JP6176660B2

JP6176660B2 - 立体地質模型システム

Info

Publication number: JP6176660B2
Application number: JP2013184973A
Authority: JP
Inventors: 暁彦芝原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: JP2015052691A

Description

本発明は、立体模型に地質情報を表示させる立体地質模型システムに関し、特に、地形や地表付近の地質に併せてより深い地下構造についての地質情報をも表示し得る立体地質模型システムに関する。

調査によって得られた地形や地表付近の地質の情報を立体的な模型の上に表現した立体地質模型が知られている。例えば、特許文献１では、地滑り現象のメカニズムを示すための簡単な立体地質模型を開示している。ここでは、地質情報の１つとしての地滑り現象をシミュレートすべく、立体模型の一部を本体部に対してスライド可能となるようにして組み込んでいる。

さらに、三次元造型機で制作した立体模型の上に光学プロジェクタを用いて地形や地表付近の地質の情報を投影する立体地質模型システムも提案されている。かかるシステムでは、同じ地形上での地質の時間変化などを光学プロジェクタによって投影する画像を変化させることで表現できる。

例えば、特許文献２では、環境変化シミュレーションと同期させて、発生した事象の画像を立体模型上にプロジェクタで投影させるシステムを開示している。実施例として、氾濫した河川を表す画像を氾濫領域に対応する立体模型上の領域に投影させる例を挙げている。ここで、地形を表現した立体模型は現実の地形を縮小した模型であるから、三次元モデルによる仮想表示技術と比較して、各種の地理情報を現実の位置や地形などとの関係で表現できて、観察者は直感的に把握可能となる。一方で、立体模型における表現の自由度は仮想表現技術と比較して乏しいから、多様な各種地理情報を提示できない。これに対して、上記したシステムによれば、立体模型を用いた巨視的な表現によって所定の環境の変化による影響を観察者に直感的に把握可能な形態で提示できると述べている。

ところで、立体模型のような立体スクリーンに画像若しくは映像を投影する技術、例えば、建造物などに光学プロジェクタによって映像を投影させる技術は、「プロジェクション・マッピング」と呼ばれている。ここでは、「マッピング」というように、立体スクリーンの凹凸の三次元形状と映像とが厳密に重なり合う必要がある。

例えば、特許文献３では、立体スクリーンの投影面における三次元形状を測定し、この測定結果に対応して投影画像を補正し投影する光学プロジェクタ装置について開示している。詳細には、パターン画像生成手段は複数のパターン画像を生成して映像出力手段から出力させる。投影面獲得手段は、該パターン画像及び投影面の画像をカメラを介して撮影した画像からプロジェクタ画像座標とカメラ画像座標との対応づけをおこなう。対応づけが行なわれたそれぞれの位置が透視変換モデルに基づき三次元空間中のどの位置に対応するかを特性記憶手段により記憶された特性をもとに推定し、その三次元空間の位置の対応から三角測量の原理によって該パターン画像が投影された位置の三次元座標を求め得る。これにより該投影面の三次元形状を獲得するとしている。

特開２００４−１６３６７７号公報特開２００７−２８０１５８号公報特開２００１−３２０６５２号公報

上記したような光学プロジェクタと立体模型とを用いた立体地質模型システムにおいても、「プロジェクション・マッピング」と同様に、立体模型の地形を表現する凹凸と、地質情報を表す映像とが正確に同期している必要がある。特に、学術分野で使用される立体地質模型では、かかる同期を図ることができて初めて実用性が担保される。

また、近年、地震などの自然災害への対策、鉱物やガスなどの資源探索、大深度建造物の設計・建設など、多くの分野において地下構造についての地質情報の提示が求められている。かかる場合には、立体模型の断面に地質断面図を貼り付けたり、ボーリングコアの模型を複数個並べるなど、模擬的に地下構造を表現することが多く、地下構造の情報を明確に可視化できるものではなかった。そこで、視覚的な地質情報の提示が可能な立体地質模型システムが求められる。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、地形や地表付近の地質に併せてより深い地下構造についての地質情報をも与え得る立体地質模型システムの提供にある。

本発明による立体地質模型システムは、立体模型に画像投影手段により地質情報を表示させる立体地質模型システムであって、前記立体模型は、複数の上下方向に位置する構造面の３次元データと前記構造面毎に対応した前記地質情報の２次元データとを対応させた補正データにより、前記構造面のそれぞれを模した上面を有するプレート部材を造形しこれを積層させて構成され、前記画像投影手段は、一番上に露出した前記プレート部材に対応する前記補正データにより前記上面に前記地質情報を投影することを特徴とする。

