技術資料

簡易堆砂計測装置の開発
五十嵐匡＊

国島英樹＊＊

長瀬禎＊＊＊

平伴斉＊＊＊＊

１．はじめに港湾管理者が港湾機能を維持する目的で堆砂状況を把握する場合、測量船による深浅測量を実施しているのが現状である。
測量船による深浅測量は、広範囲を連続的に測量することができる反面、計測を必要とする区域が港内の狭い部分であっても船舶を使用せざるを得なく、非効率的な作業となっている。例えば、航路・泊地の一部の範囲を港湾管理者の日常業務として計測が実施できれば、管理者の負担軽減に寄与することができる。
また、船舶による事故等も想定され、より厳重な安図－１

マルチビーム測深機による深浅測量

図－２

簡易堆砂計測装置による計測方法（当初イメージ）

全対策の必要性も求められている。１）
そこで、港内の堆砂状況を把握するため、測量船を用いることなく、容易に港内の海底地形を面的に計測可能なシステムの開発を行った。
２．計測方法及び検討事項
本研究の目的は、測量船を用いることなく陸上から簡易に堆砂状況を計測することにある。以下に検討した計測方法及び開発にあたっての基本的方針を記す。
２．１

計測方法の検討

計測機器は測量船による深浅測量に用いられているマルチビーム測深機を使用することとした。

簡易堆砂計測装置（以下、「本装置」という）の開発

マルチビーム測深機は、船体に海底へ向けたソーナで 使 用 し た マ ル チ ビ ー ム 測 深 機 は SEABAT8125

ーヘッドを取り付け、指向性の鋭いビームを多数使い、（RESON 社製）で、最大レンジが120m であり、この船舶を航行させながら一度に多数点の水深を測る装置

距離が岸壁からの最大計測可能距離となる。ビーム数

２）である
（図－１）
。

は240本、スワス幅は120度であり、ビーム１本当たりこの測深機を陸上（岸壁等）の定点から海中へ垂下の指向角は0.5°となり、海底面に当たるビームの面し、ソーナーヘッドを傾斜させ遠方へ向けて計測を行積（以下、「フットプリント」という）が非常に小さい。

い、更に、ソーナーヘッドを回転させて面的に計測すソーナーヘッドを傾斜させた際、ビームの入射角がる（図－２）。この方法により、計測周波数450kHz の海底に対して小さくなりフットプリントが増大するこ測深機であれば約100m 半径内の海底地形を計測可能とを想定すると、マルチビーム測深機は本装置への適である。

応性が高いと判断した。

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17２．２（２）正確な計測データを得るための機器（装置及びセ想定される問題点

計測条件の制約によって、遠方の計測位置で分解能ンサー等）に関する調査・検討の低下及び計測誤差が生じることが想定される。スワ（３）得られたデータの補正・解析技術に関する調査・スの両端、すなわち遠方へのビームほど海底面への入検討射角が小さくなり、フットプリントは拡大する。そのため、分解能は低下し計測データの誤差は大きくなる。

３．計測用架台の試作

また、図－３のように個々のビーム中心の角度とビーム内側の角度に差があるため、得られる測深値は系

マルチビーム測深機のソーナーヘッドを、傾斜させ統的に真の測深値よりも浅くなる。従って、この遠方た状態で、陸上（岸壁等）から海中に垂下でき、約180°誤差についても考慮する必要がある。３）

回転させて計測が可能な計測用架台を試作した。
３．１

調査

北海道内における港湾の実態調査結果から本装置の設計・運用にあたっての課題を以下にとりまとめた。
港 湾 の 構 造 に つ い て は、 岸 壁 に お け る 天端から
H.W.L 時の海水面までの高さは概ね2.5m 以下である。
実際に計測する際には、この高さにソーナーヘッドの図－３

方誤差

内側のビーム（OA）が音響ビーム中心線（OP）よりも往復時間が短いため、実際の測深値（D）よりも浅い測深値（D’）
が得られてしまう。

喫水及び岸壁上での固定に要する余長を加えた長さを、本装置固定具に保たせる必要がある。また、前面
水深は直轄港湾でほぼ－13m 以下、地方港湾で－11m以下の部分が多くの面積を占める。
また、装置の運搬に関して、車両進入可能範囲や人更に、測深機の僅かな設置誤差から大きな計測誤差員進入可能範囲について検討する必要がある。堆砂がが現れるため、本装置のシステム構築に当たっては動問題となっている海域の背後の岸壁または防波堤にお揺補正等の対策をする必要がある。また、ソーナーヘいては車両進入ができない箇所が多い。そのため、車ッドを垂下する位置は波力が強く加わることが予想さ両に頼らない方法を検討しなければならない。

