３次元建物倒壊シミュレーションのための３次元ハザードマップの自動生成

杉原 健一 、林 良嗣

Automatic Generation of 3-D Hazard Map for Collapse Simulation of Building Models

Kenichi SUGIHARA 、Yoshitugu HAYASHI

Abstract: Hazard maps play an important role in letting residents know where are the dangerous areas of their

city or where to evacuate when hit by the great earthquake. However it is difficult for residents to imagine

possible dangerous situation caused by the earthquake only by looking at a hazard map, since a hazard map

shows seismic intensity of the meshes into which the map is divided. We develop “GIS and CG integrated

system for Automatic Generation of 3D Urban Models” and aim at developing “3D hazard map for collapse

simulation” using 3D building models automatically generated. The GIS and CG integrated system automatically

generates 3-D building models based on building polygons or buildings’ contours on the digital map stored by

GIS. This system automatically generates 3-D building models based on present digital maps or alternative plans

proposed by urban planners or designers, and it can be the disaster prevention support system which can visualize

collapsed buildings and blockaded road and so on. We will clarify how building models leaned by earthquakes

are automatically generated.

Keywords:３次元都市モデル(3-D Urban Model), ハザードマップ(Hazard Map), 自動生成(Automatic

Generation), 倒壊シミュレーション(Collapse Simulation)，３次元建物モデル(3-D Building Model)

１．はじめに

地域防災力向上のためには、災害イメージを具体的

に実感できるハザードマップの作成が重要である。と

ころが、このとき、通常、使用される確率的震度分布

等を与えるメッシュデータ形式のハザードマップでは、

リアリティーに乏しい。地域防災力向上のためには、

災害イメージを具体的に実感できる詳細なハザードマ

ップが有効である(日本地理学会、2004)。このとき、

建物等の３次元モデルを用いた｢３次元ハザードマッ

プ｣は、｢現実の世界に起こりうる災害状況｣をシミュレ

ーションして、人々が災害イメージを容易にいだくこ

とができる。このことは、住民、行政、専門家で災害

イメージを共有し、災害を分析、対策案の検討を行い、

地域の整備案を考え、地域の防災力向上につながるこ

とになる。しかし、現状では、この３次元モデルを構

築するためのモデリングに膨大な時間と労力がかかる。

そこで、本研究では、これまでの研究成果(Kenichi

SUGIHARA, 2006)である｢３次元都市モデルの自動生成

システム｣を発展させ、地震で倒壊し、傾斜してしまっ

た建物や電信柱等で構成される３次元モデルを自動的

に作成することで、建物倒壊、道路閉塞などのシミュ

レーションを行うことが出来る｢３次元ハザードマッ

プ｣を自動的に作成するシステムを提案する。

２．３次元都市モデルについて

建物を主要な構成物とする３次元都市モデル(図１

参照)は、グーグル社の Google Earth の 3D 表示やリ

ンデンラボ社のセカンドライフなどで、人々の関心が

急速に高まっている。セカンドライフは、現実世界と

は異なる世界を構築しているが、Google Earth の 3D 表

示は、現実世界を仮想空間に取り込んで、現実世界を

模した３次元都市モデルを構築している。この３次元

都市モデルは、都市計画、まちづくり、防災、景観な

どのアカデミックな分野から公共事業の情報公開、ま

ちづくりへの住民参加の場、観光案内、企業の広告、

営業活動の場としてまで利活用が期待される重要な

｢情報基盤｣である。住民参加型まちづくりでは、現状

と整備案の３次元都市モデルを提示するワークショッ

杉原：〒503-8550 岐阜県大垣市北方町５丁目５０番

岐阜経済大学 経営学部 経営情報学科

Faculty of Business Administration Gifu-Keizai University, 5-50

Kitagata-chou Ogaki-city Gifu-Pref, Japan TEL:0584-77-3598 図１ 情報基盤として多目的の利活用が期待される

