JP3732026B2 - 水位計測方法、および水位計測設備 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川などのように自然環境の中にある水面の水位を自動的に計測する方法、および同じく計測する設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水位を測定する技術は、これを分類すると接触式と画像式とに大別され、後に詳述するように互いに長短が有る。
接触式の水位計測は、センサの素子が水から機械的な力を受けて状態を変化させ、その状態変化を機械的または電気的な手段で導き出すものであって、機械工学便覧第７章７．６液位の測定に記述されているフックゲージやポイントゲージが有り、また、比較的広く用いられているものとして浮子式（フロート式）水位計が有る。その他、水圧変化を測定するものや、水中に気泡を噴出させて背圧を測定する方式のものも有る。このように各種の方式の接触式水位計が有るが、いずれも何らかの形で、水による機械的な力を介して水位を計測する。
【０００３】
画像式の水位計は、水面によって反射された光学像もしくは水面によって屈折された光学像をＴＶカメラで撮像して得られた電気的信号を画像処理して水位を算出するものである。
【０００４】
上記の画像式水位計は、水面による光の反射もしくは屈折を検出し易いように、目盛付きの標尺（量水標）を水面に対して垂直に、もしくは傾斜させて固定的に設置し、この標尺付近の水面をＴＶカメラで撮像する。この種の水位計測に関する公知技術としては特開平８−１４９９２号公報に開示された“画像処理を用いた液面高さ計測方法及び装置”や、特開平７−３３３０３９号“画像処理を用いた液面位置計測方法”が有る。
ＴＶカメラから出力された映像信号を画像処理して液位信号を得るための具体的な構成は上記の公報に開示されている。
従来一般に、液面高さを自動的に検知する場合、接触式水位計と画像式液面計との長所・短所を勘案して、何れか適した方式の液面計を用いていた。また、両方の液面計を併設して、互いに独立に計測を行なわせて二つの計測値を求めることも可能であるが、二つの計測値を比較して自動的に何れか片方の計測値を採用するよう、自動的に取捨選択する技術は未だ開発されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば浄水タンク内の水位を計測する場合は、計測条件が非常に良いので、接触式水位計を用いても画像式水位計を用いても、これらの長短の差は余り顕著に現れない。従って、何れか一方の型式の水位計を設ければ概ね満足し得る計測値が得られ、両方の型式の水位計を併用しなければならない必要性はさして高くない。
しかし、例えば河川や湖沼の水位を自動的に計測して監視しようとすると、水面が自然環境に晒されているので計測条件が良くない。
すなわち、接触式水位計について見ると、水中に粘土，シルト，砂などが懸濁している場合や、水面に塵埃や廃棄物が浮遊している場合が有る上に、水中に腐食性の薬剤が混入している虞れも有る。その上、水が激しく流動したり波立ったりする場合や、激しい風圧を受けたりする場合が有る。従って、例えば浮子式の接触式水位計においては、塵埃の噛み込みや錆び付きによって浮上・沈下動を妨げられる虞れが有って、必ずしも常に正確な水位検出が可能であるとは限らない。
上述のような障害を受けない場合においても、接触式水位計は、水位の変化を何らかの機械的な（非電磁的な）力に変換するという過程を経るため、信号が複数の物理量の間で変換されるので、正常に作動しているか否かをチェックすることが容易でない。
また、画像式水位計は、ＴＶカメラ設置距離等の条件によって異なるが、例えば２００ｍｍ／Ｈ以上の豪雨，降雪，または視程２００ｍ以下の濃霧などの気象的悪条件によって視界が妨げられると水位の検出ができなくなる。この点、接触式水位計は視界を妨げられるといったトラブルを生じる虞れが無い。
図１１は、各種の計測条件下における接触式水位計と画像式水位計（画像処理による水位計測装置）との特性を対比し、環境条件に対する適応性を記号化して示した図表である。
【０００６】
さらに、環境条件の変化いかんに拘らず、水位の変化に対する計測値の応答性（時間的遅れ）という問題が有る。
図１２は、水位が下降する場合と水位が上昇する場合とについて、ＴＶ画像による水位計測値の時間的変化と、浮子式水位計による水位計測値の時間的変化とを対比して示した図表である。
曲線矢印は真値を示し、目視によって水面の位置を実測した値である。これに対して、×印で表した画像による水位計測値は良く一致しているが、黒丸印で表した浮子式水位計による計測値は時間的遅れを生じていることが分かる。
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであって、気象条件が悪くても、水質が清浄でなくても、河川，湖沼などのように自然環境の中に在る水面の高さを高い信頼性で検出し得る水位計測方法、および同じく水位計測設備を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために創作した本発明の基本的原理を、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。すなわち、気象条件の変化によって一時的にＴＶカメラの視界が遮られたり、河川の水中の異物によって接触式水位計（例えば浮子式水位計）の作動が妨げられたりしても、常に高信頼性の水位計測値が得られるようにするため、
水面付近に設けられた水位計測用標示部材５，６を撮像するＴＶカメラ４の映像出力を画像処理装置１で処理して得られた画像処理水位信号ａと、浮子式水位計９から発信された電波を受信機１０およびコーダー１１で処理して得られた水位信号ｂとをデータ処理装置８に入力し、該データ処理装置８によって上記双方の水位信号を、予め与えられたプログラムに従って比較演算することにより、信頼性の高い水位計測値を算出する。
【０００９】
上述の原理に基づいた方法の構成は、自動的かつ遠隔的に水位を計測する方法において、電気的信号を出力する接触式水位計と、水位計測用標示部材付近を撮像するＴＶカメラとの２系統の検出手段を用い、上記ＴＶカメラから出力された映像信号を画像処理して得られた水位信号と、前記接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して、上記双方の水位信号が、所定の計測誤差許容値以内で一致することを確認して、該双方の水位信号が一致したとき、その一致した水位信号が表す水位を計測値とすることを特徴とする。ただし、前記の遠隔的とは、接触式でないことの意である。以上に説明した方法によると、それぞれ別系統で計測された接触式水位計による水位信号と、画像式水位計による水位信号とが一致したことを確認するので、得られた水位計測値の信頼性が高い。しかも、ＴＶカメラおよび受信機を介して離隔的に水位信号を得るので、河川が著しく増水したりしても水位計測設備の主要構成機器類が水没して損傷する虞れは無い。その上、水位信号を得る操作、および水位信号を比較する操作は自動的に行なうことができるので、計測技術員の労力を要せず、かつ、計測作業員に人身事故を生じる虞れが無い。
【００１０】
請求項１に係る発明方法の構成は、前記方法の構成要件に加えて、前記ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られた水位信号、および、接触式水位計による水位信号のそれぞれが正常に出力されているか否かを自動的に監視し、接触式水位計による水位信号が正常に出力されており、かつ、画像処理による水位信号が正常に出力されていない場合は、
ＴＶカメラの視界を遮る一時的な異常気象が発生しているものと判断し、画像処理による水位信号が正常であるか否かの監視を継続しつつ、該画像処理水位信号が異常である期間中は前記接触式水位計による水位信号が表す水位を計測値とし、監視を継続していた画像処理水位信号が正常に復した後は、該画像処理水位信号が接触式水位計による水位信号に比して計測誤差許容値以内で一致していることを自動的に確認して、その一致した水位信号に基づいて水位の計測値を得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、異常気象の発生によってＴＶカメラの視界が妨げられた場合、該ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られる水位信号の出力状態が異常になることに基づいて異常気象の発生を検知するので計測作業員の労力を要しない。そして、異常気象によってＴＶカメラの視界が遮られている状態においても、接触式水位計は正常に作動し得るので、異常気象発生中は自動的に該接触式水位計の出力信号に基づく水位計測が続行されるので、水位計測による連続的な水位監視が中断しない。しかも、異常気象が消失すると、自動的に本来的な作動状態（画像式水位計と接触式水位計との併用・自動的比較）に復元して、信頼性の高い水位計測値が得られるようになる。
