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たかとしさかいざわ
7 years ago
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1 ドローンによる 3 次元の地形構造体の計測と設計防災等への活用平成 28 年度島嶼防災研究センター報告発表会 ( 平成 28 年 8 月 12 日 ) NPO 法人グリーンアース ( 島嶼防災研究センター研究開発室 B) 代表理事 : 鈴木浩一 ( 技術士測量士 )

1. ドローン空撮 3D 地形測量の概要従来の航空写真測量の技術を応用し複数の写真から自動でステレオマッチング処理をして 3D モデルを生成する画期的な技術で近年の画像解析ソフトの進歩ドローン写真撮影技術の向上パソコン処理能力の増強等によって急速に普及している国土地理院では無人航空機 (UAV:Unmanned aerial

2 1. ドローン空撮 3D 地形測量の概要従来の航空写真測量の技術を応用し複数の写真から自動でステレオマッチング処理をして 3D モデルを生成する画期的な技術で近年の画像解析ソフトの進歩ドローン写真撮影技術の向上パソコン処理能力の増強等によって急速に普及している国土地理院では無人航空機 (UAV:Unmanned aerial vehicle 通称ドローン ) を公共測量や国土交通省が進める i-construction に係る測量作業において適用することを前提に UAV を用いた公共測量マニュアル ( 案 ) 及び公共測量における UAV の使用に関する安全基準 ( 案 ) を作成し平成 28 年 3 月 30 日に公表したドローン空撮イメージドローン空撮写真

2. i-construction 推進の流れ 2015 年 11 月に国土交通省は ICT を積極活用し革命的な建設生産システムを構築するため測量設計から施工維持管理に至るまでの全プロセスにおいて情報化を前提とした新基準を 2016 年度から導入すると表明しこの取り組みを i Construction

3 2. i-construction 推進の流れ 2015 年 11 月に国土交通省は ICT を積極活用し革命的な建設生産システムを構築するため測量設計から施工維持管理に至るまでの全プロセスにおいて情報化を前提とした新基準を 2016 年度から導入すると表明しこの取り組みを i Construction ( アイコンストラクション ) と名付け推進していくと発表 2016 年 4 月より沖縄総合事務局発注の土工事において i-construction に基づき起工測量設計照査施工出来形管理検査及び工事完成関係書類について 3 次元データを活用する ICT 活用工事の工事公告現在 :13 件

4 3. 平成 29 年度からの本格的な CIM 導入国土交通省では平成 24 年度より計画調査設計段階から施工維持管理段階までの一連の建設生産システムの効率化を図ることを目的に 3D 化による CIM(Construction Information Modeling/ Management) の導入検討とモデル事業における試行を開始平成 25 年度には設計 CIM 平成 26 年度には施工 CIM 平成 27 年度は分野別 CIM( 河川 CIM ダム CIM 橋梁 CIM トンネル CIM) 構築の検討平成 28 年度には CIM 導入ガイドラインを策定し平成 29 年度から本格的導入 CIM の概要調査測量設計施工 ( 着手前 ) 施工 ( 完成時 ) 維持管理得られる効果設計ミス削減構造解析イメージの明確化概算コスト算出数量の自動算出得られる効果鉄筋干渉チェック手戻りの削減 ICT 建設機械による情報化施工得られる効果完成データの精微化高度化施工情報 ( 出来形品質等 ) の有効活用得られる効果施設管理の効率化高度化リアルタイム変状監視点検補修記録の明確化

機能無料版 (Make) 有料版 (Pro: 約 12 万円 ) 利用対象個人的使用 ( 商用使用禁止 ) 営利目的営利団体で使用 3D モデリング JPEG イメージ入出力 DXF

5 4. 3D デザインソフト :SketchUp の概要米 Trimble が開発提供している 3D デザインソフト 2012 年より Google から権利を引き継ぐ ( 日本での販売代理店 :( 株 ) アルファコックス ) 3 次元空間で見たままの状態で感覚的な 3D モデリングを行うことが出来数値による正確なモデリングも可能無料版と有料版の主な違い機能無料版 (Make) 有料版 (Pro: 約 12 万円 ) 利用対象個人的使用 ( 商用使用禁止 ) 営利目的営利団体で使用 3D モデリング JPEG イメージ入出力 DXF DWG ファイル入出力 Make:30 日間の Pro バージョンの試用期間が含まれ試用期間の終了時に無料の機能へ教育機関についてはラボラトリー ( 教育機関 ) ライセンス 50 ライセンス :25 万円も用意

