(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析するデータ解析装置であって、
堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定手段と、
前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出手段と、
前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とするデータ解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のデータ解析装置において、
前記基準位置は前記堤防横断方向に関する前記天端の中央であること、を特徴とするデータ解析装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のデータ解析装置において、
前記画像生成手段は前記画像として前記相違量に応じて段彩が施されたものを生成すること、を特徴とするデータ解析装置。
【請求項４】
レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析するデータ解析方法であって、
堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定ステップと、
前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出ステップと、
前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成ステップと、
を有することを特徴とするデータ解析方法。
【請求項５】
コンピュータに、レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析する処理を行われるプログラムであって、当該コンピュータを、
堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定手段、
前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出手段、及び、
前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成手段、として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザスキャナによって堤防から抽出された点群の３次元座標データに基づいて堤防の天端を解析するデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、河川堤防は流水や雨の浸食、地盤沈下などにより陥没、ひび割れ、崩れなどの変状を生じる。このような堤防における変状を放置すると災害や事故を生じ得る。そこで、管理、点検及び必要な補修が堤防について行われている。
【０００３】
例えば、河川堤防では定期的な巡視点検が従来、目視で行われている。点検対象となる堤防の総延長は長いので当該作業は大変な労力・コストを要する。また、目視であるために、微細な形状の変化の検出や時系列的な評価が困難であった。
【０００４】
ここで、地物の形状を計測する技術として、特許文献１には、レーザスキャナを用いて、地物の形状を表す３次元点群データを取得する技術であるモービルマッピングシステムが示されている。この技術を用いれば、例えば、堤防の法面の陥没やひび割れといった形状変化を検出でき、点検作業の効率化が図れる。
【０００５】
また、点群に基づいて３次元形状を可視化する従来手法として、例えば特許文献２に示される段彩表現がある。段彩とは、山の高さなど連続する状態を幾つかの段階に分け、各段階ごとに色をつけて高低や濃淡等を視覚的にあらわす手法をいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２０４６１５号公報
【特許文献２】特開２００６−２５２５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、河川堤防は主に土で構成され、法面は表面の崩落を防ぐために通常は芝を生やしている。また、法面には雑草も生える。雑草が繁茂すると法面が弱体化したり、堤防の定期的な巡視点検に支障を生じたりする。そこで年に１，２回程度の除草管理が行われているが、通常、除草は草刈機で行われ、刈り残しが生じる。そのため、河川堤防の法面には植生が存在し、当該植生によるレーザ反射は堤防法面の形状を抽出する上でノイズとなる点群を生じるという問題がある。
【０００８】
