JP5915916B1 - 観測システム - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわちフィルタ処理や平滑化処理を行うことなく、計測データを直接的に処理することで、計算時間と計算コストを軽減することのできる観測システムを提供することである。【解決手段】本願発明の観測システムは、測位手段と、測位データ記憶手段、標本抽出手段、標本代表値算出手段、観測値算出手段、変位ベクトル算出手段を備え、衛星測位によって観測点の変位を求めるシステムである。このうち標本抽出手段は、観測時刻から遡った所定時間内の測位データを原標本とするもので、標本代表値算出手段は、原標本を代表する標本代表値を算出するものである。また観測値算出手段は、所定の観測期間が経過するたびに標本代表値に基づいて観測値を算出するもので、変位ベクトル算出手段は、観測点における２時期の観測値に基づいてその観測点の変位ベクトルを算出するものである。【選択図】図１

Description

本願発明は、衛星を用いて観測点の変位を継続的に観測する技術に関するものであり、より具体的には、短時間のサイクルで測位する結果、大量に得られる測位データを活用して観測点における変位ベクトルを求める観測システムに関するものである。

我が国の国土は、その２／３が山地であるといわれており、その結果、斜面を背後とする土地に住居を構えることも多く、道路や線路などは必ずといっていいほど斜面脇を通過する区間がある。そして斜面は、崩壊や地すべりといった災害の可能性を備えており、これまでもたびたび甚大な被害を被ってきた。

そこで、崩壊のおそれがある斜面（自然斜面や、人工的なのり面を含む）、あるいは地すべりの兆候のある斜面では、その動きを監視するため計測が行われることがある。例えば、地すべり兆候のある斜面では、伸縮計や抜き板を利用した計測、孔内傾斜計による計測、地表面変位計測などが実施されていた。しかしながら、伸縮計や抜き板による計測では、地すべり境界（特に頭部）に亘って設置しなければ効果がなく、孔内伸縮計も地すべり深度を正確に推定しなければ効果がない上に、多数箇所設けるとコストがかかるという問題がある。

地表面変位計測は、斜面上に設置した多数の観測点の座標を求め、経時的な変位を検出することで斜面の動きを監視することから、直接的に異常を把握することができるうえ、伸縮計や孔内傾斜計のようにその効果が計器設置場所に依存することがないという長所がある。ただし従来では、トータルステーションなどを用いて人が観測点を測位していたため、大きな手間とコストを余儀なくされていた。

一方、軍事用としてのみ利用されていたＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が１９００年代になると民生用として利用されるようになり、さらに２０００年には「意図的に精度を落とす仕組み（ＳＡ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）」も撤廃され、容易かつ高精度に、しかもリアルタイムで現在位置を計測できるようになった。これに伴い、斜面における地表面変位計測でもＧＰＳが活用されるようになり、特許文献１でもＧＰＳ計測によって斜面の安定性を評価する技術を提示している。

特許第３７４５２８０号公報

平成２２年には準天頂衛星初号機「みちびき」が上げられるなど、ＧＰＳのほか様々な衛星観測システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）が利用できるようになってきた。これは、２４時間絶え間なく必要数の衛星が捉えられるようになったことを意味する。さらに、今後順調に準天頂衛星が上がっていけば、我が国では安定的な衛星測位が確約されることとなり、さらにこの手法が加速することが予想される。

ＧＮＳＳによる計測の特徴として、大量の計測データが得られる一方で、衛星配置の影響やマルチパスの影響によるデータの乱れ（いわゆるノイズ）が不可避である点が挙げられる。そのため従来では、大量のデータに対してフィルタ処理や平滑化処理を行い、計測結果をモデル化（例えばトレンドモデル）したうえで経時的な変化を監視していた。つまり、結果を得るためには相当の計算時間と計算コストを要していたわけである。

本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわちフィルタ処理や平滑化処理を行うことなく、計測データを直接的に処理することで、計算時間と計算コストを軽減することのできる観測システムを提供することである。

