特集 建設生産システムの高度化

3 次元地理空間情報による自動飛行システム
わたなべ

渡辺

ルーチェサーチ株式会社

ゆたか

豊

害現場の点群データを取得し，現場での短時間解

1.

はじめに析の後，3 次元測量成果を提供したことに対し，第 7 回ロボット大賞（国土交通大臣賞）を受賞した（写真− 2）。

ドローンなど様々な移動体を用いた計測事業に取り組む目的で 2011 年に設立した当社は，開発

2.

設計から製造，飛行・計測，解析まで一気通貫でドローンの主要な活用実績対応している点が大きな特徴である。設立時からドローン事業は行っていたが，この 10 年の間で⑴

災害調査

ドローンに関する技術の革新とともに，自然環境豪雨災害や地震災害による現場の被害状況をいの中での活用範囲も拡大してきた。この結果，顧ち早く調査するために，ドローンを活用すること客のニーズに合わせた機体の開発ができ，様々なは，迅速性と安全性の面から注目されてきた。当現場環境に耐え得る品質を確保し，目的にかなっ社にとっては，2014 年の広島土砂災害の調査がた成果をサービス提供している。

大規模災害調査の皮切りであった。災害場所は立これまでのトピックスとして，2014 年に首相入困難な上に，二次災害の危険性もあるため，ロ官邸で開催された「ロボット革命実現会議」では，ボットの活用は理にかなっている。写真− 3 は土安倍首相の前で今後のロボットの代表例としてデ砂災害現場の撮影画像で，客観的にとらえた現場モフライトを実施した（写真− 1）。2016 年には，状況がドローンの有用性を示す日本初の事例とな小型のレーザ照射装置を搭載したドローンで，災った。

写真− 1

34

首相官邸でのデモフライト

建設マネジメント技術

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写真− 2

第 7 回ロボット大賞受賞

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バッテリやレーザを含む総飛行重量は 24.6 kg，搭載した小型レーザスキャナ（3.5 kg）からの照射数は毎秒 50 万回，最大測定距離は 920 m である。レーザ計測用には，2 周波 GNSS 測位システ
ムと高精度 IMU（Inertial Measurement Unit，慣性計測ユニット）を搭載している。
通常の人力による調査手法では約 2 週間を要するところを，ドローンによる 2 時間のレーザ計測
写真− 3

広島土砂災害の撮影画像

後，現場にある PC 上に図− 1 の点群データを生成した。この図から，樹木で覆われた斜面に隠れしかしながら，上空からの撮影画像では，樹木ていた地割れ幅が最大 1 m であることが判明しで覆われている部分の地盤がどのようになっていた。この結果は，人命救助作業継続か否かの判断るか判明しない。そこで，カメラの代わりに小型材料となった。後日，フィルタリング処置した地レーザをドローンに搭載し，点群データを取得す

表面状況が写真− 6 である。

る手法を開発した。国土交通省の災害調査技術の現場検証に参画し，2016 年に航空レーザプロフ
ァイラ測量と同精度の調査が可能であるとし，その活用を推奨するという評価を得た。
写真− 4 に示す 2016 年の熊本地震災害調査では，崩落部を含む斜面一帯をレーザ計測した。
様 々 な 現 場 経 験 を 踏 ま え て 開 発 し た 機 体 が，
図− 1SPIDER-LX8（写真− 5）である。この機体は 8 枚取得した点群データのロータを上下反転型とし，アーム 4 本で支持している。機体サイズは，120 cm × 110 cm × 70 cm，

写真− 6

フィルタリング後の地表面

日本では，2000 年頃から航空レーザ計測が実
写真− 4

熊本地震災害の調査業務として広範囲に行われるようになったが，有人固定翼機などは対地高度数 km 上空からレーザ計測して 1 m2 当たり数点の点群を取得するのに対し，ドローンの場合は 100 〜 150 m が対地高度となるため，得られる点群は 1 m2 当たり 200〜 400 点と高密度となる。低高度飛行のため雲などの影響や反射によるノイズが少なく，これらのフィルタリング作業も容易となる利点を有してい

写真− 5

レーザ計測の SPIDER‑LX8る。
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特集 建設生産システムの高度化⑵

構造物点検ニーズには目覚しいものがある。海岸地帯，河国内に存在する橋梁が 70 万橋と膨大で，また川，湖沼などの植生調査，河床材の粒径と分布調建設後 50 年以上経過したものが増加しており，査，森林地帯に太陽光発電設備を計画するための緊急性が高い点検作業にロボットを活用できない

地盤調査，工場設備プラントの上空からの撮影なかと，国土交通省が 2013 年度から現場検証の公ど，新たなドローンの視点からの調査に用いられ募を開始した。当社はドローンによる構造物点検ている。赤外線カメラの撮影により，コンクリーにあたり，画像撮影からオルソ画像作成，損傷状

ト壁面の空洞・剥離調査，レーザ計測による落石態抽出，点検調書作成支援までのシステムで参画

調査，ドローンに気象観測用機器を搭載し，上空した。また，2016/2017 年度の 2 年間は，国立研の気象データの取得，火山灰の分布調査など活用

究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構

先は多方面にわたっている。

（NEDO）の助成事業に認定され，ドローンによ3.

