(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の水流を観測する河川観測システムにおいて、
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または流速を計測する計測手段と、
前記河川の上方位置で前記計測手段を支持するアームと、
このアームを回動させることにより前記計測手段を前記流路検出手段で検出された前記流路位置内へ配置するアーム回動手段と
を備えることを特徴とする河川観測システム。
【請求項２】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、異なる時刻に前記河川を撮像した２つの画像の差分画像に基づき前記流路位置を検出することを特徴とする河川観測システム。
【請求項３】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、前記河川を撮像した赤外線画像から得た熱分布に基づき前記流路位置を検出することを特徴とする河川観測システム。
【請求項４】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、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ことを特徴とする河川観測システム。
【請求項５】
請求項４記載の河川観測システムにおいて、
前記アームは、前記河川の上方位置で前記流速計を支持し、
前記アーム回動手段は、前記アームを回動させることにより前記流速計の計測方向を前記河川の各計測位置へ向けることを特徴とする河川観測システム。
【請求項６】
請求項４記載の河川観測システムにおいて、
前記流路検出手段は、
前記河川の上方を川幅方向に横切って架設されたガイド手段と、
このガイド手段に沿って前記流速計を前記河川の各計測位置へ移動させる移動手段とを有することを特徴とする河川観測システム。
【請求項７】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記アームに設けられて、前記流速計を前記水の水面と垂直な方向を軸として回動自在に支持し、その流速計を回動させることによりその計測方向を前記河川の各計測位置へ向ける軸回動手段をさらに備えることを特徴とする河川観測システム。
【請求項８】
請求項４〜７記載の河川観測システムにおいて、
前記流速計に代えて放射温度を計測する放射温度計を用いるとともに、前記流速の分布に代えて放射温度の分布を用いることを特徴とする河川観測システム。
【請求項９】
請求項１〜８記載の河川観測システムにおいて、
前記計測手段は、前記流路検出手段で検出された流路位置に基づきその流路幅のほぼ中央で少なくとも水位または流速を計測することを特徴とする河川観測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川観測システムに関し、特に大雨による土石流や河川の氾濫などの災害に備えて、河川の水流を観測する河川観測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大雨による土石流や河川の氾濫などの災害を回避するため、河川の上流で砂防ダムを建設して土砂の流出をせき止め、急激な河川の増水や土石流の発生を抑制してきた。しかし、このような砂防ダムでせき止められる土砂の量も限界があるため、砂防ダムの代わりに土砂の流れる勢いを緩和する暗渠砂防堰堤の建設が検討されている。暗渠砂防堰堤とは、図８に示すように、河川を横断して設けられた土手（断面台形）状の砂防堰９１に数個の暗渠９２を設け、上流側で発生した土石流の勢いを砂防堰９１で緩和するとともに、その土石流を各暗渠９２を介して下流側へ射流することにより、砂防堰での土砂の堆積を抑制して長期にわたり機能が維持されるようにしたものである。
【０００３】
このような暗渠砂防堰堤は、発生した土石流を完全にせき止めるものではないことから、土石流発生の兆候を早期に捉えるため、水流の変化、例えば水位や流速の変化を精度良く観測し、必要に応じて下流の地域へ警報する必要がある。