本願発明は、原標本を代表する「標本代表値」と、観測期間内の標本代表値に基づいて計算される「観測値」を利用して観測するという点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。

本願発明の観測システムは、測位手段と、測位データ記憶手段、標本抽出手段、標本代表値算出手段、観測値算出手段、変位ベクトル算出手段、変動判定手段を備え、衛星測位によって観測点を測位することで斜面の変動を判定するシステムである。なお、複数の観測点が斜面上に配置され、これら観測点に対して傾斜方向（水平面内で表される方向）が個別に設定され、さらに同一すべり方向線上にある観測点同士があらかじめグループ化される。測位手段は、衛星を利用して定期的に観測点位置を測位するもので、測位データ記憶手段は、測位手段によって得られた測位データを記憶するものである。標本抽出手段は、観測時刻から遡った所定時間内にある測位データを読み出して原標本とするもので、標本代表値算出手段は、原標本が有する測位データに基づいてこの原標本を代表する標本代表値を算出するものである。また観測値算出手段は、あらかじめ定めた観測期間が経過するたびにその観測期間内にある標本代表値に基づいて観測値を算出するもので、変位ベクトル算出手段は、観測点における２時期の観測値に基づいてその観測点の変位ベクトル（変位量及び変位方向）を算出するものである。そして変動判定手段は、観測点の変位量があらかじめ定めた変位量閾値を超え、かつ変位方向の水平成分が傾斜方向を中心とする所定範囲内にあるときに、この観測点が変動したと判断し、グループ化された観測点の変動判断に基づいてグループごとに異常を判定し、さらにグループの異常判定に基づいて斜面の変動を判定する。

本願発明の観測システムは、さらに標本補正手段を備えたシステムとすることもできる。この標本補正手段は、あらかじめ定めた閾値（測位データ閾値）を超える測位データを原標本から排除し、「補正標本」を得るものである。この場合、標本代表値算出手段は、補正標本が有する測位データに基づいて標本代表値を算出する。

本願発明の観測システムは、変動判定手段が１のグループに異常があれば斜面が変動していると判断するシステムとすることもできる。この場合、斜面上に配置された複数の観測点は、２以上にグループ化される。

本願発明の観測システムは、変動判定手段が所定数（ただし２以上）のグループに異常があれば斜面が変動していると判断するシステムとすることもできる。この場合、斜面上に配置された複数の観測点は、２以上にグループ化される。

本願発明の観測システムには、次のような効果がある。
（１）フィルタ処理や平滑化処理を行うことなく、計測データを直接的に処理するため、計算時間と計算コストを軽減することができる。
（２）観測値を算出する観測期間を短期間（例えば５分程度）とすることで、略リアルタイムで斜面等の変動判断を行うことができる。
（３）複数の観測点を組み合わせた判断（いわゆる多点相関）とすることで、さらに信頼度の高い変動判定を行うことができる。

本願発明の観測システムを説明するブロック図。 本願発明の主な処理の流れを示すフロー図。 標本代表値を説明するモデル図。 観測期間内にある標本代表値から求められる観測値を示すモデル図。 （ａ）はＸ座標について測位データの時系列グラフと観測値の時系列グラフを比較した説明図、（ｂ）はＹ座標について測位データの時系列グラフと観測値の時系列グラフを比較した説明図、（ｃ）はＺ座標について測位データの時系列グラフと観測値の時系列グラフを比較した説明図。

本願発明の観測システムの実施形態の一例を、図に基づいて説明する。本願発明の観測システムは、変動する可能性がある対象（以下、「観測対象」という。）を観測するもので、具体的には、観測対象に設置された複数の観測点の動きを把握することによって、観測対象そのものの動きを判断するシステムである。なお、ここでは便宜上、観測対象を斜面とした場合で説明する。

