東急建設技術研究所報 No.37
東急建設技術研究所報No.37

U.D.C 681.782.2
U.D.C 681.782.2

三次元形状計測技術の開発（その３）三次元形状計測技術の開発（その３）－試作システムの現場への導入と計測データの解析－－試作システムの現場への導入と計測データの解析－
池野谷尚史＊ 遠藤要

約：

池野谷尚史＊ 遠藤
＊＊
大木由美
＊健

大木健＊

由美＊＊

本研究は，施工時に日々刻々と変わる構造物などの施工成果品の三次元形状データを日常的に取得して，品質管理や施工管理の省力化などへの利用を可能とする目的で，比較的簡単に三次元形状データを取得する手段の開発と，その利用による施工作業および施工管理への応用を可能とするソフトウェアの開発を目指すものである。
今回は，試作したシステムを用いて実物大の模擬トンネルにて計測実験を行った。また既存技術の出来形計測技術であるトータルステーションによる出来形計測と定置式三次元スキャナとの比較により精度の定量的検証を行った。その結果，既存技術と比べ精度の点で若干劣る一方，計測時間は大幅に短縮できる効果を確認した。また模擬トンネルの設計データとの比較連動テストを行い，照合の結果がほぼ支障ない時間内に表示されることを検証した。

ｷｰﾜｰﾄﾞ：目

次：

三次元形状，CAD，設計情報，レーザレンジファインダ，座標変換，定置式三次元スキャナ

1.はじめに

5.まとめ

2.試作システムの概要

6.今後の課題

3.フィールドテスト

7.おわりに

4.分析と評価

1.

はじめに
本研究は三次元設計情報を施工の現場で活用する 1)

トータルステーションための一つの手法として，構造物の現況出来形を三次元の位置情報として取得し，予め用意した三次元設計情報と比較することで，施工管理に必要な情報を即時出来形データを入力に生成するシステムの開発に関する研究である。第一三次元形状計測装置

報 2) では，適用が望まれる建設構造物と計測手法のコリアルタイム照合ソフト

ンセプト，および要素技術に関する調査とこれらを組合せたシステム構想の概要について報告し，第二報 3)
では，計測用の試作機の詳細，試作機の動作試験の結
３Ｄ設計データを入力（Landxml形式）

果について報告した。
今回は，試作システムによるトンネル構造物の計測計測と同時に照合計算（差の量に応じて着色表示）実験と取得データを評価した結果について報告する。
2.

着目したい位置での断面形状を確認可能

図１

リアルタイム照合システムの概念図

図２

三次元形状計測装置の外観と機器構成システムの概要
図１は，トンネル構造物を対象としたリアルタイム照合システムの概念図である。対象となる構造物の三次元設計データは汎用 CAD 等により予め構築し，計測した出来形データを設計の三次元データと逐次比較照合し，差異を展開図や断面図として表示する機能を持つ。
2.1

三次元形状計測装置の機能

図２は試作した三次元形状計測装置の外観と機器構成である。外部に設置した自動追尾トータルステーシ
ョンの追尾機能によって台車上の全周プリズムの位置を計測する。同時に台車上の三軸姿勢センサで計測中＊メカトログループ ＊＊土木設計部設計第一グループ*メカトログループ**土木設計部設計第一グループ

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3.の姿勢を常時取得し，逐次座標変換することで，レーフィールドテスト

ザレンジファインダ（以下：2DLRF）で得た照射点ま提案したシステムを用いた計測実験を（社）日本建での距離と角度から計測対象の三次元座標を求める。

設機械化協会施工技術総合研究所（CMI：静岡県富士2.2市）内の模擬トンネルにて実施した。写真１は模擬ト

リアルタイム照合ソフトの機能

リアルタイム照合ソフトは，データの取得・同期処

ンネルの外観，図４は模擬トンネルの三次元設計デー

理，センサ取得情報の座標変換と表示，設計データのタ，写真２はシステムによる計測状況，写真３は比較読込み，設計データと計測データの照合計算などの機用に実施した既存技術による計測状況である。
リアルタイム照合システムによる計測の結果，計測能を果たす統合的なソフトウェアである。
図３はリアルタイム照合ソフトの GUI である。鳥瞰

データの鳥瞰図・展開図・断面図が台車の移動に伴っ図（①）は設計および計測データを三次元表示する画て逐次表示され，計測結果のリアルタイム評価が可能面である。展開図（②）は照合結果を差異の大きさにであることを確認した（図５参照）。

