JP6314101B2

JP6314101B2 - 地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法

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Publication number: JP6314101B2
Application number: JP2015037034A
Authority: JP
Inventors: 成郎堀内; 和男吉川; 大輔三五
Original assignee: Pasco Corp
Current assignee: Pasco Corp
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: JP2016161286A

Description

本発明は、地盤、特に斜面等において地すべりの予想される箇所などの変位量を計測するための地上設置型合成開口レーダーを用いた地盤変位計測方法であって特に植生域に対応した計測方法に関する。

斜面の崩壊、地すべり、落石、土石流に対する防災などの目的で、それらの事象が予想される斜面や既に発生した斜面などの地盤変位を計測することが必要とされている。

従来、このような地盤変位の計測には光学カメラを用いた航空測量やステレオ視が行われていた。しかし、精度が十分でなかったり、夜間や雲天時には観測できないため、必要な時にリアルタイムで情報が収集できないという問題点があった。

この点、航空機や人工衛星に搭載した合成開口レーダー（Synthetic Aperture Radar：ＳＡＲ）を用いて地盤の形状を計測する手法は、高い計測精度が得られる。またＳＡＲを用いた当該手法は、能動的に電波を照射するために昼夜や天候を問わず観測可能である。

特開平０７−１９９８０４号公報

航空機や人工衛星に搭載したＳＡＲによる計測は、人工衛星においては地上の同じ場所を照射するまでに日単位の間隔を要しリアルタイムでの計測が困難であり、また、航空機も同様にリアルタイムでの計測が困難であるという問題があった。この点、地上設置型合成開口レーダーは同じ場所の地盤変位を連続して計測可能である。しかし、計測対象箇所に植生が存在すると、ＳＡＲから照射した電波が植生で反射され得る。特に、目標の地盤の植生が風で揺れることが測定不良となることが判明した。そして、電波の波長が短くなるほど電波が植生で反射されやすくなり、地盤に到達しにくくなる。そのため、地盤の位置を計測することが困難となるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、地上設置型合成開口レーダーを用いて、植生が存在する箇所の地盤変位を監視することを可能とする地盤変位計測方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法は、地上に設置した合成開口レーダーから電波を照射して、植生が存在し得る計測対象領域の地盤の変位を計測する方法であって、前記計測対象領域内にて前記地盤から所定の高さに、前記電波を前記合成開口レーダーへ反射するコーナーリフレクタを設置し、前記コーナーリフレクタの前記高さはその設置位置での環境にて想定される植生高より高い。

（２）上記（１）の地盤変位計測方法において、前記植生が存在しない状態にて、前記計測対象領域の前記地盤から得られる前記合成開口レーダーの計測結果、及び前記コーナーリフレクタから得られる前記計測結果に基づいて、前記計測対象領域の前記地盤の基準形状を求める基準計測ステップと、前記コーナーリフレクタから得られる前記計測結果の時間変化に応じて前記基準形状を変化させ、前記計測対象領域の前記地盤の概略推定形状を求める概略形状推定ステップと、前記計測対象領域にて観測点ごとに得られる前記計測結果のうち前記概略推定形状からのずれが予め定めた基準値以内のものだけを用いて、前記計測対象領域の前記地盤の修正推定形状を求める修正形状推定ステップと、を有する構成とすることができる。

（３）上記（１）及び（２）の地盤変位計測方法において、前記合成開口レーダーの前記電波の周波数帯域はＫｕバンドとすることができる。

（４）上記（１）から（３）の地盤変位計測方法において、前記計測対象領域は斜面であってもよい。

（５）上記（１）から（４）の地盤変位計測方法において、前記コーナーリフレクタの全体又は開口部は、前記電波を透過し、かつ耐候性を有する材質からなるカバーで覆われていてもよい。

本発明によれば、地上設置型合成開口レーダーを用いて、植生が存在する箇所の地盤変位を監視することが可能となる。

本発明の実施形態に係る斜面変位連続監視システムの概略の構成を示す模式図である。地上設置型合成開口レーダーの模式図である。コーナーリフレクタの全体を覆うドーム状のカバーの模式的な斜視図である。斜面変位連続監視システムによる地盤形状の推定処理の概略のフロー図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は実施形態に係る斜面変位連続監視システム１の概略の構成を示す模式図である。斜面変位連続監視システム１は地上設置型合成開口レーダー（Ground Based Synthetic Aperture Rader：ＧＢ−ＳＡＲ）２、制御装置４、データ蓄積装置６、解析装置８、コーナーリフレクタ１０を含んで構成される。本実施形態ではデータ蓄積装置６と解析装置８との間は通信装置１２，１４及び通信回線１６を介して接続され、例えば、ＧＢ−ＳＡＲ２が設置された計測現場で得られた計測データを遠隔の事務所等に設置された解析装置８で解析することを可能としている。

