(57)【要約】  光学的な放射の光線を、点ごとに区域へと向ける斜面安定性ライダーであって、各点が高度および方位を有する斜面安定性ライダー、ならびに、データを取得し、各点についての方向データ、飛程データ、および振幅データをコンパイルするためにデータを処理し、取得したデータを、ボクセルを規定するデータのブロックへとセグメント化し、各ボクセルについての精密なボクセル飛程値を生成するために、ボクセル内の取得した飛程データを平均化し、動きを識別するために、経時的にボクセル飛程値を比較し、動きが閾値を超える場合に、警告を生成するプロセッサ。
2018531402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的な放射の光線を生成するレーザーと、
光学的な放射の前記光線を、点ごとに区域へと向けるスキャナであって、各点が前記レーザーに対して高度および方位を有する、スキャナと、
各点から反射された光学的な放射を受け取る検出器と、
プロセッサと
を備え、前記プロセッサが、
前記検出器からデータを取得して、各点についての方向データ、飛程データ、および振幅データをコンパイルするために前記データを処理し、
前記取得したデータを、ボクセルを規定するデータのブロックへとセグメント化し、
各ボクセルについての精密なボクセル飛程値を生成するために、前記ボクセル内の前記取得した飛程データを平均化し、
動きを識別するために、経時的にボクセル飛程値を比較し、
動きが閾値を超える場合に、警告を生成する
ようにプログラムされる、斜面安定性ライダー。
【請求項２】
前記レーザーがパルスレーザーであり、前記プロセッサが飛行時間の計算を使用して、点への飛程を決定する、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項３】
前記スキャナが、前記光線を、回転ベースを使用して方位を、回転鏡を使用して高度をスキャンする、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項４】
各点が、直交座標(x,y,z)または極座標(r,θ,φ)で決定される場所を有する、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項５】
ボクセルを形成するデータの各ブロックが、0.1度〜1.0度の方位および/または0.1度〜1.0度の高度のボクセルサイズに基づいて選択される、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項６】
ボクセルを形成するデータの各ブロックが、0.1度×0.1度〜1.0度×1.0度の方位×高度のボクセルサイズに基づいて選択され、最も好適には、0.5度×0.5度である、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項７】
ボクセルサイズを規定するデータの各ブロックが飛程によってセグメント化される、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項８】
前記プロセッサが、各ボクセルについての平均振幅値を生成するために、前記取得した振幅データを平均化するようにもプログラムされる、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項９】
前記区域の画像の表示を生成するために、前記プロセッサによって、各ボクセルについての前記平均振幅値が使用される、請求項8に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１０】
前記プロセッサが、前記区域の前記画像上に前記識別された動きを表示する、請求項9に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１１】
前記プロセッサが前記区域の前記画像を、前記区域の写真または動画と位置合わせする、請求項9に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１２】
前記写真または動画を記録するカメラをさらに備える、請求項11に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１３】
前記警告が、可聴式、視覚的、または触覚的である、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１４】
前記プロセッサが各ボクセルについての整合性計量値を計算するようにさらにプログラムされる、請求項1に記載の斜面安定性ライダー。
【請求項１５】
光学的な放射の光線を区域へと向けるステップと、
点ごとに前記区域をカバーするような高度および方位で光学的な放射の前記光線をスキャンするステップと、
各点から反射された放射を検出するステップと、
検出器からデータを取得して、各点についての方向データ、飛程データ、および振幅データをコンパイルするために前記データを処理するステップと、
前記取得したデータを、ボクセルを規定するデータのブロックへとセグメント化するステップと、
精密な飛程値を生成するために、前記ボクセル内の前記取得した飛程データを平均化するステップと、
動きを識別するために、経時的にボクセル飛程値を比較するステップと、
動きが閾値を超える場合に、警告を生成するステップと
を含む、斜面の動きを監視する方法。
