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JP7829889B2 - Tunnel displacement measurement method and tunnel displacement measurement system - Google Patents
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JP7829889B2 - Tunnel displacement measurement method and tunnel displacement measurement system - Google Patents

Tunnel displacement measurement method and tunnel displacement measurement system

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JP7829889B2 JP2024098333A JP2024098333A JP7829889B2 JP 7829889 B2 JP7829889 B2 JP 7829889B2 JP 2024098333 A JP2024098333 A JP 2024098333A JP 2024098333 A JP2024098333 A JP 2024098333A JP 7829889 B2 JP7829889 B2 JP 7829889B2
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Description

本発明は、トンネルの掘削工事において、トンネルの天端沈下や内空形状の変位を測定する技術に関するものである。 This invention relates to a technique for measuring tunnel crest settlement and displacement of the internal shape during tunnel excavation work.

NATM(New Austrian Tunneling Method)工法によるトンネルの掘削工事では、トンネル切羽につき爆薬により発破を行い、発生したズリを搬出した後、当たり取り、支保工、一次覆工、ロックボルトの打設を行う。このような施工を1.5m程度のピッチで繰り返し行い掘進する。
トンネルの掘削工事では、工事の安全性および品質を確保するため、地山や支保部材等の変位測定(A計測)が定期的に行われる。A計測において、内空変位測定は、周辺地山の挙動、支保の変形モードなどを把握し、施工の安全性並びに支保の妥当性を確認するとともに、覆工の打設時期を検討する目的で行われる。従来、A計測は、所定間隔毎に管理断面を設定し、管理断面におけるトンネルの頂部や側壁部等に設けたターゲットの座標をトータルステーション等の測距儀により測定されていた(例えば、特許文献1を参照。)。
In tunnel excavation using the NATM (New Austrian Tunneling Method), explosives are used to blast the tunnel face, and after removing the resulting spoil, shoring, primary lining, and rock bolts are installed. This process is repeated at intervals of approximately 1.5 meters to advance the excavation.
In tunnel excavation work, displacement measurements (A-measurements) of the ground and support members are carried out periodically to ensure the safety and quality of the construction. In A-measurements, internal displacement measurements are performed to understand the behavior of the surrounding ground and the deformation mode of the support, to confirm the safety of the construction and the appropriateness of the support, and to consider the timing of lining placement. Conventionally, A-measurements were performed by setting control cross-sections at predetermined intervals and measuring the coordinates of targets set on the top and side walls of the tunnel in the control cross-sections using a distance measuring instrument such as a total station (see, for example, Patent Document 1).

A計測は、ターゲットの設置箇所における変位により周囲の壁面の変位を予測するため、トンネルの壁面の変位を測定することを目的として、3Dレーザースキャナによってトンネル壁面形状を測定する技術が知られている。例えば、特許文献2には、トンネル壁面に複数のターゲットを設置した上でターゲットを含むトンネル壁面形状を3Dレーザースキャナにより計測し、ターゲットの座標に基づいて、同一箇所におけるトンネル断面形状データの比較を行い、トンネルの変位を追跡するトンネル内空変位計測方法が開示されている(特許文献2を参照)。しかしながら、トンネル壁面に複数のターゲットを設置する場合、取付作業が煩雑である、ターゲットが高価であるといった問題がある。 A measurement technique is known for measuring the displacement of tunnel walls using a 3D laser scanner, with the aim of predicting the displacement of the surrounding wall surface based on the displacement at the target installation location. For example, Patent Document 2 discloses a tunnel internal displacement measurement method in which multiple targets are installed on the tunnel wall, the tunnel wall shape including the targets is measured using a 3D laser scanner, and the tunnel displacement is tracked by comparing tunnel cross-sectional shape data at the same location based on the target coordinates (see Patent Document 2). However, installing multiple targets on the tunnel wall presents problems such as complicated installation work and high target costs.

そこで、3次元レーザースキャナによるスキャンデータを利用し、無数のポイントにおける内空変位を求めることで、ターゲットを用いずに、トンネル内空の変位を測定できる技術が知られている(特許文献3を参照。)。これによれば、測定断面にターゲットを取り付ける作業が必要ないため、内空変位の測定を、簡便かつ効率的に行うことができるとする。しかしながら、特許文献3のトンネル内空変位測定方法では、3Dレーザースキャナによって測定された無数のポイントにおける内空変位を求めるため、高速での処理が困難であるという問題がある。 Therefore, a technique is known that allows for the measurement of tunnel internal displacement without using a target by utilizing scan data from a 3D laser scanner to determine internal displacement at countless points (see Patent Document 3). According to this method, since it does not require the installation of a target on the measurement cross-section, the measurement of internal displacement can be performed simply and efficiently. However, the tunnel internal displacement measurement method described in Patent Document 3 has the problem that high-speed processing is difficult because it determines internal displacement at countless points measured by a 3D laser scanner.

特開2004-170164号公報Japanese Patent Publication No. 2004-170164 特開2014-002027号公報Japanese Patent Publication No. 2014-002027 特開2012-058167号公報Japanese Patent Publication No. 2012-058167

かかる状況に鑑みて、本発明は、高速でトンネルの内空の変位を測定できる方法、およびシステムを提供することを目的とする。 In view of these circumstances, the present invention aims to provide a method and system that can measure the displacement inside a tunnel at high speed.

本発明者らは鋭意検討の結果、3次元レーザースキャナを用いて面計測を実現するのではなく、3次元レーザースキャナにより得られる点群データを、点計測を行う技術に適用することで、簡便で高速な変位測定が可能となるとの知見を得た。 As a result of diligent research, the inventors have discovered that, rather than using a 3D laser scanner to perform surface measurement, applying point cloud data obtained from a 3D laser scanner to a point measurement technique enables simple and high-speed displacement measurement.

すなわち、本発明のトンネル変位測定方法は、3次元レーザースキャナによって取得されたトンネル内面の点群データを用いて、ターゲットを設定して時間経過に伴うトンネル内空の変位を測定する方法であって、1)初期計測ステップと2)変位計測ステップから成り、1)初期計測ステップは、ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを取得すること、凹凸特徴データを取得した後、ターゲットを含むトンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、第1の点群データから凹凸特徴データを抽出してターゲットの第1の位置情報を取得すること、を含み、所定の時間経過後に実施する2)変位計測ステップは、第1の位置情報に基づき特定される位置を含みターゲットより面積の広い探索領域を設定し、探索領域の点群データを取得し、探索領域の点群データから凹凸特徴データに基づいてターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、第1の位置情報と第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定すること、を含み、ターゲットは、トンネル内空の壁面に設置される実体的なターゲット部材であることを特徴とする。
別の方法として、1)初期計測ステップは、トンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、第1の点群データからトンネル内面の所定の領域をターゲットとして切り出すこと、ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを抽出し、ターゲットの第1の位置情報と凹凸特徴データとを登録すること、を含み、所定の時間経過後に実施する2)変位計測ステップは、第1の位置情報に基づき特定される位置を含みターゲットより面積の広い探索領域を設定し、探索領域の点群データを取得し、探索領域の点群データから凹凸特徴データに基づいてターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、第1の位置情報と第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定すること、を含んでもよい
In other words, the tunnel displacement measurement method of the present invention is a method for measuring the displacement of the tunnel interior over time by setting a target using point cloud data of the tunnel interior acquired by a three-dimensional laser scanner, and consists of 1) an initial measurement step and 2) a displacement measurement step, wherein 1) the initial measurement step includes acquiring surface feature data which is the surface feature of the target, acquiring point cloud data of the tunnel interior including the target as first point cloud data after acquiring the surface feature data, and extracting surface feature data from the first point cloud data to acquire first position information of the target, and 2) the displacement measurement step performed after a predetermined time has elapsed includes setting a search area with a larger area than the target that includes a position identified based on the first position information, acquiring point cloud data of the search area, extracting the target from the point cloud data of the search area based on surface feature data to acquire second position information, and measuring the displacement of the tunnel interior based on the difference between the first position information and the second position information , and the target is a physical target member installed on the wall surface of the tunnel interior .
Alternatively , the following steps may be taken: 1) The initial measurement step includes acquiring point cloud data of the tunnel's inner surface as first point cloud data, extracting a predetermined area of the tunnel's inner surface from the first point cloud data as a target, extracting surface feature data which is the surface feature of the target, and registering the first position information and surface feature data of the target, and is performed after a predetermined time has elapsed. 2) The displacement measurement step may include setting a search area larger in area than the target, including the position identified based on the first position information, acquiring point cloud data of the search area, extracting the target from the point cloud data of the search area based on the surface feature data to acquire second position information, and measuring the displacement of the tunnel's interior based on the difference between the first position information and the second position information.

このように、取得した点群データの全てを変位測定に用いるのではなく、比較対象をターゲットの範囲に限定することで、迅速な処理が実現できる。 Thus, by limiting the comparison to the target range rather than using all of the acquired point cloud data for displacement measurement, rapid processing can be achieved.

1)初期計測ステップと2)変位計測ステップは、それぞれ下記各ステップを備える。 1) The initial measurement step and 2) the displacement measurement step each comprise the following steps:

1)初期計測ステップ
1-A)3次元レーザースキャナの位置座標を取得するスキャナ座標取得ステップ。
1-B)トンネル内空の吹付コンクリート表面の点群データを第1の点群データとして取得する第1の点群データ取得ステップ。
1-C)第1の点群データから少なくとも3つの領域を切り出し、ターゲットである疑似ターゲットとして設定する疑似ターゲット設定ステップ。
1-D)疑似ターゲットの平面を基準とする凹凸特徴を第1の凹凸特徴データとして抽出する第1の凹凸特徴データ抽出ステップ。
1-E)3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、第1の位置情報である疑似ターゲットの位置座標及び第1の凹凸特徴データを登録する第1の登録ステップ。
1) Initial measurement step 1-A) Scanner coordinate acquisition step to obtain the position coordinates of the 3D laser scanner.
1-B) A first point cloud data acquisition step in which point cloud data of the sprayed concrete surface inside the tunnel is acquired as the first point cloud data.
1-C) A pseudo-target setting step in which at least three regions are extracted from the first point cloud data and set as pseudo-targets.
1-D) A first surface feature data extraction step in which surface features based on the plane of the pseudo-target are extracted as first surface feature data.
1-E) A first registration step in which the position coordinates of a pseudo-target, which is first position information, and first surface feature data are registered in association with the position coordinates of a three-dimensional laser scanner.

2)変位計測ステップ
2-A)吹付コンクリート表面の点群データを第2の点群データとして取得する第2の点群データ取得ステップ。
2-B)疑似ターゲットの位置座標に基づいて、第2の点群データから探索領域を設定する探索領域設定ステップ。
2-C)探索領域から疑似ターゲットの平面を基準とする凹凸特徴を第2の凹凸特徴データとして抽出する第2の凹凸特徴データ抽出ステップ。
2-D)第1の凹凸特徴データの凹凸特徴と、第2の凹凸特徴データにおける部分的な凹凸特徴の類似度に基づき、第2の位置情報である疑似ターゲットの位置座標を特定する疑似ターゲット特定ステップ。
2-E)3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、特定された疑似ターゲットの位置座標を登録する第2の登録ステップ。
2-F)初期計測ステップにおいて設定された疑似ターゲットと、変位計測ステップにおいて特定された疑似ターゲットの位置座標の変化に基づき、トンネルの内空の変位を測定する変位測定ステップ。
2) Displacement measurement step 2-A) Second point cloud data acquisition step, in which point cloud data of the sprayed concrete surface is acquired as second point cloud data.
2-B) A search area setting step in which the search area is set from the second point cloud data based on the position coordinates of the pseudo-target.
2-C) A second surface feature data extraction step, in which surface features based on the plane of the pseudo-target are extracted from the search area as second surface feature data.
2-D) A pseudo-target identification step in which the position coordinates of a pseudo-target, which is second position information, are identified based on the similarity between the surface features of the first surface feature data and the partial surface features of the second surface feature data.
2-E) A second registration step in which the position coordinates of the identified pseudo-target are registered in association with the position coordinates of the 3D laser scanner.
2-F) A displacement measurement step that measures the displacement of the space inside the tunnel based on the changes in the position coordinates of the pseudo-target set in the initial measurement step and the pseudo-target identified in the displacement measurement step.

