＰＳ（Global Positioning System）受信機（図示せず）を備え、レーザプローブ装置１０２の緯度・経度・方位の情報も出力する。
レーザ測距装置１０３は、レーザプローブ装置１０２のレーザプローブユニット１０５に接続され、レーザプローブユニット１０５を駆動する。そして、レーザプローブユニット１０５からレーザ光線を発し、反射光から距離情報を算出して、演算装置１０４へ出力する。
なお、レーザプローブ装置１０２が出力する情報の詳細については図２、図３、図４及び図５にて後述する。

レーザプローブ装置１０２とレーザ測距装置１０３は、空洞内部にレーザプローブユニット１０５を挿入して、レーザプローブユニット１０５と空洞の内壁との距離を計測する。したがって、レーザプローブ装置１０２とレーザ測距装置１０３を総称して、空洞測距装置ともいえる。

レーザプローブ装置１０２から出力されるレーザプローブ装置１０２自体の傾斜角情報、緯度・経度・方位情報、レーザプローブユニット１０５の挿入高さ（後述）、平面角（後述）及び仰俯角（後述）情報、及びレーザ測距装置１０３から出力される距離情報は、演算装置１０４の座標演算部１０６に入力される。
演算装置１０４は、所定のＯＳと空洞計測のためのアプリケーションプログラムが稼働する周知のパソコンである。

座標演算部１０６は、レーザプローブ装置１０２及びレーザ測距装置１０３から入力される情報に基づいて、空洞の内壁の座標情報を出力する。
座標演算部１０６が出力する空洞内壁の座標情報は、不揮発性ストレージ１０７に送られ、不揮発性ストレージ１０７内の計測データファイル１０８に記録される。
計測データファイル１０８の作成が終了すると、ユーザによる操作部１０９の対話操作によって、計測データファイル１０８の処理が行われる。操作部１０９は周知のキーボード及びマウス等のポインティングデバイスである。

ユーザは、不揮発性ストレージ１０７内に複数存在する計測データファイル１０８のうち、処理対象とする計測データファイル１０８を選択し、所定の操作を通じて処理の指令を行う。すると、制御部１１０を通じて体積算出部１１１が計測データファイル１０８を読み込み、計測データファイル１０８に係る空洞の体積を算出する。その際、図示しないＲＡＭに、空洞の体積の算出根拠となる格子点データ１１２を作成する。
次に、格子点データ１１２の作成が完了すると、立体画像構成部１１３が格子点データ１１２に基づいて立体画像を作成する。そして、この作成された立体画像が、体積算出部１１１が算出した空洞の体積と共に、ディスプレイである表示部１１４に表示される。
制御部１１０は操作部１０９の操作を受けて、座標演算部１０６、不揮発性ストレージ１０７、体積算出部１１１及び立体画像構成部１１３を制御する。また、レーザプローブ装置１０２に対して駆動指令情報を出力する。

［レーザプローブ装置１０２］
図２はレーザプローブ装置１０２の外観斜視図である。
図３（ａ）及び（ｂ）はレーザプローブ装置１０２の上面図及び一部断面図である。
レーザプローブ装置１０２は、基準円盤２０１と、基準円盤２０１を回転可能に支持しつつ固定する脚部ともいえる三脚２０２と、基準円盤２０１の中心を垂直に貫通するプローブパイプ２０３と、プローブパイプ２０３の先端に設けられているレーザプローブユニット１０５を備える。プローブパイプ２０３は、レーザプローブユニット１０５を空洞へ挿入するための棒であり、プローブ支持体ともいえる。

基準円盤２０１には、水準器２０４が半径方向に取り付けられている。更に、水準器２０４と９０°の角度で、傾斜計２０５が半径方向に取り付けられている。また、水準器２０４と反対方向の半径上に方位計２０６が取り付けられている。方位計２０６は水平を維持するために、基準円盤２０１に開けられた方位計収納開口部２０１ａの中に取り付けられている。また、基準円盤２０１の中心に近い位置には、図示しないＧＰＳ受信機のためのＧＰＳアンテナ２０７が取り付けられている。

