体積計算がここまで簡単に！3D測量×高精度測位の新常識

目次

• 従来の体積計算方法と課題

• 3D測量とは？

• 高精度測位（RTK）とは？

• 3D測量×高精度測位で変わる体積計算

• 3D技術を使った体積計算の活用例

• LRTKによる簡易測量で誰でもできる体積計算

• FAQ

建設現場や土木工事では「体積計算」が欠かせません。例えば、造成工事でどれだけ土を盛ったか（盛土量）、掘削でどれだけ土を搬出したか（残土量）を正確に把握することは、施工計画やコスト管理の要になります。測定結果は出来形管理や出来高算定の資料ともなるため、迅速かつ正確な体積計算が現場に求められています。近年、国土交通省が推進する*i-Construction*（ICT施工）の流れもあり、GNSSや3Dデータを活用したデジタル測量が現場に浸透しつつあります。その結果、これまで専門技術者に頼っていた体積計算が飛躍的に効率化され、「誰でも簡単に」行える時代が到来しつつあります。本記事では、従来の体積算出方法と課題を振り返りながら、3D測量と高精度測位の組み合わせで体積計算がどう変わるのかを解説します。

従来の体積計算方法と課題

かつて体積を測るには、多くの場合熟練の測量技術者による手作業が必要でした。典型的なのは、現場で測量機器を使って地形の断面をいくつも測定し、事務所に戻ってからそれら断面積と間隔から体積を算出する方法です。道路工事などでは「平均断面積法」と呼ばれる手法で、各断面の面積の平均値に距離を掛けて土量を計算します。しかしこの方法では、断面と断面の間にある凹凸（例えば深い窪み等）が反映されず、実際の体積との差が生じることもありました。正確さを期すには細かく測点を増やす必要がありますが、その分測量作業の負担も増大します。

従来の測量ではトータルステーションやレベルといった光学式機材を用い、三脚の据え付けから始めて複数人で丁寧に観測を行うのが一般的でした。重たい機材の運搬・設置、測定のための人手確保、さらに機器の定期的な校正も欠かせません。当然、現場での測量後はデータを持ち帰って図面化や計算処理を行う必要があり、即座に体積が出るわけではありませんでした。また、簡易な方法として市販のGPS受信機（ハンディGNSS）を使う手もありますが、従来の単独測位では誤差が5～10m程度にもなり、精度が要求される体積計算には使えませんでした。近年になりドローンを用いた写真測量や3Dレーザースキャナーによる点群計測も登場しましたが、これらも専門知識とデータ処理の時間・コストを要するため、日常的な現場作業で気軽に使えるものではなかったのです。従来手法にはこのように人手・精度・後処理の面で多くの課題があり、現場では「もっと手軽で正確な体積計算方法」が待ち望まれていました。

3D測量とは？

3D測量とは、物体や地形の形状を三次元的に計測し、デジタルな3次元モデル（点群データ等）として取得する技術の総称です。対象物の表面を構成する無数の点を計測し、それぞれにX・Y・Zの座標（高さ含む）を付与したデータを得ることで、複雑な形状でも現実そのままに3Dで記録できます。主な手法として、レーザースキャナーを使う方法や、写真測量（フォトグラメトリ）によって複数枚の写真から3Dモデルを再構築する方法があります。従来の2次元の図面や断面スケッチでは把握しにくかった現場の凹凸も、3D測量で得られる高密度な点群データなら直感的かつ詳細に再現可能です。得られた点群から任意の断面図を後から作成したり、体積や面積を計算し直したりも自由自在で、データの再利用性も高く評価されています。

3D測量は土木・建設分野で急速に活用が広がっており、設計・施工から維持管理まで様々な場面で活きています。例えば工事中の現場をドローンで空撮して地形の点群モデルを作成すれば、施工前後の地表面差から即座に盛土量・切土量を算出できます。従来は測量士の職人技が必要だった体積計算も、3Dモデルを用いればソフト上で自動的に求めることが可能です。また、出来形管理の証拠として点群データを保存しておけば、将来の検証や他業種との情報共有も容易になります。なお近年はLiDAR（光検出距離測定）センサーを内蔵したスマートフォンも登場しており、身近な端末で数メートル範囲の3Dスキャンが可能になりました。ただしスマホ単体のスキャンでは広範囲を測ると徐々に位置がずれる課題もあり、後述する高精度測位と組み合わせることでその弱点を補強できます。

