特許 7616618 測量システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-08

(45)【発行日】2025-01-17

(54)【発明の名称】測量システム

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20250109BHJP

   G01C 13/00 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 102C

G01C13/00 D

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2024009783

(22)【出願日】2024-01-25

【審査請求日】2024-02-09

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】593201615

【氏名又は名称】公益財団法人河川財団

(73)【特許権者】

【識別番号】715001390

【氏名又は名称】株式会社プロドローン

(74)【代理人】

【識別番号】110002158

【氏名又は名称】弁理士法人上野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒沼 尚史

(72)【発明者】

【氏名】菅木 紀代一

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０９４４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０２０６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２４－００３６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５４５５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１７６９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０４０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１５６３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１９１２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５８０５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｇ０１Ｃ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水面に降着可能であり、河川の上流から下流に向けて該河川の水流に乗せて流される無人航空機と、
前記無人航空機の着水後に水中の地形データを取得するスキャナー装置と、
着水後の前記無人航空機の高度を取得するＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）装置と、
前記ＧＮＳＳ装置が出力する高度値を補正するための補正情報を取得するＲＴＫ（Real Time Kinematic）装置と、を備え、
前記無人航空機の着水後に取得された前記高度値は、その水面の標高の算出に用いられる、
測量システム。

【請求項2】

前記ＲＴＫ装置は、インターネットを介して前記補正情報を取得する、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項3】

前記ＲＴＫ装置は、移動体通信網を介して前記補正情報を取得する、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項4】

前記スキャナー装置はマルチビーム音響測深装置である、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項5】

前記無人航空機は、
制御装置と、
空中を移動するための推力源であるロータと、を備え、
前記制御装置は、前記ロータの停止後に／にも、前記ＧＮＳＳ装置から高度を取得する、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項6】

前記ＲＴＫ装置は、前記ロータの停止後に／にも、前記補正情報を取得する、
請求項５に記載の測量システム。

【請求項7】

データ統合部を備え、
前記データ統合部は、前記無人航空機の着水後に、
（１）前記スキャナー装置が取得した前記地形データ又はその加工値、及び前記地形データを取得した経緯度または時刻と、
（２）前記高度値、該高度値を前記補正情報で補正した値である補正高度値、又は該補正高度値からジオイド高を除いた値である水面標高、及び前記高度値を取得した経緯度または時刻と、を収集する、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項8】

前記データ統合部は、
前記（１）に基づき、河川の流量を算出する、
請求項７に記載の測量システム。

【請求項9】

前記無人航空機は、
空中を移動するための推力源であるロータと、
水面上を移動するための推力源である水上推進装置と、を備える、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項10】

前記無人航空機は制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記ロータで空中を移動する飛行モードと、
前記水上推進装置により水面上を移動する航行モードと、を切り替え可能である、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項11】

前記無人航空機は、
制御装置と、
機体からその側方に向けられた測距センサと、を備え、
前記無人航空機の着水後、前記制御装置は、該無人航空機と周辺物との距離が所定の間隔以下にならないよう、前記水上推進装置を自動的に操作する、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項12】

前記無人航空機は制御装置を備え、
前記制御装置は、河川の水流に乗って該河川を下る前記無人航空機が、予め指定された経緯度上のルートに沿って移動するよう、前記水上推進装置を自動的に操作する、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項13】

前記スキャナー装置はマルチビーム音響測深装置であり、
前記制御装置は、前記マルチビーム音響測深装置のソナー配列方向を、前記ルートの進行方向に対して交差する向きに維持するよう、前記水上推進装置を自動的に操作する、
請求項１２に記載の測量システム。

【請求項14】

前記無人航空機は制御装置を備え、
前記制御装置は、河川の水流に乗って該河川を下る前記無人航空機が、該河川を所定の位置まで下ったときに、自動的に離水および飛行して、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水する、飛行迂回手段を有する、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項15】

前記無人航空機は一対の浮き舟型のフロートを備え、
前記水上推進装置は、前記無人航空機を平面視したときに、前記一対のフロートよりも機体の中心側に配置される、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項16】

前記無人航空機は三胴形のフロートを備え、
前記スキャナー装置は、中央の前記フロートの底部に設けられた凹部に配置される、
請求項１に記載の測量システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は無人航空機を用いた測量技術に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、機体を水面に浮かべるためのフロート、水面上の移動手段であるスクリュー、及びマルチビームソナーを備えた無人航空機が開示されている。下記特許文献２にはＲＴＫ（Real Time Kinematic）システムを利用した無人航空機が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－０４１８６３