疑似ターゲットを用いることにより、既存のターゲット(プリズム)を使用することなく、安価、簡便かつ高精度でトンネルの内空形状の変位を測定することができる。
一般に、天端沈下測定及び内空変位測定は、10~30m毎にターゲットが設けられ、多い場合は1日に2回、少ない場合でも1週間に1回の頻度で測定が行われる。新たな疑似ターゲットを設ける場合は、新たに疑似ターゲットを設ける箇所においては、1)初期計測ステップを行い、既に初期計測が完了している箇所については、2)変位計測ステップを行う。このように繰り返し計測を行うことで、トンネル内空の形状変位を正確に測定できる。
By using a simulated target, the displacement of the tunnel's internal shape can be measured inexpensively, simply, and with high accuracy, without the need for existing targets (prisms).
Generally, for top-surface settlement and internal displacement measurements, targets are set every 10 to 30 meters, and measurements are taken at a frequency of twice a day in some cases, and at least once a week in others. When setting up new dummy targets, 1) an initial measurement step is performed at the locations where the new dummy targets are set up, and 2) a displacement measurement step is performed at locations where the initial measurement has already been completed. By repeatedly performing measurements in this manner, the shape displacement of the tunnel interior can be accurately measured.

1-A)スキャナ座標取得ステップは、トンネル内空において、3次元レーザースキャナの位置座標を取得する手法を幅広く用いることができる。例えば、位置座標が既知である点に取り付けられたレーザースキャナ用ターゲットを用いて、3次元レーザースキャナの位置座標を取得することでもよいし、3次元レーザースキャナが測量機としての機能を有する場合には、測量機としての機能を用いて絶対座標又はトンネル座標を取得してもよい。取得する位置座標は、絶対座標(グローバル座標)でもよいし、トンネル座標(ローカル座標)でもよい。 1-A) The scanner coordinate acquisition step can utilize a wide range of methods for acquiring the position coordinates of a 3D laser scanner within the tunnel. For example, the position coordinates of the 3D laser scanner can be acquired using a laser scanner target attached to a point whose position coordinates are known. Alternatively, if the 3D laser scanner has surveying capabilities, its surveying functions can be used to acquire absolute coordinates or tunnel coordinates. The acquired position coordinates may be absolute coordinates (global coordinates) or tunnel coordinates (local coordinates).

1-B)第1の点群データ取得ステップにおいて取得した点群データの全てを無数のターゲットと見立てるのではなく、1-C)疑似ターゲット設定ステップにより、点群データから3つ以上の領域を切り出し疑似ターゲットとして設定することにより、変位を計測する箇所を限定することができ、変位測定の処理速度を向上できる。計測精度を維持しつつ、処理速度を向上するために、切り出す領域は、一つの計測断面につき3~5箇所であることが好ましい。
トンネル内空の吹付コンクリート表面には微細な凹凸形状が存在するため、点群データからユニークな領域を切り出すことが可能である。ここで「トンネル内空の吹付コンクリート表面」とは、発破後のトンネル壁面や支保工にコンクリートの吹付が行われた部位のことである。「吹付コンクリート表面」とは厳密な意味ではなく、コンクリートの吹付が十分ではない箇所も含まれる趣旨である。したがって、コンクリートの吹付後に固定されたロックボルトも含まれる。
3次元レーザースキャナとしては、LiDAR(Light Detection And Ranging)スキャナが好適に用いられる。疑似ターゲットとされる各領域は、正方形等の多角形状や円形、楕円形状など、所定の形状で切り出された領域であり、例えば縦横各150mmの略正方形状などで切り出される。
1-B) Instead of treating all of the point cloud data acquired in the first point cloud data acquisition step as countless targets, 1-C) by extracting three or more regions from the point cloud data in the pseudo-target setting step and setting them as pseudo-targets, the locations where displacement is measured can be limited, and the processing speed of displacement measurement can be improved. In order to improve processing speed while maintaining measurement accuracy, it is preferable that the extracted regions be 3 to 5 locations per measurement cross section.
Because the surface of the sprayed concrete inside the tunnel has fine irregularities, it is possible to extract unique regions from the point cloud data. Here, "the sprayed concrete surface inside the tunnel" refers to the areas where concrete was sprayed onto the tunnel walls and support structures after blasting. The term "sprayed concrete surface" is not strictly defined and is intended to include areas where the concrete spraying was insufficient. Therefore, rock bolts fixed after the concrete spraying are also included.
A LiDAR (Light Detection And Ranging) scanner is preferably used as the 3D laser scanner. Each region that serves as the pseudo-target is a region cut out in a predetermined shape, such as a polygon such as a square, or a circle or ellipse, for example, a roughly square shape with dimensions of 150 mm on each side.

1-E)第1の登録ステップにおいて登録する疑似ターゲットの位置座標とは、疑似ターゲットに含まれる第1の点群データであることが好ましいが、後述する重心や、法線、平面データでもよい。 1-E) The position coordinates of the pseudo-target registered in the first registration step are preferably the first point cloud data included in the pseudo-target, but may also be the centroid, normal, or plane data as described later.

-C)疑似ターゲット設定ステップは、領域を切り出す第1の切出しステップと、切り出された領域に含まれる点群データに基づき、疑似ターゲットの重心を算出する第1の重心算出ステップと、点群データ及び重心に基づき、疑似ターゲットの法線を算出する第1の法線算出ステップと、重心及び法線に基づき、疑似ターゲットを平面データとする第1の平面化ステップ、から成ることが好ましい。法線は、点群データの処理に関する既知の手法を用い、例えば、点群データの共分散行列の固有ベクトルなどから重心座標を通る線分として算出できる。点群データをそのまま比較対象とするのではなく、重心、法線を算出し、平面化処理を行うことにより、特徴データの抽出が容易となり、高速かつ高精度で疑似ターゲットの特定や変位測定を行うことが可能となる。 1 -C) The pseudo-target setting step preferably comprises a first extraction step of extracting a region, a first centroid calculation step of calculating the centroid of the pseudo-target based on the point cloud data included in the extracted region, a first normal calculation step of calculating the normal of the pseudo-target based on the point cloud data and the centroid, and a first planarization step of converting the pseudo-target into planar data based on the centroid and the normal. The normal can be calculated using known methods for processing point cloud data, for example, as a line segment passing through the centroid coordinates from the eigenvectors of the covariance matrix of the point cloud data. By calculating the centroid and normal and performing planarization processing instead of directly comparing the point cloud data, feature data extraction becomes easier, enabling high-speed and high-precision identification of pseudo-targets and displacement measurement.

-D)第1の凹凸特徴データ抽出ステップは、平面データにおける少なくとも1つの断面につき、法線方向に関する各点の相対的位置から断面データを算出することが好ましい。断面データを算出することにより、凹凸特徴データの比較が容易となる。算出する断面データは、複数であることが好ましく、より好ましくは向きの異なる複数の断面データである。 1 -D) The first step of extracting surface feature data preferably involves calculating cross-sectional data from the relative positions of each point in the normal direction for at least one cross-section in the planar data. Calculating cross-sectional data facilitates comparison of surface feature data. Preferably, there are multiple cross-sectional data to be calculated, and more preferably, there are multiple cross-sectional data with different orientations.

-B)探索領域設定ステップは、初期計測ステップにおいて設定された疑似ターゲットの位置座標に基づいて、第2の点群データから探索領域を切り出す第2の切出しステップと、切り出された探索領域に含まれる第2の点群データに基づき、探索領域の重心を算出する第2の重心算出ステップと、第2の点群データ及び重心に基づき、探索領域の法線を算出する第2の法線算出ステップと、重心及び法線に基づき、探索領域を平面データとする第2の平面化ステップ、を備えることが好ましい。かかるステップを備えることにより、疑似ターゲットの特定が容易となる。 2 -B) The search area setting step preferably includes: a second extraction step of extracting a search area from second point cloud data based on the position coordinates of a pseudo-target set in the initial measurement step; a second centroid calculation step of calculating the centroid of the search area based on the second point cloud data included in the extracted search area; a second normal calculation step of calculating the normal of the search area based on the second point cloud data and the centroid; and a second planarization step of converting the search area into planar data based on the centroid and the normal. Including such steps makes it easier to identify the pseudo-target.

-C)第2の凹凸特徴データ抽出ステップは、平面データにおける少なくとも1つの断面につき、法線方向に関する各点の相対的位置から断面データを算出することが好ましい。これにより、第1の凹凸特徴データと第2の凹凸特徴データを比較して、疑似ターゲットを特定することが容易となる。 2 -C) The second surface feature data extraction step preferably involves calculating cross-sectional data from the relative positions of each point in the normal direction for at least one cross-section in the planar data. This makes it easier to identify pseudo-targets by comparing the first surface feature data with the second surface feature data.

-D)疑似ターゲット特定ステップは、1-D)第1の凹凸特徴データ抽出ステップにおいて算出された断面データと、2-C)第2の凹凸特徴データ抽出ステップにおいて算出された断面データを比較して、法線方向に関する各点の相対的位置の類似度に基づき、疑似ターゲットを特定することが好ましい。 2 -D) The pseudo-target identification step preferably involves comparing the cross-sectional data calculated in 1-D) the first surface feature data extraction step with the cross-sectional data calculated in 2-C) the second surface feature data extraction step, and identifying a pseudo-target based on the similarity of the relative positions of each point in the normal direction.

2の切出しステップは、1)初期計測ステップにおいて設定された疑似ターゲットの位置座標を中心にして、疑似ターゲットの略4倍以下の面積の領域を切り出すことでもよい。
第2の切出しステップでは、第1の登録ステップにおいて登録された疑似ターゲットの位置座標に基づき、第2の点群データから探索領域を切り出すが、初期計測の後に疑似ターゲットの移動や形状変化が発生する可能性があるため、所定の余白を設けて切り出す必要がある。そこで、疑似ターゲットの縦横の幅を略2倍に設定し、略4倍以下の面積の領域を切り出すことで、疑似ターゲットの移動や形状変化により疑似ターゲットが特定できなくなることを防止したものである。
The second cutting step may also involve 1) cutting out an area with an area approximately four times or less the size of the pseudo-target, centered on the position coordinates of the pseudo-target set in the initial measurement step.
In the second extraction step, the search area is extracted from the second point cloud data based on the position coordinates of the pseudo-target registered in the first registration step. However, since the pseudo-target may move or change shape after the initial measurement, it is necessary to extract the area with a predetermined margin. Therefore, by setting the length and width of the pseudo-target to approximately twice its original size and extracting an area with an area of approximately four times or less its original size, it is possible to prevent the pseudo-target from becoming unidentifiable due to its movement or change in shape.

