松江城山の三次元地質図をつくる

1.はじめに2012年に国交省によって提言されたCIMの一環として三次元モデルを作成することはこれからますます重要になると思われる。本報告では松江城山一帯の地質を三次元モデルで構築しその流れと実際の結果の有効性について考察し、今後の応用について言及する。
使用するソフトはQGISとライノセラ
ス。QGISはオープンソースのGISソフト。
ライノセラスは商用の三次元モデリングソフトだがCADデータとの互換性が高い。
また3ヶ月間は試用期間でもフルスペックで使うことができるので興味のある方は試してみるのもよい。

2.ベースになる地形データを準備する
我々が業務で入手できる地形データは様々である。近年ではLPデータが多く利用されるが、UAV写真からメタシェイプで作った点群、他にも砂防基盤図なども利用できる。つまりこれらのデータは三次元モデルとして活用可能である。しかし著作権等で保護されたデータもあり、利用の範囲の確認が必要である。
一般に利用できる三次元地図データとしては国土地理院のDEMデータがある。これはユーザー登録し目的を示すことでサイトよりダウンロードできる。そして一定の条件内で結果の公表もできる。

基礎設計室 新宮敦弘
本報告ではこの国土地理院の数値標高モデルを利用した。
国土地理院の基盤地図情報からダウンロードした数値標高モデルをQGISで処理するためには、ラスタデータへの変換をする。株式会社エコリスがＨＰで公開しているdemtoolを使用してダウンロードしたデータをラスタに変換する。このとき、変換後の投影法を緯度経度、UTM (Universal Transverse Mercator, ユニバーサル横メルカトル図法)、平面直角座標から選択でき、私はCADでの利用を視野に平面直角座標（JGD2011/Japan Plane Recta
ngular CS III）を選択し変換した。
それをQGISのレイヤーに読み込めば早速利用できる。ただ、この数値標高モデ
ルは松江城を含むFG-GML-5333でも広範であり美保関の先端も入っている。これ全体を処理する意味は全くないため、QGISのラスタメニューの「範囲を指定して切り抜く」により最小限の範囲を切り出して利用する。
ライノセラスで使いたい地形データは、等高線と地形を表現するメッシュデータである。まずこれらを生成する。
切り出したDEMデータを使って、QGISのラスタメニューの「等高線」で等高線出力ができる。生成するオプションの「三次元ベクタを生成する」のチェックを忘れず、出来た等高線をDXFにエクスポートしておく。
メッシュデータの作成は少々回りくどい。QGISではベクトルデータからメッシュが作成できるが、ベクトルデータは先ほど生成した等高線が利用できる。QGISのプロセッシングツールボックス（以下ツールボックス）のメッシュ内にある「TINメッシュを作成」を行う。このTINメッシュから同メッシュ内にある「グリッドメッシュを出力する」でグリッドメッシュ（XYだけで、標高をもたないベクタデータ）が生成される。
このグリッドメッシュにツールボック
ス内のベクタジオメトリにある「ドレープ（ラスタ値をZ値に代入）」を使い、切り出したDEMデータの標高を埋め込む。この出力は標高を持ったグリッドメッシュである。
私の場合は、このドレープ出力結果を使って再びTINメッシュを生成する。この二次TINメッシュは見た目には最初のTINメッシュによく似ているが、内部的にはグリッドを基準に標高が埋め込まれている。この二次TINメッシュを元に、ツールボックスのメッシュの「メッシュの面を出力」でポリゴンを作成する。グリッドメッシュから直接これに変換できるなら回りくどい数回の処理は不要であるが、整然としたメッシュをつくるにはこの回りくどい処理が必要であった。
出力されたメッシュの面をツールボッ
クスのベクタジオメトリにある「ポリゴンを線に変換」で輪郭線のみ取り出し、先ほど同様に「ドレープ（ラスタ値をZ値に代入）」を使い、切り出したDEMデータの標高を埋め込む。こうすることにより線で構成されたメッシュに高さを与えることができた。この出力結果をDXF保存すればメッシュの骨組みとなる。
ライノセラスで上記等高線とメッシュのDXFを開くと、平面直角座標を持ったデータが開く。等高線はそのまま利用可能
だが、メッシュはまだ線のデータであり、２段階の変換が必要である。
QGISのメッシュの周囲は多少乱れている場合がある。それを最初に削除してから、surfaceツールの「surface from pla
nar curves」でsurfaceに変換する。レイヤーをうまく使いもとのcurvesで出来たメッシュデータは削除するか非表示にする。この処理には多少メモリーが必要で要注意である。surfaceに変換したデータは、全選択し「join」する。これでpolysurfaceができる。
次にメッシュツールの「mesh from surface/polysurface」でメッシュに変換する。polysurfaceデータはレイヤーをうまく使い削除するか非表示にする。surfaceまで戻って修正する場合はほぼないと思われる。このメッシュと等高線をそれぞれ別のレイヤーにおけば地形モデルは完成する。
ここまでのQGISとライノセラスの作業でデータ量にもよるがおよそ30分程度である。

