河道の状態の分析・評価及び対策検討における3次元データの活用による効率化･高度化の提案

兵藤 誠
髙田 彩乃
高地 敏幸
渡邉 健介

大阪支社 河川水工部
大阪支社 河川水工部
大阪支社 河川水工部 兼 社会基盤本部 CIMセンター
情報システム事業本部 兼 社会基盤本部 CIMセンター

2022年6月16日（木）～17日（金）2022年度河川技術に関するシンポジウム

1. はじめに•

河川維持管理の分野において，河道流下断面の維持に着目すると，現状や河道掘削・樹木伐採後の河積や堤防の安全性を維持していくことが重要となる．従来の手法では，定期横断測量成果（距離標毎・200m区間毎等で実施）や目視点検等により河道や樹木群の変化を把握し，河川管理上支障となる場合には，土砂撤去や樹木伐採等の措置を行ってきた．また，必要に応じて，維持管理基準に対して水理解析による定量評価や定性評価を行い，維持管理対策の必要性を判断してきた．

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しかし，定期横断測量成果では距離標間の情報はなく，局所的な変化を捉えることができない等，河川管理が求める情報を十分に把握することができない．また，目視点検では，河川延長が長い場合には多大な労力がかるため持続性に課題が残る．

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一方で，近年では航空レーザ測深(ALB)や無人航空機(UAV)等による3次元測量が実施されており，そのポテンシャルが示され，多自然川づくりにおける活用の事例等も見られてきている．

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CIMに関しては，CIM導入ガイドライン等や河川CIM標準化検討小委員会の成果報告書等が公表されているが，河川維持管理の分野において，3次元データを活用して現状の課題を抽出し，課題解決に向けた具体的な対策検討を行っている事例はほとんどない．また，河川CIMの活用において，全てを3次元データとして対応すると，情報量が膨大となり，各種の検討に膨大な時間とコストがかかるため現場で実践する上での課題が多く，効率化の観点を常に意識する必要があるが，その具体的な手法については必要性が示されているものの，河川維持管理の分野では事例がほとんどない．

•加古川・揖保川をモデルケースとし，河道の状態の分析・評価，及び対策検討について，従来の平面二次元的な情報や検討手法も活用しつつ，3次元データの活用による効率化・高度化を図るための手法を検討した．本論文では，河川CIMを活用した河道の状態の把握，河川環境情報の把握，河道の状態の分析・評価手法の検討，維持管理対策の検討手法等の検討を行った．

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2. 方法（Autodesk社のCivil 3DとNavisworks Manageを使用）（1）河道変化や樹木群の消長等の河道の状態把握••

河道変化と樹木消長の属性情報を3次元データとして河川CIMに統合する手法を検討した．
河川技術者が平面二次元解析等で用いる一般座標系の地形メッシュを活用し，2時点の点群データをメッシュの格子点の座標(x,yが同じ点群)に変換した上で差分を算出し，サーフェスモデルとして河川CIMに統合する簡易な手法を検討した．

（2）河道の状態の分析･評価手法の検討
ある河道の状態(高水敷幅や澪筋位置)が，堤防防護ライン等の基準を満たしているのかどうかを評価• 河道の3次元地形と維持管理基準として堤防防護ラインを例にとり，これらの位置関係を河川CIMの中で確認できるようにした．更に，堤防防護ラインの周辺における堤防の安全性を把握するために，平常時や洪水時の水理特性について3次元的な見える化を行うため、簡易に河川CIMへ統合する手法を検討した．
河道の変化や樹木群の消長等の状態の変化に対して，堤防の安全性や流下能力等の観点から問題が無いかどうかを評価• 樹木群と堤防の安全性の評価を例にとり，樹木群の成長・拡大による水理特性(洪水時流れ)の変化を河川CIMに統合した．

（3）河川環境情報の把握••

河川環境の情報を3次元上で表示するためには，作成するポリゴン(各群落の情報)に対して，各ポリゴン内の全ての点に高さの情報を付与する必要があり，作業に多大な労力や手間がかかる．地盤高の変化にも対応できる必要がある．
従来の2次元で作成される河川環境基図の画像(出力結果)を3次元地形に投影することで，簡易に河川CIMに統合した．

（4）ICT施工に繋げるための維持管理対策の検討手法の確立•

2次元の情報で対策諸元を整理した上で，これらの2次元情報から3次元河道を自動生成させて掘削断面形状を作成し，その結果を活用する手法を検討した．
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3. 結果と考察•••（1）河道変化や樹木群の消長等の河道の状態把握の結果

加古川の河道形状の状態変化の把握の例では，堆積箇所のサーフェスモデルを赤色，侵食箇所のサーフェスモデルを青色で着色した（図-1）．
揖保川の樹木群の消長の状態把握の例も同様である（図-2）．
3次元で河川の状態を見える化を図る上では，説明すべき情報(例えば，地形変化の内，流下能力に影響を及ぼす可能性がある堆積箇所を明示)を軸として，表示する情報の分かりやすさを工夫していくことが重要であると考えられる．

図-1 河道形状の状態変化の把握の例（加古川）図-2 樹木群の消長の状態把握の例（揖保川）33. 結果と考察••（2）河道の状態の分析･評価手法の検討結果

平水流量，平均年最大流量（中規模洪水）時，整備計画流量（大規模洪水）時の平面二次元流況解析結果を河川CIMに統合(水面サーフェスを構築して流速分布・ベクトル図を投影)した（図-3）．
河川CIMを構築して，水理特性を属性情報として統合することで，任意の横断面の状況を確認することができ，各流量の冠水状況等と合わせて比較・分析できることが分かった．

