(57)【要約】【課題】三次元写真計測技術を用いて、道路のわだち等の表面形状を計測する。【解決手段】計測現場では、まず、基準点を支持する基準点器を形状計測される路面に３個以上設置するとともにこれらの基準点間の距離を計測し、次に、基準点の標高がそれぞれ同一になるようにこれらの基準点の高さを調節し、さらに、路面に複数の被計測点をマーキングし、続いて、すべての基準点およびすべての被計測点が映写された写真を複数方向から撮影する。その後、これらの写真をデジタル画像データとしてコンピュータに取り込み、各画像データに映し出された基準点および被計測点の同じものどうしを対応付けし、基準点間距離の情報と対応付けの情報とを用いた演算処理によってそれぞれの被計測点の座標を算出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準点を支持する基準点器を被計測面に３個以上設置するとともに、これらの基準点間の距離を２種類以上計測する、基準点設定ステップと、
前記被計測面に、複数の被計測点をマーキングする被計測点設定ステップと、前記基準点および前記被計測点の一部または全部が映写された写真を、複数方向から撮影する撮影ステップと、
前記撮影ステップで取得された複数の写真をデジタル画像データとしてコンピュータに取り込み、これらの画像データに映し出された前記基準点および前記被計測点の同じものどうしを対応付けする対応付けステップと、
前記基準点間の距離情報と、いずれかの前記基準点の高さ情報と、前記対応付けの情報とを用いた演算処理により、それぞれの前記被計測点の座標を算出する演算ステップと、を含むことを特徴とする、三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【請求項２】
基準点を支持する基準点器を形状計測される被計測面に３個以上設置するとともにこれらの基準点間の距離を２種類以上計測し、前記被計測面に複数の被計測点をマーキングし、且つ、前記基準点および前記被計測点の一部または全部が映写された写真を複数方向から撮影することによって得られた画像データと、前記基準点間の距離情報と、いずれかの前記基準点の高さ情報とを含む計測データを、コンピュータに入力する入力ステップと、
これらの画像データに映し出された前記基準点および前記被計測点の同じものどうしを対応付けする対応付けステップと、
前記距離情報と前記高さ情報と前記対応付けの情報とを用いた演算処理により、それぞれの前記被計測点の座標を算出する演算ステップと、を含むことを特徴とする、三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【請求項３】
前記高さ情報が、前記基準点の標高がそれぞれ同一になるようにこれらの基準点の高さを調節した後、いずれかの基準点の高さを計測することによって得られることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【請求項４】
前記演算ステップで算出された三次元座標を用いて前記被計測点の等高線図を作成する作図ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【請求項５】
前記基準点器が、前記被計測面の両脇部に設置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【請求項６】
前記距離情報が１０メートル以下となるように前記基準点器が配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の三次元写真計測技術を用いた測量方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地面、舗装面、芝生面等の表面形状（すなわち凹凸形状）を測量する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地面、舗装面、芝生面等の表面形状を、測量技術を用いて計測したい場合がある。
【０００３】
以下、このような測量技術の従来例について、道路のわだち掘れを計測する場合を例に採って説明する。
【０００４】
道路等の路面には、長年の利用により、わだち掘れが形成されることが多い。
わだち掘れとは、車両の通行等に伴って形成される、路面の起伏を意味している。わだち掘れのできた舗装は、車両などの安定・安全な通行を妨げる。例えば、わだちに雨水がたまると、ハイドロプレーニング現象等の原因になる。このため、わだちの状態を精密に計測することは、道路等の維持・管理上、非常に重要である。
【０００５】
従来、道路等のわだちの計測技術としては、例えば、横断面凹凸量測定器を使用する技術が知られている。図５は、かかる横断面凹凸量測定器の外観構造を示す概略図である。図５に示したように、この横断面凹凸量測定器では、支持脚５０１，５０２で計測ビーム５０３が支持され、この計測ビーム５０３に計測部５０４が載置されている。計測部５０４には車輪支持棒５０５が上下動自在に設けられており、さらに、この車輪支持棒５０５の下端には測定車輪５０６が設けられている。計測部５０４は、計測ビーム５０３に沿って横方向に移動する。このとき、測定車輪５０６は路面の凹凸に沿って上下動し、これに伴って、車輪支持棒５０５も上下動する。計測部５０４は、車輪支持棒５０５の上下動を検出して、ログを作成する。このように、横断面凹凸量測定器によれば、測定車輪５０６の上下動を検出することによって、わだちの深さを測定することができる。
