土木技術資料62-4(2020)

特集報文：見えないもの「痕跡」を検出する新技術の開発

UAVによる人工リーフの形状計測
加藤史訓・浜口耕平
現地調査

1．はじめに 1・対空標識（標定点、検証点の設置・測量）
・UAVによる静止画の撮影
・ナローマルチビームによる人工リーフの測量
・潮位の観測2014 年に改正された海岸法では、海岸管理者
は、その管理する海岸保全施設を良好な状態に保つように維持し、修繕し、もつて海岸の防護に支三次元点群データの作成
・空中写真測量の原理を用いて、空中写真から特徴点を抽出し三次元点群データを作成
・観測時の潮位よりも標高が高いと推定された
人工リーフ上の点は異常値として除外障を及ぼさないように努めなければならないとされた。また、合わせて改正された施行規則では、海岸保全施設の構造等を勘案して、海岸保全施設の巡視および点検を行うこととされた。海岸保全

水深の補正方法の検証施設のうち、堤防、護岸、水門等については、そ・水深の補正に用いる補正係数Nを下記手法で設定
手法１：1.34（相対屈折率）
手法２：水中の検証点の水深（測量値）と見かけの水深の比の点検方法等を定めたマニュアル 1) が国から示されているが、離岸堤、人工リーフ、突堤については検討中である 2) 。中でも海面下にある人工リー
フは、陸上構造物や離岸堤のように陸上から目視で高さ等を容易に把握できるものではなく、ナ

図-1

検討フロー

3．現地調査ローマルチビーム測深機等による水中調査が必要

新潟県上越市の大潟海岸に設置されている人工となるなど、点検費用を比較的多く要するもので

リ ー フ を 対 象 に 、 現 地 調 査 を 2017年 10月 27日 にある。そのため、継続的に実施可能な人工リーフ

行 っ た （ 図 -2）。 対 象 と し た 人 工 リ ー フ は 離 岸 距の簡易な点検手法の確立が求められている。

離 約 120m、 天 端 水 深 約 2m、 堤 長 約 150mで あ る 。

近年、UAV（Unmanned Aerial Vehicle）が陸上地形の計測などの公共測量に用いられている。
こ の 手 法 で は 、 写 真 測 量 の 技 術 を 用 い て UAVで撮影された画像に写った特徴点の位置座標を推定し 、 地 形 の 三 次 元 形 状 を 復 元 す る 。 UAVを 海 面下の地形等の計測に用いるためには、海面における屈折や波浪の影響を考慮する必要があるが、それらの影響に関する研究は少ない。
本 研 究 で は UAVを 用 い た 人 工 リ ー フ の 簡 易 な点検方法を検討することを目的として、海面にお⽔中の検証点ける屈折の影響の補正法を検討した 3) 。

2．検討手順
検討フローを図-1に示す。現地調査では、UAVによる静止画の撮影、対空標識および人工リーフの測量、潮位の観測を行った。撮影した画像を用陸上の検証点

いて三次元点群データを作成し、水面における屈標定点

折の影響を考慮した補正方法の検証を行った。
図-2────────────────────────Measuring the Shape of Artificial Reefs Using UAVs

－ 22 －

調査の対象地点（上）とUAVによる撮影コースの例（下、赤丸：標定点、黄丸：検証点）

土木技術資料62-4(2020)

表-1

解析時に海面においては三次元点群データの作陸上および水中の検証点の誤差の絶対値

水平方向の誤差（m）

鉛直方向の誤差（m）

陸上

0.005

0.004

水中

0.270

0.800

陸上

0.0020.034

水中0.450

0.400

陸上

0.020

0.022

水中0.2700.088

成が困難であると考えられたため、図-2の赤太枠のように人工リーフと陸域が少なくとも1枚の画
像 に 一 緒 に写 る よ う に、 高 度 150mか ら 鉛 直 直下G80

方 向 に 3コ ー ス （ フ ロ ン ト ラ ッ プ 率 90%、 サ イ ド
ラ ッ プ 率 （ 以 後 、 ラ ッ プ 率 ） 95%（ G95）、 85%（ G85）、 80%（ G80）） 撮 影 し た 。 な お 、 静 止 画

G85

撮影時の解像度は5280×3956ピクセルである。
対空標識は人工リーフ岸側の陸上（標定点6点、G95

検 証 点 1点 ） お よ び 水 中 （ 検 証 点 1点 ） に 設 置 した 。 陸 上 に 設 置 し た 対 空 標 識 は 大 き さ 0.6m四 方とし、設置可能な場所等の制約から護岸付近に、なお、濁りの影響の少ない画像を用いて解析を沿岸方向にほぼ直線上に配置した。また、水中の行うため、北海道庁から提供された北海道太平洋

