JP2000121411A - 水位計測方法、および、水位計測設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＴＶカメラによって撮像した量水用標示部材
の画像信号を画像処理して水位を算出する方式の水位計
測技術において、上記量水用標示部材にゴミ等の異物が
付着したとき誤報を発しないようにする。 【解決手段】 ボックスＫで取り込んだ画像についてボ
ックスＬで水面位置の算出演算を行なうに当たり、ボッ
クスＮで水面位置を決定するに先立って、ボックスＭで
異物（ゴミ）付着の有無をチェックし、異物付着と判定
されたらボックスＲで異物付着のアラームを発し、また
は異物付着の旨を表示（計測値にフラグを付する等）す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自然流水の水位を
計測する場合、量水標に異物が付着したことを自動的に
検知し得る水位計測方法、および、同じく水位計測設備
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】遠隔地において自動的に水位を計測し監
視する技術として、ＴＶカメラを用いて撮像した画像信
号を画像処理装置で演算処理して水位信号を得る技術が
公知である。

【０００３】図１９は、ＴＶカメラ画像を演算処理する
方式の公知技術を示し、河川に設置された量水用標示部
材と、該量水用標示部材を撮像するＴＶカメラと、画像
処理装置とを描いた模式的な系統図である。河川７の水
面を貫いて設置された垂直量水標５および／または傾斜
板６から成る量水用の標示部材を、岸の上からＴＶカメ
ラ２で撮像し、その画像信号を画像処理装置１（詳細は
図２０を参照して後述）によって水位信号とし、データ
処理装置３を介して画像記録装置２６により記録２９
し、もしくは上記水位信号を有線もしくは無線で送信す
るようになっている。図２０は、前掲の図１９に示した
画像処理装置１の詳細を示すブロック図、並びに、該画
像処理装置とＴＶカメラとの接続，画像出力装置との接
続，および出力装置との接続を表した系統図である。こ
のようにして、ＴＶカメラ２の画像信号を入力された画
像処理装置１は、水位信号を出力装置１４に向けて出力
する。これらの従来技術は、例えば特開平７−３３３０
３９号公報、特開平８−１４９９２号公報、および特開
平８−１４５７６５号公報に開示されているので、詳細
を省略する。処理手順を記述したプログラムをメモリ９
にローディングし、ＣＰＵ８で実行させて、画像処理プ
ロセッサ１１に画像処理を命令する。算出された水位信
号は記録することもでき、有線もしくは無線で送信する
こともできる。

【０００４】図２１は、前掲の図１９に示した画像処理
装置１が取り込んだ、垂直量水標５および傾斜板６の画
像の１例を示す図である。図示の２０は、垂直量水標５
の反射像、１５は水面境界部である。このようにして垂
直量水標５を見たとき、水中に位置している部分が水面
で屈折した像も見えるはずなのであるが、水上に位置し
ている部分の反射像２０と重なるので判別しにくい。そ
こで、図示した傾斜板６が用いられる。この傾斜板６
は、長手方向の平行２辺１６，１６′を有しており、Ｔ
Ｖカメラから見たとき、上記平行２辺の片方と水面との
為す角が鋭角に、該平行２辺の他方と水面との為す角は
鈍角になっている。このように傾けると、反射像１９と
屈折像１８とは部分的に重なるが、それぞれの大半を認
識することができる。１５は水面境界線である。１７，
１７′は、平行２辺１６，１６′が水面と交差する点で
ある。図２２は、前掲の図２１に示した量水用標示部材
の変形例を示し、傾斜板に目盛を付して、垂直量水標５
を省略した例である。符号２１で示したのは第１の基準
点、同２２は第２の基準点である。両者の標高差をＨと
すると、距離交換係数εは、 ε＝Ｈ／ｇ となる。ただし、ｇは画素数である。図２３は、水位計
測処理手順の内で、オフラインに実行させる処理手順を
示すフロー図である。ボックスＡで、ＴＶカメラ２が出
力した画像信号を操作用モニタに表示し、ボックスＢ
で、第１の基準点２１を画像上で指定し、ボックスＣ
で、第２の基準点２２を画像上で指定し、ボックスＤ
で、上記双方の基準点間の実距離を入力し、ボックスＥ
で、前述した距離変換係数εを算出して記憶媒体２３に
記憶させ、ボックスＦで、第１の基準点２１の標高値を
入力し、ボックスＧで、基準点に関する情報を記憶媒体
２３に記憶させる。本図２３に示した処理は、システム
を立ち上げるときに１回だけ実行すれば良い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上に図１９ないし図
２３を参照して説明した公知の水位計測技術によると、
精密機器を河川７から離間させて岸に配置するので、急
激な増水があっても精密機器が水没する虞れが無いの
で、保守管理が容易であり、計測作業員の人身事故を発
生する危険性がほとんど無いという長所を有している。
しかし乍ら、河川などのような自然環境の中に在る水面
にはゴミなどの浮遊物が有るので、量水用の標示部材に
異物が付着して水位計測を狂わされる虞れが有る。ま
た、小動物によってＴＶカメラの画像を狂わされる虞れ
も無しとしない。本発明は上述の事情に鑑みて為された
ものであって、異物の付着によって誤報を発生する虞れ
の無い水位計測技術を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに創作した本発明の基本的な原理を、その１実施形態
に対応する図１を参照して略述すると次のとおりであ
る。ＴＶカメラによって撮像した量水用標示部材の画像
信号を画像処理して水位を算出する方式の水位計測技術
において、上記量水用標示部材にゴミ等の異物が付着し
たとき誤報を発しないようにするため、ボックスＫで取
り込んだ画像についてボックスＬで水面位置の算出演算
を行なうに当たり、ボックスＮで水面位置を決定するに
先立って、ボックスＭで異物（ゴミ）付着の有無をチェ
ックし、異物付着と判定されたらボックスＲで異物付着
のアラームを発し、または異物付着の旨を表示（計測値
にフラグを付する等）する。

