2022年2月2日

測量の歴史をたどってみよう!
伊能図から3次元データが誕生するまでを解説

みなさん「地図」の存在は、ご存じですよね。Googleマップにも利用されていますし、カーナビにも必要不可欠なものです。紙ベースでは、ゼンリンの住宅地図なども有名です。

みなさんが、あらゆるシーンで使っている「地図」は、測量技術によって作られているのはご存じでしょうか?
今回は地図を作成するには必要不可欠な技術である、測量について詳しく解説していきましょう。

測量のルーツは伊能図にあった!

日本で最初に地図を作製したのは「伊能忠敬」という人物であることは、多くの方が知識として知っているでしょう。江戸時代には既に測量技術があり、測量に欠かせない方位についても伊能忠敬は、天文学の知識を有していたので正確な測量ができたと言われています。

日本を測量して地図を作るという目的は、忠敬個人の想いで行ったことではなく、当時の江戸幕府からの命を受けて行ったことなのです。ここでは、日本で最初に作られた「大日本沿海輿地全図(だいにほんえんかいよちぜんず)」が、完成するまでの歴史をカンタンに振り返ってみましょう。

最初の測量は蝦夷地、現在の北海道から始まった(1800年・寛政12年)

最初の測量は現在の北海道となる「蝦夷」から始まっています。この当時の測量機具は「間縄」(けんなわ)と呼ばれる、一間ごとに印をつけた縄と距離を書き留める和紙、そして方位を観測するための天体観測機具などです。

第一回目となる蝦夷の測量では、最初は、「間縄」にて丁寧な測量をしていたようですが、蝦夷の過酷な土地での測量が進まなかったので「歩測」で距離を測ったとされています。

蝦夷地での測量は滞在日数117日、道中を含めると合計180日かかっています。その後、江戸に帰って約20日で地図が完成していますが、もちろん、北海道全体を一枚の紙で地図として作成したのでなく、約36枚の地図に分けて作成されています。

次の画像は、左が函館、右が襟裳岬の地図です。


出典:古地図コレクション(国土地理院)

第二次から第四次で東日本の測量が完了する(1801年・享和元年~1803年・享和3年)

蝦夷地での測量成果が認められて、今度は東日本の測量を開始しました。そして、第二次測量から第四次測量にて、東日本の測量を全て終えて地図作成に入ります。

これまでの4回の測量成果を全てまとめて、大図69枚、中図3枚、小図1枚からなる「日本東半部沿海地図」としてまとめ上げています。これらの地図は、江戸城の大広間でつなぎ合わされて、第十一代将軍である徳川家斉も確認して、出来栄えを称賛したと言われています。

次の画像が、つなぎ合わせた状態の東日本の地図となります。


出典:古地図コレクション(国土地理院)

第五次から第九次で西日本の測量が完了(1805年・文化2年~1815年・文化12年)

本来、幕府の考えでは伊能忠敬には東日本を任せ、西日本は「間 重富(はざま しげとみ)」に任せる予定でした。ですが、重富は1804年に死去し、測量できる人材がいなくなったため、西日本の測量も伊能忠敬に任すこととなったのです。

西日本の測量は幕府直轄の事業で行われ、東日本の測量よりも物量や資金にも恵まれた状況になったようです。

西日本の測量は、高輪大木戸(現在の東京都港区高輪二丁目)から測量を開始。約10年かけて九州および、種子島・屋久島までも測量を終えて、日本全国の測量が完了します。


出典:古地図コレクション(国土地理院)

第十次測量は江戸府内(1816年・文化13年)

各街道から日本橋までの間を測量して、起点を1つにまとめることが目的で10回目となる測量が実施されています。71歳となった忠敬も測量に参加して、江戸府内の地図を作成しこれで、日本全国の測量が完了することとなりました。画像は、江戸府内の地図のうち、当時の永田町の地図です。


出典:古地図コレクション(国土地理院)