高精度測位（RTK）とは？

高精度測位とは、衛星測位システム（GNSS）を使って位置をセンチメートル級の誤差で測定する技術です。GNSSにはアメリカのGPSやロシアのGLONASS、日本の準天頂衛星システムなどが含まれ、専用の受信機を使えば地球上どこでも緯度・経度・高度を取得できます。しかし通常の測位精度は数メートル程度であるため、精密な測量には誤差補正技術が必要です。代表的なのがRTK（Real Time Kinematic）と呼ばれる方式で、基地局からの補正情報や衛星からの補強信号を使い、リアルタイムに測位誤差を数cmまで小さく抑えます。日本では、国土交通省が運用する「みちびき」衛星から配信されるセンチメータ級補強サービス（CLAS）を利用することで、山間部など通信圏外でもRTK測位が可能です。このように高度なGNSS補正技術を用いることで、平面位置で2～3cm程度、高さ方向でも3～4cm程度の精度で自分の現在位置を測ることができます。

RTKによる高精度な位置情報が得られれば、そのデータから様々な計測が自動化できます。例えば、複数の点を測ればそれらの間の距離や囲まれた面積を即座に算出できますし、地表の高さを詳細に記録できれば基準面との差から体積（土量）を求めることも容易です。従来は人手と時間がかかった面積計算や土量算定も、高精度GNSSを使えばボタン一つで結果を得られる時代になりました。またGNSS測量は光学式のように測点間の視通を気にせず移動して測れるため、障害物が多い現場でも短時間に大量のポイントを取得できる利点があります。これらの理由から、RTK-GNSSを活用した測位は土木分野でも実用性が高く、今や測量の新たなスタンダードになりつつあります。

3D測量×高精度測位で変わる体積計算

3D測量技術と高精度測位技術を組み合わせることで、現場での体積計算は飛躍的に効率化・高精度化されます。まず3D測量によって対象物全体の形状を余すところなくデジタル化できるため、前述の断面法のように一部をサンプリングする手法よりも、見落としのない正確な体積算出が可能になります。そしてRTKの高精度座標を取り入れることで、その3Dデータに厳密なスケール（寸法）と位置情報を与えられます。従来は写真測量でも、数箇所の既知点を現場に設置してモデルをスケール調整する必要がありました。しかしRTK対応のドローンや機器を用いれば、そうした基準点測量の手間を大幅に省略できます。3D形状の取得から体積算出までのプロセスを一貫してデジタル化できるため、測量の専門スキルがなくても短時間で結果を得ることができるのです。

では、3D測量×高精度測位によって具体的にどんなメリットが生まれるのでしょうか。主な利点を整理してみましょう。

• 計測作業の大幅な効率化: 広い現場でも短時間でデータ収集が可能になります。従来は半日～数日かかった土量測定も、ドローン飛行やスキャンで短時間に完了します。

• 人員・手間の削減: 1人で操作できる機器が多く、これまで必要だった複数人作業を削減できます。小型機器で機動力が高いため、測量の合間に他の作業を進めることも容易です。

• 高精度な結果: 点群データなど高密度な情報により、体積計算の精度が向上します。RTKで位置ズレを抑えているため、得られた体積値の信頼性が高く、設計値との整合性も取りやすくなります。

• 安全性の向上: 危険な斜面や大量の土砂がある場所でも、直接登ったり近づいたりせずに計測可能です。ドローン空撮や長距離スキャンを活用すれば、作業員の安全確保と計測を両立できます。

• 頻繁な測定が可能: 手軽に計測できるため、工事の進捗に合わせてこまめな体積チェックができます。日々の盛土量・掘削量を把握することで、施工管理や出来高精算をより的確に行えるようになります。

• データの即時共有と蓄積: デジタル計測データはその場でクラウド送信したり、関係者と共有したりしやすい点も魅力です。測量結果をすぐに報告資料に反映したり、将来的な分析のためにデータベース化して蓄積したりと、付加価値の高い運用が可能です。

このように3D測量と高精度測位の組み合わせにより、従来とは比べ物にならないスピードと精度で体積計算が行えるようになりました。まさに現場の常識が塗り替えられつつあると言えるでしょう。

3D技術を使った体積計算の活用例

デジタルな体積計算は、さまざまなシーンで活用が広がっています。ここでは代表的な例をいくつか紹介します。

• 土木工事の盛土・掘削管理: 工事現場での盛土量・切土量をドローン測量や地上スキャンで計測し、設計計画との差異を確認します。施工前後の地形モデルを比較して土量差分を算出すれば、出来形管理や出来高精算の根拠として即座に活用できます。

