差分土量測定 従来法 vs LRTKの3D点群測量：精度・効率を徹底比較

目次

• 差分土量測定とは？

• 従来法による差分土量測定

• LRTKの3D点群測量とは

• 精度比較：従来法 vs LRTK

• 効率比較：従来法 vs LRTK

• まとめ：差分土量測定はLRTKで簡単・高精度に

• よくある質問

差分土量測定とは、ある地形や盛土・切土などの体積差を測ることです。例えば工事現場で、設計どおりの地盤形状にするにはあとどれだけ土を盛れば良いのか、あるいは余分な土をどれだけ取り除いたかを quantification する際に用います。土木工事では出来形（完成形状）が計画通りか確認する上で土量の把握は欠かせません。従来、この土量差を測定・計算するには多くの時間と労力がかかりました。しかし近年、スマート施工やデジタルトランスフォーメーション（DX）の流れの中で、3D点群測量を用いて効率良く差分土量を算出する手法が注目されています。本記事では差分土量測定の従来法とLRTKを用いた3D点群測量を比較し、その精度と効率の違いを詳しく解説します。

差分土量測定とは？

まず「差分土量」とは、二つの地形やモデル間の体積の差を指します。具体的には、「設計モデルと現況との土量差」や「ある時点と別の時点の地形変化による土量差」を計測することです。例えば、造成工事で予定の高さまであと何立米(立方メートル)の盛土が必要か、トンネル掘削で発生した土砂の量がどれだけか、といったことを知るために差分土量測定が行われます。土木・建設現場では、盛土・切土工事や掘削作業の進捗管理、出来形(施工後の形状)が設計通りかの確認、さらには出来高管理（工事量算定）などで、この差分土量の正確な把握が重要です。

差分土量測定の基本原理はシンプルで、「基準となるモデル」と「比較対象のモデル」の体積差を計算することです。基準モデルは例えば設計時の予定地盤面や前回計測時の地形データ、比較対象は最新の現況地形データなどになります。この二つを空間的に重ね合わせることで、重なりから突出した部分が「余分な土」や「不足している土」となり、その体積を計算することで差分土量が求められます。結果は「あと◯◯立米土を盛れば設計面に達する」「◯◯立米分の土を掘削した」などの形で表現され、工事計画の調整や出来形確認に役立てられます。

従来法による差分土量測定

差分土量を求めるために、従来から様々な測量手法が用いられてきました。古くはスタッフ棒とレベル（水平器）で一定間隔ごとに高さを測り、断面図を作成して体積を算出する方法が一般的でした。近年では技術の進歩により、より効率的な測量も取り入れられてきましたが、それでもいくつか課題があります。代表的な従来手法とその特徴を見てみましょう。

• トータルステーション（TS）による測量: 光波測距儀とプリズムを使った高精度な三次元測量です。オペレーターがTSを据え付け、補助者がプリズムスタッフを持って測点を読み取ります。得られた多数の点の標高から現況地形モデルを作り、設計モデルとの差を計算します。精度は高いものの、複数人の人手が必要で、広範囲を測るには何度も機器を据え直す手間がかかります。また、測点間隔が粗いと局所的な起伏を見落とし、土量計算に誤差が生じる可能性があります。

• UAV（ドローン）写真測量: ドローンで空撮した多数の写真から地形の三次元モデルを作成する手法です。上空から広範囲を短時間で撮影でき、地表の点群（写真解析による点群データ）を生成して体積計算に利用します。しかし、ドローン飛行には専門技術と許可が必要で、市街地や上空飛行禁止区域では使えない制約があります。さらに写真から高精度なモデルを得るには視標（ターゲット）設置やGNSS測位による位置補正が欠かせず、データ処理にも数時間以上の時間を要します。

• 地上レーザースキャナー（TLS）: 三脚に据える高性能レーザースキャナーで、地表面を直接スキャンして高密度の点群を取得する方法です。ミリ単位の精細なデータが得られ、体積計算の精度は非常に高くなります。ただし機器が大型かつ高価で扱いにも専門知識が必要です。設置箇所を変えながら複数回スキャンして全体をカバーする必要があり、後処理で各スキャンデータを結合（位置合わせ）する手間も発生します。

以上のように、従来法にはそれぞれ長所もありますが、共通する課題も存在します。人力と時間の負担が大きい点がその一つです。測量作業自体に時間がかかるだけでなく、取得したデータから図面を起こし、体積を計算して報告書を作成するまでに相応の労力が必要でした。また、複数の専門機材や技能が要求されるため、現場の人手不足が深刻化する中では頻繁に測量を行うこと自体が難しいケースもありました。さらに、ドローンやレーザースキャナーといった高度な手法であっても、天候や飛行禁止条件・安全管理など運用上の制約があり、いつでもどこでも使えるわけではありません。このような背景から、「もっと手軽で迅速に差分土量を測定したい」というニーズが高まっていました。

