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JP7679262B2 - Face evaluation support device and face evaluation support method - Google Patents
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JP7679262B2 - Face evaluation support device and face evaluation support method - Google Patents

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Description

本発明は、切羽評価支援装置、及び、切羽評価支援方法に関する。 The present invention relates to a face evaluation support device and a face evaluation support method.

トンネル工事の安全性や作業性を確保するため、トンネルの切羽面の状態は適切に評価することが要求される。従来、専門技術者が切羽を目視観察し、その観察結果のスケッチ記録等が行われていたが、専門技術者の不足に対応するとともに、観察結果の品質確保を図るべく、近年、切羽を撮影した画像データ(写真)や、切羽の三次元形状を計測した点群データを用いた切羽評価装置の開発が行われている。 To ensure the safety and ease of work in tunnel construction, it is necessary to properly evaluate the condition of the tunnel face. Traditionally, specialized engineers have visually inspected the face and recorded sketches of their observations, but in recent years, to address the shortage of specialized engineers and ensure the quality of the observation results, face evaluation devices have been developed that use image data (photographs) of the face and point cloud data that measures the three-dimensional shape of the face.

例えば、特許文献1には、切羽の岩盤が撮像された撮像画像に基づいて、風化変質の評価区分を導出する岩盤の風化変質評価装置が開示されている。また、特許文献2には、トンネルの切羽面の3次元立体情報が計測された点群データに基づいて、岩盤に発達する亀裂を評価する亀裂評価装置が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a rock weathering evaluation device that derives an evaluation category for weathering based on images of the rock face. Patent Document 2 discloses a crack evaluation device that evaluates cracks that develop in rock based on point cloud data that measures three-dimensional information on the tunnel face.

特開2019-184541号公報JP 2019-184541 A 特開2018-181271号公報JP 2018-181271 A

特許文献1及び特許文献2に開示された装置では、画像データ及び点群データをそれぞれ用いて切羽を評価しているため、画像データ及び点群データを個別に評価しただけでは切羽の評価に際して評価品質の向上には限界がある。例えば、画像データには、切羽以外にも支保や路盤部等が撮影されているため、画像データ上で、切羽の領域と、切羽以外の領域とを分離する処理が必要となり、その処理が不十分な場合には、切羽の評価品質を低下させる可能性がある。また、切羽には、特徴が異なる複数の岩盤が含まれている場合があり、これらの岩盤を区分せずに各種の観察項目について評価した場合、切羽の状態が適切に評価されない可能性もある。 In the devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, image data and point cloud data are used to evaluate the face, respectively, so there is a limit to how much improvement can be made in the quality of the face evaluation by simply evaluating the image data and point cloud data separately. For example, the image data includes images of supports, roadbeds, etc. in addition to the face, so processing is required to separate the face area from areas other than the face on the image data, and if this processing is insufficient, it may reduce the quality of the face evaluation. In addition, the face may contain multiple rock masses with different characteristics, and if various observation items are evaluated without distinguishing between these rock masses, the condition of the face may not be evaluated appropriately.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、切羽の評価に際して評価品質を向上させることを可能とする切羽評価支援装置、及び、切羽評価支援方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a face evaluation support device and face evaluation support method that make it possible to improve the evaluation quality when evaluating a face.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る切羽評価支援装置は、
トンネルの切羽を含む対象領域が撮影された画像データを取得する画像データ取得部と、
前記対象領域の三次元形状が計測された点群データを取得する点群データ取得部と、
前記画像データ及び前記点群データに基づいて、前記切羽を評価する切羽評価部と、
前記切羽評価部による評価結果に基づいて、支援情報を出力する支援情報出力部とを備え、
前記切羽評価部は、
前記画像データ及び前記点群データの少なくとも一方に基づいて、前記対象領域から前記切羽に対応する切羽領域を抽出する切羽抽出部と、
前記点群データに基づいて、前記切羽領域に対して複数の走査方向に設定された複数の走査線に沿って前記切羽領域における切羽面のラフネスをラフネス特徴量として数値化するラフネス数値化部と、
複数の前記走査線が交差する各交点に対して前記ラフネス特徴量の代表値を求め、前記交点毎の前記代表値の分布に基づいて、前記切羽領域を区分領域に区分する領域区分部と、
前記領域区分部により前記切羽領域が区分された区分領域毎に、前記切羽に関する観察項目に対して前記切羽を評価し、その評価した結果を前記評価結果として出力する区分領域評価処理部とを備える。
In order to achieve the above object, a face evaluation support device according to one aspect of the present invention comprises:
an image data acquisition unit that acquires image data of a target area including a tunnel face;
a point cloud data acquisition unit that acquires point cloud data obtained by measuring a three-dimensional shape of the target area;
A face evaluation unit that evaluates the face based on the image data and the point cloud data;
A support information output unit that outputs support information based on the evaluation result by the face evaluation unit,
The face evaluation unit is
A face extraction unit that extracts a face area corresponding to the face from the target area based on at least one of the image data and the point cloud data;
a roughness quantification unit that quantifies the roughness of the face in the face region as a roughness feature amount along a plurality of scanning lines set in a plurality of scanning directions with respect to the face region based on the point cloud data;
a region division unit that calculates a representative value of the roughness feature amount for each intersection point where a plurality of the scanning lines intersect, and divides the face region into divided regions based on a distribution of the representative value for each intersection point;
The apparatus is provided with a divided area evaluation processing unit which evaluates the face for each divided area into which the face area is divided by the area division unit, and outputs the evaluation result as the evaluation result.

本発明の一態様に係る切羽評価支援装置によれば、切羽抽出部が、画像データ及び点群データの少なくとも一方に基づいて、切羽に対応する切羽領域を抽出し、ラフネス数値化部が、点群データに基づいて、切羽領域における切羽面のラフネスをラフネス特徴量として数値化し、領域区分部が、ラフネス特徴量の分布に基づいて、切羽領域を区分領域に区分し、区分領域評価処理部が、切羽に関する観察項目を区分領域毎に評価する。そのため、切羽に対応する領域が区分領域に区分され、切羽に関する観察項目が区分領域毎に評価される。したがって、切羽の評価に際して評価品質を向上させることができる。 According to a face evaluation support device according to one aspect of the present invention, a face extraction unit extracts a face region corresponding to the face based on at least one of image data and point cloud data, a roughness quantification unit quantifies the roughness of the face surface in the face region as a roughness feature based on the point cloud data, a region division unit divides the face region into divided regions based on the distribution of the roughness feature, and a divided region evaluation processing unit evaluates observation items related to the face for each divided region. Therefore, the region corresponding to the face is divided into divided regions, and observation items related to the face are evaluated for each divided region. Therefore, the evaluation quality can be improved when evaluating the face.

上記以外の課題、構成及び効果は、後述する発明を実施するための形態にて明らかにされる。 Other issues, configurations and advantages will be made clear in the detailed description of the invention described below.

切羽評価支援システム1の一例を示す全体図である。1 is an overall view showing an example of a face evaluation support system 1. FIG. 切羽評価支援システム1で処理されるデータの一例を示し、(a)画像データ、(b)点群データを示す図である。1A and 1B show an example of data processed by the face evaluation support system 1, where (a) is image data and (b) is point cloud data. 切羽評価支援装置4の一例を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an example of a face evaluation support device 4. FIG. 切羽評価支援装置4の一例を示す機能説明図である。FIG. 2 is a functional explanatory diagram showing an example of a face evaluation support device 4. 色補正部110による色補正処理の一例を示すフロチャートである。4 is a flowchart showing an example of a color correction process performed by a color correction unit 110. 点群データから切羽領域101を抽出する第1の切羽抽出処理の一例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a first face extraction process for extracting a face region 101 from point cloud data. 画像データから切羽領域101を抽出する第2の切羽抽出処理の一例を示す説明図である。An explanatory diagram showing an example of a second face extraction process for extracting a face area 101 from image data. ラフネス数値化部131によるラフネス数値化処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of a roughness quantification process performed by a roughness quantification unit 131; FIG. 領域区分部132による領域区分処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of region partitioning processing by a region partitioning unit 132. FIG. 割れ目卓越方向判定部133Aによる割れ目卓越方向の判定処理の一例を示す説明図である。An explanatory diagram showing an example of a crack dominant direction determination process by the crack dominant direction determination unit 133A. 岩石グループ判定部133Bによる岩石グループの判定処理の一例を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of rock group determination processing by the rock group determination unit 133B. 割れ目間隔判定部133Cによる割れ目間隔の判定処理の一例を示す説明図である。An explanatory diagram showing an example of a crack spacing determination process by the crack spacing determination unit 133C. 割れ目形態判定部133Dによる割れ目形態の判定処理の一例を示す説明図である。An explanatory diagram showing an example of a crack shape determination process by the crack shape determination unit 133D. 評価区分推論部133Eによる観察項目に関する評価区分の推論処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of an inference process of an evaluation category for an observation item by the evaluation category inference unit 133E. FIG. 第1の連続性割れ目検出部134Aによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of a continuity break determination process performed by a first continuity break detection unit 134A. FIG. 第2の連続性割れ目検出部134Bによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of a continuity break determination process performed by a second continuity break detection unit 134B. FIG. 第3の連続性割れ目検出部134Cによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an example of a continuity break determination process performed by a third continuity break detection unit 134C. FIG. 人工物検出部134Dによる人工物の検出処理の一例を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of an artifact detection process performed by an artifact detection unit 134D. 肌落ち危険個所の予測処理の一例を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a process for predicting areas at risk of skin falling off. 切羽観察シート情報15の印刷出力例である切羽観察シート150を示す図である。A figure showing a face observation sheet 150, which is an example of a printed output of face observation sheet information 15. 切羽スケッチ情報16の画面表示例である切羽スケッチ画面160を示す図である。A figure showing a face sketch screen 160, which is an example of a screen display of face sketch information 16.

以下、図面を参照して本発明を実施するための実施形態について説明する。以下では、本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The following shows a schematic view of the scope of the description necessary to achieve the object of the present invention, and mainly describes the scope of the description necessary to explain the relevant parts of the present invention. The parts that are omitted are based on publicly known technology.

図1は、切羽評価支援システム1の一例を示す全体図である。図2は、切羽評価支援システム1で処理されるデータの一例を示し、(a)画像データ、(b)点群データを示す図である。 Figure 1 is an overall view showing an example of a face evaluation support system 1. Figure 2 shows an example of data processed by the face evaluation support system 1, showing (a) image data and (b) point cloud data.

切羽評価支援システム1は、トンネルの現場にて切羽Fの状態を観察し、評価するために用いられるシステムである。切羽評価支援システム1は、その主要な構成要素として、画像撮影装置2と、三次元形状計測装置3と、切羽評価支援装置4と、作業者端末装置5と、管理者端末装置6とを備える。各装置2~6は、有線又は無線のネットワーク7に接続されて、各種のデータを相互に送受信可能に構成される。なお、各装置2~6の数は、複数でもよいし、ネットワーク7の構成は、図1の例に限られない。 The tunnel face evaluation support system 1 is a system used to observe and evaluate the condition of the tunnel face F at the site. The main components of the tunnel face evaluation support system 1 include an image capture device 2, a three-dimensional shape measurement device 3, a tunnel face evaluation support device 4, a worker terminal device 5, and a manager terminal device 6. Each of the devices 2 to 6 is connected to a wired or wireless network 7 and is configured to be able to transmit and receive various data to and from each other. Note that there may be more than one of the devices 2 to 6, and the configuration of the network 7 is not limited to the example in FIG. 1.

画像撮影装置2は、トンネルの切羽Fを含む対象領域100を撮影する装置であり、例えば、カラーのイメージセンサを有するデジタルカメラ等で構成される。画像撮影装置2は、例えば、現場作業者により操作されて、所定の撮影条件(撮影位置、色見本20の設置位置、照明等)にて対象領域100を撮影することで、各画素に対してRGBの3成分に対する画素値をそれぞれ記録したカラー画像データを生成する。カラー画像データは、ネットワーク7又は記録媒体等を介して切羽評価支援装置4に送られる。 The image capture device 2 is a device that captures an image of the target area 100 including the tunnel face F, and is composed of, for example, a digital camera with a color image sensor. The image capture device 2 is operated, for example, by a field worker, to capture an image of the target area 100 under predetermined capture conditions (capture position, installation position of the color sample 20, lighting, etc.), thereby generating color image data in which pixel values for the three components of RGB are recorded for each pixel. The color image data is sent to the face evaluation support device 4 via the network 7 or a recording medium, etc.

画像撮影装置2は、三脚等により路盤部に設置されて使用されるものであるが、例えば、工事用の機械類若しくは車両又はドローン、無人航空機(UAV)、気球等の飛行体等に取り付けられてもよいし、遠隔で操作されるものでもよい。また、画像撮影装置2は、カラー画像データに代えて、グレースケールの画像データを生成するものでもよい。本実施形態では、画像撮影装置2は、カラー画像データを生成し、後述の色補正部110により色補正を行う場合について説明し、以下では、カラー画像データを「画像データ」と略して記載する。 The image capture device 2 is used by being installed on the roadbed using a tripod or the like, but may also be attached to construction machinery or vehicles, or flying objects such as drones, unmanned aerial vehicles (UAVs), and balloons, or may be remotely operated. The image capture device 2 may also generate grayscale image data instead of color image data. In this embodiment, the image capture device 2 generates color image data and performs color correction using the color correction unit 110 described below. In the following, color image data will be abbreviated to "image data".

画像データには、切羽Fだけでなく、支保や路盤部も撮影される。また、画像データを撮影する際、図2(a)に示すように、切羽Fの手前付近に色見本20が設置された状態で撮影するため、画像データには、色見本20も撮影される。 The image data includes not only the face F, but also the supports and roadbed. In addition, when the image data is captured, as shown in FIG. 2(a), a color sample 20 is placed near the front of the face F, so the image data also includes the color sample 20.

色見本20は、白黒2色で構成された所定の白黒模様を有し、例えば、左右方向に黒色、白色(上下に黒縁を有する)・黒色の並びで配置された3つの矩形領域(面積はそれぞれ同程度)で構成される。色見本20は、天地が反転した状態でも同じ模様になるように、点対称や線対称の模様が採用される。また、色見本20は、白黒だけの模様であるため、例えば、プリンタ(カラー印刷非対応でも可)により白紙のコピー用紙や印画紙(A3、B4、A4サイズ等)に黒部分の模様を印刷し、黒板、白板、段ボール等の台紙に貼り付けることで、簡易に作製することができる。 The color sample 20 has a predetermined black and white pattern made up of two colors, black and white, and is composed of, for example, three rectangular areas (each with approximately the same area) arranged in a black, white (with black borders on the top and bottom) and black row in the left-right direction. The color sample 20 adopts a point-symmetric or line-symmetric pattern so that the pattern remains the same even when the color sample is turned upside down. In addition, since the color sample 20 is only black and white, it can be easily made by, for example, printing the black pattern on blank copy paper or photographic paper (A3, B4, A4 size, etc.) using a printer (not compatible with color printing) and pasting it on a backing such as a blackboard, whiteboard, or cardboard.

