JP2004144625A

JP2004144625A - 斜面監視システム

Info

Publication number: JP2004144625A
Application number: JP2002310098A
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: Kokusai Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP4141228B2

Abstract

【課題】各種外的要因によってＧＰＳ観測値に生じる周期的変動を除去して、精度よく斜面の状態を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ではＧＰＳ衛星からの電波に応じて求められるＧＰＳ受信機１１ａの位置を示す基準点位置情報とＧＰＳ受信機１１ｂ及び１１ｃの位置を示す位置情報に基づいて、斜面の変位を求めて斜面の変位点からなる変位点列を得、変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して斜面変位の状態を連続的に示すトレンドラインを生成する。トレンドラインに周期的変動が存在すると、監視センターは、周期的変動の周期に応じた期間の移動平均値を求めて、移動平均値から変位点列の標準偏差以上離れた変位点を除外して、残りの変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理してトレンドラインを得る。
【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、各種外的要因（例えば、気象条件、電離層の影響、及びＧＰＳ衛星の周期等）によってＧＰＳ観測値に生じる周期的変動を除去して精度よく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を用いて斜面の変位を計測する手法が知られており（以下ＧＰＳ斜面計測と呼ぶ）、このようなＧＰＳ斜面計測では、例えば、斜面上に離間して配置された基準点と観測点との間の相対的変位を計測して、斜面変位を計測するようにしている。例えば、基準点及び観測点の各々にＧＰＳ受信機を配置して、各ＧＰＳ受信機で受信した受信信号（ＧＰＳ信号）を無線回線を介して、斜面から離れた現場事務所に送信し、現場事務所に設けられた解析装置でＧＰＳ信号に基づいて基準点及び観測点の位置座標と相対的位置の変位を算出するようにしている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２８０９７８号公報（２ページ〜３ページ、第２図）
【０００５】
上述のように、斜面の状態をＧＰＳ等を用いて、基準点と観測点との相対的位置の変位を計測して、その計測データ（観測データ）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、観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（例えば、気象条件、電離層の影響、及びＧＰＳ衛星の周期等）によって観測データに周期的変動等のばらつきが発生することを考慮すると、専門的な知識を有しなければ、観測データから基準点と観測点との相対的位置の変位を精度よく求めることは難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に記載されたＧＰＳ斜面計測においては、単に、基準点及び観測点にＧＰＳ受信機を配置して、ＧＰＳ衛星からの電波（ＧＰＳ電波）に応じて、基準点と観測点との相対的位置を算出しているだけであって、上述したような外的要因について、何等考慮しておらず、斜面の変位が微小であることを考慮すると、斜面変位の傾向を的確に把握することが難しいという課題がある。
【０００７】
この結果、特許文献１に記載されたＧＰＳ斜面計測では、精度よく斜面の状態を監視できないという課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、各種外的要因によってＧＰＳ観測値に生じる周期的変動を除去して精度よく斜面の状態を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。
【０００９】
【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、前記基準ＧＰＳデータ及び前記ＧＰＳによってそれぞれ求められる前記ＧＰＳ基準局の位置を示す基準点位置情報及び前記ＧＰＳ局の位置を示す位置情報に基づいて前記斜面の変位を求めて、前記斜面の変位点からなる変位点列を得て、該変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、前記斜面変位の状態を連続的に示すトレンドラインを生成する監視センターとを有し、前記監視センターは、前記トレンドラインに周期的変動が存在すると、前記周期的変動の周期に応じた期間の移動平均値を求めて、該移動平均値から前記変位点列の標準偏差以上離れた前記変位点を除外して、残りの変位点列を前記フィルタ処理及び前記平滑化処理して、前記トレンドラインを得るようにしたことを特徴とする斜面監視システムが得られる。
【００１０】
このようにして、斜面外に配置されたＧＰＳ基準局の基準点位置情報と斜面内に配置された他のＧＰＳ局の位置情報に基づいて斜面の変位を求めて、斜面の変位点からなる変位点列を得て、変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、斜面変位の状態を連続的に示すトレンドラインを生成する際、トレンドラインに周期的変動が存在すると、周期的変動の周期に応じた期間の移動平均値を求めて、移動平均値から変位点列の標準偏差以上離れた変位点を除外して、残りの変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、トレンドラインを得るようにすれば、各種外的要因によってＧＰＳ観測値に生じる周期的変動が除去される結果、トレンドラインによって斜面の変位状態を精度よく表すことができることになる。
【００１１】
ここでは、前記監視センターは、前記トレンドラインに周期的変動が存在すると、前記変位点列を周波数解析して、周期と変動との関係を規定する周波数特性を得て、該周波数特性で予め規定された閾値を越える変動がある周期を変動周期として求めて該変動周期に応じて前記期間を設定しており、例えば、前記期間は（６×ｎ（ｎは１以上の整数））時間単に設定され、前記変動周期のうち最も周期の長い変動周期に近い（６×ｎ）時間単位の期間を設定する。
【００１２】
なお、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監視センターに接続されている。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ることになる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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（観測データ：ＧＰＳ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。
【００１５】
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（キーボード等）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。
【００１６】
斜面監視装置（ＧＰＳ計測装置）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、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。
【００１７】
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（観測データ）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は各観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。
【００１８】
無線集約機１１ｅは、各観測データを、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から観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に斜面毎の観測データが送られることになる。