る点検システムの改良を図った。
この結果，2019 年の道路橋定期点検要領の改‌ドローンによるリアルタイム‌
高密度 3 次元計測の効果定に際し，点検支援技術の性能カタログに新技術として SPIDER が掲載され，ドローンによる撮⑴

技術概要

影画像が近接目視点検へ支援可能となった。写真

当社は，写真− 9 に示すドローン SPIDER-ST− 7 は国土交通省の現場検証状況，写真− 8 は撮によるリアルタイム高密度 3 次元計測システムを影した画像の例で，0.2 mm のひび割れまで見え完成させた。8 枚ロータのドローンには，自己位ている。このシステムは橋梁だけでなく，ダム・置推定と現場地図作成を同時に行うことができる

港湾などのコンクリート構造物のほか，煙突やタLiDAR-SLAM（Light Detection and Ranging-  ンクなど民間事業の点検にも適用が可能である。

Simultaneous Localization and Mapping）機能を有している。これにより，レーザで取得した点群は，専門技術者による解析なしに現場でリアルタイムに 3 次元データを見ることができる点が大きな特徴である。
さらに，3 次元空間の中で飛行ルートを定義することで，以降は自律飛行が実現する。加えて，その飛行ルート上に障害物を検知すると，衝突を

写真− 7

ドローンによる橋梁点検（現場検証）回避すべくルートを自動的に変更する。その後は当初のルートに従い，自律飛行を継続する。こうした機能は，操縦者の負担を減らすことにつながる。

0.2 mm写真− 8⑶

橋脚のひび割れ各種調査
災害調査や構造物点検のほか，ドローンの活用

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写真− 9

SPIDER‑ST 全景

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⑵

開発の経緯

3 次元形状が判断しやすいことも利点である。さ

2 章⑴で紹介した熊本地震災害の例は緊急的措らに，LiDAR-SLAM のスキャニングでは周辺の明置であり，通常はレーザ計測（測量）結果を現場るさに影響されにくいため，橋梁下部工点検を行から持ち帰り，3 次元データ解析の経験技術者がうときに逆光状況や明暗が激しい箇所など場所や解析ソフトを駆使して複雑な地形を再現するのが時間帯によらずに計測を行うことができる。

一般的である。また，計測結果の品質が判明する

ここで，従来のレーザ計測と SPIDER-ST にのが事務所に持ち帰った後のため，計測結果に思よるレーザ計測の作業工程を比較してみる。従来

わぬミスを発見した場合，解析でカバーできる場の計測は，2 〜 4 時間現場で作業し，事務所で最合もあるが，現地を再計測するという手戻りが発適軌跡解析・3 次元計測データ・オリジナルデー生することもあり得る。

タの作成を，経験ある解析技術者が解析ソフトを

このため，現場は作業時間が短縮しても，後処利用して約 1 日作業して，3 次元点群データが得理解析に多大な時間と手間がかかってしまうことられる。これに対して SPIDER-ST の場合は，になる。そこで，できるだけ現場で計測（測量）同じ規模のエリアで，飛行直後約 1 時間の現場作を完結できるように，また，こうした作業量を減業で，3 次元点群データが求められる。

少させられないか，の要望を受けて開発した。
⑶

技術詳細説明SPIDER-ST では，飛行中に統合解析（マッチング）が自動的に行われることで，無駄なデータ

当 社 の 機 体（ SPIDER-ST ） は モ ー タ 軸 間 がが蓄積されず，また連続面から逸脱した点群をノ80 cm，自重 11.2 kg，飛行時間 15 〜 20 分の自動イズと判断し自動的に消去することから，データ操縦が可能である。搭載した LiDAR-SLAM・セサイズを最小限に留めることができる。機体の着ンサは Topaz（NEAR EARTH 社製）で，大き陸後，データの抜け漏れ，欠損部などを直ちに確さ 17 cm × 12 cm × 14 cm， 重 量 1.4 kg で あ認することで，後日取り直しとなるケースが大幅る。レーザ本体は Velodyne Lidar 社の VLP-16に減少する。

