スマホでできる点群土量計算：LRTKで現場測量を省人化

目次

• 土量計算とは？土木工事で求められる理由

• 従来の土量計算方法と点群活用のメリット

• 点群データの土木現場への活用事例

• スマホでできる点群計測：写真測量とLiDARスキャン

• RTKによるスマホ測量の高精度化

• 点群データから土量を算出する手順

• LRTKによる簡易3D測量で現場を省人化

• FAQ

土量計算とは？土木工事で求められる理由

「土量計算」とは、土木工事などで扱う土砂や盛土・切土の体積を算出することです。建設現場では、工事計画や出来形管理のために正確な土量把握が欠かせません。例えば以下のような場面で土量計算が求められます。

• 盛土（もりど）：地盤をかさ上げする工事では、所定の高さにするために必要な土砂の量を事前に見積もり、実際にどれだけ盛土したか確認します。

• 切土（きりど）：山や地面を掘削して土地を平坦化する際、どれだけの土砂を掘削・搬出したか計測し、設計数量と差異がないか検証します。

• 法面整形：切土や盛土でできた斜面（法面）を設計形状に整える作業で、余分な土を削ったり補ったりする際の土量を算定します。

• 造成工事：宅地や造成地の整地工事では、全体の地形を整えるために発生する残土量や埋め立て土量を計算し、工事計画やコスト管理に活かします。

このように、盛土・切土・法面整形・造成など土木工事の様々な局面で土量計算が必要になります。土量を正確に算出することで、必要な土砂の手配や搬出計画を適切に立てることができ、工事の進行をスムーズに管理できます。また出来形（完成形状）の検証にも土量計算は重要で、発注者への報告や施工後の記録として客観的な数量データを示す役割も果たします。

従来の土量計算方法と点群活用のメリット

従来の土量計算は、主に測量による地形データから断面図を作成し、平均断面法などで体積を求める方法が一般的でした。例えば一定間隔ごとに現地で高さを測った測点を結んで横断面を描き、各断面の面積から体積を算出するという手順です。しかしこの方法では:

• 現場で多数のポイントを人手で測定する必要があり、大変な手間と時間がかかる

• 測点間は推測による補間となるため、地形の細かな起伏までは表現しきれず精度に限界がある

• 計算作業も手動で断面ごとに行うためミスのリスクがある上、結果が出るまでに時間を要する

といった課題がありました。これに対し、近年注目されているのが3次元の点群データを用いた土量計算です。施工前後や盛土・掘削後の地表面をそれぞれ高密度な点群測量で取得し、二つの3Dデータの差分から体積を求める手法になります。点群データ活用には次のようなメリットがあります。

• 精度向上：点群は地表面を隅々まで大量の点で測定したデータの集合です。人力では拾いきれない細かな凹凸まで捉えられるため、土量計算の精度が向上します。現場検証でも、点群から算出した土量は従来手法と比べて誤差1%程度とほぼ遜色ない高精度が報告されています。

• 効率化：一度取得した点群データからメッシュ法（TINモデルの比較など）で自動的に土量算出できるので、追加の現地測量や煩雑な計算作業が不要です。別の範囲の体積を出し直す場合も、データ上で計算するだけで済みます。また現地測量そのものも短時間で完了し、データ取得から数量算出までの時間が大幅に短縮されます。

• 省力化：点群計測には専用機器やドローンを用いる方法もありますが、近年は後述するようにスマートフォンでも手軽に実施可能です。従来4人がかりで1週間（延べ28人日）かかっていた土量測定・算出作業が、写真測量による点群作成に切り替えたことで2人で1日（2人日）で完了した例もあります。必要人員を削減しつつスピーディーに土量が算出でき、施工管理のPDCAを素早く回せるようになります。

• データの再利用：取得した点群データは証拠として保存したり、後から別の分析に使ったりできます。例えば点群を保存しておけば、工事後に発注者と数量のすり合わせを行う際の客観的エビデンスになりますし、将来的に設計変更や追加工事が発生した場合にも過去データを参照できます。紙の図面や写真だけでは得られない詳細な3D記録として価値があります。

このように、点群による土量計算は精度と効率の両面で優れているため、近年その重要性が増しています。国土交通省が推進するICT施工・i-Constructionの潮流もあり、3次元測量と数量算出の新たな手法として現場への導入が進んでいます。

