(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の河川にＧＰＳセンサを搭載したボートを航行させ、センサ位置の３次元絶対座標を連続的に計測し、計測データを記録するステップと、
所定地点に設置したビデオカメラによって前記ボートの航行状況を撮影し、記録するステップと、
前記河川の水位を水位センサで計測し、水位データを記録するステップと、
適数個の計測時点毎のカメラ画像上のＧＰＳセンサの写真座標データを求めるステップと、
前記適数個の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標データと、カメラ画像上のＧＰＳセンサの写真座標データと、水位データとをひも付けするステップと、
ひも付けされた所定数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標データ及び写真座標データと、水位データと、前記ビデオカメラの設置位置の３次元絶対座標データ及び傾き座標データとを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めるステップとを有する標定方法。
【請求項２】
河川上の各点でＧＰＳセンサにて計測した３次元絶対座標データと、前記ＧＰＳセンサの前記河川上の各点でのビデオ画像と、水位センサで計測した前記河川の水位データとのそれぞれの入力を受付けて保存するステップと、  前記ビデオ画像を撮影するために所定場所に設置されたビデオカメラの３次元位置座標及び傾き座標の入力を受付けて保存するステップと、  前記ＧＰＳセンサのタイムスタンプをキーにして、同じ時点毎の前記ＧＰＳセンサの３次元絶対座標と前記ＧＰＳセンサのビデオ画像上での写真座標と水位とを所定数組みだけひも付けするステップと、  ひも付けされた所定組数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標、写真座標及び水位と、前記ビデオカメラの設置位置の３次元位置座標及び傾き座標とを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めて保存するステップとをコンピュータによって実行する標定方法。
【請求項３】
河川上の各点でＧＰＳセンサにて計測した３次元絶対座標データと、前記ＧＰＳセンサの前記河川上の各点でのビデオ画像と、水位センサで計測した前記河川の水位データとのそれぞれの入力を受付けて保存する処理と、  前記ビデオ画像を撮影するために所定場所に設置されたビデオカメラの３次元位置座標及び傾き座標の入力を受付けて保存する処理と、  前記ＧＰＳセンサのタイムスタンプをキーにして、同じ時点毎の前記ＧＰＳセンサの３次元絶対座標と前記ＧＰＳセンサのビデオ画像上での写真座標と水位とを所定数組みだけひも付けする処理と、  ひも付けされた所定組数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標、写真座標及び水位と、前記ビデオカメラの設置位置の３次元位置座標及び傾き座標とを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めて保存する処理とをコンピュータに実行させる標定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標定方法及び標定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
台風、大雨、融雪等による大水の時の洪水対策のために河川の流量分布・流量観測が必要である。従来、河川の流速分布や流量観測には、浮子を用いる観測が行われてきた。
【０００３】
しかしながら、浮子による流速分布・流量観測は、大水の中でも観測地点に観測員が出向いて観測作業する必要があり、作業の安全性に問題があり、また精度的に不十分であり、さらにリアルタイムに継続的に流量を観測することも難しい問題点があった。
【０００４】
近年、ＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）技術が開発され、これを河川表面流速解析に応用する技術も提案されるようになっている（藤田一郎、河村三郎、「ビデオ画像解析による河川表面流計測の試み」、水工学論文集、Ｖｏｌ．３８、ｐｐ７３３−７３８、１９９４年２月（非特許文献１）。藤田一郎、椿涼太、「小俯角のビデオ画像に対応した河川表面流計測手法の開発」、河川技術論文集、第７巻、ｐｐ４７５−４７８、２００１年６月（非被特許文献２））。
【０００５】
この従来の技術は、河岸からビデオカメラで河川の表面水流を斜めに撮影し、この斜めビデオ画像を用い、パターンマッチングによる河川表面の濃淡分布の面的な移動ベクトルの追跡から、表面流速分布を求めるものである。そして、斜め画像のためにカメラから近距離の地点と遠方の地点とでは俯角の差により画像の歪み度合いに差が出るので、幾何変換補正により俯角による影響を打ち消し、川面を垂直に見た平面画像（垂直平面画像）に幾何変換した後、川幅の仮想的な横断線上の各区分についてＰＩＶ解析し、各区分毎の表面流速を算定する。
