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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

CCTVを活用した山地河川における土砂移動把握と流域監視に向けた取り組み
国土交通省 関東地方整備局

富士川砂防事務所 植野利康・赤澤史顕

日本工営株式会社〇五十嵐和秀・松岡暁・伊藤隆郭京都大学 藤田正治・宮田秀介
三重大学

堤大三

筑波大学 内田太郎

1．はじめに
近年，様々な分野で画像解析技術やAIといった新技術が導入されてきており，LSPIV・STIVを用いた河川表面流の流速計
測 1,2)，流下ｴﾘｱ推定や水位推定3)などが行われ，中流・下流域の都市河川においては，洪水の監視・観測を対象とした画像解析技術の開発が進み実用化がされている。また，砂防の山地河川においても，輝度差分映像による崩壊・土石流検知手法4)の開発や土石流検知ｱﾗｰﾄｼｽﾃﾑ5)といった実用化も進められている。
山地河川における画像解析を用いた土砂移動現象把握手法
として，濁水の評価に色情報（RGB値）を用いる手法6,7)がある。
本手法は濁度の増加傾向を把握することで，既往の他の画像解
析による土石流検知手法と比べ，土石流の前兆現象としての濁水発生8)の早期検知という利点が期待される。また，色情報（RGB値）を単位ﾍﾞｸﾄﾙ化し，RGB輝度の合成ﾍﾞｸﾄﾙの位置及び方向を導くことで，渓流の濁り検知だけでなく，日射量（光の強度）の影響軽減や，夜間映像への有効性が報告されている7)。
富士川砂防事務所では，現在，富士川流域 8 観測所（図-1）において流砂量観測が行われ，継続的な流砂観測ﾃﾞｰﾀが得られている9)。観測期間中に発生した降雨起因の土砂移動現象に対して，経年的な流砂の変化が整理されてきており，将来的にこれら流砂観測ﾃﾞｰﾀを活用した流域監視の検討が進められている9)。
一方で，ﾊｲﾄﾞﾛﾌｫﾝ・濁度計による流砂量観測は，接触型の観測機器により計測していることもあり，大規模出水時や経年的な外力作用等により，機器の故障等が全国的に報告され課題となっている。CCTV等を活用した画像解析により濁度ﾃﾞｰﾀの重畳化が図れると，濁度ﾃﾞｰﾀの品質確保となる他，今後の監視体制においても非接触型の有効な手法の一つと期待される。
そこで今回，管内CCTVの流域監視利用を目的に，画像のRGB値及びその単位ﾍﾞｸﾄﾙを用いて，土砂移動現象の把握手法
6,7)を検討した。本手法は，RGB単位方向ﾍﾞｸﾄﾙと濁度変化との間に線形性が報告されており6)，富士川流域における中小規模出水時のCCTV映像と濁度観測ﾃﾞｰﾀを用いて，同手法による濁度変化の評価を行ったので，その結果を報告する。

2．使用映像と特徴
源頭部に大規模な崩壊地を有し，出水の度に流砂が観測されやすい春木川を対象に，春木川第二砂防堰堤のCCTV（ｲﾒｰｼﾞｾﾝｻ：1/2ｲﾝﾁ 3板CCD，解像度：約38万px，最低被写体照度：0.001lux以下，ｵｰﾄｱｲﾘｽ）を使用して解析・検討した。使用したCCTV映像の期間は，近年で比較的規模の大きかった2019年10月11日～10月12日の台風第19号出水と，それほど流砂が観測されなかった2020年10月9日～10月10日の台風第14号出水の2期間である（表-1，図-2）。この2期間において，出水時において直接採水を実施しており，春木川第二砂防堰堤下流の栃原砂防堰堤では水位計・濁度計による観測と自動採水器による採水，春木川橋ではﾊﾞｹﾂ採水を実施している。これらの出水で濁度計と直接採水による濁度の分析結果を得られており，画像解析による比較検証に供した。今回は，日中の映像のみを解析対象とした。
夜間時の映像は，照度不足により視認性が低く解析が困難であったため，今回は解析対象外とした。

3．画像解析手法
収集したCCTV映像から得られる情報は，水面の画像の情報（輝度・色）であり，表層の浮遊砂・ｳｫｯｼｭﾛｰﾄﾞの移動とみたてて検討した。映像の水面に解析領域を設定し，解析領域の各画素のRGB値及び輝度値（L）をｵｰﾌﾟﾝｿｰｽ画像解析ﾗｲﾌﾞﾗﾘ（OpenCV）で抽出し，全画素で平均した。続いてRGBをそれぞれ直交する3次元ﾍﾞｸﾄﾙ空間で表現し，RGB値をそれぞれ単位ﾍﾞｸﾄﾙ化した。

