DEIM Forum 2016 E7-2

地球観測データ三次元可視化ライブラリとレーダ雨量情報への応用
根本利弘†

喜連川優‡

†東京大学 地球観測データ統融合連携研究機構/生産技術研究所 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1‡国立情報学研究所/東京大学 生産技術研究所 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1
E-mail: †nemoto@tkl.iis.u-tokyo.ac.jp, ‡kitsure@tkl.iis.u-tokyo.ac.jp
あらまし 地球観測データを対象とした三次元データの可視化ライブラリについて紹介する．当ライブラリは地球観測データの三次元可視化機能に加え，X 軸，Y 軸，Z 軸の切断面の二次元画像表示，地形，地図の表示等，三次元地球観測データの解析に有効な機能を有する．three.js を用い，JavaScript により記述されており，最新の Google
Chrome 等の Web ブラウザ上で動作する．当ライブラリの機能を紹介するとともに，レーダによる雨量情報の表示システムへの適用について紹介する．
キーワード 地球観測データ，三次元可視化

1. は じ め に次元可視化ライブラリについて述べる ．本ライブラリ

地球温暖化長期予測データや気象予測データなど

は ，three.js を 利 用 し ，JavaScript に よ り 記 述 し て い る ．のシミュレーション出力データ，降雨レーダによる地特別なプラグインを必要とすることなく，最新の上や衛星からの観測データなど，地表面だけでなく，Google Chrome, Firefox 等 の Web ブ ラ ウ ザ 上 で 動 作 す

鉛直方向にも情報を有する三次元の地球観測データがる ． WWW 環 境 を 通 じ て 利 用 可 能 な ア プ リ ケ ー シ ョ ン

数多く提供されるようになった．これら地球環境デーを構築，提供することができ，専門知識を有するデー

タはインターネットを通じて容易に入手可能なものもタおよびアプリケーション提供者があらかじめ対象と少なくないが，利用者が容易に使用できる三次元可視するデータに対して適切な可視化パラメータを設定す化環境が必ずしも十分でないため ，利用者の多くはそることが可能である．本ライブラリにおいては，表示れらのデータの水平断面，垂直断面を二次元画像とし対 象 と す る 三 次 元 デ ー タ と ，X，Y，Z 軸 の 格 子 位 置 情て可視化するに留まっている．地球環境データを取り報を与えることにより，当該データを容易に三次元表扱うことが可能な三次元可視化ソフトウェアとしては，示する．さらに X 軸，Y 軸，Z 軸それぞれに垂直な平フリーウェア，有償のソフトウェアを含めていくつか面による切断面の二次元画像の表示，地形，地図の表あるが，それらの大部分は利用者側のコンピュータに示等，地球環境データの解析に不可欠な機能も提供す

インストールして動作するアプリケーションソフトウ

る ．こ の ラ イ ブ ラ リ の 機 能 に つ い て 説 明 す る と と も に ，ェアである．データを可視化するためのパラメータは本 ラ イ ブ ラ リ を 利 用 し た レ ー ダ 雨 量 情 報 [2] を 対 象 と利用者自らが決定し，アプリケーションへ入力するこした可視化アプリケーションの構築事例についても述とによって可視化される．最適な可視化のためには対べる．

象とする地球環境データに関する専門知識も必要とされ，必ずしも容易に三次元可視化された結果を得ることができない．

2. 関 連 研 究
科学データの三次元可視化システムとしては、医療

我々は，地球環境に関連する様々なデータを統合・分野を対象としたシステムが多くあげられるが解析し，地球環境問題を解決するシステムとして，デ[3][4][5]， 地 球 環 境 デ ー タ を 扱 う こ と が 可 能 な 三 次 元ー タ 統 合・解 析 シ ス テ ム（ DIAS）[1]の 構 築 を 行 っ て き

可 視 化 ツ ー ル は 多 く は な く ，Vis5d+[6], Unidata IDV[7],た ． DIAS で は ， 地 球 環 境 お よ び 社 会 経 済 デ ー タ 等 のDioVISTA[8] な ど が あ げ ら れ る ． こ れ ら は い ず れ も 三デ ー タ セ ッ ト ば か り で な く ， WWW を 通 じ て こ れ ら デ

次元可視化を可能とするデスクトップアプリケーショ

ータを利用し，解析を行うためのウェブアプリケーシ

ン ソ フ ト ウ ェ ア で あ る ．イ ン ス ト ー ル に は 、OS、コ ン

ョンの提供も行っている．アプリケーションとデータパイラの違い、バージョンの違い等による制約を受けとを一体として提供することにより，利用者にワンスる。また、利用者は定められたインタフェースによりトップでデータに適した可視化環境を提供することが三次元可視化機能を利用することになり ，自らが作成可能である．

