(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出する河川観測装置であって、
前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られた画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める処理手段と、を備えたことを特徴とする河川観測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る前記像を、下流側から撮像することを特徴とする請求項１記載の河川観測装置。
【請求項３】
前記処理手段は、前記画像において、相対的に輝度値の高い画素を判別する判別手段を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の河川観測装置。
【請求項４】
河川の流量を検出する河川観測装置であって、
前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を下流側から撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られた画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の流量を求める処理手段と、を備え、
前記処理手段は、前記画像に基づいて前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、前記画像に基づいて前記河川の実際の流水域における前記段差付近における高い側での水位を求める第２の手段と、前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記第２の手段により得られた前記水位とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を含むことを特徴とする河川観測装置。
【請求項５】
河川の流量を検出する河川観測装置であって、
前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、
前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、
前記段差付近における高い側での前記河川の水位を検出する水位検出手段と、
前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記水位検出手段により得られた前記水位とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を備えたことを特徴とする河川観測装置。
【請求項６】
前記水位検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むことを特徴とする請求項５記載の河川観測装置。
【請求項７】
前記第３の手段は、前記段差付近における高い側での前記河川の水位と前記段差付近における高い側での前記河川の流速との、予め設定した関係を用いて、前記流量を求めることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の河川観測装置。
【請求項８】
河川の流量を検出する河川観測装置であって、
前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を下流側から撮像する撮像手段と、
前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、
前記画像に基づいて、前記河川の実際の流水域における前記段差付近における高い側での水位を求める第２の手段と、
前記段差付近における高い側での前記河川の流速を検出する流速検出手段と、
前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記第２の手段により得られた前記水位と前記流速検出手段により検出された流速とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を備えたことを特徴とする河川観測装置。
【請求項９】
河川の流量を検出する河川観測装置であって、
前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、
前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、
前記段差付近における高い側での前記河川の水位を検出する水位検出手段と、
前記段差付近における前記河川の流速を検出する流速検出手段と、
前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記水位検出手段により得られた前記水位と前記流速検出手段により検出された前記流速とに基づいて、前記流量を求める第２の手段と、を備えたことを特徴とする河川観測装置。
【請求項１０】
前記水位検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むことを特徴とする請求項９記載の河川観測装置。
【請求項１１】
前記流速検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の河川観測装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの観測箇所における河川の流量を検出する流量観測手段と、該流量観測手段により得られた流量に基づいて、所定条件下で警報信号を発生する判定手段と、前記警報信号に応答して警報を発生する少なくとも１つの警報手段と、を備え、
前記流量観測手段が、請求項４乃至１１のいずれかに記載の河川観測装置を含むことを特徴とする河川管理システム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの警報手段のうちの１つは、複数の川筋が合流する合流点に対して下流側の所定箇所付近に対して警報を発生するように、設置され、
