3次元空間に存在する物体や地形を無数の点で表現する点群の活用が進み、インフラ構造物の設計や施工、維持管理などに大きな役割を果たすようになっています。さらに最近では、点群データの処理技術を高度化することによって、従来にない活用への道が拓かれ、期待が高まるデジタルツインをますます身近にするものとして注目を集めています。パシフィックコンサルタンツで点群データ活用に関する技術開発を進める先端技術センターの山中明彦と小松原一人に話を聞きました。
INDEX
- 点群データとは
- 広がる点群データの活用
- デジタルツインの基盤技術としても欠かせない点群データ
- 点群データの活用における課題
- パシフィックコンサルタンツの取り組みく
- 点群データを活用したデジタルツインの実用化に向けて
点群データとは
点群データとは、物体や空間の表面を多数の点の集まりとして表現した3次元のデジタルデータです。主に地上に設置する3Dレーザースキャナーや航空レーザー測量などによって取得します。各点はX, Y, Zの座標をもち、色や反射強度についての情報を持つこともできます。無数の点を3次元空間に配置することで立体や空間、地形を高い精度で再現でき、物と物の間の距離が正確に測れるのはもちろん、360度どこからでも見ることができ、任意の場所で断面を切ることもできます。
また、点群データはそのままではバラバラの点にすぎませんが、点と点をつないで面をつくり、形の情報を与えれば3Dモデリングデータに変換することができ、BIM/CIMで扱ったり、2D図面を起こしたりすることもできます。
広がる点群データの活用
点群データはミリ単位の精度の高い計測や、道路やトンネル、橋梁の表面の状態のチェック、同じ場所を時系列で比較することによる微細な変化の把握や老朽化の診断など、設計や施工、保守の場面で活用されています。また、歴史的建造物や仏像・美術品など文化財の詳細な記録や修復計画の検討にも用いられています。
さらに、ドローンやUAV（Unmanned Aerial Vehicle：無人航空機）で取得した点群データはGPSとの連動により絶対座標情報（緯度経度）を持っています。また、地上設置型計測器で取得したデータも、基準点を取り入れながら座標情報を組み込むことができます。こうした絶対座標を持つ点群データは、GIS（地理情報システム）と組み合わせることができることから、GISがもつ地形図や航空写真、道路、インフラ構造物などの情報と重ね合わせれば、それがどういう環境に存在するのか、現状や経年劣化の状況はどうかといったことが見えてきます。土地の隆起や移動、森林の成育状況なども把握でき、また大規模な災害で現地立ち入りが難しい場合でも、上空から入手した被災前後の点群データを比較することで状況が把握でき、復旧方針や優先順位の検討などに役立てることができます。
出典：3D都市モデルでできること［1/2］（PLATEAU by MLIT）
デジタルツインの基盤技術としても欠かせない点群データ
点群データの活用で注目されているのは、土木や建築、災害対応の場面だけではありません。将来のまちづくりや交通計画、インフラ、物流、製造技術などに関する検討や意思決定の際に必要とされるデジタルツインにとっても、その基盤技術として点群は極めて重要です。従来の計測方法では難しかった複雑な形状や広範囲の空間を、高精度かつ効率的に再現する現在の有力な基盤技術が点群データだからです。
デジタルツインは、一般的なウォークスルー体験で利用するような空間の素朴な再現のレベルではありません。ミリ単位の寸法精度だけでなく、空間を構成しているさまざまな要素を反映させたリアルな世界をデジタルで再現するものであり、変化の予測やシミュレーションなども可能で、意思決定を支援することができます。それだけの精度の高い空間を再現できるのが点群データです。
点群データの活用における課題
ところが点群データ活用はなかなか広がりません。現在のところ、点群データの活用方法は大きく分けて2つあります。一つは点群のまま計測データとして使う方法、もう一つは3Dモデリングデータに変換して使う方法です。実用という意味ではほぼこの2つに限られています。
なぜ活用が拡がらないのか――大きな理由は点群のデータ量の多さです。点群の特徴であり魅力でもあるデータ量が、さらなる活用を難しくしています。
