防災・減災のための ICRT 技術による 3 次元レーザ点群
の活用法とその取得法に関する研究
岡山大学大学院 博士後期課程 環境科学専攻
冨井 隆春
防 災 ・ 減 災 の た め の ICRT技 術 に よ る 3 次 元 レ ー ザ 点 群 の 活 用 法 と そ の 取 得 法 に 関 す る 研 究
目 次
第 1章 必 要 と さ れ る ド ロ ー ン ハ ー ド 技 術 の 概 要 ： p．1
1.1 防 災 ・ 減 災 の た め の ド ロ ー ン 測 量 シ ス テ ム 開 発 の コ ン セ プ ト ： p．1
1.2 第 1章 の 結 論 ： p．8
第 2章 高 精 度 ド ロ ー ン 測 量 用 GNSS の 開 発 と 有 用 性 の 検 証 ： p．9
2.1 ド ロ ー ン 測 量 の 課 題 ： p．9
2.2 ド ロ ー ン の 高 精 度 自 己 測 位 技 術 の 開 発 ： p．12
2.3 高 精 度 自 己 測 位 技 術 を 活 用 し た 計 測 事 例 ： p．16
2.4 第 2章 の 結 論 ： p．27
第 3章 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 の 開 発 と 防 災 ・ 減 災 へ の 応 用 ：p．28
3.1 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 の 特 徴 と 開 発 の 背 景 ： p．28
3.2 開 発 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 測 量 精 度 検 証 ： p．37
3.3 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 災 害 地 へ の 適 用 事 例 ： p．43
3.4 第 3章 の 結 論 ： p・51
第 4章 ド ロ ー ン を 用 い た グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 開 発 ： p．52
4.1 ド ロ ー ン グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 の 実 用 性 の 実 証 ： 海 底 地 形 の 測 量 例 ：p．52
4.2 ド ロ ー ン グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 の 実 用 性 の 実 証 ： 河 川 の 測 量 例 ： p．61
4.3 第 4章 の 結 論 ： p．70
第 ５ 章 結 論 お よ び 今 後 の 展 開 ： p．71
5.1 本 論 文 の 結 論 ： p．71
5.2 今 後 の 展 開 ： p．72
参 考 文 献 ： p．74
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第 1 章 必要とされるドローンハード技術の概要
1.1 防災・減災のためのドローン測量システム開発のコン セプト
構 造 運 動 や 火 山 運 動 の 影 響 に よ り ， 日 本 列 島 の 多 く は 複 雑 か つ 脆 弱 な 岩 盤 か ら 構 成 さ れ て お り ， ま た 台 風 ， 梅 雨 あ る い は 近 年 増 加 傾 向 に あ る 集 中 豪 雨 な ど の 誘 因 に よ っ て ， 斜 面 災 害 に よ る 人 的 お よ び 経 済 的 被 害 が 毎 年 多 発 し て い る ． こ の よ う な 現 状 に お い て ， 限 ら れ た 財 源 と 管 理 体 制 の な か で ， 効 率 的 か つ 効 果 的 な 斜 面 防 災 対 策 を 行 な う 必 要 が あ る が ， 潜 在 的 な 斜 面 災 害 の 危 険 性 を 有 す る 個 所 は 多 数 あ り ， す べ て に 対 し て 抜 本 的 な 対 策 工 を 早 期 に 実 施 す る こ と は 困 難 で あ る ． ま た モ ニ タ リ ン グ よ り 斜 面 の 状 態 を 把 握 し て 災 害 を 未 然 に 防 ぐ こ と も 検 討 さ れ て い る が ， 計 測 機 器 を 斜 面 上 に 密 に 配 置 す る こ と は 困 難 で あ り ， 岩 盤 斜 面 で は 全 体 の 挙 動 を 捉 え 難 い と い う 問 題 を 抱 え て い る ． さ ら に 道 路 防 災 総 点 検 以 降 に 災 害 が 発 生 し た 箇 所 の 多 く で は ， 災 害 の 形 態 や 規 模 が 想 定 外 の 事 例 で あ っ た と い う 事 例 も 報 告 さ れ て い る ． こ れ ま で 斜 面 災 害 に よ っ て ， 多 く の 人 的 あ る い は 経 済 的 な 被 害 を 発 生 し て い る に も か か わ ら ず ， 点 検 作 業 が 人 的 労 力 に 頼 っ て い る こ と か ら ， 危 険 個 所 の 見 逃 し が 多 く ， 点 検 を 実 施 し て い る 着 目 点 以 外 の 箇 所 か ら も 新 た な 災 害 が 発 生 し て い る の が 実 情 で あ る ．
こ の 状 況 は 河 川 関 連 の 災 害 で も 同 様 で あ る ．2015年 の 関 東・東 北 豪 雨 で の 鬼 怒 川 や ， 平 成 30 年 豪 雨 災 害 で の 岡 山 県 内 高 梁 川 流 域 に お け る 堤 防 決 壊 な ど に 見 ら れ る よ う に ， 近 年 の 地 球 規 模 の 気 候 変 化 に 伴 う 極 端 な 総 降 水 量 の 増 加 に よ る 外 水 氾 濫 が 多 発 す る 傾 向 に あ る ． 今 世 紀 末 に は ， 全 国 の 1級 水 系 に お け る 年 最 大 流 域 平 均 降 雨 量 は ，現 在 よ り 約 1.1～1.3 倍 く ら い に 増 加 す る と 予 測 さ れ て お り ，河 道 や 河 川 管 理 施 設 の 維 持 管 理 の 重 要 性 が 増 し て い る ． な か で も 主 た る 管 理 対 象 施 設 で あ る 堤 防 は ， 総 延 長 の 長 い 線 的 構 造 物 で あ り ， た と え 1箇 所 で も 決 壊 す る と ， 広 範 囲 に わ た る 区 間 全 体 が 被 災 す る 危 険 性 が あ る ． こ の 河 川 堤 防 は ， 特 殊 区 間 を 除 い て ， 河 川 管 理 施 設 等 構 造 令 に よ り ， 盛 土 に よ っ て 築 造 さ れ る こ と が 規 定 さ れ て い る ． 河 道 の 流 下 能 力 向 上 や 流 水 に よ る 浸 食 洗 掘 対 策 と し て ， 嵩 上 げ や 腹 付 け な ど の 改 修 ・ 強 化 が 幾 度 も 行 わ れ た 変 遷 を 経 て 現 在 に 至 っ て お り ， 盛 土 内 部 の 構
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造 や 地 質 的 な 資 料 が 完 備 さ れ て い な い 場 合 も 多 い ． そ の 一 方 で ， 河 川 の 点 検 作 業 は ， 歩 き な が ら 目 視 で 確 認 す る 作 業 に よ っ て 行 わ れ て お り ， 堤 防 の 健 全 性 の 評 価 は ， 担 当 技 術 者 の 技 量 や 経 験 に 頼 っ て い る の が 実 情 で あ る ． 現 在 の 気 候 変 動 に 対 応 す る た め に は ， 出 水 直 後 だ け で な く ， 平 常 時 か ら 堤 防 の 外 形 を 詳 細 に 監 視 し ， 変 形 な ど の 異 常 が 発 見 さ れ た 場 合 は ， い ち 早 く 対 策 を 講 じ る た め の 評 価 を 行 う 必 要 が あ る が ， 点 検 作 業 が 人 的 労 力 に 頼 っ て い る こ と か ら ， 危 険 個 所 が 定 量 的 に 把 握 さ れ ， 有 効 な 対 策 が 講 じ ら れ て い る と は 言 い 難 い 状 況 で あ る ．
こ れ ら の 課 題 を 解 決 す る 手 法 と し て ， 広 範 囲 の 地 形 を 効 率 よ く 調 査 す る 航 空 レ ー ザ 測 量 デ ー タ を 用 い る こ と で ， 点 検 対 象 の 斜 面 や 河 川 流 域 の 地 形 の 把 握 ， 特 に 現 位 置 で の 調 査 で 安 定 性 を 確 認 す る 必 要 が あ る 箇 所 を 机 上 で 的 確 に 抽 出 す る 手 法 の 開 発 が 試 み ら れ て き た ． し か し な が ら ， 広 域 を 定 期 的 に 測 量 す る 作 業 に は 航 空 測 量 は 適 し て い る も の の ，2007 年 新 潟 県 で 発 生 し た 中 越 地 震 あ る い は 2008 年 の 岩 手 ・ 宮 城 内 陸 地 震 な ど に 代 表 さ れ る 突 発 的 な 災 害 対 応 に お い て ， 被 害 状 況 の 把 握 あ る い は 対 策 立 案 の た め の 被 害 査 定 作 業 に 必 要 な 3次 元 座 標 デ ー タ を ， 現 位 置 で 迅 速 に 取 得 す る た め に 適 し た 手 法 が 必 要 で あ る こ と が 痛 感 さ れ た ．図 1-1に は ， 前 述 の 災 害 で 明 ら か に な っ た 航 空 機 を 使 っ た デ ー タ 取 得 法 の 課 題 を 示 す ．
図 1-1 ド ロ ー ン を 使 っ た 3次 元 座 標デ ー タ 取 得 法 を 開 発 す る に 至 っ た 背 景