方位計２０６も方位情報を出力するセンサであり、ＧＰＳ受信機が出力する方位情報と併せて、より正確な方位情報を得ることができる。また、本発明の時点ではＧＰＳの誤差は最大で数十メートル発生する可能性があるので、複数の計測地点を設ける際には計測地点同士の相対的な位置情報を測量等で得て、緯度・経度情報を補完する必要がある。但し、将来ＧＰＳの精度が向上すればこの限りではない。

基準円盤２０１は、ステッピングモータである水平維持モータ３０１によって回転駆動される。水平維持モータ３０１は、水準器２０４が水平を検出するまで基準円盤２０１を回転駆動し、水準器２０４が水平を検出すると停止する。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、基準円盤２０１と水準器２０４と傾斜計２０５の角度位置関係を説明する概略図である。なお、説明の都合上、プローブパイプ２０３及びレーザプローブユニット１０５は図４（ｂ）を除いて図示を省略している。
図４（ａ）は、水平面と基準円盤２０１の位置関係を示す概略図である。
図４（ｂ）は、水平面と基準円盤２０１の位置関係を、図４（ａ）の視点Ｐ４０２から見た図である。
図４（ｃ）は、水平面と基準円盤２０１の位置関係を、図４（ａ）の視点Ｐ４０３から見た図である。

図４（ｂ）に示すように、水平面４０１上に基準円盤２０１が所定の角度θを有して交わっているとする。この時、水準器２０４は水平面４０１と交わっていないので、水準器２０４は水平を検出できていない。そして、この状態では傾斜計２０５は水平面４０１と基準円盤２０１との角度θを正しく検出できない。

図４（ｄ）も、水平面４０１と基準円盤２０１の位置関係を示す概略図であり、図４（ａ）の状態から、図４（ｃ）の矢印Ｒ４０４に示す方向に基準円盤２０１を回転駆動させた状態の図である。
図４（ｅ）は、水平面４０１と基準円盤２０１の位置関係を、図４（ｄ）の視点Ｐ４０５から見た図である。
この時、水準器２０４は水平面４０１と交わっているので、水準器２０４は水平を検出できている。そして、傾斜計２０５が基準円盤２０１の傾斜角を正しく検出できる位置にある。

図４（ｄ）及び（ｅ）に示す状態は、基準円盤２０１と垂直な平面が水平面４０１に対しても垂直である状態であり、この垂直な平面は傾斜計２０５が存在する半径方向の線分を含む。この時に、水平面４０１に対する傾斜計２０５の傾きは、水平面４０１と基準円盤２０１との角度θに一致する。

図５は、基準円盤２０１とプローブパイプ２０３及びレーザプローブユニット１０５の角度位置関係を説明する概略図である。図４（ｄ）及び（ｅ）の状態で、図示を省略していたプローブパイプ２０３及びレーザプローブユニット１０５を明記した図である。

基準円盤２０１は、ステッピングモータである水平維持モータ３０１によって回転駆動される。水平維持モータ３０１は、水準器２０４が水平を検出するまで基準円盤２０１を回転駆動し、水準器２０４が水平を検出すると停止する。この状態で、レーザプローブユニット１０５は、基準円盤２０１と垂直な平面上の、傾斜計２０５と反対方向に位置し、この垂直な平面は傾斜計２０５が存在する半径方向の線分を含む。この状態が、レーザプローブユニット１０５の基準角度位置になる。そして、この時の基準円盤２０１の傾斜角を、傾斜計２０５で検出する。

基準円盤２０１はその表面に水準器２０４を備えており、レーザプローブユニット１０５の基準角度位置を定めると共に、傾斜計２０５がレーザプローブユニット１０５の傾斜角も正しく検出するための位置決めの役目を担う。

再び図３に戻って説明を続ける。
プローブパイプ２０３は、基準円盤２０１を垂直方向に貫通している。プローブパイプ２０３自体は基準円盤２０１に対して相対的に回転駆動しないように設けられている。プローブパイプ２０３の一片にはラック２０３ａが刻まれ、このラック２０３ａにピニオン３０２を介してステッピングモータである挿抜モータ３０３が嵌合される。そして、この挿抜モータ３０３によって、プローブパイプ２０３は基準円盤２０１の垂直方向に直線駆動される。挿抜モータ３０３はステッピングモータであり、駆動パルスの数だけプローブパイプ２０３は直線駆動される。
この駆動パルスの数を計数することで、プローブパイプ２０３の先端に設けられているレーザプローブユニット１０５の、基準円盤２０１に対する垂直方向の移動量を求めることができる。本明細書において、この移動量のことを「挿入高さ」と呼ぶ。

