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測量に関するミニ知識

第12回 航空レーザ測量について その2

 前回の「航空レーザ測量について その1」では、航空レーザ測量の仕組みについて紹介しました。

 航空レーザ測量ではオリジナルデータ、グラウンドデータ、メッシュデータ、オルソ画像等いろいろなデータが取得できます。
 今回は、その中から、航空レーザ測量データの基本となる「オリジナルデータ、グラウンドデータ及びメッシュデータ」と、そのデータの提供方法や利用例についてお話ししたいと思います。

1.航空レーザ測量で取得できるデータ

(1)オリジナルデータとグラウンドデータ

・オリジナルデータ

 前回もお話ししましたが、レーザパルスは、地盤の上ばかりでなく、建物や樹木の上などいろいろなところで反射して戻ってくるため、航空レーザ測量で計測したデータには、地盤の高さだけでなく建物や樹木の高さの情報も含まれています。
 このような建物や樹木を含んだ地球表面の高さのモデルを数値表層モデル、通称DSM(Digital Surface Model)といい、これが航空レーザ測量の「オリジナルデータ」にあたります(図-1)。

DSM
  図-1 最初に計測した地表の高さ(赤い太線
・グラウンドデータ

 一般の地図のように地盤の高さを求めたい場合には、オリジナルデータから建物や樹木等の高さを取り除くことが必要です。この建物や樹木の高さを取り除く作業を「フィルタリング」といいます。
 フィルタリングを行って得た地盤の高さのモデルを数値標高モデル、通称DEM(Digital Elevation Model)といい、航空レーザ測量の「グラウンドデータ」にあたります(図-2)。

DEM
図-2 樹木や建物の高さを取り除いた地盤の高さ(赤い太線

 それでは、オリジナルデータとグラウンドデータによるモデルの違いを見ましょう。

 図-3は、山地部(上段)と都市部(下段)にあるそれぞれ同じ場所について、オリジナルデータ(左)とグラウンドデータ(右)を使用して作成した「陰影段彩による鳥瞰図」です。
 左のオリジナルデータで作成した鳥瞰図は、凸凹の細かな樹木(上)や建物(下)が表現されているのがわかります。一方、右のグラウンドデータで作成した鳥瞰図は、樹木や建物を除いた、滑らかな地盤の形が表現されています。

陰影段彩による鳥瞰図 山地部






都市部
                 図-3 陰影段彩による鳥瞰図

 次に、メッシュデータについて説明します。
 DSMやDEMのデータは、非常に多くの点からなるデータの集まりです。これらを使って、普通のパソコンで処理させようとすると、データ量が大きすぎて、処理に非常に多くの時間がかかってしまいます。そこで、利用しやすくなるように、メッシュ化して容量を小さくしたデータを通常作成しています。
 国土地理院で作成しているメッシュデータには、10mメッシュ、5mメッシュ等がありますが、ここでは、5mメッシュを例にとりましょう。
 図-4に示す赤い点は地上に届いたレーザの計測点であり、フットプリントといいます。この点1つひとつについて、地上のx、y、z(水平位置、高さ)のデータを持っています

フットプリント
     図-4 地上に届いたレーザの計測点(フットプリント)

  はじめに、このレーザ計測点を結んで三角形の網からなるTIN(Triiangulated Irregular Network:不規則三角形網)モデルをつくります。(図-5)

TINモデル
      図-5 TINモデル(三角形の網)を作成

 このTINモデルに、5m方眼のメッシュをかぶせ、5mメッシュの中心点の高さを、その点を含む三角形の頂点の高さから内挿補間して求めます(図-6)。
 内挿補間では、TIN以外にも、「最近接法Nearest neighbor interpolation」や「IDW(Inverse Distance Weighted:逆距離加重法)」等の方法もあります。

メッシュ中心の標高
 図-6 TINによる内挿補間で求めた、メッシュ中心の標高

 こうして求めたメッシュ中心点の標高値の精度は、そのメッシュ内にレーザの計測点がある場合と、無い場合で違ってきます。地上に届いた計測点がある場合は、精度(標準偏差)が0.3m以内、ない場合には2.0m以内となります。

メッシュ毎の精度
 ●   地上に届いたレーザ計測点

  標高データ(メッシュ内に地上に届いたレーザ点がある場合)

     
  標高データ(メッシュ内に地上に届いたレーザ点が無い場合)
      
図-7 メッシュ毎の標高値の精度の区分  

 レーザパルスの中には、水部であったり、表面の状況(黒色の物体や新しいアスファルト等)によっては、反射して戻ってこない場合(欠測)や、樹木や建物等で反射された計測点が「フィルタリング」により除去されてしまい、メッシュ内に地上のレーザ計測点が一つも残らないメッシュが出来ることがあります(図-8)。

フィルタリングされた計測データ

   フィルタリングにより取り除かれたレーザ計測点
    地上に届いたレーザ計測点

 

