SLAM100 正方形数量計算ソリューションとその応用事例

土木工事の基礎および前提として、立方体体積の計算は、鉄道、高速道路、水力発電プロジェクト、港湾、都市計画などのプロジェクトの建設において重要な役割を果たします。正確な立方体量の計算は、資源配分、プロジェクトコストの見積もり、プロジェクトの進捗の加速、プロジェクトの品質向上において重要な役割を果たします。従来の立方体測定方法は、主にトータルステーションやGNSS-RTKなどの単点測定方法に基づいています。この方法は、時間と労力がかかるだけでなく、計算結果と実際の状況との間に大きな誤差があります。3Dレーザースキャン技術の普及に伴い、3D点群データ取得方法は急速かつ多様な発展の傾向を示しています。集積物の表面で高密度かつ高精度の点群データを迅速かつ効率的に取得できるという特徴は、立方体量の正確な計算のための新しい方法の基礎となります。

現在、体積計算に使用されるデータ取得方法は、主に従来の測量、ドローン写真測量、静止レーザースキャン、ドローン搭載LiDARスキャン、移動車両/バックパックLiDARスキャンなどがあります。各収集方法にはそれぞれ長所と短所があります。特定のシナリオでは、平方量の計算にのみ適用可能です。

同時位置推定と地図作成（以下、SLAM）は、未知の環境の未知の場所から出発し、移動中に繰り返し観測される環境の特徴を通して自身の位置と姿勢を特定し、自身の位置に基づいて空間三次元データを取得して、周囲の環境への段階的なアプローチと地図作成を同時に実現する能力を備えています。SLAMはGNSSに依存せず、独立して位置推定とナビゲーションを行うことができます。屋内外のさまざまなシーンで集積物の高密度三次元点群データを取得するのに適しています。三角測量法、グリッド法、断面法などの正方形計算方法と組み合わせて、集積物の体積を迅速かつ正確に測定することができます。

穀物貯蔵、穀物出荷、倉庫検査

穀物貯蔵庫の整理や倉庫検査の作業において、穀物の体積を迅速かつ正確に測定する必要があります。従来の穀物体積の計算方法は、一般的に穀物の堆積形状に基づいており、長さ、幅、または直径を測定し、データ体積式を使用して計算します。長さは大まかに測定されるため、この方法で得られた穀物貯蔵体積には大きな誤差が生じるという問題が多くあります。国が穀物分野における情報技術の応用と発展というテーマを掲げる中、穀物の体積をいかに正確に測定するかは、解決すべき喫緊の課題となっています。

収集者は、SLAM100を手に持ち、穀物の山を歩き回ることで、穀物の山の完全な連続点群データを取得できます。このデータは、屋内穀物倉庫の穀物量の在庫管理、穀物の山の三次元視覚情報ファイルの作成、各穀物の山の体積の正確な計算、保管庫のクリアランス検査の効率向上に利用できます。

炭鉱の剥土量在庫

鉱業において、石炭の剥土量の計算は鉱山工学の基本的作業です。剥土量はプロジェクトのコストと計画の選択に大きく影響し、その計算精度は生産企業の経済的利益に直接関係するため、現場の測定データを使用して面積を迅速、簡単、かつ正確に計算することが特に重要です。現在でも、GNSS-RTKの実測点を使用し、手動の解析セクション法とDTM三角測量法を使用して剥土量を計算している露天掘り鉱山が多数あります。この方法を使用すると、斜面、段差、急斜面などでのデータ損失を回避し、実測値が実際の地形と一致しないという問題を回避できますが、炭鉱の剥土量の計算は定期的かつ反復的な作業です。採掘量と採掘現場の継続的な拡大に伴い、坑底ではGNSS-RTKが固定できないことが頻繁に発生し、その結果、測定データの効率と精度が保証されなくなり、ひいては採掘量の計算精度に影響を与え、最終的には生産企業の効率に影響を与えます。

SLAM技術は、上記のシナリオにおいて自律的な位置特定とナビゲーションという特性を最大限に発揮することができ、点群データの高速かつ正確な取得という利点と組み合わせることで、石炭の山を剥ぎ取る体積の3次元視覚表示を実現し、体積を正確に計算することができる。