【０００７】上述の原理に基づいて請求項１に係る発明
方法の構成は、水面を貫いて固定的に設置された量水用
の標示部材と、上記量水標を撮像するＴＶカメラと、上
記ＴＶカメラによる画像信号を画像処理して水位信号を
出力する画像処理装置とを使用して水位を計測する方法
において、前記の画像処理装置に取り込んだ画像信号に
基づいて水面位置を算出する演算を開始した後、水面位
置を決定して水位信号を出力するまでの間に、「前記標
示部材が水面上に突出している部分を直視して得られた
画像の輪郭線」と、「前記標示部材が水面下に位置して
いる部分を、水を透して見た屈折像の輪郭線」もしくは
「前記標示部材が水面上に突出している部分の、水面に
よる反射像の輪郭線」との交点に相当する変曲点付近の
画像信号を画像処理装置によって解析し、前記標示部材
が水面と交っている箇所の映像信号の特性に基づいて、
異物が付着しているか否かを判定することを特徴とす
る。以上に説明した請求項１の発明方法によると、標示
部材の直視画像における辺と、標示部材の反射像におけ
る辺との交点に相当する変曲点付近の画像を解析するこ
とにより、もしくは、標示部材の直視画像における辺
と、標示部材の屈折像における辺との交点に相当する変
曲点付近の画像を解析することによって、該標示部材の
水面境界部付近に異物が付着しているか否かを自動的に
検知することができる。

【０００８】請求項２に係る発明方法の構成は、前記請
求項１の発明方法の構成要件に加えて、前記量水用標示
部材として、長手方向の平行２辺を有する直尺状の部材
を用いるとともに、ＴＶカメラの位置から見たとき該平
行２辺の片方と水面とが鋭角をなし、該平行２辺の他方
と水面とが鋭角をなすように前記標示部材を傾斜させて
設置し、画像処理装置に取り込んだ画像信号を２値化し
て、前記の傾斜した標示部材の直視像の平行な辺と、反
射像の平行２辺の少なくとも１辺または屈折像の平行２
辺の少なくとも１辺とを求め、前記標示部材の平行２辺
の内の片方の辺が水面と交じっている箇所に異物が付着
しているか否か、および、上記平行２辺の内の他方の辺
が水面と交っている箇所に異物が付着しているか否かを
個別に判定し、異物付着の有無を判定した２箇所の内の
何れにも異物が付着していないと判定されたときは通常
の手順に従って水面位置を算定し、異物付着の有無を判
定した２箇所の内のいずれか１箇所のみに異物が付着し
ていて他の１箇所には異物が付着していないと判定され
たときは、異物が付着していない側において標示部材の
辺が水面と交っている部分付近の画像に基づいて水面位
置を算出し、異物付着の有無を判定した２箇所の両方に
異物が付着していると判定されたときは、予め定められ
たプログラムに従って異常発生時の対処を行なうことを
特徴とする。以上に説明した請求項２の発明方法による
と、量水標示部材を傾斜させることによって、ＴＶカメ
ラから見た水面反射像と水面屈折像との重なりをずらす
ことができる。これにより、直視像と反射像との変曲点
を用いた異物検出と、直視像と屈折像との変曲点を用い
た異物検出との両方が可能になり、異物検知の感度およ
び信頼性が高くなる。

【０００９】請求項３に係る発明方法の構成は、前記請
求項２の発明方法の構成要件に加えて、前記量水用標示
部材の平行２辺の内、水面に対して鋭角をなしている辺
の上に、相互に識別し得ることを限度として接近せしめ
た３点を設定し、上記の３点相互の間の距離をほぼ一定
に保ちつつ、該３点を上記の辺に沿って移動させて反射
像に接近させ、量水用標示部材の直視像の端に達したな
らば反射像の辺の上に乗り移って直視像から離間する方
向に移動させ、もしくは、上記の反対の方向に３点を移
動させて、前記の３点が１直線上に並ばなくなった箇所
を変曲点と推定し、上記のようにして推定する変曲点を
明確に算定し得た場合は該変曲点付近に異物が付着して
いないと判定することを特徴とする。以上に説明した請
求項３の発明方法によると、３点を移動させて、１直線
上に位置しているときは直視像の辺上、もしくは反射像
の辺上に在ることが高い確度で推定されるとともとに、
１直線上に並ばなくなった場合は変曲点に到達したもの
と高い確度で推定され、この変曲点に基づいて水位を算
定することも可能である。そして、変曲点が明確に現れ
ないときは、異物が付着しているものと高い確度で判定
することができる。

【００１０】請求項４に係る発明方法の構成は、前記請
求項２の発明方法の構成要件に加えて、前記量水用標示
部材の平行２辺の内、水面に対して鈍角をなしている辺
の上に、相互に識別し得ることを限度として接近せしめ
た３点を設定し、上記の３点相互の間の距離をほぼ一定
に保ちつつ、該３点を上記の辺に沿って移動させて屈折
像に接近させ、量水用標示部材の直視像の端に達したな
らば屈折像の辺の上に乗り移って直視像から離間する方
向に移動させ、もしくは、上記と反対の方向に３点を移
動させて、前記の３点が１直線上に並ばなくなった箇所
を変曲点と推定し、上記のようにして推定する変曲点を
明確に算定し得た場合は該変曲点付近に異物が付着して
いないと判定することを特徴とする。以上に説明した請
求項４の発明方法によると、３点を移動させて、１直線
上に位置しているときは直視像の辺上、もしくは屈折像
の辺上に在ることが高い確度で推定されるとともに、１
直線上に並ばなくなった場合は変曲点に到達したものと
高い確度で推定され、この変曲点に基づいて水位を算定
することも可能である。そして、変曲点が明確に現れな
いときは、異物が付着しているものと高い確度で判定す
ることができる。

