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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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）

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

新しい光ファイバセンサで用いる散乱光

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。

「SmARTストランド張力センサ技術」の概要