点群データの作り方7選｜スマホ・ドローン・地上計測の違いを比較

目次

• 1. 地上設置型レーザースキャナー（TLS）

• 2. レーザースキャナー搭載型ドローン

• 3. 写真測量（フォトグラメトリ）

• 4. モバイルマッピングシステム（MMS）

• 5. ハンディ型3Dスキャナー

• 6. LiDAR搭載スマホ

• 7. 音響測深

• スマホ・ドローン・地上計測の違いを比較

• まとめ

近年、レーザー計測技術やドローンの進歩に伴い、建設・土木・測量の現場で点群データ（対象物を無数の3次元点で表現したデータ）の活用が広がっています。点群データとは、建物や地形などの対象物を多数の測定点（X・Y・Z座標）で記録し、3D空間上に再現できるデジタル情報です。点群データを用いれば、人が危険な現場に立ち入らずに安全に測量できたり、作業時間を大幅に短縮して効率化を図ったりすることが可能です。さらに、取得した点群から高精度な3Dモデルや図面を作成することもでき、設計や施工管理への活用も進んでいます。例えば土木工事の出来形記録や土地の体積算出、インフラ設備の変位モニタリング、文化財のデジタル記録、森林資源の調査など、点群データの応用範囲は多岐にわたります。

一方で、点群データを作成する方法は一つではなく、使用する機材や手法によって得意な場面や精度、費用などが異なります。「どの方法を選べばよいか分からない」「高価な専門機材がないと難しいのでは」と悩む方もいるでしょう。

そこで本記事では、代表的な7つの点群データの作り方（取得手法）を紹介し、スマホ・ドローン・地上計測それぞれの違いを比較します。それぞれの特徴やメリット・デメリットを知ることで、自社の現場に適した3D測量の手法を検討する際の参考にしてください。

1. 地上設置型レーザースキャナー（TLS）

地上設置型レーザースキャナー（TLS）は、三脚などに据え付けて使用する高精度のレーザー計測機器です。装置から360度回転するレーザー光を照射し、周囲の地形や構造物を面的にスキャンして無数の点として記録します。従来の測量のように一点ずつ時間をかけて測る必要がなく、一度の設置で広範囲を短時間に計測できるのが特長です。近年のTLS機器では1秒間に数百万点もの測定が可能で、微細な現場状況も短時間で記録できます。機種にもよりますが計測精度はミリメートル単位に達し、トンネル内部や建物の室内など、空からでは計測しにくい場所の詳細な3Dデータ取得にも適しています。

ただしTLSは固定設置で計測するため、一ヶ所からではレーザーが届かない死角が生じます。広い現場全体を漏れなく点群化するには、機材を複数地点に移動してそれぞれスキャンを行い、後でデータを合成（位置合わせ）する必要があります。また機材そのものが大型で高価なうえ、操作やデータ処理には専門知識も要求されます。設置や移動の手間もあるため、広大な敷地や急峻な斜面などでは効率が落ち、必ずしも適した手法とは言えません。それでもTLSで取得した高精度の点群データは、橋梁やプラント設備の変位監視、既存構造物のBIMモデル作成など高度な解析にも活用できるため、他の手法では得がたい価値を持ちます。

2. レーザースキャナー搭載型ドローン

レーザースキャナー搭載型ドローンは、小型無人航空機（ドローン）に軽量のLiDARセンサーを搭載し、上空から地上をレーザー計測する手法です。飛行しながら地表や構造物に向けてレーザーを照射し、反射光の時間差から距離を測定することで、地形の点群データを取得します。空中から広範囲を短時間で効率よく測れるのが大きな利点で、人が立ち入りにくい急斜面や河川敷、森林、災害現場などでも安全に状況を把握できます。また、計測時にはドローンの位置や姿勢を高精度GNSSおよび慣性計測装置（IMU）で同時に記録し、それらのデータを組み合わせることで取得した点群に正確な地球座標を与えています。

