(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
設計図面に基づいてダム軸の位置を測量により計測し、前記ダム軸を基準として、そのダム軸を平行に移動した平行線の延長上に、ダムの建設現場である河川を挟む両岸にガイドロープを架設するための基準位置を設定する工程と、
前記両岸の基準位置間にガイドロープを架設する工程と、
前記ガイドロープに施工エリアの地表面を撮影するための地形形状取得装置を取り付け、前記地形形状取得装置を前記ガイドロープの延長方向に沿って移動させながら施工エリア全体の地表面を撮影する工程と、
前記施工エリアの地表面の撮影により得られた画像データに基づいて、施工エリアの地表面の平面座標と高さ情報からなる三次元の空間情報を有する点群画像を生成する工程と、を含み、
異なる時刻において前記施工エリアの地表面を撮影する工程と前記点群画像を生成する工程とを実施して得られた異なる時刻の点群画像を比較し、地形形状が変化した部分の高さ情報の差を平面座標で積分することで土工量を算出する工程をさらに含むようにした施工状況取得方法。
【請求項２】
前記点群画像を生成する工程により生成された点群画像から建設機械及び作業者を消去する工程を含み、
建設機械及び作業者を消去した点群画像により前記土工量を算出する工程を実施する請求項１に記載の施工状況取得方法。
【請求項３】
前記ガイドロープをダム軸上に架設するようにした請求項１又は請求項２に記載の施工状況取得方法。
【請求項４】
前記地形形状取得装置により撮影する向きをダム軸に交差する上下流方向に可変とした請求項１乃至請求項３記載の施工状況取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、施工状況取得方法に関し、特に、ダムの堤体の基礎地盤の掘削状況や築堤状況等の施工状況を把握する施工状況取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダム建設では、ダムの堤体の基礎地盤の掘削や築堤が図面通りに施工されているかどうか測量することにより管理されている。例えば、非特許文献１では、測量にあたり、ドローンにレーザースキャナーを取り付け、建築現場の上空を飛翔させるレーザー測量により、施工状況を取得している。非特許文献１に記載されるようにドローンにレーザースキャナーを取り付けて測量することにより、従来のセスナ機等による航空レーザー測量と比較して安価に、かつ、現場の必要に応じてその都度測量することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】鹿島建設株式会社  技術とサービス「ドローンによるレーザ測量」、［online］、［平成２９年７月１８日検索］、インターネット＜URL:http://www.kajima.co.jp/tech/c_dam/it_tech/index.html#!body_06＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ドローンのような飛行体（ＵＡＶ）は、小型であるがゆえ気象状況により利用の可否が左右されやすい。特に、ダムの建設現場は、河川の流れる谷部であるため風の通り道となりやすく、飛行条件を満たすときが限定される。例えば、ドローンの飛行は、雨天時や風速５ｍ／ｓ以上のときには好ましくないとされる。また、建設現場が、電波障害が起きやすい場所、例えば、高圧線や高圧線から３００ｍ以内、変電所から３００ｍ以内、携帯基地局や電波塔などを発信している場所、Ｗｉ−Ｆｉの電波が混線している場所、ワイヤレスマイクや携帯無線などを多数使用している場所である場合には、墜落の危険がある。このため、ドローンを飛ばしてレーザー測量を行う場合には、上述のような制約を受けるとともに、飛行エリアにおける作業を中断して作業者を退避させ、ドローン墜落時の安全を確保する必要がある。
そこで、本発明では、コンクリートダムやフィルダム建設において堤体の基礎地盤の掘削作業や築堤作業等の建設作業を妨げることなく、また、天候に左右されず、任意の時期に任意の回数建設現場を測量可能なダム建設における施工状況取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するためのダム建設における施工状況取得方法の態様として、設計図面に基づいてダム軸の位置を測量により計測し、ダム軸を基準として、そのダム軸を平行に移動した平行線の延長上に、ダムの建設現場である河川を挟む両岸にガイドロープを架設するための基準位置を設定する工程と、両岸の基準位置間にガイドロープを架設する工程と、ガイドロープに施工エリアの地表面を撮影するための地形形状取得装置を取り付け、地形形状取得装置をガイドロープの延長方向に沿って移動させながら施工エリア全体の地表面を撮影する工程と、施工エリアの地表面の撮影により得られた画像データに基づいて、施工エリアの地表面の平面座標と高さ情報からなる三次元の空間情報を有する点群画像を生成する工程とを含み、異なる時刻において施工エリアの地表面を撮影する工程と点群画像を生成する工程とを実施して得られた異なる時刻の点群画像を比較し、地形形状が変化した部分の高さ情報の差を平面座標で積分することで土工量を算出する工程をさらに含むようにした。
