JP2008058264A - 実河川を対象とした流速観測装置、流速観測方法，および流速観測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】実座標が既知である標定点を複数利用する変わりに、少なくとも２点の特徴点の角度と水面から高低差を計測することにより、幾何変換パラメータを決定して実河川の流速計測を行う。
【解決手段】実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測する距離計測手段と、撮影画像データと特徴点の水平角と鉛直角と水面高さからの高低差とを入力する解析手段とを備え、解析手段は、カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、実河川の平面流速分布や水量を計測する流速観測装置、流速観測方法，および流速観測プログラムに関するものである。

従来から、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）技術を応用して、実河川の表面流速を解析するシステムが知られている（特許文献１）。このＰＩＶ技術は、時間の経過とともに変化する流体の動画像を解析し、その移動量から流速計測する技術である。実河川の表面流速を解析するために、河岸からビデオカメラで実河川の表面水流を斜めに撮影し、この斜め画像を用い、パターンマッチングによる河川表面の濃淡分布の面的な移動ベクトルの追跡から、表面流速分布を求める。また、斜め画像のためにビデオカメラから近距離の地点と遠方の地点とでは俯角の差により画像の歪み度合いに差が出るので、幾何変換補正により俯角による影響を打ち消し、実河川の川面を垂直に見た平面画像（垂直平面画像）に幾何変換した後に、川幅の仮想的な横断線上の各区分についてＰＩＶ技術を用いて解析し、実河川の各区分の表面流速を算出していた。

実河川の表面水流の斜め画像から、川面を垂直に見た平面画像（垂直平面画像）に幾何変換するために必要となる幾何変換パラメータを決定するために、実空間座標上の三次元位置（例えば、x，y，z (ｍ) ）が既知である複数の点（標定点）を利用していた。

すなわち、幾何補正を行う際には、画像平面上の位置と三次元物理空間上の位置の対応付けを行う必要があり、その際には図１に示されるようなカメラモデルの座標系を用いた下記式の幾何変換式が用いられる。

ここで、ａ_ｉｊは３軸まわりの回転角によって作られる３×３の回転行列の要素であり、下記式によって与えることができる。

ここで、ω，φ，κはそれぞれｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向の回転角である。また、式（1）中のΔｘ，Δｙはレンズ歪みの補正係数であり、例えば、Δｘ＝ｄｒ^２ｘ，Δｙ＝ｄｒ^２ｙ（ここでｒ=（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２）を用いることができる。

この幾何変換式のパラメータ（幾何変換パラメータ）を決定するために、特徴点のカメラ画像平面上の位置座標（ｘ，ｙ）（単位は pixel）と、その特徴点の実空間上の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のペアを複数与えるのである。

この幾何変換パラメータを決定することにより、画像情報を実際のスケールに変換するために、画像がどのような位置・角度により撮影されたかを把握することが可能となる。

現在のところ、この幾何変換パラメータを決定するために必要な手順である複数の標定点の測定を行う際には、測量用トータルステーション（例えば、特許文献２を参照）あるいはＧＰＳ（Global Positioning System）が利用されている。測量用トータルステーションの場合、標定点の測定を行う際にはプリズムを、ＧＰＳの場合、標定点の測定を行う際には計測器を測定点に配置する必要がある。

特開２００４−１１７１１９号公報 特開２００１−１３３２６３号公報

従来、標定点の測定を行う際には、トータルステーション（ＴＳ）あるいはＧＰＳが利用し、プリズムあるいは計測器を測定点に配置する必要があるため、現地の状況によっては、撮影アングル中の適切な位置に標定点を配置することが、物理的な制約や安全上の問題から困難である状況がみられるといった問題があった。

