UAV（無人航空機）を用いた 空中写真測量技術の適用性について

UAV（無人航空機）を用いた
空中写真測量技術の適用性について
古川
1北陸地方整備局
2北陸地方整備局
健作1・秩父
信濃川河川事務所
信濃川河川事務所
調査課
調査課長
宏太郎2
（〒940-0098
新潟県長岡市信濃1-5-30）
（〒940-0098 新潟県長岡市信濃1-5-30）
流路延長が長い信濃川では、現況河道の流下能力、河床の変動状況を把握するための定期縦
横断測量を実施する一方で、必要な時に必要な測量成果を得るために、より簡便的で低コスト
な測量技術が導入できれば非常に効果的である。そこで、河川計画・管理に必要な調査の効率
化の手法として期待でき、近年着目されているUAV（Unmanned Aerial Vehicle、無人航空機）
を用いた空中写真測量技術の適用性について、既存の測量技術との精度およびコスト比較等、
検証した結果を報告するものである。
キーワード
UAV（Unmanned Aerial Vehicle），空中写真測量，3Dモデリング，精度検証
1. はじめに
信濃川河川事務所では、
信濃川中流域区間約100km
について、河川計画・管
理に必要な河川測量とし
て、定期的に縦横断測量
を行っている。
当事務所の縦横断測
量は、｢信濃川水系信
濃川河川維持管理計画
（案）｣(平成２４年３
月)に基づき、５年に
１度、大規模出水時な
図-1 管理区間
どにおいてはその都度、
実施している。縦横断測量は、現況河道の流下能力、河
床の変動状況を把握するための基本となる他、河道計画
検討に際しての重要なデータである。
定期横断測量においては、各出張所管内毎にそれぞれ５
年に１度測量を実施しているが、下記のような課題があ
る。
①５年サイクルの成果であり、常に最新ではない
②コストが高い
③測点間隔の間のデータも必要な場合がある
そこで、これらの課題を解決し、手軽に、必要な時に
最新の測量成果が面的に入手できる測量手法はないかを
検討した。
(2) 課題に対応可能な測量技術の導入検討
通常、定期縦横断測量やその他公共測量において使わ
れる測量技術は「直接測量」｢航空レーザ測量｣｢空中写
真測量｣であるが、これらの測量技術が今回の課題に対
応可能か整理した(表-1)。これら測量技術は今回の課題
に対して一長一短あるため、UAVを活用した写真測量
技術について、課題に対応可能かどうかを検証すること
とした。併せて、河川計画・管理に必要なデータ蓄積の
観点からも検証した。
2. 定期縦横断測量について
(1) 定期縦横断測量にお
ける課題
定期測量は、｢信濃川
水系信濃川河川維持管
理計画（案）｣(平成２
４年３月)に基づき、定
期縦断測量については
管内全域で同時実施、
表-1 現状の測量技術における課題の対応状況
直接
測量
図-2 直接測量状況
航空
レーザ
測量
(有人ﾍﾘ)
空中
写真
測量
(有人ﾍﾘ)
UAV
写真
測量
(無人ﾍﾘ)
①手軽に最新成果が
入手できる
検証
②コスト
検証
③測点間隔の間の
ﾃﾞｰﾀが入手可能
検証
3. UAVの空中写真測量への活用
(1) UAVとは
UAV は、無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle）のアル
ファベット頭文字をとったもので、空からの偵察活動や
攻撃といった軍事的要求から技術開発が進んだが、現在
は様々な場面での活用方法に注目が集まっている。既存
の有人ヘリ等に比べ低コスト化等が期待できることがの
特徴である。
(d)
(c)
図-2 使用機材
(a) ルーチェサーチ社製UAV(SPIDER)、(b) カメラ(SONYα6000)
(2) UAVの分類について
UAVは、大まかに３つのタイプに分類できる(表-2参
照)。本検討においては、今後の産業用UAVの主流とな
りつつあるマルチローター型UAVを用いて検証するこ
ととした。
表-2 UAVの分類と特徴･長所･短所
(C) モニタ用PC、(d) 画像伝送装置
(2) UAVを用いた空中写真測量
UAVを用いた空中写真測量にあっても、通常の空中
写真測量と同様のデータ処理方法にて、３Ｄモデル作成
およびグリッドデータ作成が可能である。
①３Ｄモデル作成
３Ｄモデル作成において画像処理方法は図-3に示す作
業手順のとおりである。「③モデリング」においては、
隣り合う写真から特徴点を抽出し点群モデル(図-6(a))、
