大分工業高等専門学校紀要

第 57 号(令和 2 年 11 月)

スマートフォンにより撮影された沖縄県における赤土を含む
懸濁液の画像を用いた濃度変化の把握と濃度基準の設定の試み

前稔文1・佐野 博昭2・高橋徹3・御手洗良紀4・矢野 次郎5

1都市・環境工学科，2防衛大学校 システム工学群 建設環境工学科，3電気電子工学科，
4機械・環境システム工学専攻，5熊本大学 工学部 土木建築工学科

本研究では，赤土を含む懸濁液の濃度と彩度の推移についてスマートフォンにより撮影された画像を用いて把握し，懸濁液の濃度の基準の設定を目指した．
その結果，彩度の大まかな推移について把握し，懸濁液の濃度4.0g/Lを境に測定した彩度の推移は異なることがわかったが，カラーアナライザーによる実測値と異なる濃度も見られた．このことは，実験の環境下の違いから生じた結果と推察され，今回の実験が屋内の実験室で実施されたことから，撮影画像は蛍光灯の影響を受けている可能性が示唆された．懸濁液の濃度基準を設定するには，自然光を受けた状態に近い環境をつくることが求められる．

キーワード : 赤土，懸濁液，デジタル画像，彩度，スペクトル分布

１．まえがき築を最終的に目指している．
一連の研究では，スマートフォンのカメラで撮影した懸近年，激しい降雨等によって激甚な災害が頻発しており，濁液の画像からHSV空間（色相Hue，彩度Saturation，明度

沖縄県における農地からの赤土等の流出も深刻な状況にValue）の色情報を取得し，汚濁度の推定の可能性についある．赤土等の流出によって，河川や沿岸海域における生て検討してきた．具体的には，撮影した懸濁液の画像の彩態系の破壊など，観光業や水産業にも大きな被害をもたら度Sに着目し，赤土を含む懸濁液の濃度と共に彩度Sは高くしている．

なり，懸濁液のピクセルのほとんどが妥当な汚濁度に該当

赤土等流出による汚濁度を表す指標には，懸濁物質含量することが確認できた7)．

（SPSS）1)をはじめとして，懸濁物質量（SS），濁度，透さらに，沖縄県内の沈砂池に滞留した赤土を含む水の画度などがあり，流出水の汚濁程度の評価については，主と像を対象にシミュレーションしてみたところ，いずれの画像おいても，1つか2つの汚濁度に多くのピクセルが分布しして懸濁物質量（SS）を用いている．
懸濁水汚濁度の測定に関する研究として，伊原ら 2)～5)，
斎藤ら6)は，デジタルカメラで撮影された画像から濁度をており，開発したアプリで懸濁水の汚濁度を推定できる可能性を示すことができた9)．

測定する方法について検討している．そのうち，文献2)でまた，懸濁液の画像ごとに色相Hの5YR（色相H:18～54）は，光の減衰特性を利用することでデジタルカメラの画像に含まれるピクセルを対象に彩度Sと明度Vの分布性状をから濁度の推定が可能になると報告している．

示したところ，汚濁度が高くなると彩度Sの範囲は広くな

この赤土等流出の問題を沖縄県民が沖縄県の環境問題り，高彩度のピクセルも多く見られ，明度Vの範囲も広くとして主体的に取り組むためには，河川や沿岸海域の汚濁なる傾向が見られる色彩特性があることが分かった8)．

度を容易に測定できる方法の確立が必要であることから，これまでにスマートフォンで簡単に赤土等懸濁液の汚濁

しかし，これまでのシミュレーションは，著者が所有するスマートフォン（SH-02J，Android 7.0）による推定であ度を測定できるアプリケーションの開発 7) ～ 9) に取り組ん

り，他の機種による検討も必要である．また，これまでは，濃度が3.0g/L以下の懸濁液を扱ったが，実際に流出する県できた経緯がある．
さらに，著者らは，沖縄県内の各地域における汚濁度測定結果を専用サーバにアップロードできるようにし，沖縄濁水には十数g/Lの赤土を含まれていることから，それ以上の濃度の懸濁液の色彩分析も必要である．

