大規模環境レーザ計測点群処理

大規模環境レーザ計測点群処理は，大型設備や構造物，市街地や自然環境のレーザ計測で得られた点群を，対象の保守，検査，計画，維持管理に活用するためのデータ処理技術である．

詳細

大規模環境レーザ計測技術の利用

数十メートル先から数キロメートル先の物体の3次元計測が可能な中・長距離レーザ計測器により，プラント，船舶，建築などの大型構造物，道路，トンネル，橋梁などの社会インフラ，森林などの自然環境，遺跡や文化財といった，大規模環境の3次元計測が可能になっている．レーザ計測により得られるデータは3次元の点の集合であり，点群（Point Cloud）と呼ばれる．点群は，プラント，土木，測量，建築，文化財，エンターテイメント，考古学，法廷問題の幅広い分野において，対象の保守，検査，計画，維持管理，デジタルアーカイブなどに利用されている．

レーザスキャナの種類と測距方式

大規模環境のレーザ計測には，航空機搭載型レーザスキャナ（Airborne Laser Scanner，ALS），車載型（移動式）レーザスキャナ（Mobile Laser Scanner，MLS），地上設置型レーザスキャナ（Terrestrial Laser Scanner，TLS）が主に用いられている．車載型レーザスキャナはMobile Mapping System（MMS）とも呼ばれる．レーザによる測距方式は，光パルスの飛行時間を計測する光飛行時間計測（Time-of-Flight，TOF）方式と，変調したレーザ光の位相差を比較する位相差検出方式の2つが採用されている．一般的に，光飛行時間計測方式は長距離計測が可能であり，機種によっては1kmを超える長距離計測が可能なものもある．位相差検出方式は，光飛行時間計測方式に比べ短距離の計測となるが，単位時間当たりの計測点数が非常に大きいという特徴がある．ただし，最近では光飛行時間計測方式においても，高速な計測ができる機種が開発されており，技術的にはまだ進化が続いている．

大規模環境のレーザ計測点群

図1 市街地のレーザ計測点群

中・長距離レーザ計測で得られる点群の各点は，xyz座標値の情報に加え，レーザの反射強度（Intensity），反射パルス番号（Pulse return number），パルスの反射波形（Full waveform），点の取得時刻（UTC時刻など），サーマルセンサによる温度情報，ディジタル画像による色情報が付与される場合がある．点群は，オクル―ジョン（遮蔽）による欠損，高いレベルの計測ノイズ，物体境界付近における大量の異常値，大きな点密度差，不均一な点分布（スキャンライン），莫大なデータ量（数千万点～数十億点以上）など，安定かつ高速なデータ処理を困難にする特徴を持つ．屋外環境では自然物と人工物が混在しており，スケールや形状の複雑さが大きく異なる物体が点群内に含まれている（図1）．

レーザ計測点群処理

主なレーザ計測点群処理を以下に記す．

• フィルタリング（Filtering）：

点群から計測ノイズや異常値を取り除く．特定の物体を表す点を除去する処理（たとえば数値地形モデル（Digital Terrain Model, DTM）作成のための建物や樹木等の地物除去）や，点の間引き処理にも本用語は用いられる．

• レジストレーション（Registration，位置合せ）：

図2 屋外計測点群のレジストレーション(各色が個々の点群を表す)

異なる場所からTLSにより計測して得た点群同士や，異なる計測システムで得られた点群同士の位置と姿勢を調整し，対象を正確に表現する統合点群を得る．点群内の対応を一致させる座標変換を推定し，点群に適用する（図2）．

• 特徴抽出（Feature Extraction）：

点群の表す形状の法線や曲率などの幾何特徴量を推定する．法線や近似曲率の推定には主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）がよく用いられる．

• セグメンテーション（Segmentation）：

点群を物体ごとや曲面ごとの部分点群（セグメント）に分割する．領域成長法やHough変換，RANSAC（RANdom SAmple Consensus）がよく用いられる．

• 曲面/プリミティブ抽出（Surface/Primitive Extraction）：

図3 プラント計測点群からのプリミティブ抽出

点群から解析曲面やプリミティブ形状を抽出する．領域成長法やHough変換，RANSAC，最小自乗法がよく用いられる．プラントや設備の計測点群に対しては，特に平面と円筒面の正確な抽出が求められる（図3）．

• 表面再構成（Surface Reconstruction）：

点群から計測対象物の表面を再構成する．表面モデルとしてメッシュモデルやポリゴンモデルを生成する．

• 物体認識（Object Recognition）：

点群内に含まれる物体を認識する．手続き型手法，機械学習に基づく手法，モデルベース手法などがある．プラントや設備においては，規格の識別や，部品間の連結情報の認識が求められる．

• CADモデル生成（CAD Model Generation）：

点群から設備や環境のCADモデルを生成する．プラントや土木，建築の分野においては，点群から生成されたモデルはAs-Builtモデルと呼ばれる．

• 変化検出（Change Detection）：

図4 点群の差分比較による橋脚の変化検出

異なる時期に取得した点群間の差分を検出する．環境の変化の認識や，構造物の変形の解析および劣化診断を行う（図4）．

現在，点群データ処理向けのフリーソフトウェアやオープンソースライブラリが利用可能である．安定かつ効率的なデータ処理のために，点の取得規則に関する情報や，対象の形状に関する知識，直交性に関する仮説などが用いられる．

外部リンク

• Spar Japan
• Spar Point Group
• 精密工学会大規模環境の3次元計測と認識・モデル化技術専門委員会

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