【０００６】
ところが、このＰＩＶ手法を用いた河川表面流計測は、学術レベルの提案であって、ビデオカメラで撮影したビデオ画像を研究室に持ち帰り、コンピュータにより画像キャプチャーから幾何変換、ＰＩＶ解析を行うものであったので、リアルタイムに河川の表面流速分布や水量を計測するということはできない。
【０００７】
上述したように、台風、大雨、融雪等による大水の時には河川の表面流速分布や河川流量をリアルタイムに計測し、洪水対策を練る必要があるため、従来のＰＩＶ手法を用いた河川の表面流計測技術は大水、洪水時の流速分布や流量の計測に直接に利用することはできなかった。
【０００８】
これを解決するためには、ほぼリアルタイムに河川の表面流速分布を自動観測することができる流速分布計測技術が求められる。そして、ほぼリアルタイムに河川流量を精度高く自動観測するには、観測に先立って観測対象河川の正確な標定が不可欠である。
【０００９】
他方、大河川における観測では、洪水時にその水面はかなり広大なものとなるため、使用するカメラの画角内に標定用の標識を置くべき陸地や構造物が写し込めない状況での観測も想定される。
【非特許文献１】藤田一郎、河村三郎、「ビデオ画像解析による河川表面流計測の試み」、水工学論文集、Ｖｏｌ．３８、ｐｐ７３３−７３８、１９９４年２月。
【非特許文献２】藤田一郎、椿涼太、「小俯角のビデオ画像に対応した河川表面流計測手法の開発」、河川技術論文集、第７巻、ｐｐ４７５−４７８、２００１年６月。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこのような技術的課題に鑑みてなされたもので、観測対象となる河川に３次元絶対座標が計測できるＧＰＳセンサを搭載したボートを航行させて河川表面の各地点の３次元絶対座標を連続的に計測し、３次元絶対座標データを観測時刻のタイムスタンプと共に記録すると共に、この３次元絶対座標データ収集の状況を所定の観測地点に設置しているビデオカメラで撮影し、同時に水位センサによって水位データも連続的に計測し、これらのデータを時間軸上で対照させてカメラ画像上の写真座標から３次元絶対座標への変換式を求めることにより、精度の高い標定を可能にする標定方法及び標定プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明の標定方法は、測定対象の河川にＧＰＳセンサを搭載したボートを航行させ、センサ位置の３次元絶対座標を連続的に計測し、計測データを記録するステップと、所定地点に設置したビデオカメラによって前記ボートの航行状況を撮影し、記録するステップと、前記河川の水位を水位センサで計測し、水位データを記録するステップと、適数個の計測時点毎のカメラ画像上のＧＰＳセンサの写真座標データを求めるステップと、前記適数個の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標データと、カメラ画像上のＧＰＳセンサの写真座標データと、水位データとをひも付けするステップと、ひも付けされた所定数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標データ及び写真座標データと、水位データと、前記ビデオカメラの設置位置の３次元絶対座標データ及び傾き座標データとを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めるステップとを有するものである。
【００１２】  請求項２の発明の標定方法は、河川上の各点でＧＰＳセンサにて計測した３次元絶対座標データと、前記ＧＰＳセンサの前記河川上の各点でのビデオ画像と、水位センサで計測した前記河川の水位データとのそれぞれの入力を受付けて保存するステップと、前記ビデオ画像を撮影するために所定場所に設置されたビデオカメラの３次元位置座標及び傾き座標の入力を受付けて保存するステップと、前記ＧＰＳセンサのタイムスタンプをキーにして、同じ時点毎の前記ＧＰＳセンサの３次元絶対座標と前記ＧＰＳセンサのビデオ画像上での写真座標と水位とを所定数組みだけひも付けするステップと、ひも付けされた所定組数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標、写真座標及び水位と、前記ビデオカメラの設置位置の３次元位置座標及び傾き座標とを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めて保存するステップとをコンピュータによって実行するものである。