JP6202809B2 - 土石流氾濫域高速シミュレーション方法及び土石流氾濫域高速シミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＰデータを用いて渓流を流れる土石流の平野部における氾濫を高速にシミュレーションする土石氾濫高速シミュレーション方法に関する。

電子情報の処理技術は、ソフト、ハード共に飛躍的に進歩してきている。近年、砂防分野においても国土地理院や直轄砂防事務所等によって、レーザプロファイラにより計測された高精度地形情報が多量に取得されてきている。この高精度地形情報は、一般に航空機に搭載されたレーザプロファイラを用いて対象物にレーザ光を高速にスキャンし、得られた２ｍ範囲のデータの中から１点以上のデータをＬＰデータとし、このＬＰデータに基づいて生成している。

しかし、レーザプロファイラからのＬＰデータに基づいた高精度地形情報を容易に利用するためのアプリケーションがない。

このため、この高精度地形情報は特別なシステムあるいは特別なコンサルタント会社でしか扱えないのが現状である。

これまで砂防分野においても、多数のシミュレーションモデルが提案されてきたが、適用範囲が限定されていること、データの入出力等に効果的なインターフェースが実装されていない等ということから高精度地形情報は十分に活用されることが少なかった。

そこで、このような問題を解決する砂防分野の一つのツールとして土石流シミュレーションツールがある。

この土石流シミュレーションツールは、災害規模の予測や効果的な砂防構造物の検討において有効であり、効果的なＧＵＩ（グラフィックユーザインターフェース）を実装してマウスによる入出力を可能とすると共に、既存のモデルを集約・統合・改良することでユーザに扱いやすいツールである。

一方、平成２０年６月の岩手宮城内陸地震の際、多数形成された天然ダムの調査等において、レーザプロファイラによる計測データの有効性が確認された。これが契機となり、平成２０年度・２１年度に全国の直轄砂防区域とその周辺地域を中心として全国統一の規格による精密かつ広範囲の砂防用のＬＰデータが整備された。

ＬＰデータによって得られる三次元地形データ（ＤＥＭ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）は、全国統一の規格と精度（ＪＰＪＩＳ、１ｍ×１ｍ以内）を持ち、また中山間地域を中心に国土面積の約１５％（５万５千Ｋｍ）をカバーしており、今後の機器管理や砂防調査において幅広い利用が期待されている。

「中谷加奈、和田孝志、里深好文、水山高久：ＧＵＩを実装した汎用土石流シミュレータ開発、第４回土砂災害に関するシンポジュウム論文集、ｐ１４９−１５４，２００８」

特開２００９−２５１２５０号公報 特開２００８−８４２４３号公報

しかしながら、従来の土石流シミュレーションツールは、実地形を対象として他の土石流シミュレーションシステムを適用する際は、高精度地形情報を手作業で入力して設定する必要がある。

また、従来の土石流シミュレーションツールは、高精度地形情報の作成を担当者が地形図を見ながら必要なデータを手作業で入力する手法或いは地形図を作るためのデータを半自動で読み込むことができるソフトウェアを利用して入力する手法等があるが、これらの手法は煩雑な手間を要する。

また、手間を軽減するために一般的に入手可能な地形図を用いて必要なデータを入力した場合には、その地形図は精度が粗いので課題が残る。

より正確なシミュレーションを行うためには、ＤＥＭ等の詳細な三次元地形データを利用することが必須となる。

しかしながら、ＤＥＭから必要とされる領域のデータを抽出し、土石流シミュレーションツールに対応した形式へのデータ変換を行う場合には特別な技術が必要となる。

一方、ＬＰデータを用いた高精度地形情報で必要なデータを入力する場合は、ＬＰデータは、容量が膨大（例えば一渓流で１０ＧＢ程度）であるので、このＬＰデータを用いてシミュレーションを行った場合には、シミュレーションの処理に長時間を要する。

すなわち、ＬＰデータを手軽に利用できるシミュレーションソフトウェアの開発が進んでいないのでＬＰデータを用いた高精度地形情報は十分に活用されていないのが現状である。

従って、ＬＰデータで計測された高精度地形情報を用いてシミュレーションを実行したとしても、そのシミュレーション結果を得るにはＬＰデータは容量が膨大であるから非常に時間がかかっていた。

また、そのシミュレーション結果を、管理・適用するには多くの作業工程が必要で、これらを統合的に行えるシステム環境は整っていない。

すなわち、ＬＰデータとＧＩＳ（地理情報システム：Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の地図とを繋げて、ＧＵＩ（グラフィックユーザインターフェース）で操作するような氾濫シミュレーション装置は開発されていなかった。

本発明は以上の課題を鑑みてなされたもので、地図上に指定された氾濫シミュレーション枠の氾濫を、ＬＰデータを用いて高速にＧＵＩ上で展開できる土石流氾濫域高速シミュレーション方法を得ることを目的とする。

