地理情報科学と都市工学を融合した空間解析手法の新展開

Developments of the spatial analysis techniques
with the fusion of geographic information science and urban engineering fields





研究目的

    本研究は,人間の住まう空間に係る基礎科学としての地理学,地理情報科学において開発・応用されてきた空間解析手法と,そうした空間を創造していくことを目的とした都市工学において開発・応用されてきた空間解析手法を融合し,新たな空間解析手法の展開に結びつく研究手法の高度化と共有を図ることを目的とする.

研究の学術的背景

    我々が生活を営む空間の実態を明らかにし,その有り様を追求する学問として地理学と都市工学はそれぞれ固有の源流を元にしながら独自の発展を遂げてきた.地理学における地理情報科学の発展は,情報化技術の大きな進展とともにめざましい展開を見せており,空間解析の理論と技術の蓄積も進んでいる.一方,都市工学における空間解析技術の応用展開も大きく進歩を見せており,都市空間データ整備の充実を背景に実学として多くの試みがなされてきている.しかし,相互の交流は必ずしも活発とはいえず,それぞれ独自の方法論とツール開発を行ってきている面が強く,共通部分や相乗効果を期待できる部分があるにもかかわらず,そうした取り組みは不十分である.地理情報科学と都市工学を融合した空間解析手法の新展開が嘱望されている.

    筑波大学では,地理系と工学系の充実したスタッフを有する総合大学としての利点を生かして,生命環境科学研究科とシステム情報工学研究科の地形学・水文学等の自然地理学系,人文地理学系,都市計画・都市解析学系等の広範な分野の教員が連携して,教員養成系を含めた他大学教員の連携協力も得ながら,地理情報システムArcGISサイトライセンスを共通のプラットフォームとして「地理情報科学の教授法の開発」に関する共同研究を行ってきた.この研究の構成員が中心となって,学際的な科学としての地理情報科学に関する研究教育に携わっている教職員を対象に,研究者間の交流,情報交換と共有の場の提供,地理情報科学に関する研究教育の推進,情報発信等を行うことを目的とした「筑波大学GIS研究教育コンソーシアム」も設立に至っている.本研究は,こうした連携効果を地理学と都市工学の双方の研究領域にも展開させ,サイトライセンスと地理情報ポータルサイトGeography Network,そしてコンソーシアムを基盤として,全学的地理情報処理共通システムを用いた研究の推進と教育への反映(教授法科研の成果の実践)を目的とし,地理学と都市工学における地理情報処理技術の相互共有による相乗効果を伴った研究・教育の水準向上を目指すものである.

研究期間内に何をどこまで明らかにしようとするのか

    空間解析手法は多種多様なものが考えられるが,本研究では以下の3つの分野に大別される手法群に着目して,地理情報科学と都市工学の各専門分野における空間解析手法の高度化を追求する.そして,分野間相互の適用可能性を探りながら空間解析手法の共有と新展開の試みを図る.

(1) 小地域・時空間統合データ解析技術とデータマイニング

  ・  地理情報科学の手法によって多種類の統計資料や質的資料・フィールド資料を小さな地域単位で効果的に統合した多面的空間データベースを作成し,それを応用した地域の評価手法を研究する.それに基づいて,人文と自然の多面的な現象が地域性を有しつつ結びついて形成されている農村地域を対象に,活性化の観点から見た特徴と可能性の評価手法を開発する.

 ・  時間データと空間データの利用可能な水資源量の予測方法への応用方法を構築し,モンゴルの草原地帯の放牧に伴う水利用を一例として,その評価方法を構築する.従来の利用可能な水資源量を決定する方法が先進国での適用を前提としてきており,発展途上国を対象とした場合必ずしも最適な方法とはいえない.特に現在の水資源量の評価,将来の気候変化,経済発展や生活様式の変化を予測に取り込むことが重要である.

 ・  膨大な地理空間情報,とくにミクロデータを系統的に整理し分析するデータマイニング手法および視覚化手法について研究する.ミクロデータは,これまで集計作業が完了すれば廃棄処分されてきたが,この社会的損失は大きい.時系列的かつ空間的に随時再集計可能なユーザフレンドリーな地理空間情報アーカイブ構築の手だてを検討する.地域分析のためのツールを実装・公開することを目指す.