前記少なくとも１つの観測箇所は、前記複数の川筋の各々の所定箇所を含むことを特徴とする請求項１２記載の河川管理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川観測装置及びこれを用いた河川管理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、河川で水が実際に流れている流路位置を検出する流路検出手段と、この流路検出手段により検出された流路位置内で少なくとも水位又は流速を計測する計測手段と、を備えた河川観測システムが提案されている（特開２００１−２４１９９８号公報、特開２００１−２４１９９９号公報）。
【０００３】
この従来の河川観測システムでは、前記流路検出手段としては、具体的には、（１）異なる時刻に河川を撮像した２つの画像の差分画像に基づき流路位置を検出する手段や、（２）河川を撮像した赤外線画像から得た熱分布に基づき流路位置を検出する手段や、（３）流速を計測する流速計を用いて前記河川の各計測位置で計測した流速の分布に基づき前記流路位置を検出する手段や、（４）水面からの放射エネルギーを計測する放射温度計を用いて前記河川の各計測位置で計測した放射温度の分布に基づき前記流路位置を検出する手段を、採用している。
【０００４】
また、前記河川観測システムでは、水位計測手段（水位検出手段）として具体的には例えば超音波送受信器が用いられ、流速計測手段として具体的には例えば、超音波送受信器が用いられている。
【０００５】
前記従来の河川観測システムによれば、河川で水が実際に流れている流路位置内で少なくとも水位又は流速が計測されるので、土石流や増水などによる河床の地形変化や流れる水の流量に起因して実際に水が流れている流路位置が変化した場合でも、精度良く水位や流速を観測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の河川観測システムでは、前述したような利点が得られ優れたものであるが、前記従来の河川観測システムとは異なる原理により河川で実際に流れている流路位置等を検出することができれば、観測箇所等の条件に応じて適宜適切な検出手法を採用することができ、好ましい。
【０００７】
また、従来の河川観測システムでは、水位の検出に超音波送受信器が用いられているが、河川で水が実際に流れている流路位置内で水位を計測するためには、水位検出用の超音波送受信器を流路位置へ移動させなければならず、そのセンサ移動機構のためにコストアップを免れないとともに、設置場所によっては、そのような移動機構を設けることができず、そのような場所では水位を観測することができなかった。
【０００８】
さらに、前記従来の河川観測システムを開示した公報（特開２００１−２４１９９８号公報）には、河川の流量の検出の点については、何ら明示されていない。土石流や大水等の発生の検出や予測等を行う上では、単に水位や流速を知るだけでなく、河川の流量を知ることが災害対策の為にも重要なことである。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、前記従来の河川観測システムとは全く異なる原理により、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出することができる河川観測装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、前記従来の河川管理システムとは全く異なる原理により、河川の水位を検出することができる河川観測装置を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明は、センサ移動機構を要することなく、河川の実際の流水域内での水位を検出することができる河川観測装置を提供することを目的とする。
【００１２】
さらにまた、本発明は、河川の流量を検出することができる河川観測装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、河川の流量に基づいて警報を発することができる河川管理システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による河川観測装置は、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める処理手段と、を備えたものである。なお、夜間の観測を行う場合には、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像の領域が、照明手段により照明される。この点は、後述する各態様についても同様である。ただし、後述する第３の態様の場合には、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の少なくとも一部に渡る像の領域が、照明手段により照明されればよい。
【００１５】
河川においては、河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成されている箇所がある。例えば、砂防ダムにおいて、水通し（放水路）の下流側下方の水叩きの下流側には垂直璧が形成されており、この垂直璧が前記段差を構成している。また、前記段差は、砂防ダムにおける前記垂直璧の箇所のみならず、例えば土石流等の勢いを低減して被害を抑えるため、河川の他の箇所においても適宜設置されている。
【００１６】
このような段差においては、水が流れると、水が流れた領域において滝のような状態となって飛沫や泡等が生じ、その部分が乱反射等により白濁して見える。この白濁して見える領域は、段差の垂直璧（ここでは、垂直璧として説明するが、段差の高い部分と低い部分との間の壁は傾いていてもよい。この点は以下の説明についても同様である。）に沿った部分だけでなく、水が段差を落ちようとする手前側の領域、すなわち、段差の手前側（上流側）の領域においても表面流速が急激に変化するため泡立ち等により水が白濁して見える。したがって、段差付近の像を撮像すると、白濁した画像領域は他の領域に比べて輝度値が高くなる。一方、前記段差において、水が流れていない画像領域では、前述した白濁した領域に比べて輝度値が低くなる。