【請求項１６】
平均化する前記ステップが重み付け平均を含み、重み付け関数がシルクハット型、正規型、線形エッジ最小化型、非線形エッジ最小化型から選択される、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記取得したデータをセグメント化する前記ステップが、2つ以上のブロック中のいくつかの点からのデータを使用するステップを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
隣接するボクセルからのデータを集めることによって、選択したボクセルをオーバーサンプリングするステップと、
前記選択したボクセルおよび隣接するボクセルをサブボクセルへと分割するステップと、
重み付け平均計算を使用して各サブボクセルについての平均飛程を決定するステップと、
各サブボクセルについての平均飛程を、以前のスキャンから計算されたそのサブボクセルについての平均飛程と比較するステップと、
すべてのサブボクセルについての中央値を決定するステップと、前記中央値を、前記選択したボクセルについての前記動きの値として表示するステップと
をさらに含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１９】
各ボクセルについての平均振幅値を生成するために、前記取得した振幅データを平均化するステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
各ボクセルについての前記平均振幅値が、前記区域の画像の表示を生成するために、前記方法のさらなるステップで使用される、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記識別された動きが前記区域の前記画像上に表示される、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記表示を前記区域の写真または動画画像と位置合わせするステップをさらに含む、請求項20に記載の方法。
【請求項２３】
各ボクセルについての整合性計量値を計算するステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー測距を使用して斜面の変形を監視するための方法および装置に関する。本発明は、開削および地下採掘の用途に、特定の用途を見いだしている。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、観測される斜面の動きを検出するため、干渉型レーダー測定を使用することに基づいた斜面監視システムについて以前に記載した。本技法は、我々の国際特許出願第WO2002/046790号によく記載されている。1つの重要な適用例では、WO2002/046790に記載されている斜面安定性レーダー(SSR)は、開削した鉱山で岩の壁を監視して、斜面崩壊をもたらす可能性がある何らかの危険な動きを検出するために使用される。
【０００３】
出願人のSSRデバイスは、非常に効果的であることを証明し、著しい商業的な成功を享受した。WO2002/046790の内容は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００４】
WO2002/046790では、岩の斜面の頂上または表面上に現れるクラックの拡張を測定するときに使用された道具として、レーザーEDM(電子距離測定)の使用を参照する。レーザーベースの技法の多くは、壁面の区域ではなく、むしろ壁上の点または線を監視する。このことは、採掘用途での変形の監視、または同様の状況にとってレーザーベースの距離測定システムが有用でなかったことを意味していた。
【０００５】
たとえば、Hu Huiは、「Deformation monitoring and modelling based on LiDAR data for slope stability assessment」という題名で、ドイツのAachen Universityから、詳細な博士論文を出版した。17ページに、Huiによって認められたように、「課題は、どのように効果的にライダーデータを分析し、どのように大量のデータから有益な情報(たとえば、変形の兆候)を抽出するかである」。Huiは、より大きい処理電力を印加すること、またはデータの量を減らすためスキャンを制限することを除いて、解決策を示していない。Huiの最善の努力にもかかわらず、斜面の監視に必要な、ミリメートル未満の精度は呈示されていない。
【０００６】
2010年にオンラインで、Natural Hazards (2012) 61:5-28に出版された、「Use of LIDAR in landslide investigations: a review」という題名の有用なレビュー文書も参照することができる。文書は、ライダーの有用な議論を提供しており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００７】