ＧＢ−ＳＡＲ２は人工衛星や航空機に搭載するのではなく、地上に設置し使用する合成開口レーダー装置である。合成開口レーダー（ＳＡＲ）は電波を送受信するアンテナを軌道に沿って位置を変えて複数回の送受信を行ない、受信した電波を合成することによって、実際のアンテナよりも開口面が大きなアンテナを仮想的に実現し分解能を向上させる。図２はＧＢ−ＳＡＲ２の模式図であり、電波を送受信するヘッド部２０と、ヘッド部２０の移動をガイドするレール部２２とを備える。ヘッド部２０は送信アンテナ２４と受信アンテナ２６とを備え、計測時にはレール部２２に沿って移動し、レール上の各場所において電波を送受信し合成開口を実現する。

ＳＡＲに使用される電波は例えば、Ｌバンド、Ｃバンド、Ｘバンド、Ｋｕバンドなどである。それぞれの周波数、波長はＬバンドが１〜２ＧＨｚ、１５〜３０ｃｍであり、Ｃバンドが４〜８ＧＨｚ、３．７５〜７ｃｍであり、Ｘバンドが８〜１２ＧＨｚ、２．４〜３．７５ｃｍであり、Ｋｕバンドが１２〜１８ＧＨｚ、１．７〜２．４ｃｍである。一般に、短い波長の電波は物質の表面で反射しやすく、長い波長の電波は物質内部にある程度入り込む性質を持っており、例えば、植生に関してはＬバンドの電波は木本の幹では反射するが葉や枝を通過するのに対し、Ｃバンドは葉や枝で反射し、またＸバンド以上では葉でも反射し得る。

本実施形態のＧＢ−ＳＡＲ２は例えば、１７．１〜１７．３ＧＨｚのＫｕバンドを使用し、約０．１ｍｍの精度を有する。また本実施形態のＧＢ−ＳＡＲ２は約４ｋｍの距離までを照射可能であり、観測対象物の面的な変位分布を高精度に遠隔測量することができる。またＧＢ−ＳＡＲ２は計測対象領域を直接見通せる場所であれば遠隔に設置できるので、設置場所は例えば、地すべりなどのおそれがある斜面やその近傍といった不安定な場所である必要はなく、平坦で安定した地盤上を選択できる。

制御装置４は例えば、コンピュータを用いて構成することができ、ヘッド部２０の向きやレール部２２に沿った移動、その他、計測動作を制御する。

データ蓄積装置６はＧＢ−ＳＡＲ２の計測データを制御装置４から伝送されて蓄積する記憶装置であり、例えばコンピュータを用いて構成することができる。データ蓄積装置６に蓄積された計測データは解析装置８に伝送される。例えば、データ蓄積装置６に蓄積されたデータは通信装置１２によりインターネットなどの通信回線１６へ送出され、解析装置８側の通信装置１４により受信され、解析装置８に渡される。

解析装置８はＧＢ−ＳＡＲ２の計測データを解析し、ＧＢ−ＳＡＲ２から見た方向（方位角及び仰角）θにおける電波の反射点までの距離Ｒ(θ)を算出し、計測対象とする斜面の形状を求めたり、距離Ｒ(θ)や斜面形状の異なる時刻での計測結果を比較して変位を求めたりする。

コーナーリフレクタ１０はコーナーキューブ、コーナーキューブリフレクタなどとも呼ばれ、レーダー波を反射する性質を持った３枚の平面の板を互いに直角に組み合わせ、立方体の頂点型にした装置であり、レーダー波がどの入射方向から入射してもその入射方向へ強い反射を起こすことができる。コーナーリフレクタ１０は計測対象領域内にて地盤から所定の高さに１つ又は複数設置される。複数設置する場合は例えば、計測対象領域がコーナーリフレクタ１０を頂点とする多角形の領域に分割されるように、２次元的に配置するのが好適である。コーナーリフレクタ１０のその設置位置の地盤からの高さは当該設置位置での環境にて想定される植生高より高く設定される。例えば、三脚３０や支柱の上部にコーナーリフレクタ１０を取り付けたり、またテトラポッドのようなコンクリートブロックなどを土台としてその上にコーナーリフレクタ１０を設置する。コーナーリフレクタ１０はその設置位置での地盤の座標計測の基準点とされるので、地盤に対する位置関係は正確に定められ、また風雪等で揺らいだり位置がずれたりして地盤に対する位置関係が変化しないように設置される。

