GPS 機器およびソフトの紹介～森林での利用を中心として～
株式会社

竹谷商事

開発企画

土井康裕

１． はじめに
近年、携帯電話によるマンナビやカーナビゲーションシステムなど衛星からの電波を利用して、自分が今、地球上のどの場所に居るのかを 3 次元座標で容易に知り得る GPS（Global positioning System）
技術が急速な勢いで普及してきました。迷わず目的地に到達できたり、通った場所を記録できたりと、早く正確に移動する際のツールとして業務及び一般的な生活の場で多用されてきています。
国土の約 70%を森林で覆われた日本の森林内での業務活動にも GPS は無くてはならないものになって来ています。竹谷商事では 2003 年から森林内での測量・調査・管理業務の迅速・効率化をしていた
だくことを視野に GPS、又それらに付随したソフトウェアの提供及び開発をして参りました。
２．森林での GPS 利用
GPS は米国において軍事目的に開発されたもので地上約 2 万 Km のところを飛んでいる衛星からの電波に乗せられた時刻情報を受信し計算することで、地球上における位置（緯度、経度、高さ）を知ることができるスケールの大きなシステムです(1)（図 1.）。
安価なリクリエーション用から高価な高精度基準点測量などに利用されるものまで。技術は発展し、精度がある程度良いものも小型化され入手し易くになってきましたものの、森林内という得意な環境では樹冠などの枝葉の影響を受けて電波が減衰して受信できなかったり、マルチパス（反射波）により測位精度が悪化する結果を招いたりしてしまいます。
GPS にとって森林という特異な環境（電波環境）で使用するには、十分精度の必要な測量や、マッピングであったり、だいたいの精度でも可能なナビゲーションであったり、業務の種類に応じて利用する機種選
図１.GPS システム概念定も十分に認識しておく必要があります。

以上のことから GPS について性能・機能・価格などの観点から市販されている機器を分析しておくことがまずは大切なことになります。図２より GPS 機器はカテゴリに分けると精度で 10m 程度、1m 以下、数 cm の 3 種類、価格でも大きくは 10 万円以下、数十万円、数百万円など 3 種類程度に分類されます。もちろん安価だと測位精度が悪くなりますが、精度が数 cm と高い RTK（リアルタイムキネマティック）測量用 GPS は数百万円台とかなり高額な機器になってきます。しかし RTK などの位相測位型の GPS は森林の樹冠下では測位（座標取得）できる確率が低いことや測位までに時間が必要なことで実際にはあまり利用されていません。よって、現状では森林で利用される GPS としては DGPS（ディファレンシャル GPS）と呼ばれる図２の精度カテゴリーでは真ん中の機器が好まれて利用されています。その中でも Ashtech 社（旧 MagellanPro）の MobileMapper シリーズは他機種に比べると安価で精度が同等以上のコストパフォーマンスに優れた機器になります。さらには、MobileMapper は森林での利用実績が豊富で、その測位結果（精度）に定評があります。特にこのことは森林内での GPS 誤差要因であるマルチパス除去に大きな効果があったに他なりません。
ここで話は変わりますが GPSに関係する誤差の話をしたいと思います。元々GPS 利用上、地球上ではかならず発生する測位結果(位置座標)に及ぼされる誤差があり、その誤差を取り除く機能の有無が図 2 の精度カテゴリーの部分で GPS の分類と関係しています。
誤差の要因は電波を用いた測位原理に関連しますが、その詳細説明は後述の（補足 1）に譲るとしま
して、誤差の要因は主に次の５つ、①衛星位置の誤差、②衛星の時計誤差、③電離層遅延、④対流圏遅延、⑤マルチパス（反射波）が存
図 2. GPS の種類在します(2)（図 3）。

