マーカー不要で3D計測する方法とは？現場で失敗しない6手順

近年、建設・土木の現場では、出来形管理や点検業務に3次元計測技術が活用される機会が増えてきました。ドローンやレーザースキャナー、写真測量（フォトグラメトリ）などにより、現場全体を点群データとして取得して施工管理に役立てる取り組みが広がっています。

こうした3D計測を行う際、従来は計測精度を確保するためにマーカー（標定点）を現場に設置するのが一般的でした。しかし、マーカーを設置・測定する作業には手間と時間がかかり、地形や環境によっては思うように配置できない場合もあります。

そこで最近注目されているのが、マーカーを使わずに3次元計測を行う手法です。技術の進歩により、現場に標定用のターゲットを置かなくても高精度な点群データを取得できるケースが増えてきました。

本記事では、その「マーカー不要」で3D計測を行う方法とは何かを解説し、現場で失敗しないための6つの手順を紹介します。ドローン測量や地上型レーザースキャナー、写真測量、モバイル計測など様々なユースケースを踏まえ、現場作業をスムーズに進めるポイントを詳しく見ていきましょう。

目次

• マーカー不要で3D計測とは

• マーカーを使用する従来手法との違い

• マーカー不要を可能にする3D計測技術

• 手順1: 事前計画と機材準備

• 手順2: 現場での環境確認と機器設定

• 手順3: データ取得（撮影・スキャン）のポイント

• 手順4: データ取得後の現場チェック

• 手順5: データの整理とバックアップ

• 手順6: 解析と精度検証

• マーカー不要3D計測の今後とLRTKの活用

マーカー不要で3D計測とは

「マーカー不要で3D計測」とは、その名の通り現場に基準マーカー（ターゲットや標定点）を設置せずに3次元の測量・計測を行うことです。通常、写真測量であれば地上に既知の基準点（GCP）を置いて画像解析時の参照にしたり、レーザースキャナー計測では反射ターゲットを複数配置して各スキャンの位置合わせに利用したりします。マーカー不要の計測では、そうした人工の目印を一切使わずに3Dデータを取得し、モデルの寸法や座標を確定します。

マーカーを使わない代わりに、機材側の先進技術やソフトウェア処理によって高精度を実現します。例えば、RTK-GNSSによる正確な位置情報を各計測データに付与しておけば、写真や点群に自動で測位座標を与えられるため標定点が不要になります。また、複数回のスキャンデータを組み合わせる際も、各点群の重複領域を特徴点マッチングで位置合わせするターゲットレス合成（ターゲットフリーの自動位置合わせ）によって、マーカーに頼らずに一つのモデルに統合できます。さらに、モバイルマッピングのように移動しながら計測する場合は、SLAM（自己位置推定と地図生成）アルゴリズムにより、リアルタイムで機器自身の位置を推定しつつ点群を取得するため、事前の基準点設置が不要です。このように、ハードウェアの高精度測位機能とソフトウェア処理の組み合わせによって、マーカーに頼らない3D計測が可能になっています。

マーカーを使用する従来手法との違い

マーカーを使った従来の3D計測手法では、事前に基準点やターゲットを配置しておき、その位置座標をトータルステーション等で計測しておく必要がありました。写真測量なら空中写真に必ず複数の標定点が写り込むように配置し、点群合成では各スキャンの視野内に共通のターゲット（プリズムや反射シールなど）を置いておくことで、後処理時にデータ同士を結び付けます。これらの作業は現場に出てから広範囲に目印を設置して回る手間がかかり、人手や時間を要する工程でした。特に広大な現場や足場の悪い場所では、標定点を思うように配置できず計測範囲にムラが生じたり、安全面のリスクが高まったりする懸念もありました。また、せっかく取得した3Dデータも、基準点の測量ミスやターゲットの貼り忘れがあると位置がずれたり尺度が合わなかったりと、計測自体が失敗してしまう可能性もあります。

