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-74-
2004年9月
APA No.87-9 財団
法人日本測量調査技術協会
9.「VRS-TS」測量方式を用いた地形測量
- ネットワーク型 RTK-GPSの公共測量への応用 -
呉 新華※ 三 島 研二※ 三 島 義徳※
笹 川 正※ 橘 菊生※
1.概要
次世代GPS測量方式としてネットワーク型
RTK-GPSが脚光を浴びている中、日本国内にお
いて、その公共測量作業マニュアル(案)が
今年作成され、7月に公開された。株式会社
パスコではH14年から、仮想基準点(Virtual
Reference Station、以下VRSと呼ぶ。)方式を
用いた独自の「VRS-TS」測量方式を考案し、
フィールド実測実験などに基づいてその測位
精度を検証することによって、公共測量にお
けるこの新しい測量方式の実用性と有効性を
確認してきた。
本論文では、昨年の公共基準点測量に続い
て、数値地形測量での実証実験例について紹
介する。
2.VRSを取り巻く動向と当社の取り組み
VRS(Trimble社の登録商標)方式は複数の
基準点を使ったRTK-GPS技術であるため、ネッ
トワーク型RTK-GPSとも呼ばれている。VRS方
式が日本に正式に導入されてから4~5年経
過するが、位置情報そして応用計測の実用化
に至る国内の背景には、
(1) 広域高精度リアルタイム測位技術の
ハードとソフト面での進歩
(2) 国土地理院による電子基準点リアル
タイムデータの提供と拡大
(3) 位置情報サービス(LBS)をビジネス
とする民間事業の成長
などが挙げられる。
このような状況で、位置情報基盤の役割を
果たす電子基準点リアルタイムデータの公開
はVRS実用化に拍車をかけた。H15年度末現在
1,224点まで整備された電子基準点は、これま
で2年間をかけてほぼ全点(H14年6月~200
点;H15年5月~645点;H15年10月~931点;
H16年7月~1,180点)開放することになりつ
つある一方、GPS測位技術の標準化も進められ
ている。(社)日本測量協会に事務局を置かれ
たGPS測位技術の標準化検討委員会では、作業
マニュアルに関するワーキンググループが今
年3月、「ネットワーク型RTK-GPSを利用する公
共測量作業マニュアル(案)―基準点測量―」
をまとめ、7月から公共基準点(3、4級)
の測量に適用された。
当社では、H14年から、公共測量でのVRS
利活用にいち早く取り組んできた。VRS方式に
よるRTK-GPSとトータルステーション(TS)に
よる多角測量を組み合わせた測量方式を独自
に考案し、VRS方式による新点間をTSによる多
角測量方式で結合した閉合差で点検する方式
を採用した(以下、「VRS-TS」測量方式という。)。
また、公共測量へ適用させるためにいくつか
の実証実験をフィールドで行い、これによっ
てその測位精度、問題点を含めた実用性、有
効性などを確認した。更に、公共基準点測量
用と数値地形測量(以下、地形測量という。)
用の社内作業用マニュアル(案)をそれぞれ
検討、作成し、この新しい「VRS-TS」測量方
式を提案してきた。
第26回 技術発表会論文特集
-75-
3.「VRS-TS」を用いた地形測量
3.1 「VRS-TS」の基本的な考え
ネットワーク型RTK-GPSの一種であるVRS方
式では、複数の基準点がカバーするエリア内
では任意の場所にVRS点の設置ができるため、
従来のRTK-GPSのように基準点と観測点の距
離の制約を免れることができ、GPS受信機1台
で高精度のリアルタイム測量が可能である。
しかし、市街地や山間部など上空の開きが限
られている地域においては、VRS方式による観
測は時間・場所などに左右されやすく、「いつ
でも・どこでも」安定した精度の測位は現時
点でまだできていない。