【００１１】請求項５に係る発明方法は、前記請求項３
もしくは請求項４の構成要件に加えて、前記の標示部材
に異物が付着していない状態において、予めＴＶカメラ
によって該標示部材付近を撮像し、直視像と反射像との
境界部付近、もしくは直視像と屈折像との境界部付近の
画像信号を解析して画像色調を算出するとともに、上記
境界部付近に発生する波特有の色調と、その時間的変化
の状態を記録しておき、水位を計測してるとき前記の変
曲点が明確に現れなくても、標示部材の直視像と反射像
との境界部付近、もしくは標示部材の直視像と屈折像と
の境界部付近に、波特有の色調と時間的変化とが認めら
れた場合は、前記の変曲点がやや不鮮明であっても、前
記の量水用標示部材に異物が付着していないと判定する
ことを特徴とする。以上に説明した請求項５の発明方法
によると、流水の水位を計測する場合において、該流水
の流速が上昇して標示部材の水際が波立ったり飛沫を生
じたりしても、この波の外観的な特性を「色調、およ
び、その時間的変化」として捉えて記録しておくことに
より、この記録と対比して「波と異物との混同」を有効
に防止することができる。

【００１２】請求項６に係る発明方法の構成は、前記請
求項１の発明方法の構成要件に加えて、前記の標示部材
に異物が付着していない状態において、予めＴＶカメラ
によって該標示部材の水面付近を撮像し、上記水面付近
の画像信号を分光して光の３原色であるｒ（赤），ｇ
（緑），ｂ（青）の成分比を算出し、直交３軸ｒ，ｇ，
ｂの座標系を想定して、その上に前記の手順で得られた
３原色成分比を表す点を求めるとともに、該点の付近に
許容偏差を表す立体的区域を設定しておき、水位計測に
際して得られた標示部材の水面付近の画像信号を分光
し、３原色比を算出して、この３原色比データを前記
ｒ，ｇ，ｂ座標空間上にプロットして、このプロットし
た点が前記許容偏差を表す立体区域内に在れば前記標示
部材に異物が付着していないと判定することを特徴とす
る。以上に説明した請求項６の発明方法によると、量水
標の水際付近の画像の特性について、異物が付着してい
ないときの状態を色彩光学的に正確に解析して記録して
おき、水位計測に際して得られた量水標の水際付近の画
像の特性を記録値（異物付着無し）と比較することによ
り、計測者の思考的判断を必要としないで、異物付着の
有無を判定することができる。

【００１３】請求項７に係る発明方法の構成は、前記請
求項１ないし請求項６の内の何れか一つの発明方法の構
成要件に加えて、水位を計測する演算によって、量水用
標示部材に異物が付着していると判定された場合には、
計測結果としての水位算出値を出力することなく、量水
用標示部材に異物が付着していることを告げるアラーム
を発せしめることを特徴とする。以上に説明した請求項
７の発明方法によると、量水用の標示部材に異物が付着
した場合、請求項１ないし請求項６の内の何れか一つの
発明方法によって異物の付着を検知したとき、水位算出
値の出力を停止させるので、異物付着に因る誤った計測
値を記録し、もしくは送信する虞れが無い。その上、計
測者は遠隔地に居ても、アラームによって異物付着を知
り、メンティナンス対処することが可能である。

【００１４】請求項８に係る発明方法の構成は、前記請
求項１もしくは請求項３の発明方法の構成要件に加え
て、前記の量水用標示部材の水面付近に、実験的に異物
を付着させた状態をＴＶカメラで撮像するとともに、そ
の時の実際の水位を作業員によって実測し、上記のＴＶ
カメラ撮像で得られた画像信号を処理して得られた変曲
点の不明確な画像の、変曲点以外の画像情報を実測水位
に対比させて記録しておき、ＴＶカメラによる画像式水
位計測を行なったときに変曲点が不明確な画像が得られ
た場合、変曲点以外の画像情報を収録し、記録してあっ
た変曲点以外の画像情報と、計測操作で得られた画像情
報とを比較して水位を推定することを特徴とする。以上
に説明した請求項８の発明方法によると、量水標の直視
像と、反射像もしくは屈折像との関係を、実測水位に対
比させて記録しておくことによって、変曲点に関するデ
ータが不鮮明であっても、計測操作で得られた画像情報
を記録データと比較することによって水位近似値の推定
が可能となる。異物が付着していなくても変曲点が不鮮
明になる場合も有るので、本請求項による近似水位推定
の実用的価値は大きい。

【００１５】請求項９に係る発明方法の構成は、前記請
求項１ないし請求項６の何れかの発明方法の構成要件に
加えて、水位を計測する演算によって量水標示部材に異
物が付着していると判定された場合には、水位算出値に
フラグを付して出力せしめることを特徴とする。以上に
説明した請求項９の発明方法によると、量水用標示部材
に異物が付着して計測誤差が大きくなった場合にも計測
を中断することなく、連続的もしくは間欠的に水位計測
を続行するので、水位の監視を行なう場合に好適であ
る。その上、誤差の大きい計測値（異物付着時）の水位
算出値にフラグが付されるので、水位監視者は、その計
測値に異物付着誤差が含まれていることを承知して水位
計測値を見るとともに、異物を除去するための手配をす
ることもできる。

【００１６】請求項１０に係る発明装置の構成は、水面
を貫通せしめて固定的に設置された量水用の標示部材
と、上記量水用の標示部材の直視像、並びに該標示部材
の水面による反射像および／または水面を通った屈折像
を撮像するＴＶカメラと、上記ＴＶカメラが出力した画
像信号を処理して水位信号を算出する画像処理装置とを
具備している水位計測設備において、前記量水用の標示
部材は、ＴＶカメラから見たとき水面と斜交している平
行な２辺を有しており、かつ、前記の画像処理装置は、
量水表示部材が水面上に位置している部分の、前記平行
２辺の少なくとも何れか一方を認識する機能と、量水標
示部材が水面上に位置している部分の辺の、水面による
反射像を認識する機能、および／または、水中に位置し
ている部分の辺の、水面による屈折像を認識する機能
と、前記の辺の直視像と反射像との接点に相当する変曲
点、および／または、前記の辺の直視像と屈折像との接
点に相当する変曲点を算出する機能と、上記変曲点を、
標示部材に標示されている水位目盛と対比して水位を算
出する機能とを具備していることを特徴とする。以上に
説明した請求項１０の発明によると、水面に斜交してい
る標示部材の直視像と反射像とが接する箇所の変曲点、
および該標示部材の直視像と屈折像とが接する箇所の変
曲点を画像処理手段によって算定する機能を有している
ので、請求項１の水位計測方法を実施するに好適であ
り、該水位計測方法を容易に実施して、その効果を充分
に発揮せしめることができる。