プローブパイプ２０３の先端には、図示しないインデックス機構と、ステッピングモータである円周駆動モータ３０４によって基準円盤２０１の平面と平行に回転駆動されるレーザプローブユニット１０５が設けられている。更にこのレーザプローブユニット１０５は、ステッピングモータである仰俯角モータ３０５によって基準円盤２０１の平面と垂直に回転駆動される。

インデックス機構は、一例としてはストッパとマイクロスイッチで構成され、レーザプローブユニット１０５がストッパによって固定されている時に基準角度位置にあり、その際にマイクロスイッチがオフ状態になる。円周駆動モータ３０４はレーザプローブユニット１０５を一周分回転駆動させ、レーザプローブユニット１０５は、円周駆動モータ３０４に与えられる駆動パルスの数だけ角度が変位する。
したがって、この駆動パルスの数を計数することで、プローブパイプ２０３の先端に設けられているレーザプローブユニット１０５の、基準円盤２０１に平行な平面における回転角を求めることができる。本明細書において、この角度を「平面角」と呼ぶ。

仰俯角モータ３０５はレーザプローブユニット１０５を、軸を中心に上下方向に回転駆動する。仰俯角モータ３０５もステッピングモータであるので、駆動パルスの数だけ角度が変位する。
この駆動パルスの数を計数することで、プローブパイプ２０３の先端に設けられているレーザプローブユニット１０５の、基準円盤２０１に垂直な平面における回転角を求めることができる。本明細書において、この角度を「仰俯角」と呼ぶ。

上述した機構を通じて、レーザプローブ装置１０２は、以下の情報を出力する。
・ＧＰＳ受信機から緯度、経度、方位
・傾斜計２０５から基準円盤２０１の傾斜角
・挿抜モータ３０３に与えるステッピングパルスから求められる挿入高さ
・円周駆動モータ３０４に与えるステッピングパルスから求められる平面角
・仰俯角モータ３０５に与えるステッピングパルスから求められる仰俯角
・レーザプローブユニット１０５を発光駆動するレーザ測距計から、レーザプローブユニット１０５から空洞内壁までの距離

［演算装置１０４］
次に図１に基づいて、演算装置１０４の構成及びその動作の詳細について説明する。
図１に示すように、演算装置１０４は、空洞内壁の座標データを算出してファイルに記録する座標演算部１０６と、格子点データ１１２を作成して、体積を算出する体積算出部１１１と、格子点データ１１２に基づいて立体画像を作成する立体画像構成部１１３から構成され、三つの演算処理を行う。この格子点データ１１２は、パソコンという限られた計算機リソース（ＣＰＵの演算能力、ＲＡＭ及び不揮発性ストレージ１０７の記憶容量等）で体積を迅速に且つ効率良く算出すると共に、立体画像構成部１１３が立体画像を作成するために利用される。

図６は、演算装置１０４の体積算出部１１１と立体画像構成部１１３の処理の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると（Ｓ６０１）、体積算出部１１１は、最初に共分散行列と固有ベクトルを用いて、初期直方体データを作成する。初期直方体データは、計測データファイル１０８によって構成される空洞、すなわち立体を丸ごと覆う直方体形状の立体を示すデータである。そして、この初期直方体データは直方体配列変数に第一レコードとして追記される。この時、分割不可フラグは論理の「偽」に設定される（Ｓ６０２）。

次に、体積算出部１１１は直方体配列変数の全レコードの分割不可フラグを見て、分割不可フラグが「偽」のレコードが存在するか否かを確認する（Ｓ６０３）。
論理が「偽」の分割不可フラグのレコードが存在すれば（Ｓ６０３のＹＥＳ）、体積算出部１１１はサブルーチン「直方体判定処理」を実行し（Ｓ６０４）、論理が「偽」の分割不可フラグのレコードが存在しなければ（Ｓ６０３のＮＯ）、体積算出処理を行う（Ｓ６０５）。その後、立体画像構成部１１３がポリゴン描画処理を行って（Ｓ６０５）、一連の処理を終了する（Ｓ６０６）。

