ドローン＋点群で体積計算がラクラク！現場監督も驚く効率化

目次

• 点群データとは？

• ドローンで点群を取得する方法

• 点群データから体積を算出する方法

• ドローン＋点群による体積計算のメリット

• 現場監督も驚く効率化の事例

• ドローン活用時のポイントと注意点

• LRTKによる簡易測量とは？

• FAQ

建設現場や土木工事で、盛土や掘削といった土砂の体積計算は工程管理や出来高管理に欠かせない重要業務です。従来、この土量算出は測量機器で地形を測り断面図を作成した上で、平均断面法による手計算に多くの時間と労力を要していました。しかし今や、ドローンと高密度な点群データを活用することで、誰でも効率的に正確な体積を算出できるようになっています。上空から現場全体を撮影して作成した3次元点群モデルから体積を求める方法は、従来の手法では考えられないほど手軽で迅速です。実際、測量の専門知識がない現場監督であっても、デジタル技術を使えば短時間で必要な土量を把握でき、そのスピードと効率に驚くことでしょう。

本記事では、ドローンによる体積計算の基本となる点群データとは何か、その取得方法や体積算出の仕組みについて解説します。また、ドローン＋点群活用によるメリットや実際の効率化事例、運用上の注意点を紹介します。さらに記事の最後では、ドローンを使わずに手軽に3D測量を行う新しい手法であるLRTKによる簡易測量についても触れ、現場DXの最新動向をご紹介します。

点群データとは？

まず、ポイントとなる点群データについて押さえておきましょう。点群データとは、空間内の多数の測定点（ポイント）の集まりで、各点がX・Y・Zの座標（位置）情報を持つ三次元データです。言い換えれば、現場の形状を無数の点で写し取ったデジタルな「3Dモデル」のようなものです。点には位置だけでなく色彩情報やレーザーの反射強度などの属性が含まれる場合もあります。

従来の人手による測量では、測点はある程度限られた数（数十〜数百点程度）にとどまりました。一方、ドローンやレーザースキャナーで取得する点群データでは、一度の計測で数百万点以上もの膨大な点を得ることができます。現場をくまなく高密度に測定できるため、地形のわずかな起伏や山積みされた材料の細部までも正確に再現できるのが特長です。このような3D測量による詳細な計測は、国土交通省が推進する*i-Construction*などの施策でも活用が奨励され、建設業界において急速に普及が進みつつあります。

ドローンで点群を取得する方法

では、ドローンを使ってどのように点群データを取得するのでしょうか。大きく分けて、ドローンによる3D計測には写真測量（フォトグラメトリ）とレーザースキャン（LiDAR）の二つの手法があります。

• 写真測量（SfM）による点群生成: ドローンに搭載したカメラで地表や対象物を様々な角度から多数撮影し、その写真画像をソフトウェアで解析して点群や3Dモデルを生成する方法です。これをStructure from Motion（SfM）とも呼びます。ドローンなら短時間で広範囲の空撮ができ、近年は画像処理技術の進歩により、高精度な点群データを比較的手軽に作成できるようになりました。ただし、正確な寸法や座標を得るためには、測量座標と結びつけるための標定点（Ground Control Point）をあらかじめ設置・計測したり、RTK対応ドローンで撮影したりする工夫が有効です。

• レーザースキャン（LiDAR）による点群取得: ドローンに軽量のLiDARセンサーを搭載し、レーザー光の照射と反射の計測によって直接3次元の点群を取得する方法です。レーザースキャナー計測は一度の飛行で数百万点規模の非常に高密度なデータが取得可能で、地形や構造物をミリ単位まで捉えられる精度が特長です。写真測量と異なり、樹木の葉の隙間を透過して地表を捉えたり、薄暗い環境でも測定できる利点があります。ドローン搭載用LiDARは近年小型高性能化が進み、取得データの精度は一般的に誤差数cm程度とされています。