【文献】国際公開第２０１８／１６８５６４（Ａ１）号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

地球温暖化による水害の激甚化や、防災に関する法制度の強化に伴い、これに劣後しない新たな治水システム・河川管理手法が求められている。一方、管理の対象である河川は、それぞれが地理的・空間的な個性を有するとともに、洪水により刻々と状態が変化するという予測困難性を有している。河川が将来にわたってその備えるべき安全性を維持し続けるためには、河道変化や、構造物等が破壊されるメカニズム等を解明し、降雨や洪水の水理的影響を定量的に予測できるようにする必要がある。そしてそのためには、地形・地質を含む河川やその流域の状態を正確かつ詳細に測定可能とし、事実・知見を積み重ねていくことが不可欠である。とりわけ、通常時や洪水時の河川の流量、水位（水面の標高）、及びその変化を把握することは河川を管理する上で重要であるが、現状、流量を算出するための河道の形状と流速（流れの速さ）、及び水位を同時に測定可能な仕組みは存在しない。

【0005】

現行の手法では、河道形状が変化しないことを前提に基準観測所の水位から算出した洪水流量を用いているが、河道形状が変化している場合に河川の水位予測が大きく異なり洪水対策・水防活動・避難判断に支障が生じる場合がある。また、ダムにおいては、洪水で流木等が流入しボートでの計測が困難な場合は、河床に堆積した流土砂を計ることが困難であり、有効貯水量の把握に時間を要していた。

【0006】

このような問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、河川や海、ダム・湖沼等の測量に無人航空機を応用することで、これをより簡便に、より高精度に実施可能とすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明の測量システムは、水面に降着可能な無人航空機と、前記無人航空機の着水後に水中の地形データを取得するスキャナー装置と、着水後の前記無人航空機の高度を取得するＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）装置と、前記ＧＮＳＳ装置が出力する高度値を補正するための補正情報を取得するＲＴＫ装置と、を備えることを要旨とする。

【0008】

無人航空機を水面に浮かべ、そのＧＮＳＳ装置が出力する高度値をＲＴＫ補正することにより、比較的正確な水位を得ることができる。また、無人航空機を河川に浮かべ、これをその水流に乗せて流すことにより、その河川の流速を得ることができる。河道の地形データ（河川の断面積）と流速が得られれば、その河川の流量を算出することができ、本発明によればさらにその水位までを得ることができる。

【0009】

また、前記ＲＴＫ装置は、インターネットを介して前記補正情報を取得することが好ましい。同様に、前記ＲＴＫ装置は、移動体通信網を介して前記補正情報を取得することが好ましい。これにより、測量地点の周囲にＲＴＫ基地局（固定局）を都度設置する手間や、ＲＴＫ基地局との距離の制約から解放され、より迅速・簡便に、かつ広範な測量が可能となる。

【0010】

また、前記スキャナー装置はマルチビーム音響測深装置であることが好ましい。超音波を用いた測距は、光学カメラやグリーンレーザーに比べて濁度による影響を受けにくく、困難な条件下でもより高い精度の地形データが得られるからである。

【0011】

また、前記無人航空機は、制御装置と、空中を移動するための推力源であるロータと、を備え、前記制御装置は、前記ロータの停止後に／にも、前記ＧＮＳＳ装置から高度を取得することが好ましい。このとき、前記ＲＴＫ装置は、前記ロータの停止後に／にも、前記補正情報を取得することが好ましい。一般的な無人航空機は、ＧＮＳＳ装置をもっぱら経緯度の取得に用いており、飛行中の高度はフライトコントローラに内蔵された気圧センサや下方に向けられた測距センサにより取得している。つまりＧＮＳＳ装置が出力する高度値は飛行中でも利用していない。着陸時（ロータ停止時）にはなおさらである。一方、本発明ではＧＮＳＳ装置を水位の取得にも利用するため、着水時（ロータ停止時）にもＧＮＳＳ装置から高度を取得する必要がある。またその高度値の補正のためにＲＴＫ装置も稼働させておく必要がある。

【0012】

また、本発明の測量システムは、データ統合部を備え、前記データ統合部は、前記無人航空機の着水後に、（１）前記スキャナー装置が取得した前記地形データ又はその加工値、及び前記地形データを取得した経緯度または時刻と、（２）前記高度値、該高度値を前記補正情報で補正した値である補正高度値、又は該補正高度値からジオイド高を除いた値である水面標高、及び前記高度値を取得した経緯度または時刻と、を収集することが好ましい。このとき、前記データ統合部は、前記（１）に基づき、河川の流量を算出してもよい。無人航空機や各装置が取得したデータを収集・統合することに特化した構成（データ統合部）を別途備えることにより、各装置の負荷や機能をシステム全体において適切に分散させることができ、また、測量結果の蓄積や共有もよりスムーズに行うことができる。

【0013】

また、前記無人航空機は、空中を移動するための推力源であるロータと、水面上を移動するための推力源である水上推進装置と、を備えることが好ましい。無人航空機を水面上で移動させるための推力源を別途備えることにより、各水域における測量の自由度が高められる。