本システムで自動生成した３次元都市モデル

プ等を開催し、住民、地権者、行政、デザイナーなど

が目標とする街の３次元イメージを共有し、改善案や

代替案を検討していくことがよりよいまちづくりにつ

ながる。

これらの３次元都市モデルを作成するためには、3ds

MAXや SketchUp などの３次元ＣＧソフトを用い、多く

の手作業で作成を行う必要があり、多大な時間と労力

を掛けている。そこで、この３次元都市モデルを自動

的に作成する研究がさかんに行われている。

｢現実の街並み｣を再現する３次元都市モデルは、Ｃ

ＧやＣＶ(コンピュータビジョン) 、リモートセンシン

グなどの技術を用いて、現実世界のものの３次元形状

や色などの情報をコンピュータの世界に取り込んで、

仮想空間に構築する。一方、｢将来あるべき街の姿｣あ

るいは｢過去の街並み｣を再現するには、それぞれ、計

画する街並みの地図や発掘調査結果、古地図などの地

図情報に基づき、主にＣＧを用いて、３次元モデルを

製作する。

３．自動生成のプロセス

本研究での３次元建物モデルの自動生成のプロセス

を図２に示す。建物の３次元モデルの情報源になるも

のは、建物境界線である建物ポリゴンが描かれている

電子地図である。電子地図は、汎用のＧＩＳによって、

蓄積・管理される。電子地図上の建物ポリゴンは、次

工程であるＧＩＳモジュールにて、①複雑な形状をし

た頂角が直角の建物ポリゴン (直角ポリゴン：

orthogonal polygon)を長方形の集まりにまで分割す

る。②建物ポリゴン上のノイズ辺や不要な頂点をフィ

ルタリングする。③建物境界線よりセットバックした

所にある窓やドアを配置するため内側境界線を生成す

る。

これら前処理したデータを、３次元ＣＧソフト(3ds

Max)をコントロールするＣＧモジュール(MaxScript

で開発)が取込み、①屋根や建物本体、窓など建物の部

品となる、適切な大きさの直方体、プリズム、多角柱

等の基本立体(プリミティブ)を作成する。②これらの

基本立体に対して、例えば、建物本体に窓やドア用の

穴を空ける等のブール演算を行う。③作成した建物の

部品を回転する。④正しい位置にこれらを配置する。

⑤これらに対してテクスチャマッピングを施す、等の

処理を行い、３次元建物モデルを自動生成する。３次

元都市モデルの元になる電子地図として、オルソ画像

上に描いた建物ポリゴンを図３に示し、建物ポリゴン

を、上記処理を行い自動生成した３次元都市モデルを

図４に示す。

電子地図

・建物境界線

・道路中心線

・電信柱中心線

GIS

Application ( ArcGIS )

*建物境界線

(建物ポリゴン)

*属性情報

・建物階数

・屋根タイプ(｢切妻屋根｣、｢寄せ棟屋

根｣等)

・イメージコード

(テクスチャマッピン

グ用イメージの番号)

GISモジュール ( VB using

MapObjects)

*直角ポリゴン

の長方形への

分割・分離

*窓等の配置の

ための内側境

界線生成

*ノイズ辺や不

要な頂点のフ

ィルタリング

CG モジュール (MaxScript that

controls 3ds Max)

*前処理したデ

ータに基づいて

基本立体(建物部

品)の生成とそれ

らに対して窓や

ドアの穴をあけ

るため等のブー

ル演算

*建物部品の回

転と配置

図２ ３次元都市モデルの自動生

成のプロセス

図３ グーグルアースのオルソ画像上に描いた建物

境界線

図４ 建物境界線に基づいて自動生成された３次元都市モ

デル

４．傾斜建物のモデリング

阪神・淡路大震災では、図６の写真に示すようにオ

フィスビルやマンションのように耐震性の高いはずの

鉄筋コンクリート造りの建物であっても、１階部分や

中間層がつぶれてしまい、倒壊する建物が存在した。

また、多くの木造建築物が倒壊して、道路を閉塞して

しまった地域も存在する。

地震により傾斜した建物の３次元モデルを作成する

には、建物本体や窓などを形成する適切な大きさの基

本立体(直方体)を生成し、図７、図９に示すように、

直方体の底面の中心にある制御点を原点とするローカ

ル座標のｘ軸、ｙ軸について回転する。傾斜建物の１

階部は、その底面の長方形の４頂点で、傾斜後、最も

高い頂点をグランドレベルにするよう高さを指定する

(図７参照)。傾斜建物の２階は、１階部と同様に、ロ

ーカル座標のｘ軸、ｙ軸について回転した後、１階部

の頂面の中心に２階部の制御点を位置するように、１

階部の頂面の中心位置を算出する。１階部の底面の中

心に対しての頂面の中心のｘ軸方向とｙ軸方向の変位

分(オフセット)を、ｘ軸回りの回転角とｙ軸回りの回

転角、建物底面の傾きを用いて算出する。

変位ベクトルは、ローカル座標系の｢ｘ軸回りの回転

による変位ベクトル｣と｢ｙ軸回りの回転による変位ベ

クトル｣の合成ベクトルとなるが、ローカル座標系の

｢ｘ軸回りの回転による変位ベクトル｣のワールド座標

でのｘｙ成分を算出するときに、建物ポリゴンの傾き

の正負によって、場合分けする必要がある。場合分け

して算出する式を図８で示す。下の階に対して、上の

階の建物の位置が算出する変位ベクトル分だけずれて

いく、傾斜建物を上から見た平面図を図９で示す。

５．３次元ハザードマップの作成

３次元ハザードマップの元になるものは、図１０に

示すような自治体が作成するメッシュデータ形式のハ

ザードマップである。ハザードマップでは、例えば、

東海・東南海地震同時発生時の震度(ゆれの強さ)をメ

ッシュ単位で、震度の強さに応じて色分けして表示す

る。今回の研究では，各メッシュの震度の強さに応じ

て、メッシュ内の倒壊・傾斜する建物の数を決め、そ

の数の建物ポリゴンをランダムに選択して、倒壊・傾

斜モデルとすることで、建物倒壊シミュレーションを

行う３次元ハザードマップとした。３次元ハザードマ

ップ作成のプロセスを図１０に示す。本研究では、メ

ッシュデータ形式のハザードマップが与える同時発生

図６ 阪神・淡路大震災において、倒壊したビル (http://ja.wikipedia.org/wiki/阪神・淡路大震災、より)