どちらの手法でも、ドローンから得られる点群には位置座標（緯度経度や平面直角座標系など）が紐づけられます。特にRTK-GNSSを搭載したドローンや地上の基準点測量を組み合わせることで、取得した点群モデルを現実の測量座標系に合わせる（ジオリファレンスする）ことが可能です。その結果、点群上で直接距離や面積を測ったり、設計データと比較したりといった解析ができるようになります。

点群データから体積を算出する方法

では、取得した点群データからどのようにして体積計算を行うのでしょうか。ポイントは、点群データから地形表面の形状を復元し、それを基に体積を求めることです。幸い、近年は点群を扱う専用ソフトウェアやクラウドサービスが充実しており、難しい計算を意識せずとも体積算出が可能になっています。

代表的なケースとして、体積計算には次の二通りのシナリオがあります。一つは工事前後の地形差分から切土・盛土量を求める場合、もう一つは単独の盛土や材料の山など一つの塊の体積を求める場合です。

• 工事前後の点群差分による土量計算: 造成工事などで発生する盛土量・掘削量を正確に把握するには、施工前と施工後それぞれで現地を点群測量し、その差分から土量を算出する方法が有効です。具体的には、着工前の原地盤の点群データと、施工完了後の点群データを重ね合わせ、両者の高さの差を計算します。点群同士をボリューム比較できるソフト上で削られた部分や盛られた部分の体積が自動的に算出され、これにより切土・盛土量を正確に求めることができます。従来は複数の断面ごとに計算していた土量を、面全体で捉えた点群データの差分によって算出できるため、微妙な起伏や局所的な差異も漏らさず反映した精度の高い数量管理が可能です。

• 基準面に対する単一盛土の体積計算: 現場に積み上げられた残土の山や資材のストックパイルなど、一つの塊の体積を求めたい場合は、周囲の地面を基準面とみなして算出する方法をとります。点群データ上で対象となる盛土の領域をポリゴン（多角形）で囲み、基準面となる高さを設定すれば、その範囲内で基準面から突出している部分の体積を自動計算できます。要するに、盛り上がった土砂の塊を下から仮想の平面で切った際の立体量を積分によって求めるイメージです。ほとんどの点群処理ソフトでは、体積を計りたい範囲を指定し基準面の高さ（例えば周囲地盤の平均高さなど）を決めるだけで、ワンクリックでその領域の体積値が表示されます。

このように、点群データをもとにした体積計算はソフトウェア上でほぼ自動化されています。以前は点群から一度メッシュモデルを作成して体積を計算する必要がありましたが、最近では点群データそのものをクラウドにアップロードするだけで体積を算出してくれるサービスも登場しています。難解な3D CAD操作ができなくても、ユーザーフレンドリーな点群ビューアや解析ツールを用いれば直感的な操作で土量を求めることが可能です。

ドローン＋点群による体積計算のメリット

従来の人力による土量計算に比べ、ドローンと点群を活用した方法には多くのメリットがあります。ここでは主な利点を整理してみましょう。

• 大幅な時間短縮と省力化: ドローンを飛ばせば、広い現場でも短時間でデータ取得が完了します。人手に頼った測量では広大な敷地の計測に数日かかることもありましたが、ドローン空撮ならわずか数十分〜数時間で現場全体をカバーできます。その後の体積算出もソフトが自動で行うため、手計算や図面作成に費やしていた時間が劇的に減ります。結果として、体積計測にかかるトータルの作業時間を大幅に短縮でき、限られた人員でも効率よく業務を回せます。

• ヒューマンエラーの削減と精度向上: 点群データによる計算は、誰が操作しても同じ結果が得られる再現性の高い方法です。熟練者の勘に頼ったり手作業の計算ミスが入り込む余地が少なく、人為的な誤差を排除できます。また、点群は現場を高密度に記録しているため部分的な見落としがなく、全体として精度の高い数量算出が期待できます。実際、ドローン写真測量や地上レーザースキャンから算出した土量は、従来の断面法での計算結果と比べて差が1〜2%程度に収まったという報告もあります。適切な手法で計測すれば、点群による体積計算の精度は従来法に匹敵すると言えるでしょう。