-F)変位測定ステップにおける疑似ターゲットの位置座標の変化は、疑似ターゲットに含まれる第1の点群データと第2の点群データの位置座標の変化であることが好ましい。位置座標の変化とは、各点の3次元的な位置座標の変化のことである。取得した点群データの全てを比較対象とするのではなく、疑似ターゲットに含まれる点群データのみを比較対象とすることで、高速かつ高精度での変位測定が実現できる。また、重心や、法線、平面データの変化に基づき、トンネルの内空形状の変位を測定してもよいし、第1の凹凸特徴データと第2の凹凸特徴データの変化に基づき変位を測定してもよい。 2 -F) In the displacement measurement step, the change in the position coordinates of the pseudo-target is preferably the change in the position coordinates of the first point cloud data and the second point cloud data included in the pseudo-target. The change in position coordinates refers to the change in the three-dimensional position coordinates of each point. By comparing only the point cloud data included in the pseudo-target, rather than all of the acquired point cloud data, high-speed and high-precision displacement measurement can be achieved. Alternatively, the displacement of the tunnel's internal shape may be measured based on changes in the center of gravity, normals, and planar data, or the displacement may be measured based on changes in the first and second surface feature data.

似ターゲットの位置座標は、絶対座標でもよいし、トンネル座標でもよい。 The coordinates of the simulated target can be absolute coordinates or tunnel coordinates.

似ターゲットは、トンネル内空、支保工又はロックボルトの位置若しくは形状に基づき、NATM(New Austrian Tunneling Method)工法によるトンネルの掘削工事において、A測線、B測線及びC測線が計測できる位置と、D測線が計測できる位置の少なくとも何れかの領域につき設定されることが好ましい。かかる領域に疑似ターゲットが設定されることにより、A計測を容易に行うことができる。設定は、トンネル内空、支保工又はロックボルトの位置若しくは形状に基づき、自動で行ってもよいし、手動での設定を受け付けてもよい。また、かかる領域以外であっても、例えば、トンネル内空表面の凹凸が顕著な箇所などを自動又は作業者の目視により検出して設定してもよい。 The simulated targets are preferably set in at least one of the following areas in tunnel excavation work using the NATM (New Austrian Tunneling Method): areas where A, B, and C lines can be measured, and areas where D line can be measured, based on the location or shape of the tunnel interior, support structures, or rock bolts. By setting the simulated targets in such areas, A measurement can be easily performed. The setting may be done automatically based on the location or shape of the tunnel interior, support structures, or rock bolts, or it may be set manually. In addition, even outside of these areas, for example, areas with significant irregularities on the tunnel interior surface may be detected and set automatically or by visual inspection by a worker.

ターゲット部材は、突起を有し、トンネル内空の形状に凹凸特徴を有する。ターゲットは、トンネル内面に設けられるロックボルトの定着プレートであることも望ましい。ターゲットは、トンネル内面に設けられる鋼製支保工であることも望ましい。これにより、測定のために専用のターゲットを設ける必要が無くなる。また、ターゲットは、上下方向の複数箇所に設けられる突起を有することで、ターゲットの表面の突起による特徴的な凹凸形状により、位置座標の変化として、水平変位や鉛直変位を精度良く求めることができる。これにより、安価、簡便かつ高精度でトンネルの内空形状の変位を測定することができる。すなわち、ターゲット部材は、トンネル内空の壁面に設置され、内面に露出する部分に凹凸特徴を備える金物であればよい The target member has protrusions and possesses the uneven shape characteristic of the tunnel's interior. The target is preferably a fixing plate for a rock bolt installed on the tunnel's inner surface. The target is also preferably a steel support structure installed on the tunnel's inner surface. This eliminates the need for a dedicated target for measurement. Furthermore, by having protrusions at multiple locations in the vertical direction, the characteristic uneven shape of the target's surface allows for accurate determination of horizontal and vertical displacements as changes in position coordinates. This enables inexpensive, simple, and highly accurate measurement of the tunnel's interior shape displacement. In other words, the target member can be any metal object installed on the tunnel's interior wall with uneven characteristics on the portion exposed to the inner surface .

3次元レーザースキャナは、トンネル幅方向の両側の壁面のそれぞれに沿って設けられ、各3次元レーザースキャナは、3次元レーザースキャナを設置した壁面と反対側の壁面の点群データを取得する。ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データは、撮像装置でターゲットを撮像した撮像結果から取得することができる。Three-dimensional laser scanners are installed along each of the walls on both sides in the tunnel width direction. Each three-dimensional laser scanner acquires point cloud data from the wall on which it is installed and the wall on the opposite side. Topographic feature data, which represents the surface characteristics of the target, can be obtained from the imaging results obtained by imaging the target with an imaging device.

本発明のトンネル変位測定システムは、3次元レーザースキャナによって取得されたトンネル内面の点群データを用いて、ターゲットを設定して時間経過に伴うトンネル内空の変位を測定する装置と、トンネル内空の壁面にターゲットとして設置される実体的なターゲット部材と、を有するシステムであって、装置は、初期計測部と変位計測部から成り、初期計測部は、ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを取得すること、凹凸特徴データを取得した後、ターゲットを含むトンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、第1の点群データから凹凸特徴データを抽出してターゲットの第1の位置情報を取得すること、変位計測部は、第1の位置情報に基づき特定される位置を含みターゲットより面積の広い探索領域を設定し、探索領域の点群データを取得し、探索領域の点群データから凹凸特徴データに基づいてターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、第1の位置情報と第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定することを特徴とする。 The tunnel displacement measurement system of the present invention is a system comprising: an apparatus that measures the displacement of the tunnel interior over time by setting a target using point cloud data of the tunnel interior acquired by a three-dimensional laser scanner ; and a physical target member that is installed as a target on the wall surface of the tunnel interior. The apparatus consists of an initial measurement unit and a displacement measurement unit. The initial measurement unit acquires surface feature data, which is the surface feature of the target ; after acquiring the surface feature data, acquires point cloud data of the tunnel interior including the target as first point cloud data; extracts surface feature data from the first point cloud data to acquire first position information of the target. The displacement measurement unit sets a search area that includes a position identified based on the first position information and has a larger area than the target; acquires point cloud data of the search area; extracts the target from the point cloud data of the search area based on surface feature data to acquire second position information; and measures the displacement of the tunnel interior based on the difference between the first position information and the second position information .

別の装置として、初期計測部は、トンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、第1の点群データからトンネル内面の所定の領域をターゲットとして切り出すこと、ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを抽出し、ターゲットの第1の位置情報と凹凸特徴データとを登録すること、変位計測部は、第1の位置情報に基づき特定される位置を含みターゲットより面積の広い探索領域を設定し、探索領域の点群データを取得し、探索領域の点群データから凹凸特徴データに基づいてターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、第1の位置情報と第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定することを特徴としてもよい
初期計測部と変位計測部は、それぞれ下記各手段を備える。
Alternatively, the device may be characterized in that the initial measurement unit acquires point cloud data of the tunnel's inner surface as first point cloud data, extracts a predetermined area of the tunnel's inner surface from the first point cloud data as a target, extracts surface feature data which is the surface feature of the target, and registers the first position information and surface feature data of the target; the displacement measurement unit sets a search area that includes a position identified based on the first position information and has a larger area than the target, acquires point cloud data of the search area, extracts a target from the point cloud data of the search area based on the surface feature data to acquire second position information, and measures the displacement of the tunnel's interior based on the difference between the first position information and the second position information.
The initial measurement unit and the displacement measurement unit each include the following means.

1)初期計測部
1-a)3次元レーザースキャナの位置座標を取得するスキャナ座標取得手段。
1-b)トンネル内空の吹付コンクリート表面の点群データを第1の点群データとして取得する第1の点群データ取得手段。
1-c)第1の点群データから少なくとも3つの領域を切り出し、ターゲットである疑似ターゲットとして設定する疑似ターゲット設定手段。
1-d)疑似ターゲットの平面を基準とする凹凸特徴を第1の凹凸特徴データとして抽出する第1の凹凸特徴データ抽出手段。
1-e)3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、第1の位置情報である疑似ターゲットの位置座標及び第1の凹凸特徴データを登録する第1の登録手段。
2)変位計測部
2-a)吹付コンクリート表面の点群データを第2の点群データとして取得する第2の点群データ取得手段。
2-b)疑似ターゲットの位置座標に基づいて、第2の点群データから探索領域を設定する探索領域設定手段。
2-c)探索領域から疑似ターゲットの平面を基準とする凹凸特徴を第2の凹凸特徴データとして抽出する第2の凹凸特徴データ抽出手段。
2-d)第1の凹凸特徴データの凹凸特徴と、第2の凹凸特徴データにおける部分的な凹凸特徴の類似度に基づき、第2の位置情報である疑似ターゲットの位置座標を特定する疑似ターゲット特定手段。
2-e)3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、特定された疑似ターゲットの位置座標を登録する第2の登録手段。
2-f)初期計測手段において設定された疑似ターゲットと、変位計測手段において特定された疑似ターゲットの位置座標の変化に基づき、トンネルの内空の変位を測定する変位測定手段。
1) Initial measurement unit 1-a) Scanner coordinate acquisition means for acquiring the position coordinates of a 3D laser scanner.
1-b) A first point cloud data acquisition means for acquiring point cloud data of the sprayed concrete surface inside the tunnel as first point cloud data.
1-c) A pseudo-target setting means for extracting at least three regions from the first point cloud data and setting them as pseudo-targets.
1-d) A first surface feature data extraction means for extracting surface features based on the plane of a pseudo-target as first surface feature data.
1-e) A first registration means for registering the position coordinates of a pseudo-target, which is first position information, and first surface feature data, in association with the position coordinates of a three-dimensional laser scanner.
2) Displacement measurement unit 2-a) Second point cloud data acquisition means for acquiring point cloud data of the sprayed concrete surface as second point cloud data.
2-b) Search area setting means for setting a search area from second point cloud data based on the position coordinates of a pseudo-target.
2-c) A second surface feature data extraction means for extracting surface features based on the plane of a pseudo-target from the search area as second surface feature data.
2-d) A pseudo-target identification means that identifies the position coordinates of a pseudo-target, which is second position information, based on the similarity between the surface features of the first surface feature data and the partial surface features in the second surface feature data.
2-e) A second registration means for registering the position coordinates of an identified pseudo-target in association with the position coordinates of a three-dimensional laser scanner.
2-f) Displacement measuring means for measuring the displacement of the space inside a tunnel based on the change in the position coordinates of a pseudo-target set in the initial measurement means and the pseudo-target identified in the displacement measuring means.

本発明のトンネル変位測定システムは、トンネル変位測定装置と、トンネル内空の壁面にターゲットとして設置される実体的なターゲット部材と、を有する。ターゲット部材は、突起を有し、トンネル内空の形状に凹凸特徴を有する。あるいは、ターゲット部材は、トンネル内空の壁面に設置され、内面に露出する部分に凹凸特徴を備える金物である。ターゲットはトンネルがNATM工法によるトンネルの場合は、ロックボルトの定着プレートあるいは、鋼製支保工である。トンネルがシールド工法によるトンネルである場合は、トンネルセグメントピースの内面に設けられる把持金物や継手金物である。 The tunnel displacement measurement system of the present invention comprises a tunnel displacement measurement device and a physical target member installed as a target on the wall surface inside the tunnel . The target member has protrusions and has uneven characteristics in the shape of the inside of the tunnel. Alternatively, the target member is a metal fitting installed on the wall surface inside the tunnel and has uneven characteristics in the portion exposed to the inner surface. If the tunnel is constructed using the NATM method, the target is a rock bolt anchoring plate or a steel support. If the tunnel is constructed using the shield tunneling method, the target is a gripping fitting or joint fitting provided on the inner surface of the tunnel segment piece.

本発明のトンネル変位測定方法、およびシステムによれば、高速でトンネルの内空の変位を測定できるといった効果がある。 The tunnel displacement measurement method and system of the present invention have the effect of being able to measure the displacement inside a tunnel at high speed.

