JP2021043223A - 施工現場の３次元計測システム及び施工現場の３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工現場において機械、設備、詰所、又は、資材の３次元形状を測定可能な施工現場の３次元計測システム及び施工現場の３次元計測方法の提供。【解決手段】施工現場の３次元計測システムは、施工現場において機械、設備、又は、資材の複数の画像データを取得するためのドローンと、複数の画像データから施工現場内の機械、設備、又は、資材の３次元形状を求める３次元形状測定装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は施工現場の３次元計測システム及び施工現場の３次元計測方法に関する。

近年、ドローン（無人飛行機）を用いた３次元計測方法が普及しはじめている。具体的には、ドローンを用いて計測対象の物品について複数の画像（航空写真）のデータを取得し、得られた複数の画像データをＳｆＭ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆｒｏｍ Ｍｏｔｉｏｎ）／ＭＶＳ（Ｍｕｌｔｉ−Ｖｉｅｗ Ｓｔｅｒｅｏ）解析プログラムによって解析することにより、物品の３次元形状を取得することが行われている。

ここで、特許文献１によれば、従来の方法では、送電線を含む領域内の三次元形状を精度よく表す三次元点群を生成するために必要な撮像画像を撮像可能な位置が明確ではない場合があった。その結果、従来の方法では、当該三次元形状を精度よく表す三次元点群が生成されるまで、飛行体による飛行経路を変更しながら送電線の撮像を繰り返し行わなければならない場合があった。

そこで、特許文献１は、物体の三次元形状を表す情報を生成するために必要な複数の撮像画像の撮像の繰り返しを抑制することができる制御方法を提供することを目的として、撮像部を備える飛行体の制御方法であって、２つの設備を繋ぐ物体に応じて決められる第１方向に沿う方向への移動と、第１方向と直交する方向への移動とを組み合わせた移動を飛行体に行わせる制御方法を開示している。

特開２０１８−１２９７１３号公報

特許文献１は、送電線の３次元形状を測定するのに適したドローンの制御方法を開示しているが、他の物品への適用、特に基礎杭の施工現場に置かれている物品への適用については開示していない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、施工現場において機械、設備、詰所、又は、資材の３次元形状を測定可能な施工現場の３次元計測システム及び施工現場の３次元計測方法を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る施工現場の３次元計測システムは、
工現場において機械、設備、又は、資材の複数の画像データを取得するためのドローンと、
前記複数の画像データから前記施工現場内の前記機械、前記設備、又は、前記資材の３次元形状を求める３次元形状測定装置と、を備える。

上記構成（１）によれば、施工現場において機械、設備、又は、資材の３次元形状を測定することができる。
施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、労働安全衛生規則等により作成することが求められる作業計画書の図面欄への機械等の記入が正確且つ容易になる。
更に、施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、現場に搬入された掘削ロッドや掘削ヘッドの形状・本数の管理が容易になる。
また、施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、施工現場の状況を正確且つ容易に把握できるようになるので、資材運搬車両等の搬入経路の確保が容易になる。

（２）本発明の少なくとも一実施形態に係る施工現場の３次元計測方法は、
ドローンを用いて施工現場において機械、設備、又は、資材の複数の画像データを取得する画像データ取得工程と、
前記複数の画像データから前記施工現場内の前記機械、前記設備、又は、前記資材の３次元形状を求める３次元形状測定工程と、を備える。

上記構成（２）によれば、施工現場において機械、設備、又は、資材の３次元形状を測定することができる。
施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、労働安全衛生規則等により求められる作業計画の図面欄への機械等の記入が正確且つ容易になる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、施工現場において機械、設備、詰所、又は、資材の３次元形状を測定可能な施工現場の３次元計測システム及び施工現場の３次元計測方法が提供される。

本発明の少なくとも一実施形態に係る基礎杭の施工現場の３次元計測システムの概略的な構成を示す図である。 基礎杭の施工現場の平面図を杭伏図とともに例示する図である。 基礎杭の配置とドローンの飛行経路との関係の一例を示す平面図である。 本発明の少なくとも一実施形態に係る基礎杭の施工現場の３次元計測方法の概略的な手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る基礎杭の施工現場の３次元計測システム（以下、計測システムともいう）１の概略的な構成を示す図である。
計測システム１は、ドローン（無人航空機）３と、３次元形状測定装置５と、を備える。
ドローン３は、例えば、フライトコンピュータ７、ＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）８、飛行装置９及び撮影装置１１を備えている。

