[論文レビュー] Use of 3D classified topographic data with FullSWOF for high resolution simulation of a river flood event over a dense urban area

Morgan Abily, Olivier Delestre+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Flood Risk Assessment and Management参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3次元分類済み地形データ（0.2 mの精度）を用いて、都市部における河川の地上洪水をシミュレートするための実用性と付加価値を示している。FullSWOF_2D有限体積スカラーを用いた手法により、地上構造物の詳細な情報を組み込むことで、洪水範囲、水深、流速の正確なモデル化が可能となり、分類済みDSMを用いることで、従来の2次元SWEモデルに比べてシミュレーションの忠実度が向上していることが示された。

ABSTRACT

High resolution (infra-metric) topographic data, including photogram-metric born 3D classified data, are becoming commonly available at large range of spatial extend, such as municipality or industrial site scale. This category of dataset is promising for high resolution (HR) Digital Surface Model (DSM) generation, allowing inclusion of fine above-ground structures which might influence overland flow hydrodynamic in urban environment. Nonetheless several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D Shallow Water Equations (SWE) based numerical codes. FullSWOF (Full Shallow Water equations for Overland Flow) is a code based on 2D SWE under conservative form. This code relies on a well-balanced finite volume method over a regular grid using numerical method based on hydrostatic reconstruction scheme. When compared to existing industrial codes used for urban flooding simulations, numerical approach implemented in FullSWOF allows to handle properly flow regime changes, preservation of water depth positivity at wet/dry cells transitions and steady state preservation. FullSWOF has already been tested on analytical solution library (SWASHES) and has been used to simulate runoff and dam-breaks. FullSWOFs above mentioned properties are of good interest for urban overland flow. Objectives of this study are (i) to assess the feasibility and added values of using HR 3D classified topographic data to model river overland flow and (ii) to take advantage of FullSWOF code properties for overland flow simulation in urban environment.

研究の動機と目的

• 高解像度3次元分類済み地形データを用いた都市環境における河川の地上洪水シミュレーションの実用性と利点を評価すること。
• 詳細な地形入力を用いた場合に、FullSWOF_2Dコードが複雑な都市洪水動態をいかに処理するかを評価すること。
• 水理的モデリングに最適化された高解像度デジタル表面モデル（DSM）を、分類済み3次元データから作成するための手法を構築すること。
• 特にデータ精度、分類誤差、計算負荷の観点から、分類済み3次元データを用いた都市洪水シミュレーションにおける技術的・数値的課題を同定すること。
• 都市スケールでの正確な洪水ハザードマップ作成において、詳細で分類済みの地形データの重要性を強調すること。

提案手法

• ニース（フランス、2010年）で航空画像法による空中写真測量で取得された、高解像度3次元分類済み地形データ（0.2 mの精度）を、主な地形入力として使用した。
• データを処理し、水理的モデリングに特化した複数の高解像度デジタル表面モデル（DSM）を生成した。
• 保守的2次元浅水域方程式に基づく有限体積スカラーであるFullSWOF_2Dを、河川洪水シミュレーションに適応させた。このコードは、バランスの取れた解と正の水深を保つ性質を有する。
• 数値モデルは正方形のカルテジアングリッドを用い、湿り／乾きの前線遷移を安定的に扱うために、水圧再構成スキームを適用した。
• 1994年ヴァール川洪水を再現するため、合成的な流出洪水曲線（ピーク流量3700 m³/s）を適用した。
• 地上領域におけるマンニング-ストリックラー粗さ係数は空間的に一様とし、橋脚は明示的にモデル化しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度3次元分類済み地形データを用いることで、標準的なDSMと比較して、都市部の河川洪水シミュレーションの精度が顕著に向上するか？
• RQ2 詳細な地上構造物を有する複雑な都市地形において、FullSWOF_2Dコードが地上流のシミュレーションをどの程度適切に処理できるか？
• RQ3 都市スケールの洪水モデリングにおいて、分類済み3次元地形データを用いる際の主な技術的・データ関連の制限要因は何か？
• RQ4 分類誤差やデータ処理に起因するアーティファクトが、都市環境における洪水シミュレーションの結果にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 分類済み3次元データから、水理的用途に最適化された高解像度DSMを体系的に生成するための手法を確立できるか？

主な発見

• 3次元分類済み地形データの使用により、建物、壁、フェンスなどの微細な地上構造物が含められ、これが地上流の流れに顕著な影響を与えた。
• FullSWOF_2Dは、湿り／乾きの前線遷移においても水深の正の値を保ち、数値的安定性を確保した。
• シミュレーションは、最大水深と流速の詳細なマップを生成し、本手法による高解像度洪水ハザード評価の可能性を示した。
• 主な制限要因として、空中写真測量時に水が存在していたため、河床の深さが低く見積もられ、断面積が0.1–0.2 m減少した。
• 橋脚が3次元分類データに捉えられていなかったため、河川の流下能力が過大評価され、橋梁付近の洪水水位が低く見積もられる可能性があった。
• 分類誤差（透水性構造物を不透水壁として誤分類）により、流れの経路予測に顕著な不確実性が生じた。