第67回(2023年度) 北海道開発技術研究発表会論文

鋼製砂防堰堤を対象とした
UAV自律飛行による点検調査について―目視点検調査との比較による課題抽出―
室蘭開発建設部 苫小牧砂防海岸事務所

○宮崎亮直

岩田 清德
八千代エンジニヤリング株式会社 横尾 公博
砂防施設の長寿命化にはその健全度を評価するための点検が必要不可欠であるが、省力化・高度化を目的とした目視点検の代替手法として、樽前山の砂防堰堤では昨年度よりＵＡＶ自律飛行による点検を試行してきた。本稿では、小泉の沢川・小糸魚川流域の鋼製砂防堰堤６基を対象としたＵＡＶ自律飛行による点検調査について、目視点検との比較を行い、ＵＡＶの適用性を検討することで、今後の点検計画立案にむけた取組事例を報告する。
キーワード：長寿命化、インフラメンテナンス、3次元モデル、生産性向上

2. UAV自律飛行に向けた事前準備

1. はじめに(1) 対象砂防施設の概要
樽前山直轄火山砂防事業では、鋼材と中詰め材を用い令和5年度末において樽前山直轄火山砂防事業区域内
た鋼製セル型砂防堰堤や鋼製ダブルウォール（DW）型の砂防施設は14基が完成している。主な構造型式は鋼製砂防堰堤の整備を進めている。このような砂防施設は、砂防堰堤型式であり、このうち令和4年度は覚生川流域
火山噴火、土石流及び地震などの外的要因による損傷やの鋼製セル型砂防堰堤3基を対象としてUAV自律飛行に経年劣化が生じることから、点検や現地確認によって施よる点検を実施した。
設状況を適確に把握し、求められる機能や性能を長期に本調査では、表1に示す小糸魚川流域（小糸魚川遊砂わたって維持・確保していく必要がある。「砂防関係施地、小糸魚川流木捕捉工、小糸魚川砂防堰堤）および小設点検要領（案）令和4年3月」（以下、点検要領と記載
泉の沢川流域（小泉の沢川遊砂地、小泉の沢川1号砂防する）では、実施時期や状況による点検種別が区分され堰堤、小泉の沢川左支川流木捕捉工）の6基を対象砂防ており、砂防施設の点検の種類は定期点検、臨時点検、施設とした。
詳細点検から構成される。このうち、長寿命化計画策定を目的とした、経年的な砂防施設の機能及び性能の低下
表 1 対象とした鋼製砂防堰堤の諸元状況を把握するための調査としては、定期点検が該当する。点検要領によれば、定期点検の実施方法として目視
施設名
堰堤
竣工
堰堤長（構造型式）
高
年度
点検もしくはUAV点検によるものが基本とされている。
小糸魚川遊砂地
樽前山直轄火山砂防事業における既存砂防施設（以下、176.6m6.0m
H21（鋼製セル+DW）
直轄砂防施設と記載する）では、目視調査による定期点
小糸魚川砂防堰堤
検が実施されており、点検結果に基づいて変状レベルや45.9m
4.5m
H21（鋼製 DW）健全度が評価されてきた。定期点検の省力化や高度化を小糸魚川流木捕捉工図るためには、目視点検の代替または補助手段として
110.0m
8.5m
R3（鋼製流木捕捉工）
UAVの利活用が有益と考えられる。このため、UAV点
小泉の沢川遊砂地
95.1m
5.0m
H22
検によって得られる情報や精度を把握し、直轄砂防施設（鋼製セル+DW）を対象とした最適な調査計画を立案する必要がある。
小泉の沢川１号砂防堰堤
76.5m
4.5m
H22
本稿では、直轄砂防施設のうち、小泉の沢川流域、小（鋼製 DW）糸魚川流域の鋼製砂防堰堤6基を対象としたUAV自律飛小泉の沢川左支川流木捕42.5m
3.5m
R1行による定期点検の調査事例について報告する。
捉工（鋼製流木捕捉工）
MIYAZAKI Akitoshi, IWATA Kiyonori, YOKOO Kimihiro-889-自律飛行（無人地帯での目視外飛行（補助者なし））申請時には、機体の初期故障期間の検証データが必要となるが、現時点で取得可能なメーカーは極めて少ない状況にある（聞き取り調査を実施したところ国内製1社のみ）。そこで本調査では、飛行の安全性を確保するため、各調査地点に補助員を配置したうえで、高高度での監視用機（目視飛行）による安全管理を実施した。
写真 1 小泉の沢川遊砂地