大日本沿海輿地全図完成(だいにほんえんかいよちぜんず) (1821年 文政4年)

10回に渡って測量を命じられ、1800年に開始された第一次測量から21年が経過した1821年に、初めての日本全国の地図「大日本沿海輿地全図」(だいにほんえんかいよちぜんず)が完成します。

実は伊能忠敬は、1818年4月13日に74歳で死去しています。ですが、この時にはまだ地図は完成していなかったために忠敬の死亡は隠されたまま、残った者たちで地図作成が継続されていきます。

死去前に研究して残した投影法の資料のお陰もあり、1821年に「大日本沿海輿地全図」(だいにほんえんかいよちぜんず)と名付けて、地図が完成します。なんと、忠敬の死から4年も経過した後の完成となりました。その後、地図の完成から2か月後に忠敬の死が公表されています。

つなぎ合わされた日本地図はとても大きく、これだけの広さの屋敷があったことにも驚かされます。次の画像は、「大日本沿海輿地全図」のレプリカをつなぎ合わせた写真です。見学の人の大きさと比較すれば、いかに地図が大きいかお分かり頂けるでしょう。


出典:ウィキペディア 大日本沿海輿地全図

最初の日本地図には等高線は存在していない

ここまで、伊能忠敬が測量して作成した地図を画像で紹介していますが、当時の地図には等高線が存在していません。つまり、内陸部や海岸線を測量していますが、当時の測量技術では高さの測量までは行われなかったのです。

とはいうモノの、凹凸のある地形を測量し地図にするには、斜距離を平面距離に計算し直す知識と計算技術が求められます。電卓さえなかった時代に、そのような細かな計算までも行われていたことには、本当に驚くばかりです。

画像は富士山近辺の「駿河 大宮 甲斐」の地図です。等高線でなく、富士山を絵で表現しています。


出典:古地図コレクション(国土地理院)

測量の基本は三角測量!

測量の基本は「三角測量」と言われています。三角形の網(もう)を作り、三角形の各点の位置を求めていくのが三角測量です。

測量方法としては、3km~10km離れた平坦な場所にある2点間の距離を正確に測り、もう1点を加えて三角形を作り、三角形の内角を測ります。この1辺と内角から、三角形の大きさと形を計算で求め、さらに、点を増やして三角形の内角を測っていきます。

この測量技術は、明治時代によく使われていました。


出典:国土地理院 三角測量

測量は世の中になくてはならない技術

1970年代になると、光を利用した測距機(トランシット)が開発されて、三辺測量に変わっていきます。トランシットから発せられた光を、プリズムに反射させて光が戻ってくる時間で長さを測っていました。

三角測量が三角形の角度を測るのに対し、三辺測量は三角形の各辺を測ることから名付けられています。

このような測量技術は地形を測る上で、世の中にはなくてはならない技術なのです。

衛星の数と精度が高まってGNSS測量になってきている

測量技術は、トランシットからGPS測量と進化していき、現在では全球測位衛星システムを利用した、GNSS測量になってきています。人工衛星からの電波を受信して位置を決定するシステムで、従来の測量と違う点のひとつに、上空の視界が開けていれば他の基準点が見通せなくてもよいということが挙げられます。

現在、三角点の測量のほとんどが、この測量方式になってきています。GNSSを使用した測量にはいろいろありますが、三角点の測量では、より精度の高い相対測位という方式が用いられています。

これらの測量法は、測量で使用する座標を得るための基準となる、三角点や基準点を計測する際に用いられます。

現代の測量!3次元データの取得が可能になった

先に紹介したGNSS測量などの他に、空中写真測量があります。もちろん、伊能忠敬の時代には存在しない測量技術で、飛行機から空中写真を撮影してオルソ画像を作成する方法や、レーザーを照射して点群データを取得するレーザー測量などにより、3次元測量が可能となっています。

