SLAM技術を利用したモバイル3Dスキャナ活用による調査・計測の効率化
わたなべよしのりいいだなおみやまもとあつしもりたか し渡邉 義則1・飯田 奈緒美2・山本 淳 3・森 孝志41(株)四電技術コンサルタント(株)四電技術コンサルタント
3(株)四電技術コンサルタント
4(株)四電技術コンサルタント
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3D推進チーム（〒761-0121香川県高松市牟礼町牟礼1007-3）
3D推進チーム（〒761-0121香川県高松市牟礼町牟礼1007-3）
高知支店（〒781-0013高知県高知市薊野中町7-21）
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現在、国土交通省が生産性向上や品質確保などのために活用を推進しているBIM/CIMにおいて、現況地形・構造物・施設（屋外・屋内）等の3D計測は欠かすことができない．ただし、地上型
レーザスキャナでは障害物が多い箇所・狭隘な箇所・足場の不安定な場所等では、機器の切り回しが増え作業効率が落ちる．
そこで本稿は、SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）技術を利用したモバイル3DスキャナZEB-HORIZON（GeoSLAM社製）を用いて計測の効率化や、地上型レーザスキャナ点群データとの合成、精度照査を行った事例を紹介する．
Key Words : 点群，3D計測，レーザスキャナ，SLAM，CIM，i-Construction，可視化

１．はじめにDatalogger

狭隘な箇所での構造物や屋外施設、並びに屋内施設等において、3D計測を実施する手法の一つとしてSLAM（自己位置推定と空間地図作成を自動で同時に実行する機能）がある．このアルゴリズムを応用したモバイル3DスキャナZEB-HORIZON（GeoSLAM社製）
は、GNSS（Global Navigation Satellite System）
が受信できない環境下でも歩行経路沿いに簡便な公称精度3cmの3次元計測を可能とし、GNSS＋IMU搭載のシステムでは計測不能な建物内や構造物裏面の計測も可能となる．
今回は、屋外施設として道路の拡幅事業により横断歩道橋の付替えが計画されている地点において、現横断歩道橋を計測し、併せて道路沿いに歩行して現況地形も計測を行った．
屋内施設としては当社ビル階段部を計測した．
そして、得られた3D点群から、点群可視化技術により平面図や断面図を作成し、計測精度も照査した．

ZEB-CAM
Battery

図－1 モバイル3Dスキャナ一式
表－1 モバイル3Dスキャナの仕様
レーザーセンサー
点群記録速度
計測精度
最大計測距離レーザークラス
ビデオ解像度
計測部寸法
計測部重量２．計測方法(1) 使用機材
3D計測に用いたモバイル3DスキャナZEB-HORIZON
を図－1に、仕様を表－1に示す．バッテリーと本体は肩から掛けれるため、手に持つスキャナ部は重量1.3kgであるが、長時間の計測には体力を要する．

LaserScanner

Velodyne VLP-16
300,000点/秒
1～3cm
100m
クラス14K
H25×W12×D12cm
Scanner：1.3kg
Datalogger：2.4kg
total：3.7kg

この他、点群に位置情報を付与するための基準点
測量にはVRS機（Virtual Reference Station）を用いた．

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(2) 計測方法
図－2にZEB-HORIZONの計測方法を示す．モバイル
3Dスキャナを持ち、歩行して移動することにより、周囲100mまでの地物の3次元計測が可能である．また、計測経路は、閉ループである（開始点に戻る）．
なお、計測と同時に動画も撮影しているため、点群に色情報を持たせることで視覚的にわかりやすい3Dモデルとして活用できる．また、動画から現地状況の連続写真を生成することもできる．
図－4 横断歩道橋