本態様によれば、地形形状取得装置がガイドロープに沿って平行に移動するため、建設作業中であっても、また、天候によらず、任意の時期に任意の回数施工エリアの地表面の形状を取得することができる。また、ダム建設における進捗や土工量を確認できる。また、異なる時刻に取得された地表面の形状は、常にロープに沿って取得されているため、ほぼ一定の位置から建設現場に対して測量されることになり、例えば、前回測量したときの地表面の形状と、今回測量したときの地表面の形状との位置合わせを容易にすることができるので、地表面の形状の変化を容易に比較することができ、設計図に従って施工されているかどうかをいつでも確認することができる。
また、施工状況取得方法の他の態様として、点群画像を生成する工程により生成された点群画像から建設機械及び作業者を消去する工程を含み、建設機械及び作業者を消去した点群画像により土工量を算出する工程を実施する態様とした。
また、施工状況取得方法の他の態様として、ガイドロープをダム軸上に架設するようにしたことにより、常に基準となる位置から施工エリアに対して測量できるので、ダム建設における設計図に従って施工されているかどうか確認し易くなる。
また、施工状況取得方法の他の態様として、地形形状取得装置により撮影する向きをダム軸に交差する上下流方向に可変としたことにより、上記効果に加え、詳細に施工状況を知りたい場合や、施工エリアが広い場合であっても確実に施工エリアの地表面の形状を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係るダム建設における測量方法を示す概念図である。
【図２】図１（ｂ）におけるダムのｋ１−ｋ１断面図である。
【図３】地形形状取得手段の構成を示すブロック図である。
【図４】カメラによるダムの建設現場の撮影を示す図である。
【図５】地形解析制御装置の構成図である。
【図６】地形解析制御装置のブロック図である。
【図７】撮影画像のフレームの重複を示す概念図である。
【図８】位置合わせ手段における処理を示すフロー図である。
【図９】カメラによるダムの建設現場の他の撮影形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、ダムの建設現場を下流側から見た平面図及びダム建設の現場を上方から見た平面図である。２は地盤、３は河川、５はダムを示している。図２は、図１（ｂ）におけるダムのｋ１−ｋ１断面図である。なお、図１においてダム５は、未建設であるので破線で示した。
図１（ａ）に示すように、施工状況取得方法は、本実施形態では、ダム５の建設現場の上空にガイドロープ１０を架設し、ガイドロープ１０に沿って地形形状を測量する地形形状取得手段２０を移動させることにより、ダム建設における施工状況を管理するための測量を実施する。即ち、本実施形態に係る測量方法は、概略、ガイドロープ１０と、ガイドロープ１０に取り付けられて建設現場の地形形状を取得する地形形状取得手段２０と、地形形状取得手段２０により取得された情報を解析処理するとともに地形形状取得手段２０による地形形状の取得を制御する地形解析制御装置４０とを備える施工状況取得装置１により実施される。
【０００８】
ガイドロープ１０は、例えば、ダム５の建設予定地に工事前に架設される。一般にダムは、図１（ｂ）に示すように、既存の河川３の流れを遮るように建設されるため、河川３を横切るように設定されたダム軸Ｊを基準として建設工事がなされる。そこで、ダム５の設計上の基本線であるダム軸Ｊに沿って後述の地形形状取得手段２０が平行に移動できるようにガイドロープ１０を架設する。以下の説明では、ガイドロープ１０は、ダム軸Ｊ上、即ち、ダム軸Ｊの上方においてダム軸Ｊに沿って平行に延長するように架設した場合を用いて例示する。また、本実施形態では、説明の便宜上、ダム軸Ｊが直線状に延長する重力式コンクリートダムを用いてダムの建設作業による地形の変化を測量する方法について説明する。
なお、ダムの形式についてはこれに限定されず、アーチ式コンクリートダムやロックフィルダム等のフィルダムについても同様の手法が適用できる。これについては後述する。
【０００９】
ガイドロープ１０には、例えば、合成繊維をより合わせてなるロープや金属製のワイヤーロープ等を適用できる。その強度は、地形形状取得手段２０を吊り下げ、ダム５の建設終了までの期間において破断しない程度のものであれば良い。つまり、ガイドロープ１０は、建設期間中常設される。