トンネル変位測定装置の機能ブロック図Functional block diagram of the tunnel displacement measuring device トンネル変位測定装置の構成イメージ図Schematic diagram of the tunnel displacement measurement device. トンネル変位測定方法の概略フロー図Schematic flowchart of tunnel displacement measurement method 初期計測ステップ及び変位計測ステップの説明図(1)Diagram (1) illustrating the initial measurement step and displacement measurement step. 初期計測ステップ及び変位計測ステップの説明図(2)Diagram illustrating the initial measurement step and displacement measurement step (2) 初期計測フロー図Initial measurement flow chart 疑似ターゲットの配置イメージ図Image diagram of the placement of simulated targets 疑似ターゲット設定フロー図Pseudo-target setting flowchart 疑似ターゲット設定ステップの説明図Diagram illustrating the steps for setting a simulated target. 疑似ターゲット及び特徴データのイメージ図Image diagram of simulated target and feature data 特徴データの抽出イメージ図Feature data extraction diagram 変位計測フロー図Displacement Measurement Flowchart 探索領域設定フロー図Search Area Setting Flowchart 探索領域の設定イメージ図Image diagram of the search area setting 疑似ターゲット特定ステップの説明図(1)Diagram illustrating the steps for identifying a pseudo-target (1) 疑似ターゲット特定ステップの説明図(2)Diagram illustrating the steps for identifying a pseudo-target (2) トンネル変位測定システムの構成イメージ図Schematic diagram of the tunnel displacement measurement system. ロックボルトのプレートのイメージ図Image of a rock bolt plate ターゲットのイメージ図Target image 突起の数と測定精度の関係の概略図Schematic diagram showing the relationship between the number of protrusions and measurement accuracy. 突起のイメージ図Image of a protrusion トンネル変位測定システムの構成イメージ図Schematic diagram of the tunnel displacement measurement system. 鋼製支保工の突起のイメージ図Conceptual diagram of a protrusion on a steel support structure.

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 The following describes in detail an example of an embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples, and numerous modifications and variations are possible.

図1は、トンネル変位測定装置の機能ブロック図を示している。また、図2は、トンネル変位測定装置の構成イメージ図を示している。図1に示すように、トンネル変位測定装置1は、初期計測部2及び変位計測部3から成る。初期計測部2は、スキャナ座標取得手段21、第1の点群データ取得手段22、疑似ターゲット設定手段23、第1の凹凸特徴データ抽出手段24及び第1の登録手段26を備える。また、変位計測部3は、第2の点群データ取得手段32、探索領域設定手段33、第2の凹凸特徴データ抽出手段34、疑似ターゲット特定手段35、第2の登録手段36及び変位測定手段37を備える。
また、図2に示すように、トンネル変位測定装置1は、LiDARスキャナ4、コンピュータ5及びスキャナ用ターゲット(11a~11c)で構成され、LiDARスキャナ4とコンピュータ5は、有線又は無線により接続されている。スキャナ用ターゲット(11a~11c)は、トンネル7の内空における位置座標が既知の点に取り付けられている。スキャナ用ターゲット(11a~11c)は、例えばトンネル7の壁面72に設けることができる。
Figure 1 shows a functional block diagram of the tunnel displacement measuring device. Figure 2 shows an image diagram of the configuration of the tunnel displacement measuring device. As shown in Figure 1, the tunnel displacement measuring device 1 consists of an initial measurement unit 2 and a displacement measuring unit 3. The initial measurement unit 2 includes a scanner coordinate acquisition means 21, a first point cloud data acquisition means 22, a pseudo-target setting means 23, a first unevenness feature data extraction means 24, and a first registration means 26. The displacement measuring unit 3 includes a second point cloud data acquisition means 32, a search area setting means 33, a second unevenness feature data extraction means 34, a pseudo-target identification means 35, a second registration means 36, and a displacement measuring means 37.
Furthermore, as shown in Figure 2, the tunnel displacement measuring device 1 consists of a LiDAR scanner 4, a computer 5, and scanner targets (11a to 11c), with the LiDAR scanner 4 and the computer 5 connected by wire or wireless. The scanner targets (11a to 11c) are attached to points in the interior of the tunnel 7 whose position coordinates are known. The scanner targets (11a to 11c) can be installed, for example, on the wall surface 72 of the tunnel 7.

スキャナ座標取得手段21は、3次元レーザースキャナの位置座標を取得するものである。3次元レーザースキャナとしてはLiDARスキャナ4が用いられている。本実施例では、スキャナ座標取得手段21は、スキャナ用ターゲット(11a~11c)を用いてLiDARスキャナ4の絶対座標を取得する。第1の点群データ取得手段22は、3次元レーザースキャナを用いて、トンネル内空の吹付コンクリート表面(トンネル内面)の点群データを取得するものである。疑似ターゲット設定手段23は、第1の点群データから少なくとも3つの所定の領域を切り出し疑似ターゲット(ターゲット)として設定するものである。第1の凹凸特徴データ抽出手段24は、疑似ターゲットから第1の凹凸特徴データを抽出するものである。第1の登録手段26は、3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、疑似ターゲットの位置座標(第1の位置情報)と第1の凹凸特徴データを登録するものである。 The scanner coordinate acquisition means 21 acquires the position coordinates of the 3D laser scanner. A LiDAR scanner 4 is used as the 3D laser scanner. In this embodiment, the scanner coordinate acquisition means 21 acquires the absolute coordinates of the LiDAR scanner 4 using scanner targets (11a to 11c). The first point cloud data acquisition means 22 acquires point cloud data of the sprayed concrete surface (inner surface of the tunnel) inside the tunnel using the 3D laser scanner. The pseudo-target setting means 23 extracts at least three predetermined regions from the first point cloud data and sets them as pseudo-targets (targets). The first surface feature data extraction means 24 extracts first surface feature data from the pseudo-targets. The first registration means 26 registers the position coordinates (first position information) of the pseudo-targets and the first surface feature data in association with the position coordinates of the 3D laser scanner.

第2の点群データ取得手段32は、3次元レーザースキャナを用いて、トンネル内空の吹付コンクリート表面の点群データを取得するものである。探索領域設定手段33は、第2の点群データから疑似ターゲット(ターゲット)の探索領域を設定するものである。探索領域は、疑似ターゲットの位置座標(第1の位置情報)に基づき特定される位置を含み、疑似ターゲットよりも面積の広い領域である。第2の凹凸特徴データ抽出手段34は、探索領域の点群データから第2の凹凸特徴データを抽出するものである。疑似ターゲット特定手段35は、第1の凹凸特徴データと第2の凹凸特徴データの類似度に基づき、疑似ターゲットを抽出してその位置座標(第2の位置情報)を特定し、取得するものである。第2の登録手段36は、3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、特定された疑似ターゲットの位置座標を登録するものである。変位測定手段37は、初期計測部2において設定された疑似ターゲットと、変位計測部3において特定された疑似ターゲットの位置座標の変化(第1の位置情報と第2の位置情報の差分)に基づき、トンネルの内空形状の変位を測定するものである。 The second point cloud data acquisition means 32 acquires point cloud data of the sprayed concrete surface inside the tunnel using a three-dimensional laser scanner. The search area setting means 33 sets the search area of a pseudo-target (target) from the second point cloud data. The search area includes a location identified based on the position coordinates of the pseudo-target (first position information) and is a larger area than the pseudo-target. The second surface feature data extraction means 34 extracts second surface feature data from the point cloud data of the search area. The pseudo-target identification means 35 extracts a pseudo-target based on the similarity between the first surface feature data and the second surface feature data, identifies its position coordinates (second position information), and acquires it. The second registration means 36 registers the identified position coordinates of the pseudo-target in association with the position coordinates of the three-dimensional laser scanner. The displacement measuring means 37 measures the displacement of the tunnel's internal shape based on the change in the position coordinates (the difference between the first and second position information) of the pseudo-target set in the initial measurement unit 2 and the pseudo-target identified in the displacement measuring unit 3.

本実施例では、LiDARスキャナ4が、第1の点群データ取得手段22及び第2の点群データ取得手段32を備え、コンピュータ5が、疑似ターゲット設定手段23、第1の凹凸特徴データ抽出手段24、第1の登録手段26、第2の点群データ取得手段32、探索領域設定手段33、第2の凹凸特徴データ抽出手段34、疑似ターゲット特定手段35、第2の登録手段36及び変位測定手段37を備える。 In this embodiment, the LiDAR scanner 4 comprises a first point cloud data acquisition means 22 and a second point cloud data acquisition means 32, and the computer 5 comprises a pseudo-target setting means 23, a first surface feature data extraction means 24, a first registration means 26, a second point cloud data acquisition means 32, a search area setting means 33, a second surface feature data extraction means 34, a pseudo-target identification means 35, a second registration means 36, and a displacement measurement means 37.

図3は、トンネル変位測定方法の概略フロー図を示している。図3に示すように、本実施例のトンネル変位測定方法は、まず、初期計測を行い(ステップS01:初期計測ステップ)、その後、変位計測を行う(ステップS02:変位計測ステップ)。変位計測は、1週間に1回から1日に2回の頻度で行われる。具体的には、測定位置と切羽の離れと、内空変位の変位速度に基づき定められる。変位計測は繰り返し行われ、全ての変位計測が完了すると(ステップS03)、変位測定は終了となる。
図4及び図5は、初期計測ステップ及び変位計測ステップの説明図を示している。図4又は図5に示すように、範囲Rについて、初期計測ステップ(ステップS01)を行う場合、既に図5に示す範囲Rについて、初期計測ステップ(ステップS01)が完了している場合は、範囲Rについて初期計測ステップ(ステップS01)を行うと共に、範囲Rについて変位計測ステップ(ステップS02)を行う。所定の時間経過後、トンネルの掘削工事の進展に伴い、新たな範囲Rについて疑似ターゲットを設ける場合は、範囲Rにおいて初期計測ステップ(ステップS01)を行い、既に初期計測が完了している範囲(R,R)については、変位計測ステップ(ステップS02)を行う。このように疑似ターゲットを増加させながら、繰り返し変位計測を行うことができる。
Figure 3 shows a schematic flowchart of the tunnel displacement measurement method. As shown in Figure 3, the tunnel displacement measurement method in this embodiment first performs an initial measurement (Step S01: Initial Measurement Step), and then performs a displacement measurement (Step S02: Displacement Measurement Step). Displacement measurements are performed at a frequency of once a week to twice a day. Specifically, this is determined based on the distance between the measurement position and the tunnel face, and the displacement velocity of the internal displacement. Displacement measurements are performed repeatedly, and once all displacement measurements are completed (Step S03), the displacement measurement is terminated.
Figures 4 and 5 illustrate the initial measurement step and the displacement measurement step. As shown in Figure 4 or Figure 5, when the initial measurement step (step S01) is performed for range R2 , if the initial measurement step (step S01) has already been completed for range R1 as shown in Figure 5, the initial measurement step (step S01) is performed for range R2 , and the displacement measurement step (step S02) is performed for range R1 . After a predetermined time has elapsed, as the tunnel excavation work progresses, if a pseudo-target is to be set up for a new range R3 , the initial measurement step (step S01) is performed for range R3 , and the displacement measurement step (step S02) is performed for the ranges ( R1 , R2 ) where the initial measurement has already been completed. In this way, displacement measurements can be repeatedly performed while increasing the number of pseudo-targets.

