レーザープロファイラによる中小河川河道情報の取得及び応用に関する研究
水文気象研究室 鹿野友和
指導教員 陸 旻皎
1．はじめにそこで本研究では，河道情報が少ない中小河川に近年，台風や梅雨前線の活動に伴う局地的な豪雨おいて，LP データのみを用いた空間的な河道情報のにより，中小河川での堤防の破堤による被害が目立取得及び，その応用について検討することを研究目っている．例としては，平成 16 年 7 月新潟・福島豪的とする．

雨がある．この豪雨により信濃川水系の刈谷田川，五十嵐川，中之島川の堤防 11 箇所が破堤し，大きな被害をもたらしたと共に，地域住民の水害に対する不安も募らせた．

2．使用データ
航空 LP 計測は，まず航空機から地上に向けてレーザーパルスを照射装置により照射する．照射した

現在多くの河川において堤防築堤や補修等によるレーザーパルスが地上で反射し，レーザーパルス受防災対策を進捗させているが，その多くは大河川で信装置に受信されるまでの時間差を計測し，得られ行われている．その理由として，中小河川は大河川た時間差と航空機の位置情報を用いて計算を行うこと比べて数が多く，また河川延長も長いことから予とで地上標高値を得るシステムである．計測原理と算的，時間的制約からハード整備のための十分な水しては，GPS 受信アンテナと受信機，IMU，スキャ

文データが収集できていない河川が多く存在する．

ナー装置付きレーザー照射装置，及び受信装置を搭

そのため，中小河川では十分なハード整備を行うこ載した航空機または，ヘリコプターを使用してデーとができず，防災対策に不安を抱える河川が少なくタを計測しており，計画された計測コース位置上をない．

空中から進行方向に直交するようにスキャンさせて，その結果として，局地的な集中豪雨に対して河川発射したレーザーにより緯度，経度，高度の三次元の流下能力が耐え切れず，堤防が破堤することによ座標を計測するものである．また，レーザーの特性る被害が各地で発生しているひとつの要因となってにより水面下の標高は測定できない．

いる．このようなことから，大河川に比べて中小河LP データは，地表面だけの標高データで作る数値

川では，水文データ整備と，防災対策において遅れ標高モデル，通称 DEM (Digital Elevation Model)と呼をとっている状況にある．

ばれるものと, 建物や樹木の高さを含んでいるデー

一方，近年では航空機に搭載されたレーザースキタから作成した地表モデルを数値表層モデル，通称ャナを利用した測量技術が注目されており，短期間DSM(Digital Surface Model)と言う．本研究では DSMに広範囲の測量が可能なことから河川情報の取得にデータのみを用いて高水敷に存在する樹木等構造物も利用されている．安田ら(2003)はレーザープロフのフィルタリングを行い河道情報の抽出を行う．

ァイラ(以後 LP とする)データから河道形状の作成

本研究の対象地域は信濃川水系の支流の一級河川手法について研究を行っており，定期縦横断測量デ

刈谷田川の平野部の流域面積約 69 ㎞2，流路延長約ータとの比較から良好な結果を得ている．しかしな

27 ㎞を対象地域としており，朝日航洋株式会社によがら，この手法では予め河道横断面の左右岸の測量

る航空レーザー計測により，平成 16 年 7 月新潟・福端点の把握が必要となり，定期縦横断測量が行われ島豪雨の直後に観測されたものを使用した．LPデーていない中小河川等での適応は難しいと考えられる．

タは 1mメッシュの標高データであり，水平方向分

解能 1m，鉛直方向分解能 0.15m，水平方向誤差±まず，各河道中央点の平面座標上での位置を把握0.5m，鉛直方向誤差±0.15mである．また，図 1 にし，LP データのメッシュ上のどの位置に河道中央点研究対象地域を示す．

が存在するのかを把握する．しかし，この際に必ずしもメッシュ上に河道位置抽出地点が存在するとは限らない．そこで，補間手法のひとつである最近傍法により，必ずどこかのメッシュ上に河道中央点が存在するように補間を行った．
次に，河道横断面を抽出するため必要となってくる河道中心線を求めるにあたり，2 つの方法により求めた．
一つ目として，各河道中央点間を通る 2 点間の直線をそれぞれ 1 次の連立方程式から河道中心線を求めた．この河道中心線に対する直交線が河道横断面に相当することから，各河道中央点上で法線の方程式を用いて，河道中心線に対する直交線を求めた．
これにより求まった直交線が各河道中央点を通過す