一方、マーカー不要の手法ではこうした煩雑な事前準備が不要になるため、現場での作業効率が格段に向上します。広い現場でも短時間で計測に取りかかることができ、危険な場所にわざわざ人が立ち入ってマーカーを設置する必要もありません。例えばRTK対応のドローン測量であれば、離陸して自動航行させるだけで空撮写真に高精度の測位情報が付与され、従来は必須だった対空標識（GCP）を設置せずに済みます。地上レーザースキャナーでも、後述するようにターゲットなしで点群同士を合成できるため、初めから複数地点に反射シールを貼る手間を省けます。このように、マーカー設置にかかる人手と時間を削減しつつ、高精度な測量結果を得られるのがマーカー不要計測の大きなメリットです。

ただし、マーカーに頼らない分、機材の性能や現場での計測手順が精度を左右する面があります。GNSS測位の精度が不十分なまま撮影を開始したり、点群の重なりが不足したまま合成を行ったりすると、結果のモデルにズレが生じるリスクもあります。従来はマーカーによって裏付けられていた精度管理を、代わりに機器の設定確認やデータの品質チェックで補完する必要があります。言い換えれば、マーカー不要の3D計測では現場での適切な手順とチェック体制がより一層重要になるということです。以下では、その具体的な手順について6つのポイントに沿って説明していきます。

マーカー不要を可能にする3D計測技術

マーカー不要の3D計測を可能にしている主な技術として、以下のようなものが挙げられます。

ドローン測量: UAV（ドローン）を用いて上空から写真撮影やレーザースキャンを行う手法です。近年はRTK-GNSSを搭載した測量用ドローンが普及し、空撮写真一枚一枚にセンチメートル級の位置情報を記録できます。そのため従来必要だった地上の対空標識（標定点）を設置せずとも、取得画像から高精度な3Dモデル（オルソ画像や点群）を生成可能です。広範囲の地形測量でも、離着陸のスペースさえ確保すれば短時間でデータ取得でき、地上でのマーカー設置を大幅に省略できます。

地上型レーザースキャナー: 三脚に据え付けて地上から360度のレーザー計測を行う機器です。通常、複数地点からスキャンする際には相互に視認できる位置に反射ターゲットを置き、各点群データの結合に使います。しかし近年のスキャナー計測では、明確に重複する構造物の表面形状があればターゲットレスでも後処理ソフトが自動位置合わせできるようになっています。十分な重なりを確保して隣接する地点をスキャンすれば、面倒なターゲット設置なしでも高い精度で点群を合成可能です。現場状況によっては一部の特徴点だけを後から既知座標で与えてモデル全体を移動・回転させる方法もありますが、計測フロー自体はマーカー設置なしで完結できます。

写真測量（フォトグラメトリ）: デジタルカメラやスマートフォンで被写体を多方向から撮影し、SfM（Structure from Motion）技術で3Dモデル化する手法です。従来は出来上がったモデルに正確な縮尺と位置を与えるため、現地にスケールバーや既知点を用意しておく必要がありました。しかし現在では、スマホの内蔵センサーや外付けGNSSによって撮影位置の座標を取得し、モデルに絶対座標を付与することが可能です。例えばiPhoneに取り付けるRTK-GNSS端末を使えば、撮影時に写真ごとのカメラ位置を数cm精度で記録できます。そのデータを利用すれば、標定点なしでも実寸かつ測地座標系に合致した点群モデルを生成でき、現場写真の活用範囲が格段に広がります。

モバイル計測: 人が移動しながらまたは車両に搭載して計測するモバイルマッピングの技術です。車載型のMMS（Mobile Mapping System）では車に高精度GNSSとIMU付きのレーザースキャナを積み、走行するだけで周囲の地形を点群化できます。道路や長大トンネルの計測でも、通行止めにして標識を設置する必要がなく作業時間を大幅短縮できます。また、手持ちやバックパック型の移動計測器も登場しており、SLAM技術によって歩き回るだけで室内外の3Dスキャンが可能です。これらはリアルタイムで自己位置を推定しながら地図生成を行うため、あらかじめ基準マーカーを設置せずとも連続した点群データを取得できます。