X・Y・Zの3次元の座標を取得できるので、さまざまな分野で活用されるようになりました。従来では、測量は地図を作成する技術がメインでしたが、現在では情報を取得するアイテムして欠かすことのできない技術になっています。

位置情報を取得できるのが大きなメリット

3次元の情報には、位置情報を求めることができる大きなメリットがあります。これまで、固定された物体の位置情報を計測することは可能でしたが、移動する物体の位置情報を得るのは難しいことでした。

例を挙げるとカーナビゲーションが、代表例となります。移動している自動車の位置を、衛星からの電波をGPS受信機で受けて解析することで、地球上のどの位置に存在しているのか把握することが可能となっています。

草花の成長までも計測が可能になっている

動く物体は車だけではありません。例えば、草花を同一点観測することで、成長の度合いを計測することも可能になりました。その他、災害時の土砂の流出量や、盛り土の体積までも計測が可能なのです。

ドローン測量とは

先ほど、飛行機による航空写真測量から3次元データを取得して、オルソ画像を作成できることをお伝えしましたが、近年では、飛行機の代わりにドローンを利用するシーンが増えています。

ドローン測量とは、飛行機の代わりにドローンにて空中写真を撮影し、その写真を解析することで3次元データを取得する測量です。従来の飛行機による空中写真測量をドローンで行っているとイメージすると分かりやすいでしょう。

空中写真測量にて3次元データを取得するので、単にドローンで写真を1枚撮っただけでは解析することはできません。ここでは、ドローン測量の条件について解説しましょう。

ドローン測量には複数枚の単写真が必要

飛行機での空中写真測量では、複数枚の写真を必要とします。ドローン測量でも撮影する写真は1枚だけではダメです。複数枚の単写真を撮影しないと、測量データを取得することができません。

また、撮影コースも複数必要です。その理由は、写真測量の基本となるオーバーラップとサイドラップが必要だからです。複数の写真を縦方向と横方向に重複させて解析を行うので、写真に縦と横に必ずラップ部分が必要となるのです。ドローン測量での撮影の条件を一覧表にすると、次のようになります。

オーバーラップ 85%以上
サイドラップ 75%以上
コース数 3コース以上
1コース当たりの撮影枚数 4枚以上

ドローン測量での画像処理(SfM処理)

ドローンで撮影した画像は、SfM処理にて3次元モデルを取得します。SfM処理では、撮影した複数の画像から撮影位置を推定し、同一地点に対するそれぞれの画像の視差から対象物全体の三次元モデルを生成します。

三次元モデルは、多くの点群データ(三次元 point cloud)で構成されていて、精度は撮影に使用した「カメラの画素数・焦点距離・対象物までの距離・オーバーラップ率等」に依存するので、これらの条件を整えることによって所要の精度に近づけることができます。

こうしてSfM処理した三次元モデルでは、地理空間座標が定義されておらず相対的な位置関係の情報のみとなっています。なので、モデル上の特定の複数の地点に地上の座標(地上基準点など)を対応づけることで地理空間座標を定義します。

TS測量とドローン測量の比較

地表面を計測する従来のTS測量と、ドローン測量を比較すると「点と面」の測量の違いがあります。従来のTS測量では、ターゲット(ミラー)の地点を計測するので「点の計測」でした。この点をつなぎ合わせて計算することで、距離や高さが求められています。

一方でドローン測量だと、上空から空中写真を撮影するので「面の測量」となります。点の測量よりも面の測量の方が、より多くの情報を得ることができます。

従来の測量とドローン測量の比較

従来の測量 ドローン測量
メリット ・mm単位の精度で測量が可能
・公共測量での利用が可能
・座標の再現性が高い
・精度担保しやすい
・これまでの精度の信頼性が高い
・広範囲での測量が可能
・短時間での測量が可能
・面での測量が可能
・ビギナーでも測量が可能
・事務所でも測量が行える
・少ない人数で測量が可能
・測量コストを抑えられる
デメリット ・測量の専門知識が必要
・外注すると高額なコストが必要
・密な測量だと時間がかかる
・実際の現場でないと実測ができない
・cmレベルの精度が限界
・測量の知識がないと公共工事では利用が難しい

