3.3.2 統合型災害対応システムの研究 アジア航測株式会社 下垣豊 大鋸朋生 (1) 目的 1995 年の阪神淡路大震災では，緊急時運用を前提とした専用システムを有効運用で き ず，災害直後の被災状況を早期把握し得なかったことなど，我が国の防災･救命救助シス テムの不備を露呈した．これらの教訓から，ロボカップレスキュープロジェクトなどのロ ボット工学や防災･救命救助技術が急速に進歩してきた．また，地理情報科学分野でも高 さ情報などを付加して今まで以上に実世界に近い空間表現を実現する 3 次元地理情報シス テム（3 次元 GIS）が進歩しており，当時に比べてデータ獲得･分析･表現技術は著しい進 歩を遂げている． そこで，本研究では都市型大災害の人的･物的被害を最小限に抑えることを目指す次世 代の震災総合シミュレーションシステムを開発していく過程で，災害初動時における現地 情報収集の技術基盤確立を目指し，ロボット工学と地理情報科学の技術領域を融合させ， まったく新しい技術基盤を創出するとともに，究極的には人命災害救助という人類に普遍 的な問題を解決する要素技術の開発を目的とした． (2) 年次実施計画 本研究では，災害初動時にレーザスキャナと高解像度デジタルカメラを搭載した航空機 とモービルマッピングによる計 測 車 両 で 上 空 と 地 上 か ら 現 地 情報（建物の高さと画像）を収 集する．収集情報と平常時に整 備済みの 3 次元都市空間モデル を 比 較 し て 建 物 変 化 域 を 検 出 し，建物倒壊等の被害箇所を速 やかに特定する手法を提案する． 2 年間で実用的な成果を得るた め，現時点で確立されつつある 要素技術を効果的に統合し，実 際 の 災 害 へ 適 用 可 能 な シ ス テ ムの開発を主眼として図１に示 す研究開発計画を策定した． 平成 14，15 年度の研究では， 建物の高さデータおよび画像デ ータを用いた差分検出による建 物 倒 壊 な ど の 被 害 箇 所 を 評 価 するユーザインターフェースを 図１ 研究開発計画
持つシステムの試作品，および平常時に有効活用可能な都市立体モデルの生成技術を研究 開発した．これらの一連の技術により災害初動時の緊急車両や情報収集ロボットに対する 活動支援，「震災総合シミュレーション等の災害対応戦略」への詳細情報提供が実現する と考えている． 平成 16 年以降の 3 年間は，当社の基幹技術である応用位置測量･解析写真測量技術にロ ボット研究者の持つ無線データ通信技術を加えることで，情報収集ロボットの観測画像を 地図上へ投影し，ロボットの計測した座標をもとに構造物の形状を再現して状況把握を可 能にする技術開発を実施することを計画している．（表１） このように，現時点で確立されつつある要素技術を効果的に統合し，実際の災害へ適用 可能なシステム開発を主眼とすることで，なるべく早期に地方自治体等の行政機関が導入 できる 3 次元データ基盤とシステムを開発できるようにする．本研究計画の後半 3 年間の 流れは図１の下半分および表１に示している． 表１ 平成 16 年度以降の研究開発計画 研究実施内容 平成 16 年度 平成 17 年度 平成 18 年度 平常時に活用できる都市立体モデル 生成精度の向上 変化抽出機能の強化 （複数の検出手法を組み込む） ３次元都市モデルを利用した変化箇所の わかりやすい可視表示手法の実用 情報収集ロボットの現在位置と観測画像を 地図システム上への投影実現 画像処理技術との組み合わせによる 被害箇所特定精度の向上 ロボットエージェントとの接続仕様の確定 震災総合シミュレーションとの接続仕様の確定 接続部分機能実装 また，新旧 2 時期間の差分抽出技術 の 充 実 ･強 化 を 図 る と と も に ， 社 内 で 別途開発中の画像の色彩情報と輪郭情 報を組み合わせる画像処理手法を導入 し て 被 害 箇 所 の 特 定 精 度 向 上 を 図 り ， 優先的にロボットを投入すべき被害箇 所を的確に抽出できるようにする．図 ２にこれを利用した変化抽出事例を示 す．この手法では，災害発生後の画像 1 枚から被災箇所を抽出できるため， 平常時のデータを整備できていない場 合にも，変化箇所を抽出できる． こ の よ う に し て 現 場 観 測 で 収 集 し た 図２ 単一画像からの変化抽出例
