2022 Fiscal Year Research-status Report
Automatic Generation of 3D Terrain Model with Internal Structure that Enables Numerical Experiments of Debris Flow for Disaster Prevention Education
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20K03138
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| Research Institution | Chukyo Junior College |
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Principal Investigator |
村瀬 孝宏 中京学院大学短期大学部, その他部局等, 教授 (70342053)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉原 健一 金沢大学, 地球社会基盤学系, 研究協力員 (80259267)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ３次元建物モデル / 自動生成 / 土石流シミュレーション / 防災教育 / 力学シミュレーション / 建物倒壊シミュレーション / 建物ポリゴン分割 / 地理情報システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、我が国では気象災害が頻発し、各地で豪雨災害が発生し、大きな被害をもたらしている。これらは地球温暖化に伴って降雨パターンが変動し、異常気象の発生頻度が高まったとされている。さらに我が国は、地震、火山活動が活発な環太平洋変動帯に位置することによる津波、モンスーン気候に特有の梅雨前線や台風による風水害は、被害が拡大することが懸念されている。
こうした津波や土石流などの自然災害を防止・軽減するために堰堤などの構造物によって土砂移動現象を無害化するような防災対策が急務である。このためにも地質学など、土石流や土砂崩れのメカニズムを研究する「防災科学」やそれを学ぶ「防災教育」が重要である。このとき仮想空間内で津波や土石流等の力学シミュレーションを行える３次元建物モデルを自動生成し、活用することが目的である。
これまでの研究で、電子地図上の頂角がほぼ直角の建物境界線(直角建物ポリゴン)を四角形の集まりまで分割し、四角形の集まりを「互いに直交する長方形の集まり」まで整形し、各長方形の上にBox形状の建物本体を配置して３次元建物モデルを自動生成した。
本研究では、当手法を発展させ、仮想空間内で「力学シミュレーションを行える部材」で「部材の物理形状が重ならないような構造」で構築された３次元建物モデルを自動生成することを目指した。本システムは、３次元仮想空間内で、「大量の移動要素と動的３次元建物モデルのインタラクション」を可能にし、「津波や土石流などの土砂移動現象と建物の間の相互作用」を再現し、これらの自然災害による３次元建物モデル倒壊のシミュレーションを行えるシステムを開発し提案した。
これらは防災まちづくりの整備案の合意形成、あるいは、様々なシナリオに基づく現実に起こりうる災害や災害防止対策の効果を示すアニメーションの作成が可能であり、防災科学における数値実験や防災教育の教材などを提供できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
「やや遅れている」と考えるその理由として、以下に示す「研究目標」に対して、「現在までの進捗状況」に示すような研究成果をなっているからである。
【研究目標】仮想空間にて「津波や土石流などの土砂移動現象」をシミュレートできる３Ｄモデルは防災教育に有効であり、「地域で発生してした土砂災害のメカニズム」の解明、地域の地形、地盤に応じた「将来起こりうる土砂災害」の予測ができる可能性がある。本研究では、地層に相当する内部構造を持つ３Ｄ地形モデルを自動生成し、土砂移動現象を仮想空間内でこのレイヤーを持つ３Ｄモデルで再現し、防災教育や災害予測に活用することを研究目標とする。
本年度においては、３Ｄモデルの自動生成システムを発展させ、建物の力学シミュレーションを行なうとき、「力学的に安定」した建物の動的３次元モデルを自動生成することを目指した。さらに、柱や梁などの「部材」まで再現することにより、より精度の高いエンジニアリング・シミュレーションを可能にさせ、実際に発生した自然災害と本システムのシミュレーション結果を比較し妥当性を検討することとした。
【現在までの進捗状況】本研究で自動生成される建物の３Ｄモデルは、リモートセンシングや手続き型モデリングで生成される建物の表面モデルと異なり、その「部材」が中身の詰まった「ソリッドモデル」であり、力学や熱伝導・熱流体解析のエンジニアリング・シミュレーションが可能である。このモデルにより「力学的に安定」した建物の動的３次元モデルを自動生成し、柱や梁などの「部材」までモデリングを行い、「津波や土石流、太陽光のシミュレーションが可能な３次元建物モデルの自動生成」というテーマで研究開発を行い、学会発表を行った。ただし、構築したシステムの精度については検証が不十分であり、実際に発生した自然災害とシミュレーション結果を比較し妥当性を検討するには至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
土砂災害を考えると、地形内部の土砂や岩盤、入り組んだ地層をモデル化し、実験データとの整合性をとりつつ、力学シミュレーションが行えるように取り組む必要がある。そして、仮想空間の中で、土砂崩れなどが再現し、さらに、「発生した土石流や津波など土砂災害のメカニズムを解明する」、あるいは、地域の地形、地盤に応じて「将来起こりうる土砂災害の様々なシナリオを可視化」するように研究を進める。そのために開発システムの力学シミュレーションにおけるの衝突検出のアルゴリズムを開発する。それと並行して、シミュレーション結果の精度を上げるために、より詳細に地形名部のモデリングを行う。
本開発の自動生成システムにより一般的な３Ｄモデルの作成に必要な多大な労力と時間を大幅な短縮を可能としているが、シミュレーション結果の精度とモデル作成の効率性の観点から、最適な適用分野、普及方法を評価項目として検討する。
今後は以下のことを重点的に研究開発する予定である。
(1)現実世界の地形に近い環境で数値実験を行うので、「発生した土砂災害のメカニズムの解明」、あるいは、「内部構造の形状や要素のパラメータを変え、予測される土砂災害の様々なシナリオのシミュレーション」を可能にする。(2) ３Ｄ地形モデル内に土砂災害対策となる「砂防えん堤」などの構造物を設置し、その効果を検討する。あるいは、「安全地区への集団移転する整備案」を３Ｄ地形モデル内に実現し、予測される土砂移動現象における整備案の是非を検討する。(3) Web上に３Ｄモデルを展開し、情報公開を行える仕組みを検討する。
そして、実際に発生した土石流の自然災害と本システムのシミュレーション結果を比較し妥当性を検討する。さらには、特定の地域に対して、気象条件や地形、地層データを元に、予測される土砂災害の様々なシナリオのシミュレーションモデルを構築し、その有用性について検討する。
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| Causes of Carryover |
（理由）2022年度においては、国際学会で海外出張の予定があったが、コロナの影響で開催が中止となったため、航空運賃や宿泊費などの海外出張費が不要となった。また、研究成果を発表する予定の他の国際学会に関して、その出張旅費と参加費を本科研費で執行予定であったが、査読の結果受理されなかったため不要となった。
国内の学会においても、計画していた学会に投稿したが、一部を除き学会発表がオンライン開催または誌上開催となり、予定としていた出張旅費が不要となった。
(使用計画)当該助成金は、2022年度で実現できなかった国際学会や国内学会などへ質を高め論文の投稿を行い、研究成果の発表や意見交換に繋げる。また、研究活動の進捗に応じて必要となるハードウェアやソフトウェアの物品購入、最新の研究動向の情報収集等のために使用する計画である。
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