体積計算を点群で高速化！誰でもできる3D測量の新時代

目次

• 3D測量と点群データの基礎知識

• 体積計測が必要となる場面

• 従来の体積計測方法と課題

• 点群による体積計算のメリット

• 点群データから体積を求める手順

• 点群計測に用いる機器と手法の比較

• まとめ：LRTKによる簡易測量のすすめ

• FAQ

建設・土木の現場では、盛土や掘削などの土工事における体積計算（土量算出）は、工程管理や出来高管理に欠かせない重要な業務です。従来は測量機器で地形を測定して断面図を作成し、平均断面法などで体積を算出する方法が一般的でした。しかし近年、ドローンやレーザースキャナー、さらにはスマートフォンを用いた3D測量が急速に普及しつつあります。これらの技術で取得できる点群データを活用すれば、専用のビューアやソフトウェア上でより手早く正確に体積を計算できるようになってきました。本記事では、点群データとは何かという基礎から、点群を使った体積算出の方法、そして実際に現場で活用する際のポイントを解説します。最後に、手軽に始められるスマホ測量ソリューション「LRTK」による簡易測量もご紹介します。

3D測量と点群データの基礎知識

まずは3D測量と点群データの基本について押さえておきましょう。3D測量とは、現場の地形や構造物を三次元的に計測してデジタルデータ化する手法の総称です。代表的な方法として、レーザースキャナー（LiDAR）による計測と、写真測量（フォトグラメトリ）による計測の二つがあります。レーザースキャナーでは、三脚や車両に設置した機器からレーザー光を照射し、対象物に当たって反射して戻るまでの時間などから多数の点の座標データを取得します。一度のスキャンで数百万以上の高密度な点を得られ、地形や構造物の形状をミリ単位まで詳細に記録可能です。一方、写真測量ではドローンやカメラで多数の写真を撮影し、ソフトウェアで画像解析を行って3Dモデルや点群を生成します。広範囲の地表も短時間で撮影でき、近年はソフトの進歩により高精度な点群データを比較的容易に作成できるようになりました。

こうして取得された点群データとは、空間上の無数の測定点（ポイント）の集合で、各点がX・Y・Zの座標（位置）情報を持つ三次元データです。点には色や反射強度などの属性情報が付与される場合もあります。簡単に言えば、点群は無数の点で対象物の形状を表現した3Dモデルと捉えることができます。従来の測量で取得できる点が数十～数百点程度だったのに対し、点群測量では1回の計測で数百万点ものデータが得られます。現場の形状を余すところなく高密度に計測できるため、地形の細かな起伏や構造物の微細な凹凸まで正確に再現できる点が特長です。このため国土交通省が推進する*i-Construction*などの政策でも点群活用が奨励されており、建設業界で3D測量の導入が急速に進んでいます。

体積計測が必要となる場面

次に、土木・建設の現場で体積計測が必要になる代表的な場面を見てみましょう。最も典型的なのは道路工事や造成工事などにおける土工事です。道路の盛土（もりど）や切土（きりど）では、設計で見込んだ体積通りに土砂を盛ったか、掘削では所定の土量を撤去したかを確認する必要があります。出来形検査では「盛土量○○立米」などの形で体積を報告し、契約数量との差異を検証します。また、河川や港湾の浚渫（しゅんせつ）工事でも、どれだけ土砂をさらったかの体積測定が重要です。いずれも出来高管理（施工量の確認）に直結し、発注者への出来高報告や工事費算定の根拠となるため、正確な数量把握が求められます。

さらに、工事で発生した残土や資材の管理でも体積計測は欠かせません。現場に山積みされた残土や骨材などの盛土量を測れば、搬出・搬入するトラックの台数や必要な置き場の容量を正確に見積もることができます。従来は目測や一部のポイントのみの測定によって概算していたものが、3Dスキャンによって簡単かつ高精度に実測値を得られるようになりました。このように、体積計測は施工の品質管理からコスト管理まで幅広い場面で重要なプロセスとなっています。

