技術資料

地震により発生した裸地斜面におけるUAV-SfM測量を用いた土砂動態解析
平田智道

村上泰啓

水垣滋

巖倉啓子

UAV-SfM測量で作成した2021年の3次元地形モデルの１．はじめに精度検証を行ったうえで、そのデータと2018年に実施
2018年9月6日に発生した北海道胆振東部地震では、されたLP測量データを用いた2時期の標高差分解析に厚真川流域を中心に広域にわたって多数の斜面崩壊がよって崩壊裸地斜面からの流出土砂量を推定した。さ生じた。一般的に斜面崩壊により、大量の不安定土砂らに、崩壊斜面に設置したインターバルカメラから植が生産されると、その後、長期間にわたって流域の土生の変遷を観測し、地震後の土砂流出との関係性を検

砂動態に影響を及ぼす可能性がある 。崩壊裸地斜面討した結果も併せて報告する。

1)

では降雨に伴って表面流が発生し、土砂の運搬が確認されているほか、冬期の融雪や積雪のグライドによっ２．方法てガリー侵食や面的侵食が生じ、下流へ土砂が流出することが報告されている2) 3)。厚真川水系東和川流域
における流砂水文観測結果によると

4) 5)、震災から1～2年後も出水時に高濃度の濁水の発生が観測され、今

２．１

研究対象地

研究対象地は厚真川水系東和川流域に位置する崩壊裸地斜面（42.73°N, 141.93°E）である（図－1）。

後も山地からの土砂や濁水の流出の影響が長期化することが懸念される。
一方、崩壊後の裸地斜面では、時間とともに表層土壌が安定化し、徐々に植生が回復する場合がある。植生の存在は、地表面への雨滴衝撃を緩和するほか、地対象地表面粗度を増加させるため、裸地斜面に比べて浸透能厚真川流域が高くなり、表面侵食を抑制する効果がある6)。崩壊

表層崩壊箇所

東和川流域

2018.9.16

跡地の植生回復の進み方は斜面の地形・地質、気候条件、および周辺の植生環境等の影響を受けるため 7)、
植生回復による表面侵食の抑制のされ方は、個々の斜面の条件によって異なる。
このため、崩壊裸地斜面における土砂動態の推移を把握することは、山地流域からの土砂流出や濁水が2021.6.11

図－1

厚真川水系東和川流域における崩壊裸地斜面（背景地図はArc GISの地形図を使用）下流に及ぼす影響を検討するうえで、重要な基礎資料となる。本研究では、地震後3年間の崩壊裸地斜面における土砂動態を把握することを目的とし、2018年と2021年の測量データを用いた標高差分解析によって地形変化量から流出土砂量を推定した。2021年

SlopeAの測量データには、崩壊発生後のガリー侵食等によSlopeBる数十cmの地形変化を把握できる精度が必要となる。そこで、近年急速に発展・普及している無人航空機（Unmannned Aerial Vehicle：UAV）と、物体の3CPGCP次元モデルを作成する画像処理技術（Structure fromMotion：SfM)を組み合わせたUAV-SfM測量による高精細な3次元地形モデルの作成を行った。ここでは、
28

図－2

GNSS測量箇所とSlope AおよびSlope B
寒地土木研究所月報№835

2022年９月

東和川流域では地震により流域面積の35.6%で斜面台湾）を設置し、2018年12月から2021年12月まで継崩壊が発生し、谷底平野に膨大な土砂が堆積した 。

続して植生モニタリングを実施した。設置地点は、

UAV-SfM解析の対象斜面は図－2に示すSlope AとSlope Bの東側に隣接する斜面稜線部付近である。

Slope Bとした。Slope Aは平均勾配28.7°、面積は約2018年・2019年・2020年・2021年の各年の撮影画像を7,900m で斜面中央に窪みのある谷型の形状を有す。

比較し、斜面崩壊後の植生変遷について検討した。

2)

2

一方、Slope Bは平均勾配24.1°、面積は約10,300m で
2

比較的起伏は少ない平滑な斜面形状であった。斜面方

２．３

数値地形解析

2021年の測量データを取得するため、UAVの撮影位はどちらも南向きである。

データとGNSS測量値を用いて、SfM解析を行った。
２．２

使用したSfM解析ソフトウェアはAgisoft Metashape

現地調査

UAVによる空撮は、2021年10月8日に実施した。使Professional 1.7.2である。ソフトウェアの一般的な使用機体はAutel EVO Ⅱ pro6K (Autel Robotics, 米国)