図－2 計測方法
図－5 点群の鳥瞰

(3) 点群処理
アウトプットは1ショット20分程度で8Gバイト（内7Gバイトが動画ファイル）の生データが取得でき、LAS形式の点群で6Gバイトとなる．
ZEB-HORIZONを用いて取得した点群は、物体の移動やレーザーの乱反射などによりノイズが生じるため、ノイズ処理を行う必要がある（図－3）．ノイズ処理を行うことで、浮遊点等を取り除くことができる．処理ソフトはCloudCompare（FreeSoft）を用いた．
また、ZEB-HORIZONは30万点/秒と地上型レーザー100万点/秒に比べ低密度であるため、図－3は陰影処理（エッジのハイライト表示）を行い視認性を高めている．

図－6 横断歩道橋の側面

図－7 横断歩道橋 (左：橋梁断面 右：高欄部)

図－3 ノイズ処理（左：Before 右：After）

計測の精度検証として、エッジを利用して橋長・幅員を実測し、点群との比較を試みた．比較の結果より公称精度3cmのレベルで整合していた．
また、周辺道路を上り線歩道沿い、下り線歩道沿いに片道220mを2km/hで歩行して往復1ループ（13分）で計測した（図－8）．

３．計測事例(1) 横断歩道橋
今回対象とした横断歩道橋を図－4に示す．今回
横断歩道橋本体を1ループ（10分、B2.5m×L26m×H6.5m）で計測した．横断歩道橋の高欄は隙間が多い構造であるがSLAM処理でエラーは発生せず、正しい形状の点群を得ることができた（図－5）．
この点群より鉛直にスライスして作成した側面図を図－6、断面図を図－7に示す．なお、点群は橋梁断面・高欄の形状を再現していた（図－7）．

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図－8 周辺道路

この範囲を地上型レーザスキャナで計測すると5か所程度切回す必要があり、時間も1時間程度は必要となるため、現地調査等の現状把握においてはロスの少なく、同時に動画を取得するZEB-HORIZONは威力を発揮した．
また、地上型レーザスキャナ（Trimble TX8）で取得した点群との合成も実施した（図－9）．合成
は、地物の特徴点を利用した合成方法、お互いの点群で取得したリファレンスボール（丸い球）同士を基準に合成する方法があるが、今回はそれぞれの点群に基準点を設けて点群に座標付けしたものどうしを合成した．地上型レーザスキャナの誤差は2mm程度であるが、お互いの点群で取得している基準点（リファレンスボール）での差はほとんどなく、基準点を用いた合成では特に問題はない．
モバイル3Dスキャナでは、狭隘部など地上型レーザスキャナが設置できない箇所、死角となる箇所での補完に十分利用できる結果である．

図－11

2D図面 (左：平面 右：断面(階段部))③①⑥②⑤④図－12

図－9 地上型レーザスキャナとの合成(左：Before 右：After)(2) 当社ビル
この建物は鉄骨構造6Fである．
今回、エントランス部と階段部4Fまでを1ループ（6分）で計測し、断面を鳥瞰した3Dマップを作成した（図－10）．併せて歩行した軌跡を白線で示す
が、開始点と終了点が同地点、つまり1ループで計測したことがわかる．
この点群により平面図・断面図を作成した（図－11）．また、エントランスのフロアマップを図－12に示すが、パーテーション・テーブル等の形状もよく再現している．

図－10 鳥瞰図

フロアマップ

また、実距離を計測して点群間距離との比較（誤差）を実施した．なお、点のばらつきにより点群での距離計測は選択する点によって数cm変わってくる．
そこで、検証は2次元に書き出した2D図面にて行った．
4つの検証点で誤差が3cm以内とZEB-HORIZONの計測精度内であった（表－2）．ただし、検証点No.3
では取得点群が少なく、検証にばらつきがあった．
このように、山型のエッジ部では取得した点が少ないため、とがった箇所で精度を確保するには、高密度に計測する必要、例えば複数回計測する方法などが対処法と考えられる．ただし、径の細いものは高密度に計測してもばらつきが影響して正確な計測は不可能であった．
表－2 検証点間の比較
検証点

誤差

No.1

①－⑥2cmNo.2⑤－⑥1cmNo.3②－③2cmNo.4③－④1cm

備考①：床(階段入口)②：パーテーション上部③：パーテーション上部④：パーテーション下部⑤：床(玄関入口)⑥：床(壁部)

