ホーム > 技術とサービス > 土木技術 > ICT・DX > 測量・計測

ICT・DX

測量・計測

自動化・機械化

測量・計測

安全・環境

地質調査・評価

施工計画・管理(工種別)

施工・品質管理(その他共通)

ドローンによるレーザ測量

基準点を設置することなく、短時間に高精度な測量データを取得

土木工事現場での測量は、従来、光波測量器やGNSS測量器によるものが一般的でしたが、近年では、高精度に測量が可能で3次元図面を出力できる3D地上レーザ測量が普及しています。また、ドローンによる写真測量の実績も増え、精度も向上しています。しかし、写真測量では、高低差のある複雑な地形や、樹木がある場合などに精度の高い測量データを得ることが難しく、課題となっていました。

鹿島では、日本で初めてドローンに3Dレーザスキャナを搭載して大分川ダム堤体で計測を実施。高密度・高精度のデータを得ることに成功しました。

なお、本システムは、ニコン・トリンブル、ルーチェサーチとの共同開発です。

特許登録済

図版:大分川ダム堤体を計測中のレーザスキャナを搭載したドローン

大分川ダム堤体を計測中のレーザスキャナを搭載したドローン

図版:レーザスキャナを搭載したドローン

レーザスキャナを搭載したドローン

キーワード
ドローン、3Dレーザ測量
改ページ

特長・メリットココがポイント

写真測量の際に必要な基準点の設置不要

ドローンによる写真測量では、あらかじめ基準点(ターゲット)を地表面に複数箇所設置する必要がありますが、ドローンによるレーザ測量では、機体に内蔵されたGNSSとジャイロセンサにより、機体位置・傾き情報を正確に得たうえで、地表面に向けてレーザを照射することで得られる距離により計測を行うため、基準点設置の必要がありません。

図版:堤体部点群データ

堤体部点群データ

樹木があっても計測可能

レーザ照射は樹木の隙間を通り、地表面まで到達するため、樹木の伐採前、除根前でも地山を計測することが可能です。測量した結果は高精度な点群データで出力されることから高低差が取れ、複雑な地形でも精度の高いデータが得られます。

図版:伐採前レーザ測量樹木処理前データと樹木データ処理後 出力例

伐採前レーザ測量 樹木処理前データ

樹木データ処理後 出力例

短時間の飛行で高精度なデータを取得

測量では、事前にPC上にて設定したルートに従い、自律飛行が可能です。20haの広さをわずか13分間の飛行で測量することができます。高精度と言われる地上レーザ測量の結果と比較して、90%の測量点が±4.5cmの範囲に収まっていることを確認しました。従来のセスナ機等による航空レーザ測量と比較して安価で、かつ、現場内での離着陸が可能なため、現場の必要に応じて都度測量することができます。

適用実績

図版:大分川ダム建設(一期・二期)工事

大分川ダム建設(一期・二期)工事

場所:大分県大分市

竣工年:2019年11月

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:中央コア型ロックフィルダム 堤高91.6m 堤頂長400m 堤体積387万m3

ドローンを用いた写真測量による土量管理

高度な3次元図面を短時間で作成、誤差±6cmまで精度向上

大規模造成工事では、現地形の測量を行い土量の算出を行うことが工事の進捗管理のために不可欠です。従来は光波測量器による地上測量が一般的でしたが、広大な造成現場などでは測量・図面化・計算の一連の作業に手間と時間を要していました。

近年はドローンによる写真測量が増えていますが、鹿島では、ドローンやカメラなどの機器選定、使用ソフトの組み合わせや補正プログラムの高度化により誤差±6cmまで精度を高め、土量計算などの工事進捗管理に迅速に利用できるシステムとして完成させ、実工事に適用しました。

なお、本システムはリカノスとの共同開発です。

特許登録済

図版:ドローン操縦・撮影の様子

ドローン操縦・撮影の様子

キーワード
ドローン、写真測量、土量管理、施工管理
改ページ

測量手順と造成工事での適用

準備工

空撮を行う範囲内で地形変更を伴わない位置に基準点(ターゲット)を複数設置する。別途、地上測量により基準点の座標を測量する。(2回目以降も同じ基準点を使用するため、この作業は1回のみでよい)

図版:基準点(ターゲット)

基準点(ターゲット)

