防災研究

防災研究

 橋本が開発した画像計測技術は「距離50mにて誤差1mm」で対象座標を計測できるとともに,動き計測・連続時間計測・多数点同時計測が可能で,低コストです。つまり,遠方対象の動きを高精度に計測できます。

 この技術を活用して,擁壁ブロック・岩・樹木等の微小な動きの計測システムを試作し,その計測結果から土砂災害発生の予兆を検知,警戒情報を取得するシステムの開発することを研究目的としています。つまり,従来カメラで計測されている分野に3次元計測を導入し,その計測結果と土砂災害との関連を明確にすることで土砂災害を予測します。本研究の成果は,早期で正確な避難につながると考えられる。また,計測データは公共性が高いため,公開して防災研究の進展に大きく寄与します。

さらに,この計測技術は,天然ダムの危機管理,掘削面の崩壊予測など,広い分野で応用できます。

研究の学術的背景

研究動向及び位置づけ

計測対象,重要性

 政府広報オンラインに「土砂災害の危険箇所は全国に52万箇所!」,「土砂災害の発生件数は年間約1,000件」とあるように,土砂災害は身近でかつ大変危険な災害である。土砂災害の予兆検知に関する技術の確立は緊急かつ不可欠である。 

 これまでに防災については様々な研究が進められている。画像を用いた研究として,例えば,衛星画像を用いて地形変化等の研究等を挙げられる。しかし,特定の箇所の3次元計測については試みがあるものの,計測精度・計測範囲・計測装置の複雑さ等から成功した例は見当たらない。

計測技術

 画像を用いた3次元計測においてステレオ計測は基本かつ主要な方法である。しかし,ステレオ計測には,対応点誤差・量子化誤差・キャリブレーション誤差などの誤差要因があり,既存計測技術では遠距離における計測精度が不十分とはいえない。具体的には,ステレオ3次元計測では,「カメラ-対象間距離」/「カメラ-カメラ間距離」という比が計測精度に強く関係し,この比が大きく(例えば,カメラ-対象間距離が長く)なると計測精度が低下してしまう(現状のステレオ3次元計測では多くの場合この比が数倍程度までで計測が行われる)。これに対し,橋本が開発した技術では,この比が20倍程度でも従来技術より一桁以上高い精度を実現できる。

 現在行われている地表変動の計測手段との関係を次にまとめる。

静岡県・由比付近

  • 干渉SAR:衛星画像等を用いて広範囲に計測でき,誤差数センチ(変動量)と素晴らしい計測が可能である。しかし,衛星の周期から連続計測ができず(数十日に1回),このため,地上の擁壁,谷の堆積土砂等の計測は不可能である。
  • GPS:計測箇所に受信機の設置が必要である(画像計測は離れた対象の計測が可能)。
  • 3次元計測:レーザ計測や画像計測(計測対象にマーカーを用いる方法)が各種提案されている。これに対して,本方法は,マーカーレス(自然物マーカー)で計測できる上,補助的にマーカーを用いる場合でも雨天等の影響を受けにくい。

研究動向及び位置づけ

 静岡県・由比付近は山が海岸に迫り,国道1号・東名高速道路・JR東海道線が海岸に沿う(右上図)。万一土砂災害が発生すると日本の東西が分断される。実際には右下図のように,ブロックの膨みが観察される(静岡大学防災総合センター長・増田俊明教授から教示頂いた)ことから着想した。

これまでの研究成果

静岡県・由比付近

 ステレオ計測の“量子化誤差”(撮像素子の画素の離散性つまり空間方向のサンプリング誤差に起因)を飛躍的に改善できることを確認済みである(「JST 独創的シーズ展開事業 大学発ベンチャー創出推進平成20年度採択」。産業界への実用化を目的に鋭意研究中)。

 本計測技術を適用可能であることを検証するため,静岡県由比地すべり地内にて予備実験を行った結果を右図に示す。カメラを用いてブロックの変化を計測できることを確認できる。

 また,本研究の基礎となる研究として氷河観測を挙げる。橋本が国際共同研究の一員としてペリト・モレノ氷河を観測したもので,世界で初めての氷河ピーク個々の動きの詳細な計測に成功した。このときの計測では,約1km先の氷河を誤差0.1m程度で計測できている。この技術を本申請の計測に応用する。

今後の研究について

 できるだけ早期に予兆を検出するには,対象の微小な変化(mm単位)を計測できるシステムが不可欠である。計測のコアとなる高精度3次元計測技術は,自然光を使うパッシブステレオ計測に属し,今回の計測目的を最も効率的に満たす計測手段である。

1.計測システムを作製して,計測ターゲットの高精度計測を実施する

 高精度計測技術を生かして,計測距離50mにて計測誤差1mmの屋外での3次元座標計測システムを作成する。計測ターゲットは,a)「由比」ブロック移動量,b)「大谷崩」砂礫の堆積量とする。

2.計測結果と土砂災害の関係を求め,警戒情報を取得する

 ブロック・砂礫堆積量等の変化について,通常の動きと土砂災害での動きとの違いを見つける。例えば,複数の計測対象が同じ方向に動く/その動く速度に特徴がある/雨量との関連,その他について調べる。最終的に,これらの変化と土砂災害の関係,すなわち警戒情報を明らかにする。

3.研究者に向けて,計測結果を土砂災害研究の基本データとして公開する

 これまでに得られていない高精度な3次元計測データの公開により,多くの研究者の知見を得ることができ研究の進展を加速できる。また,計測結果の公共性が高いこと,および,本研究を早期に実現する必要があることから公開を実施する。計測結果の公開および研究者の議論から計測結果と土砂災害の関係(警戒情報)を求めるために,竹林の技術を活用する。

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