BIMCIM第8章

11問 • 1年前

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測量とGIS 8.1測量の基本 8.1.1地球上の位置と測地系　測量とは、地球上の○○の位置を求め、それを数値や図で表現し、あるいはそれらの資料を用いて、種々のデータ処理を行う一連の技術である。具体的には、地球表面上の諸点の関係位置を決める技術であり、測量結果に基づいて○○○○を作成し、あるいは○○を計算する。諸地点の相互の位置は、測点（基準点）を基準としたとき、その方位角などの方向と距離がわかれば決定できる。地球上（地下を含めて）に何かを作ろうと思ったら、測量して、位置を特定する必要がある。　位置は、何らかの座標値によって表現されるから、基準となる○○を決めなければならない。地球の重心を原点として、Ｘ軸は○○に、Ｚ軸は○○にし、Ｙ軸は○○とする右手系の3次元直交座標系を○○と呼ぶ。

自然又は人工物, 地図や図面, 面積や体積, 座標系, グリニッジ子午線と赤道の交点方向, 北極方向, 北極から原点方向を見て90度反時計回りにＸ軸を回転させた方向, 地心直交座標系

地表の位置を表現する際は、従来、地球の形状を基準となる○○（これを準拠楕円体(Reference Ellipsoid)と呼ぶ）として、その上にある点の位置を、地表の点から準拠楕円体面上に下した垂線の足の○○（ν、φ）及び準拠楕円体の表面からの○○（H)で表現している。日本では、1884年から○○の準拠楕円体が用いられ、これに日本独自の座標系を加えた測地系を○○と呼び、利用されていた。しかし、国際的には、○○（Geodetic Reference System 80）楕円体が使用されていたことから、2002年からＧＲＳ80に変更した。数字の80は、1980年に国際測地・地球物理学連合に採択されたからである。さらに、座標系を日本独自のものから○○（International Terrestrial Reference Frame94:国際地球基準座標系）に変更した。これによって、変更された測地系を○○と呼ぶ。その後東北地方太平洋沖地震（東日本大震災を起こした地震の名称）により地殻変動が生じたため、東北地方周辺に○○を適用した。この新しい測地系を○○と呼ぶ。　緯度と経度は、基準面である○○に基づいて決定される。一方、高さは準拠楕円体の表面からの高さではなく、「○○」からの高さとしている（計測が困難だから）。ジオイドは、静止した平均海面の高さで、重力方向に垂直な仮想の面で、地球の密度の相違により回転楕円体とは必ずしも一致しない。現実には陸部には海面はないから、細い溝を掘って海水を導きいれた状態を想定すればよい。日本では、測量法により、水準点の標高は、○○を基準面（この高さを、ジオイドという）としている。距離及び面積は、ジオイド面上に投影した値で表示する。測量をするために全ての場所で海から細い溝を掘るわけにはいかないので、場所毎に準拠楕円体からジオイド面までの高さ「ジオイド高」は、予め求められている。

回転楕円体, 緯度と経度, 高さ, Bessel, 日本測地系, GRS80, ITRF94, 日本測地系2000, ITRF2008, 日本測地系2011, 準拠楕円体, ジオイド, 東京湾平均海面

8.1.2　平面直角座標系　測量によって得られる（緯度、経度、高さ）のデータは、あくまで地球が回転楕円体であることを前提としている。つまり、丸いのである。丸いままだと平面図を書くことができず、取り扱いが面倒である。また、緯度1°の東西間の距離は、赤道付近とアラスカでは全く異なる。そこで、平面的な地図にするためには、地球に円筒や円錐を被せて、地球中心から地表表面を投影する。このほかに、無限遠方の光源で生じる投影面を用いるものもある。　円筒に投影させる方法は○○と呼ばれ、その中で、円筒の軸を地球楕円体の○○に一致させる図法を○○といい、地球を球ではなく楕円体として計算を行う方法を特に、○○という。経線、緯線がそれぞれ平行な直線群で表される正角図法である。ガウス・クリューゲル図法は、地上測量に適しており、○○や日本の平面直角座標系に用いられている。UTM座標系は、国土地理院の2万5000分の1及び5万分の1地形図と20万分の1の地勢図に利用されている。　一方、我が国の平面直角座標系（公共座標系と呼ぶ）は、UTM座標系と同様、正角性を有し、中央子午線に沿って正距性を有するが、距離のゆがみを1/10,000の範囲に収めるように東西方向の幅を260km程度に抑えている。日本では、図8.1に示すように、19個の座標系原点が定められている。つまり、19個の平面直角座標系がある。平面直角座標系では、原点を決めると、Ｘ軸は北方向が正の子午線になり、東方向がＹ軸となる。通常の右手系のデカルト座標系と異なるので注意しなければならない。

