のり面工調査における３次元レーザースキャナーの活用事例
株式会社ルーラルエンジニア

大島武洋

1．はじめにのり面工は、気象条件・土質条件・のり面構造条件等により、経年変化によるのり面本体の傾動、崩壊や法面保護工の劣化、損傷、集中豪雨による崩落等さまざまな事例が報告されており、今後も、老朽化に伴う維持補修整備を目的としたのり面工調査が見込まれる。
しかし、道路に隣接する施設であることから、車輌の往来や急斜面への立入りなど作業時の危険性が高く、道路利用者や測量作業員への安全対策が必要となる。
本報では、傾斜部に立入らずに、平坦地に設定した観測機械点からの操作だけで、対象地表物の三次元データを収得可能とする『３次元レーザースキャナー（以降「３次元測量」）』を用いた測量とその精度の検証結果の事例を紹介する。
2．調査箇所について
2-1．地区の概要
調査は、渡島総合振興局管内七飯町の道路において実施した。
該当路線は、国営事業により昭和 59 年～平成 10 年にかけて整備が行われ、道路本線は最大 13ｍ程の切盛り造成が施された長大なのり面施設が点在する路線である。
整備完了から 20 年ほど経過し、のり面部の崩壊や崩落、既設擁壁工の劣化等が進行しており、施設利用者の安全性を確保した施設整備を必要とする状況となっている。

図-1 事業区間位置図

2-2．３次元測量調査箇所の概要
対象区間内で特にのり高が高く、Ｓ字曲線区間内に位置し、且つ道路縦断勾配も急勾配で平面線形と供に視距が短い等、調査時における危険性が高い箇所を調査箇所として選定した。調査箇所の現場条件を表-1 に示す。
表-1 調査箇所の現場条件
調 査 条 件

位置・施設情報調 査 箇 所

町道上藤城 8 号 SP=11,180～11,280（L 側）

区 間 延 長L=100ｍ

道路縦断勾配I＝7％

調 査 範 囲平面測量 A=3400 ㎡

のり面・土構造物工種

整形切土斜面、法面保護工（播種工(ラス網)）

施 設 規 模法高 H=15ｍ、法勾配 Z=1：1.2、法面 3 断面劣 化 状 況

植生表土が流出し露岩、ラス網の腐食損傷

写真-1 路上より（5 月撮影）

写真-2 法上より（5 月撮影）

写真-1、2 に示した通り、対象のり面施設は、植生工によるのり面保護工で整備されており、施設機能が維持されている箇所は地表部が植生で覆われ、のり面頂上部は樹木が繁茂している。
2-3．調査方法と検証着目点
３次元測量を行うことで、・ノンプリズムで観測可能なため、法面部に作業員が立入る必要が無く、作業員の安全性が確保できる。
・３次元測量観測値（点群データ）により、従来からの平面、中心線、横断測量作業が網羅できる。
・外業時間の短縮化が期待できる。などの優位性が期待され、のり面工の設計に必要な横断図などの作成を目的に３次元レーザースキャナーによる測量調査を実施した。
３次元測量は、国土交通省国土地理院にて公共測量マニュアル（案）が整備されてきており、精度管理は表-2 に準拠する。
表-2 ３次元レーザースキャナー測量の精度条件
項目

精 度 管 理 値

備考

地図情報レベル

500

地形図縮尺 1/500 相当

水向0.25ｍ以内

観測地形の水平距離観測精度点0.25ｍ以内

観測地形の地盤高観測精度

放射方向の観測点間隔；330 ㎜

観測地点の観測条件

標平方高

観測点間隔（地形）標

定点

水平位置；0.1ｍ以内
標

標 定 点 残 差

標定点設置時の観測精度

高；0.1ｍ以内

50 ㎜以内測地座標系への変換による残差（精度管理値は、「地上レーザスキャナを用いた公共測量マニュアル(案)平成 30 年 3 月 国土地理院」より）

観測機器設置位置となる標定点は、ＧＮＳＳより調査対象法面に対して反対車線側の道路路肩部に 5 点（約 20～30ｍ間隔）を木杭で設置し、各標定点で測定した。

図-2

標定点は位置図

3 次元測量とは、照射したレーザー光の反射を計測する仕組みで、ある程度の草木や茂みがある地形でも草や葉の隅間を通り地表面に到達することが可能とされている。
しかし、地表部が露呈している方が観測条件は優位であり、草木の分布状況や生育状況が観測に影響を与えることが考えられる。また、のり面施設を下から見上げる形で観測することから、樹木が生茂るのり面頂上部や観測時に影となる箇所の観測精度についても疑問が生じる。
そこで今回は、“株式会社ハイデックス・和島 様”の協力のもと、代表断面 1 断面（№2＝20）でＴＳによる横断測量を実施し、3 次元測量の観測精度を検証した。また、のり尻部から見上げる形による観測となることから、のり面頂上部の地表面観測について十分な観測値が得られないことが考えられ、上空からＵＡＶによる写真測量を行うことで 3次元測量の補足が可能か、合わせて検証を行った。

