多重光源陰影と斜照法疑似陰影による地形表現に関わる研究 ─ 武蔵野台地における例 ─鈴木 敬子・石川 剛（株式会社東京地図研究社）

1．はじめに影である。斜照法陰影は、地図の下辺に対して2000年以降、 航 空レーザー測量の台頭と左上かつ45度の俯角で単一の光源を設定し、GISの普及により、高密度かつ高精度の標高右下に明度の低い陰影を生成すると、最も自然データ（DEM）を解析することでさまざまな地な立体感が得られるとされる（図1）１）。逆に光形量が得られるようになってきた。特に最近の源を右下に配置すると、本来の地形と凹凸が逆GISアプリケーションソフトでは等高線のほか、転して認識されてしまう場合が多い。

標高段彩、陰影起伏など複数の地形表現を作

もう1つの方法が、地形の真上、つまり垂直成することも可能で、容易に地形の三次元形態に光源を設定する直照法（式）陰影である。斜を把握できるようになってきた。

照法陰影より立体感は弱くなるが、起伏を持つ等高線は長らく用いられてきた手法だが、読部分には陰影が生成されるため、微地形を逃図にはある程度の知識やテクニックが必要とささず表現することが可能である（図2）。しかしれる。一方、陰影起伏は直感的に地形を理解ながら、斜照法も直照法も光源に直面する光輝しやすく、主題とオーバーレイさせることで地形側の明度は白、その対になる暗影側の明度はとの関係性も視認できるため、等高線や標高黒となるため、様々な手法を用いても表現しき段彩と併用する事例も少なくない。

れない部分が生じる。また、小さな起伏を強陰影起伏は、地形に照射した仮想的な光源調するため高さ方向の倍率を上げると、一定以から生じる陰影の明度により、土地の起伏を視上の起伏を持つ地形が不自然に表現されてしま覚化する地形表現方法である。光源には特定う。このように、陰影起伏には特定方位への光の方位と俯角（高度）があり、この設定により源依存性があることが最大の欠点であった。

立体感が変化する。光源方位と俯角の設定にこれらの課題を補うため、国内の航空測量は大きく分けて2通りの方法があり、その1つがや地質コンサルタント企業を中心に、各種地形光源に方位角と俯角を持たせる斜照法（式）陰量を直照法陰影に見立てた新しい地形表現が

図1

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先端測量技術 109号

左上光源（左図）と右下光源（右図）による斜照法陰影起伏

そこで本研究では、斜照法による陰影起伏の拡張型として、①光源による方位依存性を緩和しながら、②微地形の視認性を向上し、さらに③一般的な地図の背景図として有効な、新しい地形表現の開発を目指すこととした。
2．陰影画像の作成方法
2.1

多重光源陰影

まず、陰影起伏の最大の課題である光源方
図2

直照法による陰影起伏

位依存性を緩和するため、方位と明度の異なる複数の陰影を合成する方法を試みた。その結２）

いくつか考案されている 。一方、斜照法陰影

果、画像の左側、上方、右側に光源を持つ3つは手描きによる「ぼかし」の時代から現在に至の陰影をそれぞれ色の三原色CMYの濃度で彩３）るまで長きにわたり研究が続いており 、1990

色し、これらを合成（乗算処理）した上でグレー

年代以降は欧米を中心にGISによる描画法の研スケール変換する方法を考案した（図3）５）６）。

究が増加し、主に山地を対象とした研究が多くこの手法では、上方からの陰影の明度を最４）提出されてきた 。しかし、日本の国土は温暖も低く、右側からの陰影を最も明るく、左側か湿潤帯かつ地殻変動の活発な地域に位置し、らの陰影はその中間程度にすることで、他方向低地から山地まで大小の地形が狭い範囲に凝の陰影を補いながら、左上単光源による陰影縮されており、山地に特化した表現手法をそのに近い状態を再現できる。左右からの光源によまま適応するのは相応しくないと考えられる。