ステップＳ６０２で追記される初期直方体データは、格子点データ１１２の基になるデータである。すなわち、初期直方体データで規定される直方体の縦、横及び高さを、所定の定数で分割した点が格子点データ１１２となる。
本実施形態の演算装置１０４の場合、定数は１００を設定している。この定数は、市場に流通する一般的なパソコンの平均的な演算能力を鑑みて、迅速に計算処理を遂行することができる値として、発明者が設定した。したがって、演算装置１０４の演算能力、すなわちパソコンが有するＣＰＵの演算能力と、演算装置１０４の用途次第で、この定数を適切に増減させることも可能であり、またそのようにすることが好ましい。
定数が１００の場合、演算装置１０４は１００×１００×１００＝１００万個の格子点データ１１２を作成することとなる。

一方、直方体配列変数は「直方体座標データ」というフィールドと、「分割不可フラグ」というフィールドを持つテーブルである。このうち、直方体座標データフィールドは、直方体を規定する座標データを格納する。直方体は全ての辺の角度が９０°なので、八つの頂点のうちの一つと、縦、横及び高さが定まれば一意に定まる。そして、この直方体座標データに含まれる格子点データ１１２の数を計数することは極めて容易である。
本実施形態の演算装置１０４は、空洞を多数の直方体で分割して近似し、その直方体に含まれる格子点データ１１２の数を数え上げることで、体積を算出している。

立体画像構成部１１３が行うポリゴン描画処理は、周知の三角形ポリゴンを用いる立体画像形成処理である。格子点データ１１２は空洞を表す点の集合なので、格子点データ１１２のうち、最も外側に位置する格子点同士を線で結び、三角形ポリゴンで描画することで、空洞の立体画像を形成できる。ポリゴン描画処理は、例えばＯｐｅｎＧＬ（登録商標）等の、既存の３Ｄグラフィクスライブラリが利用可能である。なお、ポリゴン描画処理を高速且つ効率良く実行するため、立体画像構成部１１３は周知のＭａｒｃｈｉｎｇ Ｃｕｂｅｓ法によって三角形ポリゴンを算出した後、三角形ポリゴンの頂点数を間引くためにこれも公知のＨａｌｆ−Ｅｄｇｅ Ｃｏｌｌａｐｓｅ法を用いている。

図７は、体積算出部１１１による直方体判定処理の流れを示すフローチャートである。図６のステップＳ６０４の詳細を示したものである。
処理を開始すると（Ｓ７０１）、現在処理対象となっている直方体配列変数のレコードにある直方体座標データを読み込み、当該直方体の表面上に存在する格子点が、全て計測データの外側にあるか否かを確認する（Ｓ７０２）。

もし、直方体の表面上に存在する格子点が、全て計測データの外側にあれば（Ｓ７０２のＹＥＳ）、次に直方体の中に計測データの中心点が存在するか否か、確認する（Ｓ７０３）。ここで計測データの中心点とは、レーザプローブユニット１０５の座標を指す。
計測データの中心点が存在すれば（Ｓ７０３のＹＥＳ）、直方体領域を分割するサブルーチン「直方体分割処理」を実行して（Ｓ７０４）、処理を終了する（Ｓ７０５）。

計測データの中心点が存在しなければ（Ｓ７０３のＮＯ）、その直方体は計測データと交わらない、つまり当該直方体は、計測データによって定まる空洞の外側に存在する、無関係の直方体であると判断できるので、現在処理対象としている直方体配列変数のレコードを破棄して（Ｓ７０６）、処理を終了する（Ｓ７０５）。

もし、直方体の表面上に存在する格子点の一部でも計測データの内側にあれば（Ｓ７０２のＮＯ）、次に直方体表面の格子点データ１１２の全てが計測データに含まれるか否かを確認する（Ｓ７０７）。
直方体表面の格子点データ１１２の全てが計測データに含まれていれば（Ｓ７０７のＹＥＳ）、直方体を構成する全ての格子点データ１１２が計測データによって定まる空洞の内側に存在すると判断できるので、現在処理対象としている直方体配列変数の分割不可フラグを論理の「真」に設定して（Ｓ７０８）、処理を終了する（Ｓ７０５）。