ガイドロープ１０を架設する位置は、設計図面に基づいてダム軸Ｊの位置を測量により計測して設定される。例えば、ガイドロープ１０は、以下のように架設される。まず、トータルステーション等の測量基材を用いて地球上におけるダム軸Ｊの位置を特定する。次に、一方の岸２ａにおいて位置が特定されたダム軸Ｊを基準とし、そのダム軸Ｊを上方に平行に移動した平行線の延長上に、ダム軸Ｊの延長上にガイドロープ１０を架設するための基準位置を設定し、河川を挟んで対岸２ｂにも同様に基準位置を設定する。そして、各岸２ａ；２ｂに設定された基準位置においてガイドロープ１０がダム軸Ｊに沿って平行に延長するように、ガイドロープ１０を支持するための支柱１２Ａ；１２Ｂを設置する。
なお、ガイドロープ１０を支持する支柱１２Ａ；１２Ｂの位置は、ダム軸Ｊの上方に限定されず、ガイドロープ１０がダム軸Ｊの延長方向と平行に延長する位置であれば良い。
【００１０】
各支柱１２Ａ；１２Ｂは、それぞれガイドロープ１０を駆動するためのプーリー１３を備え、プーリー１３の回転軸がダム軸Ｊに直交し、かつプーリー１３の幅中心線がダム軸Ｊの延長上に位置するように設置される。例えば、支柱１２Ｂ側のプーリー１３には、モーターや歯車などの減速機構を有する駆動装置１４が接続され、駆動装置１４の駆動によりプーリー１３が回転可能に構成される。また、駆動装置１４は、無線通信を可能とするＷｉ−Ｆｉ等の通信部を備え、後述の地形解析制御装置４０と無線により接続される。なお、通信部を介しての駆動装置１４と地形解析制御装置４０との接続は、無線通信に限定されず有線により通信可能としても良い。駆動装置１４は、地形解析制御装置４０から入力される信号に基づいてモーターの回転の開始や停止、モーターの回転方向が制御される。なお、本実施形態では、モーターの回転速度は一定として説明する。
【００１１】
ガイドロープ１０は、端部同士を連結することで無端状、即ち、リング状に形成され、両岸２ａ；２ｂに設置された支柱１２Ａ；１２Ｂ間を結ぶようにそれぞれのプーリー１３；１３に掛け渡される。ガイドロープ１０は、例えば、次のように架設される。ガイドロープ１０の端部それぞれにガイドロープ１０よりも軽量な補助ロープの一端側を個別に結び付ける。次に、一方の岸２ａ側から各端部に結び付けた各補助ロープの他端側を例えばロープガンで対岸２ｂに打ち込んだり、ドローン（ＵＡＶ）を使って対岸２ｂまで運ぶ。次に、対岸２ｂに運ばれた各補助ロープの他端を図外の巻取装置に取り付け、補助ロープを巻き上げることでガイドロープ１０の両端を対岸２ｂに移動させることができる。そして、ガイドロープ１０の端部同士を連結して無端状にし、対岸２ｂ側のプーリー１３に掛けることで、ガイドロープ１０が上下に平行な状態でダム軸Ｊ上に配置される。下側で延長するガイドロープ１０には、地形形状取得手段２０が取り付けられる。
なお、ガイドロープ１０の架設形態は、上述のような無端状に限らず、一本の有端の状態とし、一方の支柱１２Ａ（１２Ｂ）側から他方の支柱１２Ｂ（１２Ａ）側へと巻き取るように移動させるように構成しても良い。
【００１２】
図３は、地形形状取得手段２０の構成を示すブロック図である。地形形状取得手段２０は、地形情報取得装置２２と、駆動装置２４と、通信装置２６と、制御装置２８とを備える。地形情報取得装置２２、制御装置２８、通信装置２６は、一つの箱に収容された状態でガイドロープ１０に取り付けられる。地形形状取得手段２０は、初期位置として例えば、対岸側である岸２ｂ側のプーリー１３に近接した位置が設定される。なお、地形形状取得手段２０の初期位置は、岸２ａ側のプーリー１３に近接した位置に設定しても良い。
地形情報取得装置２２は、カメラやレーザースキャナ等を適用することができる。カメラには、撮影した静止画や動画をデジタル情報として直接記録することができるデジタル（スチール）カメラやデジタルビデオカメラ等を用いることができる。なお、カメラは、撮影した静止画や動画をデジタル情報として直接記録できるものに限定されず、撮影した画像をフィルムや磁気テープ等にアナログ情報として記録するものであっても良く、この場合、記録したアナログ情報をフィルムスキャナ等を介してデジタル情報に変換すれば良い。
以下の説明では、地形情報取得装置２２にデジタルビデオカメラ（以下単にカメラ２２という）を採用した場合について説明する。カメラ２２は、建設現場を撮影可能に撮影光軸を地盤２（地表面）に向けて駆動装置２４に取り付けられる。
【００１３】
駆動装置２４は、カメラ２２の撮影方向である光軸を可変とすべく、ダムの建設エリア５ａの上下流方向、左右岸方向に変更するためのモーターや歯車等を組み合わせて構成された駆動機構を備える。ここで、上下流方向とは、図４中の矢印ｍに示すようにカメラ２２の光軸をダム軸Ｊに交差（例えば直交）するように河川の上流側や下流側に移動させる方向をいい、左右岸方向とはダム軸Ｊに沿う方向をいう。