【００１７】請求項１１に係る発明装置の構成は、前記
請求項１０の発明装置の構成要件に加えて、前記の画像
処理装置が、量水用の標示部材の輪郭形状を認識する機
能と併せて、標示部材およびその周辺について画像濃度
を算出する手段、および／または、該標示部材およびそ
の周辺について色調を認識するとともに、その色調を解
析して、色の３原色である赤・青・緑に分光してこれら
３原色の光相互の強度の比率を算出する手段を有してい
ることを特徴とする。以上に説明した請求項１１の発明
装置によると、量水用の標示部材の直視像、並びに、該
標示部材の反射像もしくは屈折像について、その輪郭形
状を認識して変曲点を算出するだけでなく、該変曲点近
傍の画像濃度、および／または色調を認識することがで
きるので、異物付着の有無を判定するための有効な参照
データを得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の１実施形態にお
ける映像を示す模式図であって、画像を７つの区域に区
分してあり、傾斜板を垂直な壁面に密着せしめて水面付
近に設置した状態を描いてある。ａ１は、傾斜板が水面
上に位置している部分の直視像の領域。ａ２は、上記傾
斜板が水面上に位置している部分の反射像の領域。ａ３
は同じく水面下に位置している部分の屈折像の領域。ａ
４は、上記反射像と屈折像とが重なっている領域。ａ５
は壁面の領域。ａ６は水面の領域、ａ７、毛細管現象に
よって壁が濡れている領域である。図４は、本発明の１
実施形態における映像を示す模式図であって、傾斜板を
岸壁から距離ｄの位置に設置した状態を描くとともに、
画像を６つの区域に区分して表してある。ａ１ないしａ
６は、それぞれ前掲の図３におけると同様の領域を示し
ている。図５は、前掲の図３に示した映像から濃度サン
プルを採取する方法を説明するために示したものであっ
て、図３における７つの領域のそれぞれについて濃度サ
ンプル採取エリアを付記した図である。映像領域ａ１〜
ａ７のそれぞれに対応せしめて、濃度サンプル採取領域
ｇ１〜ｇ７が設けられている。Ｈ０は第１の基準点（従
来技術を描いた図２１，図２２参照）の世界座標系の基
準高さであって、事前の教示処理により記憶媒体に記録
しておく。ｈ０は画像原点からの第１の基準点の距離で
ある。

【００１９】次に、画像処理による水位計測の手順につ
いて説明する。図１は、本発明に係る水位計測方法の１
実施形態におけるオンライン処理を示すフロー図であ
る。ボックスＫで、ＴＶカメラの画像信号を取り込み、
ボックスＬで、水面位置算定のための演算を開始し、ボ
ックスＭで、傾斜板に異物が付着しているか否かをチェ
ック（詳細は図２を参照して後述）し、異物が付着して
いればボックスＲに進んでアラームを発し、異物が付着
していなければボックスＮに進んで水面位置の計測値を
決定し、ボックスＰで、前掲の図５に示したｇ１〜ｇ７
の領域から画像濃度サンプルを採取して、記憶媒体２３
に記録し、最後に計測結果を記憶し、もしくは送信す
る。

【００２０】図２は、前掲の図１に示したボックスＭに
おいて異物の付着有無をチェックする操作手順を示すフ
ロー図である。本図２に記載されているＣ点およびＤ点
は、具体的には前掲の図３〜図５に示したＣ点およびＤ
点であって、Ｃ点は、傾斜板６の辺と反射像１９の辺と
の接点に相当する変曲点、Ｄ点は、傾斜板６の辺と屈折
像１８の辺との接点に相当する変曲点である。まず、Ｃ
点を使用し計測したか、Ｄ点を使用して計測したかによ
って分岐する（ボックスＭ１００）。Ｃ点を使用した場
合は、ボックスＭ２００で異物付着の有無を検査する。
異物付着有無の判定方法として、基本的には、変曲点Ｃ
が鮮明かつ安定して算定された場合は異物付着無しと
し、変曲点Ｃが不鮮明および／または不安定であれば異
物付着有りと判定する。しかし、水面が波立っている場
合などは上記の判定だけでは充分でないので応用操作
（詳細後述）を併用して、画像濃度，色調，および時間
的変化を参照して異物付着の有無を判定する。Ｄ点を使
用した場合は、ボックスＭ４００で、前記と同様にして
異物付着の有無を検査する。

【００２１】図６は、前掲の図１に示したボックスＬで
行なわれる水面位置の計測演算の詳細を示すフロー図で
ある。まずボックスＬ１００で、入力画像を２値化処理
して傾斜板６（図３〜図５）を抽出し、ボックスＬ２０
０で上記傾斜板が抽出できたか否かを判定し、抽出でき
たときはＬ３００に、抽出できなかったときはＬ７００
に進む。

