出水時の流況把握のための画像解析技術の適用
さっさ

なおひこ

よねせ

直彦1・米勢佐々1(株)建設技術研究所

よしとも

やなせ

嘉智1・栁瀨

しんいち

おがわ

伸一1・小川

中部支社河川部（〒460-0003

だいすけ

かにえ大介1・蟹江もりひと

盛仁1

名古屋市中区錦 1-5-13）木曽川中流部では，局所的かつ大規模な深掘れが複数発生しており，河川管理上の課題となっている．深掘れの発生・拡大の要因を解明するため，これまで出水ピーク後に ADCP を曳航する流況調査が実施されてきた．しかしながら，出水ピーク時や大規模出水時においては安全面からこの手法は実施困難であった．そこで，出水時流況映像を LSPIV による画像解析技術を適用することにより，深掘れ部の平面渦を伴う特徴的な流れ構造が把握可能であることを示した．
Key Words：出水時流況, 画像解析, LSPIV,

1. はじめにADCP 調査, 局所洗掘ことが可能な画像解析手法である LSPIV（Large Scale
Particle Image Velocimetry）7)により表面流速の解析を行った．さらに，同時に計測した ADCP による調査結果と比較し，LSPIV による流況把握の適用性について検討した．

木曽川中流部では，局所的かつ大規模な深掘れが複数発生している．この深掘れの発生・拡大の要因を解明するために，様々な調査・検討が実施されてきた 1),2),3)．また，深掘れ箇所において有人船で ADCP を曳航することによる出水中の流況調査が 2014 年以降継続して実施
2. 現地流況調査の概要されており，様々な流量規模における深掘れ箇所の流れ木曽川の既知の深掘れ箇所である 37.0k 付近において，構造が把握されてきた 4)．木曽川の深掘れ箇所では，出ADCP
平成 30 年 9 月 4 日に日本に上陸した台風 21 号を対象に水ピーク後の調査結果により，平面渦を伴う特出水時流況調査を実施した．
徴的な流れ構造を有することが確認されており，この平出水前に右岸堤防法面上１箇所にビデオカメラを設置
面渦が深掘れ部の形成や維持に大きく寄与している可能し，出水が低減するまでビデオ撮影を行った．図-1 にビ性が考えられ，深掘れ箇所を管理するためには流れ場のデオカメラの位置と調査対象とする木曽川 37.0k 付近の監視が有効である．しかしながら，ADCP 調査を有人観河床陰影図を示す．河床陰影図は流況調査実施後にナロ測で行う場合，出水のピーク前，ピーク時や大規模な出ーマルチビーム測量により計測された結果によるもので水時では，安全面からこの手法での流況観測は実施できある．図-1 に示すように 37.0k 付近の深掘れは河道中央ないという課題があり，有人調査を伴わず安全に流況をに存在する中州の前面に形成されている．また，出水の把握する手法を試みる必要があった．有人調査を伴わなピーク後に操船が可能と判断したのち，有人船で ADCPい河川流況の計測法として，流量観測の高度化を目的とを曳航し，流況観測を行った．観測時における調査位置
した様々な手法が新たに提案されており，実用化が進め5)られている ．その新たな手法の一つである画像解析は， 上流の笠松地点（41.0k）の水位・流量を表-1 に，水位ハイドログラフを図-2 に示す．対象とした出水は，笠松地
ビデオカメラで撮影をすれば，出水規模を問わず，出水点でピーク時 4,400m3/s 程度（平均年最大流量 5,000m3/s
期間中の表面流速分布を把握することができる．また，昼夜問わず洪水流を把握するための遠赤外線カメラを用いた観測についても実用性が確認されている 6)．
本検討では，特徴的な平面渦を伴う流れが画像解析で把握可能であるか，また，そのような流れの出水期間中の変化を把握するため，二次元的な流速分布を表現する程度）の比較的大きな出水である。
(1) ビデオ画像による流況観測
ビデオカメラは，図-3 に示すようにカラーカメラ（WatchCam 社，WIIV-V200D14，撮影解像度約 33 万画－9－Flow
遠赤外線カメラ