結論部で、執筆者は、斜面安定性監視におけるライダーの制限について、「数年で、ライダーセンサは、地滑り分析にとっての標準的な道具となるであろう。…技法がまた進歩するにつれて、より正確で精密なALS(航空機搭載レーザースキャナ)およびTLS(陸上型レーザースキャナ)デバイスが現れて、より正確なDEM(デジタル高度マップ)の生成を可能にするであろう。…それにもかかわらず、最大200kHzの取得速度を有するモバイルライダーシステムの場合に既に問題であるように、データ取得能力が増加するとコンピュータがより強力となる必要があるために、大量のデータは問題のままとなるであろう。真の課題は、HRDEM(高解像度デジタル高度マップ)から、より良好に恩恵を受ける新規の方法を開発することである。実際に、そのようなDEMから、我々が当時まだ抽出することができなかった多くの新しい情報を抽出することができる。幾何学の面で大きい進捗が展開されたが、概念モデルの多くは、過去に縛られたままである。」などの、いくつかの関連点を指摘している。これらのコメントは、今日、依然として当てはまる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】WO2002/046790
【特許文献２】WO2007/009175
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Hu Hui、「Deformation monitoring and modelling based on LiDAR data for slope stability assessment」、Aachen University
【非特許文献２】2010年、Natural Hazards (2012) 61:5-28、「Use of LIDAR in landslide investigations: a review」
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
1つの形態では、唯一の形態または実際に最も広い形態である必要はないが、本発明は、
光学的な放射の光線を生成するレーザーと、
光学的な放射の光線を、点ごとに区域へと向けるスキャナであって、各点がレーザーに対して高度および方位を有する、スキャナと、
各点から反射された光学的な放射を受け取る検出器と、
プロセッサとを備え、プロセッサが、
検出器からデータを取得して、各点についての方向データ、飛程データ、および振幅データをコンパイルするためにデータを処理し、
取得したデータを、ボクセルを規定するデータのブロックへとセグメント化し、
各ボクセルについての精密なボクセル飛程値を生成するために、ボクセル内の取得した飛程データを平均化し、
動きを識別するために、経時的にボクセル飛程値を比較し、
動きが閾値を超える場合に、警告を生成する
ようにプログラムされる、斜面安定性ライダーにある。
【００１１】
プロセッサは、各ボクセルについての平均振幅値を生成するために、取得した振幅データを平均化するようにプログラムすることもできる。各ボクセルについての平均振幅値をプロセッサが使用して、区域の画像の表示を生成することができる。プロセッサは、区域の画像上に、識別された動きを表示することもできる。
【００１２】
警告は、可聴式、視覚的、または触覚的であってよい。視覚的警告は、ディスプレイ上に好適に表示することができる。
【００１３】
好適には、斜面安定性ライダーのプロセッサが、区域の画像を、区域の写真または動画と位置合わせすることができる。斜面安定性ライダーは、好適には、写真または動画を記録するカメラを備える。
【００１４】
レーザーは、好ましくはパルスレーザーであり、プロセッサが、飛行時間の計算を使用して、点への飛程を決定する。
【００１５】
スキャナは、レーザー光線を、回転ベースを使用して方位を、回転鏡を使用して高度を好適にスキャンする。
【００１６】
各点の場所は、直交座標(x,y,z)、または極座標(r,θ,φ)で決定することができる。ボクセルを形成する各ブロックは、0.5度×0.5度の方位×高度内のすべての飛程点など、特定のボクセルサイズに基づいて選択することができる。ボクセルサイズは、0.1度〜1.0度の方位を有することができる。高度は、0.1度〜1.0度であってよい。ボクセルサイズは、0.1度×0.1度〜1.0度×1.0度の方位×高度の任意の組合せであってよい。いくつかの例としては、0.2度×0.3度、0.5度×0.4度、または任意の他の好適なサイズが挙げられる。
【００１７】
ボクセルサイズは、高度×方位内のすべての飛程を平均化するのではなく、むしろ飛程限度を有する場合もある。飛程限度は、たとえば道路といった、知られている人工物を有する飛程を除外するために適用することができる。
【００１８】
さらなる形態では、本発明は、
光学的な放射の光線を区域へと向けるステップと、
点ごとに区域をカバーするような高度および方位で光学的な放射の光線をスキャンするステップと、
各点から反射された放射を検出するステップと、
検出器からデータを取得して、各点についての方向データ、飛程データ、および振幅データをコンパイルするためにデータを処理するステップと、
取得したデータを、ボクセルを規定するデータのブロックへとセグメント化するステップと、
精密な飛程値を生成するために、ボクセル内の取得した飛程データを平均化するステップと、
動きを識別するために、経時的にボクセル飛程値を比較するステップと、
動きが閾値を超える場合に、警告を生成するステップと
を含む斜面の動きを監視する方法にある。
【００１９】
方法は、各ボクセルについての平均振幅値を生成するために、取得した振幅データを平均化するステップをさらに含むこともできる。各ボクセルについての平均振幅値を、区域の画像の表示を生成するために、方法のさらなるステップで使用することができる。識別された動きを、区域の画像上に、好適に表示することもできる。
