レーザ・全方位カメラを用いた軍艦島の計測とモニタリング
西村正三＊，木本啓介＊，松田浩＊＊

The Measurement and Monitoring at Gunkanjima-Islandby Using 3D laser scanner and Sphere Camera
Shouzo NISHIMURA, Keisuke KIMOTO and Hiroshi MATSUDA
By using 3D laser scanner, we measured and applied the As build data of Gunkanjima-Island that the collapses
progress in various industrial heritages. We showed that we can support to draw a damaged plan more easily with thepicking out break-lines from the 3D laser data, and monitor the deformation with the 3D laser data measured at two times.
In addition, we have developed new inspection system aiming at high resolution photos for specific areas as well as awhole picture of objects such as Sphere-Camera. This is referred to system covering “micro to macro on any objects” It
proposes effectiveness of "Detailed image search system by using sphere image" that uses sphere image as an index andapplied the possibility in the future.
Key words: Industrial Heritage，Gunkanjima-Island，Laser scanner, Sphere-Camera ,Deformation Monitoring

１．はじめに点群情報（座標値と反射強度：x,y,z,i）を取得する機器であ

近代化産業遺産は，製鉄所などの工場設備や鉱山，橋，る．高密度で計測された点群は，現状を忠実に再現し構造ダム，発電所などの建造物，さらには河川や港湾施設など，物の補修・補強検討の際に有効とされている 3)-6)．Fig.1 は産業の発展と社会の近代化を支えた総体を文化遺産として点群処理から得られる成果とその処理時間の概要を示した．

捉える概念である．しかし，近代化産業遺産に関しては，通常数箇所から計測した点群の合成・面化処理を経て立面関連する法制度，管理体制，修理技術などが，従来の木造図などの各主題図の作成や時系列データの差分から変形図を中心とした文化財建造物と比べて多様であることなどかなどの作成が行われる．このとき点群密度を上げればそれら，それらの修理，管理，活用に関する考え方や手法が十なりに成果品質の向上は期待できるが，データ容量は急増

1)分確立されていないのが現状である ．また規模が大型で，し，その処理時間も増大するため AsBuild を確保したデー

老朽化が進んでいるものが多く，調査には危険性が伴う．

タ容量の低減化策などが課題となっている．特に先述した

そこで従来のような手法で建造物の正確な形状記録や図面化作業は点群を基に CAD トレースする作業が主体で変状を計測することは困難であり，先端計測技術である３あり，この省力化・自動化を図るため，構造物の輪郭を抽Ｄレーザスキャナやデジタル画像などを用いた計測・解析

出する－稜線抽出のアルゴリズムが種々提案されている 7）．

技術による支援が有用としている

2)．本論文では，近代化

今後３Ｄレーザを構造物の変状記録と監視，さらには維産業遺産として注目されている端島（以下軍艦島）を例に,持管理に活用していくためには，必要十分な AsBuild デー

３Ｄレーザを用いた現場のあるがままの形状を捕捉する

タ取得と，データ容量が低減される稜線抽出の利用や構造

AsBuild データ取得手法とモニタリングへの利活用につい物の復元設計と構造性能を評価するためのＦＥモデル化がて考察した．また構造物を調査するとき多数の写真を撮影重要になる．

するが，撮影位置に関する情報を付与できないかとの要求
FE model事項も多い．そこでより簡易に監視・モニタリングを行う

CAD性と今後の応用可能性について提案する.

２．レーザスキャナ計測の概要と利活用
レーザスキャナはレーザを計測対象に高密度で照射し，原稿受付 2011 年 7 月 12 日＊
非会員 ㈱計測リサーチコンサルタント（〒732-0029
広島市東区福田 1-665-1）＊＊

正会員

長崎大学工学部（〒852-8521

長崎市文教町 1-14）

processing line・time

ための一手法として全方位画像をインデックスとして活用
した「全方位画像を用いた詳細画像検索システム」の有効

SurfaceTIN

Joint process

Measured
Data

・3DCG model・Section・Contour

Deformation Plan

Picking out
Break-lines

Deformation
monitoring

Measurement ofAs build Dataeach subject figure etc

Fig.1 The conceptual scheme of an apply
3Dlaser cloud data30th Building

３．軍艦島の概要と３Ｄレーザ計測の経緯
軍艦島は，長崎県南部，長崎半島の西方海上にある面積6.3ha の小島である．日本有数の海底炭田の島として知られ，開坑は明治初年，以来発展して年産約 25 万 tf の石炭を産出するまでに達した．島内に選炭場，接岸施設など諸施設