VRS測量は測点間の視通を必要としないが、
上空が開けていなければならない。一方、TS
測量は上空の開きは必要としないが、測点間
の視通がなければならない。そこで、精度が
良好であるVRSの測位結果を採用し、TS測量方
式で精度を点検すれば、VRS方式とTS測量方式
の特性を十分に生かせる。この測量システム
が「VRS-TS」測量方式である。すなわち、
「VRS-TS」測量方式は測地的な絶対位置で得
られるVRS新点の測量結果に対して、相対的な
位置関係が幾何学的に決定されるTS測量方式
の結果の閉合差で精度評価をする方式である。
「VRS-TS」測量方式による「公共基準点測
量」については昨年報告したが、本論文では
「VRS-TS」方式による「地形測量」について
紹介する。
3.2 「VRS-TS」による地形測量
「VRS-TS」による地形測量は、近傍に既知
の基準点が不足する場所やVRS方式のみによ
る地形、地物等の測定が不可能な場合などで
の測量手法である。その基本的な考えを簡単
に記述すると、以下のことがポイントとなる。
(1) 作業現場付近の上空の開きが良好な
ところに精度の良い基準点を容易に作り、
測地座標における絶対位置を持つこれら
の基準点をVRS図根点として利用できる
こと。
(2) VRS 観測に適しない場所では、点間視
通さえとれれば、VRS 図根点をTSの多角
測量方式で結合することによりVRS測量
方式の精度を評価し、地形測量を行える
こと。
(3) 異なる測量方式での精度評価を行う
ことで、VRSとTS両方式の利点を生かし、
互いの欠点を補う効率の良い地形測量と
なること。
これは単にVRS新点の結果をTSの多角測量
方式で結合するのではなく、VRSによる
RTK-GPS測量方式の精度評価にTS測量方式を
積極的に利用することでもある。
3.3 地形測量の方法について
「VRS-TS」測量方式を用いた地形測量の方
法としては、地域内又は周辺のVRS観測が可能
な場所にVRS図根点を3点以上設置し、さらに、
VRS観測ができない場所にTS等を用いて地形、
地物測定に必要なTS図根点をVRS図根点に基
づいて設置する。これらの図根点を基にTS方
式によって地形、地物等を測定し、地形図等
の作成に必要なデータを取得する。その後、
取得したデータを編集し、地形図等を作成す
る。図根点および基になる既知点の種類、そ
して測量の方式は表-1の通りである。図-
1は「VRS-TS」測量方式による地形測量のイ
メージを示している。
表-1 図根点および既知点の種類、測量の方式
図根点の種類 既知点の種類 測量および測量方式
VRS図根点 電子基準点 VRS方式によるRTK-GPS
TS図根点 VRS図根点 TS方式(多角測量方式)
-76-
図-1 「VRS-TS」測量方式による地形測量のイメージ
「VRS-TS」による地形測量の手順をもう少
し説明する。まず、上空開き及び地上の視界
が良好で、TS整置可能な場所で各VRS図根点を
選定する。VRS図根点には標杭等を設置し1
セット(10 エポック以上)の観測を行う。直
接測定したVRS図根点の測地座標を点検する
ため、再初期化した2セット目の観測を行い、
セット間較差が許容範囲内か否かを確認する。
次に、観測エリア内において、地形、地物等
の状況により視通可能な場所でTS図根点を一
定な密度で配点する。続いてVRS図根点から、
TSを用いて結合多角方式によりTS図根点を測
量する。VRS図根点を基にしたTS図根点の配置
は2次点までとする。さらに、各図根点にお
いて、TS放射法により地形・地物の細部測量
を実施する。
「VRS-TS」測量方式による地形測量は、こ
れまで地形測量の選択肢ではいずれもクリア
できない問題点を想定し、あらゆるケースに
も対応できるコスト・効率・精度の良い方法
である。このことを実証するための実験例を
紹介する。
