(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に浮遊する物質のデジタル映像を撮影するための浮遊物質撮影機であって、この浮遊物質撮影機は検体である水を入れる試料ボックスと、レンズボックスが一体化された光源ボックスと、水中に含まれる浮遊物質のデジタル映像を水面の上方から撮影する撮像手段とを備えてなり、前記試料ボックスは光源ボックスをセッティングした状態で外部からの光が遮断される密閉型ボックス形状をなし、前記レンズボックスの底部には下面が検体である水に接する透明な撮影窓が設けられ、またレンズボックスには前記撮影窓に接する水を略水平な光によって照射する入光口が前記撮影窓よりも下に設けられ、前記入光口に取り付けた透明板とレンズボックスとの間には遮光フィルムが挿入されていることを特徴とする水中の浮遊物質撮影機。
【請求項２】
前記水面上方にフラッシュ光源を設け、このフラッシュ光源から水面に照射した光を、検体水面と略水平となる方向に変更させ、検体である水の横面から水平方向に照らすためのフラッシュ光照射手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水中の浮遊物質撮影機。
【請求項３】
沈澱池に貯留される水中の浮遊物質量を測定し、沈澱池からの放水を制御するシステムであって、請求項１または２に記載の浮遊物質撮影機と、
この浮遊物質撮影機で撮影した水中の浮遊物質のデジタル映像から浮遊物質濃度を算出し、さらに雨量計および水位計から送られる情報を総合して、沈澱池の放水バルブに信号を送るコンピュータとを備えていることを特徴とする放水制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中の浮遊物質をデジタル撮影する浮遊物質撮影機、および沈澱池に貯留される水中の浮遊物質量を測定して沈澱池からの放水を制御する放水制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に清澄な河川では、水に含まれる浮遊物質は粘土分を主体としていて、その他若干の有機物を含むものにより構成されることが多いが、汚濁の進んだ河川水では有機物の比率が高まる。浮遊物質の量は水の濁り、透明度の外観に大きな影響を与えるが、その他、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）の増大を招き、また重金属等有害物を多く含むことが浮遊物質の量を増やす原因となっていることもある。
【０００３】
したがって、浮遊物質が環境に与える影響には、魚類のえらを塞ぎ呼吸を妨げて窒息させたり、太陽光線の透過を妨げるために藻類の炭酸同化作用を阻害したり、沈降時に微生物を共沈させ生物相の均衡を失わせて餌生物の減少を引き起こす等がある。また、沈澱の堆積により底棲生物を埋没して瀕死の状態に追い込み、または枯死に至らしめ、沈降した醗酵性有機物による二次的汚染等の被害をもたらすこともある。
【０００４】
また浮遊物質により汚濁された河川水は、海に流入することにより海洋汚染を引き起こす恐れがある。その例として、沖縄県においては沖縄本島北部地区を中心とする土壌の特質から発生する赤土の流出による海洋汚染の問題がある。
【０００５】
この原因については、国領マージ土壌と呼ばれる粘性土質の赤土が広範囲にわたって堆積しており、その赤土が社会基盤整備事業、農業活動、あるいは米軍基地における演習行為等に起因して流出し、河川を汚濁させるものと考えられている。
【０００６】
例えば沖縄県では、上記赤土流出の防止対策を推進するため、平成７年１０月「沖縄県赤土等流出防止条例」を施行し、濁水の河川への放流基準をＳＳ濃度で２００ｍｇ／リットルと規定し、将来的には１００ｍｇ／リットルとすることにした。ここでＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｓｏｌｉｄ）とは、水中に懸濁している不溶解性物質を意味し、ＪＩＳでは懸濁物質、環境基準では浮遊物質と表現されているが、ここでは統一して浮遊物質といい、浮遊物質濃度をＳＳ濃度ということにする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本願出願人である防衛施設周辺整備協会沖縄支所は、国からの委託によって上記各砂防ダム（沈澱池）の維持管理業務を行っており、降雨終了後の貯留水の状態を分析し、ＳＳ濃度が２００ｍｇ／リットル以下、さらにはより透明な水とするために１００ｍｇ／リットル以下となったことを確認してから放水してきた。