(57)【要約】【課題】観測対象物の境界の実際の位置変化を長期にわたって正確に捉えることができる観測方法及び観測システムを提供する。【解決手段】観測対象物１００及び静止物体１０２を撮像した基準画像を取得し、観測対象物１００及び静止物体１０２の領域を特定し、観測対象物１００のｙ方向における面積と、静止物体１０２のｙ方向における面積との基準比率を算出する。基準画像を取得したときから所定時間経過後に、観測対象物１００の境界位置及び静止物体１０２を撮像した観測画像を取得し、観測対象物１００及び静止物体１０２の領域を特定し、観測対象物１００のｙ方向における面積と、静止物体１０２のｙ方向における面積との観測比率を算出し、基準比率に対する観測比率の変化から、観測対象物１００の境界の実際の位置変化を観測する。【選択図】図１
2013238540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象物の境界及び観測対象物とは色が異なる静止物体を撮像した画像を取得し、この画像において、観測対象物の境界の位置が変位する方向をｙ方向、ｙ方向と直交する方向をｘ方向として、境界のｙ方向の変位を算出することにより、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する観測方法であって、
前記観測対象物の境界及び静止物体を撮像した基準画像を取得し、
前記基準画像を色毎に複数の領域に分割して、前記基準画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、
前記基準画像において、観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との基準比率を算出し、
前記基準画像を取得したときから所定時間経過後に、前記観測対象物の境界及び静止物体を撮像した観測画像を取得し、
前記観測画像を色毎に複数の領域に分割して、前記観測画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、
前記観測画像において、観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との観測比率を算出し、
前記基準比率に対する前記観測比率の変化を算出することにより、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測することを特徴とする観測方法。
【請求項２】
前記画像の観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に１画素毎に分割することを特徴とする請求項１の観測方法。
【請求項３】
前記観測画像を所定時間毎に取得することを特徴とする請求項１又は請求項２の観測方法。
【請求項４】
前記観測対象物は、水、雪、土砂、雲のいずれかからなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項の観測方法。
【請求項５】
観測対象物の境界及び観測対象物とは色が異なる静止物体を撮像した画像を取得する撮像手段と、この画像において、観測対象物の境界の位置が変位する方向をｙ方向、ｙ方向と直交する方向をｘ方向として、境界のｙ方向の変位を算出する画像処理手段とを備え、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する観測システムであって、
前記画像処理手段は、
前記撮像手段にて撮像した画像を取り込む画像取込部と、
撮像した画像において、前記観測対象物の色及び静止物体の色を予め記憶する記憶部と、
前記画像を色毎に複数の領域に分割する領域分割部と、
前記画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、画像の観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との比率を算出する演算部と、
前記比率の変化から、観測対象物の境界の実際の位置変化を解析する解析部とを備えたことを特徴とする観測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する観測方法及び観測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界に存在する水、雪、土砂、雲等の観測対象物は、時間経過とともに位置や大きさ等の状態が変わる。このため、観測対象物の境界の位置変化を観測すれば、河川の氾濫や、雪崩や積雪、土砂災害、天気等を予測することができる。例えば、水の境界（水面）の位置変化を観測するものとして、河川の水位を計測できる方法が提案されている（特許文献１）。特許文献１の水位計測方法は、水面に垂直となるように量水板を河川中へ設置し、この量水板の画像を取り込む。そして、画像の濃度差によって、量水板と水面とを分離して、水面位置を認識するものである。