多くのデータは，適宜，震災総合シミュレーションへ引き渡し，災害対応戦略の最適化活 動の精度向上に貢献することを目指す． (3) 前年度までの成果要約 前年度は航空機搭載型レーザスキャナ（以降，航空機レーザスキャナ）と高解像度デジ タルカメラで上空から平常時の建物形状と画像データをそれぞれ収集した．また主要幹線 道路を中心とした車両進入が可能な範囲では，地上から車載型モービルマッピングシステ ム（以降，モービルマッピング 車両または計測車両）によって 同様のデータを収集した．それ ぞれのシステムで平常時の JR 川崎駅周辺，約 1 平方キロメー トルの研究区域内（図３）で構 造 物 の 高 さ デ ー タ と 画 像 デ ー タを同時に収集し，獲得した高 さ･画像データからビル建物が 多く立ち並ぶ市街地中心部の 3 次元空間モデルを生成した． 航空機レーザスキャナ（図４） および IMU（慣性計測装置）を用いて計測対象物の 3 次元位置情報を取得する装置であ る． は，航空機に搭載したレーザスキャナ装置，GPS 受信機， 図３ データ収集範囲（平成 14 年度） 図４ 航空機によるレーザ計測の様子
この装置は，航空機から地面や構造物など，地表へ向けて航空機の進行方向を横向きに 往復走査しながらレーザパルス（光束）を照射し，その往復時間と航空機の姿勢方位に関 するデータを解析することで，レーザパルス 1 点ごとのフットプリント（地表面上のレー ザ照射点）の 3 次元位置情報（緯度，経度，標高）を精度よく算出する．計測精度は，高 さ方向で±10 数センチ程度，水平方向では対地高度の 2000 分の 1 程度（対地高度 1000m での計即時には±50cm 程度）までに低減した高精度を実現している． これに社内で既に保有している要素技術を適用し，3 次元都市モデル（図５）を効率的 に構築する技術を確立した．この 3 次元モデルは，平常時には自治体での景観シミュレー シ ョ ン な ど ， 行 政 サ ー ビ ス 用 途 と し て 有 効 活 用 さ せ ， 緊 急 時 に は 航 空 機 で 収 集 す る 災 害 直 後 の デ ー タ と 比 較 す る た め の 災 害 前 デ ー タ と し て 利 用 可 能 で あ る ． こ の ほ か ， 建 物 倒 壊 箇 所 等 の 被 害 規 模 の 大 き な 箇 所 を 特 定 す る た め の 技 術 検 討 お よ び 既 存 技術調査を行った． 図５ ３次元都市モデル (4) 平成 15 年度の目的 収集した構造物の高さデータを用いた変化抽出アルゴリズムを開発･選定し，建物倒壊 等の被害箇所を検出する機能を持つ被災地特定システムを試作する．次に，被災直後を想 定した 2 度目の航空機レーザ計測を行い，災害前に獲得済みの 3 次元都市モデルとの比較 実験を実施する．調査対象区域 は図６に示す．これと並行して 構 造 物 の 高 さ 情 報 を 時 系 列 か つ 3 次元的に表現可能な地理 情報システム（GIS）と組み合 わせることを目指す．この地理 情報システムは，震災シミュレ ーションおよび情報収集ロボッ トとのデータ共有が将来的に可 能となるように考慮する． このほか，同時に獲得した画 像データか ， ら 3 次元都市空間モ デルを構築し，災害直後の都市 の再現をも目指す．平成 16 年 度以降は，この地理情報システ 図６ 調査対象地域
ム上に情報収集ロボットで収集したデータを取りまとめて表示し，現地状況を震災シミュ レーションシステムへ送信する等，情報収集ロボットと震災シミュレーションとのインタ ーフェース技術を確立する予定である． (5) 平成 15 年度の成果 を下記に示す． 建物高さと画像データを整備した．図７に示すよう 割 り 付 け 前 の 高 さ 像） でデータ収集した．