【００２０】
表示は、区域の写真または動画画像と位置合わせすることができる。
【００２１】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
【００２２】
本発明を理解するのを助け、当業者が本発明を実用的な結果にすることを可能にするために、本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照して例示のためだけに記載されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】開削した鉱山の適用例における斜面安定性ライダーの図である。
【図２】斜面安定性ライダーの構成要素のブロック図である。
【図３】斜面安定性ライダーの処理ステップのフローチャートである。
【図４】球面パラメータ化のプロセスを表す図である。
【図５】セグメント化のプロセスを表す図である。
【図６】点選択および画素平均化のための重み付けのプロセスの一例を表す図である。
【図７】代替の点選択および画素平均化のための重み付けを描く図である。
【図８】代替のセグメント化の選択肢を示す図である。
【図９】精度の改善を呈示する図である。
【図１０】斜面の監視部分を示す図である。
【図１１】監視データを示す図である。
【図１２】3Dで斜面と監視データの比較を示しており、上図が監視区域を示し、下図が変形を示す図である。
【図１３】斜面安定性ライダーの別の実施形態を示す図である。
【図１４】地下鉱山における適用例を示す図である。
【図１５】地下の階段式採掘場における適用性を示す図である。
【図１６】図15の一部の拡大図である。
【図１７】図16の斜面安定性ライダーのクローズアップ図である。
【図１８】画素の形成をさらに説明する図である。
【図１９】視覚映像と位置合わせした振幅の典型的なSSL画面を示す図である。
【図２０】視覚映像と位置合わせした変形の典型的なSSL画面を示す図である。
【図２１】本発明による方法のステップを描く典型的なフローチャートを示す図である。
【図２２】本発明による、低グレージング角雑音を処理するための方法のステップを描く典型的なフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態は、第1に、動きを受ける可能性がある斜面、壁、または他の領域の動きを監視するためにレーザーを利用する、斜面安定性ライダー装置にある。したがって、デバイスの要素は、本発明の実施形態を理解するのに必要なそれらの特定の細部だけは示すが、本記載の利益を有する当業者には容易に明らかとなる過剰な細部で本開示を曖昧にしないように、図面中に簡潔な概略形態で図示されている。
【００２５】
本明細書では、第1と第2、左と右などといった形容詞は、任意の実際のそのような関係または順番を必ずしも必要または暗示することなく、1つの要素または行為と別の要素または行為を区別するためにのみ使用することができる。「備える(comprises)」または「含む(includes)」などの言葉は、非排他的包含を規定することを意図しており、そのため、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は、それらの要素だけを含むのではなく、そのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の要素を含む、明示的にリスト化されない他の要素を含むことができる。
【００２６】
図1を参照すると、安定である領域および動いている他の領域を有する可能性があるシーン11を見ている斜面安定性ライダー10が示される。図1の実施形態では、シーン11は、開削した鉱山12の斜面の部分であるが、下で説明されるように、本発明は、この用途に限定されない。ライダー10は、Leica Geosystemsから入手可能な、Leica Scanstation P20などの市販されているデバイスであってよく、または、所有権を主張できるデバイスであってもよい。ライダー10の要素は、図2のブロック図中に概略的に示される。ライダー10は、パルスレーザー101、スキャナ102、レシーバ103、プロセッサ104、および様々な出力オプション105から構築される。
【００２７】
ライダーは、レーザーを方位および高度でスキャンすることによって、シーンの「点群(point cloud)」を生成する。点群は、一般的に、各々の方位、高度、および飛程(range)点についての反射されたレーザー光の振幅(または強度)を表す、色分けした強度マップまたは振幅マップとして表示される。レーザーは、パルスを繰り返し送出し、各々の反射されたパルスを検出する。飛行時間を使用したレーザーからの距離を計算するために、パルスを送り出すことと反射を受け取ることの間の時間が使用される。方位、高度、および距離の組合せがプロセッサにより使用されて、ライダーの周りのシーンの3次元(3D)画像を構築する。ライダーの周りの完全なドーム型でシーンを生成することが可能であるが、実際には、多くの用途では、ドームのうちの小さい部分だけが対象となる。
【００２８】
レーザーのスキャンは、任意の適した技法によって達成することができるが、高度のスキャンを実現するために、スピンする鏡または振動する鏡が効果的であり、方位のスキャンのために、回転ベースが効果的であることが見いだされた。
【００２９】