中州映像記録装置やバッテリー等の機材

カラーカメラ

図-3 ビデオカメラの設置状況（37.0k 付近右岸堤防上）

図-1 ビデオカメラ設置地点と対象となる深掘れ箇所
表-1 ADCP 観測時における笠松地点（41.0k）の水位・流量
調査箇所

観測日

観測時水位（T.P. m）

観測時流量（m3/s）

37k

H30/9/5

笠松：6.78～7.08

笠松：約 2,500～2,800

9.00

ADCP
観測期間

笠松
8.00

水位 （T.P. m）

図-4 ADCP曳航による調査状況

7.00
6.00

閉局

5.00

豊水位
平水位
低水位
渇水位

4.00
3.00
09/04 12:00

09/05 00:00

09/05 12:00

09/06 00:00

09/06 12:00

図-2 出水時の笠松地点の水位ハイドログラフ（台風 21 号）

素）と夜間撮影が可能な遠赤外線カメラ（FLIR 社，SR612-50mm-30Hz，撮影解像度約 30 万画素）を支柱に合わせて設置し，同時に撮影した．

図中の時刻は代表地点の観測時刻
線の色は時間経過を表す
開始：赤 ～ 終了：青図-5 調査船の航跡（37.0k 付近）(2) LSPIV による表面流の解析
撮影した出水時の映像と標定点設置時の画像との重ね合わせを行い，平面直角座標の無歪み画像に幾何補正したうえで，LSPIV により表面流の解析を行った．LSPIV
においては，解析の時間的な間隔や連続画像において波紋の移動を探査する範囲等の多数のパラメータをセットする必要があるが，その最適値は，対象箇所の撮影条件や流況などによって異なる．そのため，流れに沿った流速ベクトルが把握可能となるパラメータをトライアルにより設定した．例えば遠赤外線カメラ映像の解析では，
テンプレートサイズ 10m，⊿t：0.5sec，探査領域⊿x：下方向 10m，上方向および左右方向 2m，幾何補正後の解像度 0.5m/pixel，解析画像枚数：240 枚（120 秒相当）と(3) ADCP による流況観測
ADCP は図-4 に示すように ADCP をフロートに艤装し，有人船で曳航しながら観測を行った．観測時の調査船の航跡を図-5 に示す．また，図-5 の図中に示されている格子は観測データのベクトル図化の際に内挿補間する際に使用したものである．ADCP の計測条件は，層数：208
層，層厚：0.1m，データ取得間隔：1sec などである．調
査対象の深掘れ箇所周辺の流況を面的に計測するため，横断方向および縦断方向に密に操縦している．計測範囲が縦断方向に 600m 程度，横断方向に 200m 程度と広域に及ぶため，1 つの調査領域を計測するのに 1 時間以上を要している．

した．

－10－9.00

ADCP
観測期間

笠松

水位 （T.P. m）

8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
09/04 12:00

LSPIV
LSPIV
ピーク時
ADCPと同時間帯
5：30
13：30

09/05 00:00

09/05 12:00

閉局
豊水位
平水位
低水位
渇水位
09/06 00:00

09/06 12:00

図-6 LSPIVの解析時点と ADCP 観測期間
（笠松地点の水位ハイドログラフ）

図-8 ADCP観測による表面流速分布

画像撮影範囲映像では波紋が不明確で解析が不能

画像撮影範囲図-9 図-7 の解析に使用したカラーカメラ画像

図-7 LSPIVによる表面流速分布（ADCPと同時間帯 13：30）（上：カラーカメラ，下：遠赤外線カメラ）

3. 調査結果および考察
LSPIV による水表面の流向・流速と ADCP 調査で得られた表層の流向・流速を比較した．また，ADCP 調査では把握できない時間帯（出水ピーク時）の流況を画像解析し，出水期間中の深掘れ箇所の流れの特徴および画像解析の有用性について考察した．LSPIV の解析時点とADCP 観測期間を図-6 に示す．
(1) LSPIV と ADCP の表面流速の比較
LSPIV による表面流速分布を図-7 に示す．また，同時間帯の ADCP 観測による表面流速分布を図-8 に示す．図-8 の ADCP 観測結果では，深掘れ箇所上流側で 2～3m/sの流速の領域が水路中央部でみられ，深掘れ部に入ると37k～36.8k にかけて中央に主流が集まり，その両岸で死水域や逆流域が形成されている．それに対し，カラーカ
メラ映像による LSPIV 結果では特に右岸側の流速ベクトルの整合性が低い．これは，図-9 に示す解析に使用したカラーカメラ画像で確認できるように，日射の角度等の影響で，波紋が撮影されなかったことが原因と考えられる．深掘れ孔内では中央に主流が集中し、左岸側で死水域が形成される特徴が ADCP と一致する．ただし，流速値は ADCP 観測結果に比べて小さい．また，遠赤外線カメラ映像による LSPIV 結果でも，流速値は ADCP観測結果に比べてやや小さいが，河道中央部の流れの集中や左岸側の流速低減域の特徴が ADCP 観測結果と概ね整合しており，定性的ではあるが，深掘れ箇所特有の深掘れ孔への流れの集中と死水域（逆流）が形成される特徴（平面渦の形成）が把握できた．
(2) LSPIV による出水ピーク時流況の把握
LSPIV による出水ピーク時（4,400m3/s 程度）の表面流速分布を図-10 に示す．なお，今回の出水ピーク時の洪水規模程度では，深掘れ部左側の中州は冠水していない．
カラーカメラ映像による LSPIV 結果では流速のばらつきが多いが．37.0k 上流の深掘れ上端で左岸側の流れが偏向し，河道中央に集中している特徴がみられる．遠赤外線カメラ映像による LSPIV 結果においてもカラーカ－11－

