平成26年4月25日発行（毎月1回25日）

建 設 機 械 施 工

平成 26 年 4月 25 日発行（毎月 1 回 25 日）通巻770号

Vol.66 No.4 （No.770）

ISSN

2187−851Ｘ

建設機械施工 4

日本建設機械施工協会誌

2014

Vol.66 No.4 April 2014（通巻770号）

4特集

建設の情報化，無人化，ロボット化
建設の情報化︐無人化︐ロボット化 特集
定価 本体八〇〇円︵税別︶

日 本 建 設 機 械 施 工 協 会﹁建設機械施工﹂

雑誌 03435−4

マルチコプタによる航空写真測量

飛行中のモニタ画面

巻頭言

作業の自動化とロボット化

行政情報

次世代社会インフラ用ロボット開発・導入に向けて● 国土交通省におけるCIM の取組み●

部会報告

コンクリート機械の変遷（2）

技術報文

情報化施工の現状と将来展望
情報化が導くスマートな建設現場 ―事例紹介―● 情報化施工を活用した3D盛土情報管理システム● 災害対応のためのロボット技術開発と運用● 4D土工管理のマルチコプタ運用●●

一般社団法人 日本建設機械施工協会

建設機械施工 Vol.66

No.4

April392014

特集＞＞＞ 建設の情報化，無人化，ロボット化

4D 土工管理のマルチコプタ運用
土工管理の見える化
和田章

三・田中

正人・岡本直樹

土工管理に必要な地形情報処理の概要とそのツールである 3D-CAD の利用法として，岩盤表示・工事用道路設計・施工段階図（4D）等の作成例を簡単に紹介する。また，入力する地形情報の取得手段として，短時間に広域測量ができるマルチコプタによる航空写真測量が，経済性と取扱面においても利用可能レベ
ルとなり 4D 土工管理に使えるようになったので，その導入例とその運用法を報告する。
キーワード：……土工管理，機械土工，情報化施工，地形情報処理，DTM，DEM，3D-CAD，CIM，写真測量，UAV，マルチコプタ

1．はじめにに は， 地 形 等 を 情 報 処 理 に 適 し た DTM（Digital…
Terrain… Model：図─ 1）として数値化しておくと後近年，情報化施工が進展して締固め管理や仕上げ整の作業展開が容易となる。

形の他に，出来形検査への適用が始まっている。また，
BIM の影響を受けて土木分野でも CIM 構築の取組みが始まった。このような背景により 3D-CAD が漸く土木業界にも普及し始めている。
土 工 事 用 の 3D-CAD は， 地 形 を 扱 う た め TIN（Triangulated… Irregular… Network： 不 整 形 三 角 網 ）によるモデルリング技術が必要不可欠であるが，このような 3D-CAD は 4 半世紀前に既に輸入されていた。
しかし，当時のパソコンでは能力不足で，グラフィックワークステーション（WS）を必要としたため，業界の一部でしか活用されなかった。
また，入力情報である地形の広域測量の方法として古くから航空写真測量があり，手軽な空撮手段としてラジコンヘリや気球，エンジンカイト等の利用が試み

図─ 1

DTM の概念図 1）られてきたが，永らく決定打がなかった。ところが近年，安定飛行を容易に行えるマルチコプタ等の小型そのため 1980 年からパソコンを導入し，土量計算

UAV（無人航空機）に必要な要素技術が技術革新にやマスカーブ，線形計画法（LP）による最適土量配より廉価で入手でき，爆発的に普及が拡がり，空撮手分計画等を行ってきた。その頃扱える地形モデルは，段として各方面で利用されるようになった。

図─ 2 の断面表示（一次曲線）モデルやグリッド表示（双一次曲面）モデルであった。1989 年にはグラ

2．地形情報処理

フィック WS を導入し，いち早く 3D-CAD の利用を始めた。TIN モデルにより地形情報処理が飛躍的に

機械土工は自然地形を対象としているため，地形と向上し，細かな地形サーフェスを形成でき，スムース地質等の空間情報の把握が重要となる。土工の施工計

シェーディング等で滑らかに地形を表現できるように画においては，まず地形と地質を調べ，土量とその分なった。また，3D 道路設計が可能となり，工事用道布を把握してから土量配分計画を作成する。そのため路の設計や切盛展開図の作成に利用し始めた。

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April 2014（3）工事用道路の設計
土量配分計画では搬土経路を設定する。経路の線形は，土取場と盛場の空間的位置関係と地形，搬土機の性能等を考慮して決定し，工事用道路の設計には，道路設用計 3D-CAD を用いる。図─ 4 はグリッド表示の地形に工事用道路部分のみ TIN にレンダリングを掛けた例である。図─ 5 は TIN モデルに地形平面図
図─ 2

