流域の境界線

流域画定とは、流域（集水域、集水域、河川流域とも呼ばれる）の境界を特定するプロセスです。洪水、水生生物の生息地、水質汚染の研究など、環境科学、工学、管理の多くの分野において重要なステップです。

流域境界線の設定は、通常、地理学者、科学者、技術者によって行われます。歴史的には、流域境界線の設定は紙の地形図に手書きで行われ、時には現地調査が補足されることもありました。1980年代には、コンピュータと電子データを用いた流域境界線の設定自動化手法が開発され、現在では広く利用されています。

米国ユタ州モーガン郡のロスト クリーク貯水池の流域地図。主要な川が青、流域境界が赤で示されています。

流域境界線をコンピュータで画定する方法としては、地球の陸地表面の高さを表すデータセットである数値標高モデル（DEM）が用いられます。コンピュータによる流域境界線の画定は、WMSなどの専門的な水文学モデリングソフトウェア、ArcGISやQGISなどの地理情報システムソフトウェア、あるいはPythonやRなどのプログラミング言語を用いて行うことができます。

流域は、地球上の水の移動、分布、管理を扱う科学である水文学における基本的な地理的単位です。流域の画定は、海洋、沿岸地域、湖、河川の物理的特徴の測定と記述を扱う応用科学の一分野である水路測量の応用とみなすことができます。また、地表を分析する定量科学である地形測定学とも関連しています。流域の画定は活発な研究分野であり、科学者やプログラマーは新しいアルゴリズムや手法を開発し、航空写真や衛星リモートセンシングから得られるますます高解像度のデータを活用しています。

手作業による流域の境界線の設定

流域境界を見つける従来の方法は、紙の地形図、または透明なオーバーレイ上に手書きで描くことです。その後、プラニメーターを用いてグラフ用紙を重ねてグリッドセルを数えることで流域面積を推定したり、結果をデジタル化して地図作成ソフトウェアで使用したりできます。同じ手順をコンピュータ上で行うこともできます。地形図のデジタルコピー上にマウスまたはスタイラスペンで流域境界をスケッチします。[ 1 ]これは「ヘッズアップ・デジタイズ」または「オンスクリーン・デジタイズ」と呼ばれます。[ 2 ]

標高等高線付きの地形図上に描かれた理想的な流域境界の例。流域境界内に降った降水はすべて、下流の流域出口に向かって流れます。

「手作業」による流域区分には、尾根、谷、傾斜の方向など、地形図の読み方や解釈方法を知っておく必要があります。[ 3 ]コンピュータ時代においても、手作業による流域区分は、ソフトウェアで生成された流域が正しいかどうかを確認するために、依然として有用なスキルです。[ 1 ]

流域境界線を手動で設定するための手順は、地理学や環境管理学の教科書、政府のパンフレット、[ 4 ] [ 5 ]、またはオンラインのビデオチュートリアルで見つけることができます。[ 6 ]

米国地質調査所によると、手作業による流域境界線の設定には5つのステップがある。[ 6 ]

  1. 地図上で小川沿いの注目地点を見つけてください。これが「流域出口」または「流出点」です。
  2. 地形の等高線に対して垂直に下り坂を指す表面水流線を想像または描きます (これが最も急な方向です)。
  3. 小川の周囲の地形上の高点（ピーク）の位置をマークします。
  4. 川に向かう流れと川から離れる流れを分ける等高線（尾根）に沿ってポイントをマークします。
  5. 点をつなげて流域を描きます。

一般ルール:

  • 流域境界は等高線と交差する箇所では等高線に対して垂直になる必要があります。
  • 流域境界は、出口以外では河川や小川を横切ってはなりません。（場合によっては、人工の運河やパイプラインを表す青い線が流域境界を横切ることがあります。）
  • 流域境界は尾根線に沿って走り、高い地点を結ぶ必要があります。

流域の境界線を手作業で定めることの欠点の一つは、誤りが生じやすく、分析者の判断に左右されやすいことです。イリノイ州環境保護局は、「流域の境界線を定めることは、必ずしも正確な科学ではありません。たとえ二人とも専門家であっても、境界線はわずかに異なるでしょう」と述べています。[ 5 ]

