JP2006084322A - 流砂量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】河川の水に含まれる流砂量の算出を、リアルタイムで容易に行う。
【解決手段】流砂量計測装置１０は、採水チューブ２２と、このチューブにＸ線を照射して透視画像を得るＸ線測定部３０を備えている。透視画像は処理装置５０に送られ、流砂量計算部５６が透過Ｘ線量の低下に基づいて流砂量の計算を行う。具体的には、粒度分布部５８と浮遊砂量部６０によって、Ｘ線量の局所的な低下に基づいて浮遊砂の粒度分布と量が計算され、背景域の低下に基づいて濁度が計測される。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川の流水に含まれる流砂量を計測する技術に関する。

河川を水とともに流れる流砂は、大きく分けて掃流砂、浮遊砂、wash load（ウォッシュロード）の三つに分類される。掃流砂は、流水の直接の作用を受けて河床を転動若しくは滑動、又は河床面に沿って跳躍しながら移動する流送土砂である。また、浮遊砂は、流水の流れによる拡散現象のために河道断面を浮遊して輸送される流送土砂である。そして、wash load は、河床を構成する土砂礫より細かい粒子からなる流送土砂である。

掃流砂については、河床に穴を掘りそこに堆積した土砂量を調査する方法や、河道内に構造物を設け河川から砂を採取して調査する方法（下記特許文献１，２等）、あるいは水中マイクによる方法などで測定されている。

一方、浮遊砂及び wash load については、濁度計による濁度観測のみが行われている。

特開２００３−００３４４２号公報 特開２００３−２６１９２３号公報

掃流砂の計測については、次の問題点を指摘できる。

まず、河床に穴を掘って堆積した土砂を調査する方法については、設置に際して河床に穴を掘る必要があり手がかかる欠点が挙げられる。また、流量、流速によっては、小さく軽い流砂は流れてしまい、正確な測定ができない。さらに、リアルタイムで観測結果を得られない問題もある。

河道内に構造物を設け河川から流砂を採取して調査する方法については、大規模な装置を設置する必要があり手がかかる点や、流砂の大きさによって選別するため一定の大きさ以下の砂が排出されて計測できない点を指摘できる。さらに、選別後に流砂量を別途計測する必要があるため、リアルタイムで観測結果を得られない欠点もある。

水中マイクによる観測については、砂粒が衝突する音を検知する方式であるため、個数の計測は可能だが砂粒の大きさを得られない問題や、流水や浮遊物によるノイズとの弁別が難しい問題が挙げられる。

さらに、浮遊砂及び wash load の計測については、現在のところ濁度観測のみしか行われておらず、砂粒の大きさや個数などは観測できていないという問題がある。

また、これらの測定手段は、いずれも河道内に砂採取設備や観測機器を置く必要があるため、特に出水中の流砂を観測するのは非常に難しい課題も挙げられる。

本発明の目的は、設置が容易な流砂量測定装置を実現することにある。

本発明の別の目的は、流砂量をリアルタイムで測定できる新しい測定技術を確立する点にある。

本発明のさらに別の目的は、流砂量測定の測定精度を向上させることにある。

本発明の流砂量計測装置は、河川から採取された水が流される管状の測定水路と、測定水路に対しＸ線を照射し、透過Ｘ線量を取得するＸ線測定部と、透過Ｘ線量に基づいて、水に含まれる流砂量を計測する計測部と、を備える。

測定水路は、内部が中空に形成された管状の水路である。素材は、Ｘ線の透過特性が良好なものであれば特に限定されない。例えば、硬い素材からなる管を使用して、その位置決めや形状特定を容易なものとしてもよいし、柔らかい素材からなるチューブを使用して、設置を容易なものとしてもよい。また、管状の水路の断面形状も様々に設定可能であり、円形として軸対象性をもたせてもよいし、多角形形状や扁平形状などとしてもよい。

測定水路に対しては、Ｘ線測定部によってＸ線が照射され、透過したＸ線量が取得される。Ｘ線の照射形態は様々に可能であり、２次元的な照射でも３次元的な照射でもよい。透過Ｘ線量は、一般的には、透視画像の輝度情報としてデータ化される。Ｘ線は、単なる水だけが流れている場合よりも流砂が含まれている場合の方が減衰量が大きく、その透過量は減少する。計測部は、この原理を利用して透過Ｘ線量を解析し、水に含まれる流砂量を計測する。計測結果は、必要に応じて水の採取状況等と対応づけることで、掃流砂、浮遊砂、wash load の諸量に結びつけることができる。

