JP2004144622A

JP2004144622A - 斜面監視システム

Info

Publication number: JP2004144622A
Application number: JP2002310095A
Authority: JP
Inventors: Akira Takeishi; 武石　朗; Norio Oikawa; 及川　典生; Tomoharu Iwasaki; 岩崎　智治; Kunika Takechi; 武智　国加
Original assignee: Kokusai Kogyo Co Ltd
Current assignee: Airport Facilities Co Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】斜面の状態を、ＧＰＳ受信機を用いて計測する際、ＧＰＳ基準局の設置状態（変位）に関わりなく、常に精度よく斜面の状態を計測・監視することができるようにする。
【解決手段】ＧＰＳ受信機１１ａは、斜面外の位置に配置され、ＧＰＳ受信機１１ｂ及び１１ｃは斜面内の位置に配置される。監視センター１２は、例えば、ＧＰＳ受信機１１ａに最も近い位置に配置された電子基準点の位置を表す電子基準点データに応じてＧＰＳ受信機１１ａの位置を示す基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を得る。そして、監視センターは、ＧＰＳ受信機１１ａの設置位置がずれたと判定すると、補正基準点位置情報とＧＰＳ受信機１１ｂ及び１１ｃの位置を示す位置情報とに基づいて斜面の変位を求めて斜面変位データとする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、法面等の斜面の状態をＧＰＳ観測値に基づいて監視するための斜面監視システムに関し、特に、ＧＰＳ基準局の変位（ずれ）を考慮して斜面の状態を監視することのできる斜面監視システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、法面等の斜面、特に、不安定要素がある大規模な斜面では崩落の危険が常に付きまとう関係上、斜面を適切に維持管理する必要があり、斜面の維持管理においては、各種の保護工及び対策工が施されている。しかしながら、斜面を維持管理する際において、地山の風化、植生の遷移、及び保護工や対策工の老朽化等の要因がどのように斜面崩落にかかわっているか未だに不明な点が多い。このため、斜面の状態を常に監視して、事前に斜面崩落を予測することが行われている。
【０００３】
ところで、従来、ＧＰＳを用いて測量を行う手法が知られており（以下ＧＰＳ測量と呼ぶ）、このようなＧＰＳ測量では、例えば、対象測量地域外に絶対位置が特定された第１の基準局（第１のＧＰＳ基準局）を設けるとともに、対象測量地域内に移動可能な第２のＧＰＳ基準局を設けている。
【０００４】
そして、第１及び第２のＧＰＳ基準局との間で、第１の相対的位置を測定し、第２のＧＰＳ基準局と被測定地点に置かれたＧＰＳ移動局との間で、第２の相対的位置を測定して、第１のＧＰＳ基準局の絶対位置に第１及び第２の相対的位置を加算して、ＧＰＳ移動局の位置を測量するようにしている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−６１５０９号公報（段落（００１２）〜（００２４）、第１図）
【０００６】
一方、斜面の状態を、ＧＰＳ等を用いてリアルタイムで計測して、その時系列計測データから斜面の状態を知ろうとする際には、微小な変位をも検出する必要がある関係上、時系列計測データ自体の評価が極めて難しく、しかも天候等の外的要因によって時系列データがばらつくことを考慮すると、専門的な知識を有しなければ、時系列データを適切に評価することは困難である。
【０００７】
加えて、斜面の状態を、ＧＰＳ等を用いてリアルタイムで計測する際には、前述のように微小な斜面変位をも検出する必要があるため、基準点であるＧＰＳ基準局が変位しないように、ＧＰＳ基準局を設置する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現実的には、ＧＰＳ基準局の位置が全く変位しない地点にＧＰＳ基準局を設置することは困難であり、ＧＰＳ基準局が僅かにでもその位置が変動すると、結果的に斜面の微小な変位を精度よく計測することができなくなってしまうという課題がある。
【０００９】
さらに、ＧＰＳ衛星からの電波は季節的要因及び気象状況等によって変動するから、ＧＰＳ基準局における受信状態（ＧＰＳ電波受信状態）は常に変動することになる。そして、ＧＰＳ基準局における受信状態が変動すると、結果的にリアルタイムで精度よく斜面の変位を計測することが難しくなってしまうという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、斜面の状態を、ＧＰＳ受信機を用いて計測する際、ＧＰＳ基準局の設置状態（変位）を考慮して、斜面の状態を計測・監視することのできる斜面監視システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、斜面の状態を監視する際に用いられ、