手順1: 事前計画と機材準備

3D計測を成功させるには、現場に出る前の計画段階が重要です。まず計測の目的や必要な精度を明確にしましょう。地形全体の測量なのか、構造物の詳細な形状記録なのかによって、適した計測手法や機材が異なります。

例えば広範囲の地形測量ならドローン、高精度が求められる局所計測なら地上型レーザースキャナー、手軽さ重視ならスマホ写真測量、といったように現場の状況や要求精度に応じて手法を選定します。また、計測対象エリアや範囲を事前に把握し、ドローン航路やスキャン配置箇所などの計画を立てておきます。航空写真なら撮影高度や重複度、レーザースキャンなら設置位置や台数、写真測量なら撮影ポイントの間隔など、後でデータに死角や不足が出ないよう周到に検討します。

計画が固まったら、使用する機材の準備を入念に行います。ドローンであればバッテリーを充電し予備も用意、送信機やRTK用の基地局設定も確認します。レーザースキャナーやGNSS機器は事前にキャリブレーションや動作テストを行い、現場でエラーが出ないようにしましょう。スマートフォンで写真測量を行う場合も、ストレージ空き容量の確保やアプリの事前動作確認が必要です。さらに、必要に応じて関係各所への許可申請やスケジュール調整も忘れずに。ドローン飛行許可や夜間作業の届け出など、法規制をクリアした上で当日に臨むことで、現場で「計画倒れ」になるリスクを減らせます。準備段階で想定しうる課題を洗い出し、必要な機材・人員・時間を十分確保しておくことが、当日のスムーズな計測につながります。

手順2: 現場での環境確認と機器設定

現地に到着したら、まず周囲の環境を確認して安全かつ適切に計測できる状況を整えます。計測エリア内に一般車両や作業員がいる場合は一時的に立ち入りを制限するか、対象物に近づかないよう協力を依頼しましょう。人や重機など動く物体が撮影中・スキャン中に写り込むと、データにブレやノイズが発生して解析精度が落ちてしまいます。また、不要な障害物（測定対象を覆う機材や仮設物など）があれば事前に片付け、対象物全体がカメラやレーザーから見通せる状態にします。足場が悪い場合は三脚が倒れないよう安定した場所を選び、傾斜地や高所では転落防止の措置も講じてください。

次に、使用機器の初期設定や動作確認を現場で行います。RTK-GNSSを使う場合は基地局を開けた空視界の場所に据え付け、正確な基準座標を設定します。ネットワーク型RTKなら、スマホやドローンをNtripなどの補正サービスに接続し、衛星補強信号を受信できているか確認します。GNSSは衛星受信に数分かかるので、撮影やスキャン開始前に必ずFix解（cm級の測位状態）を得ておきましょう。ドローンは離陸前にコンパスキャリブレーションやジンバルの動作チェックを行い、ホームポイント（離陸地点）が正しく記録されたことを確認します。レーザースキャナーは水平器で据え付けを確認し、必要に応じて基準となる方角を設定します（電子コンパスやバックサイト機能がある場合）。カメラを使う場合は、ピントや露出を適切に設定し、試し撮りで画像が鮮明か確認します。これら初期設定を怠らず行うことで、計測中の機器トラブルやデータ不備を未然に防げます。