【００２２】ボックスＬ３００に示した変曲点Ｃを求め
る手順は図７を参照して後述し、ボックスＬ５００に示
した変曲点Ｄを求める手順は図８を参照して後述する。
図７は、傾斜板６の平行２辺のうち、ＴＶカメラから見
たとき水面に対して鋭角θ１をなす辺ＢＣ上にとった３
点を移動させて変曲点Ｃを求める手順を説明するための
模式図である。点Ｂの座標を（ｘｂ，ｙｂ）とする。画
像処理でＢＣ，ＣＥの位置と傾きとが得られるので、辺
ＢＣに沿って３点（ｐ１，ｐ，ｐ２）をとる。これらの
点は、明確に識別できる範囲内でなるべく相互に接近さ
せて設定する（距離が大きいと変曲点を算定する精度が
低下する）。上記３点相互の間隔をほぼ一定に保ちつ
つ、該３点を辺ＢＣに沿わせて反射像１９に接近させ、
直視像の辺の端に到達したら反射像１９の辺に乗り移ら
せる。上述のように操作して、該３点が１直線上に位置
しなくなったとき、点ｐの位置が変曲点Ｃである。上記
変曲点Ｃの付近に異物（ゴミなど）が付着していなけれ
ば、（Δｙが極めて小さいものとして）前記３点が、１
直線上に並ばなくなったときの点ｐの位置が水面を意味
し、これによって水位を求めることができる。また、こ
の点ｐが表す変曲点Ｃが鮮明に得られたときは、異物が
付着していないものと推定し得る。異物が付着している
と上記の変曲点Ｃが鮮明に現れないので、変曲点Ｃが不
鮮明であるときは異物が付着したものと推定し得る。図
８は、傾斜板の平行２辺のうち、ＴＶカメラから見たと
き水面に対して、鈍角θ３をなす辺ＡＤ上にとった３点
を移動させて変曲点Ｄを求める手順を説明するための模
式図である。本図８のようにしても、前掲の図７におけ
ると同様にして変曲点Ｄを求めて、水面位置、および／
または異物付着の有無を知ることができる。前掲の図７
および図８においては、直視像の辺の上に３点をとって
下方へ移動させた。この反対方向に移動させることは困
難であるが不可能ではない。

【００２３】（図６参照）変曲点Ｃ，Ｄが正常に求めら
れない場合は、ボックスＬ７００に進んでヒストグラム
処理によって変曲点を求めることができる。図９は、前
掲の図６にボックスＬ７００で示したヒストグラム処理
の詳細を示すフロー図である。本図９に示すように、ボ
ックスＬ７００−１０で傾斜板の右側の辺ＢＣを使用
し、ヒストグラムにて変曲点Ｃを求め、それが成功しな
ければボックスＬ７００−３０に進んで左側の辺ＡＤを
使用し、ヒストグラムにて変曲点Ｄを求める（変曲点Ｄ
が得られれば、これに基づいて変曲点Ｃを算出すること
に別段の困難は無い）。左辺による変曲点検出も成功し
なければボックスＬ７００−５０に進み、両辺を使用し
てヒストグラムにより変曲点を求める。図１０は、傾斜
板の直視像の右辺を使用し、ヒストグラムによって変曲
点を求める手順の模式図である。この場合は、図６のＬ
７００に記載したエリアΩ部として、本図１０に示した
エリアΩ１を用いる。図１１は、傾斜板の直視像の左辺
を使用し、ヒストグラムによって変曲点を求める手順の
模式図である。図１２は、傾斜板の直視像の左，右両辺
を使用し、ヒストグラムによって変曲点を求める手順の
模式図である。

【００２４】次に、変曲点が正常に検出できなかった場
合、画像信号に現れた異物のチェック方法について説明
する。図１３は、傾斜板の直視像の平行２辺のうち、右
側の辺付近の異物検出方法を示す模式図である。符号Ｇ
で示したのはゴミである。本例では、ゴミＧは変曲点Ｃ
を覆っており、変曲点Ｄには付着していない。Ｃ点の周
囲に、エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を設定して画像濃
度および／または色調を検出する。異物（ゴミ）が付着
していないときの各エリアＳ１〜Ｓ４の画像濃度を予め
実験的に算出して記憶しておき、水位計測に際して検出
した画像濃度と比較することによって異物付着の有無を
判定することができる。図１４は、傾斜板の直視像の平
行２辺のうち、左側の辺付近の異物検出方法を示す模式
図である。この例では、変曲点Ｄの周囲にエリアＳ１〜
Ｓ４を設定してある。前述した図１３の場合と同様にし
てゴミＧの有無を検知することができる。

【００２５】次に、色調を解析して異物付着の有無を判
定する方法を説明する。図１５は、色調を解析して異物
付着の有無を判定する方法の原理を説明するための３次
元図表である。先に図５に示したように、エリアｇ１〜
ｇ７を設定し、それぞれのエリアの色調を、次のように
して解析する。予め、実験的に異物が付着していないと
きの色調を記録しておいて、水位計測時に検出した色調
を比色検査することによって異物の有無が判定可能とな
る。前記エリアｇ１〜ｇ７の内の、任意のｉ番目のエリ
アをｇｉとする。エリアｇｉの画像を、光の３原色ｒ
（赤），ｂ（青），ｇ（緑）に分光して、それぞれの原
色光の強さを算定する。図１５は、直交３軸にｒ，ｂ，
ｇをとってある。この座標上に、異物付着の無い場合の
点ｍｉをとる。この点ｍｉは平均値を表しており、その
周囲に許容偏差（δｉ）を含む立体的な範囲（斑点を付
して示す）３１を設定しておく。水位計測時にエリアｇ
ｉから得られた光の３原色比の値を、図１５の座標上に
とる。例えば点３０のように前記の立体的な範囲３１か
ら離れていれば、異物が付着しているものと判定する。
異物が付着していない場合、水際に波を生じるため、水
際の画像は静止していない場合が多い。前記の点ｍｉ平
均値と述べたのは、この点ｍｉは変動するからである。
図１６は、エリアｇ１〜ｇ７におけるｒ，ｂ，ｇの平均
値と標準偏差とを格納するテーブルの１例である。波に
よるｒｂｇ比の変化は、波の周期に応じて時間的に変化
する。こうした波特有の変化を記録しておいて計測値に
比較すると、異物有無の判定の確度を上昇せしめること
ができる。

【００２６】図１７は、前掲の図１に示したボックスＮ
において水面位置を決定する処理の詳細を示すフロー図
である。水位計測値は、Ｈ０−（ｈ０−ｈ）ε で表さ
れる。上記の式に用いられている記号の意味は（図２２
参照）、 Ｈ０：世界座標系の基準高さ ｈ０：第１の基準点の画像原点からの距離（画素数） ｈ ：水面位置の画像原点からの距離（画素数） ε ：距離変換係数 である。変曲点Ｃも変曲点Ｄも求められなかったとき異
常フラグを付してデータ送信（もしくは記録）する。図
１８は、前掲の図１に示したボックスＰにおいて濃度サ
ンプルを採取・記録する処理のフロー図である。