(初期計測ステップについて)
図6は初期計測フロー図を示している。図6に示すように、まず、3次元レーザースキャナの位置座標を取得する(ステップS11:スキャナ座標取得ステップ)。前述の通り、本実施例では、スキャナ用ターゲット(11a~11c)を用いてLiDARスキャナ4の絶対座標を取得する。
3次元レーザースキャナを用いて、トンネル内空の吹付コンクリート表面の点群データを取得する(ステップS12:第1の点群データ取得ステップ)。本実施例では、LiDARスキャナ4を用いて、LiDARスキャナ4の前方の切羽面71及び壁面72に関する点群データを取得する。壁面72にはコンクリートが吹き付けられている。ここでの点群データの取得範囲は、疑似ターゲットとして設定される範囲に限られず、例えば、図5に示すように、範囲Rについて点群データの取得が可能である場合には、範囲R全体について点群データが取得される。
(Regarding the initial measurement step)
Figure 6 shows the initial measurement flow diagram. As shown in Figure 6, first, the position coordinates of the 3D laser scanner are obtained (step S11: scanner coordinate acquisition step). As mentioned above, in this embodiment, the absolute coordinates of the LiDAR scanner 4 are obtained using scanner targets (11a to 11c).
A 3D laser scanner is used to acquire point cloud data of the sprayed concrete surface inside the tunnel (Step S12: First point cloud data acquisition step). In this embodiment, a LiDAR scanner 4 is used to acquire point cloud data relating to the tunnel face 71 and wall surface 72 in front of the LiDAR scanner 4. Concrete is sprayed onto the wall surface 72. The range of point cloud data acquisition here is not limited to the range set as a pseudo-target; for example, as shown in Figure 5, if it is possible to acquire point cloud data for range R, point cloud data is acquired for the entire range R.

点群データから少なくとも3つの領域を切り出し疑似ターゲットとして設定する(ステップS13:疑似ターゲット設定ステップ)。本実施例では、図2に示すように、計測断面70を含むように、5つの領域を切り出し、疑似ターゲット(6a~6e)としている。図7は、疑似ターゲットの配置イメージ図を示している。疑似ターゲットの配置位置については、図7に示すように、疑似ターゲット6aと疑似ターゲット6eでD測線が計測できる位置に疑似ターゲット(6a,6e)を設けている。また、疑似ターゲット6bと疑似ターゲット6cでA測線、疑似ターゲット6cと疑似ターゲット6dでB測線、疑似ターゲット6bと疑似ターゲット6dでC測線が計測できる位置に疑似ターゲット(6b~6d)を設けている。 At least three regions are extracted from the point cloud data and set as pseudo-targets (Step S13: Pseudo-target setting step). In this embodiment, as shown in Figure 2, five regions are extracted to include the measurement cross-section 70 and set as pseudo-targets (6a to 6e). Figure 7 shows an image diagram of the pseudo-target arrangement. Regarding the placement of the pseudo-targets, as shown in Figure 7, pseudo-targets 6a and 6e are placed at positions where the D measurement line can be measured. Furthermore, pseudo-targets 6b and 6c are placed at positions where the A measurement line can be measured, pseudo-targets 6c and 6d are placed at positions where the B measurement line can be measured, and pseudo-targets 6b and 6d are placed at positions where the C measurement line can be measured.

ここで、疑似ターゲットの設定手法について説明する。図8は疑似ターゲット設定フロー図を示している。また、図9は疑似ターゲット設定ステップの説明図であり、(1)は領域の切出し、(2)は重心の算出、(3)は法線の算出、(4)は平面化のイメージを示している。図8に示すように、疑似ターゲット設定ステップ(ステップS13)においては、まず、第1の点群データから領域を切り出す(ステップS131:第1の切出しステップ)。図9(1)では切り出された当該領域中の点群8を図示している。次に、図9(2)に示すように、切り出された領域に含まれる点群データに基づき、疑似ターゲットの重心Gを算出する(ステップS132:第1の重心算出ステップ)。点群データ及び重心に基づき、疑似ターゲットの法線を算出する(ステップS133:第1の法線算出ステップ)。法線は、点群データの処理に関する既知の手法を用い、例えば、点群データの共分散行列の固有ベクトルなどから重心座標を通る線分として算出できる。図9(3)では法線方向Nを図示している。最後に、重心及び法線に基づき、疑似ターゲットを平面データとする(ステップS134:第1の平面化ステップ)。図9(4)に平面化された平面Pを図示している。 Here, we will explain the method for setting a pseudo-target. Figure 8 shows a flowchart for setting a pseudo-target. Figure 9 is an explanatory diagram of the pseudo-target setting steps, where (1) shows region extraction, (2) shows centroid calculation, (3) shows normal vector calculation, and (4) shows the image of planarization. As shown in Figure 8, in the pseudo-target setting step (step S13), first, a region is extracted from the first point cloud data (step S131: first extraction step). Figure 9(1) shows the point cloud 8 in the extracted region. Next, as shown in Figure 9(2), the centroid G of the pseudo-target is calculated based on the point cloud data included in the extracted region (step S132: first centroid calculation step). Based on the point cloud data and centroid, the normal vector of the pseudo-target is calculated (step S133: first normal vector calculation step). The normal vector can be calculated using known methods for processing point cloud data, for example, as a line segment passing through the centroid coordinates from the eigenvectors of the covariance matrix of the point cloud data. Figure 9(3) illustrates the normal direction N. Finally, based on the centroid and normal, the pseudo-target is converted into planar data (Step S134: First planarization step). Figure 9(4) illustrates the planarized plane P.

次に、図6に示すように、疑似ターゲットから第1の凹凸特徴データを抽出する(ステップS14:第1の凹凸特徴データ抽出ステップ)。第1の凹凸特徴データ抽出ステップは、平面データにおける少なくとも1つの断面につき、法線方向Nに関する各点の相対的位置から断面データを算出する。
図10は、疑似ターゲット及び凹凸特徴データのイメージ図であり、(1)は疑似ターゲットが設定された状態、(2)は凹凸特徴データが抽出された状態を示している。また、図11は、凹凸特徴データの抽出イメージ図を示している。図10(1)に示すように、壁面72に関して取得された点群80につき、疑似ターゲット6が設定された後、図11に示すように、複数の断面データが算出される。具体的には、本実施例では、疑似ターゲット6の縦方向の断面(C~C)に関する断面データ、及び横方向の断面(C~C)に関する断面データが算出される。縦方向は、例えばトンネル軸方向と直交するトンネル断面の周方向に対応し、横方向は例えばトンネル軸方向に対応する。また本実施例とは異なり、より多くの断面データを算出してもよいし、例えば斜め方向の断面データを算出してもよい。斜め方向は、縦方向および横方向に対して傾斜した方向である。
Next, as shown in Figure 6, first surface feature data is extracted from the pseudo-target (Step S14: First surface feature data extraction step). The first surface feature data extraction step calculates cross-sectional data from the relative positions of each point with respect to the normal direction N for at least one cross-section in the planar data.
Figure 10 is an illustrative diagram of a pseudo-target and surface feature data, where (1) shows the state in which a pseudo-target is set and (2) shows the state in which surface feature data is extracted. Figure 11 is an illustrative diagram of the extraction of surface feature data. As shown in Figure 10(1), after a pseudo-target 6 is set for the point cloud 80 acquired with respect to the wall surface 72, multiple cross-sectional data are calculated as shown in Figure 11. Specifically, in this embodiment, cross-sectional data relating to the vertical cross-section ( C1 to C3 ) and the horizontal cross-section ( C4 to C6 ) of the pseudo-target 6 are calculated. The vertical direction corresponds to, for example, the circumferential direction of the tunnel cross-section perpendicular to the tunnel axis direction, and the horizontal direction corresponds to, for example, the tunnel axis direction. In addition, unlike this embodiment, more cross-sectional data may be calculated, or, for example, cross-sectional data in the diagonal direction may be calculated. The diagonal direction is a direction inclined with respect to the vertical and horizontal directions.

3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、疑似ターゲットの位置座標及び第1の凹凸特徴データを登録する(ステップS15:第1の登録ステップ)。登録する疑似ターゲットの位置座標としては、本実施例では、LiDARスキャナ4の絶対座標に基づき、疑似ターゲット(6a~6e)中の点群8の絶対座標と、重心、法線、平面データを登録するが、疑似ターゲット(6a~6e)中の点群8の絶対座標のみを登録することでもよい。 The position coordinates of the pseudo-target and the first surface feature data are registered in association with the position coordinates of the 3D laser scanner (Step S15: First registration step). In this embodiment, the absolute coordinates of the point cloud 8 within the pseudo-targets (6a-6e), along with the centroid, normal, and plane data, are registered based on the absolute coordinates of the LiDAR scanner 4. However, it is also acceptable to register only the absolute coordinates of the point cloud 8 within the pseudo-targets (6a-6e).

(変位計測ステップについて)
図12は変位計測フロー図を示している。図12に示すように、3次元レーザースキャナを用いて、トンネル内空の吹付コンクリート表面の点群データを取得する(ステップS21:第2の点群データ取得ステップ)。点群データの取得方法は、第1の点群データ取得ステップ(ステップS12)と同様である。
(Regarding the displacement measurement step)
Figure 12 shows a displacement measurement flowchart. As shown in Figure 12, a 3D laser scanner is used to acquire point cloud data of the sprayed concrete surface inside the tunnel (Step S21: Second point cloud data acquisition step). The method for acquiring point cloud data is the same as in the first point cloud data acquisition step (Step S12).

次に、第2の点群データから疑似ターゲットの探索領域を設定する(ステップS22:探索領域設定ステップ)。図13は、探索領域設定フロー図を示している。また、図14は探索領域60の設定イメージ図、図15及び図16は疑似ターゲット特定ステップの説明図を示している。
図13及び図14(1)に示すように、まず、初期計測ステップ(ステップS01)において設定された疑似ターゲット6の位置座標60aに基づいて、第2の点群データ81から探索領域60を切り出す(ステップS221:第2の切出しステップ)。
次に、切り出された探索領域60に含まれる第2の点群データを取得し、当該点群データに基づき、探索領域60の重心を算出する(ステップS222:第2の重心算出ステップ)。第2の点群データ及び重心に基づき、探索領域60の法線を算出する(ステップS223:第2の法線算出ステップ)。重心及び法線に基づき、探索領域60を平面データとする(ステップS224:第2の平面化ステップ)。かかる処理は、図9に示す疑似ターゲット設定ステップと同様である。図14(1)では探索領域60が平面データ化された状態を示している。
Next, the search area for the pseudo-target is set from the second point cloud data (Step S22: Search Area Setting Step). Figure 13 shows a flowchart for setting the search area. Figure 14 is an image diagram of the setting of the search area 60, and Figures 15 and 16 are explanatory diagrams of the pseudo-target identification step.
As shown in Figures 13 and 14(1), first, based on the position coordinates 60a of the pseudo-target 6 set in the initial measurement step (step S01), the search area 60 is extracted from the second point cloud data 81 (step S221: second extraction step).
Next, second point cloud data included in the extracted search area 60 is acquired, and the centroid of the search area 60 is calculated based on this point cloud data (Step S222: Second centroid calculation step). Based on the second point cloud data and the centroid, the normal of the search area 60 is calculated (Step S223: Second normal calculation step). Based on the centroid and the normal, the search area 60 is converted into planar data (Step S224: Second planarization step). This process is the same as the pseudo-target setting step shown in Figure 9. Figure 14(1) shows the state in which the search area 60 has been converted into planar data.