オルソ画像とは正射投影された航空写真

航空写真は、地表面の地物を真上から撮影した写真です。ただ、撮影しただけでは3次元データの取得はできません。その理由は、撮影された写真は「中心投影」となっているので、撮影範囲全てが真上から見た状態となっていないのです。

この中心投影された写真をオルソ化することで、「正射投影」の写真となり、撮影範囲全ての地物を真上から見た状態の写真となります。この正射投影された写真をオルソ画像(オルソ写真)と呼んでいます。

3次元データの取得も、正射投影されたオルソ画像になってこそ取得が可能です。実際の写真の違いを見た方が分かりやすいと思いますので、国土地理院が公開している「中心投影写真と正射投影写真との比較」を載せておきましょう。


出典:国土地理院 オルソ画像について

ドローン測量でもオルソ画像が作成できる

限られた範囲であれば、ドローンによる空中写真の撮影の方が低コストでオルソ画像を作成できます。例えば、一つのまち全体の空中写真を撮影して、広範囲のオルソ画像を作成するなら、飛行機の航空写真測量が有効です。

斜面の工事現場や採掘現場のオルソ写真を作成するなら、飛行機による撮影は非効率的となります。このケースでは、ドローンによる空中写真撮影がベストでしょう。

ミリ単位の精度を求められる公共測量では、ドローン利用は難しいですが、センチメートル単位の精度で問題ない現場では、ドローン測量が多く導入されています。

ただし、ドローン測量には空中写真を撮影するドローンと、写真を解析する優秀なシステムが必要となります。低コストでオルソ画像を作成するなら、優秀なシステムは必須なのです。

ドローン測量では解析システムが重要!

ここまでの解説で、航空写真測量では3次元データの取得がメインとなってきていて、飛行機での撮影からドローンでの撮影に変わってきたことはお分かり頂けたでしょう。

先にもお伝えしている通り、ドローンで空中写真が撮影できても解析するシステムがなければ、3次元データの取得はできません。ですから、ドローン測量には優秀な解析システムが必須となります。

逆に言えば、優秀な解析システムがあれば、測量会社に依頼しなくとも自社で3次元データの取得が可能となってきます。

測量会社でなくともデータ取得が可能となってきた

飛行機を利用した空中写真から3次元データを取得するには、専門のオペレーターや機器が必要でした。結果、3次元データを取得するには、測量会社に依頼するしか方法がなかったのです。

ところが、ドローンが測量に活用され始めてからドローン測量の需要が高まり、優秀な解析システムが誕生してきました。これによって、これまで測量会社1択であった3次元データの取得が、測量会社でなくとも、ましてや測量を知らなくても自社で取得が可能となったのです。

測量DXの定番!!ドローン測量・現地管理DXクラウド「くみき」

測量DXとは、「測量デジタルトランスフォーメーション」の略で、デジタル技術を浸透させることで、測量の価値観や枠組みを根底から覆すような革新的なイノベーションをもたらす意味です。

ドローン測量・現地管理DXクラウドドローン測量サービス「くみき」では、ドローン測量の領域にて革新的なイノベーションを起こしています。

「くみき」による革新的イノベーションとは!?

ドローンにて空中写真を撮影しても、その後の写真解析やオルソ画像作成は、専用システムが必要となります。ドローンを飛ばして写真を撮影するのは、操縦に慣れれば誰でも行うことが可能です。

ですが、これまでその後の解析には、高価なシステムやスペックの高いパソコン、知識のあるオペレーターが必要でした。なので、ドローンを利用して低コストで空中写真を撮影しても、データ取得やオルソ画像作成はコストがかかり、誰もが行うことができなかったのです。

