GNSS測量とは？観測方法の使い分けと精度、標高の落とし穴

三角点を見通して角度を測り、距離を測り、順に座標を伸ばしていく。測量はそういう作業でした。GNSS測量は、この見通しの制約を外します。

見えなくてもよい。離れていてもよい。夜でもよい。そのかわり、空が見えていなければなりません。

この記事では、GNSS測量の仕組み、観測の方法の使い分け、精度を左右するもの、そして標高を出すときの落とし穴を整理します。

GNSS測量とは

複数の衛星から届く電波を受けて、受信機の位置を求める測量です。GNSSは、GPSを含む各国の測位衛星をまとめた呼び方です。

GPS測量という言い方も残っていますが、いまの受信機はアメリカのGPSだけでなく、ロシア、欧州、中国、日本の衛星も同時に受けます。受けられる衛星が増えると、空の狭い場所でも観測できる時間が延びます。この意味で、GNSS測量という呼び方のほうが実態に合っています。

従来の方法との一番の違いは、点と点が見通せなくてよいことです。山を挟んだ二点、川を挟んだ二点でも、それぞれの空が見えていれば結べます。

単独では測量にならない

ここを外すと話が始まりません。

受信機1台で出す位置には、数メートルの誤差があります。測量で求められる精度には遠く及びません。

GNSS測量が精度を出せるのは、2台以上の受信機で同時に観測し、その差を取るからです。近くにある受信機は、同じ電離層、同じ大気を通ってきた電波を受けています。だから同じ誤差を含んでいます。差を取ると、その共通の誤差が消えます。

残るのは、2点の間の相対的な位置関係です。これを基線と呼びます。GNSS測量は、この基線を積み上げて座標を決める作業だと考えると分かりやすくなります。

片方に座標が分かっている点を置けば、もう片方の座標が出ます。この既知点として、全国に設置された電子基準点を使うことができます。

観測の方法

必要な精度と、かけられる時間で選びます。

方法	観測の時間	精度のめやす	主な用途
スタティック法	1時間から数時間	数ミリメートル	高い等級の基準点
短縮スタティック法	20分程度	1センチメートル前後	中程度の等級
キネマティック法	移動しながら	数センチメートル	多数の点を取る
RTK法	その場で数十秒	数センチメートル	現地で座標が要る作業
ネットワーク型RTK法	その場で数十秒	数センチメートル	基準局を自前で持たない

スタティック法は、両方の受信機を据え置いて、長い時間データを取り続けます。時間をかけるほど衛星の配置が変わり、条件の違うデータが集まるので、精度が上がります。あとから計算する方式なので、その場では結果が出ません。

RTK法は、基準となる受信機から補正の情報をその場で受け取り、移動する側で即座に座標を出します。現地で杭を打つ、境界を確認する、といった作業に向きます。

ネットワーク型RTK法は、基準局を自分で置かず、配信サービスから補正を受け取ります。複数の電子基準点の観測を組み合わせ、利用者のすぐそばに仮想の基準局があるかのように計算する方式です。基準局が遠くても精度が落ちにくくなります。

精度を左右するもの

観測の方法を決めたあと、実際の精度を決めるのは現場の条件です。

空の広さです。仰角の低い衛星が遮られると、使える衛星が減り、配置が偏ります。特に高さの精度が落ちます。

反射波です。壁、金属の屋根、車体、水面で跳ね返った電波が混じると、計算が合いません。アンテナの下に金属の板を敷くと、下から来る反射を減らせます。

基線の長さです。2点が離れるほど、通ってくる空が違ってくるので、共通の誤差が消え残ります。RTK法では10キロメートル以内が扱いやすく、20キロメートルを超えると苦しくなります。

観測の時間です。短いほど、衛星の配置の偏りがそのまま結果に出ます。

アンテナの高さの測り方です。地面の点からアンテナの基準の位置までの高さを、測って記録します。この値を1センチメートル間違えれば、標高が1センチメートル間違います。計算では見つかりません。現場で2回測って記録する習慣が、いちばん確実な対策です。