特に小規模な流域で、正確な結果が重要な場合には、地図に示されていない地形を見つけるために現地踏査が必要となる場合があります。「現地に出向くことで、道路側溝、雨水管渠、暗渠など、水の流れを変え、ひいては流域境界を変える可能性のある人為的な改変箇所を特定することができます。」[ 5 ]

自動またはコンピュータ化された流域の境界線

コンピュータソフトウェアを用いて流域を画定すると、手作業よりもはるかに高速になります。また、分析者の主観性が排除されるため、より一貫性も高まる可能性があります。流域画定の自動化手法は1980年代から利用されており、現在では科学技術の分野で広く利用されています。研究者たちは、火星の流域を画定するためにコンピュータ手法を用いたことさえあります。[ 7 ] [ 8 ]

自動流域区分法では、地球の標高のデジタルデータ（デジタル標高モデル、DEM）を使用します。通常、アルゴリズムは「最急勾配法」を用いて、グリッドセル（またはピクセル）から隣接するセルへの流れの方向を計算します。[ 9 ]

流域の描写には、三角不規則網（TIN）[ 10 ]や六角形タイリング[ 11 ]など、さまざまな形式のDEMを使用できますが、現代のアルゴリズムのほとんどは規則的な長方形グリッドを使用します。[ 12 ] 1980年代と1990年代には、デジタル標高モデルは、紙の地形図の等高線をスキャンしてデジタル化し、それをTINまたはグリッドDEMに変換することによって取得されることがよくありました。[ 13 ]最近では、DEMは、立体写真測量法、ライダー、レーダーを使用した航空または衛星リモートセンシングによって取得されています。[ 14 ]

流域の画定に長方形グリッドDEMを使用するには、現実的な結果を得るために、まず処理、つまり「調整」を行う必要があります。[ 9 ]この結果は、「水力強化」DEMまたは「HydroDEM」と呼ばれることもあります。以下に挙げるソフトウェアパッケージのほとんどは、「生の」DEMに対してこれらの機能を実行できます。また、解析者は、ほぼ全球規模のHydroSHEDS [ 15 ] 、 MERIT-Hydro [ 16 ] 、または米国本土向けの EDNA [ 17 ]などの水文学的に調整されたDEMをダウンロードすることもできます。DEMの水文学的調整の一般的な手順は以下のとおりです。

  1. シンクを埋めます。
  2. ストリーム チャネルを「バーンイン」します。
  3. 流れの方向を計算します。
  4. フローの累積を計算します。
水文学的条件付きデジタル標高モデルの3Dレンダリング。米国地質調査所によるこの例では、流域境界データセット（WBD）のデータを用いた「壁」または「柵」、および国立水路データセット（NHDPlus）のデータを用いた河川の「焼却」を示しています。

さらに、いくつかの手法では、「尾根線を囲う」ことや、湖を通る流路を焼き入れることも可能です。[ 18 ]また、平坦な場所に小さな傾斜を強制することで、流れが出口に向かって流れ続けるようにする手法もあります。[ 19 ]河川の「焼き入れ」とは、河川を表すピクセルから大きな標高値を減算することで、人工的に河川を深くすることです。これにより、一度河川に入った流れは、陸地や他の河川に流れ込むことなく、そこに留まります。一部のアルゴリズムは、DEMから河川の位置を自動的に推測します。より良い結果は通常、地図上の河川、または衛星画像や航空写真から得られた河川を焼き入れることで得られます。[ 20 ]