こ こ 図７ 上空 100m から俯瞰した川崎区役所 平成 15 年度の研究成果 (a) 平常時データの整備と有効利用 平常時データとして平成 14 年度に に，比較的大型の建物（川崎区役所を例とする）であれば建物上面および側面の画像を正 確 に 配 置 で き て い る こ と が わかる． ま た 画 像 デ ー タ （ 図 ８ ） は ， 他 チ ー ム が 研 究 し て い る 空 中 移 動 ロ ボ ッ ト の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 用 途 と し て 利 用 し ， 高 さ と 画 像 を 組 み 合 わ せ た 3 次 元 都 市 モ デ ル は 平 常 時 デ ー タ と し て 利 用 す る が ， 災 害 前 に は 景 観 用 途 と し て 有 効に利用できる． (b) 災害時の迅速な被災状況観測（建物高さデータおよび画 災害時データとして，平成 15 年 9 月に平成 14 年度と同じ区域 では，被災直後を想定した 2 度目の航空機レーザ計測を行ったが，対象地域を襲った大 震 災 に よ る 被 災 が 及 ん で い な い と 考 え ら れ る 安 全 な 遠 隔 地 を 想 定 し て 八 尾 飛 行 場 （ 大 阪 府 八 尾 市 ） か ら 航 空 機を離陸させた．航空機は， 1 時間 30 分程度で現地（川 崎市上空）へ到着し，1 時間 弱のデータ計測を実施した． データ取得は，平成 14 年 度調査時（図３）に加えて， 対 象 範 囲 内 の 画 像 を 漏 れ な く 取 得 す る た め に ， 北 東 側 お よ び 南 西 側 に そ れ ぞ れ 1 測 線 ず つ 追 加 し た た め ， 調 査 時 間 は 若 干 増 加 し た ． 調 図８ シミュレーション用途の高さデータ 川崎区役所
査終了後は調布飛行場へ着陸し，飛行場で調査員が計測データを受け取ったのち，直ちに 室内へ持ち帰って解析を行った． 本年度の研究によるデータ試作，昨年度の同研究，ならびにこれまでの業務実績から算 定した災害発生から被災箇所の特定までにかかる所要時間の概略見積もりを表２に示す． この結果では平成 14 年度の試算同様，現行の技術と運用体制では倒壊箇所を特定するま でには 1 日程度を要することはやむを得ないと言える． 観測地域の広さと被災地までの飛行時間は依然として不確定要素だが，災害の及ばない と予想される遠隔地（関西地域）から片道 1.5 時間で飛行し，1 時間程度の観測を実施し たとする．これは平成 15 年度の調査に要した時間である． また変化抽出用に用いる平常時データには，平成 14 年度に取得済みのデータを用いて 差分検出を行った．比較に用いるデータとしては可能な限り高密度に整備した高さ情報で， テクスチャを含む高精細 3 次元モデルであることが望ましいが，災害時には緊急を要する ため建物変位を識別できる最低限の密度で高速処理が可能な最適なモデルを生成する必要 がある．今回は，テクスチャによる差分検出は機能未装備のために実施せず，可能な限り 高密度に整備した高さ情報（0.5m 間隔の格子データ）を用いて高さ方向にも 0.5m 間隔に 間引いたデータを用いた． 表２ 被災地特定までの所要時間 工程 作業内容 所要時間（時間） 1 地上準備作業（機体準備，観測機器設置， 観測範囲・飛行経路等の地上調整） 3∼ 5 2 現地へ移動，観測（データ収集），帰還 （八尾飛行場→川崎市上空→調布飛行場→厚木） 4∼ 5 （H15 年度実績 値） 3 解析処理（ノイズ除去，コース間接合， 各種補正，地表モデルの生成） 5∼10 4 3 次元都市モデルの作成 （モデル生成のパラメータは調整せず，自動で実 施） 2 （H15 年度実績 値） 5 差分検出による建物倒壊地域の特定 （0.5m 間隔の格子データとして整備し，比較） 3∼ 5 （H15 年度実績 値） 表は平成 14 年度に提示したものに実績値を加味した． このほか，平成 14 年度に取得済みの災害前データとの比較による変化抽出実験を主目 的とするが，観測データ精度を検証する目的で川崎競輪場内の富士見陸上競技場にテスト フィールドを設け，レーザ計測精度を求め，変化抽出を試みるための模擬新築建物を設置 した（図９）．
図９ 川崎競輪場での実証実験 図１０ 川崎競輪場での実証実験結果 模擬建物は 1 地点につき 3 回ずつ計測した VRS-GPS 測量によって標準偏差で 5cm 以内 の精度で測位されており，この結果とレーザ計測による位置と高さを比較してレーザ計測 の精度を検証した（表３，図１０）．この結果，VRS 測量とレーザ計測結果では，平均値 で約 4.5cm，標準偏差では 2.6cm の標高差となり，レーザ計測精度の高いことが実証され た．
