航空重力測量

空から重力を測る

航空重力測量

 航空重力測量は、航空機に重力計を搭載し、上空から重力を測定する測量です。地上重力測量と比べて、広範囲を効率的に測量することができ、山岳部や沿岸域などの地上重力測量では測定が困難な場所でも測量することができます。
 国土地理院は、高品質な重力データを効率的に整備するため、2018年度から「航空重力測量」プロジェクトを開始しました。航空重力測量で取得した重力データは、高精度なジオイド・モデル(精密重力ジオイド・モデル)の構築に活用し、2024年度までに精密重力ジオイド・モデルを整備する予定です。

測定方法

航空機による測定の条件

 全国をブロックに分け、飛行場を拠点に日本全国を沖合約 40 km までの範囲で測定を行います。各飛行場では、航空重力測量の基点となる飛行場重力点を地上の相対重力測定によって設置し、2019年7月から航空機を用いた測定を開始しました。

 航空機が飛行し、重力を測定する経路を「測線」と呼びます。「主測線」は重力を測定することを目的とした測線で、「副測線」は主測線の品質を評価するための測線です。航空機による測定は、以下の条件を標準として作業を行います。

・コース間隔:主測線 10 km、副測線約 100 km毎
・沿岸域 :沖合 40 km
・測定高度 :3,000 m、中部山岳地帯は 5,000 m
・飛行対地速度 :300 km/h

計画・準備・測定

飛行場における重力測定の様子

飛行場重力点の設置
 各飛行場に航空重力測量で重力値の基点となる重力点を設置します。重力点の設置作業は、飛行場内での安全を確保するとともに、航空機の離着陸による振動や風圧が重力の測定に影響を与えないよう、主に夜間に行います。

現在のブロック区分(2022年5月~)

飛行計画
 複数の飛行場を拠点とし、全国をブロックに区分して測定を行います。ブロックの区分は、航空重力測量を先行して行っていた米国国家測地測量局(NGS)の助言や実際の測定での経験、得られたデータの解析結果等をもとに、より有効かつ効率的な測定ができるよう、改良を重ねています。

上空における航空機内の様子

航空機による測定
 航空機に航空重力計を搭載して上空から重力を測定します。また、GNSS/IMU装置を搭載し、航空機の位置や加速度、姿勢を測定します。航空機による測定時にはパイロット及び測定者が航空機に搭乗します。測定者は、測定する測線をパイロットに指示し、測定機器の操作を行います。

航空重力計TAGS-7

航空重力計 TAGS-7
 航空重力計は、バネの伸縮を利用して重力値の変化量を求める相対重力計です。
 飛行場重力点を基点として上空で重力の変化量を測定し、その変化量を飛行場の重力値に加えることで、上空の重力値を求めることができます。
 さらに、航空機の中で重力を測定するための仕組みとして、センサー部の水平を保つジンバルや、機体の振動を吸収するダンパー等を備えています。

GNSS/IMU装置 POS AV 610

GNSS/IMU装置 POS AV 610
 GNSS/IMU装置は、GPSやみちびきなどの測位衛星からの電波を受信して航空機の位置(緯度・経度・楕円体高)を測定する機器と、加速度センサー、ジャイロスコープからなるIMU(慣性計測装置)で航空機の加速度、姿勢を測定する機器から構成されています。これらの装置で得られたデータより、重力が測定された位置を精密に求めます。

航空機 Textron Aviation 208

航空機 Textron Aviation 208
 民間企業が所有するTextron Aviation 208(2019年12月まではCessna 208B Grand Caravan)をチャーターしています。オートパイロット機能を備え、時速 300 km以上、高度 25,000 ft(約 7,600 m)までの飛行が可能です。

解析

関東地区(KT03ブロック)の解析例

GNSS/IMU解析・重力解析
 航空機に搭載したGNSS/IMUで得られたデータより、航空機の位置情報を求めます。電子基準点を基準とした後処理キネマティック方式により解析を行います。GNSS/IMU解析で得られた航空機の位置情報と航空重力計で得られた重力値を結び付け、航空機が飛行した位置における重力値を算出します。
 右図は解析の一例です。関東地区(KT03ブロック)の測定で得られた重力分布を表しており、赤いほど重力が強く、青ほど弱いことを示しています。赤石山脈や関東山地などの山岳域で重力が強く、駿河湾や東京湾などの沿岸域で重力が弱いといった傾向が分かります。

実施状況

2018年度に航空重力計を調達し、2019年度から2022年度の4年間に全国で航空重力測量を行っています。

航空重力測量の実施状況


精密重力ジオイド・モデルの試作

 精密重力ジオイド・モデルの構築に向けて、2021年度までに取得した航空重力データと地表重力データ(地上重力データ、船上重力データ)と衛星海面高度計重力データ、衛星重力データを用いてジオイド・モデルを試作しました。
 航空重力データの有無によるジオイド・モデルの差が沿岸部で大きく見られ、これらの地域において特に航空重力測量の効果が顕著であることが分かりました。

試作したジオイド・モデル(左) 航空重力データの有無によるジオイド・モデルの差(右)



 また、試作した精密重力ジオイド・モデルを評価するために、地殻変動の激しい東北地方において、2021年度にジオイド検証を行いました。ジオイド検証では、GNSS測量と水準測量を行い、得られた楕円体高と標高の差からジオイド高(実測ジオイド高)を求め、ジオイド・モデルのジオイド高と比較して評価します。その結果、試作した精密重力ジオイド・モデルの精度は目標精度である3 cmを満たしていることが分かりました。
 引き続き、精密重力ジオイド・モデルの試作と評価を行い、2024年度までに精密重力ジオイド・モデルを整備する予定です。

ジオイド検証の手法(左) 東北地方のジオイド検証地域におけるジオイド高(右)