(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の水位を計測する水位計測手段と、
河川に堆積した土砂を河川上方位置から撮像する土砂撮像手段と、
この土砂撮像手段により撮像された画像データから土砂と水を区画し、土砂面積を算出する画像処理手段と、
前記水位計測手段および画像処理手段で得られた複数の異なる水位ごとの土砂面積に基づき土砂の堆積変化量を推定する推定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、
前記推定手段は、２つの異なる水位の差とそれぞれの水位における土砂面積の差との積を求めることにより、これら水位間での土砂堆積変化量を推定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２記載の河川観測システムにおいて、
前記推定手段は、前記２つの異なる水位の差とこれら両方の水位で存在しうる土砂の面積との積に、前記土砂堆積変化量を加算することにより、これら水位間での土砂堆積量を推定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、
前記水位計測手段で、常時、河川の水位を観測し、その水位の急増に応じて前記土砂撮像手段での撮像、前記画像処理手段での土砂面積の算出、および前記推定手段での土砂堆積変化量の推定を開始する制御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５】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
前記水位計測手段は、河川に立設したマーカと水面とを撮像する水位撮像手段と、この水位撮像手段で得られた画像データから水位を算出する水位算出手段からなることを特徴とする河川観測システム。
【請求項６】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
通信回線を介して接続された遠隔地の管理センタと通信を行う通信手段と、
前記通信手段で受信された前記管理センタからの観測開始指示に応じて、前記土砂撮像手段での撮像、前記画像処理手段での土砂面積の算出、および前記推定手段での土砂堆積変化量の推定を開始する制御手段と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７】
請求項１記載の河川観測システムにおいて、
少なくとも前記推定手段で推定された推定結果を含む観測データを、通信回線を介して接続された遠隔地の管理センタへ送信する通信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。
【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、河川に堆積する土砂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】
河川に堆積する土砂は、その堆積量や堆積位置によって災害発生に大きな影響を与えるため、土砂の堆積変化量、堆積量さらにはその堆積位置を観測する必要性が指摘されている。また、大水や土石流が発生した場合の土砂の移動を観測することは、その下流で河川構造物を設計し建設する上で重要となる。
従来、このような河川の土砂を観測する場合、係員が現地へ出向いて河原の大きさを測定し、堆積した土砂の量を観測するものとなっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように係員が現地で観測する方法では、その作業負担が大きいため容易に観測することができず、また水位が増加している場合は事故の危険性もあるため、天候が安定しているときに限定され、土砂堆積量が大きく変化するような水位増加の際など、必要に応じて観測できず、またリアルタイムで観測データか得られないという問題点があった。なお、堰の下流に升を設置し、その升に堆積した砂利の量から土砂流量を推定する方法も考えられるが、この方法では土砂がどこにどれだけ堆積したかどのように堆積量が変化したかを観測することができない。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、河川に堆積する土砂を観測でき、また必要なときに観測でき、リアルタイムで観測データが得られる河川観測システムを提供することを目的としている。