三次元形状計測装置3は、トンネルの切羽Fを含む対象領域100の三次元形状を計測する装置であり、例えば、レーザや超音波を用いた測距センサ、ステレオカメラ等で構成される。三次元形状計測装置3は、所定の計測条件(計測位置等)にて対象領域100を計測することで、トンネル軸(z軸)の方向に対して対象領域100の各位置までの距離(深度)をそれぞれ記録した点群データを生成する。点群データは、ネットワーク7又は記録媒体等を介して切羽評価支援装置4に送られる。 The three-dimensional shape measuring device 3 is a device that measures the three-dimensional shape of the target area 100 including the tunnel face F, and is composed of, for example, a distance measuring sensor using a laser or ultrasound, a stereo camera, etc. The three-dimensional shape measuring device 3 measures the target area 100 under specified measurement conditions (measurement positions, etc.) to generate point cloud data that records the distance (depth) to each position in the target area 100 in the direction of the tunnel axis (z-axis). The point cloud data is sent to the face evaluation support device 4 via a network 7 or a recording medium, etc.

三次元形状計測装置3は、三次元形状を計測する方式として、アクティブ方式及びパッシブ方式のいずれでもよい。画像撮影装置2及び三次元形状計測装置3は、一体的に構成されていてもよく、例えば、画像データ及び点群データの両方を生成可能なRGB-D(Red Green Blue Depth)カメラで構成されていてもよい。 The three-dimensional shape measuring device 3 may use either an active method or a passive method for measuring a three-dimensional shape. The image capturing device 2 and the three-dimensional shape measuring device 3 may be configured as an integrated unit, and may be configured, for example, as an RGB-D (Red Green Blue Depth) camera capable of generating both image data and point cloud data.

点群データには、図2(b)に示すように、トンネルの軸方向をz方向として、切羽Fまでの距離により、対象領域100の三次元形状が記録される。その際、色見本20を設置する必要はない。なお、画像データによる撮影範囲と、点群データによる計測範囲とは、対象領域100のように、同程度の範囲であることが好ましいが、両範囲が、少なくとも切羽Fの全体を含む対象領域100に相当するのであれば異なる範囲でもよい。また、画像データの撮影時刻と、点群データの計測時刻とは、基本的には同じ時間帯であることが好ましいが、切羽Fの状態が変化しない範囲内であれば時間差があってもよい。 As shown in FIG. 2(b), the point cloud data records the three-dimensional shape of the target area 100 based on the distance to the tunnel face F, with the tunnel axial direction being the z direction. In this case, there is no need to install a color sample 20. It is preferable that the shooting range of the image data and the measurement range of the point cloud data are approximately the same range, such as the target area 100, but they may be different ranges as long as both ranges correspond to the target area 100 that includes at least the entire tunnel face F. It is also preferable that the shooting time of the image data and the measurement time of the point cloud data are basically in the same time zone, but there may be a time difference as long as it is within a range in which the state of the tunnel face F does not change.

切羽評価支援装置4は、汎用又は専用のコンピュータで構成され、例えば、据置型コンピュータや携帯型コンピュータが使用される。切羽評価支援装置4は、画像撮影装置2及び三次元形状計測装置3から画像データ及び点群データをそれぞれ取得し、その画像データ及び点群データに対して各種の処理を行うことにより、切羽Fに関する各種の観察項目を評価する。切羽評価支援装置4は、その評価結果に基づいて支援情報を生成し、その支援情報を、例えば、作業者端末装置5、管理者端末装置6等に提供する。 The face evaluation support device 4 is composed of a general-purpose or dedicated computer, and for example, a stationary computer or a portable computer is used. The face evaluation support device 4 acquires image data and point cloud data from the image capture device 2 and the three-dimensional shape measurement device 3, respectively, and performs various processes on the image data and point cloud data to evaluate various observation items related to the face F. The face evaluation support device 4 generates support information based on the evaluation results, and provides the support information to, for example, the worker terminal device 5, the manager terminal device 6, etc.

また、切羽評価支援装置4は、画像データ及び点群データと、支援情報とを対応付けて記憶する切羽管理データベース400を備える。切羽管理データベース400には、切羽Fに関する上記のデータが複数登録されて、例えば、識別子(ID)、現場名称、現場位置、観察日時等の属性情報が付加されることで、識別可能に管理される。 The face evaluation support device 4 also includes a face management database 400 that stores image data, point cloud data, and support information in association with each other. The face management database 400 stores a plurality of the above data related to the face F, and manages the data in an identifiable manner by adding attribute information such as an identifier (ID), site name, site location, and observation date and time.

作業者端末装置5は、例えば、現場の作業者により使用される。作業者端末装置5は、汎用又は専用のコンピュータで構成され、例えば、タブレット端末やスマートフォン等の携帯型コンピュータが使用される。作業者端末装置5は、各種の入力操作を受け付けるとともに、アプリやウェブブラウザ等のソフトウェアによる表示画面や音声を介して、各種の情報を出力する。また、作業者端末装置5は、ネットワーク7を介して切羽評価支援装置4等との間で各種のデータを送受信する。 The worker terminal device 5 is used, for example, by a worker on-site. The worker terminal device 5 is composed of a general-purpose or dedicated computer, and for example, a portable computer such as a tablet terminal or a smartphone is used. The worker terminal device 5 accepts various input operations and outputs various information via a display screen or voice using software such as an app or web browser. The worker terminal device 5 also transmits and receives various data to and from the face evaluation support device 4, etc., via the network 7.

管理者端末装置6は、例えば、現場の管理者(作業者と同一人物でもよい)により使用される。管理者端末装置6は、汎用又は専用のコンピュータで構成され、例えば、据置型コンピュータや携帯型コンピュータが使用される。管理者端末装置6は、各種の入力操作を受け付けるとともに、アプリやウェブブラウザ等のソフトウェアによる表示画面や音声を介して、各種の情報を出力する。また、管理者端末装置6は、ネットワーク7を介して切羽評価支援装置4等との間で各種のデータを送受信する。 The manager terminal device 6 is used, for example, by the on-site manager (which may be the same person as the worker). The manager terminal device 6 is composed of a general-purpose or dedicated computer, for example, a stationary computer or a portable computer. The manager terminal device 6 accepts various input operations and outputs various information via a display screen or voice using software such as an app or web browser. The manager terminal device 6 also transmits and receives various data to and from the face evaluation support device 4, etc., via the network 7.

図3は、切羽評価支援装置4の一例を示すブロック図である。切羽評価支援装置4は、HDD、SSD、メモリ等により構成される記憶部40と、CPU、GPU、MPU等のプロセッサにより構成される制御部41と、キーボード、マウス等により構成される入力部42と、ディスプレイ等により構成される表示部43と、所定の通信規格(有線及び無線のいずれでもよい)に基づくネットワーク7とのインターフェースである通信部44と、プリンタ、スキャナ、USBメモリ等の外部機器とのインターフェースである外部機器インターフェース(I/F)部45と、CD、DVD等の記憶媒体とのインターフェースであるメディア入出力部46とを備える。なお、入力部42及び表示部43は、タッチパネル等の共用の装置で構成されていてもよい。 Figure 3 is a block diagram showing an example of the face evaluation support device 4. The face evaluation support device 4 includes a storage unit 40 including a HDD, SSD, memory, etc., a control unit 41 including a processor such as a CPU, GPU, MPU, etc., an input unit 42 including a keyboard, mouse, etc., a display unit 43 including a display, etc., a communication unit 44 that is an interface with the network 7 based on a predetermined communication standard (which may be either wired or wireless), an external device interface (I/F) unit 45 that is an interface with external devices such as a printer, scanner, USB memory, etc., and a media input/output unit 46 that is an interface with storage media such as CDs and DVDs. The input unit 42 and the display unit 43 may be configured as a shared device such as a touch panel.

記憶部40には、基本プログラムであるオペレーティングシステム(OS)、切羽評価支援装置4の動作を制御する切羽評価支援プログラム10、切羽評価支援プログラム10で使用される各種のデータ(切羽管理データベース400等)、表計算処理を実行する表計算ソフトウェア、文書作成処理を実行する文書作成ソフトウェア、及び、ウェブブラウザソフトウェア等が記憶されている。 The memory unit 40 stores an operating system (OS), which is a basic program, a face evaluation support program 10 that controls the operation of the face evaluation support device 4, various data used by the face evaluation support program 10 (face management database 400, etc.), spreadsheet software that executes spreadsheet processing, document creation software that executes document creation processing, and web browser software, etc.

なお、切羽評価支援プログラム10、及び、切羽評価支援プログラム10で使用される各種のデータは、基本的には記憶部40に記憶されているが、これらのプログラムやデータは、通信部44や外部機器I/F部45を介して外部の記憶装置から取得されてもよいし、メディア入出力部46を介して記憶媒体から取得されてもよい。また、切羽評価支援プログラム10で使用される各種のデータは、表計算ソフトウェア、文書作成ソフトウェア及びウェブブラウザソフトウェアにて表示・編集可能な形式で作成されるのが好ましい。 The face evaluation support program 10 and the various data used in the face evaluation support program 10 are basically stored in the memory unit 40, but these programs and data may be acquired from an external storage device via the communication unit 44 or the external device I/F unit 45, or may be acquired from a storage medium via the media input/output unit 46. In addition, it is preferable that the various data used in the face evaluation support program 10 be created in a format that can be displayed and edited using spreadsheet software, word processing software, and web browser software.

制御部41は、切羽評価支援プログラム10を実行することにより、画像データ取得部11、点群データ取得部12、切羽評価部13、及び、支援情報出力部14として機能する。 The control unit 41 executes the face evaluation support program 10 to function as an image data acquisition unit 11, a point cloud data acquisition unit 12, a face evaluation unit 13, and a support information output unit 14.

図4は、切羽評価支援装置4の一例を示す機能説明図である。なお、切羽評価支援装置4は、切羽評価支援方法を実施する主体として動作し、切羽評価支援装置4の各部で行われる処理内容は、切羽評価支援方法の各工程に相当する。 Figure 4 is a functional diagram showing an example of a face evaluation support device 4. The face evaluation support device 4 operates as the main body that implements the face evaluation support method, and the processing contents performed by each part of the face evaluation support device 4 correspond to each step of the face evaluation support method.

画像データ取得部11は、トンネルの切羽Fを含む対象領域100が撮影された画像データを取得する。画像データ取得部11は、画像撮影装置2から、例えば、通信部44、外部機器I/F部45、メディア入出力部46等を介して画像データを取得する。また、画像データ取得部11は、カラー画像データに対して色補正を行う色補正部110を備える。なお、画像データは、過去に撮像されて切羽管理データベース400に記憶されたものでもよく、その場合には、画像データ取得部11は、切羽管理データベース400を参照すればよい。 The image data acquisition unit 11 acquires image data of a target area 100 including the tunnel face F. The image data acquisition unit 11 acquires image data from the image capture device 2, for example, via the communication unit 44, the external device I/F unit 45, the media input/output unit 46, etc. The image data acquisition unit 11 also includes a color correction unit 110 that performs color correction on color image data. Note that the image data may be image data that was captured in the past and stored in the face management database 400, in which case the image data acquisition unit 11 can simply refer to the face management database 400.

点群データ取得部12は、トンネルの切羽Fを含む対象領域100の三次元形状が計測された点群データを取得する。点群データ取得部12は、三次元形状計測装置3から、例えば、通信部44、外部機器I/F部45、メディア入出力部46等を介して点群データを取得する。なお、点群データは、過去に計測されて切羽管理データベース400に記憶されたものでもよく、その場合には、点群データ取得部12は、切羽管理データベース400を参照すれればよい。 The point cloud data acquisition unit 12 acquires point cloud data obtained by measuring the three-dimensional shape of the target area 100 including the tunnel face F. The point cloud data acquisition unit 12 acquires the point cloud data from the three-dimensional shape measurement device 3, for example, via the communication unit 44, the external device I/F unit 45, the media input/output unit 46, etc. Note that the point cloud data may be data that was previously measured and stored in the face management database 400, in which case the point cloud data acquisition unit 12 may simply refer to the face management database 400.

切羽評価部13は、画像データ取得部11により取得された画像データと、点群データ取得部12により取得された点群データとに基づいて、切羽Fを評価する。切羽評価部13で用いられる画像データは、色補正部110による色補正が行われた後の画像データである。 The face evaluation unit 13 evaluates the face F based on the image data acquired by the image data acquisition unit 11 and the point cloud data acquired by the point cloud data acquisition unit 12. The image data used by the face evaluation unit 13 is image data after color correction by the color correction unit 110.

切羽評価部13は、その構成として、切羽抽出部130、ラフネス数値化部131、領域区分部132、区分領域評価処理部133、及び、切羽領域評価処理部134を備える。各部の詳細は後述する。 The face evaluation unit 13 includes a face extraction unit 130, a roughness quantification unit 131, an area division unit 132, an area division evaluation processing unit 133, and a face area evaluation processing unit 134. Each unit will be described in detail later.

区分領域評価処理部133は、その構成として、割れ目卓越方向判定部133A、岩石グループ判定部133B、割れ目間隔判定部133C、割れ目形態判定部133D、及び、評価区分推論部133Eを備える。なお、各部133A~133Eのうちいずれかが省略されてもよい。 The section area evaluation processing unit 133 is configured to include a fracture dominant direction determination unit 133A, a rock group determination unit 133B, a fracture spacing determination unit 133C, a fracture shape determination unit 133D, and an evaluation section inference unit 133E. Any of the units 133A to 133E may be omitted.

切羽領域評価処理部134は、その構成として、第1の連続性割れ目検出部134A、第2の連続性割れ目検出部134B、第3の連続性割れ目検出部134C、人工物検出部134D、第1の肌落ち危険箇所予測部134E、第2の肌落ち危険箇所予測部134F、及び、肌落ち危険箇所評価部134Gを備える。なお、各部134A~134Gのうちいずれかが省略されてもよい。 The face area evaluation processing unit 134 is configured to include a first continuity crack detection unit 134A, a second continuity crack detection unit 134B, a third continuity crack detection unit 134C, an artificial object detection unit 134D, a first skin fall danger point prediction unit 134E, a second skin fall danger point prediction unit 134F, and a skin fall danger point evaluation unit 134G. Note that any of the units 134A to 134G may be omitted.

支援情報出力部14は、切羽評価部13による切羽Fの評価結果に基づいて、支援情報を出力する。支援情報は、アプリやウェブブラウザ等の任意のソフトウェアにて取り扱い可能な形式にて出力される。また、支援情報の出力先としては、例えば、切羽管理データベース400、作業者端末装置5、管理者端末装置6、外部機器(プリンタ、USBメモリ)等である。なお、支援情報出力部14は、画像データ取得部11及び点群データ取得部12により画像データ及び点群データが取得されたことに応じて支援情報を出力してもよいし、例えば、作業者端末装置5、管理者端末装置6等からの要求に応じて支援情報を出力するようにしてもよい。また、切羽管理データベース400に記憶された支援情報が、例えば、作業者端末装置5、管理者端末装置6等からの要求に応じて出力されるようにしてもよい。 The support information output unit 14 outputs support information based on the evaluation result of the face F by the face evaluation unit 13. The support information is output in a format that can be handled by any software such as an app or a web browser. In addition, the output destination of the support information is, for example, the face management database 400, the worker terminal device 5, the manager terminal device 6, an external device (printer, USB memory), etc. In addition, the support information output unit 14 may output the support information in response to the image data and point cloud data being acquired by the image data acquisition unit 11 and the point cloud data acquisition unit 12, or may output the support information in response to a request from the worker terminal device 5, the manager terminal device 6, etc. In addition, the support information stored in the face management database 400 may be output in response to a request from, for example, the worker terminal device 5, the manager terminal device 6, etc.