【００１３】  請求項３の発明の標定プログラムは、河川上の各点でＧＰＳセンサにて計測した３次元絶対座標データと、前記ＧＰＳセンサの前記河川上の各点でのビデオ画像と、水位センサで計測した前記河川の水位データとのそれぞれの入力を受付けて保存する処理と、前記ビデオ画像を撮影するために所定場所に設置されたビデオカメラの３次元位置座標及び傾き座標の入力を受付けて保存する処理と、前記ＧＰＳセンサのタイムスタンプをキーにして、同じ時点毎の前記ＧＰＳセンサの３次元絶対座標と前記ＧＰＳセンサのビデオ画像上での写真座標と水位とを所定数組みだけひも付けする処理と、ひも付けされた所定組数の計測時点毎のＧＰＳセンサの３次元絶対座標、写真座標及び水位と、前記ビデオカメラの設置位置の３次元位置座標及び傾き座標とを用いて、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサのカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する座標変換式（Σ）を求めて保存する処理とをコンピュータに実行させるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボートに搭載したＧＰＳセンサにより３次元絶対座標を計測すると同時に、このボートの航行状況をビデオカメラで追跡、撮影し、時間軸によって画像中のＧＰＳセンサの写真座標と水位データをＧＰＳセンサによる３次元座標と対応させ、写真座標の３次元絶対座標への座標変換式を求め、これを写真座標から３次元絶対座標への変換に用いることにより、標定精度を高くすることができる。
【００１５】
また、大河川のように洪水時に水面が広大な幅となるために、使用するカメラの画角内に標定用の標識を置くべき陸地や構造物を写し込めない状況での観測を可能にし、信頼性の高い流速分布・流量計測に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は、本発明の１つの実施の形態の標定方法により決定した座標変換式Σを用いる流速分布・流量計測システムのハードウェア構成を示している。この流速分布・流量計測システムは、観測対象となる渓流、河川の河岸に設置したビデオカメラ１Ａ，１Ｂと、川中に設置した水位計２と、遠隔観測所あるいは河川等の近隣に設置した観測ハウス内に設置した解析装置３と、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂの画像信号、水位計２の水位信号それぞれを解析装置３まで伝送する伝送路４，５から構成される。なお、以下では、流速分布・流量計測システムを観測対象として河川に設置し、流量計測を行う場合について説明するが、本システムは河川の構造物の周辺等の所定場所の表面流速分布を計測するためにも用いることができるものである。
【００１７】
ビデオカメラ１Ａ，１Ｂは観測対象となる河川等の川幅により一方の河岸に１台だけ、若しくは両岸それぞれに１台ずつ設置し、その俯角を適度に設定することにより、観測対象となる河川等を横断する仮想横断線６の全長を撮影する。ビデオカメラ１Ａ，１Ｂが撮影した画像信号はＮＴＳＣ方式の信号にして解析装置３に入力する。
【００１８】
水位計２は、超音波式、圧力式、電波式、フロート式等、入手可能ないずれの測定方式のものであってもよい。水位計２からの信号はＢＣＤ信号であり、解析装置３に対してデジタル水位データとして入力される。
【００１９】
伝送路４，５は別ケーブルであっても、多心ケーブルであってもよい。また後述するように光ファイバーケーブルであってもよい。
【００２０】
解析装置３は、図２に示すハードウェア構成を有するコンピュータである。この解析装置には信号入力処理手段として、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂから伝送路４を経て送られてくるＮＴＳＣ方式の画像信号を受信し、デジタル信号に変換して入力するための画像入力ボード３１と、水位計２から伝送路５を経て送られてくる水位データを受信し、入力するデジタルＩＯボード３２とが装着してある。解析装置３にはまた、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）としてディスプレイ３３、キーボード３４、マウスその他のポインティングデバイス３５が接続してある。解析用コンピュータ３０はまた、プログラムやデータ記憶のためのハードディスク３６、また画像データを保存し、持ち運べるようにするためのＣＤ／ＤＶＤ−Ｒ，ＣＤ／ＤＶＤ−ＲＷあるいはＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ＋ＲＷ等、書込み可能なディスク型記憶装置３７を備えている。
【００２１】
解析装置３の機能構成は、図３に示すものであり、組み込まれている流速分布・流量解析プログラムを実行することによりその機能が発揮される。解析装置３は処理機能部として、当該装置の演算処理に必要な諸パラメータを設定登録するパラメータ設定部３１１と、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂの撮影した画像信号を取り込み、保持する画像信号取得部３１２と、水位計２の計測した水位データを取り込み、保持する水位データ取得部３１３と、画像信号と水位データとを用い、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂの撮影した河川の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する幾何変換部３１４と、幾何変換部３１４の求めた垂直平面画像を用いてＰＩＶ解析を実行し、河川の仮想横断線上の各区分の流速データを算定するＰＩＶ解析部３１５と、パラメータ設定部３１１１に予め登録されている河床データと平均流速算定のための更正係数、水位データ取得部３１３の取り込んだ水位データ及びＰＩＶ解析部３１５の求めた流速データを用いて河川の仮想横断面を流れる流量を算出する流量計算部３１６と、計算結果を出力する出力部３１７とを有している。