するウェブアプリケーションの一部として利用するこ本 稿 で は ，我 々 が 現 在 開 発 を 進 め て い る WWW 環 境と は 困 難 で あ る ． AVS[9]は モ ジ ュ ー ル の 組 み 合 わ せ にを通じてインタラクティブに利用可能な三次元可視化

よりデスクトップアプリケーションを作成することは環境を実現するための地球環境データを対象とした三可能であるが，ウェブアプリケーション用ではない．

WebGL を 用 い た ビ ュ ー ア も あ る が ，こ れ は 可 視 化 さ れた格子構造を有し，各格子点が温度や湿度といった物

た 結 果 を WWW を 通 じ て 見 る た め の も の で あ り ，ウ ェ理量を有する．また，雨量情報においては，X 軸，Yブアプリケーションの開発に用いることはできない．

軸，Z 軸はそれぞれ緯度，経度，高度に対応し，各格PVES[10]は WWW を 通 じ て 利 用 す る ア プ リ ケ ー シ ョ子には，降雨強度が格納されている．降雨強度は一般ン で あ る が ，三 次 元 デ ー タ の 記 述 に VRML を 用 い て い的には強い降雨を中心に徐々に弱い強度が分布し ，さるため，その利用にはブラウザに対するプラグインをら に そ の 外 側 に 降 雨 が な い 場 所 が 分 布 す る ．す な わ ち ，必 要 と す る ．EXTRAWING[11]は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果

地球環境データにおいては，温暖化予測データにおけの三次元可視化を行うものであるが、 出力を動画もしる，温度，湿度データのように，空間内のすべての位

く は KML+COLLADA 形 式 の フ ァ イ ル と し て こ れ ら を置に情報が存在し，対象となるものの表面，境界がな

Google Earth で 読 む も の で あ り ， 独 自 ウ ェ ブ ア プ リ ケい ，も し く は 降 雨 情 報 の よ う に ，降 雨 の 有 無 が あ る が ，ーションの開発には向かない．アプリケーション開発

その境界よりも降水コアと呼ばれる内部の降雨の強いの た め の フ レ ー ム ワ ー ク と し て は ， ParaViewWeb[12]、部分の方にデータ利用者の興味が注がれる場合が多い．

[13]に お け る フ レ ー ム ワ ー ク 、BrainBrowser[14]な ど がしたがって，可視化においては，充満している対象のあ る ． ParaViewWeb は モ デ ル 化 、 レ ン ダ リ ン グ を サ ー

内部の状態，分布をわかりやすく提示することが不可

バ サ イ ド で 行 い ， [13]に お け る フ レ ー ム ワ ー ク で は モ欠となる．

デル化はサーバサイドで行い、レンダリングはクライ3.2. 開 発 指 針

アント側で行う。これらは三次元表現方法を変更する

ライブラリの実装にあたっては ，ライブラリの利用ためにモデルを変更する場合には、そのたびにサーバ者（アプリケーション作成者）の利便性と汎用性に重への通信が必要となる。また、一般にサーバ側にてモ点を置き，開発を進めている．利用者の利便性というデ ル 化 を 行 う シ ス テ ム の 場 合 、モ デ ル の 情 報 を X3D な点では，最低限の設定のみでデータの三次元表示を可

ど の フ ァ イ ル で ク ラ イ ア ン ト へ 送 る た め 、 Web ブ ラ ウ

能となるように実装した．具体的には，利用者はデーザ に お い て X3D を 表 示 す る た め の 専 用 の プ ラ グ イ ン

タ と HTML 内 に デ ー タ 表 示 用 の 領 域 を 用 意 す る だ け でを 必 要 と す る 。 BrainBrowser は 医 療 デ ー タ を 対 象 と し少なくとも何らかの表示ができるよう ，デフォルトのたフレームワークであり、モデル化、レンダリングをパラメータを設定したり，ライブラリがデータ内容をクライアント側で行うが、医療データと地球環境デー判断して適当なパラメータを設定したりするようにし

タでは、その可視化において、座標の扱い、地形、地た．一方，汎用性を高めるため，ライブラリに適用す図の表示等、異なる部分が多くあり、そのままの適用る際のデータの構造を単純化するとともに ，カスタマは 困 難 で あ る 。 three.js[15]は WWW に よ る 利 用 を 目 的イズ可能なオプション設定を用意し，利用者が対象とと し た Javascript の 三 次 元 ラ イ ブ ラ リ で あ り ， 最 新 のするデータに合わせて各種パラメータを変更できるよ