ｚ軸

ｘ軸

ｙ軸

ローカル座標

図７ 傾斜ビルを正面から見た図、基本立体(Box)の

底面の中心に制御点、ローカル座標が存在する

ｸﾞﾗﾝﾄﾞ

ﾚﾍﾞﾙ

if( arg >= 0 ) then (

d_x=h_st*sin(y_th)*sin(arg)-h_st*sin(x_th)*cos(arg);

d_y=-h_st*sin(y_th)*cos(arg)- h_st*sin(x_th)*sin(arg) )

else (

d_x=-h_st*sin(y_th)*sin(arg)+h_st*sin(x_th)*cos(arg);

d_y=h_st*sin(y_th)*cos(arg)+h_st*sin(x_th)*sin(arg)

)

＊ここで、ｘ軸回りの回転角を x_th、ｙ軸回りの回転角を

y_th、建物ポリゴンの傾きを arg、各階の高さを h_st、建物ポリ

ゴンの傾きが正と負の場合で、変位分のｘ成分とｙ成分を計

算する式を変えている。

図８ MaxScript の簡易コード：建物ポリゴンの傾きの

正負によって、下の階に対する上の階の制御点の変位分の

ｘｙ成分を算出する

図９ 傾斜ビルの平面図：ローカルのｘ軸、ｙ軸回りの回

転による変位分（ｘ成分、ｙ成分）を算出して、１階部の頂

面の中心を出し、そこに２階部の制御点を移動

ｘ軸

ｙ軸

ローカル座標

ｙ軸

時の震度のみに応じて、倒壊・傾斜モデルを作成した。

しかし、昭和５６年度の耐震基準を盛り込んだ建築基

準法に準じた昭和５６年度以降の建物かそうでないか、

建物でも耐力壁が多いか少ないかで倒壊確率は大きく

異なる。現状では、個々の建物で、どこが耐力壁とな

っているか、何年度に建てられた建物であるかなどの

情報は、個人情報の保護の観点からも入手は困難であ

り、得られるデータの範囲内で、即ち、メッシュデー

タ形式のハザードマップの震度分布に基づいて、３次

元ハザードマップを作成することとした。

６．まとめと今後の課題

本研究では，開発している３次元建物モデルを自動

生成する｢ＧＩＳとＣＧの統合化システム｣の運用で、

地震によって倒壊して｢傾斜した建物を自動生成する

システム｣を提案した。この｢統合化システム｣の特徴を

以下に列挙する。 (1) まちづくりや都市計画において、整備後の将来の街の姿を

考えるとき、一般的に、地図を描いて、計画案、代替案を検討す

る。この地図が、素速く街の３次元モデルに変換できれば、プラ

ンニングの効率を上げることができる（本システムは都市計画コン

サルタント２社で採用された）。

(2) 都市シミュレーションシステムは、一般的に、大規模で、高価

だが、本システムは、市販のＧＩＳソフト、３次元ＣＧソフト、本シス

テムから構成されるシンプルで、安価な統合化システムである。

今後は、建物、電信柱以外に道路閉塞の要因となる

ブロック塀などの３次元モデルを自動生成するプログ

ラムの開発を行う。こうして、より｢現実の世界に起こ

りうる災害状況｣をシミュレーションする３次元モデ

ルを開発すれば、災害イメージを容易にいだくことが

できる。本システムは、次世代のハザードマップであ

る｢３次元ハザードマップ｣を容易に作成することが可

能であり、住民、行政などの関係者で災害イメージを

共有し、災害を分析、対策案の検討を行い、地域の整

備案を考え、地域の防災力を向上させることができる。

参考文献

日本地理学会：ハザードマップを活用した地震被害軽

減の推進に関する提言（2004）

Kenichi SUGIHARA: Generalized Building Polygon

Partitioning for Automatic Generation of 3-D Building

Models, ACM SIGGRAPH 2006, Research Posters

図１１ 地震により電柱や建物が傾斜する前後の自動生

成した３次元都市モデル

確率論的地震動予測地図

図１０ 現状のハザードマップと建物倒壊と道路閉塞

をシミュレーションした３次元都市モデル

３次元都市モデ

ル自動生成シス

テム

･建物ポリゴンの分

割

･ノイズ辺や不要な

頂点のフィルタリン

グ

･適切なサイズの基

本立体の生成とブ

ール演算､回転と移

動