DEM から流れの方向を計算するためのアルゴリズムはいくつかあります。最初の方法は、オーストラリアの地理学者 O'Callaghan と Mark が 1984 年に導入したもので、D8 と呼ばれています。[ 12 ]水は、最も急な斜面の方向に基づいて、ピクセルから隣接セルへの 8 つの可能な方向 (対角線を含む) のいずれかに流れます。この方法には、水の流れが 45° ずつ離れた 8 方向に制限されるため、非現実的な流れのパターンになる可能性があるという欠点があります。また、すべての流れが一方向に送られるため、D8 法では、凸型の丘陵斜面、河川デルタ、分岐または網状河川などの流れが分岐する状況をモデル化できません。この制限を克服するために、D∞ などの代替アルゴリズムが提案され、実装されています。[ 21 ]ただし、D8 アルゴリズムは広く使用されており、HydroBasins [ 15 ]や MERIT-Basinsなどの重要なデータセットの作成に使用されています。[ 16 ]

コンピュータによる流域の画定は必ずしも正確ではありません。一部の誤差は、流域の出口をデジタル河川網上に誤って配置すること、つまり「流出点をスナップ」することから生じます。[ 22 ]また、別の種類の誤差は、デジタル地形データの不正確さ、または解像度が粗すぎて流路を捉えられないことに起因します。[ 2 ]一般的に、空間解像度の高いDEMは、地表の地形と流れの方向をよりリアルに表現できます。しかし、ピクセル数が多く細かいグリッドほど計算時間が長くなるというトレードオフがあります。[ 16 ]しかし、縁石、暗渠、雨水排水路によって流れが方向付けられる都市や郊外のような複雑な環境では、高解像度のデータであっても流路を適切に捉えられない場合があります。[ 23 ]最後に、アルゴリズムやパラメータの選択によっても誤差が生じる場合があります。[ 24 ]

誤りは頻繁に発生するため、自動境界線描画の結果を慎重に検証する必要があると主張する専門家もいます。米国地質調査所の米国流域境界データセットの基準では、ソフトウェアを使用して「中間境界線または『草案』境界線を生成する」ことが認められていますが、その後、分析担当者はコンピュータ画面上でベースマップ（スキャンされた地形図や航空写真）に境界線を重ね合わせ、その正確性を検証する必要があります。[ 1 ]

流域境界線を描くためのソフトウェア

初期の流域境界線設定ソフトウェアの中には、CATCH [ 25 ]や DEDNM [ 19 ]など、FORTRANで書かれたものもありました。流域境界線設定ツールは、 ArcGIS、QGIS、GRASS GISなどの地理情報システムソフトウェアパッケージ の一部です。また、TauDEMのような流域境界線設定用のスタンドアロンプ​​ログラムもあります。流域境界線設定ツールは、いくつかの水文学モデリングソフトウェアパッケージにも組み込まれています。

ソフトウェア開発者は、複数の言語でライブラリやモジュールを公開しています（下記のリストを参照）。これらのパッケージの多くは無料のオープンソースであるため、コードを記述または変更する意欲と能力を持つ人であれば、拡張や改変が可能です。最後に、流域を画定するためのWebアプリケーションがあります。これらのWebアプリケーションの中には、流量統計や流域の土地被覆タイプの計算など、科学技術向けの追加機能を備えたものもあります（例：StreamStats、Model My Watershed）。

スタンドアロンの流域境界線描画ソフトウェア

  • TauDEM、[ 26 ] ArcGIS用ツールボックス、またはWindows用のコマンドライン実行ファイル。
  • TOPAZ、[ 27 ]米国農務省提供、Windows実行ファイル。

流域境界設定機能を備えた水文モデリングソフトウェア

GISベースのソフトウェア

ウェブアプリケーション

事前に定義された流域のベクターデータセット

流域をポリゴンで表したベクターデータセットは数多く存在し、GISなどのソフトウェアで表示・解析することができます。これらのデータセットでは、陸地全体が「小流域」または「単位集水域」に分割されています。個々の単位流域を結合または統合することで、より大きな流域を見つけることができます。単位集水域には、水文コードデータまたは同様のメタデータがリンクされており、流路ネットワークが作成されているため、ネットワーク解析によって流路や接続を特定することができます。[ 34 ]

米国地質調査所が作成した、米国の流域境界データセットサブリージョンマップ

このリストは網羅的なものではありません。多くの組織や地域が独自の流域地図データを作成し、ウェブ上で公開しています。注目すべきデータセットには以下が含まれます。

参考文献

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