第67回(2023年度)

北海道開発技術研究発表会論文

TEC-FORCE活動におけるドローン活用推進のための取り組みと情報収集最適化の検討
北海道開発局 事業振興部

防災課○古川 修宇三浦 之裕
渡辺 裕也

災害対応にドローンを導入する事で隊員の安全確保や迅速な被災状況把握が可能となる為、R4年に北海道開発局TEC-FORCEドローン隊を結成。これまで操縦者育成を重視し、人数が増えた一方、実践技術不足が課題となっていた事から、今年度より実災害を想定した訓練を開始した。また、TEC-FORCE活動効率化の為、ドローン撮影画像から3Dモデルを作成する取り組みも始め、データ取得等の最適化についても検討した。これら取り組みについて報告する。
キーワード：TEC-FORCE、ドローン隊、訓練、3Dモデル化のドローン操縦経験を必要とする。なお、ブロンズは3時間以上の操縦経験とした。
ドローンを飛行させる際は操縦者のほか、安全を確保
近年、豪雨や地震等の災害が全国で頻発しており、まするための補助者が必要である。1)北海道開発局ではよた北海道では日本海溝・千島海溝沿い巨大地震の発生もり安全に飛行させるため、飛行体制として最低シルバー懸念されている。これら災害が発生した際は限られた職資格者以上1名、ブロンズ資格者以上1名を配置するよう員で広範囲の被災状況を把握する必要があり、より効率内規で定めた。
的な調査が要求される。また、災害現場では2次災害なこのため、ドローンを飛行させるためには多くの資格どの恐れもあり、隊員の安全確保も求められる。これら保有者の育成が必要である。操縦者を増やすにあたり、を受け、北海道開発局のTEC-FORCE活動においても令シルバー資格者の育成については航空局HP掲載講習団
和元年より本格的にドローンの導入を開始した。ドロー体に外部委託した。ブロンズ資格者については、シルバ
ンは人間が立ち入れない危険な場所での撮影や、俯瞰的ー資格者が育成できる仕組みを利用し、北海道開発局のな視点による被災状況全体の把握が可能であり、また、本局及び全道防災課が中心となり、各事務所などの協力撮影画像から3Dモデルを作成し、3Dモデル上で測量をも得ながら育成を行った。その結果、令和元年に15名の行える為、効率化と安全確保の両立が可能である。一方、 操縦者からスタートし、令和4年4月時点で136名、令和5運用にあたり、操縦技術や法律の理解、ICTに関する技年4月には476名へ増加し、令和5年12月1日時点には794術の取得といった課題がある。
名までドローン操縦資格者が増加した。
北海道開発局ではTEC-FORCE活動におけるドローン
表-1 北海道開発局無人航空機操縦士資格
活用を推進するため、ドローン隊を結成し、操縦者の育成や訓練、また最先端DX技術の活用に取り組んでいる。
ウイングマーク
ウイングマーク
ウイングマーク
これら取り組みについて報告する。

1. はじめに「ブロンズ」「シルバー」「ゴールド」

2. ドローン隊の結成と隊員育成
・DID 地区外

北海道開発局では令和元年からドローン操縦者の育成を開始し、令和4年度に正式にドローン隊を結成した。
ドローン隊は、操縦資格者の飛行可能技術レベルに応じ、ゴールド、シルバー、ブロンズの3資格に分けた (表-1) 。
このうち、ゴールド、シルバー資格は航空局から特定飛行のための許可・承認がおりている者とし、10時間以上
FURUKAWA Shu, MIURA Yukihiro, WATANABE Yuya-980-