しかし、このＳＳ濃度の確認作業には、標準法としてグラスファイバー・フィルタ・ペーパー（ＧＦＰ）によるろ過法を採用しているため、５〜１０数日程度の長期間を要するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、濁水中に浮遊する物質のデジタル映像を迅速に撮影できる浮遊物質撮影機、および、この浮遊物質撮影機から得られた情報を元にＳＳ（浮遊物質）濃度を算出し、沈澱池の放水を効率的に制御することのできる濁水排出制御システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の浮遊物質撮影機は、水中に浮遊する物質のデジタル映像を撮影するための機器であって、外部からの光を遮断した密閉型ボックス形状を有し、検体である水を収容するための試料槽と、試料槽上方に設けた光源から試料槽に対して略垂直に照射した光を、検体水面と略水平となる方向に変更させ、検体である水の横面から水平方向に照らすための光照射手段と、該光照射手段により略水平方向から照らされた水中に含まれる浮遊物質のデジタル映像を、水面上方から撮影する撮像手段と、を備えている。
【００１０】
さらに、本発明の浮遊物質撮影機は、前記水面上方にフラッシュ光源を設け、このフラッシュ光源から水面に照射した光を、検体水面と略水平となる方向に変更させ、検体である水の横面から水平方向に照らすためのフラッシュ光照射手段を備えていてもよい。
【００１１】
また、本発明の放水制御システムは、沈澱池に貯留される水中の浮遊物質量を測定し、沈澱池からの放水を制御するシステムであって、上記浮遊物質撮影機と、この浮遊物質撮影機で撮影した水中の浮遊物質のデジタル映像から浮遊物質濃度を算出し、さらに雨量計および水位計から送られる情報を総合して、沈澱池の放水バルブに信号を送るコンピュータと、を備えている。
【００１２】
本発明の浮遊物質撮影機は、上記のような構成を有するため、従来技術のように試料となる水を採取してそれをフィルタでろ過し、さらにろ過物の重量を測定してＳＳ濃度を計算するというような手間はない。
【００１３】
すなわち本発明においては、試料となる水を試料槽に入れ、この試料槽の上に、それぞれ光源および撮像手段の例であるデジタルカメラを備えた２つのアタッチメントを取り付け、全体として、外部からの光を遮断した密閉型ボックス形状の浮遊物質撮影機としている。
【００１４】
なお、上記２つのアタッチメントは、一体型としても良く、さらに、フラッシュ光源用アタッチメントを付加することも、さらにこのフラッシュ光源用アタッチメントを一体化することもできる。
【００１５】
上記構成からなる本発明の浮遊物質撮影機は、光源からの光を検体水面と略垂直に照射し、この光を光反射手段によって水面と略平行な光へ変換し、この平行な光によって検体水の横面から水中の浮遊物質を照射する。そして光照射された浮遊物質は、水面上方に配置したデジタルカメラによって撮影される。水中の浮遊物質は水面と略平行な光によって横から照射され、一方外部の光は遮断されているため、水面上からのデジタルカメラ撮像であっても、水面で光が反射することなく良好な映像を撮ることができる。
【００１６】
また、フラッシュ光照射手段を併用すれば、このフラッシュ光も水面と略平行な光に変換して検体水の横から照射するため、一層鮮明な浮遊物質のデジタル映像を得ることができる。
【００１７】
本発明の放水制御システムは、上記浮遊物質撮影機からのデジタル映像をコンピュータに取り込み、このデジタル映像から輝度値を検出する。この輝度値は、ＳＳ濃度と相関性があるため、数種の濁水の輝度値と、既述のろ過法によるＳＳ濃度とから相関係数を求めておくことにより、輝度値からＳＳ濃度を簡単に算出できる。
【００１８】
また、沈澱池の水位が高すぎる場合や降雨量が極端に多い場合は、沈澱池が溢れて災害を生じる恐れがあるため、緊急時放水にも対応できるよう、コンピュータには雨量計および水位計のデータもインプットし、これらを総合的に判断して放水バルブの開閉指示を発する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。図１は、本発明の浮遊物質撮影機の一例を示す正面断面図、図２は同浮遊物質撮影機の側断面図である。