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ま た 河 川 分 野 に お い て は ， 車 両 で 走 行 し な が ら 連 続 的 に レ ー ザ 点 群 が 取 得 で き る モ ー ビ ル マ ッ ピ ン グ シ ス テ ム （Mobile Mapping System :以 下 MMS と 称 す る ） が ，高 精 度 の 測 量 を 迅 速 に 実 施 で き る 手 法 と し て 注 目 さ れ て い る ．こ の MMSは ， 車 両 に デ ジ タ ル カ メ ラ お よ び レ ー ザ ス キ ャ ナ を 搭 載 す る ． 複 数 の 衛 星 を 介 し て 電 子 基 準 点 等 の 情 報 を 統 合 し た RTK 方 式 の GNSS キ ネ マ テ ィ ッ ク 解 析 に よ り 自 己 位 置 を 算 出 し ，オ ド メ ー タ の 値 や IMU（inertial measurement unit）に よ る 加 速度 お よ び 角 加 速 度 か ら 求 め た レ ー ザ 照 射 時 の 姿 勢 情 報 と GNSS時 刻 に よ る 関 連 付 け を 行 う こ と で ， レ ー ザ 照 射 点 の 3 次 元 位 置 座 標 を 取 得 す る 手 法 で あ る ． こ れ ま で も MMSを 河 川 堤 防 の 測 量 に 適 用 す る 研 究 例 は 幾 つ か 報 告 さ れ て い る ．例 え ば ，長 大 な 河 川 堤 防 を 車 両 走 行 に よ っ て 高 精 度 で 測 量 す る こ と の 可 能 性 を 考 察 し ， 走 行 中 の 車 両 の 自 己 位 置 の 精 度 と 測 量 精 度 の 関 係 を 検 証 し ， 基 線 長 が 長 く な る と 測 量 精 度 が 劣 化 す る こ と を 明 ら か に し ， 電 子 基 準 点 の 選 択 が 重 要 で あ る こ と が 報 告 さ れ て い る ．さ ら に こ の 結 果 を 踏 ま え て ，VRS（ 仮 想 基 準 点 方 式 ）に よ り 基 線 長 を 5km 以 下 に し ， 調 整 点 に よ る 高 さ 補 正 を 実 施 す る こ と に よ り ， 高 精 度 の 堤 防 の 変 状 把 握 を 実 証 し た 報 告 な ど が あ る ．し か し な が ら ，MMSは 堤 防 天 端 の 走 行 に よ り 測 量 を 実 施 す る の で ， 堤 防 上 の 雑 草 や 構 造 物 が 障 害 と な り ， レ ー ザ 照 射 の 死 角 が 発 生 す る 場 合 が 生 じ る ．そ の た め ，堤 防 天 端 の 沈 下 箇 所 を 高 精 度 に 検 出 で き る も の の ， 法 面 を 含 め た 堤 防 全 体 に 対 し て ， 対 策 が 必 要 な 個 所 を 抽 出 す る 手 法 と し て 実 用 化 さ れ た 例 は な い ．法 尻 で のMMS 走 行 に よ り ，MMSが 計 測 で き な い 箇 所 の 3次 元 デ ー タ を 取 得 す る 試 み も 報 告 さ れ て い る が ， 機 材 の 再 配 置 が 必 要 に な り ， 人 的 ・ 時 間 的 労 力 の 削 減 に つ な が ら な い と い う 課 題 が あ る ．こ の 課 題 を 解 決 す る た め に ， レ ー ザ 照 射 範 囲 の 死 角 を 少 な く す る た め に ， 地 上 か ら 3.5m の 高 所 に ス キ ャ ナ を 設 置 し た MMS 測 量 シ ス テ ム の 試 行 も 報 告 さ れ て い る （ 橘 ほ か ，2005b）． ま た ， こ の3.5m の 高 所 に レ ー ザ ス キ ャ ナ を 設 置 し た MMSは ，波 返 工 の 沈 下 の 測 量 に 有 用 で あ る こ と が 報 告 さ れ て い る ． 一 般 的 に 活 用 さ れ て い る 航 空 レ ー ザ 測 量 で は ， レ ー ザ 点 群 間 隔 が 0.50m以 上 に な り ，幅 が 約 0.40mの 波 返 工 の 天 端 を 正 確 な 座 標 値 で 再 現 で き な い ．そ れ に 対 し て ，MMSに よ る 測 量 は ，高 密 度 の レ ー ザ 点 群 間 隔 で 測 量 で き る の で ， 波 返 工 の 天 端 の 形 状 も 明 瞭 に 再 現 さ れ る ． こ の よ う に MMS は ， 長 距 離 に わ た る 測 量 が 簡 便 で あ る と い う 車 両 走 行 型 レ ー ザ 測 量 の 特 徴 を 活 か し な が ら も ， 高 精 度 の 測 量 が 可 能 で あ る と い う 利 点 が あ る ． そ の 一 方 で ， 波 返 工
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の 天 端 は 測 量 で き る も の の ， 堤 防 法 面 の レ ー ザ 点 群 は レ ー ザ の 入 射 角 度 の 関 係 で 欠 損 す る こ と が 多 く ，堤 防 法 面 の 全 体 の 測 量 は 困 難 で あ る こ と が 報 告 さ れ て い る ． こ れ ら の 背 景 を 鑑 み る と ， 河 川 分 野 に お い て も ， 図 1-1 に 示 す よ う な ， 航 空 機 を 使 っ た 計 測 に 代 わ る 自 律 飛 行 型 小 型 航 空 機 を 使 っ た 3次 元 座 標 デ ー タ 取 得 法 の 要 求 が 大 き い こ と が 明 ら か に な っ た ．
2007年 頃 ま で に は ，普 及 は し て い な いも の の ，現 在 の ド ロ ー ン を 使 っ た 計 測 法 は 報 告 さ れ て い る ． し か し な が ら ， 飛 行 時 間 は 最 大 で も 5～10分 で あ り ， また 精 密 な デ ー タ を 取 得 で き る 計 測 器 を 搭 載 で き る よ う な ペ イ ロ ー ド 性 能 は な く ， 小 型
図 1-2 ド ロ ー ン 開 発 に 際 し て ， 備 え る べ き 性 能 と 考 え た 内 容
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カ メ ラ を 搭 載 で き る 程 度 の も の し か 開 発 さ れ て い な か っ た ． そ こ で ， 図 1-2に 示 す 性 能 を 備 え た ド ロ ー ン の 開 発 を 着 手 す る に 至 っ た ． 図 1-3は 開 発 し た ド ロ ー ン の 概 観 で あ り ， 表 1-1は 仕 様 で あ る ．
図 1-3 開 発 し た ド ロ ー ン の 概 観 表 1-1 図 1-3に 示 す ド ロ ー ン の 仕 様
最 大 飛 行 距 離 概 ね 4 km（ 周 辺 環 境 に よ る ） 自 動 飛 行 範 囲 1 km（ 標 準 ） オ プ シ ョ ン に よ り 無 制 限 最 大 飛 行 高 度 標 高 5,000 m 程 度
最 大 風 速 抵 抗 概 ね 12m/s
飛 行 時 間 目 安 概 ね 50 分
最 大 搭 載 重 量 概 ね 3.5 kg
運 用 周 波 数 2.4GHz
寸 法 約 1,000 x 1,000 x 350 mm
プ ロ ペ ラ サ イ ズ 13～15 inch
バ ッ テ リ ー 8,000mAh x2 又 は 12,000mAh x 2 カ メ ラ SONY社 製 α6300（ 標 準 ）
ジ ン バ ル サ ー ボ 式 ジ ン バ ル
重 量 約 2.4 kg
そ の 他 フ ェ イ ル セ ー フ 機 能 ／ 冗 長 機 能 な ど
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こ の ド ロ ー ン を 用 い て ， 各 種 対 象 物 の 計 測 結 果 を 図 1-4～1-6に 示 す ．
図 1-4 災 害 現 場 の 動 画 撮 影 例
崩 落 現 場 で ， 長 距 離 飛 行 の 性 能 を 活 か し て ， 数 キ ロ 先 の 源 頭 部 の 撮 影 を 自 動 飛 行 に よ り 行 っ た ． こ れ に よ り 2次 災 害 の 無 い 現 場 状 況 把 握 を 可 能 に し た ．
図 1-5 災 害 現 場 の 3 次 元 再 現 化 事 例
災 害 現 場 に お い て は ， あ ら ゆ る 場 所 の 情 報 を 記 録 し た い と い う 要 求 が あ る ．1 台
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図 1-5 落 石 工 事 状 況 撮 影 事 例
の カ メ ラ を 様 々 な 方 向 に 向 け て 撮 影 す る の は 困 難 な た め ， 複 数 台 の カ メ ラ を 搭 載 し モ ー シ ョ ン VR 化 す る こ と で 全 方 向 の 詳 細 な 動 画 を 記 録 す る こ と を 可 能 に し た ．
開 発 し た ド ロ ー ン は ，小 型 カ メ ラ 搭 載 時 で も 約 40 分 の 飛 行 が 可 能 で あ っ た ．図 は 60t の 岩 を 人 為 的 に 落 と す 工 事 の 状 況 で あ る が ， 車 道 と 河 川 箇 所 し か 撮 影 場 所 が 無 い た め の 地 上 か ら の 撮 影 は 困 難 で あ り ， ド ロ ー ン を 使 用 し て 空 中 か ら 撮 影
図 1-6 洪 水 の 痕 跡 調 査 事 例
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さ れ た ． 本 現 場 で は ， 岩 が 落 ち る 動 画 か ら ， そ の 加 速 度 や 速 度 が 画 像 か ら 解 析 さ れ た ． こ れ ま で 目 視 で 行 っ て い た 洪 水 痕 跡 調 査 を ド ロ ー ン に 置 き 換 え た 事 例 ． 必 要 な 解 像 度 は 約 1mm で あ り ， 低 空 で 移 動 し な が ら 高 速 シ ャ ッ タ ー で ス チ ル 撮 影 を 行 っ た ． こ の よ う に ， 図 1-2 に 示 す 性 能 を 備 え た ド ロ ー ン の 開 発 に よ り ， 図 1- 4～1-6 に 示 す 各 種 応 用 に 見 ら れ る 3 次 元 空 間 デ ー タ を 取 得 す る こ と を 可 能 に し た ．
1.2 第 1章の結論
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第 2 章 高精度ドローン測量用 GNSS の開発と有用性の検証
2.1 ドローン測量の課題
ド ロ ー ン 測 量 は ， 航 空 レ ー ザ 測 量 の 手 法 に お け る 機 体 を ， 航 空 機 か ら 無 人 航 空 機 （Unmanned aerial vehicle, UAV） に 変 え た も の で あ る ．UAVは ， 人 が 搭 乗 し な い （ 無 人 機 で あ る ） 航 空 機 の こ と 全 般 を 称 す る も の で ， 通 称 と し て 短 く ド ロ ー ン
（drone）と 呼 ば れ る こ と が 多 く ，UAVを 使 っ た 測 量 は ，ド ロ ー ン 測 量 と も 称 さ れ る ． ド ロ ー ン 測 量 の 原 理 は 航 空 測 量 と 同 じ で あ り ， 測 量 の 基 本 原 理 を 考 え る と ， デ ー タ 取 得 時 の ド ロ ー ン 機 体 の 位 置 と 姿 勢 の 計 測 値 が 測 量 の 精 度 に 大 き く 関 与 す る ．こ れ は 測 位 誤 差 と 称 さ れ る が ，GNSS や IMU を ド ロ ー ン に 搭 載 し て も 測 位 誤 差 が 発 生 し ， 図 2-1 に 示 す よ う に 衛 星 ク ロ ッ ク ， 衛 星 位 置 に 起 因 す る も の ， 電 離 層 に よ る 信 号 遅 延 ， 対 流 圏 に お け る 信 号 遅 延 ， マ ル チ パ ス の 影 響 な ど が 原 因 で あ る ．
図 2-1 ド ロ ー ン 測 量 の 誤 差 要 因
