JP2008082929A

JP2008082929A - 水位計測装置

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Publication number: JP2008082929A
Application number: JP2006264429A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Kobayashi; 範之小林; Motomu Tsuji; 求辻
Original assignee: Asia Air Survey Co Ltd
Current assignee: Asia Air Survey Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP4221432B2

Abstract

【課題】安価で設置しやすく、かつ観測地の河川を横断して計測可能で、複数の流路を持つ河川においても正確な水位を計測できる水位計測装置を提供する。
【解決手段】河川を横断して走査し、計測データとして、計測点ごとの照射角度、反射距離および反射強度を出力するレーザスキャナと、レーザスキャナに接続され、計測データを受信する計測データ入力部と、計測データ入力部に接続され、計測データを記憶しておく計測データ記憶メモリと、計測データ記憶メモリに接続され、計測データを読み出し、計測データから水位座標を算出する水位算出部と、水位算出部が算出した計測点ごとの水位座標を外部に送信するデータ通信部とを具備する制御記録処理装置とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川の水位を観測する水位計測装置に関する。特に、レーザスキャナを利用することで、観測地の水面を含めた河川の横断表面の標高を連続的に計測する水位計測装置に関する。

河川事業の目的である「治水」及び「利水」を円滑に行う上で、河川管理の１項目として、河川の水位観測がある。周期的に河川の水位を観測し、「治水」として雨天の際の洪水を予測したり、「利水」として利用可能な水量を測定するのに利用される。そのためにリアルタイムに、より正確な観測値を収集するために様々な計測計が開発されている。

最も単純な測定方法としては、観測地点の河川の水中に水位標を立て、定期的に河川管理者が水位を目視して計測する方法がある。さらに、フロートを水面に浮かべて、その上下の動きを機械的に記録するフロート式水位計や、水位の変化に伴い、水中に設置された受圧部が受ける水圧の変化を測定する水圧式水位計や、超音波が水面に当たって戻ってくる時間を測定することにより、非接触で距離を計測する超音波式水位計などが開発されている。

また、レーザを照射してカメラで撮像し、その画像信号を処理して水位を求める装置も考えられている（特許文献１参照）。
特開平５−１２６６１７号公報

図２に示すように、上述した水位計測装置では、観測地点に水位計（観測井）を設置する必要がある上に、水位計を設置した地点のみの水位しか計測できないものがほとんどである。

しかし、観測地と指定された場所によっては、図２のように、低水時になると、複列砂州によって、流路が複数に分断される。そして各流路で水位が異なるために、１点のみで計測しても正確な水位の観測値を得ることはできない。降雨等で水量が増した場合には、流路が１つとなるため、こうした問題は発生しにくいが、土砂などの堆積物で流路が複数に分断されてしまう場合も考えられる。特に川幅が広い河川ほど、こうした状況になりやすい。

さらに、河床の形状は出水の都度変化するものであり、それらの複数流路の位置も常に変化しているため、従来の水位計ではそうした河床変動に対応できない。

また、利水面では、常にどれだけの水量が流れているのかが、水利権において非常に重要な情報となる。しかし、川底をわずかに流れるような水量の際に、水位を正確に計測することが困難となっている。

一方、特許文献１に記載されたような大掛かりな装置では、設置が難しく、観測地が多い場合は費用も多大となる。

したがって、安価で設置しやすく、かつ観測地の河川を横断して計測することで、複数の流路にも対応できる水位計測装置の提供が望まれている。

本発明の水位計測装置は、橋梁の側面に河川に対してレーザをスキャニングしながら発射可能にレーザスキャナを取り付け、該レーザスキャナがこの計測データとして、計測点ごとの照射角度、反射距離および反射強度を出力し、これらのデータを用いて前記河川の水面の水位置を算出する水位計測装置である。

前記レーザスキャナに接続され、前記計測データを受信する計測データ入力部と、前記計測データ入力部に接続され、前記計測データを記憶しておく計測データ記憶メモリと、
前記計測データ記憶メモリに接続され、前記計測データを読み出し、前記計測データから前記水面の水位座標を算出する水位算出部と、前記水位算出部が算出した前記計測点ごとの水位座標を外部に送信するデータ通信部とを備えたことを要旨とする。