かかる発明によれば、順次積み重ねられて積層されたプレート部材の補正データに基づいて造形された各表面に、やはり補正データに基づいた地質情報の補正画像を与えるので、地形や地表付近の地質情報のみならず、より深い地下構造についての地質情報をも実用的な精度で与え得るのである。

上記した発明において、前記プレート部材の前記表面は所定間隔の等高線毎に水平面を与えた階段形状であって、積層させた前記プレート部材の上下の一対において、下側の前記プレート部材の前記階段形状に沿うように上側の前記プレート部材の下面に造形を与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、順次積み重ねられて積層されたプレート部材同士の相対的位置を該プレート部材を着脱しても互いの位置関係を安定的に維持できて、地形や地表付近の地質情報のみならず、より深い地下構造についての地質情報をもより高い精度で与え得るのである。

上記した発明において、前記画像投影手段は一番上にある前記プレート部材の上下方向位置に対応して上下方向に移動自在であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、順次積み重ねられて積層されたプレート部材を着脱しても画像投影手段とプレート部材との位置関係の変化を補正できて、地形や地表付近の地質情報のみならず、より深い地下構造についての地質情報をもより高い精度で与え得るのである。

本発明による立体地質模型システムの構成図である。本発明による立体地質模型システムの製造工程図である。本発明による立体模型の分解断面図である。本発明による立体模型の分解斜視図である。本発明による立体模型の表面の拡大図である。本発明による立体地質模型システムの製造工程を示す図である。本発明による立体地質模型システムの製造工程を示す図である。本発明による立体模型の製造工程を示す図である。

以下に、本発明による立体地質模型システムの１つの実施例について、図１乃至５を用いて説明する。

図１に示すように、立体地質模型システム１は、複数のプレート部材１１（１１ａ、１１ｄ）を積層させて組み立てられる立体模型１０と、この上に地質情報を表示させる光学式のプロジェクタ２０とを含む。立体模型１０の各プレート部材１１の上面（１１ａ１、１１ｄ１）は所定の構造面を３次元的に表し、かかる面には、プロジェクタ２０によって対応する地形図、地質図、重力図、海底図、ボーリングデータ分布図、堆積盆地の三次元モデルといった地上及び／又は地下構造に関する情報を１つ又は順次、複数投影可能である。つまり、地下構造の形状だけでなく、その上面に堆積した岩石や地層が地形を作り出す様子などを可視化でき、看者は視覚的に地質情報の理解を受け得るのである。

かかる立体地質模型システム１は、図２に示すように、実測される地上若しくは地下の構造面の形状を示す３次元データと、及び、かかる構造面を模した立体模型１０の投影面に投影すべき情報の２次元データと、を対応付けながらこれらを補正してデータ加工し（Ｓ１）、加工された３次元データから立体模型１０を造形（Ｓ２）する。また、これに加工された２次元データを投影する（Ｓ３）のである。プレート部材１１の補正データに基づいて造形された投影面に、やはり補正データに基づいた地質情報の画像を与えるので、地形や地表付近の地質情報のみならず、より深い地下構造についての地質情報をも実用的な精度で与え得るのである。以下にこれについて述べる。

図１に図３を併せて参照すると、立体模型１０は、複数のプレート部材１１（１１ａ、１１ｂ…１１ｃ、１１ｄ）を積層させて組み立てられる。典型的には、一番上のプレート部材１１ａの上面１１ａ１が地表面を模式的に表し、各プレート部材１１ｂ…１１ｃ、１１ｄの上面１１ｂ１…１１ｃ１、１１ｄ１が地殻構造における一連の構造面を模式的に表している。もしくは、立体模型１０は、断面凸形状のプレート部材１１ａを含まず、凹形状のプレート部材１１ｂ…１１ｃ、１１ｄを積層させて組み立てられる。このとき、一番上のプレート部材１１ｂの凹面である上面１１ｂ１が海底面を模式的に表し、各プレート部材１１ｃ、１１ｄの上面１１ｃ１、１１ｄ１が海底下の地殻構造における一連の構造面を模式的に表している。