探索領域60から第2の凹凸特徴データを抽出する(ステップS23:第2の凹凸特徴データ抽出ステップ)。図14(2)では第2の凹凸特徴データとして、探索領域60の縦方向の断面(C10~C30)に関する断面データ、及び横方向の断面(C40~C60)に関する断面データが算出されたイメージを示している。
図15(1)に示すように、疑似ターゲット6の第1の凹凸特徴データと、探索領域60の第2の凹凸特徴データの類似度に基づき、疑似ターゲット6を抽出してその位置座標を特定する(ステップS24:疑似ターゲット特定ステップ)。本実施例では、図15(2)に示すように、断面C20と断面C、及び断面C50と断面Cについて類似度が高いと判定される。そして、図16(1)に示すように、類似度が高い領域(A,A)の位置座標から、図16(2)に示すように疑似ターゲット6を抽出してその位置座標が特定され、取得される。
Second surface feature data is extracted from the search area 60 (Step S23: Second surface feature data extraction step). Figure 14(2) shows an image of the second surface feature data, which includes cross-sectional data relating to the vertical cross-section ( C10 to C30 ) and the horizontal cross-section ( C40 to C60 ) of the search area 60.
As shown in Figure 15(1), the pseudo-target 6 is extracted and its position coordinates are identified based on the similarity between the first surface feature data of the pseudo-target 6 and the second surface feature data of the search area 60 (Step S24: Pseudo-target identification step). In this embodiment, as shown in Figure 15(2), the similarity is determined to be high between sections C20 and C2 , and between sections C50 and C5 . Then, as shown in Figure 16(1), the pseudo-target 6 is extracted from the position coordinates of the areas with high similarity ( A1 , A2 ), and its position coordinates are identified and obtained as shown in Figure 16(2).

3次元レーザースキャナの位置座標に関連付けて、特定された疑似ターゲットの位置座標を登録する(ステップS25:第2の登録ステップ)。座標の登録方法については、第1の登録ステップ(ステップS15)と同様である。
初期計測ステップにおいて設定された疑似ターゲットと、変位計測ステップにおいて特定された疑似ターゲットの位置座標の変化に基づき、トンネルの内空形状の変位を測定する(ステップS26:変位測定ステップ)。本実施例では、図10(2)に示す疑似ターゲット6の点群データ8と、図16(2)に示す疑似ターゲット6の点群データ8aを比較して、トンネルの内空形状の変位を測定する。
The position coordinates of the identified pseudo-target are registered in association with the position coordinates of the 3D laser scanner (Step S25: Second registration step). The method for registering the coordinates is the same as in the first registration step (Step S15).
Based on the changes in the position coordinates of the pseudo-target set in the initial measurement step and the pseudo-target identified in the displacement measurement step, the displacement of the tunnel's internal shape is measured (Step S26: Displacement Measurement Step). In this embodiment, the point cloud data 8 of the pseudo-target 6 shown in Figure 10(2) and the point cloud data 8a of the pseudo-target 6 shown in Figure 16(2) are compared to measure the displacement of the tunnel's internal shape.

実施例1ではターゲットとして点群データ(疑似ターゲット)を用いているが、ターゲットは、トンネル内空に設置される実体的なターゲット部材であってもよい。ただし、ターゲットの設置の手間を無くすため、ターゲットは測定専用のもので無く、トンネル内空に通常設ける他の部材と兼用させるのがよい。 In Example 1, point cloud data (a simulated target) is used as the target, but the target may be a physical target element installed in the tunnel. However, to eliminate the effort of installing the target, it is preferable to use a target that is not dedicated solely to measurement, but is shared with other elements normally installed in the tunnel.

その一例が図17のトンネル変位測定システム10であり、トンネル変位測定装置1aに加え、トンネル7の壁面72に設置されたターゲット100a~100eを有する。ターゲット100a~100eは、トンネル軸方向の各範囲R、R、R、…(図5参照)において、前記の疑似ターゲット6a~6eと同様の位置にそれぞれ設けられる。 One example is the tunnel displacement measurement system 10 shown in Figure 17, which includes a tunnel displacement measurement device 1a and targets 100a to 100e installed on the wall surface 72 of the tunnel 7. The targets 100a to 100e are each positioned in the same locations as the pseudo-targets 6a to 6e in each range R1 , R2 , R3 , ... (see Figure 5) in the tunnel axial direction.

また、LiDARスキャナ4はトンネル幅方向の両側の壁面72のそれぞれに沿って設けられており、各LiDARスキャナ4が、LiDARスキャナ4を設置した壁面72と反対側の壁面72の点群データを取得するようにしている。トンネル幅方向はトンネル軸方向と平面において直交する方向である。図17ではトンネル軸方向を符号Aで、トンネル幅方向を符号Bで示している。 Furthermore, the LiDAR scanners 4 are installed along each of the wall surfaces 72 on both sides in the tunnel width direction, and each LiDAR scanner 4 is configured to acquire point cloud data of the wall surface 72 opposite to the wall surface 72 on which the LiDAR scanner 4 is installed. The tunnel width direction is perpendicular to the tunnel axis direction in the plane. In Figure 17, the tunnel axis direction is indicated by symbol A, and the tunnel width direction is indicated by symbol B.

図18はターゲット100aを示す図である。この例では、ターゲット100aとして、ロックボルト200の定着用のプレートが用いられる。ロックボルト200はトンネル7の壁面72から背後の地山に打設され、ロックボルト200のプレートすなわちターゲット100aは壁面72の吹付コンクリート上に設けられる。ロックボルト200の端部はターゲット100aの外面から突出し、その突出部分にナット210が締め込まれる。 Figure 18 shows the target 100a. In this example, a plate for anchoring the rock bolt 200 is used as the target 100a. The rock bolt 200 is driven from the wall surface 72 of the tunnel 7 into the ground behind it, and the plate of the rock bolt 200, i.e., the target 100a, is installed on the sprayed concrete of the wall surface 72. The end of the rock bolt 200 protrudes from the outer surface of the target 100a, and a nut 210 is tightened onto this protruding portion.

ターゲット100aは板状の金物であり、その外面に突起110を有することで、凹凸特徴を備えたものとしている。突起110は、水平方向に連続する突条であり、ターゲット100a内で上下複数段平行に配置される。より具体的には、ターゲット100aの上部に2段、下部に2段の突起110が配置され、上部の2段の突起110と下部の2段の突起110の間に、ロックボルト200の端部を通すための貫通孔(不図示)が設けられる。また突起110の断面は矩形状となっている。 The target 100a is a plate-shaped metal object with projections 110 on its outer surface, giving it an uneven surface. The projections 110 are continuous horizontal ridges, arranged in multiple parallel rows vertically within the target 100a. More specifically, two rows of projections 110 are arranged on the upper part of the target 100a, and two rows on the lower part. A through-hole (not shown) for passing the end of the lock bolt 200 is provided between the two upper and two lower projections 110. The cross-section of the projections 110 is rectangular.

その他のターゲット100b~100eも同様の形状を有しており、その設置時の姿勢のみターゲット100b~100eの位置に応じて異なる。例えば、図17に示すトンネル7の頂部のターゲット100cは、板面を水平方向として配置され、突起110は、トンネル幅方向Bに間隔を空けて複数列配置された状態となる。 The other targets 100b to 100e have similar shapes; only their orientation during installation differs depending on the position of the targets 100b to 100e. For example, the target 100c at the top of the tunnel 7 shown in Figure 17 is positioned with its plate surface horizontal, and the protrusions 110 are arranged in multiple rows with spacing in the tunnel width direction B.

トンネル変位測定装置1aの機能は、図1で説明したトンネル変位測定装置1の機能と略同様である。ただし、初期計測部2は、前記の疑似ターゲット設定手段23と第1の凹凸特徴データ抽出手段24に代えて、ターゲット100a~100eを3次元レーザースキャナなど別途の撮像装置(不図示)で事前に撮像した撮像結果の入力を受け付け、当該撮像結果からターゲット100a~100eの凹凸特徴である凹凸特徴データを事前に取得する凹凸特徴データ取得手段と、ターゲット100a~100eを含むトンネル内面の点群データ(第1の点群データ)から凹凸特徴データを抽出してターゲット100a~100eの位置座標(第1の位置情報)を取得する位置情報取得手段と、を設けたものとなる。第1の登録手段26は、ターゲット100a~100eの位置情報と凹凸特徴データの登録を行う。 The function of the tunnel displacement measuring device 1a is substantially the same as that of the tunnel displacement measuring device 1 described in Figure 1. However, the initial measurement unit 2 replaces the pseudo-target setting means 23 and the first surface feature data extraction means 24 with a surface feature data acquisition means that receives input of imaging results obtained in advance from a separate imaging device (not shown) such as a 3D laser scanner, and acquires surface feature data, which is the surface feature of targets 100a to 100e, from the imaging results. It also includes a position information acquisition means that extracts surface feature data from point cloud data (first point cloud data) of the tunnel interior including targets 100a to 100e and acquires the position coordinates (first position information) of targets 100a to 100e. The first registration means 26 registers the position information and surface feature data of targets 100a to 100e.

変位計測部3は、前記の疑似ターゲット特定手段35に代えて、探索領域60の点群データからターゲット100a~100eを抽出し、その位置座標(第2の位置情報)を特定して取得するターゲット特定手段を設けたものとなる。探索領域60は、前記の位置情報取得手段で取得したターゲット100a~100eの位置座標(第1の位置情報)に基づき特定される位置を含み、ターゲット100a~100eよりも面積の広い領域である。第2の登録手段36、および変位測定手段37は、前記の疑似ターゲット6a~6eの代わりに、ターゲット100a~100eの領域について同様の処理を行う。 The displacement measurement unit 3 replaces the pseudo-target identification means 35 with a target identification means that extracts targets 100a to 100e from the point cloud data of the search area 60 and identifies and acquires their position coordinates (second position information). The search area 60 includes the positions identified based on the position coordinates (first position information) of targets 100a to 100e acquired by the position information acquisition means, and is a larger area than targets 100a to 100e. The second registration means 36 and the displacement measurement means 37 perform similar processing on the area of targets 100a to 100e, instead of the pseudo-targets 6a to 6e.

本実施例における初期計測フローも、基本的には図6で説明されたものと同様である。ただし、本実施例では、コンピュータ5が、ターゲット100a~100eを別途の撮像装置(不図示)で事前に撮像した撮像結果の入力を受け付け、当該撮像結果からターゲット100a~100eの凹凸特徴データを事前に取得する。そして、図6の疑似ターゲット設定ステップ(ステップS13)、第1の凹凸特徴データ抽出ステップ(ステップS14)を行う代わりに、第1の点群データ取得ステップ(ステップS12)で取得したターゲット100a~100eを含むトンネル内面の点群データから、凹凸特徴データを抽出してターゲット100a~100eの位置座標を取得する。その後、第1の登録ステップ(ステップS15)では、ターゲット100a~100eの位置座標と凹凸特徴データの登録を行う。 The initial measurement flow in this embodiment is basically the same as that described in Figure 6. However, in this embodiment, the computer 5 receives input of imaging results obtained in advance from a separate imaging device (not shown) that has imaged targets 100a to 100e, and acquires surface feature data of targets 100a to 100e from these imaging results. Then, instead of performing the pseudo-target setting step (step S13) and the first surface feature data extraction step (step S14) in Figure 6, surface feature data is extracted from the point cloud data of the tunnel interior including targets 100a to 100e acquired in the first point cloud data acquisition step (step S12) to obtain the position coordinates of targets 100a to 100e. Subsequently, in the first registration step (step S15), the position coordinates and surface feature data of targets 100a to 100e are registered.

ターゲット100a~100eは突起110を有するため、凹凸特徴データでは、突起110による凹凸特徴が縦方向の断面データ(図11の符号C~C参照)に現れ、凹凸特徴における凸部の高さや凹部の深さが横方向の断面データ(図11の符号C~C参照)に現れる。なお、断面データを算出する断面は、ロックボルト200の端部やナット210を避けた位置とすることが望ましい。 Since targets 100a to 100e have protrusions 110, in the surface feature data, the surface features due to the protrusions 110 appear in the vertical cross-sectional data (see reference numerals C1 to C3 in Figure 11), and the height of the protrusions and the depth of the recesses in the surface features appear in the horizontal cross-sectional data (see reference numerals C4 to C6 in Figure 11). It is desirable that the cross-section used to calculate the cross-sectional data be a position that avoids the ends of the lock bolts 200 and the nuts 210.