フライトコンピュータ７は、ドローン３の動作全般を制御するものであり、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１３、メモリ１５、記憶装置１７、通信部１９及び入出力部２１を備えている。記憶装置１７には、飛行制御用プログラム２３及び撮影制御用プログラム２５が格納されている。

飛行制御用プログラム２３は、ドローン３の飛行条件（飛行経路及び速度等）を設定するものであり、ＣＰＵ１３は、ＧＰＳ８によって得たドローン３の位置情報を参照しながら、飛行制御用プログラム２３の内容に従って飛行装置９を作動させる。飛行装置９は、例えば、モータとプロペラによって構成される。

撮影制御用プログラム２５は、撮影装置１１を予め設定された撮影条件（撮影開始時期、撮影間隔、撮影終了時期、焦点距離等）に従って作動させるためのものである。
なお、飛行条件と撮影条件は密接に関連することから、飛行制御用プログラム２３と撮影制御用プログラム２５は一つのプログラムによって構成されていてもよい。

撮影装置１１は、ドローン３に内蔵されたもの（内蔵型）であってもよいし、後付けしたものであってもよい。撮影装置１１によって撮影された画像（航空写真）のデータは、通信によって３次元形状測定装置５に送信されてもよいし、記録媒体を介して３次元形状測定装置５に受け渡ししてもよい。

３次元形状測定装置５は、コンピュータによって構成され、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２７、メモリ２９、記憶装置３１、通信部３３及び入出力部３５を備えている。記憶装置３１には、飛行管理用プログラム３７、撮影管理用プログラム３８及び３次元形状測定用プログラム３９が格納されている。

飛行管理用プログラム３７は、飛行制御用プログラム２３を編集する機能を有し、計測システム１の使用者は、３次元形状測定装置５を操作して飛行管理用プログラム３７を実行することにより、所望の飛行制御用プログラム２３を作成することができる。そして、作成された飛行制御用プログラム２３を、例えば通信によってドローン３の記憶装置１７に格納することができる。

撮影管理用プログラム３８は、撮影制御用プログラム２５を編集する機能を有し、計測システム１の使用者は、３次元形状測定装置５を操作して撮影管理用プログラム３８を実行することにより、所望の撮影制御用プログラム２５を作成することができる。そして、作成された撮影制御用プログラム２５を、例えば通信によってドローン３の記憶装置１７に格納することができる。
なお、撮影管理用プログラム３８は、飛行管理用プログラム３７によって作成された飛行制御用プログラム２３の内容（飛行経路、飛行速度等）に基づいて、撮影制御用プログラム２５の撮影条件を自動的に設定できるように構成されているのが好ましい。この場合、撮影管理用プログラム３８と飛行管理用プログラム３７は、一つのプログラムによって構成されていてもよい。

３次元形状測定用プログラム３９は、例えば、ＳｆＭ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｒｏｍ Ｍｏｔｉｏｎ）／ＭＶＳ（Ｍｕｌｔｉ−Ｖｉｅｗ Ｓｔｅｒｅｏ）解析プログラムであり、ドローン３の撮影装置１１によって撮影された複数の画像（航空写真）から、基礎杭の施工現場に置かれている物品の３次元の形状情報を作成することができる。なお、撮影装置１１によって撮影された画像データは、通信によって３次元形状測定装置５に送信されてもよいし、記録媒体を介して３次元形状測定装置５に受け渡ししてもよい。

ここで、図２は、基礎杭の施工現場の平面図を杭伏図とともに例示している。
本実施形態では、計測システム１の計測対象は、基礎杭の施工現場に構築又は置かれている基礎杭、機械、設備、杭材、資材又は残土である。
基礎杭は、既に構築された杭であり、既製杭又は場所打ち杭であってもよい。なお、本明細書では、逆打工法にて構台を支持する構真柱も基礎杭に含まれるものとする。

機械は、例えば、クローラクレーン、杭打機、アースドリル機、全周回転機、バックホウ及びトラック等である。設備は、ミキシングプラント、水槽、サイロ、及び、詰所（現場事務所の建屋）等である。杭材は、杭穴に埋設される前の既製杭である。資材は、基礎杭の構築現場に必要な物品（掘削ヘッド、ヤットコ、ドリル管、立入禁止措置用のロープ・パイロン・コーンバー等）である。残土は、杭穴の掘削等により排出された土である。