本発明の土石流氾濫域高速シミュレーション方法は、地域の地理情報を記憶し、該地理情報に含まれている渓流域を含む地形図を読み込んで画面に表示するＧＩＳ部と、
前記渓流域を流れる土石流情報を求める土石流情報算出ツール部と、
前記地域にレーザを照射して得た、テキスト形式の三次元座標を含むＬＰデータを記憶したデータベースと、
前記ＬＰデータの内で一定間隔を有するＬＰデータ同士が繋げられてメッシュ化されたメッシュのデータが記憶された第１の記憶手段と、
指定範囲二次元地形モデルが記憶される第２の記憶手段と
を用意して、
コンピュータが、
前記データベースから前記地域のＬＰデータを読み込んで、これらを一定間隔で繋げてメッシュ化し、これらのメッシュの各々の頂点を形成する前記テキスト形式のＬＰデータを前記メッシュのデータとしてメッシュに関連付けて前記第１の記憶手段に記憶する工程と、
前記第１の記憶手段のメッシュを順に指定し、該指定毎に、このメッシュの各頂点のデータのテキスト形式のＺ座標をバイナリ変換する工程と、
前記地形図の渓流域の上端と下端とを指定させて、この上端と下端との間に渓流線を求めて前記地形図に重ね表示させる工程と、
前記渓流線の下端を基準にして、該下端から予め設定されているエリアの枠を氾濫シミュレーション枠として前記地形図に重ね表示させる工程と、
前記地形図上の前記下端の二次元座標を有する前記メッシュを前記第１の記憶手段から検索し、該検索したメッシュに前記下端の二次元座標の位置を定義する工程と、
前記メッシュに投影された下端の位置を基準位置とし、この基準位置から前記氾濫シミュレーション枠を前記第１の記憶手段のメッシュ群上に定義し、この氾濫シミュレーション枠内のメッシュの塊をＬＰデータ用シミュレーション領域として定義する工程と、
前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの各頂点に割り付けられている各々のＺ座標のバイナリデータの平均値を求め、これを前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの標高データとする工程と、
前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュあたりの標高データが求められる毎に、このメッシュの二次元座標とメッシュのサイズとその標高データとを関連付け、これを前記指定範囲二次元地形モデルとして前記第２の記憶手段に記憶する工程と、
前記一定時間あたりに前記渓流域を流れる土石流情報を前記土石流情報算出用ツール部によって求めさせ、この算出結果を前記第２の記憶手段の指定範囲二次元地形モデルの前記下端に対応するメッシュから順に反映させてその結果を色別表示させる工程と
を行うことを要旨とする。

本発明の土石流氾濫域高速シミュレーション装置は、地域の地理情報を記憶し、該地理情報に含まれている渓流域を含む地形図を読み込んで画面に表示するＧＩＳ部と、
前記渓流域を流れる土石流情報を求める土石流情報算出ツール部と、
前記地域にレーザを照射して得た、テキスト形式の三次元座標を含むＬＰデータを記憶したデータベースと、
前記ＬＰデータの内で一定間隔を有するＬＰデータ同士が繋げられてメッシュ化されたメッシュのデータが記憶された第１の記憶手段と、
指定範囲二次元地形モデルが記憶される第２の記憶手段と
前記データベースから前記地域のＬＰデータを読み込んで、これらを一定間隔で繋げてメッシュ化し、これらのメッシュの各々の頂点を形成する前記テキスト形式のＬＰデータを前記メッシュのデータとしてメッシュに関連付けて前記第１の記憶手段に記憶する手段と、
前記第１の記憶手段のメッシュを順に指定し、該指定毎に、このメッシュの各頂点のデータのテキスト形式のＺ座標をバイナリ変換する手段と、
前記地形図の渓流域の上端と下端とを指定させて、この上端と下端との間に渓流線を求めて前記地形図に重ね表示させる手段と、
前記渓流線の下端を基準にして、該下端から予め設定されているエリアの枠を氾濫シミュレーション枠として前記地形図に重ね表示させる手段と、
前記地形図上の前記下端の二次元座標を有する前記メッシュを前記第１の記憶手段から検索し、該検索したメッシュに前記下端の二次元座標の位置を定義する手段と、
前記メッシュに投影された下端の位置を基準位置とし、この基準位置から前記氾濫シミュレーション枠を前記第１の記憶手段のメッシュ群上に定義し、この氾濫シミュレーション枠内のメッシュの塊をＬＰデータ用シミュレーション領域として定義する手段と、
前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの各頂点に割り付けられている各々のＺ座標のバイナリデータの平均値を求め、これを前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの標高データとする手段と、
前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュあたりの標高データが求められる毎に、このメッシュの二次元座標とメッシュのサイズとその標高データとを関連付け、これを前記指定範囲二次元地形モデルとして前記第２の記憶手段に記憶する手段と、
前記一定時間あたりに前記渓流域を流れる土石流情報を前記土石流情報算出用ツール部によって求めさせ、この算出結果を前記第２の記憶手段の指定範囲二次元地形モデルの前記下端に対応するメッシュから順に反映させてその結果を色別表示させる手段と
を備えたことを要旨とする。

以上のように本発明によれば、テキスト形式のＬＰデータを一定間隔で繋げてメッシュ化し、このメッシュの各頂点のＺ座標をバイナリデータに変換しておく。

そして、画面に表示した等高線図上において、指定された上流端と下流端との間に自動的に渓流線を生成し、この下流端を基準にして氾濫シミュレーション枠を生成する。

次に、氾濫シミュレーション枠に対応するメッシュの塊を検索し、この検索したメッシュの塊内のメッシュ毎に各頂点をバイナリデータに変換し、これらのバイナリデータの平均値をメッシュあたりの標高データとして求め、この標高データをそのメッシュに割り付けた指定範囲二次元地形モデルを生成する。

この指定範囲二次元地形モデルのメッシュ毎に、渓流線を流れる土石流情報が流入したときのシミュレーションを行い、この結果をメッシュ単位で表示させる。

このため、ＬＰデータを用いても、短時間で所望のシミュレーションの結果をＬＰデータの解像度で得ることが可能となる。

本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置１０の概略構成図である。 メッシュ化したＬＰデータの説明図である。 １次渓流の設定を説明する説明図である。 氾濫範囲の設定を説明する説明図である。 本実施の形態の指定範囲二次元地形モデルＷＭｉの生成過程を説明するフローチャートである。 図５の詳細を説明するフローチャートである。 指定範囲二次元地形モデルを説明する説明図である。 本実施の形態の「HyperKANAKO」を用いた土石流氾濫域高速シミュレーション装置の動作を説明するフローチャートである。 渓流線に対しての堰堤の設定を説明する説明図である。 渓流の横断図を説明する説明図である。 堆砂勾配を設定するための縦断面図を説明する説明図である。 本実施の形態による堆砂域の表示図である。 ＧＩＳ画像（地図画像）上でのシミュレーション結果の表示を説明する説明図である。 鳥瞰図上にシミュレーション結果の表示を説明する説明図である。 二次元地形モデルのメッシュサイズを10mとした場合の説明図である。 二次元地形モデルのメッシュサイズを20mとした場合の説明図である。 指定範囲二次元地形モデルＷＭｉの標高データに応じた氾濫シミュレーション結果を色別表示例の説明図である。