LRTKの3D点群測量とは

そこで登場した新しいソリューションがLRTKを用いた3D点群測量です。LRTK（エルアールティーケー）とは、東京工業大学発ベンチャー企業が開発したポケットサイズの高精度測位デバイスです。重さ約125gの超小型RTK-GNSS受信機で、専用ケースを介してiPhoneやiPadに装着して使用します。「RTK」とはリアルタイムキネマティックの略で、衛星測位に補正情報を加えることで誤差数センチまで位置精度を高める技術です。つまりLRTKを装着したスマートフォンは、数センチ精度の測位が可能な測量機器に変身します。このスマホ上で動作するLRTKアプリには様々な測量機能が搭載されており、単点の高精度測位はもちろん、LiDARスキャナを用いた3D点群スキャン機能が大きな特徴です。

iPhoneのLiDAR（光検出と測距）を活用した点群スキャン自体は、iPhone 12 Pro以降で可能になった機能です。スマホ単体でも周囲の立体形状をスキャンして点群データを取得できますが、従来はスマホ内蔵センサーのみでは自己位置にわずかなズレや歪みが蓄積し、広範囲を歩き回ってスキャンすると精度が低下する課題がありました。そこでLRTKを組み合わせることで、スキャン中もスマホの位置を常にcm精度で補正できます。LRTKがリアルタイムに高精度の位置座標をスマホに与え続けるため、オフィスの床面から工事現場の広大な敷地まで、どれだけ動き回っても点群に歪みが生じないのです。得られる点群データには緯度・経度・高さのグローバル座標が付与されているため、測定後の位置合わせ作業も不要です。測定者は単にiPhone＋LRTKを手に現場を歩いてかざすだけで、現況地形の高密度3Dモデルを短時間で取得できます。

LRTKによる3D点群測量で得られた現況点群データは、専用のLRTKクラウド（Webプラットフォーム）にアップロードして活用します。クラウド上では取得した点群を三次元ビューで表示し、距離や面積、体積を直接計測することが可能です。差分土量を計算する場合は、クラウドに設計モデル（3D設計データ）をアップロードして現況点群と重ね合わせるだけでOKです。例えば、設計時の地盤モデルを用意しておけば、現況点群との間で自動的に体積差を演算できます。点群上で指定した範囲の盛土・切土量もワンクリックで算出でき、「どこに土が足りていて、どこに余分があるか」がひと目で分かります。またLRTKクラウドの便利な機能として、点群と設計モデルとの差分を色分けしたヒートマップ表示があります。設計通りの高さに仕上がっている部分は青や緑、設計より低く盛土不足の箇所は赤、といった具合に地形表面を色で可視化できるため、どの地点が基準より何センチ高い/低いかが直感的に把握できます。さらに差分から必要な土量もリアルタイムで算出され、「あと○○立米の土を入れれば計画高さに到達する」など具体的な数値が即座に得られます。このように、LRTKの点群測量を使えば現場でスキャン→クラウドで計算という一連の流れで、瞬時に差分土量を把握することができます。

精度比較：従来法 vs LRTK

差分土量測定における精度の面で、従来手法とLRTK 3D点群測量とを比較してみましょう。

まず従来手法ですが、トータルステーションやレベル測量では一点一点の測定精度自体は数ミリ～数センチと非常に高いものです。ただし得られるデータは離散的なポイントの集合であり、測点間を補間して地形モデルを作成するため、測点の密度と配置に依存した精度限界があります。例えば5m間隔の格子状にポイントを測った場合、その間にある小さな盛り上がりや窪みは拾えず、そうした未捕捉の起伏が土量計算の誤差要因となり得ます。現場全体を詳細に測ろうとすれば測点数を増やす必要がありますが、人力でそれを行うのには限界があります。一方、ドローン写真測量やTLSでは面としてのデータが取得できるため、地表を隙間なくカバーする点群が得られます。しかし写真測量の場合、精度は撮影高度や画像解析精度、そしてGCP（基準点）の測定精度に左右されます。空中写真測量では高さ方向に数センチ～数十センチ程度の誤差が生じるケースもあり、正確な差分土量を求めるには十分な精度管理が必要です。地上レーザースキャナーは非常に高精度ですが、前述の通り大掛かりな機材ゆえに必要な場所全てを細かくスキャンできない場合、やはりデータの抜け漏れが発生する可能性があります。