ウェブブラウザであればプラグインを必要とはしないうにしている．

が ，three.js は 三 次 元 可 視 化 の プ リ ミ テ ィ ブ な 機 能 を 提3.3. 三 次 元 表 現 法供するライブラリであり，地球環境データを表示する

対象とする地球環境データは，その内部の分布等にた め に は ，三 次 元 モ デ ル の 構 築 ，三 次 元 座 標 の 管 理 等 ，も興味が注がれるため，ボリュームレンダリングによ複雑かつ多大な工程を必要とする ．

る可視化が必要である．しかしながら，ボリュームレ

本 稿 で 述 べ る ラ イ ブ ラ リ は three.js を 用 い て い る が ，ンダリングは負荷が大きく，アプリケーションの利用さらに地球環境データを可視化するために 適した設定，環境が多様であることを鑑みると，汎用的なアプリケ必要とされる機能を実装しており，ウェブアプリケーーションの構築は困難である．また，ウェブアプリケション開発者が容易に三次元可視化環境を実現するこー シ ョ ン を 構 築 す る 場 合 ， OpenGL を 利 用 す る WebGLとを可能とするライブラリである．この点で他の可視が 最 新 の 主 要 な Web ブ ラ ウ ザ に 対 応 し ，特 別 な プ ラ グ

化システムとは異なる．

インを必要せずにインタラクティブな操作が可能なほぼ 唯 一 の 三 次 元 可 視 化 基 盤 で あ る が ，WebGL は 基 本 的

3. 地 球 環 境 デ ー タ 三 次 元 可 視 化 ラ イ ブ ラ リ の機能
3.1. 地 球 環 境 データの特 徴にはサーフェスレンダリングに基づいており ，ボリュームレンダリングには適していない．そこで，本ライブラリは，以降で述べる方法を用い，サーフェスレン

地 球 環 境 デ ー タ は ，X，Y，Z 軸 に よ る 格 子 の 構 造 をダリングの技術を利用しつつも，内部の状態を見るこもち，各格子点が値を有する．例えば，地球温暖化予とが可能となるような三次元表現法を用い ，データを測データの一例では，X 軸は緯度，Y 軸は経度，Z 軸

可 視 化 す る ． な お ， 本 ラ イ ブ ラ リ は WebGL を 利 用 すは等気圧面であり，それぞれが数十～数百に分割される が ， 実 装 を 容 易 に す る た め に ， WebGL を ラ ッ プ し ，プ リ ミ テ ィ ブ な 三 次 元 可 視 化 機 能 を 提 供 す る three.jsの関数を設定することも可能である．この関数を変更を用いている．

することにより，データ自体に変更を加えず，地図投3.3.1. ス ラ イ ス 画 像 の 重 層

影法や可視化範囲の変更が可能となる ．また，ライブ表示するデータの Z 軸の格子点の数だけ，Z 軸に垂ラ リ に 対 し て ， [0, 1]空 間 を 三 次 元 表 示 す る 際 の X 軸 ，直 な 半 透 明 な 平 面 を 作 成 し ，そ こ へ そ の Z 平 面 に お け

Y 軸，Z 軸それぞれのスケーリングファクターを設定る物理量を二次元可視化した断面画像をテクスチャとし ，[0, 1]空 間 を 実 際 に 画 面 に 表 示 す る 際 に は ，各 軸 のして貼り付けることにより，三次元データの可視化す長さが異なる直方体となるように変形して表示するこる ． す な わ ち ， X， Y 平 面 に 水 平 な 半 透 明 の 断 面 図 をとが可能である．地球環境データにおいては，X 軸，重ねることにより三次元表示する ．重ねられる断面図

Y 軸は経度，緯度とされる場合が多いが，その範囲はの数がデータにより異なり，その結果，内部の透過具データに依存して様々であり，必ずしも正方形ではな合が変化するため，重ねられた平面の不透明度を変更

い ．ま た ，Z 軸 は ，分 布 等 を わ か り や す く す る た め に ，可能としている．本手法では，テクスチャが貼り付け高度を強調した可視化が多々行われる ．異なる領域のられた Z 軸に垂直な平面のみを取り扱うだけでよく，データを扱う場合や，Z 軸の強調度合いを変更するよレンダリングの負荷の軽量化が図れる ．

う な 場 合 に お い て も ，表 示 さ れ る 領 域 を 常 に [0, 1]空 間

3.3.2. 格 子 点 へ の 粒 子 配 置とすることにより，アプリケーション作成者の混乱を表示するデータの各格子点に物理量に対応した色防ぐことが可能であり，また，スケーリングファクタを持つ半透明の粒子を配置することにより ，三次元デーを変更するのみで各軸の強調度を変えることが可能

