明治以降の測量機器

測量機器のうち天体観測装置、基線尺、重力や地磁気の測地観測機器などはすでに説明しました。ここでは主に三角測量や水準測量につかわれた機器を紹介します。


経緯儀と関連機器

経緯儀

経緯儀というのは回転軸に望遠鏡がついたもので三角点の二点にそれぞれ照準を合わし目盛盤によって内角度を正確に読むことができます。望遠鏡で目標に正しく視準できるように接眼レンズの内側にはガラス板に十字線(クロスヘアー)が刻まれています。かつては十字線に、くも(女郎蜘蛛)の糸がつかわれていました。また直角三角形の相似の原理を使って距離を計測する(スタジア測量)ため十字線の上下には短い横線(スタジアヘアー)が引かれたものもあります。

望遠鏡つきの経緯儀をつかい本格的な三角測量をしたのはフランスの天文学者ピカール(Jean Picard、1620〜1682)で1669年のことです。また英国のラムスデン(Jesse Ramsden、1735〜1800)の考案による経緯儀は1790年頃から約1世紀にわたって使用されました。[檀原毅:大地を測る 出光書店 1976 p49]

生田は測量の際使用した三等経緯儀を持って来たのである。大部分の器材は梱包して送ることができたが、三等経緯儀は手で持ち運ばねばならないことになっていた。 [新田次郎:劔岳点の記 文藝春秋 1977 p7]

測量器材のなかで最も重要で振動を与えてはいけないため常に人力で運びました。一等経緯儀は運搬箱を含めて60キログラム、二等で40キログラム、三等で23キログラムありました。

経緯儀の本体を胸に抱きかかえるとずっしりと重い。測量官としての愉悦感のようなものを味わうのはこんな時であった。器械はドイツから輸入したカールバンベルヒ型14センチ三等経緯儀であった。彼は、その器械を三脚台にセットすると、望遠鏡を遠くの山の頂に向け、焦点を合わせた。 [新田次郎:劔岳点の記 文藝春秋 1977 p256]

明治時代初期は日本では高性能のものが製作できずドイツ(当時はプロイセン)から輸入しました。当時1台あたり二等経緯儀で1000円、三等で400円でした。(一等は不明)写真は国土地理院所蔵のカール・バンベルヒ(Carl Bamberg カール・バンベルクとも読みます。国立科学博物館ではそのように表示されています)社製経緯儀です。等級による違いはつぎのとおりです。


     最小読取値 望遠鏡倍率 望遠鏡全長 水平目盛盤直径
       秒    倍     mm    mm             
一等経緯儀 0.2  54    560   275
二等経緯儀 0.5  35〜40 450   210  
三等経緯儀 2    18〜30 260   135(鉛直目盛盤116mm)

輪盤(輪郭盤または目盛盤ともいいます)は水平の目盛盤ですが三等経緯儀には、べつに直径116ミリメートルの鉛直目盛盤があります。また望遠鏡でのぞく像はカール・バンベルヒ社製ではどの等級でも倒立しています。

明治後期に牧師で登山家であったウォルター・ウエストン(1861〜1940)によって外国にも紹介された日本アルプスには多くの登山者が訪れはじめ紀行文も書かれています。日本山岳会の創立者のひとり、名筆家としても知られる小島烏水(こじま・うすい 1873〜1948)の作品「甲斐の白峯」に経緯儀が登場します。

日本の山嶽は水準測量に憑ることが出來ない事情があるから、多くは經緯儀、もしくは晴雨儀で測量するが故に、之を試みた人によって、高さが違う・・・(中略)後の登山者のために、登山用具を書き加へて置く、油紙、經緯儀、少量ブランデイ入の瓶・・・[小島烏水:甲斐の白峯 「太陽」 第十巻 第三號 東京博文館 1904 p175]

のちほど、この記述だけでなく「甲斐の白峯」全体がウエストンの紀行文を翻訳、自分の紀行として発表したものとされ植物学者の武田久吉(たけだ・ひさよし 1883〜1972 アーネスト・サトウ元駐日英国公使の子息)が1965年(昭和40)、日本山岳会創立六十周年記念講演会で痛烈な批評をしています。またこれに対する水野勉(日本山岳会理事)の記事も興味があります。

