JP7442482B2

JP7442482B2 - 複数の孔の位置および半径の検出方法

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Publication number: JP7442482B2
Application number: JP2021121402A
Authority: JP
Inventors: 孝史三澤; 治山口; 悠馬川澄; 敏之石井
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2024-03-04
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: JP2023017271A

Description

本発明は、複数の孔の位置および半径の検出方法であって、特に、削孔装置を用いてコンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径の検出方法に関するものである。

地上、地中、半地下などで地盤に接するコンクリート製の構造物や、鉄道や道路等に近接する地上に構築されたコンクリート製の構造物などのような既設コンクリート構造物の補強（耐震補強）工法の一つに、あと施工せん断補強工法がある。

あと施工せん断補強工法とは、既設のコンクリート製の構造物の壁面を削孔し、その孔内に定着材（モルタル）を充填注入した後、あと施工せん断補強鉄筋（以下、「せん断補強鉄筋」という。）を挿入して硬化させることにより、せん断補強鉄筋と構造物とを一体化させることで当該構造物のせん断耐力を向上させる工法である。

このようなあと施工せん断補強工法においては、せん断補強筋を挿入するための削孔数が極めて多くなる（数千あるいはそれ以上となる）ため、削孔出来形（削孔位置）の計測の効率化が求められている。

ここで、特許文献１（特開２００２－２８８６７８号公報）には、削孔された壁面を撮影して、孔と壁面との明度差から孔位置を求める技術が開示されている。また、特許文献２（特開２０１４－１６３８９８号公報）には、削孔した壁面をレーザ光で走査して得られた表面形状から孔位置を求める技術が開示されている。

特開２００２－２８８６７８号公報特開２０１４－１６３８９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、コンクリートが濡れていて黒っぽく変色していたり、孔が地下にあったりすると、撮影時において孔と壁面との明度差が不明確になり、確実に削孔位置を特定することが困難になる。

また、特許文献２に記載の技術では、削孔開始時において削孔装置の振動などにより先端が細かくぶれたり孔周縁部のコンクリートが欠損するために、実際の孔径（内部の孔径）よりも大きな孔径に検出されてしまう。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、コンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径を正確に検出することのできる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、削孔装置を用いてコンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径の検出方法であって、削孔を施した前記壁面の３次元点群データを取得し、前記３次元点群データに基づいて前記壁面よりも所定寸法奥まった点である奥行き点を抽出し、前記壁面の水平方向および鉛直方向において前記奥行き点の集合で形成されるグループ点群を複数取得し、それぞれの前記グループ点群について、当該グループ点群が円を形成するものとして当該円の中心座標および半径を算出する、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１に記載の発明において、前記奥行き点は、前記壁面に削孔したときの孔周縁部の欠損深さよりも奥まった寸法の点である、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１または２に記載の発明において、前記グループ点群は、任意の１点の前記奥行き点である基準奥行き点と、前記基準奥行き点から所定範囲内にある前記奥行き点との集合により形成される、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１～３の何れか一項に記載の発明において、前記３次元点群データは、３次元データ取得手段が搭載された無人航空機を前記壁面に沿って飛行させながら、前記無人航空機の位置とそのときのデータにより取得する、ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１～３の何れか一項に記載の発明において、前記３次元点群データは、３次元データ取得手段が搭載された走行装置を前記壁面に沿って走行させながら、前記走行装置の位置とそのときのデータにより取得する、ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１～３の何れか一項に記載の発明において、前記３次元点群データは、３次元データ取得手段により異なる位置から断続的に壁面についてのデータを得て、当該データを得た位置とそのときのデータにより取得する、ことを特徴とする。

請求項７に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項４～６の何れか一項に記載の発明において、３次元データ取得手段は、３Ｄスキャナまたは３Ｄカメラである、ことを特徴とする。

