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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
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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)

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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

BIM/CIM ダム

ダムの設計変更・施工計画・施工管理を支援する3次元システム

3次元CADをベースにBIM/CIM ダムシステムを開発し、あらゆる段階で“見える化”することにより、品質向上・安全確保・コストダウンにつながる施工の合理化を目指しました。

ダム建設は、原石山・堤体・工事用道路等、様々な工種の施工が広範囲にわたって同時に進められ、また地質などの自然条件も着工時には完全に把握することができません。このような施工条件下で検討作業を迅速かつ正確に行う支援システムです。

さらに施工後の維持管理にも施工時のデータを引き継げる機能を追加することで、構造物の設計・施工・維持管理に至るまでの一貫した支援システムとすることも可能です。

ダム工学会 最優秀賞

図版:完成予想CG

完成予想CG

キーワード
ダム、3CAD、ダムCAD、3次元CAD、BIM、CIM
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特長・メリットココがポイント

対策工等の設計や施工計画、維持管理計画の立案が可能に

ダム建設にかかわる図面等の2次元の情報を3次元化することにより、合理的に必要な対策工等の設計や施工計画、維持管理計画の立案ができます。

  • 設計・施工・維持管理まで一貫したシステム化が可能
  • プロジェクト全体のコストダウン及び品質の向上が図れる

図版:地質構造の三次元可視化

地質構造の三次元可視化

合理的な施工計画の立案が可能に

施工時のデータをリアルタイムにシミュレーションすることで、道路等の仮設備の計画や関連工事との干渉の検証等、合理的な施工計画を立案できます。

  • プロジェクトに携わる人がシステムを介して共通のイメージ・認識を持つことが可能
  • 完成イメージを掴むことでスピーディな比較検討

図版:全体施工シミュレーション

全体施工シミュレーション

現地に則した設計数量・出来形数量の正確な算出が可能に

  • 設計数量を重機計画に迅速に反映
  • 施工段階に従った測量結果を順次更新することができ、数量の修正が迅速に可能

図版:スライス図

スライス図

適用実績

図版:ICT

鹿島では施工する全てのダムにおいて標準的に採用しています。

学会論文発表実績

  • 「ダム堤体情報化設計施工CADシステムの開発」,電力土木,No.241,1992年9月
  • 「3次元CADシステムによるダム工事の情報化施工」,土木学会誌,Vol.79,1994年10月
  • 「建設会社における情報化施工の最前線」,コンクリート工学,Vol.50 No.9,2012年9月

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

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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)

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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

ICT インデックス

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