現地調査における地形情報取得のためのGNSSとTLS
早川裕弌
東京大学空間情報科学研究センター

GNSSやレーザ測量による地形情報

3

今日の話題

2

' はじめに' GNSSのしくみ' レーザ測量のしくみと種類' 地考古学・地形学の現場における地形測量– GNSSのみ（D, PPK/RTK）– レーザ測量（LRF）– レーザ測量（LRF, TLS）＋GNSS（D, PPK）

spatial & time scales by GNSS & TLS' 機材の性能向上にともなう…

– 高精度化・高解像度化– 高価格化・データ処理の複雑化

GNSS' 本当に必要なのは？

– 対象とするものの規模・形状– 現象の解明のために' 実例を通して考察

TLS

extents of temporal and spatial scales covered by each measurement method(after Heritage and Hetherington, 2007)

GNSS – Global Navigation Satellite System' 衛星からの電波を受信することにより、緯度・経度・高度の連続観測ができる測測位システム' GNSS：衛星測位システムの総称

GNSSののしくみ– GPS（アメリカ合衆国）、Galileo（ヨーロッパ連合）、GLONASS（ロシア）、北斗（中国）、QZSS（日本）ConstellationGPS: Original uploader was El pak at en.wikipedia

GPS – Global Positioning System
1978
最初の測地衛星の打ち上げ
1993
システムの正式運用
1996
平和的民生利用への政策指針
1998
GPS利用の日米協力推進体制
2000 May 精度劣化操作（SA）の解除
現在：衛星数24個（予備含め約30個）

△GPS
◎GNSS
iPod/Walkman
vs.
携帯音楽プレーヤ様々なGNSS受信機

9GNSSの基本構成' カーナビ' ケータイ' スマートフォン' デジカメ' 汎用ハンディ受信機' 測量用受信機＆アンテナ' ・・・・・・（長谷川ほか, 2002）

GPS衛星からの電波信号' 2種類の搬送波– L1帯：1,575.42 MHz– L2帯：1,227.6 MHz' 測距信号
32,000-40,000 km
QZSS（みちびき）

700 km 地球観測衛星（ALOS etc.）

400 km
国際宇宙ステーション

20,200 km
GPS36,000 km
静止衛星（ひまわり etc.）– 混線防止と衛星識別のため、疑似ランダム雑音符号（PRN）により暗号化される– C/Aコード：L1波、民生用に開放– P(Y)コード：L1・L2波、米軍用に限定(観測は可能)' 補正信号– SBAS (Satellite-Based Augmentation System)

GNSS測量の分類と概要

GNSS受信機価格帯（JPY）

観測時 成果 測位精度（水平適用領域間解析方向）
リア
船・車などのナ
数秒～
10 m～
ルタ
ビゲーション
数分
イム
リア
航空機のナビゲー
ルタ
ション、船位測
ディファレンシャル法
数秒～
0.1～数 mイム/（DGNSS）
数分
量、工事用車両
後処の運行管理理
1～4級基準点測後処
5 mm
量、地すべり観スタティック法＞60分
理
測
3～4級基準点測短縮（高速）スタ 10～20 後処
5 mm量
ティック法
分理
干渉測位 後処理キネマティック
3～4級基準点測後処
10-20 mm
＞1分量法（PPK）
理
3～4級基準点測
リア
リアルタイムキネマ 数秒～
10-20 mm
ルタ
量、地籍測量、1分
ティック法（RTK）
イム
公共測量

GNSS（GPS）測位法の種類
単独測位

相対測位

単独測位

15

' 1台の受信機を用いて同時に4個個以上の衛星からの電波を受信' 測点から各衛星までの距離!後方交会法によって観測点の位置を求める（長谷川ほか, 2002）

14' 単独測位

数千～数万' ディファレンシャル測位

数十万– 精度：101 m– 精度：10-1 ~ 100 m' 干渉測位（RTK, VRS, スタティック） 数百万– 精度：10-3 ~ 10-2 m

ディファレンシャル測位（DGPS）

16' 複数の観測点（基基準局と移移動局）で同時に単独測位を行い、固定された基準局からの相対位置で移動局の誤差補正を行う。

（長谷川ほか, 2002）

SBAS（Satellite-Based Augmentation System）

17

各地域におけるSBASの運用' 補正信号が静静止衛星から送信される– リアルタイムなディファレンシャル測位– 精度：5 m 程度

' 地域別に運用– 静止衛星であるため常時捕捉可能– 米国：WAAS (Wide Area Augmentation System)– EU：EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)– 日本：MSAS (MTSAT-based Satellite Augmentation System) =ひまわり' 航空機やハンディGPSにも搭載

