技術資料

写真測量を活用した消波ブロックの耐波安定性実験
長谷一矢れる。また、消波工表面形状を3次元データ化するこ

１．はじめにとにより、新たな評価指標の開発にも繋がる可能性が国土交通省が取り組む生産性革命プロジェクトのひある。

とつにi-constructionの推進がある。これはICTを活用

このような背景から、筆者は、水理模型実験の環境した施策を建設現場に導入することによって、建設生下において写真測量による計測を試行し、計測精度の産システム全体の生産性向上を図り、もって魅力あ検証と課題の整理を行った。さらに、写真測量を取りる建設現場を目指す取組である。i-constructionでは、入れた消波ブロックの耐波安定性実験を試行し、写真UAVを用いた写真測量を活用して、多くの要領等 が測量の適用性を確認した。本技術資料はこれらを取り策定されているが、その中に、港湾におけるICT活用纏めたものである。

1)に関する実施方針および基準類のひとつである「ICT機器を用いた測量マニュアル（ブロック据付工編）2)」

２．写真測量の方法がある。これはUAVを用いた写真測量により消波工の完成形状を3次元で把握するための手順書であり、

２．１

水理模型実験環境と撮影方法

建設現場では広く活用されている。この消波ブロック

写真測量の原理や技術的な解説については、既往のを対象とした写真測量を室内における水理模型実験に文献等例えば3), 4), 5)を参照いただき、ここでは写真測量を活用しようという試みが本技術資料である。

試行する水理模型実験環境と撮影方法について説明す

防波堤や護岸に設置された消波ブロックの安定性をる。表－1は本試行で使用した撮影機材とソフトウェ検討する水理模型実験（写真－1）では、ブロックのアの一覧である。写真測量は、デジタルカメラで撮影移動個数に基づく被害率等や、消波工の変形量（例えした写真から写真処理ソフトウェアを使って（本試行ば天端高）を評価指標としている。前者は撮影した実ではTerra Mapperを使用）3次元形状を復元するもの