はじめに、図１を参照しながら本願発明の観測システム１００の構成について説明する。この図に示すように観測システム１００は、主に測位手段１１０とサーバ装置１２０で構成され、これらは無線通信手段（又は有線通信手段）で接続されている。測位手段１１０は斜面上の観測点に設置され、サーバ装置１２０は現地（斜面）から離れた場所に設けられる。なおこの図では、１つのサーバ装置１２０に対して１つの測位手段１１０が接続されているが、通常は、１箇所の斜面に複数の測位手段１１０（つまり観測点）が設置され、しかも複数個所の斜面の測位手段１１０と１つのサーバ装置１２０が接続される。

測位手段１１０は、図１に示すように受信手段１１１と、演算手段１１２、通信手段１１３を含んで構成される。受信手段１１１は、衛星Ｓからの信号を受信するもので、アンテナと受信機を備えている。ここで受信した記録（観測データ）は演算手段１１２に受け渡される。

演算手段１１２は、受け取った観測データを演算処理することで、受信機１１１の設置位置、つまり観測点の座標を算出し「測位データ」として出力する。ところで、観測データに基づいて測位データを算出する方法（測位手法）は、単独測位方式と干渉測位方式に二分され、さらに単独測位方式には絶対単独測位とディファレンシャル測位が、干渉測位方式にはスタティック測位とキネマティック測位があることが知られている。

本願発明ではいずれの方式を採用することもできるが、ここでは便宜上、測位手法をキネマティック測位のうち特にリアルタイムキネマティック測位（ＲＴＫ）とした場合で説明する。したがって、変動しない基準点（参照点）を斜面以外の場所に設けるとともに受信手段１１１を設置し、基準点と観測点で同時に４以上の衛星から観測データを受信する。なおこの場合、観測点の演算手段１１２は基準点の観測データを必要とするが、これは無線通信又は有線通信によって基準点の受信手段１１１から各観測点の測位手段１１０に送られる。なお、測位データを算出する間隔（エポック）は、測位手法によって大きく異なるが、ＲＴＫではエポックを１秒間とするのが主流であり、ここでも測位データの算出を毎秒間隔とした場合で説明する。

通信手段１１３は、サーバ装置１２０に測位データを送信するもので、この測位データは例えばインターネットを経由してサーバ装置１２０に送られる。なお通信手段１１３は、測位データを送信するほか、基準点に設置された受信手段１１１からの観測データや、サーバ装置１２０からの様々なデータなどを受信することもできる。また測位手段１１０は、太陽光発電装置といった発電手段１１４を備えることもできる。データの送受信をすべて無線で行い、さらに発電手段１１４を利用することで商用電力の使用を回避でき、その結果、斜面上には一切の配線がなくなり景観やメンテナンスの点で好適となる。

サーバ装置１２０は、図１に示すように測位データ記憶手段１２１と、標本抽出手段１２２、標本補正手段１２３、標本代表値算出手段１２４、観測値算出手段１２５、変位ベクトル算出手段１２６、変動判定手段１２７を含んで構成される。これらサーバ装置１２０が備える各手段については、図２のフロー図を参照しながら詳しく説明する。

図２は、本願発明の主な処理の流れを示すフロー図であり、中央の列に実施する処理を示し、左列にはその処理に必要な入力情報を、右列にはその処理から生まれる出力情報を示している。はじめに、標本サイズを設定する（Ｓｔｅｐ１０）。ここで標本とは、観測時刻における測位データを推定（後述）するために用いられるデータ集合であり、このデータ集合は観測時刻から所定期間遡った範囲内にある観測データの集まりである。つまり標本サイズを設定することは、観測時刻から遡る所定期間を定めることにほかならない。

