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SSII2021 [OS3-02] BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する目的とその利活用

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SSII2021 [OS3-02] BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する目的とその利活用
6/11 (金) 11:00 - 12:30

登壇者:中川 雅史 氏(芝浦工業大学)

概要:建設分野における点群と画像の利活用に関して、BIM/CIMにおける課題に触れていきます。今回は、「先端技術を安価に利用する」とはどういうことか? 「i-Construction,IoT,AI」はなぜ必要か? 「廉価な3D計測システム」の位置づけとは? これらを3軸にとり、UAV/ドローンを用いた点群取得やICT建機で取得した点群からの動体認識の紹介をとおして、i-ConstructionやBIM/CIMにおける点群と画像の利用に関する特徴や課題の理解を深めていきます。

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  1. 1. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 中川 雅史(芝浦⼯業⼤学 ⼯学部 ⼟⽊⼯学科) mnaka@shibaura-it.ac.jp BIM/CIMにおいて 安価に点群を取得する⽬的とその利活⽤ 広域環境の3D計測と認識 〜⼈が活動する場のセンシングとモデル化
  2. 2. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 芝浦⼯業⼤学⼯学部⼟⽊⼯学科 ジオインフォマティクス研究室 Geoinformarics Lab., Department of Civil Engineering, Shibaura Institute of Tech. 8848m ? Positioning Mapping Navigation Timing 測量の研究室
  3. 3. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する⽬的とその利活⽤ - BIM/CIMの概要 - 動かない地物を測る例 -UAV/ドローン測量 - 動く地物を測る例 -ICT建機 - まとめ ヒト モノ カネ
  4. 4. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 海外・国内における建設技術の⽅向性 BIMにもとづく建設プロジェクト全体の効率改善 構造物や建設作業の情報化 BIM(Building Information Modeling) → 建設プロジェクト全体のライフサイクルコスト改善 海外では 「構造物の情報や3D形状をいかに取得・共有するか︖」が課題になっている 調査・設計 施⼯ “ACT” 点検 “PLAN” “DO” 維持・補修 “CHECK” 3Dモデル フロントローディング コンサルの 低コスト化 ではない 調査・計画・設計にコストをかけて, 施⼯・維持管理の⼿戻りを削減し, プロジェクト全体を低コスト化 i-Construction(国交省) 国内の⼟⽊ではBIM/CIM CIM: Construction information modeling
  5. 5. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY なぜ,i-Construction,IoT,AI か︖ 建設分野における課題 建設分野における課題を解決していけそうだから ⼈⼿を増やす︖ 1⼈あたりの ⽣産性向上 外国⼈労働者の活⽤︖ 解決策 期間限定の⼀時雇⽤なので 有効打ではない 管理 施⼯ ゼネコン 職⼈ サブコン サブコン サブコン 職⼈ 職⼈ 職⼈ 職⼈ 職⼈ 職⼈ 職⼈ 職⼈ 若い技術者 が少ない ⾼齢化 ⼈⼿不⾜ ・ロス削減 ・迅速化 ・⾃動化 i-Construction BIM/CIM ドローン ICT建機 IoT AI ・省⼯数化 ・規格の標準化 ⻑時間労働 安い給料 ・いろいろ新しいことができるから ・効率的だから(利益が出るから) ・国交省がやるって⾔っているから ・効率的だから(⼈⼿不⾜だから) 欧⽶は.. 国内は..
  6. 6. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY BIM/CIM/i-Constructionにおける課題(その2) 猫も杓⼦もUAV測量 3Dデータ処理がうまくいかない︖ ドローン測量で必須なのはStructure from Motion (SfM) コスパ いいね 中⾝をよく知らないが とりあえず使っている 技術者が多すぎる うまく結果が でてこない.. 写真測量の基礎知識不⾜ 中⼩企業もレーザースキャナ レーザー測量で必須なのは点群処理 多くの⼈が関⼼を 持っている 「とりあえず 買った」 どう処理すればいいか わからない.. レーザースキャナ⾼いから ドローンが良いかも︖︖ SfM/MVSを技術説明できるレベルで利⽤しているか︖