・DID 地区外

・DID 地区外

・DID 地区内

・DID 地区内

・対物 30m 以内

・対物 30m 以内

・目視外飛行・目視外飛行・夜間飛行
・150m 以上の上空

4. 効率的かつ効果的にドローン撮影画像を3Dモデル化するための飛行・撮影方法の検討

3. 実践的パイロットの育成

このように、ドローン操縦者が着実に増えてきた一方、 (1) 背景
基本的な操縦は出来るが、実災害での操縦経験が無く、ここまで述べてきたように、TEC-FORCEドローン隊
災害時にどのように撮影し、どのような情報を伝えるべを着実に増やし強化してきたが、さらに今年度は、TEC-FORCE活動の一層の効率化と安全確保を目指し、きかといった実践技術の不足が課題として浮上した。このことから、実践的パイロットの育成を目指し、令和5
ドローン撮影画像をSf M解析により3Dモデル化する検討
年に初めて、実災害を想定した訓練をプロの講師を招いも行った。3Dモデル作成により、パソコン等での測量て実施した。
が可能となることから、これまでメジャーやポールで行っていた測量が不要となり、隊員の安全や作業効率の飛(1) 北海道開発局TEC-FORCEドローン訓練会 概要
躍的な改善が期待される。Sf M解析による3Dモデルの作
場 所：豊平川河川敷(札幌市)
成は、民間企業などでは導入が進んでいるが、北海道開参加者：15名(全道各地より）発局の職員による作成事例は少なく、特に今回は、
TEC-FORCE活動での使用に特化し、効率的かつ効果的
内 容：講師による講話・デモンストレーション、実災害を想定した実技訓練、訓練時の撮影映像にな被災状況調査を行うための飛行・撮影方法を検討した。
ついて班毎にプレゼンテーション(2) 対地高度の違いによる精度と費用の比較について
Sf M解析は空中写真測量の原理を用いて3Dモデルを(2) 訓練会詳細
訓練会は実践を想定し、河川敷で行った。3人1組の班作成する技術であるが、被災状況調査においてドローンに分け、各班に実災害を想定した命題を付与し(図-1)、を飛行させ撮影画像から3Dモデルを作成する際、どれそれぞれの班で撮影方法や情報の伝え方を考えて飛行し位の高度で飛行させるべきか検討が必要である。対地高た。最後に空撮のポイントについて班毎にプレゼンテー度と地上解像度は反比例の関係にあるため、対地高度がションを行った。また、実災害では撮影したドローンの低いほど地上解像度は上がり、3Dモデルの精度は向上
映像をリアルタイムに災害対策本部へ配信する必要があする(図-2,3)。
るため、映像配信訓練も合わせて実施し、本部からの指示に従った飛行訓練も行った。
プロの講師からは、データ容量やバッテリーの関係から、撮影は2分30秒～3分程度にまとめること、ホバリングを長くせず、一連の動きの中で何が起こっているかを伝えること、対象物を中心に円を描きながら撮影し、その後、俯瞰で全体像を伝えるコツなどを教わった。
・地上画素寸法＝W/画素数
訓練会後のアンケートでも実践的訓練の必要性の意見(cm/pixel)
が上がり、有意義な訓練会となったことから、来年度以・W＝H/f×S
降も引き続き行っていく予定である。
・H＝W/S×f

堤防決壊
図-2 対地高度と地上画素寸法などの関係式 2)

護岸ブロックめくれ

法面崩壊

1cm/px(H=44m)

2cm/px(H=88m)

3cm/px(H=132m)

図-3 地上画素寸法の差による見え方の違い

図-1 訓練時に想定した災害の例（上が想定、下が実例）

FURUKAWA Shu, MIURA Yukihiro, WATANABE Yuya
-981-一方、対地高度が低いほど写真1枚あたりの投影面積は小さくなるため3) (図-4)、被災状況調査時のドローン
飛行時間や、Sf M解析に必要な写真枚数が増える。写真枚数が増えるほどデータ処理時間等のコストも増大する。
効率的な撮影のための高度を決定するには、目標とする精度の基準が必要である。本研究では現在TECFORCE活動に使用されているレーザー距離計の精度を基準に比較を行った。飛行は6パターンの方法で行い、3Dモデルの精度、飛行調査時間、写真データ量及びその解析時間を比較した。

