JP5060831B2 - 路面高測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、河川堤防の縦断断面図を得るなどの、路面高を路面に沿って測定する方法に関する。

従来、河川堤防の決壊を未然に防止するために、河川堤防の保守が行われている。そのためには、河川堤防の河川に沿った正確な縦断断面図を得て、堤防のどの位置の高さが不足しているかを知る必要があった。このためには、レーザを用いた航空測量がある。その方法は、ヘリコプターにＧＰＳとレーザを搭載して、ヘリコプタの位置をＧＰＳで測定する。ヘリコプタから堤防の路面までの方向と距離を、レーザビームを堤防の路面に照射して、その反射波を受光し、照射角から方向を測定し、レーザの照射から反射波の受光までの時間から距離を測定する。そして、ヘリコプタの位置とヘリコプタから堤防の路面までの方向と距離とから、堤防のレーザの照射点におけるＸＹＺ座標を求めるものである。その他の方法としては、実際に、堤防に出向いて、徒歩により、水平及び三角測量により、堤防の位置及び高さを測定する方法がある。また、ＧＰＳを用いた測量、測位としては、下記特許文献１、２に記載の方法が知られている。

特開平６−７５０３４ ２００５−６２０８３

ところが、レーザを用いる航空測量は、路面に雑草が生えている場合には、雑草の先端で、レーザが反射するために、正確に路面の高さが測定できないという問題がある。また、航空機を用いた測量であるために、経費がかかるという問題もある。一方、２００ｍ毎の距離標地点での、徒歩による従来の水平及び三角測量では、２００ｍ以内の区間での堤防の路面の陥没を見落とすという問題がある。このため、距離標地点では、堤防の路面高さが規格値を越えていても、距離標地点間で、実際には、規格値よりも低い路面高となっている場合があった。また、２００ｍよりもさらに短い間隔で、徒歩で三角測量をするとすると、手間が非常にかかり、この測定点数の増加にも限度がある。そのため、堤防の縦断断面図を正確に得ることは、実質上、不可能であった。

一方、上記特許文献１、２の方法は、単に、各地点でのＧＰＳデータを集積して、測量、測位する方法に過ぎず、河川堤防の正確な縦断断面図を得る方法は、示唆されていない。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、河川堤防の河川に沿った正確な縦断断面図が得られる程の細かなピッチでの路面高を得ることができるようにすることである。

上記課題を解決するための第１の発明は、路面の位置及び高度を測定する路面高測定装置であって、路面に接触して回転可能な車輪と、車輪を回転可能に支持し、長さが既知のポールと、ポールの頂部に設けられたＧＰＳ電波を受信して移動点位置情報を取得する受信装置と、ＧＰＳ受信装置により取得されたＧＰＳデータを時刻と共に記憶する記憶装置とを有する路面高測定装置を路面上を移動させながら、路面の位置及び高度を測定する路面高測定方法において、路面の位置及び高度を測定する測定時に、測定する路面の経路上に所定距離だけ隔てた２点に、それぞれ、第１基地局と第２基地局とを設定し、測定時において、第１基地局、第２基地局及び路面高測定装置においてＧＰＳ電波を受信して、時刻と共にそれらのＧＰＳデータを記憶し、それらのＧＰＳデータから、その時刻における路面高測定装置の第１基地局及び第２基地局に対する相対位置を求め、第１基地局及び第２基地局の近くに存在する電子基準点で受信されるの各時刻におけるＧＰＳデータと、第１基地局及び第２基地局におけるその時刻におけるＧＰＳデータとから、第１基地局及び第２基地局のその時刻における絶対位置を求め、その時刻における第１基地局及び第２基地局の絶対位置と、路面高測定装置の相対位置とから、路面高測定装置のその時刻における絶対位置を求めることを特徴する路面高測定方法である。

また、第２の発明は、第１の発明において、路面高測定装置の絶対位置は、第１基地局に対する相対位置から求められた第１絶対位置と、第２基地局に対する相対位置から求められた第２絶対位置とを、第１基地局と第２基地局との間の距離に対する、路面高測定装置の第２基地局からの距離の比、第１基地局からの距離の比に応じて重み付け加算した値で求めることを特徴とする。