各種の DEM

2）をテクスチャマッピングで貼付けた例である。

（1）DEM
地形図を数値化するための一次地形情報には，等高線，断面図，格子点標高，ランダム点標高があり，数値標高モデル（DEM：digital…Elevation…Model）には図─ 2 のようなものがある。パソコンでも TIN モデ
ル の 利 用 が 2000 年 頃 か ら 可 能 と な っ た。 以 下 に
3D-CAD の利用例を示す。
（2）岩盤面の見える化図─ 4

グリッド表示 1）

機械土工では，土砂・軟岩・硬岩等の土質別土量の把握が必要であるが，土質別の DEM データがない場合には，ボーリングデータや弾性波探査結果から全体を推定するしかない。図─ 3 上は，弾性波探査の層構造解析断面図である。図─ 3 下は，弾性波探査の 4測線に解析断面図をパネルダイアグラムのように挿入し，面内挿により計画盤より上の岩盤サーフェス，即ち掘削岩の形状をビジュアル化した例である。
図─ 5

工事用道路設計の例（4）施工段階の見える化施工計画では図─ 6 のような施工段階図を作成し，可視化による切盛展開や取付道の検討を行い，関係者との打合せや作業の周知にも利用している。

図─ 3

岩盤境界の推定 1）図─ 6施工段階図

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3D-CAD で作成した施工段階図は，自由な視点で俯瞰でき，ウォークスルー機能で自由に動き回ることができる。また，各施工段階図を時系列にコマ落しで表示すれば 4D 表示（アニメーション）となる。
図─ 6 は処分場建設における施工段階の一部を例を 20 点／秒で自動スキャンが可能である。
一方，写真測量にも地上型と飛行型があり，広域測量が可能な航空写真測量に UAV が利用できる。
近年，機動性に優れた UAV の低価格化と操作性向
上 に よ り， 各 方 面 で の 利 用 が 急 速 に 進 ん で い る。
UAV には固定翼と回転翼タイプがあるが，回転翼の示したものである。

マルチコプタの普及が目覚ましい。
（5）機械配置
図─ 7 のように建設機械を 3D モデリングしておけ
ば，施工段階図に CG 建設機械を配置して検討することも可能で，稼働アニメーション

1），4）にも利用できる。

（2）マルチコプタ
マルチコプタは，無線操縦ができるマルチロータヘ
リコプタのことである。放射線状に通常 4 ～ 8 つのロータブレードを配置し，回転方向の異なる差動推力を調整して飛行制御を行う。近年，産業用航空ビデオや写真撮影，教育・研究機関のツールとして急速に利用が進んでいる。ここでは，導入したマルチコプタによる航空写真測量システムの運用法を紹介する。
①機器構成
（a）機体
機体は，Freefly… Systems 社製の CineStar6 をベースとした 6 ロータブレードで，フレーム素材は超軽量

図─ 7

CG 建機

3. マルチコプタによる航空写真測量の高強度ドライカーボンである。これに 3 点支持ランディングギアとカメラジンバルを装着している。制御装置はフレーム中央部に搭載し，その上部にリチウムポリマ電池 2 個を載せている。動力はダイレクトドラ（1）測量技術の近況

イブのブラシレスモータを使用，従来のラジコンヘリ

土工管理には地形を把握するための測量が必要であコプタに比べてギヤボックスがないので，ロータの回るが，トランシットからトータルステーション（TS），
GPS 測量と測量機器の発達により省力化が図られてきた。更に 3D スキャナや写真測量の利用も拡大して転ノイズが小さく飛行音は静寂である。
機体質量は，本体 3.6kg，バッテリ 2 個とカメラを装着すると 7 kg 程度となる（写真─ 2）。

いる。
3D スキャナは，飛行型と地上型の機器があり，高価なレーザスキャナの他に，地上型ではスキャニング機能を持った廉価なノンプリTS が登場してきている。
そのため複数現場に導入して出来形管理に利用している。このノンプリ TS（写真─ 1）は，設定エリア

写真─ 2

機体構成

（b）飛行制御システム
飛行制御システムは，DJI… WooKong-M を使用し，
図─ 8 のようなモジュール構成で，メインコントロー
ラと GPS/ コンパス，慣性計測装置（IMU），パワー写真─ 1