なお、フロアごとの点群を計測（GNSSが受信できない環境下で数ショット点群を取得）し合成する場合でも、特徴点を利用した合成方法が可能であり、検証もお互いの点群の特徴点同士を計測することで精度も確認できる．
GNSSが受信できない環境下でも3次元計測が簡便に可能となる点は、生産性が向上する結果である．

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(3) ポール横断測量
山地における水路をポールとスタッフを用いた「ポール横断測量」を従来の手法に代えて、モバイ
ル3Dスキャナによる3D計測を実施した．

図－13 ポール横断測量の例

図－14 現況写真
実測線(完成図)
点群からの断面線

図－15 実測図との比較
計測した点群から横断図を作成し、実測横断図に重ね合わせを行い相違を確認した．図－15に示すよ
うに、構造物表面ではほぼ一致し実測図とも整合が図られていた．盛土部では砕石を計測してしまい地表面の形状に違いが生じたが、構造物表面ではほぼ一致した．
通常、現地でのポール横断測量では複数人必要となるが（図－13）、ZEB-HORIZONでは一人で作業が行える．
また、点群は任意の位置で切り分けることができるため、現場全体の3D計測を実施しておくことで、後から追加で図面が欲しい位置の断面を迅速に生成することができる。内業で対応可能であり、再度の現場作業が発生しないため、安全性および生産性向上が期待できる．

４．まとめと今後の課題度等は明示されていないが、今回の検証により現況
地形及び施設・構造物を迅速かつ効率的に計測可能であることが分かった。また、機器の操作も容易に行うことができるため、汎用性が高いことも確認できた。
特に施設においては、屋内計測と屋外計測を同時に行うことができ、屋内・屋外シームレスな3次元計測が可能となる点も大きく、簡便性と作業効率から現状把握に有効と考える．
また、工夫次第、例えば延長ポールを用いれば手の届かない高いところ（天井裏）、および低いところ（マンホール、ダクト、水路）の点群取得、現状把握も可能となる．
なお、点群に座標を付与させる際に、基準点をGNSS測量（VRS:仮想基準点方式）することで、従来のTS（Total Station）測量より計測の効率化を図ることもできる．
モバイル3Dスキャナによる計測は、現地作業の動員人数が少なく、レーザーが届く範囲なら立ち入りをしなくてよい．そのため、現地に入りにくい災害現場などで活用することで、作業時間の短縮や安全性の向上が図れる．一方、内業（後処理）に時間を要するようになった一面もある．
後処理とは、設計に利用するためのノイズ処理、座標付け作業、草木や建物を除去した地表面のみの点群作成等である．
この後処理は点群処理ソフトの高度化が進んでいるものの、まだまだ手動作業も多い．
他にも点群データは非常にデータサイズが大きい
ために、保存場所やデータのやりとり、バックアップなどのファイル管理についても今後計測データが蓄積されていく中で、早急に解決しなければならない課題となっている．
また、計測精度の面では、地上型レーザスキャナと比較すると見劣りする点がある．
これらの課題は、技術開発（高精度化、コンパクト化）が進むことで改善していくと考える．
引き続き、精度向上と後処理の手法について、現地計測方法及び点群処理手法において繰り返し検証していきたい．

５．今後の展望
現在、点群データ取得の内製化によって、点群データは身近になり、実施数は拡大している．
今後は、「ポール・スタッフ・巻き尺・カメラの代わりにモバイル3Dスキャナ」をキャッチコピーに3D計測技術向上に取り組んでいきたい．
また、広範囲を一度に取得できるUAV等を活用した 写 真 か ら 3 次 元 化 を 行 う SfM （ Structure fromMotion）も含め、業務に応じた効率的で低コストな空間情報の取得方法の検証を進め、設計で活用できるデータにする方法を求めていきたい．

SLAMを用いた簡便な計測手法を用いるモバイル3D
スキャナは、現在公共測量作業規程に明確な手法精－72－