その問題を解決したのが「くみき」です。これまで3次元データを取得・計測する手法に、次のような大きな変革をもたらせています。

変革内容1 飛行機での空中写真撮影 ⇒ ドローンでの空中写真撮影
メリット パイロット・高価な機材・飛行機などが不要
結果 低コストで、いつでも誰でも撮影が可能となった
変革内容2 標定作業・写真加工・オルソ写真作成 ⇒ くみきが自動で行うので全て不要
メリット 専門家が不要・誰でも使用可能・コスト削減
結果 低コストで、いつでも誰でも3次元データの取得が可能
変革内容3 3次元データ計測・専門のオペレーターとソフトが必要 ⇒ くみきで自動計測が可能
メリット 専門のオペレーターが不要
結果 低コストで、いつでも誰でも3次元計測が可能

このように、これまでの測量における3次元データ取得の概念が、根本的に変わってきています。航空写真からオルソ写真を取得するには、これまで高額な費用と専門的な知識、専用の機器が必要で、これらは当たり前とされていたのです。

ところが、ドローン測量サービス「くみき」では、低コストで専門知識を必要とせず、誰もが3次元データを取得できます。これこそ、DX(デジタルトランスフォーメーション)と呼ぶに相応しいデジタル技術なのです。

ドローン測量サービス「くみき」は誰でもカンタンに利用可能

まさに測量DXと呼ぶに相応しい、ドローン測量・現地管理DXクラウドドローン測量サービス「くみき」では次の3ステップで、オルソ写真の作成、3次元データの取得、計測までが完了します。

1:ドローンで撮影した空中写真をアップロード
2:クラウドでデータを自動生成
3:完成したデータをWEB上で計測開始

このようにたった3ステップで、オルソ写真が作成できて、造成現場の簡易測量や圃場の均平調査、採石場の安全管理など、さまざまなシーンで「くみき」のデジタル技術を活用できます。

くみき独自の「位置補正機能」も搭載


「くみき」では、独自機能として「位置補正機能」も搭載しています。時期の異なる写真を比較する際には、従来の手法であれば各写真に標定点と呼ばれる共通の座標が必要となります。それを「くみき」では、各写真を比較して自動で特徴点を抽出して位置補正を自動で行ってくれます。

この機能を利用すれば、異なる時期に撮影した写真をピタッと重ねることが可能となります。この技術も、DX(デジタルトランスフォーメーション)と、呼ぶに相応しいデジタル技術です。

現地管理における「コンテンツ管理機能」も実装

このように「ドローン測量」としての地形データの生成や計測の実施・記録だけでなく、スマートフォンやドローンで撮影された現地の写真や動画などのデジタルコンテンツを地図・オルソ上に保存・共有ができる「コンテンツ管理機能」も実装されています。

高度な「ドローン測量機能」と、この「コンテンツ管理機能」が融合することで、現場の「地図」自体をデータ管理のための図面とし、これまでバラバラに管理されていたドローン測量データと写真・動画データを、一括管理することが可能となり、誰でも、いつでも、迷うことなくデータを確認・管理することができるようになっています。

まさに「現場データまるごと管理」というわけです。

「百聞は一見にしかず!」デモ画面トライアルで「くみき」を体感してみよう

ドローン測量DXを体感するなら、ぜひ「くみき」を体験利用してみましょう。「自社の業務にマッチするのか?」「どんな機能か操作してみたい」「システムのレスポンスを試したい」など、「くみき」を試してみたい方はに、「くみき」で生成したオルソ画像や計測操作を体験できるデモアカウントが利用できます。ー14日間の無料トライアルが用意してあります。

ドローンやアップロード画像を持っていない方でも、サンプルプロジェクトやサンプル画像も提供されているので、問題なく体験が利用できます。ドローン測量に少しでも興味のある方は、スカイマティクスに問い合わせしてみましょう。





【参考サイト】

古地図コレクション 伊能図
https://kochizu.gsi.go.jp/inouzu

ウィキペディア
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%8A%E8%83%BD%E5%BF%A0%E6%95%AC