点群データの土木現場への活用事例

点群データを用いた土量計算は、実際の土木施工の現場管理で様々な形で活用されています。ここでは典型的な活用シーンの一例を紹介します。

● 掘削前後や盛土前後の出来形数量管理 土木工事では、施工前後で地形データを取得しておき、設計上の予定土量と実施工の土量を比較することで出来形（出来高）管理を行います。例えば掘削工事なら、事前に算出した設計土量と、実際に掘削して搬出した土量を点群データから比較し、過不足なく施工できたかを検証します。点群測量を使えば短時間で現地の詳細な地表モデルが得られるため、工事直後にその場で出来形（土量）の確認が可能です。もし不足があれば追加の埋め戻し土の手配を早急に行え、余剰が出ていれば残土処分の計画をすぐ立てられます。このように、施工直後に数量を把握できることで工事の進捗管理とコスト管理を的確に行えます。また出来形数量の裏付けとして3D点群データを保存しておけば、発注者との数量確認もスムーズに行えるでしょう。従来は工事完了後に丁張りや測量機でポイントごとの高さを測り直し断面図を作成するといった手間がありましたが、点群データによる自動算出により現場管理者の負担を大きく軽減できます。

● 小規模土砂の即時ボリューム測定 点群データ活用は大規模な土工だけでなく、日々の小さな計測業務でも威力を発揮します。例えば工事中に出た残土の山や、砕石など資材のストックパイル（盛土の小山）の体積測定です。従来であればメジャーや測量器で寸法を測って概算するか、後日専門業者に計測を依頼していたようなケースでも、点群計測を使えば現場ですぐに正確な体積を数値化できます。最近では後述するスマホ搭載LiDARやモバイル端末の3Dスキャン機能を使い、現場監督自身が数分で残土の山をスキャンして即座に体積を把握する、といったことも可能になっています。その結果を踏まえてその場で重機の稼働台数を調整したり、ダンプの追加手配を判断したりと、リアルタイムな意思決定に繋げられます。従来は測量データを持ち帰ってからでないとできなかった工程計画の見直しが、その場で行えるようになる点は大きな利点です。点群データによる即時の土量把握は、日々の施工管理や出来形管理の精度向上だけでなく、現場対応のスピードアップにも寄与しています。

スマホでできる点群計測：写真測量とLiDARスキャン

高密度な点群データを取得すると聞くと「高価な3Dレーザースキャナーやドローンが必要では？」と思われるかもしれません。確かに従来は特殊な機材や専門スキルが必要でしたが、近年はスマートフォンひとつで点群計測が可能になっています。主に以下の2つのアプローチがあります。

• 写真測量（フォトグラメトリ）による点群化 デジタルカメラで撮影した複数の写真から3Dモデルや点群データを生成する手法です。専用の写真測量アプリを使えば、スマホを片手に現場を歩き回るだけで自動的に複数の写真が撮影され、裏側で並行して3Dモデル（点群）が構築されていきます。従来の測量のように三脚を立てたり高度な機器を操作したりする必要はなく、1人で周囲の写真を撮るだけで精密な点群が得られる手軽さが魅力です。撮影後のデータ処理もクラウド上で自動化されているソリューションもあり、専門知識がなくても高精度な点群データを生成できます。ただし写真測量では、広い範囲をカバーするために十分な枚数の写真を撮ることと、あとで画像処理を行う時間が必要になります。そのため即時性という点では後述のLiDARスキャンに劣りますが、広範囲の地形や大きな盛土・切土も安価な機材でカバーできるという利点があります。ドローンを使った空中写真測量もこの一種ですが、規制や操縦技能のハードルがあります。その点、スマホでの写真測量なら特別な資格も不要で地上から安全に計測できるため、小規模な測量業務には非常に便利です。

• スマホ搭載LiDARによるスキャン 最新のスマートフォンやタブレットにはLiDAR（ライダー）センサーを内蔵したモデルが存在します（例：iPhone 12以降のProシリーズ、iPad Proなど）。このLiDARを使うと、レーザー光で周囲の形状を直接スキャンしてリアルタイムに点群データ化できます。専用アプリを起動してスマホを手に持ち、測りたい対象のまわりを歩くだけで、わずか数十秒～数分ほどで数百万点にも及ぶ高密度点群を取得可能です。まさに「ポケットの中のデバイスでプロ並みの3Dスキャン」ができる時代となり、実際に建設現場の技術者が日常業務にスマホの点群計測を取り入れ始めています。スマホLiDAR計測の利点は、計測から点群生成までその場で完結する即時性と操作の簡便さです。複雑な事前準備や機器の校正も不要で、「いつでも・誰でも・手軽に」高精度計測を行える点が革新的です。ただし一度に計測できる範囲には限りがあり、例えば数十メートル四方程度の範囲を区切って複数回スキャンし、後でそれらを結合するといった工夫が必要になる場合があります。また絶対座標（緯経度や標高）を知るには別途基準点との位置合わせが必要です。それでも、必要なときにすぐ計測できる機動力は他の計測手法に勝り、小回りの利く現場対応が可能になります。特に前述のような小規模の盛土量チェックや残土量確認では、スマホLiDARスキャンが最適解となるでしょう。