この構成によれば、一旦河川から採水が行われたならば、河川の状況にかかわらず正確な計測を容易に行うことが可能となる。また、計測部が透過Ｘ線量に基づいて迅速に計測処理を行うことで、流砂量をリアルタイムで算出することができる。なお、流砂量計測装置は、単体の筐体により構成されていても、複数の筐体によって構成されていてもよい。後者の例としては、Ｘ線測定部と計測部は別別に作られ、電気的に接続される態様が挙げられる。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、前記計測部は、透過Ｘ線量の局所的な低下を検知して、浮遊砂量を計測する浮遊砂量計測部を備える。一般に透過Ｘ線の減衰量は、空気＜水＜泥・土＜砂の順に大きくなる。したがって、Ｘ線測定部は流砂から泥・土と砂とを分離可能とする照射条件でＸ線照射と透過Ｘ線量の取得を行う。そして、浮遊砂量計測部は、砂粒によって局所的に透過Ｘ線量が低下した部分を浮遊砂によるものと判定し、浮遊砂量を計測する。ここで、局所的な輝度の低下とは、周囲の一般的な状況に比べて輝度が低下している状況を指す。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、前記計測部は、透過Ｘ線量の局所的な低下を検知して、浮遊砂の個数及び大きさを計測し粒度分布を求める粒度分布計測部を備える。つまり、個々の浮遊砂の粒子を数え、かつ、その大きさを計測することで、浮遊砂の粒度分布を算出する。計測可能な粒子の大きさは、透過Ｘ線量のデータの分解能によって決定される。したがって、Ｘ線測定部は、設定計測したいデータを解像できる分解能に設定しておく必要がある。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、前記計測部は、透過Ｘ線量の背景域の低下を検知して、濁度を計測する濁度計測部を備える。ここで、背景域の低下とは、砂粒による局所的な低下ではなく、砂粒に影響されない背景部分の低下を指す。背景部分には、泥・土の微粒子が含まれており、その分布はほぼ一様であるとみなせる。したがって、濁度計測部は、背景域の透過Ｘ線量の低下を検知することで、濁度を計測することができる。砂粒が存在しない場合には、全体を背景域とみなせばよい。なお、計測にあたっては、背景域の全ての透過Ｘ線量を利用する必要はなく、少なくともその一部を利用すれば十分である。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、前記計測部は、透過Ｘ線量の低下の度合いに基づいて、流砂以外の混合物の含有を判定する判定部を備える。河川の水には、生物やゴミなど流砂以外の混合物も含まれる。判定部は、混合物の大きさとＸ線透過量の関係等を利用することで、この混合物を流砂と区別することができる。これにより、流砂の計測の精度が向上する。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、ポンプを用いて、河川の水中に配置される採水口から流砂とともに水を吸引して採取する採水路を備え、前記測定水路は採水路に通じている。採水路は、取り入れられた水を測定水路に導く水路である。採水路はチューブなどによって中空状に形成されており、その先端あるいは途上には開口部としての採水口が設けられている。採水口は、水中に設置され水の取り入れ口としての役割を果たしている。採水路からは、その途上等に設けられたポンプを用いて水が吸引採取される。採水路と測定水路は、同一のチューブ等を利用して構成されてもよい。この場合には、両者の接続が不要となる利点がある。また、採水路と測定水路は、別々のチューブや管で形成され接続されるものであってもよい。一例としては、測定水路は定形性のある素材で作成し、採水路は、収納、設置等が容易な柔軟な素材で作成する態様を挙げることができる。なお、ポンプは、測定水路の前に設けられても、後に設けられてもよい。

この構成によれば、河道付近で大規模な設置工事等を行うことなく、河川の水を容易に持続して採取することが可能となる。そして、任意の時間だけ連続的に河川の水を測定することが可能となる。一般に水に含まれる流砂量には時間的・空間的なムラがあり、信頼できるデータを取得するためには、測定を繰り返してサンプル数を増加させることが望ましい。採水路はこの要請に容易に応えるものである。