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GNSS 測 位 に お い て は ， キ ネ マ テ ィ ッ ク 測 量 を 用 い る の は ， リ ア ル タ イ ム 性 を 要 求 す る だ け で な く ， 位 置 の 分 か っ て い る 基 準 局 と 位 置 を 求 め よ う と す る 観 測 点 で 同 時 に 観 測 を 行 い ， 基 準 局 で 観 測 し た デ ー タ を 観 測 点 へ リ ア ル タ イ ム に 送 信 す る こ と で ， 両 点 で 同 じ 衛 星 の 電 波 を 受 信 し て い る こ と ， あ る い は 衛 星 か ら 発 射 さ れ た 信 号 電 波 が 同 じ よ う な 気 象 条 件 の 中 を 通 過 し て く る こ と か ら ，2 点 の 観 測 値 の 差 を 知 る こ と に よ り ， 観 測 値 に 含 ま れ る 衛 星 の 位 置 誤 差 や 対 流 圏 お よ び 電 離 層 遅 延 量 が 消 去 し よ う と す る こ と に 因 る ． し か し な が ら ， キ ネ マ テ ィ ッ ク 測 量 で 測 位 精 度 を 改 良 で き る の は ， 衛 星 か ら の 信 号 電 波 が 擾 乱 を 受 け る こ と な く 地 上 に 届 い た 場 合 で あ る ． 衛 星 と 地 表 の 間 の 伝 搬 経 路 上 に は 電 離 層 が 存 在 す る ． そ こ は 大 気 中 の 分 子 や 原 子 が ， 紫 外 線 な ど に よ り 電 離 し た 領 域 で あ る ． こ れ が 衛 星 か ら の 信 号 電 波 の 伝 播 速 度 に 大 き く 影 響 す る：式(1)に 示 す よ う に ，電 波 速 度 は 伝 播 す る 媒 体 中 の 電 子 密 度 に 比 例 し ， 電 波 の 周 波 数 の 二 乗 に 反 比 例 す る 量 だ け 遅 く な る 性 質 が あ る ．
電 離 層 に よ る 速 度 の 遅 延 長 L（m）
=C（ 定 数×Ne（ 経 路 上 の 全 電 子 数 ）/f2（ 電 波 の 周 波 数 ） 式（ １ ） 電 離 層 内 の 電 子 数 は 時 々 刻 々 と 変 化 す る 太 陽 の 状 態 の 影 響 を 受 け る の で,モ デ ル に よ る 補 正 は 困 難 で あ る ． こ れ ら の 理 由 に よ り ， 例 え ば ド ロ ー ン に よ る 写 真 測 量 で は ，地 上 に GCP（Ground Control Point）と 称 さ れ る 標 定 点 を 設 置 し て 当 GCPの 座 標 を 測 量 で 求 め ， こ の 値 を 用 い て 測 量 結 果 の 誤 差 が 最 小 に な る よ う 調 整 す る ． こ の た め ， ド ロ ー ン に よ る 写 真 測 量 で は ， 図 2-1 に 示 す よ う な 課 題 す な わ ち 測 量 に 要 す る 労 力 の 削 減 が な さ れ な い ，と い う 課 題 が あ る ．ま た 図 2-2 に 示 す よ う に ， 斜 面 や 災 害 地 で は GCPの 設 置 そ の も の が 困 難 で あ る た め ，ド ロ ー 測 量 の 応 用 も 限 ら れ て し ま う 課 題 が あ っ た ． そ こ で 本 研 究 で は ， ド ロ ー ン 測 量 の 精 度 の 向 上 を 図 る た め ， 高 精 度 の 自 己 測 位 技 術 の 構 築 に 取 り 組 む ． 具 体 的 に は ， 高 精 度 の ド ロ ー ン 用GNSS の 開 発 で あ る ．衛 星 か ら は L1(1575MHz)お よ び L2(1228MHz)の 2つ の 周 波 数 を 搬 送 波 と し た 電 波 信 号 が 送 ら れ て く る ． こ の 二 つ の 周 波 数 を 用 い れ ば ， 測 量 し た 瞬 間 の 時 間 に 応 じ て ，式(1)か ら 電 離 層 に よ る 速 度 遅 延 を 定 量 的 に 求 め る こ と が で き る ． こ の 原 理 を 利 用 し て 高 精 度 の 測 位 が 実 現 す る よ う に 2 周 波 GNSS の 開 発 に 取 り 組 ん だ ．
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図 2-2 ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 ：GCP 設 置 に 伴 う 労 力 が 大 き い
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図 2-3 ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 ：GCPの 設 置 が 困 難 な 個 所 の 測 量 が 不 可
2.2 ドローンの高精度自己測位技術の開発
本 研 究 で は ， 図 2-4 に 示 す 2 周 波 GNSS を 開 発 し ， 高 精 度 の 自 己 測 位 を 可 能 に し た ． こ こ で 1 周 波 お よ び 2周 波 GNSSが 測 位 誤 差 に 与 え る 影 響 を 記 述 す る ．
図 2-4 ２ 周 波 GNSSデ バ イ ス の 概 観
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GNSS の 性 能 の 差 に よ っ て SfM（Structure From Motion） の 初 期 値 の 違 い を 比 較 し た 結 果 が 図 2-5～2-7 で あ る ．ド ロ ー ン で 画 像 を 取 得 す る と ，そ こ に は 3次 元 空 間 を 反 映 す る 様 々 な 情 報 が 含 ま れ る ． 画 像 に 映 っ た 対 象 の 3次 元 的 形 状 を 画 像 か ら 得 る 方 法 と し て ， 影 を 用 い る 方 法 （Shape from Shading） や ， ピ ン ト を 利 用 す る 用 い る 方 法（Shape from Defocus）など が あ り ，こ れ ら を ま と め た も の が Shape from Xと い う 概 念 で あ る ．移 動 （Motion）す る カ メ ラ か ら 得 ら れ る 画 像 か ら 形 状 を 復 元 す る の が SFM で あ り ， ド ロ ー ン 写 真 測 量 に 一 般 に 使 わ れ る 解 析 手 法 で あ る ． こ の SfM を 使 っ て ， カ メ ラ の 位 置 姿 勢 と 対 象 の 座 標 を 取 得 す る ． そ し て ， SfM初 期 値 と は ， ド ロ ー ン 写 真 測 量 に お い て ， 地 上 に 設 置 し た 標 定 点 を 用 い た 位 置 補 正 を 行 う 前 の ， 写 真 画 像 に 付 加 さ れ て い る 位 置 精 度 を 表 す も の で あ る ． こ の SfM初 期 値 の 精 度 が 高 い と ， 標 定 点 を 用 い た 位 置 補 正 量 が 少 な く ，SfM初 期 値 の 精 度 が 低 い と 位 置 補 正 量 が 大 き く な る た め ， 補 正 後 と 補 正 前 で は 写 真 画 像 が 撮 影 さ れ た カ メ ラ 位 置 に 大 き な 差 が 生 じ る ． 図 2-5～2-7 は ， ド ロ ー ン の 機 体 と し て Matrice600，Phantom4お よ び Mavicを用 い た 時 の ，SfM初 期 値 を 表 す ． な お ， 各 機 体 の 特 徴 は 表 2-1 に 示 す と お り で あ り ， 開 発 し た 2 周 波 は Matrice600Pro に 搭 載 し た ．
表 2-1 各 種 ド ロ ー ン 機 体 の 性 能
図 2-5～7 は ， そ れ ぞ れ Matrice600，Phantom4そ し て Mavic の SfM初 期 値 を 表
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す ．図 中 に お け る 赤 い 丸 は 写 真 画 像 が 使 用 さ れ な か っ た 未 校 正 カ メ ラ 位 置 で あ る ， ま た 青 い 丸 が 標 定 点 を 用 い た 位 置 補 正 を 行 う 前 の SfM初 期 値 で あ り ，緑 の 丸 が 位 置 補 正 後 の カ メ ラ 位 置 で あ る ． し た が っ て ， 最 近 傍 の 青 丸 と 緑 丸 が 離 れ て い る ほ ど 位 置 補 正 さ れ た 尺 度 が 大 き い こ と に な る ． さ ら に 米 印 が 標 定 点 位 置 で あ り ， 緑 の 様 々 な 大 き さ の 楕 円 は カ メ ラ 位 置 の 不 確 実 性 を 表 す ． こ れ は カ メ ラ 位 置 が そ の 楕 円 中 の ど こ か に 含 ま れ て い る か を 示 し て い る ． 図 2-5 で は 緑 丸 と 青 丸 が 重 な っ て お り ，SfM初 期 値 が 標 定 点 を 用 い た 位 置 補 正 後 の 値 に 限 り な く 近 い こ と を 示 す ． こ れ は 2 周 波 GNSS を 用 い た Matrice600 の SfM 初 期 値 の 精 度 が 高 い と い う こ と を 意 味 す る ． こ れ と 比 較 し て 図 2-6 お よ び 2-7 は ， 最 近 傍 の 青 丸 と 緑 丸 の 重 な り が 少 な く ，SfM 初 期 値 と 補 正 後 の ず れ が 大 き い こ と か ら ，1 周 波 GNSS を 用 い た UAVで あ る Phantom と Mavic の SfM初 期 値 の 精 度 が 低 い と い う こ と が 分 か る ．
図 2-5 Matrice600 の 測 位 誤 差
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図 2-6 Phantom4の 測 位 誤 差
図 2-7 Mavic の 測 位 誤 差
16 2-3 高精度自己測位技術を活 用した計測事例
こ こ で は ， 開 発 し た ２ 周 波 GNSS デ バ イ ス に よ る ド ロ ー ン の 高 精 度 で の 自 己 測 位 技 術 の 有 用 性 を 実 証 し た 事 例 を 示 す ． あ ら た め て 図 ２-８ に こ れ ま で の ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 を 示 し ， 図 ２-９ に 本 研 究 の 効 果 を 示 す ．
図 ２-８ ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 ：GCP の 設 置 が 必 要 な 理 由
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図 ２-９ 本 研 究 の 効 果 の 概 要