【0014】

このとき、前記無人航空機は制御装置を備え、前記制御装置は、前記ロータで空中を移動する飛行モードと、前記水上推進装置により水面上を移動する航行モードと、を切り替え可能であることが好ましい。

【0015】

またこのとき、前記無人航空機は、制御装置と、機体からその側方に向けられた測距センサと、を備え、前記無人航空機の着水後、前記制御装置は、該無人航空機と周辺物との距離が所定の間隔以下にならないよう、前記水上推進装置を自動的に操作することが好ましい。またこのとき、前記無人航空機は制御装置を備え、前記制御装置は、河川の水流に乗って該河川を下る前記無人航空機が、予め指定された経緯度上のルートに沿って移動するよう、前記水上推進装置を自動的に操作することが好ましい。またこのとき、前記スキャナー装置はマルチビーム音響測深装置であり、前記制御装置は、前記マルチビーム音響測深装置のソナー配列方向を、進行方向に対して交差する向きに維持するよう、前記水上推進装置を自動的に操作することが好ましい。またこのとき、前記無人航空機は制御装置を備え、前記制御装置は、河川の水流に乗って該河川を下る前記無人航空機が、該河川を所定の位置まで下ったときに、自動的に離水および飛行して、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水する、飛行迂回手段を有することが好ましい。これらの自動操縦機能により、操縦者に要求される操縦スキルが緩和されるとともに、目視外における測量をより正確に行うことが可能になる。

【0016】

また、前記無人航空機は一対の浮き舟型のフロートを備え、前記水上推進装置は、前記無人航空機を平面視したときに、前記一対のフロートよりも機体の中心側に配置されることが好ましい。また、前記無人航空機は三胴形のフロートを備え、前記スキャナー装置は、中央の前記フロートの底部に設けられた凹部に配置されることが好ましい。これにより水上推進装置やスキャナー装置を、水面上の浮遊物や周辺物との衝突から保護することができ、より安全に測量を行うことができる。

【0017】

上記課題を解決するため、本発明の河川測量方法は、本発明の無人航空機を、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含むことを要旨とする。このとき、本発明の河川測量方法は、前記無人航空機が前記河川を所定の位置まで下ったときに、自動的に離水および飛行して、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水する工程を含んでもよい。その効果や原理についてはこれまでに述べたことと同様であるため再度の説明は省略する。

【0018】

また、本発明の河川測量方法は、本発明の無人航空機を、複数機、河川の川幅方向における位置をずらして配置し、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含んでもよい。これにより、広範な水域の測量に要する時間を短縮することができる。

【0019】

また、本発明の河川測量方法は、前記無人航空機が前記河川を所定の位置まで下ったときに、その位置よりも上流の他の位置まで飛行して戻る工程と、前記他の位置から再度前記河川を下る工程と、を含んでもよい。例えば増水時や洪水時に河川の特定箇所の状態変化を繰り返し観察することで、特定の条件下でのみ発生する現象を発見・把握することができる。

【発明の効果】

【0020】

以上のように、本発明の測量システム及び河川測量方法によれば、河川や海、ダム・湖沼等の測量に無人航空機を応用することで、これをより簡便に、より高精度に実施することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】マルチコプター１２の斜視図である。

【図2】マルチコプター１２の下面図である。

【図3】測量システム１０の全体構成を示すブロック図である。

【図4】ＦＣ／ＢＣ２０が備える自動操縦機能を示すブロック図である。

【図5】マルチコプター１２が河道の断面形状を取得する様子を示す模式図である。

【図6】河川の流量を求める方法を示す模式図である。

【図7】マルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である

【図8】複数機のマルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である

【図9】マルチコプター１２が河川の特定の位置範囲を繰り返し測量する様子を示す模式図である。

【図10】測量システム１０を河川ではなく、水面の静止した天然ダムＮＤに用いる例を示す模式図である。

【図11】マルチコプター１２の変形例を示す下面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に説明する測量システム１０、及び河川測量方法は、無人航空機であるマルチコプター１２を水面に浮かべ、そのＧＰＳ（Global Positioning System）３１で取得した高度をＲＴＫ補正することにより、少ない手間や制約で比較的正確な水位を得ることをその主たる特徴としている。以下、この特徴とこれに付随する他の特徴について実施形態を通して説明する。尚、以下の説明における「測量」とは、河川の河道形状（地形）、流速、流量、又は水位を測定することをいい、測量法に定義される「測量」が意味する範囲には限られない。また、「水位」は「水面（の）標高」ともいう。

【0023】

＜測量システム概要＞
図１はマルチコプター１２の斜視図、図２はマルチコプター１２の下面図である。図３は測量システム１０の全体構成を示すブロック図である。以下、図１から図３を参照して測量システム１０の概要について説明する。

