計測自動制御学会東北支部第1占0回研究集会（19姐5．訓）
資料番号160−ユ

電気探査の白動化とデータ解析の一検討
ImplementationofAntomaticElectricSoundin旦
andEvalllationofDataAnalysis
O村上 武●、工藤博司■■、吉田等明●、恒川任隆●、三浦 守●

OTakeshiMurahmi．，HiroshiKudo ●，HitoakiYoshida●，YoshitahTsundkawa●，MamoruMiura一●岩手大学、●一様小路電機●Iwatet）miversity，●●saknraK叫iElectTicLtd．
キpワード：遺跡（historicruins）、電気探査（e）ectricsounding）、垂直探査（vertica）soutldi喝）、ウェンナ法（Wennera汀ay）、比抵抗法（ー亡由一ivitysⅦⅣ甲）

連絡先：〒肥0−01盛岡市上田4丁目3−5岩手大学工学部情報工学科
三浦 守、Tel・0196−21−6471，Fax．O196−21−6471，E−mau＝mamOrtI＠cis．iwate−u．aC．jp

l． はじめに体像を見いだせるようにした。また、実際に本システム巷用いて明らかになったデータの電気探査とは、地中を拘らずにそれを調べ信頼性に関しても検討を行っている。

るための手段の一つである。探査対象には鉱脈、水脈などのように形状として比較的大き2．従来の電気捷査法な場合もあるが、本研究では、比較的小さい

2．1電気探査法とは部類にはいる地下埋蔵物（遺跡）を探査対象地面に電流を流すと、土の持つ性質の遠いとしている。

従来、遺跡標査のための電気探査法は時間により電流の流れ方か異なり、土中に配置しと人手がかかる作業であり、またその場で直た電極間の電圧の大きさも場所により異なっちに解析することは行われていなかった。て現れる。そこでこの電極配置における抵抗

本稿では、電気探査システム巷ハードウェ値（比抵抗値）を求め周開との測定値と比較ア・ソフトウェア両面から自動化し、データして相対的な抵抗値の違いから土壌を区別しを実時間で観測できるシステム巷構築したのたり、目的の対象物を見いだそうとする方法

で報告する。データ解析では、探査終了後すである。乾いた土は抵抗か高いであろうし、ぐ解析できるように、比較的簡単な処理で全湿った土は抵抗が低いことは理解できる。こ1

のような特徴を利用して、見出すことが可能

了壊となりデータの確認が遅れることなどがとなるl）。

間借となっていた。

他の地中探査法としては地中レーダーを用いた探査が有名であるが、これは地中に水分3．新しい電気探査システムが多く含まれていると正しいデータを得るこ

3．1システムの構成
新しいシステムの構成を図3．1に示す。破とができない。しかし電気探査では地中の水線の範周内が新しく開発した部分である。

分が多いほど良いデータを得ることができる。

このように、条件に応じて様々な探査法を使′− − ● ■■− ■ ■■・■■■■− ■ ■ ■■い分けることが確実な探査データを得ることにつながる。

2．2 電極配置
電気探査睦の一つである比抵抗法においては一対の電流電極の間に電流Jを流し、他の一対の電位電極間の電位差且を測定する。良図3．1新しい電気探査システムの構成

く用いられるウェンナ法と呼ばれる電極配置を図2．1に示す。これは一直線上に電極が等間隔に並ぷ配置である。

Cl

Pihl PirL2 Pin3 PirL−1 PiT］占／〟〟／図3．2 切替装置基本概念図
CIC2：馬流t臨
Pl匹：電位電極

このシステムの特徴として、切替装置の自図2．1ウェンナ故における電極配置動化による探査時間の短縮及び測定データを直ちに自動的にパソコンに読み込み、実時間2．3 従来の測定システムの欠点でデータを視覚化できることが挙げられる。

従来のシステムは、−測線の探査において、垂直探査および水平探査を同時にできること及び様々な屯極配置で馳走できる点については優れている。しかし、探査時間がかかること、電極を切り替える作業と記録する作業など手数を要すること及びデータ解析が測定終2

3．2 ハードウエア構成

チのビットパターンと同じ借号がアドレス線

3．2．1動作の概要に出力された場合にSNT43丁3のENABLE端子

本装置は、4極法による見掛け此抵抗測定への出力巷変化させ、SNTヰ373の出力信号のにおいて、予め大地に打ち込まれている嶋本変更を許可する。SN74373は出力信号の変更の測定ピンの内、任意の4本のピンに測定器を許可されている間だけl／0ポートから送の電流電極、電位電極を接続して測定を行い、られてくるデータ線の借号巷出力側に伝え、測定データをパソコンに人力する装置である。