4 個以上の衛星と受信機との直線距離を測定することで地球上での自分の位置を算出するのが GPS の基本原理ですが、これら誤差要因は GPS 衛星と GPS 受信機の直線距離測定に誤差を及ぼす直接の原因となっており、それら距離測定結果を使って算出される測位座標には自ずと誤差を及ぼします。①～④については GPS を地球上で使用する場合は常に生じる性質のもので、⑤は局所で発生したり、しなかったりする性質の要因という事になります。これら①～⑤を取り除けない GPS 機種は一般的に誤差が 10m 前後になると言われており（単独測位）、図 2 の一般向けに相当します（現在は一般向けでも除去機能を有した機種ものもあります）。一方で、これら誤差を取り除けば測位精度が UP して図２の真ん中のカテゴリーの性能を有することになります。特に①～④の誤差を取り除く手法をディファレンシャル補正（DGPS）と呼んでいます。測量された既知点で GPS 測定すれば①～④の誤差はそれが座標値の差となって算出されます。
既知点のある程度近くで GPS 測位をすると、その移動局の GPS も同程度の誤差を有していると考えることができます。既知点で算出された誤差分を移動局の GPS から差し引き（差分；ディファレンシャル）するという方法を利用して高精度を実現することが可能となります（図 4）。
⑤のマルチパスは受信機の周りの環境で変化しますので DGPS では取り除くことはできず、受信機にマ

図 3. GPS 誤差要因

図４．ディファレンシャル補正とは

ルチパス除去の機能を付与することでしか解決はできません（例えば森林や都市部では除去し、草原では除去必要ないなどを受信機が判別可能であるなど）。上述しましたように MobileMapper シリーズの誤差補正エンジンはマルチパスの除去（後処理ディファレンシャル補正と同時に処理されます）に定評(3)(4)があり、森林利用で普及してきた理由は位置精度の整合性の高い部分にあったと言えます。
一方では、一般向けの GPS も最近は安価な高精度チップ（SufStar、MTK など）が開発され森林内でも感度良く電波をキャッチし易く、低消費電力化でバッテリを使用するモバイル機器への組み込みがし易くなりました。よって、自分の位置を森林内で確認したり、森林内において地図上（1/25000 程度）で場所を記録したりという要望には一般向け GPS でも十分に答えられるようになってきたのです。さらにはこれらカテゴリーでも最近は国土交通省のディファレンシャル補正用の MSAS 情報（補足 2）がリアルタイムで受信し誤差補正できるようになっているのでカタログ値で 2-5m 程度の精度のものも上市されるようになり、図２の DGPS カテゴリーの機器と比べて精度の部分で大きな差はなくなり始めているのが現状です。しかし DGPS カテゴリーの数十万円する高価な機種は測位精度に多大な影響を及ぼすことが予測された電波を削除できるように各社チューニングを施しており、安定した測位を実現できるように設計されています。
ここで、電波環境に応じて設計された高精度機種（DGPS）と、感度は良くなっているが環境に応じた設計がされていない安価な機種を、森林内でのGPS 利用の指針にするべく精度評価を実施しました。
対象とした機種は図 5 にあります DGPS カテゴリーのMobileMapper シリーズの 3
図 5. GPS の価格とカタログ精度（森林外）機種と一般用 GPS にディファレンシャル機能の付いた HOLUX（台湾製）M-241 を、リファレンスとし一般向けで比較的森林で定評のある Garmin 製 Map60CSX も比較評価しました。試験地は林野庁近畿中国森林管理局管内、箕面国有林の杉人工林において樹冠の影響を主に評価するため尾根筋に精密に測量された座標点を設置して、一日かけて GPS で座標を測位し、基準の座標点と比較して誤差評価を行いました。
【試験方法】○場所 大阪府 箕面国有林 270 林班わ小班○機器 Ashtech 製 MobileMapper6、PRO、CX
HOLUX 製 M-241
ガーミン製 Map60CSX○測定方法
AM10:00 から PM5:00 まで 1 時間毎に 3 回それそれの機器で座標を取得。1 回の座標取得は 30 秒間データを記録し平均値を算出し結果とした。
MobileMapper 関連はマルチパス除去した結果を比較した。