ドローンによる空撮

ドローンにより対象エリアの空撮を行う。この際、準備工で設置した基準点(ターゲット)が写るように撮影する。

図版:写真測量に用いるドローン

写真測量に用いるドローン

図版:ドローン操縦・撮影の様子

ドローン操縦・撮影の様子

データ処理

空撮により得られた写真データを、テータ処理ソフトで合成し3次元データ化する。この3Dデータを3DCADで読み込むことで、現地形平面図、縦横断図の作成や土量計算による工事の進捗管理を行うことができる。

図版:合成した画像(イメージ)

合成した画像(イメージ)

改ページ

特長・メリットココがポイント

空撮からデータ処理まで1日で完了

実際の造成現場で、2haの範囲を計測した結果、空撮からデータ処理まで1日で完了しました。従来の地上からの光波測量やGPSを利用した測量方法に比べて極めて短時間で作業ができ、施工進捗に近い状態で適切に土量を把握することができます。

高精度で信頼性の高い地形データを取得可能

解像度のよいデジタルカメラの採用と、複数の写真データ解析ソフトの最適化により、地形データ(標高)の精度を向上させ、信頼度の高い地形データを得ることができました。本システムと3Dレーザスキャナーによる地上測量との比較を行ったところ、約28万点の測定点のうち、90%以上が±6cm以下の範囲に収まり、高い相関で一致しました。

光波測量に比べてコストは5分の1以下

本システムと地上3Dレーザ測量及び光波測量で所要時間と概算費用の比較を行った結果、所要時間、測定にかかる人数を大幅に削減でき、費用についても光波測量の5分の1以下になることがわかりました。

図版:各測定方法の所要時間、概算費用比較

各測定方法の所要時間、概算費用比較(2014年調べ)

適用実績

図版:造成工事現場

造成工事現場

場所:北関東

学会論文発表実績

  • 「ドローンによる空撮測量の精度と実施工への適用について」,国際ドローンシンポジウム第2回,2016年
  • 「ドローンを用いた空撮測量の実工事への適用」,建設機械Vol52,No8,2016年8月
  • 「ドローンを用いた空撮測量の実工事への適用」,建設機械施工Vol68,No.8,2016年8月
  • 「ドローンによる空撮測量の精度検証と施工管理への適用」,土木学会,第71回年次学術講演会,2016年

ケーソン堀残し幅計測システム

耐環境LiDAR、ネットワークカメラによるケーソン函内計測

ニューマチックケーソン工法は、作業の安全性・効率性の観点から、ケーソンを計画通りの位置・姿勢・速度で沈下させていくことが重要です。しかし、これまでは潜函作業員の経験則を頼りに掘削位置を決めていたため、ケーソンの傾斜や急沈下・過沈下が発生する恐れがありました。

そこで鹿島は、ケーソン函内における刃口と土砂の境界および、掘削状況を函外から遠隔で正確に把握することが可能な「ケーソン掘残し幅計測システム」を開発しました。

特許出願中

図版:表示システムメイン画面

表示システムメイン画面

キーワード
ニューマチックケーソン、堀残し幅、レーザースキャナー、画像処理、LiDAR

システム構成

本システムは、主たる計測をLiDAR(レーザースキャナー)で行い、影となる箇所は刃口近傍に設置したネットワークカメラによる画像認識技術で補完する構成となっています。LiDARは、天井レールを走行する掘削機械の干渉を考慮し、高さ20cmの耐環境型の小型スキャナー(三菱電機エンジニアリング製)を、ネットワークカメラは、設置機器数を低減するために超広角カメラを使用しています。LiDARにより取得した点群情報を3D境界検出解析、ネットワークカメラにより取得した画像から境界を検出する画像認識処理を行い、ケーソン函内における刃口と土砂の境界を全長にわたり、より高精度で算出します。

システム構成

システム構成

図版:耐環境LiDAR(レーザースキャナー)

耐環境LiDAR(レーザースキャナー)

図版:超広角カメラ

超広角カメラ

改ページ

特長・メリットココがポイント

3D境界検出処理

ケーソンの沈下を支配する堀残し幅を計測するには、刃口と土砂の境界面の把握は必要です。LiDARによる点群から平滑化処理、ノイズによる誤検出を補正する処理により境界線を高精度に検出します。

図版:刃口・土砂検出状況

刃口・土砂検出状況

図版:実際の土砂境界写真

実際の土砂境界写真

AIを利用した境界検出

超広角カメラにより撮影された境界付近画像から、機械学習により得た学習済みモデルを利用し、境界線の推定を行います。

図版:超広角カメラで撮影した画像と境界検知

超広角カメラで撮影した画像と境界検知

リアルタイム・定量的な掘削状況・堀残し幅の把握

計測から画像処理・表示までを10分程度で更新させることで、これまでカメラに頼っていたケーソン内の掘削状況を定量的に把握し、掘削管理の精度向上が図れます。さらに、沈下データと組み合わせ分析することで沈下管理をより適切に行えます。