ワイヤーフレームモデル(図-6(b))を作成し、｢④テクスチ
ャ貼付｣過程において地形モデルを作成することができ
た。画像取得後の②～④の工程については自動的に処理
できるソフトを用いた。
図-3 ３Ｄモデル作業手順
(b)
(a)
4. UAV空中写真測量の実施
(1) UAVの飛行計画等
UAVの飛行・撮影方法は、自律飛行による垂直写真
撮影を基本とするが、家屋付近や県道、鉄道等の安全面
で飛行不可能な場所については、斜め写真撮影を行った。
UAV機体はルーチェサーチ株式会社保有のSPIDER、カ
メラはSONYα6000を使用した。その他必要な機材とし
て、UAVの状態をモニタリングするためのパソコン、
UAVから送信されるデータを受け取るために必要とな
る画像伝送装置がある。
(b)
(a)
(c)
図-4 ｢④モデリング｣および｢⑤テクスチャ貼付｣
(a)点群モデリング、(b) ワイヤーフレームモデル
(C) テクスチャを貼り付けた3Dモデル
②グリッドデータ作成
グリッドデータ作成においては、｢①３Ｄモデル作成｣
にて作成した３次元モデルデータを基に作成した。３次
元モデルデータは不規則な点群となっており、ランダム
に配 置された各 計測点をＴＩ Ｎ(Triangulated Irregular
Network)と呼ばれる方法で相互につなぎ、三角形による
平面群を構成する。この平面群によりランダムに分布す
るデータの中から必要とする任意の高さデータを補完し、
グリッドデータを作成した。なお、今回はレベル500(水
平位置の誤差の許容範囲:0.15m、標高の誤差の許容範
囲:0.2m)の精度を目標としたことから、グリッド間隔は
0.5mとした。
ランダムデータ
メッシュ中心の近傍３点から内挿
1m
メッシュ中心に標高値が入る
1m
1m
を行った。
(1) 法肩･法尻部分での精度比較
定量的な検証箇
所として堤防の勾
配変化点(法肩･法
尻)を選定し、
UAV測 量 と 定 期
横断測量結果との
差について評価し
た。
図-8 堤防の勾配変化点(法肩･法尻)
1m
1m
1m
メッシュ中心（メッシュデータ）
図-5 グリッドデータの作成手法の概念図
(a)点群データ
(b)TIN
(c)作成したｸﾞﾘｯﾄﾞ
図-6 グリッドデータの作成イメージ
検証地点
No.
(A)堤防表法尻
445
(B)堤防裏法肩
左岸
(C)堤防裏法尻
No.
(A)堤防表法尻
450
(B)堤防裏法肩
左岸
(C)堤防裏法尻
①定期横断測量
Ｈ(m)
66.929
69.058
67.145
66.905
69.010
67.199
②航空レーザ測量
Ｈ(m)
66.91
69.08
67.15
66.97
69.05
67.11
③UAV測量
Ｈ(m)
66.62
68.90
67.27
66.71
68.80
67.31
定期横断測量との差
ΔＨ(③-①)
-0.309
-0.158
0.125
-0.195
-0.21
0.111
表-3 精度比較結果(No.455および450測線右岸部)
②河川横断形状の作成
UAV計測により、撮影･解析条件が整ったところでは
｢①３Ｄモデル作成｣｢②グリッドデータ作成｣の結果を
用いて定期縦横断促成の交点上に重なるデータを抽出し、 航空レーザ測量と同程度の精度が確認できた箇所(表-3、
No.445および450測線右岸部)もあるが、法肩法尻部分に
横断図を作成した。
おいて欠測や異常値も多くの測線で確認された。定期横
断横断測量と比べ、航空レーザ測量では、平均で±
10cm程度の精度が確保されている一方で、UAVでは平
均で±30cm程度の精度 (最大値最小値では1mを越える箇
所も) にとどまったことから、今後は撮影方法等の改善
が必要である。
(2) 横断図比較
河道全体で横断図を作成した場合には図-9のように明
らかな形状異常が確認された。原因は、①動きのある水
部での空中三角測量ができなかったことによる位置ズレ
が生じたこと、②背の高い樹木が付近にある場所では写
真に写る地上部分の範囲が狭くなり精度の高い測量がで
きないこと、などが考えられる。
図-7 横断形状の作成
5. 既存の測量技術との比較
UAV撮影写真から作成した堤防横断図と既存測量成
果(河川定期縦横断測量、航空レーザ測量)との精度比較
< No.445>
(5) 定期横断測量とUAV測量のコスト比較
これまでに行われている定期横断測量により横断図を