 ・  都市・地域計画における地理空間データを用いたモデル分析に加え,広く社会経済分野におけるデータを用いた統計分析における空間計量経済学の実用化の促進を目的として,わが国における研究インフラとしてのメタ・データの作成や各種プログラムの開発と公開を行うとともに,諸外国の研究者の利用も視野に入れた情報発信を行う.

(2) 配置最適化・ネットワーク解析技術

  ・  計量地理学の分野で研究が進められているネットワーク形態指標や流動パターン分析について研究する.航空輸送における輸送ネットワークの変化の考察を対象として取り上げ,地理情報システムを用いて輸送拠点となる空港とその取扱量などデータベース化を行うとともに,上記の手法を用いて現状分析を行った上で,都市工学の分野で研究が進められている施設配置問題としてモデル化し最適な輸送システムについて考察する.

  ・  階層的道路システムを幅員別の道路面積比率を用いて表現する方法を開発する.道路は担うべき機能に応じて,自動車専用道路,幹線道路,補助幹線道路,区画道路などに分類されており,交通を円滑に流すためには,各道路の適正な機能分担を実現する階層システムが必要である.上記の手法を用いて,都市道路網における望ましい階層システムを明らかにすることにより,効率的な道路網の設計に資する.これにより,これまでの道路延長に基づく分析に比べて,より現実的な分析が可能となる.

(3) 空間シミュレーション技術(景観,空間的行動)

  ・  景観シミュレーションの目的に見合った精度の三次元都市モデルを作成するための簡便な手法を研究する.現在普及している景観シミュレーションでは,空間情報が正確に再現された計画案と比較して,周辺の建物の空間情報は相対的に精度の低いGISの建物輪郭データを元に適当な高さだけ引き伸ばした単なる柱状体に過ぎない場合がほとんどであるため,実用的な精度での簡便な改善手法を開発する.

  ・  都市内交通,特に環境に優しいとされる徒歩(歩行者)や自転車・公共交通機関利用者の位置情報トラッキング技術の計画論への応用方法を研究する.携帯ナビ搭載自転車やGPSレコーダによる位置情報ログ取得機材を用いて,歩行者流動シミュレーションや自転車の経路選択行動シミュレーション,公共交通支援に資するデータ活用方法を追求するとともに,都市リスク分野への応用として,マルチエージェントシステム(MAS)等と組み合わせた数値実験に基づく避難や救急・救助のシミュレーションへの応用可能性を探る.

当該分野における本研究の学術的な特色・独創的な点及び予想される結果と意義

    地理情報科学と都市工学で用いられている空間解析手法は,その種類の豊富さやバリエーションの豊かさの割には体系的に整理・理解されていない.したがって,専門家といえども,必要に応じてつまみ食い的に利用するだけで,解析手法の長所・短所に関する経験的知見やノウハウが受け継がれていないという問題がある.本研究では,総合科学として実績のある地理学と,空間解析,都市・地域計画,リスク工学,立地分析など諸分野の第一線の研究者を揃えて,空間解析手法を中心に据えて,それぞれの専門領域に向けてどのようなアイデアで手法を適用するのかといった視点で意見交換から共同研究を行うことを意図しており,その結果,空間解析手法の高度化とともに,多様な分野間にまたがる新たな展開を期待することができる.



研究計画・方法

    本研究は,地理情報科学と都市工学の各専門分野における空間解析手法の高度化を追求し,分野間相互の適用可能性を探りながら空間解析手法の共有と新展開の試みを図ることを目的とする.研究対象とする空間解析手法は大別して以下の3つの項目である.

   (1)小地域・時空間統合データ解析技術とデータマイニング

   (2)配置最適化・ネットワーク解析技術

   (3)空間シミュレーション技術

   各年度の研究計画と具体的研究方法は以下の通りである.

【平成21年度】

(1)小地域・時空間統合データ解析技術とデータマイニング

   (a) 多面的空間データベース構築手法:データベースの枠組みと活性化を評価する手法の枠組みを相互に関連させつつ構築する.利用できる統計や資料を明らかにして,それらをどう関連づければ農村地域の特性,具体的には活性化の実態と可能性が評価できるかの枠組みを作成する.一方,統計や資料を時空間的に統合する枠組みを,地域単位の共通化の手法と,地理情報科学の空間解析の側面とを活かして構築する.

   (b) 水資源量予測のための時空間データの作成:小流域を設定し,その水資源量の評価を行う.主たる水利用の対象は地下水なので,流域内の既存井戸の水位と降水量の測定を実施し,モンゴル国の気象官署測定の雨量データを合わせ,流域内の雨量の時空間分布を求める.さらに流域界をGPS測定により決定し,流域内の地下水量の推定を行う.