【0024】

図１及び図２に示すように、本形態のマルチコプター１２は、平面視放射状に延びる６本のアームの先端にロータ１２が固定された、いわゆるヘキサコプタである。マルチコプター１２は、その機体を水面に浮かべるための一対の浮き舟型のフロート５０を備えており、各フロート５０には、水面上でマルチコプター１２を移動させるための一対のスラスタ４２が固定されている。また、マルチコプター１２の胴部１２１の下面には、着水後に水中の地形データ（河道の断面形状）を取得するためのソナーユニット７０が取り付けられている。そして、マルチコプター１２の機外には２基のＧＮＳＳ装置であるＧＰＳ３１が配置されている。

【0025】

図３に示すように、本形態の測量システム１０は、主に、データ統合部１１、マルチコプター１２、及びマルチビームソナー１３により構成されており、データ統合部１１と、マルチコプター１２及びマルチビームソナー１３とは、インターネットを介して接続されている。また、本形態では測量システム１０のオペレータ１９の操作端末もインターネットを介して各装置に接続されている。

【0026】

（マルチコプター）
本形態のマルチコプター１２は、制御装置であるフライトコントローラ／ボートコントローラ２０（以下「ＦＣ／ＢＣ２０」という。）、ＦＣ／ＢＣ２０に接続されたＧＰＳ３１、ＲＴＫレシーバ３２、ロータ４１、スラスタ４２、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）３８、並びに、フロート５０、及びカメラ３９により構成されている。本形態のＦＣ／ＢＣ２０は、専用のＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）や、気圧センサ、電子コンパス等を含んでいる。

【0027】

ＦＣ／ＢＣ２０は、後述する種々の自動操縦プログラムや、オペレータ１９からの指示に応じて、ＦＣ／ＢＣ２０に接続された各センサ装置の検出値を確認しながらロータ４１及びスラスタ４２を駆動し、マルチコプター１２を飛行・航行させる。本形態の測量システム１０では、マルチコプター１２がスラスタ４２を備えていることにより、マルチコプター１２を用いた河川測量の自由度や柔軟性、精度が高められている。尚、ここでいう「航行」とは、マルチコプター１２が水面上を移動することを意味している。本形態のマルチコプター１２は、空中を移動するための推力源である６基のロータ４１と、水面上を移動するための推力源である２基のスラスタ４２とを備えており、ＦＣ／ＢＣ２０は、ロータ４１で空中を移動する「飛行モード」と、スラスタ４２により水面上を移動する「航行モード」とを自動で、又はオペレータ１９からの指示により切り替えることができる。オペレータ１９は、マルチコプター１２が有視界内にあれば目視で、目視外ではカメラ３９から転送された映像を頼りに、マルチコプター１２を遠隔操縦する。すなわち、目視外における操縦を自動操縦プログラムに委ねるのであれば、カメラ３９は省略することもできる。

【0028】

ＲＴＫレシーバ３２は、ＧＰＳ３１が取得した経緯度値や高度値を補正するための補正情報を取得するＲＴＫ装置である。本形態のＲＴＫレシーバ３２は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）回線を通して、インターネット上のサービスとして提供されている補正情報を取得する。これにより本形態の測量システム１０では、ＲＴＫ基地局（固定局）を測量地点の周囲に都度設置する手間がなく、また、ＲＴＫレシーバ３２と各ＲＴＫ基地局との距離の制約も緩やかとなり、より迅速・簡便かつ広範な測量を実施することができる。尚、ＲＴＫレシーバ３２は、ＬＴＥ回線のほか、５Ｇや３Ｇ、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）など、他の移動体通信網を利用してもよい。また、本形態ではＧＮＳＳ装置としてＧＰＳを採用しているが、これは、例えばGLONASSやGalileo、みちびき（準天頂衛星システム）、又はCOMPASS（北斗衛星測位システム）等の受信器であってもよい。

【0029】

ここで、本形態のＦＣ／ＢＣ２０は、ロータ４１の停止後にも、ＧＰＳ３１から高度を取得するとともに、ＲＴＫレシーバ３２からも補正情報を取得し続けることができる。上でも述べたように、一般的な無人航空機は、ＧＰＳをもっぱら経緯度の取得に用いており、飛行中の高度は、フライトコントローラに内蔵された気圧センサや下方に向けられた測距センサによって取得する。つまりＧＰＳが出力する高度は飛行中でも基本的には利用されてておらず、着陸後はなおさらである。一方、本形態の測量システム１０では、ＧＰＳ３１およびＲＴＫレシーバ３２を水位の取得にも利用するため、着水後（ロータ４１の停止時）にもこれらを稼働させ続ける必要がある。