支援情報の内容としては、例えば、評価結果を所定の様式に則って記録した切羽観察シート情報15や、画像データを表示する表示画面上に評価結果を重畳して表示する切羽スケッチ情報16が挙げられる。 The support information includes, for example, face observation sheet information 15, which records the evaluation results according to a specified format, and face sketch information 16, which displays the evaluation results superimposed on a display screen that displays image data.

以下、切羽評価支援装置4の各部(切羽評価支援方法の各工程)の詳細と、切羽評価支援装置4による切羽Fの評価結果について、図5乃至図21を参照してそれぞれ説明する。 Below, we will explain the details of each part of the face evaluation support device 4 (each process of the face evaluation support method) and the evaluation results of the face F by the face evaluation support device 4 with reference to Figures 5 to 21.

(1)色補正部110による色補正処理
色補正部110は、画像データ取得部11が、画像データとして、切羽Fとともに、所定の白黒模様を有する色見本20とを含む対象領域100がカラーにより撮影されたカラー画像データを取得したとき、そのカラー画像データに対して色補正を行う。
(1) Color correction processing by color correction unit 110 When the image data acquisition unit 11 acquires color image data in which the target area 100 including the face F and a color sample 20 having a predetermined black and white pattern is photographed in color as image data, the color correction unit 110 performs color correction on the color image data.

図5は、色補正部110による色補正処理の一例を示すフロチャートである。 Figure 5 is a flowchart showing an example of color correction processing by the color correction unit 110.

まず、ステップS101では、カラー画像データに含まれる色見本20の白と黒の画素を用いて、カラー画像全体の色調を補正する。 First, in step S101, the color tone of the entire color image is corrected using the white and black pixels of the color sample 20 contained in the color image data.

次に、ステップS102では、カラー画像データをグレースケール画像に変換し、当該グレースケール画像を構成する全画素を明るさ順に並べたときの中間に位置する画素の明るさを、明るさ中間値として求める。 Next, in step S102, the color image data is converted to a grayscale image, and the brightness of the pixel located in the middle when all the pixels that make up the grayscale image are arranged in order of brightness is calculated as the median brightness value.

次に、ステップS103では、全画素を、明るさ中間値よりも高い明るさを有する画素からなる高明度画素群と、明るさ中間値以下の明るさを有する画像からなる低明度画素群とに分類する。 Next, in step S103, all pixels are classified into a high-brightness pixel group consisting of pixels with a brightness higher than the median brightness value, and a low-brightness pixel group consisting of pixels with a brightness equal to or lower than the median brightness value.

次に、ステップS104では、グレースケール画像に対して、例えば、最小110~最大253の閾値で二値化処理を行い、色見本20の外周の白枠を検出する。そして、グレースケール画像に対して、ノイズを除去するため、途切れた線分を結合する膨張処理を行い、輪郭検出処理を行う。その結果得られた輪郭のうち、サイズ、形状、面積比等に基づいて、色見本20の位置を検出する。 Next, in step S104, the grayscale image is binarized using a threshold value of, for example, a minimum of 110 and a maximum of 253, and a white frame on the periphery of the color sample 20 is detected. Then, in order to remove noise, the grayscale image is expanded to join broken line segments, and a contour detection process is performed. From the contours obtained as a result, the position of the color sample 20 is detected based on the size, shape, area ratio, etc.

次に、ステップS105では、色見本20の白部分に相当する画素群に対して、RGBの3成分の平均値をそれぞれ求め、各平均値のうちの最大値を選択する。そして、当該最大値と各平均値との各差分値を、高明度画素群に対する補正値に決定する。例えば、白部分に相当する画素群のRGBの平均値が、「230,216,231」と求められた場合、最大値として「231」が選択され、高明度画素群に対する補正値は、「1,15,0」と決定される。 Next, in step S105, the average values of the three RGB components are calculated for the pixel group corresponding to the white portion of the color sample 20, and the maximum value of each average value is selected. Then, the difference values between the maximum value and each average value are determined as the correction value for the high-brightness pixel group. For example, if the average RGB values of the pixel group corresponding to the white portion are calculated as "230, 216, 231," "231" is selected as the maximum value, and the correction values for the high-brightness pixel group are determined as "1, 15, 0."

次に、ステップS106では、高明度画素群の各画素に、ステップS105で決定した高明度画素群に対する補正値を3成分別に加算することにより、高明度画素群を色補正する。例えば、高明度画素群に属する特定の1つの画素が、「123,234,135」である場合、上記の補正値による補正後の画素は、「124,249,135」となる。 Next, in step S106, the high-brightness pixel group is color-corrected by adding the correction values for the high-brightness pixel group determined in step S105 to each pixel in the high-brightness pixel group for each of the three components. For example, if a specific pixel belonging to the high-brightness pixel group is "123, 234, 135," the pixel after correction using the above correction values will be "124, 249, 135."

次に、ステップS107では、色見本20の黒部分に相当する画素群に対して、3成分の平均値をそれぞれ求め、各平均値のうちの最小値を選択する。そして、当該最小値と各平均値との各差分値を、低明度画素群に対する補正値に決定する。例えば、黒部分に相当する画素群のRGBの平均値が、「24,4,6」と求められた場合、最小値として「4」が選択され、低明度画素群に対する補正値は、「20,0,2」と決定される。 Next, in step S107, the average values of the three components are calculated for the pixel group corresponding to the black portion of the color sample 20, and the minimum of the average values is selected. Then, the difference values between the minimum value and each average value are determined as the correction value for the low-brightness pixel group. For example, if the average values of RGB for the pixel group corresponding to the black portion are calculated as "24, 4, 6", "4" is selected as the minimum value, and the correction value for the low-brightness pixel group is determined as "20, 0, 2".

次に、ステップS108では、低明度画素群の各画素から、ステップS107で決定した低明度画素群に対する補正値を3成分別に減算することにより、低明度画素群を色補正する。例えば、低明度画素群に属する特定の1つの画素が、「43,30,35」である場合、上記の補正値による補正後の画素は、「23,30,33」となる。 Next, in step S108, the low-luminance pixel group is color-corrected by subtracting the correction values for the low-luminance pixel group determined in step S107 from each pixel in the low-luminance pixel group for each of the three components. For example, if a specific pixel belonging to the low-luminance pixel group has values of "43, 30, 35," the pixel after correction using the above correction values will have values of "23, 30, 33."

以上のように、色補正部110が、図5に示す一連の色補正処理を行うことにより、画像データにおける色合いの偏りが補正されるので、照明の種類や照度、画像撮影装置2の仕様や設定等の様々な条件が異なる場合であっても、補正後の画像データに基づいて切羽Fを適切に評価することができる。 As described above, the color correction unit 110 performs a series of color correction processes shown in FIG. 5 to correct color bias in the image data, so that the face F can be appropriately evaluated based on the corrected image data even when various conditions such as the type and illuminance of lighting, and the specifications and settings of the image capture device 2 are different.

(2)切羽抽出部130による切羽抽出処理
切羽抽出部130は、画像データ及び点群データの少なくとも一方に基づいて、対象領域100から切羽Fに対応する切羽領域101を抽出する。対象領域100から切羽領域101を抽出する方法としては、点群データを解析して抽出する第1の切羽抽出処理と、機械学習モデルを用いて画像データから抽出する第2の切羽抽出処理と、第1の切羽抽出処理と第1の切羽抽出処理の両方を併用する第3の切羽抽出処理とが挙げられる。
(2) Face extraction process by face extraction unit 130 The face extraction unit 130 extracts a face region 101 corresponding to the face F from the target area 100 based on at least one of image data and point cloud data. Methods for extracting the face region 101 from the target area 100 include a first face extraction process for extracting the face region 101 by analyzing point cloud data, a second face extraction process for extracting the face region 101 from image data using a machine learning model, and a third face extraction process for using both the first face extraction process and the first face extraction process.

図6は、点群データから切羽領域101を抽出する第1の切羽抽出処理の一例を示す説明図である。第1の切羽抽出処理では、点群データが、図6(a)に示すように、トンネル軸をz軸とする座標系(切羽面側に近づくほど座標値は減少)で計測された場合、切羽抽出部130は、各点のz軸の座標値に基づいて、切羽領域101を抽出する。例えば、トンネル工事の1回の発破で切羽面が進行する進行距離Lは、z軸に対して約1.5mであり、切羽面のz軸に対する凸凹は、進行距離L以下である。また、支保は、切羽面に対して進行距離Lよりも離れた位置に構築される。 Figure 6 is an explanatory diagram showing an example of the first face extraction process for extracting the face area 101 from point cloud data. In the first face extraction process, when the point cloud data is measured in a coordinate system in which the tunnel axis is the z-axis (the coordinate value decreases the closer to the face side) as shown in Figure 6 (a), the face extraction unit 130 extracts the face area 101 based on the z-axis coordinate value of each point. For example, the advance distance L of the face face in one blast in tunnel construction is about 1.5 m with respect to the z-axis, and the unevenness of the face face with respect to the z-axis is less than the advance distance L. In addition, the supports are constructed at a position farther away from the face face than the advance distance L.

したがって、切羽抽出部130は、図6(b)に示すように、点群データ取得部12により取得された点群データのz軸の最小値(計測位置からの最遠点)から進行距離Lまでの範囲を切羽領域101として抽出する。また、切羽抽出部130は、図6(c)に示すように、点群データのz軸の最小値に進行距離Lを加算した座標値以上の範囲を、支保及び路盤部の領域として、画像データ取得部11により取得された画像データに対してマスク処理を行うことにより、切羽領域101を抽出する。 Therefore, as shown in FIG. 6(b), the face extraction unit 130 extracts the range from the minimum value of the z axis of the point cloud data acquired by the point cloud data acquisition unit 12 (the farthest point from the measurement position) to the travel distance L as the face region 101. Also, as shown in FIG. 6(c), the face extraction unit 130 extracts the face region 101 by performing a mask process on the image data acquired by the image data acquisition unit 11, assuming the range equal to or greater than the coordinate value obtained by adding the travel distance L to the minimum value of the z axis of the point cloud data as the region of the supports and roadbed.

なお、点群データを用いた他の切羽抽出処理として、切羽抽出部130は、点群データから構成される三角網の各法線ベクトルが、切羽領域101では、z軸に沿う成分が卓越するが、支保および路盤部では、z軸成分と直交する成分が卓越するという特性を利用して、切羽領域101を抽出するようにしてもよい。 As another face extraction process using point cloud data, the face extraction unit 130 may extract the face region 101 by utilizing the characteristic that, in the face region 101, the components along the z-axis are predominant in the normal vectors of the triangular network formed from the point cloud data, while in the support and roadbed regions, the components perpendicular to the z-axis components are predominant.

図7は、画像データから切羽領域101を抽出する第2の切羽抽出処理の一例を示す説明図である。第2の切羽抽出処理で用いられる機械学習モデルは、例えば、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)で構成され、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽Fに対応する切羽領域101に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われたものである。すなわち、図7に示すように、機械学習の学習フェーズにおいて、教師データの学習用画像データを機械学習モデルに入力することで出力された切羽領域101の抽出結果と、教師データの正解ラベルとを比較し、その比較結果に基づいて畳み込みニューラルネットワークの重み付けパラメータを調整することで、機械学習が行われる。なお、切羽抽出部130は、図7に示すように、切羽領域101だけでなく、支保に対応する支保領域や路盤部に対応する路盤領域についても抽出するようにしてもよい。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the second face extraction process for extracting the face region 101 from image data. The machine learning model used in the second face extraction process is, for example, composed of a convolutional neural network (CNN), and machine learning is performed using training data including training image data of a face photographed and a correct answer label assigned to the face region 101 corresponding to the face F. That is, as shown in FIG. 7, in the learning phase of machine learning, the machine learning is performed by comparing the extraction result of the face region 101 output by inputting the training image data of the training data into the machine learning model with the correct answer label of the training data, and adjusting the weighting parameters of the convolutional neural network based on the comparison result. Note that the face extraction unit 130 may extract not only the face region 101, but also a support region corresponding to the support and a roadbed region corresponding to the roadbed portion, as shown in FIG. 7.

切羽抽出部130は、機械学習の推論フェーズを実行する主体であり、画像データ取得部11により取得された画像データを、学習済みの機械学習モデルに入力することにより、対象領域100から切羽領域101を抽出する。 The face extraction unit 130 is the entity that executes the inference phase of machine learning, and extracts the face area 101 from the target area 100 by inputting the image data acquired by the image data acquisition unit 11 into a trained machine learning model.

以上のようにして、切羽抽出部130による切羽抽出処理により、対象領域100から切羽領域101が抽出される。 In this manner, the face extraction process by the face extraction unit 130 extracts the face area 101 from the target area 100.

(3)ラフネス数値化部131によるラフネス数値化処理
ラフネス数値化部131は、点群データに基づいて、切羽抽出部130により抽出された切羽領域101に対して複数の走査方向に設定された複数の走査線に沿って切羽領域101における切羽面のラフネス(凸凹)をラフネス特徴量として数値化する。ラフネス数値化部131は、ラフネス特徴量として、切羽領域101に対応する点群データを複数の走査線に沿って周期関数によりそれぞれ近似したときのラフネス近似モデルの振幅値及び波長を数値化する。
(3) Roughness quantification process by roughness quantification unit 131 The roughness quantification unit 131 quantifies, based on the point cloud data, the roughness (unevenness) of the face in the face region 101 as a roughness feature along a plurality of scanning lines set in a plurality of scanning directions for the face region 101 extracted by the face extraction unit 130. The roughness quantification unit 131 quantifies, as the roughness feature, the amplitude value and wavelength of a roughness approximation model obtained when the point cloud data corresponding to the face region 101 is approximated by a periodic function along the plurality of scanning lines.

図8は、ラフネス数値化部131によるラフネス数値化処理の一例を示す説明図である。ラフネス特徴量は、点群データに基づいて、切羽面におけるz軸方向のラフネスを数値化したパラメータである。ラフネスは、複数の走査方向として、図8(a)に示すように、例えば、切羽面上の上下左右方向(x軸、y軸)と、斜め方向とにそれぞれ設定されて、所定の間隔d1、d2を空けた配置された複数の走査線iに沿って近似される。 Figure 8 is an explanatory diagram showing an example of roughness quantification processing by the roughness quantification unit 131. The roughness feature is a parameter that quantifies the roughness in the z-axis direction on the face based on the point cloud data. The roughness is approximated along multiple scanning lines i that are set in multiple scanning directions, for example, the up, down, left, right directions (x-axis, y-axis) and diagonal directions on the face as shown in Figure 8 (a), and are spaced at predetermined intervals d1 and d2.