採水口を水中に設置する位置は、様々に設定可能である。つまり、水面付近、水面からも水底からも離れた位置、水底付近など深さ方向に調整可能である他、岸からの距離や、水流の速さなども適宜選ぶことができる。そこで、採水口がどの位置に設置されたかについての情報を取得して、流砂量の計測結果とともに記録することも有効である。このような情報は、例えば、超音波センサを設けて採水口の水面や水底からの距離を検出したり、流速計を設けて水流を計ることで得ることができる。

一般に採水口を水底から離れた位置に設けた場合には、採取された水に含まれる砂成分は、浮遊砂とみなされる。しかし、水底付近に設けた場合には、ポンプで吸い上げ可能な範囲で、掃流砂、あるいは、掃流砂と浮遊砂が採取される。この掃流砂については、浮遊砂を測定する態様と同じ態様でもって、粒径分布や量を測定することができる。

なお、ポンプを通過した水は、一般にポンプの影響により攪拌される。Ｘ線で精度よく流砂量を測定する上では、水がこのように攪拌され、含まれる流砂を一様化することが有効な場合がある。つまり、ポンプ等の攪拌機構を測定水路の少なくともＸ線を照射される部分よりも前に設けることで、測定部分における流砂の沈殿を防ぎ、水中に流砂を一様に分布させることができる。

望ましくは、本発明の流砂量計測装置において、測定水路は、少なくともＸ線を照射される部分において、その流れ方向を装置の下方に向けて配置される。もちろん、測定水路の設置角度は様々に可能であり、例えば、流れ方向が水平になるように配置されてもよい。水平にした場合には、重量分布のバランスがよくなって装置が安定するなどの利点がある。また、一般にほぼ水平に流れる河川の水の流れにも合致している。しかし、河川とは異なり測定水路では抵抗によりその壁面付近で水の流れが遅くなるため、浮遊砂などが底部に滞留してしまう虞がある。そして、一端浮遊砂が溜まると、水の流れが停滞して連鎖的に混合物がその付近に滞留することもあり得る。このため、時間をあけて複数回の測定をするような場合には、同じ流砂を複数回カウントしてしまうなどして正確な計測が妨げられる虞がある。

この問題を解消するため、測定水路を流れ方向を装置の下方に向けて配置することとした。つまり、下側に傾けるか、あるいは、完全に鉛直下向きにして配置する。これにより、混合物の滞留を避けることができる。なお、測定水路の流れ方向を下方に向けた場合には、混合物が速く通過してしまい、Ｘ線の照射対象範囲に属する混合物の密度が、本来あるものよりも小さくなってしまう懸念がある。しかし、水の流れが非常に遅くない限り、重力による加速の効果は小さいと考えられる。また、下向きに向ける角度の設定や、計測部でのソフトウエア的補正によりこの問題を解決することも可能である。

本発明の流砂量計測方法は、河川から採取された水を管状の測定水路に流すステップと、測定水路に対し、Ｘ線を照射して透視画像を生成するステップと、透視画像に基づいて、水に含まれる流砂量を計測するステップと、を含む。

なお、本発明の流砂量計測装置は、河川から採取された水が流される管状の測定水路と、測定水路に対しＸ線を照射し、透過Ｘ線量を取得するＸ線測定部と、を備えた装置を利用して、水に含まれる流砂量を計測する流砂量計測装置であって、Ｘ線測定部から透過Ｘ線量を入力する入力手段と、透過Ｘ線量に基づいて、水に含まれる流砂量を計測する計測部と、を備える、ものであってもよい。

図１は、本実施の形態に係る流砂量計測装置の概略構成を示す図である。流砂量計測装置１０は、主たる構成として、河川から水を採取する採水部２０、採取した水に対するＸ線照射とその検知を行うＸ線測定部３０、採取した水の存在を検知する流体検知センサを備えたセンサ部４０、装置全体の制御及び流砂量の計測処理を行う処理装置５０、処理装置５０に対しセンサ部４０やＸ線測定部３０を電気的に接続するための接続部７０及び、各構成に電力を供給する電源８０を備えている。

採水部２０は、採水路としての採水チューブ２２を備えている。採水チューブ２２は、樹脂製の柔軟な素材で作られており、その先端部分には河川の水中に設置されて水を取り入れる採水口２４が設けられている。採水口２４の周囲には、粗い金網等を設けて巨大な浮遊物等の侵入を防いでもよい。採水チューブ２２には、その途上に河川から水を吸い上げるためのポンプ２６が設けられている。そして、このポンプ２６の後ろ側においては、採水チューブ２２は、Ｘ線測定部３０の中を貫くように設置され、Ｘ線を照射される測定水路として機能している。