用方法に従い、写真のアライメント（画像間の特徴である（写真－1）。本機体は電子シャッター式の光学点を抽出し、写真撮影位置を推定する処理）を行い、カメラを搭載しており、オーバーラップ率80%、サイGCPの座標値を付加した。通常、写真測量では撮影レ

ドラップ率80%、高度120mの自律飛行により画像撮ンズの歪みの影響で、作成した3次元地形モデルには影を行った。

推定誤差が含まれるため、レンズの自動キャリブレー

SfM解析において3次元地形モデルに位置情報を付ション機能によって、カメラパラメーターを調整し、加するために、斜面上部2か所と斜面下部の3か所に地レンズの歪みを補正した後、点群データを出力した。

上基準点（Ground Control Point：GCP）を設置した（図3次元地形モデルの精度検証は二乗平均平方根誤差－2）。さらに、撮影データとGCPの位置情報から構築（Root Mean Square Error：RMSE）を用いた。GCP

した3次元地形モデルの位置精度の検証のため、精度とCPの各地点のモデルによる推定値とGNSS測量値検証点（Check Point：CP）を3か所に設置した（図－2）。

からRMSEを算出し、モデルの再現性を確認した。次GCPとCPの座標値（x, y, z）を取得するために、点群データをもとに、数値表層モデル（Digitalに、各地点でGNSS測量を行った。GNSS受信機はSurface Model：DSM）を作成した（以下、2021年

Chronosphere-L6 Ⅱ（株式会社コア、日本）を使DSM）。

用し、測位方式はCLAS方式（Centimeter Level

2018年の地震直後の測量データには、2018年9月にAugmentation Service）を使用した（写真－1）。

国土交通省北海道開発局で実施された厚真川流域の航CLAS方式では準天頂衛星システムみちびき（QZSS）

空レーザー測量のデータを用いた。地形変化量を精密の発信するL6信号をGNSS受信機で直接受信することに把握するため、航空レーザー測量の点群データの位で、電波の届きにくい山間地でも受信機1台で運用で置情報を補正した。位置情報の補正には、オープンきる測位方式である。CLAS方式の測位精度は水平座

ソースの点群編集ソフトウェアCloud Compare v.2.12

標で1.8cm、垂直座標で4.2cm（いずれも二乗平均平を用いた。ソフトウェア上でICP（Iterative Closest

方根（RMS）による精度評価の事例）である 。

Point）法9)によって、UAV-SfM測量の点群データと8)

地震後の崩壊裸地斜面における植生の変遷を把握す重ね合わせ、LP測量の点群データの位置補正を行っるために、タイムラプスカメラ（TLC200pro Brinno,た。最後に、LP測量の点群データを50cm/pixelの数値標高モデル（Digital Elevation Model： DEM）に変換し（以下、2018年DEM）、2021年DSMとの標高差分解析を行った。地形変化量 (m) は、2021年DSMから2018年DEMを差し引くことで算出し、正を堆積、負を侵食として評価した。
３．結果

写真－1

 ローン機体（Autel EVO Ⅱ pro6K）およびCLAS
ド方式によるGNSS測量

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2022年９月

３．１

3次元地形モデルの精度検証

UAV-SfMによって作成した3次元地形モデルの精度
29検証のため、GCPとCPのモデル推定値とGNSS測量値から、それぞれのRMSE値を計算した結果を図－3に示す。GCPのRMSE値は水平座標で0.5cm、鉛直座標で0.3cmであり、3次元座標では0.6cmとなった。CPのRMSE値を見ると、水平座標で4.2cm、鉛直座標で4.5cm、3次元座標では6.1cmとなった。各CP間でRMSEにはバラツキがあるが、いずれの地点でもRMSEは10cm未満であった。本結果から、3次元地形モデルの地形面は誤差10cm程度の精度を有していると言える。
これまで、高密度かつ高精度な標高データの取得方法