応じて着色し表示する。展開図内の任意の位置にマー

延長 80m の全線計測に要した時間は，定置式三次元カを置くと，マーカ位置における計測データの断面がスキャナが 3 箇所の盛替設置手間を含め 135 分であっ断面図（③）に表示される。また GUI 下部（④）にはたのに対し，リアルタイム照合システムでは準備時間各計測器のボタン類，メッセージボックスが配置されを含めて約 15 分であった。これらの結果から提案シスている。

テムが既存技術に対して時短効果の大きいことが確認

2.3できた。

構造物の三次元設計データ

本研究では，対象構造物の三次元 CAD データがすでに用意されているケースを想定した。ただし，CAD のデータ形式を直接利用することは，データの互換性やソフトの複雑化など課題が多いため，CAD の三次元データをより汎用性の高い中間ファイル形式（以下LandXML 形式）に変換し，必要に応じシステム側で読込むこととした。なお，LandXML 形式の採用理由は現行の情報化施工（マシンコントロールやマシンガ

写真１イダンスなど）4)にこのファイル形式が採用されている模擬トンネル外観

ことに倣ったものである。
設計データを LandXML 形式へ変換するまでの手順を以下に記す。初めに三次元 CAD を用いてトンネルの線形や横断の形状を三次元で作図する。次に CAD の付属機能を用いて作図したデータを不整三角網（以下TIN）化する。最後に同じく CAD の機能を用いてより汎用的なデータ形式である LandXML 形式にエクスポ

図４ートする。TIN 化する際，オリジナルの設計情報はそ

模擬トンネルの 3D 設計データのまま反映されず（例えば曲線は多角形表示となる），大きく分けて点の位置と点で構成する平面の情報になる。今回の設計では，曲線を多角形表示する際に，曲線の弧と多角形の折れ線の最大離隔が実長で 1mm 以下となるように点の配置に留意した。

①

写真２

③

システムでの計測状況

②
④
図３

写真３

リアルタイム照合ソフトの GUI

既存技術による出来形計測（左：TS，右：定置式三次元スキャナ）

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表１

提案したシステムの計測精度（単位 mm）
平均値
（絶対値）

図５4.

模擬トンネルの計測時のインターフェース画面

標準偏差

計測精度

断面①15.3

12.427.7

断面②10.0

11.821.8

断面③24.2

15.439.6

断面④13.1

12.8

25.9

断面⑤15.413.3

28.7

断面⑥10.3

12.8

23.1

平均14.7

13.1

27.8

分析と評価
模擬トンネルの計測ではトータルステーションのノンプリズムモードによる断面計測を行っているため，これを基準値として提案したシステムの計測精度評価を行った。トータルステーションによる計測値からの差分の平均値（絶対値）および標準偏差（）をそれぞれ求めると，差分の平均値（絶対値）から 1の範囲に約 95%のデータが存在するため，誤差の最大値という位置付けで両者の和を計測精度として定義した。なお，データ数は 1 断面当り約 500 点である。結果を表１に示す。
各断面の計測精度は±21.8mm～±39.6mm で，全体の平均は±27.8mm であった。搭載している 2DLRF

トータルステーション
提案したシステム（SICK 社製：LMS-151）のシステム誤差が±30mmであり，これと同程度のオーダーとなることが予想されることから，概ね妥当な値であると判断できる。ま分電盤

た，図６に示す断面②の計測結果から，設計断面に対して天端がやや低く，側壁部が外側へ拡がった全体の

図６

傾向や，側壁部の分電盤といった特異箇所を概ね正確

断面②の計測結果（設計断面からの差分を 10 倍に拡大して表示）に計測できている事が分かる。ただし，断面を拡大して見ると，提案したシステムによる計測値にはばらつきが大きく，断面形状が滑らかでないことが確認でき