一方、堤防の天端は一般に河川管理用通路として利用され、必要に応じて敷砂利やアスファルト舗装が施されており、基本的には植生が存在しない。ここで、法面に現れた堤防の変状は天端の形状にも影響し得、また堤防の基礎地盤の沈下などでは法面と同時に天端も変形し得る。そこで、レーザ点群に基づいて天端の形状を観察することで、植生によるノイズを回避しつつ堤防の変状を検出することが考えられる。天端は堤防の横断方向に基本的には水平に形成される。一方、堤防に変状が生じると、天端は例えば、法肩近傍が中央付近より沈下するなど一般に水平でなくなる。
【０００９】
しかしながら、堤防の縦断方向には予め勾配が設けられることがある。そのため、点群から得られた天端の３次元形状に、例えば、或る一定の高さを基準として単純に段彩を施すなどした画像では、意図的に設けられた高低差と、堤防の変状により生じた高低差とを作業者が区別しづらくなる。
【００１０】
本発明は、堤防の天端から抽出された点群の３次元座標データに基づき、作業者にとって堤防の変状の観察が容易となる画像を生成するデータ解析装置、データ解析方法、及びプログラム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】
【００１１】
本発明に係るデータ解析装置は、レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析するものであって、堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定手段と、前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出手段と、前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成手段と、を有する。
【００１２】
他の本発明に係るデータ解析装置においては、前記基準位置は前記堤防横断方向に関する前記天端の中央である。
【００１３】
さらに他の本発明に係るデータ解析装置においては、前記画像生成手段は前記画像として前記相違量に応じて段彩が施されたものを生成する。
【００１４】
本発明に係るデータ解析方法は、レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析する方法であって、堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定ステップと、前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出ステップと、前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成ステップと、を有する。
【００１５】
本発明に係るプログラムは、コンピュータに、レーザスキャナによって地物表面から抽出された点群の３次元座標データに基づき堤防の天端を解析する処理を行われるプログラムであって、当該コンピュータを、堤防横断方向に関する前記天端内の予め定められた基準位置での前記天端の高さを基準高さとし、堤防縦断方向に関する各位置での前記基準高さを前記点群に基づいて求める基準設定手段、前記天端から抽出された前記点群の各要素点の高さについて、当該要素点の前記堤防縦断方向の位置に対応する前記基準高さに対する相違量を求める相違算出手段、及び、前記相違量に応じて画素値が設定された前記天端の画像を生成する画像生成手段、として機能させる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、堤防の天端から抽出された点群の３次元座標データに基づき、作業者にとって堤防の変状の観察が容易となる画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る堤防変状検出支援システムの概略の構成を示すブロック図である。
【図２】河川堤防の模式的な斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る堤防変状検出支援システムによる堤防変状検出処理の概略のフロー図である。
【図４】本発明の実施形態での中心線に高さを付与する処理を説明する河川堤防の模式的な斜視図である。
【図５】縦断部分空間に存在する点群の例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る堤防変状検出支援システムにより生成される画像の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）である堤防変状検出支援システム２について、図面に基づいて説明する。本システムは、地物表面の３次元形状を表す点群データに基づき堤防の天端における高さの変化を検出し画像に表現するデータ解析装置であり、当該画像に基づいて作業者が堤防の変状を検知することを支援する。
【００１９】