【００１７】
したがって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像すると、その画像における相対的に輝度値の高い領域が水が流れて白濁している領域を示すことになる。このため、前記撮像された画像を処理することにより、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置を求めることができる。
【００１８】
前記第１の態様によれば、以上説明した原理によって、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様による河川観測装置は、前記第１の態様において、前記撮像手段は、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る前記像を、下流側から撮像するものである。
【００２０】
前述したように、前記白濁して見える領域は、段差の垂直璧に沿った部分だけでなく、水が段差を落ちようとする手前側の領域、すなわち、段差の手前側（上流側）の領域においても水が白濁して見える。したがって、前記第１の態様では、前記撮像手段は、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る前記像を、例えば上流側から撮像しても、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置を求めることができる。
【００２１】
しかしながら、段差の垂直璧に沿った部分は特に白の程度が高くなり、その部分の画像領域の輝度値は特に高くなるので、検出精度を高めるためには、前記第２の態様のように前記撮像手段は下流側から撮像することが好ましい。
【００２２】
本発明の第３の態様による河川観測装置は、河川の水位を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の少なくとも一部に渡る像を含む像を、下流側から撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた画像に基づいて、前記河川の前記段差付近における高い側での水位を求める処理手段と、を備えたものである。
【００２３】
前述したように、前記白濁して見える領域は、段差の垂直璧に沿った部分だけでなく、水が段差を落ちようとする手前側の領域、すなわち、段差の手前側（上流側）の領域においても水が白濁して見える。したがって、水流における段差の垂直璧の上辺から下側の部分のみならず、段差の垂直璧の上辺から、段差の高い側における水位の高さの分までの領域においても、水が白濁して見える。よって、下流側から見たときの白濁した領域の上面と段差の垂直璧と上辺との高さの差が、段差の高い側における水位を示すことになる。
【００２４】
したがって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の少なくとも一部に渡る像を含む像を下流側から撮像すると、その画像における相対的に輝度値の高い領域の上辺の高さ位置と、段差の高い側の高さ（これは既知である。）との差が、段差の高い側における水位を示すことになる。
【００２５】
前記第３の態様によれば、以上説明した原理によって、前記河川の前記段差付近における高い側での水位を求めることができる。
【００２６】
本発明の第４の態様による河川観測装置は、前記第３の態様において、前記撮像手段は、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を、撮像するものである。
【００２７】
前記第３の態様では、撮像手段は、前記段差が形成された箇所付近の川幅の一部に渡る像のみを撮像してもよい。この場合には、撮像された川幅の一部に渡る範囲内でのみ、水位の検出が可能となる。これに対し、前記第４の態様のように、撮像手段が前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像すれば、土石流や増水などによる河床の地形変化や流れる水の流量に起因して実際の流水域が変化した場合であっても、常に、実際の流水域内での水位を検出することができる。そして、撮像手段により撮像された画像を処理することにより水位を検出することができるので、従来必要であったセンサ移動機構が不要となる。
【００２８】
本発明の第５の態様による河川観測装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記処理手段は、前記画像において、相対的に輝度値の高い画素を判別する判別手段を含むものである。
【００２９】
前記第１乃至第４の態様では、段差付近における流水が白濁することを利用して、前述したような原理に基づき実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置や水位を検出するので、通常は、この第５の態様のように、撮像した画像において相対的に輝度値の高い画素を判別することになる。
【００３０】
本発明の第６の態様による河川観測装置は、河川の流量を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を下流側から撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の流量を求める処理手段と、を備えたものである。
【００３１】
第１乃至第５の態様に関して前述した説明からわかるように、前記段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像して得られた画像から、前記段差付近における河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置と、前記段差付近における高い側での水位と、を求めることができる。また、前記段差付近における高い側での流速と水位との間には、相関関係がある。したがって、［流量］＝［実際の流水域の川幅方向の全幅］×［水位］×［流速］の関係、あるいは、［流量］＝［実際の流水域の位置に応じた水位の当該位置に関する積分値］×［流速］の関係が成立するので、前記画像を処理することにより、前記段差付近における河川の流量を求めることができる。前記第６の態様では、このような原理によって、河川の段差付近における河川の流量を求めることができる。