検 証 点 は 水 深 約 1.2mに 設 置 し 、 波 浪 な ど の 影 響

沿 岸 の 人 工 リ ー フ （ 天 端 水 深 約 1.0m、 離 岸 距 離で移動しないように固定した。

約 100m、 堤 長 約 100m） に つ い て も 、 同 様 の 解

観 測 時 の 潮 位 は 観 測 地 点 か ら 約 6km 離 れ た 直
江津港において観測した。また、標高の推定値の妥当性を検証することを目的として、ナローマル析を行った。なお、撮影条件はフロントラップ率95％、サイドラップ率80％（H80）である。

チビーム測深機を用いた人工リーフの測量を実施

5．水深の補正方法の検証した。

5.1 水面における屈折の影響の補正
水面における屈折の影響を補正するために、三4．三次元点群データの作成

次元形状復元計算によって得られた人工リーフの現地調査で撮影された画像を用いて三次元形状

標 高 aと 観 測 時 の 潮 位 Zか ら 見 か け の 水 深 h a を 算復元計算を行い、三次元点群データを作成した。

定し（式(1)）、水深の補 正係数Nを 乗じること で三次元形状復元計算では、濁りなどの影響が見ら真 の 水 深 Hを 推 定 し た （ 式 (2)）。そ し て 、 図 -3のれた人工リーフの識別性を向上させ、特徴点の抽よ う に 、 Zと Hの 差 を と る こ と で 真 の 標 高 Aを 推出率を向上させることを目的として、撮影した画定した（式(3)）。

像を対象に色調補正を実施した。また、三次元形

h a ＝Z－a -----------------------------（1）状復元計算によって抽出された人工リーフ上の三H＝N×h a ----------------------------（2）次元点群データのうち、観測時の潮位よりも高い

A＝Z－H -----------------------------（3）標高と推定された点が見られたため、異常値として取り除いた。
設置した検証点の測量結果と比較して得た陸上および水中の検証点での推定誤差を表-1に示す。
陸上の検証点については、水平方向の誤差が、0.02m 以 内 、 鉛 直 方 向 の 誤 差 が 0.05m 以 内 に 収まっており、良好な精度で検証点の座標が推定された。一方、水中の検証点については、最大で0.8m程 度 の 鉛 直 方 向 の 誤 差 が 生 じ て お り 、 水 面における屈折の影響を補正する必要性を示す結果となった。また、水中における水平方向の誤差は、鉛直方向の誤差に比べて比較的小さいと予想していたが、0.4mを超える場合があった。

図-3－ 23 －水深の補正方法

土木技術資料62-4(2020)表-2G80、G95において天端面における標高の推定値

補正係数N

手法1

手法2

手法3は高く（水深が浅く）なる傾向があり、Nが過小

G80

2.651.84である箇所が見られた。一方、G85では、標高のG85

1.451.18

推 定 値 は 誤 差 ±0.3m以 内 ま た は 0.3mよ り 低 く な

1.07

1.59

1.34

G95
H80

-り、Nが過大である箇所が見られた。一方、手法2ではG80とG85ではNが過大に、G95ではNが過2.33小に評価される傾向が見られた。
さ ら に 、 手 法 1に お い て 、 G85で は G80と G95

Nは以下のように設定した。と比べ人工リーフ天端面の測得率（点群データが・海面での相対屈折率1.34（手法1）得られた部分の割合）が最も小さく、人工リーフ・水中に設置した検証点における測量値と三次元天端上の標高の誤差の標準偏差は大きくなったが、点群データの水深の比1.07~2.65（手法2）

誤差±0.3m以内の格子（1m四方）の割合はラッ

これらのほか、天端面全体の測量結果と水深補プ 率 が 高 い 方 が 大 き く な っ た （ 表 -3）。 ま た 、 大

正後の標高Hの推定値を用いた水深の誤差の二乗

潟海岸より濁りが少ない北海道太平洋沿岸の人工の和が最小となるNを求めた（手法3）。求めたNリーフを対象とした検討（H80）では、G80と比は表-2のとおりである。

べ 誤 差 ±0.3m以 内 の 格 子 の 割 合 は 同 程 度 だ が 、水深補正後の人工リーフの標高の誤差の平面分測得率と標準偏差は小さくなった。

布を図-4に示す。各ケースにおいて人工リーフの表面上の点群データが抽出され、三次元形状は再現できた。しかし、人工リーフの標高の誤差には空間的なばらつきが見られ、その特徴は各ケースにおいて異なっていた。
人工リーフのモニタリングに必要な精度は定められていないため、人工リーフの被覆ブロックの施 工 精 度 で あ る 0.3mに 着 目 す る 。 手 法 1で は 、

