JP4059832B2

JP4059832B2 - 道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法

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Publication number: JP4059832B2
Application number: JP2003338189A
Authority: JP
Inventors: 哲郎佐藤; 潤一土屋
Original assignee: 計測ネットサービス株式会社
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005106532A

Description

本発明は、道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法に関し、特に、道路の断面線の経時的変化を計測する道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法に関する。

鉄道路面、自動車専用路面のような路面の高さ位置は、地盤沈下のような影響を受けて浮沈する。地盤面の変動は、車輌の走行の安全性を損なう。地盤面の変動を知るために、路面の高さが計測される。そのような計測の技術として、路面上に置くプリズム又は反射板のような反射具にレーザー光を投射しその反射光を受光することにより、基準点と反射点との間の距離を計測する測距装置が知られている。そのような測距装置として、ライカ社製のトータルステーション等が著名である。反射具を路面に設置することにより走行妨害を引き起こすことを回避するために、ノンプリズム方式の測距装置が更に知られている。このようなノンプリズム式の測距装置の距離計測機能を路面変動の検出のために利用することは有意義である。

地球表面の変位を計測するレーザー測距技術は周知である。地殻変動を知る目的のレーザー測距技術は、３次元的に変位する位置を追尾するために、地殻変動に同調して地球表面の変位に同体的に変位するプリズムのような反射器が不可欠である。道路面の変位測定では、そのような反射器をその道路面に置くことは回避される必要がある。３次元測定対象物体を多方向からＣＣＤカメラで撮影し、画像解析により多方向撮影写真から３次元物体の形状を数値化する技術は知られている。このような写真技術は、複数画像から単一物体を抽出する画像認識の高精度化が困難である。

レーザー測距を利用して道路の地盤沈下を検出する技術として、沈下測定方法が後掲する特許文献１で知られている。その特許文献１は、その図３に示しているように、沈下前の２点間距離Ｌｓと沈下後の２点間距離Ｌａとの差分にレーザー照射角度θの関数のｓｉｎθをかけることにより求められる値ΔＨとして（Ｌｓ−Ｌａ）ｓｉｎθが地盤沈下量であることが記載されている。公知のこのような技術は、その照射角度θの値を小さく設定することにより、計測器を道路端から遠方に位置させることができる点で有益的である。その照射角度が小さくなれば、その図４に示されるように、角度補正を行って、沈下前の計測点とその直下に位置する沈下後の計測点との間の鉛直方向距離が近似的に補正され求められていて、その補正は有効である。

このような公知の計測技術では、地盤が不等沈下する場合にその補正の有効性が失われる。このような地盤沈下計測技術は、道路断面形状を高精細に検出することが困難である。路面変動原因としては、地盤沈下の他に、車輪による路面の磨耗、地震による波状変動が知られている。車輪による路面の磨耗は、水平道路面を蒲鉾状曲面に変える。蒲鉾状曲面に変化する路面の凸面部分は、道路面切削機で削られて修正される。不等沈下、磨耗沈下のような原因により生じる横断方向の凹凸面の自動計測が重要である。縦断方向の波打ちは、レーザー光を遮断し横断線上にない点の距離を測定し横断方向の計測を困難にする。横断線特に横断曲線の時系列的計測の自動化が求められる。縦断方向の凹凸と横断方向の凹凸が自動計測の精度を劣化させないことが次に重要である。

特開２００１−７３３１６号

本発明の課題は、横断線特に横断曲線の時系列的計測を自動化する技術を確立する道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、縦断方向の凹凸と横断方向の凹凸が自動計測の精度を劣化させない道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法を提供することにある。

本発明による道路断面計測装置は、レーザー測距器（１）と、計算器（３）とから構成されている。レーザー測距器（１）は、本体と、前記本体に支持され互いに直交する２軸のための２軸回転機構（７）と、２軸回転機構（７）に同体に支持されレーザー光（１１）を投射するレーザー投射器（６）と、測距対象点（Ｐ，Ｐｊｋ）で反射する反射光（１２）を受光し本体の基準点と測距対象点（Ｐｊｋ）との間の距離Ｒを計算して求める距離計測器（９）とから形成されている。計算器（３）は、本体に対して設定される角度座標系で定義される２次元角度座標（θｘ，θｙ）と２次元角度座標（θｘ，θｙ）に対応する距離Ｒとで記述される基準３次元極座標系（Ｒ，θｘ，θｙ）を設定する第１計算器部分（１８）と、車輌通過路面を離散化して車輌通過路面の上のｊ個の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合を基準３次元極座標系に設定する第２計算器部分（１８）と、その集合から車輌通過路面の横断線（Ｃｊ）の上の離散化３次元極座標点を抽出する第３計算器部分（１８）とから形成されている。

車輌通過路面の横断線（Ｃｊ）の上から抽出される離散化３次元極座標点は、プリズム（３３）のような反射器が存在しない点として選定される。道路端線上の設定計測点にプリズムが置かれることは否定されない。反射器が存在せずレーザー光（１１）が届かない横断線（Ｃｊ）の上の点の距離計測が可能である。距離計測される離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）のうちの１点の直下の１点の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）は計算又は直接計測により求められるので、横断線（Ｃｊ）の時間的変化は計算又は直接計測により求められる。そのような時間的変化として、地盤沈下、地盤隆起、自動車の質量の重力と自動車の加速力による応力変動に起因する道路面変動が例示される。