米国WAAS：2003年7月～
日本MSAS：2007年9月～
欧州EGNOS：2005年～ インドGAGAN：2013以降

干渉測位

19

' 搬送波の位位相差を利用する
高精度測位法' 基線解析– 2台の受信機（基地局・移動局）!同時に受信した搬送波の位相差を測定– 基線ベクトル（受信機間の距離と方向）の算定' 整数値バイアス– 位相差測定で読み取り可能なのは1波長未満だけで、整数部分は不確定– 観測開始時にこれの確定（初初期化）が必要

干渉測位の種類20' 静的干渉測位（スタティック法）– 1時間以上の連続観測' 高速（短縮）スタティック法：10～20分' 動的干渉測位（キネマティック法）– 初期化（整数値バイアスを決定・保存）後、後処理で基準局と移動局間の基線ベクトルを算出' 測点ごとの整数値バイアスの確定作業が不要– 各測点において数秒～1分程度の観測– リアルタイムキネマティック（RTK））測位' 基線解析のリアルタイム処理' 基準局と移動局間相互の無線通信（Bluetoothや携帯電話網（VRS）など）

電子基準点' 国土地理院が全国約1,200箇所に設置しているGPS連続観測局' 1994年～' 地殻変動等の連続観測' ディファレンシャル／キネマティック補正のための基準局
データを提供21

準天頂衛星システム

22' QZSS: Quasi-Zenith Satellite System– 宇宙航空研究開発機構（JAXA）© GSI' 準天頂衛星初号機みちびき (QZS-1)– 2010年9月11日打ち上げ' GPSの補完・補強– 常に天頂付近に衛星がある！
– 補正信号!測位精度を高める– 目標精度– 先月（6/29）リニューアル' 高速移動体で１m以下' 低速移動体で数cm

http://qz(vision.jaxa.jp/
photo: yuichi hayakawa

レーザ測量

24

' LASER– Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation' LiDAR：Light Detection And Ranging– レーザ光を測定対象物に照射し、その反射光を受信することによりその物理的情報を得る技術。

レーザ測量のしくみと種類' 発射後、対象物に反射して戻ってくるまでの往復時間やその強度を計測' 時間×光の速度（3x105 km/s）＝距離レーザ測量の種類

25

航空レーザ計測システム

26' 衛星レーザ測量– プロファイラ
e.g., 火星（Mars Orbiter Laser Altimeter）' GNSS：器械点計測' 航空レーザ測量' 地上レーザ測量' レーザ測距装置© GSI 国土地理院– 3次元レーザスキャン（TLS）– レーザ距離計（LRF）– モバイルレーザスキャン（MLS）' IMU：姿勢計測' 卓上型3次元レーザスキャナ

地上レーザスキャナ
BF=F

'!

FARO
TrimbleLeica Geosystems
Leica Geosystems
FARO
TOPCON
RIEGL
MDL
RIEGL
MDL
Optec
Optec
RIEGL
RIEGL
RIEGL

Focus3D S120
TX5
ScanStatino P20
ScanStation C10
Focus3D X330
GLS-1500
VZ-400Quarryman Pro
VZ-1000
Quarryman Pro LR
ILRIS-3DILRIS-HD-ER
VZ-4000
VZ-6000
LPM-321