通信装置２６は、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ等による無線通信を可能に構成され、後述の地形解析制御装置４０に無線により接続される。なお、通信装置２６は、有線により地形解析制御装置４０と通信可能に構成されても良く、無線及び有線の両方或は選択的に利用可能に構成されても良い。
【００１４】
制御装置２８は、カメラ２２、駆動装置２４、通信装置２６等と電気的に接続され、通信装置２６を介して地形解析制御装置４０から入力された信号に基づいて、カメラ２２による撮影の開始及び停止の制御、駆動装置２４によるカメラ２２の撮影方向の調整、或いは変更の制御、及び、カメラ２２により撮影された撮影画像の画像データを、通信装置２６を介して地形解析制御装置４０に出力する等の制御をする。
【００１５】
図４は、ダムの建設現場をカメラ２２によって撮影する際のイメージ図である。なお、同図に示す５ａは、ダムの建設エリア（建設範囲）、ｓはカメラ２２の撮影視野である。
カメラ２２は、例えば、ガイドロープ１０に取り付けられた状態において、撮影視野ｓ内に建設エリア５ａの上下流方向の範囲が収まるように駆動装置２４を動作させて調整される。そして、駆動装置１４を動作させてガイドロープ１０を他方の岸２ｂ側から一方の岸２ａ側へと移動させることにより、ガイドロープ１０とともカメラ２２がダム軸Ｊに沿って平行に移動し、建設エリア５ａの全域が撮影される。つまり、カメラ２２の光軸を上下流方向口に変化させることなく、ダム軸Ｊに沿って移動させるだけで建設エリア５ａ全域の地表面を撮影することができるように設定される。
【００１６】
図５は、地形解析制御装置４０の構成図である。
地形解析制御装置４０は、ハードウェア資源として設けられた演算手段としてのＣＰＵ４１、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段４２、キーボードやマウス、或いは、磁気，光学ドライブ等の入力手段４３、Ｗｉ−Ｆｉ等の無線或いは有線により外部との通信を可能にする通信手段４４、外部機器と接続するための外部接続インターフェース（外部ＩＦ）４５等を備える所謂コンピュータにより構成される。地形解析制御装置４０には、例えば、モニター等の表示手段４６が、一体化されたタブレット型やノート型、別体に接続されるデスクトップ型等が適用できる。ＣＰＵ４１は、記憶手段４２に格納されたプログラムに従って後述の処理を実行することにより、地形解析制御装置４０を後述の各手段として機能させる。地形解析制御装置４０は、例えば、ダムの建設現場に設けられる事務所などに設けられる。
【００１７】
図６は、地形解析制御装置４０のブロック図である。
同図に示すように、地形解析制御装置４０は、撮影制御手段４８と、点群画像生成手段５２と、マスク処理手段５４と、比較データ読込手段５６と、位置合わせ処理手段５８と、地形変化抽出手段６０と、表示処理手段６２とを備える。
【００１８】
撮影制御手段４８は、地形形状取得手段２０やガイドロープ１０の動作を制御して、図４に示す建設エリア５ａを撮影する。具体的には、撮影制御手段４８は、カメラ２２が、岸２ｂ側から対岸の岸２ａ側へ、或いは岸２ａ側から対岸の岸２ｂ側へと移動するようにガイドロープ１０を移動させるための信号を駆動装置１４に出力する。また、撮影制御手段４８は、地形形状取得手段２０が岸２ｂ側から岸２ａ側へ、或いは岸２ａ側から岸２ｂ側へと移動するときに、カメラ２２が建設エリア５ａの地表面を撮影するための信号を地形形状取得手段２０に出力する。
【００１９】
点群画像生成手段５２は、カメラ２２が岸２ｂ側から対岸の岸２ａ側まで移動する間に撮影した建設エリア５ａを含む、地形形状取得手段２０にから入力された画像データに基づいて、撮影された地表面の形状を示す点群画像を生成する。本実施形態では、地表面の形状を示す点群画像を生成する処理の一例として、点群画像生成手段５２では、ＳｆＭ法により点群画像を生成するものとして説明する。
【００２０】
ここで、ＳｆＭ法について説明する。ＳｆＭ法とは、互いに領域が重複するように撮影された一組の画像フレーム内のそれぞれから特徴点を抽出し、画像フレーム間における特徴点群の対応関係を獲得するものである。即ち、ＳｆＭ法では、異なる位置から共通の領域を含むように撮影された画像フレーム内におけるオーバーラップ部を解析し、３次元の地形形状をコンピュータ内において復元する。そして、２つの画像フレームから互いに共通の特徴点群の対応関係を記述した行列を生成し、それを因子分解することでそれぞれの画像フレーム内における各特徴点の３次元座標と、各画像の撮影されたカメラ位置を推定することにより３次元の点群画像を生成する。この処理により生成された点群画像を構成する複数の点群は、画像フレーム間で共通の特徴点の集合であり、撮影された地形の表面形状を復元したものに相当する。