【００１１】
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、前記の水位計測用標示部材に予め目盛を設けておき、上記の目盛を撮像した映像信号と、該目盛以外の箇所を撮像した映像信号とを求めるとともに、上記２種類の映像信号それぞれを画像処理して画像濃度を算出し、算出された二つの画像濃度を自動的に比較して、両者の濃度差が予め設定された値以下である場合、および／または、目盛を含む画像の濃度が目盛以外の画像の濃度に比して予め定められた濃度比以下である場合は異常気象が発生したものと判定し、異常気象が発生したと判定された後も、前記の画像濃度の算出および濃度の比較を継続して、濃度差が設定値以上となり、および／または濃度比が設定値以上となった場合は異常気象が消失してＴＶカメラの視界が回復したと判定することを特徴とする。以上に説明した請求項２の発明方法によると、豪雨，降雪、もしくは濃霧によってＴＶカメラの視界が妨げられたときは、該ＴＶカメラが出力した画像信号の濃度が低下することを利用して異常気象の発生・消失を自動的に判定することができる。ただし、単に画像濃度の絶対値を算出しただけでは自然光（主として太陽光）の変化による照明状態の変化に影響されて適正な判定が困難であるため、本請求項２においては標示部材の目盛を含む区域の画像の濃度と目盛を含まない箇所の濃度との相対的な関係（濃度差、もしくは濃度比）を算出して設定値と比較することにより、自然光による照明状態のいかんに拘らず、異常気象の発生および消失を判定することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明方法の構成は、前記請求項１もしくは請求項２の発明方法の構成要件に加えて、ＴＶカメラから出力される映像信号を画像処理して得られた水位信号と、接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して比較し、上記双方の水位信号の差が、予め設定された値よりも大きいときは接触式水位計の出力水位信号を採用せず、画像処理して得られた水位信号に基づいて水位の計測値を得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、接触式水位計が異物の噛み込みなどによって正常に作動しなくなった場合、該接触式水位計が出力する水位信号と画像式水位計が出力する水位信号とが一致しなくなることを利用して、接触式水位計の作動異常を検知するとともに、計測値の算出を画像処理信号のみに基づくように切り換えて続行するので、水位の計測を中断することなく、連続的な水位監視を可能ならしめる。理論的な可能性のみを考察すると、接触式水位計の検出値と画像式水位計の検出値が異なっている場合、接触式水位計の検出値が誤っている可能性も画像式水位計の検出値が誤っている可能性も有ると考えられるが、本請求項においては、画像式水位計の検出値は気象条件の悪化によって視界が妨げられたときを除いて誤っている確率が極めて少ないという経験的事実に基づいて創作されたものであり、実用的価値が高い。
【００１３】
請求項４に係る発明方法の構成は、前記請求項３の発明方法の構成要件に加えて、前記画像処理による水位信号が正常に出力されており、かつ、該画像処理水位信号と接触式水位計による水位信号との差が、予め設定された値よりも大きいときは、接触式水位計が故障修理もしくは異物除去を必要とする状態になっているものと判定して、自動的に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４の発明方法によると、画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず接触式水位計と異なった計測信号が得られた場合、すなわち、異常気象によってＴＶカメラの視界が妨げられていないのに、該画像式水位計の出力水位信号と接触式水位計の出力水位信号とに通常計測誤差以上の差が有る場合には、接触式水位計に何らかのトラブル（例えば異物噛込み，摺動部固着など）が発生したものと推定して、メンティナンスを促すアラームが発せられるので、計測技術員は不断の注意力傾注を必要とせずに接触式水位計のトラブル発生を感知して所要の対処を施すことができる。
【００１４】
設備の構成は、水面の変動に伴って機械的に動かされる部材と、該部材の動きを電気的信号にして水位信号を出力変換する手段とから成る接触式水位計が設けられるとともに、水面付近に設置された標示部材と、該標示部材を撮像するＴＶカメラと、上記ＴＶカメラが出力した映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から成る画像式水位計が設けられており、かつ、前記接触式水位計から出力された水位信号、および、前記画像式水位計から出力された水位信号を入力されるデータ処理装置が設けられていて、上記データ処理装置は、予め与えられたプログラムに従って上記双方の水位信号を比較演算して水位の計測値を算出する機能を有するものであることを特徴とする。以上に説明した設備によると、性能的に互いに長短を有する接触式水位計と画像式水位計とが併設され、かつ、両者がそれぞれ出力した電気的な水位信号をデータ処理装置に入力して比較演算されるので、双方の水位計の長所を利用し、短所を補わせることができる。すなわち、気象条件の変化によって画像式水位計のＴＶカメラの視野が妨げられて水位計測不能に陥ったときは、気象条件の変化に妨げられることのない接触式水位計によって水位を算出することができ、また、水中懸濁物や水面浮遊物によって接触式水位計の作動が障害されたときは、水中懸濁物や水面浮遊物によって障害を被りにくい画像式水位計によって水位を算出することができる。このようにして、自然環境条件の中において計測を中断することなく連続的もしくは間欠的に水位を計測し、水位の変動を高い信頼性で監視したり記録したりすることができる。
【００１５】
請求項５に係る発明設備の構成は、前記構成要件に加えて、前記の標示部材には目盛が付されていて、前記のＴＶカメラは上記の目盛を含む区域と上記目盛を含まない区域とのそれぞれを撮像する機能を有しており、前記のデータ処理装置もしくはその付属機器は、前記の目盛を含む区域の画像濃度を算出する機能および該目盛を含まない区域の画像濃度を算出する機能を備えていて、上記目盛を含む画像濃度と目盛を含まない画像濃度とを比較して、両者の濃度差もしくは濃度比が予め与えられた正常範囲の値でないときは、画像式水位計から出力される水位信号を水位計測用として採用することなく、接触式水位計から出力された水位信号に基づいて水位計測値を算出する機能を有していることを特徴とする。以上に説明した請求項５の発明設備によると、１００mm／Ｈ以上の豪雨、もしくは降雪または濃霧などの気象条件によってＴＶカメラの視界が遮られたとき画像がボケて、画像濃度（コントラスト）が低下することを利用して、ＴＶカメラで撮像された標示部材の目盛の識別が可能な状態であるか否かを画像のコントラストの程度によって判定することができる。しかも、目盛の画像コントラストの絶対値に基づくことなく、目盛以外の区域の画像コントラストとの比較による相対的な比較判定が為されるので、自然光の状態（例えば真昼か黎明，薄暮か）に左右されることなく、大気中の微小粒子（雨滴，霧滴）による光の散乱状態を判定し、気象条件が画像式水位計に不適な場合は接触式水位計による水位計測を行なうので、気象条件が変化しても水位計測を中断することなく続行できる。
【００１６】
請求項６に係る発明設備の構成は、前記請求項５の発明の構成要件に加えて、前記のデータ処理装置は、接触式水位計から有効に入力された水位信号と画像式水位計から入力された水位信号とを比較して、上記双方の水位信号の差が予め設定された値よりも大きいときは、画像式水位計から入力された水位信号に基づいて水位計測値を算出するとともに、接触式水位計に異常が発生したことを告げるアラームを発する機能を有していることを特徴とする。以上に説明した請求項６の発明設備によると、この請求項は前記請求項５の従属項の構成により、ＴＶカメラの視界が気象条件によって遮られているとき画像式水位計からの水位信号が採用されないので、該画像式水位計からデータ処理装置に対して有効に水位信号が入力されたときは、ＴＶカメラの視界が遮られていない状態である。このようにして画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず、接触式水位計の出力水位信号と画像式水位計の出力水位信号とに著しい差が有るときは、接触式水位計の機械的作動部分に障害が発生しているものと判定して、自動的にアラームが発せられるので、該接触式水位計の作動状態を人手によって監視していなくても、障害が発生したとき直ちにその旨を感知して適正な対処を施すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る水位計測方法を実施するために構成した水位計測設備の１実施形態を示し、画像式水位計と、接触式水位計と、演算機構とを模式的に描いた系統図である。