標高を出すときの落とし穴

GNSSが直接出す高さは、標高ではありません。

衛星が基準にしているのは、地球を数学的な楕円体とみなしたときの、その面からの高さです。これを楕円体高と呼びます。

一方、地図に載っている標高は、平均海面を延長した面からの高さです。この2つの差をジオイド高と呼び、日本では30メートルから40メートルあります。

標高 = 楕円体高 - ジオイド高

差は場所によって変わるので、一律の数値を引くことはできません。国土地理院が全国のジオイド高を示した数値の面を公開しており、計算のソフトがそれを参照します。

現場で受信機が表示している高さがどちらなのかは、機器と設定で変わります。ここを確かめずに標高として扱うと、30メートル以上の間違いになります。

地殻変動の補正

日本は、プレートが動き続けている土地です。基準点も電子基準点も、少しずつ動いています。

動く量は場所によって違います。全体が同じ方向に同じだけ動くなら座標をずらすだけで済みますが、実際には歪みながら動くので、点と点の関係が変わっていきます。

電子基準点の間隔はおよそ25キロメートル、歪みの速さは年に0.2ppm程度で、10年でおよそ50ミリメートルの相対的な変動が積み重なります。この量は、GNSS測量で求める精度に対して無視できません。

そこで、観測した時点の座標を、基準となる時点の座標系に直す計算を行います。これをセミ・ダイナミック補正と呼びます。国土地理院が毎年、補正の値を公開しています。

対象になるのは、電子基準点だけを既知点とする基本測量と公共測量です。近くの三角点どうしを結ぶような短い距離の測量では、相対的な変動が小さいため対象になりません。

自分の測量がどちらに当たるかを、作業に入る前に確かめてください。

機材について

受信機には等級があります。測量機器の基準で1級と2級に分かれ、求める基準点の等級によって、使える機材が決まります。高い等級の基準点測量には1級の受信機が要ります。

価格には幅があります。開発用の基板であれば数万円から手に入りますが、公共測量に使える等級の機材となると、桁がいくつか変わります。

年に数回しか使わないなら、借りるという選択があります。機材と一緒に、その日だけ配信サービスを使えるようにしてもらえることもあります。

安価な受信機で練習してから、業務で使う機材を選ぶ、という順序は現実的です。仕組みを理解しておくと、現場で結果が出ないときの切り分けが速くなります。

メリットと、向かない場面

見通しが要らないこと、天候や昼夜に左右されにくいこと、離れた点を一度に結べること、そして一人でも作業できることが利点です。

向かないのは、空が塞がれている場所です。森林の中、トンネル、高架の下、ビルの谷間では、そもそも観測できません。

構造物のすぐそばも苦手です。壁からの反射で結果が乱れます。

短い距離を非常に高い精度で測る場面でも、従来の器械が優位に立ちます。数十メートル先の点を測るのに、わざわざ衛星を使う必要はありません。

現場では、両方を組み合わせるのが普通です。GNSSで基準になる点を作り、そこから先は器械でつないでいく、という進め方になります。

結果が出ないときに見るところ

順に疑うと早く見つかります。

空の広さ。使えている衛星の数と、配置の指標を見ます。数が足りていないなら、場所を変えるか、時間を変えるかです。

基準までの距離。遠すぎないかを確かめます。

補正情報。届いていない、認証が通っていない、という単純な理由が多くあります。使っている基準局が止まっていることもあります。

観測の時間。短縮しすぎていないかを確かめます。

アンテナの高さ。記録した値と実際が合っているかを確かめます。ここは計算では見つかりません。

そして、成果が出たあとの点検です。既知の点をもう一度測って、値が合うかを確かめます。この一手間を省くと、間違いに気づけるのが最後の最後になります。

まとめ

GNSS測量は、2台以上の受信機で同時に観測し、その差から2点の関係を求める測量です。単独で測った位置をそのまま使うものではありません。

方法は、時間と精度の取り引きで選びます。時間をかけられるならスタティック法、その場で座標が要るならRTK法です。

高さを扱うときは、楕円体高と標高の違いを必ず確かめてください。30メートル以上の差になります。

電子基準点だけを既知点とする測量では、地殻変動の補正が要ります。作業に入る前に、自分の測量が対象かどうかを確かめておくと、あとから計算をやり直さずに済みます。