実際、点群データの点の数は数百万から数億にも上り、その点の一つひとつに属性データが張り付いています。ひとつの構造物がその点の集合として表現されることから、データ量は膨大で、総計は小さな現場でも数百MB、少し大きくなれば数十GBに達します。これだけのデータをストレスなく扱い、描画するには高いスペックのコンピュータが必要であり、データを保存したり、転送、共有したりするには大容量のストレージや高速の通信環境が必要になります。そもそも、レーザースキャナーによる点群データの取得には大きなコストがかかり、取得したデータの活用にはノイズ処理などの前工程の作業が欠かせません。また、3Dモデリングデータへの変換も大きな手間とコストがかかります。こうしたことから点群データの持つ可能性への期待が語られる一方で、実際には活用がなかなか進まないという状況が生まれています。
もし、情報量の豊富な点群のまま、それを軽快に動かすことができれば、点群データ活用はさらに範囲を拡げ、デジタルツインの世界を大きく引き寄せることにもつながります。
パシフィックコンサルタンツの取り組み
パシフィックコンサルタンツが開発し、現在試行運用している「3D点群設備維持管理プラットフォームシステム」は、点群の新たな活用システムであり、デジタルツインを一歩引き寄せるものです。
下水処理場や廃棄物処理施設、発電所や製油所、製鉄所や石油化学製品の大規模製造工場など、産業を支える基幹製品やエネルギーを生産するプラントと呼ばれる大型施設では、役割の異なる複数の設備が複雑に組み合わされ、24時間休みなく稼働しています。
今その維持管理は、設備の老朽化や人員不足、ベテラン技術者の減少などを背景に非常に難しくなっており、効率化や省力化、技術の承継は喫緊のテーマです。
点群データをベースにした新たな維持管理プラットフォームシステムの構築は、その課題解決に資するものとして検討されました。
開発にあたっては次の4つがコンセプトになりました。
① 3Dモデリングデータへの加工コストや加工手間を削減するために、点群データを一切加工せず、システムに取り込む。
② 一般に、施設の設備台帳はExcelや2D図面等で別途管理されるが、開発する新たなシステムでは、3D点群で位置情報が特定でき、維持管理情報にリンクした台帳システムとして一元管理できるものとする。
③ 施設のベース図が点群であることを活かし、資材搬入経路の検討、設備改築の設置スペースの検討など改築設計の支援ツールとして活用できるものにする。
④ プラットフォームシステムからさかのぼることができる維持管理の情報として、例えば具体的な作業動画などをリンクさせ、経験豊富な熟練技術者の暗黙知を形式知に変えて誰でもシステム上で参照できるようにする。さらに、AIカメラ、計測センサーを位置情報にリンクさせることで遠隔監視を可能にして高度な維持管理技術の構築や、将来の技術者の不足にも対応できるようにする。
4つのコンセプトにそって、開発されたのが、「3D点群設備維持管理プラットフォームシステム」です。点群データを加工せずに活用しながら、設備台帳や維持管理情報、作業動画などを連携させることで、施設全体を一元的に管理できる仕組みを実現しました。また、このシステムを支える独自技術については、国際特許を取得しています。施設の管理者向けに行ったデモンストレーションでは「これが点群とは思えない」「点群なのにこんなに早く動くのか」と驚きの声が上がるなど、大きな反響が寄せられています。
点群データを活用したデジタルツインの実用化に向けて
パシフィックコンサルタンツでは、開発した新たな3D点群設備維持管理プラットフォームシステムを、受託している下水道処理施設の維持管理業務に導入し、試行運用を進めています。運用のなかで改良を重ねると同時に、他の下水処理施設はもちろん、製造・エネルギー系の大規模プラントへの導入の検討も進めています。また、インドネシア、中国、米国でも日本と同じ内容の特許が取得できたことから、特許技術を活かした海外展開も検討中です。
デジタルツインは現在の都市が抱えるさまざまな課題を解決し、未来の都市モデルを具体化するために欠かせないツールです。パシフィックコンサルタンツは、3D点群設備維持管理プラットフォームシステムの国内外のプラントへの導入を進めるとともに、点群データ活用技術を活かしたデジタルツインの推進を通じて、「未来をプロデュースする」というビジョンの実現に向け、さらなる歩みを続けます。