【0030】

ＬｉＤＡＲ３８は、マルチコプター１２の機体から側方（水平方向）に向けられ、機体周辺の点群データを取得するレーザースキャナである。ＬｉＤＡＲ３８の出力データは後述するＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）プログラム２３１に入力され、機体とその周辺物との位置関係が特定される。

【0031】

（マルチビームソナー）
マルチビームソナー１３は、マルチビーム音響測深装置であり、異なる周波数の音波ビームを水中に扇状に送信し、それらの反射波を受信することで河川の地形データを取得する。本形態のマルチビームソナー１３は、制御部６０、ＧＰＳ３１、及びソナーユニット７０により構成される。

【0032】

ソナーユニット７０は、複数のソナーが配列された送信部、反射波を受信する受信部、専用のＩＭＵ、及び表層音速度計等を備えるユニットである。ＧＰＳ３１はマルチコプター１２のＦＣ／ＢＣ２０が用いているものと同じものである。制御部６０は、ソナーユニット７０の動作や設定を操作したり、ソナーユニット７０が取得した点群データの傾きを補正したり、ソナーユニット７０が取得したデータを記録、転送したりする装置である。超音波による計測は、光学カメラやグリーンレーザーに比べて濁度による影響を受けにくく、困難な条件下でもより精度の高い地形データを得ることができる。尚、マルチコプター１２に設置するスキャナー装置は、マルチコプター１２の着水後に水中の地形データを取得できるものであればよく、マルチビームソナー１３には限られない。例えば透明度が高く静止した水域のみを測量するのであれば、光学カメラやレーザーを用いたスキャナー装置であっても地形データは取得できると考えられる。尚、以降の説明では、マルチコプター１２とマルチビームソナー１３の両方を総称して単にマルチコプター１２ということもある。

【0033】

（データ統合部）
本形態のデータ統合部１１は、サーバコンピュータやＰＣ、又は専用のコンピュータ装置である。データ統合部１１は１台の装置であってもよく、複数台の装置を組み合わせたものであってもよい。また、オペレータ１９の操縦端末にデータ統合部１１の機能をもたせてもよい。

【0034】

本形態のデータ統合部１１は、マルチビームソナー１３から地形データを、そしてマルチコプター１２から、ＧＰＳ３１の高度値、この高度値をＲＴＫレシーバ３２の補正情報で補正した値である補正高度値、又は、この補正高度値からジオイド高を除いた値である水面標高（水位）を取得する。尚、ジオイド高は例えば国土地理院の提供する重力ジオイドモデルデータを利用すればよい。またデータ統合部１１は、マルチコプター１２やマルチビームソナー１３がこれらのデータを取得した経緯度および時刻についても併せて取得し、河川の流速を算出する。尚、河川の流速は、マルチコプター１２がこれを算出してデータ統合部１１に送信してもよい。

【0035】

そして、詳しくは後述するが、データ統合部１１は、これら地形データ及び流速に基づき、河川の流量を算出するとともに、河川の水面標高を取得または算出する。このように、本形態の測量システム１０は、マルチコプター１２やその各装置が取得したデータを収集・統合することに特化した構成（データ統合部１１）を備えていることにより、各装置の負荷や機能がシステム全体において適切に分散されている。また、データ統合部１１はこれをハブとして測量結果の蓄積や共有が行われる。尚、測量システム１０にとって、独立したデータ統合部１１は必須ではなく、例えばデータ統合部１１に相当する処理機能をマルチコプター１２にもたせ、マルチコプター１２内で流量や水面標高を計算してオペレータ１９に送信してもよい。

【0036】

また、本形態ではマルチコプター１２がＲＴＫレシーバ３２を備え、自動操縦に用いる経緯度の認知精度を向上させているが、ＲＴＫレシーバ３２を水面標高の取得のみに用いるのであれば、ＲＴＫレシーバ３２をデータ統合部１１に配置し、ＧＰＳ３１で取得した高度値の補正をデータ統合部１１で行ってもよい。

【0037】

（自動操縦機能）
図４は、ＦＣ／ＢＣ２０が備える自動操縦機能を示すブロック図である。本形態のマルチコプター１２は、その自動操縦機能として、自律飛行プログラム２１、自律航行プログラム２２、衝突回避プログラム２３、ＳＬＡＭプログラム２３１、ヘディング制御プログラム２４、飛行迂回プログラム２５、定位置観測プログラム２６を備えている。以下、ＦＣ／ＢＣ２０が備える各自動操縦機能について説明する。

【0038】

自律飛行プログラム２１は、事前に用意されたフライトプラン（飛行計画）に沿ってマルチコプター１２を自動的に飛行させる機能である。フライトプランは、地図データ上で指定された離陸（離水）地点、着陸（着水）地点、飛行ルートを構成する一又は複数の経由地点であるウェイポイント、各ウェイポイントにおける飛行高度、各ウェイポイント間の飛行速度等のパラメータを含むデータである。