図版:掘削状況

掘削状況 土砂が盛り上がる(色が緑に変化)は、ケーソンが沈下したもの(動画:15秒/音声なし)

改ページ

安全性の向上

内部土砂計測のためのケーソンへの入出函が必要なくなることから、潜函作業員の安全性と作業効率性が大幅に向上します。

図版:ケーソン操作室での函内監視

ケーソン操作室での函内監視

図版:遠隔計測状況

遠隔計測状況

適用実績

図版:小平天神立坑

小平天神立坑

場所:東京都小平市

竣工年:2020年9月

発注者:東京都

規模:立坑築造工(ニューマチックケーソン) 
外径20.8m、深さ36.5m

学会論文発表実績

  • 「ケーソン堀残し幅計測システムの開発」,土木学会,第74回年次学術講演会,2019年9月

高速・高精度光ファイバ計測技術

わずかな変状の予兆をリアルタイムに見える化!

インフラ構造物の安全な施工管理や適切な維持管理のためには、構造物の変状や応力状態を適切に把握する必要があります。分布型光ファイバ計測技術は、光ファイバの線上のひずみ・温度の“分布”を計測することが可能な一方、これまで計測精度や処理速度が課題とされていました。しかし、近年の光部品の高分解能化やコンピュータの計算処理速度の向上により、実用可能な高速・高精度の光ファイバ計測技術を開発しました。これによって、変状発生前の予兆、リアルタイムな応力状態を可視化し、施工時の安全管理やトラブル防止に繋げることができます。

さらに、光ファイバは長寿命なため、長期的な維持管理まで活用することでインフラのライフタイムの全ステージにおける品質管理が可能となります。

令和3年度土木学会 技術開発賞
特許登録済及び特許出願中

図版:光ファイバセンサのケーソン沈設施工管理システム(イメージ)

光ファイバセンサのケーソン沈設施工管理システム(イメージ)

キーワード
光ファイバセンサ、ひずみ測定、モニタリング
改ページ

本システムの概要と特長

本システムは、汎用性の高い廉価な光ファイバケーブルを、対象となる構造物に張り巡らすように敷設し、新たに開発されたレイリー計測式光アナライザ(計測器)を用いることで、光ファイバケーブル全長に生じるわずかなひずみを、高速かつ、高精度に、リアルタイムに検知することができます。本システムの特長は以下の通りです。

  • 従来5分以上かかっていた光ファイバ1本あたりの計測時間が約5秒と大幅に短縮できるため、リアルタイムなモニタリングが可能
  • 従来の光ファイバ計測では、ブリルアンを計測しているためひずみの計測精度は±100μ程度だが、本システムではレイリー散乱を計測できるため、精度±1μ以下で微小なひずみも検知が可能
  • 計測結果は即時にグラフ化されクラウド上に送られることで、現場事務所や遠隔地の本支店等からも常に最新データがリアルタイムに共有・確認が可能

図版:新しい光ファイバセンサで用いる散乱光

新しい光ファイバセンサで用いる散乱光

適用分野

ケーソン躯体の沈設施工を管理し、トラブル発生を事前に防止

ケーソン工法では、躯体底部の下部を掘削することで、自重や圧入力によりケーソンを沈設して地中構造物を構築します。沈設の際、周辺地盤からの圧力による締付けや、周辺地盤との間に過大な摩擦が生じると、ケーソンにひび割れが生じる恐れがあります。光ファイバを設置して躯体表面のひずみを高精度にモニタリングすることで、摩擦を示唆する引張ひずみを確認できます。また、この時に滑剤を注入することで、ひび割れなどのトラブル発生を事前に防止できます。

図版:光ファイバの配線

光ファイバの配線

図版:光ファイバの固定

光ファイバの固定

図版:ケーソン躯体の沈設施工モニタリング

ケーソン躯体の沈設施工モニタリング

学会論文発表実績

  • 「光ファイバによるダム基礎処理工における施工管理法の高度化」,土木学会,第75回年次学術講演会,2020年
  • 「光ファイバによる岩盤亀裂の目開き挙動計測試験」,土木学会,第75回年次学術講演会,2020年
  • 「高精度光ファイバセンサを用いたひずみ・変位計測の検証実験」,土木学会,第75回年次学術講演会,2020年