直方体表面の格子点データ１１２の一部でも計測データに含まれていなければ（Ｓ７０７のＮＯ）、次に当該直方体は分割処理が不可能か否かを検証する（Ｓ７０９）。もし、これ以上の分割が不可能な状態であると判断できれば（Ｓ７０９のＹＥＳ）、現在処理対象としている直方体配列変数の分割不可フラグを論理の「真」に設定して（Ｓ７０８）、処理を終了する（Ｓ７０５）。もし、まだ分割が可能な状態であると判断できれば（Ｓ７０９のＮＯ）、これも直方体領域を分割するサブルーチン「直方体分割処理」を実行して（Ｓ７０４）、処理を終了する（Ｓ７０５）。

図８は、体積算出部１１１による直方体分割処理の流れを示すフローチャートである。図７のステップＳ７０４の詳細を示したものである。
処理を開始すると（Ｓ８０１）、現在処理対象としている直方体は長すぎるか否か、確認する（Ｓ８０２）。本実施形態の演算装置１０４の場合、直方体を構成する辺のうち、最も短い辺が最も長い辺の２倍以上の長さの場合に、長すぎると判断している。

体積算出部１１１は、ステップＳ８０２において処理対象の直方体が長すぎると判断したら（Ｓ８０２のＹＥＳ）、直方体をその長い辺で二分割する（Ｓ８０３）。
長すぎないと判断したら（Ｓ８０２のＮＯ）、直方体を縦横高さで八分割する（Ｓ８０４）。
何れの分割処理の後でも、元々処理対象としていた直方体配列変数のレコードは削除して、分割して新たに作成した直方体データのレコードを直方体配列変数に追記して（Ｓ８０５）、処理を終了する（Ｓ８０６）。なお、上述の説明から明らかなように、ステップＳ８０５で新たに追記するレコードの分割不可フラグは、論理の「偽」である。

図６のステップＳ６０３の条件分岐の結果がＮＯである場合、直方体配列変数には計測データファイル１０８によって構成される空洞の内部に属する格子点データ１１２を有する直方体座標データのみのレコードが記憶されている。ステップＳ６０５の体積算出処理は、直方体配列変数を一レコードずつ読み込み、直方体座標データから直方体の八つの頂点の座標を算出する。
そして、それら八つの頂点が計測データに含まれていれば、当該直方体に属する格子点データ１１２の数を全て数え上げる。
それら八つの頂点のうちの一つでも計測データに含まれていなければ、当該直方体に属する格子点データ１１２のうち、どれが計測データに含まれているのかを一つずつ確認し、計測データに含まれている格子点データ１１２のみを数え上げる。

こうして数え上げた格子点データ１１２の数が、空洞の体積に相当するので、格子点データ１１２の数に格子点データ１１２同士の距離を乗算することで、空洞の体積を求めることができる。

図９は、格子点データが計測データファイルで定義される空洞の内側にあるか否かを判定する方法を説明する概略図である。
先ず、計測データファイルに記録されている全ての計測点座標データを、レーザプローブユニット１０５の位置を原点Ｏとして、この原点Ｏと原点Ｏに交わる任意の基準線からの極座標に変換する。図９では、原点Ｏに交わる基準線Ｌ９０１を基準として、第一計測点Ｐ９０２と第二計測点Ｐ９０３が存在する。
次に、判定対象となる格子点データも、同様に極座標に変換する。図９では格子点Ｐ９０４がこれに該当する。

極座標は、原点Ｏからの距離と、角度で表される。
次に、格子点データの角度に最も近く、且つ片方の角度は格子点データの角度以下であり、もう片方の角度は格子点データの角度より大きい二つの計測点データを抽出する。図９において、第一計測点Ｐ９０２の極座標が（θ_ｎ，ｒ_ｎ）、第二計測点Ｐ９０３の極座標が（θ_ｎ＋１，ｒ_ｎ＋１）、格子点Ｐ９０４の極座標が（θ，ｒ）であるとき、各々の角度は以下の関係になる。