図 ２-１ ０ に は ， 図 １-３ に 示 し た ド ロ ー ン を 用 い た 写 真 測 量 に 関 し て ， 施 工 技 術 研 究 所 に お い て 実 施 し た 精 度 検 証 実 験 の 結 果 を 示 す ． 図 は 現 位 置 の 状 況 を 再 現 し た 写 真 測 量 結 果 で 示 し た も の で あ り ， ま た 本 研 究 に よ る ２ 周 波 GNSSデ バ イ ス を 用 い て ，１ ）GCPを 設 置 し な か っ た 場 合 ，２ ）１ 点 だ け の GCP の 測 量 値 を 用 い て 補 正 し た 場 合 ，３ ）複 数 の GCP の 測 量 値 を 用 い て 補 正 し た 場 合 ，の そ れ ぞ れ の
18 測 量 誤 差 を 標 準 偏 差 で 示 し た も の を 示 す ．
図 ２-１ ０ 本 研 究 の 成 果 ： 精 度 検 証 結 果
上 図 ： 精 度 検 証 実 験 を 実 施 し た 現 場 状 況 ， 下 図 ：GCPの 値 の 使 用 数 と 精 度 （ 標 準 偏 差 ） の 関 係 ， な お GCSｖ ５ と い う の は 本 研 究 に よ る ２ 周 波 GNSS デ バ イ ス
図 の 結 果 に 示 す 通 り ， 複 数 の GCPを 使 っ た 場 合 と 1 点 の み の GCPを 使っ た 場 合 で は ， 精 度 は 同 様 で あ っ た ． さ ら に GCPの 値 を 全 く 使 わ な い 場 合 で も ， 標 準
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偏 差 が 10０ ㎜ 以 内 で あ り ， 災 害 時 の 測 量 な ど で は 十 分 な 精 度 を 確 保 で き る と 考 え る ．
図 ２-１ １ に は ， 同 じ く 図 １-３ に 示 し た ド ロ ー ン を 用 い た 写 真 測 量 で ， 災 害 地 で の 被 害 状 況 を 測 量 し た 事 例 を 示 す ． 現 場 は ， 国 土 交 通 省 近 畿 地 方 整 備 局 紀 伊 山 地 砂 防 事 務 所 赤 谷 地 区 で あ る ． 赤 色 の 実 線 は 本 研 究 の 飛 行 軌 跡 で あ る ． 数 社 の ド ロ ー ン が 測 量 を 試 み た が ， 本 研 究 は 図 １-３ に 示 し た よ う に 長 距 離 の 飛 行 を 可 能 に す る ド ロ ー ン を 用 い ，GCPの 設 置 が 不 要 に な る こ と か ら ，2 次 災 害 と な ら な い 場 所 か ら 最 遠 方 4kmと な る 約 ３ ０ 分 の フ ラ イ ト に よ り ， 被 災 地 の 測 量 （ 約 50ha） を 実 施 で き た ． ま た ， さ ら に 図 ２-１ ２ は ， 図 ２-１ １ に 示 す 被 災 地 を 写 真 測 量 結 果 か ら 再 現 し た も の で あ る ．
図 ２-１ １ 被 災 地 の ド ロ ー ン を 用 い た 写 真 測 量 事 例
本 測 量 は ， 国 土 交 通 省 が 主 催 す る 「 次 世 代 社 会 イ ン フ ラ 用 ロ ボ ッ ト 現 場 検 証 委 員 会 」 に お い て ， よ り 効 率 的 ・ 効 果 的 な 『 災 害 対 応 に 資 す る ロ ボ ッ ト 』 と し て の 実 用 化 技 術 の 検 証 実 験 と し て 実 施 さ れ た も の で あ る ． 当 委 員 会 の 検 証 実 験 に お け る 「 地 形 の 変 化 や 状 況 を 把 握 す る た め の 高 精 細 な 画 像 ・ 映 像 や 地 形 デ ー タ 等 の 取 得 が で き る 技 術 」 と し て ， フ ェ ー ズ ２ ： 発 災 後 の 初 動 対 応 検 討 レ ベ ル お よ び フ ェ ー ズ ３ ： 初 動 対 応 後 の 詳 細 設 計 レ ベ ル へ の 適 用 が 可 能 で あ る と 評 価 さ れ た 成 果 を 得 る こ と が で き た ． 特 に ，GCP の 設 置 が 不 要 な 高 精 度 の 自 己 測 位 技 術 を 含 め て ，
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「30 分 以 内 に 被 害 状 況 を 把 握 す る シ ス テ ム 」 で あ る こ と が 実 証 さ れ た ． 図 ２-１ ３ に は ，ド ロ ー ン の 着 陸 後 ，た だ ち に 実 施 し た 解 析 処 理 の 結 果 ，図 ２-１ ４ に は 微 地 形 を 表 現 し た 結 果 を 示 す ． こ の よ う に 本 研 究 に よ り ， こ れ ま で の ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 を 克 服 し ，迅 速 か つ 簡 便 で 高 精 度 の 測 量 を 実 施 す る こ と を 実 現 さ せ た ．
図 ２-１ ２ 被 害 状 況 を 写 真 測 量 に よ っ て 再 現 し た 結 果
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図 ２-１ ３ ド ロ ー ン 測 量 を 用 い た 災 害 地 の 解 析 結 果
上 ： オ ル ソ 画 像 ， 中 ： 陰 影 図 ， 下 ： 傾 斜 図 （ 赤 色 ： 急 傾 斜 ， 青 色 ： 緩 傾 斜 ）
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図 ２-１ ４ 図 ２-１ ２ に 示 す 箇 所 の 微 地 形 表 現 図
次 に 火 山 災 害 へ の 適 用 事 例 を 示 す ．図 ２-１ ５ は 御 嶽 山 の 噴 火 時 の 調 査 概 要 を 示 す も の で あ る ．図 ２-１ ６ に は ，フ ラ イ ト プ ラ ン を 赤 色 の 実 線 で 示 す ．風 の 向 き を 考 慮 し て ，2 方 向 か ら の フ ラ イ ト プ ラ ン を 作 成 し た ．図 ２-１ ７ に は ，ド ロ ー ン に 搭 載 し た 各 種 計 測 機 器 の 概 要 を 示 し ， 図 ２-１ ８ ～ ２-２ ０ に は ， 当 計 測 機 器 の 活 用 例 を 示 す ．さ ら に ，図 ２-２ １ に 桜 島 を 計 測 し た 際 の フ ラ イ ト プ ラ ン ，図 ２ － ２ ２ に は 写 真 測 量 に よ る 桜 島 の 全 景 の 再 現 図 ， さ ら に は 図 ２ － ２ ３ に 噴 煙 の 隆 盛 の 調 査 結 果 を 示 す ． こ れ ら の 結 果 に 示 さ れ る よ う に ， 本 研 究 に よ る 高 精 度 自 己 測 位 技 術 に よ っ て ，GCP設 置 の 労 力 を 不 要 に し ，特 に 災 害 地 で の 測 量 に 有 用 と な る こ と が 実 証 で き た ．
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図 ２-１ ５ 火 山 災 害 ： 御 嶽 山 の 噴 火 時 の 調 査 概 要
図 ２-１ ６ 設 定 し た フ ラ イ ト プ ラ ン
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図 ２-１ ７ ド ロ ー ン に 搭 載 し た 各 種 計 測 機 器 の 概 要
図 ２-１ ８ サ ー モ カ メ ラ の 活 用 例
火 口 周 り を 計 測 し ， マ グ マ 爆 発 か 水 蒸 気 爆 発 か な ど の 調 査 を 実 施
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図 ２-１ ９ エ ア ー サ ン プ ラ ー の 活 用 例
ド ロ ー ン を 噴 煙 の 中 に 飛 行 さ せ ， 硫 黄 濃 度 の 計 測 を 実 施 し た ．
図 ２ － ２ ０ 分 光 計 の 活 用 例
噴 煙 の 下 に お い て ， 噴 煙 の 在 る 箇 所 と 無 い 箇 所 を 複 数 回 往 復 し ， 噴 煙 の 体 積 の 計 測 を 実 施 し た ．
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図 ２-２ １ 桜 島 計 測 時 の フ ラ イ ト プ ラ ン ： 赤 色 の 実 線 が 飛 行 ル ー ト
図 ２-２ ２ 写 真 測 量 か ら ３ 次 元 で 復 元 し た 桜 島
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図 ２-２ ３ 噴 煙 の 調 査 結 果
低 高 度 か ら の 撮 影 が 可 能 な た め ， 高 精 細 な オ ル ソ 画 像 が 作 成 で き ， 噴 煙 の 粒 径 も 詳 細 に 分 析 す る こ と が 可 能 で あ る ．
2.4 第 2章の結論
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第 3 章 ドローンレーザ測量の開発と防災・減災への応用
3.1 ドローンレーザ測量の特徴と開発の背景
ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 は ， 写 真 測 量 に お け る デ ジ タ ル カ メ ラ の 代 わ り に 「 レ ー ザ 測 距 装 置 」 を 用 い る ． こ の レ ー ザ 測 距 装 置 は ， レ ー ザ 光 を 発 射 し て 地 表 か ら 反 射 し て 戻 っ て く る 時 間 差 を 調 べ て 距 離 を 決 定 す る 装 置 で あ る ． 図 3-1 の よ う に 進 行 方 向 に 対 し 横 方 向 に ス キ ャ ン さ せ て 座 標 値 を 調 べ る の で ，「 レ ー ザ ス キ ャ ナ 」と も 呼 ば れ る ．
図 3-1 レ ー ザ ス キ ャ ナ の 仕 組 み の 概 要
航 空 レ ー ザ 測 量 に お い て は ， 飛 行 高 度 2000m で ス キ ャ ン 角 度 が 左 右 の 合 計 20 度 で 計 測 す る 場 合 ， 地 上 を 幅 約 700m で 一 度 に 測 る こ と が で き る ． ま た レ ー ザ 光 を １ 秒 間 に 50,000～100,000 回 発 射 す る こ と が 可 能 に な っ て お り ， 地 表 で 50～
60cm間 隔 ま た は そ れ 以 下 の 間 隔 で も 計 測 が 可 能 に な る ．た だ し レ ー ザ 計 測 点 の 配
29
置 は ラ ン ダ ム で あ り ， 計 測 点 の レ ー ザ ス ポ ッ ト は 点 で は な く 円 形 と な る ． こ の 円 の 大 き さ（ フ ッ ト プ リ ン ト ）は 計 測 高 度 1,000mで 直 径 が 約 30cm，計 測 高 度 2,000m で 約 60cm に も な る ． こ の フ ッ ト プ リ ン ト は ， 測 量 精 度 と 関 係 す る の で ， ド ロ ー ン を 使 っ た 方 が 飛 行 高 度 を 低 く す る こ と が で き る の で ， ド ロ ー ン 測 量 の ほ う が 有 利 で あ る ． 一 方 ， ド ロ ー ン は 搭 載 す る 機 器 の 重 量 が 重 く な る と 飛 行 時 間 が 短 く な る た め ， 大 型 の レ ー ザ ス キ ャ ナ を 活 用 す る こ と が 出 来 ず ， 航 空 レ ー ザ 測 量 の よ う な レ ー ザ 光 の 発 射 回 数 を 得 る こ と は 困 難 で あ る ．