   (c) 小地域データの管理方法:地理空間情報は多種多様な方法で維持管理されており,小地域コードの振り方,背景地図の精度や縮尺,記載フォーマットがデータによって異なる.小地域コードの共通化やミクロデータに対する位置情報の自動付与など,GISとの親和性を高めることは喫緊の課題であり,図形と属性との関連づけに関する方策を探る.

   (d) 空間情報と統計情報の対応分析と視覚化手法の検討:地点毎に収集された複数の空間情報と,ある地域区分に基づいて収集・集計された複数の統計情報を用い,その相関関係の分析手法について検討を行う.併せて,分析結果の視覚的表現方法についても検討を行う.

   (e) メタ・データに関する調査:わが国で利用可能な種々の地理空間データと,社会経済データを網羅的に調査し,空間計量経済学の手法を適用する上での問題点について,研究者へのヒアリング等や,諸外国の実態との比較を通じて明らかにする.

(2)配置最適化・ネットワーク解析技術

   (a) ネットワーク形態指標による形態分析:国際航空輸送に関する地理情報データベースの構築を行い,ネットワーク形態指標(アルファ指数,ベータ指数,ガンマ指数)を用いて現状把握を行う.航空ネットワークデータとして,国際民間航空機関(ICAO)が発表している国際定期路線/路線別運航実績データを用いる.

   (b) 階層的道路網モデルの構築:道路網の最適な階層システムを求めるためのモデルを構築する.代表的な道路網パターンである格子状道路網と放射環状道路網を対象とし,道路の建設費用が一定という制約の下で,各階層の道路への最適な面積の配分を求める.評価指標として平均移動時間,最大移動時間など複数の評価指標を用いることで,効率性や公平性などの多様な視点から道路網の階層システムを評価する.また,道路面積に基づく分析の結果が,既存研究での道路延長に基づく結果とどのように異なるかを検証する.

(3)空間シミュレーション技術

   (a) 三次元都市モデルの生成手法の比較:景観シミュレーションは多種多様な方法で作成されているが,その形状に対する根拠があいまいな場合がほとんどである.そこで,縮尺と精度の観点から三次元都市モデルの生成手法の比較検討を行う.

   (b) GPSレコーダを用いた位置情報トラッキング実験:携帯ナビ搭載自転車を用いて,徒歩や自転車,公共交通機関乗車中の位置情報を取得する実験を行い,簡易的手法による取得空間情報の応用可能性について検討を行う.

【平成22年度】

(1)小地域・時空間統合データ解析技術とデータマイニング

   (a) 多面的空間データベースの作成:実際のデータベース構築に着手する.一地方(関東,東北等)の範囲を目標としつつできるだけ広い範囲で,小地域統計もしくは個別データを収集し,それらの積み上げ・組み替えや,空間解析による面的次元への変換によって,統合的に利用可能な多側面データベースの作成をめざす.並行して,生産,環境,社会,文化といった諸側面から農村地域の特性,具体的には活性化の実態と可能性を捉える試みをモデル的な地域を選択して実施する.必要に応じてフィールド調査を行う.

   (b) 水利用状況の調査:モンゴルを対象に流域内で放牧を行う家族ごとに動物数と行動様式の聞き取り調査を実施する.IkonosまたはQuickbirdの衛星データを利用して流域内のゲル分布を把握する.以上から流域内の水利用現況を推定する.

   (c) 表章単位としての地域区分の理論的検討:地域単位に対するユーザのニーズは多様であり,柔軟な可変的地域設定が望まれる.コミュニティレベルでは,町丁・字界,調査区,街区,学区,郵便番号区,自治会区,班,ゴミ収集圏区,消防団管轄区,メッシュなど,さまざまな区割りが想定されるが,それぞれの地域区分にもとづく属性データの迅速な提供を可能にする方法を,可変的地域単位設定問題(MAUP)と位置づけて検討する.

   (d) 空間情報と統計情報の対応分析と視覚化手法の開発:異なる地域区分で収集・集計された統計情報間の相関関係の分析手法,および,結果の視覚的表現方法について検討を行う.

   (e) メタ・データ整備と公開準備:空間重み行列の作成や前年度の調査で明らかとなった課題に対し,プログラム開発やメタ・データ整備等を行い,それらを順次ホームページ上で公開しながら,実際にいくつかの分野の研究者に実際に使用してもらって評価・意見を募る.