県全域にわたった住民参加型の赤土等汚濁度監視網の構―22―

そこで，本研究では，濃度が3.0g/L以上の懸濁液も対象

大分工業高等専門学校紀要

第 57 号(令和 2 年 11 月)

として，複数の機種のスマートフォンによるシミュレーションを実施し，懸濁液の濃度にともなう彩度Sの推移についてまとめた結果を報告する．その際，彩度Sの見直しも視野に入れ，色彩計を用いた実測との違い，懸濁液の背景の違い，および白色補正の有無による違いについても報告する．
a) 抽出前

２．スマートフォンで撮影した懸濁液の画像の彩度の決定方法

写真-1 濃度0.2g/Lの懸濁液の画像における色相5YRのピ
クセルの抽出前と抽出後

ここで，スマートフォンで撮影した赤土を含む懸濁液の40,000

画像の彩度Sの決定方法について述べる．

た懸濁液の画像に対して，文献8)の自作のソフトウェアを用いて，赤土が含まれる色相5YRにおけるピクセルを抽出する．写真-1b)は，画像内の色相5YRのピクセルのみを抽30,000ピクセル数

写真-1a)は，スマートフォンで撮影した赤土の濃度0.2g/Lの懸濁液の画像を示す．このようなビーカーに入れb) 抽出後20,00010,000出したものである．

0

図-1は，写真-1b)の色相5YRのピクセルを彩度Sごとに0数えたものである．また，図-2は，写真-1b)の彩度S－明20

40
彩度度Vの分布性状を示す．この図から，彩度Sは0～50程度，明度Vは40～73の範囲で分布していることがわかる．この

図-1

とき，図-1では彩度Sが26でピクセルが最多の37,471を数

60

80

100

濃度0.2g/Lの懸濁液の画像における色相5YRのピクセルの彩度Sとピクセル数の関係えていることから，この懸濁液の彩度Sを26とし，他の懸明度(V)100

濁液についても同様の方法で彩度Sを決定することにした．

３．スマートフォンで撮影した懸濁液の画像の彩度測定
本研究で用いたスマートフォンは，iOSの機種として50

iPhone X，Android OSの機種としてHuawei nova lite 3であり，また，色彩計としてカラーアナライザー（（株）佐藤商事製，RGB-1002）を用いた測定も行った．
懸濁液の画像の彩度測定は，2020年7月22日14:00から17:00に大分工業高等専門学校地盤環境工学実験室で実施した．なお，当日の天気は曇り，気温25.4℃，湿度67.9％0であり，ビーカー設置高さの照度は278.8㏓であった．なお，実験室内に取り付けられている蛍光灯は，Panasonic

図-2製のFHF32EX-N-Hである．

050

彩度(S)
100

濃度0.2g/Lの懸濁液の画像における色相5YRのピクセルの彩度Sと明度Vの分布性状シミュレーションには，濃度が0.0，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，14.0，18.0g/Lのように撮影した．
図-3は，懸濁液の濃度と彩度Sの関係を示しており，a)

懸濁液を用いた．
画像の撮影においては，ビーカーおよびカメラの位置をは「背景黒，白色補正無」，b)は「背景黒，白色補正有」，固定し，カメラと被写体との距離を20cmとした．また，

c)は，「背景白，白色補正無」，d)は，「背景白，白色補正有」

背景色による彩度Sへの影響もあると考え，黒と白の背景を示す．

を用意し，撮影画像に白色補正を行えるように，カラーアナライザーに付属の白色構成カードも被写体として写る

なお，図中においてデータが欠落している箇所があるが，これは撮影画像においてビーカー周辺の他のピクセルを―23―

大分工業高等専門学校紀要

第 57 号(令和 2 年 11 月)数えたために，推移から大きく外れたことから，それらの100データは外れ値と見なして削除している．

90

いずれの図においても，懸濁液の濃度が高くなるにつれ，8070

彩度Sも高くなる傾向にあることが確認できる．スマート60

彩度

フォンで撮影した画像の場合（○および■），彩度Sは50

iPhone40

Huaweiる傾向にある．また，Huawei（■）で撮影した画像の方が，30

カラーアナライザー

iPhone（○）で撮影した画像よりも彩度Sは高い．

20

2.0g/Lまでは急激に高くなり，それを超えると高止まりす

10

一方，カラーアナライザーで測定した彩度Sに着目する

0と，濃度2.0g/L以下の懸濁液では上下の変動があるものの，0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