• 安全性の向上: 危険なエリアでも非接触で計測できるのも大きなメリットです。急斜面や崩れやすい土砂の上に人が立ち入って測る必要がなく、ドローンで上空から安全にデータ収集できます。高所や足場の悪い場所の測量も飛行ロボットに任せることで、作業員の墜落リスクを減らし安全管理に寄与します。

• 即時のフィードバックと共有: 点群データはデジタルデータなので、取得後すぐにパソコンやクラウド上で解析・共有ができます。現場で測った当日に体積結果を関係者と共有したり、設計図との比較検討をすぐ行ったりと、スピーディーな意思決定につなげられます。これにより、必要に応じた施工計画の調整や追加対策も早期に打てるようになります。

このようなメリットにより、ドローン＋点群を使った土量計算は、生産性向上が急務となっている建設現場で強力なソリューションとなっています。2024年の法改正による建設業の時間外労働規制（いわゆる「2024年問題」）への対応策としても、デジタル技術による業務効率化は欠かせません。ドローン測量を導入することで、慢性的な人手不足への対処や働き方改革にもつながるでしょう。

現場監督も驚く効率化の事例

実際にドローンと点群による体積計測を導入した現場では、どれほどの効率化が実現しているのでしょうか。その一例として、ある大規模造成現場では従来3人がかりで2日かけて行っていた土量測定が、ドローン測量の導入によって半日以内で完了したといいます。上空からドローンで撮影する時間は約15分程度、取得した写真をクラウドの点群生成サービスにアップロードすると数時間以内に高精度な点群モデルとオルソ画像が出来上がりました。その点群データを使って盛土・掘削量を算出し、当日中に現場監督へ報告できたため、あまりの早さに担当者も驚きを隠せなかったそうです。

また別のケースでは、毎月行っていた土砂堆積量の定期測定をドローンで自動化した結果、作業時間がそれまでの1/4以下に短縮された例もあります。空撮により人が立ち入れないエリアも含めてデータを取得できるため、計測漏れによる手戻りも無くなりました。このように、ドローンを活用したデジタル測量は現場の常識を覆すスピードと効率をもたらしており、初めて導入した現場では「本当にもう終わったのか？」と現場監督が驚く場面もしばしば見られます。

国土交通省の報告でも、ICT施工（3D測量やマシンガイダンス等）を取り入れた現場では平均して30%以上の作業時間削減が達成できたとされています。単に早く終わるだけでなく、計測結果の信頼性向上によって手戻り作業が減ったり、出来形管理の頻度を上げて早期に不具合を発見・是正できたりと、副次的な効果も大きいです。ドローンを用いた点群測量は、現場管理の質と効率を同時に高める革新的な手段といえるでしょう。

ドローン活用時のポイントと注意点

ドローンで点群測量を行う際には、いくつか注意すべきポイントもあります。せっかく導入してもトラブルが起きないよう、以下の点に留意しましょう。

• 法規制と飛行許可: ドローンの飛行には航空法などのルール遵守が必要です。人口密集地上空や夜間飛行、目視外飛行などを行う場合は事前に国土交通大臣の許可承認が求められます。また2022年からはドローンの機体や操縦者に関するライセンス制度も始まっており、業務で飛行させる際は最新の規制を確認し、必要に応じて資格取得や届け出を行いましょう。安全確保のためにも、現場での飛行前には周囲への周知や監視体制の整備を徹底してください。

• 天候・環境への配慮: ドローンは雨天や強風時には飛ばせません。無理な飛行は機体の墜落リスクを高めるだけでなく、取得データの品質低下にもつながります。天気予報を注視し、安定した気象条件の日を選んで飛行計画を立てましょう。また、強い日差しによる写真の白飛びや、砂埃でレンズが汚れるといった環境要因にも注意が必要です。光の加減や地表の状態を見極め、必要なら朝夕の光が安定した時間帯に撮影するなど工夫してください。