6 5. ドローン及び画像解析ソフトの比較機種名 PHANTOM4 (DJI) ドローン Inspire 1 (DJI) S1000 Spreading Wings(DJI) 重量約 1.4kg 約 2.9kg 約 4.0kg 価格約 19 万円約 50 万円約 66 万円対象者初級者向け中級者向け上級者向け画像解析ソフト製品名 PhotoScan Pix4Dmapper ContextCapture メーカー Agisoft Pix4D Bentley 開発国ロシアスイスアメリカ価格約 50 万円約 100 万円約 250 万円

7 6. 無人航空機の飛行の許可が必要となる空域 ( 国土交通省 : 無人航空機 ( ドローンラジコン機等 ) の飛行ルールより ) ドローン専用飛行支援地図サービス ( に登録すると飛行制限区域が簡単に閲覧可能飛行許可申請にはドローン賠償責任保険への加入も必要

ドローン空撮時に評定点に設置する対空標識の例空中写真の重複度は空中写真間の整合処理の確実さに影響するため

8 7. ドローン空撮時の規定 ( UAV を用いた公共測量マニュアル ( 案 ) より ) 標定点 ( 座標算出の基準となる点 ) は計測対象範囲の形状比高が大きく変化するような箇所地表面の粒度を考慮して配置 ( 最低 4 点 ) ドローン空撮時に評定点に設置する対空標識の例空中写真の重複度は空中写真間の整合処理の確実さに影響するため同一コース内の隣接空中写真間で 90% 以上隣接コースの空中写真間で 60% 以上とする三次元点群の平面位置及び高さの要求精度は誤差が最大でも 0.05m を超えない

9 8. ドローン空撮画像解析ソフトの作業手順 (PhotoScan での例 ) 写真の読込カメラ位置の推測高密度点群の生成 3D モデル生成評定点配置と座標入力テクスチャーの生成点群モデルテクスチャー生成後の 3D モデル設計防災等への活用

10 9. 熊本震災 ( 阿蘇大橋付近 ) 調査結果琉球大学島嶼防災研究センターの 2016 年熊本地震第 2 調査団 ( 藍檀オメル団長 ) に同行し崩落した阿蘇大橋 ( 熊本県南阿蘇村立野 ~ 黒川 ) 周辺の斜面崩壊及び橋梁崩落についてドローン空撮による画像解析を行った ( 調査日 :H ) 阿蘇大橋付近でのドローン空撮状況 PhotoScan による画像解析上部トラス橋崩落斜面崩壊橋脚崩落ドローン空撮写真 ( 全 129 枚 )

11 10. 被災地 3D モデル ( 震災前後の比較 ) JR 豊肥本線国道 57 号阿蘇大橋震災前地形は国土地理院の数値標高モデル (5m メッシュ ) より (3D デザインソフト :SketchUp) 斜面崩壊震災後地形はドローン空撮による 3D 画像解析モデルより 3 基の橋脚が崩落上部トラス橋が崩落

12 W 200m 11. 平面画像 ( 震災後 ) L 700m 橋梁崩落崩壊面積 A 150,000 m2 斜面崩壊縦断 -1 崩壊中心方向横断 -3 横断 -5 横断 -4 縦断 -2 橋軸方向縦横断面位置図

13 12. 縦横断図縦断 -1: 崩壊中心方向縦断 -2: 橋軸方向横断 -3 横断 -4 横断 -5

14 H 75m 13. 阿蘇大橋の概要縦断 -2: 橋軸方向 ( 拡大 ) 阿蘇大橋 3D モデル ( 地形は震災後 ) 橋長 :L= m は崩落上部工形式 : 単純活荷重合成プレートガーダートラスド逆ランガー桁 3 径間連続プレートガーダー A1 直接基礎 P1 直接基礎黒川 P2 直接基礎 P3 杭基礎 P4 杭基礎 A2 杭基礎

15 14. 斜面崩壊土砂量の算出震災前 = 上面及び震災後 = 下面で囲んだ 3D モデルから体積自動算出阿蘇大橋斜面崩壊土砂量推定の経緯 ( 参考 ) 4 月 30 日の報道発表国土交通省への取材では土砂量は約 50 万m3と推定震災前後の地盤面で囲まれた体積 =1,835,138 m3 180 万m3 1,800, ,000( 崩壊面積 )=12m( 平均崩土厚 ) 5 月に公表された熊本地震の省庁別要望事項において国土交通省では土砂量は阿蘇大橋付近の山腹崩壊だけでも百数十万m3と推察

16 15. 崩壊土砂の流下斜面の地質は火山性の堆積物や溶岩類より構成されており比重の小さいこれらの土砂が岩せつなだれとなって下流まで流下していった可能性が高い ( 以下に崩壊土砂の流下に関する参考資料を示す ) 毎日新聞記事 ( )