路面高測定装置では、この装置の車輪と路面とを接触させて、このポールを人間が保持して、この車輪を回転させながら、路面上を移動するだけで、ＧＰＳ電波を受信して記憶させることができる。この結果、車輪を堤防の路面に接触させながら、ポールを移動させるので、測定が極めて簡単となる。また、この測定装置を用いた路面高測定方法では、第１基地局及び第２基地局を定め、その基地局間を路面高測定装置を移動させて、第１及び第２基地局におけるＧＰＳデータと共に、移動する路面高測定装置でのＧＰＳデータを測定している。したがって、同時刻での３者のＧＰＳデータから、第１基地局及び第２基地局に対する路面高測定装置の相対位置が、時刻と共に求められることになる。したがって、共通時刻において、２つの基地局に対する相対位置として、移動する路面高測定装置の位置が特定される結果、より、正確な位置を決定することができる。また、基地局のＧＰＳデータは、ＧＰＳデータを取得する時刻での電子基準点でのＧＰＳデータにより、さらに、補正されるため、第１基地局と第２基地局間における路面の高さを連続して、正確に測定することが可能となる。

また、２つの基地局に対する路面高測定装置の相対位置が測定されるが、この相対位置は、基地局に対する距離が短い程、基地局と路面高測定装置とが同一経路でＧＰＳ電波を受信するので、誤差が小さくなる。したがって、第２の発明のように、第１基地局のＧＰＳデータから得られた路面高測定装置の位置と、第２の基地局のＧＰＳデータから得られた路面高測定装置の位置を、相手方の基地局に対する距離の基地局間距離に対する比で、重み付け加算することで、路面高測定装置の正確な絶対位置を得ることかできる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。

図１は、路面高測定装置１の構成を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。ゴムタイヤ１１を有した車輪１０は、路面２０に接触して、路面２０上を回転可能に支持部材３０により支持されている。車輪１０は、回転中心に車軸１２を有しており、この車軸１２が支持部材３０に設けられたボールベアリングによる軸受３１により回転可能に支持されている。支持部材３０は、正面形状は、三角形をなし、側面形状は、平板が折り返されたＵ字形状をしている。このＵ字形状の平坦な頂部３２に、所定長さのロッド４０が立設されている。このロッド４０の上部先端には、ＧＰＳ電波を受信するアンテナ４１が設けられている。このアンテナ４１で受信されたＧＰＳデータは、記録装置５０に、測定時刻と共に、記憶される。車輪１０を路面２０に接触させて、ロッド４０を路面２０に対して垂直に保持した状態で、アンテナ４１の電波受信面は路面２０から正確に２ｍの位置となるように、車輪１０の直径、ロッド４０の長さ、アンテナ４１の厚さが設計されている。

次に、この路面高測定装置１を用いて、河川堤防の河川に沿った縦断断面図を測定する方法について説明する。
図２の（ａ）は、河川堤防の平面図である。河川６１の両側に河川堤防６０、６２が存在し、本方法は、河川堤防６０の河川に沿った（ｂ）に示す縦断断面図を求める方法である。まず、測定区間の両端に第１基地局７１、第２基地局７２を設ける。これらの基地局間は２ｋｍに設定されている。この第１、第２基地局７１、７２は、ＧＰＳデータを時刻と共に正確に受信できる装置であり、精密な静止観測が行われる。各基地局は、最低４つのＧＰＳ衛星からのＧＰＳデータを受信する。ＧＰＳデータは、（送信時刻，衛星の位置）などから成るデータである。そして、第１、第２基地局７１、７２は、受信時刻、受信電波の位相、衛星からのＧＰＳデータを、連続して記憶する。

次に、路面高測定装置１を堤防６０の路面２０に沿って、第１基地局７１から第２基地局７２に向けて、移動させて、１秒間隔でＧＰＳデータを受信し、記録装置５０に受信時刻、その時の電波の位相データ、ＧＰＳデータを記録する。また、２００ｍ毎に、路面高測定装置１を静止させて、１０秒間のデータを蓄積して、静止観測を行う。この間、路面高測定装置１と、第１、第２基地局７１、７２では、これらの衛星から送信されるＧＰＳデータ、受信電波の位相が受信時刻と共に記憶される。