本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置は、ＬＰデータを使用して土石流シミュレーションツールを簡便かつ精度良く実行するための統合的なシステムである。

また、土石流氾濫域高速シミュレーション装置は、一次元及び二次元河床変動計算を連続して計算できるＧＵＩ対応の土石流シミュレーションツールのプログラムをベースとして、メモリ管理方法や計算処理アルゴリズムを見直し、シミュレーション時間を大幅に短縮すると共にＬＰデータを基にした高精度地形情報のメッシュサイズに柔軟に対応できるよう改良している。

さらにＧＩＳを利用することで、初期の地形条件設定及び結果の可視化等にも配慮している。

今回の土石流氾濫域高速シミュレーション装置は、容易に高精度地形情報を設定でき、かつ迅速に合理的な解析結果を得られる。

このため、土石流の氾濫・堆積予測或いは砂防計画の策定にあたっては非常に有効なツールとなる。このツールを本実施の形態では土石流高速シミュレーションツール部と称する。

また、ＬＰデータは、詳しくはＧＰＳ、ＩＭＵ等を搭載した航空機からレーザプロファイラを使って対象地域に数センチ間隔でレーザを照射して得た対象物の三次元座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）及び反射強度等を有するテキスト形式のデータである。

また、土石流高速シミュレーションツール部の一つの特徴は、ＧＩＳとの連携による操作性・視認性の向上である。

ＧＩＳは、地理的な指標を持つ対象物を、地図を背景として簡単に指示することや、対象物を分かりやすく表示するのに最適な道具である。

土石流高速シミュレーションツール部は、一次元渓流線を用いて二次元地形データを作成する際には、ＧＩＳ上で容易にＬＰデータを設定できる。

また、高精度地形情報のソースとなるＬＰデータが平面直角座標系の三次元座標を持っているので、高精度地形情報にも標高データと共に二次元座標（平面座標ともいう）も付加されている。

さらに、高精度地形情報にはワールドファイル形式で地理情報が付加されている。

このワールドファイルを用いて土石流高速シミュレーションツール部では、ＬＰデータの三次元座標を地形図に付加することができる。

また、氾濫シミュレーション枠におけるシミュレーションの結果は、高精度地形情報（以下地形データともいう）のメッシュ毎に、数値の羅列として出力されるが、土石流高速シミュレーションツール部は、堆積深等の計算結果を深さによって色分けした地理情報を持つ時系列画像も同時に出力させることが可能である。このため、シミュレーション計算終了後すぐにＧＩＳ上で結果を確認することができる。

また、砂防基盤図等他の地形図にオーバレイが可能で、どの建物に氾濫が及ぶかを容易に確認できる。

さらに、土石流高速シミュレーションツール部は、ＧＩＳが持っている鳥瞰図表示機能にシミュレーション結果画像を重ね合わせることで、時系列の三次元表示も可能となっている。

前述のＧＩＳは、図示しないＳａｂｏ・Ｄ−ＭＡＣというシステムに備わっている機能である。このシステムは、電子化された多様な砂防関連情報を「地理的な位置情報」を指標として一元管理することができるので、事務所職員が各自の机上パソコンで情報を呼び出して利用することが可能なイントラネット型システムである。

また、Ｓａｂｏ・Ｄ−ＭＡＣの基本的な機能は、地図とデータベース、フォルダ等の連携検索機能であり、
（１） 監視・観測データ管理システム
（２） 事業進捗管理システム
（３） 三次元データ解析システム等をオプションとして追加することが可能な拡張型システムとなっている。

ここでは土石流高速シミュレーションツール部と密接に関連する三次元データ解析機能について以下に述べる。

三次元データ解析機能は、
１）任意測線の縦横断面図表示機能
２）任意範囲の鳥瞰図表示機能
３）最低河床線（縦断）探索機能
４）任意の堆砂勾配による堆砂域表示及び堆砂量計算機能
等である。

ここで使用する三次元データはシミュレーションで用いるＬＰデータと、砂防基盤図で作成されているＴＩＮ（Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ：地表面を三角形の集合で表現するデジタルデータ）とを使用している。

また、シミュレーションを適用する渓流の設定や結果の可視化、あるいは後述する天然ダムの越流決壊を想定したＬＡＤＯＦ(Landslide Dam Overflow Flood)モデルは、天然ダムの越流侵食に関する数値シミュレーションモデルである。

このＬＡＤＯＦモデルを使用してのハイドログラフ計算等は、これらの三次元解析機能を活用して実行される。

以下に本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置の構成について図１を用いて説明する。

以下に示す本実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法の一例を示すものであって、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載されたものであり、この技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。図面は模式的なものであり、装置やシステムの構成等は現実のものとは異なることに留意すべきである。

図１は本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置１０の概略構成図である。

図１に示すように、土石流氾濫域高速シミュレーション装置１０は、表示部３０と、マウス２０と、土石流高速シミュレーションツール部１００と、ＬＰデータを記憶したＬＰデータ用データベース２００と、地理情報用データベース３００と、県又は地域単位の砂防基盤図を記憶したデータベース４００と、ＧＩＳのレイヤー化部５００と、土石流情報算出ツール部６００と、ＧＵＩ部１４０（グラフィックユーザインターフェース部）と、最低河床線自動描画部１５０等を備え、ＧＩＳの等高線図上において指定された氾濫シミュレーション枠（二次元地形データともいう）におけるＬＰデータのＺ座標をバイナリ変換して後述する指定範囲二次元地形モデルを作成し、このモデルの各メッシュに標高データに応じた氾濫のシミュレーション結果を色別表示する。