このように、写真測量とスマホLiDARという二つの方法でスマートフォンによる点群計測が実現されています。いずれの方法も共通しているのは、「従来必要だった高額機器や専門技能を不要にし、現場スタッフ自らが計測できるようになった」点です。スマホ単体で取得した点群は基本的にローカル座標（任意の座標系）のデータとなりますが、後述するRTK測位と組み合わせることで、測量座標系への合致やさらなる精度向上が図れます。

RTKによるスマホ測量の高精度化

スマホによる点群計測を現場で実用する上で鍵となるのがRTK（リアルタイムキネマティック）測位の活用です。一般的なスマートフォン内蔵GPSの精度は数メートル程度ですが、RTKは基地局からの補正情報を用いて測位誤差を数センチまで縮小できる技術です。従来は測量用の高性能GNSS受信機が必要でしたが、最近ではスマホと一体化できる小型のRTK対応アンテナ端末が登場しており、手軽にセンチメートル級の測位が可能となっています。

スマホで取得する点群データにRTKによる高精度座標を組み合わせることで、以下のようなメリットがあります。

• 位置座標の付与：スマホのLiDARやカメラで取得した点群に対し、その場で正確な世界座標（緯度・経度・標高）を付けることができます。これにより、点群データを設計図の座標系や公共座標系に直接重ね合わせることが可能です。従来は計測後に標定点との手動対比や後処理が必要でしたが、RTK対応スマホ測量なら現地で自動的に位置合わせされたデータが得られます。

• スケール精度の向上：写真測量では一部に縮尺誤差が生じることがありますが、RTKで各写真の撮影位置を高精度記録することでモデル全体のスケールを正しく保つ効果があります。またスマホLiDAR計測についても、得られた点群に対してRTKの座標基準を与えることで、メジャーで実測したような厳密な寸法精度が担保されます。特に縦方向（高さ方向）の精度確保にRTKは有用で、土量計算では高さの誤差が体積誤差に直結するため高低差を数センチの精度で捉えることは重要です。

• 基準点測量の簡略化：従来の出来形管理では、現場に設置した既知点（ベンチマーク）の高さや位置を基準に各測点を測量していました。RTK対応のスマホであれば、公共座標に基づく測位結果が即得られるため、事前のベンチマーク合わせや多数の既知点設置を省略できる場合があります。言い換えれば、スマホがそのまま移動式の測量機器となり、好きな地点で精密な座標計測ができるので、必要最低限の人員で現場測量が完結します。

• 他のデータとの統合：高精度な位置情報付きの点群は、他の測量データや設計データとの統合が容易です。例えば設計の3Dモデルや他の時期に取得した点群データと比較して差分土量を計算したり、CAD図面上に計測点群を読み込んで直接出来形検査に使ったりといった応用がスムーズに行なえます。データの互換性・汎用性が高まることで、後工程の解析・報告作業も効率化できます。

このように、スマホ×RTKの組み合わせにより、従来は専門機器が必要だった高精度測量が誰にでも手の届くものになりつつあります。現場では「スマホに小さなGNSSアンテナを付けるだけ」で瞬時に高精度の位置情報を取得できるため、作業負担を増やすことなく測量精度だけを飛躍的に向上させられます。結果として、迅速・簡便さと精度を両立した新しい測量ワークフローが実現するのです。

点群データから土量を算出する手順

では、実際に取得した点群データからどのように土量計算を行うのでしょうか。その基本的な手順を見てみましょう。

• 現況点群データの取得 対象となる地形や土砂について、工事前後または比較したい二つの状態の点群データを取得します。例えば掘削工事なら掘削前の地形と掘削後の地形、盛土工事なら盛土前の地盤と盛土後の表面を計測します。比較対象がない単独の盛土量測定（山積み土砂の体積など）の場合は、盛土の地表面点群を取得し、後で基準面を設定する形になります。点群の取得方法は前述のスマホ写真測量やLiDARスキャン、ドローン撮影、地上レーザースキャナ測定など様々ですが、同じ座標系で測ることが重要です（RTKを使って測量座標系に揃えるか、後で点群同士を対比させる）。