図-3 維持管理基準による河川の状態の分析・評価の例（揖保川）43. 結果と考察•••（2）河道の状態の分析･評価手法の検討結果

樹木群が成長・拡大により，樹木群や堤防周辺の平常時及び洪水時の流れがどのように変化するのかを把握した（図-4）．
平常時では，樹木が成長・拡大しても，水面形状には変化がなく影響が無いことが分かる．
一方で，洪水時の結果を見ると，成長・拡大した樹木群が冠水しており，流下阻害への影響が生じている可能性があることを3次元的に把握することができた．

図-4 樹木群の消長と河道流下断面への影響把握の分析への活用例（揖保川）53. 結果と考察•••（3）河川環境情報の把握の結果

2次元の河川環境情報を河川CIMの3次元の地形に投影することで簡易に河川CIMに統合した（図-5）．
対策河道は，固定化して比高差が大きい砂州の切下げを行うものであり，範囲を図示している．これは，3次元地形の上に，従来の2次元で作成された河川環境基図を投影したものであり，新たなポリゴン等の作成は行っていない．
この情報が河川CIMに統合されていれば，維持管理対策の実施箇所での河川環境の直接的な改変を簡易に把握することができると考えられる．

図-5 河川環境基図と環境情報図のCIM統合イメージ（揖保川）63. 結果と考察••（4）ICT施工に繋げるための対策検討手法の確立

河道の維持掘削において，2次元（横断図等）の情報で対策の諸元や断面を整理した上で，3次元河道を自動生成させて維持掘削の断面形状を作成した（図-6）．断面形状は，Civil 3Dのグレーディング機能を用いた．
掘削断面形状の法尻を基準に任意の3次元座標を持つ3Dポリラインを作成し，これを計画線(基準)として横断勾配を設定し，法肩に向かって自動発生をさせることで作成した．
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3次元の断面形状を作成すると，上下流の端部の状況も，あらゆる角度から3次元的・可視的に確認できるため，断面形状の妥当性の確認や，今後は，設計照査としての活用にも期待できると考えられる．
また，専門的な知識が無い地域住民だけではなく，河川管理者や実務者にとっても有益な情報・コミュニケーションツールとなり得ることが分かった．
更に，従来の2次元の横断図で作成した掘削断面等を基に，3次元地形の掘削断面形状(点群データ)を自動発生により作成することができるため，任意の横断面の断面形状の抽出や，平面二次元流況解析等の河床高コンターに掘削形状を反映することができ，2次元と3次元の空間を行き来させることで効率的な検討ができるようになった．
更に，流速分布・ベクトル図や無次元掃流力分布図も河川CIMに統合し，維持管理対策により堤防際の高流速や堤防に向かう流れが解消されること，堤防際の掃流力による撹乱規模が緩和されることで，揖保川で特徴的な河川景観や生態系を構成しているカワラヨモギ-カワラハハコ群落の適地が増加する等，対策効果も把握できることが分かった．

図-6 河川CIMを活用した維持管理対策の効果の把握の例 （揖保川-詳細）7

3. 結果と考察••（5）３次元データの活用の枠組みの提案

維持掘削等の対策実施後は，河道が変化する可能性があり，高頻度に河川の状態を把握する必要があるが，維持管理対策の実施直後の測量データが得られない場合は，河川巡視やUAVによる定点写真撮影が基本となる．
5年に1回程度で直轄管理区間全体で実施される定期横断測量や航空レーザ測深を活用するとともに，毎年実施する定点写真撮影，出水後の地形把握による河道の状態把握の分析・評価を行う等，手法を適切に組み合わせて，河道の状態変化を把握していくことが重要である（図-7）．
5年に1回程度実施
航空レーザ測深（ALB）（３次元管内図作成・更新）
定期横断測量（河道及び樹木群による流下能力への影響量把握）

出水後に実施毎年実施
河川巡視、UAV定点写真撮影河川CIMの構築（対策検討・実施箇所）
対策検討・施工実施時

UAV写真測量又はグリーンレーザ測量（河道の状態把握の分析・評価）

対策検討・施工実施時

対策検討・実施箇所

出水後出水後航空レーザ測深実施時

３次元管内図への反映（相互参照等）

図-7 ３次元データを活用したモニタリングの枠組みイメージ8

4. 結論及び謝辞
結論•

加古川・揖保川を対象に，河道の状態の分析・評価及び対策検討における3次元データの活用による効率化・高度化を図るための手法を検討した．その結果，河川維持管理における河川CIMの活用において，従来の平面二次元的な情報を活用し，2次元と3次元の往来を簡便にできるようにすることで，河川維持管理における効率化・高度化に繋がることを明らかにした．

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効率化 …水理解析モデルの格子点の地形メッシュデータを点群データとして取り扱うこと，水理解析結果の3次元水面サーフェスに2次元の水理解析結果を投影すること，3次元地形データに2次元の河川環境情報を投影すること等により実現した．

•高度化 …河道の状態(局所洗堀)や河道変化，樹木群の消長を，維持管理基準や水理特性と合わせて河川CIMに統合して3次元的に可視化を図ることで実現した．

•今後は，掘削と埋戻しが混在する中での3次元地形の自動生成の方法や，生物の生息適地の河川CIMへの統合等，河川管理のニーズに応じて更なる高度化・効率化を図ることが重要となる．

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本研究成果は，3次元データを活用した机上の検討に留まっているため，河川巡視やUAV等による定点写真撮影等の現地確認結果の補間の実現性や定量評価という観点からも3次元データを活用する上での有効性や課題を検証していくことも重要であり，今後の課題としてここに明記する．

謝辞
国土交通省近畿地方整備局姫路河川国道事務所から委託を受けた業務の成果の一部を活用してとりまとめを行っており，ここに感謝の意を表します．

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