請求項８に記載の発明である複数の孔の位置および半径の検出方法は、上記請求項１～７の何れか一項に記載の発明において、前記円の中心座標および半径は、最小二乗法、ハフ変換またはＲＡＮＳＡＣにより算出される、ことを特徴とする。

本発明によれば、削孔を施した壁面の３次元点群データを取得し、３次元点群データに基づいて壁面よりも所定寸法奥まった奥行き点を抽出し、壁面の水平方向および鉛直方向において奥行き点の集合で形成されるグループ点群を複数取得し、それぞれのグループ点群について、当該グループ点群が円を形成するものとしてその中心座標および半径を算出するようにしているので、コンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径を正確に検出することが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る既設のコンクリート製の構造物に削孔された孔にせん断補強鉄筋を挿入して耐震補強されたコンクリート製の構造物の一部を示す説明図である。構造物の壁面に削孔された複数の孔の一例を示す図である。既設のコンクリート製の構造物に削孔された孔の一例を示す断面図である。本発明の一実施の形態に係るコンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径の検出方法を示すフローチャートである。取得された奥行き点のデータを抜き出した画像を示す図である。グループ点群の取得方法を示すフローチャートである。グループ点群の取得における範囲の設定を示す説明図である。図５に示した画像データを読み込み、各孔ごとに取得したグループ点群、および最小二乗法により近似した円とその中心座標の値を示す図である。図８の各円の中心座標および半径の値を示す図である。削孔した孔に対応した円の半径および中心座標を示す図である。削孔した孔に対応した円について、隣り合う円における中心座標間の距離を示す図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本実施の形態における複数の孔の位置および半径の検出方法は、既設コンクリート構造物の補強（耐震補強）工法の一つであるあと施工せん断補強工法において削孔された複数の孔の位置および半径を検出して、削孔出来形（削孔位置）を計測するためのものである。

ここで、あと施工せん断補強工法とは、例えば図１に示すような地盤Ｇに接する既設のコンクリート製の構造物Ｓや、鉄道や道路等の建造物に近接する地上に構築された既設のコンクリート製の構造物Ｓなどの壁面を削孔装置（図示せず）を用いて削孔し、開けた孔Ｈの内部にあと施工せん断補強鉄筋（以下、「せん断補強鉄筋」という。）Ｒを挿入した後、定着材（モルタル）Ｍを充填注入して硬化させ、せん断補強鉄筋Ｒと構造物Ｓとを一体化させることで当該構造物Ｓのせん断耐力を向上させる工法である。

なお、せん断補強鉄筋Ｒとしては、例えば、一般的に使用される鉄筋Ｒ１の片側をネジ切り、斜め切断加工し、先端部に定着体として六角ナットＲ２を装着したものなどが適用される。

構造物Ｓの壁面に削孔された複数の孔の一例を図２に示す。本実施の形態においては、直径４０ｍｍの孔を水平方向および鉛直方向に５１０ｍｍ間隔（孔中心間隔）で削孔した場合を示している。なお、削孔深さは５００ｍｍである。但し、本発明において、孔径や孔間隔、削孔深さはこれらの値に限定されるものではなく、構造物Ｓの状態などに応じて必要な値に設定される。

さて、構造物Ｓの壁面にこれら複数の孔を削孔したならば、定着材の注入に先立って、削孔出来形の計測、すなわち、削孔された複数の孔の位置および半径の検出が行われ、適正な位置に適正な大きさの孔が削孔されているかの確認がなされる。

ここで、前述のように、削孔された壁面を撮影して、孔と壁面との明度差から孔位置を求める技術では、撮影時において孔と壁面との明度差が不明確になると、確実に削孔位置を特定することが困難になる。

また、削孔した壁面をレーザ光で走査して得られた表面形状から孔位置を求める技術では、削孔開始時において削孔装置の先端がぶれたり孔Ｈの周縁部のコンクリートが欠損する（図３参照）ために、実際の孔径（内部の孔径）よりも大きな孔径に検出されてしまう。