一方、飛行中は機体の振動や揺れ、天候の影響を受けやすく、取得できるデータの精度や点の密度は地上設置型の計測に比べると劣る傾向があります。また機材コストが高いうえ、航空法に基づく飛行許可の取得やドローン操縦の技術習得といった運用面のハードルも存在します。高い精度が求められる場面では、必要に応じて地上からの詳細な測量と組み合わせて活用するなど、目的に応じた使い分けが重要です。近年では災害直後の被災地マッピングや森林資源調査などにもドローンLiDARが活用されており、上空から詳細な地形モデルを短時間で取得できる利点が評価されています。

3. 写真測量（フォトグラメトリ）

写真測量（フォトグラメトリ）は、カメラで対象物を様々な角度から多数撮影し、その画像データから3次元形状を復元して点群化する手法です。専用ソフトウェアで複数の写真を解析することで、対象物の立体形状を計算し、点群データや3Dモデルを生成します。写真に基づくため、物体の形状だけでなく表面の模様や色彩まで現実そのままに再現できる点が大きな特長です。ドローンを使って上空から地表を撮影すれば広範囲の地形モデルが得られますし、地上や室内でカメラを使えば建物の外壁や部屋の内部などもカラー付きの点群として記録できます。

ただし写真に写っていない部分は再現できないため、例えば建物の裏側や物体の陰になった箇所、樹木の下などは点群が取得できません。また高精度の点群を得るには十分な解像度の写真を隙間なく撮影する必要があり、模様の少ない単調な壁やガラス・水面のように反射や透明度が高い面では特徴点の検出が難しく、精度が不安定になるケースもあります。森林の深部や閉ざされた空間を計測する際は、写真測量だけでは難しいためレーザースキャナーと併用するなどの工夫が求められます。さらに、撮影後のデータ処理には高度な演算が必要で、写真枚数が多いほど時間やコンピュータ性能を要します。精度向上のため、現場に既知の基準点（ターゲット）を設置して写真と点群に基準座標を与える地上補正を行うことも一般的です。また、隣接する写真同士には80%以上の重複（オーバーラップ）を確保する必要があるため、計画的に撮影を行うことが重要です。近年ではドローン本体にRTK対応の高精度GNSSを搭載し、撮影位置を補正して写真測量の精度を高める取り組みも普及してきました。

4. モバイルマッピングシステム（MMS）

モバイルマッピングシステム（MMS）は、車両に3Dレーザースキャナーやカメラ、高精度GNSSなどを搭載し、走行しながら周囲の地形や構造物を計測するシステムです。車の屋根などに取り付けたレーザーによって道路沿いや市街地の構造物を連続的にスキャンし、大規模な範囲の点群データを効率良く取得できます。移動しながら地図を作成するように広範囲を面的に計測できるため、道路の路面形状やトンネル・橋梁の寸法、街路樹や建物配置などを短時間で把握できるのが利点です。

しかしMMSを導入するには専用の車両や高額な計測機材が必要となり、初期コストや運用体制のハードルが高い点は否めません。また移動しながらの計測では、精密な位置合わせのために高性能なGNSSやジャイロセンサーとの連携が不可欠で、データ処理も大規模になります。それでも、従来は人手と時間がかかっていた道路や都市の測量を飛躍的に効率化できる技術として注目されており、今後さらに活用が期待されています。実際にMMSは道路台帳の作成や維持管理、都市空間の3Dマップ構築などで活用が始まっています。取得した点群から道路の路面状況や標識・ガードレールの配置を把握することで、効率的な保守や計画立案に役立てることができます。また将来的には、自動運転車向けの高精度3次元地図の整備などへの応用も期待されています。なお、MMSで取得される点群データは数十億点規模に及ぶこともあり、取り扱うデータ量が非常に大きくなる点にも留意が必要です。

5. ハンディ型3Dスキャナー

ハンディ型3Dスキャナーは、手で持って使用できる小型の3D計測装置です。オペレーターが対象物の周囲を歩いたり動いたりしながら、リアルタイムでレーザーや構造光を照射して形状をスキャンします。装置が小型なため、狭い室内空間や複雑な配管設備のような場所でも取り回しがしやすく、小回りの利く計測が可能です。近距離でゆっくりと移動しながらスキャンすることで、凹凸の多い対象物や入り組んだ現場でも、細部まで点群データとして記録できます。また多くのハンディスキャナーはタブレット端末などと連携して測定結果をその場で確認でき、データの取りこぼしがあれば即座に補完することもできます。