図 6. GPS 試験環境

図 7.森林内での各種ＧＰＳ位置精度比較
やはり現在の全ての機器は受信感度が UP しているためデータがとれないことはほとんど無くデータが収集できました。リアルタイムでは全ての機種でディファレンシャル補正も行われマルチパス以外の誤差補正はどの機種も処理が機能していました。取得された結果は基準点を原点に誤差プロットされることが一般的ですが比較評価し難いので、ここでは取得された座標データを統計処理し、1 日を通した調査において位置誤差の出現が正規分布的に発生すると仮定し、確率分布曲線をプロットしてみました（図 7）。
一般向けＧＰＳのガーミン
Map60CSX（カタログ値精度10m 以 下 ）、 HOLUX 製
M-241 などはカタログ値と比べるとかなり精度劣化しており、Map60CSX で 10m、M-241 で 11ｍ程の誤差になっていました。さらに、位置誤差が小さい時（0 に近い）から大きい時にかけて誤差発生が広く分布しており、測定が安定しない事を示唆していると言えます。一方、
MobileMapper シ リ ー ズ の図 8. GPS の価格と森林内精度比較

森林内での誤差除去のパフォーマンスは評判通りで PRO、CX については誤差のばらつきも少な正規分布曲線が高くシャープで安定した測位が可能なことがハッキリと伺えました。
以上の理論的説明、簡単な森林内での調査結果を総合すると、機種により森林内で衛星からの電波が受信できない事はほとんど無くなったのですが、機種によっては精度のバラツキが大きく、安定しない事が判明しました。これら一般向け GPS も森林利用ではナビゲーションや自分の位置確認程度で有効ですが、それ以上に安定した精度を求める業務等の場合はコスト部分が許されるようでしたら、高位機種の利用も考慮されることをお勧め致します。
さらに次世代では GPS 衛星だけでなくロシアの GRONASS、ヨーロッパの Galileo といった衛星の運用が本格化してくれば、DGPS だけで無く RTK などの精密精度の機種が森林利用できるようになり、革新的に森林管理、測量業務が進む事も考えられます。しかし、現状ではまだまだ難しいようです。
３．森林で GPS を活用するためのツール
森林内で GPS を使い自分の位置を知り得ることは業務上非常に効果的です。さらに等高線がない様な
1/25000 や 1/50000 の小縮尺の地図ではなく、業務で頻繁に利用される森林基本図(1/5000)の上で自分の位置確認、座標記録、軌跡の記録などができれば飛躍的に仕事がはかどります。また、縮尺の大きな地図があることで GPS 精度の検証にも利用できたり、逆に地図の正確性も確認することができます。これらの全画面表示も可

図 9.MapManager 画面（全画面表示）図 10. MapManagerLite 画面

図 11. MapManagerPRO 画面（簡易 MobileGIS）（ｺﾝﾊﾟｽﾅﾋﾞｹﾞｰｼｮﾝ、測量画面）

地図を取込みながら GPS データと連動させることはソフトウェアの仕事になりますが、竹谷商事では森林測量システム FOREVO（フォレボ）シリーズとしま
し てMobileGIS ソ フ ト｢MapManager｣を開発・販売をして参りました。日本の森林分野に数百ライセンスの実績を有している標準ツールです。また様々な PDA（携帯情報端末）、GPS 機器（DGPS、一般向け GPS など）と組み合わせることができますのでハードウェアの機能を多くの機種から選んでいただくことが図 12. 業務に合わせた組合せ可能です（図 12）。価格・ソフト機能においても最適化を図るため 3 種類の仕様を設けており(表 1)、業態、業務に合わせてお選びいただくことができます。