観測時刻から遡る所定期間は、衛星配置のサイクルを勘案した上で設定するとよい。衛星配置は刻々と変化するが、一定時間が経過すると元の配置に戻る。つまり、ある周期（サイクル）をもって、種々の配置を繰り返しているわけである。このサイクルは、打ち上げられる衛星の数によって変わっていくが、現時点では概ね２４時間といわれており、ここでも１サイクルすなわち「観測時刻から遡る所定期間」を２４時間とした場合で説明する。したがって本実施形態の例では、標本サイズが２４×６０×６０個で設定される（Ｓｔｅｐ１０）。

標本サイズが定まると、バックグラウンド解析を行う（Ｓｔｅｐ２０）。バックグラウンド解析とは、観測対象が変動していない状態で所定期間（例えば５〜１０日間）だけ観測した結果を解析するもので、具体的にはここで得られた測位データの集合から特異値を抽出し、この特異値を「測位データ閾値」として設定する。例えばバックグラウンド解析期間に得られた測位データ集合が正規分布に従うと考え、測位データ閾値を３σ（σは標準偏差）として設定することができる。つまり、測位データ閾値である±３σを超える計測データは、特異値として認定するわけである。

ここまでのステップ（Ｓｔｅｐ１０〜Ｓｔｅｐ２０）はいわば準備段階であり、以降説明するステップが本格的な観測段階となる。観測が開始されると、測位手段１１０が出力した測位データを、サーバ装置１２０が受信し、測位データ記憶手段１２１で記憶していく（図１）。そして標本抽出手段１２２が、測位データ記憶手段１２１から標本（以下、「原標本Ｎ」という。）を抽出する（Ｓｔｅｐ３０）。もちろんここで抽出する原標本Ｎの大きさは、先に設定した標本サイズ（２４時間分の測位データ）である。

原標本Ｎが得られると、標本補正手段１２３（図１）によって、原標本Ｎを補正する（Ｓｔｅｐ４０）。具体的には、バックグラウンド解析（Ｓｔｅｐ２０）で設定した測位データ閾値を用いて、原標本Ｎに含まれる特異値を排除する。その結果得られるのが、「補正標本ｎ」である。

次に標本代表値算出手段１２４（図１）が、補正標本ｎに基づいて、観測時刻における測位データを推定する。観測時刻における測位データは、測位手段１１０によって直接的に得られるが、本願発明では「観測時刻から遡る所定期間」にある測位データの傾向も勘案したうえで測位データを推定することとしている。具体的には、標本代表値算出手段１２４が、補正標本ｎを単純平均したり、観測時直近から重みを付する加重平均としたり、その他種々の統計処理を行うことで、観測時刻における測位データを推定し、これを「標本代表値ｄ」として出力する（Ｓｔｅｐ５０）。図３は、標本代表値ｄを説明するモデル図であり、観測時刻から２４時間遡った期間を対象として標本代表値ｄを推定しており、そして１エポック（ここでは１秒間）につき１つの標本代表値が得られることを示している。

ところで、上記のとおり標本代表値ｄは毎秒出力されることから、結果的には大量の標本代表値ｄが蓄積されることになる。これらすべての標本代表値ｄを対象として評価することは容易ではない。したがって本願発明では、標本代表値ｄをある程度まとめ、その代表値（後述の観測値）に対して評価することとした。

図４は、観測期間内にある標本代表値ｄから求められる「観測値」を示すモデル図である。ここで観測期間とは、複数の標本代表値ｄを集合させるための期間であり、観測値とは、観測期間内にある標本代表値ｄを代表する値である。観測値は、観測期間内にある標本代表値ｄを単純平均したり、観測時直近から重みを付する加重平均としたり、その他種々の統計処理を行うことで算出することができる。この図の例では、観測期間を５分間としており、つまり５×６０＝３００個の標本代表値ｄに基づいて観測値を求めている。もちろん観測期間は５分に限らず、状況に応じて適宜設計することができる。