レーザースキャナによるトンネル変位計測
「3Dマッチ®

3Dレーザースキャナによるトンネル変位計測システム

山岳トンネルでは、安全上、切羽周辺の地山を監視することが非常に重要です。通常の変位計測では、切羽に3~5箇所のターゲットを設置して、光波測定器により測定点の変位量を測定しますが、この手法では、トンネル全体の面的挙動を正確に把握することはできません。また、3Dレーザースキャナで面的にトンネル壁面の形状を計測する手法では、面上の任意の点が時間経過とともにどのくらい変位したかを捉えることはできませんでした。

そこで鹿島は、画像処理技術を用いて、3Dレーザースキャナによる測定結果から変位量を算出できる計測システム「3Dマッチ」を開発しました。

特許登録済
第43回岩盤力学に関するシンポジウム 優秀講演論文賞 2015年1月

図版:3Dマッチメイン画面

3Dマッチメイン画面

キーワード
3Dレーザースキャナ、テンプレートマッチング、画像処理、計測、山岳トンネル
改ページ

システムの概要

3Dマッチは、構造物の形状を面的に測定できる3Dレーザースキャナと、面の凹凸などの特徴を認識する画像処理技術(テンプレートマッチング)を組み合わせたもので、これまで3~5箇所の限られた測定点で計測していたトンネルの変位を、無数のターゲットで測定したかのように、面的に捉えることが可能になりました。

テンプレートマッチングとは、画像の中から特定のパターンを検出しマッチングする技術で、防犯やセキュリティ管理の分野で、人物特定の技術として応用が進んでいます。

レーザースキャナで取得した画像を用いて、変形前後のトンネル壁面の微細な凹凸のパターンを探し出しマッチングすることで、任意の点が時間経過とともにどのくらい変位しているのかを面的にかつ精度よく把握することができます。

図版:3Dマッチ測定風景

3Dマッチ測定風景

図版:測定器(3Dレーザースキャナ)

測定器(3Dレーザースキャナ)

図版:テンプレートマッチングを用いた任意点の追跡方法

テンプレートマッチングを用いた任意点の追跡方法

改ページ

システムの特長

切羽だけでなく壁面などの周辺も高精度に把握

本システムを初適用した三遠南信小嵐トンネル調査坑工事では、切羽及び切羽周辺の変位を高精度かつ面的に捉えられることを確認しました。

図版:周辺壁面の測定結果

周辺壁面の測定結果

切羽崩落等の安全性の確保

時間経過とともに面的に変位を把握することができるため、断層に起因する大変位や局所変位の発生の予兆を捉えることができ、安全対策を講じるための判断に使用することができます。

図版:切羽変位計測結果(奥行方向変位)

切羽変位計測結果(奥行方向変位)

適用実績

図版:三遠南信小嵐トンネル調査坑工事

三遠南信小嵐トンネル 調査坑工事

場所:長野県飯田市

工期:2014年1月~2017年3月

発注者:国土交通省中部地方整備局

規模:工事延長L=1,810m

学会論文発表実績

  • 「山岳トンネルにおける定点追尾システムを利用した3Dスキャナ変位計測」土木学会第68回年次学術講演会,2013年
  • 「3Dレーザースキャナ変位計測『3Dマッチ』」しこくNo.92,2014年1月
  • 「トンネルを支える計測技術『3Dマッチ』」土木技術Vol.69,No.11,2014年11月
  • 「3Dレーザースキャナと画像処理技術を用いた変位計測システムの開発」第43回岩盤力学に関するシンポジウム講演集,2015年
  • 「3Dレーザースキャナ変位計測システム『3Dマッチ』」建設機械Vol.51,No.7,2015年7月

SmARTストランド®張力センサ技術

光ファイバでPC・グラウンドアンカーの張力分布を見える化

プレストレストコンクリート(PC)構造やグラウンドアンカーは、それぞれPCケーブルやテンドンと呼ばれる緊張材に張力を与え、コンクリートや地山に圧縮力を作用させる構造です。設計で想定した性能を確保するためには、施工時に確実に張力が導入され、供用期間中にも維持されていることが求められます。しかし、従来の技術では、コンクリートや地山内部の張力を計測することはできず、また供用期間中の計測にも課題がありました。

「SmARTストランド®張力センサ技術」は、全長にわたるひずみ分布を計測可能な光ファイバセンサを応用し、PCケーブルやテンドンに作用する張力を全長、かつ長期にわたって計測可能とした世界初の技術です。