それに対してLRTKを用いた点群測量は、広範囲を高密度点群で取得できるため、微細な地形の凹凸まで捉えた体積計算が可能です。点群データそのものが地表面をほぼ連続的に表現するため、補間による誤差を大幅に低減できます。またLRTKの測位精度は水平位置で±1～2cm、鉛直方向でも±3cm程度と非常に高精度です。これは国土地理院の電子基準点や1級GNSS測量機にも匹敵するレベルで、実際にLRTK搭載スマホと測量用GNSS機器で同一地点を測った比較では数ミリの差しか生じなかったとの報告もあります。つまり、スマホで取得した点群一つ一つの位置が数センチ以内の誤差に収まるということです。従来のスマホ単独スキャンでは難しかったこの精度が、LRTKの登場で実現されました。結果として、LRTK点群測量で算出した土量差は、これまで測量機器で得ていた結果と遜色ない精度を期待できます。むしろ人手で粗く測っていた場合に比べれば、格段に詳細な地形把握ができている分、体積算出の精度も向上すると言えるでしょう。

加えて、LRTK点群測量ではリアルタイムでデータの質を確認しながら測れる点も精度確保の上で重要です。現場でスキャン中にスマホ画面上で点群が逐次表示されるため、取りこぼしているエリアがないか即座に判断できます。もし一部計測漏れがあっても、その場で追加入力（追ってスキャン）すれば完璧なデータが得られます。従来のようにオフィスへ持ち帰って処理してから「実はあそこの測点が足りなかった」と気付くようなことが無く、抜けの無い点群データを最終的に得られる点でも優れています。総合的に見て、LRTKの3D点群測量は従来法に比べて土量差を精度高く算出できる土台を提供していると言えるでしょう。

効率比較：従来法 vs LRTK

次に効率の面で従来法とLRTK点群測量を比較します。測定作業に要する時間、人員、データ処理の迅速さなど、あらゆる側面で大きな差があります。

• 作業時間の短縮: 従来、土量測定のための現地測量は場合によっては半日から1日がかりでした。例えば重機での盛土・掘削作業完了後、測量担当者が現場の各所を測って歩き、帰社後に計算を行い、翌日以降に結果を出すという流れも珍しくありません。一方LRTKを使えば、計測自体は数十分程度で広範囲を完了できます。現況をiPhone片手に歩いてスキャンすれば、そのまま3Dモデル化されます。さらにクラウドへのアップロードと演算も自動化されているため、その日のうちに差分土量の結果が得られます。実際にLRTK導入現場では、土量計算にかかる時間が「数時間→数分程度」に短縮され、今まで1日がかりだった出来形確認作業が即日中に完了した例も報告されています。

• 必要人員の削減: 従来法では測量に複数人が必要でした。TS測量ならオペレーターとスタッフ保持役の二人、場合によっては補助測量士が付くこともあります。ドローン測量でも、安全確保や機体操作に最低1～2名が必要です。これに対してLRTK点群測量は基本1人で完結できます。スマホと小型アンテナを持った担当者が一人で現地を動き回りさえすればデータ取得が可能です。人手不足が深刻な現場において、一人一台スマホで出来形管理ができるインパクトは大きく、他の作業員の手を止めることなく測定が行えるため全体の効率も上がります。

• 即時処理とフィードバック: 従来は現場で測ったデータを持ち帰り、事務所のPCで専用ソフトに入力して土量を計算し、図面や報告書をまとめるという一連の作業が発生していました。場合によっては設計データとの突合や報告書作成に丸一日以上かかることもあります。LRTKではこれらの処理がクラウド上で自動化・簡略化されています。点群と設計モデルをアップしたら即座に体積差が表示されますし、測定結果はクラウド経由で関係者と共有可能です。現場にいながらその場で結果を確認し、次の作業の判断を下せるため、フィードバックのサイクルが飛躍的に短縮されます。これにより手戻りの防止や追加盛土の指示などもタイムリーに行え、作業効率だけでなく品質管理の効率も高まります。

• 作業環境と安全性: 測量効率には現場環境も影響します。従来は急斜面の法面を測るにも人が直接登って距離や角度を測定するといった危険を伴う作業が必要でした。LRTKの点群スキャンなら、斜面のふもとなど安全な場所から遠隔で斜面全体を計測できます。足場の悪い場所や重機稼働中のエリアでも、作業を中断せず周囲からスキャン可能なため、安全確保と効率化を両立できます。またドローンが使えない市街地や屋内空間でも、人が歩いて測れるLRTKは有効です。天候にも左右されにくく、「測りたい時にすぐ測れる」柔軟性の高さは大きなメリットでしょう。

