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令和４年度砂防学会研究発表会概要集
ＵＡＶレーザを用いた大規模土砂災害における初動調査の試行検討
国土交通省近畿地方整備局紀伊山系砂防事務所 ○北本 楽、山本 悟司、小杉 恵
国土交通省近畿地方整備局大規模土砂災害対策技術センター 木下 篤彦※１
中電技術コンサルタント株式会社 荒木 義則

1.はじめに
平成 23 年 9 月の紀伊半島大水害では紀伊山地各地に大規模な深層崩壊が多発し、17 箇所で河道閉塞が形成された。河道閉塞による湛水や越流を発生原因とする土石流等の重大な土砂災害が急迫している場合には、土砂災害防止法に基づき、市町村が適切に住民の避難指示の判断が行えるよう、国が緊急調査を実施して土砂災害緊急情報の提供を行う必要がある。
土砂災害緊急情報の提供には、河道閉塞比高等を現地計測し、数値計算を用いた土石流氾濫想定区域の算出が必要となる。これまでの緊急調査では、再崩壊や土砂流出による二次災害リスクがあることや、地上からのアクセスが困難な場合が多いことから、ヘリコプターによって河道閉塞箇所上空に接近し、上空から目視でレーザを照射することで現地計測を実施している事例が多い。しかしながら、悪天候によりヘリコプターが飛行できない等の迅速性が損なわれる場合が想定されることや、ヘリコプター自体の揺れ、計測者が変わることによる計測誤差等が影響し、正確な現地計測が実施できないことが指摘されており、ヘリコプターに代わる機器を用いた安全かつ定量的な現地計測手法が求められる。
本発表では、紀伊半島大水害により発生した長殿地区（奈良県十津川村、図 1）の河道閉塞箇所において、無人航空機（以下、UAV）にレーザ計測機器を搭載して飛行させ、河道閉塞箇所の点群データを取得するとともに、国土交通省の砂防行政にて緊急調査時に実施する河道閉塞の越流に伴う土石流氾濫数値計算（以下、QUAD-L）による計算を実施し、UAV レーザによる河道閉塞箇所の緊急調査に対する適用性と有用性について報告するものである。
2.手法
2.1 UAV 機材およびレーザ計測機器
機体はレーザ計測機器との互換性を考慮して Matrice 300
RTK を用いた（図 2 上）。また、レーザ計測機器はプロポ（操縦リモコン）の画面内に映る中央の１地点の座標を計測する機器 Zenmuse H20T（以下、単点レーザ機器）と UAV 飛行中に地表面に多数のレーザを照射して地表面の点群データを取得する機器 Zenmuse L1（以下、点群レーザ機器）の 2 種類を用いた（図 2 下）。単点レーザ機器による計測箇所は QUAD-Lの計算に必要となる河道閉塞の天端、下流端、および湛水池下流端の 3 箇所（図 3）を狙ってレーザ照射し、座標を取得した。他方、点群レーザ機器は 48 万点/秒で地表面にレーザを照射して点群を取得する仕様であり、着陸後にデータをパソコンで処理することで表示される高密度点群モデルから、QUAD-L に必要となる各箇所の最近傍点の計測値を座標として採用した。
2.2 UAV の飛行条件および計測精度の検証
長殿地区にて河道閉塞が発災した場合、現場に立入できな－ 405 －いことが想定されるため、河道閉塞箇所から約 1km 下流の土石流の到達しない安全な地点を離発着地点として設定した（図 4）。UAV 飛行は、対地高度 150m 以上の飛行を行うための許可を取得の上、目視内の手動飛行で行った。機体位置の測位方法は、離発着地点周辺に GNSS 基地局を設置して、UAVを移動局とする RTK（リアルタイムキネマティック）方式を用いた。また、同時期に UAV 空撮画像を行い、SfM 解析により作成した 3 次元モデルを計画値として、単点レーザ機器および点群レーザ機器で取得される座標と比較することで、両機器の計測精度を検証した。空撮は PPK（後処理キネマティック）方式で実施して、機体の正確な位置座標を後補正した。
3. 結果と考察
3.1 UAV レーザによる河道閉塞箇所の計測
2021 年 12 月に実施した長殿地区における現地計測状況を図5 に示す。単点レーザ機器は、QUAD-L の計算に必要な箇所のみに絞った計測を実施し、総距離約 2600m、約 15 分の飛行で座標を取得できた。また、点群レーザ機器は総距離約 3800m、約 18 分の飛行で河道地表面の座標を取得の上、UAV 着陸後にパソコンに点群データを読み込んで解析処理（約 6 分）を行うことで座標を取得できた。両機器とも、UAV 飛行から 30 分以内に QUAD-L に必要な座標を取得できた。次に両機器で取得された座標について、SfM 解析により作成した 3 次元モデルを計画値、すなわち正として座標を比較した。表 1 に示す
ように、計画値に対する両機器で取得した座標は水平方向（XY方向）と鉛直方向（Z 方向）で±4m 以内の計測誤差となった。
単点レーザ機器と点群レーザ機器の計測誤差平均を比較すると、点群レーザ機器の方が計画値との差は小さく、より精度が高いことがわかった。単点レーザ機器を用いた手法については、画面内に映る中央の１地点の座標をリアルタイムに取得できるため、国土地理院の数値標高モデル等を参照することで計測値のもっともらしさを即時確認することが可能である。また、点群レーザ機器については、ﾉｰﾄ PC（推奨：ﾒﾓﾘ 64GB､CPU_Corei9 以上）を現場に持ち込むことで即時対応ができ、単点レーザ機器に比べて計測精度が高く、また、河道をまんべんなく計測できるため深層崩壊土砂量や河道内の残存土砂量を点群モデルから定量的に算出することが可能となる。
3.2 QUAD-L による土石流氾濫計算
計画値との差が小さく精度が高いと考えられる点群レーザ
機器で取得した座標を用いた QUAD-L による土石流氾濫想定区域の算出結果を図 6 に示す。使用した数値標高モデルは2016 年に取得された LP 航空測量に基づく 10m メッシュを使用し、QUAD-L の計算は 20m メッシュで計算を実行した。QUADL による氾濫区域は、近畿地整内で毎年実施される QUAD 演習時の計算結果と同範囲であり、従来のヘリコプターを用いた計測と同等の精度を確保できると考える。