図２に示すように、標本代表値ｄを求めると観測期間を経過したか否かを判断する（Ｓｔｅｐ６０）。観測期間経過の起点は、観測開始もしくは前回の観測値算出時刻である。観測期間が経過していなければ（Ｎｏ）、繰り返し標本代表値ｄを求め（Ｓｔｅｐ３０〜Ｓｔｅｐ５０）、観測期間が経過するタイミングであれば（Ｙｅｓ）、次のステップに進む。

観測期間が経過すると、観測値算出手段１２５（図１）が、観測期間内にある標本代表値ｄに基づいて観測値（図４）を求める。そして変位ベクトル算出手段１２６（図１）が、２時期の観測値、すなわち前回の観測値と今回の観測値に基づいて「変位ベクトル」を算出する（Ｓｔｅｐ８０）。観測値は当該観測点の３次元座標であるから、２時期の座標により求められる変位ベクトルは、大きさ（変位量）と方向（変位方向）を具備している。変位ベクトルが得られると、変動判定手段１２７（図１）が、この変位ベクトルに基づいて当該斜面（観測対象）の変動の有無を判定する（Ｓｔｅｐ９０）。

以下、変動判定手段１２７による変動判定について詳しく説明する。図５は、測位データを時系列でプロットしたグラフ図（左側）と、観測値を時系列でプロットしたグラフ図（右側）を比較した説明図であり、（ａ）はＸ座標（例えば南北方向）の変化、（ｂ）はＹ座標（例えば東西方向）の変化、（ｃ）はＺ座標（例えば鉛直方向）の変化を示している。

この図から分かるように、Ｘ座標に関しては観測期間終盤に大きな変位を生じており、Ｚ座標に関しては観測期間中盤に相当の変位を生じている。この変位が、正常な範囲である、あるいは異常値であると判断することによって、当該斜面（観測対象）の変動の有無を判定することができる。そして変動判定手段１２７が、変位の正常／異常を機械的に判定するため、閾値（以下、「変位量閾値」）が設けられる。すなわち変動判定手段１２７が、取得した変位量（２時期の観測値に基づいて求められる値）と、あらかじめ定めた変位量閾値を照らし合わせ、変位量が変位量閾値を超えているときに当該斜面が変動していると判定する。なおこの場合、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標のいずれか一つでも変位量閾値を超えているときに変動判定することもできるし、２種以上の座標が変位量閾値を超えているときに変動判定することもできる。

変位ベクトルが変位量と変位方向を具備していることは既に説明したとおりであり、このうち変位量に応じて変動判定する手法について上記のとおり説明した。一方、変位量に加え変位方向に応じて変動判定することもできる。斜面は当然ながら傾斜しており、浅層／深層崩壊や地すべりは概ねこの傾斜に沿って移動していく。つまり、斜面の移動方向として最も危険なのが、この斜面が傾斜する方向である。

そこで、斜面に配置される複数の観測点それぞれ対して、個別に危険な方向を設定し、さらにその方向のうち水平成分を「傾斜方向」として設定する。さらに傾斜方向にある程度の余裕を持たせるため、幅（つまりバッファ）を設定する。具体的には、観測点を起点として傾斜方向を描き、その両側に観測点を中心とする扇形を形成し、この範囲を「危険範囲」として設定する。なお、扇形の中心角は９０度未満の任意の角度で設計することができる。そして変動判定手段１２７が、変位量閾値を超える変位量を示す観測点に対してさらに、取得した変位方向と、あらかじめ定めた危険範囲を照らし合わせ、変位方向が危険範囲に向いているときに当該斜面が変動していると判定する。なおこの場合、１の観測点が危険範囲内に向いているときに変動判定することもできるし、所定数（２以上）の観測点が危険範囲内に向いているときに変動判定することもできる。