• 点群データの処理と整備 取得した点群データを専用のソフトウェアやクラウドサービスに取り込みます。まず不要なノイズや測定範囲外の点を削除し、土量計算したい部分の点群だけが残るようにデータを整えます。例えば周囲の建物・重機・樹木など土量と無関係なものが含まれていれば、それらの点群を除去またはマスクします。また複数の点群データを扱う場合は、位置合わせ（合成）を行い両者が共通の座標空間に重なるよう調整します。RTKで測っていれば基本的に揃っていますが、そうでない場合は共通の既知点や特徴点を用いて点群同士を統合します。

• 地表面モデルの作成 点群から土砂の体積を計算するには、点の集合を面（メッシュ）に変換する必要があります。ソフト上で地形の点群データから三角形のメッシュ（TIN: Triangular Irregular Network）やグリッドモデルを生成し、連続した地表面モデルを作成します。同様に比較対象側の点群についても表面モデルを作ります。単独の盛土を基準面と比較する場合は、地面を水平な平面（もしくは傾斜地なら適切な基準面）として設定し、その平面と盛土表面点群との間でメッシュモデルを作成します。

• 体積の算出 2つの地表面モデル間の体積差を計算します。一般的なソフトウェアでは、メッシュモデル同士の高さの差からプリズム体積を積算することで差分体積を求めたり、あるいは複数断面の比較から土量を積算したりする機能があります。計算の結果、たとえば「設計に対して土量が◯◯立方メートル不足している」「基準面より上の盛土体積は◯◯m³である」といった数値が得られます。点群処理ソフト上では体積だけでなく、色分けによる盛土・切土の視覚的な比較表示ができるものもあり、どこをどれだけ削ったか盛ったかを一目で確認できるようになっています。

• 結果の活用と検証 算出した土量を工事の管理に役立てます。出来形数量として発注者に提出したり、今後の工程の計画修正に反映したりします。必要に応じて、別の範囲や条件で再計算することも容易です。一度取得した点群データは残っているので、例えば「ある特定のエリアだけの土量を知りたい」と思えばその部分を切り出して再計算できます。新たな測量をしなくてもデータ上で計測できるのは点群活用の大きな利点です。また結果に疑問がある場合は、現場で再スキャンしてすぐ検証することもできます。従来のように後日測り直すのではなく、必要なときに追加計測して即座にデータ比較できるため、現場でのPDCAサイクルを迅速に回せます。

以上が基本的な流れです。難しく感じるかもしれませんが、現在は計測から体積算出までを一貫して自動化できるソフトやサービスも増えてきました。スマホで点群計測したデータをクラウドにアップロードするだけで、「盛土量○○m³、切土量○○m³」のように結果がレポートされるツールも登場しています。各工程を個別に意識しなくても済むようになりつつあり、現場の担当者が直感的な操作で土量計算できる時代が目前です。

LRTKによる簡易3D測量で現場を省人化

こうしたスマホ測量をさらに発展させ、現場測量の省人化に寄与するソリューションの一つにLRTKがあります。LRTKはレフィクシア社が提供するスマートフォン一体型の高精度測位システムで、スマホに装着可能な小型RTK-GNSSアンテナ「LRTK Phone」と専用の測量アプリ、クラウドサービスから構成されています。iPhoneにLRTK端末を取り付けてアプリを起動するだけで、ネットワーク型RTKによるリアルタイム測位が可能となり、スマホの位置情報が瞬時にセンチメートル精度へと向上します。取得した位置座標は写真撮影や点群スキャン機能と連携し、スマホ内蔵のLiDARやカメラで記録したデータに自動で高精度座標が付与されます。スマホ1台で高精度な3D測量が完結する点が大きな特徴で、従来はドローン＋GPS基準局や高額なレーザースキャナが必要だったような出来形計測も、LRTKを使えば現場スタッフ一人で実施できるようになります。

LRTKを活用することで、現場での点群計測から土量算出までをリアルタイムかつ簡便に行うことも可能です。例えばLRTK対応のスマホアプリ上で盛土や残土の山をスキャンすると、取得された3D点群データから即座に体積が計算されてスマホ画面に表示されます。高精度な位置情報付きの点群なので、その結果を基準高や設計モデルと比較してその場で盛土・切土量を正確に算出することもできます。これまで点群を取得してからパソコンで解析していた工程を大幅に短縮し、スキャン直後に出来形数量を把握できるため、「当日中に残土処理が追加で必要か判断する」「即座に埋め戻し土量を確認して不足分を発注する」といった迅速な現場対応を後押しします。またLRTKのクラウドサービスと連携すれば、現場で取得した点群データや座標付き写真が自動でクラウドに保存・共有されます。オフィスにいる同僚とリアルタイムでデータを共有したり、時間経過に沿って蓄積した複数の点群モデルをオンラインで比較分析したりと、活用の幅も広がります。