【００３２】
本発明の第７の態様による河川観測装置は、前記第６の態様において、前記処理手段は、前記画像に基づいて前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、前記画像に基づいて前記河川の実際の流水域における前記段差付近における高い側での水位を求める第２の手段と、前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記第２の手段により得られた前記水位とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を含むものである。
【００３３】
この第７の態様は、前記第６の態様における処理手段の具体例を挙げたものである。
【００３４】
本発明の第８の態様による河川観測装置は、河川の流量を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、前記段差付近における高い側での前記河川の水位を検出する水位検出手段と、前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記水位検出手段により得られた前記水位とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を備えたものである。
【００３５】
この第８の態様は、基本的に前記第７の態様と同様の原理により流量を求めることができるものであるが、水検出手段を用いて、前記段差付近における高い側での前記河川の水位を検出するものである。
【００３６】
本発明の第９の態様による河川観測装置は、前記第８の態様において、前記水位検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むものである。この第９の態様は、水位検出手段の例を挙げたものである。
【００３７】
本発明の第１０の態様による河川観測装置は、前記第６乃至第９のいずれかの態様において、前記第３の手段は、前記段差付近における高い側での前記河川の水位と前記段差付近における高い側での前記河川の流速との、予め設定した関係を用いて、前記流量を求めるものである。
【００３８】
前記段差付近における高い側での水位と流速との間には相関関係があるので、水位から流速を求めることができ、前記段差付近における高い側での流速を直接検出しない場合には、この第１０の態様のように、水位と流速との予め設定した関係を用いることにより、前記流量を求めることができる。水位と流速との関係は、例えば、実測データ又は経験則に従い、式の形式で設定しておいてもよいし、ルックアップテーブルの形式で設定しておいてもよい。
【００３９】
本発明の第１１の態様による河川観測装置は、河川の流量を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を下流側から撮像する撮像手段と、前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、前記画像に基づいて、前記河川の実際の流水域における前記段差付近における高い側での水位を求める第２の手段と、前記段差付近における高い側での前記河川の流速を検出する流速検出手段と、前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記第２の手段により得られた前記水位と前記流速検出手段により検出された流速とに基づいて、前記流量を求める第３の手段と、を備えたものである。
【００４０】
この第１１の態様は、基本的に前記第７の態様と同様の原理により流量を求めることができるものであるが、流速検出手段を用いて、前記段差付近における高い側での前記河川の流速を検出するものである。
【００４１】
本発明の第１２の態様による河川観測装置は、河川の流量を検出する河川観測装置であって、前記河川の川幅に渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成された箇所付近の前記川幅の略全体に渡る像を含む像を撮像する撮像手段と、前記画像に基づいて、前記段差付近における前記河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を求める第１の手段と、前記段差付近における高い側での前記河川の水位を検出する水位検出手段と、前記段差付近における前記河川の流速を検出する流速検出手段と、前記第１の手段により得られた前記全幅又は前記位置と前記水位検出手段により得られた前記水位と前記流速検出手段により検出された前記流速とに基づいて、前記流量を求める第２の手段と、を備えたものである。
【００４２】
この第１２の態様は、基本的に前記第７の態様と同様の原理により流量を求めることができるものであるが、水位検出手段及び流速検出手段を用いて、前記段差付近における高い側での前記河川の水位及び流速を検出するものである。
【００４３】
本発明の第１３の態様による河川観測装置は、前記第１２の態様において、前記水位検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むものである。この第１３の態様は、水位検出手段の例を挙げたものである。
【００４４】
本発明の第１４の態様による河川観測装置は、前記第１１乃至第１３のいずれかの態様において、前記流速検出手段は、超音波、電磁波又は赤外光線の送受信手段を含むものである。この第１４の態様は、流速検出手段の例を挙げたものである。
【００４５】