Ｘ線測定部３０は、Ｘ線発生装置３２、校正機構３４、及びＸ線検知器３６を備えている。Ｘ線発生装置３２は、Ｘ線を３次元的なファンビームとしてパルス出力する装置である。Ｘ線は、測定水路としての採水チューブ２２に向かって照射され、その内部の水、流砂、浮遊物等を透過して、背後に設けられたＸ線検知器３６で検知される。Ｘ線発生装置３２においては、Ｘ線検知器３６で十分に検知可能な強度のＸ線を発生するように、その管電圧やパワーなどの出力条件が設定される。

Ｘ線検知器３６は、アレイ状に配置されたＸ線受光素子を備え、受光したＸ線を電気信号に変換して透視画像として出力する。透視画像においては、透過Ｘ線量の強度情報は輝度情報として表現される。Ｘ線検知器３６の特性は、Ｘ線量の強度に対応して選ばれる。また、受光素子の設置範囲や受光素子密度等は、監視したい領域を所望の解像度でカバーするように決定される。なお、Ｘ線検知器３６は、外部トリガによる制御が可能であることが望ましい。

校正機構３４は、Ｘ線の照射及び検知にかかる校正処理を行う機構である。具体的には、Ｘ線受光素子の性能のばらつきを校正するための一般的な利得校正を行う。また、校正機構３４は、採水チューブ２２と同素材かつ同形状のチューブに流砂や浮遊物が含まれない水が入れられた標準水チューブを備えている。そして、校正機構３４には、Ｘ線の照射範囲を採水チューブ２２、標準水チューブ、及びこれらのチューブがない状態の三つに切り替え移動する機能が設けられている。これにより、流砂や浮遊物が含まれないＸ線量や、さらに水もチューブも含まれないＸ線量を測定して原点校正を行い、精度向上を図ることができる。

Ｘ線発生装置３２、校正機構３４、Ｘ線検知器３６、及び測定水路としての採水チューブ２２は、鉛シールド３８によって覆われている。これは、外部にＸ線が漏れないようにするためであり、特に採水チューブ２２の出し入れ口においては、チューブを折り曲げ配置するなどしてＸ線漏れを防いでいる。

センサ部４０は、測定水路としての採水チューブ２２内に液体があるか否かを検知する。センサの検知メカニズムは特に限定されず、チューブの材質、形状、色等に応じて、超音波センサや光センサなどが選択される。センサとしては、具体的には、採水開始を検知する採水開始検知センサ４２と、採水終了検知センサ４４を備えている。このセンサの設置箇所は様々に可能であり、例えば、採水開始検知センサ４２は測定水路の下流部に設けられ、採水終了検知センサ４４は測定水路の上流部に設けられる。

なお、センサ部４０には、水温を検知するセンサ、あるいは、流速を検知するセンサなどが設けられていてもよい。水温情報は、測定環境を知るうえでの基本情報であり、また、水の体積を正確に決定する上でも必要となる。一方の流速情報は、測定水路を流れる水の体積を見積もる上で有用である。また、Ｘ線のパルス間隔と次の流体が測定水路の所定位置に達する間隔との関係を見積もったり、採水チューブ２２内が異物や泥などで詰まっているか否かを検知することにも使える。

処理装置５０は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）やＡＳＩＣなどの演算機能を備えたハードウエアと、その動作を規定するソフトウエアとを利用して構成される。Ｘ線測定部３０と同じ筐体内に格納されていてもよいし、別の筐体を用いて構成されていてもよい。この処理装置５０は、接続部７０を通じて、Ｘ線測定部３０とセンサ部４０の各構成部等に接続されている。

処理装置５０には、制御部５２、画像処理部５４、流砂量計算部５６が含まれる。制御部５２は、採水開始検知センサ４２と採水終了検知センサ４４から検知結果を取得する。そして、プログラム内容やユーザからの支持内容に基づき、この検知結果に従って、Ｘ線発生装置３２にＸ線の照射を指示し、さらに対応する校正指示やＸ線検知指示を校正機構３４やＸ線検知器３６に対して行う。また、制御部５２は、画像処理部５４や流砂量計算部５６の動作タイミング等も指示する。