浮遊物質撮影機１は、測定対象の水を収容する試料槽の例である試料ボックス２と、光照射手段の例である光源ボックス３と、撮像手段の一例であるレンズボックス４とを備えている。さらに、本例ではデジタル映像をより鮮明に記録するためのフラッシュ光照射手段の例であるフラッシュボックス５も附設されている。そしてレンズボックス４と、その左右にあるフラッシュボックス５およびレンズボックス４とが、本例では構造上一体化されている。
【００２０】
また試料ボックス２は、試料水６を入れる場合はレンズボックス４等から離間させることが可能であり、試料水採取後は本図の通りにセッティングし、パッキング７によって外部光を遮断することができる。試料水６としては、浮遊物質を含有する河川水等の水を対象とする。
【００２１】
ただし、一般の河川水、湖沼水、海水等には粗大な木片や木の葉、水中植物、油脂の固まりなどの混入物がある。これらの粗大物は偶発的な混入物、異物であるから、これらを浮遊物質に含めるとＳＳ濃度の内容が不明確となり、また再現性も得られなくなることから、一般にこれら粗大物は浮遊物質と別けて扱うことにしている。すなわち通常、１００ｍｍのふるい目を通過しないものは偶発的混入物（異物）として除外し、１００ｍｍ目を通過して２ｍｍ目に止まる物質を固形物とし、それ以下を浮遊物質として規定している。
【００２２】
光源ボックス３の上部には光源窓８が設けてあり、ここに例えば１ＫＷの水銀ランプ（図示せず）をセッティングする。光源窓８から入射された光は、外部光の遮断された光源ボックス３内を通過し、バウンド・ミラー９によって試料水６の水面と略平行な光に変換される。そして入光口１０からレンズボックス４の下周辺の試料水６を照射する。なお、入光口１０から光源ボックス３内へ試料水６が浸入するのを防ぐため、入光口１０には透明板（プレパラート）１１が貼り付けてあり、また、この透明板１１から光がレンズボックス４内へ漏れることを防止するため、透明板１１とレンズボックス４との間には遮光フィルム１２が挿入されている。
【００２３】
レンズボックス４の上部にはレンズ窓１３が設けてあり、ここに図示しないデジタルカメラのレンズ部が取り付けられる。またレンズボックス４の下部には透明なプレパラート製の撮影窓１４が開けられていて、入射口１０からの略水平な光によって照らされた浮遊物質を上部からデジタルカメラで撮影することが可能となっている。
【００２４】
また、フラッシュボックス５の上部にはフラッシュ口１５が設けられていて図示しないフラッシュ機器をセッティングすることができる。フラッシュ口１５から入射された光は、外部光の遮断されたフラッシュボックス５内を通過し、バウンド・ミラー９´によって試料水６の水面と略平行な光に変換される。そしてこの光は入光口１０´からレンズボックス４の下周辺の試料水６を照射する。ここでも、入光口１０´からフラッシュボックス５内へ試料水６が浸入するのを防ぐため、入光口１０´には透明板１１´が貼り付けてあり、また、この透明板１１´からの光がレンズボックス４内へ漏れることを防止するため、透明板１１´とレンズボックス４との間には遮光フィルム１２´が挿入されている。
【００２５】
浮遊物質撮影機１を使用して水中の浮遊物質のデジタル映像情報を得るには、試料ボックス２中へ試料水６を収容し、光源ボックス３、レンズボックス４およびフラッシュボックス５を一体化させたアタッチメントをセットし、外部光が入らないようにパッキング７で密閉する。次に、光源ボックス３の上部にある光源窓８から光を入射し、入射口１１から試料水６中の浮遊物質に光を当てる。そして、光の当たっている浮遊物質を、レンズ窓１３にレンズをセットしたデジタルカメラにより、撮影窓１４を通して撮影し、この情報を図示しないコンピュータへ送信する。
【００２６】
なお、例えば試料水６中の浮遊物質が多くて光源ボックス８からの光では光度が不足する場合には、フラッシュボックス５からも光を照射し、浮遊物質の左右から光を当てることにより、一層鮮明なデジタル画像情報を得ることが可能となる。
【００２７】
また、上記の例では資料ボックス２へ試料水６を採取する方式としたが、資料ボックス２に光遮断手段を設けた試料水導入口および排出口を形成し、これを沈澱池内あるいは沈澱池に特別に設けた測定用流路に沈め、沈澱池中の水のＳＳ濃度を直接測定することも可能である。
【００２８】
図３は別実施例を示す図１と同様の図であり、この実施例にあっては前記光源ボックス３を省略し、フラッシュボックス５から光を照射するようにしている。
【００２９】