本発明の第１５の態様による河川管理システムは、少なくとも１つ観測箇所における河川の流量を検出する流量観測手段と、該流量観測手段により得られた流量に基づいて、所定条件下で警報信号を発生する判定手段と、前記警報信号に応答して警報を発生する少なくとも１つの警報手段と、を備え、前記流量観測手段が、前記第６乃至第１４のいずれかの態様による河川観測装置を含むものである。
【００４６】
この第１５の態様によれば、河川の流量に基づいて警報を発することができるので、水位や流速のみに基づいて警報を発する場合に比べて、土石流や大水等の危険をより適切に警報を発することができる。
【００４７】
本発明の第１６の態様による河川管理システムは、前記第１５の態様において、前記少なくとも１つの警報手段のうちの１つは、複数の川筋が合流する合流点に対して下流側の所定箇所付近に対して警報を発生するように、設置され、前記少なくとも１つの観測箇所は、前記複数の川筋の各々の所定箇所を含むものである。
【００４８】
この第１６の態様によれば、複数の川筋が合流する合流点に対して下流側の所定箇所に対して、土石流や大水等の危険をより適切に警報を発することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による河川観測装置及びこれを用いた河川管理システムについて、図面を参照して説明する。
【００５０】
［第１の実施の形態］
【００５１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による河川管理システムを示す概略ブロック図である。図２は、図１に示す河川管理システムにおいて用いられている河川観測装置１を示す概略ブロック図である。
【００５２】
本実施の形態による河川管理システムは、図１に示すように、河川３０（後述する図３参照）の各観測箇所にそれ対応して設置される複数の河川観測装置１と、河川３０から離れた管理センタに設置される管理センタ側装置２と、河川３０の各警報箇所に設置される複数の警報装置３と、を備えている。河川観測装置１の数及び警報装置３の数は、それぞれ１つ以上の任意の数としてもよい。
【００５３】
河川観測装置１は、図２に示すように、撮像手段としてのテレビカメラ１１と、カメラ１１からの画像アナログ信号を画素ごとに所定の階調（例えば、２５６階調）の輝度値（濃度値）を持つデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２と、デジタル信号に変換された画像（画像信号）を記憶する画像メモリ１３と、画像メモリ１３からの画像に対して後述する処理を行う処理部１４と、送信部１５と、照明灯１６と、照明灯１６を駆動・制御する照明灯制御部１７と、を備えている。図面には示していないが、処理部１４は、後述する動作を実現するように、例えば、マイクロコンピュータ及び他の電子回路等で構成されている。
【００５４】
図３は、カメラ１１の撮像対象となる箇所の付近（河川３０における河川観測装置１による観測箇所の付近）の様子及び河川観測装置１の配置例を模式的に示す図である。図４は、図３中のＡ−Ａ’矢視断面を模式的に示す図である。説明の便宜上、図３及び図４に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。Ｘ軸方向は、水平方向であり川幅方向と一致している。Ｙ軸方向は鉛直方向と一致している。Ｚ軸方向は河川３０の垂直璧３２の上流側及び下流側において水３６が流れる方向と略々一致している。
【００５５】
図３及び図４に示すように、河川３０の川幅Ｗに渡って上流側が高くて下流側が低い段差が形成されている。図示の例では、この段差は、砂防ダムにおける水叩き（これは略水平面をなす。）３１と、水叩き３１の下流側に形成された垂直璧３２と、垂直璧３２の下流側の河床（これは略水平面をなす。）３３とにより、構成されている。図３及び図４において、３４は垂直璧３２の上辺（水叩き３１の下流側端辺）を示している。なお、砂防ダムの他の部分（袖や水通しなど）の図示は省略している。また、図３において、Ｍは、測定者が目視にて水位を検出する際に用いるためのマーカーである。例えば、マーカーＭのうち「０」のラインは、垂直璧３２の上辺３２の高さＹ０を示して水位が０ｍであることを示しており、「２」のラインは水位が２ｍであることを示している。このようなマーカ−Ｍを利用して後述する計測条件データの一部を設定し得るが、本発明では、このようなマーカーＭは必ずしも必要ではない。
【００５６】
図３は、水叩き３１上の川幅Ｗの略々中央付近に岩３５が留まっており、垂直璧３２の上辺３４において、中央付近の幅Ｗ２の部分には水３６が流れずに、その両側の幅Ｗ１，Ｗ３の部分にのみ水３６が流れている例を、示している。図４に示すように、前記段差の高い側での水位（水叩き３１における下流側での水位）Ｈは、垂直璧３２の上辺３４の高さをＹ０、垂直璧３２の上辺３４の上方付近での水３６の水面の高さをＹ１とすると、Ｙ１−Ｙ０となる。
【００５７】
このような段差においては、水３６が流れると、水３６が流れた領域において滝のような状態となって飛沫や泡等が生じ、水３６を表面側から見た場合、図４中のハッチングを付した表面領域Ｒが、乱反射等により白濁して見える。白濁して見える領域Ｒは、垂直璧３２に沿った部分だけでなく、水３６が段差を落ちようとする手前側（上辺３４の上流側）の領域においても泡立ち等により水３６が白濁して見える。
【００５８】
カメラ１１は、図３に示すように、立設された支柱１８の上部側に取り付けられたアーム１９に取り付けられ、前述した段差が形成された箇所付近の川幅Ｗの全体に渡る像を含む像を下流側から撮像するように、設置されている。また、アーム１９には照明灯１６も取り付けられ、照明灯１６によりカメラ１１の視野が照明されるようになっている。照明制御部１７は、図示しない照度センサ等からの信号に基づいて照明灯１６の点灯制御を行い、夜間などの周囲が暗い場合に、照明灯１６を点灯させる。なお、照明灯１６は、必ずしもカメラ１１の付近に設置する必要はない。例えば、川幅Ｗは３０ｍ〜１００ｍ程度であり、カメラ１１は前記段差から１５０ｍ〜２００ｍ程度離れた位置に設置される。カメラ１１及び照明灯１６は、土石流等や大水等により流されるおそれのない安全な位置に設置することが好ましい。図２中のＡ／Ｄ変換器１２、画像メモリ１３、処理部１４、送信部１５及び照明制御部１７は、支柱１８に取り付けられた収容ボックス２０内に収容されている。