例えば、図４には、２つのプレート部材１１ａ、１１ｄを積層させた立体模型１０を示した。プレート部材１１ａの上面１１ａ−１部分は地表面を、１１ａ−２部分は標準海水面を表している。また、プレート部材１１ｄの上面１１ｄ−１部分は地下の構造面を、１１ｄ−２部分は海底面を表している。

ここで、再び、図３に示すように、プレート部材１１ａは下面１１ａ２を有し、１つ下のプレート部材１１ｂの上面１１ｂ１と嵌め合い関係にある。同様に、各プレート部材１１ｂ…１１ｃの下面１１ｂ２…１１ｃ２は、その１つ下のプレート部材の上面と嵌め合い関係にある。

図５には、図４におけるプレート部材１１ｄの上面１１ｄ−２部分の一部を拡大して示した。上面１１ｄ−２部分は所定間隔の等高線毎に棚Ａを形成した階段状に成形加工されている。また、プレート部材１１ａの下面１１ａ２は、このプレート部材１１ｄの上面１１ｄ−２の棚Ａと対応した凹凸関係にある。これにより、プレート部材１１ｄにプレート部材１１ａを重ねてもずれが生じないのである。また、後述するように、立体模型１０と投影する画像との対応を明確にできるとともに、そのデータの補正を容易にすることができるようになる。

すなわち、再び図３を参照すると、プレート部材１１ａ…１１ｃの下面１１ａ２…１１ｃ２は１つ下のプレート部材１１ｂ…１１ｄの上面１１ｂ１…１１ｄ１と対応し、すなわち棚Ａ（図５参照）を互いに沿って形成した凹凸関係にある。すると、一番下のプレート部材１１ｄにプレート部材１１ｃを重ねてもずれは生じず、更にその上にプレート部材を重ねていっても、ずれを生じないのである。これにより、後述するように、プロジェクタ２０による地質情報画像をプレート部材１１ａ、１１ｂ…１１ｃ、１１ｄの上面１１ａ１、１１ｂ１…１１ｃ１、１１ｄ１にずれなく正確に投影できるのである。

更に、図１を参照すると、プロジェクタ２０は、立体模型１０の直上にあって、光軸Ｓを立体模型１０に向けて配置される。また、光軸Ｓに沿って上下に移動可能であって、プレート部材１１ａ、１１ｂ…１１ｃ、１１ｄの上面１１ａ１、１１ｂ１…１１ｃ１、１１ｄ１の位置に対応して制御される。

プロジェクタ２０は、画像入力部３１に入力された所定の２次元の画像データについて、投影制御部３２で光軸などの光学調整を施しつつ、プレート部材１１の所定の上面１１ａ１又は１１ｂ１…１１ｃ１、１１ｄ１にこれを投影する。更に、投影制御部３２では、投影面であるプレート部材１１の上面１１ａ１又は１１ｂ１…１１ｃ１、１１ｄ１の位置に対応させてプロジェクタ２０の上下方向位置を制御する。

ところで、図６（ａ）に示すように、データ加工ステップＳ１（図２参照）では、第ｎ層目のプレート部材１１の上面に対応する構造面について、３次元の数値標高モデル（ＤＥＭ：Digital Elevation Model）データと２次元の情報データとを補正・データ加工して、第ｎ層目のプレート部材１１の上面を成形加工するための３次元加工データと、これに投影するための２次元図面データとを得る。

図７に沿って示すように、データ入力部Ｓ１１では、構造面の３次元のＤＥＭデータ（ｘ，ｙ，ｚ）、及び、構造面に関する地質情報についての２次元の地質情報データ（ｘ，ｙ）の入力を受け付ける。なお、ＤＥＭモデルは数値標高モデルであり、地表面の地形のデジタル表現として数値地形モデル（ＤＴＭ：Digital Terrain Model）も含み得る。

幾何補正部Ｓ１２では、入力部Ｓ１１で入力されたＤＥＭデータ及び情報データの座標系を整合させるよう、これらデータのいずれか一方若しくは双方を補正する。ここでは、例えば、ヘルマート変換、アフィン変換、射影変換など、また、２次元回転変換、３次元回転変換を併せて用い得る。加えて、ＤＥＭデータ（ｘ，ｙ，ｚ）と地質情報データ（ｘ，ｙ）との四隅を対応させておくことが好ましい。

オーバーレイ判定部Ｓ１３では、ＤＥＭデータと地質情報データとをオーバーレイしてこれらの整合性を判定する。整合性が設定する一定の閾値に達しない場合には、幾何補正部Ｓ１２へ戻り再処理を行う（Ｓ１３ａ）。