円筒図法, 長軸（横軸）, 横メルカトル図法, ガウス・クリューゲル図法, UTM座標系（ユニバーサル横メルカトル座標系：Universal Transverse Mercator grid system）

8.2　GPSとGNSS 8.2.1　GPS 　GPSは、Global Positioning Systemの略で、全地球測位システムと訳される。米国国防総省が1973年から陸海空軍の航空機、艦船、陸上車両、及び兵士個人の航法用に開発したものである。軍用コード（Precision Code）の測位精度は○○で、暗号化されており、民間人は利用不可能であった。　しかし、冷戦終結後、米国は1993年12月からGPSの民間利用への正式運用を開始した。ただし、当時はSA（Selective Availability：選択利用性）と呼ばれる方法で、民間側へはデータを劣化させて、わざと精度を落としていた。民生用コード（Clear and Acquisition Code）の測位精度は○○であった。2000年、米国はクリントン政権時、ＳＡを廃止し、民間利用でも測位精度が上がった。　上空約2万kmを周回するGPS衛星が○○、6軌道面に配置され、常時、地球上の任意の場所の上空に最低○○の衛星が存在するように設計されている。GPS衛星の追跡と管制を行う管制局があり、GPS衛星の位置は常時わかる。GPS衛星には、非常に高額な原子時計が搭載され、極めて高精度の○○を発信している。一方、地球上の利用者の受信機は、一般に精度が高くないクォーツ時計であるが、各GPS衛星と地上受信機との時間差に光速を掛け算したものが距離となる。理論上はGPS衛星3個との距離がわかれば、受信機の位置は特定可能であるが、誤差が大きいため、4個以上のGPS衛星との距離を計測して精度を上げている。

約10km（半径約５km以内）, 約100ｍ（半径約50ｍ以内）, 30個, 4個, 時刻信号（コード）

8.2.2　GNSS 　米国がGPSを開発した後、ロシア、EU、中国などは自国で測位用の人工衛星を打ち上げ、それぞれ、GLONASS,Galileo,BeiDouのシステムを開発し、運用を開始した。GPSは米国の測位システムを指すいわば固有名詞であることから、これら4つのシステムなどを総称して○○とよぶ。ＧＮＳＳはGlobal Navigation Satelite Systemの略で、○○と訳される。　日本では、○○を構築すべく、2010年から衛星を打ち上げはじめ、2018年11月から4機体制で運用を開始している。GPSと互換性を有しているため、高いビルや山の陰で、4機のＧＰＳのうち何基かと電波のやり取りができないときでも、みちびきの衛星が補完してくれるので、測位精度が格段に向上している。準天頂衛星システムは、英語では○○という。みちびきは、日本を含むアジアとオセアニア地域を利用可能な対象としていることから、「全地球（Global）」とは言えないが、GNSSには全地球でなく特定地域に限定した「地域衛星系」も含まれることから、日本のGNSSである、と言って間違いでない。

ＧＮＳＳ, 全地球航法衛星システム, 準天頂衛星システム「みちびき」, ＱＺＳＳ（Quasi-Zenith Satelite System)