写真2 小泉の沢川1号砂防堰堤

写真3 小泉の沢川左支川流木捕捉工(2) 飛行ルート検討
離発着地点は、現地にて上空の視界が良好であること、調査車両が安全に停車できる等、UAVの離発着に問題ないことを確認した上で図１に示す地点を選定した。小泉の沢川流域の飛行ルートは約2.3km、小糸魚川流域の飛行ルートは約2.5kmとなる。
(3) 飛行方法の検討
3次元モデルの精度はUAVによる空撮画像の解像度によって定まり、解像度は対地高度とカメラセンサーサイズによって影響を受ける。空撮画像は砂防施設に近接すればするほど高解像となるため、詳細な変状箇所も把握可能となる一方で、①撮影範囲が狭くなり往復回数が増加することでバッテリー交換が頻繁となること、②堰堤本体や樹木等の支障物に接触する危険性も増大することが懸念される。本調査は、樹木や植生等の繁茂状況を踏
まえ、UAVが安全に飛行できることを前提としつつ、3次元モデルを高精度で作成するため、できる限り施設に近い対地高度・撮影角度にて空撮を行った（図2、表2）。
本調査では、昨年度実施した覚生川流域3基との比較・検証を行うため、昨年度と同機種である「Matrice300 RTK（表3）」を用いることとした。なお、レベル3
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図 1 定期点検飛行経路（上：小糸魚川流域、下：小泉の沢川流域）

図 2 撮影方法

表 2 各施設の飛行方法
対地施設名
撮影角度
高度
上流面：45°
小糸魚川遊砂地
約 35m
下流面：55°
上流面：45°
小糸魚川砂防堰堤 約 30m
下流面：55°小糸魚川
上流面：55°約 35m
流木捕捉工
下流面：55°
上流面：45°
小泉の沢川遊砂地 約 30m
下流面：45°
小泉の沢川１号
上流面：45°約 30m
砂防堰堤下流面：55°
小泉の沢川左支川
上流面：45°約 35m
流木捕捉工
下流面：45°

デル化を行い、目視による定期点検結果との比較を行った。

飛行速度
5.0m/s
5.0m/s
5.0m/s
5.0m/s
5.0m/s
5.0m/s

表 3 使用機器詳細

図 3 撮影方法のイメージと 3 次元モデル(2) SfM解析による3次元モデルの作成
UAV自律飛行による空撮データを用いて、図4～6に示すような3次元モデルを作成した。なお、本稿では、Agisoft MetashapeにてSfM解析を実施した。

図 4 小泉の沢川遊砂地:3次元モデル

3. UAV自律飛行による点検の概要

図 5 小泉の沢川1号砂防堰堤:3次元モデル(1) UAVを用いた点検手法
小糸魚川流域（小糸魚川遊砂地、小糸魚川流木捕捉工、小糸魚川砂防堰堤）および小泉の沢川流域（小泉の沢川遊砂地、小泉の沢川1号砂防堰堤、小泉の沢川左支川流木捕捉工）の6基を対象としたUAV自律飛行による点検調査を実施した。調査時期は植生による点検精度への影響を評価するため、着葉期（7月）と落葉期（11月）の2度実施した。撮影した画像は、目視による定期点検との比較及び課題抽出のため、写真測量技術（SfM解析：重複した画像を用いた3次元モデル化技術）による3次元モ
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図 6 小泉の沢川左支川流木捕捉工 :3 次元モデル

施設点検には、壁面材周辺の植生を伐採する必要がある。
b)比較結果②（水通し天端）
鋼製セル＋DW型砂防堰堤については、一部で植生の影響が認められるものの、目視点検の大部分の項目を網羅することができた。鋼製DW型砂防堰堤については、植生の影響による精度の低下が認められたものの、落葉期では改善する砂防施設も認められた。また、小泉の沢川1号砂防堰堤は落葉期において植生の影響が少ない砂防施設であったが、天端コンクリートと壁面材の接合部のモデル化精度が低くなった。
c) 比較結果③（前庭部）
着葉期、落葉期ともに前庭部の点検項目について確認可能であった。
d)比較結果④（その他点検項目）
周辺の法面については、比較的新しい小泉の沢川左支川流木捕捉工を除き植生の影響による精度低下が認められた。また、水面やスリット等の狭窄部の3次元モデル化が困難であることによる精度低下も明らかとなった。
e)比較結果⑤（流木捕捉工）
流木捕捉工は鋼管の3次元モデル化が困難であったた
め、UAV点検が難しい結果となった。これを検証するため、図2に示した撮影方法に加えて、鉛直や水平からの撮影を試行したが、良好な結果は得られなかった。鋼管については、空撮画像による評価や目視点検との組合せが望ましいといえる。