4．画像解析による濁度の評価結果
図-3に2019年10月台風第19号における画像解析結果と流砂観測ﾃﾞｰﾀ（水位・濁度・直接採水結果）を併記して示す。2019年10月12日に濁水が発生すると，前日11日と比較してr（RGB単位ﾍﾞｸﾄﾙのR成分）が相対的に大きくなる結果が得られ，春木川においても他河川における既往報告事例6)と同様の傾向を示した。また，2019年10 月12 日の出水は春木川橋において，5:40~9:00 に平均0.0017cm3/cm3，9:00~13:00に平均0.0041cm3/cm3，13:00~17:00に平均0.0080cm3/cm3の体積土砂濃度が観測され，これは図-3のrが相対的に大きくなる傾向と一致する。ここで，栃原砂防堰堤の濁度計の観測ﾃﾞｰﾀに頭打ちが認められたため，画像解析結果は直接採水による分析結果と比較している。
図-4に2019年10月台風第19号及び2020年10月台風第14号のRGB値の単位ﾍﾞｸﾄﾙを3次元立体表示させた図を示す。濁水発生前（①②③④，⑨）～濁水発生後（⑥⑦⑧，⑩）の過程が，半径1の球面上に概ね連続する傾向で分布する結果が得ら①西比良下流第6床固工れ，既往報告6)と同様の②流川第36床固工③濁川下流第9床固工傾向を示した。特に，④大武川第50床固工
2019年10月台風第19号
出水時⑧の濁度は⑤船山橋
0.0080cm3/cm3（平均）であり，2020年10月台風第14号出水時⑩の濁度0.0006cm3/cm3（平均）⑥慶雲橋下流床固工
よりも体積土砂濃度が多く，図-4では⑧は⑩よりも右下に分布し，画⑦榑坪堰上流像解析結果からも濁度⑧栃原砂防堰堤
変化の傾向を確認できた。一方で，2019年10春木川第二砂防堰堤CCTV
月12日9:00~13:00⑦と 0 5 102030
213:00~17:00⑧の濁度が－ 635 －凡例

ハイドロフォン等による観測箇所
出水時の流砂量観測箇所
雨量観測所（国交省）
雨量観測所（気象庁）▲ 砂防基準点

図-1

流砂観測施設位置図□：検討対象①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

図-2表-1No.
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

春木川第二砂防堰堤のCCTV画像（①②③④2019/10/11，⑤⑥⑦⑧2019/10/12，⑨2020/10/9，⑩2020/10/10）

対象としたCCTV映像の期間（2019年・2020年）

時間
映像から見られる渓流の特徴
14:37-14:48 霧が発生している。渓流は濁っていない。
14:48-16:22 流量に変化はなく，濁っていない。
2019/10/11
16:22-16:46 霧が発生している。渓流は濁っていない。
16:46-17:00 流量に変化はなく，濁っていない。
05:24-05:40 夜明け前。前日より流量が増えている。
05:40-09:00 本堤水通しの右岸側を流下し、渓流が茶色く濁る。
2019/10/1209:00-13:00 本堤水通しの流下幅が増加し，渓流は茶色く濁る。
13:00-17:00 本堤水通しの全幅を流下し，渓流は茶色く濁る。
2020/10/9 06:00-17:00 渓流は濁っていない。
2020/10/10 06:00-17:00 渓流が薄く茶色く濁る。

⑥⑩b②④⑨204No.

G

B153

霧51

画像データの切れ目

霧 霧

日の出前

単位ベクトルのRGB成分値

0水位(m)

図-4r

0.8② ④⑤ ⑥⑦gb⑧

0.60.4

③①0.2
02
1.5
10.5
0‐0.5‐1

水位（栃原砂防堰堤）

栃原砂防堰堤の濁度計

春木川橋の体積土砂濃度（バケツ採水）

栃原砂防堰堤の体積土砂濃度（自動採水器）

0.060
0.040

濁度計に水位が達していない

図-30.50

時間
14:37-14:48
14:48-16:2216:22-16:46
16:46-17:00
05:24-05:40
05:40-09:00
09:00-13:00
13:00-17:00
06:00-17:00
06:00-17:00※バケツ採⽔試料の分析結果
最⼩
最⼤
平均
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
0.000940
0.000940
0.000940
0.000830
0.002040
0.001727
0.002040
0.006790
0.004091
0.004530
0.009810
0.008000−−−
0.000330
0.001020
0.000633