点群データは例えば、モービルマッピングシステムにより取得される。モービルマッピングシステムでは、車両に搭載したレーザスキャナを用い道路に沿って地物の形状を表す３次元点群データを取得する。当該システムでは、自動車に搭載されたレーザスキャナは車体の上部から斜め下方向や斜め上方向にレーザを照射する。レーザの光軸は横方向に走査され、走査角度範囲内にて微小角度ごとにレーザパルスが発射される。レーザの発射から反射光の受信までの時間に基づいて距離が計測され、またその際、レーザの発射方向、時刻、及び車体の位置・姿勢などが計測される。それら計測データから、レーザパルスを反射した点の３次元座標を表す点群データが求められる。具体的には、モービルマッピングシステムは天端の道路を走行する際に天端の３次元点群データを取得することができる。
【００２０】
また、レーザスキャナを三脚等で天端に設置して計測を行っても良い。車両や三脚等の高さから行うレーザスキャンは走査密度、距離精度及びフットプリントの大きさに関し例えば、地物の形状を数ｃｍ（センチメートル）程度の精度で捉えることができる諸元を有し、航空レーザや衛星レーザなどに比べて高精度に天端の形状変化を検出することが可能である。
【００２１】
図１は、堤防変状検出支援システム２の概略の構成を示すブロック図である。本システムは、演算処理装置４、記憶装置６、入力装置８及び出力装置１０を含んで構成される。演算処理装置４として、本システムの各種演算処理を行う専用のハードウェアを作ることも可能であるが、本実施形態では演算処理装置４は、コンピュータ及び、当該コンピュータ上で実行されるプログラムを用いて構築される。
【００２２】
当該コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）が演算処理装置４を構成し、後述する基準設定手段２０、相違算出手段２２及び画像生成手段２４を含んで構成される。
【００２３】
記憶装置６はコンピュータに内蔵されるハードディスクなどで構成される。記憶装置６は演算処理装置４を基準設定手段２０、相違算出手段２２及び画像生成手段２４として機能させるためのプログラム及びその他のプログラムや、本システムの処理に必要な各種データを記憶する。例えば、記憶装置６は、処理対象データとして解析の対象空間の点群データを格納される。堤防変状検出支援システム２は基本的には堤防、特に天端が存在する空間を解析の対象空間に設定され利用される。
【００２４】
入力装置８は、キーボード、マウスなどであり、ユーザが本システムへの操作を行うために用いる。
【００２５】
出力装置１０は、ディスプレイ、プリンタなどであり、本システムにより生成された画像を画面表示、印刷等によりユーザに示す等に用いられる。
【００２６】
図２は河川堤防の模式的な斜視図である。堤防３０の縦断方向に沿った水平方向をＸ軸に設定する。堤防３０の横断方向はＸ軸に直交する水平方向であり、当該横断方向にＹ軸を設定する。また、鉛直方向をＺ軸とする。なお、Ｚ軸の正の向きは上向きに設定する。ここで、一般に堤防３０は縦断方向に関して曲がった部分を有する。当該部分ではＸ軸は堤防３０の曲がりに追随して向きを変えるものとし、これに対応し縦断方向の位置に応じてＹ軸の方向も変わり得る。
【００２７】
図３は堤防変状検出支援システム２による堤防変状検出処理の概略のフロー図である。図２及び図３を参照しながら、演算処理装置４の各手段を説明する。
【００２８】
堤防３０の横断方向（Ｙ軸方向）に関しての天端３２内の予め定められた基準位置での天端３２の高さ（Ｚ座標）を基準高さと定義する。基準設定手段２０は堤防３０の縦断方向に関する各位置での基準高さを点群に基づいて求める。
【００２９】
本実施形態では基準位置を堤防３０の横断方向に関する天端３２の中央に設定する。すなわち、Ｘ方向の各位置での基準位置は天端３２の中心線をなす。基準設定手段２０は天端の中心線３４を設定する（Ｓ１０）。中心線３４は縦断方向（Ｘ軸方向）の各点での法肩間の中心点の集合であり、近似的にはＸ軸方向に関して離散的に求めた中心点を順次結んだ折線を中心線とすることができる。法肩の位置は堤防の設計図、施工情報から得ることができる。
【００３０】
また、法肩の位置は、点群から求めた堤防の垂直断面形状から求めることもできる。図２を参照して点群から法肩を求める処理の例を説明する。基準設定手段２０はＸ軸に直交する切断平面４０を仮想的に設定し、点群のうち切断平面４０から予め設定した近傍距離内に位置する注目点群を抽出する。具体的には、基準設定手段２０は切断平面４０を中心としてＸ軸方向に寸法（奥行き）Ｄを有する空間（以下、横断部分空間と称する。）を設定し、横断部分空間から注目点群を抽出する。ちなみに図２では、横断部分空間の水平断面４２を矩形で模式的に表している。さらに、基準設定手段２０は注目点群を切断平面４０へ射影して、その射影像である射影点群を求める。射影点群により得られる堤防の垂直断面形状にて天端３２と法面３６との境界点、つまり断面形状の屈曲部が法肩として検出される。
【００３１】