【００５９】
図６は、カメラ１１により図３に示す箇所を撮像した画像を示している。図６に示す画像において、白濁して見える領域Ｒに対応する領域の画素の輝度値は、他の領域の画素の輝度値より高くなる。図６は、理解を容易にするため、垂直璧３２に正対して撮像した画像を示しているが、実際には、所定方向に傾いた斜め方向から撮像されることが多い。なお、図６中の各寸法は、画像上の寸法ではなく実際の寸法を示している。カメラ１１を設置した際に、カメラ１１の画像上の向きや寸法等と実際の向きや寸法等との関係を示す計測条件データ、例えば、カメラ１１の水平角及び俯仰角、カメラ１１のレンズの焦点距離、カメラ１１の設置高さ、カメラ１１の画像上の垂直璧３２の上辺の位置などを、処理部１４の内部メモリ（図示せず）内に記憶させておく。
【００６０】
次に、河川観測装置１の動作の一例について、図５を参照して説明する。図５は、河川観測装置１の動作の一例を示す概略フローチャートである。
【００６１】
河川観測装置１が動作を開始すると、カメラ１１は所定の時間間隔で前記像を撮像し、その画像データが画像メモリ１３に格納され、画像が取り込まれる（ステップＳ１）。
【００６２】
次に、処理部１４は、取り込まれた画像データを２値化することにより、相対的に輝度値の高い画像領域（すなわち、水３６が白濁した領域Ｒの画像領域）を判別する（ステップＳ２）。図７は、図６に示す画像を２値化した画像を示す。図７において、白濁した領域Ｒの画像領域にはハッチングを付している。このとき、２値化のための閾値は、例えば、所定の値を用いてもよいし、画像全体の平均輝度値を用いてもよい。２値化された画像に対して適宜ノイズ除去処理を行っておくことが好ましいが、必ずしもノイズ除去処理を行わなくてもよい。
【００６３】
次いで、処理部１４は、ステップＳ２で２値化された画像データに基づいて、前記段差付近における河川３０の実際の流水域の川幅Ｗ方向（Ｘ軸方向）の全幅Ｗ１＋Ｗ３を算出する（ステップＳ３）。なお、Ｗ１＋Ｗ３は図３及び図６に示す状況での実際の流水域の全幅であり、勿論、流水の状況によっては実際の流水域の全幅はＷ１＋Ｗ３とならない。
【００６４】
ステップＳ３では、具体的には、例えば、図７に示すように、垂直璧３２の上辺３４に相当するラインＬ０と垂直璧３２の下辺に相当するラインＬ２との間の中間の高さＹ３を持つラインＬ３を予め設定しておき、このラインＬ３上において川幅Ｗ内の画素列について、輝度値の高い画素をカウントし、そのカウント値に１画素当たりの実距離を乗算することにより、実際の流水域の全幅Ｗ１＋Ｗ３を算出することができる。実際には、カメラ１１の向き等に応じて各画素毎に対応する実距離が異なるので、これを考慮して、幾何学補正を行うことが好ましい。
【００６５】
その後、処理部１４は、ステップＳ２で２値化された画像データに基づいて、前記段差の高い側での水位（水叩き３１における下流側での水位）Ｈを算出する（ステップＳ４）。
【００６６】
ステップＳ４では、具体的には、例えば、図７に示すように、幅Ｗ１又は幅Ｗ３内の任意の１つＸ位置においてＹ方向に並んだ輝度値の高い画素のうち、最も高いＹ位置を持つ画素を選別し、当該画素のＹ位置（Ｙ１）を求め、このＹ１から垂直璧３２の上辺３４に相当するラインＬ０のＹ位置（Ｙ０）を減算することにより、水位Ｈ（＝Ｙ１−Ｙ０）を求める。このとき、画像上の距離を実距離に変換することは、言うまでもない。なお、例えば、幅Ｗ１，Ｗ３内の各Ｘ位置毎に前記Ｙ１に相当する値を求め、それらの平均値からＹ０を減算したものを、水位Ｈとしてもよい。
【００６７】
次に、処理部１４は、ステップＳ３で求めた全幅Ｗ１＋Ｗ３と、ステップＳ４で求めた水位Ｈとに基づいて、前記段差付近における流量を算出し（ステップＳ５）、ステップＳ１へ戻る。
【００６８】
ステップＳ５では、具体的には、例えば、流量＝（Ｗ１＋Ｗ３）×Ｈ×（α・Ｈ）の式により、流量を算出する。ここで、α・Ｈは流速Ｖに相当し、αは、流速Ｖと水位Ｈとの関係を示す比例定数であり、経験則から設定したものである。もっとも、定数αは、水位Ｈ及び流速Ｖの実測データに基づいて設定してもよい。なお、流速Ｖは、例えば、浮子を利用した周知の手法により計測し得る。また、ここでは、水位Ｈと流速Ｖとの関係が比例関係にあると近似しているが、前記実測データにより合致するような他の近似式を予め求めておき、この近似式をステップＳ５の演算で利用してもよい。さらに、前記実測データから、水位Ｈと流速Ｖとの関係を示すルックアップテーブルを予め作成しておき、このルックアップテーブルを参照することにより、ステップＳ５の演算を行ってもよい。
【００６９】
なお、図５に示す例では、全幅Ｗ１＋Ｗ３を求めたが、これを求めなくても、前記流量を求めることは可能である。例えば、ステップＳ２で求めた２値化された画像データから、図７中の幅Ｗ１，Ｗ３内の各画素のＸ位置（すなわち、河川３０の実際の流水域の川幅方向の位置）がわかるので、各Ｘ位置での水位Ｈ（＝Ｙ１−Ｙ０）を求め、各Ｘ位置毎にＨ×（α・Ｈ）を算出し、これらを積算し、その積算値に対して実距離換算に応じた換算を行うことによって、流量を求めることができる。この場合には、実質的には図５に示す例と同様であるが、演算の途中結果として、全幅Ｗ１＋Ｗ３は求めていない。
【００７０】
再び図２を参照すると、送信部１５は、処理部１４により前述のようにして算出された流量を、光ファイバや無線通信等の任意の伝送経路を介して、管理センタ側装置２へ送信する。このとき、カメラ１１で撮像された画像を監視画像として管理センタ側装置２へ送信することが好ましい。また、水位Ｈや実際の流水域の全幅Ｗ１＋Ｗ３や位置などのデータも、一緒に送信してもよい。以下の説明では、これらのデータも一緒に送信するものとする。
【００７１】
再び図１を参照すると、管理センタ側装置２は、受信部２１と、パーソナルコンピュータ等からなる処理部２２と、ＣＲＴ等の表示部２３と、送信部２４と、を備えている。
【００７２】