前述の土石流情報算出ツール部６００は、任意側線の縦横断面図表示機能、任意範囲の鳥瞰図表示機能、最低河床線（縦断）探索機能、任意の堆砂購買による堆砂域表示及び堆砂量計算機能等を含んでいる。

ＬＰデータ用データベース２００には、対象物の三次元座標（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ）及び反射強度等を有するＬＰデータ（ＤＥＭ：数センチ間隔）がテキスト形式で保存されている。

地理情報用データベース３００には、対象地域の等高線図、道路地図、河川地図、住居地図、オルソ画像等が記憶されている。

これらはベクター形式又はラスタ形式である。ラスタ形式の場合はテキスト形式のワールドファイルが対応させられている。

ＧＩＳのレイヤー化部５００（以下単にレイヤー化部５００という）は、地理情報用データベース３００又は各メモリに記憶されているデータを重ねて表示部３０に表示する。

また、ＧＩＳのレイヤー化部５００は、土石流情報算出ツール部６００で作成された画像を重ねて表示部３０に表示させる。

土石流高速シミュレーションツール部１００は、図１に示すように、メッシュ化部１０１とバイナリ化部１０３と氾濫シミュレーション範囲設定部１１０と指定範囲二次元地形モデル算出部１２０と土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０等を有する。また、各種メモリを有する。

これらは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で実行されるプログラムであり、プログラミング言語をＶＢ．ＮＥＴからＣ＋＋にコンバートすることで、より高速化を実現している。

これによって、氾濫シミュレーション枠においてＬＰデータを生かした詳細な解析が可能なプログラムとなっている。

そして、Ｃ＋＋を用いることで、
（１） 動的なメモリ確保とメモリ操作
（２） ポインタによる配列アクセスの高速化
（３） 新たなクラス作成機能
（４） 既存の画像処理ライブラリの利用
が可能となる。

（動的なメモリ確保とメモリ操作）
Ｃ＋＋はプログラム実行中必要に応じて動的にメモリ（配列）を確保可能な機能を持っており、その機能を用いることにより二次元地形データのメッシュ数に対してフレキシブルに対応できる。また、一般的なシミュレーションプログラムは配列間のデータコピーが頻繁に発生するが、Ｃ＋＋はメモリ間のコピーに対して高速な関数を持っており処理の高速化を実現できる。

（ポインタによる配列アクセスの高速化）
Ｃ＋＋が持つポイント機能を用いることにより配列の任意位置へのアクセスを高速に行うことができる。

（新たなクラス作成機能）
Ｃ＋＋は必要に応じて新たなクラス（言語に新たな機能を付加する仕組み）を作成する機能を持っており、本実施の形態のシミュレーションの処理（プログラム）では指定範囲二次元地形モデルＷＭｉを作成するため、巨大ファイルアクセスクラスや行列処理クラスを用いる。

（既存の画像処理ライブラリの利用）
また、本実施の形態のシミュレーションの処理は、処理結果を時系列的に確認できるようＰＮＧフォーマットの読み込みや作成に関しては高速なライブラリが既に公開されており、このような資産を活用することによりバグが少ない高速なプログラムを作成することができる。

＜各部の説明＞
メッシュ化部１０１は、ＬＰデータ用データベース２００から指定された地域のＬＰデータをメモリ１０２ａに全て記憶する。このメモリ１０２ａは平面直角座標系で定義されている。

そして、メモリ１０２ａの原点を基準にし、入力された解像度（１ｍ又は２．５ｍ・・・：任意）に基づいて一定間隔でＬＰデータを繋げたメッシュ群をメモリ１０２ａに生成する（図２参照）。本実施の形態では１ｍとして説明する。

なお、解像度が２．５ｍの場合は２．５ｍのメッシュＬｉを作成する。また、メッシュＬｉの作成に伴って、このメッシュ番号とメッシュＬｉの縦横座標とメッシュＬｉのサイズ（１ｍ）等を含むワールドファイルをメモリ１０２ｂに生成する。

バイナリ化部１０３は、メッシュ化部１０１によってメモリ１０２ａにＬＰデータのメッシュ群が生成されると、メッシュＬｉ（グリッドともいう）の各頂点を形成するテキスト形式のＺ座標をバイナリ変換し（４バイト）、このバイナリデータＬｐｂｉをメッシュ番号に関連付けてメモリ１０６に記憶する。つまり、メッシュＬｉの各頂点にはバイナリ化されたＺ座標が割り付けられていることになる。

なお、本実施の形態のバイナリ変換を行うのは画像ファイル形式に変換するためであり、ファイル形式は、ＴＩＦＦ、ＢＭＰ、ＪＰＥＧ又はＰＮＧ等のファイル形式である。本実施の形態ではＰＮＧファイルにしている。

ＰＮＧファイルの場合は、カラー値が埋め込まれるフィールドにバイナリ変換されたＺ座標を埋め込んでいる。

最低河床線自動描画部１５０は、表示部３０の画面に表示されている地形図上において一次渓流線の設定が指示され、かつ上流端Ｐ１及び下流端Ｐ２が指示されると、一次渓流用のメモリ１６２（平面直角座標系を定義）を生成する。