画像式水位計は、水位計測用の標示部材として、目盛を付した垂直量水標５および傾斜板６を河川７の水面付近に設置するとともに、これらを撮像するＴＶカメラ４を岸の上記に設置してある。上記ＴＶカメラ４から出力された画像信号は画像処理装置１に入力されて画像処理され、水位信号ａを出力するようになっており、モニタＴＶ２によって映像を視認することもできる。
図２は、上掲の図１に示した画像処理装置１の内部構造を示す系統図に、該画像処理装置１とＴＶカメラ４およびモニタテレビ２との接続状態、並びに水位信号ａの出力系統を付記した図である。
上記画像処理装置１はＣＰＵ１２、主メモリ１３、バス１４、画像処理プロセッサ１５、画像メモリ１６および外部インターフェイス１７から成り、上記の外部インターフェイス１７が水位信号ａを出力する。
図１および図２を参照して以上に述べた画像式水位計の具体的な構成は公知（例えば特開平７−３３３０３７号公報および特開平８−１４９９２号公報参照）であるから詳述を省略する。
【００１８】
図１に符号９を付して示した構成部材は、接触式水位計の１例としての浮子式水位計の検出部である。その構造の詳細は図３を参照して後述するが、検出値をデジタル信号として電波に乗せ、これを受信機１０で受診し、コーダー１１を経て水位信号ｂを得る。
上述のように、画像式と接触式との２系統の水位計を設けるとともに、それぞれの水位計から出力された水位信号ａ，同ｂがデータ処理装置に入力され、予め与えられたプログラム（詳細後述）に従って比較演算され、双方の水位信号ａ，同ｂを比較し合って確認し、または双方の水位信号ａ，同ｂを比較して取捨選択して信頼性の高い水位計測値３を出力する。
上述のようにして得られた水位計測値３を磁気的に記録したり、有線もしくは無線で送信したりすることは公知技術を適用して容易に可能である。
【００１９】
図３は、前掲の図１に符号９を付して示した浮子式水位計の検出部を示し、模式的に描いた部分破断斜視図である。
円筒状の本体部２３は、河川の水面を貫いて垂直に、固定的に設置されていて、その中に浮子１８が摺動自在に収納されている。上記円筒状本体部２３の下端はストレーナ２１を介して連通しており、水面の上下変化に従って浮子１８が上下動する。
上記浮子１８には永久磁石片２０が取り付けられており、これに対応して円筒状本体部２３の側壁に、多数のリードスイッチ１９が上下方向に等間隔で配列されている。これにより、浮子１８の上下動に伴ってリードスイッチ１９が開閉作動して該浮子１８の位置が検出される。検出結果はデジタル信号として送信機２２から送信される。
上述した浮子式水位計は接触式水位計の１例であって、水から力（水圧）を受けて機械的に変化する部材（本例では浮子１８）を有しているため、異物の噛み込みやストレーナ２１の目詰まりなどによって正常な作動を妨げられる虞れが有るが、豪雨，降雪，濃霧などの気象現象によって水面付近の視界が遮られても正常に作動し得る。
【００２０】
画像式水位計は、水面付近における光束の屈折および／または反射を検知して水面の位置を算定するため、水面を上下に貫く形の標示部材が設けられる。
図４は、垂直形の量水標（物差，直尺に類似する公知の部材）と傾斜板とを組み合わせた水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
図５は、垂直形の量水標を用いず、目盛を付した傾斜板から成る水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
上記の図４，図５に示した水位計測用標示部材をＴＶカメラで撮像して得られた映像信号を画像処理して水位信号を得る技術は前述した公報に開示されているので、次に、その概要のみを略述する。
図６は、前掲の図１に示した画像処理装置１で行なわれるオフライン処理の１例を示すフロー図である。
（図４，図５，図６を併せて参照）、
ボックスＡ（図６）で、ＴＶカメラの画像を取り込み、
ボックスＢで、第１の基準点３２を画像上で指定する（図４の量水標５を用いても、図５の傾斜板６を用いても良い）。
ボックスＣで、第２の基準点３３を画像上で指定する。
ボックスＤで、上記第１，第２の基準点間の実距離（標高差）Ｈを入力する。
ボックスＥで、次式により距離変換係数εを算出する。
ε＝Ｈ／ｇ
ただし、ｇは画素数である。
上記の距離変換係数εは、１画素当たりの高さ寸法を意味する。
ボックスＦで、第１の基準点３２の標高値を入力する。本実施形態においては世界座標系での標高値を用いたが、本発明を実施する場合、標高値の基準は適宜に設定しても良い。
ボックスＧで、入力した基準点の情報を入力する。
【００２１】
図７は、本実施形態に係る水位計測方法における全体的な処理の手順を示し、（Ａ）はフロー図、（Ｂ）は上記フロー図における制御テーブル３１の１例を示す図表である。
上記の制御テーブル３１は、画像式水位計の画像処理が有効であるか否かを示すフラグＣＮＴ１と、接触式水位計による水位計測が有効に行なわれているか否かを示すフラグＣＮＴ２とによって構成されている。各フラグの意味は図７（Ｂ）に示したごとくである。
次に、図７（Ａ）を参照して本実施形態における計測情報の処理内容を説明する。
ボックスＪで、画像式水位計が画像処理を行なっているか否かを判定し、画像処理中（ＣＮＴ１＝１）である場合は画像処理装置に対して計測処理を指示する（ボックスＫ）。画像処理の詳細については図８を参照して後に述べる。
画像処理を終了すると、接触式水位計が計測作動中であるか否かを判定し（ボックスＭ）、計測中（ＣＮＴ２＝１）のときは、ボックスＰで接触式水位計から計測値を受け取る。
次に、ボックスＱで、画像式水位計と接触式水位計との両方が水位計測を行なっている場合（ＣＮＴ１＝１、かつ、ＣＮＴ２＝１）の場合はボックスＲで双方の計測値を比較し、両者の差が予め定められた値よりも大きいと判定（ボックスＳ）されると、ボックスＴでアラームを出力する。この場合、画像式水位計が正常に作動している（ＣＮＴ１＝１）のであるから、接触式水位計が画像式水位計と異なる計測値を出したことにより、「該接触式水位計に機械的なトラブルを生じていること」が高い確率で推定される。従って、発せられたアラームは「接触式水位計の機械的な作動部材が円滑に動き得る状態であるか否かを点検して、所要のメンティナンスを実施せよ」という意味を有している。
上述のごとく、接触式水位計にトラブルを生じて計測値が狂っていると判定されたときは、該接触式水位計から出力される水位信号を採用することなく、画像式水位計の出力水位信号に基づいて水位計測値を算出する。
【００２２】
図１ないし図７を参照して以上に説明した水位計測設備について、その作用・効果を概観すると、常に画像式水位計による水位計測値と接触式水位計による水位計測値とが比較され、
画像式水位計の作動が正常であるにも拘らず接触式水位計がこれと異なる計測値を出したときは、該接触式水位計の水位計測値は採用されず、アラームが発せられる。なお、画像式水位計の作動信頼性は非常に高いので、異常気象時以外には正しい計測値が得られるものとして取扱っても、実用上は不都合を生じない。しかし、異常気象の際は画像式水位計が正しく作動しなくなることは先に述べたごとくであって、その故に本発明は接触式水位計を併設して、計測値の信頼性を高めているのである。
本発明における異常気象とは、一般の社会通念におけるがごとく日照時間不足とか旱天続きなどではなく、「視界を遮られる状態」をいう。つまり、ＴＶカメラによって水位計測用の標示部材を撮像できなくなる状態であって、具体的には豪雨，降雪，濃霧などである。
併設した画像式水位計と接触式水位計との用法のアウトラインは、
（ａ）双方の計測値が一致したときは、異なる作動原理による２系統の計測手段が同一の計測値を得たことを確かめることによって、その信頼性が高くなる。
（ｂ）異常気象でない（画像式水位計が正常に作動している）とき、双方の計測値が異なるときは、接触式水位計の計測値を採用せず、画像式水位計の計測値を採るとともに、接触式水位計異常のアラームを発する（図７を参照して既述）。
【００２３】
（ｃ）異常気象のときは、画像式水位計の出力水位信号を採用せず、接触式水位計の計測値を採る（これについては、図８，図９を参照して次に述べる）。
【００２４】