図-8 計測データのフィルタリング結果の例  

 ここまでDSMとDEM及びメッシュデータについて説明しましたが、最後に、これらのデータの提供方法や利用例についてお話しします。

2.国土地理院におけるデータ提供方法

 国土地理院では、航空レーザ測量データのうち、5mメッシュの標高データを一般に提供しています。

 1.「数値地図5mメッシュ(標高)」
   電子媒体(CD-ROM)に格納し、刊行しています。これまでに刊行した地域は、刊行地域一覧図を参照。

 2.「基盤地図情報(数値標高モデル)」
   基盤地図情報の一部として、ウェブサイト上で公開し、無償でダウンロード提供しています。詳細は、基盤地図情報サイトを参照。
  また、表示ソフトウェア「基盤地図情報ビューア」もこのページからダウンロードできます。このソフトウェアを利用することにより、5mメッシュデータから、「陰影段彩図」の作成や、シェープファイルへの変換を簡単に行うことができます。ぜひ一度利用して、航空レーザ測量を使用するイメージをつかんでいただければと思います。

 5mメッシュは、これまでに提供していた地形図をもとに作成された50mメッシュ250mメッシュに比べ、高分解能であり(図-9)、標高精度も格段に優れているため、洪水被害予測や津波シミュレーションなどのほか、都市景観シミュレーション等への利用が期待されています。

5m メッシュと50m メッシュとの比較
        図-9 5m メッシュ(左)と50m メッシュ(右)との段彩図の比較(皇居周辺)


 

3.航空レーザ測量データの利用例

・地理院地図及び地理院地図3D

  国土地理院ホームページで公開している地理院地図「色別標高図」や「地理院地図3D」では航空レーザ測量データが利用されています。

   地理院地図「色別標高図」(図-10)

地理院地図による色別標高図の表示例
      図-10 地理院地図による色別標高図の表示例
 

   地理院地図3D(図-11)

 「誰でも・簡単に・日本全国どこでも」地理院地図を3次元表示で見ることができます。地理院地図3Dでは空中写真のオルソ画像や地形図を標高データと組み合わせることにより三次元表示するので、地表の特徴をより立体的に視覚化することが出来ます。

岐阜駅上空から金華山方向
図-11 空中写真のオルソ画像と組み合わせた3D表示例:岐阜駅上空から金華山方向を見たもの

・1:25,000 デジタル標高地形図

 1:25,000デジタル標高地形図は「数値地図5mメッシュ(標高)」の標高データを用いて作成した陰影段彩図の上に2万5千分の1地形図を重ねた地図です。図-12は、その「名古屋」になります。
 これらの地図は国土地理院技術資料に登録されており、全国の地図取扱書店等で購入することもできます。     
 1:25000デジタル標高地形図整備範囲はこちら

1:25,000デジタル標高地形図「名古屋」
 図-12 1:25,000デジタル標高地形図「名古屋」

・火山基本図「箱根山」

 基盤地図情報(数値標高モデル)を利用した事例として、火山基本図「箱根山」があります。
 図-13はその一つ「箱根山Ⅰ(陰影段彩)」ですが、基盤地図情報(数値標高モデル)の5mメッシュから作成した等高線と陰影段彩図を通常の火山基本図に追加したものです。
 陰影段彩に等高線を加えることで、より詳細な地形の状況がわかりやすくなるメリットがあります(図-14)。

 火山基本図「箱根山」は国土地理院技術資料に登録されています、使用する場合は、こちらをご覧ください。

火山基本図「箱根山」
    図-13 火山基本図「箱根山Ⅰ(陰影段彩)」           図-14 火山基本図「箱根山Ⅱ(陰影段彩)」
                                              の一部を拡大
 

 このサイトでは、各種ハザードマップと防災に役立つ道路冠水箇所などの情報を、一枚の地図上で重ねて表示することができます。その中の、「精密基盤標高地図を見る」では、5mメッシュの標高データを利用した、主要河川沿いのデジタル標高地形図を見ることが出来ます(図-15)。

精密基盤標高地図
        図-15 ハザードマップポータルサイト「精密基盤標高地図を見る

・積雪深・積雪量の計測

 山岳地帯の積雪深や融雪水量等の分布については、これまで、現地での直接計測を面的に実行することが出来なかったため、正確な把握が出来ませんでしたが、第1回でお話した、航空レーザ測量のメリット(人が入っていけないところでも計測が可能・地表面の高さを面的に把握可能)を活かすことにより、面的な測定が可能となります。平成16年度に国土地理院で行った、積雪深の計測例を紹介します。
 平成16年10月に発生した新潟県中越地震で甚大な被害がみられた旧山古志村(長岡市)では、斜面崩壊や河道閉塞による湛水域ができ、その後の「61豪雪」以来19年ぶりとなる大雪に伴い、雪崩の発生や春の融雪による土砂災害が懸念されたため、雪崩等に対する災害対策の基礎資料とするため、新潟県山古志村の芋川流域を対象に、平成17年2月18日に計測した積雪期のレーザデータと前年12月上旬に計測した無積雪期のレーザデータの差分から、芋川流域の積雪深を面的に計測しました。
 図-16はその結果から作成した積雪面の標高と積雪深をそれぞれ陰影段彩で表したものす。積雪深は平均2.9m、積雪総量は約10,420万m3、この量が融雪した場合の水量は東京ドーム約38個分となりました。これらの積雪深の数値データ等は、関係する地方公共団体、地方整備局、(独)防災科学技術研究所長岡雪氷防災研究所等へ提供し、融雪対策等に活用されました。
       航空レーザ測量を用いた積雪深計測作業[PDF: 2,214KB]