(４) 飛行条件a) 気
象：晴れ 風速１～２mb) 使用機体
メーカー：Autel Robotics
モデル ：EVOⅡ Proc) カメラ仕様
センサ：1”CMOS
センササイズ：12.8mm×8.5mm
レンズ：FOV 約82°
焦点距離：9.5825mm
静止画解像度：5472×3648(3:2)※焦点距離、センササイズは精度管理表より求めた。
d) 地上画素寸法、対地高度、ジンバル角度の設定条件
表-2 飛行条件表

ⅰⅱ
ⅲ

地上解像度
1cm/px2cm/px2cm/px

対地
高度
44m
88m
88m

ジンバル角度
90°90°
90°+60°ⅳ

2cm/px

88m

自動設定ⅴ
ⅵ

3cm/px3cm/px

132m
132m

90°
90°+60°

条件

H=44m

H=88m

H=132m

W=58m

W=117m

W=176m

飛行方法
自動
自動
自動＋手動
自動
(3Dモード)自動
自動＋手動

図-4 対地高度(H)と写真１枚あたりの撮影幅(W)

地上画素寸法を1cm/px、2cm/px、3cm/pxの3パターン(３) 計測対象と方法で比較できるように、対地高度をそれぞ44m、88m、
a) ドローンによる計測範囲132mで設定した。
豊平川河川敷の約 27,000m2(約 210m×130m)
撮影画像はジンバル角度90°(真下向き)のみの場合、b) 計測対象
計測対象は図-5に示す通り、➀ブロック延長(横幅)、90°の撮影画像に60°(水平方向から60°、真下方向から②樋門上屋高さ、③橋の幅員、④橋長、⑤ブロック延30°)の画像を加えた場合、ジンバル角度自動設定の3長(法方向の長さ)とした。
パターンとした。
c) 計測方法
ジンバル角度90°の撮影は全て自動飛行で行った。
計測は、50m 巻きメジャー、レーザー距離計、ドロ60°の撮影は全て手動で行った(計測対象を中心に円をーン撮影画像から作成した 3D モデル上でそれぞれ行った。
描きながら撮影)。ジンバル角度自動設定は飛行も自誤差を算出するにあたり、50m 巻きメジャーでの計動で行った。
測値を比較基準値とした。また、②樋門上屋高さの値e) その他の設定条件は図面の値を比較基準値とした。
オーバーラップ率：80％ サイドラップ率：60％

図-5 計測対象

FURUKAWA Shu, MIURA Yukihiro, WATANABE Yuya
-982-

(５) 計測結果と考察
それぞれの計測結果及びドローン飛行条件毎の撮影時間、写真データ容量、解析時間を表-3 に示す。
また、3D モデル上での計測例を図-6 に示す。
a) 対地高度(地上画素寸法)のみ異なる場合の比較
条件ⅰ、ⅱ、ⅴは対地高度(地上画素寸法)以外の条件は同じであり、ジンバル角度 90°で自動飛行による撮影を行った。
結果を見ると、対地高度が高くなるほど誤差が大きくなっており、4．(2)で述べた理論通りの結果が得られた。一方、対地高度が高くなるほど、撮影時間は短く済み、写真データ容量も少ないため、解析時間や処理コストを抑えられている。
また、現在 TEC-FORCE で使用されているレーザー距離計との比較では、条件ⅰのみレーザー距離計の精度を上回った。
なお、条件ⅰ、ⅱ、ⅴのいずれも、②樋門上屋高さ寸法の誤差が他の計測項目と比べ大きかった。これは、ジンバル角度 90°のみの写真では、真上から見て陰になる部分が写らず、3D モデルをきれいに作成できなかったためであると考えられる。

