土木工事や造成現場では、掘削や盛土に伴う土量計算が欠かせません。従来は測量データから横断図を起こし、平均断面法などで体積を算出するのが一般的でしたが、近年は点群データを活用した3D計測により、現場全体を隅々まで詳細に捉えて土量を算出する手法が注目されています。写真測量（フォトグラメトリ）技術を使って現場を撮影し点群モデル化すれば、掘削でどこにどれだけ土をすき取ったか、盛土でどこに土を盛ったかを直感的に「見える化」できます。本記事では、土量計算に点群データを活用する入門として、フォトグラメトリで点群を生成し土量計算を行う具体的な手順と注意点を解説します。あわせて、位置精度を高めるRTK測位やスマートフォンを用いた新技術LRTKの活用方法にも触れ、誰でも簡易に高精度測量ができる最新手法への展望も紹介します。

目次

• フォトグラメトリと点群データとは

• 点群を活用した土量計算のメリット

• フォトグラメトリ点群を使った土量計算の手順

• 掘削・盛土の見える化：点群比較と体積算出

• 地表面モデルの整形と基準面の定義

• 高精度化のポイント：RTK測位とLRTKの活用

• まとめ

• よくある質問（FAQ）

フォトグラメトリと点群データとは

フォトグラメトリ（写真測量）とは、複数の写真画像から対象物の形状を立体的に復元し、3次元モデルや点群データを生成する技術です。ドローンやデジタルカメラ、スマートフォンを用いて様々な角度から現場の写真を撮影し、専用のソフトウェアで解析することで、地形や構造物を構成する大量のポイント（点）の集合である点群データを得ることができます。点群データは各点の座標（X・Y・Z）と色情報を持ち、対象物の形状を精密に表現した3Dデジタルモデルとして可視化できます。例えば工事現場の地表面を写真測量すれば、岩や土の微細な凹凸まで含んだ詳細な点群モデルが生成されます。

点群を活用した土量計算のメリット

従来の土量計算では、測量技術者が現地で一定間隔ごとに高さを測り、図面上で横断面を作成して体積を算出する必要がありました。この方法では広範囲を測るのに大きな手間と時間がかかる上、人が測れない箇所は推定に頼らざるを得ませんでした。これに対し、写真測量から得た点群データを使う土量計算では、掘削前後や盛土前後の地形をそれぞれ3Dモデル化して差分を比較するため、地表面全体の形状変化を正確に捉えられます。点群は数百万規模の点を含む密度の高いデータのため、細かな凹凸まで考慮した高精度な計算が可能です。また、一度取得した点群データからメッシュ化によって体積を算出できるため、新たに現地測量し直すことなく追加の区画で土量を再計算する、といった柔軟な対応も容易です。実際の施工現場でも、従来は数日かけ4人がかりで行っていた土量測定が、ドローン空撮写真から点群モデルを作成し体積算出する方法に切り替えたところ、1日で完了した例も報告されています。さらに、点群を用いた方法でも従来手法と比べて算出結果に遜色なく、現場検証では誤差約1%程度という高い精度が確認されています。点群技術を導入すれば、安全性・効率性を向上させつつ高い精度も確保できる点が大きなメリットです。

フォトグラメトリ点群を使った土量計算の手順

それでは、フォトグラメトリで取得した点群を用いて土量計算を行う基本的な手順を見ていきましょう。以下は一般的なワークフローの例です。

• 撮影計画と写真撮影: まず対象エリアの撮影計画を立てます。掘削箇所や盛土箇所を余裕を持ってカバーするよう、重複度の高い写真を撮影します。ドローンを使用する場合は上空から自動航行で写真を撮ると効率的ですし、手持ちのカメラやスマホでも地上から被写体を囲むように撮影できます。ポイントは、写真同士に十分な重なり（オーバーラップ）を確保し、あらゆる方向から対象物が写るようにすることです。被写体に模様や特徴が少ない場合は、人工のマーカーを配置して特徴点を増やす工夫も有効です。また、撮影時にはブレやピンぼけを避け、高解像度で鮮明な画像を取得することが高精度な点群生成につながります。

• 点群データの生成（写真測量ソフト）: 撮影した多数の写真を専用の写真測量ソフトウェアに取り込み、点群データや3Dモデルを生成します。ソフトは各写真に写った特徴点の対応関係を解析し、三角測量の原理によって数百万の点からなる点群を復元します。高性能なPCやクラウドサービスを使えば、大量の画像でも比較的短時間で処理が可能です。生成された点群はまだ相対座標系で表現されたモデルの場合が多いため、次のステップでスケールや位置合わせを行います。