これは最近いろいろ研究してみると、小島氏自身が登ったのではなくて、ウエストンが登った記事を換骨奪胎して、こしらえた。(中略)小島君の方は、書いたものがおもしろく読まれればいいのだから、いろいろと脚色する。それで大分嘘が入っている。(中略)第一小島君が白峯へ経緯儀を持って行ったというが、何のために持って行って、どんなことをしたか聞いてみようじゃないかというので、聞いたところが、さすがに小島君、弱った。「あれは小説だよ」・・・僅かに身をかわした。(中略)のちの登山者のために持って行くものとして経緯儀が挙げてあるでしょう。経緯儀なんてそうざらにあるもんじゃないから、持って行けって言われても持っていけるもんじゃない。持って行っても使い途はわからないのだから。[武田久吉:山岳会創立前後 明治の山旅 平凡社 1999 p334] 

烏水が夢中になって山の美と登山の楽しさを伝えようとしたことを考慮にいれないと・・・(中略)ぼくは小島烏水を積極的に擁護する気はないが、「甲斐の白峰」事件はたいしたことではない。それによって烏水を強く非難するほどのことはない。たかが北岳登山のことではないか。[小島烏水:アルピニストの手記 平凡社 1996 p303 (巻末解説 水野勉:日本近代登山の扇動者としての烏水)]

一、二等経緯儀と三等経緯儀の大きな違いは前者は水平角をきわめて正確に測定するため高度角を読み取る機構はついていません。ただし望遠鏡の部分は±20度程度傾けることができます。一等三角測量の場合は辺長が約45キロメートルあるので十分に視野に入れることができます。45キロメートルもの長距離を望むためには望遠鏡の倍率をあげる必要があり焦点距離(したがって鏡筒)が長くなります。もし垂直方向にも可動とすれば水平軸の支持機構の長さや全体の重心が高くなり機械的に不安定になり精度が悪くなります。このため水平軸の回転機構を犠牲にして上下にわずかに可動できる水平角測定専用機になっているのです。

角度を測るために経緯儀から相手の点を視準しますが十字線に入れるため望遠鏡は傾斜します。これは構いませんが輪盤は必ず水平に保たれていなければなりません。角度は読み取り精度向上のため輪盤の目盛を対向位置から測微装置や副尺で読み取ることができます。これは輪盤の偏心誤差を消去するためです。また垂直軸のズレや機械誤差を相殺するために望遠鏡を180度反転させて(カール・バンベルヒ一、二等経緯儀では望遠鏡をいったん外しつけかえる)同じ角度を測定し平均値を採用します。望遠鏡の位置によって正位(記号r)、反位(記号l)といい両方の測定でこれを一対回(いっついかい)と呼びます。さらに輪盤周囲の目盛部分を平均してつかうため複数回(対回)観測します。一等三角測量では一つの角度を24対回(計48回)測定します。

経緯儀のことをセオドライト(Theodolite)とか、水平、垂直軸とも回転できるように改良され、転鏡儀、とかトランシット(Transit)と呼ばれることがありますが厳密な区別はありません。一般的にセオドライトの望遠鏡は倒立像でトランシットは正立像が多いといわれています。[山口博:おはなし今昔測量機器 「測量」 日本測量協会 1989.5 p80]

経緯儀はカール・バンベルヒとともに後年ウイルドのT2、T3型やアスカニヤのギガスという経緯儀もつかわれました。民間でつかわれた経緯儀には英、米、独、仏、日の多種類の製品が多くあります。いずれにしても1960年代以降は電波(電磁波)測距儀、光波測距儀さらに望遠鏡部に同軸で光波距離計を内蔵したトータルステーション、GPSなどに替わってしまい利用されることも生産されることもありません。

ウイルドT2型経緯儀はスイス製で往年の名機といわれています。望遠鏡で見られる像は正立です。目盛盤は水平、鉛直ともありますが機器内部にあり直に読むのではなく内部の鏡で反射させ望遠鏡接眼部の横にある小さな小窓になっている測微鏡で読み取ります。目盛りの明かり取りの窓が側面にあり外部の光を小鏡をつかって取り入れるようになっています。水平、鉛直の切り替えは切り替えつまみを回します。