走査線iに沿って近似されるラフネスは、図8(b)に示すように、走査線iから一定距離a内に位置する点群データにおけるz軸の座標値から設定される。走査線i上の基準線(面)からの高低差h(図8(c)参照)は、点群データに含まれる点群pの座標値と、走査線iから点群pまでの距離r(図8(b)参照)とを利用して、以下の[数1]式で求められる。ここで、pj,zは、点群pのz軸の座標値、zは、基準線(面)の値である。 The roughness approximated along the scanning line i is set from the z-axis coordinate value of the point cloud data located within a certain distance a from the scanning line i, as shown in Fig. 8(b). The height difference h i (see Fig. 8(c)) from the reference line (surface) on the scanning line i is calculated by the following formula (1) using the coordinate value of the point group p j included in the point cloud data and the distance r (see Fig. 8(b)) from the scanning line i to the point group p j . Here, p j,z is the z-axis coordinate value of the point group p j , and z 0 is the value of the reference line (surface).

Figure 0007679262000001
Figure 0007679262000001

切羽面のラフネスは、走査線i毎に、高低差の大きさと、高低の周期性に着目して、ラフネス近似モデルに近似される。ラフネス近似モデルは、周期関数を用いることにより、走査線iの位置tにおける基準面からの高低差H(t)が、以下の[数2]式でモデル化(近似)される。 The roughness of the face is approximated by a roughness approximation model for each scan line i, focusing on the magnitude of the height difference and the periodicity of the height difference. The roughness approximation model uses a periodic function to model (approximate) the height difference H(t) i from the reference surface at position t of the scan line i by the following [Equation 2].

Figure 0007679262000002
Figure 0007679262000002

ここで、波数kは、高低差の繰り返しの距離である波長λの逆数に相当する値である。係数A、Bは、特徴量であり、波数kに対して、例えば、最小二乗法、スパースモデリングを利用することで求められる。上記のラフネス近似モデルは、j個の周期関数の重ね合わせ和により、高低差の平均値による特徴付けを包含したモデリングとなっている。一方、波数kは、切羽Fの観察項目である割れ目間隔(頻度)を利用して設定されるようにしてもよい。 Here, the wave number kj is a value equivalent to the reciprocal of the wavelength λj , which is the repeat distance of the elevation difference. The coefficients Aj and Bj are feature quantities, and are obtained for the wave number kj by, for example, using the least squares method or sparse modeling. The above roughness approximation model is a modeling that includes characterization by the average elevation difference by the superposition sum of j periodic functions. On the other hand, the wave number kj may be set by using the crack interval (frequency), which is an observation item of the face F.

ラフネス数値化部131は、各走査線iに対するラフネス特徴量として、例えば、ラフネス近似モデルにおける振幅値及び波長を数値化する。ラフネス近似モデルの振幅値Cは、係数A、Bから、以下の[数3]式で求められる。また、ラフネス近似モデルの波長λは、振幅値Cが最大値となる波数k(=1/λ)により定められる。 The roughness quantification unit 131 quantifies, for example, the amplitude value and wavelength in the roughness approximation model as the roughness feature amount for each scanning line i. The amplitude value Cj of the roughness approximation model is calculated from coefficients Aj and Bj by the following formula [3]. Moreover, the wavelength λj of the roughness approximation model is determined by the wave number kj (=1/ λj ) at which the amplitude value Cj is maximum.

Figure 0007679262000003
Figure 0007679262000003

以上のようにして、ラフネス数値化部131によるラフネス数値化処理により、切羽領域101における切羽面のラフネスがラフネス特徴量として数値化される。 In this manner, the roughness of the face in the face region 101 is quantified as a roughness feature through the roughness quantification process performed by the roughness quantification unit 131.

(4)領域区分部132による領域区分処理
領域区分部132は、複数の走査線が交差する各交点に対して、ラフネス数値化部131により数値化されたラフネス特徴量の代表値を求め、交点毎の代表値の分布に基づいて、切羽抽出部130により抽出された切羽領域101を区分領域102に区分する。
(4) Area division processing by area division unit 132 The area division unit 132 calculates a representative value of the roughness feature quantified by the roughness quantification unit 131 for each intersection where multiple scanning lines intersect, and divides the face area 101 extracted by the face extraction unit 130 into divided areas 102 based on the distribution of the representative values for each intersection.

図9は、領域区分部132による領域区分処理の一例を示す説明図である。領域区分部132は、切羽領域101を区分領域102に区分する際、複数の走査線が交差する各交点Pにおけるラフネス特徴量の代表値を求める。例えば、図9(a)に示すように、上下方向及び斜め方向の4つの走査線が交差する交点Pi,j,k,lにおけるラフネス特徴量として、振幅値C及び波長λが数値化されている場合、ラフネス特徴の代表値は、4つの走査線におけるラフネス特徴量、すなわち、振幅値C及び波長λの平均(単純平均や加重平均)やベクトル和等により求められる。 9 is an explanatory diagram showing an example of region division processing by the region division unit 132. When dividing the face region 101 into the divided regions 102, the region division unit 132 obtains a representative value of the roughness feature amount at each intersection P where a plurality of scanning lines intersect. For example, as shown in FIG. 9A, when the amplitude value C and the wavelength λ are quantified as the roughness feature amount at the intersection P i, j, k, l where four scanning lines in the vertical and diagonal directions intersect, the representative value of the roughness feature amount is obtained by the average (simple average or weighted average) or vector sum of the roughness feature amount of the four scanning lines, i.e., the amplitude value C and the wavelength λ.

次に、領域区分部132は、図9(b)に示すように、交点P毎の代表値(振幅値C及び波長λ)と、振幅値Cの基準値C、及び、波長λの基準値λとを比較することにより、各交点Pが4つの特徴区分Ra、Rb、Rc、Rdのいずれに分類されるかを判定する。なお、振幅値Cに対して複数の基準値を設定したり、波長λに対して複数の基準値を設定したりすることで、特徴区分は、上記以外の特徴区分に分類されるようにしてもよい。 9B, the region partitioning unit 132 compares the representative values (amplitude value C and wavelength λ) for each intersection P with the reference value C 0 of the amplitude value C and the reference value λ 0 of the wavelength λ to determine which of the four characteristic partitions Ra, Rb, Rc, or Rd each intersection P is classified into. Note that the characteristic partitions may be classified into other characteristic partitions by setting multiple reference values for the amplitude value C or multiple reference values for the wavelength λ.

そして、領域区分部132は、各交点Pが分類された特徴区分Ra、Rb、Rc、Rdの分布に基づいて、切羽領域101を区分領域102に区分する。図9(c)には、例えば、特徴区分Raに分類された交点Pの集合である区分領域102(左上側部分)と、特徴区分Rdに分類された交点Pの集合である区分領域102(右下側部分)という2つの区分領域102に区分された場合が図示されている。 Then, the region division unit 132 divides the face region 101 into divided regions 102 based on the distribution of the characteristic divisions Ra, Rb, Rc, and Rd into which each intersection P is classified. FIG. 9(c) illustrates an example in which the face region 101 is divided into two divided regions 102: a divided region 102 (upper left part) which is a collection of intersections P classified into characteristic division Ra, and a divided region 102 (lower right part) which is a collection of intersections P classified into characteristic division Rd.

以上のようにして、領域区分部132による領域区分処理により、切羽領域101が、ラフネス特徴量の分布に基づいて、区分領域102に区分される。 In this manner, the area division process by the area division unit 132 divides the face area 101 into divided areas 102 based on the distribution of roughness features.

(5)区分領域評価処理部133による区分領域評価処理
区分領域評価処理部133は、領域区分部132により切羽領域101が区分された区分領域102毎に、切羽Fに関する観察項目を評価結果として評価する。区分領域評価処理部133は、区分領域102に対応する画像データ及び点群データに基づいて、各種の観察項目を区分領域102毎に評価するため、図4に示すように、割れ目卓越方向判定部133A、岩石グループ判定部133B、割れ目間隔判定部133C、割れ目形態判定部133D、及び、評価区分推論部133Eを備える。以下に各部(各工程)133A~133Eの詳細を説明する。
(5) Sectional Area Evaluation Processing by Sectional Area Evaluation Processing Unit 133 The sectional area evaluation processing unit 133 evaluates the observation items related to the face F as evaluation results for each sectional area 102 into which the face area 101 is divided by the area dividing unit 132. In order to evaluate various observation items for each sectional area 102 based on the image data and point cloud data corresponding to the sectional area 102, the sectional area evaluation processing unit 133 includes a fracture dominant direction determination unit 133A, a rock group determination unit 133B, a fracture spacing determination unit 133C, a fracture form determination unit 133D, and an evaluation section inference unit 133E, as shown in FIG. 4. Each unit (each process) 133A to 133E will be described in detail below.

(5-1)割れ目卓越方向判定部133A
図10は、割れ目卓越方向判定部133Aによる割れ目卓越方向の判定処理の一例を示す説明図である。割れ目卓越方向判定部133Aは、切羽領域101に対応する点群データから構成される三角網の各法線ベクトルを区分領域102毎にステレオネットに極投影し、ステレオネット上に極投影されたプロットの分布に基づいて、切羽面において卓越する割れ目の走向傾斜を示す割れ目卓越方向を区分領域102毎に判定する。
(5-1) Crack dominant direction determination unit 133A
10 is an explanatory diagram showing an example of a process of determining a predominant crack direction by the predominant crack direction determining unit 133A. The predominant crack direction determining unit 133A polar projects each normal vector of a triangular mesh composed of point cloud data corresponding to the face region 101 onto a stereo net for each divided region 102, and determines the predominant crack direction indicating the strike and dip of the predominant crack on the face for each divided region 102 based on the distribution of the polar projected plots on the stereo net.

切羽面では、既往の割れ目に沿って岩塊が分離、掘削されることが多いため、切羽面の凸凹は、割れ目に沿って表れる可能性が高い。そこで、各区分領域102における割れ目卓越方向を判定するため、割れ目卓越方向判定部133Aは、図10(a)に示すように、区分領域102に対応する点群データから構成された三角網を用いて、図10(b)、(c)に示すように、三角網に含まれる各三角形の法線ベクトルを、ステレオネット(等面積投影ネット)に極投影する。ステレオネットへの極投影では、各法線ベクトルの矢印基端側をステレオネットの中心に合わせて、トンネル軸(z軸)と一致する方向にそれぞれ投影する。 At the face, rock masses are often separated and excavated along existing cracks, so unevenness on the face is likely to appear along the cracks. Therefore, in order to determine the predominant crack direction in each divided area 102, the predominant crack direction determination unit 133A uses a triangular mesh composed of point cloud data corresponding to the divided area 102 as shown in FIG. 10(a), and polar projects the normal vectors of each triangle included in the triangular mesh onto a stereonet (equal area projection net) as shown in FIG. 10(b) and (c). In polar projection onto the stereonet, the arrow base end of each normal vector is aligned with the center of the stereonet, and each is projected in a direction that coincides with the tunnel axis (z-axis).

そして、割れ目卓越方向判定部133Aは、図10(c)に示すように、ステレオネット上に極投影された各法線ベクトルの矢印先端側に相当するプロットの分布に基づいて、密度コンター図を作成し、その密度コンター図において、所定の基準値より密度が高い範囲を割れ目卓越方向として判定する。その際、割れ目卓越方向判定部133Aは、割れ目卓越方向を区画領域毎に判定するが、1つの区画領域に対して複数の割れ目卓越方向が含まれると判定される場合もあり得る。 Then, as shown in FIG. 10(c), the crack dominant direction determination unit 133A creates a density contour diagram based on the distribution of plots corresponding to the arrow tip side of each normal vector polar projected onto the stereo net, and determines the range in the density contour diagram where the density is higher than a predetermined reference value as the crack dominant direction. In this case, the crack dominant direction determination unit 133A determines the crack dominant direction for each partitioned area, but there may be cases where it is determined that one partitioned area contains multiple crack dominant directions.

なお、点群データが、切羽面上で不規則に分布している場合には、ステレオネットに極投影されたプロットの数と、切羽面上での三角形の面積が対応しないことが想定される。その場合には、割れ目卓越方向判定部133Aは、三角網を構成する三角形の面積で重み付けを行い、ステレオネット上にプロットすることで、切羽面での面積を反映させた状態で割れ目卓越方向を判定するようにしてもよい。 When the point cloud data is irregularly distributed on the face, it is expected that the number of plots polar projected onto the stereonet will not correspond to the area of the triangles on the face. In that case, the crack dominant direction determination unit 133A may weight the triangles that make up the triangular network by the area of the triangles and plot them on the stereonet, thereby determining the crack dominant direction while reflecting the area on the face.

(5-2)岩石グループ判定部133B
図11は、岩石グループ判定部133Bによる岩石グループの判定処理の一例を示す説明図である。岩石グループ判定部133Bは、ラフネス数値化部131により数値化されたラフネス近似モデルの振幅値及び波長に基づいて、切羽面を構成する岩石の種別を示す岩石グループを区分領域102毎に判定する。
(5-2) Rock group determination unit 133B
11 is an explanatory diagram showing an example of a rock group determination process by the rock group determination unit 133B. The rock group determination unit 133B determines a rock group indicating the type of rock constituting the face for each divided area 102 based on the amplitude value and wavelength of the roughness approximation model quantified by the roughness quantification unit 131.

岩石グループとしては、例えば、風化区分が、塊状及び層状のいずれか、強度区分が、硬質、中硬質及び軟質のいずれかを組み合わせることで、複数の岩石の種別に分類される。例えば、硬質岩・塊状(例えば、花崗岩等)の岩石グループGaでは、割れ目の凸凹を示す振幅値が大きく、割れ目の間隔を示す波長は中程度から長くなる傾向がある。軟質岩・層状(例えば、第三紀頁岩、千枚岩等)の岩石グループGeでは、細かく層理や片理が入るため、層理や片理に沿った凸凹が表れることで振幅値は小さくなり、波長も小さくなる。軟質岩・塊状(例えば、固結度の低い凝灰角礫岩等)の岩石グループGcでは、掘削による切羽面が滑らかに仕上がることから、凸凹が殆どなく、振幅値は小さく、波長は長くなる。岩石グループ判定部133Bは、上記のような各岩石グループの傾向や特徴に着目することで、例えば、各交点Pにおける振幅値及び波長に基づいて、各区分領域102の岩石グループを判定する。なお、岩石グループ判定部133Bは、ラフネス特徴量だけでなく、他の観察項目(例えば、風化変質、圧縮強度等)に対する評価区分についても参照することにより、各区分領域102の岩石グループを判定するようにしてもよい。 Rock groups are classified into a number of rock types, for example, by combining weathering classifications of either massive or layered, and strength classifications of either hard, medium-hard, or soft. For example, in rock group Ga, which is hard rock/massive (e.g., granite, etc.), the amplitude value indicating the unevenness of the cracks tends to be large, and the wavelength indicating the spacing of the cracks tends to be medium to long. In rock group Ge, which is soft rock/layered (e.g., Tertiary shale, phyllite, etc.), fine bedding and schistosity are present, so the amplitude value becomes small and the wavelength becomes small due to the unevenness along the bedding and schistosity. In rock group Gc, which is soft rock/massive (e.g., tuff breccia with low degree of consolidation), the face is smoothly finished by excavation, so there is almost no unevenness, the amplitude value becomes small, and the wavelength becomes long. The rock group determination unit 133B determines the rock group of each divided area 102 by focusing on the tendencies and characteristics of each rock group as described above, for example, based on the amplitude value and wavelength at each intersection point P. Note that the rock group determination unit 133B may determine the rock group of each divided area 102 by referring not only to the roughness feature amount but also to the evaluation classification for other observation items (e.g., weathering, compressive strength, etc.).