手順3: データ取得（撮影・スキャン）のポイント

いよいよ実際に3Dデータを取得する段階です。写真測量の場合は、計画通りに被写体や現場全体を様々な角度から撮影していきます。ドローンなら設定した自動航路に従って安定した高度・速度で飛行させ、十分な重複率（前後・左右とも70%以上が目安）を確保しましょう。ブレやピンぼけを防ぐため、シャッタースピードは速めに設定し、必要に応じてISO感度を上げてください。地上から手持ち撮影する場合も、対象物をぐるりと囲むように位置を変え、近景と遠景の両方から撮影しておくと精度が向上します。特に構造物の凹凸部分や陰になりやすい箇所は、角度を変えて複数撮影し、後の処理で欠損が出ないよう意識します。天候や日照にも注意し、直射日光による強い影が写り込む場合は角度を変えるか、曇天や時間帯をずらすなど工夫すると良いでしょう。

レーザースキャンの場合は、あらかじめ決めた各計測ポイントで順次スキャンを実行します。隣接するスキャン同士が十分に重複するよう、各地点ではできるだけ広範囲を捉える設定にします。例えば建物を取り囲むようにスキャンする際は、少なくとも隣のスキャンと30%以上の視野が重なる位置関係で三脚を配置していきます。

スキャンが完了したら、その場で点群のプレビューを確認し、明らかにノイズが多い箇所や取り残しがないかチェックします。モバイル型の計測器を使う場合は、移動経路にムラが出ないようにゆっくり隅々まで歩き回り、必要に応じて途中で引き返して同じ場所を複数回通過します。SLAM方式では環境によっては位置誤差が徐々に累積するため、スタート地点に再度戻る「ループクロージャ」を行うと精度向上に有効です。いずれの手法でも、計測中は機器の挙動に注意を払い、異常なエラー表示や予定外の停止がないか随時モニターします。何か問題が発生した場合は、焦らず一旦機器をリセットするか電源を入れ直すなどして、データ取得を再開します。

手順4: データ取得後の現場チェック

全ての撮影・スキャンが完了したら、データを現場でざっと確認しておきます。写真測量の場合、撮影した画像をその場でPCやタブレットに取り込み、何枚かを試しにソフトでアラインメント（位置合わせ）してみるのがおすすめです。そこまで本格的にできなくても、せめて全写真を一覧表示してピンぼけや露出ミスがないか、対象エリアを網羅できているかを目視でチェックします。もし一部に画像の不足や不鮮明な箇所が見つかった場合は、現場の状況が変化しないうちに追加撮影して補っておきましょう。特に橋梁やプラント設備など複雑な対象では、撮影漏れがあると後から再取得が困難になるため、この段階で見落としがないか確認することが肝心です。

レーザースキャナーの場合も、可能であれば現地で簡易的に点群の結合を試してみます。近年の機種には現場で複数スキャンの仮合成ができるタブレットアプリが用意されているものもあり、スキャン漏れや位置ズレをその場で発見できます。そうした機能がない場合でも、各スキャンデータのプレビューを順番に重ね合わせてみて、明らかな抜けや不整合がないかを確認します。もし大きなズレが疑われる箇所があれば、追加で中間点からスキャンし直す、あるいは特徴物にターゲットを貼って追い測りするなど、現場でリカバリー策を講じます。モバイルマッピングの場合も、リアルタイム生成された点群マップを歩行経路全域で見渡し、取り残しがないかをチェックしましょう。いずれの手法でも、この現場チェックを経てデータに問題がないと判断できて初めて撤収します。万が一不足が判明しても現地で対処できれば、事務所に戻ってから「使えないデータだった」と気づくリスクを大幅に減らせます。

手順5: データの整理とバックアップ

現場での計測が完了したら、その日のうちに取得データを整理して保管します。まず撮影画像やスキャンデータを機器からパソコン等にすべて取り込み、プロジェクトごとのフォルダに分類しましょう。複数の現場を連続して計測した場合は、現場名や日時をフォルダ名に付けてデータの混同を防ぎます。写真であれば撮影場所ごとにサブフォルダを分けたり、通し番号が途切れていないか確認したりして、不足や重複がない状態に整理します。レーザースキャンの点群データも、測点番号や方角などがわかるようリネームしておくと後の合成作業がスムーズです。フィールドノートに記録したメモ（例えば「3番スキャンは高圧線のノイズ多め」など）があれば、データフォルダ内にテキストで記しておくとよいでしょう。