デジタル標高地形図・積雪新図
     図-16 積雪面カラー陰影図(芋川流域)積雪深図(芋川流域)

・三次元建物データの利用

 基盤地図情報と航空レーザ測量データを組み合わせると、建物の高さを求めることが来ます。まず、DSMデータとDEMデータとで高さの差分を求めます。この差分は、建物、樹木、高架橋等の高さになります。これから、建物のみの高さを求めるため、基盤地図情報の建築物外周線ポリゴンを用いて、建物に該当する部分の差分を抽出します。こうして抽出した差分を建物外周線ポリゴンに付与することにより、建物の高さのデータを作成することが出来ます。
 図-17は大垣市街の一部について、こうして作成されたデータを鳥瞰図として表したものです。
 また、この三次元建物データとDEMデータを組み合わせると、図-18のような図を作ることができ、都市部の三次元空間モデルの効率的な構築に非常に有効です。

三次元建物データを使用した鳥瞰図(大垣市街) DEMデータと三次元建物データを使用した鳥瞰図(皇居周辺)
図-17 三次元建物データから作成した大垣市街の
  一部の建物形状の鳥瞰図
図-18 DEMと三次元建物データから作成した
             皇居周辺の鳥瞰図

・航空レーザ測量データを利用した地形の把握

 航空レーザ測量データを使用すると、樹木等の影響により、空中写真ではこれまで見つけられなかった、詳細な地形の状況が把握できます。

 三宅島の空中写真のオルソ画像と、航空レーザ測量データから作成した陰影図を比較してみましょう。図-19は、1983年噴火の際の火口列付近のオルソ画像と陰影図を並べたものです。空中写真の画像で植生に覆われているところでも、陰影図では、一つひとつの火口が小さなものも含めてくっきりと見える様子が分かります。

三宅島のオルソ画像と、陰影図
         図-19 三宅島河口付近の空中写真オルソ画像(左)と陰影図(右)
  

 同様にして、三宅村営牧場付近を比較してみましょう。(図-20)
 陰影図では、小さな火口(赤い矢印)がいくつも認められ、火口列と思われる地形を観察することができます。これらは、空中写真では植生に覆われてしまうため、これまで知られていなかったものです。
 空中写真等では見えなかった火口状地形は、富士山や他の地域でも見つかっています。

三宅島のオルソ画像と、陰影図
         図-20 三宅村営牧場付近の空中写真オルソ画像(左)と陰影図(右)
 

・地震発生時の倒壊建物等の検出

 地震発生前後のDSMデータを比較し、建物倒壊による高さの変化を求めることで、倒壊家屋の特定作業が可能になります(図-21)。
 これには、被災前と被災後のデータが必要となりますし、現状では、航空レーザ測量によるデータ取得及びその後のデータ解析の負荷が大きく、早くても数日以上の時間を要しています。今後、被災直後の素早いデータ計測、転送及び解析が実現すれば、将来的に地震発生時における倒壊建物等の迅速な検出にも役立ち、被災者救助に貢献するものと期待できます。 
倒壊建物等の検出

                    図-21 倒壊建物の特定

 これと似た事例で、東日本大震災において被害の大きかった地方自治体では、震災後に航空レーザ測量が行われ、DSMとDEMとの差分をとる方法で、瓦礫量の算出に利用されました。

 また、地すべり等の災害発生の場合に、その前後のデータを比較することにより、地すべりの発生地点とその量を計測することも可能です。

 航空レーザ測量は、今回紹介した、河川の氾濫、高潮、津波等による浸水シミュレーション等の防災関連のみならず、景観評価や観光案内など新たな分野でも活用が期待されます。

・デジタル標高地形図で見る東海地方の凸凹

 最後に、中部地方測量部では、航空レーザ測量から作成されたDSMとDEMの5mメッシュ標高データを利用して、管内沿岸域のデジタル標高地形図を作成し、ホームページで公開しています(図-22)。ぜひ一度ご覧になってください。

 デジタル標高地形図で見る東海地方の凸凹

デジタル標高地形図で見る東海地方の凸凹

   図-22 デジタル標高地形図で見る名鉄常滑線「大同町駅」周辺の凸凹、(左)DSM、(右)DEM。

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