したがって、カメラ２２により岸２ｂ側から対岸の岸２ａ側まで移動する間に連続的に撮影された撮影画像の画像フレームを、時系列に従って画像フレームのペアを設定し、順次Ｓｆｍ法により処理することによって、建設エリア５ａ全体の地表面の３次元の形状をコンピュータ上に復元することができる。
【００２１】
上記処理により生成された点群画像は、建設現場における地表面の平面座標と高さ情報（ｘ，ｙ，ｚ）からなる三次元の空間情報を有する点データの集合であり、実際の地形形状を表現したものに相当する。なお、モニター等の表示装置上では２次元での表現しかできないため、モニターにおける表示では、各画素に、対応する高さ情報ｚが紐づいている。ＳｆＭ法は、上述したように２次元の画像のペアからカメラ位置や、撮影された対象物の３次元形状を特定する手法であるため、カメラ位置に関する情報を取得せずに３次元形状を復元できる。これにより、撮影された画像間に必要とされる基準点や、建設現場を撮影するときのカメラ２２の位置や撮影方向等の情報を不要とすることができる。
【００２２】
このように、ＳｆＭ法では、撮影された画像にのみ基づいて地形の３次元形状を特定できるため、上述したように、市販のデジタルカメラや、スマートフォン或はタブレットコンピュータに付属するカメラ等を利用することも可能である。
【００２３】
なお、上記実施形態のようにカメラ２２により動画として建設エリア５ａを連続的に撮影した場合、地形解析制御装置４０に入力された画像データから所定のフレーム数毎に画像フレームを間引くようにしても良い。つまり、点群画像生成手段５２による処理を実行する前に、地形解析制御装置４０に入力された画像データから所定の画像フレームを間引く処理を実行する画像選択手段を設ければ良い。
この場合、画像選択手段では、地形解析制御装置４０から駆動装置１４に出力され、ガイドロープ１０の移動速度を制御する駆動信号と、カメラ２２のフレームレートとに基づいて、間引き処理後に時系列的に連続する画像フレーム同士に、所定の重複率が得られるように、間引くフレーム数を設定し、設定されたフレーム数で間引き処理後の画像データを間引き処理済み画像データとして点群画像生成手段５２に出力する。このように画像フレームを間引くことにより、点群画像生成手段５２における処理速度を向上させることができる。なお、重複率（％）は、撮影時のレンズ収差による影響が小さくなるように設定すれば良い。各フレームにおける中心付近の画像は、レンズ収差が小さいため、点群画像生成手段５２による処理においてペアとなる画像フレーム同士の中心付近の画像が重複するように設定すれば良い。例えば、重複率は、少なくとも５０％以上であることが好ましく、より好ましくは、６０％以上とすることにより各フレームにおける中心付近の画像の重複領域が広がるため撮影時のレンズ収差による影響を小さくして、点群画像生成手段５２による地形形状の復元精度をより高めることができる。
【００２４】
上記説明では、点群画像生成手段５２では、ＳｆＭ法により点群画像を生成するものとして説明したが、これに限定されない。例えば、地形形状取得手段２０にカメラ２２の位置を取得する撮影位置取得手段（例えばＧＮＳＳ）及びカメラ２２の撮影姿勢を取得する姿勢取得手段（例えばＩＭＵ）を設けて建設エリア５ａを撮影し、互いに重複する画像フレーム同士をステレオ画像として処理することにより、建設エリア５ａの３次元の地形形状を復元するようにしても良い。
【００２５】
マスク処理手段５４は、点群画像生成手段５２により生成された点群画像から建設機械や作業者を消去する処理を実行する。マスク処理手段５４による具体的な処理の一例について説明する。
マスク処理手段５４では、記憶手段４２にあらかじめ建設機械や作業者である人を複数の方向から撮影して得られた３次元データを点群画像にパターンマッチングする。そして、マッチングした場合には、マッチングした範囲の画素に対してその外側の画素の高さ情報を補間する。これにより、建設機械や作業者を消去した地形形状を示す点群画像が得られる。
マスク処理手段５４の処理により得られた点群画像は、撮影された日時及び処理前の点群画像ととも処理前の点群画像データ、処理後の点群画像データとして記憶手段４２に出力され記憶される。なお、上述のマスク処理手段５４による処理は、一例であって、点群画像生成手段５２で生成された点群画像から建設機械や作業者を消去するものであれば、他のマスク処理の手法であっても良い。また、カメラ２２による撮影時に建設エリア５ａに建設機械や作業者がいない場合には、マスク処理手段５４による処理を省略できる。
【００２６】