造園プロジェクトにおける土量計算

都市庭園建設計画において、造園プロジェクトは非常に重要な位置を占め、庭園全体の景観向上と空間配置の標準化に重要な役割を果たします。造園改修工事を全面的に行うには、地域の実情に基づいた科学的かつ合理的な建設計画が必要であり、土量計算の精度は建設計画の合理性に大きな影響を与えます。現在の主流の土量計算方法には、以下のものがあります。

①土工工事の見積もりは、土工地の実際の施工状況に基づいて、工事に必要な土工量を直接評価し、プロジェクト全体の仮設工事に重要なサポートを提供します。

②土工量の幾何学的計算：プロジェクト建設に必要な土工量を幾何学的パターンとみなし、科学的な幾何学的計算式を適用して土工量を評価する。

③土工断面計算方法：GNSS-RTKで収集した断面データに基づいて土量を計算します。この土工断面計算方法は、一般的に狭くて長い土量の計算に適しています。

④地盤高の計算方法：地盤等高線の方向に沿った断面を取得し、隣接する断面に対応する等高線距離を設定します。

これらの方法のうち、①と②は経験に基づいて土工量を推定する方法であり、③と④は実際の現場測定点に基づいて土工量を計算する方法です。いずれの計算方法を用いても、大きな誤差が生じます。同時に、庭には多くの植生があり、視界が悪く、GNSS信号が著しく遮断されるため、現場測定が困難になります。

SLAM技術は、造園プロジェクトの土量計算において、視界条件やGNSS信号に制約されません。測量担当者は、森林地帯でも容易に再建エリアの点群データを取得できます。点群データの補正、ノイズ除去、分類後、地表面点が得られます。これをDTMと組み合わせた三角測量法により、土量を正確に計算できます。

海埋めプロジェクトでは、砂と砂利が主要な建築材料であり、建設コストの主要な構成要素です。したがって、砂と砂利の材料を正確に測定できるかどうかは、プロジェクトの損益に直接影響します。しかし、従来の手動測定は、測定機器、人的要因、計算方法の影響を受け、誤差が比較的大きくなります。砂船の寸法を正確に測定する方法は、早急に解決する必要のある問題です。既存の計算方法は、静的スキャナを使用して砂山をスキャンし、接合および間引き後に砂と砂利の体積を計算することです。この方法は、正確な体積計算結果を得られますが、次の 2 つの欠点があります。① データ取得効率が比較的低い。② 船が水中で揺れるため、静的スキャナが不安定になり、点群データの収集に影響します。

SLAM技術は船体の揺れの影響を受けません。砂輸送コンテナ船が空の状態と満載の状態の両方で、SLAM100を使用して砂輸送船の船室を1週間歩き回り、空の状態と満載の状態の点群データを取得できます。業界内部では、2つの段階の点群モデルの差を比較することで、今回輸送された砂の量を算出することができます。

敷地整地工事における土量計算

敷地整地工事とは、地形測量結果に基づいて土量を正確に算出し、盛土量と掘削量のバランスを取り、建設作業員と機械設備を合理的に選定することで、工事用地の元の地形を建設ニーズに合わせて変更する作業を指します。敷地整地工事は、現場での建設計画と進捗を管理するための信頼できる基礎となります。これは、プロジェクトのコストと投資に影響を与える鍵であり、実際にはプロジェクト建設のあらゆる側面に関係しています。従来の現場データ収集方法の欠点により、どの計算方法を使用しても、敷地整地工事の土量計算には大きな誤差が生じます。したがって、建設プロセス中の精度を向上させ、より高い経済的利益を生み出すためには、高精度のデータを取得することが特に重要です。

収集担当者はSLAM100を手に持ち、現場周辺をスキャンして現場の点群データを迅速に取得します。同時に、ライダーの非接触アクティブ計測方式により、斜面やプラットフォーム階段など、人が立ち入りにくい場所でのデータ取得の困難さを解消し、現場の真の三次元実像を実現します。再刻印後、内部工事担当者は座標変換と分類によって現場の地盤点を取得できます。現場の地形特性に応じて、土量計算方法を合理的に選択し、盛土量と掘削量のバランスを計算できます。

サポートソフトウェア

SLAM GOは、SLAM100と連携して使用するモバイルアプリです。このアプリは、スマートフォンを介してSLAM100デバイスに接続し、プロジェクト管理、リアルタイムの点群パズル表示、画像プレビュー、ファームウェアのアップグレードなどの操作を行うことができます。