画像処理部５４は、Ｘ線検知器３６から透視画像を入力し、流砂量計算部５６の計算に合わせて二値化処理やフィルタ処理などの画像処理を行う。流砂量計算部５６は、流砂量を計測する計測部としての役割を果たしている。流砂量計算部５６は、浮遊砂の個数及び大きさを計測し粒度分布を求める粒度分布部５８、浮遊砂量を計測するための浮遊砂量部６０、濁度を計測する濁度部６２、及び、流砂以外の混合物の含有を判定する判定部６４を含んでいる。

粒度分布部５８は、透視画像中における局所的に輝度が低下している部分が浮遊砂の粒子によって引き起こされたとみなして、粒度分布を算出する。計算にあたっては、まず、画像処理部５４に対し、適当な閾値で透視画像を二値化させて、流砂粒子についての画像を得る。そして、この画像に対し、砂粒の個数計測及び大きさ計測を行って粒度分布を求める。

浮遊砂量部６０は、採水開始から終了までに測定された水に含まれる浮遊砂量を計測する。ここでは、浮遊砂量の計測は、粒子部分の輝度を積算することで行う。すなわち、Ｘ線の減衰量の総和と、全浮遊砂量とが対応するという原理を利用して浮遊砂量を計測する。両者の対応づけは、あらかじめ標準的な対応データを記憶させておくことで行うことができる。また、粒度分布部５８が算出した粒度分布をもとに、この対応づけを補正するようにしてもよい。なお、浮遊砂量は、例えば、透視画像に表れた各砂粒についてその体積を計算し、その結果を積算するといった方法でも計測可能である。

濁度部６２は、砂粒よりも小さな粒子によってもたらされる水の濁り具合（濁度）を計算する。濁度の計算は、透視画像から流砂粒子部分を除いた部分の輝度情報を濁度に対応づけることで行われる。この際には、校正機構３４を用いて行う標準水チューブの透視画像と対比が行われ、濁りがない状態における輝度値が求められる。そして、予め入力された対応データ等に基づいて、輝度情報から濁度へと変換が行われる。

判定部６４は、流砂量の計算に先立って、流砂以外の混合物により輝度が低下した領域を判定し検出する。そして、この領域を流砂量の計算対象から除外するなどして流砂量計算への影響を取り除く。流砂以外の混合物であるか否かの判定は、例えば、予め、輝度低下領域の大きさ、形状、低下量などの輝度の低下域を特徴づける要素変数と、流砂あるいは流砂以外の混合物のカテゴリ領域との関係を表すデータベースを用意しておき、これと比較することで行うことができる。

接続部７０は、処理装置５０に対し、センサ部４０やＸ線測定部３０を電気的に接続するための構成である。また、電源８０は、流砂量計測装置１０の各構成に対し、必要に応じて電力を供給する。電源８０は、発電機であってもよいし、電池であってもよい。また必要に応じて、外部から電力を取得するようにしてもよい。

続いて、図２の概略フローチャートを用いて、流砂量計測装置１０の動作について簡単に説明する。まず、装置を利用する測定者は、川岸や船などに流砂量計測装置１０を設置する。次に、採水チューブ２２をのばして、先端の採水口２４を河川の水中の所望の場所に配置する。

この段階で、必要に応じて、測定者は校正指示を与えることができる。校正の処理内容については後述する。次に測定者は、ポンプ２６を起動する。これにより、河川の水が流砂等の混合物とともに採水チューブ２２に流れ込む。そして、採水開始検知センサ４２が、Ｘ線測定部３０内の測定水路に水が流れたことを検知して（Ｓ１２）、制御部５２に通報する。

制御部５２は、流体検知の通報を受けると、Ｘ線発生装置３２に対し、Ｘ線の照射を開始するように指示する（Ｓ１４）。また、Ｘ線検知器３６に対し、Ｘ線を検知して透視画像を生成するように指示する。そして、画像処理部５４は、Ｘ線検知器３６から送られた透視画像を順次取得し、二値化処理等の画像処理を行う。また、流砂量計算部５６の粒度分布部５８、浮遊砂量部６０、濁度部６２、判定部６４は、この画像に基づいて、所定の計算を行う（Ｓ１６）。画像処理部５４及び流砂量計算部５６におけるこの処理は、流体の通過が完了するまで繰り返される。