図８は、前掲の図７（Ａ）においてボックスＬに示した画像処理による水位計測（オンライン処理）の詳細を示すとともに記憶媒体との情報交換ルートを付記したフロー図である。
ボックスＬ−１００でＴＶカメラが撮像した画像信号を取り込み、
ボックスＬ−２００で異常気象の検知処理を行なう。この異常気象検知処理の詳細については、図９を参照して後述する。
異常気象であると判定されたならば、ボックスＬ−７００で画像式水位計による計測水位について欠測データ処理を行なう。この結果、当該水位計測設備全体としては接触式水位計の出力水位信号に基づいて計測水位が算出されることになる。
前記異常気象の検知処理（ボックスＬ−２００）で異常無しと判定されたならば、ボックスＬ−４００で傾斜板（図４，図５における符号６）の水面境界を画像処理で検出する。
さらにボックスＬ−５００で、水面位置を傾斜板から垂直量水標４（図４参照）の水面位置に変換し、距離変換係数εを（既述）や基準点情報を用いて水位を算出する。以上に述べた画像処理による水位算出の具体的な手法は、特開平７−３３３０３９号公報、および特開平８−１４９９２号公報に開示されているので詳細を省略する。
【００２５】
図９は、前掲の図８に示したオンライン処理においてボックスＬ−２００として表した異常気象検知処理の詳細を説明するために示したもので、（Ａ）は処理フロー図、（Ｂ）は傾斜板付近の模式的な斜視図である。
２箇所から画像濃度値を採取する。その片方は、水位計測用標示部材の目盛を含む区域であり、他方は上記の目盛を含まない区域である。
本実施形態においては、前掲の図５に示した傾斜板６と類似の部材である傾斜板６′の表面に目盛を含む区域３６を設定するとともに、その背景部分に目盛を含まない区域３７を設定した。
通常の気象の場合は、目盛部分の画像信号を微分して濃度値（コントラスト）を算出すれば、該目盛の鮮明さが微分値として表される。このとき（通常気象時）、背景となっている区域３７の画像信号からは低い濃度値（コントラスト）しか得られないので、両者の比率は大きい値（例えば１０以上）を示す。
異常気象になって目盛の映像がボケると、その濃度値（コントラスト）が低下して、背景区域３７の濃度値（コントラスト）に比して差が減少する。目盛を含む画像の濃度値と、目盛を含まない画像の濃度値との差、もしくは比率が減少すれば、視界が悪くなったことが分かる。
本図９（Ａ）に示したように、濃度差（濃度比）が所定値以下になると、異常気象が発生したものと判定する。先に述べたように、異常気象になれば画像式水位計の出力水位信号を採用せず、接触式水位計の出力水位信号に基づいて水位計測値を算出する。
異常気象が発生した後も、図９（Ａ）に示したフローによる気象状態の監視を継続し、異常気象が消失（視界が回復）すれば通常の作動状態に復元する。このようにして、異常気象が発生して画像式水位計が正常に作動し得なくなっている期間も接触式水位計によって水位計測が続けられ、中断することなく水位の変化を監視することができる。
【００２６】
図１０は、計測結果のフォーマットの１例を示す図である。このフォーマットによれば、計測値が画像を処理して得られたものか接触式水位計によるものかを、フラグによって知り得る。
【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，作用を明らかならしめたように、請求項１の発明によると、それぞれ別系統で計測された接触式水位計による水位信号と、画像式水位計による水位信号とが一致したことを確認するので、得られた水位計測値の信頼性が高い。
請求項２の発明方法によると、異常気象の発生によってＴＶカメラの視界が妨げられた場合、該ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られる水位信号の出力状態が異常になることに基づいて異常気象の発生を検知するので、計測作業員の労力を要しない。
請求項３の発明方法によると、豪雨，降雪，もしくは濃霧によってＴＶカメラの視界が妨げられたときは、該ＴＶカメラが出力した画像信号の濃度が低下することを利用して異常気象の発生・消失を自動的に、しかも確実に判定することができる。
請求項４の発明方法によると、接触式水位計が異物の噛み込みなどによって正常に作動しなくなった場合、該接触式水位計が出力する水位信号と画像式水位計が出力する水位信号とが一致しなくなることを利用して、接触式水位計の作動異常を検知するとともに、計測値の算出を画像処理信号のみに基づくように切り換えて続行するので、水位の計測を中断することなく、連続的な水位監視を可能ならしめる。
請求項５の発明方法によると、画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず接触式水位計と異なった計測信号が得られた場合には、接触式水位計に何らかのトラブル（例えば異物噛込み、摺動部固着など）が発生したものと推定して、メンティナンスを促すアラームが発せられるので、計測技術員は不断の注意力傾注を必要とせずに接触式水位計のトラブル発生を感知して所要の対処を施すことができる。
【００２８】
請求項６の発明設備によると、性能的に互いに長短を有する接触式水位計と画像式水位計とが併設され、かつ、両者がそれぞれ出力した電気的な水位信号をデータ処理装置に入力して比較演算されるので、双方の水位計の長所を利用し、短所を補わせることができる。
請求項７の発明設備によると、２００ｍｍ／Ｈ以上の豪雨、もしくは降雪または視程２００ｍ以下の濃霧などの気象条件によってＴＶカメラの視界が妨げられたとき画像がボケて、画像濃度（コントラスト）が低下することを利用して、ＴＶカメラで撮像された標示部材の目盛の識別が可能な状態であるか否かを画像のコントラストの程度によって判定することができる。
請求項８の発明設備によると、接触式水位計の機械的作動部分にトラブルが発生したとき、自動的にアラームを発するので、適切に対処して整備することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水位計測方法を実施するために構成した水位計測設備の１実施形態を示し、画像式水位計と、接触式水位計と、演算機構とを模式的に描いた系統図である。
【図２】上掲の図１に示した画像処理装置１の内部構造を示す系統図に、該画像処理装置１とＴＶカメラ４およびモニタテレビ２との接続状態、並びに水位信号ａの出力系統を付記した図である。
【図３】前掲の図１に符号９を付して示した浮子式水位計の検出部を示し、模式的に描いた部分破断斜視図である。
【図４】垂直形の量水標（物差，直尺に類似する公知の部材）と傾斜板とを組み合わせた水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
【図５】垂直形の量水標を用いず、目盛を付した傾斜板から成る水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
【図６】前掲の図１に示した画像処理装置１で行なわれるオフライン処理の１例を示すフロー図である。
【図７】本実施形態に係る水位計測方法における全体的な処理の手順を示し、（Ａ）はフロー図、（Ｂ）は上記フロー図における制御テーブル３１の１例を示す図表である。
【図８】前掲の図７（Ａ）においてボックスＬに示した画像処理による水位計測（オンライン処理）の詳細を示すとともに記憶媒体との情報交換ルートを付記したフロー図である。
【図９】前掲の図８に示したオンライン処理においてボックスＬ−２００として表した異常気象検知処理の詳細を説明するために示したもので、（Ａ）は処理フロー図、（Ｂ）は傾斜板付近の模式的な斜視図である。
【図１０】計測結果のフォーマットの１例を示す図である。
【図１１】各種の計測条件下における接触式水位計と画像式水位計（画像処理による水位計測装置）との特性を対比し、環境条件に対する適応性を記号化して示した図表である。
【図１２】水位が下降する場合と水位が上昇する場合とについて、ＴＶ画像による水位計測値の時間的変化と、浮子式水位計による水位計測値の時間的変化とを対比して示した図表である。
【符号の説明】
１…画像処理装置、２…モニタＴＶ、３…水位計測値、４…ＴＶカメラ、５…垂直量水標、６…傾斜板、７…河川、８…データ処理装置、９…浮子式水位計検出部、１０…受信機、１１…コーダー、１２…ＣＰＵ、１３…主メモリ、１４…バス、１５…画像処理プロセッサ、１６…画像メモリ、１７…外部インターフェース、１８…浮子、１９…リードスイッチ、２０…磁石、２１…ストレーナ、２２…送信機、２３…円筒状本体部、２４…水面境界部、２５…反射像，屈折像、２６…傾斜板の辺、２７…反射像、２８…屈折像、２９…像の輪郭の変曲点、３０…記憶媒体、３１…制御テーブル、３２…第１の基準点、３３…第２の基準点、３５…基準点情報、３６…傾斜板表面の画像濃度採取区域、３７…傾斜板の背景の画像濃度採取区域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川などのように自然環境の中にある水面の水位を自動的に計測する方法、および同じく計測する設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水位を測定する技術は、これを分類すると接触式と画像式とに大別され、後に詳述するように互いに長短が有る。