【００２７】

【発明の効果】以上に本発明の実施形態を挙げてその構
成・機能を明らかならしめたように、請求項１の発明方
法によると、標示部材の直視画像における辺と、標示部
材の反射像における辺との交点に相当する変曲点付近の
画像を解析することにより、もしくは、標示部材の直視
画像における辺と、標示部材の屈折像における辺との交
点に相当する変曲点付近の画像を解析することによっ
て、該標示部材の水面境界部付近に異物が付着している
か否かを自動的に検知することができる。

【００２８】請求項２の発明方法によると、量水標示部
材を傾斜させることによって、ＴＶカメラから見た水面
反射像と水面屈折像との重なりをずらすことができる。
これにより、直視像と反射像との変曲点を用いた異物検
出と、直視像と屈折像との変曲点を用いた異物検出との
両方が可能となり、異物検知の感度および信頼性が高く
なる。

【００２９】請求項３の発明方法によると、３点を移動
させて、１直線上に位置しているときは直視像の辺上、
もしくは反射像の辺上に在ることが高い確度で推定され
るとともに、１直線上に並ばなくなった場合は変曲点に
到達したものと高い確度で推定され、この変曲点に基づ
いて水位を算定することも可能である。そして、変曲点
が明確に現れないときは、異物が付着しているものと高
い確度で判定することができる。

【００３０】請求項４の発明方法によると、３点を移動
させて、１直線上に位置しているときは直視像の辺上、
もしくは屈折像の辺上に在ることが高い確度で推定され
るとともに、１直線上に並ばなくなった場合は変曲点に
到達したものと高い確度で推定され、この変曲点に基づ
いて水位を算定することも可能である。そして、変曲点
が明確に現れないときは、異物が付着しているものと高
い確度で判定することができる。

【００３１】請求項５の発明方法によると、流水の水位
を計測する場合において、該流水の流速が上昇して標示
部材の水際が波立ったり飛沫を生じたりしても、この波
の外観的な特性を「色調、および、その時間的変化」と
して捉えて記録しておくことにより、この記録と対比し
て「波と異物との混同」を有効に防止することができ
る。

【００３２】請求項６の発明方法によると、量水標の水
際付近の画像の特性について、異物が付着していないと
きの状態を色彩光学的に正確に解析して記録しておき、
水位計測に際して得られた量水標の水際付近の画像の特
性を記録値（異物付着無し）と比較することにより、計
測者の思考的判断を必要としないで、異物付着の有無を
判定することができる。

【００３３】請求項７の発明方法によると、量水用の標
示部材に異物が付着した場合、請求項１ないし請求項６
の内の何れか一つの発明方法によって異物の付着を検知
したとき、水位算出値の出力を停止させるので、異物付
着に因る誤った計測値を記録し、もしくは送信する虞れ
が無い。その上、計測者は遠隔地に居ても、アラームに
よって異物付着を知り、メンティナンス対処することが
可能である。

【００３４】請求項８の発明方法によると、量水標の直
視像と、反射像もしくは屈折像との関係を、実測水位に
対比させて記録しておくことによって、変曲点に関する
データが不鮮明であっても、計測操作で得られた画像情
報を記録データと比較することによって水位近似値の推
定が可能となる。異物が付着していなくても変曲点が不
鮮明になる場合も有るので、本請求項による近似水位推
定の実用的価値は大きい。

【００３５】請求項９の発明方法によると、量水用標示
部材に異物が付着して計測誤差が大きくなった場合にも
計測を中断することなく、連続的もしくは間欠的に計測
を続行するので、水位の監視を行なう場合に好適であ
る。その上、誤差の大きい計測値（異物付着時）の水位
算出値にフラグが付されるので、水位監視者は、その計
測値に異物付着誤差が含まれていることを承知して水位
計測値を見るとともに、異物を除去するための手配をす
ることができる。

【００３６】請求項１０の発明によると、水面に斜交し
ている標示部材の直視像と反射像とが接する箇所の変曲
点、および該標示部材の直視像と屈折像とが接する箇所
の変曲点を画像処理手段によって算定する機能を有して
いるので、請求項１の水位計測方法を実施するに好適で
あり、該水位計測方法を容易に実施して、その効果を充
分に発揮せしめることができる。

【００３７】請求項１１の発明装置によると、量水用の
標示部材の直視像、並びに、該標示部材の反射像もしく
は屈折像について、その輪郭形状を認識して変曲点を算
出するだけでなく、該変曲点近傍の画像濃度、および／
または色調を認識することができるので、異物付着の有
無を判定するために有効な参照データを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水位計測方法の１実施形態におけ
るオンライン処理を示すフロー図である。

【図２】前掲の図１に示したボックスＭにおいて異物の
付着有無をチェックする操作手順を示すフロー図であ
る。

【図３】本発明の１実施形態における映像を示す模式図
であって、画像を７つの区域に区分してあり、傾斜板を
垂直な壁面に密着せしめて水面付近に設置した状態を描
いてある。

【図４】本発明の１実施形態における映像を示す模式図
であって、傾斜板を岸壁から距離ｄの位置に設置した状
態を描くとともに、画像を６つの区域に区分して表して
ある。

【図５】前掲の図３に示した映像から濃度サンプルを採
取する方法を説明するための示したものであって、図３
における７つの領域のそれぞれについて濃度サンプル採
取エリアを付記した図である。

【図６】前掲の図１に示したボックスＬで行なわれる水
面位置の計測演算の詳細を示すフロー図である。

【図７】傾斜板６の平行２辺のうち、ＴＶカメラから見
たとき水面に対して鋭角θ１をなす辺ＢＣ上にとった３
点を移動させて変曲点Ｃを求める手順を説明するための
模式図である。