スキャニング機能付 TSモニタリングユニット等から成っている。IMU は 3

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め，飛行経路を決め，ラップ撮影のための飛行計画を立てる。測量範囲を決め，オーバラップが縦 70 ～80 ％・ 横 40 ％ 位 と な る よ う に 撮 影 高 度（70 ～100 m），撮影コースを設定し，標定基準点（座標既知点）を 3 点以上配置する。飛行速度は 4m/s，撮影間隔は 3 秒を標準としている。また，バッテリ寿命による 1 フライトの飛行時間に制約があるため，滞空時間毎のフライト計画を作成する。地形図上の飛行計画を図─ 9 に，Google… Earth 上での作成例を図─ 10 に示す。
図─ 8制御装置構成

軸ジャイロと 3 軸加速度センサ，気圧計を内蔵している。また，メインコントローラは，独自のフライト安定アルゴリズムに空撮用フライトアシスト機能，ジンバル安定化機能，位置保持機能や自動帰還機能を備えている。
（c）搭載カメラとジンバル（写真─ 3）
マルチコプタによるカメラ撮影は，機体の揺れや振動の影響を受けるので，振動対策としてカメラマウン
トに防振処理を施し，フローティング構造やジンバルコントローラによって機体の揺れの影響を最小限にしている。航空写真測量ではオルソ写真が目的なのでジ図─ 9地形図上の飛行計画

ンバルは 2 軸でよい。

写真─ 3搭載カメラと 2 軸ジンバル

図─ 10GoogleEarth 上の飛行計画図

搭載カメラは，FX フォーマットデジタルカメラのニ コ ン D600， 画 素 数 2400 万 画 素 で，f2.8 の 24 mm（b）飛行経路入力と自律飛行レンズを装着し質量 1,120 g である。

飛行経路のデータ入力は，PC 上で自律飛行の設定

カ メ ラ ジ ン バ ル は， ベ ル ト ド ラ イ ブ 減 速 比 5:1を行う。設定要領は，PC 上の Google…Earth のマップ（ティルト＆ロール），フルアジャスタブル機構の 2 軸上に飛行経由地点と目的地，高度，移動速度等をポイジンバルである。WooKong-M のジンバル安定化機能ンティングして飛行ミッションを作成する。そして，によりカメラの水平を保持する。

現場でマルチコプタにデータ転送して実行指示を行え②飛行手順

ば，マルチコプタは自律飛行を開始する。マニュアル（a）飛行計画

飛行では不可能な，正確な位置と高度を維持した飛行

航空写真測量に必要な空撮は，自律飛行で行うたを行え，飛行誤差は高度誤差± 50 cm，水平誤差±建設機械施工 Vol.66

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2 m 以内である。
機体と PC は飛行中もデータリンクで繋がっているので，モニタリングが可能である。写真─ 4 は飛行中の画面で，飛行経路と現在位置を示し，左下に高度計や飛行姿勢等の計器類を表示している。データリン
クの通信限界距離は 300 ～ 400 m である。
また，飛行は GPS による飛行制御が基本であるが，GPS 位置情報に太陽フレアが影響するので，飛行予定日の太陽活動を調べておく必要がある。

写真─ 6

飛行中のマルチコプタがある（写真─ 6）。GPS 信号を優先し，GPS を受信できない状況では，電子コンパス，気圧センサ。3 軸ジャイロによる制御で高度と姿勢を維持することが可能である。
ⅱ）フェールセーフ
本機は送信機からの指示で，離陸地点の上空に戻り自動着陸する自動帰還機能をもっている。また，フェー
写真─ 4

飛行中のモニタリング（c）プロポ操縦と飛行飛行は離着陸を含め完全自律飛行が可能であるが，ルセーフ機能として，機体が送信機からの電波の受信不能事態や，搭載バッテリの規定値の容量低下時にも自動帰還機能を作動できる。
ⅲ）バッテリ管理

離着陸は突風等の突発事態に備えて，通常はマニュア使用しているリチウムポリマ電池は，小型・軽量・ル操作で行う。飛行可能な風速は 8 m/s 以下である

大容量の特性を持っているが，取扱に注意が必要であが，安全上 5 m/s までの飛行を心掛けている。また，る。厳密な充電電圧・電流のセルバランス管理が行え

1 フライトの滞空時間は 15 分程度であるが，安全をみて 8 分以内の飛行に押さえている。
プロポは周波数 2.4 GHz の 14 チャンネル双葉製を使用し，DJI 製のコントロールソフトを利用して制御している（写真─ 5）
。

写真─ 5

写真─ 7

充電器とバッテリチェッカ

図─ 11充電器とバッテリチェッカ

離陸時のプロポ操縦ⅰ）GPS 位置ホールド機能
このマルチコプタには，電子コンパス，気圧センサ，3 軸ジャイロ，GPS からの情報を制御するフライトコントローラを搭載していて，プロポの制御スティックを手から離しても，ホバーリングを自動保持する機能

