(57)【要約】【課題】ほぼリアルタイムに河川の表面流速分布や流量を自動観測することができる流速分布・流量計測技術を提供する。【解決手段】この流速分布・流量計測システムでは、河川の流量計測する場合、河岸に設置されているビデオカメラ１Ａ，１Ｂによって河川の表面水流を撮影し、河川内に設置されている水位計２によって河川の水位を検出し、河川の表面水流の画像信号と水位データとを地上に設置されている解析装置３に取り込み、解析装置３において予め設定されている標定条件パラメータと水位データを用いて、河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施して河川の仮想横断線６上の各区分の表面流速分布を求め、予め設定されている平均流速の更正係数、河川の断面形状、水位データ及び河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて総流量を求める。【選択図】　　　図１
2004117119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の表面水流を撮影するビデオカメラと、
前記河川の水位を測定する水位計と、
前記ビデオカメラの画像信号を伝送する画像伝送系と、
前記画像伝送系が伝送する画像信号と前記水位計の測定した水位データとを用いて前記河川の表面各部の流速分布を算定する解析装置とを備えた流速分布計測システムであって、
前記解析装置は、前記画像信号と水位データとを用いて、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、前記河川の水面各部の流速データを算定することを特徴とする流速分布計測システム。
【請求項２】
前記解析装置は、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と、前記画像信号を取り込む画像信号取得部と、前記水位計の水位データを取り込む水位データ取得部と、前記画像信号取得部の取り込んだ画像信号と前記水位データ取得部の取り込んだ水位データとを用い、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する幾何変換部と、前記幾何変換部の垂直平面画像を用いてＰＩＶ解析を実行し、前記河川の水面各部の流速データを算定するＰＩＶ解析部と、前記ＰＩＶ解析部の算定した流速データに基づき、前記河川の水面各部の流速分布を出力する出力部とを有して成ることを特徴とする請求項１に記載の流速分布計測システム。
【請求項３】
前記画像伝送系に光ファイバーを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流速分布計測システム。
【請求項４】
前記パラメータ設定部は、幾何変換のための標定条件を設定登録していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流速分布計測システム。
【請求項５】
ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影するステップと、
前記河川の水位を検出するステップと、
前記河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込むステップと、
前記解析装置において、予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の水面各部の流速分布を求めるステップとを有することを特徴とする流速分布計測方法。
【請求項６】
河川の表面水流の画像信号と水位データとを取り込む処理と、
予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する処理と、
幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の水面各部の流速分布を求める処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする流速分布計測プログラム。
【請求項７】
河川の表面水流を撮影するビデオカメラと、
前記河川の水位を測定する水位計と、
前記ビデオカメラの画像信号を伝送する画像伝送系と、
前記画像伝送系が伝送する画像信号と前記水位計の測定した水位データとを用いて前記河川の水量を算定する解析装置とを備えた流量計測システムであって、前記解析装置は、前記画像信号と水位データとを用いて、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、前記河川の仮想横断線上の各部の流速データを算定し、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、前記水位データ及び流速データを用いて仮想横断面を流れる流量を算定することを特徴とする流量計測システム。
【請求項８】
前記解析装置は、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と、前記画像信号を取り込む画像信号取得部と、前記水位計の水位データを取り込む水位データ取得部と、前記画像信号取得部の取り込んだ画像信号と前記水位データ取得部の取り込んだ水位データとを用い、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する幾何変換部と、前記幾何変換部の垂直平面画像を用いてＰＩＶ解析を実行し、前記河川の仮想横断線上の各部の流速データを算定するＰＩＶ解析部と、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、前記水位データ取得部の取り込んだ水位データ及び前記ＰＩＶ解析部の求めた流速データを用いて前記仮想横断面を流れる流量を算出する流量計算部と、前記流量計算部の算出した流量を出力する出力部とを有して成ることを特徴とする請求項７に記載の流量計測システム。
【請求項９】
前記画像伝送系に光ファイバーを用いたことを特徴とする請求項７又は８に記載の流量計測システム。
【請求項１０】
前記解析装置のパラメータ設定部は、繰返し測定周期を設定登録していて、前記ビデオカメラ、水位計及び解析装置は、前記パラメータ設定部に設定登録された繰返し測定周期毎に水量測定を実施することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の流量計測システム。
【請求項１１】
ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影するステップと、
前記河川の水位を検出するステップと、
前記河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込むステップと、
前記解析装置において、予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を求め、予め設定されている平均流速の更正係数、前記河川の断面形状、水位データ及び前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて仮想横断面を流れる流量を求めるステップとを有することを特徴とする流量計測方法。
【請求項１２】
河川の表面水流の画像信号と水位データとを取り込む処理と、
予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する処理と、
幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を求める処理と、
予め設定されている平均流速の更正係数、前記河川の断面形状、水位データ及び前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて仮想横断面を流れる流量を求める処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする流量計測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川の平面流速分布や水量をリアルタイムに計測する流速分布計測システム、流速分布計測方法、流速分布計測プログラム、流量計測システム、流量計測方法及び流量計測プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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】