【０００４】
【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、本発明にかかる河川観測システムは、河川の水位を計測する水位計測手段と、河川に堆積した土砂を河川上方位置から撮像する土砂撮像手段と、この土砂撮像手段により撮像された画像データから土砂と水を区画し、土砂面積を算出する画像処理手段と、土砂の堆積変化量を推定する推定手段とを設け、この推定手段により、水位計測手段および画像処理手段で得られた複数の異なる水位ごとの土砂面積に基づき土砂の堆積変化量を推定するようにしたものである。
【０００５】
推定手段では、２つの異なる水位の差とそれぞれの水位における土砂面積の差との積を求めることにより、これら水位間での土砂堆積変化量を推定するようにしてもよく、さらにこれら２つの異なる水位の差とこれら両方の水位で存在しうる土砂の面積との積に、土砂堆積変化量を加算することにより、これら水位間での土砂堆積量を推定するようにしてもよい。
実際の処理を開始するタイミングとしては、水位計測手段で、常時、河川の水位を観測し、その水位の急増に応じて土砂撮像手段での撮像、画像処理手段での土砂面積の算出、および推定手段での土砂堆積変化量を推定を開始するようにしてもよい。
水位計測手段としては、水位撮像手段で河川に立設したマーカと水面とを撮像し、この水位撮像手段で得られた画像データから水位算出手段で水位を算出するようにしてもよい。
【０００６】
また、通信回線を介して接続された遠隔地の管理センタと通信を行う通信手段を設け、この通信手段で受信された管理センタからの観測開始指示に応じて、土砂撮像手段での撮像、画像処理手段での土砂面積の算出、および推定手段での土砂堆積変化量の推定を開始するようにしてもよい。
観測装置で得られた観測データについては、少なくとも推定手段で推定された推定結果を含む観測データを、通信回線を介して接続された遠隔地の管理センタへ通信手段により送信するようにしてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる河川観測システムを示すブロック図、図２は図１の河川観測システムの配置例である。
この河川観測システムには、河川１の水位を計測する超音波水位計４，５と、河川１に堆積する土砂を河川１の上方位置から撮像する土砂撮像カメラ６と、この土砂撮像カメラ６により撮像された画像データから土砂と水を区画して土砂面積を算出し、複数の異なる水位ごとに得られた土砂面積に基づき土砂の堆積変化量ゆ堆積量を推定する観測装置１０とが設けられている。
【０００８】
図２に示すように、超音波水位計（水位計測手段）４，５は、河川１の岸２に立設されたポール４Ａ，５Ａにより、河川１の上方位置に突出して支持されている。この超音波水位計４，５では、超音波を河川１の水面に送出し、その反射波の遅れ時間により水面との距離を算出して水位を計測する。超音波水位計は１つでもよいが、複数設けることにより、それぞれの位置での水位を正確に計測できる。
土砂撮像カメラ６は、河川１の岸２とその対岸３にそれぞれ立設されたポール２Ａ，３Ａと、これらポール２Ａ，３Ａに架設されたワイヤ（またはアーム）６Ａにより河川１の上方位置に支持されている。この土砂撮像カメラ６はワイヤ６Ａに吊り下げられており、河川１の平面画像を撮像する。
【０００９】
観測装置１０は、岸２側に設置されており、超音波水位計４，５からの水位データや土砂撮像カメラ６で撮像された画像データを取り込んで、河川１内に堆積する土砂の堆積量やその変化を観測する。
観測装置１０には、超音波水位計４，５からの水位データを取り込む水位取込部１１、土砂撮像カメラ６で撮像された画像データを取り込む画像取込部１２、土砂撮像カメラ６により撮像された画像データから土砂と水を区画して土砂面積を算出する画像処理部１３、取り込んだ水位データや画像データを蓄積する蓄積部１４、各種処理に必要なデータを記憶する記憶部１５、時間を計測する計時部１６、取り込んだ水位データや画像データさらには推定した土砂の堆積量を表示する表示部１７、通信回線１８Ａを介して接続された遠隔地にある河川観測センタなどの管理センタと通信を行う通信部１８が設けられている。