Gunkanjima-Island50ｍのほか，人口約 5 千人を収容する 7～9 階建てのアパート群が建ち並び，当時世界一の人口密度 5 万人/km2 であった．
1974 年に閉山し，現在は無人島になり，Fig.3 に示すようにアパート群が廃墟として残っている．長崎市は，2006 年6 月に調査を行い，軍艦島の保存に関しては，現状のままとして，自然の風化にまかせ，朽ち果てていく過程をみせる方針に決定した．筆者らは，平成 21，22 年度「軍艦島The point data measured from 25 positionsの鉄筋コンクリート造高層建物群の環境劣化調査と安全性評価に関する研究」の一環として，３Ｄレーザスキャナを用い島内 30 号棟（大正 5 年：日本最古のＲＣ構造物）を中心に軍艦島全域の計測及びそのモデル化を行った.
３．１

建造物の監視計画（３Ｄレーザデータ）
Left)Situation of
the measurement
using the laserBottom)situation of
the measured point「軍艦島」は産業遺産の世界遺産暫定リストに記載され長崎市の端島・高島炭坑の文化財指定に向けた調査・検討を進める「端島炭坑等調査検討委員会」（会長岡田保良国士舘大学教授）」にて継続審議中である．しかし劣悪な環境の下，日々劣化が進行しておりこの審議中（3 年間）に大きく形態が変化することも十分考えられた．そこで取得した３Ｄレーザデータから効率よく破損図を作成する手法，および 2 時期にまたがる三次元情報から崩落箇所の抽出と崩落体積の算出を試行した．これら３Ｄレーザ計測，画像情報を用いた構造物の現況把握および監視に向けたフローを Fig.4 に示す．なお本論文では,紙面の都合から 5.差分処@5～10mm

理について述べる.

Fig.3.

３．２ レーザ計測

panorama of Gunkanjima-Island and the situationof the measurement using the 3D laser

平成 22 年 2 月と 10 月に３Ｄレーザによる三次元計測を行った．用いた３Ｄレーザ計測装置は，Fig.2 に示す Riegl

Measurement using 3D laser（Measured in 2010 February,Otober）

VZ-400 であり計測距離は 350ｍまで可能であり，上部に搭載した広角カメラで色情報の取得も同時に行った．計測は各壁面の点密度が@5～10mm 程度になるように計測した.
高速・広範囲・高精度に計測することができるため計 25箇所から計測した各々の３Ｄレーザデータを統合させ，島Analysis and processing of data
・point data
・surface data・making a 3DCG modelDigital image
4. picking out break-lines

Making a subject plan

内の約 8 割程度の 3 次元化を行うことができた.
Ortho image
Riegl VZ-400
distance
precisionarea
Measurement rate/s
wavelength of thelaser
Radiation Anglemeasurement
method*)Damaged plan
350m
5mm
100×360°
122,000times
near-infrared rays.
Damaged plan(Crack)
Monitoring system
100°

0.3mrad*)Analysis
corrugation

5. Difference processing
The specification of a partwhich deformation collapses.
6. Picking out break-line
The specification of a partwhich deformation collapses.

0.3m rad = 30mm width at 100m

Fig.2

3D laser measuring equipment

Fig.4

Application of the 3D measured date and monitoring flow３．３ 点群データ差分処理を用いた崩落部位の特定
劣悪な環境の下，軍艦島の炭坑遺産は日々劣化し崩落も2010, Feb2010, Feb2010,Oct2010,Oct

進行している. 通常変状箇所の抽出やモニタリングには，時系列の写真を入念に見比べて実施することが多いが，規模が大きくなると煩雑な作業となる．そこで今回３０号棟の南西面を対象に３Ｄレーザで計測した 2 時期（2010 年 2月，10 月計測）の計測データを元に，劣化進行の把握が可能かを検証した．なお３Ｄ計測機器は高価であり機器を常時設置しておくことは費用対効果の観点からも現実的でない．そこで計測位置をずらして計測した場合においてもデータの再現性が図れるかについても検証した.
2 時期の計測箇所を 3m 程度ずらして計測したが，Fig.5に示す部位①～③において劣化進行（崩落）を把握するこFig.6