【図８】傾斜板の平行２辺のうち、ＴＶカメラから見た
とき水面に対して鈍角θ３をなす辺ＡＤ上にとった３点
を移動させて変曲点Ｄを求める手順を説明するための模
式図である。

【図９】前掲の図６にボックスＬ７００で示したヒスト
グラム処理の詳細を示すフロー図である。

【図１０】傾斜板の直視像の右辺を使用し、ヒストグラ
ムによって変曲点を求める手順の模式図である。

【図１１】傾斜板の直視像の左辺を使用し、ヒストグラ
ムによって変曲点を求める手順の模式図である。

【図１２】傾斜板の直視像の左，右両辺を使用し、ヒス
トグラムによって変曲点を求める手順の模式図である。

【図１３】傾斜板の直視像の平行２辺のうち、右側の辺
付近の異物検出方法を示す模式図である。

【図１４】傾斜板の直視像の平行２辺のうち、左側の辺
付近の異物検出方法を示す模式図である。

【図１５】色調を解析して異物付着の有無を判定する方
法の原理を説明するための３次元図表である。

【図１６】エリアｇ１〜ｇ７におけるｒ，ｂ，ｇの平均
値と標準偏差とを格納するテーブルの１例である。

【図１７】前掲の図１に示したボックスＮにおいて水面
位置を決定する処理の詳細を示すフロー図である。

【図１８】前掲の図１に示したボックスＰにおいて濃度
サンプルを採取・記録する処理のフロー図である。

【図１９】ＴＶカメラ画像を演算処理する方式の公知技
術を示し、河川に設置された量水用標示部材と、該量水
用標示部材を撮像するＴＶカメラと、画像処理装置とを
描いた模式的な系統図である。

【図２０】前掲の図１９に示した画像処理装置１の詳細
を示すブロック図、並びに、該画像処理装置をＴＶカメ
ラとの接続，画像出力装置との接続，および出力装置と
の接続を表した系統図である。

【図２１】前掲の図１９に示した画像処理装置１が取り
込んだ、垂直量水標５および傾斜板６の画像の１例であ
る。

【図２２】前掲の図２１に示した量水用標示部材の変形
例を示し、傾斜板に目盛を付して、垂直量水標を省略し
た例である。

【図２３】水位計測処理手順の内で、オフラインに実行
させる処理手順を示すフロー図である。

【符号の説明】

１…画像処理装置、２…ＴＶカメラ、３…データ処理装
置、４…ディスプレイ、５…垂直量水標、６…傾斜板、
７…河川、８…ＣＰＵ、９…主メモリ、１０…バス、１
１…画像処理プロセッサ、１２…画像メモリ、１３…外
部インターフェース、１４…出力装置、１５…水面境
界、１６，１６′…傾斜板の辺、１７，１７′…変曲
点、１８…屈折像、１９…反射像、２０…垂直量水標の
反射像、２１…第１の基準点、２２…第２の基準点、２
３…記憶媒体、２６…画像記録装置、２８…画像出力装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 海老沢 匠 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 日 立プロセスコンピュータエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 小網 裕之 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 日 立プロセスコンピュータエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 鹿田 徹 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 Ｆターム(参考） 2F014 FA04 GA01 5B057 AA19 DA02 DA07 DB02 DB06 DC07 DC25