一方、電子基準局は、緯度、経度、高度が、正確に既知の値として特定されている。この電子基準局における各衛星からのＧＰＳデータは、受信時刻と共に記録されている。

以上のようにして、路面高測定装置１を堤防６０の路面２０上を移動させながら、ＧＰＳデータを時刻と共に蓄積する。まず、路面高測定装置１で蓄積したデータをＤ１（ｔ）〜Ｄ４（ｔ）とする。すなわち、衛星に搭載された時計による時刻ｔ（ＧＰＳデータに含まれている）の送信データを路面高測定装置１が、各衛星から受信した受信データをＤ１（ｔ）〜Ｄ４（ｔ）とする。このデータには、送信時刻ｔの各衛星からの送信データを受信した、路面高測定装置１の有する時計による受信時刻Ｔ１〜Ｔ４も含まれている。この時刻Ｔ１〜Ｔ４は、各衛星から送信された電波の位相を検出することにより、時刻、すなわち、各衛星と路面高測定装置１との間の距離の分解能を向上させている。路面高測定装置１の時計は、衛星の時計に比べて正確ではない。そこで、衛星の時計に対して、路面高測定装置１の時計は、未知の時間Δだけ進んでいるとする。このΔは４つの衛星に対して同一の時刻差を与えることになる。したがって、各衛星と路面高測定装置１の時刻ｔにおける距離Ｌ１（ｔ）は、Ｌ１（ｔ）＝（Ｔ１−ｔ−Δ）×ｖ１（ｔ）で表される。ただし、ｖ１（ｔ）は、衛星１から送信された時刻ｔでの電波の伝搬速度である。これは電離層や気象の状態で変化するが、衛星の位置と高さを考慮すると、堤防６０を測定している区間においては、一定と見做すことができる。

４つの衛星に対して時刻ｔでの式が、Ｌ１（ｔ）＝（Ｔ１−ｔ−Δ）×ｖ１（ｔ），…，Ｌ４（ｔ）＝（Ｔ４−ｔ−Δ）×ｖ４（ｔ）の４つの方程式を立てることができる。未知変数は、路面高測定装置１の緯度、経度、高度の３座標、Δ、ｖ１（ｔ）〜ｖ４（ｔ）８変数である。既知変数は、各衛星の位置と、時刻ｔである。このような方程式が第１基地局７１、第２基地局７２に対しても立てることが可能となる。ただし、第１基地局７１、第２基地局７２の緯度、経度、高度は、まずは、正確に測定されておりこの値は既知であると仮定する。結局、第１基地局７１又は第２基地局７２と、路面高測定装置１とで、８個の未知変数に対して８個の連立法定式を立てることができ、路面高測定装置１の時刻ｔにおける緯度、経度、高度を測定することができる。この第１基地局７１、第２基地局７２の緯度、経度、高度が正確に求まっていなくとも、各衛星に対しては、路面高測定装置１と共通の電波経路を構成していると見做せるので、路面高測定装置１の第１基地局７１又は第２基地局７２に対する相対的な緯度、経度、高度は正確に求めることができる。

次に、第１基地局７１と第２基地局７２においては、精密な多数回の測定を行い、測定区間に最も近い電子基準点での衛星からの受信データＳ１（ｔ）〜Ｓ４（ｔ）を用いて、第１基地局７１と第２基地局７２の正確な緯度、経度、高度を求める。電子基準点は、全国に１２００箇所存在し、極めて正確に緯度、経度、高度が求められている。そして、この電子基準点での各衛星からの受信データＳ１（ｔ）〜Ｓ４（ｔ）が公開されている。ｔは衛星の時計であり、したがって、地球上の年、月、日、時、分、秒…の正確な時刻でもある。共通な時刻ｔで、電子基準点と第１基地局７１及び第２基地局７２で、上述した方法により、第１基地局７１と第２基地局７２のその時刻ｔにおける緯度、経度、高度を得ることができる。次に、上述のようにして求められた時刻ｔにおける路面高測定装置１の第１基地局７１又は第２基地局７２に対する相対的な緯度、経度、高度を、第１基地局７１、又は、第２基地局７２の時刻ｔにおける緯度、経度、高度に加算する。この値は、路面高測定装置１の時刻ｔにおける正確な緯度、経度、高度を与えることになる。この値は、１級ＧＰＳ定点観測に相当する。

路面高測定装置１の緯度、経度、高度は、第１基地局７１の情報から求められた値（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と、第２基地局７２の情報から求められた値（ｘ２，ｙ２，ｚ２）との２つの値が存在する。この値は、路面高測定装置１が第１基地局７１に、第２基地局７２よりも、より近い位置にあるならば、第１基地局７１に対して求めた値の方が、第２基地局７２に対して求められた値よりも誤差が小さいと言える。すなわち、基地局と路面高測定装置１が４つの衛星を見た時に、より電波経路が接近している基地局の方の情報を用いて求めた方が誤差が小さいと言える。

そこで、路面高測定装置１の真の緯度、経度、高度（ｘ，ｙ，ｚ）を次式で求める。
ｘ＝（１−α）・ｘ１＋α・ｘ２ …（１）
ｙ＝（１−α）・ｙ１＋α・ｙ２ …（２）
ｚ＝（１−α）・ｚ１＋α・ｚ２ …（３）
ただし、αは、路面高測定装置１の第１基地局７１からの距離／（第２基地局７２と第１基地局７１との間の距離）、すなわち、路面高測定装置１の測定区間に対する内分比率である。