験前後の写真を比較することでブロックの移動を把握であるが、本試行では消波工断面を数値データとしてするが、後者は型取りゲージやタッチセンサー式砂面

Excelで表示するところまでを作業工程としているた計等を用いて直接消波工表面の形状を計測しなければめ、複数のソフトウェアを使用した。

ならなかった。ここに写真測量を活用することができ

図－1は、水理模型実験環境と撮影方法の概略図でれば、消波工表面形状の計測を効率化できると考えらある。長さ22.0m、幅0.8m、深さ2.0mの2次元断面水表－1

本試行で使用した撮影機材とソフトウェア一覧

機材等

名称

仕様

カメラ

Sony α7RIV（ILCE-7RM4A）

撮影素子：35mmフルサイズ（35.9×23.9mm）
画素数：4752×3168
露出時間：1/160秒
ISO速度：ISO-2500

レンズ

Sony FE 50mm F2.5 G（SEL50F25G）

焦点距離：50mm
F値：f/2.5

Terra Mapper

写真から3次元形状を復元（点群作成）
点群から断面図作成（出力ファイルは.DXF）

Auto CAD
ソフトウェア Powerpoint

写真－1

消波ブロックの耐波安定性実験の一例

寒地土木研究所月報№840

2023年２月

断面図のファイル形式変換 .DXF→.GIF

Web Plot Digitizer

画像である断面図の数値化（.GIF→.CSV）

Excel

各種データ解析23

撮影 0.1m ピッチ
カメラ
1.6m
1.0m

側面図
消波材

0.34m

対空標識

造波機

消波工
水路床

堤体

2.3m

2.0m

1:10

整流板

消波材

2.0m

消波材

0.8m

10.0m
12.3m
22.0m

0.25m
0.30m
0.25m

平面図
消波材

撮影 2列

水路床

造波機

整流板

対空標識

平面図（拡大図）

0.3m
0.1m
0.1m
0.3m

0.3m
0.1m
0.1m
0.3m

消波工

水路床

堤体
0.15m
0.04m

1.0m

図－1

水理模型実験環境と撮影方法の概略図

路内に勾配1:10の水路床を設け、高さ0.34mの消波ブ

Sony α7RIV

撮影

ロック被覆堤模型を設置した。写真測量の撮影は、水路の上から鉛直下向きに行い、その撮影高さは1.6m、撮影間隔は0.1mピッチ（側面図）で2列（平面図）とした。そして、模型に座標値を与えるための対空標識を堤体天端に6点、消波工法尻付近に3点設置した。本
試行における撮影は固定撮影ではなく、水路の上から人の手で撮影しているため、撮影高さと撮影間隔にはバンドル調整（カメラ位置調整）
対空標識による位置情報補正
Terra Mapper
3次元形状の復元（点群生成）
点群から断面図の出力（断面計算.DXF）

多少の人的誤差が生じる。
断面図のファイル形式変換（.DXF→.GIF）

２．２

写真測量の手順

図－2に、本試行における写真測量の手順を示す。
まず撮影についてであるが、水理模型実験の造波終了後、水路内の水を排水し、撮影対象の実験模型をドライ状態として撮影を行った。撮影の都度、所定の位断面図（画像）の数値化（.GIF→.CSV）
各種データ解析図－2

Auto CAD
Power point
Web Plot Digitizer
Excel

本試行における写真測量の手順

置に対空標識を設置し、前述のとおり、水路上から人の手で撮影を行った。撮影時のカメラ設定は表－1の仕様欄のとおりである。

続いて、断面図の数値化を行った。本試行におけ

次に写真処理ソフトウェアによる3次元形状への復る写真測量は、3次元形状から任意断面を切り出し、元を行った。ソフトウェア上で、バンドル調整、位置数値化してExcelに落とし込むところまでを一連の情報補正、点群生成と処理を進め、その後、復元され工程としており、DXF形式のCADデータを数値化すた3次元形状から任意断面を切り出し、断面図を作成る必要があった。画像を数値化するためにWeb Plotした。本試行で使用したTerra Mapperには断面計算

Digitizer（Webアプリ）を使用することとしたが、機能が備わっており、断面図をDXF形式のCADデー

DXF形式のファイルは読み込めないため、Auto CAD

タで出力できる。とPower Pointを使用してGIF形式の画像データに変24

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2023年２月

(a)消波工の写真(b)3 次元形状に復元した点群
図－3 写真処理ソフトウェアで復元した消波工の 3 次元形状
図－3 写真処理ソフトウェアで復元した消波工の3次元形状換し、ここからWeb Plot DigitizerでCSV形式の数値データを作成した。その後、Excelで各種データ解析を行った。

消波工ライン

堤体

0.34m
0.24m

図－3は、写真処理ソフトウェアで復元した消波工の3次元形状を示している。(a)が撮影した消波工の写真、(b)が3次元形状に復元した点群である。(b)の点水路床群には赤ラインが引かれているが、これは断面を切っ(a)模型概略図（側面図）た位置を示している。この断面の位置や本数は、ソフトウェア上で任意に設定可能である。
３．写真測量の精度検証
本試行における写真測量の精度検証を行った。以下に、その詳細を示す。