国土地理院の測量機器性能標準ではセオドライト1級になります。1秒単位の精密な測定が可能ですがカール・バンベルヒ一等経緯儀よりも精度が悪いようです。カール・バンベルヒは既に使われなくなった過去の測量機器で国土地理院には登録されていません。また現在、測量機器の等級づけには「等」でなく「級」をつかいますがウイルドT3型経緯儀はセオドライト特級に分類されています。なお「精度」については国際的な規格による「不確かさ」(uncertainty)という用語がつかわれます。写真のターゲット(目標板)は測ろうとする点に設置して視準する目標とします。上部は着脱可能で反射プリズムと取り替えることもできます。

ウイルドT4型経緯儀はウイルド社の製品の中で最高性能の機器です。天体用としても使用可能です。望遠鏡の長さ550ミリメートル、倍率65倍、精度は水平0.1秒、垂直0.2秒、総重量50キログラムで1960年代まで防衛庁での使用実績があるようです。

写真経緯儀

日本での写真測量のはじまりは1914年(大正3)の桜島爆発に際して溶岩流の調査に地上写真測量用の経緯儀が使われたのが最初といわれています。第二次大戦後は地図測量よりも土木建築、考古学などの分野に応用されていました。

地上写真測量用カメラには三脚上に1台のカメラを固定した単一型と2台のカメラを一定距離に固定したステレオ型があります。かつて陸地測量部で使用されたツアイスC3B型写真経緯儀は単一型で水平および上下にレンズがあります。被写体との関係位置は別途トランシットなどで測定するようです。[関根清:地理分野への地上写真測量について「立正大学文学部論叢」44号 1972 p33A−49A]

一等望遠鏡

国土地理院鹿野山測地観測所の展示ケースにありました、なぜ「一等」とついているのか不明ですが一等三角網の測量の際つかわれたものと思われます。説明板には「一等望遠鏡(明治20年−昭和20年代)遠方の測旗や測標を確認する」とありました。

軍用経緯儀など

2014年(平成26)の春、つくば市の国土地理院で「戦後復興を支えた地図と測量」企画展があり、陸軍で軍用としてつかわれた測量機器の展示もありました。

九七式測距経緯儀は測量部隊で工兵がつかったものです。付属の測桿(そくかん)をつかい測桿の両端を挟む角度から距離を求めることができる経緯儀です。ツアイス社の経緯儀をモデルにして日本光学で製造され、1928年(昭和3)頃から使用されていた最小読取値12秒の測距経緯儀の改良型のようです。第二次大戦後は地理調査所で二等多角測量や四等三角測量につかわれました。皇紀2597年(昭和12)に製品化されたことから「九七式」と名づけられました。

潜望式(三十秒読)経緯儀は対物レンズの先端に高さ40センチメートルの潜望鏡を取りつけ塹壕から先端を出して水平角、高度角やスタジアによる距離測定につかわれました。最小読取値は水平30秒、鉛直1分の精度でドイツのヒルデブラント(Hildebrand)社、1926年(昭和1)製です。戦後は「三十秒読経緯儀」として二等多角測量や四等三角測量につかわれました。

眼鏡照準義(アリダード)は定規の中央に鉛直軸を直立させ水平軸に望遠鏡を取りつけたものです。目標を視準して定規の縁に沿って方向線を描き、分度眼で高度角を読みとります。大正末期から軍用として使用されていましたが戦後も製造されています。写真は東京光学、1952年(昭和27)製のものです。

回照器と回光灯

長距離間の三角測量の場合には目標となる測標が見え難いのですが観測を容易にするために太陽光を目標点で反射させて観測点へ向ける装置がありました。これが回照器(ヘリオトロープ)で平面鏡と目標視準装置から構成されています。回照器を扱う人は「測夫」のなかでも「照日鏡手」と呼ばれました。回照器に遮光板や赤色フィルターを併用して陸地測量部内で定めた符号やモールス信号を利用した通信手段としても利用されました。[陸地測量部:陸地測量部沿革史 1922 p41(明治16年の事績)]、[山田竹彦:通信々號法草案 「三五會會報」第四拾七號 陸地測量部 1910 p134−137]、

回照器は1820年ドイツの数学者ガウス(Friedrich Gauss 1777〜1855)がハノーバー地方の測量中、三角測量の目標とした教会堂のガラスに日光が反射していることにヒントを得て考案されたといいます。反射光は40キロメートル程度の距離は容易にとどき、気象条件がよければ60〜70キロメートルまで可能でした。[武藤勝彦:地図の話 岩波書店 1942 p160][壇原毅:地球を測った科学者の群像 日本測量協会 1998 p48]