【０００３】
また、計測手段として、特許文献１に記載された量水板以外にも、水上にフロートを設置して、その上下運動を観測するフロート式や、水中に水圧センサを設けて、水の水圧を測定する方式もある。
【０００４】
河川の水位を計測すると、河床あるいは河川ポイント（基準となる位置）から、水かさがどの程度であるかを算出することができる。この値と川の断面積とから、１秒間に流れる水量が何トン程度であるかがわかる。これにより、水位の計測位置から河口に対して何分後にどの程度の水量の水が到達するかが予測でき、堤防、護岸等が危険であるか、安全であるかを判断していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１４５７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に記載された観測方法は、観測対象物中の、ある１箇所（１ポイント）を観測するものであり、環境変化を立体的に捉えることができない。しかしながら、自然界に発生する現象を予測しようとすると、観測対象物の１箇所の境界の位置変化を観測するだけでは十分ではない。例えば、同程度の水位変化であっても、川幅が狭い場所と広い場所とでは河川の氾濫の程度、氾濫するまでの時間予測が異なるように、周囲の環境や、境界の時間あたりの変化率等により、その後の変化予測は異なる。
【０００７】
また、特許文献１に記載された方法は、計測手段を観測対象物である水の中に設置するものである。このため、特許文献１の方法では、実際に河川の氾濫や、雪崩、土砂災害が発生すると、計測手段が流される等して観測不能となるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、観測対象物の境界の実際の位置変化を正確に捉えることができ、長期にわたって安定した観測ができる観測方法及び観測システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の観測方法は、観測対象物の境界及び観測対象物とは色が異なる静止物体を撮像した画像を取得し、この画像において、観測対象物の境界の位置が変位する方向をｙ方向、ｙ方向と直交する方向をｘ方向として、境界のｙ方向の変位を算出することにより、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する観測方法であって、前記観測対象物の境界及び静止物体を撮像した基準画像を取得し、前記基準画像を色毎に複数の領域に分割して、前記基準画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、前記基準画像において、観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との基準比率を算出し、前記基準画像を取得したときから所定時間経過後に、前記観測対象物の境界及び静止物体を撮像した観測画像を取得し、前記観測画像を色毎に複数の領域に分割して、前記観測画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、前記観測画像において、観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との観測比率を算出し、前記基準比率に対する前記観測比率の変化を算出することにより、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測するものである。
【００１０】
本発明の観測方法によれば、基準画像における基準比率と、この基準画像が撮影された後に撮影された観測画像における観測比率の変化から、撮影した観測対象物の境界位置が、基準画像の撮影時から全体的にどのように変化したのかを立体的に観測することができる。すなわち、観測対象物の特定の箇所の境界の位置変化を観測するものではなく、撮影された全範囲において、観測対象物の境界の位置変化を全体的に観測することができる。また、観測対象物の境界が撮影できる位置、つまり、観測対象物から離れた位置に機器を設置でき、観測対象物中に設置する必要がなくなる。
【００１１】
前記構成において、前記画像の観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に１画素毎に分割することができる。これにより、分割した範囲（Δｘ）のｙ方向における面積は、Δｘにおけるｙ方向の画素数とでき、容易に面積を算出することができる。
【００１２】
前記構成において、前記観測画像を所定時間毎に取得することができる。
【００１３】
前記構成において、前記観測対象物は、水、雪、土砂、雲のいずれかからなり、自然環境の変化を観測するものとできる。
【００１４】