自動車走行路面には反射器が存在しないので、自動車の走行を止めないで時系列的な横断線変動を計測することができる。ここで、後述される補間計算は、必ずしも必要ではない。実測された離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）のうちで１鉛直線の近傍に存在する２点の離散化３次元極座標点によりその点又はその点の近傍の鉛直方向変位が求められる。後述される補間は、その鉛直方向変位の値をより高精度化する。計測点数を十分に多く設定すれば（実質的に連続に設定すれば）、特殊な場合を除いて補間は全く必要ではない。本発明による道路断面計測装置は、鉛直方向変位に限られず斜め方向変位を計算するための基礎データを集積することができる。

時間的に変動する横断線（Ｃｊ）の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）は、（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ），（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）で表される。ここで、Ｔ１，Ｔ２は時系列点上の２つの時刻を示している。計算器（３）は、座標点（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ）と座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）とから座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）の鉛直方向変位を近似的に計算する第４計算器部分（２６）を更に形成している。本発明で集積されている時系列２次元曲面はデータベース化されていて、鉛直方向変位を近似的に計算することが自在である。その近似は、必要程度に高精度化される。

計算器（３）は、座標点（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ）を含む横断線（Ｃｊ）の上にあり座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）の鉛直下方にある位置点を補間計算により求める第５計算器部分（１８）を更に形成している。ｊの数を多くすることにより陰になる曲面部分の直接計測が不可能である場合に、その補間計算が特に有効である。補間機能の追加は、計測器を単一化することができる。格子点要素分割がされる場合には、θｊはθｊｋに書き換えられ、ｋはｊについて可変化され得る。

２変数のθｘとθｙのうちのいずれかは定数θｋに設定され得る。この場合には、離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｋ）は横断線のみを表す。この場合にも、補間機能は有効である。計算器（３）は、離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合のうち車輌通過路面（１９）の左右側端線（ＬＬ，ＬＲ）を抽出する第６計算器部分（２１又は１５，１７，１７’）と、左右側端線（ＬＬ，ＬＲ）に概ね直交する鉛直面上で離散化３次元極座標点を抽出することにより横断線（Ｃｊ）を特定する第７計算器部分（１８）の追加は有効である。

離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合は、車輌通過路面（１９）の上の格子状離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）で表される。離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合の点の個数がｊ×ｋ個である場合には、縦断線の形状を計算により求めることができる。この場合には、ｋはｊに関して定数であり、挑戦道路の道路幅が不変であれば、要素点は碁盤状に設定され、特には、道路の中央線の形状（縦断面形状）を計測することができる。

離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合は、車輌通過路面（１９）の左右側端線（ＬＬ，ＬＲ）を含むことが重要である。この場合には、左右側端線（ＬＬ，ＬＲ）の上の離散点の３次元座標を離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）のＲ，θｘｊ，θｙｊに入力する入力器１５から計測監視員により入力される。

本発明による道路断面計測方法は、測距儀（１）を道路の周辺域に設置するステップと、測距儀（１）に設定される角度座標系でｊ個の離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）からレーザー光（１１）を路面（１９）の上に投射するステップと、離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）に対応する路面の上の反射点（Ｐ）で反射する反射光（１２）を受光するステップと、測距儀（１）に設定される基準点と反射点との間の距離Ｒを計算器（３）により求めるステップと、離散化３次元座標点の集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）から横断線（Ｃｊ）の形状を計算するステップとから構成されている。離散化３次元座標点の集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）がデータベース化されることにより、道路面の３次元的変形を自由自在に知ることができる。

距離Ｒを計算器（３）により求めるステップは、第１時刻に距離Ｒを計算器（３）により求めるステップと、第２時刻に距離Ｒを計算器により求めるステップと第１時刻の距離と第２時刻の距離とに対応する鉛直方向落差を計算するステップとが追加され、鉛直方向変位の計算が可能である。その場合に、集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）から離散化３次元座標点の間の座標点の距離座標を補間的に計算することは有意義である。

測距儀（１）に付属する望遠鏡の視準点に計測対象点を計測員により合致させるステップと、視準点と計測対象点が合致するときの２次元角度座標を計測員の入力操作により離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）に代入するステップは、画像解析が困難である場合に、計測監視員が目で確認して、道路端線を入力することは顕著に有意義である。複雑な形状の情報から特定形状情報を抽出することは困難であり、抽出に失敗することがあるが、鉄道又は自動車道路の距離情報を持つ画像から、直線又は滑らかな曲線に相当する道路端線又は線路線を抽出することは、直線又は曲線は自然界に滅多に存在しない極めて限定された図形であり、且つ、そのような直線又は曲線は連続性条件を持つ拘束性が高い条件が存在していて、容易に確実性が高く可能である。特に、距離情報を持つ３次元座標確定面から直線又は滑らかな曲線を抽出することは確実であり、且つ、容易である。