b) ジンバル角度 90°のみと 90°＋60°の比較
真上から見て陰になる部分を撮影し、高さの寸法精度を向上させるため、ジンバルを水平方向から 60°に設定の上、手動操縦により測定対象を中心に円を描きながら撮影した。60°に設定した理由は、これより角度が浅くなると測定対象以外の背景(空など)が映り込み、解析精度が落ちると考えられるため、60°とした。手動で操縦した理由は、カメラ角度自動設定での飛行モードは、撮影コースが大幅に増え、撮影時間、撮影枚数も大幅に増えるため、手動で撮影を行い、時間、枚数を抑えた。カメラ角度自動設定での飛行撮影は条件ⅳで別途検討した。
なお、考察 a)の結果より、条件 ⅰ はレーザー距離計の精度を上回っていたため、条件ⅱ、ⅴに対し、60°の写真を加えて解析、検討した(条件ⅲ，ⅵ)。
結果は表-3の通り、条件ⅲ、ⅵのどちらも90°の写真のみの場合に比べ、計測項目①～⑤の全てにおいて精度が向上した。平均誤差率は条件ⅲが 3.47%、条件ⅵが 3.97％向上し、いずれもレーザー距離計の平均誤差率を上回った。さらに、対地高度 88m の条件ⅲの精度は、対地高度 44mの条件ⅰとほぼ同じであった。
当初、真上からでは陰になる部分を撮影し、高さ寸法の精度を向上させる目的で(今回の例では、測定箇所②樋門上屋高さ部分)60°写真を加えたが、斜めからの写真を加えることで、高さ寸法だけではなく、平面部を含む全ての寸法精度が向上することが分かった。
補足であるが、条件ⅵの 3D モデルは地上画素寸法3cm/px と解像度が一番荒いため、3D モデル上で計測する際に、点群の適切な点を選択するのに時間を要した。
c) カメラ角度自動設定の飛行結果
最後に、対地高度 88m、カメラ角度自動設定、飛行自動設定(条件ⅳ)で撮影を行った。結果は表-3 の通り、ⅰ～ⅵの条件の中で最も精度が良い結果が得られた。
一方、撮影時間は 13 分、解析時間は 133 分と 6条件の中で最も長く、写真データ容量は 2 番目に大きかった。また、当条件のみ、撮影範囲を測定対象部分に絞って 3D モデルを作成した。理由は、他の条件と同じ面積を計測しようとすると、大幅に計測時間が増え、バッテリー残量が懸念されたためである。

図-6 3Dモデルによる計測結果例(条件ⅲ)

表-3 計測結果
単位：ｍ➀ブロック延長
条

②樋門高さ

③橋幅員

④橋延長

⑤ブロック法長撮影解析に用いた写真平均件
計測値

誤差率(bとの差)

a 図 面

計測値

誤差率
(aとの差)

計測値

5.65誤差率(bとの差)

計測値

7

14.6

7

14.6

誤差率
(bとの差)

計測値

誤差率

誤差率

面積(m2)(bとの差)