θ_ｎ≦θ＜θ_ｎ＋１ （１）

つまり、原点Ｏと格子点Ｐ９０４を結ぶ線分を包含する、二つの計測点と原点Ｏで構成する最小の三角形を構成する。そして、この三角形の辺Ｐ９０３〜Ｐ９０２と、原点Ｏと格子点Ｐ９０４を結ぶ線分が交わる点の、原点Ｏからの距離を、以下の式（２）にて計算する。図９では、交点Ｐ９０５がこれに該当する。

そして、上記（２）式で算出した原点Ｏからの交点の距離ｒ（θ）と、格子点の距離とを比較する。格子点の距離が交点の距離以下であれば、格子点は計測データが構成する図形（空洞）に含まれ、格子点の距離が交点の距離より長ければ、格子点は計測データが構成する図形（空洞）に含まれない。

上述の計算方法は二次元空間における説明であるが、三次元空間であっても同様である。三次元空間の場合は、測定中心点である原点Ｏからの相対球座標に変換し、対応する角度における半径を前述の（２）式で求めて、比較する。

図１０、図１１、図１２及び図１３は、本実施形態の演算装置１０４が行う、直方体の分割処理の概念を説明する概略図である。説明の簡略化のため、平面の図形で説明する。
今、図１０のような図形１００１が計測データによって与えられたとする。体積算出部１１１は図６のステップＳ６０２で、この図形１００１を丸ごと覆う、長方形の枠を作成する。この長方形１００２が、前述の初期直方体データに相当する。

次に、図１０で作成した長方形１００２の縦と横の辺について着目する。全ての縦と横の辺は、図形１００１の外部に属しているのかを確認する（図７のステップＳ７０２）。図１０の時点では与えられた図形１００１の外部に位置している（Ｓ７０２のＹＥＳ）。そこで、次に図形１００１の中心座標が長方形１００２の中にあるか否かを確認する（Ｓ７０３）。図１０の時点では図形１００１の中心座標は長方形１００２の中にあるので（Ｓ７０３のＹＥＳ）、長方形１００２を縦と横に分割する（Ｓ７０４→図８のステップＳ８０４）。こうして、図１０の長方形１００２は、図１１のように長方形１１０１、１１０２、１１０３及び１１０４に分割される。

図１１の長方形１１０１、１１０２、１１０３及び１１０４は、更に図１２のように分割される。
長方形１１０１は、長方形１２０１、１２０２、１２０５及び１２０６に分割される。
長方形１１０２は、長方形１２０３、１２０４、１２０７及び１２０８に分割される。
長方形１１０３は、長方形１２０９、１２１０、１２１３及び１２１４に分割される。
長方形１１０４は、長方形１２１１、１２１２、１２１５及び１２１６に分割される。

ここで、図１２の中心部分にある四つの長方形１２０６、１２０７、１２１０及び１２１１は、その縦と横の辺の全てが図形の内部に属している（Ｓ７０２のＮＯ→Ｓ７０７のＹＥＳ）ので、これ以上分割する意味がなくなる。そこで、これ以上の分割処理を行わないために、分割不可フラグを論理の真に設定する（Ｓ７０８）。
分割不可フラグが論理の真に設定されていない残りの長方形については、引き続き分割できるか否かを検証する処理が行われる。

図１２で分割された長方形は、更に図１３のように分割される。
長方形１２０１は、長方形１３０１、１３０２、１３０９及び１３１０に分割される。
長方形１２０２は、長方形１３０３、１３０４、１３１１及び１３１２に分割される。
長方形１２０３は、長方形１３０５、１３０６、１３１３及び１３１４に分割される。
長方形１２０４は、長方形１３０７、１３０８、１３１５及び１３１６に分割される。
長方形１２０５は、長方形１３１７、１３１８、１３２１及び１３２２に分割される。
長方形１２０８は、長方形１３１９、１３２０、１３２３及び１３２４に分割される。
長方形１２０９は、長方形１３２５、１３２６、１３２９及び１３３０に分割される。
長方形１２１２は、長方形１３２７、１３２８、１３３１及び１３３２に分割される。
長方形１２１３は、長方形１３３３、１３３４、１３４１及び１３４２に分割される。
長方形１２１４は、長方形１３３５、１３３６、１３４３及び１３４４に分割される。
長方形１２１５は、長方形１３３７、１３３８、１３４５及び１３４６に分割される。
長方形１２１６は、長方形１３３９、１３４０、１３４７及び１３４８に分割される。