このようにLRTKは、スマホによる手軽な計測と高精度測位・データ処理を一体化した統合ソリューションです。現場の誰もが使えるUIで専門知識も不要なため、測量の専門部署に頼らず「一人一台で測れる」時代を切り拓くツールとして注目されています。従来は人手をかけて行っていた出来形計測や数量算出が、LRTKによって驚くほど効率化され省人化につながるでしょう。土木業界では今後ますます3次元技術の活用が進むと予想されますが、LRTKのようなスマホ測量デバイスを導入すれば、その波に乗り遅れることなく現場の生産性向上を実現できます。ぜひこの機会に、スマートフォンとLRTKを活用した新しい測量手法に触れてみてください。最小限の手間で最大の成果を生み出し、施工現場の管理を次のステージへと引き上げる一助となるはずです。

FAQ

Q. 点群土量計算とは何ですか？ A. 点群土量計算とは、3Dの点群データ（多数の座標点の集合）から土砂の体積を求める方法です。従来は人力測量と断面図による体積計算が主流でしたが、点群を使うことで地形全体を詳細に捉えた上で盛土量・切土量を計算できます。高精度かつ効率的に出来形数量を算出できるため、土木工事の現場で注目されています。

Q. スマホで土量計算は本当にできるのですか？ A. はい、可能です。最新のスマートフォンは高性能なカメラやLiDARセンサーを搭載しており、専用アプリを使って現場をスキャンすれば点群データを取得できます。その点群から土量を計算することで、スマホだけで土量計算が完結します。より高い精度を求める場合はRTK対応のアンテナをスマホに併用することで、測量機器に匹敵する精度で体積算出が行えます。

Q. スマホ測量とドローン測量の違いは何ですか？ A. ドローン（無人航空機）測量は上空から広範囲を一度に写真測量できるため、広大な現場や上空からしか測れない箇所の点群取得に適しています。ただしドローンの飛行には資格や飛行許可が必要で、天候の影響も受けます。一方スマホ測量は地上から人が歩いて計測するため、手間はかかりますが手軽で規制のハードルが低いのがメリットです。狭いエリアや室内、飛行が難しい場所でもスマホなら測れます。両者の精度自体はデバイスや手法によりますが、スマホ＋RTKであればドローン測量に劣らない精度で点群を取得することも可能です。現場の規模や用途に応じて、ドローンとスマホを使い分けると良いでしょう。

Q. RTKがなくても測量できますか？ A. RTKなしでも点群測量自体は可能です。スマホ単体のカメラやLiDARでスキャンすれば、一応3次元モデルは作れます。ただしRTKがない場合、得られる点群に絶対的な座標（緯度経度や標高）の情報が無いため、現場ごとの基準点に合わせる手間が発生します。またGPS精度が低いままだと高さ方向のわずかな誤差が体積計算では大きな違いになる可能性もあります。RTKを使えばそうした位置合わせ作業や誤差補正を自動で行えるので、結果として測量の精度と効率が飛躍的に向上します。ですから厳密な土量管理を行うならRTKの併用をおすすめします。

Q. 点群測量の精度や誤差はどのくらいですか？ A. 条件によって変わりますが、RTKを使った写真測量やスマホLiDAR計測では、平面的な位置精度は数センチ以内、高さ方向でも数センチ～せいぜい数十センチ程度の誤差に収まることが多いです。適切に計測すれば、点群から算出した土量は従来の人力測量による計算結果とほぼ同等（誤差数％以内）の精度が期待できます。ただし撮影枚数が不足したり、スキャン範囲が広すぎてデータに抜けがあると精度が落ちるため、十分なデータ取得と計測計画が重要です。現場ごとに検証しながら進めれば、実用上問題ない精度での土量管理が可能です。

Q. 導入コストは従来方法と比べて安いですか？ A. 一般に、専用の3Dレーザースキャナやドローン測量システムと比べれば、スマートフォンを活用した測量の方が初期導入コストは抑えられる傾向にあります。既にお持ちのスマホにアプリを入れるだけで始められますし、RTK対応のアンテナも高性能の割に比較的コンパクトで安価です。人件費の面でも、従来は複数人必要だった作業を1人でこなせるようになるため、大きなコスト削減につながります。ただし測量の目的や求める精度によっては従来機器が必要な場面もあるので、ケースバイケースで最適な手法を選ぶことが大切です。