受信部２１は、各河川観測装置１から送信されて来たデータや画像の受信処理を行う。処理部２２は、各河川観測装置１からの送信されてきた流量、画像、水位、実際の流水域の全幅及び位置を、表示部２３に表示させる。また、処理部２２は、各河川観測装置１から送信されて来た流量に基づいて、所定条件に該当するか否かを判定し、当該条件を満たす場合には警報信号を発生し、送信部２４にその警報信号を当該条件に応じて選択した所定箇所の警報装置３へ送信させる。図面には示していないが、警報装置３は、例えば、スピーカ及び電光表示板を含み、管理センタ側装置２から送信されて来た警報信号に応答して、当該警報装置３が設置されている個所の付近に聴覚及び視覚による警報を発生する。
【００７３】
各河川観測装置１による観測箇所及び警報装置３による警報個所の一例を、図８に示す。図８は、観測箇所及び警報箇所を示す概略平面図である。図８において、４０は山岳、４１は平野部、３０は河川、４２は海である。図８中の小さい四角で示す箇所Ｂ１〜Ｂ１０は、各河川観測装置１による観測箇所（図３に示すような箇所）である。また、複数の警報装置３のうちの一つは、箇所Ｂ１０付近に設置されている。箇所Ｂ１０は、多数の川筋が海４２に注ぐ１本の川筋に合流した最も下流側の合流点に近い箇所である。
【００７４】
図８に示すような観測箇所及び警報箇所の配置例では、管理センタ側装置２の処理部２２は、例えば、箇所Ｂ１〜Ｂ１０のいずれかの箇所の流量が所定流量以上となった場合、箇所Ｂ１〜Ｂ１０のいずれかの箇所の流量の単位時間当たりの増加量が所定量以上となった場合、箇所Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６の流量の合計が所定流量以上となった場合、及び、箇所Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８の流量の合計が所定流量以上となった場合などに、箇所Ｂ１０付近に設置した警報装置３に対して、送信部２４を介して警報信号を送信させる。
【００７５】
なお、河川観測装置１では、前述した図５の処理を行わずに、カメラ１１で撮像した画像のみを管理センタ側装置２へ送信し、管理センタ側装置２の処理部２２で、各河川観測装置１からの画像に対して、例えば時分割的にそれぞれ図５の処理を行うようにすることも可能である。この場合、管理センタ側装置２の処理部２２が行う図５に示す機能は、河川観測装置１の一部を構成していると言える。
【００７６】
本実施の形態によれば、前述したように、図３に示すような段差付近を撮像した画像において、白濁して見える領域Ｒ（図４、図７参照）に対応する領域の画素の輝度値が他の領域の画素の輝度値より高くなるという性質を巧みに利用して、従来の全く異なる原理により、河川３０の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出することができるとともに、河川３０の水位を検出することができ、さらに河川３０の流量を検出することができる。そして、実際の流水域に基づいて河川３０の水位及び流量を検出しているので、土石流や増水などによる河床の地形変化や流れる水の流量に起因して実際に水が流れている流路位置（実際の流水域）が変化した場合でも、精度良く水位及び流量を観測することができる。
【００７７】
また、本実施の形態によれば、カメラ１１で所定箇所付近を撮像してその画像を処理するだけで、河川３０の流量を検出することができるので、水位センサや流速センサとしての超音波送受信器などを設置することが困難な箇所の流量を検出することが可能となる。また、カメラ１１は河川３０から離れた位置に配置することが可能であるので、土石流や大水等により設備が流されたり故障したりするおそれがなくなる。したがって、設備の損害等を免れることができ復旧コスト等を要することがないとともに、観測不能となるような事態を防止することができる。さらに、カメラ１１で所定箇所付近を撮像してその画像を処理するだけで、実際の流水域内での水位Ｈを検出することができるので、従来必要であったセンサ移動機構は全く必要ない。
【００７８】
さらに、本実施の形態によれば、河川３０の流量に基づいて警報を発することができるので、水位や流速のみに基づいて警報を発する場合に比べて、土石流や大水等の危険をより適切に警報を発することができる。
【００７９】
［第２の実施の形態］
【００８０】
図９は、本発明の第２の実施の形態による河川管理システムにおいて用いられる河川観測装置５１を示す概略ブロック図である。図１０は、カメラ１１の撮像対象となる箇所の付近（河川３０における河川観測装置５１による観測箇所の付近）の様子及び河川観測装置５１の配置例を模式的に示す図である。図９及び図１０において、図２及び図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００８１】
本実施の形態による河川観測システムが、前記第１の実施の形態による河川観測システムと異なる所は、第１の実施の形態において用いられている複数の河川観測装置１のうちの少なくとも１つが、図９に示す河川観測装置５１で置き換えられている点のみである。
【００８２】
図９に示す河川観測装置５１が図２に示す河川観測装置１と異なる所は、前記段差付近における高い側での水位（水叩き３１における下流側での水位）Ｈを検出するための水位検出用超音波送受信器５２、この超音波送受信器５２を用いて前記水位Ｈを計測する水位計測部５３、前記段差付近における高い側での流速Ｖを検出するための流速検出用超音波送受器５４、この超音波送受信器５４を用いて前記流速Ｖを計測する流速計測部５５、及び、気温Ｔを検出する気温センサ５６が追加されている点と、処理部１４の動作の一部のみである。
【００８３】
図１０に示すように、一方の川岸に支柱５７が立設され、超音波送受信器５２，５４及び気温センサ５６は、支柱５７の上部側に取り付けられたアーム５８に取り付けられている。計測部５３，５５は、支柱５７に取り付けられた収容ボックス５９内に収容されている。図１０に示すように、超音波送受信器５４はその音軸が水３６の流れる方向に対して所定角度θ（例えば、４５゜）をなすように斜め下方を向くように取り付けられ、超音波送受信器５２はその音軸が鉛直方向に延びて真下に向くように取り付けられている。