接触式の水位計測は、センサの素子が水から機械的な力を受けて状態を変化させ、その状態変化を機械的または電気的な手段で導き出すものであって、機械工学便覧第７章７．６液位の測定に記述されているフックゲージやポイントゲージが有り、また、比較的広く用いられているものとして浮子式（フロート式）水位計が有る。その他、水圧変化を測定するものや、水中に気泡を噴出させて背圧を測定する方式のものも有る。このように各種の方式の接触式水位計が有るが、いずれも何らかの形で、水による機械的な力を介して水位を計測する。
【０００３】
画像式の水位計は、水面によって反射された光学像もしくは水面によって屈折された光学像をＴＶカメラで撮像して得られた電気的信号を画像処理して水位を算出するものである。
【０００４】
上記の画像式水位計は、水面による光の反射もしくは屈折を検出し易いように、目盛付きの標尺（量水標）を水面に対して垂直に、もしくは傾斜させて固定的に設置し、この標尺付近の水面をＴＶカメラで撮像する。この種の水位計測に関する公知技術としては特開平８−１４９９２号公報に開示された“画像処理を用いた液面高さ計測方法及び装置”や、特開平７−３３３０３９号“画像処理を用いた液面位置計測方法”が有る。
ＴＶカメラから出力された映像信号を画像処理して液位信号を得るための具体的な構成は上記の公報に開示されている。
従来一般に、液面高さを自動的に検知する場合、接触式水位計と画像式液面計との長所・短所を勘案して、何れか適した方式の液面計を用いていた。また、両方の液面計を併設して、互いに独立に計測を行なわせて二つの計測値を求めることも可能であるが、二つの計測値を比較して自動的に何れか片方の計測値を採用するよう、自動的に取捨選択する技術は未だ開発されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば浄水タンク内の水位を計測する場合は、計測条件が非常に良いので、接触式水位計を用いても画像式水位計を用いても、これらの長短の差は余り顕著に現れない。従って、何れか一方の型式の水位計を設ければ概ね満足し得る計測値が得られ、両方の型式の水位計を併用しなければならない必要性はさして高くない。
しかし、例えば河川や湖沼の水位を自動的に計測して監視しようとすると、水面が自然環境に晒されているので計測条件が良くない。
すなわち、接触式水位計について見ると、水中に粘土，シルト，砂などが懸濁している場合や、水面に塵埃や廃棄物が浮遊している場合が有る上に、水中に腐食性の薬剤が混入している虞れも有る。その上、水が激しく流動したり波立ったりする場合や、激しい風圧を受けたりする場合が有る。従って、例えば浮子式の接触式水位計においては、塵埃の噛み込みや錆び付きによって浮上・沈下動を妨げられる虞れが有って、必ずしも常に正確な水位検出が可能であるとは限らない。
上述のような障害を受けない場合においても、接触式水位計は、水位の変化を何らかの機械的な（非電磁的な）力に変換するという過程を経るため、信号が複数の物理量の間で変換されるので、正常に作動しているか否かをチェックすることが容易でない。
また、画像式水位計は、ＴＶカメラ設置距離等の条件によって異なるが、例えば２００ｍｍ／Ｈ以上の豪雨，降雪，または視程２００ｍ以下の濃霧などの気象的悪条件によって視界が妨げられると水位の検出ができなくなる。この点、接触式水位計は視界を妨げられるといったトラブルを生じる虞れが無い。
図１１は、各種の計測条件下における接触式水位計と画像式水位計（画像処理による水位計測装置）との特性を対比し、環境条件に対する適応性を記号化して示した図表である。
【０００６】
さらに、環境条件の変化いかんに拘らず、水位の変化に対する計測値の応答性（時間的遅れ）という問題が有る。
図１２は、水位が下降する場合と水位が上昇する場合とについて、ＴＶ画像による水位計測値の時間的変化と、浮子式水位計による水位計測値の時間的変化とを対比して示した図表である。
曲線矢印は真値を示し、目視によって水面の位置を実測した値である。これに対して、×印で表した画像による水位計測値は良く一致しているが、黒丸印で表した浮子式水位計による計測値は時間的遅れを生じていることが分かる。
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであって、気象条件が悪くても、水質が清浄でなくても、河川，湖沼などのように自然環境の中に在る水面の高さを高い信頼性で検出し得る水位計測方法、および同じく水位計測設備を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために創作した本発明の基本的原理を、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。すなわち、気象条件の変化によって一時的にＴＶカメラの視界が遮られたり、河川の水中の異物によって接触式水位計（例えば浮子式水位計）の作動が妨げられたりしても、常に高信頼性の水位計測値が得られるようにするため、
水面付近に設けられた水位計測用標示部材５，６を撮像するＴＶカメラ４の映像出力を画像処理装置１で処理して得られた画像処理水位信号ａと、浮子式水位計９から発信された電波を受信機１０およびコーダー１１で処理して得られた水位信号ｂとをデータ処理装置８に入力し、該データ処理装置８によって上記双方の水位信号を、予め与えられたプログラムに従って比較演算することにより、信頼性の高い水位計測値を算出する。
【０００９】
上述の原理に基づいた方法の構成は、自動的かつ遠隔的に水位を計測する方法において、電気的信号を出力する接触式水位計と、水位計測用標示部材付近を撮像するＴＶカメラとの２系統の検出手段を用い、上記ＴＶカメラから出力された映像信号を画像処理して得られた水位信号と、前記接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して、上記双方の水位信号が、所定の計測誤差許容値以内で一致することを確認して、該双方の水位信号が一致したとき、その一致した水位信号が表す水位を計測値とすることを特徴とする。ただし、前記の遠隔的とは、接触式でないことの意である。以上に説明した方法によると、それぞれ別系統で計測された接触式水位計による水位信号と、画像式水位計による水位信号とが一致したことを確認するので、得られた水位計測値の信頼性が高い。しかも、ＴＶカメラおよび受信機を介して離隔的に水位信号を得るので、河川が著しく増水したりしても水位計測設備の主要構成機器類が水没して損傷する虞れは無い。その上、水位信号を得る操作、および水位信号を比較する操作は自動的に行なうことができるので、計測技術員の労力を要せず、かつ、計測作業員に人身事故を生じる虞れが無い。
【００１０】
請求項１に係る発明方法の構成は、前記方法の構成要件に加えて、前記ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られた水位信号、および、接触式水位計による水位信号のそれぞれが正常に出力されているか否かを自動的に監視し、接触式水位計による水位信号が正常に出力されており、かつ、画像処理による水位信号が正常に出力されていない場合は、
ＴＶカメラの視界を遮る一時的な異常気象が発生しているものと判断し、画像処理による水位信号が正常であるか否かの監視を継続しつつ、該画像処理水位信号が異常である期間中は前記接触式水位計による水位信号が表す水位を計測値とし、監視を継続していた画像処理水位信号が正常に復した後は、該画像処理水位信号が接触式水位計による水位信号に比して計測誤差許容値以内で一致していることを自動的に確認して、その一致した水位信号に基づいて水位の計測値を得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、異常気象の発生によってＴＶカメラの視界が妨げられた場合、該ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られる水位信号の出力状態が異常になることに基づいて異常気象の発生を検知するので計測作業員の労力を要しない。そして、異常気象によってＴＶカメラの視界が遮られている状態においても、接触式水位計は正常に作動し得るので、異常気象発生中は自動的に該接触式水位計の出力信号に基づく水位計測が続行されるので、水位計測による連続的な水位監視が中断しない。しかも、異常気象が消失すると、自動的に本来的な作動状態（画像式水位計と接触式水位計との併用・自動的比較）に復元して、信頼性の高い水位計測値が得られるようになる。