4. 目視点検との比較検討(1) 比較項目の抽出
砂防施設の健全度は、部位毎の変状レベルに応じて評価される。例えば、壁面材は中詰め材の流出を伴う変状が認められた場合、機能や性能が低下していると判断される。このため、壁面材の点検項目のうち、「中詰め材の流出」に直結すると考えらえる変状を点検項目として抽出した。他部位についても同様に点検項目を抽出し、目視点検との比較を行った。
(2) 比較結果
従前の目視点検による点検調査票と同アングルでの画像データを今回のUAV点検結果から作成した3次元モデルより抽出し、各点検項目について比較・検証した。表4は目視点検による確認箇所数を基準とし、UAVによる確認可能箇所数を整理したものである。すなわち、表4の値が目視点検数に近いほどUAVが目視点検と同等の精度を得られたといえる。また、精度が低下した項目については、色別に原因を整理した。
a) 比較結果①（壁面材）
着葉期と落葉期の3次元モデルを比較すると、可視範囲に差が認められ、落葉期では視認性は改善されるものの、目視点検の全項目を網羅するには至らなかった。壁
面材の近傍に植生が繁茂しているため、UAVを用いた

表 4 点検項目の比較結果一覧
摩耗
・腐食

壁面材
破 変 継 漏損 形 手 水の開き

点検項目
前庭部
流 沈 摩 ひ出 下 耗 び割れその他点検項目
護 河 河 安岸 道 道 全対変 洗 土 策
状 堀 砂 施堆 設変積状
腐食・損
傷周
辺の法
面

流木捕捉工
鋼 鋼 床 床管 管 版 版コ コ
摩 変 ン ン
耗 形 ク ク・ ・ リ リ
腐 欠
食 損 ト トー

調査日 撮影方法
目視点検数
10 10 10R5.7月 自律飛行 444R5.11月 自律飛行 444
目視点検数
888
小糸魚川砂防堰堤
R5.7月 自律飛行 000（鋼製DW型砂防堰堤）
R5.11月 自律飛行 222
目視点検数
小糸魚川流木捕捉工
R5.7月 自律飛行
（鋼製流木捕捉工）
R5.11月 自律飛行
目視点検数
15 15 15
小泉の沢川遊砂地
R5.7月 自律飛行 777（鋼製セル+DW型砂防堰堤）
R5.11月 自律飛行 11 11 11
目視点検数
666
小泉の沢川1号砂防堰堤
R5.7月 自律飛行 333（鋼製DW型砂防堰堤）
R5.11月 自律飛行 666
目視点検数
小泉の沢川左支川流木捕捉工
R5.7月 自律飛行
（鋼製流木捕捉工）
R5.11月 自律飛行

吸出し防止材の変状

水通し天端
沈 摩 ひ 目下 耗 び 地割 のれ 開きー

凡例：評価箇所の減少理由
：課題なし
：植生
：影（日照）：モデル化精度・撮影角度：スリット等狭所部：水面下：点検対象外

摩耗ひび割れ施設名（構造型式）

小糸魚川遊砂地（鋼製セル+DW型砂防堰堤）

4114026244246334009572
12633400

95
72
121918181177161515241821

MIYAZAKI Akitoshi, IWATA Kiyonori, YOKOO Kimihiro
-892-

16
16
16
11
77

1413
13
24
1821

1616
16
11
7
71413
13
24
18
21

1616
16
11
7714131324
18
21

1
1
1

1
1
1

11111
1

61
1
711
12
1111
74
6
60
4
6
6
6

4
2
32
12612534
634
444
4
24888612
53463444442488810010010013 1313 1313 13100100444200444図 7 小糸魚川遊砂地 3 次元モデル（着葉期）

図 13 小糸魚川遊砂地 3 次元モデル（落葉期）
植生の影響でモデル化が困難な範囲において白飛びし、壁面材の視認が困難

図 8 小糸魚川砂防堰堤 3 次元モデル（着葉期）

図 14 小糸魚川砂防堰堤 3 次元モデル（落葉期）

鋼管のモデル化が困難

鋼管のモデル化が困難

図 9 小糸魚川流木捕捉工 3 次元モデル（着葉期）

図 15 小糸魚川流木捕捉工 3 次元モデル（落葉期）

壁面材の視認が困難

壁面材の視認性が改善

図 10 小泉の沢川遊砂地 3 次元モデル（着葉期）

図 16 小泉の沢川遊砂地 3 次元モデル（落葉期）

接合部の接合部のモデル化精度が低い

モデル化精度が低い

図 11 小泉の沢川 1 号砂防堰堤 3 次元モデル（着葉期）

図 17 小泉の沢川 1 号砂防堰堤 3 次元モデル（落葉期）

図 12 小泉の沢川左支川流木捕捉工 3 次元モデル(着葉期)

図 18 小泉の沢川左支川流木捕捉工 3 次元モデル(落葉期)