図４は、本発明の放水制御システムの一例を示す概念図である。放水制御システム２０においては、浮遊物質撮影機１から送られたデジタル情報を、例えばパソコン２１に入力してこのデジタル映像の輝度値を測定し、後述する方法で求めた輝度値とＳＳ濃度との相関係数から、試料水６中のＳＳ濃度を計算する。そして、例えばＳＳ濃度が２００ｍｇ／リットル以下であれば、沈澱池の排水管に設置された電動式の放水バルブ２２へ開放信号を出し、２００ｍｇ／リットルを超えれば放水バルブ２２へ遮断信号を送る。
【００３０】
さらにパソコン２１には、雨量計２３からの信号および沈澱池の水位計２４からの信号を入力する。こうすることにより、ＳＳ濃度情報、降雨情報および水位情報の３種類の情報を総合的に分析して、最終的に放水バルブへの開閉信号を発することができる。
【００３１】
すなわち、例えば連続降雨量が２０ｍｍを超えたときであってＳＳ濃度が上昇し、水位には問題が無い場合には放水バルブ２２を遮断したり、また、たとえば降雨量が増加し沈澱池の水位が危険水域に達した場合には、ＳＳ濃度が高くても放水バルブ２２を開放する、等の判断を行うことができる。なお、本発明の放水制御システム２０を例えば沈澱池付近等であって送電不能の地域で使用する場合には、電源２５としてソーラー発電による電力を使用することも可能である。
【００３２】
次に、試料水中のＳＳ濃度を計算するための輝度値とＳＳ濃度との相関係数について説明する。図５は輝度と距離（ピクセル数：画素数）との関係を、濁度が異なる試料ごとに測定した結果を示すグラフであり、このグラフから、ピクセル数が２０以下、つまり入光口１０に近い部分からの反射の輝度はバラツキが大きく、信頼性に乏しいことが分る。また、ピクセル数が４０を超えると、濁度の高い試料からの反射輝度が濁度の低い試料からの反射輝度よりも低下してしまう。これは、濁度が高いと光の入り口近傍での反射が多くなり、その部分で照射光が消尽してしまうからと考えられる。その結果、輝度とＳＳ濃度との関係が一定でなくなる。
したがって、輝度と距離（ピクセル数：画素数）との関係を示す検量線から濁度を求める場合には、ピクセル数が２０〜４０の範囲で比較する必要がある。
【００３３】
図６は試料の濁度を求める別の方法を説明した物であり、この方法では、濁度に対応したデジタル画像をＲＧＢ毎に予め作成しておき、このデジタル画像と試料のデジタル画像とを比較することによって濁度を求める。
【００３４】
図５に示した検量線から濁度を求める方法と、図６に示したデジタル画像から濁度を求める方法の何れも本発明では採用することができる。前者は簡便であるが測定領域に制限が課せられ、後者は測定機器にコストがかかるが正確な値が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の浮遊物質撮影機によれば、水中の浮遊物質は水面と略平行な横方向からの光によって照射され、一方外部の光は遮断されているため、水面上からのデジタルカメラ撮像であっても、水面で光が反射することなく良好な映像を撮ることができる。また、フラッシュ光照射手段を併用すれば、このフラッシュ光も水面と略平行な横方向からの光に変換してあるため、ＳＳ濃度が高い場合であっても鮮明なデジタル映像を得ることができる。
【００３６】
また、本発明の放水制御システムは、上記浮遊物質撮影機からのデジタル映像をコンピュータに取り込みＳＳ濃度を簡単に算出できる。さらにコンピュータには雨量計および水位計のデータもインプットし、これらを総合的に判断して沈澱池における放水バルブの開閉指示を発する。したがって沈澱池の水位が高すぎる場合や降雨量が極端に多く、沈澱池が溢れて災害を生じる恐れがある場合には、緊急時放水にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浮遊物質撮影機の一例を示す正面断面図。
【図２】同浮遊物質撮影機の側断面図。
【図３】別実施例を示す図１と同様の図。
【図４】本発明の放水制御システムの一例を示す概念図。
【図５】輝度と距離（ピクセル数）との関係を濁度が異なる試料ごとに測定した結果を示すグラフ
【図６】懸濁水の濁度とＲＧＢ毎の画像との関係を示す図
【符号の説明】
１…浮遊物質撮影機、２…試料ボックス、３…光源ボックス、４…レンズボックス、５…フラッシュボックス、６…試料水、２０…放水制御システム、２１…パソコン、２２…放水バルブ、２３…雨量計、２４…水位計。
【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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