従来の体積計測方法と課題

では、点群技術の登場以前に行われていた従来の体積計測方法と、その課題について整理しておきましょう。典型的な手法としては、平均断面法やグリッド法による手計算があります。現場の要所で高さや幅を測り、断面図あるいは格子状の測点データを作成して体積を算出していました。例えば、10メートル間隔で横断測量を行い各断面の面積を求め、隣り合う断面の平均面積に区間の距離を乗じて体積を求める、といった手順です。こうした計算方法は、長年にわたり土量算出の基本として用いられてきました。

しかし、従来手法にはいくつかの課題が指摘されています。第一に精度と網羅性の問題です。人力による測量では測れる点の数に限りがあるため、一度の計測で得られる情報量はごくわずかでした。広い盛土でも測定できるのは数箇所の高さ程度で、その点を結んで全体の体積を推定するしかありません。当然ながら細かな凹凸や局所的な窪み・盛り上がりは見落とされるリスクがあります。実際、主要な断面では設計通りでも、その間に想定外の窪みや盛りすぎが生じていても気付けないケースがありました。面的・立体的に形状を把握できないことが、精度上の制約となっていたのです。

第二に作業効率の問題もあります。従来法では測量士や技術者が複数人がかりで現地を測り、一点一点を計測する必要がありました。たとえばトータルステーション（TS）で測量する場合、広い現場では測点ごとに機器を据え直したり測位の基準出しを行ったりする必要があり、膨大な手間と時間を要しました。また、体積を求めるために多数の断面図を作成し、手作業で面積計算と体積算出を行うことは現場に大きな負担でした。場合によっては、出来形の体積確認に数日を費やし、その間工事を中断せざるを得ないことすらありました。「数センチの誤差確認のために数日待つ」というのが当たり前で、工期全体のスピードを鈍らせていたのです。

第三に安全性の課題も見逃せません。急斜面の法面を人が歩いて測る作業や、重機が稼働するすぐそばで巻尺を使って距離を測る作業には、常に危険が伴いました。高所や足場の悪い場所での計測は転落や事故のリスクがあり、測量に時間がかかるほど作業員が危険に晒される機会も増えてしまいます。このように従来の体積計測は、精度・効率・安全の面で様々な課題を抱えていました。

点群による体積計算のメリット

点群スキャン技術を活用した体積計算は、以上のような従来手法の課題を解決し得る多くのメリットがあります。最大のメリットは、土量算出にかかる手間と時間が飛躍的に削減される作業効率の向上です。例えば、ある大規模造成現場では、従来は4人の測量チームが1週間（延べ約28人日）を費やして行っていた出来形土量の測定・計算作業を、ドローンによる空撮点群作成と点群ビューアでの体積算出に切り替えたところ、2人で1日（2人日）で完了したという事例があります。人力測量では数日間かかっていた体積確認が、点群技術を使えば1日以内に終わることも珍しくありません。作業時間が大幅に短縮されれば、工事全体の工程管理に余裕が生まれ、生産性の向上につながります。

次にデータの包括性と精度向上も大きな利点です。点群計測で得られる点群データは非常に高密度かつ網羅的であり、現場を隅々までカバーする何百万もの点から構成されています。従来は数十メートルおきの断面線や限られた測点から全体形状を推測するしかありませんでしたが、点群データを使えば現実の地形そのものを詳細に記録できます。そのため、体積計算においても従来の方法では見落としがちだった微小な凹凸や局所的な過不足まで反映した精度の高い数量算出が可能です。実際の検証でも、点群から算出した土量は従来法による値とほとんど差がなく、誤差がわずか1～2%程度に収まった例が多く報告されています。適切な方法で計測を行えば、点群による体積算出は従来測量に匹敵する精度を十分に実現できるのです。むしろ広範囲を細密に実測できる分、部分的な見落としが減り、より信頼性の高い数量データが得られるという指摘もあります。

さらに、点群計測の活用によって安全性の向上も期待できます。人が立ち入るのが危険な場所でも、ドローンで上空から撮影したり、遠隔操作できるレーザースキャナーで計測したりすれば、作業員が危ない現場に長時間いる必要がありません。また、計測作業が短時間で済めば、それだけ現地での作業時間・人員を減らせるため、安全面のリスク低減にもつながります。

このように点群による体積計算は、効率性・精度・安全性のすべてにおいて従来手法を革新するものです。まさに現場の生産性と測量品質を飛躍的に高めるテクノロジーと言えるでしょう。