そして、この両方の端点までの一次渓流線を求めて一次渓流用のメモリ１６２に記憶し、これをレイヤー化部５００で重ね表示させる（図３参照）。

氾濫シミュレーション範囲設定部１１０は、表示部３０の下流端Ｐ２の設定に伴ってメモリ１６５（平面直角座標系）を生成する。

次に、この下流端Ｐ２を基準にして１ｋｍ×１ｋｍの四角枠（氾濫シミュレーション枠Ｗｉという）をメモリ１６５（平面直角座標系）に生成して、これをレイヤー化部５００により重ね表示させる（図４参照）。

また、氾濫シミュレーション範囲設定部１１０は、下流端Ｐ２が指定されると、メモリ１１３を生成し、下流端Ｐ２に対応する地図上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）をメモリ１１３に読み込む。本実施の形態ではメモリ１１３に記憶された下流端Ｐ２の位置（Ｘ，Ｙ）を基準位置Ｐ２ａと称する。

指定範囲二次元地形モデル算出部１２０は、メモリ１１３に記憶された基準位置Ｐ２ａ（下流端Ｐ２）と、氾濫シミュレーション枠Ｗｉ（例えば１ｋｍ×１ｋｍ又は１ｋｍ×２ｋｍ・・）とを読み込む。

そして、メモリ１０２ｂのワールドファイルに基づいて、基準位置Ｐａ２（下流端Ｐ２）をメモリ１０２ａのメッシュＬｉに投影し、この投影位置を投影基準位置ＰＱ２とし、この投影基準位置ＰＱ２から氾濫シミュレーション枠Ｗｉをメモリ１０２ａに定義する。 次に、この氾濫シミュレーション枠Ｗｉ内のメッシュＬｉの塊をＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉとしてメモリ１０６に読み出す。

さらに、指定範囲二次元地形モデル算出部１２０は、メモリ１０６のＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉの投影基準位置ＰＱ２から１ｍ間隔で各メッシュＬｉに位置ＬＢｉ（Ｘ，Ｙ）を順次定義する。

そして、各メッシュＬｉの最小二次元座標（Ｘｉｍｉｎ，Ｙｉｍａｘ）と最大二次元座標（Ｘｉｍａｘ，Ｙｉｍａｘ）とを直線ＴＬｉで結んで各メッシュＬｉに三角形を形成し、この三角形の各頂点に割り付けられているＺ座標（バイナリデータ）の平均値を求める。

これを、ＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉのメッシュＬｉにおける標高データＨｉと称する。

次に、メッシュ番号とこのメッシュＬｉの二次元座標（Ｘ，Ｙ）とメッシュＬｉのサイズと標高データＨｉとを関連付けたデータを指定範囲二次元地形モデルＷＭｉとしてメモリ１３０に記憶する。

つまり、指定範囲二次元地形モデルＷＭｉは二次元座標が割り付けられているからワールドファイルで定義されていることになる。このワールドファイルはメッシュ番号に関連付けてメモリ１３１に記憶するのが好ましい。

土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０は、ＧＵＩ部１４０を介して入力された指示に基づいて、土石流情報算出ツール部６００（任意側線の縦横断面図表示機能、任意範囲の鳥瞰図表示機能、最低河床線（縦断）探索機能、任意の堆砂購買による堆砂域表示及び堆砂量計算機能等）を起動させ、これらの解析結果をメモリ１６３（１６３ａ、１６３ｂ・・）に記憶して、レイヤー化部５００によって重ね表示させる。

また、必要に応じてメモリ１３０の指定範囲二次元地形モデルＷＭｉに、解析結果を反映させたデータをメモリ１６４に記憶する。

＜動作説明＞
図５は本実施の形態の指定範囲二次元地形モデル算出部１２０の指定範囲二次元地形モデルＷＭｉの生成過程を説明するフローチャートである。図６は図５の補足説明図である。

本実施の形態１では、既にＬＰデータのＺ座標がバイナリ化部１０３によって、バイナリ変換されてメモリ１０６に記憶されているとする。

また、画面に表示した地形図において、上流端Ｐ１、下流端Ｐ２が指定されて、最低河床線自動描画部１５０によって一次渓流線が描かれたとして説明する。

氾濫シミュレーション範囲設定部１１０は、表示部３０の画面の地図上に下流端Ｐ２が設定されると、この下流端Ｐ２を基準にして氾濫シミュレーション枠Ｗｉを画面の地図上に表示する（Ｓ１：図４参照）。

次に、氾濫シミュレーション範囲設定部１１０は、下流端Ｐ２の指定に伴ってメモリ１１３を生成し、この下流端Ｐ２の地図上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）をメモリ１１３に記憶する（Ｓ２）。

次に、指定範囲二次元地形モデル算出部１２０は、下流端Ｐ２がメモリ１１３に記憶されると、この下流端Ｐ２の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を読み出してメモリ１０２ａのメッシュ群に投影する（Ｓ３）。

そして、この投影基準位置ＰＱ２を基準にして、メモリ１０２ａのメッシュ群に氾濫シミュレーション枠Ｗｉを定義する（Ｓ４）。

次に、メモリ１０２ａの氾濫シミュレーション枠Ｗｉ内のメッシュＬｉの塊をメモリ１０６に読み出す（Ｓ５）。このメモリ１０６に読み出されたメッシュの塊を本実施の形態ではＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉと称する。

次に、指定範囲二次元地形モデル算出部１２０は、メモリ１０６のＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉの投影基準位置ＰＱ２から１ｍ間隔で各々のメッシュに位置ＬＢｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）を順次定義する（Ｓ６）。

そして、この位置ＬＢｉ（投影基準位置ＰＱ２を含む）を有するＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉのメッシュＬｉを順次指定する（Ｓ７）。

次に、この指定したメッシュＬｉ毎に、三頂点のバイナリデータＬｐｂ１、Ｌｐｂ２、Ｌｐｂ３を平均化して、このメッシュＬｉにおける標高データＨｉを求める（Ｓ８）。

この標高データＨｉの求め方について図６を参照して説明する。図６（ａ）には、メモリ１０６のＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉにおけるメッシュ群等を示している。なお、メッシュの頂点に割り付けられているｍ，ｎはメモリ１０２ｂのワールドファイルが示す座標（Ｘ，Ｙ）を意味する。