【００１１】
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、前記の水位計測用標示部材に予め目盛を設けておき、上記の目盛を撮像した映像信号と、該目盛以外の箇所を撮像した映像信号とを求めるとともに、上記２種類の映像信号それぞれを画像処理して画像濃度を算出し、算出された二つの画像濃度を自動的に比較して、両者の濃度差が予め設定された値以下である場合、および／または、目盛を含む画像の濃度が目盛以外の画像の濃度に比して予め定められた濃度比以下である場合は異常気象が発生したものと判定し、異常気象が発生したと判定された後も、前記の画像濃度の算出および濃度の比較を継続して、濃度差が設定値以上となり、および／または濃度比が設定値以上となった場合は異常気象が消失してＴＶカメラの視界が回復したと判定することを特徴とする。以上に説明した請求項２の発明方法によると、豪雨，降雪、もしくは濃霧によってＴＶカメラの視界が妨げられたときは、該ＴＶカメラが出力した画像信号の濃度が低下することを利用して異常気象の発生・消失を自動的に判定することができる。ただし、単に画像濃度の絶対値を算出しただけでは自然光（主として太陽光）の変化による照明状態の変化に影響されて適正な判定が困難であるため、本請求項２においては標示部材の目盛を含む区域の画像の濃度と目盛を含まない箇所の濃度との相対的な関係（濃度差、もしくは濃度比）を算出して設定値と比較することにより、自然光による照明状態のいかんに拘らず、異常気象の発生および消失を判定することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明方法の構成は、前記請求項１もしくは請求項２の発明方法の構成要件に加えて、ＴＶカメラから出力される映像信号を画像処理して得られた水位信号と、接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して比較し、上記双方の水位信号の差が、予め設定された値よりも大きいときは接触式水位計の出力水位信号を採用せず、画像処理して得られた水位信号に基づいて水位の計測値を得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、接触式水位計が異物の噛み込みなどによって正常に作動しなくなった場合、該接触式水位計が出力する水位信号と画像式水位計が出力する水位信号とが一致しなくなることを利用して、接触式水位計の作動異常を検知するとともに、計測値の算出を画像処理信号のみに基づくように切り換えて続行するので、水位の計測を中断することなく、連続的な水位監視を可能ならしめる。理論的な可能性のみを考察すると、接触式水位計の検出値と画像式水位計の検出値が異なっている場合、接触式水位計の検出値が誤っている可能性も画像式水位計の検出値が誤っている可能性も有ると考えられるが、本請求項においては、画像式水位計の検出値は気象条件の悪化によって視界が妨げられたときを除いて誤っている確率が極めて少ないという経験的事実に基づいて創作されたものであり、実用的価値が高い。
【００１３】
請求項４に係る発明方法の構成は、前記請求項３の発明方法の構成要件に加えて、前記画像処理による水位信号が正常に出力されており、かつ、該画像処理水位信号と接触式水位計による水位信号との差が、予め設定された値よりも大きいときは、接触式水位計が故障修理もしくは異物除去を必要とする状態になっているものと判定して、自動的に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４の発明方法によると、画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず接触式水位計と異なった計測信号が得られた場合、すなわち、異常気象によってＴＶカメラの視界が妨げられていないのに、該画像式水位計の出力水位信号と接触式水位計の出力水位信号とに通常計測誤差以上の差が有る場合には、接触式水位計に何らかのトラブル（例えば異物噛込み，摺動部固着など）が発生したものと推定して、メンティナンスを促すアラームが発せられるので、計測技術員は不断の注意力傾注を必要とせずに接触式水位計のトラブル発生を感知して所要の対処を施すことができる。
【００１４】
設備の構成は、水面の変動に伴って機械的に動かされる部材と、該部材の動きを電気的信号にして水位信号を出力変換する手段とから成る接触式水位計が設けられるとともに、水面付近に設置された標示部材と、該標示部材を撮像するＴＶカメラと、上記ＴＶカメラが出力した映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から成る画像式水位計が設けられており、かつ、前記接触式水位計から出力された水位信号、および、前記画像式水位計から出力された水位信号を入力されるデータ処理装置が設けられていて、上記データ処理装置は、予め与えられたプログラムに従って上記双方の水位信号を比較演算して水位の計測値を算出する機能を有するものであることを特徴とする。以上に説明した設備によると、性能的に互いに長短を有する接触式水位計と画像式水位計とが併設され、かつ、両者がそれぞれ出力した電気的な水位信号をデータ処理装置に入力して比較演算されるので、双方の水位計の長所を利用し、短所を補わせることができる。すなわち、気象条件の変化によって画像式水位計のＴＶカメラの視野が妨げられて水位計測不能に陥ったときは、気象条件の変化に妨げられることのない接触式水位計によって水位を算出することができ、また、水中懸濁物や水面浮遊物によって接触式水位計の作動が障害されたときは、水中懸濁物や水面浮遊物によって障害を被りにくい画像式水位計によって水位を算出することができる。このようにして、自然環境条件の中において計測を中断することなく連続的もしくは間欠的に水位を計測し、水位の変動を高い信頼性で監視したり記録したりすることができる。
【００１５】
請求項５に係る発明設備の構成は、前記構成要件に加えて、前記の標示部材には目盛が付されていて、前記のＴＶカメラは上記の目盛を含む区域と上記目盛を含まない区域とのそれぞれを撮像する機能を有しており、前記のデータ処理装置もしくはその付属機器は、前記の目盛を含む区域の画像濃度を算出する機能および該目盛を含まない区域の画像濃度を算出する機能を備えていて、上記目盛を含む画像濃度と目盛を含まない画像濃度とを比較して、両者の濃度差もしくは濃度比が予め与えられた正常範囲の値でないときは、画像式水位計から出力される水位信号を水位計測用として採用することなく、接触式水位計から出力された水位信号に基づいて水位計測値を算出する機能を有していることを特徴とする。以上に説明した請求項５の発明設備によると、１００mm／Ｈ以上の豪雨、もしくは降雪または濃霧などの気象条件によってＴＶカメラの視界が遮られたとき画像がボケて、画像濃度（コントラスト）が低下することを利用して、ＴＶカメラで撮像された標示部材の目盛の識別が可能な状態であるか否かを画像のコントラストの程度によって判定することができる。しかも、目盛の画像コントラストの絶対値に基づくことなく、目盛以外の区域の画像コントラストとの比較による相対的な比較判定が為されるので、自然光の状態（例えば真昼か黎明，薄暮か）に左右されることなく、大気中の微小粒子（雨滴，霧滴）による光の散乱状態を判定し、気象条件が画像式水位計に不適な場合は接触式水位計による水位計測を行なうので、気象条件が変化しても水位計測を中断することなく続行できる。
【００１６】
請求項６に係る発明設備の構成は、前記請求項５の発明の構成要件に加えて、前記のデータ処理装置は、接触式水位計から有効に入力された水位信号と画像式水位計から入力された水位信号とを比較して、上記双方の水位信号の差が予め設定された値よりも大きいときは、画像式水位計から入力された水位信号に基づいて水位計測値を算出するとともに、接触式水位計に異常が発生したことを告げるアラームを発する機能を有していることを特徴とする。以上に説明した請求項６の発明設備によると、この請求項は前記請求項５の従属項の構成により、ＴＶカメラの視界が気象条件によって遮られているとき画像式水位計からの水位信号が採用されないので、該画像式水位計からデータ処理装置に対して有効に水位信号が入力されたときは、ＴＶカメラの視界が遮られていない状態である。このようにして画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず、接触式水位計の出力水位信号と画像式水位計の出力水位信号とに著しい差が有るときは、接触式水位計の機械的作動部分に障害が発生しているものと判定して、自動的にアラームが発せられるので、該接触式水位計の作動状態を人手によって監視していなくても、障害が発生したとき直ちにその旨を感知して適正な対処を施すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る水位計測方法を実施するために構成した水位計測設備の１実施形態を示し、画像式水位計と、接触式水位計と、演算機構とを模式的に描いた系統図である。