出力105は、シーンの画像であってよいが、さらなる処理または代替の処理のために、点のデータを直接アクセスすることもできる。陸上型ライダースキャナは、集めたすべてのデータを使用してシーンを生成する。陸上型ライダースキャナは、高品質画像を生成する。すなわち、飛程および方向の測定は、高解像度を有するが、画像を生成するのに比較的長時間が必要であり、大きいデータファイルが生成される。本発明者は、ライダーを使用して、データファイルを生成し、シーンを生成するためにデータファイルを処理するタイムスケールが長すぎて、斜面または壁などの領域が動くのを監視するのに有用でないことを認識していた。本発明者は、したがって、ライダーを使用して従来利用可能なものよりも、はるかに短い時間、はるかに細かい飛程精度で、有用な動きのデータを達成する、新規の処理手法を開発した。
【００３０】
本発明者は、レーザースキャンの精度が、多くの用途、特に、鉱山における岩/斜面の動きを監視することなどの安全用途において、動きの検出にとって十分でないことも見いだした。レーザー測定精度は、飛程、目標物の色、センサの設定、および環境によって影響を受ける。静止した目標について、最大+/-8mmの動きの雑音を測定するのは普通ではない。本発明者により開発されたプロセスは、岩/斜面の動きの検出のために、ライダーを使用することができるように、著しく精度を増加させる。
【００３１】
図3を参照すると、斜面安定性ライダーを使用して動きデータを生成するためのステップを要約するフローチャートが示される。点群データは通常の方式で集められるが、領域のセグメントで測定される精密な飛程で、平均振幅(または強度)についての値を計算するため、平均化法が使用される。セグメントのサイズは、精度を改善するための解像度に対する好適なトレードオフとして選択される。典型的なセグメントは、0.5度×0.5度の範囲を有し、点群からの、数百〜数千点を含有することになる。選択したセグメントは、好適には円形であるが、矩形、三角形、六角形、または多角形などの他の形を選択することもできる。
【００３２】
平均化プロセスは、選択したセグメント内のすべての点の、振幅(または強度)および飛程の単純な平均であってよい。または、平均は、たとえば、セグメントの中心に向かう値と比較して選択したセグメントの周囲に向かう値の重みを下げることによる、より複雑な平均化プロセスとしてよい。
【００３３】
セグメントは、連続的であってよく、または所定の量だけ重複してよい。多くの場合、選択したセグメント間に空間を残すことによって点を省略するのは、適切でないことになる。
【００３４】
例として、Leica ScanStation P20(上記)は、飛程精度についての高い角度解像度とトレードオフである、空間平均化アルゴリズムを適用することによって、スキャナの飛程精度を増加させるために有利に使用することができる高密度で高解像度な点群データを生成する。空間平均化アルゴリズムは、3つのステップで記載することができる。
1.スキャナ座標の球面パラメータ化
2.(粗い飛程値域での)方位および高度方向で均等なデータのセグメント化
3.真の中心値に対する、各セグメントについての重み付け平均化の適用
【００３５】
オプションの第4のステップは、平均化区域よりも小さい場合がある画素でデータを表示することである。画素は、最も好適には正方形であるが、六角形、円形、または何らかの他の適切な形状とすることができる。
【００３６】
［球面パラメータ化］
レーザースキャナからエクスポートされた生のデータは、直交座標系での各点を表す。この系では、図4に描かれるように、3Dの世界を、原点(0,0,0)がスキャナの原点として表される、3つの平面(x,y,z)へと分割する。
【００３７】
座標は、方位角θ、高度角φ、および飛程rへと球面にパラメータ化される。変換は次式で与えられる。
【００３８】
【数１】
2018531402.tif 000003
【００３９】
［セグメント化］
セグメント化は、図5に描かれるように、データを、セグメントと呼ばれる、より小さいが意味のある部分へと分割するプロセスである。レーザースキャナから取り出された点群は、群中の点の数を表す単一のヘッダ行と、それに続けて、新しい行によって分離される、各点についてのx、y、z、および強度値を含有する標準的なファイル形式に変換される。一例が下に示される。
418733
1.997177 -20.065475 -0.973618 342
1.993637 -20.062546 -0.970444 339
1.989090 -20.016830 -1.094131 308
1.998581 -20.017014 -1.100418 362
…
【００４０】
このファイルの第1の行は、点群中の点の数である。第2の行は、1.997177のx位置、-20.065475のy位置、-0.973618のz位置、および342の強度と読み出される。これは、20.18の飛程、-84.31度の方位、-13.71度の高度に変換される。P20は、-2047〜+2048の範囲で強度値を生成することに留意されたい。これらは、通常は、0〜100の範囲にスケーリングされる。
【００４１】
データは、次いで、均等な方位角および高度角で規定される一意の規則的な値域へとセグメント化される。セグメントは、物理的なメモリ使用の管理を助けるために、画素点処理のための個別ファイルへと保存することができる。
【００４２】
［重み付け平均］