十分なデータが取られると、ポンプ２６が停止され、流体の流れ込みがなくなる。すると、採水終了検知センサ４４が水の通過完了を検知して、制御部５２に通報する（Ｓ１８）。すると、制御部５２は校正機構３４に対して校正処理を行わせる（Ｓ１９）。すなわち、チューブが何もない状態に切り替えて、Ｘ線発生装置３２とＸ線検知器３６に透視画像を生成させる。そして、Ｘ線検知器３６における利得校正が行われる。また、標準水チューブをＸ線の照射対象に切り替えて、Ｘ線発生装置３２とＸ線検知器３６に標準水チューブに対する透視画像を生成させる。この結果、濁りのない状態における透視画像の輝度が求められる。校正処理の結果は、引き続き行われる測定に利用されてもよいし、既に行った測定に利用されてもよい。後者の場合には、ステップＳ１６の計算結果が修正される。校正処理は、複数回測定が行われる場合には、通常、毎回実施される。

全ての測定が終了すると、制御部５２は、Ｘ線発生装置３２及びＸ線検知器３６に対して定期的なＸ線測定処理を中止するように指示する（Ｓ２０）。最後に、浮遊砂量部６０は、全ての測定回の結果に基づいて、単位体積あたりの浮遊砂量を算出する（Ｓ２２）。この一連の過程においては、モニタ画面や音声出力機構等の出力装置を用意することで、測定者は処理内容や測定内容をリアルタイムで監視することができる。

なお、データの取得は、ポンプ２６の稼働と無関係に開始・終了してもよい。例えば、複数箇所で測定を行う場合には、ポンプ２６を起動してから一定時間経過し、採水チューブ２２の内壁面に付着していた流砂等の影響が取り除かれた後で、測定を開始するようにしてもよい。

図３は、Ｘ線測定部３０の設置例を説明する模式図である。ここでは、Ｘ線発生装置３２の正面の距離Ａの位置に測定水路としての採水チューブ２２が配置され、距離Ｂの位置にＸ線検知器３６が設置されている。Ｘ線発生装置３２からは、Ｘ線照射範囲９０として示したように、Ｘ線が立体的に放射状に広がりながら放射される。採水チューブ２２は、その中心がＸ線照射範囲９０の中心線９２の上にくるように置かれている。また、Ｘ線検知器３６は、その中心がこの中心線９２上に位置するように設置されている。なお、この図３は、中心線９２を含み、採水チューブ２２の軸方向に垂直な断面について示したものである。

Ｘ線発生装置３２で生成され放射されたＸ線は、Ｘ線照射範囲９０として示したように、立体的に放射状に広がりながらＸ線検知器３６に到達する。この時、経路途上に物体があれば、その物体の材質、大きさ、形状などに応じてＸ線が減衰する。そして、Ｘ線検知器では、その物体を反映した透視画像が得られることになる。そこで、採水チューブ２２の配置位置は、中心線９２を含むこの断面において、その輪郭を通過するＸ線９４，９６が、透視画像に含まれるように設定されている。その拡大率は、Ｂ／Ａであり、採水チューブ２２をＸ線発生装置側に近づけることで拡大率を大きくすることができる。

図４乃至図６は、透視画像の例とそれに基づく流砂量計算の例を説明する図である。

図４は、水の中に、浮遊砂は含まれず、泥・土等の微少粒子だけが含まれている場合について説明する図である。図４（ａ）は、透視画像の例を示している。微少粒子成分が水の中に一様に含まれている場合、Ｘ線の減衰量は、水中を通過した距離が長いほど大きくなる。このため、透過画像の輝度は、採水チューブ２２の円柱状の形状に対応した複雑な分布を示すことになる。しかし、ここでは、簡単のため、この形状に起因する輝度の偏りを、幾何的距離を基に補正した結果を示している。

図４（ｂ）は、輝度が微少粒子成分のために減衰した様子を、図４（ａ）の透視画像を図の左右に切る直線ａｂについて示した図である。横軸は図４（ａ）と同じ位置の関数であり、縦軸は輝度の大きさを表す。ここでは、微少粒子の一様分布に対応して、直線ａｂ上の輝度も一様な輝度Ｂｄを示している。これは、校正機構３４を用いて測定した標準水チューブの場合における輝度Ｂｏと比べてＢｄ−Ｂｏだけ小さい。