• 資材ヤードの在庫把握: 砂利や砕石などのストックヤードでは、定期的な残土山の体積測定が重要です。3D測量を使えば、人が登れない大きな砂山でも安全かつ正確に体積を測定できます。これにより在庫量の把握精度が上がり、材料発注や原価管理の精度向上につながります。

• 災害現場での土砂量把握: 豪雨や土砂崩れで崩壊した斜面の土砂量を迅速に見積もる場面でも、ドローンによる現況の点群データと災害前のデータを比較することで失われた土量を即座に算出できます。これにより、復旧工事の計画立案をいち早く行うことが可能です。実際に、崩壊した法面の前後データをもとに土砂流出量を評価し、応急工事の規模を的確に判断した事例もあります。

• 建築・造成での土量管理: 建築造成地や宅地開発でも、基礎を掘った穴の体積や造成土の盛土量を計測するニーズがあります。従来は現場監督が目測で判断していたケースも、3D計測を導入することで正確な数値に基づいた施工管理が可能になります。これにより過不足の手直しを減らし、工期短縮やコスト削減にも寄与します。

この他にも、農業分野での土地造成や鉱山採掘現場での採掘量推定など、体積計算の用途は多岐にわたります。簡便で精度の高い3D計測が身近になったことで、こうした場面での判断がよりデータドリブンに行えるようになってきました。

LRTKによる簡易測量で誰でもできる体積計算

最新技術の恩恵を現場で手軽に享受するために登場したのが、LRTKによる簡易測量というアプローチです。LRTKはスマートフォンに装着できる小型のRTK-GNSS受信機で、従来は特殊な機器が必要だったセンチメートル級測位を「1人1台のスマホ」で実現する画期的なデバイスです。スマホに専用デバイスを取り付けてアプリを起動するだけで、リアルタイムに高精度な位置座標を取得しながら測量作業が行えます。ポケットに収まるサイズでバッテリーも内蔵しており、現場を動き回りながらの測量に最適です。

専用のLRTKアプリでは、測位した点の座標データが自動的に記録され、すぐに距離計測や面積計測、そして体積計測を行える機能が搭載されています。例えば、土砂の山を複数の測位点で囲んで計測すれば、その場でおおよその体積を算出することも可能です。また、スマホのカメラやLiDARで取得した点群データに位置情報を補完し、クラウド上で詳細な3Dモデルを生成して正確な体積を求めることもできます。この一連の作業を現場でリアルタイムに完結できるのがLRTK簡易測量の大きな強みです。測りたいと思ったときにすぐ測れる手軽さは、日常の施工管理に新たな機動力をもたらします。

さらに、LRTKシステムは取得したデータをクラウドにアップロードして共有することも容易です。現場で計測した結果をそのまま事務所のPCで確認したり、関係者と即座に情報共有したりできるため、報告・指示のスピードも向上します。専用クラウド上では測量データの一覧管理やCAD図面への出力も可能で、従来アナログだったプロセスをデジタルに完結できる点も魅力です。高額な測量機や特別なソフトを使わずとも、スマホ一つでここまでできるというのは画期的と言えるでしょう。

LRTKによる簡易測量の登場により、3D測量×高精度測位の技術が誰の手にも届くものになりつつあります。この新しい測量スタイルは、今後ますます現場管理の新常識となっていくでしょう。ぜひLRTKが実現する手軽で高精度な体積計算を現場で体感してみてください。その使いやすさと精度に、きっと驚かれるはずです。

FAQ

Q1. 体積計算とは何ですか？なぜ重要なのでしょうか？ A1. 体積計算とは、立体的な物体や地形についてその内部の容積（体積）を求めることです。土木・建設の現場では、盛り土や掘削による土砂の量（いわゆる土量）を計算する場面で特に重要になります。正確な体積が分かれば、必要な土の搬入出量やトラック台数の見積もり、出来高管理、コスト計算などあらゆる計画の根拠となります。体積計算を誤ると材料の手配ミスやコスト超過に繋がりかねないため、正確かつ迅速に行うことが現場運営上欠かせません。