比較データ読込手段５６は、異なる時期に測量された点群画像の読込を処理する。当該処理は、作業者がキーボード等の入力手段４３を操作し、記憶手段４２に記録された異なる時期に撮影された地形形状を示す点群画像データ（マスク処理後の点群画像データ）を２つ指定することで、指定された２つの点群画像データの読み込みを処理する。以下の説明では、例えば、最新の点群画像データＱとその一つ前の時期に撮影された点群画像データＰとが作業者により指定され、読み込まれたものとして説明する。なお、点群画像データＰ，Ｑは、異なる時刻における建設エリア５ａの地表面の形状を示すデータである。
【００２７】
図８は、位置合わせ処理手段５８における処理を示すフロー図である。
位置合わせ処理手段５８は、比較データ読込手段５６により読み込まれた最新の点群画像データＱと、一つ前の点群画像データＰとの新旧の点群画像データ同士の位置合わせ処理を実行する。本実施形態では新旧の点群画像データ同士の位置合わせをする方法の一例として、位置合わせ処理手段５８は、ＩＣＰ(Iterative  Closest Point)法により点群画像データＰと点群画像データＱとの位置合わせを処理するものとして説明する。ＩＣＰ法は、点群画像データＱが点群画像データＰに大まかに位置合わせされていることを初期状態として仮定し、点群画像データＱの各点から最も近い点群画像データＰ上の点への対応付けと、対応付けに基づく変換の推定を交互に繰り返すことにより、対応付けと位置合わせを同時に解くアルゴリズムであり、対応付けと位置合わせのそれぞれが誤差関数を減少させるため、極小解に単調に収束する、つまり、確実に点群画像データＰと点群画像データＱとを位置合わせすることができる。
本実施形態のように、点群画像データＰ及び点群画像データＱは、ガイドロープ１０に沿ってカメラ２２を移動させて取得されているため、点群画像データＱと点群画像データＰとは大まかに位置合わせされているものと考えられ、ＩＣＰ法による位置合わせは好適である。
【００２８】
以下、ＩＣＰ法による位置合わせ処理の一実施形態について説明する。
Ｓ１０１：点群画像データＱを構成するすべての点ｑについて、点ｑとの距離を最小にする点ｐを点群画像データＰから探索し、距離が最小として探索された点群画像データＰの点ｐと点群画像データＱの点ｑとのペア（ｐ，ｑ）（初期ペア）を設定する（初期ペア設定ステップ）。ペア（ｐ，ｑ）は、記憶手段４２に記憶される。
Ｓ１０２：次に、点群画像データＱの点ｑを、ペアをなす点群画像データＰの点ｐに移動させるような変換を算出する（変換算出ステップ）。このような変換は、例えば［数１］に示すような同次変換行列Ｍによりなされる。
【数１】
0006987557.tif 000002
［数１］のＲは点ｑを回転させる３次の小行列、ｔは点ｑを平行移動させる１次の小行列である。つまり、［数１］に示す変換行列Ｍは、点群画像データＱの全ての点ｑをｔにより平行移動やＲにより回転させることにより、各点ｑとペアをなす点ｐに重なるように移動させる変換として算出される。なお、重なるようにとは、地形形状に変化がない場合には算出された変換行列Ｍにより点群画像データＱの位置を変換すると、変換後の点ｑはペアをなす点ｐにほぼ重なる。しかし、地形変化がある場合には、変換後の点ｑはペアをなす点ｐに重なる点と、重ならない点とがあるためそのように表現した。
Ｓ１０２では、変換後の点ｑとペアをなす点ｐとの距離を全てのペアについて求め、その距離の和が最小となるような変換行列Ｍを算出する。つまり、全てのペアにおける距離の最小二乗近似となる変換行列Ｍを算出する。このような変換行列Ｍは、変換行列Ｍに単位行列を初期値とし、ニュートン法等の反復解法により繰り返し計算することで算出される。
【００２９】
Ｓ１０３：Ｓ１０２により算出された変換行列Ｍにより点群画像データＱの各点ｑの位置を移動させる。点群画像データＱの移動後の点ｑを点ｘと示す。
Ｓ１０４：移動後の点群画像データＱの点ｘについて、各点ｘとの距離を最小にする点ｐを点群画像データＰから探索し、距離が最小として探索された点群画像データＰの点ｐと点群画像データＱの点ｘとのペア（ｐ，ｘ）（移動後ペア）を設定する（移動後ペア設定ステップ）。設定されたペア（ｐ，ｘ）は、記憶手段４２に記憶される。
Ｓ１０５：移動後のペア（ｐ，ｘ）の距離の総和と、移動前のペア（ｐ，ｑ）の距離の総和との差ΔＬを算出する（差算出ステップ）。
Ｓ１０６：Ｓ１０５により算出された差ΔＬと閾値βとを比較する（閾値比較ステップ）。
差ΔＬが閾値βよりも大きいときはＳ１０７に移行し、差ΔＬが閾値β以下のときはＳ１０８に移行する。
Ｓ１０７：点群画像データＱの点ｘを点ｑとして更新し、Ｓ１０１に戻る（第２点群データ点更新ステップ）。そして、Ｓ１０６による判定において差ΔＬが閾値βよりも小さくなるまでＳ１０２〜Ｓ１０７を繰り返す。
