JP3760102B2 - 時空間三角網平均による宇宙測量法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地盤変位等の垂直方向の変位の測定に用いて好適な時空間三角網平均による宇宙測量法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の沈下・陥没・隆起のような地形の変位を測定することは環境防災対策において重要である。このような地形の変位の測定においては、水平方向の変位以上に垂直方向の変位を正確に測定することが重要である。
三角測量は基準点測量の一種で、最も精密な測量方法である。一般に、三角測量においては、測定点を確定するために網平均計算を用いる。網平均計算とは、測定点を三角形の頂点として三角網を構成し、各頂点の位置を最小二乗法を用いて決定する計算方法である。この際、角条件や辺条件などの条件を満足させるように各測定点の位置を調整することによって座標を確定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、測定点間の距離に比べて測定点間の標高差は一般に小さいので、各測定点間の３次元座標を網平均計算を用いて決定してしまうと、垂直方向の精度が水平方向の精度に比べて劣ってしまう。従って、これまでの網平均計算では、水平方向のデータを用いて網平均計算を行い、水平方向の座標を確定し、各測定点の高さについては高低差を求める測量の水準測量で測定されていた。
【０００４】
ところで水準測量法では、まず水平方向の座標を決定した後、新たに垂直方向の座標を測定するので、水平方向の観測データと垂直方向の観測データには時間差が生じる。このため、得られた測定点の座標は、厳密に言うと同一時刻における正確な３次元座標ではなくなってしまう。
また、水平方向を求めてから垂直方向のデータを測定することでデータ取得に時間がかかり、環境防災対策の遅れを生じる要因の一つになっている。
【０００５】
一方、測定点の３次元位置データを同時に測定する方法として、Global Positioning System（ＧＰＳ）を用いた位置測定方法がある。しかし、この場合も地上の測定点だけで網平均計算をしたのでは垂直方向の精度は水平方向の精度よりも劣ってしまう。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、ＧＰＳを用いて異なる時刻の観測データから水平方向と同精度を持った垂直方向の地形の変位を測定することができ、地盤変位等の測定に用いて好適な時空間三角網平均による宇宙測量法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する方法であって、少なくとも３箇所の地上測定点と該地上測定点上空を飛行する飛翔体に空中測定点を設定し、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて前記地上測定点および前記空中測定点の位置情報を算出し、前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を構成する３次元の時空間三角網を構成し、前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を網平均計算によって調整することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する方法であって、ＧＰＳ受信機を設置した地上測定点を少なくとも３箇所に設定し、該地上測定点の上空を飛行する飛翔体にＧＰＳ受信機を搭載することによって空中測定点を設定し、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて前記地上測定点および前記空中測定点の位置情報を算出し、同一時刻における前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を構成する３次元の時空間三角網を構成し、前記時空間三角網の頂点である前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を網平均計算によって調整することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の発明において、前記地上測定点または前記空中測定点の第１の測定時における位置情報と前記地上測定点または前記空中測定点の第２の測定時における位置情報との差分情報から前記地上測定点または前記空中測定点の変位情報を取得することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記地上測定点または前記空中測定点の前記位置情報に前記変位情報を加えることによって、前記地上測定点または前記空中測定点の将来の位置情報を予測することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する位置測定装置であって、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて算出した少なくとも３箇所の地上測定点の位置情報を入力する手段と、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて算出した前記地上測定点上空を飛行する飛翔体に設定した空中測定点の位置情報を入力する手段と、前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を記憶する手段と、前記位置情報を前記記憶する手段から取り出す手段と、前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を形成する３次元の時空間三角網を構成する手段と、前記時空間三角網を網平均計算することによって前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を調整する手段と、前記地上測定点および前記空中測定点の調整された位置情報を出力する手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記地上測定点または前記空中測定点の第１の測定時における位置情報と前記地上測定点または前記空中測定点の第２の測定時における位置情報との差分情報から前記地上測定点または前記空中測定点の変位情報を取得することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記地上測定点または前記空中測定点の前記位置情報に前記変位情報を加えることによって、前記地上測定点または前記空中測定点の将来の位置情報を予測することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の一実施形態における時空間三角網平均による宇宙測量法を説明するためのＧＰＳシステムの概要図である。