本発明の観測システムは、観測対象物の境界及び観測対象物とは色が異なる静止物体を撮像した画像を取得する撮像手段と、この画像において、観測対象物の境界の位置が変位する方向をｙ方向、ｙ方向と直交する方向をｘ方向として、境界のｙ方向の変位を算出する画像処理手段とを備え、観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する観測システムであって、前記画像処理手段は、前記撮像手段にて撮像した画像を取り込む画像取込部と、撮像した画像において、前記観測対象物の色及び静止物体の色を予め記憶する記憶部と、前記画像を色毎に複数の領域に分割する領域分割部と、前記画像における観測対象物及び静止物体の領域を特定し、画像の観測対象物の領域及び静止物体の領域をｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、観測対象物のｙ方向における面積と、静止物体のｙ方向における面積との比率を算出する演算部と、前記比率の変化から、観測対象物の境界の実際の位置変化を解析する解析部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の観測方法及び観測システムは、観測対象物の状態の変化を立体的に観測することができるため、人の目視による観測と同様の観測ができて、観測対象物の境界の位置変化を正確に捉えることができる。これにより、自然界に発生する現象を正確に予測することができる。また、観測対象物から離れた位置に機器を設置でき、観測対象物中には設置する必要がなくなるため、観測対象物の状態が急激に変化しても機器の流出等を防止することができ、長期にわたって安定した観測が可能となる。また、人が観測対象物に近づく必要もなくなり、遠方からの観測が可能となるため、安全なものとなり、設置が容易であるとの利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の観測システムのブロック図である。
【図２】本発明の観測システムを、河川近傍に設置した状態を示す図である。
【図３】本発明の観測システムを構成する撮像手段により撮影した水及び護岸の画像であり、（ａ）は時刻ｔ０における基準画像であり、（ｂ）は時刻ｔ１における観測画像である。
【図４】本発明の観測方法により水面位置を観測する手順を示すフローチャート図である。
【図５】図３の画像を解析する画像であり、（ａ）は時刻ｔ０における基準画像であり、（ｂ）は時刻ｔ１における観測画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明の観測システムのブロック図であり、図２は本発明の観測システムの設置例を示す図である。本実施形態では、図２に示すように、観測対象物が水１００であり、背景の静止物体が護岸１０２である河川１０１付近に本発明の観測システムを設置し、水１００の境界の位置変化（河川水位）を観測する例について説明する。
【００１９】
本発明の観測システムは、図１及び図２に示すように、撮像手段１と、画像処理手段２とを備えている。
【００２０】
撮像手段１は公知公用のカメラであり、観測対象物である水１００の境界（水位）及び静止物体である護岸１０２を撮像できるものである。本実施形態では、撮像手段１は赤外線と可視光線との両方で撮像するウェブカメラとしているが、赤外線のみで行うもの、可視光線のみで行うもの等、観測対象物と静止物体との色の差が明確となる画像を撮像できるものであればよい。この撮像手段１は、観測すべき範囲の水位及び護岸１０２が撮像できる位置であれば、いずれの位置に設置してもよい。このため、水１００から離れた位置に設置でき、水中には設置する必要がなくなる。
【００２１】
撮像手段１は、水１００及び護岸１０２を撮像する。図３（ａ）は、基準となる時刻ｔ０において撮影した基準画像であり、初期段階での護岸１０２に対する水位を示している。図３（ｂ）は、基準画像を取得したとき（時刻ｔ０）から所定時間経過後の時刻ｔ１において撮影した観測画像である。図３（ａ）、（ｂ）において、ハッチングなしが水１００の領域を示し、ハッチングありが護岸１０２の領域を示す。実際の画像は、水１００の領域を示す色（例えば白色）と、護岸１０２の領域を示す色（例えば黒色）とが異なる色となる。図３（ａ）において、Ｂ０は時刻ｔ０における水位を示し、図３（ｂ）において、Ｂ１は時刻ｔ０から所定時間経過した後の時刻ｔ１における水位を示している。撮像手段１は、水位が変位する方向をｙ方向、ｙ方向と直交する方向をｘ方向となるように画像を撮像する。本実施形態の場合は、水位Ｂ０、Ｂ１は上下方向に変位するため、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、水位Ｂ０、Ｂ１が変位する上下方向がｙ方向となり、水平方向がｘ方向となるようにして画像を撮像する。
【００２２】
画像処理手段２は、パーソナルコンピュータにて構成されており、図１に示すように、画像取込部３と、記憶部４と、領域分割部５と、補正部６と、演算部７と、解析部８と、表示部９とを備えている。