変更の許可が取り消された時点でその値巷ラ

相木のピンはリレーによって測定器の電流ッチする。すなわち、この場合はSN74鵬8に電極端子（Cl，C2）および電位電極端子（Pl．

人力さるアドレス指定信号かDIPスイッチのP2）の何れかに接続されるようになっている。

設定と違うものになった時点で、その直前に図3．ユのようにパソコンからの制御信号によⅠ／0ポートからデータ親に出力されていたって、適切な4つのスイッチを閉じることに信号をラッチする。S7437ユの出力はリレーよって接続される。

をON／OFFするトランジスタ2SC1815の本装置は大きく分けて、電橿接続の制御回ベースに接続されており、指定されたリレー路と、抵抗読取装置（RM4）からのデータを取込だけが動作する。

この場合、SN74373の出力の1Qと5Q、む回路からなる。それぞれについて以下に述

2Qと6Q、3Qと7Q、4Qと8Qかそれべる。

ぞれ測定電極の1番と2番のCl，Cユ，Pl．PZ
3．2．2 電極接続制御回路に対応していた場合、データ線ギは2進数で制御回路の構成は概ね囲3．3の様になって10000010が出力されていれば、1蕃いる。切替回路は、図3．4に示すとおり、ピンにCl，2番ビンにPlが接続される。

SN74373（1atch）、SN74688（COmParatOr）、DIPス

イッチ、リレーからなっており、1つの単位回路で8つのリレーを制御している。

拡褒l／0ボード
丁ドレス

8つの＝l】PSl

リレーは各々、電橿ピンのCl，C2，Pl，陀へのD肌＝l・‥日劇鳩トー」

接兢に対応しており、1つの単位回路で2本『ト1世

丁43一円

丁伯円
≠ニケの測定ビンを制御している。

†

例えば、測定電極ビンの1番と2蕃をそれl

図乱3 切替装置ブロック図

ぞれ、ClとPlに接続する場合、このピンを制御する回路にDIPスイッチで設定されているアドレス倍号巷I／0ポートから出力する。
SN74鵬8は自らが接続されているDIPスイッ

3（1）アナログデータ変換

抵抗値のアナログデータを12ビットのデジタル借号に変換する。A／D変換には
ADC5了ヰヱCを用いているが、このICのユニポーラ入力のフルスケールが0〜10Vであるため、オペアンプによって増幅を行っている。パソコンからのA／D変換開始指示は、Ⅰ／0ポートの出力がすべて測定ビンの制御に使用されているため、プリンターポートを使用している。また、本回路では、A／D変換ICの終了信号検出を行っていないため、変換開始借号の送出からつ5〝S印以上の遅延時間をおいてからデジタル倍号の読み込みを図3．4 切替装置基本回路行う必要がある。
12ビットデジタル信号に変換された抵抗値データはヱSC1815によってレベルコンバートされ、Ⅰ／0ポートに出力される。
∽・測定レンジデータ

測定レンジのデータは、2ビットのデジタルデータとして抵抗読取装置RM4から出力されるが信号のレベルがTTLレベルではないために、そのまま利用することができない。

図3．5 データ入力回路

また、RM4の内部回路の特性が原因で、RM4のデジタルグランドを本回路に引き込ん3．2．3 データ入力回路で利用することができないため、RM4のバデータ入力回路を図3．5に示す。抵抗計取ッテリチャージャの端子電圧とレンジ信号の装置RM4からは抵抗値のデータが0〜2V

レベルをコンパレークによって比較し、TTのアナログ信号で、測定レンジのデータが2Lレベルに変換してⅠ／0ポートに出力してビットのデジタルデータで出力される。本回いる。

路はこれらのデータを変換して、Ⅰ／0ポートに送り、パソコンはこの2種のデータから測定データの抵抗値を算出する。
4

4．データ解析

見掛け比抵抗㌔ピン間隔：d1測線の測定が終了後または測定中にでも解析できるように、できるだけ簡単な解析方法の検討を行う。

4．1原理と前提条件
ヰ．1．12層構造
まず、探査の対象となる地下の構造を、埋固4．12層構造蔵物からなる層（以下遺跡層）と、その上の堆積層の2層構造（図4．1）と仮定する。