図１において、１ａ、１ｂ、１ｃはそれぞれ異なるＧＰＳ衛星であり、地上約２万キロメートルの円軌道を周回しながら２周波の測距用電波を連続的に送信している。２ａ、２ｂ、２ｃは、地盤等の変位を測定する地上の測定点に設置され、ＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃから送信される電波を受信するＧＰＳ受信機である。３は、ＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃと地上面との間を飛行する飛行機に搭載されたＧＰＳ受信機である。また、ＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３には、ＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃから受信した信号を位置データとして記録する記録装置が接続されているとする。さらに、４はＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３で受信した位置データに基づいて、測定点の位置情報を確定するための位置測定装置である。
【００１７】
図２は、位置測定装置４の構成を示すブロック図である。図２において、４１および４２はそれぞれ地上の測定点におけるＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃで受信した位置データを入力する入力手段、および飛行機に搭載したＧＰＳ受信機３で受信した位置データを入力する入力手段である。４３は、入力手段４１、４２から入力したＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３の位置データを記憶する記憶手段である。４４は、記憶手段４３に記憶された位置データを取り出す取出手段である。
【００１８】
４５は、取り出した位置データに基づいて、ある時刻における測定点のＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃおよび飛行機に搭載されたＧＰＳ受信機３の位置を頂点として三角錐を構成する三角網構成手段である。三角網構成手段４５では、測定点を多数設けることによって多くの三角錐を構成することができ、３次の三角網を構成することができる。４６は、三角網構成手段４５で構成した３次元の三角網を網平均計算することによってＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３の位置データを調整する調整手段である。また、４７は調整手段４６で調整した位置データを出力する出力手段である。
【００１９】
次に、本実施形態の時空間三角網平均による宇宙測量法の手順について図３を用いて説明する。図３は、同実施形態の位置測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態においては、ＧＰＳ受信機３を搭載した飛行機にＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃの上空を飛行させる。このとき、地上の測定点のＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃおよび飛行機に搭載したＧＰＳ受信機３は、複数のＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃから送信される信号を受信する。そして、その受信信号は位置データとしてＧＰＳ受信機に接続されたそれぞれの記録装置に記録される。
【００２０】
次に、ＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３に接続されている記録装置からそれぞれの位置データを取り出し、入力手段４１および４２から位置測定装置４に入力する（ステップＳ１）。入力されたそれぞれの位置データは記憶手段４３に一旦記憶される（ステップＳ２）。そして、記録手段４３から取出手段４４によって取り出され（ステップＳ３）、三角網構成手段４５によって３次元の三角網を構成する（ステップＳ４）。
【００２１】
一般に、地形等の測量においては実際に測定した測定点の位置データを測定点全体の関係から調整して確定する。このために、測定点の位置データから三角網を構成し、網平均計算を用う。ここで三角網とは、測定点を三角形の頂点として互いに直線で結ぶことによって構成される三角形の集合体である。また、網平均計算とは、この三角形の頂点の位置を角条件や辺条件といった制約条件の下で最小二乗法を行うことによって位置データを確定する計算方法である。このような網平均計算については、例えば「最小二乗法の理論とその応用」（田島稔他著、東洋書店）等に詳述されている。
【００２２】
このような計算を調整手段４６で行うことによって、三角網構成手段４５で構成した３次元の三角網を用いて、ＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、３の位置データを確定する（ステップＳ５）。本実施形態のように、網平均計算において地上の測定点のＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃだけでなくＧＰＳ受信機３の位置データを三角網に含めることによって、水平方向だけでなく垂直方向の測定精度を高くすることができる。このようにして求めた位置データは出力手段４７から取り出すことができる（ステップＳ６）。
【００２３】
本実施形態では、ＧＰＳ受信機３は飛行機に搭載したが、飛行船や衛星等の他の飛翔体を用いて測定点の位置データを求めることもできる。さらに、鉄塔や高層ビルの上方にＧＰＳ受信機３を設置して測定点の位置データを求めることもできる。また、ＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃから受信したある測定点における異なった時刻の位置データ間の差分をその測定点における変位データとする。例えば、同一測定点の位置を４ヶ月や１年といった期間をおいて測定することによって、測定点の地盤等の季節変位量または年間変位量を求めることができる。また、変位データを現在の位置データに加えることで将来の位置データを予測することも可能になる。さらに過去の位置データに変位データを加えて現在の位置データを予測したものと、実際に現在測定した位置データとを比較することによって、予測結果が確かなものかどうかを確認することもできる。