【0039】

自律航行プログラム２２は、事前に用意されたクルーズプラン（航行計画）に沿ってマルチコプター１２を水面上で自動的に移動させる機能である。クルーズプランは、地図データ上で指定された始点、終点、航行ルートを構成する一又は複数の経由地点であるウェイポイントのパラメータを含むデータである。自律航行プログラム２２は、河川の水流に乗って河川を下るマルチコプター１２が、航行ルートに沿って移動するよう、スラスタ４２を自動的に操作する。

【0040】

衝突回避プログラム２３及びＳＬＡＭプログラム２３１は、航行モードにおいて、マルチコプター１２が水面上の浮遊物や周辺物に衝突することを防止する機能である。ＳＬＡＭプログラム２３１はＬｉＤＡＲ３８の出力データを基に、マルチコプター１２の機体とその周辺物との位置関係を特定する。衝突回避プログラム２３は、ＳＬＡＭプログラム２３１の解析結果を基に、マルチコプター１２とその周辺物との距離が所定の間隔以下にならないよう、また航行ルートからできるだけ逸脱しないよう、スラスタ４２を自動的に操作する。尚、ＳＬＡＭプログラム２３１は、マルチコプター１２の機体からその側方（水平方向）に向けられた測距センサであれば、ＬｉＤＡＲ３８以外の測距センサ、例えば一又は複数の超音波測距センサやレーザー測距センサ、ステレオカメラ、深度カメラ、ミリ波レーダー等を用いることもできる。尚、衝突回避プログラム２３及びＳＬＡＭプログラム２３１は、飛行モードにおいても使用することもできる。

【0041】

ヘディング制御プログラム２４は、ＦＣ／ＢＣ２０が備える電子コンパスにより、機体のヘディング（機首）方向、すなわちマルチビームソナー１３の向きを制御する機能である。本形態のヘディング制御プログラム２４は、クルーズプランの航行ルートに沿って、マルチビームソナー１３のソナー配列方向を、進行方向に対して交差（できるだけ直交）する向きに維持するよう、スラスタ４２を自動的に操作する。

【0042】

飛行迂回プログラム２５は、河川の水流に乗って河川を下るマルチコプター１２が、例えば取水堰や堰堤など、すり抜けることができない構造物を飛行して迂回する機能である。飛行迂回プログラム２５は、マルチコプター１２が河川を所定の位置まで下ったときに、マルチコプター１２を自動的に離水および飛行させて、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水させる。本形態では、飛行迂回プログラム２５の離水点や着水点、これら２点間の飛行高度等は、クルーズプランのウェイポイントに指定する。

【0043】

定位置観測プログラム２６は、マルチコプター１２に河川の特定の位置範囲の地形を繰り返しスキャンさせる機能である。定位置観測プログラム２６は、マルチコプター１２が河川を所定の位置まで下ったときに、マルチコプター１２を自動的に離水および飛行させて、その位置よりも上流の他の位置に着水させ、再びマルチコプター１２を河川の水流に流す。本形態では、定位置観測プログラム２６の離水点や着水点、これら２点間の飛行高度、繰り返し回数または繰り返し時間等は、クルーズプランのウェイポイントに指定する。

【0044】

このように、本形態の測量システム１０は種々の自動操縦機能を備えており、経験の浅いオペレータ１９や、目視外における測量であっても、一定水準以上の品質の測量を行うことができる。

【0045】

＜河川測量方法＞
図５は、マルチコプター１２が地形データ、つまり河川の断面形状を取得する様子を示す模式図、図７及び図８は、マルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である。図９は、マルチコプター１２が河川の特定の位置範囲を繰り返し測量する様子を示す模式図である。以下、図５から図９を参照して測量システム１０による河川測量方法について説明する。

【0046】

測量システム１０で河川を測量する際には、まず、図５に示すように、マルチコプター１２を河川ＲＶの水面ＳＦに浮かべる。クルーズプランの始点までは、飛行して移動してもよく、航行して移動してもよい。マルチコプター１２が水面ＳＦに浮かべられると、ＦＣ／ＢＣ２０はマルチコプター１２を飛行モードから航行モードへ切り替える。上でも述べたように、ＦＣ／ＢＣ２０はマルチコプター１２を航行モードへ切り替えた後（ロータ４１を停止した後）も、ＧＰＳ３１やＲＴＫレシーバ３２を稼働させ続ける。航行モードに切り替えられたマルチコプター１２はマルチビームソナー１３による水中のスキャンを開始する。マルチビームソナー１３は設定されたスワス幅θにわたって扇状に音波ビームを送信し、河道ＴＰの地形を表す点群データを取得する。マルチビームソナー１３のスワス幅θを１８０°以上に設定すれば、現状の水域の全体にわたる断面形状を取得することができる。