Detail pictures of part ① and ②とができた．
３．４ 部位①詳細検討
大きな台風の襲来を受けていないこの数ヶ月の間にも数箇所の崩落箇所を確認できた．部位①の窓マグサ（垂れ1580*150*280

壁）の一部が崩落した箇所について詳細に解析検討を実施した．Fig.6 で確認できるように 2 月の段階で既に鉄筋爆裂によるひび割れ（幅 8 ミリ程度）が発生している.
2 月のデータは点群，10 月のデータは面化処理して重畳表示したものを Fig7 に示す. この垂れ壁の崩落した部位寸法は，1580*150*280ｍｍであり全断面が欠落した.
当該３０号棟の南西面の点群は 5mm 程度の点密度で形

Fig.7

Overlapped surfaces with point-clouds

３．５ 崩落部位の図面化
Fig.8 は，2 時期の点群をもとに３Ｄ図化して重畳表示し成されており，全体の点数は約 110 万点におよび容量は txtたものである．赤が 2 月，青が 10 月を示すことから変化の形式で約 500MB である．このように 2 時期のデータを機ない箇所は紫色表示となる. 計測位置が 3ｍ程度移動して械的に重ね合わせることで経年変化の比較が可能である.

いるにも関わらず描画したラインは概ね同じ形状で抽出され，崩落寸法を図面としても提示する事も可能となる.

White: 2010, Feb
Green:2010,Oct②①

Red : Feb
Blue：Oct

Fig.6 The result of picking out break-linesPart③(30th building)CollapsingatPart ①
Collapsing at window folder

Fig.5

Part② Collapsing
at upp er sash ofwindow

a part ofwiondow

Southwestern side of 30th building andPicking out collapsing partThe detail of part ①

The detail of part ②

Fig.8 The specification of collapsed part by using picking
out break-lines

４．全方位・詳細撮影システムによる調査手法

最大 15 枚の撮影が可能である．
自動合成されたパノラマ画

４．１

像は連続的に表示され任意の方向から構造物の概観を確認

判読可能な画像分解能について筆者らは，これまでに撮影画角と認識可能な「ひび割れ可能である．しかしカメラの CCD サイズは 6.9×5.2mm，レ幅や部位の判読可能性」について各種調査・研究の中で種々

ンズは 3.3mm（35mm 換算で 18mm）と広角なため，撮影の検証を行ってきた．Fig.9 は，遠隔からデジタルカメラを距離が 7m の場合の解像度は 10mm/pix 程度となり対象物の用い撮影したボルトの欠損・錆発生状況の判読と画像分解詳細把握までは困難となる(Fig 9)．そこでこの解像度不足能を整理したものであり，径 30mm のボルトを認識するたを解消するため Ladybug3 と平行して 12MP の一眼レフカメ

めの解像度は 3mm/pix が必要であることを示している.

ラを用いて撮影を行い「全体構造から局所部材までをカバ例えば上記の解像度を基準に一眼レフカメラを用いてーする全方位・詳細撮影」システムを考案した.

2

軍艦島３０号棟（延べ床面積：3,800m ）外壁の破損状況を5撮影記録する場合，個々の画像の画角は 5*3.5m の 17ｍ2，構造物 1 棟あたり 400 枚程度が必要となる．構造物を調査する際には，このように多数の写真を撮影し調書を作成す01ることが行われるが，撮影した写真は撮影位置がわかりにくく，また過去の調査写真と比較するために同じアングルでの写真が必要とされることも多い．加えて撮影位置情報
Ladybug3を付与したいとの要求に対し, 市 販 の GPS 内 蔵 の カ メ ラ
で 撮 影 す る こ と も あ る が ,位 置 精 度 や 方 位 が 不 明 で
あ り 構 造 物 の 詳 細 部 位 の 特 定 ま で は で き な い ．そこで全方位画像をインデックスとして活用した「全方位画像を用いた詳細画像検索システム」を試作するとともに今後の応用可能性について検討した.