5,000m3/s）以下において定常的に生じていることも確認された．
以上を踏まえると，局所的な流れの偏向・集中や平面渦などの流れを発見することで，深掘れの予兆がある箇
所，または，深掘れが発生した可能性がある箇所を推定でき，要監視箇所として抽出できる．出水中の流況を撮影し，LSPIV により流況を把握することで，全川的に要監視箇所を抽出することができる．

画像撮影範囲4. 結論
深掘れ箇所における出水時流況映像より画像解析を行い，ADCP 調査と比較した結果，以下の結論が得られた．
 LSPIV 結果では ADCP 調査結果と同様に，深掘れ箇所での，平面渦を伴う流れの特徴が把握可能である．
 出水ピーク時、ピーク後の流れの LSPIV 結果より，深掘れ部では出水期間を通して定常的に平面渦を伴う流れが形成されている．
 日射の影響がなく，夜間撮影画像でも解析が可能な遠赤外線カメラの実用性が高い．
画像解析技術の適用により，従来実施していた ADCP

画像撮影範囲図-10 LSPIVによる表面流速分布（ピーク時 5：30）（上：カラーカメラ，下：遠赤外線カメラ）

調査に比べ，安全性の確保，作業負担軽減を図ることができ，昼夜出水のタイミングを問わずに流況を把握する
メラ映像による結果と概ね同様の特徴となっており，ピことが可能となる．本検討結果を踏まえると，出水時のーク時においても LSPIV により深掘れ部の平面渦を伴動画を撮影し，画像解析技術を用いて流況をモニタリン
う特徴的な流れをある程度定性的に評価できることが確グすることが望まれる．また，深掘れ対策を立案するう認された．ピーク時の流況把握では，カラーカメラ映像
えで，その効果を検討するには，流況解析が必要である．
による LSPIV によっても深掘れ箇所の流れの特徴の把解析モデルの検証材料としても，画像解析による時空間握が可能であったが，夜間や日射の角度等の影響により， 的に連続した流況観測データは有用である．そのために解析が不能となることがあるため，遠赤外線カメラの方は画像解析の流速ベクトル値の精度向上が求められる．
が実用性が高いことが確認された．
参考文献

4. 画像解析によるモニタリング手法の提案

1)

木曽川において今後発生が懸念される新たな深掘れの予兆を早期に把握するうえでは，以下の課題がある．
① 詳細な河床高の把握にはナローマルチビーム測量が望ましいが，高コストのため，広範囲・高頻度の調査が難しい．
② ADCP や音響測深機を用いて地形調査する場合，機器直下の点の計測となるため，詳細に局所洗掘を把握するためには密な計測が必要となる．そのため広域的な調査には労力がかかる．
一方，これまでの洪水時流況観測結果より，深掘れ箇所の流況には，以下の特徴が確認された．
① 局所的に流れの偏向・集中が生じており，その影響を受け，平面渦（逆流）や死水域が形成されている．
② 上記の流況は，小規模出水時～平均年最大流量（約2)

3)

4)

5)

6)

7)

－12－

永山滋也：沖積河川における露盤化と深掘れの変遷
及び実態に関する研究，河川整備基金助成事業研究
成果報告書，助成番号 24-1215-019，2012.
齋藤正徳ら：木曽川における大規模深掘れの発生要因の分析，河川技術論文集，第 20 巻，pp.259-264，2014.
岩見収二ら：木曽川大規模深掘れにおける渦構造と深掘れ拡大要因の推定，河川技術論文集，第 21 巻，pp.137-142，2015.
端戸尚毅ら：木曽川大規模深掘れにおける粘土層の破壊・剥離現象と深掘れ要因の推定，河川技術論文集，第 23 巻，pp.531-536，2017.
流量観測の高度化マニュアル（高水流量観測編）
Ver1.2 国立研究開発法人土木研究所 水工研究グ
ループ 水文チーム
藤田一郎ら：遠赤外線カメラを用いた融雪洪水の昼
夜 間 表 面 画 像 計 測 ， 土 木 学 会 論 文 集 B1( 水 工学)Vol.69，No.4，I_703-I_708，2013.
椿 涼太：中小河川の流れの可視化計測，ながれ 32，
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