こ の レ ー ザ 測 距 装 置 の 他 に ，ド ロ ー ン 写 真 測 量 と 同 じ く ，図 3-2 に 示 す よ う に ， GNSSと IMU の 自 己 測 位 の た め の 機 器 の デ ー タ を 用 い て ，地 表 ま で 達 し た レ ー ザ 光 の 位 置(x,y)と 高 さ(z)を 正 確 に 算 出 し て 測 量 を 実 施 す る ． す な わ ち ，3 つ の 技 術 の 性 能 が 測 量 誤 差 に 影 響 す る こ と に な る ．
図 3-2 レ ー ザ 測 量 に 必 要 な 3つ の 測定 値 の 概 念
本 研 究 で は ， 前 章 で 記 述 し た 2周 波 GNSS を 用 い て 自 己 測 位 の 精 度 を 向 上 さ せ る ． 図 3-2 を 参 照 し て ， あ ら た め て ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 に お け る 誤 差 要 因 を ま と
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め る と 図 3-3 と な る ． こ の う ち ， 図 3-4 の 機 器 間 調 整 に 起 因 す る 誤 差 は ド ロ ー ン 測 量 独 自 の も の で ， ド ロ ー ン を 活 用 し た 測 量 で は ， ド ロ ー ン 機 体 の 組 み 立 て や 計 測 機 器 の 取 り 付 け・取 り 外 し が 頻 繁 に 行 わ れ る た め ，GNSS，IMU お よ び レ ー ザ ス キ ャ ナ の 機 器 間 の 位 置 ・ 姿 勢 の ズ レ 量 や 機 器 間 の 時 間 同 期 の 誤 差 が 含 ま れ て し ま う 場 合 が 多 い ．こ れ を 防 ぐ た め に は ，IMUと レ ー ザ ス キ ャ ナ の 一 体 型 の 機 器 を 用 い る こ と が 有 効 で あ り ， そ れ に よ っ て 精 度 管 理 が 容 易 と な る ． こ れ ら 精 度 に 関 す る 項 目 を ，“高 精 度 の 測 量 が 可 能”と い う 観 点 で ま と め る と ，GNSS は 2 周 波 方 式 の も の ，IMU は レ ー ザ ス キ ャ ナ と 一 体 に な っ た 構 造 で あ る こ と ，フ ッ ト プ リ ン ト は 小 さ い 方 が 高 精 度 レ ー ザ ド ロ ー ン 測 量 に は 有 利 で あ る ．
図 3-3 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 に お け る 誤 差 要 因
ま た 図 3-5 は ， 写 真 測 量 に よ っ て 高 精 度 の 測 量 が 困 難 と な る 対 象 を 示 し た も の で あ る ． 写 真 測 量 は 連 続 で 写 真 を 撮 っ て 処 理 す る も の で あ る た め ， 図 の よ う に 風 で 動 い て し ま う 草 木 が 写 り 込 ん で い る 場 合 や ， 太 陽 光 が 反 射 さ れ る 部 分 が あ る 場 合 は ， ハ レ ー シ ョ ン を 生 じ る た め に 高 精 度 の 測 量 が 困 難 で あ る ． ま た 図 3-6 は ， 図 3-5 の 河 川 堤 防 を 測 量 し た 結 果 で あ る ． 繁 茂 し て い る 草 の 影 響 等 も あ っ て ， 堤 防 形 状 の 詳 細 は 写 真 測 量 で は 分 か ら な い ．
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図 3-4 機 器 間 調 整 に 起 因 す る 誤 差 の 概 念
図 3-5 高 精 度 の 写 真 測 量 が 困 難 な 対 象
左 ： 樹 木 が 写 っ て い る 場 合 右 ： 太 陽 光 が 反 射 す る 箇 所 が 写 っ て い る 場 合
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図 3-6 ド ロ ー ン レ ー ザ お よ び 写 真 測 量 で 堤 防 の 形 状 を 測 量 し た 結 果
こ の 図 3-6 に 示 し た 結 果 の 他 ， ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 と レ ー ザ 測 量 の 利 点 を 図3-7お よ び 図 3-8に 示 す ．こ の よ う な 利 点 の 多 い ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 で あ る が ， さ ら に ， 防 災 ・ 減 災 用 の 用 途 を 含 め て ， 広 い 範 囲 を 測 量 し た い ， 狭 い 範 囲 で あ る が 遠 い 場 所 の 測 量 を し た い と の 要 求 が 多 く ， レ ー ザ ス キ ャ ナ の 軽 量 化 と ス キ ャ ン レ ー ト の 高 速 化 を 図 る 必 要 が あ っ た ． こ れ が 実 現 で き れ ば ， 軽 量 化 に よ り フ ラ イ ト 時 間 が 増 え ， 高 速 化 に よ り フ ラ イ ト 時 間 を 減 ら す こ と が で き る ．
図 3-7 ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 と レ ー ザ 測 量 の 利 点 を ： デ ー タ 処 理 の 観 点 か ら
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図 3-8 ド ロ ー ン 写 真 測 量 の 課 題 と レ ー ザ 測 量 の 利 点 を ： 飛 行 ル ー ト の 観 点 か ら
ま た 国 土 交 通 省 革 新 的 河 川 管 理 プ ロ ジ ェ ク ト か ら 考 察 し た ， ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム に 要 求 さ れ る 事 項 を 図 3-9 に 示 す ． 高 性 能 で あ っ て も 高 額 で あ れ ば 活 用 場 面 が 減 る ． ま た 専 門 職 し か 使 え な い 特 殊 な も の も 普 及 し な い ． こ れ ら を ま と め る と ，有 人 航 空 機 が 小 型 化 さ れ た と い う ド ロ ー ン 測 量 で は な く ，図 3-10 に示 す よ う な ， ト ー タ ル ス テ ー シ ョ ン か ら 地 上 設 置 型 レ ー ザ の 延 長 線 上 で ， 空 か ら 測 れ る 機 器 と い う コ ン セ プ ト か ら 成 る レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム が 必 要 で あ る と 考 え る ．
図 3-9 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム が 備 え る べ き 性 能
： 国 土 交 通 省 の プ ロ ジ ェ ク ト よ り 考 察
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図 3-10 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 開 発 背 景 の 概 念 を 示 し た も の
ま た レ ー ザ 光 が ス キ ャ ン さ れ る 角 度 に お い て ， 取 得 さ れ た 座 標 の 高 さ の 値 の 精 度 が 何 に 依 存 す る の か を 示 し た も の が 図 3-11 で あ る ． 横 方 向 に ス キ ャ ン さ れ て い る 時 は ， 測 量 の 精 度 は ド ロ ー ン の 姿 勢 に 依 存 す る こ と が 判 明 し た ．
図 3-11 レ ー ザ ス キ ャ ン 角 度 に お い て 高 さ の 測 量 値 精 度 が 依 存 す る 因 子 の 関 係
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デ ー タ 容 量 が 大 き く な る と ， 処 理 時 間 が 増 加 す る こ と に な り ， か え っ て 活 用 し 難 く な る な ど の 状 況 を 勘 案 し て ， 図 3-12 に 示 す よ う に ，90°の ス キ ャ ン 角 度 に お い て 6 万 点/秒 の 性 能 を 有 す る ス キ ャ ナ を 開 発 す る に 至 っ た ． 図 3-13 に は ， 開 発 し た 当 ス キ ャ ナ の 仕 様 を 示 す ．
図 3-12 開 発 し た レ ー ザ ス キ ャ ナ の ス キ ャ ン 性 能 を 示 す 概 念 図
図 3-13 開 発 し た ド ロ ー ン 専 用 レ ー ザ ス キ ャ ナ の 仕 様
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ま た ， デ ー タ 処 理 過 程 に お い て ， GNSSと IMUを 複 合 さ せ た 最 適 軌 跡 解 析 を よ り 簡 便 に 実 施 で き る よ う に す る た め ， 図 3-14に 示 す よ う な ， 電 磁 基 準 点 な ど の 固 定 局 が 取 得 し たGNSS デ ー タ に よ る 3 次 元 座 標 を ， 測 量 時 に 自 動 的 に ダ ウ ン ロ ー ド し て く る ソ フ ト や ， 微 調 整 を 加 え て さ ら に 高 精 度 化 す る 場 合 や ， ミ ス ア ラ イ メ ン ト の 調 整 を 行 う 場 合 に ， 取 得 し た 全 レ ー ザ 点 群 に 対 し て 再 計 算 す る 過 程 を リ ア ル タ イ ム で 視 覚 的 に 調 整 で き る ソ フ ト を 開 発 し た ． こ れ に よ り ， 汎 用 的 な ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 の シ ス テ ム 化 を 実 現 さ せ た ．
図 3-14 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム と し て の デ ー タ 処 理 ソ フ ト の 開 発 例 上 図 ： 最 適 軌 跡 解 析 処 理 ソ フ ト 下 図 ： レ ー ザ 点 群 再 調 整 処 理 ソ フ ト