段彩処理部Ｓ１４では、入力される等高線情報に基づいて設定した等高線幅を有するＤＥＭの階段部Ａ（図５参照）毎に階調（色分け）データを追加する段彩処理を施す。段彩処理は、例えば、２４ビットのグレースケールの画像であってもよい。かかる「段彩」は、高度帯ごとに色分けし、地形等を視覚的に理解しやすくする。

マッチング判定部Ｓ１５では、段彩処理後のＤＥＭデータと地質情報データとの間で等高線データに関するマッチング判定を行う。マッチングが設定する一定の閾値に達しない場合には、幾何補正部Ｓ１２へ戻り再処理を行う（Ｓ１５ａ）。なお、ｚ方向を表す指標、例えば、地上や地下における測量位置情報等の点情報を含む複数の点状データを基準としてマッチングを判定しても良い。

出力部Ｓ１６では、段彩処理後のＤＥＭデータを３次元加工データとして、補正後の２次元地質情報データを２次元図面データとして出力し、所定の図示しない記憶装置にこれらを格納する。出力部Ｓ１６から出力された等高線の形状を持った３次元加工データは、立体模型１０の造形に使用される。また、２次元図面データは造形された立体模型１０への地質情報の投影に使用される。

次に、図６（ｂ）に示すように、立体模型造形ステップＳ２（図２参照）では、第ｎ層目のプレート部材１１の上面をこれに対応する３次元加工データを用いて造形する。一方、下面は、これよりも積層下側にある第ｎ＋１層目のプレート部材１１の上面に対応する３次元加工データを用いて造形する。

図８に示すように、プレート部材１１の造形は、三次元造形機２３を用いて行う。上記した所定の３次元加工データは必要に応じて所定のＣＡＤデータに変換され、三次元造形機２３に入力する。

まず、板状のプレート部材１１を三次元造形機２３の図示しないステージに固定し、この上面１１−１に与えるべき３次元加工データにより片面を切削加工する（図８（ａ）〜（ｃ）参照）。

次に、プレート部材１１の上下を反転させ（図８（ｄ）参照）、三次元造形機２３の図示しないステージに固定する。同様に、プレート部材１１の下面１１−２に与えるべき３次元加工データ、すなわち、プレート部材１１よりも積層下側にあるプレート部材の上面の形状を反転させた３次元加工データを用いて切削加工する（図８（ｅ）参照）。かかる造形を各プレート部材に繰り返すことで立体模型１０を得ることができる。

最後に、図６（ｃ）に示すように、投影ステップＳ３（図２参照）では、得られた立体地質模型システム１により各種地質情報を表示させる。つまり、第ｎ層目のプレート部材１１を選択し、これに対応する投影図面データを画像入力部３１に入力し、投影制御部３２でプロジェクタ２０の光軸などの光学調整を施しつつ、所定の地質情報の表示を行うのである。

上記した実施例によれば、高精度な立体模型１０を得ることができ、しかも立体模型１０の積層されたプレート部材１１の各面に対応した地質情報の画像をシンクロさせて投影することができる。これにより、地下構造の形状だけでなく、その上面に堆積した岩石や地層が地形を作り出す様子を可視化できる。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１立体地質模型システム
１０立体模型
１１プレート部材
２０プロジェクタ
２３三次元造形機
３１画像入力部
３２投影制御部

Claims

複数の上下方向に位置する構造面のそれぞれを模した上面を有するプレート部材を積層させて構成された立体模型の該上面のそれぞれに画像投影手段により地質情報を表示させる立体地質模型システムであって、
前記構造面の３次元データに対応する３次元加工データにより所定間隔の等高線毎に水平面を与えた階段形状が前記プレート部材の前記上面に造形されているとともに、この上に積層される前記プレート部材には前記階段形状に沿って凹凸関係となるような下面が造形されて、互いに嵌め合い関係にあり、
前記３次元データに対応付けしながら補正した前記地質情報の２次元データにより、前記画像投影手段は、対応する一番上に露出させた前記プレート部材の前記上面に前記地質情報を投影することを特徴とする立体地質模型システム。
前記２次元データは、前記階段形状に対応させて補正されていることを特徴とする請求項１記載の立体地質模型システム。
前記画像投影手段は一番上にある前記プレート部材の上下方向位置に対応して上下方向に移動自在であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体地質模型システム。