また、図６（ａ）には、メモリ１０６のＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉにおける投影基準位置ＰＱ２を示している。

そして、図６（ａ）に示すように、ＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉの枠線を含む各々のメッシュＬｉにおいて、最小座標（Ｘｉｍｉｎ，Ｙｉｍｉ）と最大座標（Ｘｉｍａｘ，Ｙｉｍａｘ）とを結ぶ直線ＴＬｉを定義する（Ａステップという）。

次に、ＬＰデータ用シミュレーション領域ＬＷｉ内の投影基準位置ＰＱ２が定義されているメッシュＬｉを指定する（Ｂステップという）。

次に、投影基準位置ＰＱ２を位置ＬＢｉとして、この位置ＬＢｉから１ｍ間隔で各々のメッシュに位置ＬＢｉを順次定義する（Ｃステップという）。

次に、位置ＬＢｉがメッシュに定義される毎に、このメッシュの三頂点に割り付けられているＺ座標であるバイナリデータＬｐｂ１、Ｌｐｂ２、Ｌｐｂ３を読み込み、平均化処理（重み付け係数を用いる）によって図６（ｂ）に示すように標高データＨｉを決定する（Ｄステップという）。

なお、図６（ｂ）に示す標高データＨｉは、三頂点に割り付けられているバイナリデータＬｐｂ１、Ｌｐｂ２、Ｌｐｂ３の平均値が三角形内に割り付けられたことを示すものである。

次に、指定範囲二次元地形モデル算出部１２０は、図５に示すように、これらのメッシュの番号と、ワールドファイルの二次元座標（Ｘ，Ｙ）と、標高データＨｉ等を指定範囲二次元地形モデルＷＭｉのデータとしてメモリ１３０に記憶する（Ｓ９）。

従って、図７に示すような、指定範囲二次元地形モデルＷＭｉがメモリ１３０に生成されることになる。

すなわち、図７に示すように、指定範囲二次元地形モデルＷＭｉの各メッシュには標高データ（Ｈｉ）のみが割り付けられていることになるから、土石流の氾濫シミュレーションを行った場合には、処理速度が非常に早い。１ｋｍ×１ｋｍの氾濫範囲では数分で処理が終了する。

上記のようにして生成した指定範囲二次元地形モデルＷＭｉを用いて前述の土石流氾濫シミュレーション結果表示ツール、土石流情報算出ツール部６００を起動した例を本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置の動作として説明する。

図８は本実施の形態の土石流氾濫域高速シミュレーション装置の動作を説明するフローチャートである。

図８に示すように、マウス２０を操作してＧＩＳの画像上（地図）で解析対象渓流を設定する（Ｓ３１）。

この解析対象渓流の設定は一次元渓流線の設定とも称する。

一次元渓流線の設定は、渓流の上下端を地図上に指定し、最低河床線自動描画機能を用いて設定する（図３参照）。

つまり、表示部３０の画面に表示された地図（等高線が含まれている地図）において、マウス２０で上流端Ｐ１と下流端Ｐ２とを設定して、最低河床線自動描画部１５０によって一次元渓流線を描かせる。

具体的には、上端及び下端を指定すると最低河床線自動描画部１５０は基準となる座標を中心とした半径５ｍの円周上で最も低い座標を自動的に検索する。この処理を再帰的に行うことにより渓流の最低河床線（縦断）を探索・描画する。

なお、一次元渓流線上の構造物及び観測点の設定についても、同様にＧＩＳの画像上に設定できる。

また、天然ダム等を対象にした氾濫シミュレーションを行う場合は、天然ダム等の位置と高さを設定し、さらに貯水量の算出、ＬＡＤＯＦモデル等によるハイドログラフを画面に表示する（Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４）。

前述のＬＡＤＯＦモデルによるハイドログラフの設定は、本実施の形態の土石流高速シミュレーションツール部１００は、計算に必要なパラメータファイルをエクセルやテキストエディタを使って作成する仕組みを持っている。

このため外部で計算されたデータ、例えばＬＡＤＯＦモデルで計算されたハイドログラフデータを指定範囲二次元地形モデルＷＭｉに反映させて土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０が利用することができる。このような組み合わせで、天然ダムの越流決壊による土石流シミュレーションを簡便かつ高精度に実施することが可能となった。

ＬＡＤＯＦモデルは、土石流から掃流状集合流動への遷移過程を解析する手法として、流動層を二層に分けて解析する２層流モデルをベースとした一次元計算モデルである。側岸侵食速度式は流速の１乗に比例するという考え方に基づき、２層流モデルに側岸侵食速度式を導入して天然ダムの越流・決壊過程を計算するモデルである。

ＬＡＤＯＦモデルの計算には、地形モデルや湛水域、湛水量等のデータが必要となるが、Ｓａｂｏ・Ｄ―ＭＡＣは、天然ダムの規模を与えて湛水量・湛水面積を自動計算する機能を有している。これらの機能と連携させることで、天然ダム決壊に伴う任意地点のハイドログラフ、土砂濃度を算出させる。

そして、氾濫シミュレーション範囲設定部１１０が入力された範囲（１００ｍ×１００ｍ、２０ｍ×２００ｍ、５００ｍ×５００ｍ、１ｋｍ×１ｋｍ・・）に対応する氾濫シミュレーション枠Ｗｉ（二次元地形範囲ともいう）の下流端Ｐ２を基準にして設定する（Ｓ３５：図４参照）。

なお、氾濫シミュレーション枠Ｗｉの設定は、縦横のメッシュ数とメッシュサイズを指定するとそれに応じた枠の大きさになり、さらに変更する場合はマウス２０を用いて、その枠を上下、又は左右に動かすことで範囲を設定することが可能である。