【０００６】
また、他のわだちの計測技術として、例えば、自動測定車を利用する技術が、知られている。この方法では、例えば、３個〜５個程度のセンサを取り付けられたバーを自動車に搭載し、これらのセンサを用いてバーと路面との距離を測定する。この方法によれば、自動車を走行させながら、わだちの深さを測定することができる。自動測定車を利用してわだちを計測する技術は、下記特許文献１〜３にも開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−２１８０２８号公報
【特許文献２】
特開平０９−２８７０３３号公報
【特許文献３】
特開平１０−００２７２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示した横断面凹凸量測定器には、以下のような欠点があった。
【０００９】
図５の横断面凹凸量測定器は、非常に大型であり、且つ、重量も大きい。このため、かかる横断面凹凸量測定器には、計測現場まで運搬のためのコストが大きいという欠点があった。
【００１０】
また、かかる横断面凹凸量測定器では、道幅に沿ってわだちを計測する場合に、計測ビーム５０３が道路等の全体を塞いでしまう。このため、計測作業中に車両等が道路等を通行することができなくなるという欠点があった。
【００１１】
さらに、かかる横断面凹凸量測定器では、計測部５０４を移動させながら順次計測を行うので、道幅分の計測を複数箇所について行う場合、所要時間が非常に長くなる。このため、計測作業に時間を要するので、人件費等の作業コストが増大するとともに、車両等が道路を通行することができない時間も長くなる。
【００１２】
一方、自動測定車を用いて計測する場合、実際に計測用車両を計測現場まで運搬しなければならない。さらに、このような計測では、精密な計測を行うことは不可能である。
【００１３】
加えて、以下のような理由により、従来の横断面凹凸量測定器や計測用車両は、道路面以外の表面計測に適用することが困難である。
【００１４】
例えばゴルフ場等の広大な領域の表面形状を細かく計測したい場合、図５に示したような横断面凹凸量測定器や測定車両を使用することは非常に困難である。計測に時間がかかりすぎ、測定精度も低いからである。
【００１５】
また、例えばゴルフ場のグリーンの表面凹凸を計測したい場合も、横断面凹凸量測定器や計測用車両を使用することはできない。芝生面が痛んだり、却って芝生面に凹凸が生じる原因になるからである。
【００１６】
また、日本庭園の築山や古墳のように、比較的面積が狭く且つ大きく突起したものに対しても、上述の横断面凹凸量測定器や計測用車両を使用することはできない。
【００１７】
この発明は、このような従来技術の欠点に鑑みて成されたものであり、被測定面の形状や面積等の条件に拘わらず、低コスト且つ短時間で精密な計測を行うことができる測量方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る三次元写真計測技術を用いた測量方法は、基準点を支持する基準点器を被計測面に３個以上設置するとともにこれらの基準点間の距離を２種類以上計測する基準点設定ステップと、被計測面に、複数の被計測点をマーキングする被計測点設定ステップと、基準点および被計測点の一部または全部が映写された写真を複数方向から撮影する撮影ステップと、撮影ステップで取得された複数の写真をデジタル画像データとしてコンピュータに取り込みこれらの画像データに映し出された基準点および被計測点の同じものどうしを対応付けする対応付けステップと、基準点間の距離情報といずれかの基準点の高さ情報と対応付けの情報とを用いた演算処理によりそれぞれの被計測点の座標を算出する演算ステップとを含む。
【００１９】
第２の発明に係る三次元写真計測技術を用いた測量方法は、基準点を支持する基準点器を形状計測される被計測面に３個以上設置するとともにこれらの基準点間の距離を２種類以上計測し、被計測面に複数の被計測点をマーキングし、且つ、基準点および被計測点の一部または全部が映写された写真を複数方向から撮影することによって得られた画像データと、基準点間の距離情報と、いずれかの基準点の高さ情報とを含む計測データを、コンピュータに入力する入力ステップと、これらの画像データに映し出された基準点および被計測点の同じものどうしを対応付けする対応付けステップと、距離情報と高さ情報と対応付けの情報とを用いた演算処理によりそれぞれの被計測点の座標を算出する演算ステップとを含む。
【００２０】
第１、第２の発明に係る測量方法によれば、測量現場では、基準点器およびマーキングを写真撮影するだけでよいので、被測定面の形状や面積等の条件に拘わらず、低コスト且つ短時間で精密な計測を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る三次元写真計測技術を用いた測量方法について、道路のわだち掘れを計測する場合を例に採って説明する。なお、図中、各構成成分の大きさ、形状および配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的条件は単なる例示にすぎない。