図-4

表-3

人工リーフ天端上の標高の測得率、推定値（手法1）の標準偏差と誤差±0.3m以内の格子の割合

ケース

測得率

標準偏差

誤差±0.3m以内の格子の割合

G80
G85
G95
H80

98 %
90 %
100 %
74 %

0.53 m0.70 m0.52 m0.19 m

12%
28%
34%
12%

水深補正後の標高の推定値の誤差の平面分布（各図の中央の黒枠内が人工リーフの天端面）－ 24 －

土木技術資料62-4(2020)

5.2 水深の補正係数の妥当性の検討
Nは直上からみたときに1.34となり、角度をつ6．まとめけた場合は1.34よりも大きな値となる（水深がよ本 研 究 で は 、 UAVを 用 い た 人 工 リ ー フ の 簡 易り小さく見える）。しかし、表-2のように、手法3な点検方法として、撮影した画像の補正、三次元

では、G85のNが1.18となったことから、水面で形状復元計算、異常値の除去、真の水深の推定との屈折に加え、他の要因が影響したと考えられる。

いう手順で水面での屈折の影響を補正する方法を

一 方 、 手 法 3の 他 の ケ ー ス で は Nが 1.59～ 2.33と提案し、人工リーフの天端高を一定の精度で推定なり、Nに1.34を用いると標高が高く推定されるできることを示した。本手法は、計測に適した時ことが示された。

期を選んだ定期点検のほか、高波による人工リー5.3 誤差のばらつきや欠測を引き起こす要因

フの被災に関する一次的な調査に活用することも標高の推定誤差のばらつきおよび欠測が生じた期待される。

要因を考察する。表-3のように、H80ではG80と比べて測得率は小さいものの、標高の推定値の誤謝

辞差の標準偏差が小さかった。また、G80とG95は鹿児島大学水産学部の西隆一郎教授、山口大学標準偏差に大きな違いが見られなかった。海水の工学部社会建設工学科の神野有生助教には観測条濁りの程度が異なる2海岸で標準偏差に違いが見件や解析方法について貴重なご助言をいただいた。

られたことから、標高の推定値のばらつきは海水

大潟海岸での調査では新潟県および上越市にご協の濁りの影響が大きく、ラップ率の影響や測得率力いただいた。北海道から撮影画像と測量成果をとの関係は比較的小さいことが示唆される。

提供いただいた。ここに記して謝意を表する。

また、大潟海岸では人工リーフの右側端付近で濁りが強く、欠測や誤差が生じた要因であったと参考文献考えられる。また、現地調査は静穏時に行ったが、

1） 農 林 水 産 省 、 国 土 交 通 省 ： 海 岸 保 全 施 設 維持 管 理マニュアル、94p.、2018
2） 国 土 交 通 省 他 ： 海 岸 保 全 施 設 維 持 管 理 マ ニュ ア ル
改訂検討委員会資料、http://www.mlit.go.jp/river/shinngikai_blog/kaiganhozen/index.html
3） 浜口耕平、加 藤史訓、橋本 孝治、小金山 透：UAVを 用 い た 人 工 リ ー フ の 形 状 把 握 に お け る 海 面で の屈 折 の 影 響 の 補 正 法 に 関 す る 検 討 、 土 木 学 会論 文集B2、Vol.74、No.2、pp. I_1429～I_1434、2018

天端水深が比較的小さい北海道太平洋沿岸では人工リーフ上で砕波が生じており、欠測が生じた一
因 と な っ た と 考 え ら れ る （ 図 -5）。 特 に 、 G85では、G80やG95に比べ測得率が小さく、濁りによる色調等の違いが三次元形状復元計算の結果に影響し、欠測が生じたと考えられる。
なお、海水の濁りが標高の推定値のばらつきに影響することから、水中に設置した検証点が少な

加藤史訓

浜口耕平

いとその標高の推定精度が低いと予想される。海
水の濁りがある地点では、水中に検証点を多く設置できない場合には、手法2は実用的ではないと考えられる。
国土交通省国土技術政策総合研究所河川研究部海岸研究室長、博士（工学）Dr. KATO Fuminori

図-5

撮影した画像の例－ 25 －

研究当時 国土交通省国土技術政策総合研究所河川研究部海岸研究室研究官、現 国土交通省水管理・国土保全局海岸室海洋開発係長
HAMAGUCHI Kohei