Low

Stitching Layout

Fig.10
４．３

ResolutionHighY

Specification of Ladybug3 and Stitching

全方位パノラマ歩行撮影

撮影は，歩行時の振動を吸収する防振装置にＰＣと全方位カメラを搭載した撮影システム（PanoHANDY）を用いた．この装置は歩きながら安定した連続画像をＰＣで操作格納しながら全周を見ることができる．GPS と連動させることで地図上に歩行経路表示も可能である．また撮影画像

1.5

31030mm/pix

はタブレット型PC（例えばiPad）で，自在に360度パノラマで確認も可能である．例えば以前撮影したパノラマ画像を格納し，次回の点検時に現地で崩壊箇所などの確認も容易に行える．
Sphere Camera

PC

Dolly shooting system withStabilizer

Fig.9
４．２

Resolution-Visibility Chart全方位パノラマ画像の概要（Ladybug3）

5,400 pixel at 360 deg
Sphere Viewer for iPad

構造物全体の概要は，種々 の調査で活用 されている
Ladybug3 (Point Grey Research 社)を使用した 8,9）．この機器
は 200 万画素(以下 MP)のカメラ 6 個で構成され，1 秒間にFig.11

Sphere Imaging System

４．４

４．５

詳細確認画像取得（一眼レフカメラ）

画像検索システムについて一眼レフカメラ（Nikon D700, 12MP）を用い撮影解像度

画像登録・検索システムのイメージを Fig 14 に示す．

が最低 3mm/pix 程度，及び窓枠の 1 モジュールが 1 画角と４．４で述べたように２種類の各カメラの特徴である画角なるよう撮影を行った．必要解像度を満たしつつ，窓枠毎と解像度に着目して開発した「画像検索システム」についに撮影を行うことで，解析処理時の効率化を図った．て概要を説明する．全方位撮影は意識せずその場の全周囲２種類のカメラ（全方位と一眼レフカメラ）の撮影距離の画像が自動・リアルタイムで格納される．一方一眼レフと解像度の関係を Fig 12 に，また距離２０ｍに位置する部

カメラ撮影は，調査技術者が，これまでの経験・知見を基に必要十分な解像度で実施される．登録手順は，現地で全位を撮影した各画像の一例を Fig 13 に示す．
全方位撮影は解像度が 25mm/pix 程度であり，部位の詳方位画像を拡大表示し，並行して撮影した詳細画像をこの細形状までは確認できない．一方一眼レフカメラは，全方位画像上にインデックスとして登録する．現状は手動0.6mm/pix と高精細でありひび割れまでが十分確認できる.

で登録するが，将来的にはカメラに内臓されている GPS や距離３ｍの部位では，全方位撮影は解像度が３mm/pix 程度ジャイロ機能で自動登録の可能性も十分にある．このようであり，鉄筋の爆裂程度までは確認できる．しかし一眼レに全方位展開画像と詳細画像の双方向の検索が可能な「画フカメラに比べ CCD（撮像素子）サイズが 1/3 程度しかな

像検索システム」を用意することで画像整理作業とモニタいため，ダイナミックレンジが小さく，色再現性に劣る．

リングへの効率化が期待できる．

Resolution[mm/pix]

Sphere Camera

Single lens reflex camera

20f : 10mm(FishEye)
Ladybug3
f : 3.3mm
10Nikon D700
f : 50mm
f : 120mm

Fig.14４．６

05

Fig.121015

2025

30 Distance[m]Distanc

Relation between distance and resolution

Image Search and Link system (Concept)

今後のシステムの応用展開について

軍艦島の外周は旧来の天川護岸壁を周囲から鉄筋コンクリートで包み込む形で補修，補強がなされてきた．この波浪から軍艦島を防御する護岸壁の損傷把握は重要な課題である．しかし外海からの調査・計測は固定された場所がないため困難となる（Fig.15）．

Offered by Nagasaki City.

Fig.15Situation of shore protection of Gunkanjima-Island

そこで今回紹介した全方位カメラの連続画像と GPS を基にした最先端の画像処理技術である－Camera Vector
Technology （CV 技術）を用いることで動揺する船舶から撮影した連続画像を基に３次元化も可能となる 10）．CV 技術とその応用イメージを Fig16,17 に示す．この CV 値は，全方位カメラで連続撮影した各画像の中から多数の特徴点（200 点以上）を抽出し，その特徴点の動きを動画フレームを超えて追跡することで全周画像全フレームの位置・姿勢を数値化するものである．精度は GPS 精度にも影響され撮影距離の 1/100 程度と報告されているが，画像から簡易
Fig.13