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以 上 ， ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム に は ， 図 3-15 に 示 す 各 要 素 の 開 発 が 需 要 で あ り ， 本 研 究 は そ れ ら 要 素 を 完 成 さ せ る こ と で ， 汎 用 的 な シ ス テ ム を 構 築 さ せ た ．
図 3-15 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 汎 用 化 に 必 要 な 要 素
3.2 開発したドローンレーザ測量システムの測量精度検証
本 節 で は ， 前 節 で 記 述 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 測 量 精 度 の 検 証 を 実 施 し た 結 果 を 示 す ． 大 阪 府 内 の 能 勢 高 原 ド ロ ー ン フ ィ ー ル ド に て 行 っ た ． 当 フ ィ ー ル ド の 面 積 は 6152m2で あ る ． 図 3-16 に 能 勢 高 原 ド ロ ー ン フ ィ ー ル ド に お け る 機 器 の 配 置 を 示 す ． 図 に お い て 円 形 で 示 す も の が 検 証 点 と な る 1 か ら 17 ま で の 対 空 標 識 点(タ ー ゲ ッ ト)で あ る ． ま た 三 角 形 で 示 し た No.1 か ら No.2 は 検 証点 の 測 量 の た め の GNSS に よ る 2 級 基 準 点 の 計 測 位 置 を 示 す ． 検 証 点 の 測 量 に て 使 用 し た タ ー ゲ ッ ト と GNSS受 信 ア ン テ ナ は 図 3-17に 示 す と お り で あ る ．
図3-18 は ，前 節 に お い て 示 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム（ 機 体：Matrice600 と レ ー ザ ス キ ャ ナ ：TDOT の 組 み 合 わ せ ） の 概 観 で あ る ． た だ し ， 計 測 対 象 の フ ィ ー ル ド に 植 生 は 無 く ，6 万 点/秒 以 下 で も 充 分 に 高 密 度 の レ ー ザ 点 群 を 得 る こ と が で き る の で ，レ ー ザ ス キ ャ ナ は 4万 パ ル ス/秒 の 仕 様 の も の を 使 用 し た ．取 得 し
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た レ ー ザ 点 群 の 結 果 を 図 3-19に 示 す ．航 空 レ ー ザ 測 量 の レ ー ザ 光 は ，地 面 ば か り で な く ， 建 物 や 樹 木 の 上 で 反 射 す る の で ， 直 接 得 ら れ る 高 さ の デ ー タ は 建 物 や 樹 木 の 高 さ を 含 む も の と な る ． こ の よ う な 高 さ の デ ー タ よ り グ リ ッ ド 化 し た 地 表 モ デ ル を 数 値 表 層 モ デ ル ，通 称 DSM（Digital Surface Model）と 称 す る ．こ れ に 対 し て ， 一 般 の 地 図 の よ う に 地 表 の 高 さ を 示 し た い 場 合 は ， こ れ ら の 建 物 や 樹 木 の 高 さ を 取 り 除 く こ と が 必 要 と な る ． こ の 建 物 や 樹 木 の 高 さ を 取 り 除 く 作 業 を 「 フ ィ ル タ リ ン グ 」 と 呼 ぶ が ， フ ィ ル タ リ ン グ を 行 っ て 得 た 地 表 面 だ け の 高 さ の デ ー タ か ら グ リ ッ ド 化 し た 地 表 モ デ ル を 数 値 標 高 モ デ ル を 通 称 DEM（Digital Elevation Model） あ る い は DTM（Digital Terrain Model） と 称 す る
図 3-16 能 勢 高 原 ド ロ ー ン フ ィ ー ル ド の 概 観
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図 3-17 本 検 証 で 使 用 さ れ た タ ー ゲ ッ ト と GNSS 受 信 ア ン テ ナ
図 3-18 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 概 観
図 3-19 本 測 量 実 験 で 取 得 し た レ ー ザ 点 群 例
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図3-19 は ，DSMを 陰 影 段 彩 図 と し て 表 現 し て ，立 体 的 な 図 に し た も の で あ る ． こ の 陰 影 段 彩 図 は 高 さ の デ ー タ に 対 し ，高 い と こ ろ を 赤 ，低 い と こ ろ を 青 と し て ， そ の 間 を 橙 ， 黄 ， 黄 緑 ， 緑 お よ び 青 緑 と 連 続 的 に 表 現 し ， さ ら に 影 を つ け た も の で あ る ． ま た 計 測 対 象 の 近 傍 の 植 生 が 繁 茂 し て い る 箇 所 を 計 測 し た 際 の DSM が 図 3-20で あ る ．植 生 を 通 過 し て 地 表 面が 計 測 さ れ て い る こ と が 分 か る ．こ の よ う に レ ー ザ 測 量 は ， 写 真 測 量 に 比 べ て 植 生 の 影 響 を 受 け 難 い 測 量 手 法 で あ る と 言 え る ． 図 3-21 お よ び 図 3-22に は ， あ らた め て 当 計 測 対 象 の DSM と DTM を 示 す ．
図 3-20 植 生 が 繁 茂 し て い る 箇 所 の レ ー ザ 点 群 取 得 状 況
図 3-21 当 フ ィ ー ル ド の DSM デ ー タ の 例
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図 3-22 当 フ ィ ー ル ド の DTMデ ー タの 例
図3-23 に ，レ ー ザ 点 群 密 度 を 示 す ．図 に 示 す よ う に ，進 行 方 向 は レ ー ザ 点 間 隔 に バ ラ ツ キ が 生 じ ， 進 行 方 向 に 対 し て 直 角 の 横 断 方 向 は ， 一 定 の レ ー ザ 点 間 隔 を 得 る こ と が 出 来 る ． こ れ は ド ロ ー ン の 機 体 の 不 安 定 さ が 原 因 で あ り ， 風 速 が 強 い 場 合（ 例 え ば 5m/s 以 上 ）の 計 測 で は ，安 定 し た 制 度 を 得 る こ と が 困 難 な 場 合 が 生 じ る こ と が 予 想 さ れ る ．
次 に 検 証 点 の 座 標 と 比 較 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 の 精 度 を 求 め た の が 図 3-24 で あ る ． 標 高 値 を 比 較 し た も の で あ る が ，2 級 基 準 点 測 量 を 与 点 に し た 測 量 に よ る 座 標 に 対 し て±50mm の 精 度 が 確 保 で き て い る こ と が 分 か る ．さ ら に 計 測 対 象 フ ィ ー ル ド 内 の 地 物（ プ ー ル ）の 特 徴 点 に 対 し て 測 量 を 行 っ た 結 果 が 図 3-25 で あ る ． な お 特 徴 点 も 同 じ く2 級 基 準 点 を 与 点 に し た 測 量 を 実 施 し た ． こ の 結 果 か ら 分 か る よ う に ，図 3-23 に 示 し た レ ー ザ 点 群密 度 の 影 響 が 現 れ ，進 行 方 向 の 較 差 が 大 き く な っ て い る ．し か し な が ら ，進 行 方 向 で は 最 大 で 200mm 以 内 ，標 高 は±50mm，
ド ロ ー ン の 進 行 に 対 し て 直 角 方 向 は±100mm 以 内 の 較 差 で あ り ， 一 般 的 な 航 空 レ ー ザ 測 量 で の 高 さ の 精 度±150mm，水 平 方 向 の 位 置 精 度 1000mmに 比 較 す る と ，高 精 度 の 測 量 が 可 能 に な る こ と を 実 証 し た ．
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図 3-23 レ ー ザ 点 群 密 度 の 計 測 結 果
図 3-24 ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 の 精 度 検 証 結 果
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図 3-25 地 物 で の レ ー ザ ド ロ ー ン 測 量 の 精 度 検 証 結 果
3.3 ドローンレーザ測量システムの災害地への適用事例
航 空 レ ー ザ 測 量 技 術 の 進 展 に よ り ， 植 生 で 被 覆 さ れ た 地 域 で も 詳 細 な 地 形 や 地 物 を 可 視 化 す る こ と が 可 能 と な っ た ．広 域 を 迅 速 か つ 高 精 度 に 計 測 出 来 る 航 空 L レ ー ザ 測 量 の 優 位 性 は 揺 ら が な い も の の ，実 際 に は 1 回 の 費 用 が 高 額 で あ る ．さ ら に 秒 間 10 万 点 を 超 す 稠 密 な デ ー タシ ス テ ム で あ る が ， 高 度 数 百 m を 時 速 100 km 以 上 で 移 動 す る 機 体 か ら の デ ー タ 取 得 と な る た め ， 実 際 の デ ー タ 密 度 は 1 平 方 メ ー ト ル あ た り 最 大 20 点 程 度 と なる ． こ の た め ， 詳 細 形 状 把 握 に は 限 界 が あ る ． 一 方 ， ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム は ， 自 ら が 操 作 可 能 な た め 低 コ ス ト で の 計 測 が 可 能 と な る ．高 度 数 10mを 低 速 移 動 し な が ら デ ー タ 取 得 し ，デ ー タ 密 度 は
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1平 方 メ ー ト ル あ た り200点 以 上 で ，詳 細 な 地 形 デ ー タ を 取 得 す る こ と が 出 来 る ． こ こ で は ， 前 節 に 示 し た 開 発 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム を 災 害 地 で の 測 量 に 応 用 し た 事 例 を 示 す ． 使 用 し た ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム は 図 3－13 に示 し た ス キ ャ ナ を 使 用 し た ．ド ロ ー ン の 機 体 は ，最 大 積 載 量 5.5kg の 折 畳 み 可 能 な 機 材 DJI Ma-trice600Pro を 用 い た ．