(b)全景写真（側面）図－4３．１(c)全景写真（正面）精度検証に使用した模型の概略図と全景写真精度検証に使用した模型

図－4は、精度検証に使用した(a)模型概略図と(b)(c)全景写真（側面、正面）である。精度検証には長れらを図－1の模型から消波ブロックを取り除いた堤

さ1.0mと1.1m、厚さ5mmのスタッフを3本利用し、そ体の前面に段違いに立てかけた。スタッフの設置位置

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2023年２月



25

803

スタッフ①
スタッフ③40

較差（cm）

Y座標（cm）

60
堤体

200

スタッフ①2.5

スタッフ②

take1
take2
take3
take4
take5
take6
take7
take8
take9
take10

2
1.5
10.5

050

1000150050

X座標（cm）
図－53
スタッフ②量で計測し、実測値との較差を調べることで精度を検証した。

較差（cm）

2.5

工表面の変形をイメージしている。それぞれを写真測

150

X座標（cm）

写真測量による計測値と実測値は図に示すスタッフ①、②、③のとおりであり、消波

100

take1
take2
take3
take4
take5
take6
take7
take8
take9
take10

21.5
10.5

３．２

精度検証結果と考察

0

図－5は、２．の写真測量の方法によりスタッフ①、050②、③を測定した結果を示している。図中の点線は、実測したスタッフ①、②、③の位置であるが、写真測3さを延長して表示している。図より、全体的には写真2.5次に、両者の較差を詳細に調べることとする。
図－6は、写真測量による計測値と実測値の較差の絶対値を示している。写真測量は、スタッフ①、②、③を全く動かさずに10回繰り返し実施しており、図には全てのデータを表示している。
図より、較差の最大値をみると、スタッフ①、②で最大1cm程度、スタッフ③で最大1.5cm程度の較差と較差（cm）

量による計測結果と比較し易くするため、便宜的に長測量による計測値と実測値の良い一致が認められる。

150

スタッフ③
take1
take2
take3
take4
take5
take6
take7
take8
take9
take1021.5
10.50050100150

X座標（cm）

なっている。消波ブロック被覆堤における消波工の変形は、スタッフ①、②の状態に近いと考えられること

100

X座標（cm）

図－6

写真測量による計測値と実測値の較差から、この状態の値を採用すれば、写真測量による消波工の計測精度は1cm以下となる。ただし、これは本試行の条件で計測した場合の精度である。以降、較差

天端から1.6mとしたが、この高さの場合、中央部付の傾向とその発生要因、そして較差を小さくする方法

近の写真の画角に対空標識が含まれない場合も存在しについて考察する。

ていたため、計測精度に影響を及ぼした可能性が考えスタッフ①、②の結果を見ると、スタッフ中央部のられる。もうひとつの要因はドーミングであると考え較差が両端に比べると大きくなっている。ひとつの要られる。ドーミングとは写真セットを垂直直下写真の因は対空標識からの距離にあると考えられる。対空標

みで構成すると生じるもので、撮影範囲の中央部が膨識はスタッフ両端付近に設置（図－1）されており、れ上がる現象である。本試行では全て鉛直下向きに撮中央部付近からは距離がある。写真の撮影高さは堤体影したため、ドーミング現象が生じた可能性も考えら

26

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2023年２月

れる。さらに、スタッフ③の結果を見ると、左側の較

４．写真測量を活用した消波ブロックの耐波安定性実差が大きくなる傾向が見られる。左側の対空標識は堤験体の天端面に設置されており、撮影が鉛直下向きのみである中で、堤体の天端と基部の落差が較差を大きくした要因ではないかと考えられる。
そして、10回繰り返した計測結果を比較すると、

ここでは、実際に消波ブロックの耐波安定性実験を試行し、写真測量の適用性を確認したので、以下に、その詳細を示す。

take4、6、9の較差が他のものより大きくなっている。
計測対象であるスタッフ①、②、③は全く動かしてい４．１

実験条件ないため、この差は撮影やソフトウェア操作時におけ表－2は試行した消波ブロック耐波安定性実験の実る人的誤差であると考えられる。例えば、本試行にお験条件である。実験装置および実験模型は図－1の概ける撮影は固定撮影ではなく、実験水路の上から人の略図に示すとおりである。実験で使用した消波ブロ手で撮影していることから、10回繰り返した撮影位置

ックの安定限界波高は、ハドソン式 6) で計算するとが全て同じになるということはない。また、写真処理

H1/3=15.7cmであるので、実験条件のH1/3=15 cmは設計ソフトウェア（Terra Mapper）の中で、写真に写っ波に相当し、H1/3=20 cmは設計波の1.27倍の波となる。ている円形の対空標識の中心を手動で選択し位置情報

写真測量は表に示した波数毎に実施した。なお、1波補正する作業があるが、10回の繰り返し作業の中で対群200波の不規則波を連続して作用させることで、所空標識の中心が僅かにずれる場合もある。

定の波数を再現した。

以上の要因を踏まえると、この較差を小さくする方法としては、対空標識を中央部に追加することや、撮４．２

消波工断面の計測

影角度に斜め方向を追加すること、そして撮影を固定

図－7は、写真測量で復元した消波工の3次元形状か撮影化することなどが考えられる。しかしながら、較ら断面を切り出して図示したものである。図中の青ラ差の発生位置には傾向が見られることから、消波工表