【００２２】
次に、上記構成の流速分布・流量計測システムによる標定方法及び流速分布・流量計測方法について、図４及び図５のフローチャート、図６〜図１４の説明図を用いて説明する。本実施の形態の流速分布・流量計測システムによる流量計測は、（１）パラメータ設定、（２）観測実行（画像及び水位データの入力、幾何変換、ＰＩＶ解析、流量計算）、（３）計測結果出力の３段階に区分される。
【００２３】
（１）パラメータ設定：図４のフローチャートにおけるパラメータ設定では、観測間隔や１回当たりの観測時間、画像キャプチャのタイミング設定、幾何補正のための標定条件の設定、計測エリアや計測ポイントの設定、河川断面の設定、表面流速から平均流速を求めるための更正係数の設定を行う（ステップＳ１）。
【００２４】
観測間隔としては例えば、１０分〜２０分間隔とし、１回当たりの観測時間は例えば、１０〜２０秒に設定する。また幾何補正のための標定条件としては、カメラの設置高さの３次元絶対座標（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）、カメラ角度(κ,φ，ω）等を入力する。河川断面については標準水位からの水深として所定区分毎の水深を設定する。また、表面流速から平均流速を求めるための更正係数は、一定値を設定する。例えば、表面流速×０．８５を平均流速とするのである。なお、この更正係数については、本システムが定点観測システムであるので、長期の使用においてより実情に即する値に修正することができる。また、更正係数の設定は、水深段階に応じて、あるいは水深段階と表面流速段階との組合せに応じて設定することもできる。さらには、新しく実験によってより厳密な値が提案された場合にその値に修正設定することもできる。
【００２５】
図５は、パラメータである幾何補正値の設定作業手順を示したものである。幾何補正値をパラメータ設定部３１１に設定登録するのは、次の手順による。本流速分布・流量計測システムの設置現場の所定の３次元座標位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）にビデオカメラを設置しておく。また、図６に示したように、ボートを用意し、これにデータ保存機能を備えたＧＰＳセンサ１００（特に、Ｄ−ＧＰＳセンサのように３次元絶対座標の精細な計測が可能なセンサが好ましい）を搭載しておき、このボートに河川の監視対象領域内を航行させながら、周期的にＧＰＳセンサ１００により現在位置の３次元絶対座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を計測し、３次元座標データをタイムスタンプ（Ｔｉ）と共に順次記録していく（ステップＳ１０１−１）。図８（ａ）は記録したＧＰＳセンサ１００の記録データのテーブルを示している。
【００２６】
このボート航行によるＧＰＳセンサ１００による河川表面の各地点の３次元座標計測の期間中、ビデオカメラはボートの航行を撮影している（ステップＳ１０１−２）。図８（ｂ）はボートの撮影画像のうち、ＧＰＳセンサ１００側のタイムスタンプＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…に対応する時点のボートの画像を示している。
【００２７】
これと共に、システムは水位センサから連続的に水位データ（Ｈｉ）を取得して、時系列的に記録していく（ステップＳ１０１−３）。図８（ｃ）は水位データの記録データを示している。
【００２８】
ボートにＧＰＳセンサ１００を載せて河川の監視対象領域を航行させ、河川表面の各点の３次元座標データ等を取得すれば、これらのデータをシステムに登録する。そして、流速分布・流量計測システムの解析部３において、パラメータ設定部３１１が図７〜図９に示す方法で標定を行う。
【００２９】
それにはまず、図７に示すように、適数個の計測時点Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎ毎のカメラ画像上のＧＰＳセンサ１００の写真座標データ（ｘｉ，ｙｉ）を求める。ただし、図７は、計測時点Ｔ３におけるボート上のＧＰＳセンサ１００の写真座標（ｘ３，ｙ３；Ｔ３）を求めたところを示している。
【００３０】