この輝度差をもとに、図１に示した濁度部６２は濁度の大きさを算出することができる。濁度の算出においては、透視画像の全域について標準水チューブの結果と比較することで、その測定精度を高めることができる。しかし、計算の高速化のために、例えばこの直線ａｂのようなある曲線上についてのみ比較をしてもよいし、代表的な一点又は複数点についてのみ比較をしてもよい。また、この計算においては、図４（ａ）に示したように幾何的な歪みを補正したあとで両者の差を算出してもよいし、両者の差を算出したあとで幾何的な歪みを考慮して濁度を求めてもよい。さらに、濁度の決定にあたっては、一つの透視画像に基づいて行ってもよいが、平均値を求めるなど複数の透視画像に基づいて行ってもよい。

図５は、水の中に、泥・土等の微少粒子は含まれず、浮遊砂だけが含まれている場合について説明する図である。図５（ａ）は、透視画像の例を示す図であり、図４（ａ）と同様幾何形状の歪みが補正されている。透視画像には、減衰のため透過Ｘ線量が減少した領域が、輝度の小さな領域として示されている。領域の空間的大きさは様々であり、これは、対応する浮遊砂の大きさが様々であることに対応している。

図５（ｂ）は、輝度が浮遊砂のために減衰した様子を、図５（ａ）の透視画像を、輝度の小さな領域１００，１０２を横切って図の左右に切る直線ａｂについて示した図である。横軸は図５（ａ）と同じ位置の関数であり、縦軸は輝度の大きさを表す。輝度の大きさは、領域１００，１０２を除く領域においては、校正機構３４を用いて測定した標準水チューブの場合と同じ輝度Ｂｏを示している。しかし、領域１００，１０２においては、輝度Ｂｏよりも小さな値を示しており、空間的な大きさが大きい領域１００では領域１０２に比べてさらに小さな値を示している。

粒度分布の算出にあたっては、まず、画像処理部５４が、輝度Ｂｏ（＝Ｂｄ）よりもわずかに小さな輝度Ｂｓを閾値として、透視画像を二値化する。これにより、領域１００，１０２などの浮遊砂に起因した領域が背景領域から分離される。つづいて、粒度分布部５８は、二値画像をサーチして、浮遊砂の個数と各砂粒子の大きさ、すなわち粒度分布を求める。各砂粒子の大きさは、二値画像に占める画素数から面積を見積もり、半径の大きさに変換するなどして算出することができる。粒度分布の算出にあたっては、一つの透視画像だけでなく複数の透視画像に基づいて測定精度を高めることが特に望ましい。

前に図３を用いて示したように、浮遊砂の透視画像における拡大率は、Ｘ線発生装置３２までの距離によって変化する。このため、採水チューブ２２の厚みが大きい場合には、浮遊砂がチューブ内の手前側にあったり奥側にあったりすとる正確な測定ができないことになる。また、採水チューブ２２の厚みが大きい場合には、透視画像上で複数の浮遊砂が重なってしまう可能性が高くなる。そこで、測定水路の断面形状（今の場合は採水チューブ２２）は、少なくともＸ線を照射される部分において扁平形状とし、Ｘ線測定部３０は、測定水路の幅広の面に向かってＸ線を照射することも有効である。特に、測定水路を採水チューブ２２のような柔軟な素材ではなく、硬く定形性の高い素材によって作成した場合に効果的である。

なお、ここでは、粒度分布について説明したが、浮遊砂量についても同様に二値画像を用いるなどして計算できる。すなわち、浮遊砂量部６０は、二値化によって取り出された浮遊砂の領域について、その輝度を積算し、標準データ等と比較することで流砂量を求めることができる。

図６は、水の中に、図５で示した浮遊砂及び図４で示した泥・土等の微少粒子がともに含まれている場合について説明する図である。図６（ａ）は、透視画像の例を示しており、図４（ａ）と図５（ａ）が足しあわされた図となっている。すなわち、図４（ａ）と同様に透視画像の全体が微少粒子のために輝度が減少しており、また、図５（ａ）と同様に浮遊砂による低輝度の領域１００，１０２等が示されている。