【００２３】
画像取込部３は、撮像手段１にて撮像した画像をパーソナルコンピュータへ取り込むものである。記憶部４は、撮像した画像において、観測対象物である水１００の色（白色）及び静止物体である護岸１０２の色（黒色）を予め記憶させるものである。領域分割部５は、画像のうち同色領域を一つの領域とし、色毎に複数の領域に分割するものである。補正部６は、観測対象物及び静止物体の領域に僅かに他の色が混在する場合に、他の色をノイズとして除去するものである。
【００２４】
演算部７は、記憶部４から水１００の領域を示す色（白色）及び護岸１０２の領域を示す色（黒色）の情報を夫々取得して、領域分割部５にて分割された領域のうち、画像における水１００の領域と、画像における護岸１０２の領域を特定する。すなわち、分割された領域のうち、白色を水１００、黒色を護岸１０２として特定する。そして、後述するように、画像の水１００の領域と護岸１０２の領域とをｘ方向に等間隔に分割して、分割した範囲毎に、水１０１のｙ方向における面積と、護岸１０２のｙ方向における面積との比率を算出する。
【００２５】
解析部８は、演算部７による演算結果から、夫々のｘ位置において、時間の経過により水１０１及び護岸１０２の割合がどのように変化したかを解析する。本実施形態では、解析部８として、蓄積部１０、比較部１１、及び換算部１２を備えている。蓄積部１０は、演算部７により求めた比率のデータを蓄積するものである。比較部１１は、蓄積部１０に蓄積された比率のデータを比較するものである。換算部１２は、比率と、護岸１０２の実際の高さから水面の高さ位置を求めるものである。これにより、ｘ方向の夫々の位置において、水面の高さ位置がどのように変化するかを解析することができる。
【００２６】
表示部９は、解析部８による解析結果を表示するディスプレイである。
【００２７】
次に、図４のフローチャートを用いて、本発明の観測システムにより観測対象物の境界の実際の位置変化を観測する方法について説明する。この場合も、観測対象物が水１００であり、背景の静止物体が護岸１０２である河川１０１付近に本発明の観測システムを設置し、水１００の境界位置の変位（河川水位）を観測する例について説明する。
【００２８】
まず、画像処理手段２の記憶部４に、撮像手段１にて撮像した画像において、水１００の領域を示す色（例えば白色）及び護岸１０２の領域を示す色（例えば黒色）を予め記憶させる（ステップＳ１）。次に、基準となる時刻ｔ０において、撮像手段１が水１００の境界（水面）及び護岸１０２を撮像し、例えば図３（ａ）に示すような基準画像を取得する（ステップＳ２）。この基準画像を画像取込部３にて画像処理手段２に取り込む。
【００２９】
領域分割部５は、基準画像のうち同色領域を一つの領域とし、色毎に複数の領域に分割する。そして、演算部７は、記憶部４から水１００の領域を示す色（白色）及び護岸１０２の領域を示す色（黒色）の情報を夫々取得して、領域分割部５にて分割された領域のうち、基準画像における水１００の領域と、基準画像における護岸１０２の領域を特定する（ステップＳ３）。具体的には、水１０１の領域は、基準画像で白色となる図３（ａ）のａ、ｂ、ｃ、ｄで囲まれた範囲であり、護岸１０２の領域は基準画像で黒色となる図３（ａ）のｃ、ｄ、ｍ、ｌで囲まれた範囲であると特定する。このとき、補正部６は、水１００及び護岸１０２の領域に僅かに他の色が混在する場合に、他の色をノイズとして除去する。
【００３０】
演算部７は、図５（ａ）に示すように、基準画像の水１００の領域と護岸１０２の領域とをｘ方向に等間隔（本実施形態では１画素毎）に分割する（ステップＳ４）。なお、１画素は撮像手段１の解像度によって異なる。本実施形態では、ｘ方向に１３等分したものとして説明する。
【００３１】
そして、ｘ方向に分割した範囲毎に、水１０１の領域のｙ方向における面積Ｓ０―１〜Ｓ０−１３と、護岸１０２の領域のｙ方向における面積Ｔ０−１〜Ｔ０−１３とを求め、夫々の面積の基準比率（Ｓ０−１）／（Ｔ０−１）、（Ｓ０−２）／（Ｔ０−２）、・・・（Ｓ０−１３）／（Ｔ０−１３）を算出する（ステップＳ５）。この場合、Δｘは１画素としているため、Δｘのｙ方向における面積は、Δｘにおけるｙ方向の画素数に相当する。例えば、図５（ａ）において、ｇ、ｈ、ｉ、ｊで囲まれた面積Ｓ０−８は、ｇからｈの範囲において、画像の下枠から境界Ｂ０までのｙ方向における画素数である。また、ｉ、ｊ、ｎ、ｏで囲まれた面積Ｔ０−８は、ｇからｈの範囲において、境界Ｂ０から画像の上枠までのｙ方向における画素数である。
【００３２】
基準比率（Ｓ０−１）／（Ｔ０−１）、（Ｓ０−２）／（Ｔ０−２）、・・・（Ｓ０−１３）／（Ｔ０−１３）は、解析部８の蓄積部１０に格納される（ステップＳ６）。
【００３３】