PB
PB
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF
ToF

© TOPCON!08 @$GmH
G%H
120( 90 )
120( 90 )
120( 18 )
300( 90 )
330
( – )
500
( 90 )
600( 90 )
600( 90 )
1,000( 90 )
1,200( 90 )
1,200( 80 )
1,700( 80 )4,000( 90 )
6,000( 90 )
6,000( 80 )( @08GmmH
GmH±2 ( 25 )±2 ( 25 )±6 ( 100 )±4 ( – )±2 ( – )±7 ( 150 )±5 ( – )±50 ( – )
±8 ( – )±50 ( – )±7 ( 100 )±7 ( 100 )±15 ( – )±15 ( – )±25 ( – )© RIEGL9!2 DF> 6 DF> "G#/&HGnmH
976,000
905
Class 3R
976,000
905
Class 3R
1,000,000
808Class 250,000532
Class 3R
976,000
1,550
Class 1
30,0001,535Class 1122,000
1,550
Class 1250
Class 2M/)
122,000
Class 11/)
250
Class 3R/)
2,500
1,535
Class 1
10,0001,535Class 1M
220,000
Class 11/)
220,000
Class 3B1/)
1,000Class 1M1/)laser range finder (LRF) measurement
-
© Leica Geosystems+4,%×G°H
300 x 360
300 x 360
270 x 360
270 x 360
300 x 360
70 x 360
100 x 360
135 x 360
100 x 360
135 x 360
40 x 4040 x 4060 x 360
60 x 360
150 x 360.!+4
Panorama
Panorama
Panorama
Panorama
Panorama
HybridHybridHybridHybridHybridCameraCameraHybridHybridHybrid35
GkgH W x H x DGmmH
5.0
240 x 200 x 100
5.0240 x 200 x 100
11.9 358 x 395 x 238
13.0358 x 395 x 238
5.2240 x 200 x 100
16.0240 x 566 x 240
9.6180 x 308 x 180
8.1
177 x 410 x 239
9.8200 x 308 x 2008.1
177 x 410 x 239
13.0
320 x 220 x 320
14.0
320 x 220 x 320
14.5 226.5 x 450 x 236
14.5 226.5 x 450 x 236
16.0370 x 450 x 315© Optec=BC7E7?A@;<:



*
*
*
*
*
*
–
–
*
*


–––
IP54
IP54–
IP52
IP64
IP66
IP64
IP66
IP65
IP65
IP64
IP64
IP64

SCENE
RealWorks
CycloneCycloneSCENE
ScanMaster
RiScan Pro
Model
RiScan Pro
Model
PolyWorks
PolyWorks
RiScan Pro
RiScan Pro
RiScan ProAACBCACA
B
BCDC© Trimble

List of available terrestrial laser scanners in Japan. PB: Phase-based method, ToF:Time-of-Flight method. See Fig. 3 for the type of field of view. The weight does notinclude batteries. The price range is an approximate classification as: A: <10M, B:
10–20M, C: 20–30M, D: >30M (JPY)MDL LaserAce 300

manual reading…

(2004)

Hayakawa,7Y.S.,7Oguchi,7T.,7Komatsubara,7J.,7Ito,7K.,7Hori,7K.,7Nishiaki,7Y.72007.7Rapid7on(site7topographic7mapping7with7a7handheld7laser7range7ﬁnder7for7a7geoarchaeological7
survey7in7Syria.7Geographical,Research,7457(1),795–104.77

レーザ計測データの変換
Raw data

直線距離
鉛直角
水平角（北0）

Point cloud – sparse!

Computed

水平距離
高さ
水平角（磁北補正）

XYZ

Distance(horizontal)
Height(vertical)

mr beaLase

10-m DEM (kriging interpolation)

Overlay – Topographic map
Buildings
Roads
River bankBase point

293

284

285

Elevation7(m)328294

290

2 88

295

289

300
285

285

289

290283

290

282

289

928280285

029284287285281

284

280

285
282280280


29 5290289(contour interval: 1 m)

2 856282898283007m7287200 m

2 86286

GNSSのみ（DGNSS）

34' 9 km in 1.5 hrs' 300 m x 400 m area
' post-processing
differentialcorrection– accuracy: 0.6 m

地形測量におけるGNSSととレーザ
測量（LRF, TLS））

GNSSのみ（DGNSS）' 簡単処理LRF + DGNSS combination

36' LRF with digitalcompass– Impulse 200 LR &Mapstar by LaserTech' DGNSS– MobileMapper Pro byThales Navigation' Operating PC(2007)
Hayakawa, Y.S. and Tsumura, H. (2009)Utilization of laser range finder and differential GPS for high-resolution topographic
measurement at #68YIJrul Tepe, Turkey. Geoarchaeology, 24 (2), 176–190. doi:10.1002/gea.20261

LRF + DGNSS + APSD なんちゃってレーザスキャナ

Topography of #68YIJğrul Tepe
- 4 days by 2 operators (ca. 1km2)- DEM resolution: 4 m- Contour interval: 0.5 m- Accuracy: ~1 m

Laser range finder (TruPulse)+Automatic panorama shooting device (GigaPan)

3007m7!LRF
APSD"M)
artially 20-cm DE(pGNSS"Result at Ikitepe

39' 1 person' 2.5 hours' 350 m x 200 m' 4-m DEM

地形変化：TLS & GNSS in steep
headwater channel for debris
flow deposits ' GLS-1500 by Topcon

40Co., Tokyo' accuracies– distance: 4 mm @ 150 m' maximum distance– 500 m (90% reflectance)' weight– 16 kg (body) + battery,tripod, pc, etc. (30–40 kg)
Hayakawa, Y.S., Kontani, R., Kulakoğlu, F., Ezer, S., Öztürk, G. (2012) A quasi laser
scanning system using laser range finder and automatic panorama shooting
device. CSIS Discussion Paper, 113, 1–9.