MIYAZAKI Akitoshi, IWATA Kiyonori, YOKOO Kimihiro-893-

6. おわりに

5. UAVを用いた施設点検の効率化検証

過年度から今年度にかけて実施したUAVを用いた施
樽前山直轄火山砂防事業では平成27年度より目視によ設点検について、現状の目視点検結果に基づく砂防施設る砂防施設の定期点検を実施している。従前から実施し点検票をアウトプットとした場合には、表5に示すようている目視点検と、UAVを用いた施設点検との作業効な課題が挙げられる。
率性を比較するため、令和4年度にUAV点検を実施した
一方で、UAVを用いた施設点検では、目視点検に比覚生川流域（覚生川1号砂防堰堤、覚生川2号砂防堰堤）、べて「立入困難な高所でも安全に作業ができる」「施設熊の沢川流域（熊の沢川2号砂防堰堤）、小糸魚川流域の撮影時間が短い」「定期目視点検以外の異常が認めら（小糸魚川遊砂地、小糸魚川流木捕捉工、小糸魚川砂防れていない箇所でも、3次元モデルを保存することで定堰堤）および小泉の沢川流域（小泉の沢川遊砂地、小泉期的に記録として残しておくことができる」などの利点の沢川1号砂防堰堤、小泉の沢川左支川流木捕捉工）にも多く認められた。今後、これらUAVを用いた施設点おいて、1フライト3施設の目視外自律飛行（補助員有）検のメリットを最大限生かした施設点検を行う際には、による各施設の砂防施設点検票を作成するまでの作業時①植生の定期的な伐採（落葉期の調査でも確認不可の項間を算出し、目視点検との比較を行った。なお、SfM解目が多く存在した）、②砂防施設点検票の見直し（劣化析ではアプリケーション上の自動計算に要した時間を算曲線に基づく点検の合理化や流域特性を加味した点検計出している。
UAV点検では、SfM解析処理に時間を要するものの、画の立案）なども想定される。また、SfM解析に要する処理時間、モデル化精度等は今後改善される可能性もあ
目視点検と比べ、多くの施設で作業時間の短縮が確認でり、技術動向を注視していく必要がある。
きた。特に現地での作業時間は、1施設あたり目視点検9
その他、今回の検討では、「中空構造を有する流木捕捉時間に対し、UAV点検15分程度と大幅に短縮できたことから、作業効率と安全性は飛躍的に向上したといえる。 工等では完全な3次元モデルは生成できない」ことが明らかとなった。したがって、現時点では植生が繁茂した
一方で、覚生川1号砂防堰堤は袖折れ構造となっている
砂防施設や、流木捕捉工などは目視点検とUAV空撮画ことから、写真枚数が増加し、SfM解析処理に特に時間像を用いた施設点検を併用するなどして、点検の効率化を要した。このように、施設規模や構造によって施設点と高精度化を図っていく必要があると考えられる。
検時間に差異が生じる結果となった。
①目視点検
調査員3名

①UAV点検操縦者1名・補助員2名②SfM解析
1.アライメント
2.クラウド生成
3.メッシュ生成
4.タイルモデル生成②調査票作成③調査票作成図 19 各点検手法の作業手順
所要時間 0:00
目視点検
三次元モデル作成のためのSfM処理

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

所要時間

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

覚生川1号砂防堰堤
覚生川2号砂防堰堤
熊の沢川2号砂防堰堤

施設撮影時間※1
アライメント

小糸魚川遊砂地ポイントクラウド生成

小糸魚川砂防堰堤

メッシュ生成タイルモデル生成

小糸魚川流木捕捉工

点検個票作成(手作業)

小泉の沢川遊砂地
小泉の沢川1号砂防堰堤

三次元モデル作成のためのSfM処理

小泉の沢川左支川流木捕捉工

UAV自律飛行

図 20 各点検手法の作業時間
MIYAZAKI Akitoshi, IWATA Kiyonori, YOKOO Kimihiro-894-

表 5 各点検手法の長短
目視点検
UAV 撮影+SfM 処理
・気象条件に左右さ ・目視点検に比べて施設のれず、植生下の施撮影時間が圧倒的に短設でも確認するこい。とが可能。
・高所作業を要しないので・変状箇所を直接計安全に施設を撮影可能。
測することがで
・3 次元モデルを用いて各き、近接写真の撮所の計測が可能。
影も可能。
・施設をモデル化することで、定期目視点検以外の異常が認められていない箇所でも、定期的に記録を残しておくことが可能。
・施設全体をくまな ・SfM 処理に時間を要する
く点検するには、 ・施設構造によっては写真時間を要する。
撮影枚数が多くなり、目・高所作業を要する視と比較して効率性に劣立入困難な箇所のる場合もある。
状況は確認するこ ・植生が繁茂した施設でとができない。
は、適切なモデル作成が困難。
・中空構造を有する流木捕捉工等では適用不可。