【００１９】
なお、各観測データには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。
【００２０】
前述のようにして得られた観測データ（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。
【００２１】
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観測データ（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、観測データとして、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）。
【００２２】
基準点位置情報及び他の位置情報に応じて、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Ｓ２）。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ることになる。斜面変位データは、例えば、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。
【００２３】
ここで、監視センター１２（つまり、コンピュータシステム１２ａ）では、斜面の変位状態の経時的変化を連続的に示すトレンドラインを生成するため、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（ステップＳ３）、処理済み変位データを生成し、この処理済み変位データに応じてモニター１２ｂ上にトレンドラインを表示するとともに、上述の変位点列を表示する（ステップＳ４）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、モニター１２ｂ上には、変位データ（変位点列：図中点で示されている）とともにトレンドライン（図中線分で示されている）が表示される。なお、図３（ａ）は南北方向の変位点列及びトレンドラインを示し、図３（ｂ）は東西方向の変位点列及びトレンドラインを示す。また、図３（ｃ）は鉛直方向の変位点列及びトレンドラインを示す。
【００２８】
ところで、前述のように、観測データには、不可避的に天候等の外的要因（例えば、気象条件、電離層の影響、及びＧＰＳ衛星の周期等）によって周期的変動等のばらつきが発生する関係上、上述の斜面変位データにも、周期的変動が生じることになり、このような周期的変動を含む斜面変位データに応じて、前述したようにして、経時的な斜面の変位状態を示すトレンドラインを求めようとすると、トレンドラインが斜面変位データの周期的変動に追従してしまい、経時的な斜面の変位状態を精度よく把握することができない。
【００２９】
図３に示す例では、南北方向の斜面変位データ（変位点列：図３（ａ））に応じて生成されたトレンドライン（以下南北方向トレンドラインと呼ぶ）が変位点列の周期的変動に追従して変動しており、図３（ａ）に示す南北トレンドラインから南北方向の斜面変位状態を経時的に把握することは難しい。
【００３０】
そこで、図３（ａ）に示す南北方向の変位点列を周波数解析（ＦＦＴ）したところ、図４に示す結果が得られた。図４に示す周波数特性から容易に分かるように、２４時間（１日）周期の変動が最も多く、次いで、１００時間周期、６７時間周期が多い。一方、図３（ａ）を見ると、南北方向トレンドラインには２４時間周期の変動が見られる。つまり、南北方向トレンドラインは、南北方向の変位点列の２４時間周期変動に最も追従していることになる。
【００３１】
ここでは、コンピュータシステム１２ａは、上述のような周期的変動を除去するため、次の処理を行う。まず、コンピュータシステム１２ａでは、南北方向、東西方向、及び鉛直方向のトレンドラインについて周期的変動が存在するか否かを調べる（ステップＳ５）。なお、周期的変動を調べる際には、トレンドラインが予め設定された周期以下で変動しているか否かを調べることになる。
【００３２】
そして、周期的変動が存在すると認められたトレンドラインに対応する変位点列について、コンピュータシステム１２ａは、周波数解析（ＦＦＴ）を行って、周期と変動との関係を規定する周波数特性を得る（ステップＳ６）。次に、コンピュータシステム１２ａでは、この周波数特性に、予め設定された閾値を越える周期変動があるか否かを調べて（ステップＳ７）、予め設定された閾値を越える周期変動があると、予め設定された閾値を越える周期変動に対応する周期（時間）に基づいて移動平均算出期間（時間）を設定する（ステップＳ８）。
【００３３】
例えば、図３に示す例では、南北方向のトレンドライン（図３（ａ））に周期的変動が認められるから、コンピュータシステム１２ａでは、南北方向の変位点列について周波数解析を行って、図４に示す周波数特性を得る。そして、予め設定された閾値を越える周波数変動に応じた周期（ここでは、２４時間、６７時間、１００時間）に基づいて移動平均算出時間を設定する（ここでは、例えば、移動平均算出時間として９６時間が設定される）。
【００３４】
なお、移動平均算出時間を設定する際には、（６×ｎ（ｎは１以上の整数））時間、例えば、ｎ＝４の２４時間（１日）単位で設定し、最も大きい周期に近い時間（一日単位）が移動平均算出時間とされる。ここでは、最も大きい周期は１００時間であり、この１００時間に近い２４時間単位の時間は、９６時間であるから、移動平均算出時間として９６時間が設定されることになる。
【００３５】
そして、コンピュータシステム１２ａでは、移動平均算出期間中の変位点列の移動平均を算出し、この移動平均値から標準偏差σ以上離れた変位点があるか否かを調べる（ステップＳ９）。ステップＳ８において、移動平均値から標準偏差σ以上離れた変位点があると、コンピュータシステム１２ａは当該変位点を除外する（ステップＳ１０）。
【００３６】
このようにして、図示の例では、南北方向の変位点列について、移動平均値から標準偏差σ以上離れた変位点を除外して、南北方向の変位点列について、再び上述したフィルタ処理及び平滑化処理を行う。つまり、ステップＳ３を行う。そして、コンピュータシステム１２ａでは、南北方向について再度処理済み変位データを生成し、この処理済み変位データに応じてモニター１２ｂ上にトレンドラインを表示するとともに、上述の変位点列を表示する。
【００３７】
このようにして、観測データを除外して得られたトレンドライン（南北方向トレンドライン）には、図５に示すように、周期的変動が存在せず、南北方向における斜面の変位状態を的確に把握できることが分かる。
【００３８】
上述のようにして、南北方向、東西方向、及び鉛直方向について、トレンドラインを求めた後、トレンドラインが予め規定された変位を越える斜面の変位を示していると、つまり、コンピュータシステム１２ａが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、例えば、斜面に危険性があると警報を発することになる（ステップＳ１２）。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、斜面外に配置されたＧＰＳ基準局の基準点位置情報と斜面内に配置された他のＧＰＳ局の位置情報に基づいて斜面の変位を求めて、斜面の変位点からなる変位点列を得て、変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、斜面変位の状態を連続的に示すトレンドラインを生成する際、トレンドラインに周期的変動が存在すると、周期的変動の周期に応じた期間の移動平均値を求めて、移動平均値から変位点列の標準偏差以上離れた変位点を除外して、残りの変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、トレンドラインを得るようにしたから、各種外的要因によってＧＰＳ観測値に生じる周期的変動が除去される結果、トレンドラインによって斜面の変位状態を精度よく表すことが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変位点列及び処理済み変位データ（トレンドライン）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。
【図４】図３（ａ）に示す変位点列を周波数解析した周波数特性を示す図である。
【図５】図３（ａ）に示すトレンドラインの周期的変動を除いた状態を示す図である。
【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
１２ｂ　出力装置（モニター）
１２ｃ　入力装置
１２ｄ　データベース
１３　有線通信回線
１６　無線中継機