表２る。計測精度に悪影響を及ぼしている事も推察される

平滑化した時の計測精度（単位 mm）
計測精度

ため，データの平滑化について検討することとした。
平滑化なし

単純移動平均

加重移動平均が，データ照合のリアルタイム性を損なわないために

断面①27.725.425.3

も，最も簡便な方法の一つである移動平均法を検討す

断面②21.820.819.6

ることとした。ただし，一般に移動平均は実際のデー

断面③39.636.736.8

タの増減から少し遅れて平滑化した上で追随する。そ断面④25.924.423.9のため，断面②の分電盤のようにデータが急増・急減

断面⑤28.725.925.8

断面⑥23.1

18.018.2

平均27.825.224.9

平滑化手法としては，様々な方法が提案されているする特異箇所の表現が困難である。そのため，直近 n個のデータの平均値を用いる単純移動平均と，近い順に線形的に重みを付ける加重移動平均の 2 種類を検討することとした。また，n の値については 10 点とした。

無くなり，基準としたトータルステーションの結果に平滑化した時の計測精度を表２に，図６に平滑化し近似することが確認できた。ただし，特異箇所であるたデータを重ねたものを図７に示す。計測精度の値と分電盤位置では，平滑化を行う事によってデータが下しては，2~3mm 程度の向上が確認できる。また，単純側に移動している。単純移動平均に比べて加重移動平移動平均と加重移動平均でほとんど差は見られなかっ均の方が，やや正しい位置に近いものの，どちらも許た。断面図上に描画してみても，データのばらつきが容することはできない。したがって，トンネルの覆工

3333

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出来形の計測のように，ほとんど凹凸の無い構造物の計測データに移動平均法を適用することは可能であるが，隅角部のあるような構造物の場合は不適である。
5.

まとめ試作したシステムを用いて実寸大の模擬トンネルにおいて計測実験を行い，計測データと設計データとの比較照合がほぼリアルタイムで行われることを確認した。また計測データの精度評価を行い，現状での計測精度が±28mm 程度であることを確認した。また，移動平均法によるデータ平滑化の検討により，トンネル覆工面のような凹凸の少ない構造物における適用は効トータルステーション
元データ
単純移動平均（10点）
加重移動平均（10点）

果的であることが分かった。
6.

今後の課題
今回の実験を受けて，現場における運用に向けた課

題としては下記が明らかになった。
①計測精度の向上

図７

現状の計測精度では，構造物の出来形管理手法とし断面②の計測結果（平滑化後）（設計断面からの差分を 10 倍に拡大して表示）ての適用は困難であり，今後の精度向上が必須である。
例えば，搭載している 2DLRF の変更等の精度向上対7.

おわりに今回報告した実験により，本技術の現状の性能や特策を検討していく。

長について把握することができた。今後の実用化につ②施工性の向上
本稿では触れていないが，現状の移動台車では路盤いては計測精度のさらなる向上，ソフトウェアの信頼の不陸が大きい場合や軟弱であるような場合には大き性の向上など課題は多い。本技術の特長を生かせるよく作業性が低下することが予想される。台車の軽量化

うな適用法を検討していく所存である。

や簡素化等の対策を検討していく。
謝辞

本研究は九州大学大学院システム情報科学研究院との共同研究である。また本研究の一部は国土交通省 H21-H22 年度建設技術研究開発助成制度より補助金の交付を受けて行われたものである。社内外の関係各位に謝意を表す。

参考文献
1）森下博之：情報化施工推進戦略について，建設の施工企画，pp.10-14，No.705，2008 年 11 月
2）遠藤健・小池武史・池田直広：三次元形状計測技術の開発（その１），東急建設技術研究所報，No.34，pp.33-36，2009 年 3 月
3）遠藤健・小池武史・井上大輔：三次元形状計測技術の開発（その２），東急建設技術研究所報，No.35，pp.41-44，2010 年 2 月
4）建設施工における情報化施工システムとは？，JCMA HP，http://www.jcmanet.or.jp/new/2009/kensyukai1130_01.html

DEVEROPMENT OF THE 3DIMENSIONAL MEASUREMENT EQUIPMENT No.3
A FIELD TEST WITH A DEVICE PRODUCED EXPERIMENTALLYAND ANALYSES OF MEASURED DATA
T.Ikenoya, K.Endo and Y.Ooki
This study aims the development of method for acquire three-dimensional shape data of structures and software forlaborsaving of quality control and execution management. This time, experiments were performed using a prototype systemmeasured at full scale mock tunnel. The quantitative accuracy is also verified by comparison with existing measurement
technologies. As a result, measurement accuracy by prototype system was less than that by existing measurement
technologies. But prototype system can shorten measurement time considerably. Moreover, it was verified that thecomparison results between measured data and design data were displayed immediately.

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