前記斜面外の位置に配置され、ＧＰＳ衛星からの電波を受けて該電波を基準ＧＰＳデータとして出力するＧＰＳ基準局と、前記斜面内の位置に配置され、前記ＧＰＳ衛星からの電波を受けて該電波をＧＰＳデータとして出力する少なくとも一つのＧＰＳ局と、少なくとも一つの電子基準点を用いて当該電子基準点の位置を表す電子基準点データに応じて、前記基準ＧＰＳデータによって求められる前記ＧＰＳ基準局の位置を示す基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を得る補正手段と、前記補正基準点位置情報及び前記基準点位置情報のいずれか一方と前記ＧＰＳデータによって求められる前記ＧＰＳ局の位置を示す位置情報とに基づいて、前記斜面の変位を求めて斜面変位データとする斜面変位データ算出手段とを有することを特徴とする斜面監視システムが得られる。
【００１２】
このようにして、少なくとも一つの電子基準点を用いて当該電子基準点の位置を表す電子基準点データに応じて、ＧＰＳ基準局の基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を得て、補正基準点位置情報と位置情報とに基づいて斜面の変位を求めて斜面変位データとするようにすれば、ＧＰＳ基準局の設置位置が多少ずれても、ＧＰＳ基準局の設置位置が電子基準点データで補正される結果、精度よく斜面変位を計測することができることになる。このような電子基準点は、国土地理院で設置・管理されており、この電子基準点は、全国各地に配置されている。
【００１３】
本発明では、前記補正手段は、前記電子基準点データに基づいて前記ＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定すると、前記電子基準点データに応じて前記基準点位置情報を補正して前記補正基準点位置情報を求めるようにしており、例えば、前記補正手段には、前記電子基準点と前記ＧＰＳ基準局との距離が予め基準距離として設定されており、前記補正手段は前記基準点位置情報と前記電子基準点データとに応じて得られた距離を算出距離として、前記基準距離と前記算出距離との偏差が予め規定された第１の閾値を越えると、前記ＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定する。さらに、前記補正手段は、前記偏差が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を越えると、前記ＧＰＳ基準局を移設すべきである旨を示す移設報知を行うようにしてもよい。
【００１４】
このように、電子基準点データに基づいてＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定すると、初めて電子基準点データに応じて基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を求めるようにすれば、常に、補正基準点位置データを求める必要がなく、演算量を減少できることになる。
【００１５】
なお、前記ＧＰＳ基準局及び前記ＧＰＳ局は、例えば、ネットワークによって前記補正手段に接続されている。このように、ＧＰＳ基準局及びＧＰＳ局をネットワークによって補正手段（監視センター）に接続するようにすれば、複数の斜面について一括して監視センターで監視でき、しかも、監視センターで各基準点位置情報を補正することができることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、その形状及び寸法等は特に限定的な記載がない限りは、これに限定するものではない。
【００１７】
図１を参照して、まず、図示の斜面監視システムは、複数の斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えており、これら斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎは、例えば、監視センター１２に、光ケーブル通信回線等の有線通信回線１３を介して接続されている。斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎは互いに異なる斜面に配置され、それぞれ斜面の状態をリアルタイムで監視計測して時系列計測データを監視センター１２に送る。ここでは、斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎが送出する時系列計測データを、それぞれ第１〜第Ｎの時系列計測データと呼ぶことにする。
【００１８】