【特許文献１】
特公平５−１１９０９号公報
【０００４】
【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。
【０００５】
【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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００７】
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。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）。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、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を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明はまた、ほぼリアルタイムに河川流量を自動観測することができる流量計測技術を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、河川の表面水流を撮影するビデオカメラと、前記河川の水位を測定する水位計と、前記ビデオカメラの画像信号を伝送する画像伝送系と、前記画像伝送系が伝送する画像信号と前記水位計の測定した水位データとを用いて前記河川の表面各部の流速分布を算定する解析装置とを備えた流速分布計測システムであって、前記解析装置は、前記画像信号と水位データとを用いて、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、前記河川の水面各部の流速データを算定することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の流速分布計測システムにおいて、前記解析装置は、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と、前記画像信号を取り込む画像信号取得部と、前記水位計の水位データを取り込む水位データ取得部と、前記画像信号取得部の取り込んだ画像信号と前記水位データ取得部の取り込んだ水位データとを用い、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する幾何変換部と、前記幾何変換部の垂直平面画像を用いてＰＩＶ解析を実行し、前記河川の水面各部の流速データを算定するＰＩＶ解析部と、前記ＰＩＶ解析部の算定した流速データに基づき、前記河川の水面各部の流速分布を出力する出力部とを有して成ることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１及び２の発明の流速分布計測システムでは、ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影し、同時に撮影時の河川の水位を検出し、これらの河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込み、解析装置によって、予め設定されている標定条件パラメータと水位データを用いて、河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施して河川の水面各部の流速分布を求める。これにより、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、本発明の流速分布計測システムによって観測対象河川の所定場所の表面流速分布を自動的に観測することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２の流速分布計測システムにおいて、前記画像伝送系に光ファイバーを用いたことを特徴とするものであり、河川の表面水流の撮影画像信号を高速に観測装置まで伝送することができ、河川の水流の撮影から表面各部の流速分布の算出結果の出力までの処理時間を短縮できる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３の流速分布計測システムにおいて、前記パラメータ設定部は、幾何変換のための標定条件を設定登録していることを特徴とするものであり、予備観測において既知点を観測して幾何補正し、既知点との照合によって補正パラメータを設定することができ、流速分布計測の高精度化が図れる。
【００１８】
請求項５の発明の流速分布計測方法は、ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影するステップと、前記河川の水位を検出するステップと、前記河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込むステップと、前記解析装置において、予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の水面各部の流速分布を求めるステップとを有することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５の発明の流速分布計測方法では、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、ビデオカメラ、水位計及び観測装置で構成される流速分布計測システムを用いて観測対象河川の所定場所の表面流速分布を自動観測することができる。
【００２０】
請求項６の発明の流速分布計測プログラムは、河川の表面水流の画像信号と水位データとを取り込む処理と、予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する処理と、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の水面各部の流速分布を求める処理とをコンピュータに実行させることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項６の発明の流速分布計測プログラムでは、これをコンピュータに実行させることによって、観測対象河川の表面水流の画像及び水位データを取り込んで、当該河川の表面流速分布をほぼリアルタイムに算定することができる。したがって、ビデオカメラ、水位計及び当該コンピュータによって流速分布計測システムを構成することができ、その流速分布計測システムを利用することによって、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、観測対象河川の所定場所の流速分布を自動観測することができる。
【００２２】