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、
前記基準ＧＰＳデータ及び前記ＧＰＳデータによってそれぞれ求められる前記ＧＰＳ基準局の位置を示す基準点位置情報及び前記ＧＰＳ局の位置を示す位置情報に基づいて前記斜面の変位を求めて、前記斜面の変位点からなる変位点列を得て、該変位点列をフィルタ処理及び平滑化処理して、前記斜面変位の状態を連続的に示すトレンドラインを生成する監視センターとを有し、
前記監視センターは、前記トレンドラインに周期的変動が存在すると、前記周期的変動の周期に応じた期間の移動平均値を求めて、該移動平均値から前記変位点列の標準偏差以上離れた前記変位点を除外して、残りの変位点列を前記フィルタ処理及び前記平滑化処理して、前記トレンドラインを得るようにしたことを特徴とする斜面監視システム。
前記監視センターは、前記トレンドラインに周期的変動が存在すると、前記変位点列を周波数解析して、周期と変動との関係を規定する周波数特性を得て、該周波数特性で予め規定された閾値を越える変動がある周期を変動周期として求めて該変動周期に応じて前記期間を設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。
前記期間は（６×ｎ（ｎは１以上の整数））時間単に設定され、前記変動周期のうち最も周期の長い変動周期に近い前記（６×ｎ）時間単位の期間を設定するようにしたことを特徴とする請求項２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監視センターに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の斜面監視システム。