ー タ を 可 視 化 す る ．粒 子 の 不 透 明 度 は 変 更 可 能 で あ る ．になるなど，利便性が向上する．

データが持つ格子点数と同数の粒子のみを取り扱うた3.6. 二 次 元 断 面 表 示

め，レンダリングの負荷が軽減される．

3.3.3. 格 子 領 域 へ の 粒 子 群 配 置

三 次 元 表 示 画 面 と は 別 に HTML5 の canvas 要 素 を 設けて，ライブラリにて設定することにより，X 軸，Y表示するデータの各格子領域内に，物理量に対応し軸，Z 軸それぞれに垂直な断面図を表示する機能を有た色を持つ粒子をランダムに配置することにより，三す る ．Canvas 要 素 の サ イ ズ に 応 じ て 断 面 図 を 描 画 す る

次元データを可視化する．この際，物理量から配置すため，アプリケーション内での断面図の位置 ，サイズる粒子の数に変換する関数を設定することにより，物のカスタマイズが可能である．断面図のカラーリング

理量に応じた粒子密度を設定することが可能である．

は，三次元可視化の際に設定した物理量から色情報へ粒子の不透明度も変更可能である ．データが持つ格子の変換関数が使用され，特定の値を表示しないことも領 域 に 対 し て 複 数 の 粒 子 を 配 置 す る た め ，3.3.2 の 手 法可能である．また，等値線による描画も可能である．

よりも粒子数は増えるものの，粒子のみを扱うため，さらに，断面図を三次元画像内に表示することもできレンダリングの負荷は小さい．

る．X 軸，Y 軸，Z 軸の断面画像の表示は独立してお3.4. カラーリング
物理量から色情報への変換は，指定がない場合にはり，同時に表示することも可能である．

3.7. 地 形 ，地 図 表 示

ライブラリが最大値，最小値の間で青から赤へ色相が格子点における標高値を表す二次元配列 ，および X変化する関数が適用されるが，利用者が独自の関数を軸，Y 軸の位置を表す一次元配列を用意することによ設定することが可能である．また，色情報をヌル値とり ，地 形 を 三 次 元 表 示 す る こ と が 可 能 で あ る ．こ の 際 ，することにより，透明色とすることができる．これに標高値から色情報への変換を行う関数を設定すること

より，物理量の特定の値のみを表示し，その三次元分で，高度に応じたカラーリングを行うことができる．

布を把握しやすくすることができる．

さ ら に ，OpenStreetMap[16]な ど の タ イ ル 地 図 を ラ イ ブ

3.5. 空 間 表 現
本ライブラリにおいて，三次元可視化の対象として必要とされる最小限のデータは，格子点における物理量 を 表 す 値 の 三 次 元 配 列 ，お よ び 各 格 子 点 の X，Y，Zラリにより設定することで，表示範囲内のタイルを取得し，地形上にマッピングして表示することが可能である．

3.8. サポート関 数

軸 の 位 置 を 示 す 一 次 元 配 列 で あ る ．本 ラ イ ブ ラ リ で は ，ライブラリ利用者が地球環境データを用いたアプ

こ の 物 理 座 標 系 を 内 部 に お い て [0, 1] 空 間 に マ ッ ピ ン

リケーションを開発する際に頻繁に使用する関数群をグ し ， こ の [0, 1]領 域 を 三 次 元 可 視 化 す る ． 物 理 座 標用意している．具体的には，入力に応じて色相が段階

系 か ら 内 部 [0, 1]空 間 へ の 変 換 関 数 は ，指 定 が な い 場 合的に変化する色情報を得る関数，入力に応じて彩度がに は ラ イ ブ ラ リ が 自 動 的 に 各 軸 の 範 囲 が [0， 1]空 間 に段階的に変化する色情報を得る関数，入力に応じて 2収まるような線形関数が設定されるが，利用者が独自つの色の間で段階的に変化する色情報を得る関数 ，気図 1

レーダ雨量情報三次元可視化アプリケーション

圧から高度，および高度から気圧への近似変換関数等

タ で あ る [17]．1 つ の レ ー ダ サ イ ト か ら 複 数 の 仰 角 に よである．

る観測を行い，さらに複数のサイトによる観測データを統合することにより，広域な雨量の三次元分布を得

4. 地 球 環 境 デ ー タ 三 次 元 可 視 化 ラ イ ブ ラ リ のる こ と が 可 能 で あ る ． 本 ア プ リ ケ ー シ ョ ン で は DIAS