ここで、図１２と同様に、図１３の長方形１３１４、１３１８、１３２３及び１３２７は、その縦と横の辺の全てが図形の内部に属している（Ｓ７０２のＮＯ→Ｓ７０７のＹＥＳ）ので、これ以上分割する意味がなくなる。そこで、これ以上の分割処理を行わないために、分割不可フラグを論理の真に設定する（Ｓ７０８）。
更に、図１３の外周にある長方形１３０１、１３０２、１３０３、１３０４、１３０８、１３１６、１３２５、１３２９、１３３３、１３４０、１３４１、１３４２、１３４５、１３４６、１３４７及び１３４８は、その縦と横の辺の全てが図形の外部に属している（Ｓ７０２のＹＥＳ）と共に、図形１００１の中心点は存在しない（Ｓ７０３のＮＯ）。つまり、当該長方形に属する格子点データ１１２は、図形１００１に属しないので、これ以上分割する意味がない。このため、格子点データ１１２を計測する対象から外さなければならない。そこで、当該処理対象の長方形のデータを破棄する（Ｓ７０６）。

残る長方形１３０５、１３０６、１３０７、１３０９、１３１０、１３１１、１３１２、１３１３、１３１５、１３１７、１３１９、１３２０、１３２１、１３２２、１３２４、１３２６、１３２８、１３３０、１３３１、１３３２、１３３４、１３３５、１３３６、ｌ３３７、１３３８、１３３９、１３４３、１３４４は、縦と横の辺の全てが図形の外部に属しておらず、且つ縦と横の辺の全てが図形の内部に属していないので、図１３の状態から、更に分割処理の対象となる。

図１４、図１５及び図１６は、本実施形態の演算装置１０４によって実現する、複数の計測データファイル１０８によって構成される空洞の概念を説明する概略図である。
図１４は、第一計測点Ｐ１４０２にレーザプローブ装置１０２を配置して得た第一の計測データファイルに基づく空洞を示す斜視図である。
今、空洞に対して第一計測点Ｐ１４０２にレーザプローブ装置１０２を配置し、第一の計測データファイルを得たとする。第一の計測データファイルに基づいて空洞を描画すると、図１４のような空洞１４０１が形成される。図１４において、実際の空洞はレーザプローブユニット１０５の視点から見て死角の位置に、更に深くえぐれた箇所である死角領域１４０３が存在するが、第一の計測データファイルには記録されない。

図１５は、第二計測点Ｐ１５０２にレーザプローブ装置１０２を配置して得た第二の計測データファイルに基づく空洞を示す斜視図である。
図１４と同様に、空洞に対して第二計測点Ｐ１５０２にレーザプローブ装置１０２を配置し、第二の計測データファイルを得たとする。第二の計測データファイルに基づいて空洞を描画すると、図１５のような空洞１５０１が形成される。図１５において、実際の空洞はレーザプローブユニット１０５の視点から見て死角の位置に、更に深くえぐれた箇所である死角領域１５０３が存在するが、第二の計測データファイルには記録されない。

図１６は、体積算出部１１１によって作成された格子点データ１１２に基づいて、立体画像構成部１１３が形成した空洞を示す斜視図である。
体積算出部１１１は、計測データファイル１０８が構成する空洞に属する格子点データ１１２を作成する。この時、複数の計測データファイル１０８が与えられれば、そのいずれかの計測データファイル１０８が構成する空洞に属する格子点データ１１２を算出する。この時、立体図形を重ねることによる重複を除去する処理は全く発生しないので、極めて容易に合成立体図形である空洞の本来の姿を再構成することができる。

本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。
（１）レーザプローブ装置１０２に備えられているステッピングモータは、ＤＣモータ等に置換することができる。その際、移動量を把握するためのタコジェネレータ等のセンサが必要になる。

（２）計測データファイル１０８から格子点データ１１２を構成する際、計測位置や角度の測定誤差に対応して計測データファイル１０８の計測位置や角度に微調整を施し、測定誤差を吸収することもできる。その際、測定データに基づく立体画像をマウスでドラッグアンドドロップすることで、元の測定データにオフセットを付与した状態で、再計算を行うこととなる。