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る充電器（写真─ 7）を用いて，その都度厳密な管理

標高データは，同じ場所を重複して撮影した隣接すを行う。飛行中のバッテリ電圧低下は PC のモニタにる 2 枚の空中写真を用いて，画像相関により取得する表示され，残量 60％で帰還指示が，残量 30％になるが，既存の標高データ等を利用して変換することも可と緊急着陸指示が出る。図─ 11 に電圧低下と残容量能である。オルソ画像面上では，位置・面積・距離等との関係の実測値を示す。

を正確に計測することが可能である。
空中写真から自動標高抽出技術により数値地形モデ（d）トレーニング
飛行制御システムを実装しているため，高度な操縦ルを作成し，これを用いて中心投影の空中写真を正射技術がなくとも飛行可能である。しかし，安全飛行の投影のオルソ画像に変換し，正しい位置情報を付与す観点からシステムに依存しない離着陸やホバーリングる。そして，複数のオルソ画像を接合（モザイク）し（対面を含む）操縦ができるようなスキルが必要であて統合した一枚のオルソモザイク画像にする。次にる。トレーニングは段階的にシミュレータによる訓練

3D 点群データを抽出してポイントクラウドとし，ポから始め，小型実機（Fantom）による操縦訓練過程

イントを繋いで TIN による 3D ポリゴンを作成してを終えてから本機の飛行訓練を行い，体で覚えた段階3D モデル（図─ 14）とする。この表面にオルソモザで実機飛行を開始する。

イク画像をテクスチャとして貼付けるとオルソモザイ③写真測量

ク鳥瞰図（図─ 15）となる。

（a）写真解析
撮影したラップ状の航空写真（図─ 12）は，写真測量ソフトウェアを使って解析を行う。従来のステレ
オ図化機等の画像解析装置は，高価で使いこなしが難しく専門知識を必要としたが，近年，操作が容易なソフトウェアが登場してきている。

図─ 12

図─ 14

3D ポリゴン（TIN）

図─ 15

オルソモザイク鳥瞰図

空撮ポイント

空中写真はレンズの中心に光束が集まる中心投影なので，画像の周縁部に歪みが生じる。オルソ画像は，標高データを用いて像の歪みをなくし，真上から見たような正射投影に変換して，位置情報を付加したものである（図─ 13）。

（b）出力形式
作成したモデルは，多くの出力フォーマットに対応し，Google… Earth… KMZ 出 力 等 が で き る。 ま た，Acrobat を 3D ビューワとして利用できる。図─ 16，
17 は，3D モデルを pdf 出力したもので，Acrobat 上で自由に視点を動かすことができる。また，iPad 等
図─ 13

オルソ画像変換の iOS 機器には，ply 形式で出力すると MeshLab 等で 3D 表示できる。

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April452014工計画の再検討に利用できるようになった。課題は滞空時間の向上であるが，有線飛行の試行も行われている。
その他に，施工法の検討には切盛や稼働機械のシミュレーション機能 1），4） が有効である。更に利用したい技術として VR/AR/MR（仮想現実感／拡張現実感／複合現実感）がある。まだコスト等の課題はある
が，様々な簡易な機器や低価格化が進んできているの図─ 163）
3D モデルの Acrobat 出力例（高速道路工事）

で利用開始の射程に入りつつある。
…
《参 考 文 献》… 1）…岡本：デジタルアースムービングによる施工計画，建設機械，日本工業出版，2009.11… 2）…村井俊治：空間情報工学，日本測量協会，2002.8… 3）…「土量算出の必須ツール」インフラ BIM 施工 3D 新時代，日刊建設通信新聞，2012.3.22… 4）…岡本：専門工事業者による機械土工の施工計画，建設機械施工，JCMA,…
2013.9図─ 173D モデルの Acrobat 出力例（採石工事）［筆者紹介］
和田 章三（わだ山﨑建設㈱建設事業本部執行役員技術部長しょうぞう）

4．おわりに施工計画で施工段階図を作成し，切盛展開や取付道の検討を行うが，この作業に地形 3D-CAD を利用す田中 正人（たなか技術課長まさひと）

ると曖昧さがなくなり，早期により実際的な検討（フロントローディング）が行える。しかし，これらを活用するには使いこなすスキルが必要であるが，地形3D-CAD オペレータが不足していて，弊社から客先に派遣している現場が幾つかある。
また，マルチコプタによる航空写真測量により，広域の出来形測量を迅速に行え，高精度な現況地形モデリングによる照査が行え，4D 土工管理や残工事の施

岡本直樹（おかもとなおき）