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水面を貫いて固定的に設置された量水用
   の標示部材と、 上記量水標を撮像するＴＶカメラと、上記ＴＶカメラに
   よる画像信号を画像処理して水位信号を出力する画像処
   理装置とを使用して水位を計測する方法において、 前記の画像処理装置に取り込んだ画像信号に基づいて水
   面位置を算出する演算を開始した後、水面位置を決定し
   て水位信号を出力するまでの間に、 「前記標示部材が水面上に突出している部分を直視して
   得られた画像の輪郭線」と、 「前記標示部材が水面下に位置している部分を、水を透
   して見た屈折像の輪郭線」もしくは「前記標示部材が水
   面上に突出している部分の、水面による反射像の輪郭
   線」との交点に相当する変曲点付近の画像信号を画像処
   理装置によって解析し、 前記標示部材が水面と交っている箇所の映像信号の特性
   に基づいて、異物が付着しているか否かを判定すること
   を特徴とする水位計測方法。
2. 【請求項２】 前記量水用標示部材として、長手方向の
   平行２辺を有する直尺状の部材を用いるとともに、ＴＶ
   カメラの位置から見たとき該平行２辺の片方と水面とが
   鋭角をなし、該平行２辺の他方と水面とが鋭角をなすよ
   うに前記標示部材を傾斜させて設置し、 画像処理装置に取り込んだ画像信号を２値化して、前記
   の傾斜した標示部材の直視像の平行な辺と、反射像の平
   行２辺の少なくとも１辺または屈折像の平行２辺の少な
   くとも１辺とを求め、 前記標示部材の平行２辺の内の片方の辺が水面と交って
   いる箇所に異物が付着しているか否か、および、上記平
   行２辺の内の他方の辺が水面と交っている箇所に異物が
   付着しているか否かを個別に判定し、 異物付着の有無を判定した２箇所の内の何れにも異物が
   付着していないと判定されたときは通常の手順に従って
   水面位置を算出し、 異物付着の有無を判定した２箇所の内のいずれか１箇所
   のみに異物が付着していて他の１箇所には異物が付着し
   ていないと判定されたときは、異物が付着していない側
   において標示部材の辺が水面と交っている部分付近の画
   像に基づいて水面位置を算出し、 異物付着の有無を判定した２箇所の両方に異物が付着し
   ていると判定されたときは、予め定められたプログラム
   に従って異常発生時の対処を行なうことを特徴とする、
   請求項１に記載した水位計測方法。
3. 【請求項３】 前記量水用標示部材の平行２辺の内、水
   面に対して鋭角をなしている辺の上に、相互に識別し得
   ることを限度として近接せしめた３点を設定し、 上記の３点相互の間の距離をほぼ一定に保ちつつ、該３
   点を上記の辺に沿って移動させて反射像に接近させ、量
   水用標示部材の直視像の端に達したならば反射像の辺の
   上に乗り移って直視像から離間する方向に移動させ、 もしくは、上記と反対の方向に３点を移動させて、 前記の３点が１直線上に並ばなくなった箇所を変曲点と
   推定し、 上記のようにして推定する変曲点を明確に算定し得た場
   合は該変曲点付近に異物が付着していないと判定するこ
   とを特徴とする、請求項２に記載した水位計測方法。
4. 【請求項４】 前記量水用標示部材の平行２辺の内、水
   面に対して鈍角をなしている辺の上に、相互に識別し得
   ることを限度として近接せしめた３点を設定し、 上記の３点相互の間の距離をほぼ一定に保ちつつ、該３
   点を上記の辺に沿って移動させて屈折像に接近させ、量
   水用標示部材の直視像の端に達したならば屈折像の辺の
   上に乗り移って直視像から離間する方向に移動させ、 もしくは、上記と反対の方向に３点を移動させて、 前記の３点が１直線上に並ばなくなった箇所を変曲点と
   推定し、 上記のようにして推定する変曲点を明確に算定し得た場
   合は該変曲点付近に異物が付着していないと判定するこ
   とを特徴とする、請求項２に記載した水位計測方法。
5. 【請求項５】 前記の標示部材に異物が付着していない
   状態において、予めＴＶカメラによって該標示部材付近
   を撮像し、 直視像と反射像との境界部付近、もしくは直視像と屈折
   像との境界部付近の画像信号を解析して画像色調を算出
   するとともに、上記境界部付近に発生する波特有の色調
   と、その時間的変化の状態を記録しておき、 水位を計測しているとき前記の変曲点が明確に現れなく
   ても、標示部材の直視像と反射像との境界部付近、もし
   くは標示部材の直視像と屈折像との境界部付近に、波特
   有の色調と時間的変化とが認められた場合は、前記の変
   曲点がやや不鮮明であっても、前記の量水用標示部材に
   異物が付着していないと判定することを特徴とする、請
   求項３もしくは請求項４に記載した水位計測方法。
6. 【請求項６】 前記の標示部材に異物が付着していない
   状態において、予めＴＶカメラによって該標示部材の水
   面付近を撮像し、 上記水面付近の画像信号を分光して光の３原色であるｒ
   （赤），ｇ（緑），ｂ（青）の成分比を算出し、 直交３軸ｒ，ｇ，ｂの座標系を想定して、その上に上記
   の手順で得られた３原色成分比を表す点を求めるととも
   に、該点の付近に許容偏差を表す立体的区域を設定して
   おき、 水位計測に際して得られた標示部材の水面付近に画像信
   号を分光し、３原色比を算出して、この３原色比データ
   を前記ｒ，ｇ，ｂ座標空間上にプロットして、このプロ
   ットした点が前記許容偏差を表す立体区域内に在れば前
   記標示部材に異物が付着していないと判定することを特
   徴とする、請求項１に記載した水位計測方法。
7. 【請求項７】 水位を計測する演算によって、量水用標
   示部材に異物が付着していると判定された場合には、計
   測結果としての水位算出値を出力することなく、量水用
   標示部材に異物が付着していることを告げるアラームを
   発せしめることを特徴とする、請求項１ないし請求項６
   の内の何れか一つに記載した水位計測方法。
8. 【請求項８】 前記の量水用標示部材の水面付近に、実
   験的に異物を付着された状態をＴＶカメラで撮像すると
   ともに、その時の実際の水位を作業員によって実測し、 上記のＴＶカメラ撮像で得られた画像信号を処理して得
   られた変曲点の不明確な画像の、変曲点以外の画像情報
   を実測水位に対比させて記録しておき、 ＴＶカメラによる画像式水位計測を行なったときに変曲
   点が不明確な画像が得られた場合、変曲点以外の画像情
   報を収録し、 記録してあった変曲点以外の画像情報と、計測操作で得
   られた画像情報とを比較して水位を推定することを特徴
   とする、請求項１もしくは請求項３に記載した水位計測
   方法。
9. 【請求項９】 水位を計測する演算によって、量水用標
   示部材に異物が付着していると判定された場合には、水
   位算出値にフラグを添付して出力せしめることを特徴と
   する、請求項１ないし請求項６の内の何れか一つに記載
   した水位計測方法。
10. 【請求項１０】 水面を貫通せしめて固定的に設置され
    た量水用の標示部材と、 上記量水用の標示部材の直視像、並びに該標示部材の水
    面による反射像および／または水面を通った屈折像を撮
    像するＴＶカメラと、 上記ＴＶカメラが出力した画像信号を処理して水位信号
    を算出する画像処理装置とを具備している水位計測設備
    において、 前記量水用の標示部材は、ＴＶカメラから見たとき水面
    と斜交している平行な２辺を有しており、 かつ、前記の画像処理装置は、 量水標示部材が水面上に位置している部分の、前記平行
    ２辺の少なくとも何れか一方を認識する機能と、 量水標示部材が水面上に位置している部分の辺の、水面
    による反射像を認識する機能、および／または、水中に
    位置している部分の辺の、水面による屈折像を認識する
    機能と、 前記の辺の直視像と反射像との接点に相当する変曲点、
    および／または、前記の辺の直視像と屈折像との接点に
    相当する変曲点を算定する機能と、 上記変曲点を、標示部材に標示されている水位目盛と対
    比して水位を算出する機能とを具備していることを特徴
    とする水位計測設備。
11. 【請求項１１】 前記の画像処理装置が、量水用の標示
    部材の輪郭形状を認識する機能と併せて、 標示部材およびその周辺について画像濃度を算出する手
    段、および／または、該標示部材およびその周辺につい
    て色調を認識するとともに、その色調を解析して、色の
    ３原色である赤・青・緑に分光してこれら３原色の光相
    互の強度の比率を算定する手段を有していることを特徴
    とする、請求項１０に記載した水位計測設備。