コーナーリフレクタ１０は基本的には計測対象領域に植生３２が存在しない状態で設置される。例えば、火山の噴火や地すべりが生じた箇所では当初、植生が存在せず、その後、年月を経るにつれ草本が定着し始める。このような箇所ではコーナーリフレクタ１０は植生の定着前に設置することができる。また、計測対象領域に植生が存在する場合でも、一旦、除草等を行って植生を除去した後、コーナーリフレクタ１０を設置することができる。

計測対象領域にて計測期間内に植生がどの高さまで達するかは、計測対象領域が存在する地域や高度、またその場所がどのような気象か、どのような植物が生育するかなどを考慮して想定され、想定された植生高に基づいてコーナーリフレクタ１０の設置高が決定される。

コーナーリフレクタ１０の反射面は凹部を形成し、当該凹部内に電波の反射を妨げる異物が留まりやすい。これを防止するために、コーナーリフレクタ１０の全体又は開口部は、レーダー波を透過し、かつ耐候性を有する材質からなるカバーで覆われていてもよい。図３はコーナーリフレクタ１０の全体を覆うドーム状のカバー３４の模式的な斜視図である。

コーナーリフレクタ１０を植生の上に現れるように設置することで、コーナーリフレクタ１０の位置をＧＢ−ＳＡＲ２で計測でき、ひいてはコーナーリフレクタ１０が設置された地盤の位置、変位を監視することができる。

すなわち、例えば、植生が密に繁茂した状態では、レーダー波は植生で反射され、地盤に到達することができず、ＧＢ−ＳＡＲ２により直接に地盤の形状を測定することができないが、複数のコーナーリフレクタ１０を計測対象領域である斜面に分散配置し、ＧＢ−ＳＡＲ２を用いて各コーナーリフレクタ１０の位置を計測することで、当該斜面に植生が繁茂しても当該斜面の形状の変化を検出することができる。

ここで、植生が疎らである状態では、一部のレーダー波は植生で反射され得るが一部は地盤に到達し得る。ちなみに、レーザビームを照射しその反射光が戻るまでの時間に基づいて距離を計測する手法ならば、植生が地盤上に存在するという位置関係を反映して植生でのレーザ光の反射点は基本的に地盤上の反射点より上側に分布する。よって、反射点の分布の下側の輪郭が地盤の形状であると推定することが可能である。これに対し、ＳＡＲにおいては、ヘッド部２０が移動する間に例えば、草本が風で揺らぎ、レーダー波の反射点が不規則に変動し得るため、植生からの受信信号を合成開口処理して得られる反射点の位置は実際の植生の位置となる保証はない。つまり、合成処理により地盤より低い位置に反射点の位置が算出されることも起こり得るため、上述したレーザ計測での地盤推定手法をＳＡＲに適用することは難しい。

そこで、斜面変位連続監視システム１はこのような植生が疎らである場合に、別途の手法で解析装置８での演算処理により地盤の形状を推定する。図４は斜面変位連続監視システム１による地盤形状の推定処理の概略のフロー図である。

まず、植生が存在しない状態にて、計測対象領域の地盤から得られるＧＢ−ＳＡＲ２の計測結果、及びコーナーリフレクタ１０から得られる計測結果に基づいて、解析装置８は計測対象領域の地盤の形状を求め、これを基準形状として記憶する（基準計測ステップＳ５）。例えば、植生が存在しない時期Ｔ_０ではＧＢ−ＳＡＲ２は地盤からの反射波を受信でき、解析装置８はその受信信号に基づいて方向θ_ｉにおける地盤までの距離Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_０)を算出し基準形状として記憶する。ここで、記号θ_ｉはレーダー波の照射角内にて離散的に設定される複数の観測方向（観測点）のうちのｉ番目の方向を表しており、α番目のコーナーリフレクタ１０の方向に対応する添字ｉはξ(α)と表す。