4.VRS-TS地形測量の実証実験例
4.1 実験の概要と方法
以下に、当社の本社近くで最近実施した観
測とその結果を示す(図-2を参照)。VRS図
根点(①~③の3点)測位観測に使用した機
材はライカジオシステムズ社の最新のGX1200
系GPS測量機である。比較のため、SR530も用
いて観測を行った。TS図根点(6点)および
各図根点における細部測量(約400点)ではニ
コン製のトータルステーションを使用した。
実験の概要は下表-2の通りである。表-3
は実証実験の観測方法について詳細に示して
いる。
-77-
図-2 実験の場所およびVRS図根点(東京都目黒区)
表-2 実験の概要
実 施 日 時 平成16年5月24日(月)~ 25日(火)
実 験 場 所 東京都目黒区 図-2を参照
図 根 点 VRS図根点=3点; TS図根点=6点 図-6を参照
細 部 測 量 地形 地物の測定点=約 400 点 図-6を参照
使 用 測 機 Leica GX1230/AX1202、 Leica SR530/AT502; Nikon GF-1
VRS補正データ GPSnet(トリンブル社)システムによるJENOBA データ配信
表-3 実験の方法
スタテックによる観測(観測時間:2時間;データ取得間隔:30秒)
衛星仰角≧15°(観測点)
10エポック/1セット VRS図根点 VRS による観測
(時間・機種別)
制限値: PDOP≦4、H≦±20mm、V≦±30mm
TS 図根点 TSによる多角測量
細 部 測 量 TSによる放射法測量
①
②
③
-78-
4.2 VRS 図根点の観測
4.2.1 観測結果
観測結果を検証するため、VRS図根点①、②、
③ではGPS によるスタティック観測(図-2
の写真を参照)とVRSによるRTK-GPS(図-3
の写真右を参照)の2通りの測位をそれぞれ
行った。後ほど紹介するVRS方式の測量結果お
よび精度検証は、すべてスタティック観測結
果を比較の基準としている。
GPS衛星を受信する上空開き状況を示した
のは図-3の写真左である。VRS図根点③では
近傍に高い樹木(写真下の手前側)が多いた
め、上空の視野が比較的に狭く、①、②と比
べて観測環境は劣っている。
VRS図根点①
VRS図根点②
VRS図根点③
図-3 VRS図根点における上空視界・VRS測位風景
VRS図根点の観測に当たっては、位置情報
サービス事業者JENOBA社の配信データを受信
してVRS観測を行った。各点の観測では連続10
エポックの平均を1セットとし、座標を計算
する最大のPDOPおよび1セット内の標準偏差
を表-3のように設定した。
-79-
スタティック結果を比較対象としたVRS図
根点の測位結果を下図に示す。縦軸はVRSとス
タティック観測による測位3成分の較差(左)
とGPSの衛星数およびDOPの状態(右)、横軸は
2日間の各観測のセッションおよび使用したGPS
受信機(G: GX1230; S: SR530)を示している。
VRS図根点①
-150
-100
-50
0
50
100
150
24A_G
25A_G
25B_G
25C_G
25C_S
25D_G
25D_S
mm
0
3
6
9 ΔX
ΔY
Δh
SVs
Hdop
Vdop
VRS図根点②
-150
-100
-50
0
50
100
150
24A_G
25A_G
25B_G
25C_G
25C_S
25D_G
25D_S
0
3
6
9 ΔX
ΔY
Δh
SVs
Hdop
Vdop
VRS図根点③
-150
-100
-50
0
50
100
150
24A_G
25A_G
25B_G
25C_G
25C_S
25D_G
25D_S
0
3
6
9 ΔX
ΔY
Δh
SVs
Hdop
Vdop
図-4 VRS図根点のVRS測位結果
-80-
上図により、本実験のVRS図根点の観測結果
全体についてまとめると、以下のような結論