【００１０】
また観測装置１０には、観測装置１０の各部を制御する制御部１９が設けられている。制御部１９には、機能処理手段として、複数の異なる水位ごとに得られた土砂面積に基づき土砂の堆積量を推定する推定手段１９Ａが設けられている。制御部１９は、演算処理装置（ＣＰＵ）などから構成されており、必要に応じて蓄積部１４に予め蓄積されているプログラムを読み出して実行することにより、推定手段１９Ａとしのて機能を提供する。
画像処理部１３については、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）を用いてもよく、制御部１９の機能処理手段としてプログラム実行により実現してもよい。
【００１１】
次に、図３を参照して、河川観測システムの動作を説明する。図３は土砂観測処理を示すフローチャートであり、（ａ）はデータ取込処理、（ｂ）は土砂堆積量推定処理である。
観測装置１０の制御部１９では、常時、図３（ａ）に示すようなデータ取込処理を実行している。まず、水位取込部１１を介して超音波水位計４，５からの水位データを取り込み、河川１の水位に異常がないかチェックする。
【００１２】
ここで、水位が急増している場合は（ステップ１００：ＹＥＳ）、計時部１６で計時される所定時間間隔で土砂撮像カメラ６からの画像データを画像取込部１２を介して取り込むとともに、水位取込部１１を介して超音波水位計４，５からそのときの水位データを取り込み（ステップ１０１）、蓄積部１４へ蓄積する（ステップ１０２）。
水位が急増しているかどうかの判断としては、水位が記憶部１５に予め設定されている所定のしきい値を上回った場合に水位急増と判断してもよく、単位時間当たりの水位変化量が所定のしきい値を上回った場合に水位急増と判断してもよい。なお、水面の波立ちなども考慮して、複数回測定した水位を統計処理、例えば平均化したものを水位データとして蓄積してもよい。この後、通常水位まで低下したことを確認して（ステップ１０３：ＹＥＳ）、一連のデータ取込処理を終了する。
【００１３】
制御部１０では、このようなデータ取込処理と並行して、図３（ｂ）に示すような土砂堆積量推定処理を実行する。以下では、異なる２つの水位Ｈａ，Ｈｂにおける画像データを用いて土砂の堆積量を推定する場合を例として説明する。まず、蓄積部１４から異なる２つの水位Ｈａ，Ｈｂにおける画像データをそれぞれ読み出す（ステップ１１０）。そして、これら画像データごとに画像処理部１３で、水と土砂とを区画する処理を行い（ステップ１１１）、堆積している土砂の面積Ｓａを算出する（ステップ１１２）。例えば、水と土砂とは、画像データの画素濃淡の違いから、微分処理などの公知の画像処理技術を用いて区画できる。また土砂の面積は、画像データ上の面積と実際の面積との比を予め設定しておけばよい。
【００１４】
このようにして、画像処理部１３において、図４に示すように、水位Ｈａにおける土砂の面積Ｓａが得られる。この処理を水位Ｈａより高い水位Ｈｂにおける画像データについても実行し、図５に示すように、水位Ｈｂにおける土砂の面積Ｓｂを得る。
制御部１９の推定手段１９Ａでは、得られた異なる２つの水位Ｈａ，Ｈｂにおける土砂面積Ｓａ，Ｓｂを用いて、土砂の堆積量を推定する（ステップ１１３）。
【００１５】
図６に土砂堆積量の推定方法を示す。河川１の水位が水位Ｈａから水位Ｈｂ（Ｈａ＜Ｈｂ）まで上昇する間に、土砂の堆積量が増加した場合、土砂の面積がＳａからＳｂ（Ｓａ＜Ｓｂ）へ大きくなる。この土砂の堆積変化量をΔＶとすると、水位Ｈｂのときの面積Ｓａ’はわからないが、少なくともＳｂ分の土砂が高さＨｂ−Ｈａだけ堆積していることから、堆積変化量ΔＶは、ＳａとＳｂの面積の差と水位の差との積で推定できる。
ΔＶ＝（Ｈｂ−Ｈａ）×（Ｓｂ−Ｓａ）
【００１６】
さらに、Ｓａ分の土砂についても、少なくとも高さＨｂ−Ｈａだけ堆積していることからＳｂと高さＨｂ−Ｈａの積で推定でき、これにΔＶを加算すれば、水位Ｈｂにおける土砂堆積量Ｖを推定できる。
Ｖ＝（Ｈｂ−Ｈａ）×Ｓａ＋ΔＶ
推定した堆積変化量ΔＶや土砂堆積量Ｖ、さらには水位データ、観測日時、および土砂の堆積位置を含む画像データについては、表示部１７で表示出力してもよく、通信部１８を介して遠隔地の河川観測センタへ送信するようにしもよい。