る二重の陰影は地形全体に陰影を生成し、上こうした山麓や低地の微地形を表現するため、方の光源による陰影は自然な立体感と微地形

斜照法陰影の改良が試みられた研究はほぼ見を強調するために用いられる。

られない。

図3

多重光源陰影起伏画像の生成５）６）

35

2.2

斜照法疑似陰影

ションで表現すると、地形の規模に応じた陰影

DEMの解析から求められる傾斜度（率）、曲に見立てることができる（図5）。起伏量を疑似率、開度などの地形量は、グレースケールに置陰影として用いることで、緩斜面にある小さな換して疑似的な陰影に見立てることで起伏に応起伏にも陰影が生成されることから、疑似的なじた陰影が得られるため、地形を立体的に表現陰影として有効な地形量であると判断した。

するには有効な手法である。そこで本研究では、上方光源の陰影の代替として、上方光源によっ2.3陰影画像の合成て陰影が生成される下方斜面に疑似的な陰影と多重光源と斜照法疑似陰影との合成画像は、して適切な地形量を割り当てることで、自然な図6の手順で作成した。手順は、多重光源陰影立体感を維持しながら微地形の判読性をさらに起伏画像の作成と疑似陰影画像の作成、両者向上させることができるのではないかと考えた。

合成の3段階に大きく分けられる。なお、図6の既存手法において疑似陰影として用いられる方位数値は、画像下辺の方位を南とした場合の地形量は、いずれも地形の傾きや空間的広がり値である。

を表す指数である。これらの地形量の単位は

図6の「多重光源陰影起伏画像」は、2種類角度等であるために上限と下限が存在し、そのの光源による陰影起伏画像を作成する処理に範囲で陰影の明暗を決めることになる。一方、あたる。まず「陰影起伏画像E」として、光源上限が存在しない地形量として起伏量がある。

方位90度（真東）の陰影起伏を作成する（図3

起伏量は単位面積あたりの土地の起伏を表す左上）。これは右側に光源を設定し、左側の斜指標で、その単位は標高値と同じである。地形面に陰影を生成した画像である。もう一つの「陰学では一般的な地形解析法として知られ、地影起伏画像W」は、光源方位270度（真西）、つ形図を使った方眼法や谷埋め法があるが、GISまり左側に光源を設定し、右側の斜面に陰影をではDEMの近傍解析と式（1）により求めるこ生成する画像である（図3左下）。
一般的な陰影起伏画像は、DEMから陰影起とができる（図4）。

伏値［HS］を求めることで作成される。そのア
起伏量 = 接峰面 − 接谷面…（1）

ルゴリズムは複数存在し各種のGISエンジンに内 蔵 されて い る が、 本 研 究 で はEsri社 製

このように求めた起伏量は、その値が大きくなるにつれ明度が低くなるような単色のグラデー

図436

起伏量画像

先端測量技術 109号

ArcGISに搭載されているアルゴリズム（式（2））を使用した。

図5

単色で表現した起伏量画像

図6

作成フロー（画像下辺が南の場合）

HS = 255.0 ×｛cos（Ze）×cos（Sl）｝+｛sin（Ze）

伏画像を作成する処理コマンドでは光源方位、

× sin（Sl）× cos（Az − As）｝ …（2）俯角、標高強調倍率等のパラメーターを任意に設定することが可能である。

HS：陰 影 起 伏 値、Ze：光 源 方位［Rad］、Sl：

図6の「疑似陰影画像」は、GISの方位クラ傾斜角［Rad］、Az：光源俯角［Rad］、As：傾スタリング解析によりDEMから斜面方位を算出斜方位［Rad］して生成する。これは本手法の疑似陰影が上方光源による陰影を代替するものであることか

式（2）では、DEMから光源方位と俯角からら、疑似陰影を下方斜面のみに生成するために傾斜角と傾斜方向を計算し、そこに0 〜 255ま行う処理である。画像下辺が南の場合、下方

７）での値が割り振られる 。それを陰影の明度値

斜面にあたる方位は90 〜 270度となり、この方として、単色グラデーションで表現したものが位の斜面のみを抽出した画像を作成する（図7）。

陰影起伏画像である。なお、ArcGISで陰影起「起伏量画像」も、GISの近傍解析により「接図7

下方斜面

図8

斜照法疑似陰影画像

37

峰面画像」と「接谷面画像」を作成し、その標高100m程度で定高性のある多摩・狭山丘陵差分として求める（図5）。そして、この起伏量などの丘陵地、標高100m以下で比較的勾配のの値を下方斜面に割り当てた後に単色グラデーある段丘、山地を侵食する谷底低地や多摩川ションで表現し、斜照法疑似陰影画像を作成