が得られる。
(1)スタティックとVRSによる水平位置の較
差はすべて5cmに収まっており、その平
均値は2cm以内である。
(2)VRSによるVRS図根点の測位結果は、全
セッションにおいて、標準偏差が水平
2cm前後、高さ4~5cmの精度であっ
た。
(3)スタティックとVRSによる測位結果には
高さ成分の較差が大きく、正負極値の最
大較差は20 cm近くあると同時に、系統的
な誤差も見られる。
(4)VRS図根点①、②に比べ、③における高
さ成分のばらつきが一番大きい。これは
観測条件によるものと思われる。
(5)周囲に樹木が多く、観測環境が比較的
に悪いVRS図根点③では、測位結果に異常
が見られた。また、特定の時間帯で衛星
の配置状態によっては、必要なGPS衛星数
が不足するため、観測自体できなかった
こともあった。
(6)機種ごとによる比較結果では、顕著な
変化の傾向は見られず、全体および平均
値を見る限りでは、機種別の差異はない
と思われる。
4.2.2 精度評価
「VRS-TS」による地形測量では、既知の公
共基準点(3、4級)が不足する地域での作
業を想定しているため、VRS図根点は実にそ
の3、4級の基準点の役割を果たすものであ
る。
本実験では、VRS方式によるVRS図根点の全
実測値の精度について統計的に処理した結果
により、水平成分の標準偏差は、南北方向(X)
は 13.5 mm 、東西方向(Y)は 19.6 mm で、
いずれも2cm以内となっており、高さ方向は
やや大きく、44.7 mm である。表-4はVRS図根
点①、②、③の実測精度(標準偏差)を点別
に示している。
表-4 VRS図根点の実測精度(標準偏差)
No. X (NS) Y (EW) H (UP)
① 7.8 mm 22.6 mm 46.8 mm
② 13.8 mm 13.7 mm 39.7 mm
③ 12.4 mm 15.6 mm 35.6 mm
3点 13.5 mm 19.6 mm 44.7 mm
「国土交通省公共測量作業規程」第2編(基
準点測量)第2章(基準点測量)第42条によ
ると、1~4級基準点測量の許容精度は、TS
等観測およびGPS観測による新点水平位置の
標準偏差が10 cm 以内と規定されている。本
「VRS-TS」によるVRS図根点の実測精度をこの
許容範囲に準用すると、表-4の通り、VRS
図根点の測量精度は公共基準点測量精度の許
容範囲を十分満たしていることがわかる。
一方、VRSによる図根点の測量は特定の場所
において、観測時間によって観測不能や精度
劣化などが発生した。そのほとんどは観測点
周囲の樹木などの影響によるGPS衛星の受信
障害である。VRS図根点の実験観測は樹木が多
い公園で行ったことを考えると、場所によっ
てVRS観測の精度には若干改善できる余地が
あると考えられる。
4.3 「VRS-TS」による地形地物点の測定およ
び精度評価
VRS図根点(3点)に対する測量はスタ
ティック観測とVRS観測を行った。スタティッ
クによるVRS図根点の測位結果とVRSによる全
測位結果の平均値を用いて、TS結合多角方式
によりTS図根点(6点)の座標値をそれぞれ
測定した。さらに、TS図根点にTSを整置し、
放射法観測により地形、地物等の水平位置お
よび標高の測定を行い、全細部測量点(約400
点)の座標を得た。
4.3.1 TS図根点の精度
TS図根点はVRS図根点に基づいてTS多角測
量によって測定されるため、その観測誤差は
VRS方式の測量誤差およびTS測量方式の測量
誤差に依存する。
本実験では、VRS測量の標準偏差は水平2cm
前後である。また、同一のVRS図根点に対して、
-81-
TSによるトラバースの座標閉合差は3.1cm で
あった。よって、ここでは、
VRS測量方式の精度 :≦±30 [mm]
TS測量方式の累積誤差 :≦±40 [mm]
とすると、