上記構成によれば、基礎杭の施工現場において基礎杭、機械、設備、杭材、資材又は残土の３次元形状を測定することができる。
構築された基礎杭の３次元形状を計測すれば、各基礎杭の杭頭部の位置（水平方向位置及び高さ方向位置）を迅速に把握することができ、杭頭部を連結する基礎梁の鉄筋の配置等を迅速且つ的確に設計することができるようになる。
また、基礎杭の施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、労働安全衛生規則等により作成することが求められる作業計画書の図面欄への機械等の記入が正確且つ容易になる。
更に、基礎杭の施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、現場に搬入された掘削ロッドや掘削ヘッドの形状・本数の管理が容易になる。
また、基礎杭の施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、施工現場の状況を正確且つ容易に把握できるようになるので、資材運搬車両等の搬入経路の確保が容易になる。
更に、基礎杭の施工現場においては、杭穴の掘削により排出される残土の量は日々変化するため３次元形状の把握が困難であるが、上記構成によれば、残土の３次元形状を適時把握することができる。この結果として、残土の量を的確に把握することができ、杭穴の掘削が適切に行われているかを確認することができる。また、基礎杭の施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、施工現場の状況を正確且つ容易に把握できるようになるので、施工現場の適切な位置に残土を効率よく集積することができ、施工現場の施工スペースを容易に確保できる。

図３は、基礎杭４１の配置とドローン３の飛行経路Ｒ１との関係の一例を示す平面図である。図３に示したように、基礎杭４１は、通常、互いに直交するＸ１〜Ｘ４列とＹ１〜Ｙ３列の交点に配置される。ドローン３の飛行経路Ｒ１は、図３に実線で示したように、平面でみたときにはＹ１〜Ｙ３列（Ｘ列とＹ列のうち一方の各列）の各々に沿って設定される。そして、飛行経路Ｒ１は、連続的に飛行経路Ｒ１が設定されるように、Ｙ１列の端とＹ２列の端を結ぶようにＸ４列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定され且つＹ２列の端とＹ３列の端を結ぶようにＸ１列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定される。これにより、飛行経路Ｒ１は、各基礎杭４１の真上を通るように、つづら折り状に設定される。ドローン３は、飛行経路Ｒ１を飛行しながら、所定の間隔で画像を撮影する。

上記構成によれば、飛行経路Ｒ１が、各基礎杭４１の真上を通るように、つづら折り状に設定されることで、ドローン３は各基礎杭４１の真上を最短距離で飛行することができ、効率的に画像データを得ることができる。

幾つかの実施形態では、図３に示したように、飛行経路Ｒ１とは別に、飛行経路Ｒ２が設定される。飛行経路Ｒ１及び飛行経路Ｒ２の平面位置（緯度及び経度）は同じであるが、高度が互いに異なる。そして、ドローン３は、２つの飛行経路Ｒ１、Ｒ２を連続的に飛行しながら、所定の間隔で画像を撮影する。
上記構成によれば、ドローン３によって２つの高さから画像を取得することで、精度の高い３次元形状を測定することできる。
例えば、飛行経路Ｒ１の高度は３０ｍに設定され、飛行経路Ｒ２の高度は５０ｍに設定される。

幾つかの実施形態では、図３に一点鎖線で示したように、ドローン３の飛行経路Ｒ３が設定される。飛行経路Ｒ３は、飛行経路Ｒ１よりも広範な範囲を撮影可能に設定される。
具体的には、飛行経路Ｒ３の設定にあたり、現実のＸ列及びＹ列の隣に、Ｘ列及びＹ列の間隔にそれぞれ対応して仮想的にＸ０列、Ｘ５列、Ｙ０列及びＹ４列を追加する。あとは飛行経路Ｒ１の場合と同様に、飛行経路Ｒ３は、平面でみたときにはＹ０〜Ｙ４列（Ｘ列とＹ列のうち一方の各列）の各々に沿って設定される。そして、飛行経路Ｒ３は、連続的に飛行経路Ｒ３が設定されるように、Ｙ０列の端とＹ１列の端を結ぶようにＸ５列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定され、Ｙ０列の端とＹ１列の端を結ぶようにＸ５列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定され、Ｙ１列の端とＹ２列の端を結ぶようにＸ０列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定され、Ｙ２列の端とＹ３列の端を結ぶようにＸ５列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定され、Ｙ３列の端とＹ４列の端を結ぶようにＸ０列（Ｘ列とＹ列のうち一方の端の列）に沿って設定される。これにより、飛行経路Ｒ３は、各基礎杭４１の真上を通り且つ基礎杭４１の周囲の上空も通るように、つづら折り状に設定される。ドローン３は、飛行経路Ｒ３を飛行しながら、所定の間隔で画像を撮影する。

上記した構成によれば、飛行経路Ｒ３の設定範囲を基礎杭４１の設置範囲よりも広くしたことで、端（Ｘ１列、Ｘ４列、Ｙ１列、Ｙ３列）に位置する基礎杭４１の位置測定精度を向上させることができる。
なお、飛行経路Ｒ３は、基礎杭の施工現場の上空内に収まるように設定されるのが好ましい。

