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第 111 回「土の勉強会」-第Ⅱ部

三次元仮想空間映像による三次元地盤モデルの表現－『地質と調査 2018年1号』基礎技術講座より－
1. はじめに
2. 3DCGによる三次元地盤モデルの表現
3. 三次元地盤モデルの表現例
3.1 テクスチャモデル
3.2 ボーリングモデルと準三次元断面図
3.3 境界面モデル
3.5 杭の打設状況イメージ
3.6 疑似ソリッドモデル
3.7 円筒モデル
4. おわりに
特定非営利活動法人 地質情報整備活用機構
中田 文雄

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1. はじめに【最近の話題】☆2017年12月：シンポジウム「-海洋資源調査産業の創出に向けて-」のパネルディスカッション。

三次元音波探査などの成果を3DVR(Virtual Reality：仮想現実)ゴーグルを使用して，三次元仮想空間映像で表現するプレゼンテーションが実施された。
☆2017年3月：国土交通省は『CIM導入ガイドライン(案)』を公開。
同案には，一次元，準三次元と三次元の各地盤モデルの定義ほかが掲載されている。
☆2016年11月：全地連・JACICは『三次元地盤モデル作成の手引き』A)を公開。

A)：(一社)全国地質調査業協会連合会・(一社)日本建設情報総合センター：2016年11月，
https://www.zenchiren.or.jp/geocenter/guide/sanjigen.pdf

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三次元地盤モデルに対する演者の認識と講演の内容☆3DCADで作成される構造物の三次元形状★部品メーカーなどから提供された実寸値に基づいているため，極めて正確な位置情報を持っている。
☆三次元地盤モデル★ボーリングなどの点群データを入力値とし，コンピュータ演算によって推定された地層境界面モデルが基本であり，結果的に位置情報の精度は(必ずしも)高くない。
★三次元地盤モデルの形状(寸法)に対して，詳細設計に直接利用する精度を期待することは当面無理。
★三次元地盤モデルは立体パース的な利用方法が最適であろう。
【講演の内容】☆3DCG(Computer Graphics)技術を用いて，三次元地盤モデルをウェブブラウザの 3DVR 内に立体映像として表現する方法と，数種類の映像例を紹介したい。

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三次元地盤モデルの種類
出典A

モデル名称

特記事項

一次元地盤モデル
ボーリングモデル

ボーリング柱状図から層序等を抽出したモデル

準三次元地盤モデル
テクスチャモデル

三次元地形表面に地質平面図などを貼り付けたモデル

準三次元断面図

従来手法の地質断面図に空間情報を付与したモデル

三次元地盤モデル
サーフェスモデル
ソリッドモデル

地層あるいは物性値層による境界モデル

ボクセルモデル

属性データを，ボックスセルと接点のいずれかに付与

柱状体モデル

平面的にはセル，深さ方向は地層境界であるモデル

パネルダイアグラム

三次元地盤モデルから作成された任意の断(平)面図☆三次元の位置情報を持つ地盤モデルを「三次元地盤モデル」と呼ぶ(全地連見解)。
☆各地盤モデルは，客観的データ(事実データ)に基づいて， 地質技術者等が解釈や解析して作成したイメージモデルである(推定情報)。

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三次元地盤モデルの見本☆ボーリングモデルと準三次元断面図の見本

出典A☆テクスチャモデル(準三次元地質平面図等)の見本

出典A(左)国土地理院色別標高図(中)産総研シームレス地質図(右)国土地理院国土基本図

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三次元地盤モデルの見本
出典A7

三次元地盤モデルのデータ構成
出典A
出典A

共通ID
出典A

種類

内

容

管理データ

・形状データと属性データの双方を管理するために使用する。
・形状データと属性データを関連づけるための「共通ID」を使用する。
・地盤情報データベースを構築する際は，検索用キーワードとして使用する。

形状データ

・三次元地盤情報の形(形状)を再現できる三次元座標値を持つ。
・座標系は，CAD内のローカル座標系では無く「平面直角座標系」とする。
・高さは「標高(T.P.)」とする。
・属性情報と関連づけるためのIDを付与する。

属性データ

・個々の形状データの属性を保存する。属性の例は，「地層・岩体区分」，「岩級区分」，「土質区分」，「地盤強度」や「弾性波速度」などである。
・形状データと関連づけるためのIDを付与する。

2. 3DCGによる三次元地盤モデルの表現☆WebGL・コンピュータのウェブブラウザで，3DCGを表現するための標準的な規格。
・最新のPC(のOS：Windows etc)には装備済み。
・主として，テクスチャモデルの表現が得意。
☆VRML(Virtual Reality Modeling Language：仮想現実モデリング言語)
・テキスト文字のみで，三次元表現できるように設計されたファイルフォーマット。
・VRMLをブラウザで三次元的に表現するためには，プラグインツールをインストールする必要がある。
・かなり質感の良い三次元仮想映像を表現できる。
・透明を持つ壁面の取り扱いが可能。
・設計が古いため，インストールできるブラウザが少なくなった。

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3.1 テクスチャモデルの表現例

テクスチャモデル：
三次元地形表面(ワイヤーフレーム)に地質平面図などを貼り付けたモデル。
・地形データ：国土地理院の「標高取得API」を利用すると便利。
⇒全地連「三次元地盤モデル作成支援サイト」に標高取得APIを利用した専用サイトが開設されている。
https://geonews.zenchiren.or.jp/
cim3d/geomodeller/index.html