• 測量座標への位置合わせ（ジオリファレンス）: フォトグラメトリで得た点群モデルを現実の測量座標系に合わせ込みます。絶対座標（緯度経度や平面直角座標など）を付与するには、現地で計測した既知点（地上基準点:GCP）を利用する方法が一般的です。例えば、複数のGCPターゲットを現場に設置し、その座標をRTK-GNSSやトータルステーションで測っておけば、点群上で対応する点にそれらの座標を割り当てることでモデル全体を正しい位置とスケールに補正できます。十分な数の基準点で合わせ込めば、数センチの精度で点群に絶対座標を与えられます。なお、後述するLRTKのように撮影時点で写真に高精度な位置情報を付加できる技術を使えば、追加の基準点設置を省略して迅速にジオリファレンスを行うことも可能です。

• 点群データの編集・整備: 位置合わせが完了した点群データに対し、土量計算に適した状態に整備します。不要な点やノイズを除去し、解析対象となる地表面の点群のみを抽出します。例えば、重機や樹木など地面以外の物体の点群は体積計算には不要なのでフィルタリングします。写真測量ソフトに搭載された地表面抽出（地面とそれ以外を分類する）機能を使えば、自動的に地表面の点群だけを取り出すことも可能です。得られた地表面点群については、局所的にデータが欠損している箇所を補間したり、明らかな飛び点（誤測点）があれば削除したりします。必要に応じて、点群からポリゴンメッシュやTIN（三角網）モデルを生成しておくと、後続の体積計算が円滑に行えます。

• 基準面の設定: 土量を算出するための基準面を定めます。比較したい2時点の点群データ（例えば掘削前と掘削後）が両方ある場合は、それぞれの地表面モデルを用意し、直接二つのモデル間の差分を計算します。一方、盛土による盛り上がり量や残土の山など単一の地形モデルから体積を求めたい場合には、既知の水平面や既存地盤面を基準面とする方法があります。例えば、盛土した領域の周囲の既存地盤高さを基準面とみなし、その面と盛土表面点群との間の体積を計算します。または、任意の高さで水平な基準面（仮想的な基準平面）を設定し、その平面との高低差から盛土や掘削の体積を算出することも可能です。現場の状況に応じて適切な基準面を選定します。

• 体積（盛土量・掘削量）の計算: 準備が整ったら体積計算を実行します。点群データやメッシュモデルを扱えるソフトウェア上で、比較する2つの地表面モデル間の体積差を計算したり、地表面モデルと基準平面との囲まれた体積を積分計算します。具体的には、二つの地形モデルの高さ差から生じる差分体積を数値積分する処理です。多くのソフトでは、計算範囲をポリゴンで指定してその領域だけの土量を算出することもできます。体積計算の結果として、全体の盛土量・掘削量（正・負の体積値）や、メッシュごとの局所的な土量変化量などが得られます。

• 結果の確認と活用: 算出された土量を検証し、必要に応じて現場管理に活かします。計算結果が不自然に大きすぎたり小さすぎたりしないか、既知の値と照らし合わせて確認します。また、点群モデルと併せて土量差分を可視化することで、どの場所でどれだけの掘削・盛土が行われたかを直感的に把握できます。必要に応じて報告書や図面に体積値を記載し、発注者との出来形数量の確認に使用することも可能です。

以上が基本的な手順です。次章では、点群差分による土量の「見える化」についてもう少し詳しく説明します。

掘削・盛土の見える化：点群比較と体積算出

写真測量で取得した点群データを比較して土量計算することで、掘削および盛土の状況を視覚的に把握できます。具体的には、掘削前後または設計地盤と施工後地盤の点群モデルを重ね合わせ、その高さの差から体積を算出します。このとき、単に数値として体積を得るだけでなく、どの場所でどれだけ掘削・盛土されたかを色分けマップ（ヒートマップ）として表示すれば、現場の出来形を一目で「見える化」できます。例えば、ある地点で掘削が設計より10cm深ければ青、盛土が設計より20cm高ければ赤、といった色で点群上に表示すれば、過不足土量の分布が直感的に理解できます。