また、図９に示すように、堰堤ダム等の構造物の位置である観測点の位置を入力する（Ｓ３６、Ｓ３７）。そして、土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０は、渓流線（最低河床線ともいう）とシミュレーション用一次元地形モデル（図示せず）を作成する（Ｓ３８）。

前述の観測点は、図９に示すように最低河床線を横切るように堰堤を指示すると、土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０が図１０に示すようにこの堰堤における横断面図を表示する。

担当者が堰堤の高さを入力すると図１０の赤線で示す堰堤を設定し、堰堤と地形断面との交点座標を計算したモデルをメモリ１６３ａ、・・のいずれかに作成する。

次に、土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０は、設定した堰堤高と最低河床線から図１１に示す堆砂勾配を設定するための縦断面図を表示する。任意の堆砂勾配を設定することにより堆砂勾配線と最低河床線との交点座標を算出する。さらに堰堤軸両端の座標と堆砂末端座標から堆砂面の式を算出する。

これによって、堆砂域と堆砂量の算出が可能である。例えば、堆砂勾配の設定で算出した堆砂面の式とＬＰデータを用いて堆砂域と堆砂量を算出する。

堆砂域は、ＬＰデータの格子点座標と堆砂面の式から、その平面座標における堆砂面での標高データを算出し、ＬＰデータに基づく標高データと比較することにより堆砂域の判定を行ってその結果を表示する（図１２参照）。

この機能を活用して、以下の解析が可能となる。なお、図１２はラスタ画像で示している。なお、地理情報用データベース３００にはこのラスタ画像のワールドファイルを関連付けて記憶している。

次に、ＬＰデータから前述の指定範囲二次元地形モデルＷＭｉを作成する（Ｓ４０）。

つまり、指定範囲二次元地形モデル算出部１２０がテキスト形式のＬＰデータをメッシュ化して、このメッシュの各頂点のＺ座標をバイナリ変換して各々のメッシュの標高データを求め、この標高データＨｉを割り付けた指定範囲二次元地形モデルＷＭｉを生成している。

次に、シミュレーション用緒言データを作成してメモリ１６６に記憶する（Ｓ４１）。

このような工程を終えた後で、実行ボタンを押すと、メモリ１６６のシミュレーション緒言データを用いて土石氾濫シミュレーション結果表示ツール１６０が土石流氾濫シミュレーションを実施する（Ｓ４２）。

次に、シミュレーション計算結果の画像をメモリ１６３に生成して（Ｓ４３）、レイヤー化部５００でこの画像を重ね表示させる（Ｓ４４）。このシミュレーション結果を時刻毎に三次元的に表示させて（Ｓ４５）、このときの計算結果をメモリ（図示せず）に記憶して管理し、必要に応じて表示する（Ｓ４６）。

なお、図１３は、指定範囲におけるシミュレーション結果の表示を示している。色値に応じて土石堆積量が分かるようになっている。

また、ハイドログラフや土質定数等のパラメータを変更したい場合は専用のエクセルシートから行う。シミュレーション結果は指定した時間間隔で数値データと共に画像データとしても出力される。画像データは地理座標を有しているのでＧＩＳ上に表示することができる。

また、Ｓａｂｏ・Ｄ−ＭＡＣの機能を利用した三次元（鳥瞰図）表示も可能である。結果の出力状況を図１４に示す。

以下に天然ダム越流決壊を想定したシミュレーションの結果を示す（図１５、図１６）。

図１５は二次元地形モデルのメッシュサイズを１０ｍとした場合、図１６はメッシュサイズを２０ｍとした場合の氾濫想定区域図である。両図とも同じ計算パラメータで１．５００秒間の計算を行なっているが、メッシュサイズが大きいほど流速が早くなって氾濫想定区域が広くなる。このケースでは図１６のほうが実態を反映している。

なお、図１７には地図を表示しないで、指定範囲二次元地形モデルＷＭｉの標高データに応じた氾濫シミュレーション結果を色別表示した例を示している。

すなわち、図８の各工程を踏んだ場合には、マウスによる氾濫シミュレーション枠ＷｉのＬＰデータを用いて作成したメッシュの各頂点のＺ座標値がバイナリ変換されて、これらの平均値をメッシュの標高データＨｉとしているので処理は短時間ですむことになる。

従って、砂防堰堤の計画規模や配置計画の検討、大規模災害発生時（天然ダム形成時）の諸量の算定、既設砂防堰堤の維持管理（アセットマネジメント）等を高速に行うことができる。

１０ 土石流氾濫域高速シミュレーション装置
３０ 表示部
１００ 土石流高速シミュレーションシステム
１０１ メッシュ化部
１０３ バイナリ化部
１１０ 氾濫シミュレーション範囲設定部
１２０ 指定範囲二次元地形モデル算出部
１５０ 最低河床線自動描画部
１６０ 土石氾濫シミュレーション結果表示ツール
２００ ＬＰデータ用データベース
５００ レイヤー化部
６００ 各種解析ツール部

Claims (8)