Resolution and image acquired with two kinds ofcamerasに寸法を算出することができる．また GPS 支援のマルチビ

ーム測深，レーザスキャナそれにＣＶを組み合わせること化が進んでいる構造物が多いため，大規模な補修，補強ので Fig.18 に示すように水中部から陸上部までの連続した測機会が増えるものと考えられる．しかし文化財であるがゆ量・計測が可能となり今後の軍艦島全体の維持管理，保全えに調査や監視方法に制約があり（なるべく非破壊・非接整備を検討する上で有効なものと考える．

触であること），他の構造物と同様の調査，監視が行えない

P1P4P5P2P3P6P1P4P2P1P4P5 P2P3P5P6 P3P6こともある．
以上のことから，３Ｄレーザ計測やデジタル画像を用いた光学的な計測は，非接触で３次元形状，詳細画像取得が行えるという利点から，今後もその利活用は色々と展開されるものと思われる．また両者の技術を組み合わせることで，より高度な保守点検調査・解析を行うことができる.
建設分野における簡単･高精度な測量・計測に関するニ

Cameraposition1

Position2

Fig.16

Principle concept chart of CV technology

Position3ーズは潜在的に多いと考えられ，この分野での光学的な計測手法の応用展開を今後とも進めて行きたい．

The position information on the camera are obtained by photogrammetry.

謝辞：軍艦島上陸に当たっては，長崎市企画財政部世界遺産推進室の方々に便宜を図っていただきました．
３Ｄレーザ計測ではリーグルジャパン㈱，全方位カメラ撮
影では㈱ビュープラス様にそれぞれ協力いただきました．
紙面を借りて深く感謝いたします.
Situation of shore protection

参 考 文 献1）Shimizu，K. et al.: How to observe and investigate the structures,
Modern Industrial Heritage (in Japanese)，Gyousei（1998），13-37．
Sequential Images

Fig.17

Image Local Features

Sea shore investigation by Sphere image capturingsystem (Concept)2）Nishimura, S. et al.: The development of the support system toconserve and repair the heritage with the apply of the techniques thatanalyze the information (in Japanese). Journal of JST（2006），
3）Nishimura,S. et al.:Digital Information Utilization on Preservation
Management of Cultural Properties.2002

GPSSatellite

ISPRS － Corfu, Greece,

2-6,September, (2002) (CD-ROM).
4）Matsuda,H. et al.:3-D digital photogrammetric measurement of thestructure and 3-D finite element free vibration analysis (in Japanese),CV technology

GunkanjimaIsland

Survey ship

Vol.53A，(2007)(CD-ROM).
5）Takahashi、Y. et al.：The 3D measurement of stone bridges and theshore protection

Multi beamscan

apply for the 3D FEM models (in Japanese), The 64th Japan Soc. Of
Civil Engineers (2009)(CD-ROM).
6）Nishimura, S. et al.: System for assisting in restoration of stone walls,

Fig.18

Image of measurement from underwater to land

using 3D modeling, 22nd CIPA Symposium, October 11-15, （2009）,(CD-ROM)．

５．まとめ7）Kitamura,K. et al.:Picking out the break lines using the point data

大規模で劣化の進んだ不整形な構造物に対し，形状をあfrom 3D laser scanner in consideration of the measurement at Real

るがままに取得できる３Ｄレーザ計測は有効であり破損図

environment (in Japanese), The 16th Image sensing Symposium,作成までを支援できることがわかった．

IS1-08,(2010) (CD-ROM).

一方より簡易に変状を記録，監視する手法としてパノラ

8）Hirata,Ｋ.et al.: About use of the investigation of the local photograph

マ画像と一眼レフカメラを組み合わせた「全方位・詳細撮

image that uses the digital technique,影」を試行した．現場に機器を手軽に持ち込み，現状と以

9) Nishimura,S. et al.:Development of On-Board Image

前撮影した画像とを容易に比較することもでき崩落箇所のMeasurement System for Actual Running and Application to Wall

確認が行える．
今後，地域振興を担う観光資源としても，近代化産業遺産がますます注目をあびることになると思われるが，老朽

Surface Surveys of Structures,JAST

JAST Vol.21,(2010) (CD-ROM).

vol.21,(2010) (CD-ROM).

10）ex http://www.topcon.co.jp/positioning/products/product/
3dscanner/ips2lite.html