重み付け平均は、次式のように数学的に表される。
【００４３】
【数２】
2018531402.tif 000004
【００４４】
ここで、
【００４５】
【数３】
2018531402.tif 000005
【００４６】
は計算された平均であり、wnはデータ点nについての重みであり、xnはデータ点nの値である。
【００４７】
プロセスは、最初に、平均化される各セグメントの中心点を計算するステップを含む。中心点は、方位および高度の両方での、真の中間点として選択される。次いで、図6に描かれるように、線形に重み付けした平均が、中心点からの距離として、球面座標として適用される。
【００４８】
レーザースキャナにより生成された点群の場合では、プロセスは、エッジ効果または光線分割に起因して存在する場合がある遊離点(stray point)などの、任意の大きい偏差を平滑化するために、特に有利である。
【００４９】
本発明は、図6に示される特定の線形な重み付けに限定されない。図7に描かれるものなどの他の重み付け関数を使用することもできる。図7(a)のシルクハット型は、すべての点を均等に重み付けする。図7(b)の正規分布型は、セグメントの中心に向かうにつれ、点により大きい重みを配する。図7(c)の平均窓は、エッジ効果を最小化するために線形の重み付けを適用し、図7(d)は、やはりエッジ効果を最小化するが、非線形の重み付けを使用する。
【００５０】
上記のように、セグメントは、図8(a)に示されるように連続的であってよい。本実施形態では、平均化プロセスで、すべての点が使用される。図8(b)では、代替の配置構成が示され、そこでは、いくつかの点は、2つ以上のセグメントで使用される。セグメントは重複している。重み付け関数は、ボクセルの飛程方向に適用することもできる。
【００５１】
上に記載されたプロセスの恩恵は、図9に明らかに呈示されている。図9は、5mの飛程において、Leica Scanstation P20が撮った黒いカードへの飛程の測定の精度を示す。わかるように、5mにおける平均化した測定120は、平均化していない測定121よりも、はるかに高精度である。様々な試験において、本発明者は、静止した粗い岩の壁の目標について、未処理の点群データと比較したときに、スキャンごとに+/-17.2mmほどもの値と比較し、スキャンごとに+/-0.09mmの精度がこの技法で達成されたことを見いだした。動く目標についての理想的な研究室の状態では、+/-8mmの正確さで動きを測定する目標の理想的な点群データと比較して、動きが生じたとき、平均化データでは、±0.05mmの正確さまで示度を測定した。
【００５２】
例として、本発明の実施形態は、区域内に動く領域および静止した領域を含んだ坑道中の斜面を監視するために使用された。斜面は図10に示され、監視される領域は、黒いボックスで示される。斜面安定性ライダーは領域からデータを集め、データが0.5×0.5度のボクセルへとセグメント化され、図6の重み付けを使用し、図8(b)のようにセグメントを重複させて振幅および飛程が平均化された。各ボクセル中の(数ミリメートルの)動きが、右側の色のパレットのスケールを使用して図11に表示される。X軸は、90ボクセル(45度)の方位範囲に及び、Y軸は、25ボクセル(12.5度)の高度範囲に及ぶ。スキャナへ向かう動きは、スペクトルの赤色端を使用して示され、スキャナから離れる動きは、スペクトルの青色端を使用して描かれる。ほとんど、または全く動かないボクセルは白または淡色である。図12は、同じ座標系を使用して下で示される、図11の動きのスキャンで、Leice Scanstation P20が生成した3D写真の点群を示す。図12に描かれる動きを、WO2002/046790に記載される斜面安定性レーダーを使用して集められた動きデータと良好に比較する。
【００５３】
本発明は、開削した坑道での使用に限定されない。斜面安定性ライダーが小型であるという性質および本質的な安全性に起因して、斜面安定性ライダーを地下鉱山で使用することができる。独立型SSLパック130が図13に示される。独立型SSL130は、方位および高度で振動するジンバルスキャナ132上に搭載される、複合ライダーカメラユニット131を備える。内部電源(見えない)を有するユーザインターフェースおよび出力133が、プロセッサ134に直接設けられる。SSL130は、図14に示されるように、地下鉱山の(本質的なことではないが)安定な壁に好都合に搭載して、近くの壁または天井が動くのを監視するように構成することができる。岩盤作業員141が必要に応じて独立型SSL130をあちこちに動かすことができるように、搭載する点140を好都合に位置決めすることができる。
【００５４】
別の実施形態では、SSLは、図15に描かれるように、階段式採掘場を監視するために、支柱の端に配備される。ライダー組立体150は、支柱151および三脚架152を備える。三脚架152は、アクセス用坑道153の端に配置される。掘削孔154が、アクセス用坑道153から階段式採掘場の空洞155の中へとドリルで開けられ、ライダーカメラユニット156が、支柱151上を下げられて、鉱石157の上の階段式採掘場の空洞155の頂部を監視する。ライダーカメラユニット156は、独立型SSL130と同じ要素を有する。代替の配備は、通路158から行うことができる。
【００５５】