～ 検証着目点 ～① 地表面が被覆（植生工）されている環境下における３次元測量の精度② ＵＡＶ写真測量を補足することによる効果③ 植生状況による観測精度の影響（1 回目を植生が繁茂する時期（8 月上旬）、2回目を植生が枯死する時期（11 月上旬で草刈り実施））
2-4．使用した測量機器●３次元レーザースキャナー測量機器；TOPCON GLS-2000
表-3 使用機器の特徴
公共測量マニュアル基準・現場条件

性能・特徴

位置情報基準；10 ㎜以内

1～150ｍで 3.5 ㎜

放射方向の観測点間隔基準；330 ㎜以内

35ｍで 5.6 ㎜、観測限界 350ｍで 58 ㎜

のり面の観測障害物に対し、ファーストパルス（草木）とラストパルス（地表）の2 種類のレーザー測定が選択可能●ＵＶＡ写真測量機器；PHANTOM４ pro プラス
表-4

使用機器の特徴
項

機体

カメラ

目

性能・特徴

重量1,388ｇ（バッテリー含む）

対角サイズ

350 ㎜（プロペラ除く）

運用限界高度6,000ｍ

最大風圧抵抗10ｍ/s

最大飛行時間

約 30 分センサー

有効ピクセル数 2,000 万画素

レンズ

視野角 84°、オートフォーカス●各使用ソフト・３ 次 元 測 量 点 群 処 理；TREND-POINT（福井コンピュータ㈱）・Ｕ Ａ Ｖ 写 真 測 量 点 群 処 理；Photo Scan（㈱オーク）・３次元測量＋ＵＡＶ写真測量合成；MAGNET COLLAGE（㈱トプコン）
・図化

作業；BLUETREND（福井コンピュータ㈱）3．測量結果
表-5観測状況
1 回目観測（植生繁茂期）
観測日；2017 年 8 月 2 日 午前中観測
天 候；晴れ気 温；22℃
風 速；1.3～2.7ｍ/s

2 回目観測（植生枯死期）
観測日；2017 年 11 月 9 日 午前中観測
天 候；曇り気 温；10℃
風 速；5.1～7.3ｍ/s

のり面状況写真

のり面状況写真

点群データ平面図

点群データ平面図

図-3 横断図精度検証箇所

樹木の被覆による振幅

図-4 １回目観測(8 月；植生繁茂期) ３次元測量横断図

樹木の被覆による振幅

図-5 ２回目観測(11 月；植生枯死期) ３次元測量横断図

樹木の揺れによる振幅

ＵＡＶ補正により樹木の被覆による振幅の減

図-6 ２回目観測(11 月；植生枯死期) ３次元測量＋ＵＡＶ写真測量合成横断図

4．観測誤差結果と課題
4-1．観測誤差結果①３次元測量の精度
図-5 より、2 回目観測時のＴＳとの観測誤差は 0.014~0.064m（精度点検個所⑤の法上まで）となり、設計時において土工数量算出等の影響を与えない十分使用可能な成果が得られた。しかし、2 段目ステップ法下（精度点検個所⑤の法下）から頂上部に関しては、点群解析だけでは明確な地形が確認されず、現地が高低差のある地形であることや観測機器設置位置が原因と推測する。
図-4 の 1 回目観測時のＴＳとの観測誤差は、観測できた精度検証箇所が 8 箇所中 4 箇所と約半分程度しか確認されず、観測時期による影響が確認された。
道路中心部となる精度検証箇所①は、舗装面で被覆物の影響は受けない箇所であることから、地表誤差はミリ単位の精度を期待したが、地表高誤差は『1 回目観測 0.045ｍ』『2 回目観測 0.028ｍ』と、センチ単位の誤差結果となった。この結果については、
1）点群化の奥行幅条件が 0.5ｍに対し、道路勾配が 7％であることから
点群化奥行幅誤差；0.5ｍ×7％＝0.035ｍと、奥行幅内でセンチ単位の誤差が生じる。
2）ＴＳ測量による誤差が原因で生じた誤差と推測される。

②ＵＡＶ写真測量を合成した場合の効果
2 回目観測の図-5 と図-6 の横断図を比較すると、法上頂上部で樹木の被覆による振幅は抑えられたが、地表部を明確にするまでには至らなかった。
表-6 2 回目観測のＵＡＶ写真測量合成有無によるＴＳに対する誤差精度比較
精度検証箇所