図 1 研究対象地域る河道横断面とした．
また，河道中心線を求めるもうひとつの方法とし3．LP データからの河道情報の取得手法て，各点間を３次の自然スプライン補間により河道LP データから河道情報を取得するにあたり，本研中央線を求めた．河道横断面はスプライン曲線上に

究では河道情報抽出アルゴリズムを構築した．このある河道中央点上においての接線の方程式を求め，アルゴリズムは大きく 3 つに分かれており，PCI をその接線に対する直交線を求めることにより河道横用いて行う手作業による河道位置の把握，河道横断断面とした．

面抽出プログラム，樹木等構造物除去プログラムか

その後，河道横断面が通過するメッシュ上の標高ら構成される．
特に，河道横断面抽出プログラムと，値をレーザープロファイラデータから抽出すること

樹木等構造物除去プログラムはこのアルゴリズムので，各断面での河道横断面図を作成した．なお，河両翼を成しており，ここから得られる河道情報を用

道横断面は必ずしもメッシュの交差点上を通過するいて結果の検討を行う．とは限らない．この場合も先に述べた最近傍法によ(1)PCI による河道位置の把握る補間を行い河道横断面の抽出を行った．

河道横断面を LP データから抽出するに当たり，

図 2 に河道横断面抽出概念，図 3 に 3 次の自然ス

LP データから河道位置を把握する必要がある．そこ

プライン補間を用いた場合の河道横断面抽出概念をで本研究では，様々な画像や地形データを処理，解それぞれ示す．

析，出力可能な，PCI 社製の画像処理ソフトウェア
Geomatica9(以後 PCI)を利用した．今回は，対象地域内から 236 箇所の河道中央点をデジタイジングにより取得した．この際のデジタイジング間隔は任意の位置で可能となる．
(2)河道横断面抽出プログラム
前節で取得した河道中央点から河道情報を取得するために，本研究では河道横断面抽出プログラムを構築した．このプログラムでは，入力データとして河道中央点と LP データを使用する．

図 2 河道横断面抽出概念図

今回は 1 つ前の河道横断面での堤防天端中央地点を中心にして幅 15m 範囲内の最高移動平均値地点を現在の河道横断面の堤防天端中央地点とした．
さらに，誤認防止の手法として「建設省河川砂防技術基準(案)同解説 設計編[Ⅰ]」と「建設省河川砂防技術基準(案)同解説 計画編」に記載されている河道形状の特徴を利用した．
ここでは，堤防天端幅，法勾配，堤防高を上記の著書から設定し，これを基にして高水敷の樹木等構造物除去を行った．
前者の記述による設計基準では，刈谷田川におけ図 3 スプライン補間による河道横断面抽出概念

る堤防の法勾配は 2 割勾配とし，天端幅を 5m と設定することとなっている．本研究でもこの設計基準(3)樹木等構造物除去プログラムを採用し，樹木等構造物除去プログラムに利用した．

本研究では高水敷での樹木等構造物の影響を除去

次に堤防高は後者に記述されている計画基準によする手法について，堤防の基本断面形状と，刈谷田ると，計画高水位と余裕高の和となっている．ここ

川での堤防高と河川敷高の標高差，さらに，刈谷田で計画高水位とは，計画河道に計画高水流量を流過川における堤防築堤計画を使用して樹木等構造物除させる場合に達するであろう水位を計算で求め，そ去プログラムの作成を行った．の水位をもとに計画高水流量を安全に流過させうる

始めに河道横断面データから両岸の堤防天端の位ように決めた水位であって，堤防の設計は計画高水置を把握する．川本ら(2002)によれば，堤防付近で位を基準に行われるものである．また，余裕高とはの最高標高地点を堤防天端高とすることは，その点各河川での計画高水流量により設定される高さのこの標高が堤防上の通行人や自動車等の標高値を取得とである．堤防高はこの 2 つにより設定されるのだ

している特異点になっている可能性があり，使用はが，厳密にはこの限りではない．その理由として，好ましくないとされている．そこで，本研究では，全区間において厳密に設定を行うと堤防高が場所に先ず河道横断面データで低水路を中心にして左右岸よって異なり民生安定上好ましくない．このため，に分けて考え，左右岸それぞれで標高値の移動平均明確な基準設定がないため，この情報を基にしたアを計算し，最も高い値を持つ地点を堤防天端の中央ルゴリズムの作成は困難であると考えられる．とした．このようにして，堤防の標高値が爆発的にそこで今回は打開策として，刈谷田川にある水位大きな値を示す誤差要因の排除を行い，堤防高を妥観測所での現況堤防高を利用し，堤防高の設定を行当なものにする．なお，移動平均には現地点と左右った．
本研究の対象地域内では概ねその標高差は 5m4 点ずつの計 9 点を用いて計算を行った．しかし，付近であった．この結果を受けて今回は堤防天端か安易に左右岸それぞれの標高の移動平均値が最も高ら高水敷までの標高差は研究対象地域で一律 5m とい地点が堤防天端に当てはまるとは限らない．取得