【００８４】
水位計測部５３は、水位検出用超音波送受信器５２から超音波を発生させ、超音波送受信器５２から送信され水３６の面で反射されて超音波送受信器５２で受信された反射波の受信信号、及び、気温センサ５６で検出された気温Ｔに基づいて、下記の数１に従う処理を行い、水位Ｈを得る。また、流速計測部５５は、流速検出用超音波送受信器５４から超音波を発生させ、超音波送受信器５４から送信され水３６の面で反射されて超音波送受信器５４で受信された反射波の受信信号、及び、気温センサ５６で検出された気温Ｔに基づいて、下記の数２に従う処理を行い、水位Ｈを得る。
【数１】
Ｈ＝Ｈ’−（Ｃ０＋αＴ）・ｔｓ／２
【数２】
Ｖ＝｛（Ｃ０＋αＴ）・ｆｄ｝／｛（２ｆｓ＋ｆｄ）・ｃｏｓθ｝
【００８５】
数１及び数２において、Ｈ’は超音波送受信器５２の水叩き３１からの高さ、Ｃ０は０℃での音速、ｔｓは超音波送受信器５２の受信信号と超音波送受信器５２の送信信号との間の時間差、αは音波の温度係数、Ｔは気温、ｆｄは超音波送受信器５４の受信信号と超音波送受信器５４の送信信号との間の周波数差（ドップラー周波数）、ｆｓは超音波送受信器５４の送信信号の周波数、θは超音波送受信器５４の音軸が水３６の流れる方向に対してなす角度である。
【００８６】
なお、本実施の形態では、超音波送受信器５２及び水位計測部５３が水位検出手段を構成し、超音波送受信器５４及び流速計測部５５が流速検出手段を構成している。超音波送受信器５２，５３に代えて、例えば、電磁波又は赤外光線の送受信器を用いて水位や流速を検出することも可能である。
【００８７】
本実施の形態においても、処理部１４は、基本的に図５に示す動作を行う。ただし、本実施の形態では、処理部１４は、ステップＳ４は行わず、ステップＳ５において、第１の実施の形態と同様の流量算出を行う際に、水位計測部５３から得られた水位Ｈ及び流速計測部５５から得られた流速Ｖを用いる。
【００８８】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態とほぼ同様の利点が得られる。
【００８９】
なお、本実施の形態において、水位検出用超音波送受信器５２及び水位計測部５３を取り除き、処理部１４がステップＳ４を行い、ステップＳ５において、第１の実施の形態と同様の流量算出を行う際に、ステップＳ４で得た水位Ｈ及び流速計測部５５から得られた流速Ｖを用いてもよい。
【００９０】
また、本実施の形態において、流速検出用超音波送受信器５４及び流速計測部５５を取り除き、ステップＳ５において、第１の実施の形態と同様の流量算出を行う際に、ステップＳ３で得た全幅Ｗ１＋Ｗ３及び水位計測部５３から得られた水位Ｈから、流量を算出してもよい。なお、カメラによる場合は、霧や暴風雨の時には計測できないが、本方式ではこのような場合でも計測できる。
【００９１】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前述した従来の河川観測システムとは全く異なる原理により、河川の実際の流水域の川幅方向の全幅及び位置のうちの少なくとも一方を検出することができる河川観測装置を提供することができる。
【００９３】
また、本発明によれば、前記従来の河川管理システムとは全く異なる原理により、河川の水位を検出することができる河川観測装置を提供することができる。
【００９４】
さらに、本発明によれば、センサ移動機構を要することなく、河川の実際の流水域内での水位を検出することができる河川観測装置を提供することができる。
【００９５】
さらにまた、本発明によれば、河川の流量を検出することができる河川観測装置を提供することができる。
【００９６】
また、本発明によれば、河川の流量に基づいて警報を発することができる河川管理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による河川管理システムを示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示す河川管理システムにおいて用いられている河川観測装置を示す概略ブロック図である。
【図３】観測箇所の付近の様子及び図２に示す河川観測装置の配置例を模式的に示す図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ’矢視断面を模式的に示す図である。
【図５】図２に示す河川観測装置の動作の一例を示す概略フローチャートである。
【図６】撮像された画像の例を示す図である。
【図７】図６に示す画像を２値化した画像を示す図である。
【図８】図１に示す河川管理システムによる観測箇所及び警報箇所の例を示す概略平面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態による河川管理システムにおいて用いられる河川観測装置を示す概略ブロック図である。
【図１０】観測箇所の付近の様子及び図９に示す河川観測装置の配置例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１，５１  河川観測装置
２  管理センタ側装置
３  警報装置
１１  テレビカメラ
１２  Ａ／Ｄ変換器
１３  画像メモリ
１４  処理部
１５  送信部
１６  照明灯
２１  受信部
２２  処理部
２３  表示部
２４  送信部
３０  河川
３１  水叩き
３２  垂直璧
３３  河床
３４  垂直璧の上辺
３５  岩
３６  水
５２  水位検出用超音波送受信器
５４  流速検出用超音波送受信器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003723156.tif 000007
【図７】
0003723156.tif 000008
【図８】
0003723156.tif 000009
【図９】
0003723156.tif 000010
【図１０】
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