盛土量・掘削量の体積算出には、差分モデル間の正の体積（盛土部分）と負の体積（掘削部分）をそれぞれ集計する方法が用いられます。これにより、全体で何立方メートルの土を盛ったか、何立方メートルを掘削したかが算出されます。設計計画と比較すれば、予定に対して土が足りているか余っているかを数量で示すことができ、工程管理や土砂搬出入計画の修正に役立ちます。また、点群ベースの計算ならではの利点として、必要に応じて任意の区画ごとに土量を再集計できる柔軟性があります。例えば、工事エリアを格子状や任意の範囲に区切り、部分ごとの掘削・盛土量を算出すれば、細かな施工管理にも対応できます。点群を用いた土量計算により、出来形管理の精度と効率が飛躍的に向上します。

地表面モデルの整形と基準面の定義

精度の高い土量計算を行うには、点群から得た地表面モデルの整形と、適切な基準面の定義が重要です。まず地表面モデルの整形ですが、写真測量で得た点群には多少の誤差やノイズが含まれることがあります。例えば草木や重機の一部が残った点群データは、本来の地形とは異なる凸凹を生み、体積計算結果を歪めてしまいます。そのため、地表面以外の不要点を除去し、必要に応じて表面を平滑化する処理が推奨されます。メッシュモデル化した後で局所的に異常に尖った部分があれば、それをならしたり穴を埋めたりして、実際の地形に即した形状に整形します。こうした下処理によって、土量計算の信頼性が高まります。

次に基準面の定義ですが、これは土量を何と比較して算出するかを決めるプロセスです。基本は「ある時点の地形」と「別の時点の地形」を比較することですが、場合によっては設計図上の計画面や仮定の水平面を基準にすることもあります。例えば、ある盛土の体積を求める際に、周囲の地盤を基準面と見立ててその上に盛り上がった部分の体積を算出することがあります。また、地下掘削で生じた空洞の体積を測る場合、掘削前の地山を基準と考えて掘削後の点群モデルとの差を取ります。いずれにせよ、基準面の選定を誤ると意味のない数値になってしまうため、現場の目的に応じて適切な基準を設定することが大切です。一般には、出来形管理では設計面を基準に実績との差分をとり、出来高管理では元々の地形を基準に搬出入土量を算出するといった使い分けが行われます。

高精度化のポイント：RTK測位とLRTKの活用

点群による土量計算の精度をさらに高めるには、測位精度の向上がポイントになります。フォトグラメトリ単体でも相対的には精密なモデルが得られますが、モデル全体を正確な測量座標に合わせ込むには高精度の位置情報が欠かせません。そこで役立つのがRTK-GNSS測位です。RTK（リアルタイムキネマティック）とは、衛星測位の際に基準局と移動局のデータを組み合わせて誤差を補正し、リアルタイムにセンチメートル級の測位を行う技術です。点群計測においてRTKを活用すれば、地上基準点の座標取得が容易になるほか、空中写真に高精度なジオタグ（位置情報）を与えることで写真測量結果に直接絶対座標を反映することも可能です。最近では、RTK受信機をスマートフォンに搭載したLRTKと呼ばれるソリューションも登場しています。小型のGNSSアンテナをスマホに取り付けて撮影やスキャンを行うだけで、取得する点群に即座にグローバルな測位座標を付与できるのが特長です。つまり、専門的な機材や複雑な後処理を必要とせず、誰でも手軽に高精度の点群測量が実現できるのです。

LRTKでは、スマホのカメラやLiDARセンサーで現場をスキャンすると同時に、その点群データにRTK測位による座標をリアルタイムで重ね合わせます。これにより、出来上がった点群モデルは初めから測量座標系に乗った正確な地形モデルとなり、後から基準点で位置合わせする手間が省けます。また、取得した点群データや計測結果はクラウド上に保存・共有できるため、現場でスキャンしたデータをすぐオフィスで確認したり、関係者と共有したりといった連携もスムーズに行えます。高精度で効率的な測量を現場の誰もが実践できるLRTKは、今後の土量管理・出来形管理を大きく簡便化する技術として期待されています。