1005201p．／pl

実際にこの仮定を満たすために以下の条件が必要である。

条件1：堆積層及び遺跡層における比抵抗のばらつきが、それぞれの比抵抗の差より十′

この先件により、堆積層及び遺跡層の比抵

l＝コ■†分小さい

ll−110抗を一様とみなすことができる。
条件2：見掛け比抵抗の垂直変化を遺跡層より下の第3屑の影響が十分小さいほどのピン間隔までにとどめる。

ただし垂直変化とは、ピン配置の中心を変図4．2 2層構造の標準曲線えずにピン間隔を変えたときの値である。
ヰ．1．2 2層構造の標準曲線2I
理想的な2層構造を仮定したときの見掛け
比抵抗の垂直変化を示す曲線（＝標準曲線）を図4．2に示す。また、実際の測定データにおける垂直変化の例を図4．3に示す。この例では4．1．1で述べた条件2を満たすた捌こ、ピン間隔をおよそ1．5mまでにとどめる必要があ
図4．3 実際の垂直変化る。

5

4．1．3 堆積層と遺跡眉の比抵抗（ii）Jく0のとき

榊測線における堆積層と遺跡層の比抵抗値

α＝肌1−可月，角を以下のように設定する。

占＝一叫（1一頃・深いほど比抵抗が大きいとき；（∫≦可仕＜∬≦1）

A＝（最小ピン間隔のデータの最小値）−ごニ＝十角＝（最大ピン間隔のデータの最大値）（よ∵＞1）

このようにして求めた標準曲線の近似直線を・深いほど比抵抗が小さいとき；

図4．4に示す。

月＝（最小ビン間隔のデータの最大値）
角＝（最大ピン間隔のデータの最小値）

tひ

当然正確な値とはいえないが、一定値を用P．／pll一几yいるという目的で、測定データの中で最も近ll一一〇一〇▲．1一いと思われる値を設定した。

一l′′′′′′′′

4．1．4 標準曲線の直線道側

t．一10卿儀一図4．4 標準曲線の近似直線

して第1層および弟2層の比抵抗の比をJ＝lo苫．。（角／月）4，21蹄析手帳としたとき、以下の式で近似直線鼎）を表す。

4．1で検討した原理、仮定及び簡単化を利用して次の手順で解析を行い、一利線の予測（i）J≧0のとき深度を求める。
＜手順＞

α＝仰＋1一点）

ある一測線の測定データがあるとき、14．1．ヨ

占＝一叫（J＋1一点）の方法で堆積層と遺跡層の比抵抗値爪，角を（∬≦鳥）（鳥＜r≦J＋1）求める。それにより標準曲線の近似直線′が（＃＞J＋1）

1本決まる。
遺跡層の予測深度ムを求めるには、∫−をビン間隔、γ−を見掛け比抵抗値としたとき、垂6tJt01▲U′0．1を帆0）とする（ここでは鳥＝一0．3とした）。そ

ヰ‡占

一t一′

標準曲線の収束点をある一点に定め、その点▲ロ■

llt一ll喝川1＝0に収束していることから、簡単化の際、

几■l︼−Ut・・llを行う。横軸エが小さくなると、縦軸の値は−t−一一b二︳−1t

計算の簡単化のため、標準曲線の直線近似

直変化データ（∫‖苫）と、標準曲線を近似した〝：た＜旦≦J＋1となるような要素の数直線′との誤差の合計

α＝乃α

コ

β＝一加（〃占＋α∑∬f− ∑羊）∫＝∑（′（logl。（ち／嘲−1喝血／爪げ（1）上＜∬1≦J＋l k＜旦封＋1

γ＝鵬ユ十加古∑∬．…ユ ∑ギl

鳥＜∫l封＋lが、最小になるように力を設定してやればよ

た＜石≦ルⅠ

一拍∑羊一加∑∬fγ＋ ∑羊ユい。実際は、∫が最小となった烏（hld）をもう上＜∬J≦上＋】一度式（1）に代入して新しい力（カn。W）を求め、と＜∫J≦hl

鼻くユ1≦J＋】＋∑彗ユ＋∑（トげ∬l＞…

∫l≦上】れ。W一転．。lをある誤差以下まで繰り返す必である。

要がある。

Pユ／月≠1とすると、α＞0であるから、㌫具体的には次のようになる。簡単のためJ≧0

は軋＝一旦のとき最小値をとる。
αつまりβコ＞β1のときに限定して考える

ヱ

このとき予測深度力椚＝10〃・−1＋月椚となる。

手法）J≧0のとき

れ一転1l≧どの場合は舟爪を㌦1に代入して一揖J（IV 占＝J＋l一点繰り返し計算を行う。

J＋l一点∬f＝lo軌。（方．／JLl），耳＝log．。（几／爪），〟〃＝log10仲椚）

4．3 解析結果

軋＝㌦軋＿い 軋＝log．。（㌦）この解析方法における結果を示す。解析にとする。ただし椚は誤差を減らすために繰り用いたデータは、宮城県の東森遺跡（図4．5）

返す回数‡m＝1，2，‥・‡であり、毎として0の第1、2測線から得られたものである。

より大きく、かつ十分小さい値を設定してお両測線とも傾向として真ん中が低くなってく。このとき、標準曲線を近似した直線′と、いるのが見てとれる。円墳の周りに放射状に測定された垂直変化データ（∫i，r）の誤差は測線を取っているため、円墳の周りに堀が存