【００２２】
まず、計測現場で使用される機材等および当該現場での計測作業について、作業手順に従って説明する。図１は、かかる機材等および計測作業を示す概念図である。
【００２３】
▲１▼計測現場たる道路１００には、３個以上の基準点器が設置される。図１の例では、４個の基準点器１１０，１２０，１３０，１４０が設置されている。基準点器１１０〜１４０には、基準点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４が取り付けられる。例えば、図２（Ａ）に示したような、先端に基準点Ｍ１〜Ｍ４としてのボール２１０を取り付けたカラーコーン２２０を、基準点器１１０〜１４０として使用することができる。これらの基準点器１１０〜１４０は、道路１００の両脇部（例えば路肩や歩道等）に、２個ずつ設置される。この実施の形態では、道路の両脇部に基準点器１１０〜１４０を設置するので、道路交通の妨害はほとんど無い。道路１００の同じ側の基準点器（すなわち、基準点器１１０，１２０および基準点器１３０，１４０）の間隔は、例えば５〜１０メートル程度とする。本発明者の検討によれば、十分な計測精度を得るためには、基準点器の間隔を１０メートル以下にすることが望ましい。基準点の間隔は、例えばコンベックスを用いて、測定される。また、基準点の間隔は、２種類以上測定する必要があるが、すべての基準点間距離を測定する必要はない（後述）。
【００２４】
▲２▼次に、基準点Ｍ１〜Ｍ４の標高がそれぞれ同一になるように、これらの基準点Ｍ１〜Ｍ４の高さを調節する。この高さ調節は、例えば、図２（Ｂ）に示したような、水管２３０を用いて行うことができる。すなわち、透明の水管２３０の両側部２３１，２３２を持ち上げ、中に水を入れたとき、これらの両端部２３１，２３２における水面Ａ，Ｂの標高は同じになる。したがって、これらの水面Ａ，Ｂの位置と一致するように、基準点Ｍ１〜Ｍ４の高さを順次調整すればよい。
このような方法によれば、道路１００の路面に傾斜があるような場合でも、基準点Ｍ１〜Ｍ４の標高を一致させることができる。その後、いずれかの基準点器（例えば基準点Ｍ１）の高さが、コンベックス等を用いて測定される。
【００２５】
なお、高さ調節時の測定方法は特に限定されるものではなく、例えばレーザ光を用いた測定方法等を使用してもよい。
【００２６】
▲３▼続いて、道路１００の路面に、複数の被計測点がマーキングされる。図１の例では、合計３５個の被計測点Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ３５が、マーキングされている（図１では、被計測点を‘Ｘ’を付して表している）。被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の間隔は任意であるが、この実施の形態では１メートル程度とする。被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の間隔が短いほど、精密な計測を行うことができる。なお、被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の位置は、測定しなくてもよい。マーキングは、例えば、チョーク等を用いて路面に被計測点Ｐ１〜Ｐ３５を描くことによって行う。また、路面にシール等を貼り付けることによって、被計測点Ｐ１〜Ｐ３５のマーキングを行ってもよい。チョークやシール等によってマーキングを行うことにより、道路交通を妨害する時間を非常に短い時間に抑えることができ、且つ、マーキング後の道路１００を車両等が通行してもマーキングが見難くなることが無い。
【００２７】
▲４▼その後、基準点Ｍ１〜Ｍ４および被計測点Ｐ１〜Ｐ３５は、写真機によって、撮影される。写真機による撮影は、少なくとも２方向から行われる。図１の例では、３方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３から撮影を行うことにより、３枚分のデジタル画像情報Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３が取得される。各撮影は、すべての基準点Ｍ１〜Ｍ４およびすべての被計測点Ｐ１〜Ｐ３５が写るように、行われることが望ましい。本発明者の検討によれば、計測精度を向上させるためには、真横方向（Ｄ２と直交する方向）からの撮影も行うことが望ましく、また、後述の対応付け処理を容易にするために極力高い位置から撮影することが望ましい。後述のように、写真機で取得されたデジタル画像情報Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、デジタル画像としてコンピュータ等に取り込まれる。したがって、写真機としてはデジタル写真機を使用することが望ましい。但し、フィルム式写真機やビデオカメラ等で撮影した画像を、デジタル画像情報Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３に変換してもよい。
【００２８】
以上のようにして、基準点間距離と、基準点高さと、デジタル画像情報Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３とが取得される。