Q2. 従来の体積計算方法にはどんな課題がありましたか？ A2. 従来は、測量技術者がトータルステーション等で地形の断面図を複数作成し、それら断面の面積から体積を算出する方法が一般的でした。この方法では計測や図面化に手間と時間がかかり、また断面間の凹凸を拾いきれないため精度にも限界がありました。大規模な現場では測量に複数人が必要で、人件費の負担も大きかったのです。さらに、得られた数値は現場で即座に出せるわけではなく、事務所に戻ってから計算処理する必要がありました。こうした手間・精度・即時性の課題が、従来法には存在していました。

Q3. 3D測量とは何ですか？ A3. 3D測量とは、対象物の形状を三次元的に計測してデジタルデータ化する手法です。レーザースキャナーやドローン写真測量によって得られる点群データなどが代表例です。多数の点の集合として物体を記録するため、地形や構造物を丸ごと立体的に捉えることができます。従来の平面的な測量では難しかった複雑な形状も、3D測量なら高精度にモデル化でき、そこから体積や面積を計算することが可能です。

Q4. RTKとは何ですか？ A4. RTK（Real Time Kinematic）とは、GPSなどの衛星測位の誤差をリアルタイムに補正して、位置をセンチメートル級の精度で測る技術です。通常のGPSは数mの誤差がありますが、RTKでは基地局からの補正情報や準天頂衛星からの信号を使ってその誤差を大幅に減らします。これにより、地図座標に対して数cmのズレしかない非常に正確な現在位置を知ることができます。高精度なRTK測位は、土木測量での基準点出しや出来形管理に革命をもたらしており、精密な体積計算にも不可欠な技術となっています。

Q5. 体積計測にドローンは必要ですか？ A5. 必ずしもドローンが無いと計測できないわけではありません。ドローンは広範囲を上空から短時間に撮影できる利点があり、大規模現場の土量測定に適していますが、狭いエリアや室内であれば人が直接地上から計測する方法も有効です。例えば、三脚に据え付けたレーザースキャナーで測ったり、スマートフォンを使った近距離の3Dスキャンで体積を求めたりすることもできます。要するに、現場の規模や状況に応じてドローン以外の計測手段も選択可能です。LRTKのような携帯型の測量ツールを使えば、地上から人力で測っても効率よく高精度な体積データを取得できます。

Q6. 専門的な知識や資格がなくても測量できますか？ A6. 最近の簡易測量システムは、専門の測量士でなくとも扱いやすいよう設計されています。基本的な操作手順さえ覚えれば、複雑な設定をせずとも自動でデータを取得・処理してくれます。ただし、より正確な結果を得るためのポイント（測定機器の正しい設置方法や誤差要因の理解など）を知っておくと望ましいです。とはいえ従来の光学測量機のような高度な技能や調整は必要なく、誰でも直感的に使えるのが最新の簡易測量ツールの特徴です。実際、スマホアプリ感覚で操作できる製品もあり、現場担当者が短時間の講習で使い始められるケースが増えています。

Q7. どのくらいの精度で体積を測れますか？ A7. 使用する機材や方法によりますが、RTK対応の測量機器を使った場合、水平・高さともに誤差数センチ以内の精度で点の座標が取得できます。そのため、計算される体積も理論上は数％程度の誤差に収まる高い精度が期待できます。もちろん現実には、計測対象の形状やデータの密度、周囲の衛星受信環境などによって精度は多少変動します。ただ、従来の断面法と比べれば遥かに詳細に形状を捉えている分、ヒューマンエラーや見落としによる誤差は格段に減らせます。要約すると、最新の3D測量＋RTKによる体積計算では、実用上ほとんど問題のない精度で土量を把握できると考えてよいでしょう。

Q8. LRTKとは何ですか？ A8. LRTKは、レフィクシア社が開発したスマートフォン用の小型測位デバイスおよびシステムの名称です。スマホに装着できる超小型のRTK-GNSS受信機（LRTK Phoneデバイス）と専用アプリから構成されており、これを使うとスマホがセンチメートル精度の測量機器に早変わりします。インターネット経由の補正情報や衛星からの信号を受け取り、リアルタイムに高精度測位が可能です。測位した点のデータはクラウドサービスと連携して管理・共有でき、アプリ上でそのまま距離・面積・体積を計算する機能も備えています。「LRTKによる簡易測量」とは、このLRTKデバイスとスマホを使って誰でも手軽に行える測量手法のことで、専門的なハードルを下げ現場の生産性を高めるソリューションとして注目されています。