上記問題点に鑑み、この実座標が既知である標定点を複数利用する変わりに、少なくとも２点の特徴点の角度情報と水面から高低差もしくは水面上の特徴点との距離を計測することにより、幾何変換パラメータを決定して実河川の流速計測を行う流速観測装置、流速観測方法，および流速観測プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、この実座標が既知である標定点を複数利用する変わりに、画像の撮影位置にトータルステーションを据え付けて、少なくとも２点の特徴点の角度情報と水面から高低差もしくは水面上の特徴点との距離を計測して、この情報に基づき幾何変換パラメータを決定するものである。
上記目的を達成するため、本発明の請求項１の流速観測装置は、実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測する距離計測手段と、前記カメラ手段の撮影画像データと前記角度計測手段で得られた特徴点の水平角と鉛直角と前記距離計測手段で得られた水面高さからの高低差とを入力する解析手段とを備え、前記解析手段は、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定する構成とされたことを特徴としたものである。

上記の構成とすることにより、幾何変換パラメータを決定するために、複数の特徴点のカメラ画像平面上の位置座標（ｘ，ｙ）とその特徴点の実空間上の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の与えることが不要となる。すなわち、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測し、かつ、少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測することにより、幾何変換パラメータを決定することができるのである。

ここで、本発明のカメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測し、かつ、少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測することにより、幾何変換パラメータを決定することができる原理について、数式で示しながら以下に説明を行う。

幾何補正を行う際には、画像平面上の位置と三次元物理空間上の位置の対応付けを行う必要があり、その際には図１に示されるようなカメラモデルの座標系を用いた上記数式１の幾何変換式が用いられることは既に説明した。
本発明は、カメラ手段のレンズの投影中心を実座標の原点に設定することがポイントである。実座標の原点をカメラ手段のレンズの投影中心Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０と設定することにより、Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０は０となるため、上記数式１の幾何変換式は下記式のように簡略化することができる。また、下記式では説明を単純化するため、レンズ歪みの補正を割愛している。

上記数式３に示される変換式に含まれるパラメータは、ω，φ，ｋ，ｃの４つのパラメータである。
これらの４つパラメータを決定するために、通常の幾何変換式のパラメータ決定手順と同様に、標定点を利用することを考える。例えば、標定点１の座標を画面座標(ｘ_１，ｙ_１) および実座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）とする。この実座標は、単位ベクトル（ｎ_１ｘ，ｎ_１ｙ，ｎ_１ｚ）および距離ｌ_１を用いて、（ｌ_１ｎ_１ｘ，ｌ_１ｎ_１ｙ，ｌ_１ｎ_１ｚ）と表現することができる。これを上記数式３に代入すると、下記数式となる。

ここで、上記数式４の中のｌ_１は全て打ち消しあうことから、結局のところ下記数式の変換式になる。

つまり、座標系の原点をカメラ手段のレンズの投影中心とおいた場合には、標定点の実座標は、その標定点の方向を示す単位ベクトルのみが必要となり、距離は全く関係なくなるのである。ここで、実際問題として標定点の計測を行うことを考えると、レンズの投影中心に角度計などの角度計測手段の回転中心を一致させた上で、標定点の水平角φｈおよ
び鉛直角φｖを計測することになる。
標定点の単位ベクトルは、下記数式で特定されることになるのである。

本発明では、最低二点の標定点の角度を計測するだけで、幾何変換パラメータである４つのパラメータω, φ, κ, c を決定することが可能となるのである。

また、少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測するとは、水面に対して幾何補正を行う際には、レンズの投影中心に対する水面の位置を特定する必要があるので、最低一点は、角度だけでなく距離も含めて空間上の実座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を特定する必要がある。水面を水平と仮定すればＺのみ、すなわち、水面高さからの高低差のみでもよい。なお、この実座標を計測する点は標定点である必要はないため、カメラ手段の撮影アングル中で確認できない点でも構わない。

以上説明したように、本発明においては従来の標定点の計測が角度のみで済むため、計測点にミラーを据え付けることが物理的や安全面の理由で困難である点も標定点として利用できることとなる。また、距離が遠いため、レーザー距離計により距離計測ができない点も標定点として利用できることとなる。すなわち、カメラ手段の撮影アングル中に含まれる固定点とみなせる特徴点は、容易に標定点として用いることが可能となるのである。