回照器は太陽のでている時にしか使用できないことから夜間でも観測を容易にするために目標点に指向性のよいランプを設置して観測しました。このランプを回光灯といいます。光源としては石油ランプやカーバイトを使ったアセチレンガス灯の光をレンズで集光して目標としましたが戦後は豆ランプと積層乾電池がつかわれました。回照器や回光灯はいずれも現在つかわれることはありません。[平木安之助:制光板・回光燈・回光通信信號法の利用に就て 「地圖」 1944.2 p37]

技術官に随行する測夫といふのが又隠れた文化の貢献者である。唯一人山頂の櫓に廻照器(ヘリオトロープ)を護って、時々刻々に移動する太陽の光束を反射して數十粁彼方の觀測點に送る。 [寺田寅彦:天災と国防 岩波新書 1938 p111]

初期の三角測量にはマニュアルとして1917年に制定された「一等三角測量実行法」というものがありました。そのなかで「選点上注意スベキ要件」としてつぎのことが記述されています。

孤島若クハ或ル特徴ヲ有シ一見紛ヒナキ山頂或ハ標旗ヲ確認シ得ルモノノ外ハ回照器ヲ用ヒテ其方向ヲ確実ニ決定ス可シ [陸地測量部:一等三角測量實行法 陸地測量部 1917 p12−13]

今朝はよく澄み切った暁である。茜色した空に、クッキリと、先方の嶺が見える−その瞬間、ピカリッと眼を射るやうな光が来た。それは向ふの覘標の上で、回照器といふものを据ゑて太陽の光線を反射させて、此方をねらって送ってよこしたのだ。経緯儀の望遠鏡は「占めタッ!」とばかり、この光線を、望遠鏡の中央の線の上に捉へて、角度を精密に読む。 [山口正:山の地形図 宋栄堂 1943 p44]

光螺旋

初期の「一等三角點ノ記」の標石の項に「花崗岩ヲ以テ規定ノ幅員ニ製シ光螺旋ノ直下ニ埋定ス」と記載されているものがあります。光螺旋とは測標(やぐら)に設置された木製の机板上に器械中心を示すために埋め込まれた「ネジ」と埋め込むための「ネジ廻し」の総称です。一体となった道具はボールト錐、南蛮錐、またはギムネとも呼ばれるものです。ドイツで出版された古い測量の教科書ではLeuchtschraube(光ネジ)になっています。光螺旋の「光」は光学的に利用する機器を据えつけることから名づけられたのではないかと思われます。[E.Hegemann: "Lehrbuch der Landesvermessung" Paul Parey 1921 p42]

この光螺旋の「ネジ廻し」をつかって厚さ9センチメートルの机板上面に対して穴を垂直にあけるために補助枠を用い金属の「ネジ」をねじ込みます。ネジは机板から約7ミリメートルほど頭部を出し使用しないときには、ここにワセリンを塗ってさびないように防護します。測標(やぐら)の机板上に設置されたこのネジに落雷したこともあるそうです。机板上に器具をセットするときはワセリンを拭きとり器具の基盤中心にあるネジに合わせてを固定します。ネジは回照器の据付けにつかわれ、回照器を着脱しても同じ位置に堅固に取り付けができます。経緯儀の据付けも同様に経緯儀の基盤の中心をネジに合わせます。

垂直かん・垂直器

机板上の器械中心を真下の標石上面に投影するには、まず光螺旋のネジ中心に「垂直かん」(「かん」は桿の「木へん」が「金へん」になった文字)と呼ばれる器具をセットします。つぎに測標から離れた位置で2方向からトランシットで垂直かんの先端を視準し上下方向(垂直面)にだけ動かして標石上面に貼り付けた白紙上に投影します。標石を新設する場合は埋設予定位置の上部に設置した水平な板(これは懸柱の底面に釘止めする)に投影します。この投影点に穴をあけ下げ振り(Plumb、糸の先に真ちゅう製の円錐体の錘をつけたもの)をつるし、三角点の盤石の十字交点が下げ振りの先端に一致するよう埋設し、ついで三角点の柱石を同様に設置します。[陸地測量部:三角法式草案 1901 p84−86]