そこで、本実施の形態では、これらの問題点を踏まえ、図４に示す方法によりコンクリート製の構造物Ｓの壁面に削孔した複数の孔Ｈの位置および半径を検出するようにした。ここで、図４は本発明の一実施の形態に係るコンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径の検出方法を示すフローチャートである。

図４において、先ず、削孔した構造物Ｓの壁面の３次元点群データを取得する（ステップＳ１）。具体的には、３次元データ取得手段である３Ｄスキャナ（立体物の形状を３Ｄ（Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ：３次元）データ化するスキャナ）を使用し、削孔された壁面の３Ｄ点群データを取得する。なお、本実施の形態においては、壁面の水平方向をｘ軸（水平軸座標）、鉛直方向をｙ軸（鉛直軸座標）、孔の奥行き方向をｚ軸（ｘｙ平面に対する垂直軸座標：孔の奥行き方向がマイナス）と設定している。

ここで、３次元点群データの取得方法の一例としては、例えば、３Ｄスキャナが搭載されたドローンと呼ばれる無人航空機（ＵＡＶ：ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）を使用して壁面に沿って飛行させながら、無人航空機の位置とそのときのデータにより取得する方法、３Ｄスキャナが搭載された走行装置を壁面に沿って走行させながら、走行装置の位置とそのときのデータにより取得する方法、３Ｄスキャナにより異なる位置から断続的に壁面についてのデータを得て、データを得た位置とそのときのデータにより取得する方法、などがある。なお、走行装置を用いる場合、３Ｄスキャナが搭載された走行装置は、壁面と平行に敷設したレール上を走行可能な構造にしたり、ホイールを設置して壁面と平行に自走可能な構造にすることなどが考えられる。

このようにして削孔した構造物Ｓの壁面の３次元点群データを取得したならば、当該３次元点群データに基づいて壁面から１０ｍｍ奥まった点（奥行き点：ｚ軸の点）を抽出する（ステップＳ２）。奥行き点を抽出するのは、前述のように、削孔された孔の周縁部が欠損している場合（図３参照）、壁の表面のデータを抽出したならば、欠損した孔形状（つまり、本来の形状ではない孔）が抽出されてしまうことになるが、欠損していない点（奥行き点）を抽出すれば、孔本来の形状が抽出できるからである。

なお、本実施の形態では、壁面から１０ｍｍ奥まった点を奥行き点と設定しているが、奥行き点は壁面から１０ｍｍ奥まった点である必要はなく、孔周縁部の欠損深さよりも奥まった寸法の点であれば自由に設定することができる。但し、奥行き点は、孔周縁部の欠損深さよりも奥まっているとの条件を満たしている限り、できるだけ壁面に近い点であるのが望ましい。これは、奥行き点が深すぎると、孔の内周面が切り立っているために、孔によっては３Ｄスキャナのレーザ光が奥行き点に届かなくなって３次元点群データが極端に少なくなるからである。

取得された奥行き点のデータを抜き出した画像を図５に示す。削孔された孔の内周面（本実施の形態では、壁面から１０ｍｍ奥まった位置の内周面）に設定された奥行き点に３Ｄスキャナからのレーザ光を走査しながら照射するために、レーザ光の照射角は孔の軸方向に対して傾斜することになる。そのため、レーザ光が照射される奥行き点は孔の内周面の全周ではなく一部になるため、図示するように、取得された画像は円弧状になっている。

なお、本実施の形態では、このようなレーザ光切断方式の３Ｄスキャナ（対象物をレーザ光でスキャンし、その反射光をＣＣＤで受光し、三角測距の原理によって対象物との距離を得ることで３次元形状を取得するスキャナ）が用いられているが、例えば、格子パターンを投影してカメラで読み取る格子パターン投影カメラ方式の３Ｄスキャナなど、他種の３Ｄスキャナを用いてもよい。