2 2(30[ ]) ([40 ]) 50
TSm mm mm mm+ =≦
となる。したがって、TS図根点の測量精度を
5cm と推定した。
本「VRS-TS」測量方式でのTS図根点は従来
の地形測量におけるTS点と同一ものと考えら
れる。TS点に関する精度については、「国土交
通省公共測量作業規程」第3編(地形測量)
第2章(平板測量)第89条によると、空中写
真測量における標定点の精度規定に準用とさ
れている。TS図根点の精度を評価するため、
TS点の精度規定を下表に示す。
表-5 TS点の精度規定
精度
縮尺 水平位置(標準偏差) 標 高 点(標準偏差)
1/ 500 0.1 m 以内 0.1 m 以内
1/ 1,000 0.1 m 以内 0.1 m 以内
1/ 2,500 0.2 m 以内 0.2 m 以内
1/ 5,000 0.2 m 以内 0.2 m 以内
1/ 10,000 0.5 m 以内 0.3 m 以内
上表により、縮尺1/500の地形図について、
TS点位置の水平および高さ成分の標準偏差は
それぞれ 10 cm 以内と定められている。TS
図根点の測量精度をこの規定に準用させる
と、許容値の倍以上良い精度を持つことに
なる。
4.3.2 細部測量点の精度
VRS図根点のスタティックによる測位結果
とVRSによる測位結果(平均値)に基づいて、
各細部測量点に対して2組の座標値が得られ
た。地形、地物点の測定精度を考察するため、
これら2組の座標値の差分をとり、その較差
を下図に示した。
-10
0
10
20
30
mm
ΔY ΔX
図-5 VRS図根点のスタティックとVRSによる測位結果に基づいた細部測量結果の比較
図-5により、各細部測量点の座標差につい
て、南北方向(X)は-7~+22 mm 、東西方向
(Y)は-2~+30 mm 、いずれも約3cm程度と
なっていることがわかる。上図の細部測量点の
座標差にはTSによる観測誤差を含んでいない。
TS結合多角方式およびTS放射法による観測
精度は従来のTSを用いる方法による図根点測
量および細部測量と変わらないため、
「VRS-TS」測量方式による地形地物点の測定
にはVRS図根点測量の影響が一番大きい。すな
わち、「VRS-TS」測量方式による地形地物点の
測定精度は、VRS方式によるRTK-GPS測位観測
-82-
の精度に大きく左右される。
一方、地形、地物等地上座標の測定精度に
一番影響を与えるVRS方式によるVRS図根点の
測位精度は、水平2cm前後、高さ4~5cmの
標準偏差であった。
本来地図は、縮尺の概念をもとにその地図
の表現を1枚の図面として行うが、数値地形
図の地図情報は縮尺によらない測地座標を用
いて記録されている。そのため、新しい概念
として、従来の縮尺の分母数に相当するもの
を「地図情報レベル」と定義された。従って、
地図情報レベルは個々のデータ項目そのもの
の持つ精度を表わすものではなく、図郭内に
含まれている全データの平均的な精度、すな
わち位置的な精度と数値図化時におけるデー
タ取得基準に基づく精度の両者が誤差の許容
値以内であることを表現している。
「国土交通省公共測量作業規程」第4編(数
値地形測量)第1章(概説)第1款によると、
地図情報レベルの総合精度(誤差の許容値)
は表-6に示す通りである。
表-6 地図情報レベルの総合精度
精 度(地上座標、標準偏差) 地図情報レベル
平 面 位 置 標高点の標高
250 0.125 m 以内 0.25 m 以内
500 0.25 m 以内 0.25 m 以内
1,000 0.70 m 以内 0.33 m 以内
2,500 1.75 m 以内 0.66 m 以内
5,000 3.50 m 以内 1.66 m 以内
10,000 7.00 m 以内 3.33 m 以内
図-6 「VRS-TS」測量方式による数値地形図
-83-
「VRS-TS」測量方式による地形、地物等地
