UAVベース写真測量を用いた超高解像度橋梁変形モニタリング

核心概念

UAVベース写真測量は、従来の変位計やレーザースキャナーと比較して、橋梁の変形をミリメートルレベルの精度で包括的かつ面的に定量化する費用対効果の高い手法である。

要約

研究目的

本論文は、UAVベース写真測量が、橋梁の構造健全性モニタリング、特に荷重下における形状変形計測において、十分な精度を持つ結果を生成できるかどうかを検証することを目的とする。

方法

• ドイツにある実験用桁橋「Concerto」に段階的に荷重をかけ、その変形を計測する実験を行った。
• 変形計測には、変位計、タキメトリ、地上型レーザースキャナー、UAVベース写真測量の4つの手法を用いた。
• 変位計は、最も正確な計測値を提供するものと想定し、他の手法との比較基準とした。
• UAVには、100メガピクセルのPhaseOne iXM-100カメラを搭載し、地上30mの高さから、地上画素解像度1.3mmの画像を取得した。
• 各計測手法の結果を比較し、UAVベース写真測量の精度と有効性を評価した。

結果

• UAVベース写真測量は、変位計の結果と1mm以下の差で、橋梁の変形を計測することができた。
• 地上型レーザースキャナーは、橋梁下面の表面の凹凸やノイズの影響を受けたが、全体的な変形形状は捉えることができた。
• タキメトリは、正確な点ごとの変位計測値を提供したが、面的な評価はできなかった。
• UAVベース写真測量は、橋梁上面の変形を面的に捉えることができ、橋軸方向だけでなく、横断方向の変形についても評価することができた。

結論

• UAVベース写真測量は、橋梁の変形モニタリングにおいて、従来の手法に匹敵する精度を持つことが示された。
• 面的な変形計測が可能であることから、従来の手法では困難であった、橋の捩れや局所的な変形についても評価できる可能性がある。
• UAVベース写真測量は、費用対効果が高く、効率的な橋梁変形モニタリング手法として期待される。

限界と今後の研究

• 本研究では、静的な荷重下における橋梁の変形計測を行ったが、動的な荷重下における計測精度については、今後の検討が必要である。
• UAVベース写真測量では、取得した画像の幾何学的歪みを補正する必要があるが、本研究では、市販のソフトウェアを用いて補正を行った。より高精度な補正手法を用いることで、計測精度を向上させることができる可能性がある。

統計

橋の長さ: 17.5m
橋の幅: 4.0m
橋の高さ: 0.8m
UAV飛行高度: 30m
地上画素解像度: 1.3mm
画像重複度: 80%

引用

"The comparison with reference data (displacement transducers) reveals a difference of less than 1 mm."
"We show that employing the introduced UAV-based monitoring approach, a full area-wide quantification of deformation is possible in contrast to classical point or profile measurements."

抽出されたキーインサイト

Very High-Resolution Bridge Deformation Monitoring Using UAV-based Photogrammetry

by Mehdi Maboud... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18984.pdf

深掘り質問

動的な荷重がかかる状況下、例えば交通量の多い橋などでは、UAVベース写真測量はどのように適用できるだろうか？

UAVベース写真測量は、静的な状態での計測が基本となるため、動的な荷重がかかる橋梁への適用には工夫が必要です。考えられる適用方法として、以下の３つが挙げられます。

動的荷重を考慮したモデル化: UAVベース写真測量と並行して、橋梁の動的挙動を計測できるセンサー（加速度センサー、ひずみゲージなど）を設置し、そのデータと組み合わせることで、動的な荷重を考慮した変位・変形解析を行います。これにより、より現実に近い橋梁の挙動を把握することが可能となります。
高頻度計測とデータ処理: 高頻度でUAVによる撮影を行い、得られた時系列画像データから動的成分を抽出する手法が考えられます。この場合、大量の画像データ処理が必要となるため、高速な画像処理技術や、点群データ処理技術の開発が不可欠となります。
交通規制を伴う計測: 交通量の多い橋梁の場合、交通規制を行い、橋梁への動的荷重を一時的に遮断した状態での計測が考えられます。この方法であれば、静的な状態での計測と同様の手法を適用できます。

これらの方法を組み合わせることで、動的な荷重がかかる橋梁に対しても、UAVベース写真測量を効果的に適用できる可能性があります。

UAVベース写真測量で得られたデータは、橋梁の劣化や損傷の検出にどのように活用できるだろうか？

UAVベース写真測量で得られた高密度な点群データやオルソ画像を活用することで、従来の目視検査では困難であった橋梁の劣化や損傷の検出を、高精度かつ効率的に行うことが可能となります。具体的な活用例は以下の通りです。

微小なひび割れの検出: 高解像度なオルソ画像を生成することで、目視では確認が難しいような微小なひび割れを検出することが可能となります。画像解析技術と組み合わせることで、ひび割れの幅や長さ、方向などを自動的に計測することも可能になります。
変形量の定量化: 異なる時期に撮影した点群データを比較することで、橋梁全体の変形量を３次元的に定量化できます。これにより、変状の進行状況を把握し、適切な補修時期を判断することができます。
コンクリートの剥離・鉄筋の露出検出: 点群データから生成した3Dモデルを用いることで、コンクリートの剥離や鉄筋の露出を容易に発見することができます。特に、橋梁下面や高所など、目視検査が困難な箇所においても、詳細な状況把握が可能となります。
損傷箇所の可視化: 検出した劣化や損傷箇所を3Dモデル上にマッピングすることで、損傷箇所とその周辺状況を分かりやすく可視化できます。これにより、現場での状況把握が容易になり、より的確な補修計画の立案に役立ちます。

UAVベース写真測量とその他の検査技術（赤外線サーモグラフィ、 GPRなど）と組み合わせることで、さらに多角的な情報を得ることができ、橋梁の劣化や損傷の検出精度を高めることが期待できます。

UAVベース写真測量技術の進歩は、橋梁の設計や維持管理にどのような影響を与えるだろうか？

UAVベース写真測量技術の進歩は、従来の橋梁の設計・維持管理手法に変革をもたらし、より効率的かつ高度な管理体制の実現に貢献すると考えられます。具体的な影響としては下記が挙げられます。
設計段階における影響

複雑な形状の橋梁設計: UAVを用いた写真測量は、複雑な地形や構造物に対しても高精度な3Dモデルを生成できるため、より自由度の高い設計が可能になります。
設計段階における周辺環境への影響評価: UAVを用いることで、広範囲の地形データを取得できるため、橋梁建設による周辺環境への影響を事前に評価することが容易になります。
維持管理における影響

点検・診断の効率化: UAVを用いた写真測量により、従来人力的で行っていた目視点検を自動化・効率化できます。また、高精度な3Dモデルを用いた解析により、損傷の早期発見や、より詳細な状態把握が可能になります。
維持管理の効率化・低コスト化: 従来の橋梁点検では、足場設置や高所作業車など、多大なコストと時間を要していました。UAVを用いることで、これらのコスト削減と時間短縮が可能になります。
予防保全型維持管理への移行: UAVベース写真測量と各種センサー、AI技術などを組み合わせることで、橋梁の状態をリアルタイムに監視し、異常を検知次第、迅速に補修を行う予防保全型維持管理への移行が促進されると考えられます。
UAVベース写真測量技術の進歩は、橋梁の長寿命化、維持管理コストの削減、ひいては社会インフラの安全性向上に大きく貢献するものと期待されます。