2024年1月15日、産業技術総合研究所（以下、産総研）は、CORE技術研究所（以下、CORE技研）と共同で、ドローン空撮で橋梁のミリメートルオーダーのたわみを高精度で計測する技術を開発したと発表した。ドローン空撮画像の位相解析により従来法の10倍以上の精度で画像ぶれ補正を実現する。

ドローン空撮による橋梁のたわみ計測法の概要

　老朽化した橋梁の健全性を評価する手法の一つとして、たわみ計測が実施されている。設置に手間がかかる従来の変位センサーの代わりにドローンカメラで計測ができれば、山間部や海峡、河川に架かるアクセスの困難な橋梁などでも効率的な点検が可能になる。しかし、ドローンなどの空撮では画像ぶれが発生し、ミリメートルオーダーのたわみ計測は困難であった。

　そこで規則性模様を有する基準マーカーを導入し、そのマーカー模様の位相情報（※1）を活用した人間のバランス感覚に近い高精度な画像ぶれ補正技術を開発することで、ドローン空撮でも橋梁の健全性評価に必要とされるミリメートルオーダーの微小変位を計測することに成功した。同技術は、老朽化したインフラ構造物の効率的な維持管理に貢献し、将来的にはインフラ構造物の長期モニタリングの実現にもつながる技術として期待される。

※1 位相情報：規則的な模様を波とみなすと、波の高さは振幅、波の位置ずれは位相。その位相の変化（格子模様のわずかなずれ）の情報を利用することで、微小変形をカメラで測定することができる。

研究内容

　ドローン空撮では風などによって機体が揺れ、画像ぶれが発生するため、橋梁の微小なたわみを計測することはできない。そこで、画像ぶれを高精度で補正するために、橋梁の中央側面に設置した測定マーカー（Mk-C）に加えて、新たに2つの基準マーカー（Mk-AとMk-B）を導入した。橋脚上の不動点となる橋梁側面にこれらの基準マーカーを設置し、2つのマーカーを結ぶ1本の基準線が橋梁の変形前後で一致するように100分の1画素（従来法の10倍以上）の精度で画像ぶれ補正を行う。橋梁の変形前後の測定マーカーの規則模様画像にぶれ補正を行った後に、サンプリングモアレ法を用いて画像から生成されるモアレ縞の位相変化から微小変位を算出。その結果、ドローン空撮でミリメートルオーダーの橋梁の微小なたわみ計測に成功した。

　人間の耳のバランス感覚をヒントにしたシンプルで高精度な画像ぶれ補正技術を新たに開発。人間の耳は蝸牛（聴覚）以外に、前庭系システムとして、前庭と三半規管（平衡覚）を内耳に備えている。このシステムは3次元空間における平行移動や傾きの回転を感知するセンサーの役割を果たす。人間は耳で感知した平衡覚の情報に基づいて、無意識に素早く目の視点と向きを常に調整している。このバランス感覚をドローン空撮に応用。橋梁の両端の桁に固定した2つの基準マーカー（2次元規則模様）が、人間の耳の役割を果たしている。この2つの基準マーカーを結ぶ基準線はバランス感覚に相当し、ドローン空撮で得た撮影画像に対し、常にぶれないように補正することで、安定したたわみ計測ができる。

人間のバランス感覚をヒントに導入した画像ぶれ補正用の基準マーカー

　産総研は、CORE技研との共同研究および京都大学インフラ先端技術コンソーシアムの活動の一環として、全長110mのドゥルックバンド橋（※2）のたわみ計測の検証実験を実施。橋梁から約100m離れた空中でドローン空撮を行い、取得した画像から橋梁のミリメートルオーダーの微小たわみを計測できた。

　この実証実験では、規則模様のピッチが0.2m、大きさが1m²のマーカーを使用し、時速20km/hで8トンの試験車両が対象橋を通過した際に発生したたわみを計測した。また、福島ロボットテストフィールドでの模擬橋梁を利用した精度検証実験では、1mmから5mmまでの既知の変位量に対して、計6回の計測結果の平均誤差はわずか0.2mmであった。

　今回開発したドローン空撮によるたわみ計測技術により、カメラを固定する必要がなくなることから、従来法では困難であった場所での計測も可能になり、より多くの橋梁の健全性を効率的に評価することが可能になる。

※2 ドゥルックバンド橋：中央部がヒンジの「ドゥルックバンド」と呼ばれる構造形式を採用した橋。2本の橋脚を中心にそれぞれシーソーのようになっており、橋台上の桁端部には常に上向きの力がかかる仕組みになっている。

ドローン空撮による全長110mのドゥルックバンド橋のたわみ計測 実験結果

　民間企業が同技術を活用した橋梁点検サービスをすでに事業化しており、今後全国の橋梁に適用されることが期待される。同技術をさらに発展させ、社会インフラの長期モニタリング技術の開発やクラウドシステムによる自動解析の研究開発を実施する予定で、将来的にはドローンの自律飛行による計測サービスの実現を目指すとしている。

【論文情報】
掲載誌：Nature Communications
論文タイトル：Drone-based displacement measurement of infrastructures utilizing phase information
著者：Shien Ri, Jiaxing Ye, Nobuyuki Toyama, Norihiko Ogura
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44649-2