れる。冬季の高波浪時に土砂が沿岸漂砂により移動し更に、当該岸壁はいずれも比較的着岸頻度が高い。て航路を埋没するケースもあり、波浪時の使用も考慮

このため、船舶が離岸している短時間のうちに迅速にする必要がある。

作業を進めることができるシステムを構築する必要が最終的には、計測値にやや大きい誤差が含まれるとある。

しても、数回の計測値を平均化するなどの処置により誤差を最小化するなどして、堆砂の傾向を把握することを目標とする。

３．２

試作

計測用架台の機能として、防波堤等からの計測も想また、測深データの収録・解析用ソフトウェアにつ定し、ソーナーヘッドを取り付ける伸縮ポールの最伸いては、汎用ソフトウェア（HYPACK など）が計測機張を６m、また、可搬性を考慮して架台全高を1.8m器の加減に対する自由度が高く、後処理で補正を施すとした。

ことも比較的容易であり、計測試験において十分使用可能である。

ポールの伸縮はワイヤーロープによる手動巻き上げ（下げ）式で、ポール本体に取り付けたハンドルを回転させることによりソーナーヘッドも追従して回転する

２．３

検討内容

使用する測深機は、陸上からの計測が本来想定され仕組みとなっている。
計測用架台の構造は大きく２つに分かれており、伸ていないため、以下の確認が必要である。

縮ポールを備えセンサー類を取り付ける計測装置部（１）
マルチビーム測深機のソーナーヘッドの測量可能と、これを載せて岸壁前面まで張り出す架台部となっ範囲及びソーナーヘッドを傾けた状態での計測方法のている。計測装置部と架台部は現地にて組立・分解が検討・確認可能で、ワゴン車両に搭載して運搬することができる。

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計測用架台（計測装置部）の全体図を図－４に、計測

４．計測試験

用架台、計測状況を写真－１に示す。
計測試験では予め船舶を使用した深浅測量を実施し、得られた値（以下、「基準データ」という）を基準として陸上からの計測値との比較を行った。また、ビーム到達距離及び精度向上のため、計測方式の異なる数種の計測機器を使用した計測試験を実施し、比較・検証を行った。
４．１

計測方法

計測は、音波到達距離や取得データ密度を確認するため、ソーナーヘッドの傾斜角度の設定や回転・静止時間を変化させたパターンで実施し、最適な計測方法を模索した。
また、計測用架台・伸縮ポールの揺れ、振動によって、ソーナーヘッド傾斜角度が微妙に変化することで、
図－４

計測用架台（計測装置部）

計測値に誤差が生じることが考えられるため、モーションセンサーの取付位置・方法を確認した。
４．２

計測試験（１）・結果

計測結果の一例を以下に示す。
図－５はソーナーヘッドの傾斜角を30°とし、回転角度10°毎に５秒間静止させて計測した場合の音波到達範囲であり、また、図－６は任意方向の海底地形断面図である。
これらより、概ね100m 程度の到達距離を確認できた。また、回転速度を遅くしたり静止時間を長くした場合に、遠方において密度の高いデータが得られた。
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写真－１

計測用架台

計測装置部
（左上）
、架台部
（右上）
、伸縮ポール及びソーナーヘッド取り付け状況
（左下）
、計測状況
（右下）

測深機による計測は、僅かな揺れ・振動により大きな計測誤差を生じる。計測用架台は、計測試験を実施する度に改良を重ねており、特に伸縮ポールの伸縮部固定方法及び伸縮方法を見直している。動揺計については、設置場所の検討を行った。

図－５

計測結果（例） 音波到達範囲

その他、計測機器について、磁気方位センサーは計

但し、図－６では試験を行った海域の海底地形が、測架台及び岸壁の磁気による影響で使用不可と判断し岸壁前面沖合方向17m 付近から50m 付近まで勾配がGPS による方位取得を行うものとした。