続いて、図８に示したように、同図（ａ）に示す適数個の計測時点Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎ毎のＧＰＳセンサ１００の３次元絶対座標データ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ；Ｔｉ）と、同図（ｂ）に示すカメラ画像上のＧＰＳセンサの写真座標データ（ｘｉ，ｙｉ；Ｔｉ）と、同図（ｃ）に示す水位データ（Ｈｉ；Ｔｉ）とを時間軸Ｔｉによってひも付けする。
【数１】
0003686072.tif 000002
【００３１】
続いて、図８、図９に示すように、時間軸Ｔｉによりひも付けされた所定数の計測時点Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎ毎のＧＰＳセンサ１００の３次元絶対座標データ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ；Ｔｉ）及び写真座標データ（ｘｉ，ｙｉ；Ｔｉ）と、水位データ（Ｈｉ；Ｔｉ）と、ビデオカメラの設置位置の３次元絶対座標データ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）及び傾き座標データ（κ，φ，ω）とを数１式に当てはめ、数２式のようなｎ元の連立方程式を作成する。
【数２】
0003686072.tif 000003
【００３２】
パラメータ設定部３１１はこのｎ元連立方程式を解くことによって、ある水位（Ｈ）におけるＧＰＳセンサ１００のカメラ画像上のある写真座標（ｘ，ｙ）から当該ＧＰＳセンサの３次元絶対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算定する数３式の座標変換式Σを求める（ステップＳ１０３）。
【数３】
0003686072.tif 000004
【００３３】
こうして、カメラ画像上の写真座標から３次元絶対座標への変換式Σを求めると、次に、予備観測、幾何変換によって既知点による精度確認を行う（ステップＳ１０５〜Ｓ１０９）。
【００３４】
それにはまず、本システムによる予備観測を実行する（ステップＳ１０５）。この観測処理については、本観測の説明として後述する。
【００３５】
そして予備観測で撮影した標識の画像（写真座標：ｘａ，ｙａ）に対して、数４式のように、数３式の変換式Σを用いて幾何変換Σ（ｘａ，ｙａ；Ｈａ；Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ；κ，φ，ω）を実施し、
【数４】
0003686072.tif 000005
【００３６】
得られた結果（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）を既知点の３次元座標（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）と照らして観測精度を確認する（ステップＳ１０７，Ｓ１０９）。そして、精度が十分でない場合には、数３式の座標変換式Σの諸係数を修正し、再度予備観測、幾何変換を行い、変換結果と既知点の座標とを比較する処理を繰り返す（ステップＳ１１１）。
【００３７】
許容できる精度の変換式Σが求められると、この変換式を幾何変換式として設定し、以降、実観測に移行する（ステップＳ１１３）。
【００３８】
（２）観測実行：ビデオカメラ１Ａ，１Ｂは２４時間連続的に動作し、図１０に示したように観測対象河川の仮想横断線６に沿った領域の表面水流を撮影し、ＮＴＳＣ方式の画像信号を伝送路４を通じて常時、解析装置３の画像入力ボード３１まで送信している。同様に、水位計２も２４時間連続的に動作し、河川の仮想横断線６の近隣の水位を計測してＢＣＤ信号にして伝送路５を通じてデジタルＩＯボード３２まで送信している。
【００３９】
そこで、解析装置３は、タイマ管理している観測間隔の到来毎に、１回当たりの観測時間分の画像を画像入力ボード３１によってキャプチャし、同時にその観測開始時点での水位データをデジタルＩＯボード３２で取り込む（ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ７）。例えば、１回の観測で２０秒間の画像をキャプチャする場合には、３０フレーム／秒で、３０×２０＝６００フレームとなる。
【００４０】
解析装置３は、画像と水位データを取得した後、斜め画像を垂直平面画像に幾何補正するために、数３式を用いた幾何変換処理を行う（ステップＳ９）。ビデオカメラを河川の川幅の中央上方に設置することは現実的ではなく、河岸や河岸近くの建造物上に設置するため、河川の表面水流の画像は斜め画像となり、カメラからの近点に比べて遠点側の画像が広がる特性がある。そこで、この斜め画像を垂直平面画像に補正するために実施されるのが幾何変換である。
【００４１】
この幾何変換処理には、前掲した論文に記載された技術を利用するが、画像変換に必要なパラメータとしては、パラメータ設定時に入力したカメラの高さ、角度、そして水面からのカメラ高さを求めるために水位データも用いる。この幾何変換処理は、上記の１観測期間にキャプチャした画像フレーム数分実行する。
【００４２】
次に、幾何変換した画像に対して、ＰＩＶ解析を実施して図１０に示したような仮想横断線６上の各区分毎の表面流速を算出する（ステップＳ１１）。