【0047】

図６は、河川の流量を求める方法を示す模式図である。本形態でいう「流量」とは、所定の単位時間に河川のある横断面を流過する水の体積を意味している。例えば、図６に示す河川ＲＶの横断面ＣＲを１秒間に通過する水の体積のことである。河川ＲＶの流量は、流速と横断面ＣＲの断面積とを掛け合わせることで算出される。測定単位は、立方メートル毎秒（ｍ^３／ｓ）である。より具体的には、流量は以下の式で算出される。尚、流速はＧＰＳ３１で取得した経緯度やその補正値、及びその取得時刻により算出することができる。

流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）＝流速Ｖ（ｍ／ｓ）×断面積Ａ（ｍ^２）

一般に、河川の流量は、過去に実施された複数回の流量測定から導き出されたＨ－Ｑ曲線（水位流量曲線）を元に、現在の水位を流量に変換することで求められるが、本形態の測量システム１０によれば、実際の流量を測定しつつ、かつそのときの水位も得ることができる。より具体的には、Ｈ－Ｑ曲線は、事前に測量された断面積Ａと洪水時に浮子等を使って取得した流速Ｖから算出した流量Ｑを水位（Ｈ）毎にプロットすることで導き出される。断面積Ａは水位Ｈによって変化するため、Ｈ－Ｑ曲線は指数曲線となる。水位観測所の無い河川区域では、基準観測所の位置の流量Ｑを断面積Ａで逆算して水位Ｈを算出するが、洪水時には河川の断面形状が変化していることが示唆されており、計算した水位Ｈがその実態と乖離することがある。本形態の測量システム１０によれば、洪水時に測定した断面積Ａと流速Ｖに基づいて流量Ｑを算出するとともに、その結果を実測水位Ｈと比較することが可能となる。

【0048】

図７に示すように、河川ＲＶに浮かべられたマルチコプター１２は、河川の水流に乗って河川を下っていく。自律航行プログラム２２はマルチコプター１２がクルーズプランの航行ルートＲ１に沿って河川を下るよう、スラスタ４２を自動的に操作する。マルチコプター１２が航行ルートＲ１から逸脱した場合には、河川を下りながら徐々に航行ルートＲ１に復帰する（Ｒ３）。このときも、ヘディング制御プログラム２４は、マルチビームソナー１３のソナー配列方向が航行ルートＲ１の進行方向に対して交差した状態を極力維持するようヘディング方向を制御する。航行ルートＲ１の途中にあるすり抜け不能な構造物である取水堰Ｓ１は、マルチコプター１２がその所定の位置まで河川を下ったときに、飛行迂回プログラム２５により飛行して迂回する（Ｒ２）。航行ルートＲ１の途中にある橋脚Ｓ２は、ＳＬＡＭプログラム２３１がこれを検知し、衝突回避プログラム２３がこれを必要最小限の逸脱ですり抜ける（Ｒ４）。

【0049】

ここで、河川の流速は、その川幅方向の位置によって流速が異なることがある。例えば、河川が直線状に流れているところでも、水深の深い区域では、川幅方向に並んだ２本のらせん流の影響で、河川中央の流速が両岸側の流速よりも早くなる。また、河川の水かさが増えていくときには、河川中央の水位が高くなり、水面上に中央から両岸側に向かう流れが生じる。河川の水かさが減っていくときには、逆に、河川中央の水位が低くなり、水面上に両岸側から中央に向かう流れが生じる。また、河川が曲がっている区域では、その曲線部分の外側の流速が内側の流速よりも早くなる。そして、水深のある浮遊物体は、流速が最も早くなる方向を向いていればおのずと流速が早い方へ誘導される。そのため、河川における最も流速の早いコースに沿ってマルチコプター１２を流せば良い場合、自動操縦機能に指定する経緯度値は、橋梁などの障害物を迂回するのに十分な精度があれば足りると考えられる。

【0050】

図８に示すように、川幅の大きな河川の場合には、複数のマルチコプター１２を川幅方向における位置をずらして配置し、それぞれを河川の水流に乗せて流してもよい。これにより、大きな河川の測量に要する時間を短縮することができる。また、一基のマルチビームソナー１３のスワス幅を広く設定するよりも、スワス幅を狭めた二基のマルチビームソナー１３で地形をスキャンした方が、いわゆるオクルージョン領域やシャドウ領域のような、ビームの届かない遮蔽領域を減らすことができる。