ＵＡＶ写真測量合成前（図-5）
距離精度

①

地表高精度

ＵＡＶ写真測量合成後（図-6）
距離精度

地表高精度

0.164ｍ

0.014ｍ0.171ｍ

0.033ｍ

③0.021ｍ

0.016ｍ

0.098ｍ

0.020ｍ⑤

法上0.009ｍ

0.028ｍ

0.074ｍ

0.056ｍ法下0.071ｍ

0.031ｍ

0.049ｍ

0.017ｍ法上

0.064ｍ

0.042ｍ0.147ｍ

0.098ｍ法下0.396ｍ

0.044ｍ0.051ｍ0.081ｍ

測定不能

測定不能

0.067ｍ0.159ｍ

⑥考

0.017ｍ

0.028ｍ②④備注）太字はＵＡＶ写真測量合成の有無を比較し、精度が高い値

ＵＡＶ写真測量合成前後の精度検証箇所における誤差精度を表-6 で整理すると、誤差精度の優劣ではＵＡＶ写真測量合成を行ったことで、全精度検証箇所 15 箇所中 6 箇所で精度向上が確認された。このうち以下の５箇所は、３次元測量で影部となり得る精度検証箇所であった。
・精度検証箇所 ④法下；距離精度、地表高精度 ～ 2 箇所
・精度検証箇所 ⑤法下；距離精度・精度検証箇所 ⑥～ 1 箇所

計 5 箇所；距離精度、地表高精度 ～ 2 箇所

これより、３次元測量で地表面を捉えた箇所は、ＵＡＶによる精度向上は認められなかったが、３次元測量で影部となり得る個所での精度向上が確認された。
③植生状況による観測結果の影響
１回目観測（植生繁茂期）の図-4 と２回目観測（植生枯死期）の図-5 を比較し、前述の①でも述べたが、２回目観測（植生枯死期）で多くの精度検証箇所が確認できた。
表-5

３次元測量の観測時期によるＴＳとの観測誤差
精度検証箇所

１回目観測（図-4）
地表高誤差

測定不能

測定不能

0.164ｍ

0.014ｍ

①⑥

備

考

地表高誤差

0.028ｍ

0.015ｍ

0.053ｍ

0.021ｍ0.016ｍ法上0.130ｍ0.088ｍ

0.009ｍ

0.028ｍ法下0.239ｍ0.162ｍ

0.071ｍ

0.031ｍ

法上

測定不能

測定不能

0.064ｍ

0.042ｍ

法下

測定不能

測定不能

0.396ｍ

0.044ｍ

測定不能

測定不能

測定不能

測定不能

③⑤

距離誤差0.045ｍ②④

2 回目観測（図-5）

距離誤差

精度管理値 0.25ｍ注）太字は 1 回目と 2 回目を比較し、精度が高い値

また表-5 で、３次元測量の観測時期によるＴＳとの観測誤差を比較すると、ほぼ２回目観測（植生枯死期）の観測精度が高いことから、地表部の観測精度は、植生状況による影響が大きいことが確認された。
4-2．課題〇 ３次元測量は、設計に必要とする地形情報の収得が可能であるが、観測にあたり地表被覆物の影響を大きく受け、草木の生育時期により観測精度が異なることが確認され、観測条件の制約にとらわれない今後の技術開発が期待される。
〇 道路側溝部や各小段ステップ形状、のり面頂上部の地形など、観測機器から死角となる箇所が生じ、正確な地形情報を収得するためには、補足測量や今回用いたＵＡＶ写真測量などの調査を必要とし、道路平坦部からの３次元測量だけでは地形測量は難しいことが確認された。今後は、地形状況に応じた 3 次元機器配置など安全かつ効率的な観測手法の確立が望まれる。
〇 ２回目観測時におけるＵＡＶ写真測量による補足効果において、３次元測量での死角箇所では有効性が確認されたが、他の精度検証箇所では精度の優位性が確認されなかった。この原因は、観測時の風速が 5～7m/s と強く、ＵＡＶ本体の揺れが大きかったことが３次元測量値より観測精度が下回った原因とも考えられ、今後も検証が必要と思われる。
5．おわりに技術者不足の解消や安全性及び作業時間短縮を向上させる観点から、新しい測量技術による測量方法として、３次元レーザースキャナーの利用が期待されており、３次元測量の公共測量マニュアルや測量成果検定基準が整備されてきている。
また国土交通省では、ICT や３次元データを活用し、建設生産システム全体の生産性向上を目指す「i-Construction（アイ・コンストラクション）」が進められ、2020 年度には調査・設計段階での３次元測量による地形測量の実装化を推進している。
建設現場においては、３次元測量による出来形管理が進められてきているが、計画・設計段階の測量調査においては、地表部形状の精度を確保するための補足調査や図化時における人為的な判断補正などが、現段階では必要な状況である。
しかし今後は、レーザースキャナー観測機器の更なる性能向上や、対象とする地形や環境条件に応じた観測方法を確立させることで、各調査・計画工種における活用が期待され、建設現場の生産性が向上するものと考える。

【引用・参考文献】
1）国土交通省国土地理院；
地上レーザースキャナーを用いた公共測量マニュアル(案) 平成 30 年 3 月