SlopeAとして、航空レーザー測量や地上レーザー測量が一SlopeB

般に用いられてきた 。航空レーザー測量の鉛直誤差
10)は一般に数十cm内とされており、地上レーザー測量の精度は数mm～数十cmと言われている11)。よって、
UAV-SfM測量の精度は、従来の測量技術と同等かそれ以上であり、侵食作用による数十cmの地形変化を把握するうえで、十分な精度と判断した。
次に、3次元地形モデルからDSMを作成し、斜面侵食箇所のモデルの再現結果を確認した（図－4）。点群データをもとに、4.5cm/pixelのDSMが出力された。
ガリー内部が明瞭に撮影できたデータを使用したため、図－4を見ると、斜面下部の深いガリーが生じた箇所における点群データもほとんど出力され、ガリー内部におけるDSMにも欠損は生じていないことが分かる。
SlopeA拡大図

10

図－4

GCP

RMSE (cm)8

U AV-SfM測量により作成した点群データ(上)とDSM（下の図3点）6420
水平座標(x,y)10

鉛直座標(z)

3次元座標(x,y,z)

2021年DSM －2018年DEM(m)< -1.0-1.0~ -0.5

CP-0.5 ~ -0.3

8RMSE (cm)

SlopeB拡大図-0.3 ~ -0.1

6-0.1 ~ 0.1

40.3 ~ 0.5

0.1 ~ 0.3
0.5 ~ 1.020
水平座標(x,y)

図－330

鉛直座標(z)

3次元座標(x,y,z)

3次元地形モデルの精度検証

図－5

2時期の標高差分解析結果
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2022年９月

３．２

４．考察

地震後3年間の地形変化の特徴

2018年DEMと2021年DSMの標高差分解析によって、地震後3年間の地形変化量を求め、斜面侵食状況

４．１

崩壊裸地斜面の流出土砂量の比較を調べた（図－5）。標高差分解析では、崩壊裸地斜面

Slope AとSlope Bの流出土砂量は94,049m 3/km 2/の既往研究を参考3)にメッシュサイズを10cmに設定しyr、79,786m3/km2/yrとなった。ここでは、本研究のた。Slope Aでは、斜面下部の中心部に深さ1.5mの侵推定値（Slope A・Slope B）と東和地区の崩壊裸地斜食が見られ、ガリー幅は最大で2.4mであった。斜面中面を対象にした既往研究12)の年間流出土砂量を比較す

央部～斜面上部には、幅が約0.3m～0.4mの細いリル・る。既往研究の解析結果（解析期間：2018年9月11日

ガリーが複数形成され、澪筋に沿って一か所に合流し、～2020年3月24日）に基づき、地形変化量から流出土斜面中心部の深さ1m以上の深いガリーを形成してい砂量を算出したところ、流出土砂量は36,998m3/km2/ることが分かる。

yrと推定された。

Slope Bの斜面下部では、深さ1.5m～1.6mの侵食が既往研究の流出土砂量は、本研究とオーダーは同程見られ、ガリー幅は約2.0m～2.2mであった。斜面中度であるが、Slope AおよびSlope Bよりも少ないこと

央部～斜面上部には、幅が約0.3m～0.4mの細いガリが分かる。これは、既往研究の崩壊面積がSlope Aおーが複数形成されるが、Slope Aと比べ、斜面中心部

よびSlope Bの約2割～3割程度であり、集水面積も小でのガリーの合流箇所は少なかった。

さいため、斜面スケールで見ると、表面流量が小さく崩壊裸地斜面からの流出土砂量を把握するため、土砂輸送が少ないことが要因の一つと考えられる。

Slope AとSlope Bの侵食および堆積による地形変化

また、Slope AとSlope Bの流出土砂量を比較すると、量にメッシュサイズを乗じて体積に換算し、斜面別Slope Aの方がSlope Bよりも多い。これは、Slope A（Slope A・Slope B）に各メッシュの地形変化量を合が谷型の斜面形状を有し、澪筋に沿って複数のリル・計することで算出した。単位面積当たりの流出土砂量ガリーが合流し、谷底で大規模な侵食が生じるためと(m /km /yr) を算出すると、Slope Aでは94,049m /考えられる。

32

3km /yr、Slope Bでは79,786m /km /yrとなる。これ

斜面別（Slope A, Slope B, 既往研究）の土砂流出量を比較すると、オーダーは同じであるが、Slope Bのの比較から、斜面の地形特性によって、土砂流出量流出土砂量がSlope Aよりも約15%少なかった。