時間
時間

枚数

b ５０ｍ巻きメジャー

23.7

c レーザー距離計

23.4

1.27%

5.5

2.65%

7

0.00%

14.3

2.05%

15.3

0.65%

1.32%

23.767

0.28%

5.518

2.34%

6.978

0.31%

14.5590.28%

15.3070.60%

0.76% 27,059 6分43秒 186

23.144

2.35%

5.091

9.89%

6.807

2.76%

14.1662.97%

14.902

3.23%

4.24% 27,059 3分55秒

23.764

0.27%

5.769

2.11%

6.963

0.53%

14.5880.08%

15.2690.85%

0.77% 27,059５分55秒 66

23.623

0.32%

5.634

0.28%

6.963

0.53%

14.4910.75%

15.3870.08%

0.39% 19,700

22.838

3.64%

5.181

8.30%

6.757

3.47%

13.853

5.12%

14.54

5.58%

5.22% 27,378 2分52秒

26

23.584

0.49%

5.554

1.70%

6.884

1.66%

14.442

1.08%

15.2

1.30%

1.25% 27,378 4分52秒

40ⅰⅱ
ⅲ
ⅳ
ⅴ
ⅵ

3Dモデル
1cm/px(h=44m)、90°自動
3Dモデル
2cm/px(h=88m)、90°自動
3Dモデル
2cm/px(h=88m)、90°自動+60°手動
3Dモデル
2cm/px(h=88m) カメラ自動
3Dモデル
3cm/px(h=132m)、90°自動
3Dモデル
3cm/px(h=132m)、90°自動+60°手動

FURUKAWA Shu, MIURA Yukihiro, WATANABE Yuya
-983-

解析

データ容量

(分）

15.4

13分

48168

3.00GB(3,223,144,208776MB(813,805,500B
1032MB(1,093,203,332
2.50GB(2,695,804,796402MB(422,393,756B
602MB(632,301,254B

114
3233
133
1825

(6)結論5. おわりに考察 a)～c)より、現在 TEC-FORCE 活動で使用されているレーザー距離計の精度を上回ったのは、条件ⅰ，
これまでの取り組みにより、TEC-FORCE ドローンⅲ、ⅳ、ⅵであった。
隊を大幅に増やす事が出来た。来年度以降は、今年度
条件ⅰとⅲは精度がほぼ同じである一方、条件ⅲの解から始めた実災害を想定した訓練を引き続き行い、実析時間や写真データ容量は条件ⅰの約 1/3 であり、効率践的パイロットを増やしていくとともに、今年度新た的であった。に検討したドローン撮影画像から 3D モデルを作成す
条件ⅳは精度が最も高かったが、対象を撮影するたるノウハウをマニュアルにし、これに則した訓練会もめに必要なコースが多く、撮影に時間がかかるほか、実施する予定である。3D モデル作成の取り組みが確
ドローン飛行時の立入管理措置を講じるべき範囲が広立されれば、TEC-FORCE の現場ではドローンを飛行がることや現地条件によっては障害物も予想され、現させるのみで、移動中に SfM解析を行い、事務所に帰場で使用する際の制約が多くなると考えられる。また、る頃までに 3D モデルを完成させておくことも可能で写真データ容量も大きかった。
ある。これにより隊員の大幅な作業効率化が図られる。
条件ⅵは、レーザー距離計の精度を上回った条件のその先の課題として、TEC-FORCE は自治体支援の中で、撮影・解析時間が最も短く、写真データ容量もために行っているが、3D モデルを使用出来る環境が一番小さく、最も効率的であった。
整っている自治体は少ない。作成した 3D モデルを自以上より、今後実践で運用していく際は、条件ⅲま治体でも有効に活用出来る方法の検討も今後は進めてたはⅵにより飛行することが効率的かつ効果的であるいく所存である。と考えられるが、条件ⅵはレーザー距離計との誤差が僅かであったこと、また 3D モデルの解像度が一番荒く、点群の適切な点を選択するのに苦労する事を踏ま
6. 参考文献の引用とリスト
えると、地上画素寸法 2cm/px(H=88m)の設定で、ジンバル角度 90°+60°の撮影画像から 3D モデルを作成する
1) 無人航空機マニュアル(DID・夜間・目視外・30m・危険条件ⅲが最も優れていると考える。
物・物件投下)場所を特定しない申請について適用、国土
なお、地上画素寸法 2cm/px に設定するための対地
交通省 航空局
高度はカメラの種類によって変わるため(図-2)、機体
2)
新版 必携ドローン活用ガイド－災害対応実践編－が異なる際は留意されたい。
3)

FURUKAWA Shu, MIURA Yukihiro, WATANABE Yuya-984-

著者 内山庄一郎
UAV 等を活用した河川巡視の手引き(案)、令和 4 年 3 月、
水管理・国土保全局、河川環境課河川保全企画室