距離Ｒを計算器により求めるステップのうちの１ステップにより求められる距離と統計的距離との間の偏差が設定値より大きい場合に、偏差が大きい距離は統計的距離の計算から除外されることは、道路交通の遮断を回避することができる。

本発明による道路断面計測装置、及び、道路断面計測方法は、道路面の横断線を高精度に計測することができる。

以下、本発明による道路断面計測装置の実施の形態は、図に対応して、詳細に具体的に記述する。その実施の形態は、図１に示されるように、距離測定器１と、距離測定器１を地球に対して支持固定する支持構造２と、距離測定器１に対して双方向に通信可能な計算器（例示：携帯パソコン）３とから構成されている。支持構造２は、地面に安定的に固定される三脚、計測対象領域の周域に建設される測量棟等が例示される。計算器３は、送受信アンテナ４を備えている。送受信アンテナ４は、管理センタ（図示されず）に対して無線により接続され得る。ただし、信頼性、通信速度の観点から無線に換えて有線により接続しても良い。管理センタは計算器３が有する計算機能の全て又は一部を有し、又は、計算器３は管理センタが有する計算機能の全て又は一部を有する。計算器３の計算機能部分は、距離測定器１に内在し得る。

距離測定器１は、レーザー光波（位相）検出距離計算器５を備えている。レーザー光波検出距離計算器５は、トータルステーションと呼ばれる距離測定システムとして多方面で利用されている。レーザー光波検出距離計算器５は、図２に示されるように、レーザー投射器６と、レーザー投射器６の投射方向に対応する２次元角度に光軸を制御するための２軸回転サーボ機構７と、レーザー投射角度をプログラム制御するレーザー投射角度電子制御系８とを備えている。レーザー投射角度電子制御系８は、２次元角度設定信号（θｘ，θｙ）を設定してその２次元角度設定信号（θｘ，θｙ）を２軸回転サーボ機構７に対して出力する。

２軸回転サーボ機構７は、２軸サーボモータ（図示されず）を有し、設定される２次元角度設定信号（θｘ，θｙ）の角度座標位置に回転変位可能な２軸回転体を有している。その２軸回転体は、フィードバック制御系で制御される。その２軸回転体は距離測定器１の本体に支持され、レーザー投射器６はその２軸回転体に支持される。レーザー投射器６のレーザー投射光軸は、２次元回転体の２次元回転角度θｘ、θｙにより表現され規定される。

レーザー光波検出距離計算器５は、光波位相解析距離計算器９を備えている。光波位相解析距離計算器９に代えられて、レーザーの往復時間の計測により距離を算出する時間測定器等の公知のあらゆる距離計が用いられ得る。光波位相解析距離計算器９は、レーザー投射器６から投射される投射レーザー光１１が計測対象点Ｐで反射して戻る反射レーザー光１２と投射レーザー光１１の一部とに対応するレーザー光位相に基づいて、距離測定器１に設定されている機械的原点と計測対象点Ｐの間の距離を測定する光波測距儀（位相検出計算器）として提供され得る。

測距データは、３次元極座標データ（Ｒ，θｘ，θｙ）を有し、２次元角度座標（θｘ，θｙ）に対応して距離Ｒが測定されているので、その３次元データのうちの距離データＲは、Ｒ（θｘ，θｙ）として表される。３次元極座標データ（Ｒ，θｘ，θｙ）は、レーザー投射角度電子制御系８から出力される２次元角度データ（θｘ，θｙ）と、光波位相解析距離計算器９から出力される距離データＲとを合成する３次元極座標データ作成器１３により作成される。３次元極座標データ作成器１３は、後述されるように、時系列３次元極座標データ（Ｒ（ｔ），θｘ，θｙ）、又は、（Ｒ（ｔ，θｘ，θｙ），θｘ，θｙ）を作成することができる。その時刻ｔは、計算器３又はレーザー光波検出距離計算器５に内蔵されるクロック（図示されず）により与えられ得る。

図２は、計算器３の回路構成を示している。計算器３は、時系列的に２次元角度θｘ，θｙを設定する２次元角度設定器１４を備えている。２次元角度設定器１４は、下記により２次元角度を設定する。
ステップＳ１：θｙ＝θｙ０（＝設定始値）
ステップＳ２：θｘ＝θｘ０＋Δθｘ（θｘ０：設定始値）
ステップＳ３：θｘ＝θｘ＋Ｎ・Δθｘ（Ｎは時系列的に増加）
ステップＳ４：θｘ＝θｘｅｎｄ（θｘｅｎｄ：設定終値）
ステップＳ５：θｙ＝θｙ０＋Δθｙ
ステップＳ６：θｙ＝θｙ０＋Ｎ・Δθｙ
ステップＳ７：θｙ＝θｙｅｎｄ（θｙｅｎｄ：設定終値）
ステップＳ８：ステップＳ１〜Ｓ８の繰り返しを行う。
ステップＳ５に移行する前に、θｘはθｘ０に初期設定される。このようなステップの繰り返しは、レーザーを投射する立体角度範囲を立体的メッシュに要素分割し、時系列的格子点集合を設定する。立体角度範囲設定は、監視計測員のキーボード１５の操作により実行される。立体角度範囲設定は、計算器３の入力画面に形成される角度設定入力欄（図示されず）に監視員が入力することにより実行される。