従来、このように河川の水位や流速を自動観測する場合、川岸９０に設置したポール９４からアーム９３を河川上方に延ばし、その先端で超音波水位計や超音波流速計などの計測機器９５を設置して、予め設定した固定的な観測ポイントで水位や流速を観測していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような暗渠砂防堰提は、土石流や急激な増水の発生が予想される地点に建設されるため、その付近では、河川幅範囲に対して実際に流れる水の流路（澪筋）９６，９７の位置が大きく変化する。しかしながら、このような従来の観測システムでは、固定的な観測ポイントで水位や流速を観測しているため、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には、精度良く河川の水位や流速を観測できないという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、実際に水が流れる流路の位置が変化した場合でも、精度良く水位や流速を観測できる河川観測システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による河川観測システムは、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または流速を計測する計測手段と、河川の上方位置で計測手段を支持するアームと、このアームを回動させることにより計測手段を流路検出手段で検出された流路位置内へ配置するアーム回動手段とを設け、この流路検出手段により検出された流路位置内へアームにより計測手段を配置して少なくとも水位または流速を計測するようにしたものである。
流路検出手段としては、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してもよく、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ようにしてもよい。
【０００６】
流路検出手段については、流速を計測する流速計を用いて河川の各計測位置で計測した流速の分布に基づき流路位置を検出してもよい。具体的には、アームにより河川の上方位置で流速計を支持し、アーム回動手段でこのアームを回動させることにより流速計の計測方向を河川の各計測位置へ向けるようにすればよい。また、河川の上方を川幅方向に横切ってガイド手段を架設し、このガイド手段に沿って流速計を河川の各計測位置へ移動させるようにしてもよい。
【０００７】
この他、流速計を水の水面と垂直な方向を軸として回動自在に支持し、その流速計を回動させることによりその流速計の検出方向を河川の各計測位置へ向ける軸回動手段をアームに設けてもよい。なお、流速計に代えて放射温度を計測する放射温度計を用いるとともに、流速の分布に代えて放射温度の分布を用いてもよい。また、流路検出手段で検出された流路位置に基づきその流路幅のほぼ中央で少なくとも水位または流速を計測してもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態である河川観測システムのブロック図、図２は河川観測システムの外観図である。図２において、川岸２１には、アーム１１を支持するためのポール１３が立てられている。アーム１１はアーム回動部４によりポール１３を中心として回動する。アーム１１の先端には流速計測用の超音波送受信器６Ａおよび水位計測用の超音波送受信器７Ａが取り付けられている。またアーム１１の後にはバランス用の重り１２が取り付けられている。またポール１３上端には、河川の状況を撮像するカメラ（ＩＴＶカメラ）１が設置されている。
【０００９】
川岸２１と対向する川岸２２との間には、水が流れていない河原２３と実際に水が流れている流路２４が存在している。流速計測用の超音波送受信器６Ａは、アーム１１の先端で軸回動部５により水面と垂直な軸１４を中心として水平方向に回動自在に支持されている。なお、超音波送受信器６Ａは、水平方向から斜め下方（例えば４５゜下方）へ向けて支持されている。水位計測用の超音波送受信器７Ａは、軸１４の下端に支持されている。また、超音波送受信器７Ａは、真下へ向けて支持されている。
【００１０】
ポール１３付近には、河川観測システム全体を制御する制御盤１０が設置されている。この制御盤１０には、図１に示すように、カメラ１からの画像信号を画像処理し画像データとして出力する画像処理部２と、超音波送受信器６Ａを用いて水の流速を計測する流速計測部（流速計）６と、超音波送受信器７Ａを用いて水の水位を計測する水位計測部（水位計）７と、これら流速計測部６や水位計測部７で得られた観測データを蓄積するデータ蓄積部８と、通信回線９Ａを介してセンターへ観測データや警報を送信する通信インターフェース部９と、これら各部を制御する制御部３とが設けられている。また、制御部３には、河川で水が実際に流れている流路２４位置を検出する流路検出部３Ａと、計測された流速や水位などの観測データを処理するデータ処理部とが設けられている。