3.1 テクスチャモデルの表現例

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http://www.gsi.go.jp/BOUSAI/
H27-kumamoto-earthquake-index.html

https://www.web-gis.jp/3D_GeoModel_Demo/Texture-Model/Texture-Model.wrl

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3.2 ボーリングモデルと準三次元断面図の表示例

ボーリングモデル：・ボーリング柱状図から層序等を抽出した「円柱モデル」。
・遠近法を利用するため，複雑な絵柄は使用せず，色の違いだけで地質を表現する。
⇒色コードを地質記号(名称)などに対比させると良い。

出典A

ボーリングモデル：
演者等の新造語
出典A

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3.2 ボーリングモデルと準三次元断面図の表示例
出典A

出典A
準三次元断面図：
従来手法の地質断面図に空間情報を付与したモデル。
出典A

準三次元断面図の表現例

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準三次元断面図のメリットと表現例
河川堤防調査結果の例

出典A

出典A

利用者から要望があって作成したモデルではない断層(数値モデル)

本図のメリット：・断面図交点の調和性を確認できる。
⇒二つの断面図が調和していない。

トンネル観察結果
出典A

トンネル調査結果の例

3.3 境界面モデルの表示例
境界面モデル：従来から「サーフェスモデル」と呼ばれている。
※CG用語では，サーフェスは表面形状を指すので，あえて使用しない。
☆境界面モデルは，地層などの境界面のワイヤーフレームモデルに，地層・岩体区分などの属性を持つテクスチャを貼り付けたモデル。
☆ワイヤーフレームの位置情報(X，Y，Z)のうち，標高(Z)はスプライン関数など，面の形状を推定する数式を利用して推定された推測値。

境界面モデルの例

1415境界面モデルの特長

・地層などの境界面をメッシュやTINで表現する基本的なモデル。
・境界面を重ねると，下位の面は全く見えなくなる。
⇒二次利用可能なデータとしては満足であっても，視認性に劣り使いにくい。

境界面モデル作成が難しい地質構造の例

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出典A

・3D-CADで直接描画するしかない。

① 複雑な値層構造の例： 複雑な地層を区分して境界面を推定するためには，極めて多くのボーリングや横坑掘削・観察などが必要。 ⇒ コスト的に現実的ではないだろう。
② 閉じた空間の例： 閉鎖空間の二次元形状そのものが，地質やダム技術者の推定したモデル。
⇒ これを三次元に拡張するには，直交断面の調査などが必要である。
③ 指交関係(インターフィンガー)： 同時期に堆積した2種類の地層が，左右の手の指を重ね合わせたようになっている。 ⇒ 地層境界面の数学モデル自体の作成が困難である。
④ ブロック状構造： 矢印の物理探査結果からサーフェスモデルを作成するのは困難。
⇒ 三次元物理探査結果から，直接ボクセルモデルなどを作成すべき。

173.4 パネルダイアグラムの表示例
パネルダイアグラム：三次元地盤モデルから作成された任意の断(平)面図。
☆前述した「準三次元断面図」とは，コンテンツを求めた手段が違うだ
けで，使用する三次元座標系は全く同じ。
☆CTやMRIの断層映像 と同じ仕組み。
準三次元断面図

パネルダイアグラム

準三次元断面図(上)とパネルダイアグラム(下)3.4 パネルダイアグラムの表示例

パネルダイアグラムと準三次元断面図との最大の違いは，前者が再利用可能な「データ」であること。 ⇒詳細は後述。

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3.5 杭の打設状況をイメージした例

・複層の境界面モデルでは，下位の面や構造物は見えなくなる。
⇒二次利用可能なデータとしては満足であっても，視認性に劣り使いにくい。

境界面モデル

境界面モデル＋パネルダイアグラム

パネルダイアグラム☆境界面モデルは，そのまま完成品として表現するよりも，二次利用可能なデータとして使用する方が良いと思う。
［パネルダイアグラムや，ボクセルモデルの情報資源として利用する。］

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3.6 疑似ソリッドモデルの表現例
疑似ソリッドモデル：
・表示範囲をパネルダイアグ
ラムで囲ったモデル。
・中身(境界間の属性値)を持たないイメージモデル。
⇒地質断面図を見慣れた目では，境界モデルよりも視認性が良く，地層構造も理解しやすい。

疑似ソリッドモデル：
演者等の新造語

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3.7 円筒(投影)モデルによる地下空洞の表現例

円筒投影あり円筒(投影)モデル：
・水平360度展開画像をテクスチャとするモデル。
・円筒投影はそれを可視化するための投影法である。
・本来は，正距円筒図法(360度パノラマ画像)がベストであるが，撮影には特殊なカメラが必要となる。
［Google Street View］
しらすに掘削された
特殊地下壕

円筒投影なし3.7 円筒(投影)モデルによる地層の表現例

円筒投影画像を外側から見る

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円筒投影画像を内側から見る・観察者は，円筒の中心に位置して円筒の内側に投影される「左右反転画像」を観察する。

円筒投影画像を内側から見る

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様々な 投影法による地層の表現例

・ボアホールカメラによる孔壁の360度水平展開画像を「円筒投影」した例。
・孔壁画像をが，丸みを帯びたコア写真のように見える。

・パネルダイアグラムを内側から眺めた例(通常の投影法)。
・人工的に作り出した擬似空洞。

【参考】標高データの自動取得について

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・メッシュデータとして取得できるウェブサイト。
・利用は，地層境界モデルの地表面の形状データ。
・アクセス先：CIMに対応するための地盤情報共有基盤開発
URL:https://geonews.zenchiren.or.jp/
cim3d/index.html

・地形断面データとして取得できるウェブサイト。
・利用は，地質断面図作成など。
・アクセス先：電子納品支援，二次利用支援システム
URL:https://www.web-gis.jp/
NouhinCheck/index.html
いずれも，国土地理院の標高取得APIを利用している。