現 場 は ，2018年 4 月 ，大 分 県 中 津 市 耶馬 溪 町 大 字 金 吉 の 梶 ケ 原 地 区 に お い て 発 生 し た 斜 面 崩 壊 地 で あ る ． 大 分 県 中 津 市 耶 馬 溪 町 の 崩 壊 地 付 近 は 標 高 350m～ 400m の 平 坦 な 火 砕 流 台 地 が 広 が り ， そ の 中 を 山 国 川 の 支 川 の 金 吉 川 が 貫 流 し て い る ． 崩 壊 は 図 3－26に 示 す よ う に ，金 吉 川 の 左 岸 側 斜 面 で 発 生 し た ． 崩 壊 地 付 近 で 金 吉 川 は 大 き く 蛇 行 し ， 被 災 集 落 の 梶 ケ 原 地 区 は 河 川 の 攻 撃 斜 面 に あ た る ． 崩 壊 前 に は 地 震 も 先 行 す る 降 雨 も な い 中 で ， 深 夜 崩 壊 が 発 生 し た ． 周 辺 の 地 質 は 新 第 三 紀 中 新 世 ～ 鮮 新 世 の 豊 肥 火 山 岩 類 （ ： 安 山 岩 ， 玄 武 岩 質 安 山 岩 お よ び 火 砕 岩 ） の 分 布 地 域 で ， こ の 中 に 耶 馬 渓 層 で あ る 凝 灰 質 砂 ， シ ル ト ， 軽 石 が 挟 ま れ て い る ． 平 坦 な 火 砕 流 台 地 を 形 成 す る 地 層 は ， 約 100万 年 前 の 耶 馬 渓 火 砕 流 堆 積 物 で 柱 状 節 理 の 発 達 し た 溶 結 凝 灰 岩 で そ の 下 位 に は 非 溶 結 部 を 伴 っ て い る ． 山 国 川 沿 い に は 約 9万 年 前 の 阿 蘇 ４ 火 砕 流 堆 積 物 の 溶 結 凝 灰 岩 の 分 布 は あ る が ， 崩 壊 地 周 辺 に は 分 布 し な い ．
図 3－26 崩 壊 斜 面 の 状 況
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図 3―27 崩 壊 斜 面 周 辺 の 崩 壊 前 の 地 形 図
図3-27 に 示 す 崩 壊 前 の 地 形 図 か ら ，崩 壊 は 急 崖 直 下 で 僅 か に 凸 型 に 張 り 出 し た 部 分 で 発 生 し て い る こ と ． 周 辺 に は 同 様 の 地 形 が 複 数 確 認 で き ， 地 形 図 判 読 だ け か ら こ の 場 所 の 崩 壊 を 予 測 す る こ と は 極 め て 難 し い と 考 え ら れ る ． 崩 壊 地 の 計 測 は ，対 策 現 地 本 部 の 許 可 を 得 て ，捜 索 活 動 が 続 い て い た 期 間 中 に 実 施 し た ．図 3- 28に 示 す ド ロ ー ン に 搭 載 し た デ ジ タ ル カ メ ラ の 画 像 か ら は ，崩 壊 地 の 範 囲 と 倒 木 現 況 は 把 握 す る こ と が 出 来 る が ， 樹 木 下 の 詳 細 な 地 形 形 状 が 分 か ら な い ． そ こ で ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 適 用 を 考 え ， 事 前 に 現 地 の 地 形 を 地 理 院 地 図 で 確 認 し ， 樹 木 の 高 さ を 考 慮 し た フ ラ イ ト プ ラ ン を 作 成 し た ． 具 体 的 に は 対 地 高 度 70mと し ，飛 行 速 度 3m/s 程 度 で ，ほ ぼ 0.1m格 子 の 点 群 が 取 得 で き る 計 画 と し た ． 計 測 終 了 後 数 分 で プ レ 解 析 し ， 点 群 を 閲 覧 し た 後 ， 本 解 析 処 理 を 行 っ た ． 本 解 析 は ク ラ ウ ド 処 理 し た ． 事 前 に 一 連 の 処 理 を プ ロ グ ラ ミ ン グ し て ク ラ ウ ド 化 し て お り ，こ れ に よ り 電 子 基 準 点 デ ー タ の 収 集 か ら GNSSや INS の 最 適 基 線 解 析 ，解 析
46 処 理 ま で の 処 理 を 完 全 自 動 で 実 施 し た ．
図 3-28 ド ロ ー ン に 搭 載 し た デ ジ タ ル カ メ ラ に よ る 崩 壊 地 の 全 景 画 像
樹 木 を 含 む 崩 壊 地 全 体 3次 元 モ デ ル を 図 3-29に ， 詳 細 図 を 図 3-30に ， ま た樹 木 除 去 処 理 後 の 3次 元 地 形 モ デ ル を 図 3-31 に 示 す ． 図 3-3２ に 示 す 崩 壊 地 を横 切 る 5m毎 の 樹 木 を 含 め た 崩 壊 地 中 央 部 を 通 る 代 表 断 面 を 図 3-33 に て 作 成 し た ． こ れ を 見 る と ， 樹 木 の 倒 壊 の 向 き や 形 態 と 樹 木 下 の 地 形 が 同 時 に 可 視 化 さ れ る こ と が 分 か る ．
次 に 崩 壊 形 態 を 推 定 す る た め に ， 主 断 面 を 図 3-34 の よ う に 作 成 し た ． 対 象 斜 面 は 標 高 170m～360m， 比 高 約 200m の 急 斜 面 で ， 崩 壊 は 斜 面 中 部 付 近 の 標 高 240m～270mで 発 生 し て い る ． 図 3-35 に 示 し た よ う に ， 崩 壊 主 部 で は 地 盤 に 根 を 張 っ た 状 態 で 樹 木 が 倒 壊 し ， 木 の 倒 壊 方 向 か ら 地 盤 が 後 方 回 転 し て い る こ と が 読 み 取 れ る ． 崩 壊 は 斜 面 中 部 が ス プ ー ン で 抉 る よ う に 滑 っ て い る こ と が 明 瞭 に 確 認 で き る ．
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図 3-29 樹 木 を 含 む 崩 壊 地 全 体 3 次 元モ デ ル 図
図 3-30 樹 木 を 含 む 崩 壊 地 全 体 3 次 元モ デ ル 図
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図 3-31 樹 木 を 除 去 処 理 後 の 3 次 元 地形 モ デ ル
図 3-32 崩 壊 地 全 体 の 点 群 平 面 と 断 面 を 表 示 さ せ る 位 置 ： 赤 色 の 実 線
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図 3-33 図 3-32 の 赤 色 の 実 線 で 示 し た 箇 所 で の 崩 壊 地 代 表 断 面
図 3-34 崩 壊 斜 面 の 主 断 面
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図 3-35 崩 壊 斜 面 の 主 断 面 の 拡 大 部
今 回 の 計 測 内 容 や 観 察 結 果 を も と に ， 崩 壊 プ ロ セ ス に つ い て 推 定 し た ． 崩 壊 前 の 地 形 を み る と 周 辺 に は 多 数 の 崩 壊 地 形 が 確 認 さ れ ， そ の 中 で 今 回 の 崩 壊 地 付 近 は 僅 か に 尾 根 状 に 張 り 出 し た 部 分 で あ っ た ． こ の こ と か ら ， 斜 面 中 腹 に 不 安 定 土 塊 が 残 存 し て い た と 想 定 さ れ る ．崩 壊 直 後 に か な り の 湧 水 が あ っ た と の 報 告 か ら ， 不 安 定 土 塊 内 部 の 地 下 水 位 が 上 昇 し ， 斜 面 の 安 全 率 が 低 下 し て い た と み ら れ る ． こ れ ら の 条 件 が 揃 っ た 結 果 ，図 3-36に示 す よ う に ，斜 面 中 腹 に 張 り 付 い て い た 不 安 定 土 塊 が 一 気 に 抜 け 出 し て 崩 壊 し た と 想 定 さ れ る ． 通 常 ， 崩 壊 の 引 き 金 は 地 震 動 や 降 雨 が あ る が ， 今 回 は 直 接 の 外 的 要 因 が な い ． 崩 壊 の 素 因 は 地 層 構 成 と 急 崖 斜 面 ， 地 下 水 環 境 が あ り ， 遠 因 と し て は ， 地 震 動 や 長 期 間 の 先 行 降 雨 の 影 響 の 可 能 性 も 除 外 で き ず ， 地 形 的 な 計 測 結 果 か ら は 崩 壊 メ カ ニ ズ ム の 推 定 は 困 難 な 状 況 で あ る ． し か し な が ら ， 本 現 場 で は ， ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム を 活 用 し て ， 現 地 計 測 30分 ，1 時 間 後 に は 3次 元 モデ ル を 作 成 で き る こ と が 示 さ れ た ．本 研 究 成 果 に よ る ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム は ， 崩 壊 形 態 の 可 視 化 や 2次 災 害 防 止 対 策 の 観 点 か ら ， そ の 有 用 性 を 実 証 で き た と 考 え る ．
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図 3-36 推 定 さ れ る 崩 壊 プ ロ セ ス
3.4 第 3章の結論
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第 4 章ドローンを用いたグリーンレーザ測量システムの開発
4.1 ドローングリーンレーザ測量の実用性の実証：海底地 形の測量例