行政などで構築された GIS（地理情報システム）の基本図、衛星画像、航空画像、ベクトル地図（林・小班界、境界、林道 etc）などがそのまま読み込めてナビからコンパス測量まで全ての森林測量が GIS データとして利用することを可能にするモバイル GIS ソフトと言うこともできます。MapManager では森林利用としての機能も充実しており、GPS で受信した座標データを毎秒モニタ画面に表示し、マルチパスに起因する外れたデータは画面で選択して削除できる機能（リアルタイムマルチパス除去）などがあります。オペレータが目で見て簡易的にマルチパスを除去することがソフト機能として可能になっています。
表 1. 森林測量ソフト MapManager シリーズ機能
MapManager-Lite

MapManager

MapManagerPRO

簡易 MobileGIS ソフト

測量 MobileGIS ソフト

測量 MobileGIS ソフト（GPS 専用）（GPS 専用）（GPS＋コンパス）

GPS 位置確認○○○

GPS ナビゲーション○○○コンパスナビゲーション※1－－○

GIS 地図取込（Shape）

○

○

○

GIS 地図取込（ラスター）

○

○

○

GPS 測量（点、線、面）

○

○

○

リアルタイムマルチパス除去※2○○○

後処理マルチパス除去※3－○（オプション）○（オプション）コンパス測量（多角、放射）－－○

衛星／航空画像上測点作成

－

○

○

面積計算

△

○（任意箇所）○(任意箇所)

閉合比計算

－－

○

コンセプト

※1 GPS 精度の望めない場所でも電子コンパスを使いピンポイントで目的地に近づける（特許技術）※2 林内で測位受信状況を確認しながらアナログにマルチパスを除去する機能※3 MobileMapper など後処理マルチパス除去機能を有した GPS で利用すれば MapManage 上でも処理可能

また、森林内の樹冠下、谷部などで GPS では所望の精度が望めない場合は、近年、図 13 にあるように軽量小型で方位角、高低角、斜距離がこれ一台で測定可能な小型電子コンパス(TruPulse360)を利用したコンパスナビゲーション機能が目から鱗の機能として利用する事ができます（MapManagerPRO；図 11、図 13）。
４．森林向けモバイル調査機器の選定
GPS は森林で利用する場合、防水、防塵、高精度タイプ、一般向けタイプ、マルチパス除去機能が有るか無いか、さらには携帯業務端末（PDA）の処理速度、画面の大きさなど、業務に応じて選択してもらい、MapMan
ager のような森林業務を反映したソフトウェアを組み合わせて基本図などの業務ユースの背景地図を取り込んで利用する事が基本になります。
もちろん利用に際しては谷部、北側斜面は GPS の衛星が少なくなるので精度劣化が大きいとか、アンテナ部分を帽子、服、体などでも遮蔽しないように気を付けるとか、林道の片側が切り立った崖の場合は開いた方向

図 13.電子コンパス＋GPS

にアンテナを向けるとかなどなど・・・に注意し、GPS の原理を十分に把握して運用することが肝要となります。
GPS は前述でもありましたが森林内で精度が良いものでも数ｍの誤差はありますので測量というよりはマッピング（コンパス利用時の製図誤差程度なので）又はナビゲーションへの応用が主になると考えられます。測量精度が必要な場合はコンパスナビゲーションでの説明の際にもありましたが、弊社最上位
ソフト MapManagerPRO において電子コンパスを利用すれば GPS 測量した様な形態で地図上に結果を表示することができます（GPS は必須です：図 14）。
周囲測量においても 1/100～1/200 程度の精度で測量可能です。GPS と電子

図 14.コンパス測量画面コンパスの併用も便利なツールとなります。
以上から、造林検査の測量、森林巡視業務、森林資源モニタリング調査、林班界調査など森林業務に応じてハード、ソフト、最適な組合せを選択しご利用下さい。
５．今後
今後、弊社では森林業務の要望を余すところなくモバイル GIS ソフト｢MapManager｣に組み込んでいく予定です。森林簿、所有者、境界、施業履歴・・・などの台帳（データベース）の閲覧を現地で可能にし、さらに高精度測量機器（トランシットなど）との連携も可能な様々な業務をこなせるソフトウェアを構築していきます。