点群データから体積を求める手順

それでは、実際に点群データから体積を算出する手順の概要を見てみましょう。大まかな流れとしては以下の通りです。

• 点群データの取得: まず計測対象となる地形や盛土などの現場データを点群として取得します。前述のように、ドローン搭載カメラで空撮して写真から点群化する方法、地上型のレーザースキャナーで直接点群計測する方法、LiDAR搭載スマートフォンでスキャンする方法など、現場の規模や状況に応じた取得手段を選択します。重要なのは、測定範囲を余すことなくカバーし、体積算出の基準となる地盤面も含めてデータを取得しておくことです。複数回の計測データを比較する場合は、同じ座標系で計測しておくと後の比較が容易になります。例えば工事前後の点群を比較して盛土量を求めるなら、事前に両方の計測で共通の基準点や座標系を使用しておく必要があります。

• 点群データの処理・準備: 取得した点群データを専用ソフトやクラウドサービスに取り込み、解析・処理の準備を行います。写真測量の場合は撮影した写真から点群を生成する処理（SfM/MVSなど）を経て点群データが得られます。得られた点群から不要な箇所やノイズを除去し、体積を計算したいエリアだけを抽出します。例えば地表面以外の車両や人などの不要点はフィルタで除去し、対象盛土の範囲をポリゴンで切り出すといった前処理です。点群ビューアには領域クリップ機能やノイズ除去機能が備わっているものも多く、これらを使って計算に適したデータに整えます。

• 体積計算の実行: 点群データの準備ができたら、いよいよ体積の算出です。点群処理ソフト上で計算対象領域を指定し、基準面との差から体積を求めます。方法は大きく二通りあります。一つは複数時点の点群差分から体積を計算する方法です。工事前と後など異なる時期の点群同士を重ね合わせ、二つの地形モデルの体積差として盛土量・掘削量を算出します。もう一つは単一の点群と基準面から体積を求める方法です。盛土など孤立した土砂の塊であれば、その底面をポリゴンで囲み、そのポリゴン面（基準平面）と点群表面との間の体積を自動計算することができます。最近の点群ビューアや測量ソフトでは、点群を読み込んで体積を計算する機能が充実しており、指定したエリアの体積をほぼワンクリックで求められるものも増えてきました。かつては点群からメッシュモデルを作成しCAD上で体積計算するといった手間が必要でしたが、現在ではクラウドサービスに点群データをアップロードして範囲を指定するだけで、自動的に体積算出できるシステムも登場しています。難しい3次元CAD操作ができなくても、直感的なインターフェースの点群ビューア上で誰でも簡単に土量を算出できる時代になりつつあります。

• 結果の確認と活用: 算出された体積結果は、点群ビューア上で即座に表示されたり、レポートとして出力できたりします。その値を現場の出来形管理や出来高報告に活用します。必要に応じて、計算条件（使用した基準面や差分対象など）や点群の精度検証結果を併せて記録しておくと、後々の説明や証明もスムーズです。一度点群データを取得しておけば、後から別のエリアについて追加で体積を計算することも容易です。例えば大雨で地形が変わった場合でも、改めて現場全体を測り直すことなく、既存の点群データから該当エリアを切り出して再計算するといった柔軟な対応も可能です。

点群計測に用いる機器と手法の比較

点群データを取得するための機器や計測手法には様々な選択肢があります。それぞれ特性が異なるため、現場の規模や求める精度、コストに応じて適切な手段を選ぶことが重要です。代表的な手法とその特徴を比較してみましょう。

• ドローン（写真測量）: 上空から広範囲を短時間で撮影し、大量の写真から点群や地形モデルを作成する方法です。開けた広い現場や土砂の盛り土量計測に適しています。ドローンを飛行させるための安全管理や飛行許可が必要ですが、上手く活用すれば人が立ち入れない場所も含め効率的に計測できます。得られる点群の精度は、撮影高度やカメラ性能、標定点（地上基準点）の精度に左右されますが、適切に行えば数センチ程度の誤差で土量を把握することが可能です。