次の式で表される。

在していたという伝説とよく符合するものである。

∫M＝∑羊ユ＋∑‡′（旦一札）−げ∬上≦たた＜∫l≦川II1（2）‖ ■■‖ 十・∑（トげ∬一＞一＋1式（2）を軋でまとめると、∫椚＝感肘2＋犀川＋γとなる。ただし、

図4．5 夷森古墳周辺の略図

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5．データの借頼性に関する検肘徳丹城跡（図5．1）における探査データをもとにデータの信頼性に関する検討を行う。

まずは解析結果を図5．2に示す。これは測線

図4．6 東森遺跡第1測線の予測深度ごとの解析結果をまとめて表示したものである。

結果を見てみると第4、5測線を境として北側と南側では傾向に大きな違いがみられる。
経験的に南側のような比較的緩やかな変化を
図4．7 東森遺跡第2測線の予測深度示すのが一般的であり、北側のように極大・極小のまとまりが多く存在することは、何らかの異なる探査条件が含まれていたことを予想させるものである。図5．2のように全測線を統合して一つの傾向を示すためには、当然測線全体で条件が同じである必要があり、その様な変化が起こる前に何らかの形で判断する必要がある。
ところで、電気探査では電流を流してから測線番号電圧が安定するまで数秒の時間がかかる。本
システムでは単に見掛け比抵抗値を得るだけでなく、数秒の待ち時間の間に変化する見掛け比抵抗値データも取得できる。ここでは第図5．1徳丹城跡における測定場所の周辺図

1測線と第9測線におけるピン間隔2．Omの最初の測点について図5．3に示す。
囲5．3（b）では時間とともに約2．6［良］位に落ち着いているのが分かるが、図5．3（a）では一定値に安定しているとは言えない。ここには示さないが、第5測線以北と第6測線以南

図5．2 解析結果でそれぞれ図5．3（a），（b）と同様の傾向が見られた。ここには示さないが、第5測線以北では（a）と，第6測線以南では（b）と同様の傾向が見られた。

呂次に第1測線及び第9測線の全てのデータについて、電流を流してから2秒から3秒までの見掛け此抵抗値の料散を図5．ヰに示す。
図5．4で明らかに第1測線では第9測線と比して値が大書くぼらついていることが分かる。第6測線以南では、ほぼ金側点において分散が0．1以内に収まっている■が、第5測線（a）弟1測線以北では分散偉か0二1以上のデータの割合は表5．1のようになっている。これから、データの信頼性巷ある程度知ることができる。

表5．1分散が0．1以上のデータの割合
測線番号234541．7％ 44．7％ 87．1％ 88．6％ 47．7％（b）第9測線

この傾向は、測定後のデータ解析によって図5．3 見かけ比抵抗値の変化明らかになったものであるが、測定中に明らかになれば、その原因を追究したり最測定巷行うことができ、信頼性に欠けるデータに対しては、直ちに最測定が可能となる。今後、本システムにこの機能番組み込み、確認を行いたい。

（a）第1測線

6． まとめ従来の電気探査の欠点を補うペく、新しい電気探査システムの開発を行い、電極ピンの切替及びデータ取得を自動化することにより、探査時間の短縮、作業効率の向上及び実時間でのデータ表示が可能となった。また、デー（b）第9測線

タ解析においては、比較的簡単に地下の傾向

図5．4 測線の全測点におけるを観測でき、データの信頼性を見境もること見掛け比抵抗値の分散値がで書た。

9今後の課題としては、信頼性に問題のあるデータがでて卓ても、そこを隣り合うデータで補間することが考えられる。実際、補間巷行い解析したが、補間した結果を確かめる手段がなかったため、その結果についてここでは省略した。

甜辞

本システムの全体構成及びハードウェア設計は、森 正人さん（岩手大学教育学部）が行ったものです。ここで深く感謝申し上げます。

参考文献

1）西村 康：発掘しないで遺跡痘知る、106、朝日新聞社（198g）

ユ）図解物理探査，1氾／198，物理探査学会（19B9）

協力機関 矢巾町政育重点会

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