次に、本発明の請求項２の流速観測装置は、実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の距離を計測する距離計測手段と、前記カメラ手段の撮影画像データと前記角度計測手段で得られた特徴点の水平角と鉛直角と前記距離計測手段で得られたデータとを入力する解析手段とを備え、前記解析手段は、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定する構成とされたことを特徴としたものである。

これは、請求項１の流速観測装置が、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測するのに対して、請求項２の流速観測装置は、河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の距離を計測するものである。河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の水平角と鉛直角と距離とを計測することにより、河川の表面上の特徴点の実空間上の三次元位置座標が求まり、この三次元位置座標を用いて、カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を算出するのである。

次に、本発明の請求項３の流速観測装置は、上記請求項１又は２の流速観測装置において、角度計測手段と距離計測手段として、測距部と測角部とを一体としてなる測量用トータルステーションを用い、カメラ手段とトータルステーションとを一体化された構成とし、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として特徴点の水平角および鉛直角を計測することを特徴とするものである。

トータルステーションとは、距離と角度を同時に測定することにより三次元位置を特定する計測機であり、角度の測定は角度計により、距離の測定はレーザー距離計により計測する。レーザー距離計は、計測機から発射されたレーザーが計測点で反射されて計測機に戻ってくるまでの時間から算出している。一般的に、計測点でレーザーを反射するためにプリズムが利用されている。プリズムを利用しない計測も可能であるが、計測点の状況などに左右されるとともに計測距離の制約も大きい。
本発明の流速観測装置では、このトータルステーション、すなわち、光波測距儀と経緯儀とを一体としてなる測量用トータルステーションを用い、カメラ手段とトータルステーションとを一体化された構成とし、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として特徴点の水平角および鉛直角を計測することにしたものである。
これにより、本発明の流速観測装置が、容易に構築することが可能となる。

また、本発明の請求項４の流速観測装置は、上記請求項１〜３の流速観測装置において、有線もしくは無線の通信ネットワークを介して外部装置と周期的に及び／又はイベント的にデータ通信を行う手段を更に備える構成とされ、実河川の水面各部の流速データ及び／又は撮影画像データを周期的に及び／又はイベント的にネットワーク上に配信することを特徴とするものである。

上記の構成とされることにより、本流速観測装置がスタンドアロンの装置として機能するのではなく、実河川の水面各部の流速データや撮影画像データを所定の周期で外部装置（例えばデータ収集サーバなどのコンピュータ）に送信したり、外部装置からデータ送信要求があった場合に、ネットワーク上に配信することが可能となる。

また、本発明の請求項５の流速観測装置は、上記請求項１〜４の流速観測装置において、水平角と鉛直角の計測対象となる前記特徴点が撮影アングル中に存在しない場合において、河川の表面の見かけを部分的に変化させ得るレーザーポインタ手段を備える構成とされる。

撮影アングル中に特徴的な点がみられない場合は、レーザーポインタ等で、計測対象表面の見かけを部分的に変化させることにより、その点を画像上で確認することができ、角度計測を行う際のターゲットとすることが可能となるのである。

次に、本発明の請求項６の流速観測方法は、下記１）〜６）を備えた構成とされたことを特徴とする。
１）実河川の表面水流をカメラ手段によって撮影するステップ
２）カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測するステップ
３）少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測するステップ
４）カメラ手段の撮影画像データと特徴点の水平角と鉛直角と水面高さからの高低差とを解析手段に入力するステップ
５）解析手段において、カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記水平角と鉛直角および高低差から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正するステップ
６）解析手段において、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定するステップ

