令和2年度 建設技術フォーラム Construction Xross 2021

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光切断法を⽤いた
トンネル3次元計測についての技術研究開発
山下 淳 (Atsushi Yamashita)
東京大学大学院 工学系研究科 精密工学専攻／i-Constructionシステム学寄付講座

yamashita@robot.t.u-tokyo.ac.jp
http://www.robot.t.u-tokyo.ac.jp

2021年11月25日 16:20-16:40，オンライン (Zoom)

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謝辞

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本研究は令和3年度 国⼟交通省関東地⽅整備局「技術シーズマッチング」の援助を受けて実施致しました．厚く御礼申し上げます．

光切断法を⽤いたトンネル3次元計測についての技術研究開発

山下 淳1・伊藤 哲2・吉田 健一2 ・谷口 信博2

1︓東京大学 i-Constructionシステム学寄付講座
2︓株式会社 大林組
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研究の背景
トンネル形状の3次元計測– トンネルの施工・維持管理に必要不可⽋
作業者2

⼈⼒による計測

⾼所作業⾞
作業者３

– 作業者4名＋⾼所作業⾞＋メジャー– 手間がかかるトータルステーション

作業者1

作業者4

基準⾼の計測https://www.monotaro.com/g/01997538/– 1点のみに光を照射・計測– 複数点 (多点) 計測は不向き– 密な (⾼密度な) 計測は不向き
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全幅の計測

トータルステーション

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従来研究
MMS (三菱電機)– NETIS KK-090011-A– Mobile Mapping System(移動計測⾞両)

https://www.mitsubishielectric.co.jp/mms/

トンネル覆工表面レーザ計測システム (トノックス)– NETIS KT-140074-A– MMSでトンネル計測

http://tonox.jp/20190604/blog14/

切⽻掘削形状モニタリングシステム (⻄松建設)– 3Dレーザスキャナを利⽤

https://built.itmedia.co.jp/bt/articles/1902/20/news023.html

⾃動⾞が⾛⾏不可能なトンネル施工時にも⼤掛かりな装置を⽤いずに簡便に計測したい
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研究の目的
簡便かつ⾼速かつ密なトンネルの3次元形状計測手法の新規提案– 密な計測に適する光切断法を利⽤– 広い視野を有する広視野カメラ– 広範囲を照射可能なリングレーザ
トンネル広視野カメラ

リングレーザ

トンネル断面に照射されたレーザ光

光切断法を⽤いたトンネル3次元計測

トンネル3次元計測の様子

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提案手法のポイント

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貢献・社会に果たす役割– 従来︓少数の計測点のデータで管理• 簡便・⾼速な断面の全形状計測が技術的に困難なため– 提案⼿法︓トンネル断面の全形状を計測可能• 設計値通りの施工であるかの確認• 通⾏⾞両との接触判定• トンネル形状の経年変化の定期的調査

実⽤性– トータルステーション︓計測箇所が目視できない– 提案⼿法︓照射したレーザ光を目視可能 → 作業者が計測箇所をリアルタイムで把握・変更可能– 使い勝手︓作業者の意図通りに直感的に扱える– 納得性︓メジャーと同様，理解できる
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チャレンジ (1/2)
簡便かつ⾼速に密な3次元計測

7– トンネル内の1断面を1回のレーザ照射で計測– 断面数のレーザ照射で複数の断面形状計測・⾃動統合

解決すべき課題– 非整備環境– ⼤型構造物

トンネル広視野カメラ

レーザ照射装置

トンネル断面に照射されたレーザ光

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チャレンジ (2/2)

8非整備環境 (照明条件制御不可 = 不安定)

– レーザ光出⼒を変更した2枚の画像を取得して，画像間の差分解析 → 安定性の問題を解決

⼤型構造物– 魚眼カメラ＋リングレーザで，広い範囲を同時にワンショット計測– 複数断面の計測結果の⾃動統合︓光切断法 ＋Structure from Motionのような画像解析

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研究内容

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1年目 (2020年10⽉〜2021年3⽉)– トンネルの一断面の3次元計測⼿法の基礎理論構築– 計測システムプロトタイプの構築– プロトタイプを⽤いた理論検証

2年目 (2021年4⽉〜2022年3⽉)– 前年度に構築した計測システムのプロトタイプの改良– ⾼精度に密な3次元計測が可能な計測システムの構築

3年目 (2022年4⽉〜2023年3⽉)– 令和2〜3年度に構築した一断面の3次元計測⼿法を⽤いて取得した複数の断面形状の計測結果統合を⾏う⼿法の構築– トンネルでの検証実験および評価
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光切断法
三角測量の原理（点光源）装置を組むと固定される関係性（既知の値）
・カメラとレーザの距離 (ℓ)
画像から算出・カメラとレーザの角度 (θ1)
画像から算出される視線方向
・カメラの視線方向 (θ2)
カメラの視線とレーザ⽅向による三角測量