【００４３】
このＰＩＶ解析手法も、前述の論文等に記載されたものであり、ビデオ画像をキャプチャし、さらに幾何補正した１観測時間分の画像フレーム（複数）において、仮想横断線上の所定ピクセル数の区画毎の画像について、それに続く各フレームで同一パターンの区画の移動を追跡し、各区画毎に先のフレーム上の位置座標から後のフレーム上の位置までの移動距離を求め、その移動に要した時間で割ることによって移動速度を算定し、各区画毎の表面流速とするのである。このようにして算出した仮想横断線６上の各区画毎の表面流速データは、記憶装置３６に逐次保存していく。図１１は実機で求めた表面流速分布を示している。
【００４４】
なお、ＰＩＶ解析により得られる表面流速分布のベクトル群は必ずしも仮想横断線６に垂直な方向ではなく、区分によって仮想横断線６に対して斜めに交差する方向を向く場合が多い。そこで、ＰＩＶ解析で求める流速の区分を流量算出に用いる区分よりも細かく設定し、流量算出の対象となる区分毎の流速としては、ベクトル和の仮想横断線６に垂直な方向のベクトル成分を求めて流量計算に用いることにより、精度の高い流速ベクトルが得られることになる。
【００４５】
図１２に示すように、ＰＩＶ解析の後には、パラメータとして予め設定されている河川断面データと水位計２からの水位データとから仮想横断面の各区分毎の水深Ｌ１，Ｌ２，…を求め、該当区画の表面流速Ｖ１，Ｖ２，…に対して更正係数δを掛けることによって平均流速δＶ１，δＶ２，…を求め、各区分毎の面積Ｓ１，Ｓ２，…と平均流速δＶ１，δＶ２，…を掛け合わせて区分流量ｑ１，ｑ２，…を求める。そしてこの区間流量ｑ１，ｑ２，…を合計することによって河川の仮想横断面の総流量Ｑを求める（ステップＳ１３）。
【００４６】
求めた総流量Ｑは、前述の区画毎の表面流速Ｖ１，Ｖ２，…と共に記憶装置３６に保存する（ステップＳ１５）。
【００４７】
このようにして得られた河川の流量データは、解析装置３においてディスプレイ３３への出力設定がされてるならばディスプレイ３３に所定の表示形態で表示出力する（ステップＳ１７，Ｓ１９）。ディスプレイ３３に対する表示形式には、例えば、図１３に示すような流速分布の解析結果の数値テーブル、図１４に示すようなキャプチャー途中の画像の表示、図１１に示すような河川の表面流速分布のベクトル表示がある。
【００４８】
こうして、所定周期毎に画像信号を一定時間ずつキャプチャし、水位計２の水位データも取り込み、予め設定登録されている諸パラメータとこれらの画像データ及び水位データを用いて、幾何変換、ＰＩＶ解析及び流量計算を繰り返し実行し、得られた河川の所定周期毎の流量データを記憶装置３６に逐次保存し、また出力要求がある場合にはディスプレイ３３に表示する動作を繰り返す（ステップＳ２１）。
【００４９】
以上述べたように、第１の実施の形態の標定方法を用いた流速分布・流量計測システムによれば、台風や大雨、融雪等のために増水した河川の流量監視を自動化することができる。また、既知点の予備観測の実施によって幾何補正用のパラメータを最適なものに設定し、また定点観測を長期間にわたり継続的に行い、その間の取得データを用いてパラメータ設定をより現実のものに修正することができ、これにより、精度の高い流量データが取得でき、洪水の発生しやすい水域の洪水対策に有効に利用できるようになる。
【００５０】
次に、図１５を用いて、本発明の第２の実施の形態の流速分布・流量計測システムについて説明する。図１に示した第１の実施の形態の流速分布・流量計測システムでは、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂを河川の両岸それぞれに設置し、川幅のほぼ半分ずつの表面水流を撮影するようにしたが、第２の実施の形態の流速分布・流量計測システムは、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂを河川の一方の河岸に高さを異ならせて設置し、例えば低い位置に設置されたビデオカメラ１Ａでは河川の手前側半分の表面水流を撮影し、高い位置に設置されたビデオカメラ１Ｂでは同じ河川の向こう側半分の表面水流を撮影する設定にしたこと、また伝送系に光ファイバー４０を用いたことを特徴とする。なお、解析装置３のハードウェア構成及び機能構成は図２に示した第１の実施の形態のものと同様である。
【００５１】
この第２の実施の形態のシステム構成にすれば、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂを同じ河岸に設置し、観測小屋内まで画像信号ケーブルと水位計の水位データケーブルを引いて来れるので、第１の実施の形態のシステムよりもケーブル長が短くできる利点があり、また光ファイバー４０を利用することによって大容量の画像信号の高速伝送が可能であり、河川水流の撮影から河川流量の算出結果の出力までの処理時間を短縮できる。
【００５２】
なお、光ファイバー４０を伝送系に利用する技術は、図１に示した第１の実施の形態においても適用可能である。