次に、本発明の請求項７の流速観測方法は、下記１）〜６）を備えた構成とされたことを特徴とする。
１）実河川の表面水流をカメラ手段によって撮影するステップ
２）カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測するステップ
３）河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の距離を計測するステップ
４）カメラ手段の撮影画像データと特徴点の水平角と鉛直角と距離とを解析手段に入力するステップ
５）解析手段において、カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記水平角と鉛直角および距離から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正するステップ
６）解析手段において、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定するステップ

また、本発明の請求項８の流速観測方法は、上記請求項６又は７の流速観測方法において、測距部と測角部とを一体としてなる測量用トータルステーションとカメラ手段とが一体化された装置を用いて、実河川の表面水流を前記カメラ手段によって撮影するステップと、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測するステップと、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測するステップを行うものである。

次に、本発明の請求項９の流速観測プログラムは、実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差もしくは前記特徴点との距離を計測する距離計測手段と、実河川の表面各部の流速分布を算定する解析コンピュータとを備えた流速観測システムにおいて、解析コンピュータに、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正させる手順と、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析を実行させ、実河川の水面各部の流速データを算定させる手順とを実行させるものである。

また、本発明の請求項１０の流速観測プログラムは、上記請求項９の流速観測プログラムにおいて、有線もしくは無線の通信ネットワークを介して外部装置と周期的に及び／又はイベント的にデータ通信を行う手順を更に実行させるものである。

また、本発明の請求項１１のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記請求項９又は１０の流速観測プログラムを記録したものである。

本発明は、トータルステーション等による角度計測では計測点にプリズムを配置する必要がないため、計測点に近づくことが困難である地点を幾何変換パラメータの決定に利用することが可能となる。これにより解析のための画像撮影をより迅速かつ安全に行うことが可能となり、計測アングルの自由度も高まるといった効果を有する。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
図２は、本発明の流速観測装置の概念図を示している。また、図３は、本発明の流速観測装置の機能ブロック図を示している。また、図４は、本発明の流速観測装置の処理フローを示している。
本発明の流速観測装置は、図２に示されるように、実河川の水流表面を広範囲に撮影するために、川岸の土手４に設置される。本発明の流速観測装置１は、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点（例えば、図２中のＡ，Ｂの２点）の水平角および鉛直角を計測する角度計などの角度計測手段を備える。また、少なくとも水面高さからカメラ手段のレンズの投影中心までの高低差（図２中のｈで示す）を計測するレーザー測定器などの距離計測手段を備える。

図３の機能ブロック図に示されるように、カメラ手段２１の撮影画像データ（斜め画像データ）と角度計測手段２２で得られた特徴点の水平角と鉛直角と距離計測手段２３で得られた水面高さからの高低差とを解析手段２４へ入力する。解析手段２４はコンピュータで実現される。解析手段２４では、角度計測手段２２および距離計測手段２３から幾何変換パラメータを決定し（２５）、カメラ手段２１により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、決定された幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し（２６）、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し（２７）、実河川の水面各部の流速データを算定する（２８）。

また、本発明の流速観測装置は、特徴点の角度計測と水面からの高低差を計測することで、幾何変換パラメータを決定するため、従来の流速観測装置の計測手順によるような、標定パネルの設置・測定や見通しを十分に確保するための草木の伐採を不要とする。
図４の処理フローに示されるように、計測地点の決定（Ｓ１０）、撮影アングルの決定（Ｓ２０）、特徴点の測量（Ｓ３０）、幾何変換パラメータの決定（Ｓ４０）を行い、カメラ手段による撮影（Ｓ５０）、撮影画像の幾何補正（Ｓ６０）、ＰＩＶ解析（Ｓ７０）、流速データ算定（Ｓ８０）、河川表面の流速分布の出力（Ｓ９０）を繰り返すのである。