幾つかの実施形態では、基礎杭の施工現場には、３つ以上の対空標識が設置され、各対空標識の位置が予め測定される。
上記構成によれば、座標が既知の対空標識を設置し、対空標識を画像中に含ませることで、得られる３次元形状情報の座標を現実の座標と一致させることができる。

幾つかの実施形態では、基礎杭に対空標識が設置される。基礎杭に設置される対空標識の位置は、予め計測しておく必要は無い。
上記構成によれば、基礎杭に対空標識を設置しておくことで、基礎杭の識別性を高めることができ、基礎杭の位置を正確に測定することができる。

図４は、本発明の少なくとも一実施形態に係る基礎杭の施工現場の３次元計測方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
３次元計測方法は、上述した計測システム１（図１参照）によって実行可能なものであり、図４に示したように、画像データ取得工程Ｓ１と、３次元形状測定工程Ｓ３とを備えている。

画像データ取得工程Ｓ１では、ドローン３を用いて基礎杭の施工現場において基礎杭、機械、設備、杭材、資材又は残土の複数の画像データを取得する。
３次元形状測定工程Ｓ３では、例えば、３次元形状測定用プログラム（ＳｆＭ／ＭＶＳ解析プログラム）を用いて、複数の画像データから基礎杭の施工現場内の基礎杭、機械、設備、杭材、資材又は残土の３次元形状を求める。
なお、ＳｆＭ／ＭＶＳ解析プログラムを使用する場合、複数の画像が相互に部分的に重なるように撮影が行われる。

上記構成によれば、基礎杭の施工現場において基礎杭、機械、設備、杭材、資材又は残土の３次元形状を測定することができる。
構築された基礎杭の３次元形状を計測すれば、各基礎杭の杭頭部の位置（水平方向位置及び高さ方向位置）と杭の傾きを迅速に把握することができ、杭頭部を連結する基礎梁の鉄筋の配置等を迅速且つ的確に設計することができるようになる。杭頭の水平方向の位置（杭芯ずれ量）、杭頭の高さ方向の位置（杭天端高さ）及び杭の傾斜（杭の鉛直度）が規定値の範囲に収まっているか否か確認ができる。
また、基礎杭の施工現場において、機械等の３次元形状を測定すれば、労働安全衛生規則等により求められる作業計画の図面欄への機械等の記入が正確且つ容易になる。
更に、基礎杭の施工現場においては、杭穴の掘削により排出される残土の量は日々変化するため３次元形状の把握が困難であるが、上記構成によれば、残土の３次元形状を適時把握することができる。この結果として、残土の量を的確に把握することができ、杭穴の掘削が適切に行われているかを確認することができる。

最後に本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、３次元計測装置５の記憶装置３１に飛行管理用プログラム３７、撮影管理用プログラム３８及び３次元形状測定用プログラム３９が格納されていたが、飛行管理用プログラム３７、撮影管理用プログラム３８及び３次元形状測定用プログラム３９は、３次元計測装置５と通信可能なサーバコンピュータの記憶装置に格納されていてもよい。

１ 基礎杭の施工現場の３次元計測システム
３ ドローン
５ ３次元形状測定装置
７ フライトコンピュータ
９ 飛行装置
１１ 撮影装置
１３ ＣＰＵ
１５ メモリ
１７ 記憶装置
１９ 通信部
２１ 入出力部
２３ 飛行制御用プログラム
２５ 撮影制御用プログラム
２７ ＣＰＵ
２９ メモリ
３１ 記憶装置
３３ 通信部
３５ 入出力部
３７ 飛行管理用プログラム
３８ 撮影管理用プログラム
３９ ３次元形状測定用プログラム
４１ 基礎杭
Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３ 飛行経路
Ｓ１ 画像データ取得工程
Ｓ３ ３次元形状測定工程

Claims (2)

1. 施工現場において機械、設備、又は、資材の複数の画像データを取得するためのドローンと、
   前記複数の画像データから前記施工現場内の前記機械、前記設備、又は、前記資材の３次元形状を求める３次元形状測定装置と、
   を備えることを特徴とする施工現場の３次元計測システム。
2. ドローンを用いて施工現場において機械、設備、又は、資材の複数の画像データを取得する画像データ取得工程と、
   前記複数の画像データから前記施工現場内の前記機械、前記設備、又は、前記資材の３次元形状を求める３次元形状測定工程と、
   を備えることを特徴とする施工現場の３次元計測方法。

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