海 浜 の 地 形 は ， 海 域 の 砂 が 沿 岸 流 や 風 波 で 移 動 す る こ と で 日 々 変 化 し て い る ． 静 穏 で 透 明 度 の 高 い 水 域 で あ れ ば ， 航 空 写 真 に よ り 概 略 の 地 形 形 状 を 把 握 で き る が ， 水 深 と 共 に 地 形 の 定 量 的 な 計 測 は 出 来 な い ． そ こ で 通 常 は ， 音 波 を 使 っ た 音 響 測 深 に よ る 地 形 の 計 測 が 行 わ れ る ． 音 響 測 深 で は ， 測 深 区 域 に 対 し て 測 線 を 設 定 し ，そ の 測 線 に 沿 っ て 計 測 を 行 う シ ン グ ル ビ ー ム 深 浅 測 量 が 実 施 さ れ て き た が ， 測 線 に 沿 っ て 帯 状 に 未 測 深 幅 が 発 生 す る 課 題 が 解 決 で き な い ． そ こ で コ ン ピ ュ ー タ ー 技 術 GNSS測 位 技 術 を 組 合 せ た マ ル チ ビ ー ム 測 深 技 術 が 導 入 さ れ ， 面 的 な 海 底 地 形 を 把 握 で き る よ う に な っ た ．こ の マ ル チ ビ ー ム 方 式 で あ れ ば 水 深 の 最 大 10 倍 程 度 の 面 的 な 測 深 も 可 能 で あ る ． し か し 水 深 が 浅 い 領 域 は 調 査 船 が 入 る こ と が 出 来 な い ． そ こ で 前 述 の シ ン グ ル ビ ー ム 深 浅 測 量 ， あ る い は 潜 水 夫 の 持 つ タ ー ゲ ッ ト を 陸 上 か ら 計 測 す る こ と で ， 沿 岸 域 の 海 底 地 形 の 測 量 が 行 わ れ て い る の が 実 情 で あ る ． こ の よ う な 研 究 に よ っ て ， こ れ ま で 図 4-1 に 示 す よ う な 海 浜 地 形 の 地 形 が 理 解 さ れ て い る ．た だ し こ れ は 航 空 写 真 や 部 分 的 な 断 面 測 量 結 果 を 総 合 し て ， 概 念 図 と し て 描 か れ た も の で あ る ． 実 際 の 海 浜 は 動 的 な 平 衡 状 態 に あ り ， 常 に 海 浜 形 状 は 変 化 し 続 け る ． そ の た め ， 任 意 の 時 期 に お け る ス ナ ッ プ シ ョ ッ ト 的 な 正 確 な 断 面 を 捉 え る こ と は 難 し い ． さ ら に 広 域 を 対 象 に し た 場 合 ， そ の 平 面 形 状 を 面 的 な 3 次 元 で 捉 え る こ と は ， 音 響 測 深 で は 困 難 で あ る ． そ こ で 水 中 を 透 過 す る 波 長 （532nm） を も つ グ リ ー ン レ ー ザ を 活 用 し た 航 空 レ ー ザ 測 深 （Airborne Laser Bathymetry， 以 下 ALB） が 最 近 活 用 さ れ る よ う に な っ た ． 音 響 測 深 で は ， 船 舶 の 揺 動 の 影 響 に よ る 平 坦 な 海 底 地 形 が キ ャ タ ピ ラ の よ う な 凹 凸 を 繰 り 返 し た 地 形 と な っ た り ， 送 受 波 器 直 下 の 強 反 射 エ コ ー が 両 端 部 付 近 の エ コ ー に 入 り 込 む ト ン ネ ル 効 果 な ど の 誤 差 が 発 生 す る が ，ALB で は 発 生 し な い の で ，広 域 の 地 形 変 化 を 高 精 度 に 計 測 す る 手 法 と し て 期 待 さ れ て い る ．
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図 4-1 海 浜 に お け る 代 表 的 地 形 例
し か し な が ら ，ALB 計 測 は 数 100mと い う 高 い 高 度 を 時 速 200kmで 移 動 し な が ら 計 測 す る た め ，パ ル ス レ ー ト の 大 き な ス キ ャ ナ を 使 用 し て も ，最 大 20 点/m2程 度 の レ ー ザ 点 群 密 度 が 限 界 と な る ． そ の た め ， 高 精 度 で 微 地 形 を 把 握 す る こ と は 不 可 能 で あ る ．さ ら に 現 状 で は ，数 億 円 規 模 の 機 器 を 搭 載 し て の 計 測 と な る た め ， 計 測 費 が 高 価 と な り ， 局 所 的 な 狭 い 範 囲 の 計 測 手 法 と し て の 普 及 が 困 難 で あ る ． こ の よ う な 背 景 を 鑑 み て ， 本 研 究 で は ， グ リ ー ン レ ー ザ ー ス キ ャ ナ を ド ロ ー ン に 搭 載 し て 計 測 す る 測 量 シ ス テ ム の 開 発 を 試 み た ．ド ロ ー ン は 数 10mの 低 空 か ら の 計 測 が 可 能 で あ り ， ま た そ の 操 作 性 が 容 易 な こ と か ら 管 理 者 自 ら が 実 施 す る こ と が 可 能 で あ り ，計 測 の 迅 速 化 あ る い は 低 コ ス ト 化 が 期 待 で き る ．本 研 究 で は ，ALB 計 測 の 代 替 と し て の ド ロ ー ン 搭 載 LiDAR シ ス テ ム の 実 用 性 を 実 証 す る た め ， 鳴 き 砂 海 岸 の 保 全 対 策 用 の 各 種 デ ー タ の 取 得 を 試 み た ， さ ら に そ の 結 果 か ら ． 今 後 の 沿 岸 域 の 保 全 対 策 へ の 実 用 性 を 考 察 す る ．
図 4-2 は 開 発 し た レ ー ザ ス キ ャ ナ ， お よ び ド ロ ー ン グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム シ ス テ ム の 概 観 で あ る ． ま た 表 4-1 は レ ー ザ ス キ ャ ナ の 仕 様 で あ る ． レ ー ザ ス キ ャ ナ は ペ イ ロ ー ド3kg以 上 の ド ロ ー ン に 容 易 に 装・脱 着 可 能 で あ る ．そ の た め ， こ れ ま で 近 赤 外 レ ー ザ ス キ ャ ナ を 搭 載 し て い る 汎 用 の ド ロ ー ン と 組 み 合 わ せ て 使 用 で き る ． 航 空 レ ー ザ 測 深 で は ， 水 面 の 位 置 を 近 赤 外 レ ー ザ を 用 い て ， 水 中 部 の 測 深 に は グ リ ー ン レ ー ザ を 使 う が ， 本 機 は グ リ ー ン レ ー ザ の み を 使 用 す る ． ア イ セ ー フ 機 能 は レ ー ザ ー ク ラ ス 1M に 準 拠 し ， 測 深 能 力 の 理 論 値 は 高 度 100m の 計 測 時 で 約 10ｍ の 測 深 能 力 を も つ ． 最 大 27 分 の 飛 行 が 可 能 で あ り ， 局 所 的 な 範 囲
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が 対 象 に は な る が ， 容 易 に 計 測 技 術 を 学 べ る ド ロ ー ン 計 測 の 利 点 が 発 揮 さ れ る こ と か ら ， 簡 便 か つ 迅 速 な 計 測 を 実 現 す る こ と が で き る ．
図 4-2 レ ー ザ ス キ ャ ナ お よ び ド ロ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム の 概 観
表 4-1 グ リ ー ン レ ー ザ ス キ ャ ナ の 仕 様
島 国 で あ る 我 が 国 に お い て ， 沿 岸 環 境 の 保 全 は 需 要 な 課 題 で あ り ， 例 え ば 水 産 生 物 の 生 育 に と っ て 非 常 に 重 要 な 役 割 を 有 し て い る が ， 沿 岸 域 の 開 発 状 況 だ け で
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な く ， 近 年 の 気 候 変 動 に 伴 う 海 水 面 あ る い は 海 水 温 の 変 化 に よ る 地 形 変 動 の 影 響 を 大 き く 受 け る ． 例 え ば 砂 浜 の 砕 波 帯 に 形 成 さ れ る バ ー ・ ト ラ フ は ， 浅 海 域 に 生 息 す る 二 枚 貝 類 の 生 息 と も 密 接 な 関 係 を 有 し て い る こ と が 知 ら れ て お り ， 細 砂 か ら な る 緩 勾 配 の 砂 浜 に 形 成 さ れ る 多 段 バ ー の 形 成 と 規 模 を 予 測 す る た め に も ， 沿 岸 域 の 海 底 地 形 の 把 握 は 重 要 で あ る ． ま た 特 殊 な 鳴 き 砂 海 岸 は ， 地 域 特 有 の 貴 重 な 海 岸 で あ り ， エ コ ツ ー リ ズ ム の 実 施 な ど の 地 域 社 会 の 活 性 化 に つ な が る 付 加 価 値 を 有 し て い る が ， 水 ・ 陸 域 の 環 境 の 変 化 に 敏 感 に 反 応 す る た め 有 効 な 保 全 対 策 が 困 難 な 対 象 で あ る ． 全 国 に 分 布 し て い る 100個 所 を 超 え る 鳴 き 砂 海 岸 の い く つ か は 消 失 す る 傾 向 に あ り ， 鳴 き 砂 の 存 在 が 優 れ た 海 岸 環 境 の 指 標 に も な る た め ， 有 効 な 保 全 対 策 の 検 討 は 緊 急 の 課 題 で あ る ． 鳴 き 砂 の 発 音 の 回 復 方 法 と し て ， 置 砂 の 実 施 が 考 慮 さ れ る こ と も あ る が ， そ の 地 点 と し て は 沖 合 バ ー 地 形 付 近 が 最 適 で あ る と の 報 告 が あ る ． こ れ は 破 砕 に よ る 波 の 洗 浄 効 果 が 発 揮 さ れ る こ と に 因 る が ， 沖 合 バ ー 地 形 の 変 動 に よ り 砕 波 現 象 が 変 化 し ， そ れ に 伴 い 置 砂 の 効 果 も 変 化 す る の で ， 当 バ ー 地 形 の 形 状 変 化 を 把 握 す る こ と が 重 要 に な る ． そ こ で 本 研 究 で は 鳴 き 砂 海 岸 で あ る 京 都 府 網 野 町 の 琴 引 浜 に お け る 海 底 地 形 を ， 開 発 し た ド ロ ー ン グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム に て 計 測 し ， 海 岸 保 全 に 有 用 な デ ー タ の 収 集 を 試 み る こ と で ，ALB に 代 わ る 計 測 シ ス テ ム の 有 用 性 を 実 証 す る ．鳴 き 砂 海 岸 は ，主 と し て 北 陸 よ り 山 陰 に か け て 北 九 州 に 至 る 日 本 海 側 に 分 布 し,湾 曲 し た ポ ケ ッ ト ビ ー チ 状 を し て い る た め ， 鳴 き 砂 が 湾 外 に 流 出 し に く い 形 状 に な っ て い る ． 海 岸 線 長 が ほ ぼ 2000m 以 下 と 比 較 的 短 く ， 湾 の 奥 行 長 さ に 対 す る 湾 口 幅 の 割 合 は 0.2
～0.4 あ た り が 多 い の が 特 徴 で ， 局 所 的 な 計 測 を 得 意 と す る ド ロ ー ン 測 量 の 対 象 と し て 好 適 で あ る ．
琴 引 浜 は 全 長 1.8kmで ，国 の 天 然 記 念 物 に 指 定 さ れ た 数 少 な い 自 然 海 岸 の 一 つ で あ る ． 鳴 き 砂 の 発 音 は ， 底 質 に 付 着 す る 有 機 物 の 影 響 が 大 き い こ と が 指 摘 さ れ て き た ． 浸 食 型 あ る い は 堆 積 型 の 波 浪 に よ り ， 汀 線 近 傍 に 発 音 特 性 の 回 復 し た 鳴 き 砂 が 集 積 す る な ど ， 保 全 に 有 用 な 研 究 例 が 報 告 さ れ て お り ， そ れ に 対 す る バ ー 地 形 の 影 響 な ど が 議 論 さ れ て い る ． 今 回 ， 潮 位 変 動 量 が 200㎜ 以 下 と 少 な い時 期 を 選 択 し て ， 琴 引 浜 で の ド ロ ー ン グ リ ー ン レ ー ザ 測 量 シ ス テ ム を 使 っ て ， 陸 域 か ら 海 域 ま で の 同 時 計 測 を 実 施 し ， 保 全 に 有 用 な デ ー タ の 収 集 を 通 し ， 当 ド ロ ー ン シ ス テ ム の 効 果 を 考 察 す る ．