作成する場合と、UAV測量により取得した３Ｄデータ
から横断図を作成する場合の概算金額を比較した。
< No.455>
< No.460>
図-9 河道全体の横断図作成結果
(3) 植生箇所(植生草本群、密
集樹林帯)における比較
UAV撮影による植生箇所
(植生草本群、密集樹林帯)で
の3Dモデルの再現性を検証す
るため、既存の航空レーザ計
測データとの比較を
行った。その結果、
密集樹林帯では高さ方
向において数十cm
～最大3m程度、密
生草本群では数十
cm程度の差違が認められた。
図-10 植生箇所ﾃﾞｰﾀ
その原因は、樹木の形状が
比較結果
複雑であるため３Ｄモデル
作成にあたって高さ方向の精度をより高める必要がある
ことから、写真撮影時のオーバーラップ・サイドラップ
を密にする必要があることが分かった。なお、レーザ測
量と違い植生箇所の地表面はほとんど計測することがで
きなかったため、今後の撮影手法などについて再度検討
が必要である。
(4) 航空レーザ測量とUAV測量のコスト比較
精度を比較した航空レーザ測量とUAV測量を対象と
し、概算金額比較を実施したところ、UAV測量の方が
0.1km2程度の比較的面積が狭い領域でコスト上有利であ
った。しかし、1.0km2程度以上の面積では航空レーザー
測量がコスト上有利となる結果となった。これらは、
UAVが１フライトの撮影可能範囲が限定されることと
空中写真測量に必要な対空標識設置に係る作業が発生す
るため、面積が広くなればなるほどその作業分が増加す
ることが原因と考えられる。
表-4 航空レーザ測量とUAV測量の概算金額比較
単位：百万円
面積
面積
面積
備考
0.1km2
1km2
10km2
航空レーザ測量
2.2
2.7
4.2 地図情報レベル500
ＵＡＶ測量
1.7
3.4
18.3
【積算条件】
表-5 定期縦横断測量とUAV
①測量対象範囲：
測量の積算体系表
定期横断測量
流心延長3.0km
種別・細別
規格
単位
数量
摘要
河川測量
式
1
(=UAV測量の日
作業計画
業務
1 作業計画
現地踏査
(km)式
3 現地踏査
当り撮影延長)
河川定期横断測量 平均測量幅:190m
観測,横断面図作成,
本
16
直接水準（平地）
点検整理
②測量幅：
打合せ
式
1 3回
式
1
190m(=UAV測量に 直接測量費
間接測量費
式
1 諸経費82%
おける測量幅)
UAV撮影による横断測量
種別・細別
規格
単位
数量
摘要
③測量本数：
UAVによる空中写真測量
式
1
計画準備
式
1 2人日
16本(距離標間
UAV撮影
式
1 5人×1日
対空標識設置
式
1 3人×1日
隔を200mと想
3Dモデル作成
式
1 0.57km2　7人日
横断面図作成
式
1 16本　4.5人日
定)
報告書作成
式
1 4.5人日
打合せ
式
1 3回
【比較結果】
測量業務費
式
1
間接測量費
通常の距離標間
式
1 諸経費82%
隔(200m間
隔)における比較では、UAV測量による横断測量
の方がやや高くなる結果となったが、100m間隔にする
とコスト上有利となる。さらに、UAV測量においては
横断間隔間のデータも持つことになるためより細かな情
報取得においては有利になる。
表-6 定期縦横断測量とUAV測量の概算金額比較
定期縦横断測量
測量業務費
(距離標間隔200m)
測量業務費
(距離標間隔100m)
1.7
(1.00)
2.8
(1.65)
単位：百万円
UAV撮影による
備考
横断図作成
1.9
測量本数16本
(1.12)
2.2
測量本数31本
(1.29)
6. まとめ
UAVを活用した写真測量を実施し、「航空レーザ測
量」との精度比較、写真測量結果を用いての横断図作成
と定期横断測量とのコスト比較を実施したところ、
UAVを活用した測量の効果が十分発揮できる条件は、
航空レーザ測量とのコスト比較では0.1 k㎡程度の比較的
狭い領域での活用で優位であることが分かった。また、
高度の精度等に関しては、既存の測量成果と比較すると
課題があるため、精度が要求される場面での適用は現時
点で難しいと考えられる。ただし、空中写真測量は、も
ともと航空機などを使用して上空から写真を撮影してそ
の写真を基に広範囲の地図を作る測量であり、UAVの
長所(手軽に撮影可能，等)と短所(狭い領域に限られる，
等)に十分考慮すれば可能性は広がるものと期待できる。