設定し，堤防天端高と高水敷高を関連付けた．

した河道横断面に堤防以上に大きな構造物等がある以上の条件を用いて，堤外地内において法面以外のと，その構造物を堤防だと誤認してしまう可能性が箇所で堤防天端からの標高差が 5m に満たない箇所ある．

は樹木及び構造物であると見なし，高水敷の標高ま

河道断面形状は短い区間において大きく変化する

でその箇所の標高を下げることにより樹木等構造物ことはほとんどない．つまり，堤防の位置も短い区除去プログラムを作成し，樹木等の除去を行った．

間において急激に変わらない．そこで，１つ前の河図 4 に樹木等構造物等除去手法の概念図を示す．

道横断面での堤防位置情報を与え，かつその周辺で標高の移動平均値が最も高い地点を堤防天端中央地点とすることで誤認を防ぐこととした．

比較結果の一例として，見附市山吉町付近での結果を示す．図 5 にオルソフォトを示し，図 6 には実測河道横断面と LP 抽出河道横断面の比較図を示す．
図 6 から見て取れるように，河道内においては各比較地点において LP から抽出された河道横断面と実測河道横断面がほぼ一致していると言える．
また，本研究の手法により高水敷部分の植生等の除去が上手く行えていた．
このことから，樹木等構造物除去プログラムが有効であったと言える．低水路での実測と LP との差は LP による測量の特性で水面下の標高を取得できないためである．

図 5 見附市山吉町付近オルソフォト

図 4 樹木等構造物除去概念図
図 6 実測と LP 河道横断面との比較
4．河道情報抽出結果(1)実測河道横断面との比較Ⅰ(2)実測河道横断面との比較Ⅱ刈谷田川で実際に測量された河道横断面と本研究

LP から抽出された 236 地点の河道横断面を用いで構築した河道情報抽出アルゴリズムで作成した河て，刈谷田川で実際に測量された河道横断面との比道横断面との比較を行った．比較には，実測河道横較を行った．比較した結果の一例として，大堰水位

断面位置と LP 抽出河道横断面位置がほぼ一致する観測所付近での実測河道横断面に最も近い地点でのように PCI で新たにデジタイジングを行い，河道情LP 抽出河道横断面を使用した．LP 抽出河道横断面

報抽出アルゴリズムにて河道横断面を作成し，実測は，樹木等構造物除去後のものを使用し，河道横断河道横断面との比較を行った．

面の比較には左岸天端を基準として，LP と実測河道横断面の位置を合わせて行った．図 7 に大堰水位観測所付近での比較結果を示す．
低水路を除き，堤外地の断面形状はほぼ一致しているのが見て取れる．しかし，LP から抽出された河道横断面幅が実測断面幅と比較して横断面幅が広くなる結果となった．前節で比較を行った河道横断面
抽出地点と実測河道横断面測量地点を一致させた場合では，河道横断面形状はほぼ一致していた．その図 8 角度θと実測断面幅 L，LP 断面幅 L’の関係ため，河道横断面を抽出する際に，アルゴリズムにおいて問題があったとは考えにくい．考えられるひ
とつの原因として，河道中心線が実測の河道中心線とずれが挙げられる．

図 9 角度θと河道断面幅増加率の関係
河道横断面のずれの原因に挙げられる角度θを抑えるために 2 点間の直線からなる河道中心線から河道横断面を求める方法と，3 次自然スプライン補間
図 7 大堰水位観測所付近での実測と LP 比較による河道中心線から河道横断面を求める方法での河道横断面形状の比較を行った．実測河道横断面もそこで，PCI によるデジタイジング時の実測位置加えた比較結果を図 10 に示す．との誤差により発生する河道中心線角度差と，その堤外地側での河道横断面形状はほぼ一致している