図３は、計測対象道路１６を示している。計測対象道路１６のある長さ幅分を視野に入れる角度範囲は、監視計測員が、キーボード１５の操作又は距離測定器１を手動で２軸的に回転させることにより設定することができる。監視作業員は距離測定器１を２次元的に回転させて、望遠鏡の接眼レンズの近傍に配置されている視準板の視準点（例示：十字線交点）に計測対象点Ｐの実像を一致させる。監視作業員は、このような複数の計測対象点Ｐを選択することにより、計測対象領域を概略的に暫定的に定めることができる。そのような数点は、例えば選択される複数の計測対象点Ｐが視準点に合致する度に範囲設定ボタン１７を指押しすることにより２次元角度設定器１４に入力されて確定する。範囲設定ボタン１７は、キーボード１５の一部位に配置されている。範囲設定ボタン１７に代えられて、計算器３の入力用表示画面の一部位に形成される入力値確定用クリック領域１７’（図１参照）が用いられ得る。記述の紹介のトータルステーションは、そのような視準点合致とその合致に対応する２次元角度座標θｘ，θｙを出力する出力端子を備えている。

２次元角度設定器１４は、確定された複数の計測対象点Ｐを含む領域を計算により既述の立体角度範囲のメッシュ状分割領域の節点を分割要素点（θｘｊｋ，θｙｊｋ）として離散的に特定する。（θｘｊｋ，θｙｊｋ）は、（θｘｊｋ，θｙｊｔ）として一般化され得るが、記述の簡素化のために、ｔ＝ｋとして扱われる。分割要素点（θｘｊｋ，θｙｊｋ）は、２次元角度設定器１４から出力されてレーザー投射角度電子制御系８に入力される。トータルステーションは、このような入力機能をもともと内在的に有している。その機能と同じ機能が計算器３に与えられることは有意義である。分割要素点（θｘｊｋ，θｙｊｋ）に２軸回転サーボ機構７の既述の２軸回転体の回転位置が一致するときに同期して投射レーザー光１１がレーザー投射器６から発射され、概ね同時に、そのレーザ発射光のうち各点で反射するレーザ反射光が光波位相解析距離計算器９で受信される。光波位相解析距離計算器９は、各点の距離Ｒｊｋを位相計測により算出する。３次元極座標データ作成器１３は、３次元極座標点（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）又は（Ｒｊｋ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）を静的座標点集合として作成する。動的には、Ｒｊｋは離散的時間の関数として記述される。そのような関数は、テーブル（２次元表）的対応で与えられ得る。

計算器３は、計測対象曲面設定器１８を備えている。３次元極座標データ作成器１３により作成される３次元極座標点集合（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）は、計測対象曲面設定器１８に入力される。計測対象曲面設定器１８は、３次元極座標点集合（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）を補間的に補充することにより、十分に滑らかな道路面１９を計算的に生成する。道路面１９は、十分によい精度で近似的に道路１６の道路面に一致している。図３に示されるように、投射光１１と道路面１９との間の角度が適正角度以上（１０度以上）に設定されれば、道路面１９には投射レーザー光１１が到着しない点は現実には存在しない。投射レーザー光１１が到着しない点が存在する場合には、補間により十分によい近似で全面を作成することができる。

計算器３は、画像解析器２１を備えている。道路面１９を表現する３次元道路面データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）２２は、計測対象曲面設定器１８で作成され画像解析器２１に入力される。３次元道路面データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）のｊ、ｋは、補間の結果として、既述のｊ、ｋよりそれぞれに格段に大きい数である。画像解析器２１は、３次元道路面データ２２（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）から左右道路端線ＬＲ，ＬＬを抽出することができる。左右道路端線ＬＲ，ＬＬの上の２点又は複数点の座標は、望遠鏡視準により監視計測員によりキーボード１５で選定することができる。画像解析器２１は、そのように選定された複数点を接続する曲線として左右道路端線ＬＲ（Ｒ，θｘｊｋ，θｙｊｋ），ＬＬ（Ｒ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）を抽出することができる。