【0051】

また、図９に示すように、例えば洪水時における橋脚Ｓ１付近の洗掘や深掘れの経時的な変化を調査する場合には、定位置観測プログラム２６によりその位置範囲の地形を繰り返しスキャンさせればよい。具体的には、マルチコプター１２が地形をスキャンしながら橋脚Ｓ１の傍を通り過ぎたときに、マルチコプター１２を橋脚Ｓ１よりも上流となる位置まで飛行して戻し、再度スキャンしながら河川を下らせるとよい（Ｒ５）。これを調査に必要な回数または時間繰り返す。これにより、増水や洪水等の特定の条件下でのみ発生する現象を発見・把握することができる。

【0052】

図１０は、測量システム１０を河川ではなく、水面の静止した天然ダムＮＤに用いる例を示す模式図である。測量システム１０は、水流のある河川だけでなく、水面の静止した水域であっても利用可能である。図１０のマルチコプター１２は、天然ダムＮＤが発生した地点まで自動または手動で飛行して移動し、目的の天然ダムＮＤの水面に降着する。その後、スラスタ４２を自動または手動で操作しながら天然ダムＮＤの地形データと水面標高を取得する。例えばマルチコプター１２を水面の一点に静止させ、マルチビームソナー１３で地形データをスキャンしながら機体を周方向に回転させることで地形の３Ｄデータを容易に取得することができる。

【0053】

＜変形例＞
図１１は、マルチコプター１２の変形例を示す下面図である。上記実施形態のマルチコプター１２は、これを平面視（下面視）したときに、一対のフロート５０の外側にスラスタ４２が配置されているが、図１１（ａ）のマルチコプター１２ａでは、スラスタ４２がフロート５０よりも機体の中心側に配置されている。こうすることで、スラスタ４２を浮遊物や周辺物との衝突から保護することができる。また、上記実施形態のマルチコプター１２では、マルチコプター１２の胴部１２１の下面にソナーユニット７０が露出した状態で固定されている。一方、図１１（ｂ）のマルチコプター１２ｂは三胴形のフロート５１,５２を備え、ソナーユニット７０が、両側のサイドフロート５１の間にある中央フロート５２の底部に設けられた凹部５２１に配置されている。こうすることで、ソナーユニット７０を浮遊物や周辺物との衝突から保護することができる。

【0054】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば、上記実施形態では無人航空機としてヘキサコプタが採用されているが、例えばこれをロータ数の異なるクアッドコプタやオクタコプタとしてもよく、またはヘリコプタとしてもよい。また、上記実施形態ではマルチコプター１２の水上推進装置として２基のスラスタ４２が採用されているが、これはマルチコプター１２に水面上を移動させることができる推力源であればよく、その形態や個数は特に限定されない。また、上記実施形態ではＦＣ／ＢＣ２０とマルチビームソナー１３で同じＧＰＳ３１を利用しているが、それぞれに専用のＧＮＳＳ装置を用意してもよい。

【符号の説明】

【0055】

１０：測量システム，１１：データ統合部，１２；１２ａ；１２ｂ：マルチコプター（無人航空機），１２１：胴部，２０：フライトコントローラ／ボートコントローラ（制御装置），２１：自律飛行プログラム，２２：自律航行プログラム，２３：衝突回避プログラム，２３１：ＳＬＡＭ：ＰＧ，２４：ヘディング制御プログラム，２５：飛行迂回プログラム（飛行迂回手段），２６：定位置観測プログラム，３１：ＧＰＳ（ＧＮＳＳ装置），３２：ＲＴＫレシーバ（ＲＴＫ装置），３８：ＬｉＤＡＲ（測距センサ），３９：カメラ，４１：ロータ，４２：スラスタ（水上推進装置），５０：フロート，５１：サイドフロート，５２：中央フロート，５２１：凹部，１３：マルチビームソナー（スキャナー装置，マルチビーム音響測深装置），６０：制御部，７０：ソナーユニット，ＲＶ：河川，ＴＰ：河道，ＳＦ：水面，Ｓ１：取水堰，Ｓ２：橋脚，ＮＤ：天然ダム，ＣＲ：横断面，Ｒ１：指定ルート，Ｒ２：飛行迂回ルート，Ｒ３：復帰ルート，Ｒ４：衝突防止ルート，Ｒ５：定位置観測ルート

【要約】

【課題】河川や海、ダム・湖沼等の測量に無人航空機を応用することで、これをより簡便に、より高精度に実施可能とする。
【解決手段】水面に降着可能な無人航空機と、前記無人航空機の着水後に水中の地形データを取得するスキャナー装置と、着水後の前記無人航空機の高度を取得するＧＮＳＳ装置と、前記ＧＮＳＳ装置が出力する高度値を補正するための補正情報を取得するＲＴＫ装置とを備える測量システム、及び、本発明の無人航空機を、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含む河川測量方法によりこれを解決する。
【選択図】図７

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】