8.2.3　GNSSの測位方法　ＧＮＳＳの測位法は大きく○○と○○に分類される。　単独測位は、受信機1台で4機（以上）の衛星からの距離から絶対位置を求める方法で、既知点を必要としない。カーナビ、携帯電話、スマホ、カメラなどに用いられている。期待精度は○○であり、誤差が大きいため、測量に用いることはできない。　相対測位には、○○と○○の2種類の方式がある。　デファレンシャル測位は、単独測位用の受信機を、最初に既知点において誤差を求め、次に受信機を移動させて、絶対位置を測定し、そのデータに既知点で求めた誤差分を差っ引いて、補正する方法である。この方法は単独測位よりは精度が向上するが、それでも期待精度は○○であるので、やはり測量に用いることはできない。　ＧＰＳ衛生からは、○○と呼ばれる測位用の電波が常時発信されている。干渉測位（Carrier phase relative positioning）は、2つの受信機によってこれらの電波の位相を測定し、測定された位相の差を利用して受信機間の○○を精度よく求める方法である。位相の測定は、波長（L1帯では19ｃｍ）の1/80に近い分解能（約2.4ｍｍ）を持つため、高精度の測定が可能になる。高性能な受信機では、○○の精度が得られる。干渉測位には、○○がある。　土木分野では、未知点の受信機を移動させながらリアルタイムに測位可能な○○が広く利用されている。RTKはReal-Time kinematic　の略である。特に、土工の情報化施工（現在はＩＣＴ土工という）で建設機械の位置を自動的にリアルタイムで得て制御したりモニタリングするのに用いられる。期待精度は○○であり、かなり高い。

単独測位, 相対測位, 10～100ｍ, デファレンシャル測位, 干渉測位, 3～5ｍ, Ｌ１帯（1578.42MHz)、L2帯（1227.6MHz）, 相対ベクトル（基線ベクトル）, 約5ｍｍ, スタティック法とキネマティック法, RTK-GNSS, 1～3ｃｍ

8.3　レーザースキャニング技術　レーザー光線を発射して反射光が戻るまでの○○を計測するか、○○を計算することによって、対象物までの距離が計測できる。短時間に広範囲にレーザー光線を発射することにより対象物の形状や種々の情報を得る技術をレーザースキャニング（Laser scanning）、LIDAR(Light Detection and Ranging）、レーザレーダ（Laser Radar）、レーザレイジング（Laser Ranging）、レーザープロファイリング（Laser Profiling）などと呼ぶ。主に、○○を計測する。　レーザースキャナを搭載する機器類によって以下のように分類される。　　・○○（航空用レーザースキャナ）：GPS、IMU（Intertinal Measurement Unit：慣性計測装置）付の航空機に搭載、上空から地上を計測　　・○○（Terrestrial Lazer Scanner:TLS）：固定式、三脚の上に設置　　・○○（Model Mapping System）：GPS、IMU、オドメトリ付自動車の上に搭載、走行しながら計測　　・○○（Unmanned Aerial Vehicle：無人航空機、ドローン）搭載式：航空機より低い高度から手軽に計測　　・○○：手にもって、歩きながら計測、地下街、階段など屋内を手軽に計測、GPSではなくSLAM(Simultaneous Localization and Mapping）を使用　　・○○：背中に背負って、歩きながら計測、ハンドヘルドより精度が高い　測距方式は、次の2つに分類される。　　・○○（Phase-based method）：　　　　光波測距儀と同じ原理で、レーザ光線の位相差から距離を計測する。計測可能距離が○○、最高でも数10ｍ～数100ｍまでである。しかし、光速でレーザ光線を少しずつずらしながら発射できることから、点群密度は○○。　　・○○（Time of flight method）：　　　　発射したレーザ光線が物体に反射して戻るまでの時間から距離を計測する。1ｋｍ～数ｋｍの遠距離まで計測可能である。一方点群密度が○○。　レーザースキャナは種々の目的で利用されている。以下のいくつかの例を示す。　・○○の代替（簡易的で3次元）　・○○の森林・樹木の計測　・道路（あるいは鉄道）及びその周辺空間の○○ 　・土木建築構造物の現状（As-Is）を○○として残しておく　・古い橋梁などは図面がない場合もあり、3次元点群で○○にも利用　・施工中の土木構造物を計測し、○○ 　・道路や河川の土工では、点群データを基に、○○の3次元データを作成　・都市全体をレーザースキャナで計測し、様々な○○に利用　・建物の内部や地下街などを計測し、○○に利用　・工場やプラントなどは、竣工後、内部のパイプ類を何回も改変しているので、現状がわからない。そこで、内部を計測し、3次元モデルを作成し、○○などに利用　・製造業では、自動車や飛行機などの○○ 　・仏像や美術品、文化財などの3次元点群データを計測し、保存。大きさや長さなどを定量的に比較する○○に利用　・○○などの後に状況を3次元点群データを計測して残す（後々、実測していない物と物との距離や位置関係が正確にわかる）　・自動運転の自動車に搭載し、リアルタイムに3次元計測し、○○に利用　ほとんどのレーザースキャナにはデジタルカメラが搭載されており、レーザ計測中にカラーデジタル写真を撮影していることから、計測された点群データに○○を与えることができる。ＲＧＢはRed,Green,Blueであり、赤、緑、青の光の三原色である。このように色づけられた3次元点群データは、一見するとＶＲのモデルのように感じられるので、実際、ＶＲにも使用されることもあるが、よく見れば、点の集合であるから、点と点の隙間から本来は見えないはずの物体の点群が見えてしまうことに留意する必要がある。　計測には○○はつきものであり、レーザースキャナで計測したデータにも様々なノイズがあり、通常、人間が目で確認しながら手作業で除去している。ノイズは1本のビームが複数の距離で当たる場合、空中の塵、鳥、虫、落ち葉などに当たる場合、移動中の人、車、動物に当たる場合、鏡や光を反射する（透過する）ガラスに当たる場合などに発生する。また、全くと言っていいほど光を反射しない真っ黒な物体は、レーザ光線を吸収してしまうため、点群データを得ることができない。　従来、河川や港湾など水中の地形はレーザースキャナで計測できなかったが、○○を用いることにより、水が濁っていなければ、○○の深さまで計測可能になっている。