ただしハンディ型は計測できる範囲がオペレーターの手が届くエリアに限られるため、ビル全体や大規模な地形といった広範囲の測量には不向きです。また手持ちで動かす特性上、歩行時の揺れや機器のブレが精度に影響しやすく、安定した点群を得るには熟練も求められます。高所の計測や長距離の移動を要する場合は三脚設置型やドローンのほうが効率的であり、ハンディ型はあくまで限定された範囲で威力を発揮する機器と言えます。なお、こうしたハンディスキャナーの多くはSLAM（自己位置推定と同時地図作成）技術を活用しており、移動中でも自動的に自身の位置と周囲形状を把握しながら点群を構築します。例えば室内リフォームの現況採寸や文化財のデジタル記録など、人手で細かく測るのが難しい場面で、この携行型スキャナーが威力を発揮しています。

6. LiDAR搭載スマホ

近年では、スマートフォン（主に最新のiPhoneやiPadシリーズ）にLiDARと呼ばれるレーザー測距センサーが標準搭載され、手軽に3次元スキャンを行って点群データを取得できるようになりました。専用の計測アプリを用いれば、スマホを片手に持って歩き回るだけで、壁や床、地面など身の回りの構造物をリアルタイムに点群化できます。取得したデータは即座にスマホ上で表示・保存でき、その場で距離や面積を測ったり3Dモデルとして共有したりすることも可能です。高額な専門機器を使わずに誰でも始められる点がスマホ計測最大の魅力で、建設業におけるICT施工やDX（デジタルトランスフォーメーション）推進の文脈でも注目が集まっています。

もっとも、スマホ内蔵のLiDARによる計測には限界もあります。レーザーの届く範囲が数メートル程度と限定的なため、広範囲の測量には向いていません。また専用のレーザースキャナーと比べると取得できる点群の精度や点密度は劣ります。さらにスマホで取得した点群データには測地系に基づく絶対座標が付与されないため、測量成果として利用するには後から既知の基準点に合わせて位置合わせする必要があります。現状ではミリ単位の精度が要求される場面にはスマホ単体での活用は難しいでしょう。それでも、手軽さと低コストを武器に現場の簡易計測や事前下見、出来形管理の補助などに活用が進んでおり、小規模な現場であれば十分実用に耐える実力を示し始めています。さらに、スマホに外付けの高精度GNSS受信機を組み合わせて測位精度を補完する試みも出てきており、簡易な機材で測量級の成果を得る技術が発展しつつあります。

7. 音響測深

音響測深は、水中の地形を計測するために音波を利用した手法です。船舶やボートにソナーと呼ばれる音響機器を搭載し、水中に向けて音波を発信して地形の形状を測定します。発射した音波が湖底や海底に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し、その時間差から水深や地形の凹凸を点群データとして取得します。従来のシングルビーム式（単一ビーム）では音波の照射範囲が狭く、一度にカバーできる範囲が限られるため、同じエリアを行き来して走査する必要がありました。これに対し、近年主流のマルチビーム式ソナーでは扇状に多数の音波を同時に発射できるため、一度の航行で幅広い帯状の範囲を計測でき、短時間で高密度な水底点群を得ることができます。

ただし音波は水の性質（塩分濃度や温度、濁りなど）の影響を受けやすく、深い場所や水質が悪い環境では正確なデータが得られない場合もあります。またマルチビーム音響測深機器は高価で大型なため、導入コストが非常に高くなる点にも注意が必要です。水中の点群取得は特殊な分野ではありますが、河川の浚渫計画やダム湖の堆積調査、港湾工事の事前調査など、水に関わる土木計画において欠かせない技術です。なお、水際の地形や水面上の構造物は音響測深では取得できないため、陸上からの測量データと統合して扱う必要があります。陸上レーザースキャンやドローン写真測量と併用することで、陸上から水中まで連続した3Dモデルを構築することも可能です。