やや急になっているため、方角によってはデータが取計測架台の設置・撤去について、計測装置部の重量得できない状態であった。

が約180㎏あることから作業人員は４人程度必要であまた、計測時のモーションセンサーの有効・無効時った。また、センサー類の設置を含めた組立に約１時の比較例を図－７に示す。図において、基準データと間、計測終了後の撤去に30分程度かかった。の比較から、有効時のデータは基準データに近く、モ

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ーションセンサーの有効性が比較的高いと思われる。

測値と比較した結果、半径20m 程度までの距離まで更に、モーションセンサーを伸縮ポールからソーナーは基準値と同等な計測値であったが、それよりも遠方ヘッドの上面へ設置することにより、動揺補正データほど大きな誤差を生じる結果となった。今回の誤差要の精度が向上した。

因として、試験海域は河口付近の港内であったことから、淡水と塩水の間で音速が変化したと考えられる。

図－８は誤差を生じた一例である。基準データと計٨ ၮḰ୯‫ޔ‬٨ ⸘᷹୯ 

図－６

計測結果（例） 海底地形断面図

㪄㪌㪅㪇㪇㪄㪍㪅㪇㪇㪄㪎㪅㪇㪇ᷓᐲ㪄㪏㪅㪇㪇㪄㪐㪅㪇㪇㪄㪈㪇㪅㪇㪇㪄㪈㪈㪅㪇㪇㪄㪈㪉㪅㪇㪇㪄㪈㪊㪅㪇㪇㪇㪈㪉㪊㪋㪌㪍㪎㪏㪐㪈㪇㪈㪈㪈㪉㪈㪊㪈㪋㪈㪌㪈㪍㪈㪎㪈㪏㪈㪐㪉㪇〒㔌ၮḰ୯   ࡕ࡯࡚ࠪࡦ࠮ࡦࠨ࡯᦭ല   ࡕ࡯࡚ࠪࡦ࠮ࡦࠨ࡯ήല
 ࠰࡯࠽࡯30°௑ᢳ㕒ᱛ 60°ᣇะၮḰ䊂䊷䉺㪫㪪㪪᦭ല㪫㪪㪪ήല䉸䊅䊷㪊㪇ᐲ௑䇭㕒ᱛ㪍㪇ᐲᣇะ図－７

モーションセンサーの有効時・無効時の比較（例）٨ ၮḰ୯‫ ޔ‬٨ ⸘᷹୯ 

図－８４．３

計測結果（例） 海底地形断面図

計測試験
（２）

４．３．１

取付角度の変更（SEABAT8125）

次に、以上の計測試験で顕著であった到達距離20mマルチビーム測深機（SEABAT8125）を使用し、ソ以上での誤差について、ビームの入射角との関連を検ーナーヘッド取付角度を30°から60°に変更して計測証した。計測試験は計測方式の異なる３つの測深機にしたところ、各到達距離においてデータ密度の増加をついて実施した。

確認した。

以下、精度の検証においては、計測精度を±0.25m※

しかし、ビームの各到達距離において計測精度を満の範囲 とした。

たしたのは、取付角度30°で60m、60°で10m となり、※とくに、60度の場合は近距離から誤差が大きくなった。

海上保安庁告示第102号「特級水域における測深誤差の限度」の水深５m・特級0.253m による。

傾斜角の変更においては、岸壁等の構造物あるいは水面に対してビームが当たりその反射波が解析の障害

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となるノイズとして表れないように、適切なソーナーモードも備えている。この機器を用いてレンジを500mヘッドの傾斜角に設定する必要がある。