で，計測距離 0.5 〜 100 m，照射水平面 360°，垂解析に必要なソフトの維持，技術力の高い技術

直に± 15°まで計測可能で，1 秒間に 30 万回照射者の確保，解析時間も不要となる点も含め，測量する機能を有する（写真− 10）。

業務を大幅に改善できる要素がある。

LiDAR-SLAM 機能により，LiDAR から周辺の物⑷適用事例（崩落斜面の計測，土砂量の算出）

体の形状情報を得て，自己位置を明確に把握する

写真− 11 は，2018 年 7 月の西日本豪雨での崩とともに地図を作成していく。この時，前方のみ落斜面をブルーシートで応急対策をしていることならず周囲の様子も同時に判断することができる。

を示している。SPIDER-ST による飛行中に生成

また，LiDAR-SLAM によって作成される地図のされた 3 次元点群データとドローンの飛行ルート

点群間隔は狭く，密なデータが取得できるため，（青色）を図− 2 に示す。計測作業中，手元の PC

写真− 10LiDAR‑SLAM・センサ
写真− 11崩落斜面

図− 2
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点群と飛行ルート2020 年 5 月号 3720/04/30 15:29

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図− 3

災害前の標高と崩落面の位置関係

図− 4

表− 1
地上基準点座標（VRS）

測点
T1
T2
T3
K1
K2
K3

土砂量計算のためのメッシュ

精度検証結果（単位：m）

レーザ計測座標

較差X

YZX

YZX

YZ

63667.238
63646.640
63632.778
63679.662
63701.436
63674.730−174348.615−174325.450−174341.792−174358.637−174351.591−174344.703

208.173198.833
198.736210.889217.437
209.122

63667.219
63646.673
63632.784
63679.662
63701.444
63674.701−174348.641−174325.431−174341.797−174358.620−174351.564−174344.736

208.111198.833
198.770210.892
217.462209.121−0.0190.033
0.006
00.008−0.029−0.0260.019−0.0050.017
0.027−0.033−0.06200.0340.003
0.025−0.001

上でこれらをモニターすることができる。
崩落斜面と災害前の標高の位置関係は図− 3 となり，次に崩落した土砂量を算出するために対象でも，⑷で紹介した崩落土砂量の算出が可能である。構造物維持管理における点検調査，林業での現況調査など，新たなニーズも期待される。

エリアを図− 4 に示すようにメッシュに切り，こなお，このレーザ処理システムはドローンに搭れらの差分から土砂量として 1,150 m3 を算出した。

載するだけでなく，手に携えて移動するハンドヘ

さらに，SPIDER-ST システムによる 3 次元点ルド方式でも同様な結果が得られる。ドローンの群データの精度検証のため，写真− 11 の崩落斜操縦者がいなくても，歩行できる環境が整ってい面で，地上基準点座標（VRS）による測量結果とれば可能となる。

比較した。座標値の比較結果を表− 1 に示す。6
測点の RMSE 誤差は，水平方向で 1.9 cm，鉛直方向で 3.0 cm となった。
⑸

4.

おわりに適用分野及びメリット
この章で扱ってきた SPIDER-ST による 3 次

ここ数年の間に，ドローンは飛躍的に技術が進

元データ計測のメリットをまとめてみると，作業歩し，様々な分野で社会に貢献できる段階に到達効率の改善が上げられる。具体的には，3 次元デしてきた。同時に，航空法も追加整備され，国土ータ計測の取得時間の短縮，取得回数の削減，測交通省への飛行申請・飛行許可の手続きが明確と量と設計作業の行き戻りの減少，等高線図・断面なった。操縦者育成のドローンスクールも開校さ図などの成果品への活用が容易に見込めるなどがれ，万一に備えた保険制度も定着するなど，社会ある。の中でドローンの活躍の場が定まってきている。

土木分野などで多方面への適用が考えられ，設今後の動きとして，5G，クラウド，AI の時代

計施工調査における精度の良いペーパーロケーシが同時進行しており，例えばドローンとの間の通ョン，用地測量，工事測量分野では，工事進捗管信や画像データ伝送面で飛躍と進展が見込める。

理・3 次元出来形管理，床掘やトンネル掘削など

当社は，これまで同様，ドローンの更なる技術開の土量算出が想定される。資材管理分野でも，資発・計測技術の確立・システムの販売・レンタル

材の残量調査，在庫管理が可能である。災害調査へと進んでいくことにしている。

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