平成28年度プレストレストコンクリート工学会賞 技術開発部門
NETIS KT-230142-A
特許登録済

図版:光ファイバ組込み式PCストランド「SmARTストランド」

光ファイバ組込み式PCストランド「SmARTストランド」

キーワード
プレストレストコンクリート構造、グラウンドアンカー、緊張管理、維持管理、張力分布、光ファイバ

「SmARTストランド張力センサ技術」の概要

「SmARTストランド張力センサ技術」では、PCストランドの全長にわたって光ファイバセンサを組み込み、ストランドを緊張した際に光ファイバに生じるひずみを計測することで張力分布を評価します。SmARTストランドは、裸線のPCストランドの表面に直接、光ファイバを組み込んだ「裸線型」と、内部充てん型エポキシ樹脂被覆PCストランドの被覆内に光ファイバを埋設した「ECF型」の2種類を開発しています。

両タイプ共に橋梁やグラウンドアンカーへの適用を想定した各種実験により、その計測性能を確認しています。なお、本技術は、鹿島、住友電気工業、ヒエン電工が共同で開発したものであり、その普及を目的とした「SmARTストランド張力センサ技術研究会」が設立されています。

SmARTストランドのラインナップ

図版:裸線型

裸線型

図版:ECF型

ECF型

図版:「SmARTストランド張力センサ技術」の概要

「SmARTストランド張力センサ技術」の概要

改ページ

特長・メリットココがポイント

PC構造物の張力分布を全長にわたって見える化

PC構造物に配置されたPCケーブルの張力分布を計測することで、任意の位置において導入された張力と設計値を直接的に比較することが可能です。その結果を長期的なプレストレスの変化や、地震等による損傷の有無や程度の評価に用いることで、施工管理だけでなく維持管理やBCPにも役立てることができます。

図版:PC橋梁での計測結果の事例

PC橋梁での計測結果の事例

グラウンドアンカーの健全性と地山の変状を評価

光ファイバは高耐久であり、張力管理用に設置された荷重計が故障した場合でも、グラウンドアンカー頭部をジャッキで再緊張するリフトオフ試験に比べて、安価かつ安全に張力を計測できます。また、アンカー体を含む地山内のグラウンドアンカーの張力分布の変化を分析することで、張力の変動だけでなく、その原因となる地山の変状なども推定でき、その結果を保全、補修に活かすことができます。

図版:グラウンドアンカーの張力分布計測

グラウンドアンカーの張力分布計測

再計測が可能

人が安全に立ち入れる場所まで光ファイバを延伸しておくことで、施工時および供用時において安全に再計測を行うことが可能です。また、計測器と光ファイバの切替装置からなる計測システムによって、自動的に複数のSmARTストランドを連続計測することもできます。

図版:SmARTストランドの連続計測システム

SmARTストランドの連続計測システム

改ページ

適用実績

図版:月舘高架橋

月舘高架橋

場所:福島県伊達市

竣工年:2016年10月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:内ケーブル6本 外ケーブル2本

図版:赤谷地区グラウンドアンカー

赤谷地区グラウンドアンカー

場所:奈良県五條市

竣工年:2017年12月

発注者:国土交通省近畿地方整備局

規模:グラウンドアンカー6本

図版:吉野川サンライズ大橋

吉野川サンライズ大橋

場所:徳島県徳島市

竣工年:2022年7月

発注者:西日本高速道路

規模:外ケーブル30本 内ケーブル2本

図版:東名高速道路 上石山地区切土のり面補強用グラウンドアンカー

東名高速道路 
上石山地区切土のり面補強用
グラウンドアンカー

場所:神奈川県足柄上郡山北町

竣工年:2023年5月

発注者:中日本高速道路

規模:グラウンドアンカー21本

学会論文発表実績

  • 「緊張管理・維持管理に適用可能な光ファイバを用いたPC張力計測技術の開発」,土木学会,論文集E2,Vol.76,No.1,2020年
  • 「光ファイバを用いた引張り力分布計測技術のグラウンドアンカーへの適用」,土木学会,論文集A1,Vol.76,No.1,2020年
  • 「光ファイバを用いたPC張力計測技術」,コンクリート工学,Vol.56,No.1,2018年
  • 「光ファイバを用いた長大橋のPCケーブルのヘルスモニタリングシステム」,土木学会,第77回年次学術講演会,2022年
  • 「光ファイバによるグラウンドアンカーの張力分布の常時計測」,土木学会,第75回年次学術講演会,2020年

ICT・DX インデックス

ホーム > 技術とサービス > 土木技術 > ICT・DX > 測量・計測

ページの先頭へ