請求項７の発明は、河川の表面水流を撮影するビデオカメラと、前記河川の水位を測定する水位計と、前記ビデオカメラの画像信号を伝送する画像伝送系と、前記画像伝送系が伝送する画像信号と前記水位計の測定した水位データとを用いて前記河川の水量を算定する解析装置とを備えた流量計測システムであって、前記解析装置は、前記画像信号と水位データとを用いて、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、前記河川の仮想横断線上の各部の流速データを算定し、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、前記水位データ及び流速データを用いて仮想横断面を流れる流量を算定することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項７の流量計測システムにおいて、前記解析装置は、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と、前記画像信号を取り込む画像信号取得部と、前記水位計の水位データを取り込む水位データ取得部と、前記画像信号取得部の取り込んだ画像信号と前記水位データ取得部の取り込んだ水位データとを用い、前記ビデオカメラの撮影した斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する幾何変換部と、前記幾何変換部の垂直平面画像を用いてＰＩＶ解析を実行し、前記河川の仮想横断線上の各部の流速データを算定するＰＩＶ解析部と、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、前記水位データ取得部の取り込んだ水位データ及び前記ＰＩＶ解析部の求めた流速データを用いて前記仮想横断面を流れる流量を算出する流量計算部と、前記流量計算部の算出した流量を出力する出力部とを有して成ることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項７及び８の発明の流量計測システムでは、ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影し、同時に撮影時の河川の水位を検出し、これらの河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込み、解析装置によって、予め設定されている標定条件パラメータと水位データを用いて、河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施して河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を求め、さらに、予めパラメータとして設定されている平均流速の更正係数、河川の断面形状、水位計の計測した水位データ及び求めた河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて仮想横断面を流れる総流量を求める。これにより、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、本発明の流量計測システムによって観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項７又は８の流量計測システムにおいて、前記画像伝送系に光ファイバーを用いたことを特徴とするものであり、河川の表面水流の撮影画像信号を高速に観測装置まで伝送することができ、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。
【００２６】
請求項１０の発明は、請求項７〜９の流量計測システムにおいて、前記解析装置のパラメータ設定部は、繰返し測定周期を設定登録していて、前記ビデオカメラ、水位計及び解析装置は、前記パラメータ設定部に設定登録された繰返し測定周期毎に水量測定を実施することを特徴とするものであり、河川条件に応じて適切な計測条件を設定し、流量を連続的に計測することができる。
【００２７】
請求項１１の発明の流量計測方法は、ビデオカメラによって河川の表面水流を撮影するステップと、前記河川の水位を検出するステップと、前記河川の表面水流の画像信号と水位データとを解析装置に取り込むステップと、前記解析装置において予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正し、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を求め、予め設定されている平均流速の更正係数、前記河川の断面形状、水位データ及び前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて仮想横断面を流れる流量を求めるステップとを有することを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１１の発明の流量計測方法では、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、ビデオカメラ、水位計及び観測装置で構成される流量計測システムを用いて観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【００２９】
請求項１２の発明の流量計測プログラムは、これをコンピュータに実行させることにより、河川の表面水流の画像信号と水位データとを取り込む処理と、予め設定されている標定条件パラメータと前記水位データを用いて、前記河川の表面水流の斜め画像を垂直平面画像に幾何補正する処理と、幾何補正後の垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実施し、前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を求める処理と、予め設定されている平均流速の更正係数、前記河川の断面形状、水位データ及び前記河川の仮想横断線上の各区分の表面流速分布を用いて仮想横断面を流れる流量を求める処理とを実行することを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１２の発明の流量計測プログラムでは、これをコンピュータに実行させることによって、観測対象河川の表面水流の画像及び水位データを取り込んで、当該河川の流量をほぼリアルタイムに算定することができる。したがって、ビデオカメラ、水位計及び当該コンピュータによって流量計測システムを構成することができ、その流量計測システムを利用することによって、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
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。本実施の形態の流速分布・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、本実施の形態の流速分布・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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、上記構成の流速分布・流量計測システムによる流量計測方法について、図４及び図５のフローチャートを用いて説明する。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。
【００３８】
（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）。
【００３９】
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（標準水位からのもの）、角度等を入力する。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。
【００４０】
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に設定登録するには、本システムの設置現場において、ビデオカメラ１Ａ，１Ｂによって撮影できる位置に標識を設置し（ステップＳ１０１）、解析装置３には相応しい幾何補正用のパラメータを設定し（ステップＳ１０３）、本システム３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。
【００４１】
そして予備観測で撮影した標識の画像に対して、予め設定したパラメータを用いて幾何変換を実施し、得られた結果を既知点と照らして観測精度を確認する（ステップＳ１０７，Ｓ１０９）。そして、幾何補正用のパラメータの設定を終了し、実観測に移行する（ステップＳ１１１）。
【００４２】