Ｓ１０８：差ΔＬが閾値β以下となったときの変換行列Ｍを点群画像データＱを点群画像データＰに位置合わせするときの変換として設定する（位置合わせ変換設定ステップ）とともにペア（ｐ，ｘ）を記憶手段４２に記憶して終了する。
【００３０】
地形変化抽出手段６０は、位置合わせ処理手段５８により位置合わせされた点群画像データＰ，Ｑから地形形状が変化した部分を抽出する。即ち、時間的に１つ前に撮影された建設エリア５ａの地表面の形状を示す点群画像データＰから地形形状が変化した部分を最新の施工時に撮影された建設エリア５ａの地表面の形状を示す点群画像データＱと比較することで、地形形状が変化した部分を抽出する。具体的な処理の一例としては、位置合わせ処理手段５８により得られた変換行列Ｍを点群画像データＱに作用させて、点群画像データＰに位置合わせする。これにより、点群画像データＰ及び点群画像データＱの平面座標が一致する。そして点群画像データＰの高さ情報ｚから点群画像データＱの高さ情報ｚを減じることにより、建設エリア５ａにおいて地形形状が変化した場所、即ち、ダムの建設作業における掘削や築堤の状況を把握できる。例えば、位置合わせされた点群画像データＰと点群画像データＱの高さ情報ｚの差Δｚを平面座標（ｘ，ｙ）で積分することにより、土工量を算出することができる。
【００３１】
表示処理手段６２は、カメラ２２が実際に建設エリア５ａを撮影するときの撮影画像をモニター（表示手段４６）に表示するための処理、地形変化抽出手段６０により抽出された地形変化のある領域を強調表示する等の処理を実行する。実行された処理は、逐次モニターに出力される。これにより、施工管理者は、カメラ２２による撮影の様子や、地形変化による施工状況を視認確認することができる。
【００３２】
以上説明したように、ダム建設における堤体の基礎地盤の掘削状況や築堤状況等の施工状況を把握するために、ダム軸Ｊに沿って平行に延長するようにガイドロープ１０を設けるとともに、ガイドロープ１０に沿ってダムの建設エリア５ａの地表面の形状を取得する地形形状取得手段２０を移動させて、建設エリア５ａの地形形状の画像を取得し、取得された画像に基づいて地形解析制御装置４０により地形形状を再現することにより、建設作業中であっても、また、天候によらず作業により刻々と変化する地表面の形状を任意の時期に任意の回数取得することができるので、いつでも施工状況を把握することができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、航空測量や、ドローン等のＵＡＶによるレーザー測量に比べて安価に測量することができるので、測量頻度を多くすることができるため、細かい施工管理が可能となるとともに、地表面の形状がデータとして残るため、施工中、或いは施工後等、工事履歴をいつでも容易に確認することもできる。
また、ガイドロープ１０によって常に一定の位置から建設エリア５ａを測量できるので、例えば、前回測量したときの地表面の形状と、今回測量したときの地表面の形状とをモニターに重ねて表示することにより、直接的に工事の進捗を比較することができ、ダム建設における設計図に従って施工されているかどうか容易に確認できる。
【００３４】
また、地形形状を示す点群画像データは、撮影画像同士から地形形状を作成する際に、非常に密な特徴点の集合により構成されているため、異なる時期に取得された点群画像データを比較するときに、必ずしも同一の地点が抽出されていなくても相対的な形状として複数時期の比較することができる。加えて、地形形状を示す点群画像データは、ガイドロープ１０により一定の位置から撮影した撮影画像に基づいて生成されているため、上記ＩＣＰ法等による位置合わせ処理において異なる時期に生成された点群画像データ同士を位置合わせするときの位置合わせ処理に要する時間を短縮できるとともに位置合わせの精度が向上するため、点群画像データの変化に基づいて地形形状の変化を簡単、かつ精度良く解析することができる。このような手法によれば、ある点に着目してＩＣＰ法により求めた計算結果と、点群画像データ上での計測結果とを比較したときの誤差は１ｃｍ程度であり、建築作業における誤差内に十分に収まる精度で測量できる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、ダム軸が直線状の重力式コンクリートダムの建設作業による地形の変化を測量するものとして説明したが、アーチ式コンクリートダムやロックフィルダム等についても同様の手法が適用できる。このようなダムでは、ダム軸が円弧状に湾曲しているため、上述のようにガイドロープ１０の両端を支持する支柱１２Ａ；１２Ｂの両方を各岸２ａ；２ｂに固定せずに、例えば、一方の支柱１２Ａ（又は支柱１２Ｂ）、或いは、両方の支柱１２Ａ；１２Ｂを河川の流れる方向に移動可能に設け、ガイドロープ１０を回転させて地形形状取得手段２０を岸２ｂから岸２ａまで移動させるときに、ガイドロープ１０の回転に同期して支柱が、河川に沿って移動し、地形形状取得手段２０が、ダム軸Ｊに沿って平行に移動するように構成すれば良い。