計算器３は、横断線設定器２３を備えている。左右道路端線ＬＲ（Ｒ，θｘｊｋ，θｙｊｋ），ＬＬ（Ｒ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）の上に適正間隔で複数の計測対象点が選定される。最新鋭機のトータルステーションの測距精度は、通常の天候時（通常温度範囲と通常湿度範囲と通常風速範囲）であり２００ｍ以内の測定距離範囲で３ｍｍである。光速利用の最新技術の測距の精度は、相対的２点間で３ｍｍよりはるかに小さい。そのような選択点は、図３には、点｛Ｐ１１，Ｐ２１，・・・，Ｐｔ１，・・・，Ｐｊ１｝として示されている。横断線設定器２３は、点Ｐｔ１を通り左道路端線ＬＬに接する直線に直交する直交面と道路面１９とが交わる横断曲線｛Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｊ｝を計算することができる。横断線設定器２３は、横断曲線｛Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｊ｝の上に適正間隔でそれぞれに複数の点を選択する。このような２次元的に選択される格子点状の複数点は、図３には、｛Ｐ１１，Ｐ１２，・・・，Ｐ１ｋ｝，｛Ｐ２１，Ｐ２２，・・・，Ｐ２ｋ｝，・・・，｛Ｐｔ１，Ｐｔ２，・・・，Ｐｔｋ｝，・・・，｛Ｐｊ１，Ｐｊ２，・・・，Ｐｊｋ｝として示されている。これらの有限要素格子点の３次元極座標は、有限要素格子点集合（Ｒｊｋ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）として、十分によい近似で決定される。

ｊの数は、例えば４００（＝２００／０．５）を選択する。例えば２００ｍ長さの道路上に、例えば０．５ｍの間隔で横断曲線が選択される。ｋの数は、例えば１００（＝２０／０．２）を選択する。例えば２０ｍの道路幅の横断曲線上には、例えば０．２ｍの間隔で計測点が選択される。

有限要素格子点集合（Ｒｊｋ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）は、計算器３の横断線設定器２３から出力されレーザー光波検出距離計算器５のレーザー投射角度電子制御系８に設定的に入力される。有限要素格子点（Ｒｊｋ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）に２次元回転位置が一致するときに同期して投射レーザー光１１がレーザー投射器６から発射され、その発射光のうち各点で反射する反射光が光波位相解析距離計算器９で受信される。光波位相解析距離計算器９は、その有限要素格子点のそれぞれの距離を算出する。３次元極座標データ作成器１３は、有限要素格子点の３次元極座標点（Ｒｊｋ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）を静的座標点集合として作成する。

計算器３は、データ変動解析器２４を備えている。３次元極座標データ作成器１３から出力される有限要素格子点距離データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）は、３次元極座標データ作成器１３から出力されて計算器３のデータ変動解析器２４に入力される。有限要素格子点距離データ（Ｒｊｋ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）は、Ｒｊｋ＝Ｒｊｋ（θｘｊｋ、θｙｊｋ）の情報を有していて、Ｒｊｋは２変数θｘｊｋ、θｙｊｋの関数として表現されている。
Ｒｊｋ＝Ｒｊｋ（θｘｊｋ、θｙｊｋ）
このような関数は、既述の測距プロセスの複数回操作により、平均値として生成されることが好ましい。その複数回測距による平均値から大幅にずれる計算結果値は、異常値として除外され新たに平均値が求められる。そのような異常値が算出される原因としては、道路上で計測点に向かう投射光を遮断する車輌の通過、落石、交通事故の発生、地震のような多様な原因が存在する。異常値が長く続く場合には、監視員の現場急行を促す警報信号が計算器３で作成され、警報器が作動し、又は有線、無線を介して送受信アンテナ４を介して監視センタ又は近隣の監視員に対して送信される。

本発明による道路断面計測装置の利用価値は、有限要素格子点距離データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）が長周期的に又は永続的に変動し続けることを監視することにある。有限要素格子点距離データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）は、一定周期で作成される。データ変動解析器２４は、有限要素格子点距離データ（Ｒ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）を時系列に記録する有限要素格子点距離時系列データ記録器２５と比較器２６とを備えている。比較器２６には、最新の有限要素格子点距離データと有限要素格子点距離時系列データとが入力される。有限要素格子点距離時系列データは、離散的時間変数Ｔの関数（Ｒ（Ｔ），θｘｊｋ、θｙｊｋ）として記述される。θｘｊｋ、θｙｊｋは、時間Ｔに対しては厳密に一定である。Ｒは、テーブル対応的には、下記式で表される。
Ｒｊｋ＝Ｒｊｋ（Ｔ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）
Ｔ＝Ｔ０＋ＮΔＴ
Ｎ：整数
ΔＴ：設定時間幅
ここで、ΔＴは１時間、１日、１月、又は、１年に設定される。ΔＴが長期である場合には、距離測定器１は頑丈なコンクリート台に強固に固定される。ΔＴごとの測距は、監視センタから指示され得る。Ｒｊｋの初期値は、Ｒｊｋ（Ｔ０，θｘｊｋ、θｙｊｋ）で表され、Ｒｊｋの最新値はＲｊｋ（Ｔｎｅｗ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）で表される。比較器は、下記により時間的変動距離差分ΔＲｊｋを計算する。
ΔＲｊｋ（θｘｊｋ、θｙｊｋ）
＝Ｒｊｋ（Ｔｎｅｗ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）−Ｒｊｋ（Ｔ０，θｘｊｋ、θｙｊｋ）
車輌の通過はΔＲｊｋの増大を招き、相対的地盤沈下はΔＲｊｋの増大を招き、地震はΔＲｊｋの周期的変動を招く。