SLAM GO POST Proは、SLAM100に対応したPC用ソフトウェアで、Drone Manager Professional Editionに組み込まれています。このソフトウェアは、SLAM100で収集したデータのポスト処理を行い、高精度・高精細なカラー点群や部分パノラマ画像を生成し、点群の閲覧や最適化を行うことができます。

Intelligent Point Cloudは、点群データの閲覧、レンダリング、ノイズ除去、リサンプリング、冗長性除去、色付けといった基本機能を備えています。また、高速な自動フィルタリングおよび分類機能に加え、便利で多様なデータ対話型編集ツールも搭載しています。

CloudCompareは、点群データに基づいて土量を計算するグリッド方式を採用した無料の商用ソフトウェアです。グリッドサイズは自由に設定でき、2期間の点群における土量の変化量と、1期間の点群における指定標高までの土量を計算できます。

CloudCompareの土量計算

1) 現地調査

調査エリアの概要をその場で確認し、調査エリア内のルートや特徴の分布、各種道路、出口、通路の接続状況を把握することで、その後のスキャンルートの計画を容易にします。

2) 制御点の配置

プロジェクトによっては、点群データが絶対座標系でなければならない場合があります。GNSS-RTKまたはトータルステーションを使用して制御点の座標を測定し、その後、制御点の自動抽出と座標変換を行うことができます。点群データが必要ない場合は、この手順は不要です。

3) ルート計画

スキャンルートを計画する

マスターした測量状況と制御点の配置に基づいて、合理的にスキャンルートを計画します。最も理想的なスキャンラインは「クローズドループスキャン」です。「クローズドループスキャン」を実行するには、以前にスキャンしたポイントに戻るだけでよく、ソフトウェアが自動的に重複領域を識別します。この手順は、水準測量における「ループを閉じる」のと同様に、発生したオフセットやトラッキングエラーを計算して修正するために使用されます。条件制約によりクローズドループを形成できない場合でも、SLAM100が提供する後処理および計算ソフトウェアSLAM GO POST Proにより、点群データの品質を確保できます。

データ収集

収集者はSLAM100を持ち、計画されたルートに従って点群データを収集します。制御点の近くを歩くときは、SLAM100ベースの十字の中心を制御点に合わせ、10秒間そのままにします。スキャン処理中は、SLAM GOでリアルタイムの点群結合効果を確認します。欠落がある場合は、点群データの整合性を確保するために、速やかに補正します。

SLAM GOリアルタイム表示

SLAM GO POST Pro を使用すると、生データをワンクリックで後処理し、高精度の点群データ、カラー点群、部分パノラマなどの結果を生成できます。

局所的な点群効果

部分的なパノラマ効果

2) 座標変換

SLAM GO POST Proは、制御点の抽出を自動化する手法を採用しており、点群から制御点の位置を抽出するアルゴリズムを利用して座標変換を行うことで、制御点を手動で追加することによって生じるエラーを回避しています。

3) 正確性チェック

点群をスマート点群にインポートし、[精度チェック]ツールを使用して変換後の点群の精度を確認します。点群とチェックポイント間の誤差が精度要件を満たしている場合、後続の体積計算を実行できます。

点群分類

点群分類の目的は、地表面点を正確に抽出することです。このステップは、面積計算の精度を左右する極めて重要なステップです。データ収集者はSLAM100を近距離で使用してデータを取得するため、点群の透過効果は良好です。インテリジェント点群地表面点の自動分類アルゴリズムと組み合わせることで、地表面点を迅速かつ正確に分離できます。

接地点

平方数量計算

CloudCompareソフトウェアは、面積の計算に使用され、分類された地盤点に基づいてグリッドサイズ、基準面、グリッド高さなどのパラメータ設定が決定され、面積の計算結果が出力されます。

土量計算結果

このソリューションは、SLAM100を面積計算に効果的に適用します。SLAM100は、調査エリアの点群データを完全に取得するために使用されます。座標変換と点群分類の後、地表面点が得られます。サードパーティ製ソフトウェアと組み合わせることで、地表面点群に基づいて面積が正確に計算され、後続の改修工事のデータサポートに使用できます。このプログラムには、次の機能があります。