監視センター１２には、コンピュータシステム１２ａ、表示装置等の出力装置（モニター）１２ｂ、入力装置１２ｃ、及びデータベース１２ｄが備えられており、後述するようにして、監視センター１２では、コンピュータシステム１２ａによって、各斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎから得られた第１〜第Ｎの時系列計測データに応じて斜面毎に後述するようにして斜面変位データを生成する。なお、監視センター１２は、斜面監視装置１１−１〜１１−Ｎから離れた地点に配置されており、遠隔的に時系列計測データを収集する。
【００１９】
斜面監視装置（ＧＰＳ計測手段）１１−ｎ（ｎは１からＮまでのいずれかの数）は、少なくとも２つのＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）受信機（計測装置）を有しており、図示の例では、３つのＧＰＳ受信機１１ａ〜１１ｃを有している。この内の一つ、例えば、ＧＰＳ受信機１１ａは基準点受信機（ＧＰＳ基準局）として、斜面以外の地点に配置されている。つまり、基準点受信機１１ａは斜面から離れて安定した地面に配置されている。そして、所謂スタティック測位によって、後述するようにして、基準点受信機と他のＧＰＳ受信機（斜面に配置されたＧＰＳ受信機）との相対的位置の変位が計測される。
【００２０】
一方、他のＧＰＳ受信機１１ｂ及び１１ｃは斜面上に配置されている（斜面上には少なくとも一つのＧＰＳ受信機が配置される）。そして、ＧＰＳ受信機１１ａ〜１１ｃはＧＰＳ衛星からの電波（ＧＰＳ電波）を受信してリアルタイムにＧＰＳデータを時系列計測データとして出力する。これらＧＰＳ受信機１１ａ〜１１ｃは、通信装置として用いられる通信集約機１１ｄ又は無線集約機１１ｅに接続されており、通信集約機１１ｄは有線通信回線１３に接続されている。そして、通信集約機１１ｄは各時系列計測データを、有線通信回線１３を介して監視センター１２に送る。
【００２１】
無線集約機１１ｅは各時系列計測データを、無線回線を介して無線中継機１６に送る。図１には無線中継機１６が一つ示されているが、実際には複数の無線中継機１６が配置されており、無線中継機１６毎に通信エリアが規定され、無線中継機１６は自己の通信エリア内に位置する無線集約機１１ｅから時系列計測データを受けることになる。無線中継機１６は前述の有線通信回線１３に接続されており、無線中継機１６から監視センター１２に斜面毎の時系列データが送られることになる。なお、各時系列データにはＧＰＳ受信機を識別するための情報（ＧＰＳ受信機識別情報）が付加されている。
【００２２】
監視センター１２はインターネット２１に接続されており、インターネット２１を介して、例えば、国土地理院が管理する電子基準点の位置を表す位置データ（以下電子基準点データと呼ぶ）を取得している。この電子基準点は、全国各地に配置されており、監視センター１２では、コンピュータシステム１２ａがこれら電子基準点データを取り込み、データベース１２ｄに蓄積することになる。そして、後述するようにして、コンピュータシステム１２ａでは、電子基準点データを用いてＧＰＳ基準局から送られる時系列データ（基準局時系列データ（基準位置情報）を補正することになる。
【００２３】
前述のようにして得られた時系列計測データ（ＧＰＳデータ）は、各ＧＰＳ受信機の位置情報を、時間を追って３次元的に表しており、いま、基準点受信機（ＧＰＳ基準局）１１ａの位置情報を基準点位置情報とすると、この基準点位置情報と他のＧＰＳ受信機から得られた位置情報（以下他の位置情報と呼ぶ）とに基づいて斜面の変位を時系列的にしかも３次元的に得ることができる。
【００２４】
図２も参照して、監視センター１２（つまり、コンピュータシステム１２ａ）では、前述のようにして得られた時系列計測データ（基準点位置情報及び他の位置情報）に基づいて、斜面の変位データ（斜面変位データ）を得る。いま、ＧＰＳ受信機１１ａ〜１１ｃによって予め定められた時間間隔でその位置計測を行っているものとし、各ＧＰＳ受信機１１ａ〜１１ｃからは、それぞれ基準点位置情報及び他の位置情報が、前述のようにして、コンピュータシステム１１ａに与えられる（ステップＳ１）。
【００２５】
一方、コンピュータシステム１２ａでは、電子基準点データを取り込んでおり（ステップＳ２）、コンピュータシステム１２ａでは、ＧＰＳ受信機１１ａが設置された位置に最も近い電子基準点の電子基準データを複数の電子基準点データから検索して（ステップＳ３）、この検索電子基準点データを参照電子基準点データとする。なお、電子基準点データを用いる際には、必ずしも、ＧＰＳ受信機１１ａが設置された位置に最も近い電子基準点データを用いる必要はなく、複数の電子基準点データを用いて、後述するようにして、各電子基準点とＧＰＳ受信機１１ａとの距離を求めて、これら距離を平均して算出距離とするようにしてもよい。
【００２６】
コンピュータシステム１２ａには、ＧＰＳ受信機１１ａとＧＰＳ受信機１１ａが設置された位置に最も近い電子基準点との距離が基準距離として予め設定されている。コンピュータシステム１２ａでは、基準点位置情報と参照電子基準点データとに基づいてＧＰＳ受信機１１ａが設置された位置と電子基準点の位置（最も近い電子基準点）との距離を求めて算出距離とする（ステップＳ４）。