トランシットの替わりに望遠鏡部分が上下方向(垂直面)のみ回転する「垂直器」が使用されたこともあります。垂直器には目盛板はありません。また標石中心を机板に投影する場合は垂直かんを動かし位置ぎめをします。写真の垂直かん、垂直器はカール・バンベルヒ製ですが1909年(明治42)頃、田中希一郎陸地測量手の考案された「田中式」というのもあります。[陸地測量部:陸地測量部沿革誌 1922 p228]

二、三等三角測量で測標(やぐら)の中心にある心釘の位置を机板上に投影するのも同様にトランシットで視準します。ただし測標の最上部に回光灯や反射鏡を設置する台がある場合は心釘を視準し難いので下げ振りを使います。一等三角測量の観測では回照器を使用するので心釘を視準することはありません。

標石の埋設は測標中心(心釘)P、観測器械の中心B、標石中心Cが同一鉛直線上に位置するように行うのが理想的ですが懸柱を地面に埋め込む植柱式の測標や周辺の状況等により、各中心の位置がそろわないこともあります。三角点の測量の成果値は標石中心の値ですから止むを得ず観測を標石中心とずれた位置で行ったり測標中心が標石中心とずれている場合は、その観測によって得られた値を標石中心での値に修正するための計算が必要になります。

光螺旋・垂直かん・垂直器については国土地理院でかつて実際に経験された測量技術者にお聞きしました。現在では測標(やぐら)とともに光螺旋をつかうことはありません。

平板測量測量機器

三角測量や水準測量の次段階である地形測量や小範囲の簡易な測量では平板測量方式がつかわれます。平板測量は野外で直接、図紙上に図面を描いていく測量で三脚の上に図紙を貼った平板(測板)を置きアリダード(Alidade、測斜照準儀とも)で目標を視準し視準線の方向をアリダード縁の定規で線を引きます。距離は巻尺などで測り縮尺に合わせた定規で図上に点を落として図化します。アリダードをつかい垂直方向の目盛り差から間接的に高低差や目標までの距離を求めることもできますが精度は高くありません。望遠鏡付きのアリダードもあります。

ノルウェーでは1973年、同国の地形測量200年記念切手が発行されています。図案には平板測量が描かれています。

平板は約40×50センチメートル、厚さ2センチメートル程度でアリダードは幅4、長さ22〜27センチメートルの金属製です。垂直に視準板が立てられます。平板を水平にする(整準または整置)ため中央には気泡管があります。写真にはありませんが普通、平板の表から裏へ曲がった金属棒に下げ振り(糸のついた釣鐘型の分銅、釣玉ともいいます)をつけた求心器を設置します。図紙上に示された測点が地上の測点位置と同一鉛直線上に一致させるためです。

平板測量の機器は原理的に簡単で100年以上前からまったく変わっていません。明治初期にはフランスの測量技術が陸軍に伝えられたため平板をプランシェット(Planchette)、水準儀付きアリダードはアリダードニベラトリース(Alidade Nivellatrice)、磁針箱(方筐羅針とも)をデクリナトアール(Declinatoire)と呼ばれていたこともあり、これらの測器も経緯儀、水準儀などとともに参謀局によって購入されました。[水尾藤久:平板測量雑記 「測量」 日本測量協会 1976.11 p26−30]、[矢島守一:陸地測量部測量事業沿革の概略 「三交會誌」第十六號 1915 p3]

陸軍の偵察行ではバーニア付き方位磁石とアリダードを組み合わせ目標物の方位と仰角が測定できるブーソルビユルニエー(Boussole Vernier)と呼ばれる簡易測量器もつかわれたようです。ブーソルはフランス語で羅針盤のことです。[陸軍省:工兵操典 第七編 測量 184/209枚]

測距儀

三角測量から三辺測量に移行が可能となったのは能率よく精密に測定できる測距儀が開発されたからです。1947年(昭和22)頃からスウェーデンでジオジメーター(Geodimeter)と呼ばれる測距儀が開発されました。目標地点に置いた反射鏡に光を当て戻ってくるまでの時間から距離を計算するもので5〜20キロメートル程度の測定はできますが夜間しか使えず気象条件によっても精度が落ちる欠点がありました。

