測量用ドローン：その仕組みと応用
この記事では、ドローンが測量にどのように使われているかを取り上げる。
ドローンを使ったライダーを使った測量が中心です。
ドローンがどのようにして測量精度の高いデータを取得するのか、どのようなデータを取得するのか、どのようなデータ成果物を作成するのか、誰が使用するのかを説明する。
ドローンを使った測量とは？
ドローンを使った測量（またはマッピング）では、無人航空機（UAV）を使って空中から空間データを収集する。 地上作業員が地表の特定エリアの寸法を測定する代わりに、3Dレーザースキャナーとカメラを搭載したドローンが空中から空間データを収集する。 そのデータは、完成した地図や3Dモデルを作成するために使用される。
なぜ今、ドローンを使った測量が人気なのか？
ドローン技術は時代とともに信頼性と安全性が高まっている。 バッテリー、デジタルデータストレージ、カメラ、レーザースキャン技術を統合した小型軽量ペイロードシステムにより、ドローンを使った専門的な測量が可能になった。 その結果、ドローンは測量という職業を再定義し、マッピングや測量に欠かせないツールとなった。
ドローンを使った測量の目的は？
ドローン技術やモバイルマッピングシステムを使用する以前は、測量クルーが現地を訪れ、以下の作業の1つ以上を実施していた：
- 地球上のあらゆる物体や点の相対位置を決定する；
- 様々な物体間の距離と角度を決定する；
- 水平面上にあるエリアを表す地図や図面を用意する；
- コントロールポイントとエリアの境界を定義します。
ドローンは現在、3D点群をキャプチャするための地上測量の一般的な代替手段となっている。 これらは、オブジェクト間の距離や角度、モデル内のオブジェクトの位置を決定することを可能にするいくつかの測量グレードの成果物の基礎を形成する。
LiDARドローン測量からどのような成果物が作成されますか？
3D点群から作成される成果物には、3D地形図、地形図、等高線図などがあります：
- 3D地形図：通常地形を3次元的に表現した地図で、物理的な人工物として実体化したもの。
- 地形図：森林、水路、重要な建物、橋などの自然および人工の特徴を定義し、位置を特定する大規模な地図。
- 等高線図：同じ標高の地点を結ぶ等高線で描かれた2次元地形図；
- DEM：デジタル標高モデル（または「ベアアースモデル」）の略で、樹木や建物などの地表物を除いた地表の地形モデルを表す。
- カラー点群：（グレースケールの）3D点群と、写真測量カメラで撮影したラスター画像のRGB情報を組み合わせ、フォトリアリスティックな3D点群を生成。
ドローンの調査データを活用している業界は？
ドローンによる測量は、測量、鉱業、農業、都市計画、建設などで利用されている。
- 測量：ドローン測量は従来の測量方法を強化し、高い精度と詳細を提供する；
- 鉱業：鉱業会社はLiDARシステム（ ）を使用して、自然地表の地理空間情報、鉱山のインフラ、計画された拡張を把握し、生産量を計算している。
- 農業LiDARは、作物の健康状態や圃場の状況を詳細に把握することで、農業の生産性を向上させます；
- 都市計画：LiDARは、都市環境に関する包括的な最新情報を提供することで、都市計画担当者がより効率的に資源を配分できるよう支援します。
- 建設: 建設会社や土木エンジニアは、デジタル地形モデル（DTM）、デジタル地表面モデル（DSM）、デジタル標高モデル（DEM）を作成するために、様々なプロジェクトで UAVLiDARソリューションを使用しています。
ドローン調査の種類
ここでは、ドローンを使った調査の主な2つのタイプを取り上げる：LiDARベースのドローン測量と写真測量ベースのドローン測量である。
LiDARベースのドローンマッピングと写真測量ベースのドローンマッピングとは？
LiDARベースのドローン測量では、3Dレーザースキャナーを使用し、3D点群をキャプチャしてデバイスに保存する。
これらは数百万の個々の点から構成され、スキャンされたエリアの精密で正確な3D再構築を可能にする。
ドローンのLiDARがどのように機能するかについては、別の記事で詳しく説明している。