1) 計測データの取得方法を革新し、自律航法と測位を利用して、GNSS非対応環境で高精度な増分地図を作成する。

2) 従来の測定方法の制約や欠点を克服して単一点を取得し、静止スキャナーの頻繁なステーション変更や点群の接合の問題を解決し、内部および外部作業の効率を向上させます。

3) ハンドヘルド収集方式によりデータの浸透が保証され、サポートソフトウェアSLAM GOによりスキャン対象エリアに死角がなくなり、点群の完全性が保証されます。

4) 工業グレードのSLAM後処理アルゴリズムによる点群の解決における相対精度は±2cmより優れており、絶対精度は±5cmより優れているため、土量計算結果の精度が保証されます。

5) インテリジェントポイントクラウドは、高精度で地表面点を自動的に抽出し、手作業による分類作業の負担を軽減し、内部効率を向上させます。

6) CloudCompareは、グリッド方式を用いて、地盤点群に基づいて1段階および複数段階の土工量を算出します。このソフトウェアは、幅広い用途、強力なデータ伝送能力、簡単な操作、高精度、高速な計算速度を備えています。

7) 統合されたソフトウェアとハ​​ードウェアのソリューション、データ結果のシームレスな接続、さまざまなシナリオでの体積計算に適しています。

公園の改修と拡張

ある公園の緑地面積を増やすためには、既存の敷地を計画・再構築し、再構築後の敷地の土量を正確に計算して、建設のためのデータを提供する必要がある。再構築対象区域は公園の中央部に位置し、面積は約1,500m²である。地形は起伏がなく、植生被覆率が高い。GNSS信号は著しく遮断され、視界も遮られている。

復興地域の位置と概要

コレクターは現場でデータを収集するため、従来の測定方法では不可抗力（植生による障害など）により測定が実施できないという問題を解決するだけでなく、静的スキャナの頻繁なステーション変更や点群の接合などによる手間も省け、運用効率を効果的に向上させます。スキャン中は、SLAM GOを使用してリアルタイムの点群接合効果を確認します。欠落点がある場合は、タイムリーにスキャンして点群データが完全であることを確認します。現場スキャンには10分かかります。

現地データ収集（左）、元の点群データ（右）

元のデータはSLAM GO POST Proにインポートされ、後処理によって高精度の点群マップが生成されます。点群の分類後、CloudCompareを使用して体積が計算されます。内部処理には1.5時間かかりました。現場の実際の状況に基づき、85m³の埋め戻し体積は無視され、掘削体積は2898.107m³となりました。

地面の点と三角形メッシュのレンダリング

土量計算結果

ある穀物倉庫では、倉庫内の穀物残量を定期的に確認する必要があります。倉庫内ではGPS信号を受信できず、航空Lidarレーダーを使用してデータを取得することはできません。穀物の山の高さは約4～5mで、静止型スキャナでは山頂のデータを取得できません。そこで、ハンドヘルドSLAM100を持って穀物の山の周囲を歩き回り、延長ロッドを使用して完全な3次元点群データを取得します。穀物倉庫のサイズが異なるため、1つの穀物倉庫のスキャンには約5～7分かかります。

ノイズ除去とトリミング後、穀物山の点群は個別に分離されます。穀物山の表面には点群が密集しておらず、貯蔵量を直接計算できます。穀物サイロの1つの貯蔵容量は3400m³です。穀物貯蔵庫の在庫調査には、その規模と内部構造にもよりますが、約25～30分かかります。

SLAM100穀物山スキャンサイト

梁堆点群

穀物山の計算

建設現場では建設工程中に大量の建設廃棄物が発生し、清掃計画を策定するためにその量を把握する必要が生じた。建設廃棄物は約1,400平方メートルの面積を覆い、形状は非常に不規則である。静的スキャナを使用すると、スキャンを完了するために12～14回セットアップする必要がある。ペガサスの技術者はSLAM100を持ち、建設廃棄物の周囲と上部を1回スキャンして連続した堆積データを取得し、後処理での接合を不要にした。現場作業員が9分、社内スタッフが1.2時間かけて点群データのノイズ除去と切り出し、分類などの処理を行い、建設廃棄物と地盤によって形成された堆積物の体積は2704.506m³と算出された。

建設廃棄物

建設廃棄物の点群画像

体積計算結果