17 16. その他の震災調査この他に崩落寸前の長陽大橋や落石による道路寸断現場及び阿蘇西小学校近くの活断層地溝での画像解析を実施中であり調査結果がまとまり次第公表する予定である崩落寸前の長陽大橋落石による道路寸断現場 PhotoScan による画像解析阿蘇西小学校近くの活断層地溝 PhotoScan による画像解析

18 17. 画像解析ソフトによる精度検証実験沖縄都市モノレールの PC 軌道桁製作ヤードにて製作された試験桁 (L 19m) の天端 10 点 ( 端部 4 点中間部 6 点 ) と試験桁周囲に設置した評定点をトータルステーション及び自動レベルで測量しその XYZ 座標値と画像解析ソフト PhotoScan で得られた推測値との比較を行ったドローン空撮状況デジカメ地上撮影状況各ポイントの測量状況

19 18. 画像解析からの 3D モデル画像解析による 3D モデルについてはドローン空撮では低い位置での撮影が困難であったため桁側面に穴が開いた状態となり地上デジカメ撮影では上方からの撮影写真が少なかったために桁上面に穴が開いた状態であった一方ドローン空撮とデジカメ写真を合わせた作業では 3D モデルに穴が開くことはなく SketchUp での 3D トレース作業でも鮮明なモデルが完成したドローン空撮での解析モデルデジカメ地上撮影での解析モデルドローン + デジカメでの解析モデル SketchUp での 3D トレース後モデル

20 19.TS( トータルステーション ) 測量座標値との誤差確認 TS 測量で得られた XYZ 座標値と画像解析ソフトでの推測値との誤差ドローン空撮写真での座標誤差 (m) point point point point point point point point point point point point point point 平均デジカメ地上撮影写真での座標誤差 (m) point point point point point point point point point point point point point point 平均ドローン空撮写真 + デジカメ地上撮影写真での座標誤差 (m) point point point point point point point point point point point point point point 平均

21 20. 精度検証結果と構造物測量調査への応用画像解析においてドローン空撮地上デジカメ撮影及びそれらの 2 つのカメラの組み合わせのいずれにおいても 4~6mm とトータルステーション測量に劣らない精度を確保出来ることが確認された今後は下部工支承位置座標確認測量や支承の変位調査等幅広い分野での有効活用が考えられる下部工座標確認測量への応用支承変位調査への応用

22 21. モノレール延伸工事での活用沖縄都市モノレール延伸工事での橋脚 (8 径間 ) の支承座標径間距離等の照査を目的としてドローン空撮写真より画像解析を実施し設計値との誤差を確認した橋脚 (8 径間測量 ) 支承 -f 支承 -d 支承 -c 支承 -e 支承中心の XY 座標 : ダボ四隅 (1~4) の交点から算出中心の Z 座標 ( 標高 ): プレート四隅 (5~8) の平均値から算出

23 22. 画像解析結果ドローン空撮写真 :254 枚を PhotoScan に取り込んで画像解析座標算出評定点支承ポイント評定点誤差 ( 平均 ) = m=3mm

24 23. 座標値誤差の確認ドローン空撮からの座標と設計値の誤差は規格値内に収まっていることが確認された支承位置 P601-c P601-d P601-e P601-f ポイントドローン空撮からの算出座標設計値との誤差確認規格値 X Y Z 項目 X Y Z ベクトル方向 ( 参考 ) P601-c 支承中心座標 P601-c P601-c 設計値 P601-c P601-c 水平方向誤差 mm P601-c P601-c 標高誤差 mm -10mm P601-c P601-d 支承中心座標 P601-d P601-d 設計値 P601-d P601-d 水平方向誤差 mm P601-d P601-d 標高誤差 mm -10mm P601-d P601-e 支承中心座標 P601-e P601-e 設計値 P601-e P601-e 水平方向誤差 mm P601-e P601-e 標高誤差 mm -10mm P601-e P601-f 支承中心座標 P601-f P601-f 設計値 P601-f P601-f 水平方向誤差 mm P601-f P601-f 標高誤差 mm -10mm P601-f

25 P600 P601 P 支承間距離径間距離の確認支承間距離径間距離についても設計値との誤差は規格値内であった l-2 支柱上の縦横交差距離 : 同一支柱上支承間距離項目値 (mm) 誤差 (mm) 規格値 l-1 l-2 l-3 l-4 l-5 l-6 設計 3,700 実測 3,697 設計 3,700 実測 3,696 設計 940 実測 936 設計 940 実測 941 設計 3,818 実測 3,814 設計 3,817 実測 3, ±5mm l-1 支承の縦横交差距離 : 径間距離 P600 P601 L-7 L-9 L-11 L-12 L-13 L-14 L-8 L-10 P602 項目値 (mm) 誤差 (mm) L-7 設計 21,064 実測 21,069 5 L-8 設計 21,064 実測 21,066 2 L-9 設計 21,062 実測 21,056-6 L-10 設計 21,062 実測 21,061-1 L-11 設計 21,386 実測 21,392 6 L-12 設計 21,386 実測 21,388 2 L-13 設計 21,385 実測 21,385 0 L-14 設計 21,385 実測 21,377-8 規格値 ±10mm