(5-3)割れ目間隔判定部133C
図12は、割れ目間隔判定部133Cによる割れ目間隔の判定処理の一例を示す説明図である。割れ目間隔判定部133Cは、区分領域102に対応する画像データに対してエッジを検出するエッジ検出処理を行い、エッジ検出処理により検出されたエッジのエッジ密度に基づいて、エッジ密度と割れ目間隔との関係が定められた対応関係情報を参照することにより、割れ目間隔を区分領域102毎に判定する。
(5-3) Crack Spacing Determination Unit 133C
12 is an explanatory diagram showing an example of a process of determining the crack spacing by the crack spacing determiner 133C. The crack spacing determiner 133C performs an edge detection process to detect edges in image data corresponding to the partitioned region 102, and determines the crack spacing for each partitioned region 102 based on the edge density of the edges detected by the edge detection process by referring to correspondence information that defines the relationship between the edge density and the crack spacing.

割れ目間隔判定部133Cは、例えば、Canny法等の任意のエッジ検出処理により画像データからエッジを検出し、エッジ密度を算出する。そして、割れ目間隔判定部133Cは、エッジ密度と割れ目間隔との関係が、例えば、岩石の種別毎に定められた対応関係情報を参照し、岩石グループ判定部133Bにより判定された岩石グループの対応関係情報において、上記のようにして算出されたエッジ密度に対応付けられた割れ目間隔を特定することにより、割れ目間隔を判定する。 The crack spacing determination unit 133C detects edges from the image data using any edge detection process such as the Canny method, and calculates the edge density. The crack spacing determination unit 133C then determines the relationship between edge density and crack spacing by, for example, referring to correspondence information defined for each rock type, and identifying the crack spacing associated with the edge density calculated as described above in the correspondence information for the rock group determined by the rock group determination unit 133B.

なお、対応関係情報は、岩石の種類別に複数定められたものとして説明したが、これに限られず、例えば、他の観察項目別に複数定められていてもよいし、1つの対応関係情報が定められたものでもよい。 In the above description, multiple pieces of correspondence information are defined for each type of rock, but this is not limited to the above. For example, multiple pieces of correspondence information may be defined for each other observation item, or a single piece of correspondence information may be defined.

(5-4)割れ目形態判定部133D
図13は、割れ目形態判定部133Dによる割れ目形態の判定処理の一例を示す説明図である。割れ目形態判定部133Dは、ラフネス数値化部131がラフネス特徴量をラフネス近似モデルに近似したときの走査線の走査方向に応じた波長の特性に基づいて、割れ目形態を区分領域102毎に判定する。
(5-4) Crack shape determination unit 133D
13 is an explanatory diagram showing an example of a process of determining a crack form by the crack form determining unit 133D. The crack form determining unit 133D determines the crack form for each divided area 102 based on the wavelength characteristics according to the scanning direction of the scanning line when the roughness quantification unit 131 approximates the roughness feature amount to a roughness approximation model.

ラフネス数値化部131により走査線に沿って数値化されたラフネス特徴量は、割れ目形態の推定に利用可能である。上下左右及び斜め方向に設定された走査線において、高低差の繰り返しの距離である波長λが、走査線の方向によらず概ね一定である場合(所定の基準値の範囲内)には、割れ目形態判定部133Dは、その区画領域の割れ目形態は「ランダム方形」又は「土砂状」であると判定する。一方、走査線の方向により波長λが大きく異なる場合(所定の基準値の範囲外)には、割れ目形態判定部133Dは、その区画領域の割れ目形態は「柱状」又は「層状」であると判定する。 The roughness feature quantity quantified along the scan line by the roughness quantification unit 131 can be used to estimate the crack shape. When the wavelength λ, which is the distance of repeated height differences in scan lines set in the up, down, left, right, and diagonal directions, is roughly constant regardless of the direction of the scan line (within a range of a predetermined reference value), the crack shape determination unit 133D determines that the crack shape of the partitioned area is "random square" or "sand-like." On the other hand, when the wavelength λ varies greatly depending on the direction of the scan line (outside the range of a predetermined reference value), the crack shape determination unit 133D determines that the crack shape of the partitioned area is "columnar" or "layered."

(5-5)評価区分推論部133E
図14は、評価区分推論部133Eによる観察項目に関する評価区分の推論処理の一例を示す説明図である。評価区分推論部133Eは、区分領域102に対応する画像データを、機械学習モデルに入力することにより、評価区分を区分領域102毎に推論する。評価区分推論部133Eにより用いられる機械学習モデルは、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽Fに対して観察項目に関する評価区分が付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われたものである。
(5-5) Evaluation category inference unit 133E
14 is an explanatory diagram showing an example of an inference process of an evaluation category related to an observation item by the evaluation category inference unit 133E. The evaluation category inference unit 133E infers an evaluation category for each partitioned area 102 by inputting image data corresponding to the partitioned area 102 into a machine learning model. The machine learning model used by the evaluation category inference unit 133E is obtained by machine learning using training data including learning image data of an image of a face F and a correct answer label in which an evaluation category related to an observation item is assigned to the face F.

推論対象の観察項目としては、例えば、圧縮強度、風化変質、割れ目間隔、割れ目形態、割れ目状態、岩石グループ等が挙げられる。評価区分推論部133Eは、これらのうち少なくとも1つの観察項目に対して評価区分を推定するようにすればよい。なお、割れ目間隔、割れ目形態、割れ目状態、及び、岩石グループの各観察項目は、上記の割れ目間隔判定部133C、割れ目形態判定部133D、及び、岩石グループ判定部133Bにより判定可能であるが、評価区分推論部133Eは、これらに代えて各観察項目を推論してもよいし、これらと併用して各観察項目を推論してもよい。 Examples of observation items to be inferred include compressive strength, weathering, crack spacing, crack morphology, crack condition, and rock group. The evaluation category inference unit 133E may infer an evaluation category for at least one of these observation items. Note that the observation items of crack spacing, crack morphology, crack condition, and rock group can be determined by the above-mentioned crack spacing determination unit 133C, crack morphology determination unit 133D, and rock group determination unit 133B, but the evaluation category inference unit 133E may infer each observation item instead of these, or may infer each observation item in combination with these.

機械学習モデルは、例えば、畳み込みニューラルネットワークで構成され、図14に示すように、観察項目毎に作成されるのが好ましい。例えば、圧縮強度に関する機械学習モデルは、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽Fに対して圧縮強度に関する評価区分が付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われたものである。評価区分推論部133Eは、区画領域に対応する画像データを、学習済みの機械学習モデルに入力することにより、その区画領域に対して圧縮強度に関する評価区分を推論する。その際、画像データは、所定のサイズを有する小領域の画像に分割された状態で機械学習モデルにそれぞれ入力されてもよく、その場合には、評価区分推論部133Eは、区画領域に含まれる小領域単位で圧縮強度に関する評価区分を推論するようにしてもよい。その他の観察項目に関する機械学習モデルは、上記と同様に構成されるため、説明を省略する。 The machine learning model is preferably constructed, for example, by a convolutional neural network, and is created for each observation item, as shown in FIG. 14. For example, the machine learning model for compressive strength is machine-learned using training image data of a face photographed and teacher data including a correct answer label to which an evaluation category for compressive strength is assigned for the face F. The evaluation category inference unit 133E infers an evaluation category for compressive strength for a partitioned area by inputting image data corresponding to the partitioned area into a trained machine learning model. At that time, the image data may be input to the machine learning model in a state in which the image data is divided into images of small areas having a predetermined size, and in that case, the evaluation category inference unit 133E may infer an evaluation category for compressive strength for each small area included in the partitioned area. The machine learning models for other observation items are constructed in the same manner as above, and therefore will not be described.

(6)切羽領域評価処理部134による切羽領域評価処理
切羽領域評価処理部134は、切羽抽出部130により抽出された切羽領域101に対して、切羽Fに関する観察項目を評価結果として評価する。切羽領域評価処理部134は、各種の観察項目を評価するため、図4に示すように、第1の連続性割れ目検出部134A、第2の連続性割れ目検出部134B、第3の連続性割れ目検出部134C、人工物検出部134D、第1の肌落ち危険箇所予測部134E、及び、第2の肌落ち危険箇所予測部134F、及び、肌落ち危険箇所評価部134Gを備える。以下に各部(各工程)134A~133Gの詳細を説明する。
(6) Face area evaluation processing by the face area evaluation processing unit 134 The face area evaluation processing unit 134 evaluates the observation items related to the face F as evaluation results for the face area 101 extracted by the face extraction unit 130. In order to evaluate various observation items, the face area evaluation processing unit 134 includes a first continuity crack detection unit 134A, a second continuity crack detection unit 134B, a third continuity crack detection unit 134C, an artificial object detection unit 134D, a first skin fall danger location prediction unit 134E, a second skin fall danger location prediction unit 134F, and a skin fall danger location evaluation unit 134G, as shown in FIG. The details of each unit (each process) 134A to 133G will be described below.

(6―1)第1の連続性割れ目検出部134A
図15は、第1の連続性割れ目検出部134Aによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。第1の連続性割れ目検出部は、点群データに基づいて、切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する。具体的には、第1の連続性割れ目検出部は、切羽領域101に対応する点群データから構成される三角網の各辺から、共通の辺を含む2つの三角形の法線ベクトルがなす角度に基づいて連続性割れ目の一部をなすエッジの候補を抽出し、候補同士の連続性を判定することにより、切羽領域101に存在する連続性割れ目を検出する。
(6-1) First continuity break detection unit 134A
15 is an explanatory diagram showing an example of the continuity crack determination process by the first continuity crack detection unit 134A. The first continuity crack detection unit detects continuous cracks formed continuously on the face based on point cloud data. Specifically, the first continuity crack detection unit extracts candidates for edges that form part of the continuity crack based on the angle formed by the normal vectors of two triangles including a common side from each side of a triangular net composed of point cloud data corresponding to the face region 101, and detects the continuity cracks present in the face region 101 by determining the continuity between the candidates.

点群データでは、三角網により切羽面の凸凹形状が表現されるが、個々の三角形の各辺は、切羽面の凸凹のエッジを表すものと、便宜上の区切り線を表すものとが混在している。そのため、切羽面の凸凹のエッジを表す三角形の辺を抽出し、その抽出した各辺の連続性を考慮することで、連続性割れ目を識別する。 In point cloud data, the uneven shape of the face is represented by a triangular mesh, but the sides of each triangle are a mixture of those that represent the edges of the unevenness of the face and those that represent convenient dividing lines. Therefore, continuous cracks are identified by extracting the sides of the triangles that represent the edges of the unevenness of the face and considering the continuity of each extracted side.

隣接する2つの三角形A、Bに共通する辺abが、凸凹のエッジを表す否かの判定(エッジ判定処理)は、図15に示すように、三角形A、Bの法線ベクトルnA、nBがなす角度に基づいて行われる。例えば、2つの法線ベクトルnA、nBがなす角度θが、0°又は180°に対して所定の閾値範囲内にある場合には、三角形A、Bは、同一平面上にあるとみなされるため、辺abは、凸凹のエッジではないと判定し、そうでない場合には、辺abは、凸凹のエッジであると判定する。その際、法線ベクトルnA、nBのなす角度θを求めて判定してもよいし、法線ベクトルnA、nBの内積で判定してもよい。 The determination of whether side ab common to two adjacent triangles A and B represents a convex/concave edge (edge determination process) is performed based on the angle between normal vectors nA and nB of triangles A and B, as shown in FIG. 15. For example, if the angle θ between the two normal vectors nA and nB is within a predetermined threshold range of 0° or 180°, triangles A and B are considered to be on the same plane, and side ab is determined to not be a convex/concave edge; otherwise, side ab is determined to be a convex/concave edge. In this case, the angle θ between the normal vectors nA and nB may be calculated, or the inner product of the normal vectors nA and nB may be used.

第1の連続性割れ目検出部は、隣接する2つの三角形が共有する全ての辺に対して上記のエッジ判定処理を行い、連続性割れ目の一部をなすエッジの候補を抽出する。そして、エッジの候補同士の連続性は、抽出したエッジの各候補について、エッジの候補同士に連続性があるか否かの判定(連続性判定処理)を行い、連続するエッジ同士を折れ線として連結することで、グループ分けを行う。連続性判定処理では、判定対象の2つのエッジを線分ベクトルとし、両者の線分ベクトルのなす角度が所定の閾値以下の場合には、連続すると判定し、そうでない場合には、分断すると判定する。第1の連続性割れ目検出部は、グループ分けされた折れ線のうち、所定の閾値よりも短い折れ線を削除し、さらに、直進性の高いものを選択することで、連続性割れ目を検出する。 The first continuity crack detection unit performs the above edge determination process on all edges shared by two adjacent triangles, and extracts edge candidates that are part of the continuity crack. Then, for each of the extracted edge candidates, it determines whether there is continuity between the edge candidates (continuity determination process), and groups the edges by connecting consecutive edges as broken lines. In the continuity determination process, the two edges to be determined are treated as line segment vectors, and if the angle between the line segment vectors of the two edges is equal to or less than a predetermined threshold, it is determined that the edges are consecutive, and if not, it is determined that the edges are separated. The first continuity crack detection unit detects continuity cracks by deleting broken lines that are shorter than a predetermined threshold from the grouped broken lines, and further selecting those that are more straight.

(6―2)第2の連続性割れ目検出部134B
図16は、第2の連続性割れ目検出部134Bによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。第2の連続性割れ目検出部は、画像データに基づいて、切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する。具体的には、第2の連続性割れ目検出部は、切羽領域101に対応する画像データを、機械学習モデルに入力することにより、切羽領域101に存在する連続性割れ目を検出する。第2の連続性割れ目検出部により用いられる機械学習モデルは、例えば、畳み込みニューラルネットワークで構成され、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽Fに形成された連続性割れ目に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われたものである。
(6-2) Second continuity break detection unit 134B
FIG. 16 is an explanatory diagram showing an example of a process for determining a continuity crack by the second continuity crack detection unit 134B. The second continuity crack detection unit detects continuous cracks formed continuously on the face surface based on image data. Specifically, the second continuity crack detection unit detects continuous cracks present in the face region 101 by inputting image data corresponding to the face region 101 into a machine learning model. The machine learning model used by the second continuity crack detection unit is, for example, composed of a convolutional neural network, and machine learning is performed using teacher data including learning image data of a face photographed and a correct answer label assigned to the continuous crack formed in the face F.