本実施形態においては、空洞計測装置を開示した。
空洞をレーザプローブユニットとレーザ測距装置を用いて計測する際、レーザプローブユニットの初期位置決めを重力に基づいて行う、レーザプローブ装置を作成した。このレーザプローブ装置を用いることで、測定誤差が生じ難く、精度の高い空洞計測を実施することができる。
更に、複数の計測データファイルで合成されるべき空洞を、直方体の集まりで近似して格子点データを求めることで、空洞の正確な体積と三次元画像を容易に得ることができる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…空洞計測装置、１０２…レーザプローブ装置、１０３…レーザ測距装置、１０４…演算装置、１０５…レーザプローブユニット、１０６…座標演算部、１０７…不揮発性ストレージ、１０８…計測データファイル、１０９…操作部、１１０…制御部、１１１…体積算出部、１１２…格子点データ、１１３…立体画像構成部、１１４…表示部、２０１…基準円盤、２０１ａ…方位計収納開口部、２０２…三脚、２０３…プローブパイプ、２０３ａ…ラック、２０４…水準器、２０５…傾斜計、２０６…方位計、２０７…ＧＰＳアンテナ、３０１…水平維持モータ、３０２…ピニオン、３０３…挿抜モータ、３０４…円周駆動モータ、３０５…仰俯角モータ、４０１…水平面、１００１…図形、１００２、１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１２０５、１２０６、１２０８、１２０９、１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５、１２１６、１３０１、１３０２、１３０３、１３０４、１３０５、１３０６、１３０７、１３０８、１３０９、１３１０、１３１１、１３１２、１３１３、１３１４、１３１５、１３１６、１３１７、１３１８、１３１９、１３２０、１３２１、１３２２、１３２３、１３２４、１３２５、１３２６、１３２７、１３２８、１３２９、１３３０、１３３１、１３３２、１３３３、１３３４、１３３５、１３３６、１３３７、１３３８、１３３９、１３４０、１３４１、１３４２、１３４３、１３４４、１３４５、１３４６、１３４７、１３４８…長方形、１４０１、１５０１、１６０１…空洞、１４０３、１５０３…死角領域

Claims (4)

1. 空洞に挿入され、前記空洞の内壁との距離を計測する空洞測距装置と、
   前記空洞測距装置から得られる前記空洞の内壁との距離から前記空洞内壁の座標データを算出する座標演算部と、
   前記座標データを格納する計測データファイルと、
   前記計測データファイルにて定義される前記空洞を直方体の集まりで近似演算して、前記空洞に含まれる格子点データを作成する体積算出部と、
   前記格子点データに基づいて前記空洞の立体画像を作成する立体画像構成部と
   を具備する空洞計測装置。
2. 前記体積算出部は、複数の前記計測データファイルによって定義される複数の立体を包含する初期直方体データを算出し、前記初期直方体データを所定の定数で等分することで前記格子点データを構成し、前記複数の立体のいずれかに含まれる前記格子点データを数え上げることで体積を算出する、請求項１記載の空洞計測装置。
3. 前記体積算出部は、任意の前記格子点データと、前記計測データファイルから得られる、前記格子点データに角度が近接する二点の計測点とを、各々を極座標変換した後、前記格子点データが原点と前記二点の計測点とで形成される三角形に含まれるか否かを判定することで、前記格子点データが前記計測データファイルによって定義される前記空洞に含まれるか否かを判定する、請求項２記載の空洞計測装置。
4. 脚部と、
   前記脚部に回転可能に支持される基準円盤と、
   前記基準円盤の半径方向に設けられる水準器と、
   前記基準円盤の半径方向且つ前記水準器の直角方向に設けられる傾斜計と、
   空洞に挿入され、前記空洞の内壁との距離を計測するためのレーザ光を発するレーザプローブユニットと、
   前記基準円盤に支持され、前記レーザプローブユニットを前記基準円盤の前記傾斜計と平行な直径方向に支持するプローブ支持体と、
   前記レーザプローブユニットを前記基準円盤と平行な平面上に回転駆動する円周駆動モータと、
   前記レーザプローブユニットを前記基準円盤と垂直な平面上に駆動する仰俯角モータと
   を具備するレーザプローブ装置。

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