図 15. モバイル GIS システム相関図（補足１) 測位原理(コード測位)について
ＧＰＳ衛星は原子時計を搭載しているので非常に精度の高い時刻情報を電波に乗せて発信しています。受信機にも高精度の時計があれば、「ＧＰＳ衛星の時刻と電波受信時刻の差」をとり、それに電波の速度（光速度）を掛けてやれば、正確な距離が分かることになります(図16)。
衛星から見た場合の受信機の位置は、測定された距離分、離れた円球面上に存在することになります(図 17)。次に同様に、二つ目の衛星との距離を測定すると、その衛星からも距離分離れた円球面上に存在することになります。こうして出きる二つの円球面の交わるところ、一つの面の円周上に自分は居ることになります。最後に

図 16.GPS 測位原理

三つ目の衛星との距離を測定すると、その衛星からも距離分離れた円球面上に居ることになり、これと先ほどの円周上の交点として、一つの点の位置が正確に定まります（実際は 2 点残るが地球上にいる事

が確定しているので：図 17）。このようにして、三つのＧＰＳ衛星からの電波が受信でき、精度のよい時計をもっていれば、空間上の一点として自分の正確な位置が決定できるのです。しかし、現実には受信機の時計はせいぜいクオーツレベルの精度しかないので、その精度が不正確な分の誤差が発生します。
そこで、受信機の時刻を正確に知るために、４つ目のＧＰＳ衛星からの電波を用いることが必要となります。実際のＧＰＳ受信機の内部では、受信機の位置情報（ｘ,ｙ,ｚ）と時刻情報ｔとを４つの未知数とする方程式をつくり、受信機の時計と４つの衛星との時刻差情報を用いて解くことで正確な位置と時刻を求めています。
ところで本文中の単独測位での GPS 誤差
は衛星と受信機の距離を求める際に、実際は図 17.簡単 GPS 測位原理

電離層、対流圏の水蒸気などで電波が減速されているにもかかわらずスピードを光速のまま仮定しているため生じるものです。
（補足２）MSAS について(5)従来の単独の GPS 測位では①衛星位置の誤差、②衛星の時計誤差、③電離層遅延、④対流圏遅延により測位に誤差を生じていましたが専用静止衛星からの補正データを利用して高精度化が可能になりました。この総称を静止衛星型衛星航法補強シス
テム SBAS(Satellite-basedAugmentation Systemエスバス)と呼びます。このうち、米国ではINMARSAT(インマルサット)を利用した広域補強

図 18.SBAS
システムを Wide Area Augmentation System の略で WAAS(ワース)。日本ではひまわりの後続機で運輸多目的衛星 MTSAT(エムティーサット)を利用した衛星補強システム MSAS(Multi-functionalTransport Satellite エムサス)が運用されています。又、欧州では EGNOS(EuropeanGeostationary-Satellite Navigation Overlay Service イグノス)と呼ばれています。
６．参考文献（１）古野直樹他：GPS のしくみと応用技術、トランジスタ技術編集部編、QC 出版社、2009（２）坂井丈泰著：GPS 技術入門、東京電機大学出版局、2003（３）河合剛匡、瀬戸島政博、船橋学、今井靖晃、河合雅巳、斉藤恵介、橋本靖彦：高感度なハンディ型 GPS を使用した森林内での計測比較、応用測量論文集 17、PP115-123、2008.11（４）樽谷宣彦、大家広路：林業分野における携帯型 GPS の活用について、機械化林業 No.629、PP9-17、2006.4（５）http://www.aoisonic.com/waas/waas.htmより抜粋