• データ量と処理時間: 高密度の点群データはファイルサイズが大きく、処理に時間がかかることがあります。パソコンで解析する場合は高性能なマシンが望ましいですが、近年はクラウドサービスを活用して重たい処理をオンラインで行えるようになっています。大量の写真から点群を生成するフォトグラメトリ処理も、自社でソフトを持たなくてもクラウドにアップロードして結果を待つだけで完了するケースが増えています。現場の状況に応じて、オンプレミスとクラウドの使い分けを検討すると良いでしょう。

• 精度検証と補正: 点群測量の結果を信頼するために、取得データの精度確認は欠かせません。飛行前後に既知点でドローン搭載GNSSの誤差をチェックしたり、生成した点群と地上のチェックポイントの標高を比較したりして、想定どおりの精度が出ているか検証しましょう。必要に応じて基準点での調整（ジオリファレンス）や複数フライトの点群同士の位置合わせ（レジストレーション）を正確に行うことで、最終的な土量算出精度も確保できます。またノイズ点の除去や欠測エリアの補間など、データクレンジングの工程も結果の品質に影響します。ソフト上の自動機能だけに頼らず、要所で専門的な監督を行うことが望ましいです。

以上の点に注意しつつ運用すれば、ドローン測量は強力なツールになります。とはいえ、現場によっては「ドローンを飛ばしたくても飛ばせない」という状況もあるでしょう。例えば、市街地で航空法上ドローン飛行が難しいケースや、トンネル内・室内など物理的に飛べない環境、小規模ですぐ測りたい場合などです。そのようなとき、ドローン以外で手軽に3D測量を行う方法があれば便利です。次の章では、まさにそうしたニーズに応える新しい測量手法LRTKによる簡易測量を紹介します。

LRTKによる簡易測量とは？

LRTK（エルアールティーケー）とは、スマートフォンに取り付けて使用する小型の高精度GNSS受信機と専用アプリから構成されるソリューションです。RTK-GNSSという衛星測位技術を利用し、リアルタイムに位置誤差を補正することでスマートフォンでセンチメートル級の測位を実現します。簡単に言えば、普段お使いのスマホがLRTKデバイスを装着するだけで高精度な測量機器に早変わりするということです。

さらにスマホ内蔵のLiDARスキャナーやカメラと組み合わせることで、誰でも手軽に位置精度の高い3D点群を取得することができます。重さ数百グラム程度のポケットサイズ機器なので常に現場に携行でき、思い立ったときにすぐ測れる手軽さが魅力です。

LRTKの専用アプリで計測を行うと、取得した点群データや測点の座標情報は即座にクラウド上のシステムに同期されます。ウェブブラウザで使える点群ビューア上でデータが3D表示され、距離や面積、そして体積の計算までその場で実施可能です。例えばスマホで残土の山をスキャンしてクラウドにアップロードすれば、数十秒〜数分で点群モデルが生成され自動的に体積が算出・表示されます。わざわざオフィスに戻ってパソコンで解析するといった手間もなく、現場から即座に必要な数量を把握できるのです。

LRTK簡易測量の利点は、まず何と言っても一人で直感的に操作できることです。ドローン操縦や従来型の測量機器の扱いに習熟していなくても、スマホアプリの画面に従って測るだけで3D測量が完結します。また、機材コストが抑えられるのも大きなメリットです。高価なレーザースキャナーを購入したり外部の測量業者に依頼したりしなくても、手持ちのスマホと比較的安価なGNSSデバイスがあれば用が足りる場合が多いです。いわば「測りたいときにすぐ自分で測れる」環境を誰にでも提供してくれるのがLRTKなのです。こうした手軽さ・安価さから、LRTKはまさに国交省の掲げるi-Constructionの流れに合致した最新の現場DXツールと言えるでしょう。

このように測量技術は高度化すると同時に身近で扱いやすいものへと進化しています。ドローンによる点群測量は素晴らしいソリューションですが、LRTKのように地上でサッと測れる手段があることで、現場での3Dデータ活用はさらに幅広く柔軟になります。もし「自分の現場でも3次元測量を活用してみたい」とお考えなら、まずはスマホとLRTKによる簡易測量から始めてみるのも良いでしょう。詳細な情報や導入の相談はLRTKの公式サイトで公開されているので、興味のある方はぜひチェックしてみてください。最新テクノロジーを上手に取り入れて、あなたの現場の生産性向上にぜひ役立ててみましょう。