計算器３は、表示器２７を備えている。比較器２６は、計測値どうしの差分を計算する前に、同一点で異なる時刻に対応する２つのＲｊｋから、その同一点の鉛直方向距離と鉛直方向距離差分を計算する。変動後の道路面上にあり座標（Ｒｊｋ（Ｔ０），θｘｊｋ、θｙｊｋ）の鉛直方向直下にある座標は、（Ｒｊｋ（Ｔｎｅｗ），θｘｊｋ、θｙｊｋ）には厳密には一致しない。その鉛直方向直下にある座標は、計測対象曲面設定器１８で計算により求められ、データ変動解析器２４と比較器２６に入力され得る。その鉛直方向直下にある座標としては、（Ｒｊｋ（Ｔｎｅｗ），θｘｊｋ、θｙｊｋ）に代えられて、（Ｒ’ｊｋ（Ｔｎｅｗ），θ’ｘｊｋ、θ’ｙｊｋ）が用いられ得る。この場合の十分に厳密である差分は、次式：
ΔＲｊｋ（θｘｊｋ、θｙｊｋ）
＝Ｒ’ｊｋ（Ｔｎｅｗ，θ’ｘｊｋ、θ’ｙｊｋ）−Ｒｊｋ（Ｔ０，θｘｊｋ、θｙｊｋ）
で表される。この表現の差分は、鉛直方向沈下又は鉛直方向隆起を正確に示している。比較器２６は、差分信号（ΔＲ，θｘｊｋ，θｙｊｋ）を出力する。

図４は、計算器付属の表示器２７の表示を示している。図４は、距離変動を示すグラフ２８を表示する。グラフ２８の横軸は道路１６の横断面に現れる横断曲線Ｃｊの横方向距離を示し、縦軸は鉛直方向距離を示している。横方向距離と鉛直方向距離は、座標（Ｒｊｋ（Ｔ），θｘｊｋ、θｙｊｋ）から瞬時に求められる。表示画面には、ｊとｋとＮとを設定入力する入力欄として、ｊ設定入力部位２９と、ｋ設定入力部位３１と、時刻Ｎ設定入力部位３２が形成されている。ｊとｋのそれぞれの最大数は、既に知られている。

比較器２６は、有限要素格子点距離時系列データＲｊｋ（Ｔｓ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）と、時間的変動距離差分ΔＲｊｋ（Ｔｓ，θｘｊｋ、θｙｊｋ）とを表示器２７に対して出力する。ｋは、横方向距離の離散値に対応している。鉛直方向距離は、Ｈで示されている。Ｎは、時刻に対応している。ｋ設定入力部位３１に値が入力されない場合には、ｋ＝１〜ｋが入力されたとみなされる。Ｎ＝０でありｊ＝１であれば、横断曲線Ｃ１の上のｋ個の計測点｛Ｐ１１，Ｐ１２，…，Ｐ１ｋ｝の高さ位置Ｈが表示される。図４は、Ｎ＝０，１００，又は、１０００である３つの時刻の横断曲線Ｃ１の横断線を示している。その横断線は、道路面１９の横断面形状を示している。Ｎ＝１である時刻からＮ＝１０００である時刻までの間に、ｋ＝２の点Ｐ１ｋの道路面降下幅はΔＨで示されている。

Ｎ＝０のときの道路面は、道路開通直後の面であり、平面に形成されている。時間経過とともに、道路（片道）の両側領域は車輌の車輪により磨耗されて路面は低下している。初期の道路面である基準面の絶対的高さ（標高）は、他の測定器で測定され得る。本発明による道路断面計測装置の主目的は、曲面の相対的高さ変動を知ることにある。

図５は、本発明による道路断面計測方法の既述の実現態を簡易化する簡易方法を示している。本実現態では、２変数θｘ，θｙのうちの一方が定数化される。投射レーザー光１１が存在する平面は、道路面に直交する平面（例示：鉛直面）として設定される。距離測定器１に本質的に付随している水準機能により投射レーザー光１１の投射範囲が鉛直面に限られる。一方の変数の定数化は、縦方向（車輌の走行方向）の凹凸面の存在により横断面上に存在しない点に関して距離測定することを完全に防止することができるが、距離測定器１を一定間隔で縦方向に移動させる監視計測員の作業が膨大に多くなり、且つ、計測作業時間が膨大に長くなる。

計測対象曲面設定器１８が有する補間機能は、実質的に道路面１９を連続面としてコンピュータ内に設定することができるので、本実現態による計測の意義は小さいが、本実現態は道路面１９が縦方向に極端に曲がっている場合、又は、画像解析による道路端線の認識が困難である場合に有効である。このような場合には、計測監視員の判断により道路端線が設定され、その道路端線上に複数位置に置かれるプリズム３２の３次元座標が求められ、又は、望遠鏡視準により道路端線は人為的に設定される。