26 25. 支承変位調査への応用支承の変位をデジカメ写真の画像解析により確認するために支承部写真 : 全 34 枚を PhotoScan に取り込み 3D モデル化して実証実験を行った支承部写真 ( 全 34 枚から抜粋 ) PhotoScan 解析による支承の 3D モデル

27 26. 支承変位量の確認 SketchUp にインポートした支承の 3D モデル SketchUp に支承の 3D モデルをインポートし橋軸直角方向の変位量を計測したところ現地での計測値 :46mm と一致した 3D 化により 3 軸方向の定期的変位観測も可能である

28 27. ひび割れ調査への応用コンクリートブロックのひび割れ幅を詳細に計測するためにひび割れ写真 : 全 9 枚を PhotoScan に取り込み 3D モデル化した結果スケール誤差は 0.1mm であったスケール誤差 = m=0.1mm ひび割れ写真 ( 全 9 枚 )

29 28. ひび割れ幅の確認 SketchUp にひび割れの 3D モデルをインポートしひび割れ幅を計測したところ現地計測値 :2.0mm とほぼ一致したスケール誤差より 0.1mm 単位での計測も可能である SketchUp にインポートしたひび割れの 3D モデル

30 29.i-Construction/CIM 対応への技術開発 :3D トレース PhotoScan で作成した 3D モデル ( ファイルサイズ :826MB) SketchUp でエッジを正確に 3D トレース ( ファイルサイズ :2MB) 拡大 ( 海の部分は波や光の影響で上手くモデリング出来ない ) PhotoScan で作成された 3 D モデルはメッシュ ( 無数の三角形の集合体 ) であるためファイルサイズが膨大でそのままでは CIM 等での活用が難しいがエッジを正確に 3D トレースすることによりデータの軽量化と写真テクスチャーの鮮明化を図った再び PhotoScan で写真テクスチャーを貼付 ( ファイルサイズ :30MB) 拡大

30.i-Construction/CIM 対応への技術開発 :2D 平面図作成拡大拡大

独自のノウハウにより SketchUp でエッジを正確に 3D トレースして上方から平行投影

そのままでは平面図を作成することが出来ないここではエッジの正確な 3D トレースにより完成した 3D

平面図の作成が可能となった ( i-construction での UAV 等を用いた公共測量では

31 30.i-Construction/CIM 対応への技術開発 :2D 平面図作成拡大拡大 PhotoScan による 3D モデルではメッシュ ( 無数の三角形 ) のため平面図には出来ない独自のノウハウにより SketchUp でエッジを正確に 3D トレースして上方から平行投影前スライドと同様に PhotoScan で作成された 3D モデルはメッシュであるためそのままでは平面図を作成することが出来ないここではエッジの正確な 3D トレースにより完成した 3D モデルを上方から平行投影しベクター形式の DXF データによってエクスポートすることで 2D 平面図の作成が可能となった ( i-construction での UAV 等を用いた公共測量では納品が必須となるものとして 3D 測量データの他に 2D 現況図 ( 平面図縦断図横断図 ) が求められている ) 平行投影した後のエッジをベクター形式の DXF データにてエクスポートし平面図作成

32 31. 施工 CIM での活用事例 ( 施工イメージ動画作成 )

33 32. 施工 CIM での活用事例 ( 工事完了後イメージパース ) i-constructionが順次拡大しているスピードからは国交省の本気度を実感しますドローンや3D-CADの建設業への導入は建設現場での生産性を画期的に向上すると共に全国的に不足している若手技術者にとって大きな魅力を感じる技術革新であるかもしれません今後もこれらのテーマの新たな技術開発と幅広い有効活用を目指して努力していきます御清聴ありがとうございました鈴木浩一

i-Construction型工事の概要（素案）

i-Construction型工事の概要（素案） ICT 活用工事の概要説明項目 ICT 活用工事の発注方式 ICT 技術の全面的な活用 ( 土工 ) の概要 ICT 活用工事 ( 土工 ) の実施方針施工者希望 Ⅰ 型における別記様式 (ICT 活用工事計画書 ) 1 ICT 活用工事の発注方式 ~ 土工工事の全てを ICT 活用施工対応工事へ ~ 基本的考え方大企業を対象とする工事では ICT 活用施工を標準化地域企業を対象とする工事では