単位ﾍﾞｸﾄﾙのRGB成分の3次元分布（2019年・2020年）

カメラ操作

1

0.020
0.000

体積土砂濃度(cm3/cm3)

RGB

204

102

年⽉⽇

①②
2019/10/11③④⑤⑥
2019/10/12⑦⑧⑨ 2020/10/9⑩ 2020/10/10

51

R

0.70

体積⼟砂濃度（cm3 /cm3 ）10200.70

gr

153

255

⑦0.50

夜間

夜間①③⑧L255
輝度値（L）⑤年月日

画像解析結果と観測ﾃﾞｰﾀの比較（2019/10/11-10/12）

高い時間帯において，単位ﾍﾞｸﾄﾙの分布域で重複が認められる。解析領域内で高輝度の白波が卓越し，領域内のﾋﾟｸｾﾙ情報の平均値を引っ張ったため，ﾍﾞｸﾄﾙの位置が散在した。

5. まとめ
今回，画像の色を数値化した情報（RGB値）を用いて濁水の発生過程を評価し，春木川においてCCTVと濁度ﾃﾞｰﾀとの比較を行った。2019年10月台風第19号と2020年10月台風第14号の出水において，画像解析から濁度の変化を大中小程度で定性的に捉えることができた。
本検討では，画像取得ﾃﾞｰﾀに対して色情報の補正を行わずに解析・検討を行った。今後，濁水発生検知の詳細な検討や，夜間照明時の検討，流れに含まれる土砂量の定量的な推定等を行う場合には，光源条件を考慮した解析が必要である。また，画像の色情報は，被写体が同じ物質であっても，ｶﾒﾗによる違いの他，曇天・晴天・夜間等の日照条件や光源条件により，抽出される値に差異が生じる。RGB値を用いた加法混法（8bitﾃﾞｼﾞﾀﾙﾅﾝﾊﾞｰ表示方法）
では全ての色を表現することができないため，流れに含まれる土砂量の推定といった，濁水の色を広く評価しなければならない場
合には，規格に準じた手法による補正等を考慮しなければならな
いと考えられる。今回の春木川第二砂防堰堤では，解析領域で高輝度の白波が卓越し影響を除去せずに解析したが，これら白波といった白飛びをﾉｲｽﾞとして除去処理することで，濁度評価の精度向上にも繋がると考える。
今後，上述の課題を踏まえ，観測精度が向上すれば，CCTVの監視利用等にさらなる有効活用が期待される。
参考文献（題目省略）
1） Fujita I., Discharge Measurements of Snowmelt Flood by Space-Time Image Velocimetry
during the Night Using Far-Infrared Camera, Water 9(4), 269，2017．
2） 藤田一郎・渡辺健・井口真生子・長谷川誠，土木学会論文集B1(水工学)，Vol.76 No.2,2020.
3） 井深真治・肥後明豪・福田昌宏・五十嵐和秀・水谷佑・松本定一・池島剛，平成30 年度砂防学会研究発表会概要集，pp.723-724，2018．
4） 柴田俊・小竹利明・山田拓・木下篤彦・中谷洋明・金澤瑛・海原荘一・井深真治，
第10回土砂災害に関するｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ論文集，pp.79-84，2020．
5） いであ株式会社，令和3年度新技術・新工法説明会技術資料，pp.48-62，2021．
6） 五十嵐和秀・水谷佑・木下篤彦・井深真治・肥後明豪・池島剛・秋田寛己・水野秀明・砂防学会誌，Vol. 71 No. 6，pp. 28-34，2019.
7） 五十嵐和秀・水谷佑・松本定一・池島剛・井深真治・田中健貴・木下篤彦，河川技術論文集，pp.187-192，2019．
8） 国土交通省・土砂災害警戒避難に関わる前兆現象情報検討会，
https://www.mlit.go.jp/mizukokudo/sabo/dosya_zencho.html，参照 2022-4-1.．
9） 萬徳昌昭・菊池瞳・小林幸博・木村詩穂・松岡暁・五十嵐和秀・伊藤隆郭・藤田正治・宮田秀介・堤大三，
令和3年度砂防学会研究発表会概要集，pp.641-642，
2021．

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