写真測量ベースのドローン測量では、2D画像を撮影する写真測量カメラを使用する。
これらの画像を特殊なソフトウェアを使ってつなぎ合わせ、測量エリアの正射投影された1枚の画像を作成する。
このつなぎ合わせ作業は、画像から3D点群やモデルを作成する前に必要な中間工程である。
写真測量とLiDARの違いについては、別の記事で詳しく説明しています。
ドローン測量プロジェクトにおけるGNSS受信機の役割とは？
現地調査では、正確な測定を行うために2台のGNSS受信機を使用する。
1台目はベースステーションで、既知の場所に設置される。
これは測量作業中は動きません。
その機能は、衛星からの測位データを受信し、測量士が持つ2台目のGNSS受信機に送信し、ポイント測定を行うことである。
静止した基地局は、移動するGNSS受信機で取得したデータの精度を高めます。
ドローン調査に必要なハードウェアとソフトウェアの追加
ドローン測量の場合、飛行するドローンにはGNSS受信機が搭載され、地上の固定GNSS受信機から衛星測位データを受信する。
違いは、ドローンがあらかじめ設定されたルートに従って測定を行い、自律的に動作することだ。
専用のドローン飛行計画ソフトウェアを使用することで、測量士はデータ取得前に詳細な飛行計画を立てることができる。
ドローンは、3Dレーザースキャナーとカメラを搭載し、飛行中に3D点群や画像をキャプチャする移動プラットフォームである。
IMU（慣性計測装置）は、ドローンの速度、方位を取得し、スキャニングシステムと取得するデータの位置決めを行う。
この情報をスキャンデータと組み合わせ、すべてのデータを共通の座標系に整列させ、調査エリアの3Dモデルを作成します。
ドローン調査の精度は？
LiDAR技術はセンチメートルレベルの精度を提供する。
ドローン測量の場合、達成される精度はLiDAR、IMU、GNSSといった個々のコンポーネントの精度に依存する。
データ収集プロセスやアウトプットの作成におけるすべてのステップで、結果にわずかな誤差要因が加わる可能性があるため、完璧な精度は存在しません。
ドローン測量プロジェクトで達成される精度は、この誤差要因の値を可能な限り正確に反映します。
ドローン測量における精度を議論する際、相対精度と絶対精度を区別する。
相対精度は、収集したデータが実世界の真の座標または既知の座標と密接に一致することを保証しながら、データセット内の互いに対する測定値の一貫性を強調します。
一般的に、測量グレードの精度は10cm以下の絶対精度を意味する。
LiDARドローン測量の利点と欠点は？
LiDARを使ったドローン調査は、いくつかの理由で人気がある：
- 高精度データ：ドローンで撮影した写真測量データとLiDARデータは、測量業界の高精度基準を満たすことができる；
- 安全性：ドローンの飛行の安全性は時代とともに向上しており、何か問題が発生したときに人間がドローンを操縦する必要はなくなった。
ドローンが上空からデータをキャプチャすることで、地上作業員が危険なエリアに立ち入る必要がなくなり、リスクが排除された。 - アクセシビリティ：ドローンは、自然保護区域など、アクセスしにくい場所にも入ることができる。水深測定LiDAR調査は、潜在的に危険な有人作業に取って代わり、ドローンで実施されることが多くなっている。
- 3Dデータの取得： LiDARはデバイス上で直接3Dポイントクラウドをキャプチャしますが、写真測量カメラは3Dポイントクラウドを生成するために中間ステップを必要とします。
- 森林構造の把握： 毎秒数百万パルスのLiDARセンサーは、密集した森林構造の間の小さな穴を通過して地面に到達することができる。
1つのレーザーパルスから複数のリターンを得ることで、キャノピーの下にあるものを見ることができる。 - コスト削減：ドローンにより、測量会社はより少ない人員で、より迅速に作業を行うことができる。
5人のクルーが行う作業を、データの質を落とすことなく、1台のドローンとオペレーターで行うことができる。
これにより、より迅速な作業が可能になる。
図2.
