AutoCADも対応！点群データで対象物を一気に3Dデータ化

点群データとは点の集まりでできた3Dデータのことです。
建物は作ったあとに維持管理として補修が必要で、現場の写真や図面、3Dデータなどで確認を行います。
昨今、設計検討は3Dデータで行うのが一般的であり、すでにある建物の改築や補修なども行う場合でも対象物の3Dデータが必要です。

3Dデータは図面をもとに作成することも可能ですが、なかには図面などの手がかりがない場合があります。
また、図面から正確にモデリングをしても、建設時に現場合わせなどが行われている場合完成した3Dデータが現物とは異なる可能性もあります。

点群データは対象となる形状にレーザーを当てて、現物から3Dデータを作成する方法で、リバースエンジニアリングとして広く活用されています。
点群データを活用すれば、図面がない、対象物が図面とは異なるといった悩みが解決可能です。
この記事では、AutoCADでも使用できる点群データの概要を紹介します。

点群データはリバースエンジニアリングを支える技術

点群データがどのように作られるのかについて簡単に紹介します。

リバースエンジニアリングとは

リバースエンジニアリングは「逆行工学」と訳されます。
「市販されている製品を分解する」
「システムのソースコードやハードウェアの仕様などを調査・分析する」
など、すでにある製品や形状、システムなどを調べて今後の開発に役立てることを指します。

点群データの概要

点群データとは、ある形状に対して3次元レーザースキャナーなどを当てて得られる点をもとに得られる3次元データです。
一つひとつの点同士には関連がなく、それぞれにX、Y、Zの位置情報や色などの情報を持っています。

点群データを取得する機器は、レーザーとカメラを使い非接触で物体を計測する3次元レーザースキャナーやドローンなどのUAV（無人航空機：Unmanned Aerial Vehicle）、車の屋根の上にレーダーを備えるMMS（移動体計測システム：Mobile Mapping System）などがあります。

3次元レーザースキャナーにはレーザーとデジタルカメラが搭載されています。
対象となる形状や地形にレーザーを当てると位置情報がわかり、カメラで撮影すると実際の映像や対象物の色などの情報が得られます。
これらをコンピューター上で合成すると、対象物に直に降れることなく点群データとして3Dデータが得られるのです。

なお、レーザーの情報を取得する方法には以下の2種類があります。
・タイムオブフライト方式：レーザーが対象物に反射して返ってくるまでの時間を計測
・フェイズシフト方式：レーザーが対象物に当たってどう反射するかを計測

点群データで測定を行う箇所

3次元レーザースキャナーなどで測定を行うのは以下のような箇所です。
建築分野では、対象物が簡単にデータ化できるため、土量算出など高精度なシミュレーションが可能です。
また、傾斜地や足場や照明などの機器がないと確認できない場所、危険な場所などに立ち入らずに現状が調べられます。

・設備、工場、プラント
・建築現場、建物、トンネル
・地下空間
・大規模公共施設
・文化財（城郭、神社、仏閣）
・橋梁・高架
・法面
・砕石場・造成地

点群データの作成方法

3次元レーザースキャナーで対象物を計測してから実際の点群データになるまでの流れは主に以下の4つの段階があります。点群データが完成すれば、3次元CADやBIM/CIMなどと連携が可能です。

・計測：対象物から50～300mほどの場所に3次元レーザースキャナーを配置し、物体を取り囲むすべての方向からレーザーを照射して、測定した点が立体的に構成できるよう情報を取得します。
・作成：点の集合体を意味のある形状ごとにまとめて合成し、点群データを作ります。
・ノイズ除去：壁、屋根、など意味のある形状ごとにまとめても、一部には関連しない点が含まれる場合があります。ノイズを除去してデータとしての精度を高めます。
・解析：サーフェス、断面図、表面積、体積、など必要な情報を取得します。

点群データの活用シーン

ここでは、3次元レーザースキャナーなどを使い対象物を計測して得られる点群データが、実際どのような場面で活用されているかを紹介します。

モデルと建造物の現状を比較

点群データとCADデータを比較すると、モデルと建造物の現状を比較が可能です。
例えば、完成品が公差の範囲に納まっているかどうかを判断する品質確認を行う場合、抜き取り検査で詳細に調べることが可能です。
しかし、点群データを活用すると穴などを測定すると効率的に品質確認が行えます。

点群データをCADデータと比較しての品質検査は、部品をいくつか組み立てて、冶具と位置合わせをする場合や、大型の機器を据え付ける際の納品検査を行う場合に活かすこともできます。

建物の改修のためのシミュレーション

築年数が古い建物を一部再利用した新築工事や改修工事では、耐震性能など現代の建築基準に合致しているかどうかを確認するために再度シミュレーションを行う必要があります。

シミュレーションには3Dデータが必要ですが「設計図面がなく竣工図しかない」「まったく図面がない」という場合も多くみられます。
そこで既存の建物か得られる点群データが大きく役立ちます。既存の基礎などをどこまで使うかは、BIM上のシミュレーションが大いに役立ちます。

適切なデータで検討を行えば、解体箇所やコンクリート打設量が最小化できます。
また、ドローンなどのUAVを用いれば、建物の外観情報を任意の場所から計測することも可能です。図面だけでは得られない劣化など現状が正確に把握できます。

AutoCADにおける点群データの活用法

AutoCADは、点群データの読み込みに対応しています。（*1）
なお、スキャンデータから3Dデータを作成する機能はAutoCAD ReCap（ReCap Pro）に含まれています。（*2）

点群の点データをセグメント化

AutoCADでは測定しただけで処理をしていないスキャン データをそのまま取り込んで、RCS形式のスキャン ファイルに変換可能です。
また、複数のRCSファイルがまとめて参照できるRCP形式のプロジェクト ファイルに変換することもできます。

これにより測定対象物をいくかまとめて複合的に活用することが可能です。

点群を図面にアタッチ

AutoCADは、点群データから「点」のセグメント化できます。
古くは作図のガイドラインの用途が中心で、点群を参照に近似形状を自分で作成する必要がありましたが、点群内の点のグループが識別可能です。
これにより測定対象物から平面や角、サーフェスなどが作成できるため、中心線、断面図などが作成できます。

点群の部分的な表示

AutoCADでは点群のクロップにも対応しています。
クロップとは部分的に空間を取り出す機能で、大規模な形状から一部を抽出して詳細を確認したり細部を検討したりすることができます。
建築や土木など大規模な測定では欠かせない機能であり、精密で細かい形状を解析する場合にも役立ちます。

まとめ

点群データを活用すると、現況図の精度が大きくあがります。
AutoCADでは、点群データの読み込みに対応していて、設計検討に必要な点や面などを正確に作成するのに役立ちます。
建物の老朽化への対応やリノベーションなど、今ある設備の補修や改築が増えてきています。AutoCADの機能も広く活用されていくでしょう。

参考URL
*1 http://help.autodesk.com/view/ACD/2020/JPN/?guid=GUID-C0C610D0-9784-4E87-A857-F17F1F7FEEBE
*2 https://www.autodesk.co.jp/products/recap/overview?plc=RECAP&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=1