まとめ

写真測量による点群データの活用は、掘削や盛土といった土工事の出来形を詳細かつ直感的に把握する強力な手段です。3Dモデル上で土量を計算し色分け表示することで、現場で何がどれだけ行われたかを一目で理解でき、工程管理の迅速化や手戻り防止に貢献します。本記事では、土量計算における点群活用の流れとポイントを解説しましたが、精度良く進めるカギはやはり適切なデータ取得と処理にあります。高精度の写真測量には十分な重複撮影や基準点による位置合わせが重要であり、最近ではスマホとRTKを組み合わせたLRTKによってそのプロセスが飛躍的に簡素化されています。新しい技術を取り入れることで、これまで測量の専門家に頼っていた土量管理も、現場担当者自身で手軽に行える時代が到来しつつあります。点群による土量計算を積極的に活用し、よりスマートで効率的な施工管理に役立ててみてはいかがでしょうか。

よくある質問（FAQ）

Q1. 点群データを用いた土量計算とは何ですか？ A1. 点群データを用いた土量計算とは、レーザースキャナや写真測量で取得した多数の点からなる3Dデータ（点群）を使って、地形の体積変化を求める方法です。従来のように限られた測点から断面図を作成するのではなく、地表面全体を高密度に計測した点群モデル同士を比較するため、掘削や盛土による細かな起伏変化まで正確に捉えた土量算出が可能になります。

Q2. 写真測量（フォトグラメトリ）で得た点群から、どのように体積を計算するのですか？ A2. 写真測量で得た点群から体積を計算するには、まず点群を地表面の3Dモデル（メッシュやTIN）に変換し、比較対象となる別のモデルや基準面と差分計算を行います。例えば、掘削前の地形モデルと掘削後のモデルを重ね合わせて高さ差を計算し、その差分を領域全体で積分することで掘削された土量を求めます。同様に盛土の場合も、盛土前後のモデル差分から増加した体積を算出します。専用ソフトウェアを使えば、点群データから自動的に体積を計算し数値やヒートマップで結果を表示してくれます。

Q3. ドローンがない場合でも土量計算用の点群データを取得できますか？ A3. はい、可能です。広範囲を効率よく撮影するにはドローンが有効ですが、ドローンが無くても地上からカメラで写真をたくさん撮影すればフォトグラメトリで点群を生成できます。また、最近のスマートフォンやタブレットにはLiDAR（ライダー）センサーを搭載したモデルがあり、それを使って近距離の対象物であれば素早く点群スキャンすることも可能です。スマホに取り付ける小型GNSS受信機（LRTKなど）を活用すれば、手持ちのスマホ撮影でも高精度な点群を取得できるため、ドローンや高価なレーザースキャナがなくても現場の土量計測を行える環境が整ってきています。

Q4. 点群による土量計算の精度はどれくらいですか？ A4. 条件にもよりますが、適切に計測と処理を行えば点群による土量計算の誤差は一般に数%以内に収まることが多いです。実際の現場検証でも、従来の測量による計算結果と比べて1%程度の差に収まった例が報告されています。ただし、精度を確保するには高品質な写真（あるいはスキャンデータ）、十分な数の視標（特徴点）、そして正確な位置合わせが欠かせません。RTK-GNSSや既知点でジオリファレンスを行えば、モデルの絶対精度が向上し、信頼性の高い土量算出が可能となります。

Q5. LRTKとは何ですか？また土量計算にどう役立ちますか？ A5. LRTKとは、スマートフォンとRTK-GNSS技術を組み合わせて高精度測量を実現する新しいソリューションの名称です。スマホに小型のRTK対応GNSS受信機を取り付け、写真撮影やLiDARスキャンを行うことで、取得した点群データにリアルタイムで高精度な位置情報を付与できます。土量計算においてLRTKを使う利点は、点群モデルが初めから測量座標系に則った状態で得られるため、後処理での位置合わせが不要になる点です。つまり、誰でも手軽に正確な点群を取得でき、即座に掘削・盛土の体積を算出して現場で活用できるようになります。LRTKは土量管理の効率化と省力化に大きく貢献する技術と言えるでしょう。

Q6. 点群データの土量計算結果をヒートマップで表示できますか？ A6. はい、点群を用いた土量計算の結果をヒートマップ（着色図）で表示することができます。専用の点群処理ソフトやクラウドサービスでは、設計モデルと実測点群の高さ差を色分けして表示する機能が提供されています。これにより、地形のどの部分で設計との差分が大きいか一目で分かります。例えば、緑はほぼ設計通り、青は設計より低く掘りすぎ（掘削過多）、赤は設計より高く盛りすぎ（盛土過多）といった具合に色で示すことで、施工の出来形を直感的に評価できます。ヒートマップにより問題箇所を視覚的に把握できるため、是正すべきポイントの洗い出しや品質管理にも役立ちます。