植生が存在し得る時期Ｔ_ｊでは、解析装置８はコーナーリフレクタ１０から得られる計測結果の時間変化に応じて基準形状を変化させ、計測対象領域の地盤の概略推定形状を求める（概略形状推定ステップＳ１０）。つまり、植生が存在する場合でも計測結果Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)のうちコーナーリフレクタ１０に対応する計測結果Ｒ(θ_ξ(α)，Ｔ_ｊ)は植生の影響を受けず信頼性が高いと期待できる。そこで、時期Ｔ_０でのＲ(θ_ξ(α)，Ｔ_０)に対する時期Ｔ_ｊでのＲ(θ_ξ(α)，Ｔ_ｊ)の変化量δ(θ_ξ(α)，Ｔ_ｊ)に応じて、補間演算などによりコーナーリフレクタ１０以外の方向θ_ｉにおけるＲ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)の変化量δ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)を見積もり、当該変化量とＲ(θ_ｉ，Ｔ_０)とから例えば、次式により概略推定形状を表す距離Ｒ'(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)を算出する。

Ｒ'(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)＝Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_０)＋δ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)

そして、解析装置８は計測対象領域にて観測点ごとに得られる計測結果Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)のうち概略推定形状からのずれ（｜Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)−Ｒ'(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)｜）が予め定めた基準値λより大きいものは植生等に起因するノイズであるとして除去し、ずれがλ以内のものだけを用いて計測対象領域の地盤の修正推定形状Ｒ^＊(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)を求める（修正形状推定ステップＳ１５）。これにより植生等に起因するノイズの影響を軽減でき、地盤形状の推定精度を向上させることができる。

例えば、基準値λは実験等により定めることができる。また、時期Ｔ_ｊは一時刻である必要はなく、ＧＢ−ＳＡＲ２による複数回の計測を行い得る期間であってもよく、各観測方向θ_ｉについて得られる複数の計測結果Ｒ(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)の分布に基づいて基準値λを定めることもできる。この場合、観測方向θ_ｉについての計測回数の増加に応じてλを小さくすることができ、推定形状Ｒ^＊(θ_ｉ，Ｔ_ｊ)の精度向上を図ることができる。ちなみにＧＢ−ＳＡＲ２は数分に１回の計測を行うことができるので、比較的容易に多数回の計測を行いデータを集積することができる。

上述のように本斜面変位連続監視システム１を用いることで、火山や土砂災害発生地における斜面の連続的変位監視を行う際に、植生の影響を被りにくくし計測精度の維持を図ることができる。特に好ましくは溶岩ドームに設置すると、災害防止に好ましく用いることができる。特にＫｕバンドのＧＢ−ＳＡＲ２は高精度の計測が可能である一方、植生の反射の影響を受けやすいが、本発明によれば、その影響を軽減することができる。

１斜面変位連続監視システム、２地上設置型合成開口レーダー（ＧＢ−ＳＡＲ）、４制御装置、６データ蓄積装置、８解析装置、１０コーナーリフレクタ、１２，１４通信装置、１６通信回線、２０ヘッド部、２２レール部、２４送信アンテナ、２６受信アンテナ、３０三脚、３４カバー。

Claims

地上に設置した合成開口レーダーから電波を照射して、植生が存在し得る計測対象領域の地盤の変位を計測する方法であって、
前記計測対象領域内にて前記地盤から所定の高さに、前記電波を前記合成開口レーダーへ反射するコーナーリフレクタを設置し、前記所定の高さは当該コーナーリフレクタが前記植生の上に現れる高さであり、
前記植生が存在しない状態にて、前記計測対象領域の前記地盤から得られる前記合成開口レーダーの計測結果、及び前記コーナーリフレクタから得られる前記計測結果に基づいて、前記計測対象領域の前記地盤の基準形状を求める基準計測ステップと、
前記コーナーリフレクタから得られる前記計測結果の時間変化に応じて前記基準形状を変化させ、前記計測対象領域の前記地盤の概略推定形状を求める概略形状推定ステップと、
前記計測対象領域にて観測点ごとに得られる前記計測結果のうち前記概略推定形状からのずれが予め定めた基準値以内のものだけを用いて、前記計測対象領域の前記地盤の修正推定形状を求める修正形状推定ステップと、
を有することを特徴とする地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法。
請求項１に記載の地盤変位計測方法において、
前記合成開口レーダーの前記電波の周波数帯域はＫｕバンドであること、を特徴とする地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法。
請求項１又は請求項２に記載の地盤変位計測方法において、
前記計測対象領域は斜面であること、を特徴とする地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法。
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の地盤変位計測方法において、
前記コーナーリフレクタの全体又は開口部は、前記電波を透過し、かつ耐候性を有する材質からなるカバーで覆われていること、を特徴とする地上設置型合成開口レーダーを用いた植生域に対応した地盤変位計測方法。