このようにして、路面高測定装置１のアンテナ４１における緯度、経度、高度を正確に測定できるので、その値からアンテナ４１の高さ２．０００ｍを一様に減算すれば、路面２０の緯度、経度、高度を得ることができる。このようにして、図２（ｂ）に示すように、河川堤防の縦断断面図を得ることができる。

以上の手法で、実際に、河川堤防の縦断断面を測定した。河川堤防の路面２０上の路面高測定装置１の車輪１０が通る位置を、川表側堤防肩との境界を示す白線、表のり肩から１ｍ、管理道路の中心線とした。第１基地局７１と第２基地局７２は２ｋｍの間隔で設置し、その間の路面を路面高測定装置１を１往復させて、測定した。測定間隔は１秒、移動速度は、大略１ｍ／sec 、２００ｍ毎の定点では、１０秒の静止観測を行った。また、各位置での測定値は、上記の（１）〜（３）式により求めた。また、全長５０ｋｍに渡って、河川堤防の縦断断面を測定した。

この測定値の較差を求めた。基準値は、１級定点観測をして得られた値とした。
その結果を表１、表２に示す。

表１は、２００ｍ間隔の定点で、１０秒の定点観測をした場合である。高さを例にとると、平均較差は０．０００ｍ、標準偏差は０．０１０ｍ、較差の最大値は、０．０４０ｍ、較差の最小値は、−０．０４２ｍである。

表２は、１ｍ／sec で路面高測定装置１を移動しながら１ｍ間隔で測定した場合の高度の測定値の較差を示す。平均較差の最大値は０．００９ｍ、標準偏差の最大値は０．０３０ｍが得られている。最大較差が０．１９２ｍと高い値もあるが、その値を含む区間における平均較差が０．００９ち小さいことから、全体的には、信頼性のある値が得られていることが分かる。

また、本手法で他の堤防の縦断断面を測定した結果、堤防川表側のコンクリートブロック張りによる堤体強化工事が施された部分では、最大８ｃｍの路面の沈下が観測された。さらに、堤防に一方の側に土砂が３００ｍに渡って仮置された箇所が存在したが、この区間において、３００ｍに渡り、最大５ｃｍの沈下が観測された。また、盛土による土留め工法が相違する区間が存在するが、この工法の相違により、地盤沈下の量が異なることが、本手法により観測された。

このように、本発明を用いることで、堤防縦断面をｃｍオーダで測定することができる。

本発明は、河川堤防の縦断断面を求めるのに用いることができる。

本発明の具体的な実施例に係る路面高測定装置を示す構成図。 実施例の路面高測定装置を用いて堤防の縦断断面を得る測定方法を示す説明図。

１…路面高測定装置
１０…車輪
１２…車軸
３０…支持部材
３１…軸受
３２…頂部
４０…ロッド
４１…アンテナ
５０…記録装置

Claims (2)

1. 路面の位置及び高度を測定する路面高測定装置であって、前記路面に接触して回転可能な車輪と、前記車輪を回転可能に支持し、長さが既知のポールと、前記ポールの頂部に設けられたＧＰＳ電波を受信して移動点位置情報を取得する受信装置と、前記ＧＰＳ受信装置により取得されたＧＰＳデータを時刻と共に記憶する記憶装置とを有する路面高測定装置を路面上を移動させながら、路面の位置及び高度を測定する路面高測定方法において、
   路面の位置及び高度を測定する測定時に、測定する路面の経路上に所定距離だけ隔てた２点に、それぞれ、第１基地局と第２基地局とを設定し、
   前記測定時において、前記第１基地局、前記第２基地局及び前記路面高測定装置においてＧＰＳ電波を受信して、時刻と共にそれらのＧＰＳデータを記憶し、
   それらのＧＰＳデータから、その時刻における前記路面高測定装置の前記第１基地局及び前記第２基地局に対する相対位置を求め、
   前記第１基地局及び前記第２基地局の近くに存在する電子基準点で受信される前記の各時刻におけるＧＰＳデータと、前記第１基地局及び前記第２基地局におけるその時刻におけるＧＰＳデータとから、前記第１基地局及び第２基地局のその時刻における絶対位置を求め、
   その時刻における前記第１基地局及び前記第２基地局の絶対位置と、前記路面高測定装置の前記相対位置とから、前記路面高測定装置のその時刻における絶対位置を求める
   ことを特徴する路面高測定方法。
2. 前記路面高測定装置の絶対位置は、前記第１基地局に対する相対位置から求められた第１絶対位置と、前記第２基地局に対する相対位置から求められた第２絶対位置とを、前記第１基地局と前記第２基地局との間の距離に対する、前記路面高測定装置の前記第２基地局からの距離の比、前記第１基地局からの距離の比に応じて重み付け加算した値で求めることを特徴とする請求項１に記載の路面高測定方法。

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