【００１１】
次に、図３を参照して、本発明の第１の実施の形態による河川観測システムについて説明する。図３は本発明の第１の実施の形態による流路位置検出処理を示す説明図である。ここでは、河川の状況を撮像した画像に基づき流路２４の位置を検出する場合について説明する。
流路２４の位置を検出する場合、制御部３の流路検出部３Ａは、まず、カメラ１で河川の状況を示す画像を撮像し、画像処理部２でその画像信号を所定の画像データに変換して取り込む。このようにして、異なる時刻における２つの画像データ３１，３２を取り込み、両画像データの差分画像データ３３を生成する。
【００１２】
ここで、２つの画像データを比較すると、川岸２１，２２や河原２３の画像領域では、両者ともほとんど同じ画像データとなるが、流路２４では水の流れがあるためこの画像領域では異なる画像データとなる。したがって、両画像データ３１，３２の差分画像データ３３には、流路２４の領域だけが顕著に現れる。
流路検出部３Ａでは、このようにして得られた流路２４の領域の両側端Ｐ1，Ｐ2の中点を流路２４の中心位置Ｐ3として選択する。この中心位置Ｐ3に対応するアーム１１の回動角度、例えば位置ＰBから位置ＰA方向へ回動するための角度θが求められ、アーム回動部４を制御してその角度θだけアーム１１を回動させる。
【００１３】
これにより、アーム１１の先端に取り付けられている流速計測用の超音波送受信器６Ａおよび水位計測用の超音波送受信器７Ａが流路２４のほぼ中心位置に配置されるため、流路２４の位置が変化するような場所であっても、精度良く水位や流速を自動的に計測できる。
なお、アーム１１の先端はポール１３を中心として河川上方を円弧状に移動するため、その先端の軌跡は、川岸２１のポール１３に設置されたカメラ１で撮像して得られた差分画像３３内で曲線的に移動する。したがって、差分画像３３において流路２４の領域の両側端と先端の軌跡とが交差する点をＰ1，Ｐ2とすることにより、中心位置Ｐ3を正確に算出できる。
【００１４】
カメラ１で赤外線画像を撮像し、その画像データに基づき流路２４を検出しても良い。土砂などからなる河原２３と水からなる流路２４とはそれぞれ放射温度が異なる。したがって、図４に示すように、河川を赤外線で撮像した場合、可視光線で撮像した画像データ３５に比較して、赤外線による画像データ３５のほうが河原２３と流路２４とを容易に区別できる。このようにして流路２４の領域を得て、前述と同様に、中心位置Ｐ3を求めてもよい。
なお、カメラ１の設置場所については、河川の状況が撮像できる場所であればよく、川岸２１のポール１３上端に限定されるものではない。特に、アーム１１の先端、河川に設けられた橋、あるいは図７の暗渠砂防堰堤に設置して、河川の状況を河川上方から撮像することにより、左右にバランスのよい画像を広範囲に撮像でき、精度良く流路を検出できる。
【００１５】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態による河川観測システムについて説明する。図５は本発明の第２の実施の形態による流路位置検出処理を示す説明図である。ここでは、河川の各計測位置で計測した流速の分布に基づき流路２４の位置を検出する場合について説明する。
流路位置を検出する場合、図５（ａ）に示すように、制御部３の流路検出部３Ａは、まず、アーム回動部４を制御してアーム１１の先端に取り付けられている超音波送受信器６Ａを川岸２１付近の計測位置ＰAに配置する。そして、軸回動部５を制御して超音波送受信器６Ａを河川上流側に回動させ、流速計測部６を制御して計測位置ＰAでの流速を計測する。次に、アーム１１を回動させて計測位置ＰAよりわずかに川岸２２側の位置で流速を計測する。
【００１６】
このようにして、河川を横断するようにアーム１１を徐々に回動させて、川岸２１付近の計測位置ＰAから川岸２２付近の計測位置ＰBまでの各計測位置で流速を計測する。これにより、図５（ｂ）に示すような流速分布が得られる。このとき、実際に水の流れが生じている流路２４が存在する位置では流速が上昇し、河原２３では流速がほぼゼロとなる。流路計測部３Ａでは、計測ノイズを考慮してしきい値Ｓを設定し、流速分布がこのしきい値Ｓと交差する位置を流路２４の両端と判断する。
【００１７】
図５（ｂ）では、流速分布としきい値Ｓとが位置Ｐ1，Ｐ2で交差していることから、この位置Ｐ1，Ｐ2の中点が流路の中心位置Ｐ3として選択される。そして、この中心位置Ｐ3に対応するアーム１１の回動角度、例えば位置ＰBから位置ＰA方向へ回動するための角度θが求められ、アーム回動部４を制御してその角度θだけアーム１１を回動させる。これにより、アーム１１の先端に取り付けられている流速計測用の超音波送受信器６Ａおよび水位計測用の超音波送受信器７Ａが流路２４のほぼ中心位置に配置されるため、流路２４の位置が変化するような場所であっても、精度良く水位や流速を自動的に計測できる。