また、堤防の施工時の断面形状が設計図等から分かる場合には、当該断面形状を基準モデルとし、射影点群と適合するように基準モデルの位置を定め、基準モデルの法肩の位置が堤防３０の法肩の位置であると定めることができる。例えば、最小２乗法等を用いて射影点群にフィットする基準モデルの位置を求めることができる。また、その際、当該位置をＸ軸方向の比較的広い範囲やＸ軸方向の複数箇所で求め、その結果に基づいて切断平面４０を設定した箇所（Ｘ座標）での基準モデルのＸＺ平面内での位置を定めるのが好適である。これにより、切断平面４０を設定した箇所にて堤防に変状が生じている場合でも、基準モデルの位置、ひいては法肩の位置がその変状の影響を受けにくくすることができる。
【００３２】
ステップＳ１０では中心線の水平面内で位置・形状が決定される。次に基準設定手段２０はステップＳ１０で求めた中心線に高さ情報を付与する（Ｓ２０）。図４は中心線に高さを付与する処理を説明する河川堤防の模式的な斜視図である。基準設定手段２０は中心線に沿って鉛直面５０を仮想的に設定し、点群のうち鉛直面５０から予め設定した近傍距離内に位置する注目点群を抽出する。具体的には、基準設定手段２０は鉛直面５０を中心としてＹ軸方向に寸法（幅）Ｗを有する空間（以下、縦断部分空間と称する。）を設定し、縦断部分空間から注目点群を抽出する。ちなみに図４では、縦断部分空間の水平断面５２を矩形で模式的に表している。さらに、基準設定手段２０は注目点群を鉛直面５０へ射影して、その射影像である射影点群を求める。
【００３３】
モービルマッピングシステムによれば天端３２の表面から例えば数ｃｍ程度の間隔で点群を抽出することが可能である。よって、幅Ｗを天端３２の全幅に対して十分に小さい値、例えば１０ｃｍ程度に設定しつつ、縦断部分空間に抽出される点群のＸ方向に関する間隔を小さく設定することができ、鉛直面５０上の射影点群に基づいて中心線３４に沿った天端３２の高さの変化を高解像度・高精度に抽出することができる。
【００３４】
図５は縦断部分空間に存在する点群（注目点群）の例を示す模式図であり、水平断面５２における注目点群の要素点５４の位置、及び当該注目点群を鉛直面５０に射影した射影点群の要素点５６を示している。
【００３５】
鉛直面５０上の射影点群の各点（要素点５６）の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を（ｘＰ，ｙＰ，ｚＰ）と表すと、基準設定手段２０は中心線３４に対しＸ＝ｘＰにて高さｚＰを付与する。これにより、中心線３４は鉛直面５０上にてＸＺ座標（ｘＰ，ｚＰ）で定義される要素点５６を節点とする折線６０となる。堤防３０の縦断方向に関する各位置での基準高さは、この折線６０の高さで定義することができる。すなわち、基準高さは中心線３４である折線６０の節点では当該節点に対応する要素点５６のＺ座標ｚＰで与えられ、一方、節点間ではそれらのＺ座標値を例えば線形補間して基準高さが求められる。これによりＸ軸上の各点での基準高さｈが定められる。すなわち、基準高さｈがＸ座標値の関数ｈ(Ｘ)として与えられる。
【００３６】
本実施形態では、相違算出手段２２にて行われる、天端から得られる点群の各要素点と基準高さとの比較処理に備え、基準面を定義する（Ｓ３０）。天端３２に沿った面は一般的にＺ＝ｇ(Ｘ，Ｙ)の形式で表すことができるが、基準設定手段２０は基準面に対する関数ｇ(Ｘ，Ｙ)としてｈ(Ｘ)を設定する。
【００３７】
相違算出手段２２は天端３２から抽出された点群の各要素点について基準面との高さの差分を算出する（Ｓ４０）。具体的には、要素点の座標を（ｘＴ，ｙＴ，ｚＴ）と表すと、相違算出手段２２はＸＹ面内の位置（ｘＴ，ｙＴ）での基準面の高さに対する要素点の高さｚＴの相違量Δを求める。当該相違量ΔはＸＹ面内の位置の関数でありΔ(Ｘ，Ｙ)と表すことができる。ここで、上述の基準面の定義から、ＸＹ面内の位置（ｘＴ，ｙＴ）での基準面の高さはｈ(ｘＴ)である。つまり、各要素点に対応するΔ(ｘＴ，ｙＴ)は、当該要素点の高さｚＴについての、当該要素点の堤防縦断方向の位置ｘＴに対応する基準高さｈ(ｘＴ)に対する相違量であり、次式で与えられる。
【００３８】
Δ(ｘＴ，ｙＴ)＝ｚＴ−ｈ(ｘＴ)
【００３９】
画像生成手段２４は天端３２の画像を生成する。画像生成手段２４は当該画像上での各要素点の位置に対応する画素値を、当該要素点について相違算出手段２２により算出された相違量Δ(ｘＴ，ｙＴ)に応じて設定し、天端３２上での当該相違量の変動を可視化する（Ｓ５０）。生成された画像は出力装置１０を介してユーザである作業者に提示される。
【００４０】
本実施形態では画像生成手段２４は相違量Δに応じて段彩（グラデーション）が施された画像を生成する。例えば、予め、相違量Δに関して複数の区間を設定し、当該区間ごとに異なる色を定め、記憶装置６にΔの区間と色との対応関係を記憶させておく。画像生成手段２４は当該対応関係に基づいて、Δ(ｘＴ，ｙＴ)に対応する色を求め、ＸＹ面内での位置（ｘＴ，ｙＴ）に対応する画素に当該色を付与する。なお、Δの区間ごとに色を変えるのではなく、Δに応じて連続的に画素の色を変化させてもよい。
【００４１】