図５は、トータルステーションの機能ブロック図を示している。本発明の流速観測装置における角度計測手段と距離計測手段として、図５の機能ブロックに示されるような測距部と測角部とを一体としてなる測量用トータルステーションを用い、カメラ手段とトータルステーションとを一体化された構成とし、カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として特徴点の水平角および鉛直角を計測するのである。
測角部５３、測距部５４、カメラ画像の各計測の入力情報は、光路変換部５１の選択によって１個の望遠レンズ５０により計測される。コントローラ５６が測角部５３，測距部５４よびデジタルビデオカメラを制御して測角と測距および画像取得を行う。
操作・表示パネル５９を用いて、コントローラ５６の操作指示や取得されたデータ表示を行う。通信手段５８は外部装置とネットワーク通信を行うものである。また、記録手段５７は、測角と測距および画像をハードディスクなどのストレージに記録保存するものである。

実施例１では、本発明の流速観測方法の有効性を確認する実験を示し、実際に計測が可能であること、従来法と比較して本発明の流速観測方法の精度を検証する。
本発明の流速観測方法は、屋外計測を対象としており、実河川の表面の如く、ある程度大きなスケールの空間を適当な精度で把握することを目的としている。本実験においては、大学敷地内の水質モニター小屋を計測対象とした。この小屋は矩形の建物であり、形状が明確であるため、誤差評価に適切であるからである。

画像の撮影に用いたカメラ手段は、ソニー製ＨＤＶカメラ（型番：ＨＤＲ−ＦＸ１）を用いた。このカメラ手段では、1440×1080ピクセル（ピクセルのアスペクト比：1.333）の画像をインターレースで３０ＦＰＳの動画として記録可能である。動画はＭＰＥＧ２形式により圧縮されテープに記録される。
また、角度や距離の位置計測手段として、トータルステーション（Leica製，型番：ＴＰＳ７００）を用いた。このトータルステーションの測角の公称精度５秒（0.00027度），光波測距精度は５ｍｍ＋３ｐｐｍである。
評価実験における７点の計測点（１〜７）を図６に示す。また、下記表１に計測点（１〜７）の水平角と鉛直角および斜距離の計測結果を示す。

ここで、幾何変換の対象平面は建物屋上としている。建物屋上に相当する計測点１〜４の高さの平均は、−9.38（ｍ）であり、幾何変換の対象平面は、ｚ＝−9.38（ｍ）とした。図７は、幾何変換画像（（ａ）幾何変換前、（ｂ）幾何変換後）を示している。図７（ａ）にみられる建物屋上の歪みが、図７（ｂ）において取り除かれており、建物の本来の平面形である矩形が再現されていることが確認できる。

次に、本発明の流速観測方法と従来の流速観測方法との計測精度を調査するために、幾何変換係数決定において利用する計測点の情報の組み合わせを下記表２に示す７通りに設定した。Case１〜３は本発明の流速観測方法に相当する情報であり、幾何変数パラメータの決定に利用する計測点の数を７点，４点，２点と変えている。Case４は与える情報が一番多く、今回の誤差検討ではこのCase４での結果からの偏差により誤差を評価することとする。Case５〜７は従来の流速観測方法に相当するもので、幾何変数パラメータの決定に利用する計測点の数を７点，４点，３点と変えている。最後にCase８は、従来の流速観測方法において計測点を２点とした場合に相当する。但し、２点の計測点でカメラ位置を逆算することは困難なことから、Case８ではカメラ位置を与えている。

さらに、計測誤差に対する感度を調べる目的で、トータルステーションによって計測された水平角および鉛直角に人為的に誤差を与えた組み合わせを３通り実施した。誤差は、計測点の７点の水平角および鉛直角のすべてに乱数で与えることとした。与えた誤差の標準偏差は０．１度である。
以上により、計測値をそのまま用いる１系列と、人為的な誤差を与える３系列があるため、総ケース数としては４系列×８ケース＝３２である。本実験の全３２ケースのマトリックスを図８に示す。