【００５３】
また第１、第２の実施の形態において観測装置３を構成するコンピュータシステムのハードウェア構成は特に図示のものに限定されるものでなく、ノートブックタイプ、デスクトップタイプのコンピュータに必要な周辺装置を接続し、またソフトウェアをインストールすることによって観測装置３を構成することができる。
【００５４】
さらに、上記の両実施の形態の流速分布・流量計測システムは、リアルタイムな河川の流量観測だけではなく、河川に対して、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂの撮影範囲内の表面流速分布を求め、出力するために用いることもできる。例えば、河川において、橋桁等の構造物の周囲での水流を観測したり、ダムの水門近傍の水流を観測したりするために用いることができる。
【００５５】
そしてこの流速分布観測の場合には、本流速分布・流量計測システムは流量演算をすることなく、ＰＩＶ解析結果をベクトル図にして表示し、また印刷出力することになる。図１６は、本実施の形態の流速分布・流量計測システムによる表面流速分布の計測結果を示している。
【００５６】
なお、流速分布計測だけの単機能システムを構築するのであれば、流量計算部３１６は省略し、システム構成をより単純化して製品コストを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の流速分布・流量計測システムのハードウェア構成のブロック図。
【図２】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにおける観測装置のハードウェア構成のブロック図。
【図３】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにおける観測装置の機能構成のブロック図。
【図４】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムによる流速分布・流量計測処理のフローチャート。
【図５】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムによる実観測前の座標変換式の設定手順を示すフローチャート。
【図６】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにおける標定方法の説明図。
【図７】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムによる標定作業において、時点Ｔ３のＧＰＳセンサの写真座標を示す説明図。
【図８】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムによる標定作業において、時点Ｔ３での３次元絶対座標と写真座標、水位データの変換対応を示す説明図。
【図９】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムによる標定作業において、時間軸上で３次元絶対座標と写真座標、水位データの変換対応を示す説明図。
【図１０】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにより観測する河川の映像図。
【図１１】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにより計測した河川の表面流速分布図。
【図１２】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにより観測する河川の仮想横断面図。
【図１３】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにより計測した河川の表面流速分布の数値テーブル。
【図１４】上記の実施の形態の流速分布・流量計測システムにおいて観測装置がビデオカメラから取り込んだ画像を示す画面表示図。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の流速分布・流量計測システムのハードウェア構成のブロック図。
【図１６】上記の第１の実施の形態の流速分布・流量計測システムにより計測した平面流速分布の出力図。
【符号の説明】
【００５８】
１Ａ，１Ｂ  ビデオカメラ
２  水位計
３  観測装置
４  伝送路
５  伝送路
６  仮想横断線
３１  画像入力ボード
３２  デジタルＩＯボード
３３  ディスプレイ
３４  キーボード
３５  マウス
３６  ハードディスク記憶装置
３７  ディスク型記憶装置
１００  ＧＰＳセンサ
３１１  パラメータ設定部
３１２  画像信号取得部
３１３  水位データ取得部
３１４  幾何変換部
３１５  ＰＩＶ解析部
３１６  流量計算部
３１７  出力部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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