ここで、本発明の水位計測装置のレーザスキャナは、レーザパルスを発射するレーザ発光部と、レーザ発光部に接続され、河川を横断して走査するように、レーザパルスを照射する位置を移動させていくレーザ光走査部と、レーザパルスが計測点に反射して戻ってくる反射パルスを受光するレーザ反射光受光部と、レーザ反射光受光部に接続され、計測点ごとの計測データを出力する計測データ出力部とを含むことを要旨とする。

さらに、本発明の水位計測装置は、レーザ発光部とレーザ光走査部に接続され、レーザ走査の制御を行うレーザ走査制御部を含み、かつ、レーザ走査制御部は、データ通信部に接続され、走査条件を外部から設定されることが好ましい。

本発明によれば、河川に沿って現存する橋等の建築物に取り付けられる程度の小型な水位計測装置を提供でき、安価で設置しやすく、かつ観測地の河川を横断して計測できるため、複数の流路を持つ河川においても正確な水位を計測できる。

また、レーザスキャナを使用することで、水量が極めて少ない状態や、夜間でも、連続して正確な水位を計測できる。

さらに、通信手段を備えているために、リアルタイムで自動的にデータを収集できる。

本発明の実施の形態における水位計測装置１０は、図１に構成図を示したように、大別して、レーザスキャナ２０と制御記録処理装置３０で構成される。レーザスキャナ２０は、光学的機能をはたし、制御記録処理装置３０は、情報処理機能をはたす。

図１を参照しながら、レーザスキャナ２０の詳細な構成を説明する。レーザスキャナ２０は、レーザパルスを発射するレーザ発光部２２と、レーザ発光部２２に接続され、対象物（河川）を走査するようにレーザパルスを照射する位置を移動させていくレーザ光走査部２１を具備する。さらに、レーザスキャナ２０は、照射されたレーザパルスが対象物に反射して戻ってくる反射パルスを受光するレーザ反射光受光部２３と、レーザ反射光受光部２３に接続され、受光した反射パルスから、対象物までの距離である反射距離ｍを計測し、そのときの照射角度θと反射強度ｖとともに計測データｄ１として出力する計測データ出力部２４を具備する。

次に、図１を参照しながら、制御記録処理装置３０の詳細な構成を説明する。制御記録処理装置３０は、外部通信装置４０との間でデータの送受信を行うデータ通信部３２を具備する。

また、レーザスキャナ２０のレーザ光走査部２１とレーザ発光部２２に接続され、レーザ走査の制御を行うレーザ走査制御部３１を具備する。レーザ走査制御部３１にはデータ通信部３２が接続され、外部通信装置４０から入力される走査条件ｋが設定される。

さらに、制御記録処理装置３０は、レーザスキャナ２０の計測データ出力部２４に接続され、計測データ出力部２４から出力されてくる計測データｄ１を受信する計測データ入力部３３と、計測データ入力部３３に接続され、入力された計測データｄ１を記憶しておく計測データ記憶メモリ３４を具備する。

計測データ記憶メモリ３４には、記憶された計測データｄ１を読み出し、計測データｄ１から水位を算出する水位算出部３５が接続される。水位算出部３５は、算出した観測点の水位座標ｄ２をデータ通信部３２を経由して外部通信装置４０に送信する。

ここで、レーザスキャナ２０による計測原理を説明すると、レーザ光走査部２１がレーザパルスを照射した時刻と、そのレーザパルスが対象物に反射して戻ってくる反射パルスをレーザ反射光受光部２３が受光した時刻から時間間隔を測定し、その時間間隔から対象物までの距離を算出する。

また、可視光のレーザに正弦波の変調をかけ、レーザ光走査部２１から照射したレーザパルスと、レーザ反射光受光部２３で受光した反射パルスの光波の位相差を測定することで、対象物までの距離を算出する方法もある。

本発明の実施の形態における水位計測装置１０に用いるレーザスキャナ２０は、移動機器や車両の衝突防止や、位置特定、人の出入り監視や人数カウント、物体の断面形状計測などにも利用される。従って、レーザの強度は人体に影響のない程度であり、河川に設置しても安全である。

また、レーザ光走査部２１は、レーザ発光部２２から発射されるレーザパルスを、ガルバノミラーなどによって、回転反射させて走査する方法を用いてもよいし、レーザスキャナ２０の本体または一部をモータなどで回転させて走査する方法を用いてもよい。