つまり、ガイドロープ１０とともに地形形状取得手段２０を移動させるときに、地形形状取得手段２０がダム軸Ｊに沿って平行に移動するように、ガイドロープ１０を支持する支柱を移動させることにより、上記実施形態のようにダム軸Ｊを基準とした撮影画像を得ることができる。
【００３６】
上記実施形態では、ガイドロープ１０をリング状に形成し、ガイドロープ１０を回転（移動）させることにより地形形状取得手段２０をダム軸Ｊに沿って平行に移動させるとして説明したが、これに限定されず、適宜変更可能である。例えば、ガイドロープ１０に沿って移動する移動装置をガイドロープ１０に設けるとともにその移動状態を地形解析制御装置４０により制御可能に構成し、この移動装置を介して地形形状取得手段２０をガイドロープ１０に取り付けるようにしても良い。
【００３７】
また、地形情報取得装置２２をデジタルビデオカメラとして説明したが、上述したように、建設エリアをカメラにより撮影し、建設エリアの地形形状を写真測量するには、互いに重複する複数の撮影画像があれば良いことは明らかであり、地形情報取得装置２２は、例えば、静止画を撮影するデジタルカメラで構成しても良いことは言うまでもない。この場合、地形情報取得装置２２としてのデジタルカメラをダム軸Ｊに沿って一方の岸２ｂ（２ａ）側から他方の岸２ａ（２ｂ）側まで平行に移動させながら、建設エリア５ａを撮影する際に、撮影画像に、所定の重複率が得られるように、地形解析制御装置４０によりガイドロープ１０の移動速度とシャッター（撮影）間隔とを制御すれば良い。重複率は、連続する撮影画像においてカメラのレンズ収差の影響の少ない部分で重複が得られるように設定されることが好ましく、重複率が大きい程写真測量における精度を向上させることができる。
【００３８】
また、カメラに換えてレーザースキャナーを用いた場合には、点群画像データが直接的に得られるため、図６に示した地形解析制御装置４０の構成において、点群画像生成手段５２や画像選択手段等による処理は不要である。
【００３９】
また、上記実施形態では、ガイドロープ１０をダム軸Ｊの上方にダム軸Ｊに沿って平行に設けて、地形形状取得手段２０をダム軸Ｊに沿って平行に移動させるとして説明したが、地形形状取得手段２０がダム軸Ｊに沿って平行に左右岸間を移動可能であれば、ダム軸Ｊよりも上流側、又は下流側に設けても良い。なお、この場合においても、地形形状取得手段２０が建設後のダムの頂部よりも上方を移動するようにガイドロープ１０を設けることが好ましい。
【００４０】
図９は、カメラ２２によりダムの建設エリアを撮影する際の他の撮影イメージ図である。
上記実施形態では、カメラ２２の撮影視野ｓが建設エリア５ａの上下流方向を含むように設定し、カメラ２２をダム軸Ｊに沿って平行に移動させることで、建設エリア５ａを撮影するものとして説明したが、図９に示すように、カメラ２２の撮影視野ｓを小さく設定し、例えば、図中破線ｅで示すように、カメラ２２をダム軸Ｊに沿って平行に移動させて岸２ｂと岸２ａとの間を往復させながら所定の重複率が得られるように上流側から下流側に移動させることにより建設エリア５ａを撮影するようにしても良い。例えば、建設エリア５ａが上下流方向に広くカメラ２２の撮影視野ｓ内に収まらない場合や、建設エリア５ａの詳細な（精度の高い）写真測量を行いたい場合等に好適である。この場合、カメラ２２のズーム機能を利用する等して所望の撮影視野ｓを設定すれば良い。
【００４１】
また、図９に示すように、建設エリア５ａの全体を網羅せずに、部分的な領域を撮影し、部分的に写真測量することも可能である。
【００４２】
なお、ガイドロープ１０は、建設期間中常設されるとしたが、その位置を変更しても良く、ガイドロープ１０の移動後にも地形形状取得手段２０がガイドロープ１０によってダム軸Ｊに沿って移動可能であることは言うまでもない。
【００４３】
また、カメラ（地形形状取得装置）２２により建設エリア５ａを撮影するときに、移動するカメラ２２をトータルステーション等により追尾することにより、撮影された画像データと、地上との関係を結び付けた測量を実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  施工状況取得装置、１０  ガイドロープ、
２０  地形形状取得手段、２２  地形情報取得装置、４０  地形解析制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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