(6―3)第3の連続性割れ目検出部134C
図17は、第3の連続性割れ目検出部134Cによる連続性割れ目の判定処理の一例を示す説明図である。第3の連続性割れ目検出部は、画像データ及び点群データに基づいて、切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する。具体的には、第3の連続性割れ目検出部は、切羽領域101に対応する画像データに対してエッジを検出するエッジ検出処理を行い、エッジ検出処理により検出されたエッジを、点群データに対して割れ目卓越方向判定部133Aにより判定された区分領域102毎の割れ目卓越方向にフィッティングすることにより、切羽領域101に存在する連続性割れ目を検出する。
(6-3) Third continuity break detection unit 134C
17 is an explanatory diagram showing an example of the determination process of the continuity crack by the third continuity crack detection unit 134C. The third continuity crack detection unit detects the continuity cracks formed continuously on the face based on the image data and the point cloud data. Specifically, the third continuity crack detection unit performs an edge detection process to detect edges on the image data corresponding to the face region 101, and detects the continuity cracks present in the face region 101 by fitting the edges detected by the edge detection process to the crack dominant direction for each divided region 102 determined by the crack dominant direction determination unit 133A for the point cloud data.

第3の連続性割れ目検出部は、例えば、Canny法等の任意のエッジ検出処理により画像データからエッジを検出する。そして、第3の連続性割れ目検出部は、その検出されたエッジを、例えば、最小二乗法、スパースモデリングにより、区分領域102毎の割れ目卓越方向にフィッティングするフィッティング処理を行うことにより、連続性割れ目を検出する。 The third continuity crack detection unit detects edges from the image data using any edge detection process, such as the Canny method. The third continuity crack detection unit then detects continuity cracks by performing a fitting process that fits the detected edges to the crack dominant direction for each divided area 102, for example, using the least squares method or sparse modeling.

(6-4)人工物検出部134D
図18は、人工物検出部134Dによる人工物の検出処理の一例を示す説明図である。人工物検出部134Dは、対象領域100に対応する画像データに基づいて、対象領域100に存在する人工物を検出する。具体的には、人工物検出部134Dは、対象領域100に対応する画像データを、切羽領域101に対応する画像データと、切羽領域101以外(例えば、支保領域や路盤部領域)に対応する画像データとに分けて、それらの画像データを、機械学習モデルにそれぞれ入力することにより、切羽領域101に存在する人工物と、切羽領域101以外に存在する人工物とをそれぞれ検出する。人工物検出部134Dにより用いられる機械学習モデルは、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽又はその周囲に設置された人工物に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われたものである。
(6-4) Artifact detection unit 134D
FIG. 18 is an explanatory diagram showing an example of a detection process of an artificial object by the artificial object detection unit 134D. The artificial object detection unit 134D detects an artificial object present in the target area 100 based on image data corresponding to the target area 100. Specifically, the artificial object detection unit 134D separates the image data corresponding to the target area 100 into image data corresponding to the face area 101 and image data corresponding to areas other than the face area 101 (for example, a support area or a roadbed area), and inputs the image data into a machine learning model, thereby detecting an artificial object present in the face area 101 and an artificial object present outside the face area 101. The machine learning model used by the artificial object detection unit 134D is obtained by machine learning using training data including learning image data of a face photographed and a correct answer label assigned to an artificial object installed at the face or around it.

検出対象の人工物としては、例えば、鋼製支保、ロックボルト、鏡ボルト、先受工、黒板、人、人や機械類の影等が挙げられる。人工物検出部134Dは、これらのうち少なくとも1つの人工物を検出するようにすればよい。切羽領域101における検出対象の人工物は、例えば、鏡ボルト、先受工、黒板、人、人や機械類の影等であり、切羽領域101以外の支保領域や路盤部領域における検出対象の人工物は、例えば、ロックボルト、鋼製支保、黒板、人、人や機械類の影等であるが、これらの例に限られない。図18には、人工物検出部134Dが、切羽領域101に対して複数の先受工を検出するとともに、支保領域に対して複数のロックボルトを検出した場合が例示されている。 Examples of man-made objects to be detected include steel supports, rock bolts, head bolts, pre-work, blackboards, people, and shadows of people and machinery. The man-made object detection unit 134D may detect at least one of these man-made objects. Man-made objects to be detected in the face region 101 include, for example, head bolts, pre-work, blackboards, people, and shadows of people and machinery, while man-made objects to be detected in the support region and roadbed region other than the face region 101 include, for example, rock bolts, steel supports, blackboards, people, and shadows of people and machinery, but are not limited to these examples. FIG. 18 illustrates an example in which the man-made object detection unit 134D detects multiple pre-work in the face region 101 and multiple rock bolts in the support region.

機械学習モデルは、例えば、畳み込みニューラルネットワークで構成され、切羽領域101に対応する画像データから人工物を検出するための機械学習モデルと、切羽領域101以外に対応する画像データから人工物を検出するための機械学習モデルとは、共通の機械学習モデルとして作成されてもよいし、別々の機械学習モデルとして作成されてもよい。また、機械学習モデルは、検出対象の人工物の種類毎に作成されてもよい。さらに、画像データは、所定のサイズを有する小領域の画像に分割された状態で機械学習モデルにそれぞれ入力されてもよく、その場合には、人工物検出部134Dは、対象領域100に含まれる小領域単位で人工物を検出するようにしてもよい。 The machine learning model is, for example, configured with a convolutional neural network, and the machine learning model for detecting artifacts from image data corresponding to the face region 101 and the machine learning model for detecting artifacts from image data corresponding to regions other than the face region 101 may be created as a common machine learning model, or may be created as separate machine learning models. Furthermore, a machine learning model may be created for each type of artifact to be detected. Furthermore, the image data may be input to the machine learning model in a state in which the image data is divided into images of small regions having a predetermined size, and in that case, the artifact detection unit 134D may detect artifacts in units of small regions included in the target region 100.

(6-5)第1の肌落ち危険箇所予測部134E
図19は、肌落ち危険個所の予測処理の一例を示す説明図である。第1の肌落ち危険箇所予測部134Eは、点群データに基づいて、切羽Fにおいて肌落ちの危険性が存在する箇所を示す肌落ち危険個所を予測する。具体的には、第1の肌落ち危険箇所予測部134Eは、図19に示すように、割れ目卓越方向判定部133Aにより判定された区分領域102毎の割れ目卓越方向をステレオネットに大円投影し、少なくとも三方向に延びる割れ目卓越方向により閉多角形が形成された場合、当該閉多角形に対応する切羽の範囲を、肌落ち危険個所として予測する。
(6-5) First skin loss risk location prediction unit 134E
19 is an explanatory diagram showing an example of a process for predicting a skin-fall danger area. The first skin-fall danger area prediction unit 134E predicts a skin-fall danger area indicating an area where a risk of skin-fall exists at the face F based on point cloud data. Specifically, as shown in FIG. 19, the first skin-fall danger area prediction unit 134E projects the crack dominant direction for each divided area 102 determined by the crack dominant direction determination unit 133A onto a stereo net as a great circle, and when a closed polygon is formed by the crack dominant directions extending in at least three directions, predicts the range of the face corresponding to the closed polygon as a skin-fall danger area.

第1の肌落ち危険箇所予測部134Eでは、点群データに対して割れ目卓越方向判定部133Aにより判定された区分領域102毎の割れ目卓越方向を幾何学的に利用して、肌落ち危険箇所を予測する。例えば、割れ目卓越方向を、ステレオネットに大円として投影し、ステレオネット上に球面三角形が形成される場合、その球面三角形に対応する領域が、切羽面から抜け出し可能なブロックと予測される。 The first skin-fall danger area prediction unit 134E predicts skin-fall danger areas by geometrically utilizing the predominant crack direction for each divided area 102 determined by the predominant crack direction determination unit 133A for the point cloud data. For example, if the predominant crack direction is projected as a great circle onto a stereonet and a spherical triangle is formed on the stereonet, the area corresponding to the spherical triangle is predicted to be a block that can escape from the face.

(6-6)第2の肌落ち危険箇所予測部134F
第2の肌落ち危険箇所予測部134Fは、画像データに基づいて、切羽Fにおいて肌落ちの危険性が存在する箇所を示す肌落ち危険個所を予測する。具体的には、第2の肌落ち危険箇所予測部134Fは、図19に示すように、切羽領域101に対応する画像データを、切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽Fにおいて肌落ちの危険性が存在する肌落ち危険個所に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われた機械学習モデルに入力することにより、切羽領域101に存在する肌落ち危険個所を予測する。
(6-6) Second skin loss risk location prediction unit 134F
The second skin-fall danger area prediction unit 134F predicts, based on image data, skin-fall danger areas that indicate areas where there is a risk of skin-fall at the face F. Specifically, as shown in Fig. 19, the second skin-fall danger area prediction unit 134F predicts skin-fall danger areas that exist in the face area 101 by inputting image data corresponding to the face area 101 into a machine learning model that has been machine-learned using training data that includes a photograph of the face and a correct answer label that has been assigned to the skin-fall danger areas at the face F where there is a risk of skin-fall.

機械学習モデルは、例えば、畳み込みニューラルネットワークで構成される。画像データは、所定のサイズを有する小領域の画像に分割された状態で機械学習モデルにそれぞれ入力されてもよく、その場合には、第2の肌落ち危険箇所予測部134Fは、切羽領域101に含まれる小領域単位で肌落ちの危険性が存在するか否かを推論するようにしてもよい。 The machine learning model is, for example, configured with a convolutional neural network. The image data may be divided into small area images of a predetermined size and input to the machine learning model. In this case, the second skin-fall risk area prediction unit 134F may infer whether or not there is a risk of skin-fall for each small area included in the face area 101.

(6-7)肌落ち危険箇所評価部134G
肌落ち危険箇所評価部134Gは、図19に示すように、第1の肌落ち危険箇所予測部134Eによる予測結果と、前記第2の肌落ち危険箇所予測部134Fによる予測結果とに基づいて、肌落ち危険箇所を予測する、具体的には、肌落ち危険箇所評価部134Gは、第1の肌落ち危険箇所予測部134Eにより予測された肌落ち危険箇所と、第2の肌落ち危険箇所予測部134Fにより予測された肌落ち危険箇所とを比較し、その比較結果として一致度が高い肌落ち危険箇所に対して危険性が高いと判定する。
(6-7) Skin fall risk location evaluation unit 134G
As shown in FIG. 19, the skin fall danger area evaluation unit 134G predicts skin fall danger areas based on the prediction results by the first skin fall danger area prediction unit 134E and the prediction results by the second skin fall danger area prediction unit 134F. Specifically, the skin fall danger area evaluation unit 134G compares the skin fall danger areas predicted by the first skin fall danger area prediction unit 134E with the skin fall danger areas predicted by the second skin fall danger area prediction unit 134F, and determines that skin fall danger areas with a high degree of agreement as a result of the comparison are at high risk.

なお、肌落ち危険箇所評価部134Gは、他の観察項目を考慮して肌落ち危険箇所を予測するようにしてもよい。例えば、肌落ち危険箇所評価部134Gは、人工物検出部134Dにより検出された人工物として、例えば、鏡ボルトが設置されていることが検出された場合には、肌落ちの危険性が高いと判定するようにしてもよい。また、第1の肌落ち危険箇所予測部134E及び第2の肌落ち危険箇所予測部134Fのいずれか一方が省略された場合には、肌落ち危険箇所評価部134Gは、他方の肌落ち危険箇所評価部により予測された肌落ち危険箇所をそのまま出力するようにしてもよいし、肌落ち危険箇所評価部134G自体が、省略されてもよい。 The skin-fall danger point evaluation unit 134G may predict the skin-fall danger points taking into account other observation items. For example, the skin-fall danger point evaluation unit 134G may determine that there is a high risk of skin falling when, for example, a mirror bolt is detected as an artificial object detected by the artificial object detection unit 134D. Furthermore, when either the first skin-fall danger point prediction unit 134E or the second skin-fall danger point prediction unit 134F is omitted, the skin-fall danger point evaluation unit 134G may output the skin-fall danger points predicted by the other skin-fall danger point evaluation unit as is, or the skin-fall danger point evaluation unit 134G itself may be omitted.

(7)支援情報出力部14による支援情報出力処理
支援情報出力部14は、上記のように、切羽評価部13による各観察項目に対する切羽Fの評価結果に基づいて、支援情報として、切羽観察シート情報15、切羽スケッチ情報16等を生成し、データ記憶出力、画面表示出力、印刷出力等の出力形態により出力する。
(7) Support information output processing by the support information output unit 14 As described above, the support information output unit 14 generates face observation sheet information 15, face sketch information 16, etc. as support information based on the evaluation results of the face F for each observation item by the face evaluation unit 13, and outputs it in an output form such as data storage output, screen display output, print output, etc.

図20は、切羽観察シート情報15の印刷出力例である切羽観察シート150を示す図である。切羽観察シート150は、各観察項目に対する切羽Fの評価結果を所定の様式に則って記録したものである。図20の例では、切羽観察シート150は、切羽Fに関する情報が記録された切羽情報欄151と、切羽Fの評価結果が記録された評価区分欄152とを備える。 Figure 20 shows a face observation sheet 150, which is a printout example of face observation sheet information 15. The face observation sheet 150 records the evaluation results of the face F for each observation item in a specified format. In the example of Figure 20, the face observation sheet 150 includes a face information column 151 in which information about the face F is recorded, and an evaluation category column 152 in which the evaluation results of the face F are recorded.

切羽情報欄151には、例えば、現場名称、現場位置、観察日時等が記録される。評価区分欄152には、例えば、圧縮強度、風化変質、割れ目間隔、割れ目状態、走向傾斜(割れ目卓越方向)等に対する評価区分が記録される。 In the face information column 151, for example, the site name, site location, observation date and time, etc. are recorded. In the evaluation category column 152, for example, the evaluation category for compressive strength, weathering, crack spacing, crack condition, strike and dip (crack dominance direction), etc. are recorded.

図20に示す評価区分欄152では、切羽Fを、天端、左肩及び右肩という3つの領域に分割したときの各領域に対する評価区分がそれぞれ記録されたものである。これは、切羽評価部13(特に区分領域評価処理部133)により各観察項目に対して区分領域102毎に評価された評価結果を、各区分領域102と、天端、左肩及び右肩という3つの領域とが重なり合う面積比に基づいて、区分領域102毎の評価結果を重み付け加算することで、天端、左肩及び右肩に対する評価結果に換算したものである。 In the evaluation category column 152 shown in FIG. 20, the evaluation category for each area when the face F is divided into three areas, the top, left shoulder, and right shoulder, is recorded. This is the evaluation result evaluated for each observation item for each divided area 102 by the face evaluation unit 13 (particularly the divided area evaluation processing unit 133) is converted into an evaluation result for the top, left shoulder, and right shoulder by weighting and adding the evaluation result for each divided area 102 based on the area ratio of overlap between each divided area 102 and the top, left shoulder, and right shoulder.