濃度[g/L]

濃度が6.0g/Lまでは一定の上昇が認められる．しかし，それより濃度が高くなると，彩度Sは緩やかに上昇し，濃度a) 背景黒，白色補正無が16.0g/Lになると変化はほとんど見られない．

100

スマートフォンで撮影した画像から求めた彩度と，カラ90

ーアナライザーにより測定した彩度とを比較すると，濃度80が4.0g/L以下の懸濁液においては両者の差は大きく，スマ70
60

彩度ートフォンの方が高くなった．しかしながら，さらに濃度50iPhone40

Huawei

色補正有の場合（○），濃度が4.0g/Lを超えるとカラーアナ

30

カラーアナライザー

ライザーの彩度Sよりも低くなった．

20が高くなると，図-3d)では，iPhoneで撮影し，背景白で白10

ここで，懸濁液の背景の違いについて着目すると，同図0のa)とc)は，いずれも白色補正無しで，背景色は黒および0.0

2.04.06.010.012.014.016.018.0

濃度[g/L]

白で撮影した画像の彩度Sの推移を示すが，両者に差はほとんど見られなかった．しかしながら，背景色に黒を用いb) 背景黒，白色補正有た方が，両スマートフォンによる値の差は小さく，機種に100よる依存性は低いと考えられる．また，b)とd)は，白色補90正を施した場合の彩度Sの推移を示すが，全体的に背景を80白として撮影した画像の方が彩度Sは低い．

7060

彩度

次に，白色補正の有無について着目すると，補正前の画8.050

像に関しては，背景色に関係なく，濃度2.0g/L以下の懸濁40液において彩度Sの上下の変動が見られたが，補正により30iPhoneその変動は見られなくなった．また，白色補正により彩度Sの値は全体的に低くなるが，背景色が白の場合，彩度S

20Huawei
カラーアナライザー

100の低下は顕著に表れた．

0.02.0

4.0

6.0

8.0

10.012.014.0

16.018.0濃度[g/L]c) 背景白，白色補正無４．懸濁液のスペクトル測定

1009080のように変化しているかを把握するために分光計（URPtek

70製，MK350N PLUS）を用いてスペクトル測定を行った．

彩度

ここで，懸濁液の散乱光の分光スペクトルが，実際にど6050

なお，測定は，同日の屋外で行い，懸濁液を攪拌した後，5秒間静置してからビーカーのメモリ200mlの位置を測定

4030iPhoneした．

20Huawei

なお，懸濁液の濃度は，カラーアナライザーとスマートフォンで撮影した画像の彩度Sの差が顕著であった4.0g/L

カラーアナライザー

1000.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

濃度[g/L]までとした．
図-4は，屋外における懸濁液のスペクトル測定の結果でd) 背景白，白色補正有図-3 彩度Sと濃度の関係ある．濃度0.1～0.4g/Lの懸濁液では，短波長の青から緑

―24―

14.0

16.018.0

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(令和 2 年 11 月)

1.00

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度

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0.80
0.60
0.40
0.20

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

0.00
380

480
580
波長（nm）

680

380

780

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

680

780

680

780

680

780

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20

480
580
波長（nm）

680

780

380c) 0.4g/L

480580
波長（nm）
d) 0.6g/L

1.00

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度7800.00

3800.80
0.60
0.40
0.20
0.00

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

380

480
580
波長（nm）

680

780

380e) 0.8g/L

480580
波長（nm）
f) 1.0g/L

1.00

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度680b) 0.2g/L

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度a) 0.1g/L

480580
波長（nm）

0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

380

480
580
波長（nm）

680

780g) 2.0g/L

380

480
580
波長（nm）h) 4.0g/L

図-4 屋外環境下における懸濁液のスペクトル測定結果―25―

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(令和 2 年 11 月)