以上のように、LRTKを用いた差分土量測定は従来手法と比較して劇的な効率向上をもたらします。計測時間の短縮、人員コストの削減、リアルタイム処理による迅速な意思決定、そして安全面の改善まで、トータルで見た業務効率が飛躍的にアップします。これは工期短縮や残業削減にもつながり、現場全体の生産性向上に寄与するでしょう。

まとめ：差分土量測定はLRTKで簡単・高精度に

差分土量測定の従来法 vs LRTKというテーマで、精度と効率の観点から比較してきました。従来の測量手法は確立された信頼性がある一方で、人力や時間がかかり柔軟性に欠けるという課題がありました。それに対しLRTKを活用した3D点群測量は、スマートフォンという身近なデバイスで誰でも手軽に高精度測量が行える点が革命的です。広範囲の出来形を一人でスピーディーに把握し、その差分土量を即座に算出できるため、現場の進捗管理や品質確認のスタイルが大きく変わりつつあります。精度の面でも、LRTKはプロ用測量機器に匹敵する位置精度を実現し、点群データによる詳細な解析が可能となりました。

要するに、差分土量測定はLRTKの登場によって飛躍的に簡易化・高度化されたと言えます。今や複雑な計測もスマホ片手に完了し、そのデータは即共有・活用できます。従来法との比較で明らかになった通り、LRTKの3D点群測量は圧倒的な効率と十分な精度で現場を支えてくれる新時代のソリューションです。もし土量管理や出来形測定の業務負荷にお悩みなら、一度このLRTKによる簡易測量を体験してみてはいかがでしょうか。最先端の技術を取り入れることで、現場の生産性と安全性が向上し、これまでにないスピード感でプロジェクトを進められるでしょう。

よくある質問

Q: 差分土量測定とは何ですか？ A: 差分土量測定とは、基準となる地形データと比較対象の地形データとの間で生じる土量（体積）の差を計測することです。例えば設計図上の理想地盤と現在の地形を比べて、どれだけ土を盛る・削る必要があるかを算出するのが差分土量測定です。土木工事の出来形管理や発生土量の把握などに広く用いられます。

Q: 差分土量を測るには従来どんな方法がありますか？ A: 従来は主に測量機器を使った方法が取られてきました。具体的には、トータルステーションによる三次元測量で地形の断面を取得して体積計算する方法、レベルやスタッフで高さを定期的に測って断面図から土量を求める方法、最近ではドローン空撮写真から3Dモデルを起こす方法などがあります。それぞれ一定の精度は得られますが、人手や時間がかかる、広範囲を高密度に測るのが難しい、といった課題もありました。

Q: ドローン測量とLRTK点群測量の違いは何ですか？ A: ドローン測量は空から広範囲を写真撮影して地形モデルを作るため、一度に大きな面積をカバーできる利点があります。しかしドローンは飛行禁止区域や強風時には使えず、操縦者の資格や許可申請が必要です。また写真データの処理に時間がかかる点もネックです。LRTK点群測量は人が歩いて地上から計測する方式ですが、場所を選ばず実施でき、法規制の厳しい市街地や屋内でも問題ありません。リアルタイムで点群を取得し現場で結果を確認できるため、即応性に優れる点も違いとして挙げられます。要するに、ドローンが使えない環境でもLRTKなら対応でき、データ処理待ちのタイムラグも少ないというメリットがあります。

Q: スマホで測量なんて本当に精度は大丈夫でしょうか？ A: はい、LRTKを併用したスマホ測量であれば精度は問題ありません。LRTKは衛星測位に補正情報を加えることで、スマートフォンでも数センチ程度の測位精度を実現します。これにより取得した点群データにも高い信頼性が担保されます。実際にLRTK搭載iPhoneで計測した座標値は、従来型の高精度GNSS機器で測った値とほぼ一致する結果が得られています。また、点群の密度が高いため局所的な誤差の影響も平均化され、土量計算においても十分な精度が確保できます。

Q: LRTK点群測量を使うには何が必要で、使い方は難しくないですか？ A: 必要なものはLiDAR搭載のiPhone/iPad本体と、取り付け用の小型機器LRTK、およびLRTKアプリです。使い方は直感的で難しくありません。スマホにLRTKデバイスを装着し、アプリを起動して測りたい場所を歩くだけです。アプリ画面は日本語対応で、測位の開始・停止やスキャンの操作もボタンを押すだけとシンプルです。取得したデータは自動的にクラウドに同期されるため、複雑なPCソフトで処理する必要もありません。測量の専門知識がない方でも、短い習熟時間で扱えるよう設計されていますので安心して導入できます。