このように、レーザスキャナ２０の構成については、少なくとも図１に示した機能部を備え、対象物までの距離データを出力するものであればよく、それ以外の制限は特にない。

本発明の実施の形態における水位計測装置１０の第１設置例は、図３に示すように、河川に架かる橋のほぼ中央にレーザスキャナ２０を設置するものである。人体に影響を与えない強度のレーザを用いても、レーザスキャナ２０からの落差数十メートル程度で、スキャン幅８０メートル程度の計測は十分可能である。

本発明の実施の形態における水位計測装置１０の第２設置例は、図４に示すように、河川に架かる橋に複数のレーザスキャナ２０を設置するものである。このように設置することで、川幅が広い場合でも対応できる。この場合、複数のレーザスキャナ２０を１つの制御記録処理装置３０と接続して制御することで、収集した計測データｄ１の処理を一括して行うことが望ましいが、複数のレーザスキャナ２０毎に制御記録処理装置３０を接続し、個別にデータを収集する構成であっても構わない。

次に、河川の水位計測方法について説明する。図３及び図４に示したように、照射されたレーザパルスは、砂州などの陸地では反射されるが、水面ではほとんど反射されない。したがって、図５の水位算出原理図に示すように、河川を横断して走査し、各計測点Ｐでの反射パルスを受光できたかを判定する。そして反射パルスを受光できなくなった計測点Ｐが、陸地と水面の境、すなわち水際と判断でき、計測できた計測点Ｐまでの反射距離ｍと照射角度θから、その計測点Ｐの標高を算出することで水位を求められる。

レーザスキャナ２０を設置する時点で、レーザパルスの照射元である基準点Ｓの座標（ａ，ｂ，ｃ）を測定して、制御記録処理装置３０に設定しておく。走査面をｘ軸方向とみなし、計測点Ｐのｘ座標は、基準点Ｓのｘ座標と同じとすると、基準点Ｓから計測点Ｐまでの標高差ｈと、基準点Ｓから計測点Ｐまでの離間距離ｗを算出することで、計測点Ｐの相対座標（ａ，ｙ，ｚ）＝（ａ，ｂ＋ｗ，ｃ−ｈ）となる。ここで、計測点Ｐまでの反射距離ｍと照射角度θから、標高差ｈ＝ｍ・ｃｏｓθ、および基準点Ｓから計測点Ｐまでの離間距離ｗ＝ｍ・ｓｉｎθと算出できる。

ただし、水面からのレーザパルスの反射は皆無ではなく、水面上の浮遊物や水の動きによって、わずかながら反射されるため、一度のスキャン結果のみで水際を判定しようとすると、誤りが生じる可能性がある。そのために、反射パルスの反射強度ｖを測定して、判定に利用する。たとえば、反射強度ｖがある閾値以下である反射パルスは、反射がなかったものと判断して除外することで、精度を増す。

図６を参照しながら、一定時間走査を繰り返し、複数の走査結果の平均を取ることで、正確な走査断面の標高座標を求める処理を説明する。

（イ）制御記録処理装置３０に予め設定しておいた走査条件に従って、レーザ走査制御部３１から、レーザスキャナ２０に対して、走査開始指示ｄｓを出す。ここで、走査条件には、走査開始間隔と、走査繰り返し回数または走査継続時間などがある。たとえば、１０分間隔で、１分間連続走査を行って、各回の計測データｄ１を出力させるようにする。

（ロ）走査開始指示ｄｓを受信したレーザスキャナ２０は、走査を開始し（Ｓ１００）、各計測点Ｐの反射パルスの計測を行う（Ｓ１０１）。そして、計測データｄ１を制御記録処理装置３０の計測データ入力部３３に対して送信する（Ｓ１０２）。

（ハ）走査面の始点から終点まで走査し終わったら、再走査するかを判定し（Ｓ１０３）、再走査が必要な場合は、（ロ）の処理を繰り返す。完全に走査終了の場合は、その時点で完了する。この場合は、走査開始指示ｄｓによって、予め走査繰り返し回数または走査継続時間などの値を受信しておく。または、再走査の判定に代えて、レーザ走査制御部３１から、走査終了指示を出しても構わない。

（ニ）走査の第１回から第ｎ回までの計測データｄ１を受信した制御記録処理装置３０の計測データ入力部３３は、計測データｄ１を受信するたびに、計測データ記憶メモリ３４に書き込み、蓄積していく（Ｓ２００）。