画像生成手段２４は、天端３２から抽出された点群が存在しない画素について、当該画素の近傍に存在する点群の要素点を用いて補間処理を行い画素値を定めることができる。また、Δに応じて画素の輝度値を段階的に変化させた画像を生成してもよい。また、例えば、航空機等から撮影された空中写真画像に基づいて生成したモノクロのオルソ画像に、Δに応じた段彩を重ねてもよい。
【００４２】
図６は画像生成手段２４により生成される画像の例を示す模式図であり、天端３２が縦断方向に傾斜を有する箇所での計測結果に基づく表示例である。当該画像は天端３２の平面図に相当し、相違量Δを３ｃｍ間隔に区分し、天端３２の中央部から法肩７０近傍にかけて段彩表示した様子を表している。図６の例ではΔの区分は５段階まで現れ、それら区分に対応して５つの色で領域７２ａ〜７２ｅが色分けして表示される。天端３２の中央部の領域７２ａは中心線３４の高さからの沈下量（Δの絶対値）が３ｃｍ以下であり、例えば、淡い黄色で表示される。沈下量が３ｃｍを超え６ｃｍ以下の領域７２ｂには例えば黄緑を付与する。沈下量が６ｃｍを超え９ｃｍ以下の領域７２ｃ、９ｃｍを超え１２ｃｍ以下の領域７２ｄ、及び１２ｃｍを超え１５ｃｍ以下の領域７２ｅには例えば徐々に濃くなる青色を付す。
【００４３】
上述のように堤防変状検出支援システム２は基本的に天端３２の縦断方向における高さ変化を除去して横断方向の高さ変化を抽出し可視化する。そのため、図６では天端３２は縦断方向に傾斜を有するにもかかわらず、中央部では縦断方向に沿ってグラデーションは生じていない。天端３２は基本的に横断方向に関して水平に造られるので、画像生成手段２４により生成された画像に可視化された横断方向の高さ変化に基づいて作業者は堤防に変状が生じている箇所を検知・推定することができる。
【００４４】
具体的には、図６において段彩を施す領域は天端３２よりやや広く設定され、沈下量が最も大きい領域７２ｅは法面に及んでいるので、領域７２ｅが存在すること自体を以て変状箇所とすることはできないが、当該領域７２ｅやそれに次いで沈下量が大きい領域７２ｄなどの横断方向の広がりが他の箇所と比較して大きい箇所は堤防に変状が生じていることが疑われる。作業者は例えば、このような箇所を画像生成手段２４が生成した画像にて検出し、当該箇所を実地点検での重点箇所としてピックアップする。この情報を利用して実地点検を行うことで変状検出の効率化が図られ、また変状の見落としが防止され検出精度が向上することが期待できる。
【００４５】
また、２時期以上で計測された点群データを用いた差分解析で形状変化を検出する手法とは異なり、堤防変状検出支援システム２は、天端３２が本来、横断方向に水平であることを利用することで、１時期の点群データのみを用いて堤防の変位を抽出することができる。つまり、例えば、前年データなど先行する計測データが存在しない場合でも変状検出が可能である。
【００４６】
なお、上述の実施形態ではＹ軸方向の基準位置を天端３２の中心に設定したが、基準位置は中心からずれた位置に設定することもできる。
【００４７】
また、上述の実施形態では、鉛直面５０上の射影点群の各点を節点として、高さを付与した中心線３４である折線６０を求めたが、節点は縦断部分空間に存在する注目点群の複数の要素点５４の平均位置、又は射影点群の複数の要素点５６の平均位置で定義することもできる。例えば、Ｘ軸方向に幅Ｌを有する区間をＸ軸方向に移動させる移動平均法により、当該区間内に存在する要素点５４又は要素点５６の平均位置を順次求めて節点とすることができる。これにより、Ｘ軸方向に関し平滑化が行われる。また、その際、縦断部分空間の幅Ｗを広げれば、Ｙ軸方向に関する平滑化の効果が生じる。このような平滑化を行うことにより、天端３２上の石や異物などに起因する基準高さの変動を除去・軽減することができる。幅Ｌ，Ｗは例えば、石や異物などの除去目的物の大きさの数倍程度に設定することができる。例えば、幅Ｗは数十ｃｍ程度であれば、堤防の変状の影響が及び易い天端３２の法肩近傍を含まず、かつ石などの影響を除去することができる。幅Ｌも同程度に設定することができる。
【００４８】
以上、堤防の天端３２の観察に用いる堤防変状検出支援システム２を説明したが、本発明は天端３２のように帯状に連続する面であって、縦断方向には高低差が想定される一方、横断方向には基本的には平らであることが期待される面を有する他の構造物、例えば道路などに適用することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
２  堤防変状検出支援システム、４  演算処理装置、６  記憶装置、８  入力装置、１０  出力装置、２０  基準設定手段、２２  相違算出手段、２４  画像生成手段、３０  堤防、３２  天端、３４  中心線、３６  法面。
【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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