図６は、補間の有効性を示している。１台の距離測定器１の設置で多数の横断線の形状を測定する場合に、レーザー投射器６から横断線Ｃ２の上の特定点Ｐ２１に向かう投射レーザー光１１が激しく起伏する凹凸面の上の障害点Ｑから先に進まないことがあり得る。このような点Ｑに関して距離測定が行われる。点Ｑが横断線Ｃ２の上に存在しない場合には、横断面上の横断線Ｃ２の上の点の高さ変動を測定することができない。補間計算により、投射レーザー光１１が届かない局所的道路面は、投射レーザー光１１が届く曲面に基づいて補間的に求められる。凹凸が激しくない場合には、補間により瞬時に全曲面の凹凸変化を十分によい近似で計測することができる。凹凸が激しい場合には、複数台の距離測定器１でそれぞれに補間計算をすることにより、瞬時に全面の凹凸変化を計測することができる。

補間計算は、図７に示されるように、曲がっている道路の道路面の計測に有効である。図７は、補間計算をせずに又は補間計算が有効化しない程度に曲がりが激しい道路面に対する簡易計測を示している。監視計測員は、曲がっている左右道路端線ＬＲ，ＬＬの上にプリズム３３を置く。プリズム３３は、これに入射するレーザー光を入射方向に平行である反射方向に反射する。プリズム３３に対応する計測対象点で反射して戻る高輝度レーザー光により測距が実行され、横断線は人為的に高精度に確定しやすい。
そのように人為的に確定する横断線ごとにその横断線の凹凸変動が計測される。プリズム使用に代えられて、人為的に設定されるプリズム位置相当の位置点を望遠鏡の視準点に合致させてその計測点をレーザー投射角度電子制御系８に設定することにより、ノンプリズム計測が可能であることは、既述の通りである。補間機能が存在する場合には、視準点合わせは不要である。視準点合わせにより計測対象点を選択することは、画像解析器２１が存在せず、又は、画像解析器２１の画像解析能力を越える複雑形状物体が道路面上に又は道路脇に存在する場合に有効である。

補間計算は、図８に示されるように、起伏が激しい道路面の計測に有効である。図８は、補間計算をせずに又は補間計算が有効化しない程度に曲がりが激しい道路面に対する簡易計測を示している。監視計測員は、左右道路端線ＬＲ，ＬＬの中心線３４の上にプリズム３３を置く。横方向に凹凸が激しい場合に、プリズムの使用が有効である。プリズム使用に代えられる視準点合わせは有効である。縦方向に隣り合う２つのプリズムが向き合う方向に直交する方向が横方向であると判断される。道路幅は、中心線３４から横方向に離隔する位置点の距離が人為的に設定される。道路幅の人為的設定は、道路端線が明瞭でない道路の道路面の計測を有効化する。

距離測定は、ある時間幅（例示：１分間）の間で数十回が実行される。それらの平均値から異常にずれている値が除かれ、正常分布（統計学的正規分布）を示す値の平均値、又は、正規分布を示す確率分布曲線の中心対称線に対応する値が採用される。このような統計的処理は、自動車の通過、湿度の急変による環境異常による異常測定値を除外することができ、自動車の走行がない時間帯を選ぶ夜間作業から開放される。道路面の鉛直方向変化の他に、道路面の絶対高さ位置（標高）を知るためには、計測器と標準点規定プリズムを設置する設置台を頑丈に固定し、計測器と標準点規定プリズムのそれぞれの３位置がＧＰＳ対応で厳密に計測される。トータルステーションは、そのような自己位置計測機能を内在させている。

図１は、本発明による道路断面計測装置の実現態を示す斜軸投影図である。図２は、本発明による道路断面計測装置の実現態の回路構成を示すブロック図である。図３は、本発明による道路断面計測装置の実現態を示す斜軸投影図である。図４は、表示器の表示方法を示す正面図である。図５は、計測の簡易方法を示す平面図である。図６は、計測の他の簡易方法を示す平面図である。図７は、計測の更に他の簡易方法を示す平面図である。図８は、計測の更に他の簡易方法を示す平面図である。

符号の説明

１…レーザー測距器（測距儀）
３…計算器
６…レーザー投射器
７…２軸回転サーボ機構
９…距離計測器
１１…レーザー光
１２…反射光
１８…第１，２，３，５計算器部分
１９…車輌通過路面（路面）
２６…第４計算器部分
Ｃｊ…横断線