（ホ）走査が完了し、計測データｄ１を予定数蓄積されると、水位算出部３５は、蓄積された計測データｄ１をすべて読み出す（Ｓ２０１）。次に、各計測データｄ１の照射角度θが同じ計測点Ｐの反射強度ｖの平均を算出する（Ｓ２０２）。算出した平均の反射強度ｖが予め設定しておいた閾値以下である場合は、水面からの反射であるとみなし、その計測データｄ１は削除する（Ｓ２０３）。または、水面反射である可能性があることを示すマーカを計測データｄ１に付加して識別してもよい。

（へ）全計測データｄ１について、上記の反射強度ｖのフィルタにかけ終わったら、残った計測点Ｐの照射角度θと、反射強度ｖと同様に求めた平均の反射距離ｍから、前述した三角関数計算により、計測点Ｐの座標を求める（Ｓ２０４）。

（ト）求めた座標では、水面に対応する場所のデータが欠落していることになるので、座標を連結していったときの中断点が水際と判定できる。その中断点の座標から水位を決定する（Ｓ２０５）。

以上の処理によって水位を決定し、算出された水位座標ｄ２をデータ通信部３２を介して送信する。ここで、水位座標ｄ２は、水際と判定された地点の座標だけではなく、それ以外の砂州などの陸地の座標を含んでもよい。

算出された全座標を収集することで、たとえば、図７に示したように、河川の横断面のグラフと重ね合わせて、走査した河川の走査面の起伏を外部のコンピュータで描画することに利用できる。

図８（ａ）に、具体的な計測の模式例と得られる結果を表として表わす。ここでは、５度毎の照射角度θで、基準点Ｓから左右３５度の範囲を走査した場合に得られる、計測点Ｐ１からＰ１５までの計測データｄ１（照射角度θ、反射距離ｍ、反射強度ｖ）を示している。

反射強度ｖは、照射した光量に対して、反射して得られた光量の割合値（パーセント）を示しているが、光量値を直接用いても構わない。

計測データ欄に数値が記されていない箇所は、レーザパルスの反射が受光できずに、計測値が得られない場合を示している。たとえば、計測点Ｐ３から計測点Ｐ６、及び計測点Ｐ１１と計測点Ｐ１２がこれに該当する。実際の地形では、これらの計測地点は水面にあたる。

図８（ｂ）中の表では、走査１回分の計測データｄ１のみを示しているが、実際には、走査を実施する毎に、計測点Ｐ１からＰ１５までの同様の計測データｄ１が、計測データ入力部３３によって計測データ記憶メモリ３４にデータベースとして蓄積される。

得られた計測データｄ１から、前述した三角関数計算によって、水位算出部３５が算出した各計測点Ｐの相対座標値を表に示す。断面位置（ｙ座標）は、基準点Ｓの直下（ここではＰ８）をゼロとした離間距離ｗで表示している。標高（ｚ座標）は、三角関数計算から得られた高さと基準点Ｓの標高の差である。ここでは単位はそれぞれメートルとしてある。

計測点Ｐ３から計測点Ｐ６、及び計測点Ｐ１１と計測点Ｐ１２のように、反射パルスを受光できず計測値がない場合は、その地点の算出結果なしとなる。計測できなかった履歴を残したい場合には、その旨を示すマーク（たとえば１６進数でＦＦＦなど）を設定しても構わない。

算出された断面位置と標高のデータをプロットしてみると、計測点Ｐ３から計測点Ｐ６、及び計測点Ｐ１１と計測点Ｐ１２の間のように、途中で連続してデータの途切れる箇所が生じる。連続してデータが途切れた箇所を水面と判定し、途切れる直前・直後の計測点Ｐの標高が、途切れる区間の水面の水位となる。

図８（ｂ）では、計測点Ｐ２と計測点Ｐ７が水際であり、それぞれの標高値０．５メートルがその区間の水面の水位となる。また、図８（ｂ）では流路が２本になっていて、もう１本の流路は、計測点Ｐ１０から計測点Ｐ１３の間に存在し、計測点Ｐ１０から計測点Ｐ１３の標高値から水位０．４メートルと判定できる。