なお、支援情報出力部14は、天端、左肩及び右肩という3つの領域毎の評価結果を記録した切羽観察シート情報15に代えて又は加えて、区分領域102毎の評価結果を記録した切羽観察シート情報15を出力するようにしてもよい。また、切羽観察シート情報15の様式として、切羽観察シート情報15に含まれる観察項目、評価結果のレイアウト、評価結果の出力形式(点数形式、表形式、グラフ形式、画像重畳形式等)等は、図20の例に限られず、適宜変更されてもよく、例えば、管理者や作業者により変更可能であってもよい。 The support information output unit 14 may output face observation sheet information 15 recording the evaluation results for each divided area 102 instead of or in addition to the face observation sheet information 15 recording the evaluation results for each of the three areas, the top, left shoulder, and right shoulder. In addition, the format of the face observation sheet information 15, such as the observation items included in the face observation sheet information 15, the layout of the evaluation results, and the output format of the evaluation results (score format, table format, graph format, image overlay format, etc.), are not limited to the example in FIG. 20, and may be changed as appropriate, and may be changeable by a manager or worker, for example.

図21は、切羽スケッチ情報16の画面表示例である切羽スケッチ画面160を示す図である。切羽スケッチ画面160は、画像データを表示する表示画面上に、各観察項目に対する切羽Fの評価結果を重畳して表示するものである。図21の例では、切羽スケッチ画面160は、切羽Fに関する情報を表示する切羽情報欄161と、切羽Fの画像データを表示する画像表示領域162と、切羽領域101、区分領域102及び各種の観察項目のうち画像表示領域162内に表示する対象を選択する表示項目選択欄163と、表示項目選択欄163の選択項目に従って画像表示領域162内に切羽Fの評価結果を表示する表示マーカ164とを備える。 Figure 21 is a diagram showing a face sketch screen 160, which is an example of a screen display of face sketch information 16. The face sketch screen 160 displays the evaluation results of the face F for each observation item superimposed on a display screen that displays image data. In the example of Figure 21, the face sketch screen 160 includes a face information column 161 that displays information about the face F, an image display area 162 that displays image data of the face F, a display item selection column 163 that selects which of the face area 101, the division area 102, and various observation items to display in the image display area 162, and a display marker 164 that displays the evaluation results of the face F in the image display area 162 according to the selection item in the display item selection column 163.

切羽情報欄161には、例えば、現場名称、現場位置、観察日時等が表示される。画像表示領域162には、画像データ取得部11により取得された画像データが表示される。画像表示領域162は、画像の拡大・縮小が変更可能に構成されるとともに、作業者や管理者による画面上でのスケッチ操作を受付可能に構成される。なお、画像表示領域162には、色補正部110により色補正が行われる前の画像が表示されてもよいし、色補正が行われた後の画像が表示されてもよい。 The working face information column 161 displays, for example, the site name, site location, observation date and time, etc. The image display area 162 displays image data acquired by the image data acquisition unit 11. The image display area 162 is configured to allow the image to be enlarged or reduced, and is configured to allow sketch operations on the screen by workers or managers. The image display area 162 may display an image before color correction is performed by the color correction unit 110, or an image after color correction is performed.

表示項目選択欄163は、観察項目の選択肢として、例えば、走向傾斜(割れ目卓越方向)、岩石グループ、圧縮強度、風化変質、割れ目間隔、割れ目形態、割れ目状態、連続性割れ目、人工物、肌落ち危険箇所等を有する。 The display item selection field 163 has options for observation items, such as strike and dip (crack dominance direction), rock group, compressive strength, weathering, crack spacing, crack shape, crack condition, continuous cracks, man-made objects, and areas at risk of skin falling.

表示マーカ164は、切羽領域101及び区分領域102の外周を枠線で描画したり、各観察項目の評価結果をそれぞれ表示したりする。その際、表示マーカ164は、各観察項目の評価結果を、画像上にて対応する位置に重畳するように表示されてもよいし、引き出し線等で対応関係が分かるようにして表示されてもよい。また、表示マーカ164の表示形態(色、模様等)等は、図21の例に限られず、適宜変更されてもよく、例えば、管理者や作業者により変更可能であってもよい。 The display marker 164 draws a frame around the outer periphery of the face area 101 and the division area 102, and displays the evaluation results of each observation item. In this case, the display marker 164 may display the evaluation results of each observation item by superimposing them at the corresponding position on the image, or may display them so that the corresponding relationship can be seen using a leader line or the like. In addition, the display form (color, pattern, etc.) of the display marker 164 is not limited to the example in FIG. 21 and may be changed as appropriate, and may be changeable by a manager or worker, for example.

以上のように、本実施形態に係る切羽評価支援装置4によれば、切羽抽出部130が、画像データ及び点群データの少なくとも一方に基づいて、切羽Fに対応する切羽領域101を抽出し、ラフネス数値化部131が、点群データに基づいて、切羽領域101における切羽面のラフネスをラフネス特徴量として数値化し、領域区分部132が、ラフネス特徴量の分布に基づいて、切羽領域101を区分領域102に区分し、区分領域評価処理部133が、切羽Fに関する観察項目を区分領域102毎に評価する。そのため、切羽Fに対応する切羽領域101が区分領域102に区分され、切羽Fに関する観察項目が区分領域102毎に評価される。したがって、切羽Fの評価に際して評価品質を向上させることができる。 As described above, according to the face evaluation support device 4 of this embodiment, the face extraction unit 130 extracts the face region 101 corresponding to the face F based on at least one of the image data and the point cloud data, the roughness quantification unit 131 quantifies the roughness of the face surface in the face region 101 as a roughness feature based on the point cloud data, the region division unit 132 divides the face region 101 into divided regions 102 based on the distribution of the roughness feature, and the divided region evaluation processing unit 133 evaluates the observation items related to the face F for each divided region 102. Therefore, the face region 101 corresponding to the face F is divided into divided regions 102, and the observation items related to the face F are evaluated for each divided region 102. Therefore, the evaluation quality can be improved when evaluating the face F.

また、区分領域評価処理部133が、上記のように、各部133A~133Eを備えることにより、各観察項目について区分領域102毎に評価することができる。さらに、切羽領域評価処理部134が、上記のように、各部134A~134Gを備えることにより、各観察項目について切羽領域101全体を評価することができる。 In addition, by providing the section area evaluation processing unit 133 with the respective units 133A to 133E as described above, it is possible to evaluate each observation item for each section area 102. Furthermore, by providing the face area evaluation processing unit 134 with the respective units 134A to 134G as described above, it is possible to evaluate the entire face area 101 for each observation item.

(他の実施形態)
本発明は上述した実施形態に制約されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。そして、それらはすべて、本発明の技術思想に含まれるものである。
Other Embodiments
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. All such modifications are included in the technical concept of the present invention.

上記実施形態では、切羽評価支援プログラム10は、記憶部40に記憶されたものとして説明した。これに対し、切羽評価支援プログラム10は、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD-ROM、DVD等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されて提供されてもよい。また、切羽評価支援プログラム10は、外部の装置からネットワーク7経由でダウンロードさせることにより提供されてもよい。また、切羽評価部13で用いられる各種の機械学習モデルは、記憶部40に記憶されていてもよいし、外部の装置に記憶されて、ネットワーク7経由でアクセスしてもよい。 In the above embodiment, the face evaluation support program 10 has been described as being stored in the storage unit 40. In contrast, the face evaluation support program 10 may be provided by being recorded in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM or DVD as a file in an installable or executable format. The face evaluation support program 10 may also be provided by being downloaded from an external device via the network 7. The various machine learning models used in the face evaluation unit 13 may also be stored in the storage unit 40, or may be stored in an external device and accessed via the network 7.

上記実施形態では、機械学習モデルを用いた機械学習の具体的な手法として、畳み込みニューラルネットワークを採用した場合について説明したが、機械学習モデルは、任意の他の機械学習の手法(教師あり学習だけでなく、教師なし学習や強化学習も含む)を採用してもよい。他の機械学習の手法としては、例えば、決定木、回帰木等のツリー型、バギング、ブースティング等のアンサンブル学習、再帰型ニューラルネットワーク等の他のニューラルネット型(ディープラーニングを含む)、階層型クラスタリング、非階層型クラスタリング、k近傍法、k平均法等のクラスタリング型、主成分分析、因子分析、ロジスティク回帰等の多変量解析、サポートベクターマシン等が挙げられる。 In the above embodiment, a case where a convolutional neural network is adopted as a specific method of machine learning using a machine learning model has been described, but the machine learning model may adopt any other machine learning method (including not only supervised learning but also unsupervised learning and reinforcement learning). Examples of other machine learning methods include tree types such as decision trees and regression trees, ensemble learning such as bagging and boosting, other neural network types (including deep learning) such as recurrent neural networks, clustering types such as hierarchical clustering, non-hierarchical clustering, k-nearest neighbors, and k-means, multivariate analysis such as principal component analysis, factor analysis, and logistic regression, and support vector machines.

1…切羽評価支援システム、2…画像撮影装置、3…三次元形状計測装置、
4…切羽評価支援装置、5…作業者端末装置、6…管理者端末装置、7…ネットワーク、
10…切羽評価支援プログラム、
11…画像データ取得部、12…点群データ取得部、13…切羽評価部、
14…支援情報出力部、15…切羽観察シート情報、16…切羽スケッチ情報、
20…色見本、
40…記憶部、41…制御部、42…入力部、43…表示部、44…通信部、
45…外部機器I/F部、46…メディア入出力部、
100…対象領域、101…切羽領域、102…区分領域、110…色補正部、
130…切羽抽出部、131…ラフネス数値化部、132…領域区分部、
133…区分領域評価処理部、133A…割れ目卓越方向判定部、
133B…岩石グループ判定部、133C…割れ目間隔判定部、
133D…割れ目形態判定部、133E…評価区分推論部、
134…切羽領域評価処理部、134A…第1の連続性割れ目検出部、
134B…第2の連続性割れ目検出部、134C…第3の連続性割れ目検出部、
134D…人工物検出部、134E…第1の肌落ち危険箇所予測部、
134F…第2の肌落ち危険箇所予測部、134G…肌落ち危険箇所評価部、
150…切羽観察シート、151…切羽情報欄、152…評価区分欄、
160…切羽スケッチ画面、161…切羽情報欄、162…画像表示領域、
163…表示項目選択欄、164…表示マーカ、400…切羽管理データベース
1 ... face evaluation support system, 2 ... image capturing device, 3 ... three-dimensional shape measuring device,
4... Face evaluation support device, 5... Worker terminal device, 6... Manager terminal device, 7... Network,
10... Face evaluation support program,
11: image data acquisition unit, 12: point cloud data acquisition unit, 13: face evaluation unit,
14... Support information output unit, 15... Face observation sheet information, 16... Face sketch information,
20...Color sample,
40: storage unit, 41: control unit, 42: input unit, 43: display unit, 44: communication unit,
45: external device I/F unit, 46: media input/output unit,
100: target area, 101: face area, 102: division area, 110: color correction unit,
130... face extraction unit, 131... roughness quantification unit, 132... area division unit,
133...partition area evaluation processing unit, 133A...crack dominant direction determination unit,
133B... rock group determination unit, 133C... fracture interval determination unit,
133D: Crack shape determination unit; 133E: Evaluation category inference unit;
134... face area evaluation processing unit, 134A... first continuity crack detection unit,
134B: second continuity crack detection unit; 134C: third continuity crack detection unit;
134D: artificial object detection unit; 134E: first skin fall risk prediction unit;
134F: second skin fall risk part prediction unit; 134G: skin fall risk part evaluation unit;
150... Face observation sheet, 151... Face information column, 152... Evaluation category column,
160 ... Face sketch screen, 161 ... Face information column, 162 ... Image display area,
163: Display item selection field, 164: Display marker, 400: Face management database

Claims (14)