1. 地域の地理情報を記憶し、該地理情報に含まれている渓流域を含む地形図を読み込んで画面に表示するＧＩＳ部と、
   前記渓流域を流れる土石流情報を求める土石流情報算出ツール部と、
   前記地域にレーザを照射して得た、テキスト形式の三次元座標を含むＬＰデータを記憶したデータベースと、
   前記ＬＰデータの内で一定間隔を有するＬＰデータ同士が繋げられてメッシュ化されたメッシュのデータが記憶された第１の記憶手段と、
   指定範囲二次元地形モデルが記憶される第２の記憶手段と
   を用意して、
   コンピュータが、
   前記データベースから前記地域のＬＰデータを読み込んで、これらを一定間隔で繋げてメッシュ化し、これらのメッシュの各々の頂点を形成する前記テキスト形式のＬＰデータを前記メッシュのデータとしてメッシュに関連付けて前記第１の記憶手段に記憶する工程と、
   前記第１の記憶手段のメッシュを順に指定し、該指定毎に、このメッシュの各頂点のデータのテキスト形式のＺ座標をバイナリ変換する工程と、
   前記地形図の渓流域の上端と下端とを指定させて、この上端と下端との間に渓流線を求めて前記地形図に重ね表示させる工程と、
   前記渓流線の下端を基準にして、該下端から予め設定されているエリアの枠を氾濫シミュレーション枠として前記地形図に重ね表示させる工程と、
   前記地形図上の前記下端の二次元座標を有する前記メッシュを前記第１の記憶手段から検索し、該検索したメッシュに前記下端の二次元座標の位置を定義する工程と、
   前記メッシュに投影された下端の位置を基準位置とし、この基準位置から前記氾濫シミュレーション枠を前記第１の記憶手段のメッシュ群上に定義し、この氾濫シミュレーション枠内のメッシュの塊をＬＰデータ用シミュレーション領域として定義する工程と、
   前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの各頂点に割り付けられている各々のＺ座標のバイナリデータの平均値を求め、これを前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの標高データとする工程と、
   前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュあたりの標高データが求められる毎に、このメッシュの二次元座標とメッシュのサイズとその標高データとを関連付け、これを前記指定範囲二次元地形モデルとして前記第２の記憶手段に記憶する工程と、
   前記一定時間あたりに前記渓流域を流れる土石流情報を前記土石流情報算出用ツール部によって求めさせ、この算出結果を前記第２の記憶手段の指定範囲二次元地形モデルの前記下端に対応するメッシュから順に反映させてその結果を色別表示させる工程と
   を行うことを特徴とする土石流氾濫域高速シミュレーション方法。
2. 前記色別表示は、
   前記指定範囲二次元地形モデルのメッシュの標高データに基づいて氾濫の度合いを色別表示することを特徴とする請求項１記載の土石流氾濫域高速シミュレーション方法。
3. 前記検索されたメッシュの各頂点は、該メッシュのいずれかの互いに対向する頂点同士であることを特徴とする請求項１又は２記載の土石流氾濫域高速シミュレーション方法。
4. 前記コンピュータが、
   前記ＧＩＳ部から前記地理情報に含まれている砂防基盤図を読み出して前記地形図に重ね表示する工程と
   を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の土石流氾濫域高速シミュレーション方法。
5. 地域の地理情報を記憶し、該地理情報に含まれている渓流域を含む地形図を読み込んで画面に表示するＧＩＳ部と、
   前記渓流域を流れる土石流情報を求める土石流情報算出ツール部と、
   前記地域にレーザを照射して得た、テキスト形式の三次元座標を含むＬＰデータを記憶したデータベースと、
   前記ＬＰデータの内で一定間隔を有するＬＰデータ同士が繋げられてメッシュ化されたメッシュのデータが記憶された第１の記憶手段と、
   指定範囲二次元地形モデルが記憶される第２の記憶手段と
   前記データベースから前記地域のＬＰデータを読み込んで、これらを一定間隔で繋げてメッシュ化し、これらのメッシュの各々の頂点を形成する前記テキスト形式のＬＰデータを前記メッシュのデータとしてメッシュに関連付けて前記第１の記憶手段に記憶する手段と、
   前記第１の記憶手段のメッシュを順に指定し、該指定毎に、このメッシュの各頂点のデータのテキスト形式のＺ座標をバイナリ変換する手段と、
   前記地形図の渓流域の上端と下端とを指定させて、この上端と下端との間に渓流線を求めて前記地形図に重ね表示させる手段と、
   前記渓流線の下端を基準にして、該下端から予め設定されているエリアの枠を氾濫シミュレーション枠として前記地形図に重ね表示させる手段と、
   前記地形図上の前記下端の二次元座標を有する前記メッシュを前記第１の記憶手段から検索し、該検索したメッシュに前記下端の二次元座標の位置を定義する手段と、
   前記メッシュに投影された下端の位置を基準位置とし、この基準位置から前記氾濫シミュレーション枠を前記第１の記憶手段のメッシュ群上に定義し、この氾濫シミュレーション枠内のメッシュの塊をＬＰデータ用シミュレーション領域として定義する手段と、
   前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの各頂点に割り付けられている各々のＺ座標のバイナリデータの平均値を求め、これを前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュの標高データとする手段と、
   前記ＬＰデータ用シミュレーション領域のメッシュあたりの標高データが求められる毎に、このメッシュの二次元座標とメッシュのサイズとその標高データとを関連付け、これを前記指定範囲二次元地形モデルとして前記第２の記憶手段に記憶する手段と、
   前記一定時間あたりに前記渓流域を流れる土石流情報を前記土石流情報算出用ツール部によって求めさせ、この算出結果を前記第２の記憶手段の指定範囲二次元地形モデルの前記下端に対応するメッシュから順に反映させてその結果を色別表示させる手段と
   を有することを特徴とする土石流氾濫域高速シミュレーション装置。
6. 前記色別表示は、
   前記指定範囲二次元地形モデルのメッシュの標高データに基づいて氾濫の度合いを色別表示することを特徴とする請求項５記載の土石流氾濫域高速シミュレーション装置。
7. 前記検索されたメッシュの各頂点は、該メッシュのいずれかの互いに対向する頂点同士であることを特徴とする請求項５又は６記載の土石流氾濫域高速シミュレーション装置。
8. 前記ＧＩＳ部から前記地理情報に含まれている砂防基盤図を読み出して前記地形図に重ね表示する手段と
   を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の土石流氾濫域高速シミュレーション装置。