【００２９】
次に、これらの情報を用いてわだち形状のデータを演算する方法について、説明する。
【００３０】
▲５▼まず、上述のデジタル画像情報Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３が、コンピュータに入力される。
【００３１】
▲６▼次に、オペレータが、コンピュータの画面上で、各基準点Ｍ１〜Ｍ４および被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の対応付け処理を行う。例えば、オペレータは、画像Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３にそれぞれ映し出された基準点Ｍ１が互いに同じ点であることを、コンピュータに入力する。例えば、画像Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の基準点Ｍ１にポインタを移動させてマウスをクリックすることにより、対応付けを行うことができる。画面上で他の基準点Ｍ２〜Ｍ４や被計測点Ｐ１〜Ｐ３５についても、同様の処理が行われる。
【００３２】
▲７▼続いて、オペレータが、基準点Ｍ１〜Ｍ４の座標を入力する。例えば、基準点Ｍ１を原点（０  ０  ０）とし、基準点Ｍ１→Ｍ２の方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向、高さ方向（鉛直方向）をＺ方向として、他の基準点Ｍ２〜Ｍ４の座標を決定すればよい。このとき、基準点Ｍ１〜Ｍ４の標高は同じなので（上記処理▲２▼参照）、これらの基準点Ｍ１〜Ｍ４のＺ座標は同一になる。
【００３３】
また、写真画像上の基準点間距離を実際の距離に変換するためのデータとして、上述の処理▲１▼で測定された基準点間距離が入力される。かかる基準点間距離はＸ軸座標およびＹ軸座標の変換に使用されるので、Ｘ−Ｙ平面上の方向が互いに異なる二種類以上の基準点間距離が必要である。さらに、各基準点Ｍ１〜Ｍ４のＺ座標を実際の高さに変換するためのデータとして、基準点Ｍ１の高さの計測値（上記処理▲２▼参照）が入力される。
【００３４】
▲８▼その後、コンピュータによる演算処理を実行することにより、被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の三次元座標を算出する。デジタル画像に映し出された点の三次元座標を算出する方法としては、公知の三次元コンピュータグラフィクスの手法を用いることができ（例えば、徐剛著「写真から作る３次元ＣＧ」近代科学社、２００１年１月３０日初版発行参照）、また、かかる演算処理のためのコンピュータ・ソフトウエアも販売されている。したがって、ここでは簡単に説明する。
【００３５】
この演算処理では、まず、基準点Ｍ１〜Ｍ４の座標情報に基づいて、コンピュータ内でＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が設定される。そして、かかるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応させて、デジタル画像情報Ｇ１に映し出された被計測点Ｐ１の三次元座標と、デジタル画像情報Ｇ２に映し出された被計測点Ｐ１の三次元座標と、デジタル画像情報Ｇ３に映し出された被計測点Ｐ１の三次元座標とが、それぞれ算出される。
【００３６】
続いて、これら三種類の三次元座標が比較される。多くの場合、デジタル画像情報Ｇ１〜Ｇ３の光学的な誤差や、対応付け処理（上記処理▲６▼参照）のときの入力誤差等のために、これら三種類の三次元座標は一致しない。このため、例えば、これらの三次元座標点までのユークリッド距離の自乗和が最も小さくなるような座標点を、被計測点Ｐ１であると判断する。すなわち、三種類の三次元座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）とすると、（Ｘ１２＋Ｙ１２＋Ｚ１２）＋（Ｘ２２＋Ｙ２２＋Ｚ２２）＋（Ｘ３２＋Ｙ３２＋Ｚ３２）が最も小さくなるような座標点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求め、これを被計測点Ｐ１の最終的な座標とする。以下、同様にして、デジタル画像情報Ｇ１〜Ｇ３から、他の被計測点Ｐ２〜Ｐ３５の座標を求める。
【００３７】
このようにして得られた被計測点Ｐ１〜Ｐ３５の座標が、わだちの位置および深さを示すデータとなる。そして、適当なＺ座標値を基準深さ（すなわち深さゼロ）として、各被計測点のＺ座標を変換すれば、わだちの深さについてのデータを得ることができる。
【００３８】
図３は、この実施の形態に係る計測方法で得られたわだち深さと、従来の横断面凹凸量測定器（図５参照）で計測されたわだち深さとを比較する表である。図３の表は、被計測点Ｐ１１の較差がゼロであると仮定して、両測定結果を比較している。図３からわかるように、表データの較差は±５ｍｍ以内である。一般に、わだち計測に要求される制度は１０ｍｍ程度である。したがって、この実施の形態に係る計測方法によれば、横断面凹凸量測定器と比較しても遜色のない十分な精度が得られると言える。
【００３９】