時間, 位相差, 3次元点群データ（ポイントクラウド：Point cloud）, 航空機レーザ測距装置, 地上レーザースキャナ, MMS, UAV, ハンドヘルドレーザースキャナ, バックパック式レーザースキャナ, 位相差方式, 短く, 高い, タイムオブフライト方式, 小さい, 航空写真, 広範囲, 3次元計測, 3次元点群データ, 管理。点検・保全, 進捗管理, 情報化施工（ICT土工）, 事業計画や管理, 施設管理, 維持管理、施設の修繕、更新、設計, 部材を計測, 文化的な研究, 交通事故や火災, 自動運転制御, 色情報（ＲＧＢ値）, ノイズ, グリーンレーザ, 2～3ｍ

8.4　Structure from Motion 　写真測量技術は、6.4.1のバーチャルリアリティで説明したように、2枚の少し離れた場所から撮影された同一の地域を立体視することによって、等高線を描く方法である。この原理を基に、カメラを少しずつ移動させながら、連続的に撮影したデジタル写真から特徴点を抽出し、特徴点の位置を計算することによって3次元点群データを得ることができる。この技術を○○という。SfMで抽出される特徴点の多くは、○○などでデあり、模様や汚れが全くない○○からの特徴点を抽出することは難しい。SfMで得られた点群ータを基に、さらに点と点の間を補完する点を設けて、より立体的な点群データに変換する技術を○○という。　SfMとMVS機能をもつソフトウェアは販売されており、例えば、家の物置の写真を四方八方から数十枚撮影してソフトウェアに入力すれば、容易に物置の点群データを得ることができる。カメラを搭載したドローン（ＵＡＶ）を橋梁の周辺で飛ばしながら写真撮影し、同様にソフトウェアに入力すれば、橋梁の3次元データが得られる。一般にＳｆＭの計算時間は短いが、ＭＶＳは膨大な量の計算を行うため時間がかかる。　ＳｆＭはデジタルカメラ、ドローン、専用ソフトウェアとＰＣがあれば、誰でも安価かつ容易に点群データを作成できるが、データ精度は、一般の建物、インフラ、都市部などのモデルでは○○以上と、誤差がレーザースキャナに比べると大きいことに注意する必要がある。特に遠方の物体を撮影した場合は、誤差は○○以上になる。

SfM（Structure from Motion:ストラクチャフロムモーション）, 物体や模様の角や点状の模様、物体間の境目、段差, 白い壁や黒い物体, MVS(Mult-View Stereo:マルチビューステレオ）, 10ｃｍ, 1ｍ