  7. 7. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 「先端技術を安価に利⽤する」ということの前提条件 予算 ⼒技 勉強 予算 ⼒技 勉強 予算 ⼒技 勉強 予算 ⼒技 勉強 単なる「安価」 技術の運⽤ 「品質を保って安価」 「先端技術を安価に利⽤する」 =全体的な品質低下 =業務量が増える可能性⼤ =先端技術の使い⽅・中⾝の勉強必須 # オープンソース,プログラミング ハードウェア,通信,etc.
  8. 8. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する⽬的とその利活⽤ - BIM/CIMの概要 - 動かない地物を測る例 -UAV/ドローン測量 - 動く地物を測る例 -ICT建機 - まとめ ヒト モノ カネ
  9. 9. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 遠隔操縦による 作業者安全確保 偵察・攻撃 危険物探索 サンプル収集 災害救助 セキュリティ 映像・報道 スポーツ分析 交通量調査 UAV/ドローン利⽤の⽬的 低空⾶⾏による ⾼分解能データ 物流の⾃動化・ ⾼速化 定期観測の ⾃動化 観測・監視の ⾃動化 搬送・操作の ⾃動化 測量/施⼯管理 環境調査 農業・畜産 在庫管理 施設管理 宅配 医療⽀援 超⾼速運搬 作業の⾃動化 補修 農薬散布 低コスト化・迅速化・安全化
  10. 10. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 構造物3D計測を⽬的としたドローン空撮 低空撮影なので,安いカメラで⾼空間分解能な画像を撮影できる 排⽔パイプ ひび割れ さび 排⽔路
  11. 11. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY ⼟⽊におけるUAV/ドローンの利⽤例 橋梁点検 ⼟砂災害空撮 ダム点検 ⽂化財 河川調査 芝浦⼯⼤・宮本研究室 現場にあわせて, UAVを選択・ カスタマイズ UAV撮影,吊り下げ撮影, パノラマ撮影ほか, 適材適所な計測 植⽣分布の剥離分析と掃流⼒解析 災害直後の空撮ができる ケースは,実は珍しい
  12. 12. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 画像計測のメリット・デメリット Phantom3, DJI 安価なドローンで 点群⽣成できる 草⽊のある箇所の地盤⾯ を計測できない 安いセンサで 分解能が⾼い ⾯的に点群を得るには, 複数コース撮影が必要 ⾒えない場所は 計測できない 点群⽣成の 計算時間が かかる ⾊つき点群を ⽣成できる 画像計測
  13. 13. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 画像計測 vs. レーザー計測 安いセンサで 分解能が⾼い ⾯的に点群を得るには, 複数コース撮影が必要 ⾒えない場所は 計測できない 点群⽣成の 計算時間が かかる ⾊つき点群を ⽣成できる 画像計測 レーザー計測 ⾒えない場所も 計測できる 点群⽣成 が容易 センサが⾼価で 分解能が低い 単コースだけでも, ⾯的に点群を得られる ⾊つき点群の⽣成 にはカメラが必要
  14. 14. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY UAVレーザー計測システムは,なぜ⾼価格︖ 墜落させたくないので,⾶ばしづらい 圧倒的に低価格にするには︖︖ 測距情報 位置情報 姿勢情報 対地⾼度100~150mの場合,400m程度 は測距可能な⻑距離スキャナが必要 ⾼価格 ⾼価格 ⾼価格 ⾼分解能・⾼精度な⾓度情報を得るには, ⾼価格なIMUが必要 数cm精度の測位には⼲渉測位 (多周波GNSS受信機・アンテナ)が必要
  15. 15. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 圧倒的に低価格にするには︖ 測距情報 位置情報 姿勢情報 対地⾼度100~150mの場合, 400m程度は測距可能な⻑距離 スキャナが必要 ⾼価格 ⾼価格 ⾼価格 ⾼分解能・⾼精度な⾓度情報を 得るには,⾼価格なIMUが必要 数cm精度の測位には⼲渉測位 (多周波GNSS受信機・アンテナ) が必要 多層レーザースキャナを採⽤ ⼀周波マルチGNSSを採⽤ IMUの省略 数百万円→数⼗万円 数百万円→数万円 数百万~数千万円の センサを省略 ⾃動運転で使うセンサで構成する 制約条件︓ 低空計測で SLAMで IMUを代替
  16. 16. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 多層レーザースキャナ 基本的に⾮測量⽤.最近は低価格化している 多層レーザースキャナの データ取得例(⾃動⾞) Visualization of LIDAR data 複数断⾯を取得 多層レーザースキャナ ⾃動運転向けに開発された レーザースキャナ 単層レーザースキャナ 従来型のレーザースキャナ ⼀断⾯を取得
  17. 17. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY GPS/GNSS測位の種類 単独測位 相対測位 ディファレンシャル測位 ⼲渉測位 スタティック測位 後処理 キネマティック測位 リアルタイム キネマティック測位 ケータイ,カ ーナビ向け 測量向け Carrier Phase Positioning 擬似距離 を⽤いる スタンドアロン型 Assisted GPS 簡易測量 位相差 を⽤いる (RTK-GPS/GNSS) ⼀周波複合GNSS測位 多周波測位 ⾃律移動 ロボット 向け 低コストな⾼精度測位は マルチGNSSな必要がある 精密単独測位(PPP) Differential GPS︓DGPS