【００２４】
また、測定点のＧＰＳ受信機２ａ、２ｂ、２ｃや飛行機のＧＰＳ受信機３がＧＰＳ衛星１ａ、１ｂ、１ｃから受信した信号を信号測定装置４に送信するシステムを備えることによって、衛星からの位置データの受信と地上での位置データの計算がほぼ同時に実施することができる。このため、飛行機が地上に着陸した後に、記録装置から位置データを取り出す必要がなくなる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、少なくとも３箇所の測定点および測定点上空に空中測定点を設定し、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて測定点と空中測定点における位置情報を算出し、その位置情報に基づいて測定点および空中測定点を頂点として３次元の三角網を構成し、網平均計算によって測定点および空中測定点の位置情報を調整するので、ＧＰＳを用いて異なる時刻の観測データから水平方向と同精度を持った垂直方向の地形の変位を測定することができ、地盤変位等の測定に用いて好適である。この結果、地球上において測定点の高さ変位がミリメートル単位まで測定可能になり、火山噴火・地震の余地、土砂崩壊を伴う危険な山腹・斜面の事前告知、活断層の活動状況等の系列的な監視等に応用することができ、これらの環境防災対策に広く利用することができる。また、建築物、橋梁、ダム、原子力施設等の建築構造物の安全管理にも活用することができる。
【００２６】
さらに、同一時刻における測定点および空中測定点の位置情報に基づいて構成した３次元の三角網に対する網平均計算を行うことによって、より信頼性の高い地盤変位等を測定することができる。
【００２７】
この発明により、航空機等の宇宙飛翔体の座標変動を監視することで、複数飛翔体相互の安全航行が、また単一飛翔体の目標誘導が、高精度で可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態における時空間三角網平均による宇宙測量装置を説明するためのＧＰＳシステムの概要図である。
【図２】 位置測定装置４の構成を示すブロック図である。
【図３】 同実施形態の位置測定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ ＧＰＳ衛星
２ａ、２ｂ、２ｃ、３ ＧＰＳ受信機
４ 位置測定装置

Claims (7)

1. ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する方法であって、少なくとも３箇所の地上測定点と該地上測定点上空を飛行する飛翔体に空中測定点を設定し、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて前記地上測定点および前記空中測定点の位置情報を算出し、
   前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を構成する３次元の時空間三角網を構成し、前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を網平均計算によって調整することを特徴とする時空間三角網平均による宇宙測量法。
2. ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する方法であって、ＧＰＳ受信機を設置した地上測定点を少なくとも３箇所に設定し、
   該地上測定点の上空を飛行する飛翔体にＧＰＳ受信機を搭載することによって空中測定点を設定し、
   複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて前記地上測定点および前記空中測定点の位置情報を算出し、
   同一時刻における前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を構成する３次元の時空間三角網を構成し、
   前記時空間三角網の頂点である前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を網平均計算によって調整することを特徴とする時空間三角網平均による宇宙測量法。
3. 前記地上測定点または前記空中測定点の第１の測定時における位置情報と前記地上測定点または前記空中測定点の第２の測定時における位置情報との差分情報から前記地上測定点または前記空中測定点の変位情報を取得することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の時空間三角網平均による宇宙測量法。
4. 前記地上測定点または前記空中測定点の前記位置情報に前記変位情報を加えることによって、前記地上測定点または前記空中測定点の将来の位置情報を予測することを特徴とする請求項３に記載の時空間三角網平均による宇宙測量法。
5. ＧＰＳを用いて測定点の位置情報を測定する位置測定装置であって、
   複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて算出した少なくとも３箇所の地上測定点の位置情報を入力する手段と、
   複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いて算出した前記地上測定点上空を飛行する飛翔体に設定した空中測定点の位置情報を入力する手段と、
   前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を記憶する手段と、
   前記位置情報を前記記憶する手段から取り出す手段と、
   前記位置情報に基づいて前記地上測定点および前記空中測定点を頂点として三角錐を形成する３次元の時空間三角網を構成する手段と、
   前記時空間三角網を網平均計算することによって前記地上測定点および前記空中測定点の前記位置情報を調整する手段と、
   前記地上測定点および前記空中測定点の調整された位置情報を出力する手段と
   を有することを特徴とする時空間三角網平均による宇宙測量装置。
6. 前記地上測定点または前記空中測定点の第１の測定時における位置情報と前記地上測定点または前記空中測定点の第２の測定時における位置情報との差分情報から前記地上測定点または前記空中測定点の変位情報を取得することを特徴とする請求項５に記載の時空間三角網平均による宇宙測量装置。
7. 前記地上測定点または前記空中測定点の前記位置情報に前記変位情報を加えることによって、前記地上測定点または前記空中測定点の将来の位置情報を予測することを特徴とする請求項６に記載の時空間三角網平均による宇宙測量装置。

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