8.5　GIS 　8.5.1　GISとは　GISはGeographic Information Systemの略で、○○と訳される。ほとんどだれもがPCやスマホでGoogleやYahoo！などの地図を用いて、道案内やカーナビなど利用しているであろう。米国のESRI社の○○というGISソフトウェアが世界的に著名である。無料で利用できるＧＩＳソフトウェアとしては○○がよく知られている。　ＧＩＳは、第6章と第7章で説明した3次元モデリングとプロダクトモデルに概念的に似た部分がある。ＧＩＳの基本となる地図は実世界や実社会をすべて、そのまま表現することはできないため、どのような地物や地形、土地利用などの情報が必要なのか選択し、一定の形式に基づいてデータモデル化する。そのデータモデルは、国や地域によって異なると互換性がなくなるので、できるだけ○○する。そうした標準化は、○○という国際的な団体が実施している。標準化されたデータモデルに基づいて、座標値や形状などの図形（幾何）情報と土地利用などの属性情報を○○する。データベースをユーザがPCなどの画面で閲覧したり、検索、重ね合わせ、計算などのオペレーションができるようなメディアシステムを開発する。こうしたプロセスでGISは構築される。

地理情報システム, ArcGIS, ＱＧＩＳ, 標準化, ＯＧＣ（Open Geospatial Consortium：オープンジオスペーシャルコンソーシアム）, データベース化

8.5.2　GISのモデルと利用　基本的な表現方法には、○○と○○があるが、現在主流なのは後者である。ベクターモデルでは、地理情報の図形情報を○○で表現する。　GISでは、基本となる等高線図、航空写真、緯度経度図、道路、鉄道、建物などの基盤地図、目的別土地利用図などを、各々○○として、原寸で作成し、必要なレイヤを選んで重ね合わせて表示したり、重なっている区域や排除されている区域などを○○によって求め、その○○を抽出したりする。図8.2にGISで数枚のレイヤを重ね合わせて利用するイメージを示す。ＧＩＳは、都市計画、固定資産税徴収のための土地家屋現況把握、区域のマーケティング、水道管・ガス管・送電線などのインフラの管理災害区域表示、避難場所・道路表示などを目的に広く利用されている。

ラスターモデル（Raster model）, ベクターモデル（Vector model）, 面、線分、点の幾何要素の集合, レイヤ（Layer：層）, 集合（論理）演算, 属性情報

8.5.3　3次元ＧＩＳ　元々、ＧＩＳは2次元であったが、近年、3次元ＧＩＳの開発が進められている。ＯＧＣ（Open Geospatial Consortium)は、○○という都市レベルの3次元GISモデルを構築した。CityGMLは、都市や風景のデジタル3Dモデルを保存するためのオープンで標準化された○○である。都市でみられるほとんどの一般的な○○とそれらの間の関係を記述する方法を定義している。また、3Dオブジェクトのさまざまな○○も定義されており、これにより、シミュレーション、都市データマイニング、施設管理、テーマ別調査など、様々なアプリケーションや目的に合わせてオブジェクトを表現可能である。CityGMLは、OGC及び○○によって発行された空間データ交換の拡張可能な国際標準である。○○のGMLアプリケーションスキーマとして実装されている。　国土交通省は、○○という日本全国の3D都市モデルの設備・オープンデータ化プロジェクトを発表し主導している。データ形式はCityGML（英語版）を基本とし、他にも様々なデータ形式に変換したものを配布している。　今後、PLATEAUのような都市を対象とした3次元GISを構築、活用していくためには、建物のBIMモデルや橋梁、道路、鉄道などのインフラのBIM/CIMモデルを統合していく必要がある。ただし、BIMモデルなどをそのまま大量に3次元GISのプラットフォームに入力するとデータ量が膨大になるため、なんらかの簡略化が必要である。また、座標系が○○ことも注意が必要であり、さらにＢＩＭモデルの属性情報の用語がわが国では標準化されておらず、ＧＩＳと合わないことがあることが懸念される。

CityGML, データモデル及び交換フォーマット, 3Dフィーチャとオブジェクト（建物、道路、川、橋、植生、都市家具など）, 標準詳細レベル（LOD), ISO TC211, Geography Markup Language3（GML3）, PLATEAU（プラトー）, BIMとGISで異なる

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aki ino · 38回閲覧 · 8問 · 1年前

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