図６（ｂ）は、領域１００，１０２を横切って図の左右に切る直線ａｂについて輝度の大きさを示した図であり、図４（ｂ），図５（ｂ）と同様に横軸はと位置の関数、縦軸は輝度の大きさを表している。直線ａｂにおける輝度は、領域１００，１０２以外の領域では、図４（ｂ）で示された輝度Ｂｄとなっている。そして、領域１００，１０２では、Ｂｄよりもさらに小さな輝度となっており、その輝度形状パターンは図５（ｂ）に示したものとほぼ同様である。

粒度分布部５８は、画像処理部５４が輝度Ｂｄよりもわずかに小さな輝度Ｂｓ’を閾値として二値化した二値画像に基づいて粒度分布を求める。また、濁度部６２は、領域１００，１０２等を除く背景部分に基づいて、濁度の計算を行う。背景部分は、例えば、輝度Ｂｓ’を基準とした二値画像に基づいて取得することができる。こうして、一定の大きさ以上の砂粒の量と、それ以下の大きさをもつ粒子による濁度とが同時に測定される。

以上に説明したように、本実施の形態に係る流砂量計測装置を用いることで、流砂についての測定を簡易かつリアルタイムに行うことができる。

流砂量計測装置の構成例を示す概略図である。 流砂量計測の手順を示すフローチャートである。 Ｘ線測定部の設置例を説明する模式図である。 濁りのある水についての透視画像とその輝度を示す図である。 砂粒を含む水について透視画像とその輝度を示す図である。 濁りと砂粒を含む水について透視画像とその輝度を示す図である。

符号の説明

１０ 流砂量計測装置、２０ 採水部、２２ 採水チューブ、２４ 採水口、２６ ポンプ、３０ Ｘ線測定部、３２ Ｘ線発生装置、３４ 校正機構、３６ Ｘ線検知器、３８ 鉛シールド、４０ センサ部、４２ 採水開始検知センサ、４４ 採水終了検知センサ、５０ 処理装置、５２ 制御部、５４ 画像処理部、５６ 流砂量計算部、５８ 粒度分布部、６０ 浮遊砂量部、６２ 濁度部、６４ 判定部、７０ 接続部、８０ 電源、９０ 線照射範囲、９２ 中心線。

Claims (9)

1. 河川から採取された水が流される管状の測定水路と、
   測定水路に対しＸ線を照射し、透過Ｘ線量を取得するＸ線測定部と、
   透過Ｘ線量に基づいて、水に含まれる流砂量を計測する計測部と、
   を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。
2. 請求項１に記載の流砂量計測装置において、
   前記計測部は、透過Ｘ線量の局所的な低下を検知して、浮遊砂量を計測する浮遊砂量計測部を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の流砂量計測装置において、
   前記計測部は、透過Ｘ線量の局所的な低下を検知して、浮遊砂の個数及び大きさを計測し粒度分布を求める粒度分布計測部を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流砂量計測装置において、
   前記計測部は、透過Ｘ線量の背景域の低下を検知して、濁度を計測する濁度計測部を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。
5. 請求項１に記載の流砂量計測装置において、
   前記計測部は、透過Ｘ線量の低下の度合いに基づいて、流砂以外の混合物の含有を判定する判定部を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。
6. 請求項１に記載の流砂量計測装置において、
   ポンプを用いて、河川の水中に配置される採水口から流砂とともに水を吸引して採取する採水路を備え、
   前記測定水路は採水路に通じている、ことを特徴とする流砂量計測装置。
7. 請求項１に記載の流砂量計測装置において、
   測定水路は、少なくともＸ線を照射される部分において、その流れ方向を装置の下方に向けて配置される、ことを特徴とする流砂量計測装置。
8. 河川から採取された水を管状の測定水路に流すステップと、
   測定水路に対し、Ｘ線を照射して透視画像を生成するステップと、
   透視画像に基づいて、水に含まれる流砂量を計測するステップと、
   を含む、ことを特徴とする流砂量計測方法。
9. 河川から採取された水が流される管状の測定水路と、
   測定水路に対しＸ線を照射し、透過Ｘ線量を取得するＸ線測定部と、
   を備えた装置を利用して、水に含まれる流砂量を計測する流砂量計測装置であって、
   Ｘ線測定部から透過Ｘ線量を入力する入力手段と、
   透過Ｘ線量に基づいて、水に含まれる流砂量を計測する計測部と、
   を備える、ことを特徴とする流砂量計測装置。