カメラ

ℓ 固定
スポットレーザ

光切断法の原理（線光源）
点光源︓光が当たった1点のみの3次元座標
線光源︓光で切断した断面の3次元座標（=光切断法）https://www.eyedeal.co.jp/eyemlsm.html

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11トンネル計測⽅法
新規に提案する計測装置– 魚眼カメラ– レングレーザ
リングレーザ

魚眼カメラ

魚眼カメラ

リングレーザ（360° レーザ）

魚眼カメラ

リングレーザ

養⽣テープ︕
後カメラ

養⽣テープ︕
冷却材︕
レーザ制御⽤ PC

昨年度の計測装置

毎秒約20回でレーザON/OFF

今年度の計測装置

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1断面の3次元形状計測

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ワンショットでトンネル断面形状計測
ト ンネ ル撮影

トンネルに照射したレーザの撮影

画像解析

レーザの⾃動抽出

3次元座標算出

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計測の様子13

計測装置︓移動後カメラ︓停⽌計測装置︓停⽌後カメラ︓移動

交互に動かすことでトンネル内の⻑区間を計測
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研究内容

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1年目 (2020年10⽉〜2021年3⽉)– トンネルの一断面の3次元計測⼿法の基礎理論構築– 計測システムプロトタイプの構築– プロトタイプを⽤いた理論検証

2年目 (2021年4⽉〜2022年3⽉)– 前年度に構築した計測システムのプロトタイプの改良– ⾼精度に密な3次元計測が可能な計測システムの構築

3年目 (2022年4⽉〜2023年3⽉)– 令和2〜3年度に構築した一断面の3次元計測⼿法を⽤いて取得した複数の断面形状の計測結果統合を⾏う⼿法の構築– トンネルでの検証実験および評価
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⾼精度・密な計測結果
計測対象︓48mの区間
計測点群︓716万点 (4335断面分)
計測時間︓10分

48m
5m
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15精度評価⽅法

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トータルステーションを⽤いた精度評価– 各断面6点マーカを設置– 合計13断面

トータルステーションの計測箇所
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光切断法 (提案手法) の3次元計測結果

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トータルステーションのみの3次元計測結果

伊賀上 卓也, 樋口 寛, 井倉 幹大, 吉田 健一, 伊藤 哲, 谷口 信博, 山下 淳, 淺間 一: "リングレーザと魚眼カメラを⽤いた道路トン
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2021
ネル断面の3次元計測", ⼟⽊学会令和3年度全国大会第76回年次学術講演会講演概要集,
September2021.

精度の参考資料
出来形管理基準及び規格値

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精度評価結果
誤差平均︓18.36mm
標準偏差︓8.27mm
Side view

Top viewzzy

Non-prism total station
Proposed methodx

Front view y

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ドローン搭載20

ドローンへの固定具を3Dプリンタで製作– ⼩型化・軽量化を実現

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ドローンによる計測
ドローンを⽤いたトンネル計測

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ドローンによる計測結果
現在解析中の途中結果

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研究内容

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1年目 (2020年10⽉〜2021年3⽉)– トンネルの一断面の3次元計測⼿法の基礎理論構築– 計測システムプロトタイプの構築– プロトタイプを⽤いた理論検証

2年目 (2021年4⽉〜2022年3⽉)– 前年度に構築した計測システムのプロトタイプの改良– ⾼精度に密な3次元計測が可能な計測システムの構築

3年目 (2022年4⽉〜2023年3⽉)– 令和2〜3年度に構築した一断面の3次元計測⼿法を⽤いて取得した複数の断面形状の計測結果統合を⾏う⼿法の構築– トンネルでの検証実験および評価
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おわりに24

学術的・技術的に新しい手法の提案– 光切断法を⽤いた3次元計測技術の提案– 簡便かつ⾼速に密な3次元計測を実現

⼤学＋企業の得意分野の融合– 東京大学︓新規理論の構築– 大林組︓現場適⽤

i-Construction普及への寄与– 新規・⾼性能な技術であっても，難解でブラックボックスの方法は，実現場では普及しにくい– 使い勝手︓意図通りに直感的に扱える– 納得性︓メジャーと同様，理解できる

まとめ (本研究の目指すところ)– 新規＋⾼性能＋実現場での活⽤導入のハードルが低い– i-Construction技術導入で⽣産性向上・省⼒化
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謝辞

令和2・3年度 国⼟交通省関東地⽅整備局「技術シーズマッチング」
静岡県 河津トンネル
北海道 ⼤沼トンネル
広島県 久井原トンネル
静岡県 施工技術総合研究所
福島ロボットテストフィールド伊藤吉田

谷口 M2伊賀上

M1速水山下Copyright (c) Atsushi Yamashita, Univ. of Tokyo. All rights reserved 2021