図４は、この実施の形態に係る計測方法で得られたわだち深さを用いて作成した等高線図を示している。この等高線図は、上記ステップ▲８▼で使用するソフトウエアの一つの機能として、作成される。このように、この実施の形態に係る計測方法によれば、上記ステップ▲８▼で得られた三次元座標を用いて、非常に詳細な等高線図を得ることができる。
【００４０】
この実施の形態に係る計測方法によれば、計測地点まで運搬するのは、基準点器や写真機材等の小型且つ軽量の機材のみである。また、車両等の通行を妨げるのは、主として被計測点をマーキングするときであるが、非常に短時間である。
加えて、被計測点の三次元座標を算出するので、精密な計測結果が得られる。したがって、この実施の形態によれば、道路等の通行に与える影響を減らしつつ、高精度のわだち計測を、低コストで行うことができる。
【００４１】
加えて、この実施の形態に係る計測方法によれば、基準となる座標を得るための基準点器を被計測点とは別に設置したので、道路等の通行にほとんど影響を与えずに基準点の計測を高精度に行うことができる。一般に使用されている三次元コンピュータグラフィクス技術では、基準点と被計測点との区別は無く、多数個の対象点を対応付けすることによって各対象点の三次元座標を得る。したがって、この技術をそのままわだち計測に適用しようとすると、対象点としての被計測点を路面上にマーキングするとともに、一部の被計測点について点間距離および深さを実測しなければならなくなる。これでは、計測現場の作業時間は長くなり、道路交通の妨害も顕著となる。さらに、この方法では、路面の傾斜を計測することができない。これに対して、この実施の形態では、基準点器を設置して基準点間距離および基準点高さを実測することとしたので、計測現場の作業時間は短く、道路交通の妨害はほとんどない。加えて、標高が同一になるように各基準点の高さを調整することとしたので、わだちだけでなく路面の傾斜も計測することができる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について、道路のわだち掘れを計測する場合を例に採って説明した。しかし、本発明は、道路面形状の測量に限定されるものではない。例えば、本発明が、橋、航空機用滑走路、非舗装の道路等の表面形状にも適用できることは、明らかである。また、ゴルフ場におけるコース面やグリーンの表面形状、野球場のピッチャーズマウンドの突起形状や人工芝敷設用下地面の形状、日本庭園の築山等の突起形状、古墳の突起形状等の計測にも、本発明の測量方法を適用することができる。
【００４３】
ここで、ゴルフ場のコース面形状を計測する場合には、例えば、基準点器を、被計測領域内や被計測領域の外周付近に所定間隔（例えば１０メートル以内）で点在させればよい。すなわち、道路交通上の問題はないので、図１に示した例のように被計測領域の両端に並べる必要はなく、被計測領域内に基準点器と被計測点とが混在していてもよい。このような測量に本発明を適用することにより、広範な領域の計測を短時間で精密に行うことができる。
【００４４】
また、野球場のピッチャーズマウンド、築山、古墳などの突起形状を計測する場合には、例えば、被計測面（突起した領域）の外周に沿って基準点器を配置すればよい。突起した領域の外周に沿って基準点器を配置することにより、基準点器の標高を一致させる作業が容易になる。なお、基準点器設置場所の標高がすべて同じであると仮定してよいような場合には、基準点器の高さの調節を省略してもよい。この場合、標準状態での基準点器の高さが予め解っていれば、基準点器の高さ測定を行う必要もない。また、各デジタル画像には、すべての基準点器および被計測点が撮影されていなくてもよい。但し、測定精度を上げるためには、それぞれの基準点器および被計測点がなるべく多数のデジタル画像に写っていることが望ましい。このように、本発明は、比較的面積が狭く且つ大きく突起したものであっても精密に計測することができ、且つ、計測面の芝生や苔などを痛めることもほとんどない。また、日本庭園等を、一時的に撤去した後で元の場所に再現したり移築したりする場合に、本発明の測量技術を使用することで、再現精度を高めることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る測量方法によれば、被測定面の形状や面積等の条件に拘わらず、低コスト且つ短時間で精密な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る路面形状計測方法の計測機材および計測作業を説明するための概念図である。
【図２】（Ａ）は基準点器の構造例を概略的に示す斜視図、（Ｂ）は水管の構造例を示す概念図である。
【図３】実施の形態の計測結果の一例を示す表である。
【図４】実施の形態の計測結果の一例を示す等高線図である。
【図５】従来の路面形状計測器を概略的に示す概念図である。
【符号の説明】
１００  道路
１１０，１２０，１３０，１４０  基準点器
２１０  ボール
２２０  カラーコーン
２３０  水管
２３１，２３２  水管の両端部
【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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