として水深の計測を行った。
結果は、３つの測深機中最も誤差が大きく、精度確保距離は概ね10m 程度で、遠方へ行くほど誤差が増஥㕙࿑䊓䉾䊄ขઃ
ⷺᐲ30ᐲ

大した。原因としては、遠方の到達距離を優先したた+90㫦䊓䉾䊄ขઃⷺᐲ60ᐲ

め100m 未満での音波出力と音波感度調整が不十分だ਄㕙࿑ጯო

った可能性がある。
ጯო

４．３．３

GeoSwath が採用しているインターフェロメトリ方ጯო

式は、複数の受波器を用いてビームの位相差から到来-90㫦

方向角度を正確に求める方式である。

䊓䉾䊄࿁ォ䈮
䉋䉎⸘᷹

図－９

GeoSwath による計測

計測結果は、計測距離が54m まで計測精度を満たしており良好な結果であった。しかし、勾配変化の大取付角度の変更（30°→60°）

きな地形等において、計測データは誤差が増大する傾向を示した。

４．３．２

SEABAT7101による計測

４．３．４

計測試験結果フラットアレイ方式は受波端部ほど入射角による誤以上の試験結果から、SEABAT8125の計測精度は差が大きくなり常に表層面の音速度を正確に確認する

約60m が限界であり、計測方式が異なる他の機種は必要があるが、SEABAT7101は送受波器がサークルそれ以下であった。これらから、到達距離20m 以上アレイ方式で、入射角の補正が不要である。ビーム幅での誤差は入射角の補正が要因ではなく、計測精度確（角度）を一定にした状態で150°の範囲を計測でき、保距離から SEABAT8125の優位性を確認した。

また、各ビームのフットプリント間隔を等距離とした

表－１に以上の機器による計測結果を示す。

表－１

計測試験で使用した計測機器
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SEABAT8125
䋨ㆊᐕᐲ䉋䉍૶↪䋩

120m

455kHz120ᐲ䉪䊨䉴䊐䉜䊮䊎䊷䊛ᣇᑼ䇮䊐䊤䉾䊃䉝䊧䉟

119m

0䌾60m

SEABAT7101

500m

240kHz150ᐲ䉪䊨䉴䊐䉜䊮䊎䊷䊛ᣇᑼ䇮䉰䊷䉪䊦䉝䊧䉟

297m

0䌾10m

GeoSwath

190m

500kHz240ᐲ䉟䊮䉺䊷䊐䉢䊨䊜䊃䊥䊷ᣇᑼ

60m

0䌾54m

４．４

解析方法の検討

図－10はメッシュ展開後の各到達距離における計測

計測距離が50m 前後を過ぎると、フットプリント誤差である。計測精度を超えた箇所では誤差を生じての拡大が顕著となり、更に上方への浮き上がり現象かいるが、図－11における計測値の欠損区間の前後であら計測誤差は増加した反面、遠方の取得データは計測り信頼性が低いと考えられる。なお、欠損の原因は海時間の増加に比例して取得率が上がっていた。

底地形の形状に起因しており、影響のない場所では計以前から、計測したデータはメッシュ展開（１m×測可能であったと考えられる。

１m など）し平均値を求める処理を行ってきたが、本また、100m 程度までの計測距離が必要な場合は、試験においては、各到達距離におけるデータのうち、静止計測時間を120 ～ 180秒程度確保し、計測データ最大水深値が最も真値に近いと考えられ、計測距離についてはメッシュ展開し最大水深値を採用すること50m 以上の誤差縮小を目指して、各メッシュから最で到達距離50m 以上において効果的であり、これら大水深の抽出を行った。

により100m までの計測実現性が高いと考えられる。

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1.20
0.80
0.40
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図－10᳓ᷓm

SEABAT8125による計測誤差値-6-8-10-12-14㪇㪉㪇㪋㪇㪍㪇㪏㪇㪈㪇㪇㪈㪉㪇೔㆐〒㔌㧔m㧕

図－11

SEABAT8125による計測値と基準データの比較（180秒収録、メッシュ展開・最小値）

５．まとめ

参考文献

以上より、マルチビーム測深機による陸上からの測深は、遠方でのフットプリントの拡大や浮き上がり現象を伴うが、検討した解析方法により、計測地点から半径100m 程度の範囲を面的に計測が可能となった。

１）北海道開発局、平成18年度水中計測技術調査検討
業務報告書、2007.3
２）海洋音響学会、海洋音響の基礎と応用、成山堂書店、pp.159
３）北海道開発局、平成19年度水中計測技術検討業務
報告書、北海道開発局、2008.3

五十嵐

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匡＊

国島英樹＊＊

長瀬禎＊＊＊平

伴斉＊＊＊＊

Tadashi IGARASHI

Hideki KUNISHIMA

Tadashi NAGASETomonari TAIRA

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

北海道開発局
留萌開発建設部
施設整備課（前寒地機械技術チーム主任研究員）

北海道開発局
帯広開発建設部
施設整備課（前寒地機械技術チーム研究員）

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

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