3.地層のモデリング
地層のモデリングに先立ち、地層を分析しイメージする必要がある。それは通常はプリントされた平面図上で行うのがよい。平面図に露頭の場所と標高を記入。ボーリング情報があればその位置に地層の標高を記入。基岩コンター線を通常の地質図の作成のように描くが少し広範に描くのがよい。
先に作った等高線データは二次元CADでうまく読み込めばそれ上でXY座標の読み取りが可能である。私はQCADという二次元CADに等高線を表示し、背景に手描きの基岩コンターのラスタデータを貼って基岩コンターのXY座標を読み、それに基岩コンターのZ値を加えて、XYZ座標を生成した。
単純な基岩コンターなら読み取る点数は少なくてよいが、範囲を包括する範囲の読み取りを行い、座標のテキストファイルを作成する。
出来上がったテキストファイルはQGISを新規に立ち上げ、プロパティでプロジェクトのCRSをJGD2011/Japan Plane Rect

angular CS IIIにセットした後、レイヤメニューのレイヤを追加から「CSVテキストレイヤを追加」で点群として読み込む。
うまく読み込んだら、先ほどの地形図で行ったTINメッシュ作成をこの点群データを使って行う。その後、同様にグリッドメッシュ、ドレープ、二次TINメッシ
ュ、メッシュよる面、ポリゴンより線、ドレープ、DXF出力で面のDXF出力を行う。ライノセラスでも地形メッシュ同様に処理しメッシュデータを作成する。
各地層面についてこの処理を繰り返し、地形モデルに取り込んでいく。
地層の場合、一方の面が他の面（地層や地形）で切られてしまう場合がある。
ライノセラスでは「Mesh split」によりメッシュとメッシュの交線で分割する機能があり、それで分割後不要な方を削除できる。（ただメッシュの交わり方によっては手作業での修正がでる場合がある。）
各地層の範囲が決まれば、色などを与えて三次元モデルは完成する。
要は地層境界を点群で与えることである。QGISを通せばメッシュに変換できるが、ライノセラスで直接点群を読み込み、それを結んでメッシュを手動でつくることも可能である。（自動生成のプラグインも存在するが、古いバージョンのライノセラス用で今回は利用出来なかった。）QGISでメッシュ化することでボーリングポイントなどジャストな点がずれることもあるが、ライノセラス上で点を追加等もできるのであとは必要に応じて行えばよい。
これらの作業は半日作業である。

4.地質図の表示＆出力

ただここまで作ってきたモデルは境界線モデルである。本来地層は厚さを持っている。それはライノセラスを駆使すれば可能だが、最低限ここまでできていれば好きな方向に断面図を作ったり、パネルダイヤグラムをつくったり、三次元PDFを出力したり、地質平面図を出力したり様々なことに利用できる。
三次元データは必要なアングルから地層の観察ができるため、利用する人が簡単に地質構造を理解できるようになる。
そして地形図データが変わっても、地層のメッシュは座標で作ったものなのでそのまま移行できる。
必要な断面線が変わっても地質断面がすぐに切れることになる。ここまでできると三次元化したメリットの方がかなり大きい。
この三次元地質図、ライノセラスからはDXFあるいはDWGなど多くのフォーマットにエクスポートでき、それをインポートすることでV-nasクレアでも利用できる。

5.おわりにここまで松江城山の地形、地質データを例に三次元の地質図作成について述べてきた。
最後に示す松江城の地質図は本年3月に松江城研究に投稿した論文に載せたものである。手描きの地質図であり1/2000の地形図をもとに作成したものである。国土地理院の数値標高モデルで作成した地質図と比較してみると標高情報の豊富な数値標高モデルのほうが詳細になっているように思われる。これがLPデータ等の地形データであればもっと詳細なものになるであろうと思われる。もちろん地質データもより詳細に取り込まなくてはならないけれども。
この取り組み、今後もさらに展開・発展させて行きたいと思っている。

参考文献：
澤田順弘・三瓶良和・新宮敦弘・岡崎雄
二郎, 2021, 史跡松江城内にあった炭鉱と火力発電所, 松江城研究3, p29