画像式水位計は、水位計測用の標示部材として、目盛を付した垂直量水標５および傾斜板６を河川７の水面付近に設置するとともに、これらを撮像するＴＶカメラ４を岸の上記に設置してある。上記ＴＶカメラ４から出力された画像信号は画像処理装置１に入力されて画像処理され、水位信号ａを出力するようになっており、モニタＴＶ２によって映像を視認することもできる。
図２は、上掲の図１に示した画像処理装置１の内部構造を示す系統図に、該画像処理装置１とＴＶカメラ４およびモニタテレビ２との接続状態、並びに水位信号ａの出力系統を付記した図である。
上記画像処理装置１はＣＰＵ１２、主メモリ１３、バス１４、画像処理プロセッサ１５、画像メモリ１６および外部インターフェイス１７から成り、上記の外部インターフェイス１７が水位信号ａを出力する。
図１および図２を参照して以上に述べた画像式水位計の具体的な構成は公知（例えば特開平７−３３３０３７号公報および特開平８−１４９９２号公報参照）であるから詳述を省略する。
【００１８】
図１に符号９を付して示した構成部材は、接触式水位計の１例としての浮子式水位計の検出部である。その構造の詳細は図３を参照して後述するが、検出値をデジタル信号として電波に乗せ、これを受信機１０で受診し、コーダー１１を経て水位信号ｂを得る。
上述のように、画像式と接触式との２系統の水位計を設けるとともに、それぞれの水位計から出力された水位信号ａ，同ｂがデータ処理装置に入力され、予め与えられたプログラム（詳細後述）に従って比較演算され、双方の水位信号ａ，同ｂを比較し合って確認し、または双方の水位信号ａ，同ｂを比較して取捨選択して信頼性の高い水位計測値３を出力する。
上述のようにして得られた水位計測値３を磁気的に記録したり、有線もしくは無線で送信したりすることは公知技術を適用して容易に可能である。
【００１９】
図３は、前掲の図１に符号９を付して示した浮子式水位計の検出部を示し、模式的に描いた部分破断斜視図である。
円筒状の本体部２３は、河川の水面を貫いて垂直に、固定的に設置されていて、その中に浮子１８が摺動自在に収納されている。上記円筒状本体部２３の下端はストレーナ２１を介して連通しており、水面の上下変化に従って浮子１８が上下動する。
上記浮子１８には永久磁石片２０が取り付けられており、これに対応して円筒状本体部２３の側壁に、多数のリードスイッチ１９が上下方向に等間隔で配列されている。これにより、浮子１８の上下動に伴ってリードスイッチ１９が開閉作動して該浮子１８の位置が検出される。検出結果はデジタル信号として送信機２２から送信される。
上述した浮子式水位計は接触式水位計の１例であって、水から力（水圧）を受けて機械的に変化する部材（本例では浮子１８）を有しているため、異物の噛み込みやストレーナ２１の目詰まりなどによって正常な作動を妨げられる虞れが有るが、豪雨，降雪，濃霧などの気象現象によって水面付近の視界が遮られても正常に作動し得る。
【００２０】
画像式水位計は、水面付近における光束の屈折および／または反射を検知して水面の位置を算定するため、水面を上下に貫く形の標示部材が設けられる。
図４は、垂直形の量水標（物差，直尺に類似する公知の部材）と傾斜板とを組み合わせた水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
図５は、垂直形の量水標を用いず、目盛を付した傾斜板から成る水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
上記の図４，図５に示した水位計測用標示部材をＴＶカメラで撮像して得られた映像信号を画像処理して水位信号を得る技術は前述した公報に開示されているので、次に、その概要のみを略述する。
図６は、前掲の図１に示した画像処理装置１で行なわれるオフライン処理の１例を示すフロー図である。
（図４，図５，図６を併せて参照）、
ボックスＡ（図６）で、ＴＶカメラの画像を取り込み、
ボックスＢで、第１の基準点３２を画像上で指定する（図４の量水標５を用いても、図５の傾斜板６を用いても良い）。
ボックスＣで、第２の基準点３３を画像上で指定する。
ボックスＤで、上記第１，第２の基準点間の実距離（標高差）Ｈを入力する。
ボックスＥで、次式により距離変換係数εを算出する。
ε＝Ｈ／ｇ
ただし、ｇは画素数である。
上記の距離変換係数εは、１画素当たりの高さ寸法を意味する。
ボックスＦで、第１の基準点３２の標高値を入力する。本実施形態においては世界座標系での標高値を用いたが、本発明を実施する場合、標高値の基準は適宜に設定しても良い。
ボックスＧで、入力した基準点の情報を入力する。
【００２１】
図７は、本実施形態に係る水位計測方法における全体的な処理の手順を示し、（Ａ）はフロー図、（Ｂ）は上記フロー図における制御テーブル３１の１例を示す図表である。
上記の制御テーブル３１は、画像式水位計の画像処理が有効であるか否かを示すフラグＣＮＴ１と、接触式水位計による水位計測が有効に行なわれているか否かを示すフラグＣＮＴ２とによって構成されている。各フラグの意味は図７（Ｂ）に示したごとくである。
次に、図７（Ａ）を参照して本実施形態における計測情報の処理内容を説明する。
ボックスＪで、画像式水位計が画像処理を行なっているか否かを判定し、画像処理中（ＣＮＴ１＝１）である場合は画像処理装置に対して計測処理を指示する（ボックスＫ）。画像処理の詳細については図８を参照して後に述べる。
画像処理を終了すると、接触式水位計が計測作動中であるか否かを判定し（ボックスＭ）、計測中（ＣＮＴ２＝１）のときは、ボックスＰで接触式水位計から計測値を受け取る。
次に、ボックスＱで、画像式水位計と接触式水位計との両方が水位計測を行なっている場合（ＣＮＴ１＝１、かつ、ＣＮＴ２＝１）の場合はボックスＲで双方の計測値を比較し、両者の差が予め定められた値よりも大きいと判定（ボックスＳ）されると、ボックスＴでアラームを出力する。この場合、画像式水位計が正常に作動している（ＣＮＴ１＝１）のであるから、接触式水位計が画像式水位計と異なる計測値を出したことにより、「該接触式水位計に機械的なトラブルを生じていること」が高い確率で推定される。従って、発せられたアラームは「接触式水位計の機械的な作動部材が円滑に動き得る状態であるか否かを点検して、所要のメンティナンスを実施せよ」という意味を有している。
上述のごとく、接触式水位計にトラブルを生じて計測値が狂っていると判定されたときは、該接触式水位計から出力される水位信号を採用することなく、画像式水位計の出力水位信号に基づいて水位計測値を算出する。
【００２２】
図１ないし図７を参照して以上に説明した水位計測設備について、その作用・効果を概観すると、常に画像式水位計による水位計測値と接触式水位計による水位計測値とが比較され、
画像式水位計の作動が正常であるにも拘らず接触式水位計がこれと異なる計測値を出したときは、該接触式水位計の水位計測値は採用されず、アラームが発せられる。なお、画像式水位計の作動信頼性は非常に高いので、異常気象時以外には正しい計測値が得られるものとして取扱っても、実用上は不都合を生じない。しかし、異常気象の際は画像式水位計が正しく作動しなくなることは先に述べたごとくであって、その故に本発明は接触式水位計を併設して、計測値の信頼性を高めているのである。
本発明における異常気象とは、一般の社会通念におけるがごとく日照時間不足とか旱天続きなどではなく、「視界を遮られる状態」をいう。つまり、ＴＶカメラによって水位計測用の標示部材を撮像できなくなる状態であって、具体的には豪雨，降雪，濃霧などである。
併設した画像式水位計と接触式水位計との用法のアウトラインは、
（ａ）双方の計測値が一致したときは、異なる作動原理による２系統の計測手段が同一の計測値を得たことを確かめることによって、その信頼性が高くなる。
（ｂ）異常気象でない（画像式水位計が正常に作動している）とき、双方の計測値が異なるときは、接触式水位計の計測値を採用せず、画像式水位計の計測値を採るとともに、接触式水位計異常のアラームを発する（図７を参照して既述）。
【００２３】
（ｃ）異常気象のときは、画像式水位計の出力水位信号を採用せず、接触式水位計の計測値を採る（これについては、図８，図９を参照して次に述べる）。
【００２４】
図８は、前掲の図７（Ａ）においてボックスＬに示した画像処理による水位計測（オンライン処理）の詳細を示すとともに記憶媒体との情報交換ルートを付記したフロー図である。