さらに、本実施の形態においては、３次元データ取得手段として３Ｄスキャナを用いて削孔した構造物Ｓの壁面の３次元点群データを取得しているが、３次元データ取得手段として３Ｄカメラを用いて前述の３次元点群データを取得するようにしてもよい。

さて、奥行き点を抽出したならば、壁面の水平方向および鉛直方向において奥行き点の集合で形成されるグループ点群を複数取得する（ステップＳ３）。すなわち、抽出した奥行き点について、各点の座標（ｘ，ｙ）に対して設定した範囲内の奥行き点の点群を探索し、それらの点群を一つの集合で形成されるグループ点群として孔ごとに取得する。

ここで、グループ点群の取得について、図６および図７を用いて説明する。図６はグループ点群の取得方法を示すフローチャート、図７はグループ点群の取得における範囲の設定を示す説明図である。

図６において、先ず、基準となる奥行き点（基準奥行き点Ｐ１：図７）を決定する（ステップＳ３－１）。図７に示すように、基準奥行き点Ｐ１は抽出された奥行き点の内の任意の１点の奥行き点である。

基準奥行き点Ｐ１を決定したならば、当該基準奥行き点Ｐ１から±５０ｍｍの範囲内にある奥行き点を探索する（ステップＳ３－２）。図７において、基準奥行き点Ｐ１は円周上の１点であり、前述のように、本実施の形態の孔の直径は４０ｍｍであるから、１０ｍｍの誤差を含んで±５０ｍｍの範囲と設定した。すなわち、図７におけるＬｘ、Ｌｙはそれぞれ５０ｍｍである。これにより、基準奥行き点Ｐ１を中心にｘ軸方向およびｙ軸方向に±５０ｍｍの範囲内（図７の外側の破線で囲まれた範囲内）にある奥行き点が探索される。なお、当該範囲内にある奥行き点の探索は、ソフトウェアにより自動的に行うようにするのが望ましい。

そして、前述の範囲内にある奥行き点を探索したならば、基準奥行き点と探索した奥行き点との集合で形成された点（つまり、図７に示す点）がグループ点群として取得される（ステップＳ３－３）。

さて、このようにしてグループ点群が取得されたならば、図４に戻って、各グループ点群について、当該グループ点群が円を形成するものとして、最小二乗法により当該円の中心座標および半径を算出する（ステップＳ４）。すなわち、取得したグループ点群について円を次式のように表し、最小二乗法（データ点と関数の誤差の二乗和を最小にする関数の係数を求めるアルゴリズム）により円の中心座標、半径を算出する。

（ｘ_ｉ－ａ）^２＋（ｙ_ｉ－ｂ）^２＝ｒ^２

ここで、ｘ_ｉは円周の任意の点のｘ軸座標値、ｙ_ｉは円周の任意の点のｙ軸座標値、ａは円の中心のｘ軸座標値、ｂは円の中心のｙ軸座標値、ｒは円の半径である。

図５に示した画像データを読み込み、各孔ごとに取得したグループ点群、および最小二乗法により近似した円とその中心座標の値を図８に示す。また、図８の各円の中心座標および半径の値を図９に示す。

図８において、符号１～４が円番号を示している。また、円番号とは別に、当該円番号に対応した削孔番号ｃ，ａ，ｄ，ｂを付している。これらの削孔番号ｃ，ａ，ｄ，ｂにおいて、太線がグループ点群であり、細線が最小二乗法により求められた円を描くために太線を補足する線である。なお、削孔番号ｃ，ａ，ｄ，ｂの右横の数字が円の中心座標（ｘ軸座標値、ｙ軸座標値）である。