• 地上型レーザースキャナー: 三脚に据え付ける据置型のLiDAR計測器や、車両・歩行者に搭載するモバイルマッピング型のレーザースキャナーがあります。レーザー光で直接高密度点群を計測するため、一度のスキャンで非常に詳細なデータが取得できます。構造物の細部形状や複雑な地形の計測に有効です。ただし機器自体が高価であり、操作やデータ統合にも専門知識が必要です。また、一方向からでは陰になって点群が取得できない死角が生じるため、複数拠点からのスキャンとデータ統合（レジストレーション）が必要になる場合があります。高精度ですが手間とコストがかかる手法と言えます。

• スマートフォン・タブレット（LiDAR搭載）: 最近のスマートデバイスの中には、小型のLiDARセンサーを内蔵し、手軽に3Dスキャンができるものがあります。計測範囲は数メートル程度と限定されますが、小規模な盛土や構造物の形状把握には有用です。専用アプリを使ってその場で点群を取得し、簡易的な体積計算まで行えるケースもあります。スマホ単体でも相対的な形状把握はできますが、より高い精度が必要な場合はRTK対応の外付けGNSS受信機（たとえばLRTKデバイス）を組み合わせることで、安価な機材でセンチメートル級の測位精度を実現できます。重さ数百グラム程度の小型機器をスマホに装着すれば、誰でもポケットに入る測量機で高精度な3D点群を取得できる時代が到来しています。

• 地上写真測量（フォトグラメトリ）: ドローンを使わず、地上からデジカメやスマホカメラで多数の写真を撮影し、それらをソフトウェアで解析して点群化する手法です。上空から飛べない市街地や室内空間の記録などに有効です。撮影者が歩ける範囲でしか撮れないため大規模測量には向きませんが、小さな現場であれば撮影の工夫次第で立体モデルを構築できます。写真枚数が多いと処理時間はかかりますが、こちらも標定点を適切に設置すれば十分実用的な精度が得られます。要は、現場の条件に応じて最適な計測方法を選べば、高価な専用機材がなくても点群データは取得でき、そのデータから体積計算を行えるのです。

まとめ：LRTKによる簡易測量のすすめ

ここまで見てきたように、点群による体積計算は土木測量の現場に大きな変革をもたらしています。従来は専門技術者が日数をかけて行っていた土量計測が、今やドローンやスマホを使って短時間で誰でも実施できる時代となりました。点群技術はますます高度化しつつ、一方で誰にとっても身近で使いやすいものへと進化しています。まさに「誰でもできる3D測量」の新時代が到来していると言えるでしょう。

もし「自分の現場でもこうした3D測量を活用してみたい」と感じたら、まずはスマートフォンとLRTKによる簡易測量から始めてみるのも一つの方法です。LRTKはスマホ用の小型GNSS受信機と専用アプリからなるソリューションで、普段使っているスマホがそのまま高精度な測量機器に早変わりします。難しい操作や特別な資格がなくても扱えるよう設計されており、「1人1台の万能測量機」を目指した画期的なシステムです。リーズナブルな価格設定も相まって既に多くの現場に導入が進んでおり、現場の測量スタイルを変えつつあります。LRTKを使えば、誰でも手軽にセンチ精度の位置情報付き点群データを取得でき、そのデータをクラウド上で共有したり体積計算に活用したりすることが可能です。最新のツールを上手に取り入れて、ぜひ皆さんの現場にも3D測量のメリットを実感してみてください。

FAQ

Q1. ドローンや高価な3Dスキャナーがなくても点群で体積計算できますか？ A. はい、可能です。確かに高性能なレーザースキャナーやドローンは大規模な測量には便利ですが、それらが無くても点群技術を活用する方法はあります。例えば、LiDARセンサーを搭載した最近のスマートフォンやタブレットを使えば、小規模な対象であれば手軽に点群データを取得できます。また、高精度な位置情報が必要な場合でも、LRTKのようなスマホ用GNSSデバイスを組み合わせることで、安価な機材でセンチメートル級精度の点群測量が可能です。さらに、ドローンを使わずに地上から写真撮影して3Dモデル化するフォトグラメトリの手法もあります。要は、現場の規模や用途に応じて工夫すれば、高価な機器がなくても十分実用的な点群データを取得でき、そのデータから体積計算を行うことができます。