【００１８】
以上では、流速分布により流路２４の位置を検出する場合を例に説明したが、流速分布に限定されるものではなく、流路２４と河原２３とを区別できる計測値の分布であれば、同様にして適用できる。例えば、放射温度計をアーム１１の先端に取り付け、流速分布の代わりに放射温度分布を計測して用いてもよい。放射温度分布の場合は、図５（ｃ）に示すように、流路２４と河原２３とで異なった放射温度が得られる。この場合もしきい値Ｔを設定し、放射温度分布としきい値Ｔとの交点Ｐ1，Ｐ2の中点を流路２４の中心位置Ｐ3として選択できる。
【００１９】
また、第２の実施の形態では、流路位置検出処理において、アーム１１を回動させることにより、超音波送受信器６Ａを移動させて流速分布を計測するようにした場合について説明したが、図６に示すように、超音波送受信器６Ａのみの向きを変えることにより流速分布を計測してもよい。特に、超音波を用いた流速計や放射温度計は、その計測装置の向きで決定される限られた角度範囲を計測領域としており、この計測領域すなわち計測装置の向きを変更すれば所望の流速分布あるいは放射温度分布が得られる。なお、この際、図６に示すように、アーム１１を回動させ計測機器を河川の幅方向でほぼ中央に配置した後、その計測機器の向きを回動させることにより、誤差の少ない分布が得られる。
【００２０】
また、図７に示すように、河川の上方を川幅方向に横切ってガイド部４１を架設し、そのガイド部４１に沿って移動手段４２を移動させることにより、超音波送受信器６Ａを移動させて流速分布を計測するようにしてもよい。ガイド部４１は、川岸２１のポール１３に設けられた支持部４３と、対岸の川岸２２に設けられた支持部４４とで支持されている。このガイド部４１としてはシャフト、レールあるいはワイヤを用いればよい。また、移動手段４２については自走式でもよく、ラックアンドピニオン方式、スライドレールとモータの組み合わせなど、一般的な移動方式を利用できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、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または流速を計測する計測手段と、河川の上方位置で計測手段を支持するアームと、このアームを回動させることにより計測手段を流路検出手段で検出された流路位置内へ配置するアーム回動手段とを設け、この流路検出手段により検出された流路位置内へアームにより計測手段を配置して少なくとも水位または流速を計測するようにしたので、従来のように、固定的な観測ポイントで水位や流速を計測する場合と比較して、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できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による河川観測システムのブロック図である。
【図２】  河川観測システムの外観図である。
【図３】  第１の実施の形態による流路位置検出処理を示す説明図である。
【図４】  第１の実施の形態による他の流路位置検出処理を示す説明図である。
【図５】  第２の実施の形態による流路位置検出処理を示す説明図である。
【図６】  第２の実施の形態による他の流路位置検出処理を示す説明図である。
【図７】  第２の実施の形態による他の流路位置検出処理を示す説明図である。
【図８】  従来の河川観測システムを示す説明図である。
【符号の説明】
１…カメラ、２…画像処理部、３…制御部、３Ａ…流路検出部、３Ｂ…データ処理部、４…アーム回動部、５…軸回動部、６…流速計測部、６Ａ…超音波送受信器、７…水位計測部、７Ａ…超音波送受信器、８…データ蓄積部、９…通信Ｉ／Ｆ部、９Ａ…通信回線、４１…ガイド部、４２…移動手段。
【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】
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【図７】
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【図８】
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