インが図－2のフロー図におけるWeb Plot Digitizerで面形状の変化を相対的に評価する場合に限っては、10の処理後のデータである。概ね消波工のラインが描か回繰り返しで見られた人的誤差（0.5cm程度）を許容れているが、部分的にノイズが含まれている。図－8

して、本試験条件を適用する方法もあると考えられる。

は、写真測量で生成した点群とこの断面を重ねて表示

なお、図中の各ラインに見られる0.2～0.3cm程度の振したものである。この図より、断面が消波ブロック先動は、ソフトウェア上の計算で生じる較差であると思端の角を切った場合や、消波ブロック脚部の側面を削われるが、振動が細かいことから、消波工表面形状をぐように切った場合にノイズを生じることがわかる。

把握する上では特に影響はないものと考えられる。

このような場合は、ノイズの最も高い位置を消波工の断面ラインとすることが妥当であると考え、図－7の赤ラインのように処理した。なお、この赤ラインは

表－280

消波ブロックの耐波安定性実験の実験条件

ノイズ除去前1/40

実験波の種類不規則波

有義波高 H1/315cm, 20cm

有義波周期 T1/3

1.9s

1波群の波数200波

写真測量を実施した波数

0波、2,000波、4,000波、6,000波、8,000波、10,000波、20,000波、30,000波、40,000波、50,000波

水路勾配

1:10

水深25cm

天端高9cm

消波ブロック種類

テトラポッドブロック質量367.6g

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Y 座標(cm)

模型縮尺

ノイズ除去後60
ノイズ

40200050100150

X座標 (cm)
図－7

消波工の3次元形状から切り出した断面

27

80

消波工高さ (cm)0波

H1/3=20cm

702,000波

6010,000波
30,000波

50403020100050100150

X座標 (cm)

Excel上でデータ処理することにより求めた。
４．３

図－9

消波工の点群と断面ラインのノイズ

消波工表面形状の変形過程

図－9は、耐波安定性実験における、ある断面に着目した消波工表面形状の変形過程を示したものである。実験波はH1/3=20cmで、段階的に30,000波までの結果を表示している。作用波数が増加するにつれて、消波工の崩壊が進行している状況が読み取れる。
このような図を作成する場合、従来は型取りゲージやタッチセンサー式砂面計等を用いて消波工表面形状

62

消波工平均天端高 h（cm）

図－8

テトラポッド367.6g
Dn=5.427cm
ΔX=1～21cm

60

天端幅 B=12.7cm

断面間距離 ΔX

消波工断面堤体
消波工

58

評価区間 20cm
水路床56545201を直接計測していたが、本試行のように写真測量を用

234

断面間隔 Δx/Dnいることでも、従来と同様の結果を取得できる。
４．４

消波工表面形状の変形過程

図－10

消波工平均天端高と断面間隔

消波工平均天端高の変化

任意の断面は図－7のように切り出すことができるが、一定値を示すようになった。最も狭い断面間隔はΔx/

断面を切る位置によって当然断面形状は異なる。消波

Dn=0.18で、ブロック1個の大きさに対して十分断面間工の表面形状を評価するためには、複数の断面を考慮隔は狭いことから、これ以上狭くしても消波工平均天する必要があるが、どの程度の断面間隔で断面を取得

端高は大きく変化することはないと考えられる。以し消波工の表面形状を評価したらよいのか検討した。

上の検討結果から、本試行においては、断面間隔Δx/

図－10は、消波工平均天端高と断面間隔の関係を示Dn=0.74で計測することとした。なお、この値はブロしている。消波工表面形状の計測はまだ波が作用してックの大きさによって異なるため、ブロックの大きさいない図－1の模型で行っており、実験水路幅80cmのに対応した断面間隔の設定方法は別途検討しなければうち、中央の20cm区間を評価区間とした。また、消ならない課題である。