(2)配置最適化・ネットワーク解析技術

   (a) 流動パターン分析による結節構造分析:前年度に整備した航空ネットワークデータを用いて,流動パターン分析として因子分析により航空輸送の結節地域を把握する.輸送需要データとして,ICAOが発表している路線別輸送実績データを用いる.

   (b) 実際の道路網での階層性分析:道路幅員別の道路面積を計測し,道路交通センサスデータなどを基に,交通量や走行速度と道路網の階層システムとの関係を分析する.格子状道路網や放射環状道路網で得られた結果と比較することにより,単純モデルでの分析がどの程度,現実の問題に適用できるかを検証する.

(3)空間シミュレーション技術

   (a) 景観シミュレーションフレーム構築:計画案である建築単体での評価から街区全体での評価が行えるようなシミュレーション・システムのフレームを構築する.

   (b) 歩行者・自転車利用者の経路選択特性の把握:前年度の実験をベースに,歩行者・自転車利用者に対する実証データ取得を行い,徒歩や自転車の経路選択要因分析を行う.

【平成23年度】

(3)小地域・時空間統合データ解析技術とデータマイニング

   (a) 農村地域の類型化への応用:データベース構築とともに,農村地域の特性の具体的な解析を範囲を広げて実施する.活性化の側面からみた類型化を一地方程度の範囲で行う.

   (b) 水利用状況の再現と将来予測:過去から現在に渡る動物頭数統計データを村単位で収集し,これまでの水利用状況を再現する.同期間の降水量データを収集し,流域への水の入力値の変化を再現し,これらを合わせることで現在までの水利用状況を把握する.また,将来の水利用シナリオと気候変化予測シナリオを入力することで,将来の水資源予測を行う.流域の範囲を広げた場合に,DEMデータ,衛星データ,気象官署雨量データのみをいて構築された手法を適用できるか,その可能性の調査を行う.

   (c) クリアリングハウスの試作とデータ共有方法:各種メタ・データを登録するクリアリングハウスの試作版を作り,ミクロデータの共有化や流通を促進する方策を研究する.とくに,筑波大学内での,研究者,学生間での空間データの共有の仕組みやあり方にも言及する.

   (d) ネットワーク情報の分析手法:複数のネットワーク情報や,地点単位・地域単位の情報との間の関係について分析する手法を構築する.

   (e) メタ・データ公開と評価:メタ・データを公開し,その評価結果を分析する.

(2)配置最適化・ネットワーク解析技術

   (a) ハブ拠点空港の最適配置の分析:航空ネットワークデータ及び輸送需要データを用いて,都市工学で研究が進められている施設配置問題の一種であるウェーバー問題に基づき,国際航空輸送におけるハブ拠点空港の最適配置についてモデル分析を行う.

   (b) モデル構築へのフィードバック:流入・流出・通過交通の考慮や,交通混雑や人口分布が及ぼす影響を取り入れることを試み,より記述力の高いモデル構築へとフィードバックさせる.また,都市の交通状況に応じた各階層の道路への面積の最適な配分を明らかにし,道路網の階層システムを適正化するための示唆を得る.

(3)空間シミュレーション技術

   (a) 住民向け景観シミュレーションツール開発:景観シミュレーションでは開発側を支援するようなグラフィック表現が先行してきた.住民側が潜在的開発の可能性などについて事前に検討するためのツールを組み入れる.

   (b) 歩行者・自転車行動シミュレーション:歩行者・自転車利用者の行動を再現するシミュレーションツールを構築し,歩行環境・自転車利用環境の向上がモビリティに及ぼす影響を明らかにする.また,この方法の避難,救急搬送等の都市リスク分野への応用を探る.

【平成24年度】

(4)空間解析手法の高度化と成果のとりまとめ

    各分野の取り組みをとりまとめ,外部発表に努めるとともに,相互の空間解析手法の長所を取り込んだ高度化のための取り組みを行う.

    以上の研究を支え,分野間の連携を深めるためのハードウェアおよびソフトウェアとして,筑波大学学内で任意の端末室や教室,研究室で地理情報システム(GIS)ソフトを利用できる環境として整備されたサイトライセンスを利用する.また,多分野に渡る研究組織の連絡調整,ネットワーク環境整備を行い,膨大な資料整理等の業務支援のための研究協力者を雇用する.研究代表者は研究全体の推進と調整,総括を行う.

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