【００２７】
そして、コンピュータシステム１２ａは、この算出距離と基準距離とを比較して、その比較結果に応じてＧＰＳ受信機１１ａ、つまり、ＧＰＳ基準局の位置がずれたか否かを判定する。例えば、コンピュータシステム１２ａは、絶対値（算出距離−基準距離）＝偏差を求めて（ステップＳ５）、この偏差が予め規定された第１の閾値を越えると（ステップＳ６）、ＧＰＳ基準局がずれたと判定することになる（ステップＳ７）。なお、上記の閾値は、斜面の変位データの精度を考慮して決定される。
【００２８】
上述のようにして、ＧＰＳ基準局がずれたと判定されると、コンピュータシステム１２ａは、上述の偏差に基づいて基準点位置情報を補正して、補正基準点位置情報を得る（ステップＳ８）。
【００２９】
このようにして、電子基準点データを用いて、ＧＰＳ基準局の位置がずれたか否かを判定した後、基準点位置情報又は補正基準点位置情報（以下基準点位置情報又は補正基準点位置情報を単に基準点位置情報と呼ぶことにする）と他の位置情報とを用いて、コンピュータシステム１２ａでは、予め定められた時間間隔毎に斜面変位データを求める（ステップＳ９）。この斜面変位データは横軸を時間、縦軸を変位として示され、モニター１２ｂ上に表示されるとともにデータベース１２ｄに斜面毎に格納される。斜面変位データは、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、南北方向、東西方向、及び鉛直方向の変位点列として表される（図３（ａ）は、南北方向、図３（ｂ）は東西方向、図３（ｃ）は鉛直方向の変位点列を示す）。
【００３０】
ところで、上述の斜面変位データは、各種外的要因（例えば、ＧＰＳ衛星の状態、電離層及び対流圏の影響、マルチパス、及び基線長さ）によってバラツキ（帯状にばらつく）を含んでおり、このような斜面変位データから斜面の状態を正確に把握・評価することは難しい。そこで、監視センター１２（つまり、コンピュータシステム１２ａ）では、斜面変位データに対してフィルタ処理及び平滑化処理を行って、処理済み変位データを生成する（ステップＳ１０）。
【００３１】
ここで、フィルタ処理及び平滑化処理について説明すると、ここでは、カルマンフィルタのアルゴリズムによって、状態ベクトルｘ_ｎを推定する方法で、システムノイズの分散τ^２及び観測ノイズの分散σ^２、そして、次数ｋを推定して、ｘ_ｎを離散的に求めて、対数尤度及びＡＩＣを用いて最適なｘ_ｎを推定する。
【００３２】
つまり、状態空間モデルを、ｘ_ｎ＝Ｆ_ｎｘ_ｎ−１＋Ｇ_ｎν_ｎ，ｙ_ｎ＝Ｈ_ｎｘ_ｎ＋ｗ_ｎとする。ここで、ｘ_ｎ：直接観測できない状態ベクトル（確率システムモデル）、ν_ｎ：システムノイズ（平均０，分散共分散行列Ｑ_ｎ）、ｙ_ｎ：観測データ（観測モデル）、ｗ_ｎ：観測ノイズ（平均０，分散共分散行列Ｒ_ｎ）であり、Ｆ_ｎ，Ｇ_ｎ，Ｈ_ｎはそれぞれガウス・マルコフ過程で定義された推移行列である。そして、この状態空間モデルを、確率差分方程式とする。Ｈ_ｎｘ_ｎ＝ｔ_ｎとすると、ｙ_ｎ＝ｔ_ｎ＋ｗ_ｎ（観測モデル），Δｋｔ_ｎ＝ν_ｎ（ｋ＝１の場合、Δｔ_ｎ＝ｔ_ｎ−ｔ_ｎ−１＝ν_ｎ，Δｋｔ_ｎはｋ階の差分方程式）となる。
【００３３】
そして、カルマンフィルタによって、一期先予測（第１のステップ）、フィルタ（第２のステップ）、平滑化（第３のステップ）を一連の流れとして計算して、観測値ｙ_ｎ＝｛ｙ_１，ｙ_２，…，ｙ_ｎ｝が与えられた下の状態ｘ_ｎ＝｛ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_ｎ｝を求める。
【００３４】
このようにして、フィルタ処理及び平滑化処理を行った後、この処理済み変位データは前述の変位データとともにデータベース１２ｄに格納されるとともに、モニター１２ｂ上に表示される。この処理済み変位データは、図３（ａ）〜（ｃ）において、実線で示す線分として表されることになる。そして、処理済み変位データを得た後、処理済み変位データが斜面の変位を示していると、つまり、斜面変位ありと判定すると（ステップＳ１１）、監視センター１２は、当該斜面の診断・予知を実行する（ステップＳ１２）。つまり、監視センター１２では、処理済み変位データが斜面の変位を示していると、当該斜面について処理済み変位データから斜面変位の危険度を評価する。
【００３５】
また、図示はしないが、コンピュータシステム１２ａでは、上述した偏差が第１の閾値を越えたと判定した後、さらに、この第１の閾値よりも大きい第２の閾値を越えたか否かを判定して、偏差が第２の閾値を越えると、ＧＰＳ基準局を移設する必要があることを示す移設報知を行う。
【００３６】
ところで、ＧＰＳ基準局では、複数のＧＰＳ衛星から電波を受けることになるが、そのうち少なくとも３つのＧＰＳ衛星を用いれば、ＧＰＳ基準局の位置を計測することができる。図示の例では、ＧＰＳ受信機１１ａは、受信状態を計測するための受信状態計測部１１１（図１参照）を有しており、この受信状態計測部１１１で計測された受信状態に応じて、複数のＧＰＳ衛星の内の少なくとも４つを選択するようにしている。