表３ レーザ計測精度の検証 建物上面の平均高さ 模擬新築 建物番号 VRS レーザ VRS とレーザの 標高差 A 2.361 2.465 -0.104 B 1.968 1.965 +0.003 C 2.060 2.090 -0.031 D 2.513 2.489 +0.024 E 2.519 2.550 -0.031 F 2.083 2.111 -0.028 また，本年度は画像ベースで被災状況をより詳細に把握するため，昨年度は地上付近で の水平解像度が 35cm 程度であった有効画素数約 600 万のデジタルカメラを，同約 1600 万画素の機種へグレードアップさせることで，15∼20cm 程度にまで向上させた． (c) 建物倒壊箇所，道路閉塞箇所の変化特定システムの実証試験 変 化 抽 出 に 際 し て は ， ラ ン ダムデータとして取得した高さ データを 0.5m 間隔にメッシュ 化した．図１１上および中）は 災 害 前 の 平 常 時 デ ー タ と し て 収集済みの平成 14 年度データ と災害時を想定して平成 15 年 度に収集したデータをそれぞれ メッシュ化し，高さによって色 区分表示したものである． 図１１ 変化抽出事例 平成 14 年と平成 15 年のデー タ で 変 化 抽 出 し た 結 果 は 図 １ １下である． こ の 手 法 に よ る 変 化 抽 出 で は，変化箇所は区域内で 5 箇所 あり，そのうち 2 箇所は床面積 100 平方メートルを超える構造 物であることが分かった．また， 建 物 の 輪 郭 に 沿 っ て 変 化 領 域 が現れているが，これはレーザ 計 測 の 距 離 誤 差 に よ る 分 解 能 の限界である． 床面積 100 平方メートルを超 える構造物のうち，JR 川崎駅 西口の変化箇所は，2003 年 12
月にオープンした複合商業施設ミューザ川崎（図１２）であり，平成 14 年度のレーザ計 測では建設中の状況を，また平成 15 年度は完成後の状況を把握できた． 図１２ 川崎駅西口の新築建物事例 本年度は図１１，図１２に示した変化抽出機能を試作システムへ組み込んでいる．試作シ ステムは将来的に統合を予定している「震災統合シミュレーション」が利用する KIWI+ 形式とのデータ交換を念頭に置いている．このように，2 年間の研究では建物の高さデー タおよび画像データを用いた変化抽出による建物倒壊などの被害箇所を評価するシステム の試作品，および平常時に有効活用可能な都市立体モデルの生成技術を研究開発した． (6) 平成 15 年度の成果発表等 本研究中に発表した論文などの成果発表を発表時期順に記述する． (1) 織田和夫：『センサーフュージョンによる都市 3 次元モデリング』 動体計測研究会（口頭発表），平成 15 年 1 月 15 日 (2) 辻 求：『車両搭載型センサを用いた三次元都市空間モデルの構築』 応用測量技術研究発表会（口頭発表），平成 15 年 6 月 12 日 (3) 大鋸朋生：『1 日で都市立体景観』 日経産業新聞（紙面掲載），平成 15 年 7 月 4 日 (4) 大鋸朋生：『3 次元被災状況把握を翌日に実現』 アジア航測技術報 2004，平成 16 年 3 月 (7) 参考文献 [1] 国 土 地 理 院 ： ヘ リ コ プ タ ー 搭 載 レ ー ザ ー ス キ ャ ナ に よ る 市 街 地 の 三 次 元 計 測 ， GSI テクノニュース，No.54，3 ページ，1998. [2] 福西宗憲，小杉幸夫，Plamen Tchimev，葛城大介，土居原健：地理画像変化域抽出に おける特徴量の選択，第 11 回機能図形情報システム シンポジウム講演論文集，2001. [3] 福西宗憲，坂元光輝，宇都有昭，小杉幸夫：マルチクラスター協調による不連続面の 検出，第 12 回機能図形情報システム シンポジウム講演論文集
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