整理後は、必ずバックアップを取得します。元データの入ったSDカードやUSBメモリだけに頼らず、PCの内蔵ストレージや外付けハードディスク、クラウドストレージなど複数の保存先にコピーを作成します。万一片方が破損してももう一方から復元できるようにしておくことが重要です。特に大規模な空撮写真などファイル数が多い場合、転送中のエラーで一部が欠けていないか注意し、ファイル数やサイズがオリジナルと一致するか確認します。バックアップが完了したら、データ整理はひとまず完了です。現場で苦労して取得した貴重なデータを安全に保管し、安心して解析工程に進めるようにしましょう。

手順6: 解析と精度検証

最後に、取得したデータを解析ソフトで処理して3Dモデル化し、精度を検証します。写真測量の場合は、専用のSfMソフトウェアに写真を読み込んで点群やメッシュモデルを生成します。事前にRTK-GNSSで各写真の撮影位置が記録されていれば、その情報を利用してモデルに絶対座標を付与できます。レーザースキャンの場合も、複数の点群をソフト上で統合します。現場で仮合成していない場合は、特徴点マッチングやICPアルゴリズムで自動位置合わせを実行し、全スキャンを一つの座標系に束ねます。この際、必要に応じてソフト上で多少の微調整を加え、明らかなズレがないか確認しましょう。モバイルマッピングのデータは専用ツールでSLAM軌跡の最適化を行い、点群の歪みを低減させます。

生成された3Dモデルや点群データの精度確認も欠かせません。まず、既知の距離や高さがモデル上で正しく反映されているか測ってみます。現場で直接測定しておいた長さ（例えば建物の幅や道路幅）があれば、点群上で両端の点間距離を計測し、どの程度一致しているかを確かめます。また、任意の2点間の高さ差を水準測量の値と比較したり、モデルから切り出した断面図と設計図面を重ねてみたりするのも有効です。RTK-GNSSを用いた計測であれば、基準座標系に合致しているか（例えば公共座標で正しく測れているか）を検証します。これらのチェックによって精度に問題がなければ、解析フェーズは完了です。得られた3次元データをもとに必要な図面や数量計算を行えば、マーカー不要での3D計測ミッションは成功と言えます。

マーカー不要3D計測の今後とLRTKの活用

マーカー不要で3D計測を行う手法は、今後ますます普及していくと考えられます。ICT施工やi-Constructionの潮流もあり、簡便かつ高速に現場をデジタル化できる技術への需要は高まる一方です。本記事で紹介したように、適切な手順を踏めばマーカー設置なしでも実用十分な精度で現況を3D記録できるようになってきました。現場の負担軽減や安全性向上に直結するこれらの新手法は、従来の測量に代わるスタンダードになりつつあります。

そうしたマーカー不要計測を手軽に実現するツールの一例が、iPhoneやiPadに装着して使える超小型のRTK-GNSS受信機LRTKシリーズです。例えば「LRTK Phone」はスマートフォンと一体化する測位端末で、スマホ内蔵のカメラやLiDARセンサーと組み合わせて、高精度な点群データを標定点なしで取得できます。専用のアプリで写真計測と位置記録を同時に行えるため、熟練者でなくても1人で簡単に現場の3D計測がこなせます。初期導入のハードルも低く抑えられており、中小規模の工事現場でも活用が進んでいます。もし現在の測量フローに課題を感じているなら、こうした最新テクノロジーを試してみる価値は大いにあるでしょう。マーカー不要で手軽・高精度な3D計測を実現するLRTKのようなソリューションを活用し、ぜひ貴社の現場業務に新たな効率化とDXの波を起こしてみてください。