が数万m3/km2/yrほど、変化することが分かった。こ232

れまで表面侵食量の評価には、汎用土壌流亡予測式
３．３

斜面崩壊後の植生の変遷（USLE式）が利用されてきたが、地形特性のパラメ

崩壊裸地斜面の植生変遷の状況をタイムラプスカメ

ータは、斜面長と斜面勾配のみが与えられており13)、

ラで撮影した結果を図－6に示す。2018年～2021年に山地流域の斜面の微地形までは考慮されていない。

おける12月の撮影データを抽出した。2018年12月に

UAV-SfM測量によって、山間地でも容易に高精細な3は、斜面崩壊に残存した草本が数箇所に確認できる。

次元地形データを得られることから、崩壊斜面の微地他時期の撮影データを比較したところ、植生面積の拡形の特徴も踏まえた解析を低コストで行えるため、今大や新たな草本の定着といった明確な植生回復は見ら後は、崩壊斜面の土砂流出特性をより適切に把握できれなかった。

る可能性がある。
2020.12.14

2018.12.27

４．２

植生回復状況と土砂流出への影響

崩壊裸地斜面の植生変遷状況をタイムラプスカメラで観測したところ（図－6）、明確な植生の変化は見られなかった。崩壊跡地では侵食作用の影響で、植物の2019.12.5

2021.12.11

生育基盤となる表層土壌の安定性が低く、植生回復には数十年を要する事例も報告されている14)。また、裸地化したヒノキ人工林における下層植生の被覆率（被度）と浸透能との関係から、表面流を抑制する浸透能を維持するには地表面の50%以上を植生で被覆する必

図－6

2018年12月から2021年12月までの植生変遷

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2022年９月

要があることが示されている6)。厚真川流域における31

汎用土壌流亡予測式（USLE式）によるシミュレーシ意を表す。

ョンでは、地震に伴う崩壊裸地の出現により、地震前後で土砂侵食率(t/yr)が14.5倍に増大する可能性が指参考文献

摘されている 。これらのことから、崩壊裸地斜面に15)おける植生の侵入・回復状況は表面侵食の抑制効果を1)

内田太郎，丹羽諭，蒲原潤一：大規模土砂生産後期待できるほどではなく、現在も土砂侵食率は高止まの土砂流出，土木技術資料，Vol.55，No.10，pp.

りしており、大雨による出水等の際に土砂流出が生じ

24-27, 2014.
2)る可能性も示唆している。

村上泰啓，水垣滋，西原照雅，伊波友生，藤浪武史：

一方で、2021年10月に実施した現地踏査では草本が平成30年北海道胆振東部地震において発生した斜まばらに侵入する様子を確認しており、植生の回復が面崩壊の特徴，河川技術論文集，No.25，pp.645-起点となり、表面侵食を抑制する可能性もある。植生650, 2019.

調査には多大な労力を要するが、崩壊地の植生情報を

3)

輿水健一，石丸聡，川上源太郎，中田康隆，高UAVで効率的に把握する試みもされており 、これ

見雅三，卜部厚志：地震による崩壊裸地斜面のらも活用し、長期的な視点で土砂流出がいつまで継続

降雨,融雪に伴う土砂動態：高頻度UAV-SfM測量するのかを検討することが課題である。

による検討，砂防学会誌，Vol.74，No.3，pp.26-3,

16)

2021.
4)

５．まとめ

水垣滋，村上泰啓，藤浪武史：北海道胆振東部地
震後の厚真川からの浮遊土砂流出，第63回（2019年度）北海道開発技術研究発表会，防21, 2020.

本稿では厚真川水系東和川流域の崩壊裸地斜面でUAV-SfM測量を用いて3次元地形モデルを作成し、

5)

水垣滋，村上泰啓，藤浪武史：厚真川流域におけLP測量データとの標高差分解析によって、地震後3年る北海道胆振東部地震後の濁度計観測，第64回間の崩壊裸地斜面における流出土砂量を推定した。さ（2020年度）北海道開発技術研究発表会，防災6,らに、地震後3年間の植生の変遷についてもモニタリ

2021.
6)

ングを行った。

平岡真合乃，恩田裕一，加藤弘亮，水垣滋，五味UAV-SfM測量によって得られた3次元地形モデル

高志，南光一樹：ヒノキ人工林における浸透能にの精度はRMSEが6.1 cmであり、従来法と比べても高対する下層植生の影響，日本森林学会誌，Vol.92

い精度で地形データの取得が可能であった。差分解(3)，pp.145-150, 2010.