【００１７】
このように、河川１の水位を計測する超音波水位計４，５と、河川１に堆積した土砂を河川上方位置から撮像する土砂撮像カメラ６とを設け、観測装置１０の画像処理部１３で、異なる水位ごとに得られた画像データから土砂と水を区画して土砂面積を算出し、制御部１９の推定手段１９Ａで、これら水位ごとの土砂面積に基づき土砂の堆積変化量ΔＶ、あるいは土砂堆積量Ｖを推定するようにしたので、従来のように、係員が実測することなく、土砂が河川のどこにどれだけ堆積したかを観測することができ、河川増水時でも事故の危険性を犯すことなく容易に観測できる。
【００１８】
また、河川１の水位を常時観測しておき、その水位急増に応じて画像データを取り込むようにしたので、警戒を要するときに自動的に土砂を観測することができる。したがって、係員が常に河川の状況をモニタする必要がなくなる。このことは、河川１の水位が通常水位まで低下した場合に土砂の観測を停止するようにした場合にもあてはまる。
制御部１９の動作としては、図３のデータ取込処理と土砂堆積量推定処理とを並列的に実行する場合を例として説明したが、例えば２つの異なる画像データが取り込まれるごとに土砂堆積量を推定するように、データ取込処理と土砂堆積量推定処理とを直列的に実行するようにしてもよい。
【００１９】
前述した図６の推定方法では、土砂が柱状に堆積している状態を想定して、堆積変化量ΔＶや土砂堆積量Ｖを推定していることになり誤差が含まれるが、水位Ｈａ，Ｈｂの差を小さくすることにより、その誤差を低減できる。
以上の説明では、河川１の水位が上昇する場合であって、さらに土砂堆積量が変化する場合を例として説明したが、水位が低下する場合にも適用できる。この場合には土砂堆積量はあまり変化しないことから、比較的精度よく土砂堆積量Ｖを推定できる。
【００２０】
水位低下時など、水位変化に応じて土砂堆積量があまり変化しない場合には、土砂面積形状が水位の増加に応じて相似的に変化すると仮定して、堆積した土砂の傾斜部分を含む堆積量を推定できる。
例えば、図６において、水位がＨｂからＨａへ低下し、土砂面積がＳｂからＳａ’へ増加した場合を想定する。このときＳａ’をＳｂまで画像データ上で徐々に縮小して複数の縮小画像を生成し、それら画像ごとに算出した土砂面積とこれら縮小画像数で分割した水位の単位変化量との積を合計する。これにより、結果として縮小画像を単位として土砂堆積量を積分することができ、堆積した土砂の傾斜部分を含む堆積量を精度よく推定できる。Ｓａ’を縮小する代わりにＳｂを拡大してもよい。
【００２１】
次に、図７，８を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７は第２の実施の形態にかかる河川観測システムを示すブロック図、図８は図７の河川観測システムを示す配置例である。同図において、前述の説明（図１，２）と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
本実施の形態では、河川１の水位を計測する手段として、超音波水位計４，５の代わりに、河川１内に立設された複数のマーカ８と、これらマーカ８と水位との関係を撮像する水位撮像カメラ（水位撮像手段）７と、この水位撮像カメラ７で撮像された画像データから水位を算出する水位算出手段１９Ｂとが設けられている。なお、水位算出部１９Ｂは推定手段１９Ａと同様にプログラムの実行により機能する制御部１９の機能処理手段である。
【００２２】
水位撮像カメラ７は、河川１の岸２側に設置されており、水平からわずかな角度をなして、河川１内のマーカと水位とを含む画角を撮像している。マーカ８は、画像データ上で画素濃淡が明確に表現される２つの色を縞模様状に塗布した柱部材から構成されている。
実際に水位を計測する場合には、観測装置１０の画像取込部１２を介して、水位撮像カメラ７から画像データを取り込み、画像処理部１３でマーカ８をパターン認識し、制御部１９の水位算出部１９Ｂで、マーカ８の下端位置と基準水位とから水位を算出する。以下、堆積変化量ΔＶや土砂堆積量Ｖの推定処理については、前述と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００２３】