【００３７】
例えば、受信状態計測部１１１では各ＧＰＳ衛星から受信するＧＰＳ電波の電界強度を計測して、電界強度が最も高いＧＰＳ衛星から順に４つのＧＰＳ衛星を選択することになる。このようにして、電界強度に応じて複数のＧＰＳ衛星のうちから４つのＧＰＳ衛星を選択するようにすれば、常に良好な受信状態となって、精度よく位置計測を行うことができる。なお、ＧＰＳ受信機１１ｂ及び１１ｃにも、受信状態計測部を備えるようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ＧＰＳ基準局に最も近い位置に配置された電子基準点の位置を表す電子基準点データに応じて、ＧＰＳ基準局の基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を得て、補正基準点位置情報と位置情報とに基づいて斜面の変位を求めて斜面変位データとするようにしたから、ＧＰＳ基準局の設置位置が多少ずれても、ＧＰＳ基準局の設置位置が電子基準点データで補正される結果、精度よく斜面変位を計測することができるという効果がある。
【００３９】
本発明では、電子基準点データに基づいてＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定すると、初めて電子基準点データに応じて基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を求めるようにしたから、常に、補正基準点位置データを求める必要がなく、演算量を減少できるという効果がある。
【００４０】
本発明では、ＧＰＳ基準局及びＧＰＳ局をネットワークによって監視センターに接続するようにしたから、複数の斜面について一括して監視センターで監視でき、しかも、監視センターで各基準点位置情報を補正することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による斜面監視システムの一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す斜面監視システムにおける処理を説明するためのフロー図である。
【図３】図１に示す斜面監視システムで得られる観測データ及び処理済み変位データを示す図であり、（ａ）は南北方向を示す図、（ｂ）は東西方向を示す図、（ｃ）は鉛直方向を示す図である。
【符号の説明】
１１−１〜１１−Ｎ　斜面監視装置
１１ａ〜１１ｃ　ＧＰＳ受信機
１１ｄ　通信集約機
１１ｅ　無線集約機
１２　監視センター
１２ａ　コンピュータシステム
１３　有線通信回線
１６　無線中継機
２１　インターネット

Claims

斜面の状態を監視する際に用いられ、
前記斜面外の位置に配置され、ＧＰＳ衛星からの電波を受けて該電波を基準ＧＰＳデータとして出力するＧＰＳ基準局と、
前記斜面内の位置に配置され、前記ＧＰＳ衛星からの電波を受けて該電波をＧＰＳデータとして出力する少なくとも一つのＧＰＳ局と、
少なくとも一つの電子基準点を用いて当該電子基準点の位置を表す電子基準点データに応じて、前記基準ＧＰＳデータによって求められる前記ＧＰＳ基準局の位置を示す基準点位置情報を補正して補正基準点位置情報を得る補正手段と、
前記補正基準点位置情報及び前記基準点位置情報のいずれか一方と前記ＧＰＳデータによって求められる前記ＧＰＳ局の位置を示す位置情報とに基づいて、前記斜面の変位を求めて斜面変位データとする斜面変位データ算出手段とを有することを特徴とする斜面監視システム。
前記補正手段は、前記電子基準点データに基づいて前記ＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定すると、前記電子基準点データに応じて前記基準点位置情報を補正して、前記補正基準点位置情報を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の斜面監視システム。
前記補正手段には、前記電子基準点と前記ＧＰＳ基準局との距離が予め基準距離として設定されており、
前記補正手段は、前記基準点位置情報と前記電子基準点データとに応じて得られた距離を算出距離として、前記基準距離と前記算出距離との偏差が予め規定された第１の閾値を越えると、前記ＧＰＳ基準局の設置位置がずれたと判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の斜面監視システム。
前記補正手段は、前記偏差が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を越えると、前記ＧＰＳ基準局を移設すべきである旨を示す移設報知を行うようにしたことを特徴とする請求項３に記載の斜面監視システム。
前記ＧＰＳ基準局及び前記ＧＰＳ局はネットワークによって前記補正手段に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の斜面監視システム。