ついで写真上左のようにマイクロ波を利用して距離を測る装置「テルロメーター」(Tellurometer)が1959年(昭和34)頃南アフリカのワドレー(Trevor Lloyd Wadley 1920〜1981)により開発されました。昼間でも使え測定距離も伸びましたが、やはり気象条件の影響を受ける欠点があり、また無線局開局の法手続きも必要とされました。

1966年(昭和41)にはマイクロ波にかわりレーザー光線を使った測距儀が開発されました。昼間もつかえ気象条件による影響もすくなく80キロメートルまで測定できます。光波距離計または電子距離計(Electronic distance meter=EDM)ともいわれます。現在はこの測距儀が主流になっています。

写真上右はスウェーデンのAGA社(Aktiebolaget Gasaccumulator)が1973年(昭和48)に製作した「ジオジメーター」6BL型です。光源はHe−Neレーザーで測定範囲は25キロメートルまで、測定精度は5ミリメートル、1ppmです。1970年代に二、三等三角点改測作業につかわれました。

写真中はスイスのケルン社(Kern)が1970年(昭和45)頃から製作した「メコメーター」です。左はME3000型で光源としてキセノンのフラッシュライトを使用しました。右は1980年代後半に製造されたME5000型で光源はHe−Neレーザーで測定範囲は8キロメートルまで可能、測定精度は0.2ミリメートル、0.2ppmで高信頼度の測距儀です。

写真下は英国のコンラッド社 (Com-Rad Electronic Equipment)が1982(昭和57)年に製作した「ジオメンサー」 (Geomensor) CR204型です。測定精度は0.1ミリメートル、0.5ppmで世界各国の基線場での長さの決定、検定につかわれています。以上写真の測距儀はすべて国土地理院所蔵のものです。

トータルステーション

光波測距儀(Electronic Distance Meter=EDM)の開発以来、小型軽量化がすすみ経緯儀(Theodolite)の上部に測距儀を装着したり、経緯儀と測距儀を交換して測角と測距を別々に行っていました。この場合それぞれの視準位置(高さ)が異なるため補正計算の必要がありました。しかし1979年(昭和54)に経緯儀と測距儀が一体となって測角(水平角、鉛直角)と測距(斜距離)を1回の視準操作で同一視準軸で測定できる装置が日本のトプコン社で製品化されました。当初はEDMセオドライト(製品名GTS−1、愛称「グッピー」)と呼ばれ、後にトータルステーションとなりました。GTS−1の測角精度は不明、測距精度は5ミリメートルでしたが1995年(平成7)の同社製GTS−700では測角精度1″、測距精度2ミリメートルになっています。

トータルステーションは光波を送受信する本体(主局)と相対する測定点に据えつけた反射プリズム(従局)を対にしてつかいます。光波を往復させ光波の波長と位相差からトータルステーションに内蔵されているコンピュータにより、水平距離や高低差などを瞬時に求めることができ、観測値は自動的に記録されます。反射プリズムは近距離測定には1素子反射プリズムが、遠距離測定には3素子以上の多素子プリズムがつかわれます。トータルステーションは地図測量のみならず道路や河川などの土木施工や大規模なビルの建築工事など建設業界でも広く利用されています。

トータルステーションで測定した光波の測定値から距離を求めるには補正が必要です。気象による補正、準拠楕円体への投影補正、機器や目標の高さの違いによる補正、光の屈折による補正などが行われ算出された距離が球面距離(球面に沿った距離)になります。さらに縮尺係数(0.999・・・)を乗じると平面距離(地図上の距離)になります。これらの計算も内蔵のコンピューターで可能です。

写真上は測機舎(ソキア)1986年製、トータルステーションSET4型です。測角精度は7″、測距精度は5ミリメートルです。

写真中はライカ・ジオシステムズ社2009年製、トータルステーションTM30型です。測角精度は0.5″、測距精度は0.6ミリメートル、1ppmになっており現在、最高級品といわれています。

写真下はニコン・トリンブル社2010年製、ノンプリズムトータルステーションNivo2.Hです。幅、長さとも150、高さ300ミリメートル程度の小型で重さも4キログラム足らずの軽量です。測点に可視光レーザを照射することにより建設現場の暗い場所などでも使えます。測距範囲はノンプリズムモードで300メートルまでです。


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