  18. 18. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY UAV Laser Scanning Systems Sensor integration: Multi-LiDAR, Low-cost RTK, and Camera GNSS antenna (Velodyne) GNSS antenna (u-blox) LiDAR (Velodyne) Camera Controller (Microsoft) UAV-E695MP ⾼精度IMUは 使わない
  19. 19. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する⽬的とその利活⽤ - BIM/CIMの概要 - 動かない地物を測る例 -UAV/ドローン測量 - 動く地物を測る例 -ICT建機 - まとめ ヒト モノ カネ
  20. 20. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY ICT建機の概論 ■⼤規模な施⼯現場では 近年の建設業界における主な課題 ・技術者不⾜ ・建設⽣産性の向上 ・労働災害,事故の低減 具体的な取り組みのひとつに ICTを活⽤した建機 ・無⼈施⼯(遠隔操作可能な無⼈建機による施⼯) ■施⼯環境が狭隘な都市⼟⽊の施⼯現場では ・無⼈施⼯は衛星測位に⼤きく依存するため適⽤は容易ではない 施⼯の安全性や効率性を改善するうえで, 建機と作業員の協調作業の⾼度化が有効 i-Constructionによる建設現場の⽣産⾰命 https://www.ipros.jp/technote/column-i-construction/ 安全管理は 職⼈技でカバー︖ 作業員と建機が近接作業するので, これを安全にしたい
  21. 21. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY Data-Driven Systems using Construction Vehicles Wide-range scanning GPS synchronization Closed-range scanning Beacon ranging Achieve safer and more efficient construction in urban areas Radio detecting and ranging Uplink Offline Feedback Offline Learning Obstacle Avoidance
  22. 22. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY Scanner position Virtual fences Tracked workers Construction vehicles (scene: 300) Construction vehicles (scene: 265) X[m] Y[m] Wide-range scanning Closed-range scanning Beacon ranging 都市⼟⽊におけるICT建機 空間情報 × ロボティクス × 情報通信 × 施⼯技術 × 安全教育 Fixed (input) Fixed (labeled) Excavation works Piping works Filling works Depth-intensity - Data processing: Nakagawa Lab. - Experiments with: Azuma Kigyo SLAM-tracking(3D) SLAM-tracking(2D)
  23. 23. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 建機災害の未然防⽌に必要なモデリング 領域モデリング 施⼯空間の4次元モデリング(X,Y,Z,t) 地物モデリング - Outdoor - Semi-outdoor - Semi-under ground - Under ground 危険予測モデリング - 作業員 - 建機(バケットなど) - 電柱,電線,建物 - 歩⾏者,⾃動⾞ - 建機の動作の危険予測 - 作業員の動作の危険予測 - 施⼯による環境変化に伴う危険予測 動的モデリング - 施⼯に伴う環境変化(掘削など) - 建機の動作(旋回・掘削・⾛⾏) - 作業員の動作(施⼯・移動など) 危険領域 地物モデル 動的モデル 領域モデル 変化する 危険度 Semi-underground Outdoor Semi-outdoor Underground Semi- underground Outdoor Semi- outdoor
  24. 24. NAKAGAWA Masafumi : mnaka@shibaura-it.ac.jp SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY BIM/CIMにおいて安価に点群を取得する⽬的とその利活⽤ - BIM/CIMの概要 - 動かない地物を測る例 -UAV/ドローン測量 - 動く地物を測る例 -ICT建機 - まとめ ヒト モノ カネ

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