FAQ

Q: ドローンで体積計算を行うには資格や飛行許可が必要ですか？ A: ドローンを業務利用する場合、飛行の内容によっては国土交通省への申請や資格が必要になります。無人航空機の飛行は航空法で規制されており、例えば人口密集地（DID地区）上空での飛行、目視外や夜間の飛行、重量25kg以上の機体の飛行などは事前に許可・承認を得なければなりません。また2022年末からはドローン操縦者の免許制度も導入され、特定の飛行条件（レベル4飛行など）では国家資格が必要です。ただし、日中に人のいない現場で目視内飛行を行う程度であれば特に免許は不要で、講習修了などの条件を満たせば飛行可能です。いずれにしても安全飛行の知識習得は不可欠なので、ドローンスクールでの訓練や技能証明の取得を検討すると安心でしょう。

Q: 点群データから算出した体積の精度はどの程度信用できますか？ A: 適切な測量手法で得られた点群データであれば、体積算出の精度は従来の測量手法と同等レベルと考えて問題ありません。実際に、ドローン写真測量や地上LiDARで取得した点群を使った土量計算では、従来の平均断面法による結果との差が数％以内に収まるケースが多く報告されています。要は、手間をかけて丁寧に測った場合とほぼ同じ数値が得られるということです。ただし、高精度を確保するには初期の基準点の設定や機器キャリブレーション、データ処理時の点群同士の正確な位置合わせなどが重要になります。また、点群にノイズや欠測が多いと誤差要因となるため、撮影条件の最適化や不要点のフィルタリングなども心がけましょう。条件が整えば、点群を用いた体積算出は非常に信頼性の高いものとなります。

Q: ドローンやソフトの操作・データ処理は難しくないでしょうか？ A: 最近のドローン計測向けソフトウェアやクラウドサービスはユーザーフレンドリーに設計されており、基本的な操作はそれほど難しくありません。ドローン本体も自動航行機能や安全機能が充実しているため、所定の手順を守れば安定した飛行が可能です。撮影後の写真から点群を生成する処理も、専用ソフトのガイドに沿って進めるか、もしくはクラウドにデータを送るだけで自動的に結果が得られるケースが増えています。点群ビューアでの計測操作も、メニューから「距離測定」「体積計算」といった機能を選んでクリックするだけの直感的なものが一般的です。初めは戸惑うかもしれませんが、多くのツールにはチュートリアルやサポート情報が用意されていますので、それらを参照しつつ触っていけばすぐに慣れるでしょう。もちろん高度な活用を目指すなら習熟も必要ですが、体積を求める程度であれば特別なプログラミングや専門知識がなくても十分に扱えます。

Q: ドローンが飛ばせない現場ではどのように体積を測れば良いですか？ A: 法規制や周辺環境の問題でドローンを飛行できない場合でも、いくつか代替手段があります。一つは地上からの写真測量です。例えば高所から撮影できなくても、対象物の周囲を地上歩行しながら多数の写真を撮っておけば、後でソフトウェアがそれらを解析して3Dモデル化してくれます。小規模な盛土であれば地上撮影の写真測量でも十分対応可能です。また、最近ではスマートフォンやタブレットで点群計測を行う方法も実用化されています。前述のLRTKのようにスマホに高精度GNSSを組み合わせてスキャンすれば、ドローン無しでもセンチ精度の点群を取得でき、そのまま体積計算に利用できます。加えて、固定式のレーザースキャナーを三脚に据えて地上から測る手法（地上LiDAR計測）も古くからあります。現場の条件や制約に応じて、これらの手段を使い分けると良いでしょう。重要なのは、ドローンに限らず様々なツールを駆使して「3次元の測量データ」を得ることであり、そのデータさえあれば体積計算自体はソフトが一貫して行ってくれます。現場に最適な方法で点群データを取得し、デジタルな数量管理を進めてみてください。