沿いに続く扇状地性の氾濫原低地、さらに大する（図8）。

規模な盛土や切土を行った人工平坦地など多様

上記のように作成した各画像を、2.1で述べたな地形が分布する。加えて都市域の一角でもあ

多重光源陰影起伏の作成手法と同様に、光源にり、こうした地形を基盤に交通システムや社会よる陰影起伏にはシアン（左側光源）とイエローインフラが整備され、住宅地、工業用地、農（右側光源）を、疑似陰影はマゼンタの各色を地など多様な土地利用もみられることから、考割り当てて彩色し、後に合成（乗算処理）してグ案した手法の妥当性を評価するのに相応しいとレースケールに変換している。

考えられる。

3．武蔵野台地西部における事例

3.2

3.1

対象地域の概要

データソースと光源設定

本図で使用したDEMは、国土地理院が提供多重光源陰影と斜照法疑似陰影とを合成しする基盤地図情報標高モデル（5mメッシュ）でた新しい陰影起伏図における、地形表現およある。地図の下辺が 南、上辺が北にあたり、び地図の背景図としての適性を検証するため、真西からと真東からそれぞれ俯角60度で設定

実在する地域を対象に本手法による画像を試した光源による陰影と、南側斜面に対して生成作した。対象地域は、山地から低地までの地した起伏量による斜照法疑似陰影とを合成し形種があらゆる方位に発達し、自然地形と大規た。なお、標高値は3倍に強調している。

模な人工地形が存在すること、さらに地形を基盤とした都市が発達すること等を条件に検討

3.3

地形表現

し、東京西部に広がる武蔵野台地西部とした。

対象地域において作成した多重光源・斜照

本地域には、標高300 〜 1000m程度の山地、法疑似陰影図を図9に示す。本手法の適応によ

図938

先端測量技術 109号

武蔵野台地西部おける多重光源・斜照法疑似陰影起伏図

図10

多重光源・斜照法疑似陰影段彩図

図11 主題との重ね合わせの例

り、山地から低地まであらゆる方位に発達するである。まず、陰影にカラー標高段彩を合成し、自然地形、人工地形が表現できるようになった。

陰影段彩図にしたものを図10に示す。陰影起

また、段丘面や低地など平坦面の小さな起伏も伏図は絶対的な標高が把握できないが、カラー表現され、山地斜面の大きな起伏が連続する

標高段彩を合成することで絶対標高や標高分地域においても暗影側が過度に低明度になるこ布の空間的広がりが認識しやすくなる。となく判読できる。

続いて、人工的な地物情報として鉄道、主要道路、住宅、地名情報を重ね、一般的に目に3.4空間情報との合成する地図と近い状態で作成した（図11）。このよ

本手法による地形表現は、原則としてグレー

うに陰影段彩図に他の地図情報を重ねても、本スケールによる陰影起伏図を最終形とするた手法では違和感なく鉄道や道路のルート、河川め、彩色した空間情報を重畳させることも可能

や用水路と地形との関係を把握しやすくなる。

39

図12

本手法と従来の手法との比較

4．考察
4.1

従来の手法との比較

4.2

地図の背景としての有効性

本研究では地形表現が満たすべき条件の一本手法と従来手法（単光源）の比較のため、つに、一般的な地図の背景図としても違和感な同一のDEM（標高値3倍強調）から各表現法く適合することを掲げている。図10で示したよで作成した立川市周辺のサンプルが図12であうに自然で見やすい地形表現であるため、地形る。図12（1）は一般的な設定の単光源陰影起を生かした都市インフラや人工的改変の様子を伏図（光源方位：北西、俯角：45度）、図12（2）俯瞰的に把握することも容易で、背景図としては多重光源陰影起伏図（光源方位：真西・真東・も十分有効活用できると考えられる。