上座標の測定精度を上表の規定を準用してい
る。地図情報レベルのこの総合精度に適用す
ると、表に示したように、地図情報レベル250
(相当縮尺1/250)の地形図について、地上観
測点座標の標準偏差は水平位置0.125m以内、
高さで0.25m以内とそれぞれ定められている。
よって、前節に述べたように、「VRS-TS」測量
方式による地形、地物等地上点の測量精度は、
全ての地図情報レベルの総合精度よりはるか
に高いことが実証されている。
図-6は本実験で、「VRS-TS」測量方式を用
いた地形測量により得られた数値地形図の概
略図である。
「VRS-TS」測量方式を実際の公共測量業務
に適用させる場合は、本方式による総合的な
精度管理・精度評価が有効であることが実証
された。
5.まとめと今後の課題
前述の通り、地形測量において、新しい
「VRS-TS」測量方式の実用性と有効性が確認
された。本実証実験例の実測結果および精度
により、「VRS-TS」測量方式を用いた地形測量
については次のように結論がまとめられる。
(1) VRS図根点測位結果の標準偏差は水平
2cm前後、鉛直5cm以内である。
(2) 「VRS-TS」測量方式による地形測量は、
地形図等の精度を十分満たしている。
(3) 異なるGPS機種を用いたVRS方式による
測位の結果には顕著な差異はない。
(4) 今後、より高い精度で安定した高さ方
向の測位結果が求められる。
VRS方式によるRTK-GPSの測位観測において、
通常の場合では大変高い精度でのリアルタイ
ム測位結果が得られる。一方、他のGPSリアル
タイム測位にも共通する誤差のほか、現時点
での技術段階では、測位結果の再現性にも問
題点が存在している。
本論文での実験例の測量結果にも示してい
るように、観測時間(GPS衛星の配置)、特定
の場所(観測点の環境)によって、測位結果、
特に高さ成分での精度劣化や観測不能などの
現象が確認された。VRS方式測位結果の再現性
が低下する原因に対する考察が必要であるが、
本論文ではこれを今後の課題とする。
また、既設基準点(測地成果2000)との整
合性も今後の課題の一つであると思われる。
測量地域近傍の既設基準点による測位結果と
遠方の電子基準点による測位結果の間の整合
性は、パラメータを求めて変換処理すること
によって一定の効果はあるが、地殻変動によ
る歪みの影響はいずれも解消されない。
謝 辞
本実証実験の実施にあたって、ライカジオ
システムズ 株式会社様から最新のGPS測量機
のご提供とご協力をいただきました。関係者
各位に深く謝意と御礼を申し上げます。
(※株式会社パスコ)
参考文献
1) 呉新華・松村正一・畑中雄樹・都筑三千夫:仮想基準
点方式によるRTK-GPSの実用化に向けて、日本測地学会第
96回講演会要旨集、2001
2) 西修二郎・松村正一・畑中雄樹・都筑三千夫・土屋淳・
吉村愛一郎・呉新華:GEONETを用いた仮想基準点方式に
よるリアルタイムGPS測位、地球惑星科学関連学会2002年
合同大会予稿集、D058 GPS、2002
3) 呉新華・三島研二・笹川正・三島義徳・橘菊生:VRS
方式による公共基準点測量および精度評価の新方法、
(財)日本測量調査技術協会 APA No.85-4、2003
4) 呉新華・三島研二・笹川正・三島義徳・橘菊生:VRS
方式測位における電子基準点変動の影響について、日本
測地学会第100回講演会要旨集、2003
5) 松村正一・畑中雄樹・雨宮秀雄・都筑三千夫・菅富美
男・呉新華:電子基準点を利用した仮想基準点方式によ
るRTK-GPS測位新技術、電子情報通信学会論文誌A
Vol.J87-A、No.1、2004
6) 社団法人 日本測量協会:国土交通省公共測量作業規
定 解説と運用 世界測地系対応版、2003
7) 株式会社パスコ:VRS-TS地形測量マニュアル(案)-
社内作業用-、2003