スマホ・ドローン・地上計測の違いを比較

点群データの取得手法は大きく、スマホを用いた手軽な計測、ドローンによる上空からの計測、地上に機器を設置・装着して行う計測（地上計測）の3つに分類できます。これらは使用するプラットフォームが異なるため、それぞれ得意な用途や性能に違いがあります。一般に精度・点密度の面では地上計測が最も高く、次いでドローン計測、スマホ計測の順です。地上型の機器は精緻なデータが得られる一方、ドローンやスマホは手軽さや迅速性に優れるというトレードオフがあります。

スマホ計測は、機器の手軽さと低コストが最大のメリットです。誰でも扱いやすく準備も最小限で済むため、小規模な測量や室内計測、現場の下見などに適しています。その反面、計測可能な範囲が狭く精度も限定的で、取得データの信頼性は高価な測量機器に及びません。

ドローン計測は、広い範囲を短時間でカバーでき、人が近づけないエリアのデータ取得にも優れています。写真測量であれLiDAR搭載であれ、上空から俯瞰することで地形全体を把握するのに適した方法です。ただしバッテリーや飛行許可といった運用上の制約があり、風雨など天候の影響も受けます。また構造物の裏側や室内などドローンが入り込めない場所は計測できないため、必要に応じて他の手法との併用が求められます。

地上計測（据え置き型レーザースキャナーやMMS、ハンディ型など）は、精密なデータ取得が可能で、点群の精度や密度に優れます。トンネル内部や建造物の詳細寸法の記録など、高精度が必要な場面では不可欠な手法です。しかし一度に計測できる範囲は限定され、広範囲をカバーするには人手で機材を移動させる必要があります。機材の調達コストや扱いの難しさもあり、現場の規模や目的によっては過剰性能となることもあります。

さらに、導入コストの面ではスマホ計測が最も低廉で、ドローンを用いた写真測量も比較的安価に始められます。これに対し、据え置き型やドローン搭載型のレーザースキャナーは機材価格が高く、専用車両が必要なMMSでは群を抜いて費用負担が大きくなります。

また、各手法は周囲の環境条件からも影響を受けます。雨天や濃霧、粉じんが舞う状況ではレーザースキャナーの反射データにノイズが増え、写真測量も光の具合や天候によって品質が左右されます。現場の状況に応じて最適な計測タイミングや機材を選択することが成功の鍵となるでしょう。

なお、実際のプロジェクトでは、例えばドローン写真測量で広域の地形を把握し、重要構造物は地上レーザースキャンで詳細に計測するといったように、複数の方法を併用してお互いの欠点を補完することもよく行われます。それぞれの手法の特長を理解し、現場に応じて組み合わせることで、より効率的かつ精度の高い3次元データ取得が可能になります。

まとめ

以上、点群データを取得する代表的な7つの方法について、その特長と注意点を見てきました。どの方法にも得意分野があり、現場の状況や要求される精度、コストなどを総合的に考慮して選択することが重要です。適切な手法を活用すれば、測量業務の生産性向上や安全性の確保にも大きく寄与するでしょう。

近年、技術革新により、従来は専門機器が必要だった3D測量をより手軽に行えるソリューションも登場しています。例えばスマートフォンのLiDAR計測にiPhone装着型GNSS高精度測位デバイス「LRTK」を組み合わせれば、スマホでセンチメートル級の高精度点群を誰でも取得可能です。スマホ計測の手軽さはそのままに、リアルタイムで位置情報を補正して歪みのない正確なデータが得られ、従来は難しかった精度管理上の課題を克服できるのが特長です。

さらに、取得した点群を効率的に処理・活用するためのクラウドソフトやAI自動解析技術の発展も著しく、点群データ利活用のハードルは着実に下がりつつあります。高価なレーザースキャナーやドローンを用意しなくても、自社のスタッフが現場でさっと点群データを収集できる環境が整えば、業務効率は飛躍的に向上するでしょう。点群データの活用は今後ますます進んでいくと考えられます。こうした3次元計測技術は建設業のDXを支える重要な柱ともなるでしょう。まずは小規模な現場から、こうしたスマホ＋LRTKのような最新技術を試し、現場の安全と生産性向上につなげてみてはいかがでしょうか。