次に、基準画像を取得したとき（時刻ｔ０）から所定時間経過後の時刻ｔ１において、前記した方法と同様の方法により、撮像手段１が水１００の境界（水面）及び護岸１０２を撮像し、例えば図３（ｂ）に示すような観測画像を取得する（ステップＳ７）。この観測画像を画像取込部３にて画像処理手段２に取り込む。
【００３４】
領域分割部５は、観測画像のうち同色領域を一つの領域とし、色毎に複数の領域に分割する。そして、演算部７は、記憶部４から水１００の領域を示す色（白色）及び護岸１０２の領域を示す色（黒色）の情報を夫々取得して、領域分割部５にて分割された領域のうち、観測画像における水１００の領域と、観測画像における護岸１０２の領域を特定する（ステップＳ８）。具体的には、水１０１の領域は、観測画像で白色となる図３（ｂ）のａ、ｂ、ｅ、ｆで囲まれた範囲であり、護岸１０２の領域は観測画像で黒色となる図３（ｂ）のｅ、ｆ、ｍ、ｌで囲まれた範囲であると特定する。このとき、補正部６は、水１００及び護岸１０２の領域に僅かに他の色が混在する場合に、他の色をノイズとして除去する。
【００３５】
演算部７は、図５（ｂ）に示すように、観測画像の水１００の領域と護岸１０２の領域とをｘ方向に等間隔（本実施形態では１画素毎）に分割する（ステップＳ９）。
【００３６】
そして、ｘ方向に分割した範囲毎に、水１０１の領域のｙ方向における面積Ｓ１―１〜Ｓ１−１３と、護岸１０２の領域のｙ方向における面積Ｔ１−１〜Ｔ１−１３とを求め、夫々の面積の観測比率（Ｓ１−１）／（Ｔ１−１）、（Ｓ１−２）／（Ｔ１−２）、・・・（Ｓ１−１３）／（Ｔ１−１３）を算出する（ステップＳ１０）。この場合も、Δｘは１画素としているため、Δｘのｙ方向における面積は、Δｘにおけるｙ方向の画素数に相当する。
【００３７】
観測比率（Ｓ１−１）／（Ｔ１−１）、（Ｓ１−２）／（Ｔ１−２）、・・・（Ｓ１−１３）／（Ｔ１−１３）は、解析部８の蓄積部１０に格納される（ステップＳ１１）。
【００３８】
その後、解析部８は、蓄積部１０に格納された基準比率と観測比率とを抽出し、比較部１１にて基準比率と観測比率とを比較して、基準比率に対する観測比率の変化から時刻ｔ１の護岸１０２に対する水１００の割合が、時刻ｔ０からどのように変化しているのかを解析する（ステップＳ１２）。この場合、（Ｓ０−１）／（Ｔ０−１）と（Ｓ１−１）／（Ｔ１−１）との比較、（Ｓ０−２）／（Ｔ０−２）と（Ｓ１−２）／（Ｔ１−２）との比較、・・・（Ｓ０−１３）／（Ｔ０−１３）と（Ｓ１−１３）／（Ｔ１−１３）との比較により、夫々のｘ位置における比率の変化を解析する。本実施形態では、換算部１２が、比率から水面の実際の位置を換算する。具体的には、比率に実際の護岸１０２の高さを乗算することにより、水面位置を換算する。この換算した値は、表示部９により表示される。
【００３９】
本システムを継続する場合は（ステップＳ１３）ステップＳ６に戻る。次の観測画像を取得する時刻はｔ２であり、ｔ２で取得した観測画像に基づいてステップＳ８〜ステップＳ１３を実行する。このように、本システムを継続する場合には、ステップＳ７〜ステップＳ１３を繰り返し行い、本システムを終了する場合は、パソコンの電源を落とす等して終了する。
【００４０】
本発明では、水１００の状態変化を立体的に観測することができるため、人の目視による観測と同様の観測ができて、水１００の境界の位置変化を正確に捉えることができる。これにより、自然界に発生する現象を正確に予測することができる。また、水１００から離れた位置に機器を設置でき、水中には設置する必要がなくなるため、水１００の状態が急激に変化しても機器の流出等を防止することができ、長期にわたって安定した観測が可能となる。また、人が河川に近づく必要もなくなり、遠方からの観測が可能となるため、安全なものとなり、設置が容易であるとの利点もある。
【００４１】
以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、観測対象物としては、水以外に雪、土砂、雲であってもよい。撮像手段１は連続的に撮像していてもいなくてもよく、断続的に撮像するものであってもよい。撮像手段１は、観測対象物と静止物体との色の差が撮像できるものであれば、種々のものを採用することができる。補正部５や換算部１２や表示部９は省略することもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１        撮像手段
２        画像処理手段
３        画像取込部
４        記憶部
５        領域分割部
７        演算部
８        解析部
１００    水
１０１    護岸
Ｂ０、Ｂ１    境界
Ｓ、Ｔ    面積
【図１】
2013238540.tif 000003
【図２】
2013238540.tif 000004
【図３】
2013238540.tif 000005
【図４】
2013238540.tif 000006
【図５】
2013238540.tif 000007