レーダ雨量情報への適用

よ り 公 開 し て い る 国 土 交 通 省 X バ ン ド MP レ ー ダ ネ ッ

地球環境データ三次元可視化ライブラリを用い ，レトワークのデータより作成された雨量の三次元分布情ーダ雨量情報の三次元可視化アプリケーションを構築

報を可視化する．アプリケーション利用者はまず，デした．

ータ作成・管理画面より領域，期間を選択し，サーバ

レーダ雨量情報は，X バンドのマルチパラメータ側に雨量情報三次元データを作成する．この際，サー（ MP）レ ー ダ を 用 い て 雨 粒 の 形 状 等 を 把 握 し ，雨 滴 のバでは，指定された期間内のタイムステップ毎に分割

扁平度から雨量を推定することによって得られる デーされたファイルを作成する．可視化アプリケーション
は ，1 タ イ ム ス テ ッ プ の フ ァ イ ル を サ ー バ よ り 取 得 し ，

図 3

スライス画像の重層

図 4格子領域への粒子群配置

画面内でのマウス操作により視線の移動 ，拡大・縮小等を行うことができる．また，断面図の下のチェックボックスをチェックすることにより，三次元画像内に断面を表示することができ，断面の位置はチェックボ
ックスの右のスライドバーにより変更することが可能である．三次元表示画面の下には，可視化パラメータの設定画面があり，ここで，不透明度，表示する地図の選択，地形の表示の有無を設定する．また，高度の強調表示が可能であり，その度合いの設定ボタンも配置されている．その下には，三次元表現法，表示する値のスレッショルドの設定等が行える ．また，表示対象とする時刻の選択や，表示対象時刻を順に変更する
こ と に よ る ア ニ メ ー シ ョ ン 表 示 も 設 定 で き る ． 図 2，
図 3，図 4 は そ れ ぞ れ ，雨 量 情 報 を ス ラ イ ド 画 像 の 重層による方法，格子点への粒子の配置による方法，格子領域への粒子群配置による方法で三次元可視化した場合の画像例である．
アプリケーションの作成においては，三次元表示画

図 2

格子点への粒子配置

面，および 3 つの断面図画面を用意し，ライブラリに可視化を行う．表示対象時刻を変更する場合には，そ各種パラメータとともにそれらを設定し ている．さらの都度ファイルダウンロードを行う．長期間にわたるに ，各 種 操 作 用 HTML 要 素 を 用 意 し ，動 作 に 合 わ せ て

雨量情報三次元データはサイズが大きくなり ，クライパラメータ等を変更することで実現されている ．三次

アント側のブラウザで全期間内のデータを保持するに

元 表 示 の た め の 座 標 計 算 ，マ ウ ス 操 作 に よ る 視 点 移 動 ，は多大なメモリが必要とされ，ブラウザのメモリ不足

断面図の作成などの部分はライブラリ 側の機能で実現により動作に支障をきたす恐れがあるためである．

さ れ て お り ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン 側 の JavaScript は ， ラ

図 1 は ，レ ー ダ 雨 量 情 報 三 次 元 可 視 化 ア プ リ ケ ー シ

イ ブ ラ リ を 除 く と ，コ ー ド 数 は 1000 行 以 下 で あ り ，そョ ン の 全 体 画 面 で あ る ．上 部 に 地 域 ，表 示 対 象 物 理 量 ，のうちの半分以上が物理量毎に色付けを変えるために凡例を表示し，その下の左側に三次元表示画面，右側用意したカラーリングのための物理量から色情報へのに上より，緯線に垂直な平面，経線に垂直な平面，水変換関数である．

平面のそれぞれによる断面図を表示する．三次元表示

5. お わ り に
本稿では，現在開発を行っているウェブアプリケーションにおいて利用可能な地球環境データを対象とした三次元可視化ライブラリについて説明し ，レーダ雨量情報の可視化アプリケーションへの応用について紹介した．本ライブラリを用いることで，アプリケーシ
ョン作成者から複雑な座標計算，断面図作成が隠蔽され，容易に三次元可視化ウェブアプリケーションを作成することが可能となる．今後は，風の情報を表示する際に利用されるベクトル表示機能や，標高タイルからも標高情報を取得できるようにする等 の改良を加える 予 定 で あ る ． な お ， 利 用 し た 雨 量 情 報 （ XRAIN） データは，国土交通省より提供され，文部科学省気候変動適応戦略イニシアチブ「地球環境情報統融合プログラ ム （ DIAS-P）」 の 枠 組 み の 下 で 収 集 ・ 提 供 さ れ た もの で あ る ．ま た ，本 研 究 は ，DIAS-P の 支 援 を 受 け て いる．

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