図９に水位撮像カメラで撮像した画像データ例を示す。河川１内に堆積した土砂９の水位９Ａは、その付近に位置するマーカ８での水位８Ａとほぼ同じであり、予めマーカ８ごとに基準水位を設定しておくことにより、水位９Ａを算出できる。マーカ８については、柱部材に限定されるものではなく、対岸３の護岸ブロックや橋桁に縞模様を塗布したものでもよく、護岸ブロックの代わりに河川１内に存在する大きな岩石に縞模様を塗布したものでもよい。
【００２４】
このように、マーカ８と水位撮像カメラ７とで河川１の水位を算出するようにしたので、超音波水位計など高価な設備を要することなく水位を算出でき、システムを安価で実現でき、土石流などによりたびたび被害が生じるような観測地点に適する。なお、本実施の形態では、１つの水位撮像カメラを用いた場合を例として説明したが、水位撮像カメラの台数を制限するものではなく、川幅の広い河川での観測や、画角の狭いカメラを採用した際には、水位撮像カメラを複数台設けてもよく、前述と同様にして水位を算出できる。
【００２５】
以上では、河川観測処理を開始するタイミングとして、水位の急増を契機とする場合について説明したが（図３参照）、通信回線１８Ａを介して接続された遠隔地の管理センタからの観測開始指示を通信部１８で受信し、その観測開始指示に応じて、制御部１９での河川観測処理、すなわち土砂撮像カメラ６での撮像、画像処理部１３での土砂面積の算出、および推定手段１９Ａでの土砂堆積変化量の推定を開始するようにしてもよい。これにより、遠隔地の管理センタから、必要に応じた任意のタイミングで河川観測を行うことができ、より綿密で有効な河川管理業務を実現できる。
【００２６】
また、以上のような河川観測に基づいて推定手段１９Ａで推定された推定結果、すなわち土砂堆積変化量や土砂堆積量は、観測データとして、通信部１８により、通信回線１８Ａを介して接続された遠隔地の管理センタ（図示せず）へ送信される。送信する観測データとしては、推定結果に加えて、土砂撮像カメラ６や水位撮像カメラ７により河川を撮像して得られた画像データや、超音波水位計４，５や水位撮像カメラ７の画像データから得られた水位を送信してもよい。これにより遠隔地の管理センタで、現地の河川状況をリアルタイムで適切に把握できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、河川の水位を計測する水位計測手段と、河川に堆積した土砂を河川上方位置から撮像する土砂撮像手段とを設け、この土砂撮像手段により撮像された画像データから土砂と水を区画して土砂面積を算出し、水位計測手段および画像処理手段で得られた複数の異なる水位ごとの土砂面積に基づき土砂の堆積変化量を推定するようにしたので、従来のように、係員が実測することなく、土砂が河川のどこにどれだけ堆積したかを観測することができ、河川増水時でも事故の危険性を犯すことなく容易にかつリアルタイムで観測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態にかかる河川観測システムを示すブロック図である。
【図２】  図１の河川観測システムの配置例である。
【図３】  土砂観測処理を示すフローチャートである。
【図４】  土砂面積算出時の画像データ例（水位Ｈａ）である。
【図５】  土砂面積算出時の画像データ例（水位Ｈｂ）である。
【図６】  土砂観測処理例を示す説明図である。
【図７】  本発明の第２の実施の形態にかかる河川観測システムを示すブロック図である。
【図８】  図２の河川観測システムの配置例である。
【図９】  水位算出時の画像データ例である。
【符号の説明】
１…河川、２…岸、３…対岸、４，５…超音波水位計、６…土砂撮像カメラ、７…水位撮像カメラ、８…マーカ、９…土砂、１０…観測装置、１１…水位取込部、１２…画像取込部、１３…画像処理部、１４…蓄積部、１５…記憶部、１６…計時部、１７…表示部、１８…通信部、１９…制御部、１９Ａ…推定手段、１９Ｂ…水位算出手段。
【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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【図９】
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