' GCPs by PPK-GNSS

deposition inerosion in summer

winter " springfor three yearsmostly by debris flows
2012.05 " 2012.08

2013.08 " 2013.11

1583

2012/5/14

1582

ca. 3 m1581

1580

2011/11/22

1579

2012/5/14
2012/8/23
1578

2012/11/21
2013/5/10

1577

1576

1575

1574
0

5

10

15

20

bedrock slope
erosion2012/8/23! erosion oftalus deposits

background: 131119

background: 120823

rock weathering– TLS only

waterfall cliff face at Kegon Falls– TLS (+GNSS)
A

B

1270

R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7

1260

1250

Collapse in 1986

9

100Distance (m)

-10

21

D

2.5"

eleva%on((m)

5
4
3

2"

Forward distance (m)

MAX"

6

MIN"

MEAN"
1.5"
block"level"

M.H.W.L
1"201250
1240
1230
1220
1210
1200

10002
1

0.5"

0"
(0.2"

Depression found!
Cross sections (v iew from bottom)(by erosion/weathering)

30

8
7

(0.1"

0"

0.1"
depth((m)


0.2"

0.3"

0.4"

1965

L1

1200

20

10

R1

1210

1200

1190

L3

L2

1220

1210

3"

Kegon Falls

1230

Right side
profiles3.5"

Approximate extent of
the 1986 collapse

1240

1220

11

R41250Elevation (m)

mR5

R2

1230

depth (m)

R6

R3

1240

contour: 1 cmR744

2011.05.08

10?

c. 8 m?
2030405060

7080
90Distance (m)100110120130140

Hayakawa, Y.S. (2013) Stability analysis of cliff face around Kegon Falls in Nikko,
eastern Japan: an implication to its erosional mechanisms. International Journal ofGeosciences, 4 (6A2), 8–16. doi:10.4236/ijg.2013.46A2002

3-D laser scanning of valleys along Sanriku Coast:Morphological characteristics of repeated tsunami erosion
Morphology of slopes in a coastal valley, where tsunami waves can readily flow in, were measured
using a TLS. Our analyses revealed erosional features by repeated tsunami waves in the Holocene.

MiyakoAn example for Aneyoshi Valley

extraction of small cliffs on valley-sideslopes

Numerical simulation

ninundation

Tsunamiwaves
Ishinomaki

TLS

100 melevation (m)ErosioErosion

GLS-1500
by Topcon

right bankhorizontal distance from valley center (m)(Oguchi, T., Hayakawa, Y.S., Saito, H., et al.)

結局どの手法が適しているのか？
' 一次的な簡易地形図作成– DGNSSのみ– LRFのみ– DGNSS + LRF' 詳細・正確な地形図作成– RTK- or PPK-GNSS– DGNSS + TLS(早川ほか, accepted; Hayakawa et al., under review)47summary– RTK- or PPK-GNSS + TLS: “位置合わせ”

48

GNSS
time on site
time for postprocessingarea
cost
resolution &representation
relative accuracy
visibility (RGB)' 地形変化の抽出

left bankLRF (+ GNSS)TLS (+ GNSS)

★

★★

★

1– hours

0.5–1 hour

several hours (multiple scan)

★★★

★★

★

1 hour

2– hours

several hours

★

★★

★★

10–100 m

1000 m1000 m★★

★★★

#JPY 100k–1M

JPY 100k-200k

JPY 5M–30M

★

★★

★★★★

1–10 m1–10 m1–10 mm

★★

★

★★★

1–10 cm

10 cm – 1 m

2–3 mm##★★

N/AN/ARGB point cloud' GNSS alone gives less resolution' combination of LRF/TLS & GNSS is standard' LRF or TLS accuracy (global) relies on GNSS (GCPs)

spatial & time scales by GNSS & TLS

spatial resolution (accuracy) & area

TLS

GNSS
1k m2

landslide
area

fault
ruptureTLS
1 m2

extents of temporal and spatial scales covered by each measurement method(after Heritage and Hetherington, 2007)

GNSSwaterfall
rockweathering
1 mm(0.01 mm)

1m(1 cm)

1 km(10 m)resolution (accuracy (res x 10-2))