（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６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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、幾何変換した画像に対して、ＰＩＶ解析を実施して仮想横断線６上の各区分毎の表面流速を算出する（ステップＳ１１）。
【００４７】
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７は実機で求めた表面流速分布を示している。
【００４８】
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。
【００４９】
図８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）。
【００５０】
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）。
【００５１】
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９に示すような流速分布の解析結果の数値テーブル、図１０に示すようなキャプチャー途中の画像の表示、図７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。
【００５２】
このようにして、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）。
【００５３】
このようにして、第１の実施の形態の流速分布・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。
【００５４】
また、河川の手前側と向う側との両方の河岸にビデオカメラ１Ａ，１Ｂを設置して川幅のほぼ半分ずつを撮影するようにしているので、それぞれのビデオカメラの俯角を大きくとることができ、精度の高い観測が期待できる。
【００５５】
次に、図１１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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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１２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。
【００６１】
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。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１及び２の発明の流速分布計測システムによれば、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、本発明の流速分布計測システムによって観測対象河川の所定場所の表面流速分布を自動的に観測することができる。
【００６３】
請求項３の発明の流速分布計測システムによれば、河川の表面水流の撮影画像信号を光ファイバーによって高速に観測装置まで伝送することができ、河川の水流の撮影から表面各部の流速分布の算出結果の出力までの処理時間を短縮できる。
【００６４】
請求項４の発明の流速分布計測システムによれば、予備観測において既知点を観測して幾何補正し、既知点との照合によって補正パラメータを設定することができ、流速分布計測の高精度化が図れる。
【００６５】
請求項５の発明の流速分布計測方法によれば、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、ビデオカメラ、水位計及び観測装置で構成される流速分布計測システムを用いて観測対象河川の所定場所の表面流速分布を自動観測することができる。
【００６６】
請求項６の発明の流速分布計測プログラムによれば、これをコンピュータに実行させることによって、観測対象河川の表面水流の画像及び水位データを取り込んで、当該河川の表面流速分布をほぼリアルタイムに算定することができ、したがって、ビデオカメラ、水位計及び当該コンピュータによって流速分布計測システムを構成することができ、その流速分布計測システムを利用することによって、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、観測対象河川の所定場所の流速分布を自動観測することができる。
【００６７】
請求項７及び８の発明の流量計測システムによれば、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【００６８】
また、請求項９の発明の流量計測システムによれば、河川の表面水流の撮影画像信号を光ファイバーを用いて高速に観測装置まで伝送することができ、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。
【００６９】
請求項１０の発明の流量計測システムによれば、河川条件に応じて適切な計測条件を設定し、流量を連続的に計測することができる。
【００７０】
請求項１１の発明の流量計測方法によれば、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、ビデオカメラ、水位計及び観測装置で構成される流量計測システムを用いて観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【００７１】
請求項１２の発明の流量計測プログラムによれば、これをコンピュータに実行させることによって、観測対象河川の表面水流の画像及び水位データを取り込んで、当該河川の流量をほぼリアルタイムに算定することができ、したがって、ビデオカメラ、水位計及び当該コンピュータによって流量計測システムを構成することができ、その流量計測システムを利用することによって、観測員が河川内に入って流速を観測したりせずとも、観測対象河川の所定場所の流量を自動的に定点観測することができる。
【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パラメータ設定作業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より観測する河川の映像図。
【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り計測した河川の表面流速分布図。
【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り観測する河川の仮想横断面図。
【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り計測した河川の表面流速分布の数値テーブル。
【図１０】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１１】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１２】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】
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
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】
2004117119.tif 000003
【図２】
2004117119.tif 000004
【図３】
2004117119.tif 000005
【図４】
2004117119.tif 000006
【図５】
2004117119.tif 000007
【図６】
2004117119.tif 000008
【図７】
2004117119.tif 000009
【図８】
2004117119.tif 000010
【図９】
2004117119.tif 000011
【図１０】
2004117119.tif 000012
【図１１】
2004117119.tif 000013
【図１２】
2004117119.tif 000014