Claims

レーザー測距器と、
計算器とを構成し、
前記レーザー測距器は、
本体と、
前記本体に支持され互いに直交する２軸のための２軸回転サーボ機構と、
前記２軸回転サーボ機構に同体に支持されレーザー光を投射するレーザー投射器と、
測距対象点で反射する反射光を受光し前記本体の基準点と前記測距対象点との間の距離Ｒを計算して求める距離計測器とを形成し、
前記計算器は、
前記本体に対して設定される角度座標系で定義される２次元角度座標（θｘ，θｙ）と前記２次元角度座標（θｘ，θｙ）に対応する前記距離Ｒとで記述される基準３次元極座標系（Ｒ，θｘ，θｙ）を設定する第１計算器部分と、
車輌通過路面を離散化して前記車輌通過路面の上のｊ個の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合を前記基準３次元極座標系に設定する第２計算器部分と、
前記集合から前記車輌通過路面の断面線の上の前記離散化３次元極座標点を抽出する第３計算器部分とを形成し、
前記断面線は横断線であり、
時間的に変動する前記横断線の前記離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）は、（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ），（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）で表され、ここで、Ｔ１，Ｔ２は時系列点上の２つの時刻を示し、
前記計算器は、
座標点（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ）と座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）とから座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）の鉛直方向変位を近似的に計算する第４計算器部分と、
前記座標点（Ｒ（Ｔ２），θｘｊ，θｙｊ）を含む横断線の上にあり前記座標点（Ｒ（Ｔ１），θｘｊ，θｙｊ）の鉛直下方にある位置点を補間計算により求める第５計算器部分とを更に形成する
ことを特徴とする道路断面計測装置。
レーザー測距器と、
計算器とを構成し、
前記レーザー測距器は、
本体と、
前記本体に支持され互いに直交する２軸のための２軸回転サーボ機構と、
前記２軸回転サーボ機構に同体に支持されレーザー光を投射するレーザー投射器と、
測距対象点で反射する反射光を受光し前記本体の基準点と前記測距対象点との間の距離Ｒを計算して求める距離計測器とを形成し、
前記計算器は、
前記本体に対して設定される角度座標系で定義される２次元角度座標（θｘ，θｙ）と前記２次元角度座標（θｘ，θｙ）に対応する前記距離Ｒとで記述される基準３次元極座標系（Ｒ，θｘ，θｙ）を設定する第１計算器部分と、
車輌通過路面を離散化して前記車輌通過路面の上のｊ個の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合を前記基準３次元極座標系に設定する第２計算器部分と、
前記集合から前記車輌通過路面の断面線の上の前記離散化３次元極座標点を抽出する第３計算器部分とを形成し、
前記断面線は横断線であり、
前記計算器は、
前記離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の前記集合のうち前記車輌通過路面の左右側端線を抽出する第６計算器部分と、
前記左右側端線に概ね直交する鉛直面上で前記離散化３次元極座標点を抽出することにより前記横断線を特定する第７計算器部分とを更に形成する
ことを特徴とする道路断面計測装置。
レーザー測距器と、
計算器とを構成し、
前記レーザー測距器は、
本体と、
前記本体に支持され互いに直交する２軸のための２軸回転サーボ機構と、
前記２軸回転サーボ機構に同体に支持されレーザー光を投射するレーザー投射器と、
測距対象点で反射する反射光を受光し前記本体の基準点と前記測距対象点との間の距離Ｒを計算して求める距離計測器とを形成し、
前記計算器は、
前記本体に対して設定される角度座標系で定義される２次元角度座標（θｘ，θｙ）と前記２次元角度座標（θｘ，θｙ）に対応する前記距離Ｒとで記述される基準３次元極座標系（Ｒ，θｘ，θｙ）を設定する第１計算器部分と、
車輌通過路面を離散化して前記車輌通過路面の上のｊ個の離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合を前記基準３次元極座標系に設定する第２計算器部分と、
前記集合から前記車輌通過路面の断面線の上の前記離散化３次元極座標点を抽出する第３計算器部分とを形成し、
前記断面線は横断線であり、
前記離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）の集合は、前記車輌通過路面の左右側端線を含み、
前記左右側端線の上の離散点の３次元座標を前記離散化３次元極座標点（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）のＲ，θｘｊ，θｙｊに入力する入力器を構成する
ことを特徴とする道路断面計測装置。
測距儀を道路の周辺域に設置するステップと、
前記測距儀に設定される角度座標系でｊ個の離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）からレーザー光を路面の上に投射するステップと、
前記離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）に対応する前記路面の上の反射点で反射する反射光を受光するステップと、
前記測距儀に設定される基準点と前記反射点との間の距離Ｒを計算器により求めるステップと、
離散化３次元座標点の集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）から横断線の形状を計算するステップと、
前記集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）から前記離散化３次元座標点の間の座標点の距離座標を補間的に計算するステップとを構成し、
前記距離Ｒを前記計算器により求める前記ステップは、
第１時刻に前記距離Ｒを前記計算器により求めるステップと、
第２時刻に前記距離Ｒを前記計算器により求めるステップとを形成し、
前記第１時刻の前記距離と前記第２時刻の前記距離とに対応する鉛直方向落差を、前記補間的に計算する前記ステップの結果を用いて計算するステップを構成する
ことを特徴とするの道路断面計測方法。
測距儀を道路の周辺域に設置するステップと、
前記測距儀に設定される角度座標系でｊ個の離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）からレーザー光を路面の上に投射するステップと、
前記離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）に対応する前記路面の上の反射点で反射する反射光を受光するステップと、
前記測距儀に設定される基準点と前記反射点との間の距離Ｒを計算器により求めるステップと、
離散化３次元座標点の集合（Ｒ，θｘｊ，θｙｊ）から横断線の形状を計算するステップと、
前記測距儀に付属する望遠鏡の視準点に計測対象点を計測員により合致させるステップと、
前記視準点と前記計測対象点が合致するときの２次元角度座標を前記計測員の入力操作により前記離散的角度座標（θｘｊ，θｙｊ）に代入するステップとを構成し、
前記入力操作により入力される前記２次元角度座標は前記路面の端線に相当する
ことを特徴とする道路断面計測方法。