本実施例における変位計測フローも、基本的には図12で説明された実施例1のフローと同様である。ただし、本実施例では、図12の疑似ターゲット特定ステップ(ステップS24)で疑似ターゲット6a~6eの位置座標の特定を行う代わりに、ターゲット100a~100eの領域の位置座標(第2の位置情報)の特定を行う。ターゲット特定ステップは、ターゲット100a~100eの凹凸特徴データと探索領域60の凹凸特徴データの類似度に基づき、探索領域60の中から、ターゲット100a~100eと同様の凹凸特徴を有する領域をターゲット100a~100eの領域として抽出し、その位置座標を特定し取得するものである。ターゲット特定の手法は実施例1と同様のテンプレートマッチング手法であってもよいが、これに限らず、ターゲット100a~100eの突起110による凹凸特徴を探索領域60内で探索するものであればよく、各種の既知のマッチング手法を適用することができる。 The displacement measurement flow in this embodiment is basically the same as the flow in Embodiment 1 described in Figure 12. However, in this embodiment, instead of identifying the position coordinates of pseudo-targets 6a to 6e in the pseudo-target identification step (step S24) in Figure 12, the position coordinates (second position information) of the target area 100a to 100e are identified. The target identification step extracts areas with similar surface features to targets 100a to 100e from the search area 60 based on the similarity between the surface feature data of targets 100a to 100e and the surface feature data of the search area 60, and identifies and obtains their position coordinates. The target identification method may be the same template matching method as in Embodiment 1, but is not limited to this; any method that searches for surface features due to the protrusions 110 of targets 100a to 100e within the search area 60 is acceptable, and various known matching methods can be applied.

本実施例では、ターゲット100a~100eの外面に突起110が配置されていることで、これらのターゲット100a~100eに関し、位置特定を精度良く行える。すなわち、図19(a)に示すように、仮にターゲット100aの表面が平滑であると、ターゲット100aを含めたトンネル内空の形状に特徴的な箇所が存在しないが、本実施例のようにターゲット100aに突起110が形成されていると、図19(b)の実線部分に示すように、ターゲット100aを含めたトンネル内空の形状に特徴的な凹凸が生じる。 In this embodiment, the placement of protrusions 110 on the outer surfaces of targets 100a to 100e allows for accurate positioning of these targets. Specifically, as shown in Figure 19(a), if the surface of target 100a were smooth, there would be no characteristic features in the shape of the tunnel cavity including target 100a. However, as in this embodiment, when protrusions 110 are formed on target 100a, characteristic irregularities appear in the shape of the tunnel cavity including target 100a, as shown by the solid line portion in Figure 19(b).

本実施例では、この凹凸特徴がどこにあるかにより、ターゲット100aにトンネル幅方向Bの水平変位や鉛直変位が生じたときにも、変位後のターゲット100aのトンネル幅方向Bに沿った水平方向の位置や、鉛直方向の位置を精度良く特定できる。特に、図19(a)のようにターゲット100aの表面が平滑であると、矢印aに示すようにターゲット100aに鉛直変位が生じても(変位後のターゲット100aを破線で示す)、トンネル内空の形状がほとんど変わらず、ターゲット100aの鉛直変位を特定することが難しい。これに対し、本実施例では、図19(b)に示すように、ターゲット100aに鉛直変位が生じた時に、突起110による凸部の位置が明確に変化し、これによりターゲット100aの鉛直変位を容易に特定できる。 In this embodiment, depending on the location of these uneven features, even when horizontal or vertical displacement occurs in the tunnel width direction B of the target 100a, the horizontal and vertical positions of the target 100a along the tunnel width direction B after displacement can be accurately determined. In particular, if the surface of the target 100a is smooth, as shown by arrow a, even if vertical displacement occurs in the target 100a (the target 100a after displacement is shown by a dashed line), the shape of the tunnel interior hardly changes, making it difficult to determine the vertical displacement of the target 100a. In contrast, in this embodiment, as shown by Figure 19(b), when vertical displacement occurs in the target 100a, the position of the protrusion 110 clearly changes, thereby easily determining the vertical displacement of the target 100a.

第2の登録ステップ(ステップS25)、変位測定ステップ(ステップS26)では、前記の疑似ターゲット6a~6eに代えて、ターゲット100a~100eの領域についての処理を行う。変位測定ステップ(ステップS26)では、ターゲット100a~100eの位置座標の変化(第1の位置情報と第2の位置情報の差分)により、ターゲット100a~100eの鉛直変位すなわちトンネル内空の鉛直変位と、ターゲット100a~100eのトンネル幅方向Bの水平変位すなわちトンネル内空のトンネル幅方向Bの水平変位を求めることができる。 In the second registration step (step S25) and the displacement measurement step (step S26), processing is performed on the region of targets 100a to 100e instead of the pseudo-targets 6a to 6e. In the displacement measurement step (step S26), the vertical displacement of targets 100a to 100e, i.e., the vertical displacement of the tunnel interior, and the horizontal displacement of targets 100a to 100e in the tunnel width direction B, i.e., the horizontal displacement of the tunnel interior in the tunnel width direction B, can be determined by the change in the position coordinates of targets 100a to 100e (the difference between the first position information and the second position information).

このように、本実施例では、ターゲット100a~100eとしてロックボルト200のプレートを用いることにより、測定専用のターゲットをトンネル7に設ける必要が無く、測定作業が簡易になる。また測定専用のターゲットには、プリズムやミラーを用いたものもあり、トンネル切刃の発破時に破損する恐れもあるが、本実施例のターゲット100a~100e(ロックボルト200のプレート)には、そのような恐れもない。そのため発破直後の変位を測定することも可能である。 Thus, in this embodiment, by using the plates of the rock bolts 200 as targets 100a to 100e, there is no need to install a dedicated measurement target in the tunnel 7, simplifying the measurement process. Furthermore, while some dedicated measurement targets use prisms or mirrors, which may be damaged during blasting of the tunnel cutting edge, targets 100a to 100e (plates of the rock bolts 200) in this embodiment do not pose such a risk. Therefore, it is possible to measure the displacement immediately after blasting.

また、ターゲット100aは外面に突起110を有しているため、突起110による外面の凹凸特徴によりターゲット100aの領域の水平変位と鉛直変位を精度良く測定できる。これは、他のターゲット100b~100eに関しても同様である。 Furthermore, since target 100a has protrusions 110 on its outer surface, the horizontal and vertical displacements of the area of target 100a can be measured accurately due to the surface irregularities caused by the protrusions 110. This is also true for the other targets 100b to 100e.

またターゲット100aの突起110は上下複数段に設けられた突条であるため、ターゲット100aの領域の鉛直変位をより精度良く測定できる。これはターゲット100b、100d、100eに関しても同様である。トンネル7の頂部のターゲット100cについては、トンネル幅方向Bに間隔を空けて複数列配置された突起110により、トンネル幅方向Bの水平変位を精度良く測定できる。 Furthermore, since the projections 110 of target 100a are arranged in multiple vertical rows, the vertical displacement of the area of target 100a can be measured with greater accuracy. This is also true for targets 100b, 100d, and 100e. For target 100c at the top of tunnel 7, the projections 110, arranged in multiple rows at intervals along the tunnel width B, allow for accurate measurement of the horizontal displacement in the tunnel width direction B.

なお、ターゲット100a~100eの形状は上記に限定されない。例えば図18の例ではターゲット100a~100eに突起110が4つ設けられているが、突起110の数は特に限定されない。ただし、精度面では、突起110が3つ以上設けられることが望ましい。図20は突起110の数と測定精度の関係について発明者が検討した結果を簡単に示したものであり、突起110が3つ以上になると精度が向上するという結果であった。 The shapes of targets 100a to 100e are not limited to those described above. For example, in the example shown in Figure 18, targets 100a to 100e are provided with four protrusions 110, but the number of protrusions 110 is not particularly limited. However, in terms of accuracy, it is desirable to provide three or more protrusions 110. Figure 20 briefly shows the results of the inventor's study on the relationship between the number of protrusions 110 and measurement accuracy, showing that accuracy improves when there are three or more protrusions 110.

またターゲット100aの突起110は水平方向に連続する突条であるが、突起110の形状もこれに限らない。例えば図18のターゲット100aの変形例である図21のターゲット100a’に示すように、突起110’が上下左右に間隔を空けて離散的に設けられてもよい。ただし、突起110が水平方向に連続している方が、突起110による凹凸特徴が現れる縦方向の断面データ(図11の符号C~C参照)を多数設定し易く、測定精度の向上に寄与する。 Furthermore, while the projections 110 of target 100a are continuous horizontal ridges, the shape of the projections 110 is not limited to this. For example, as shown in target 100a' in Figure 21, which is a modified example of target 100a in Figure 18, the projections 110' may be discretely arranged with intervals between them in the up, down, left, and right directions. However, having the projections 110 continuous in the horizontal direction makes it easier to set up a large number of vertical cross-sectional data (see reference numerals C1 to C3 in Figure 11) where the unevenness features caused by the projections 110 appear, thus contributing to improved measurement accuracy.

その他、突起110の突出高さなども、測定精度と取扱面を考慮して自由に設定できる。例えば突起110の突出高さを大きくすると、断面データに凸部が明確に現れることで測定精度が向上するが、運搬時や設置時に突起110が損傷しやすく、保管に必要なスペースも大きくなる。また突起110のパターンを個々のターゲットで変更し、そのパターンにより個々のターゲットを識別可能とすることも可能である。 Furthermore, the protrusion height of the projection 110 can be freely set, taking into consideration measurement accuracy and handling. For example, increasing the protrusion height of the projection 110 improves measurement accuracy by clearly showing the convex portion in the cross-sectional data, but it also makes the projection 110 more susceptible to damage during transportation and installation, and increases the storage space required. It is also possible to change the pattern of the projection 110 for each individual target, allowing for identification of individual targets based on their patterns.

その他、トンネル内空に設置される実体的なターゲット部材として、図22のトンネル変位測定システム10aに示すように、トンネル内空に設けられる鋼製支保工73(金物)をターゲット100a~100eとして用いても良い。その場合、前記と同様、突起110を有するプレートを鋼製支保工73の外面に取り付け、鋼製支保工73の突起110を含む範囲をターゲット100a~100eとしてもよいし、図23のターゲット100aに示すように、鋼製支保工73そのものを、前記の突起110を外面に有するものとしてもよい。この場合も、ターゲット100aは、鋼製支保工73の突起110を含む範囲とされる。 In addition, as a physical target member installed inside the tunnel, steel support structures 73 (metal fittings) installed inside the tunnel may be used as targets 100a to 100e, as shown in the tunnel displacement measurement system 10a in Figure 22. In this case, as described above, a plate with projections 110 may be attached to the outer surface of the steel support structure 73, and the area including the projections 110 of the steel support structure 73 may be designated as targets 100a to 100e. Alternatively, as shown in target 100a in Figure 23, the steel support structure 73 itself may have the projections 110 on its outer surface. In this case as well, target 100a is defined as the area including the projections 110 of the steel support structure 73.

また本実施例では1つの計測断面70あたり5つのターゲット100a~100eを設けているが、一部を省略してもよい。例えば100b~100dを省略し、これらの位置では前記の疑似ターゲットを用いた測定を行うこともできる。 In this embodiment, five targets 100a to 100e are provided for each measurement cross-section 70, but some may be omitted. For example, targets 100b to 100d can be omitted, and measurements can be performed using the aforementioned dummy targets at these locations.