Q2. 点群ビューアや測量ソフトの操作は難しくないですか？初心者でも使いこなせるでしょうか？ A. 最近の点群ビューアや3D測量ソフトはユーザーフレンドリーに進化しており、基本的な閲覧・計測であれば初心者でもそれほど難しくありません。ソフトにもよりますが、マウスドラッグで視点を動かし、メニューから「距離測定」や「体積測定」といった機能を選んでクリックしていくだけの直感的な操作で計測できるものが多いです。特にクラウド型の点群ビューアであれば、複雑な設定を意識せず使えるよう工夫されています。もちろん高度な解析を行うにはそれ相応の習熟が必要ですが、体積算出程度であれば数回触ってみれば概ね理解できるでしょう。多くのソフトウェアやサービスはチュートリアルやサポート情報も充実していますので、最初は小さなデータで試し、段階的に慣れていけば問題ありません。

Q3. 点群から算出した体積の精度は信用できますか？従来の測量と比べて誤差はどの程度でしょう？ A. 適切な手順で取得した点群データから計算した体積は、従来の測量結果と比較して遜色ない高い精度が得られます。実際、ドローン写真測量や地上レーザースキャンで計測した点群を用いた土量算出では、従来の断面法による値と比べて1～2%程度の差に収まるケースが多く報告されています。几帳面に測定した従来手法とほぼ同等の数値が得られるということです。ただし、その精度を担保するには測量時の基準点校正や点群同士の位置合わせ（レジストレーション）を正確に行うことが前提となります。また、点群にノイズや欠測部分が多い場合は誤差要因となるため、不要点の除去やデータ補完などの後処理も大切です。条件が整えば、点群による体積計算は信頼性の高い数量算定手法として十分に活用できるでしょう。

Q4. 3D点群で体積を算出するには時間がかかりませんか？データ処理や計算に膨大な時間を要するのでは？ A. 点群データの生成から体積計算までにかかる時間は、選ぶ手法次第で大幅に短縮できます。一昔前はレーザースキャン後のデータ処理に高度な専門ソフトが必要で時間もかかりましたが、現在では計測から計算まで自動化されたシステムが普及しつつあります。例えばドローンを用いる場合、広範囲の現場でも15分程度で空撮が完了し、クラウドサービスに写真をアップロードすれば数時間以内に点群モデルやオルソ画像が生成されます。スマホのLiDARスキャンなら数十秒～数分かけて周囲を歩くだけで点群取得ができ、そのままアプリ内で瞬時に体積結果が表示されるものもあります。点群ビューア自体の計算処理も最適化が進んでおり、通常の土量計算であればコンピューターがほぼリアルタイムに結果を出してくれます。むしろ人手で手計算するより圧倒的に速いので、トータルの作業時間は格段に短くなるでしょう。データ容量が大きい場合でも、クラウドサービスを活用すれば手元のPCに負荷をかけずにサーバー側で処理が完了するため安心です。

Q5. 点群で計測・算出した土量は、公式な出来高数量として認められるのでしょうか？ A. 現時点で全国一律の運用ルールが確立されているわけではありませんが、近年は点群測量による出来高管理が公的にも積極的に導入されつつあります。国や自治体発注の工事でも、*i-Construction*対応として「3D出来形管理要領」などが整備され、点群データから算出した数量を出来形検査や数量確定に利用する事例が増えてきました。ただし、公式に認められるためには測量の信頼性を証明する手順が求められます。例えば写真測量であれば現地に既知点を設置して精度検証を行う、レーザースキャンであれば機器校正や既存地形との誤差チェックを行う、といったプロセスです。発注者や監督官庁への提出時には、点群測量の精度や算出方法を示す資料作成も必要になるでしょう。しかし、技術基準が整いつつある現在、条件を満たした点群測量の成果は公式な記録・数量算定手段として認められる方向にあります。実際に「点群で測った数量で検査OKとなった」という現場も出始めており、今後は点群による出来高数量報告が新たな標準の一つとして定着していくことが期待されます。従来法と併用しながらにはなりますが、新しい手法のメリットを積極的に活かしていくと良いでしょう。