本実験の全３２ケースの結果をグラフにまとめたものを図９に示す。図９のグラフの縦軸は誤差を示している。誤差の算出方法は、図７（ａ）中の点１，２，３，４の画像平面上の位置を、それぞれのケースで算出した幾何変換パラメータを用いて物理座標に変換したものを、計測値を用いたCase４で得られた結果と比較し、４点それぞれの位置のずれの最大距離を誤差としている。従って、ここでの誤差が計測値を用いたCase４を基準とした相対誤差であり、計測値自体の誤差やレンズ歪み等の影響は考慮されていない。図９のグラフで確認できるように、誤差を加えたケースでは計測値を用いるケースより誤差が大きくなっていることがわかる。また、用いる計測点の数が少ないCase３，７，８では誤差が大きくなっていることが確認できる。次に、ケースを系統的に整理して精度検討を行う。

本発明の流速観測方法の誤差評価とするために、計測値を用いたCase１〜３の結果をプロットしたグラフを図１０に示す。図１０のグラフから、計測値に大きな誤差が含まれない場合には、利用する計測点を７点から２点に減らしたとしても、幾何変換への影響はほとんどみられず、数ｃｍ程度の高い精度で幾何変換が可能であることが確認できる（計測点数が７点，４点，２点の場合の誤差は、それぞれ０．５ｃｍ，２ｃｍ，１ｃｍである。）。

次に、図１０のグラフに人為的な誤差を加えたケースを追加してプロットしたものを図１１のグラフに示す。図１１のグラフから、計測点の位置計測における誤差が大きい場合には、利用する計測点数が少なくなると幾何変換への誤差の影響が大きく、標準偏差０．１度程度の誤差が含まれる場合に２点の計測点を用いると最大５０ｃｍ程度の位置のずれが見られることが確認できる。

次に、本発明の流速観測方法（Case１〜３）と従来の流速観測方法（Case５〜７）との比較のために、横軸を計測点数とし縦軸を誤差としたグラフに両方をプロットしたものを図１２に示す。図１２のグラフから、計測値に大きな誤差が含まれない場合、人為的な誤差を加えた場合の双方で、概ね、従来の流速観測方法に対して本発明の流速観測方法は同程度か誤差が小さくなっていることが確認できる。

本実験により、角度計測を利用する本発明の流速観測方法により幾何変換が可能であることが示されたことになる。幾何変換の精度については、本発明の流速観測方法を用いる場合、計測点の位置を高精度に観測可能な場合には、用いる計測点が２点であっても７点用いる場合と同程度の精度(数ｃｍ)で変換が可能であることが示された。
また、従来の流速観測方法と比較すると本発明の流速観測方法の精度は、同程度か本発明の流速観測方法の方がやや高精度という結果が示された。これは幾何変換パラメータの決定においては角度情報を用いる場合と、位置情報を用いる場合とで本質的な相違はなく、本発明の流速観測方法では角度情報に加えてカメラ位置も暗黙的に考慮されるため、従来の流速観測方法を利用する場合に比べて制約条件が増えるためと考えられる。

以上により、角度計測を利用する本発明の流速観測方法は、画像の幾何変換を行う際に有効な方法であるとともに、従来の流速観測方法に比べ精度は同程度かやや高精度であることが確認できた。本発明の流速観測方法では従来の流速観測方法で必要となる距離計測が不要となるため、この点で本発明の流速観測方法は測定作業における効率性および精度の両面で従来の流速観測方法に対する優位性を持っていることが理解されよう。

本発明の流速観測装置、流速観測方法および流速観測プログラムは、実河川の流速計測システムに利用することができる。

カメラモデルの座標系を示す図 本発明の流速観測装置の概念図 本発明の流速観測装置の機能ブロック図 本発明の流速観測装置の処理フロー図 トータルステーションの機能ブロック図 評価実験における７点の計測ポイントを示す図 計測対象の建物の幾何変換画像（（ａ）幾何変換前，（ｂ）幾何変換後） 本実験の全３２ケースのマトリックス 本実験の全３２ケースの結果をまとめたグラフ 本発明の流速観測方法の誤差評価とするために計測値を用いたCase１〜３の結果をプロットしたグラフ 人為的な誤差を加えたケースを追加してプロットしたグラフ 本発明の流速観測方法（Case１〜３）と従来の流速観測方法（Case５〜７）との比較のためのグラフ