また、多点相関の概念を取り入れた変動判定を行うこともできる。例えば、それぞれ離れた位置にある５点の観測点が異常な動きを示す場合と、ある特定の範囲内にある５点が異常値を示す場合では、明らかに後者の方が斜面にとっては危険である。そこで、斜面上に配置された多数の観測点に対して、関連性のある観測点同士をあらかじめグループ化しておく。ここで関連性を判断する場合、観測点間の距離が近いほど関連があるとしたり、同一測線（すべり方向線）上にあるものを関連があるとしたり、地質分類が同じ位置にあるものを関連があるとしたり、種々の条件に基づいて判断することができる。そしてグループ化された観測点すべてが変位量閾値を超える変位量を示すときに、あるいはグループ化された観測点すべてが変位量閾値を超えかつ変位方向が危険範囲に向いているときに、変動判定手段１２７は当該斜面が変動していると判定する。なおこの場合、１のグループでも異常があれば変動判定することもできるし、所定数（２以上）のグループが異常を示したときに変動判定することもできる。

上記のほか、単位期間における変位量、すなわち変位速度に基づいて変動判定することもできるし、ある時点からの累積変位量や、観測時刻を基準とした所定期間内の累積変位量に基づいて変動判定することもできる。

本願発明の観測システムは、自然斜面や、切土のり面、盛土のり面のほか、コンクリートダムなどのコンクリート構造物、埋立地や軟弱地盤地の変動を判断する際にも利用することができる。

１００ 観測システム
１１０ 測位手段
１１１ 受信手段
１１２ 演算手段
１１３ 通信手段
１１４ 発電手段
１２０ サーバ装置
１２１ 測位データ記憶手段
１２２ 標本抽出手段
１２３ 標本補正手段
１２４ 標本代表値算出手段
１２５ 観測値算出手段
１２６ 変位ベクトル算出手段
１２７ 変動判定手段
Ｓ 衛星

Claims (4)

1. 衛星測位によって、斜面上に配置される複数の観測点を測位することで、該斜面の変動を判定する観測システムにおいて、
   前記斜面上に配置された複数の前記観測点に対して、水平面内で表される傾斜方向がそれぞれの前記観測点で個別に設定されるとともに、同一すべり方向線上にある前記観測点同士があらかじめグループ化され、
   前記観測点の位置を、衛星を利用して定期的に測位する測位手段と、
   前記測位手段によって得られた測位データを、記憶する測位データ記憶手段と、
   観測時刻から遡った所定時間内にある前記測位データを、前記測位データ記憶手段から読み出して、該観測時刻における原標本とする標本抽出手段と、
   前記原標本が有する前記測位データに基づいて、当該原標本を代表する測位データである標本代表値を算出する標本代表値算出手段と、
   あらかじめ定めた観測期間が経過するたびに、該観測期間内にある前記標本代表値に基づいて、当該観測期間における観測値を算出する観測値算出手段と、
   前記観測点における２時期の前記観測値に基づいて、当該観測点の変位量及び変位方向からなる変位ベクトルを算出する変位ベクトル算出手段と、
   前記観測点の変位量があらかじめ定めた変位量閾値を超え、かつ変位方向の水平成分が前記傾斜方向を中心とする所定範囲内にあるときに、該観測点が変動したと判断し、前記グループ化された前記観測点の変動判断に基づいてグループごとに異常を判定し、さらに該グループの異常判定に基づいて前記斜面の変動を判定する変動判定手段と、を備えたことを特徴とする観測システム。
2. 前記原標本から、あらかじめ定めた測位データ閾値を超える前記測位データを排除して、補正標本を得る標本補正手段を、さらに備え、
   前記標本代表値算出手段は、前記補正標本が有する前記測位データに基づいて、当該補正標本を代表する測位データである標本代表値を算出する、ことを特徴とする請求項１記載の観測システム。
3. 前記斜面上に配置された複数の前記観測点が、２以上にグループ化され、
   前記変動判定手段は、１のグループに異常があれば前記斜面が変動していると判断する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の観測システム。
4. 前記斜面上に配置された複数の前記観測点が、２以上にグループ化され、
   前記変動判定手段は、２以上である所定数のグループに異常があれば前記斜面が変動していると判断する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の観測システム。

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