波工天端は設計上の消波工天端幅12.7cmの範囲と定

図－11は、作用波数の増加に伴う消波工平均天端義した。横軸の断面間隔は、ブロックの代表径Dn（ブ高さの変化を示したものである。消波工天端の定ロック体積の3乗根）と断面間距離Δxの比Δx/Dnで示し義はた。縦軸の消波工平均天端高は、評価区間内の断面のH 1/3=15 cmでは、消波工はほとんど崩れず、おおむ平均とした。図中の赤破線は堤体の天端高である。

ね一定値を示している。一方、設計波の1.27倍である

図－10と同じである。設計波相当の波である

最も断面間隔が広いΔx/D n=3.9から徐々に断面間隔

H1/3=20cmでは、消波工の崩壊が進行し、徐々に平均を狭めていくと、消波工の天端高の値は図のように上天端高が低下していく様子が確認できる。このよう下に変化するが、Δx/Dn=0.74以下になると、おおむねに、写真測量を用いて消波工平均天端高の変化を示す

28

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2023年２月

消波工平均天端高 h （cm）

100

天端幅 B=12.7cm

消波工の断面形状を得ることができることを確認

H1/3=15cm

消波工断面80ノイズの最も高い位置を断面ラインとすることで、

H1/3=20cm

断面間距離 ΔXした。

堤体
消波工
評価区間 20cm
水路床60

テトラポッド367.6g
Dn=5.427cm
ΔX=4cmΔX/Dn=0.74(3) 写真測量を用いて、消波工表面形状の変形過程や消波工平均天端高の変化の図を具体的に作成する一連の作業工程を通して、消波ブロックの耐波安

4020

定性実験に写真測量を適用できることを確認した。
写真測量が現場における土量計算に活用されている
010000

20000

30000

40000

ように、本試行条件にDSM処理を加えて消波工全体50000の体積を求めることも可能であると思われる。写真測

作用波数 n （波）図－11

量の強みは3次元で計算処理できる点にあることから、消波工平均天端高の変化

今後この方法についても検証していきたいと考えている。

ことができる。
参考文献
５．まとめ
1)
写真測量を消波ブロックの耐波安定性実験に活用す国土交通省Web：要領関係等（ICTの全面的な活用）

べく、水理模型実験環境下における計測精度の検証とhttps://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/constplan/

消波ブロックの耐波安定性実験の試行による写真測量

sosei_constplan_tk_000051.html（2022年12月5日の適用性確認を行った。その結果は、以下のとおりで確認）ある。

2)

国土交通省Web：港湾におけるi-Construction(1) 本試行条件での水理模型実験環境下において、

https://www.mlit.go.jp/kowan/kowan_

写真測量の計測精度を検証した結果、消波工の計

fr5_000061.html#yoryo（2022年12月5日確認）

測精度（較差）は1cm以下であった。この内0.5cm

3)

織田和夫：第一回SfMの概要とバンドル調整，写程度は位置に依存する較差であり、残りの0.5cm程

真測量とリモートセンシング，55巻3号，pp.206-

度が人的誤差による較差であった。本報告のよう

209，2016.

な消波工表面形状の変化を相対的に比較する場合

4)

布施孝志：第二回SfMと多視点ステレオ，写真測に限っては人的誤差のみを許容すればよく、本試量とリモートセンシング，55巻4号，pp.259-262，

行条件でも十分な精度を有していると考えられる。

2016.

なお、この計測精度は、対空標識の追加、撮影の5)

中野一也：第三回SfMによる三次元形状復元ソフ

固定撮影化、撮影角度の調整により高めることがトウェアについて，写真測量とリモートセンシンできると考えられる。

グ，55巻5号，pp.321-324，2016.
6)(2) 写真測量で復元した消波工の3次元形状からの断公益社団法人日本港湾協会：港湾の施設の技術

面切り出しにおいて、断面が消波ブロック先端の上の基準・同解説（上巻）平成30年5月，p.238，

角を切る場合や、消波ブロック脚部の側面を削ぐ

2018.

ように切る場合にノイズが発生した。この場合、

長谷

HASE

一矢

Kazuya

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒冷沿岸域チーム
主任研究員
博士（工学）
寒地土木研究所月報№840

2023年２月

29