図16は、図15の適用例におけるSSLの拡大図を示す。階段式採掘場の天井の厚さは、記述をより簡単にするために、本当よりも薄く示されている。支柱151を安定化させることおよび動きを取り除くことのために、採掘孔154がローラ163に包まれているのを見ることができる。
【００５６】
三脚架152は、作業員141が使用するユーザインターフェース171を含んで、図17により詳細に示される。ユーザインターフェース170およびプロセッサによって、作業員141が、ライダーのスキャンの方位および高度を制御し、ローカルディスプレイを観察することが可能になる。通信モジュール171は、鉱山制御室と通信するためのアップリンクを提供する。通信モジュール171は、危険な動きの警告を与えるために、現場に警報を提供することもできる。
【００５７】
ライダーユニット156は、支柱151の端に配置される必要はないが、好適な光学系を使用して、三脚架152に配置し、レーザー光線を支柱151を通して送達することができる。この実施形態は、階段式採掘場から、すべての火花の元を取り除き、本質的に安全である。他の地下の用途のために、同じ原理を適用して、任意の火花の元を潜在的な危険から十分離して配置し、レーザー光線を光ファイバなどの光学系によって監視場所へと伝達することができる。
【００５８】
様々な画素形状が上で開示されているが、好ましい画素形状は正方形である。本明細書に記載される方法を使用して正方形画素を生成する効果的な方式が図18に示される。点群データは、ライダーを中心とするドームから取り込まれるが、図18に示されるように、方位および高度のグリッドへと展開することができる。図18の例におけるグリッドの各正方形のサイズは、0.5度×0.5度である。正方形画素を生成するために、重み付け係数181、182が、図18に描かれ、上に記載された方式で、データに適用される。
【００５９】
図18に示される処理は、図19の表示を生成するために適用される。表示形式は、ユーザには見覚えがある。というのは、表示形式は、以前に述べたSSR製品について提示した表示と同じであるためである。図19は、振幅マップを下に位置合わせした、監視領域の視覚映像を示す。図20は、振幅データではなく動きデータとの同じシーンを示す。
【００６０】
代替の空間平均化プロセスが図21に描かれる。以前に記載したように生のデータが取得され、球面座標系に変換される。データは、たとえば、1°×1°といった、選択したサイズのボクセルへとセグメント化される。3°×3°を測定する9個のボクセルのブロックを生成するために、隣接するボクセルからのデータを集めることによって、ボクセルがオーバーサンプリングされる。ブロックは、900個の0.1°×0.1°のサブボクセルへと分割される。各サブボクセルについての平均飛程は、以前に記載したような重み付け平均計算を使用して決定される。各サブボクセルについての平均飛程は、以前のスキャンから計算されたそのサブボクセルについての平均飛程と比較される。900個のサブボクセルについての中央値が決定され、この値が、選択した1°×1°のボクセルについての動きの値として表示される。動きマップを生成するために、プロセスは、各々の1°×1°のボクセルについて繰り返される。
【００６１】
任意選択の変形形態として、中央の動きの値を、たとえば閾値を適用することによって900個のサブボクセルのサブセットから決定することができる。閾値は、任意の飛程変化の外れ値を除外するために設定することができる。すなわち、飛程変化が、妥当な限度を超えた場合、それは除外される。これは、典型的には、平均値から、標準偏差の数倍となる。
【００６２】
監視される領域と斜面安定性ライダーとの間の低グレージング角の領域では、小さいライダー角の光線指向誤差が、飛程値の大きい変化をもたらす可能性がある。また、低グレージング角は、より少ない後方散乱、したがってより低い信号対雑音比をもたらし、このことは、飛程測定におけるより大きい誤差を意味する。これは、変形監視におけるより大きい誤差をもたらす可能性がある。この誤差に対処するため、図22に示されるような方法が開発された。生のデータが取得され、球面座標系に変換される。データは、たとえば、1°×1°といった、選択したサイズのボクセルへとセグメント化される。次のステップは、各ボクセル内部の点群データに最も良好に合う平面を記述することである。次いで、最も良好に合う平面と、ボクセルの中心からスキャナへの見通し線(LOS)ベクトルとの間の角度が決定される。角度は、閾値に対して測定される。角度が閾値よりも上である場合、図21のプロセスが続く。角度が小さい(グレージング角)場合、LOSベクトルからの飛程値は、法線ベクトルから最も良好に合う平面への飛程値で置き換えられ、その後、図21のプロセスが続く。最も良好に合う平面は、ボクセルの周りの点群のより多くを使用するために広げることができる。このことによって、壁の粗さに対して、平面の感受性が下がることになる。
【００６３】
採掘の文脈における地質工学の領域では、岩の表面の挙動(さもなければ、表面の整合性(coherence)として知られている)を、検出および測定するのが重要である。クラックの入った、または壊れた、または浸食された岩の表面は、近い将来の崩壊に対する致命的な糸口をもたらす場合がある一方で、逆に言えば、岩のスラブが動く際削り取られ割れるブロックの不整合な縁部と比較して、岩のスラブ全体が動く間、岩の動いているブロックの中心では整合性が高い可能性がある。またあるときには、目標の整合性は、植生、人、機械、もしくは車両の通過、または表面を動く水もしくは他の物体によって影響を受ける可能性があり、表面の整合性の測定がときにはデータの品質指標として使用できることを意味する。本出願は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる、以前の国際特許公開第WO/2007/009175号中の、斜面安定性レーダーでの整合性の使用を以前に記載した。