真 北の3方向、俯 角：60度）、そして図12（3）が本手法による地形表現である。

今回、手法の検証対象とした東京西部には、山地−丘陵地−台地−低地の自然地形とそれら本地域には、段丘面上に北西−南東方向にを改変した人工地形が発達し、そこに都市域発達する比高2 〜 5mの小崖が形成されている。

が広がっている。日本の多くの市街地も似たよ

この地形は単光源では光輝側となって判別がしうな状況であることから、本手法を適応するこにくくなる（図12A）。これに比べて多重光源陰とで同様な結果が得られるものと推測される。

影起伏図では小崖が視認できるようになり、本ただし、光源のみの陰影を合成した図3と比べ手法ではさらに明瞭に表現されている（図12A’、ると全体的にややグレーがかってしまう傾向がA’’）。また、本地域には複数の段丘崖が発達あり、微地形がノイズと捉えられる可能性は否するが（図12B-B’-B’’）、こうした小崖群も単光定できない。

源陰影起伏では表現されにくいものの、本手法では判読可能である。このほか段丘面上の若干の盛土など、従来手法では表現しきれなかった地形を確実に把握できることが分かる。

40先端測量技術 109号

5．まとめおよび今後の課題
本手法により、従来の単光源陰影による最大の欠点であった光源方位依存性を多重光源を用いることで緩和し、さらに疑似的な斜照法陰■参考文献

影によって微地形の視認性も改善できた。また、

１）日本国際地図学会：『地図学用語辞典』、

過度な標高値の強調をせずに自然な印象を維

日本国際地図学会 地図用語専門部会 編持しているため、他の空間情報と重ね合わせて集、技術堂出版社、1985.

も読図に必要な情報を妨げることはない。よっ２）（公財）日本測量調査技術協会：『航空レーて印刷物をはじめ、防災、教育、観光など一ザー測量による災害対策事例集』、空中計

般的な地図の背景として十分に有効であると考測・マッピング部会 レーザワーキング監修、えられる。

（公財）日本測量調査技術協会、pp.31-45、

一方、従来手法ではなかった部分にも陰影2013.

が多数生成されるため、画像全体の明度は光３）Eduard Imhof：Cartographic Relief

源のみの場合に比べるとやや落ちる。こうしたRepresentation., ESRI Press, 2007.

微地形を表現するための陰影がノイジーに感じ

４）Fabio Veronesi and Lorenz Hurni：Aられる場合、光源のみで生成した多重光源陰GIS tool to increase the visual quality of

影図のほうが地形の概略や主題を視認しやす

relief shading bu automatically changing

い。このように、地図の目的や縮尺によって複the light direction . , C omputers &数の手法を使い分けることも可能である。

Geosciences, 74, pp.121-127, 2015.

なお、本手法では各種パラメーターの固定化

５）石川 剛・鈴木敬子：多重光源を用いた陰やGIS処理を一部定型化しているものの、完成

影段彩図. 月刊「測量」12月号、pp.22-23、までに複数の作業ステップを踏む必要があり、2014.

従来の手法より若干の労力を要する。また、山

６）石川 剛・鈴木敬子：多重光源陰影段彩図

地部では明度が低くなりやすいため、疑似陰影とその応用. 日本地図学会 平成27年度定の改善や合成法の効率化が課題事項である。

期大会、2015.

今後もUAV測量のような高密度DEMで得ら

７）Esri：How Hillshade works.

れる極小地形や、地勢図や地方図レベルの小〈http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/

縮尺図などの作成事例を積み重ね、DEMのポ

10.3/tools/spatial-analyst-toolbox/how-テンシャルを一層引き出せるような改良を進めhillshade-works.htm〉, 2017たいと考えている。
■執筆者【付記】本稿は日本地球惑星科学連合2016年

鈴木 敬子（すずき けいこ）大会（2016年5月）、第39回測量調査技術発表

株式会社東京地図研究社

会（2017年6月）および日本地図学会平成29年

企画開発室度定期大会（2017年8月）において発表した内容に、改良と検討を加えたものである。また、（共著者）

本手法は2017年5月に特許を取得した（特許第石川 剛（いしかわ ごう）6145196号）。

株式会社東京地図研究社

取締役

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