4.まとめUAV レーザによる河道閉塞箇所の調査およびQUAD-L に必要となる現地計測は、2 種類のレーザ計測手法を用いて実施した。RTK を用いて UAV 位置座標の高精度化を図ると共に、単点レーザ機器および点群レーザ機器のいずれの計測手法においても、QUAD-L を計算するために十分な精度を保有していた。
ヘリコプターの有視界気象状態における飛行は、雲から高さ方向に 300m 以上離れる必要があり、地表付近が雲でおおわれている場合は、その直下の災害現場状況を確認することができない。この点において、UAV は山肌近くの低空飛行が可能である。UAV はヘリコプターに比べ飛行時間も短く、災害現場近くまで UAV を運搬する必要があるものの、無人で容易に飛行でき、定量的に現場状況を計測できることから、本手法は、緊急調査に対する適用性と有用性は高いと考えられる。
本発表では、目視内の手動飛行に限定して UAV 飛行を実施したが、今後は目視外での自律飛行などの技術と組み合わせて、河道閉塞箇所の継続監視に至るまで UAV 活用の検討を広げていく必要がある。

【参考文献】1) 清水ほか：天然ダムによる土石流想定範囲計算システム（QUAD-L）の開発と 2011 年台風 12 号災害における適用、土木技
術資料、Vol63、No.8、2012
2) UAV の自律飛行による天然ダムの緊急調査及び被災状況把握に関する手引き、大規模土砂災害対策技術センター、2021

図.1 発災直後と現在の長殿地区

図.2 UAV 機体とレーザ計測機器
図.3 QUAD-L 計算に必要な河道閉塞の計測箇所

図.4 UAV 離発着地点とレーザ計測箇所
図.5 単点レーザ計測と点群レーザ計測による河道閉塞の計測
表.1 各レーザ計測座標値の計測誤差
計測手法

地点

A
B
C
A
単点レーザ
B
計測機器
C
単点レーザ計測機器の計測誤差平均→
A
点群レーザ
B
計測機器
C
点群レーザ計測機器の計測誤差平均→

計測誤差（計画値-各座標値）（m)
X(m)
Y(m)
Z(m)

計画値

図.6 QUAD-L による土石流氾濫想定区域－ 406 －

1.63
2.402.21
2.08
0.65
0.34
0.36
0.45

-1.50
1.38
3.93
1.27
0.63
0.32
1.34
0.76

-2.24
-4.22
-3.87
-3.44
-0.02
-0.11
-0.27
-0.13