実施例2のトンネル変位測定システム10、10aは、主に山岳トンネル、NATM工法によるトンネルの変位測定システムであるが、それに代えて、本実施例では、主に都市トンネル、シールド工法によるトンネルの変位測定システムの例について説明する。 While the tunnel displacement measurement systems 10 and 10a in Example 2 are primarily for mountain tunnels and tunnels constructed using the NATM method, this example will instead describe an example of a displacement measurement system primarily for urban tunnels and tunnels constructed using the shield tunneling method.

シールド工法によるトンネル(シールドトンネル)では、シールド工法により構築される覆工体の内空の変位を測定する。シールドトンネルでは、シールド掘削機により掘削された掘削坑に、複数のセグメントピースがトンネル周方向に連結されてリング状の覆工体であるセグメントリングが構築される。更に、トンネル軸方向に複数のセグメントリングがトンネル軸方向に連結されて掘削坑の内部に覆工体が構築される。 In shield tunneling, the displacement of the interior space of the lining constructed by the shield method is measured. In a shield tunnel, multiple segment pieces are connected in the circumferential direction to construct a ring-shaped lining called a segment ring in the excavated shaft created by the shield boring machine. Furthermore, multiple segment rings are connected in the axial direction of the tunnel to construct a lining inside the excavated shaft.

セグメントピースは外面(外側)が掘削坑の地山に対面して、内面(内側)が内空に対面する。本実施例のトンネル変位測定システムは、前記のトンネル変位測定装置1aによりセグメント内周面の変位を測定する。セグメントピースの内面(内側)には、シールド掘削機のエレクターで把持される把持金物が露出して設けられる。把持金物はエレクターの把持具が挿入される凹部を備え、把持金物自体が凹凸特徴を備える。また、トンネル周方向に隣り合うセグメントピースは各セグメントピースのトンネル周方向端部に設けられた継手金物を介してトンネル周方向に連結される。継手金物も、把持金物と同様に凹凸特徴を備える。 The segment piece has its outer surface (outside) facing the ground of the excavation tunnel and its inner surface (inside) facing the tunnel cavity. The tunnel displacement measurement system in this embodiment measures the displacement of the inner surface of the segment using the tunnel displacement measurement device 1a. A gripping device, which is held by the erector of the shield tunneling machine, is exposed on the inner surface (inside) of the segment piece. The gripping device has a recess into which the gripping tool of the erector is inserted, and the gripping device itself has an uneven surface. Furthermore, adjacent segment pieces in the circumferential direction of the tunnel are connected in the circumferential direction of the tunnel via jointing devices provided at the circumferential ends of each segment piece. The jointing devices also have an uneven surface, similar to the gripping device.

本実施例では、実施例2のトンネル内面に設けられるターゲット部材であるロックボルトの定着プレートや鋼製支保工に代えて、セグメントピースの内面に設けられ、トンネル内面に露出する部分に凹凸特徴を備える金物をターゲット部材として使用する。例えば把持金物や継手金物が凹凸特徴を備える金物である。実施例3においても、実施例2と同様のトンネル変位測定方法によりトンネルの内空の変位を測定できる。 In this embodiment, instead of the rock bolt anchoring plate or steel support structure that serves as the target member on the inner surface of the tunnel in Embodiment 2, a metal fitting with uneven surfaces on the inner surface of the segment piece, which is exposed to the inner surface of the tunnel, is used as the target member. For example, gripping fittings and joint fittings are examples of metal fittings with uneven surfaces. In Embodiment 3, the displacement of the tunnel's interior can be measured using the same tunnel displacement measurement method as in Embodiment 2.

本発明は、トンネルの掘削工事において、トンネルの天端沈下や内空形状の変位を測定する技術に有用である。 This invention is useful for measuring tunnel top settlement and internal cavity shape displacement during tunnel excavation work.

1,1a トンネル変位測定装置
2 初期計測部
3 変位計測部
4 LiDARスキャナ
5 コンピュータ
6,6a~6e 疑似ターゲット
7 トンネル
8,8a,80,81 点群(データ)
10,10a トンネル変位測定システム
11a~11c スキャナ用ターゲット
21 スキャナ座標取得手段
22 第1の点群データ取得手段
23 疑似ターゲット設定手段
24 第1の凹凸特徴データ抽出手段
26 第1の登録手段
32 第2の点群データ取得手段
33 探索領域設定手段
34 第2の凹凸特徴データ抽出手段
35 疑似ターゲット特定手段
36 第2の登録手段
37 変位測定手段
60 探索領域
70 計測断面
71 切羽面
72 壁面
100a~100e,100a’ ターゲット
110,110’ 突起
1, 1a Tunnel displacement measuring device 2 Initial measurement unit 3 Displacement measurement unit 4 LiDAR scanner 5 Computer 6, 6a-6e Simulated target 7 Tunnel 8, 8a, 80, 81 Point cloud (data)
10, 10a Tunnel displacement measurement system 11a-11c Scanner target 21 Scanner coordinate acquisition means 22 First point cloud data acquisition means 23 Pseudo target setting means 24 First unevenness feature data extraction means 26 First registration means 32 Second point cloud data acquisition means 33 Search area setting means 34 Second unevenness feature data extraction means 35 Pseudo target identification means 36 Second registration means 37 Displacement measurement means 60 Search area 70 Measurement cross section 71 Tunnel face 72 Wall surface 100a-100e, 100a' Target 110, 110' Protrusion

Claims (9)

3次元レーザースキャナによって取得されたトンネル内面の点群データを用いて、ターゲットを設定して時間経過に伴うトンネル内空の変位を測定する方法であって、
初期計測ステップと変位計測ステップから成り、
1)初期計測ステップは、
前記ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを取得すること、
前記凹凸特徴データを取得した後、前記ターゲットを含むトンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、前記第1の点群データから前記凹凸特徴データを抽出して前記ターゲットの第1の位置情報を取得すること、を含み、
所定の時間経過後に実施する2)変位計測ステップは、
前記第1の位置情報に基づき特定される位置を含み前記ターゲットより面積の広い探索領域を設定し、前記探索領域の点群データを取得し、前記探索領域の点群データから前記凹凸特徴データに基づいて前記ターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定すること、を含み、
前記ターゲットは、トンネル内空の壁面に設置される実体的なターゲット部材であることを特徴とするトンネル変位測定方法。
A method for measuring the displacement of the tunnel interior over time by setting a target using point cloud data of the tunnel interior acquired by a 3D laser scanner,
It consists of an initial measurement step and a displacement measurement step.
1) The initial measurement step is:
To obtain surface feature data, which is the surface feature of the aforementioned target,
The process includes obtaining the aforementioned surface feature data, then obtaining point cloud data of the inner surface of the tunnel including the target as first point cloud data, and extracting the surface feature data from the first point cloud data to obtain first position information of the target,
Step 2), which is performed after a predetermined time has elapsed, is:
A search area is set that includes a location identified based on the first location information and has a larger area than the target; point cloud data of the search area is acquired; the target is extracted from the point cloud data of the search area based on the surface feature data to acquire second location information.
This includes measuring the displacement of the space inside the tunnel based on the difference between the first position information and the second position information,
The tunnel displacement measurement method is characterized in that the target is a physical target member installed on the wall surface inside the tunnel .
前記ターゲット部材は、突起を有し、トンネル内空の形状に前記凹凸特徴を有することを特徴とする請求項1に記載のトンネル変位測定方法 The tunnel displacement measurement method according to claim 1, characterized in that the target member has protrusions and the shape of the tunnel cavity has the aforementioned uneven features . 前記ターゲット部材は、トンネル内空の壁面に設置され、内面に露出する部分に前記凹凸特徴を備える金物であることを特徴とする請求項1に記載のトンネル変位測定方法 The tunnel displacement measurement method according to claim 1, characterized in that the target member is a metal fitting installed on the wall surface inside the tunnel and having the aforementioned uneven surface characteristics in the portion exposed to the inner surface. 3次元レーザースキャナは、トンネル幅方向の両側の壁面のそれぞれに沿って設けられ、The 3D laser scanners are installed along each of the walls on both sides in the tunnel width direction.
各3次元レーザースキャナは、3次元レーザースキャナを設置した壁面と反対側の壁面の点群データを取得することを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のトンネル変位測定方法。The tunnel displacement measurement method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each three-dimensional laser scanner acquires point cloud data of the wall surface opposite to the wall surface on which the three-dimensional laser scanner is installed.
前記ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データは、撮像装置で前記ターゲットを撮像した撮像結果から取得することを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のトンネル変位測定方法。The tunnel displacement measurement method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the surface feature data, which is the surface feature of the target, is obtained from the imaging results obtained by imaging the target with an imaging device. 前記ターゲットは、上下方向の複数箇所に設けられる突起を有することを特徴とする請求項に記載のトンネル変位測定方法。 The tunnel displacement measurement method according to claim 2 , characterized in that the target has protrusions provided at multiple locations in the vertical direction. 3次元レーザースキャナによって取得されたトンネル内面の点群データを用いて、ターゲットを設定して時間経過に伴うトンネル内空の変位を測定する装置と、
トンネル内空の壁面に前記ターゲットとして設置される実体的なターゲット部材と、
を有するトンネル変位測定システムであって、
前記装置は、
初期計測部と変位計測部から成り、
初期計測部は、
前記ターゲットの凹凸特徴である凹凸特徴データを取得すること、
前記凹凸特徴データを取得した後、前記ターゲットを含むトンネル内面の点群データを第1の点群データとして取得し、前記第1の点群データから前記凹凸特徴データを抽出して前記ターゲットの第1の位置情報を取得すること、
変位計測部は、
前記第1の位置情報に基づき特定される位置を含み前記ターゲットより面積の広い探索領域を設定し、前記探索領域の点群データを取得し、前記探索領域の点群データから前記凹凸特徴データに基づいて前記ターゲットを抽出して第2の位置情報を取得すること、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報との差分に基づいて、トンネルの内空の変位を測定することを特徴とするトンネル変位測定システム
A device that uses point cloud data of the tunnel's inner surface acquired by a 3D laser scanner to set a target and measure the displacement of the tunnel's interior space over time,
A physical target member is installed as the target on the wall surface inside the tunnel,
A tunnel displacement measurement system having ,
The aforementioned device is
It consists of an initial measurement unit and a displacement measurement unit.
The initial measurement unit is,
To obtain surface feature data, which is the surface feature of the aforementioned target,
After acquiring the aforementioned surface feature data, point cloud data of the inner surface of the tunnel including the target is acquired as first point cloud data, and the surface feature data is extracted from the first point cloud data to obtain the first position information of the target.
The displacement measurement unit is,
A search area is set that includes a location identified based on the first location information and has a larger area than the target; point cloud data of the search area is acquired; the target is extracted from the point cloud data of the search area based on the surface feature data to acquire second location information.
A tunnel displacement measurement system characterized by measuring the displacement of the space inside a tunnel based on the difference between the first position information and the second position information.
前記ターゲット部材は、突起を有し、トンネル内空の形状に前記凹凸特徴を有することを特徴とする請求項7に記載のトンネル変位測定システム。The tunnel displacement measurement system according to claim 7, characterized in that the target member has protrusions and the shape of the tunnel cavity has the aforementioned uneven features. 前記ターゲット部材は、トンネル内空の壁面に設置され、内面に露出する部分に前記凹凸特徴を備える金物であることを特徴とする請求項7に記載のトンネル変位測定システム。The tunnel displacement measurement system according to claim 7, characterized in that the target member is a metal fitting installed on the wall surface inside the tunnel and having the aforementioned uneven surface characteristics in the portion exposed to the inner surface.
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