符号の説明

１ 本発明の流速観測装置
２ 河川
３ 対岸の陸地
４ 川岸の土手
５ 河川表面の観測範囲

Claims (11)

1. 実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測する距離計測手段と、前記カメラ手段の撮影画像データと前記角度計測手段で得られた特徴点の水平角と鉛直角と前記距離計測手段で得られた水面高さからの高低差とを入力する解析手段とを備え、前記解析手段は、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定することを特徴とする流速観測装置。
2. 実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の距離を計測する距離計測手段と、前記カメラ手段の撮影画像データと前記角度計測手段で得られた特徴点の水平角と鉛直角と前記距離計測手段で得られたデータとを入力する解析手段とを備え、前記解析手段は、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正し、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定することを特徴とする流速観測装置。
3. 前記角度計測手段と距離計測手段として、測距部と測角部を一体としてなる測量用トータルステーションを用い、前記カメラ手段と前記トータルステーションとを一体化して、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として特徴点の水平角および鉛直角を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の流速観測装置。
4. 有線もしくは無線の通信ネットワークを介して外部装置と周期的に及び／又はイベント的にデータ通信を行う手段を更に備え、前記実河川の水面各部の流速データ及び／又は撮影画像データを周期的に及び／又はイベント的にネットワーク上に配信することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流速観測装置。
5. 水平角と鉛直角の計測対象となる前記特徴点が撮影アングル中に存在しない場合において、河川の表面の見かけを部分的に変化させ得るレーザーポインタ手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流速観測装置。
6. 実河川の表面水流をカメラ手段によって撮影するステップと、
   前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測するステップと、
   少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差を計測するステップと、
   前記カメラ手段の撮影画像データと特徴点の水平角と鉛直角と水面高さからの高低差とを解析手段に入力するステップと、
   前記解析手段において、
   前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記水平角と鉛直角および高低差から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正するステップと、
   得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定するステップとを備えたことを特徴とする流速観測方法。
7. 実河川の表面水流をカメラ手段によって撮影するステップと、
   前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測するステップと、
   河川の表面上の特徴点のうち少なくとも１点の距離を計測するステップと、
   前記カメラ手段の撮影画像データと特徴点の水平角と鉛直角と距離とを解析手段に入力するステップと、
   前記解析手段において、
   前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を、前記水平角と鉛直角および距離から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正するステップと、
   得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行し、実河川の水面各部の流速データを算定するステップとを備えたことを特徴とする流速観測方法。
8. 測距部と測角部とを一体としてなる測量用トータルステーションとカメラ手段とが一体化された装置を用いて、角度計測と高低差計測もしくは距離計測を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の流速観測方法。
9. 実河川の表面水流を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段のレンズの投影中心座標からの角度として、少なくとも２点の特徴点の水平角および鉛直角を計測する角度計測手段と、少なくとも水面高さから前記カメラ手段のレンズの投影中心までの高低差もしくは前記特徴点との距離を計測する距離計測手段と、実河川の表面各部の流速分布を算定する解析コンピュータとを備えた流速観測システムにおいて、
   前記解析コンピュータに、前記カメラ手段により撮影された実河川の表面水流の斜め画像を前記角度計測手段および距離計測手段から決定される幾何変換パラメータを用いて垂直平面画像に幾何補正させる手順と、得られた垂直平面画像に対してＰＩＶ解析を実行させ、実河川の水面各部の流速データを算定させる手順とを実行させるための流速観測プログラム。
10. 有線もしくは無線の通信ネットワークを介して外部装置と周期的に及び／又はイベント的にデータ通信を行う手順を更に実行させることを特徴とする請求項９に記載の流速観測プログラム。
11. 請求項９又は１０に記載の流速観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。