際発生する河道横断面幅の増加の割合の関係を調べが，左岸堤内地にある構造物の標高がスプラインにた．図 8 に河道中心線の角度差と横断面幅の関係のよる河道横断面では確認でき，2 点間との直線から概念図を示す．河道に対して中心線が水平に引かれなる河道横断面では確認できないことから，θは 2ているならば，図 8 での実線のように長さ L が河道つの手法で異なることが分かる．

横断面の片側の長さとして抽出される．しかし，実実測河道横断面幅との比較を見ると，2 点間との測により水平に引かれた中心線よりも，LP から得た直線から求めた河道横断面幅よりも，スプライン補中心線が，破線のようにある角度θだけずれていた間により求めた河道横断面幅の方が僅かではあるがならば，抽出される河道横断面の片側の長さは L’と実測河道横断面幅に近づいた．このことからスプラなる．すなわち，θだけずれると，実測河道横断面イン補間を用いた場合，θに改善が見られた．

幅との差が L’−L だけ生じる．
図 9 にはθと河道横断面幅増加率との関係を示す．

しかしながら，スプライン補間を用いた場合でも，θを小さくするには PCI によるデジタイジング作業

θ=20°程度までは横断面幅の違いは，さほど大きにおいて，実測の河道中心線に沿うように，もしくくないと言える．河道断面幅増加率で見ても，θは近い場所に河道位置抽出地点を選択することが重=20°では約 6.5%となっている．その後，θの増加要であると考える．河道が湾曲する箇所では細かくに伴い cosθの逆数に比例して河道横断面幅増加率

デジタイジングを行うなどの細心の注意を払いデジが上昇していく傾向が見られた．

タイジング作業を行う必要がある．

図 11 上流端ハイドログラフ
図 10 2 手法による LP 河道横断面と実測との比較

以上の入力データから流れの計算を行ったところ，LP 河道横断面を用いての動作を確認した．
なお，実際に測量された横断面を用いての比較を

5．LP データを用いた応用例
本節では財団法人国土開発研究センターより配布行うべきではあるが，刈谷田川では定期縦横断測量されている，河床変動計算システムを用いて抽出さが行われていないため比較は行っていない．しかしれた河道横断面データの応用について述べる．

ながら，定期縦横断測量成果の代用として，LP から一般的に流れの計算を行うには，定期縦横断測量成果が必要不可欠になる．今回使用したシステムも抽出された河道横断面を用いることができる可能性は示唆できた．

定期縦横断測量成果を必要とする．そこで，本研究では定期縦横断測量成果の代用として LP 抽出河道7．まとめ横断面を用いた．河床変動計算システムを使用する

本研究は刈谷田川流域の一部を対象地域として，にあたり，流れモデルの選択，定期縦横断測量フォLP データから，空間的な河道情報の取得を行った．

ーマット形式データ，計算パラメータデータ，境界LP データのみを用いた手法での河道情報取得

条件データを準備する必要がある．今回使用する流にあたり，河道情報抽出アルゴリズムを構築し，れモデルは JICE モデルを使用し，定期縦横断測量フ

河道内の任意の地点で河道横断面データが抽出ォーマットデータには取得した LP 河道横断面デー可能であることを示した．

タをフォーマットに従い使用した．計算パラメータ

高水敷での樹木等が LP による計測結果に与えデータ，境界条件データについては表 1 に示す．境る標高誤差を考慮し，計画堤防形状と現況堤防界条件で用いた下流端水位と上流端流量については，高を利用して樹木等構造物除去を行い，実測河平成 16 年 7 月 13 日 0 時から 14 日 24 時までの 48

道横断面と比較を行いその妥当性を示した．

時間の今町水位観測所でのデータを使用した．計算

実測河道横断面形状と LP から抽出された河道のタイムステップは十分細かいとし，定期縦横断測横断面形状との比較を行い，LP 抽出河道横断量データとして用意した河道横断面は，大堰水位観面形状の妥当性を示した．

測所と今町大橋手前までの約 1.1 ㎞区間に 8 断面を実測河道中心線と LP による河道中心線との角設けた．図 11 に初期条件となる上流端流量を示す．

度差θが河道断面幅等に与える影響について考表 1 計算パラメータ設定

察を行い，その影響の軽減策として 3 次自然ス

粗度係数n=0.030

プライン補間を行うことを提案した．

河床勾配1/2000

LP から抽出された河道横断面を定期縦横断測計算開始時間0 hour

量成果の代用として使用し，中小河川のような計算終了時間

48 hour

定期縦横断測量が実施されていない河川におい河床変動計算の有無 流れ計算のみての水文データ取得の可能性を示唆した．