析結果から推定した斜面別の流出土砂量はSlope Aが7)

石垣逸朗：北海道八雲地域における表層崩壊の発94,049m /km /yr、Slope Bが79,786m /km /yrと推定

生と植生回復の特徴，日本緑化工学会誌，Vol.30された。また、タイムラプスカメラによるモニタリン(3)，pp.572-581, 2005.

3232

グ結果では、地震後3年間で斜面の植生変遷状況に明8)

コアグループ Cohac∞ Chronosphere-L6Ⅱみちび

確な変化は確認されなかった。これらの知見は、崩壊き対応 cm精度測位受信機

裸地斜面からの土砂流出の影響を検討する際に、重要

URL:https://www.core.co.jp/service/gnss/な基礎資料として活用できる。

chronosphere-l62.（2022年1月5日閲覧）

UAV-SfM測量は、低コストで高精細な3次元地形デ9)

藤里和樹，壇寛成，安室喜弘：点群分布を考慮しータを取得できる。特に、本研究で使用した準天頂た対応点選定によるレーザースキャナSFMの統衛星システムみちびき（QZSS）によるGNSS測量は、合的3次元記録手法，情報処理学会第79会全国大山間地の災害現場でも効率的に利用できる点で強力な会，pp.107-108, 2017.

ツールであり、斜面崩壊地等の土砂動態を検討するた

10) 小花和宏之，早川裕弌，齋藤仁，ゴメス クリス

めの基礎データの取得に有用である。今後は、これら

トファー：UAV-SfM手法と地上レーザ測量によの測量技術に関する適用事例が蓄積され、より実用化り得られたDSMの比較，写真測量とリモートセされていくものと考えられる。

ンシング，Vol.53(2)，pp.67-74, 2014.
11) 早川裕弌，小口高：地形学における地上レーザ

謝辞：国土交通省北海道開発局には、震災直後の航空測量の活用，地学雑誌，Vol.125(3)，pp.299-324,レーザー測量結果を提供いただいた。ここに記して謝

2016.

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寒地土木研究所月報№835

2022年９月12) 輿水健一，石丸聡，川上源太郎，中田康隆，高見

工学会誌，Vol.42 (1)，pp.141-144, 2016.

雅三，卜部厚志：厚真町東和地区における胆振東

15) 宮崎功太郎，星野剛，山田朋人：2018年北海道胆部地震後の崩壊斜面の土砂動態, エネルギー・環

振東部地震に伴い発生した大規模崩壊斜面におけ

境・地質研究所 研究報告, pp.45-52, 2021.

る土砂侵食率の定量的評価，水文・水資源学会研13) 小倉晃，高橋大輔：アテ(ヒノキアスナロ)人工林
における表土浸食量，石川県林業試験場研究報告，究発表会要旨集，Vol.34, 2021.
16) 西山典志，久加朋子，橋場雅弘，山口里実，今日出人，清水康行：UAVを用いた高精度計測によVol.38，pp27-32, 2006.
14) 寺本行芳，下川 悦郎，全槿雨，金錫宇，江﨑次夫，
松本淳一，土居幹治：堆積岩斜面の表層崩壊跡地

る厚真川流域崩壊地における土砂流出特性の把握，河川技術論文集，Vol.27，pp.19-24, 2021.

における木本植生および表層土の回復，日本緑化

平田 智道
HIRATA Tomomichi

村上 泰啓
MURAKAMI Yasuhiro

水垣 滋
MIZUGAKI Shigeru

巖倉 啓子
IWAKURA Keiko

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ寒地河川チーム
水環境保全チーム併任（現 寒地河川チーム）
研究員

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
主任研究員（現 国土交通省
北海道開発局
札幌開発建設部河川計画課
事業専門官）
博士（工学）

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
主任研究員
博士（農学）

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
上席研究員（現 国土交通省
北海道開発局
事業振興部
都市住宅課長）技術士（建設・総合技術監理）

寒地土木研究所月報№835

2022年９月

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