トンネルの切羽を含む対象領域が撮影された画像データを取得する画像データ取得部と、
前記対象領域の三次元形状が計測された点群データを取得する点群データ取得部と、
前記画像データ及び前記点群データに基づいて、前記切羽を評価する切羽評価部と、
前記切羽評価部による評価結果に基づいて、支援情報を出力する支援情報出力部とを備え、
前記切羽評価部は、
前記画像データ及び前記点群データの少なくとも一方に基づいて、前記対象領域から前記切羽に対応する切羽領域を抽出する切羽抽出部と、
前記点群データに基づいて、前記切羽領域に対して複数の走査方向に設定された複数の走査線に沿って前記切羽領域における切羽面のラフネスをラフネス特徴量として数値化するラフネス数値化部と、
複数の前記走査線が交差する各交点に対して前記ラフネス特徴量の代表値を求め、前記交点毎の前記代表値の分布に基づいて、前記切羽領域を区分領域に区分する領域区分部と、
前記領域区分部により前記切羽領域が区分された区分領域毎に、前記切羽に関する観察項目に対して前記切羽を評価し、その評価した結果を前記評価結果として出力する区分領域評価処理部とを備える、
切羽評価支援装置。
an image data acquisition unit that acquires image data of a target area including a tunnel face;
a point cloud data acquisition unit that acquires point cloud data obtained by measuring a three-dimensional shape of the target area;
A face evaluation unit that evaluates the face based on the image data and the point cloud data;
A support information output unit that outputs support information based on the evaluation result by the face evaluation unit,
The face evaluation unit is
A face extraction unit that extracts a face area corresponding to the face from the target area based on at least one of the image data and the point cloud data;
a roughness quantification unit that quantifies the roughness of the face in the face region as a roughness feature amount along a plurality of scanning lines set in a plurality of scanning directions with respect to the face region based on the point cloud data;
a region division unit that calculates a representative value of the roughness feature amount for each intersection point where a plurality of the scanning lines intersect, and divides the face region into divided regions based on a distribution of the representative value for each intersection point;
A divided area evaluation processing unit is provided for evaluating the face for each divided area into which the face area is divided by the area division unit, and outputting the evaluation result as the evaluation result.
Face evaluation support device.
前記区分領域評価処理部は、
前記切羽領域に対応する前記点群データから構成される三角網の各法線ベクトルを前記区分領域毎にステレオネットに極投影し、
前記ステレオネット上に極投影されたプロットの分布に基づいて、前記切羽面において卓越する割れ目の走向傾斜を示す割れ目卓越方向を前記区分領域毎に判定する割れ目卓越方向判定部を備える、
請求項1に記載の切羽評価支援装置。
The segmented area evaluation processing unit includes:
Each normal vector of a triangular network composed of the point cloud data corresponding to the face region is polar projected onto a stereo net for each of the divided regions;
A fracture dominant direction determination unit that determines a fracture dominant direction indicating a strike and inclination of a fracture dominant on the face for each of the divided regions based on a distribution of plots polar-projected onto the stereonet;
The face evaluation support device according to claim 1.
前記ラフネス数値化部は、
前記ラフネス特徴量として、前記切羽領域に対応する前記点群データを複数の前記走査線に沿って周期関数によりそれぞれ近似したときのラフネス近似モデルの振幅値及び波長を数値化し、
前記区分領域評価処理部は、
前記振幅値及び前記波長に基づいて、前記切羽面を構成する岩石の種別を示す岩石グループを前記区分領域毎に判定する岩石グループ判定部を備える、
請求項1又は請求項2に記載の切羽評価支援装置。
The roughness quantifying unit is
As the roughness feature amount, an amplitude value and a wavelength of a roughness approximation model obtained by approximating the point cloud data corresponding to the face region by a periodic function along a plurality of the scanning lines are quantified;
The segmented area evaluation processing unit includes:
A rock group determination unit is provided for determining a rock group indicating a type of rock constituting the face for each divided area based on the amplitude value and the wavelength.
The face evaluation support device according to claim 1 or 2.
前記区分領域評価処理部は、
前記区分領域に対応する前記画像データに対してエッジを検出するエッジ検出処理を行い、
前記エッジ検出処理により検出された前記エッジのエッジ密度に基づいて、前記エッジ密度と割れ目間隔との関係が定められた対応関係情報を参照することにより、前記割れ目間隔を前記区分領域毎に判定する割れ目間隔判定部を備える、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The segmented area evaluation processing unit includes:
performing an edge detection process for detecting edges in the image data corresponding to the divided region;
a crack spacing determination unit that determines the crack spacing for each of the divided regions by referring to correspondence information that defines a relationship between the edge density and the crack spacing based on the edge density of the edges detected by the edge detection process;
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 3.
前記ラフネス数値化部は、
前記ラフネス特徴量として、前記切羽領域に対応する前記点群データを複数の前記走査線に沿って周期関数によりそれぞれ近似したときのラフネス近似モデルの波長を数値化し、
前記区分領域評価処理部は、
前記ラフネス近似モデルに近似したときの前記走査線の前記走査方向に応じた前記波長の特性に基づいて、割れ目形態を前記区分領域毎に判定する割れ目形態判定部を備える、
請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The roughness quantifying unit is
As the roughness feature amount, a wavelength of a roughness approximation model obtained by approximating the point cloud data corresponding to the face region by a periodic function along a plurality of the scanning lines is quantified;
The segmented area evaluation processing unit includes:
a crack shape determining unit that determines a crack shape for each of the divided regions based on the wavelength characteristics according to the scanning direction of the scanning line when the roughness approximation model is approximated,
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 4.
前記区分領域評価処理部は、
前記区分領域に対応する前記画像データを、前記切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽に対して前記観察項目に関する評価区分が付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われた機械学習モデルに入力することにより、前記評価区分を前記区分領域毎に推論する評価区分推論部を備える、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The segmented area evaluation processing unit includes:
The image data corresponding to the divided area is input to a machine learning model in which machine learning is performed using training data including learning image data of the face and a correct answer label to which an evaluation category related to the observation item is assigned for the face, thereby inferring the evaluation category for each divided area.
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 5.
前記切羽評価部は、
前記点群データに基づいて、前記切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する第1の連続性割れ目検出部を備え、
前記第1の連続性割れ目検出部は、
前記切羽領域に対応する前記点群データから構成される三角網の各辺から、共通の前記辺を含む2つの三角形の法線ベクトルがなす角度に基づいて前記連続性割れ目の一部をなすエッジの候補を抽出し、前記候補同士の連続性を判定することにより、前記切羽領域に存在する前記連続性割れ目を検出する、
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The face evaluation unit is
a first continuous crack detection unit that detects continuous cracks formed continuously on the face of the tunneling tunnel based on the point cloud data;
The first continuity crack detection unit includes:
extracting edge candidates constituting a part of the continuous crack from each side of a triangular net composed of the point cloud data corresponding to the face region based on an angle formed by normal vectors of two triangles including a common side, and detecting the continuous crack present in the face region by determining the continuity between the candidates;
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 6.
前記切羽評価部は、
前記画像データに基づいて、前記切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する第2の連続性割れ目検出部を備え、
前記第2の連続性割れ目検出部は、
前記切羽領域に対応する前記画像データを、前記切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽に形成された前記連続性割れ目に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われた機械学習モデルに入力することにより、前記切羽領域に存在する前記連続性割れ目を検出する、
請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The face evaluation unit is
a second continuous crack detection unit that detects continuous cracks formed continuously on the face of the tunneling tunnel based on the image data;
The second continuity crack detection unit includes:
The image data corresponding to the face region is input to a machine learning model in which machine learning is performed using training data including learning image data of the face and correct labels assigned to the continuous cracks formed in the face, thereby detecting the continuous cracks present in the face region.
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 7.
前記区分領域評価処理部は、
前記切羽領域に対応する前記点群データから構成される三角網の各法線ベクトルを前記区分領域毎にステレオネットに極投影し、
前記ステレオネット上に極投影されたプロットの分布に基づいて、前記切羽面において卓越する割れ目の走向傾斜を示す割れ目卓越方向を前記区分領域毎に判定する割れ目卓越方向判定部を備え、
前記切羽評価部は、
前記画像データ及び前記点群データに基づいて、前記切羽面上に連続して形成された連続性割れ目を検出する第3の連続性割れ目検出部を備え、
前記第3の連続性割れ目検出部は、
前記切羽領域に対応する前記画像データに対してエッジを検出するエッジ検出処理を行い、
前記エッジ検出処理により検出された前記エッジを、前記割れ目卓越方向判定部により判定された前記区分領域毎の前記割れ目卓越方向にフィッティングすることにより、前記切羽領域に存在する前記連続性割れ目を検出する、
請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The segmented area evaluation processing unit includes:
Each normal vector of a triangular network composed of the point cloud data corresponding to the face region is polar projected onto a stereo net for each of the divided regions;
A fracture dominant direction determination unit that determines a fracture dominant direction indicating a strike and inclination of a fracture dominant on the face for each of the divided regions based on a distribution of plots polar-projected onto the stereonet,
The face evaluation unit is
a third continuous crack detection unit that detects continuous cracks formed continuously on the face of the tunneling tunnel based on the image data and the point cloud data;
The third continuity crack detection unit includes:
performing an edge detection process for detecting edges on the image data corresponding to the face region;
The edge detected by the edge detection process is fitted to the crack dominant direction for each of the divided areas determined by the crack dominant direction determination unit, thereby detecting the continuous crack present in the face area.
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 8.
前記切羽評価部は、
前記画像データに基づいて、前記対象領域に存在する人工物を検出する人工物検出部を備え、
前記人工物検出部は、
前記画像データを、前記切羽領域に対応する前記画像データと、前記切羽領域以外に対応する前記画像データとに分けて、前記切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽又はその周囲に設置された人工物に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われた機械学習モデルにそれぞれ入力することにより、前記切羽領域に存在する前記人工物と、前記切羽領域以外に存在する前記人工物とをそれぞれ検出する、
請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The face evaluation unit is
an artifact detection unit that detects an artifact present in the target area based on the image data;
The artifact detection unit includes:
The image data is divided into the image data corresponding to the face region and the image data corresponding to other than the face region, and each of the image data is input to a machine learning model in which machine learning is performed using training data including learning image data of the face and correct answer labels assigned to artificial objects installed at or around the face, thereby detecting the artificial objects present in the face region and the artificial objects present outside the face region.
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 9.
前記区分領域評価処理部は、
前記切羽領域に対応する前記点群データから構成される三角網の各法線ベクトルを前記区分領域毎にステレオネットに極投影し、
前記ステレオネット上に極投影されたプロットの分布に基づいて、前記切羽面において卓越する割れ目の走向傾斜を示す割れ目卓越方向を前記区分領域毎に判定する割れ目卓越方向判定部を備え、
前記切羽評価部は、
前記点群データに基づいて、肌落ち危険箇所を予測する第1の肌落ち危険箇所予測部を備え、
前記第1の肌落ち危険箇所予測部は、
前記割れ目卓越方向判定部により判定された前記区分領域毎の前記割れ目卓越方向をステレオネットに大円投影し、
少なくとも三方向に延びる前記割れ目卓越方向により閉多角形が形成された場合、当該閉多角形に対応する前記切羽の範囲を、前記肌落ち危険箇所として予測する、
請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The segmented area evaluation processing unit includes:
Each normal vector of a triangular network composed of the point cloud data corresponding to the face region is polar projected onto a stereo net for each of the divided regions;
A fracture dominant direction determination unit that determines a fracture dominant direction indicating a strike and inclination of a fracture dominant on the face for each of the divided regions based on a distribution of plots polar-projected onto the stereonet;
The face evaluation unit is
A first skin flaking risk prediction unit predicts a skin flaking risk location based on the point cloud data,
The first skin loss risk part prediction unit,
The crack prominent direction for each of the divided areas determined by the crack prominent direction determination unit is projected onto a stereo net as a great circle;
When a closed polygon is formed by the predominant crack directions extending in at least three directions, the range of the face corresponding to the closed polygon is predicted as the skin fall danger area .
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 10.
前記切羽評価部は、
前記画像データに基づいて、前記肌落ち危険箇所を予測する第2の肌落ち危険箇所予測部と、
前記第1の肌落ち危険箇所予測部による予測結果と、前記第2の肌落ち危険箇所予測部による予測結果とに基づいて、前記肌落ち危険箇所を予測する肌落ち危険箇所評価部とを備え、
前記第2の肌落ち危険箇所予測部は、
前記切羽領域に対応する前記画像データを、前記切羽が撮影された学習用画像データと、当該切羽における前記肌落ち危険箇所に対して付与された正解ラベルとを含む教師データにより機械学習が行われた機械学習モデルに入力することにより、前記肌落ち危険箇所を予測し、
前記肌落ち危険箇所評価部は、
前記第1の肌落ち危険箇所予測部により予測された前記肌落ち危険箇所と、前記第2の肌落ち危険箇所予測部により予測された前記肌落ち危険箇所とを比較し、その比較結果として一致度が高い前記肌落ち危険箇所に対して危険性が高いと判定する、
請求項11に記載の切羽評価支援装置。
The face evaluation unit is
A second skin flaking risk part prediction unit that predicts the skin flaking risk part based on the image data;
a skin loss danger part evaluation part that predicts the skin loss danger part based on a prediction result by the first skin loss danger part prediction part and a prediction result by the second skin loss danger part prediction part;
The second skin loss risk prediction unit is
The image data corresponding to the face region is input to a machine learning model in which machine learning is performed using training data including learning image data of the face and a correct answer label assigned to the face-fall danger area at the face, thereby predicting the face-fall danger area ;
The skin fall risk area evaluation unit is
the skin loss risk area predicted by the first skin loss risk area prediction unit and the skin loss risk area predicted by the second skin loss risk area prediction unit are compared, and a skin loss risk area having a high degree of agreement as a result of the comparison is determined to be at high risk ;
The face evaluation support device according to claim 11.
前記画像データ取得部は、
前記画像データとして、前記切羽とともに、所定の白黒模様を有する色見本とを含む前記対象領域がカラーにより撮影されたカラー画像データに対して色補正を行う色補正部を備え、
前記色補正部は、
前記カラー画像データをグレースケール画像に変換し、当該グレースケール画像を構成する全画素を明るさ順に並べたときの中間に位置する画素の明るさを明るさ中間値として求め、
前記全画素を、前記明るさ中間値よりも高い明るさを有する画素からなる高明度画素群と、前記明るさ中間値以下の明るさを有する画像からなる低明度画素群とに分類し、
前記色見本の白部分に相当する画素群に対して、RGBの3成分の平均値をそれぞれ求め、前記各平均値のうちの最大値を選択し、当該最大値と前記各平均値との各差分値を、前記高明度画素群に対する補正値として、前記高明度画素群の前記各画素に前記3成分別に加算することにより、前記高明度画素群を色補正し、
前記色見本の黒部分に相当する画素群に対して、前記3成分の平均値をそれぞれ求め、前記各平均値のうちの最小値を選択し、当該最小値と前記各平均値との各差分値を、前記低明度画素群に対する補正値として、前記低明度画素群の前記各画素から前記3成分別に減算することにより、前記低明度画素群を色補正する、
請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の切羽評価支援装置。
The image data acquisition unit
A color correction unit performs color correction on color image data obtained by photographing the target area in color, the image data including the face and a color sample having a predetermined black and white pattern,
The color correction unit includes:
converting the color image data into a grayscale image, and arranging all pixels constituting the grayscale image in order of brightness to obtain the brightness of a pixel located in the middle as a brightness median value;
Classifying all the pixels into a high-brightness pixel group consisting of pixels having a brightness higher than the intermediate brightness value and a low-brightness pixel group consisting of pixels having a brightness equal to or lower than the intermediate brightness value;
calculating average values of the three RGB components for a pixel group corresponding to a white portion of the color sample, selecting a maximum value among the average values, and adding difference values between the maximum value and each of the average values as correction values for the high-lightness pixel group to each of the pixels of the high-lightness pixel group for each of the three components, thereby color-correcting the high-lightness pixel group;
calculating average values of the three components for a pixel group corresponding to a black portion of the color sample, selecting a minimum value from among the average values, and subtracting each difference value between the minimum value and each average value from each pixel of the low-lightness pixel group for each of the three components as a correction value for the low-lightness pixel group, thereby color-correcting the low-lightness pixel group;
The face evaluation support device according to any one of claims 1 to 12.
トンネルの切羽を含む対象領域が撮影された画像データを取得する画像データ取得工程と、
前記対象領域の三次元形状が計測された点群データを取得する点群データ取得工程と、
前記画像データ及び前記点群データに基づいて、前記切羽を評価する切羽評価工程と、
前記切羽評価工程による評価結果に基づいて、支援情報を出力する支援情報出力工程とを備え、
前記切羽評価工程は、
前記画像データ及び前記点群データの少なくとも一方に基づいて、前記対象領域から前記切羽に対応する切羽領域を抽出する切羽抽出工程と、
前記点群データに基づいて、前記切羽領域に対して複数の走査方向に設定された複数の走査線に沿って前記切羽領域における切羽面のラフネスをラフネス特徴量として数値化するラフネス数値化工程と、
複数の前記走査線が交差する各交点に対して前記ラフネス特徴量の代表値を求め、前記交点毎の前記代表値の分布に基づいて、前記切羽領域を区分領域に区分する領域区分工程と、
前記領域区分工程により前記切羽領域が区分された区分領域毎に、前記切羽に関する観察項目に対して前記切羽を評価し、その評価した結果を前記評価結果として出力する領域評価処理工程とを備える、
切羽評価支援方法。
An image data acquisition step of acquiring image data of a target area including a tunnel face;
a point cloud data acquisition step of acquiring point cloud data obtained by measuring a three-dimensional shape of the target area;
A face evaluation process for evaluating the face based on the image data and the point cloud data;
A support information output process for outputting support information based on the evaluation result by the face evaluation process,
The face evaluation process includes:
A face extraction process of extracting a face area corresponding to the face from the target area based on at least one of the image data and the point cloud data;
a roughness quantification step of quantifying the roughness of the face in the face region as a roughness feature value along a plurality of scanning lines set in a plurality of scanning directions with respect to the face region based on the point cloud data;
A region dividing step of calculating a representative value of the roughness feature amount for each intersection point where a plurality of the scanning lines intersect, and dividing the face region into divided regions based on a distribution of the representative value for each intersection point;
For each divided area into which the face area is divided by the area division step, the face is evaluated for the observation items related to the face, and the evaluation result is output as the evaluation result.
A method to assist in face evaluation.
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