このように、計測しようとする河川に複数の流路が存在し、それぞれ異なる水位の場合でも、本発明の水位計測装置を用いることで、それぞれの水位を計測できる。また、流路の位置も判断できる。

図８（ａ）では、説明のため計測点Ｐの数を少なくしているが、実際の走査の照射角度θの間隔は極めて小さいので、誤差は極めて少ない。

また、図８（ａ）では、１回の走査の計測データｄ１から水位を算出する例として示したが、図６を用いて前述したように、複数回の走査の計測データｄ１から、各計測点Ｐの反射距離ｍと反射強度ｖの平均を求めた後に、水位算出を行うこともできる。

図８（ｂ）中の表の計測データｄ１は、たとえば、平均反射強度ｖが閾値（たとえば３０）以下なら、その計測点Ｐのデータを削除するなどの処理を行ったあとのデータとしてみることもできる。

すなわち、計測点Ｐ３から計測点Ｐ６、及び計測点Ｐ１１と計測点Ｐ１２でも、何回かは水面の浮遊物に反射して反射パルスを受光して計測してしまう可能性もある。

しかし、平均することで、そうした誤った計測を排除できる。この場合、図８（ｂ）中の表は、排除した結果、計測点Ｐ３から計測点Ｐ６、及び計測点Ｐ１１と計測点Ｐ１２のデータが削除された状態を示している。

図６に示した処理手順は１例であって、処理の順番やデータの加工方法は、本発明の機能が実現可能な範囲において、種々の組み合わせが考え得ることは言うまでもない。

また、図１に示した構成図では、レーザ走査制御部３１が制御記録処理装置３０に備えられているが、レーザスキャナ２０にレーザ走査制御部３１を備えることで、レーザスキャナ２０側で自律的に動作させる構成をとることも可能である。

本発明の実施の形態を説明するために各図において示した各装置の機能や保持するデータの配置は、あくまでも例示であって、本発明の機能を実現するために限定したものでない。よって、本発明の機能が実現可能な範囲において、種々の処理手段の配置が考え得ることは言うまでもない。

本発明の実施の形態における水位計測装置の構成図である。従来の水位計の設置例ある。本発明の実施の形態における水位計測装置の第１設置例である。本発明の実施の形態における水位計測装置の第２設置例である。水位座標算出原理図である。水位座標算出処理のフローチャートである。水位計測結果を河川横断面に重ねたグラフである。水位計測の具体例と結果の説明図である。

符号の説明

１０水位計測装置
２０レーザスキャナ
２１レーザ光走査部
２２レーザ発光部
２３レーザ反射光受光部
２４計測データ出力部
３０制御記録処理装置
３１レーザ走査制御部
３２データ通信部
３３計測データ入力部
３４計測データ記憶メモリ
３５水位算出部
４０外部通信装置

Claims

橋梁の側面に河川に対してレーザをスキャニングしながら発射可能にレーザスキャナを取り付け、該レーザスキャナがこの計測データとして、計測点ごとの照射角度、反射距離および反射強度を出力し、これらのデータを用いて前記河川の水面の水位置を算出する水位計測装置であって、
前記レーザスキャナに接続され、前記計測データを受信する計測データ入力部と、
前記計測データ入力部に接続され、前記計測データを記憶しておく計測データ記憶メモリと、
前記計測データ記憶メモリに接続され、前記計測データを読み出し、前記計測データから前記水面の水位座標を算出する水位算出部と、
前記水位算出部が算出した前記計測点ごとの水位座標を外部に送信するデータ通信部とを有することを特徴とする水位計測装置。
前記レーザスキャナは、
レーザパルスを発射するレーザ発光部と、
前記レーザ発光部に接続され、前記河川を横断して走査するように、前記レーザパルスを照射する位置を移動させていくレーザ光走査部と、
前記レーザパルスが前記計測点に反射して戻ってくる反射パルスを受光するレーザ反射光受光部と、
前記レーザ反射光受光部に接続され、前記計測点ごとの前記計測データを出力する計測データ出力部
とを含む請求項１に記載の水位計測装置。
前記レーザ発光部と前記レーザ光走査部に接続され、レーザ走査の制御を行うレーザ走査制御部を含む請求項２に記載の水位計測装置。
前記レーザ走査制御部は、
前記データ通信部に接続され、走査条件を前記外部から設定されることを特徴とする請求項３に記載の水位計測装置。