【００６４】
本発明者は、SSL法によって生成される各ボクセルについての空間的整合性計量値は、スキャン間の(または経時的な)、各ボクセルおよびその周りの近傍についての点群飛程測定の空間分布における変化に基づいて計算することができることを決定した。そのような計量値は、1〜0のスケール上に示すことができ、ここで、1は100%の整合性であり、0は0%の整合性である。整合性計量値は、岩の壁の散乱面の、小さいスケールの空間特性がどのようにスキャン間で変わるかを表す。それと比較して、変形は、岩の壁の面への大きな飛程における、より大きいスケールまたはボクセルサイズの変化を表す。飛程もしくは振幅の分布、または両方の組合せのいずれかを使用して、整合性計量値を決定することができる。整合性計量値は、次に、区域についての画像として生成することができる。
【００６５】
本発明者は、この地質工学の用途では、一般的に、有用な整合性計量値のためには生のライダーの点群データ中に雑音が多すぎ、何らかのレベルの点群の平均化が必要であることを見いだした。
【００６６】
本発明の一実施形態では、以前に記載したように生のデータが取得され、球面座標系に変換される。データは、たとえば、1°×1°といった、選択したサイズのボクセルへとセグメント化される。3°×3°を測定する9個のボクセルのブロックを生成するために、隣接するボクセルからのデータを集めることによって、ボクセルがオーバーサンプリングされる。ブロックは、900個の0.1°×0.1°のサブボクセルへと分割される。各サブボクセルについての平均飛程および平均振幅は、以前に記載したような重み付け平均計算を使用して決定される。サブボクセルの空間分布は、以前のスキャンと比較され、所与のボクセルについての整合性を決定する。値は、典型的には、選択した1°×1°のボクセルについての整合値として1〜0のスケール上で表示され、ここで、1は100%の整合性であり、0は0%の整合性である。プロセスは、各々の1°×1°のボクセルについて繰り返され、値の広がりに色の階調を付けた整合性画像またはマップを生成する。
【００６７】
スキャンが、たとえば3〜数万スキャンといった、より長い時間期間にわたって継続する場合、この整合性データから、差分整合性画像またはマップを生成することができる。そのような画像または値を生成するために、上のプロセスが、多くのスキャンにわたって多くの回数繰り返され、各々の1°×1°のボクセルについての最も小さい整合性計量値(すなわち、最小保持機能)が、そのボクセルについての差分整合値として選択した時間期間にわたって表示される。整合性マップは、上記の、我々の以前の国際出願に記載される形式で表示することができる。
【００６８】
上の例は、純粋に説明のためである。本発明は、言及した特定のサイズのボクセルに限定されず、以前に言及した範囲であってよい。隣接するボクセルの数を、変更してもよい。たとえば、ボクセルが円形または六角形であり、したがって、6個の近い近傍および8個の角の近傍を有してよい。
【００６９】
本発明の様々な実施形態の上の記載は、当業者への説明のために提供される。上の記載は、網羅的であること、または本発明を単一の開示された実施形態に限定することを意図していない。上記のように、本発明への多数の代替形態および変形形態が、上の教示における当業者には明らかであろう。したがって、いくつかの代替実施形態を具体的に議論してきたが、当業者には、他の実施形態が明らかとなるか、比較的容易に開発されよう。したがって、本発明では、本明細書で議論した本発明のすべての代替形態、修正形態、および変形形態、ならびに上で記載した発明の趣旨および範囲に入る他の実施形態を包含することが意図される。
【符号の説明】
【００７０】
10  斜面安定性ライダー
11  シーン
12  鉱山
101  パルスレーザー
102  スキャナ
103  レシーバ
104  プロセッサ
105  出力オプション
130  独立型SSLパック
131  複合ライダーカメラユニット
132  ジンバルスキャナ
133  ユーザインターフェースおよび出力
134  プロセッサ
140  搭載する点
141  岩盤作業員
150  ライダー組立体
151  支柱
152  三脚架
153  アクセス用坑道
154  掘削孔
155  空洞
156  ライダーカメラユニット
156  ライダーユニット
157  鉱石
158  通路
163  ローラ
170  ユーザインターフェース
171  ユーザインターフェース、通信モジュール
181  重み付け係数
182  重み付け係数
【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（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図７（ｄ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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