1.00

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度

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0.80
0.600.40
0.20
0.00

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

380

480
580
波長（nm）

680

780

380

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

680

780

680

780

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20

480
580
波長（nm）

680

780

380c) 0.6g/L

480580
波長（nm）
d) 0.8g/L

1.00

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度

780

0.00
380

0.80
0.60
0.40
0.20

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

0.00
380

480
580
波長（nm）

680780e) 1.0g/L

相対スペクトル強度680b) 0.4g/L

相対スペクトル強度

相対スペクトル強度a) 0.2g/L

480580
波長（nm）

380

480
580
波長（nm）
f) 2.0g/L

1.00
0.80
0.60
0.40
0.200.00
380480580
波長（nm）

680780g) 4.0g/L
図-5 屋内環境下における懸濁液のスペクトル測定結果―26―

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第 57 号(令和 2 年 11 月)（435~580nm）が強く表れているのに対して，濃度が増し

参考文献ていくと，その青から緑（435~580nm）は減衰する一方で

1) 大見謝辰夫：SPSS 測定法とその解説，沖縄県衛生環境赤（610~750nm）は減衰せずに残っており，濃度が4.0g/Lになると，橙から赤（595~750nm）の波長の色が占めてい研究所報，第 37 号，pp. 99-104，2003.
2) 伊原浩生，山口晴幸，増永和弘：デジタル画像を利用した濁度測定法の検討，第29回土木学会関東支部技術ることが確認できた．
一方，図-5は，屋内環境で同様にスペクトル測定を実施

研究発表会講演概要集，VII-36，pp. 884-885，2001.

した結果であるが，特定の波長の色しか強く表れていない．

3) 伊原浩生，山口晴幸，増永和弘：デジタル画像を利用

これは，蛍光管がメーカー特有のスペクトルを発光するた

した濁度測定法の検討，第4回環境地盤工学シンポジウ
ム講演概要集，pp. 95-100，2001.

め で あ る ． ま た ， 図 -5 か ら 濃 度 が 増 す と と も に 青（435~480nm）や緑（500~560nm）のスペクトルが減少

4) 伊原浩生，山口晴幸，増永和弘：デジタル画像を利用する一方，橙（595~610nm）のスペクトルは減衰せず残っした濁度・SS濃度測定法の検討，第36回地盤工学会講演概要集，VII-36，pp. 2559-2560，2001.ていることがわかる．ただし，赤土に見られる顕著な赤（610~750nm）のスペクトルについては，蛍光管が発光し5) 伊原浩生，山口晴幸，増永和弘：沖縄県の赤土懸濁水の濁度と化学的性質について，第56回土木学会全国大ていないため観測できていない．

会講演概要集，pp. 664-665，2001.
6) 斉藤和伸，山口晴幸，岩田道春，増永和弘：沖縄県に６．まとめと今後の課題

おける赤土汚染問題に関する研究，地球環境シンポジ
ウム論文集，Vol.11，pp. 63-72，2003.

本研究では，懸濁液の濃度変化に伴う彩度Sの推移を示

7) 前稔文，佐野博昭，他：スマートフォンを用いた沖縄

し，濃度の基準の設定を図ろうとした．その結果，濃度県内の赤土等流出水の汚濁度測定，平成29年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，pp.347-348，2018.

4.0g/Lを境に推移が異なることがわかった．
しかしながら，屋内の実験室で実施したことから，蛍光8) 前 稔文，佐野博昭，他：スマートフォンを用いた沖縄灯の影響を受けていることが懸念され，率直に言えば，本県内の赤土等流出水の汚濁度測定と基礎的色彩特性，来の狙いである濃度の設定ができたとは言い難い．また，

大分工業高等専門学校紀要，第55号，pp.21-26，2018.

背景色や白色補正により差が生じた原因まで追究できな

9) 前稔文，佐野博昭，他：沖縄県内の沈砂池に流入した赤土等懸濁水の汚濁度測定，平成30年度土木学会西部かった．
今後は，屋内外での実験，ならびに演色ライトを用いるなど，異なる条件を設定して，自然光を受けた状態に近い環境を作成し，懸濁液の濃度の設定を目指す．

―27―

支部研究発表会講演概要集，pp.433-434，2019.
(2020.9.30受付)