1つのレーザーパルスから複数のリターンを得ることで、キャノピーの下にあるものを見ることができる。
とはいえ、測量プロジェクトにドローンを使うことには欠点や課題もある：
- 必要な許可：ドローンの飛行許可を得るには当局の許可が必要。 BVLOS（Beyond Visual Line of Sight）ミッションの場合、プロジェクトを進めるまでに時間と労力がかかる場合がある。
- データの高精度を保証するための余分な時間と労力：高精度のデータには、より多くの地上基準点を使用するなど、その精度を保証するための労力が必要となる。 より多くの労力は、より高いプロジェクトコストを意味する。
- 上空からの視界が限られている： 橋のような建造物が上空からのドローンの視界を遮る可能性があり、地上での追加測量が必要となる。
- 侵入的なユーザーエクスペリエンス：ドローンによる測量は、例えば都市部などの人口密集地では、他者から侵入的と感じられる可能性がある。 この場合、地上での測量の方が良い選択肢となる。
ドローン測量に最適なドローンとは？
ドローン測量には、マルチローター、固定翼、シングルローターの3種類のドローンプラットフォームが使用される。
- マルチローターUAVには、ドローンを垂直に持ち上げるために協働する複数のモーターが含まれている。
- 固定翼のUAVは、プロペラの代わりに翼から揚力を得る。
- シングルローターUAVは、揚力用の大型ローター1つと、方向と安定性を制御するテールローターを備えている。
マッピングプロジェクトに最適なドローンタイプの選択は、以下のような複数の要因によって決まります：
- 測量エリアの大きさと形状は、ドローンの飛行、離陸、着陸の敏捷性に影響する；
- バッテリー残量に基づく、調査ごとの最大飛行可能時間；
- ドローンのペイロード、つまりドローンLiDARシステムの最大重量；
- 飛行高度と視野（FoV）を組み合わせ、生産性とデータ精度のスイートスポットを見つける；
固定翼ドローンはマルチロータードローンよりも飛行時間が長く、より広いエリアをカバーできる。3つのプラットフォーム間の詳細な比較と、次回のLiDARドローン調査のためのすべての重要な要因の概要については、別の記事で紹介しています。
ドローンに適したLiDARシステムを選ぶのは大変な作業です。 YellowScanはここ数年、マルチローターUAV、ヘリコプターUAV、固定翼UAV、有人機など、いくつかのドローンプラットフォームをテストしてきました。 YellowScan LiDARシステムと互換性のあるUAVの包括的なリストについては、YellowScanのLiDARプラットフォーム統合のページをご覧ください。
図3.
Acecore Noaに取り付けられたYellowScan Navigator
よくある質問
ドローン測量とは？
ドローン測量は、無人航空機（UAV）を使用し、写真測量カメラ、3Dレーザースキャナー、またはその両方を用いて上空から空間データを収集する。
ドローンで取得したデータにより、高精度の3Dおよび2Dモデルや地図を作成することができる。
ドローン調査の精度は？
ドローン調査はセンチメートルレベルの精度を提供する。
データ取得中や取得後のデータ精度の向上には、さまざまな技術が役立ちます。
これには、地上制御点、RTK、PPKの使用が含まれる。
どのようなドローン調査でも、センチメートルレベルの精度を保証するために2台のGNSS受信機を使用します。1台は地上の静止基地局で、データ取得時に衛星測位データをドローンに提供します。
測量にドローンを使うメリットは？
ドローンは短時間で大量の高精度データを取得する。
そのデータは品質が安定しており、オペレーターの安全性を向上させる。
ドローンは測量会社にとって拡張性のあるソリューションであり、地上の測量プロジェクトよりも少ない人員で実施できる。
ドローン調査はどのような産業で利用されていますか？
ドローンによる測量は、測量、鉱業、農業、都市計画、建設業界などで利用されている。
測量に最適なドローンは？
ドローン測量には、マルチローター、固定翼、シングルローターの3種類のドローンプラットフォームが使用される。
3つのプラットフォームの詳細な比較は、別の記事で紹介している。