円番号１～４（削孔番号ｃ，ａ，ｄ，ｂ）の円について、半径および中心座標（ｘ軸座標値、ｙ軸座標値）を図１０に示す。

また、削孔した孔に対応した円について、隣り合う円における中心座標間の距離を図１１に示す。図１１から、削孔したそれぞれの孔は、ほぼ水平方向および鉛直方向に約５１０ｍｍ間隔（孔中心間隔）となって形成されているのが分かる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、削孔を施した壁面の３次元点群データを取得し、３次元点群データに基づいて壁面よりも所定寸法（本実施の形態では、１０ｍｍ）奥まった奥行き点を抽出し、壁面の水平方向および鉛直方向において奥行き点の集合で形成されるグループ点群を複数取得し、それぞれのグループ点群について、当該グループ点群が円を形成するものとしてその中心座標および半径を算出するようにしているので、コンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径を正確に検出することが可能になる。

よって、撮影した壁面と孔との明度差から孔位置を求める場合のように、明度差が不明確なときには孔位置の特定が困難になったり、壁面をレーザ光で走査して得られた表面形状から孔位置を求める場合のように、孔周縁部のコンクリートが欠損しているときには実際よりも大きな孔径に検出されてしまうこともない。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

たとえば、本実施の形態では、最小二乗法を用いて円の中心座標および半径を算出していたが、これに限定されるものではなく、ハフ変換（何度もあるデータ点を取り出してそれに対する関数を求めたときに、その係数を集計して最も候補としてふさわしい係数の組み合わせを採用するアルゴリズム）やＲＡＮＳＡＣ（ＲＡＮｄｏｍＳＡｍｐｌｅＣｏｎｓｅｎｓｕｓ：何度もランダムに点をサンプルして最も誤差が少ない関数を探索するアルゴリズム）など、公知の様々な手法を適用することが可能である。

以上の説明では、本発明を、コンクリート製の既設の構造物にせん断補強鉄筋を挿入するために削孔された孔の位置および半径の検出に用いられた場合が示されているが、せん断補強鉄筋を挿入するための孔に限定されるものではなく、様々な目的でコンクリート製の構造物に削孔された孔の位置および半径の検出に広く適用することができる。

Ｈ孔
Ｒ断補強鉄筋
Ｒ１鉄筋
Ｒ２六角ナット
Ｓ構造物

Claims

削孔装置を用いてコンクリート製の構造物の壁面に削孔した複数の孔の位置および半径の検出方法であって、
削孔を施した前記壁面の３次元点群データを取得し、
前記３次元点群データに基づいて前記壁面よりも所定寸法奥まった点である奥行き点を抽出し、
前記壁面の水平方向および鉛直方向において前記奥行き点の集合で形成されるグループ点群を複数取得し、
それぞれの前記グループ点群について、当該グループ点群が円を形成するものとして当該円の中心座標および半径を算出する、
ことを特徴とする複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記奥行き点は、前記壁面に削孔したときの孔周縁部の欠損深さよりも奥まった寸法の点である、
ことを特徴とする請求項１記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記グループ点群は、
任意の１点の前記奥行き点である基準奥行き点と、前記基準奥行き点から所定範囲内にある前記奥行き点との集合により形成される、
ことを特徴とする請求項１または２記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記３次元点群データは、
３次元データ取得手段が搭載された無人航空機を前記壁面に沿って飛行させながら、前記無人航空機の位置とそのときのデータにより取得する、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記３次元点群データは、
３次元データ取得手段が搭載された走行装置を前記壁面に沿って走行させながら、前記走行装置の位置とそのときのデータにより取得する、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記３次元点群データは、
３次元データ取得手段により異なる位置から断続的に壁面についてのデータを得て、当該データを得た位置とそのときのデータにより取得する、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
３次元データ取得手段は、３Ｄスキャナまたは３Ｄカメラである、
ことを特徴とする請求項４～６の何れか一項に記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。
前記円の中心座標および半径は、
最小二乗法、ハフ変換またはＲＡＮＳＡＣにより算出される、
ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の複数の孔の位置および半径の検出方法。