ボックスＬ−１００でＴＶカメラが撮像した画像信号を取り込み、
ボックスＬ−２００で異常気象の検知処理を行なう。この異常気象検知処理の詳細については、図９を参照して後述する。
異常気象であると判定されたならば、ボックスＬ−７００で画像式水位計による計測水位について欠測データ処理を行なう。この結果、当該水位計測設備全体としては接触式水位計の出力水位信号に基づいて計測水位が算出されることになる。
前記異常気象の検知処理（ボックスＬ−２００）で異常無しと判定されたならば、ボックスＬ−４００で傾斜板（図４，図５における符号６）の水面境界を画像処理で検出する。
さらにボックスＬ−５００で、水面位置を傾斜板から垂直量水標４（図４参照）の水面位置に変換し、距離変換係数εを（既述）や基準点情報を用いて水位を算出する。以上に述べた画像処理による水位算出の具体的な手法は、特開平７−３３３０３９号公報、および特開平８−１４９９２号公報に開示されているので詳細を省略する。
【００２５】
図９は、前掲の図８に示したオンライン処理においてボックスＬ−２００として表した異常気象検知処理の詳細を説明するために示したもので、（Ａ）は処理フロー図、（Ｂ）は傾斜板付近の模式的な斜視図である。
２箇所から画像濃度値を採取する。その片方は、水位計測用標示部材の目盛を含む区域であり、他方は上記の目盛を含まない区域である。
本実施形態においては、前掲の図５に示した傾斜板６と類似の部材である傾斜板６′の表面に目盛を含む区域３６を設定するとともに、その背景部分に目盛を含まない区域３７を設定した。
通常の気象の場合は、目盛部分の画像信号を微分して濃度値（コントラスト）を算出すれば、該目盛の鮮明さが微分値として表される。このとき（通常気象時）、背景となっている区域３７の画像信号からは低い濃度値（コントラスト）しか得られないので、両者の比率は大きい値（例えば１０以上）を示す。
異常気象になって目盛の映像がボケると、その濃度値（コントラスト）が低下して、背景区域３７の濃度値（コントラスト）に比して差が減少する。目盛を含む画像の濃度値と、目盛を含まない画像の濃度値との差、もしくは比率が減少すれば、視界が悪くなったことが分かる。
本図９（Ａ）に示したように、濃度差（濃度比）が所定値以下になると、異常気象が発生したものと判定する。先に述べたように、異常気象になれば画像式水位計の出力水位信号を採用せず、接触式水位計の出力水位信号に基づいて水位計測値を算出する。
異常気象が発生した後も、図９（Ａ）に示したフローによる気象状態の監視を継続し、異常気象が消失（視界が回復）すれば通常の作動状態に復元する。このようにして、異常気象が発生して画像式水位計が正常に作動し得なくなっている期間も接触式水位計によって水位計測が続けられ、中断することなく水位の変化を監視することができる。
【００２６】
図１０は、計測結果のフォーマットの１例を示す図である。このフォーマットによれば、計測値が画像を処理して得られたものか接触式水位計によるものかを、フラグによって知り得る。
【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，作用を明らかならしめたように、請求項１の発明によると、それぞれ別系統で計測された接触式水位計による水位信号と、画像式水位計による水位信号とが一致したことを確認するので、得られた水位計測値の信頼性が高い。
請求項２の発明方法によると、異常気象の発生によってＴＶカメラの視界が妨げられた場合、該ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られる水位信号の出力状態が異常になることに基づいて異常気象の発生を検知するので、計測作業員の労力を要しない。
請求項３の発明方法によると、豪雨，降雪，もしくは濃霧によってＴＶカメラの視界が妨げられたときは、該ＴＶカメラが出力した画像信号の濃度が低下することを利用して異常気象の発生・消失を自動的に、しかも確実に判定することができる。
請求項４の発明方法によると、接触式水位計が異物の噛み込みなどによって正常に作動しなくなった場合、該接触式水位計が出力する水位信号と画像式水位計が出力する水位信号とが一致しなくなることを利用して、接触式水位計の作動異常を検知するとともに、計測値の算出を画像処理信号のみに基づくように切り換えて続行するので、水位の計測を中断することなく、連続的な水位監視を可能ならしめる。
請求項５の発明方法によると、画像式水位計が正常に作動しているにも拘らず接触式水位計と異なった計測信号が得られた場合には、接触式水位計に何らかのトラブル（例えば異物噛込み、摺動部固着など）が発生したものと推定して、メンティナンスを促すアラームが発せられるので、計測技術員は不断の注意力傾注を必要とせずに接触式水位計のトラブル発生を感知して所要の対処を施すことができる。
【００２８】
請求項６の発明設備によると、性能的に互いに長短を有する接触式水位計と画像式水位計とが併設され、かつ、両者がそれぞれ出力した電気的な水位信号をデータ処理装置に入力して比較演算されるので、双方の水位計の長所を利用し、短所を補わせることができる。
請求項７の発明設備によると、２００ｍｍ／Ｈ以上の豪雨、もしくは降雪または視程２００ｍ以下の濃霧などの気象条件によってＴＶカメラの視界が妨げられたとき画像がボケて、画像濃度（コントラスト）が低下することを利用して、ＴＶカメラで撮像された標示部材の目盛の識別が可能な状態であるか否かを画像のコントラストの程度によって判定することができる。
請求項８の発明設備によると、接触式水位計の機械的作動部分にトラブルが発生したとき、自動的にアラームを発するので、適切に対処して整備することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水位計測方法を実施するために構成した水位計測設備の１実施形態を示し、画像式水位計と、接触式水位計と、演算機構とを模式的に描いた系統図である。
【図２】上掲の図１に示した画像処理装置１の内部構造を示す系統図に、該画像処理装置１とＴＶカメラ４およびモニタテレビ２との接続状態、並びに水位信号ａの出力系統を付記した図である。
【図３】前掲の図１に符号９を付して示した浮子式水位計の検出部を示し、模式的に描いた部分破断斜視図である。
【図４】垂直形の量水標（物差，直尺に類似する公知の部材）と傾斜板とを組み合わせた水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
【図５】垂直形の量水標を用いず、目盛を付した傾斜板から成る水位計測用標示部材の１例を示す模式図である。
【図６】前掲の図１に示した画像処理装置１で行なわれるオフライン処理の１例を示すフロー図である。
【図７】本実施形態に係る水位計測方法における全体的な処理の手順を示し、（Ａ）はフロー図、（Ｂ）は上記フロー図における制御テーブル３１の１例を示す図表である。
【図８】前掲の図７（Ａ）においてボックスＬに示した画像処理による水位計測（オンライン処理）の詳細を示すとともに記憶媒体との情報交換ルートを付記したフロー図である。
【図９】前掲の図８に示したオンライン処理においてボックスＬ−２００として表した異常気象検知処理の詳細を説明するために示したもので、（Ａ）は処理フロー図、（Ｂ）は傾斜板付近の模式的な斜視図である。
【図１０】計測結果のフォーマットの１例を示す図である。
【図１１】各種の計測条件下における接触式水位計と画像式水位計（画像処理による水位計測装置）との特性を対比し、環境条件に対する適応性を記号化して示した図表である。
【図１２】水位が下降する場合と水位が上昇する場合とについて、ＴＶ画像による水位計測値の時間的変化と、浮子式水位計による水位計測値の時間的変化とを対比して示した図表である。
【符号の説明】
１…画像処理装置、２…モニタＴＶ、３…水位計測値、４…ＴＶカメラ、５…垂直量水標、６…傾斜板、７…河川、８…データ処理装置、９…浮子式水位計検出部、１０…受信機、１１…コーダー、１２…ＣＰＵ、１３…主メモリ、１４…バス、１５…画像処理プロセッサ、１６…画像メモリ、１７…外部インターフェース、１８…浮子、１９…リードスイッチ、２０…磁石、２１…ストレーナ、２２…送信機、２３…円筒状本体部、２４…水面境界部、２５…反射像，屈折像、２６…傾斜板の辺、２７…反射像、２８…屈折像、２９…像の輪郭の変曲点、３０…記憶媒体、３１…制御テーブル、３２…第１の基準点、３３…第２の基準点、３５…基準点情報、３６…傾斜板表面の画像濃度採取区域、３７…傾斜板の背景の画像濃度採取区域。
Claims (6)
- 自動的かつ遠隔的に水位を計測する方法において、
電気的信号を出力する接触式水位計と、水位計測用標示部材付近を撮像するＴＶカメラとの２系統の検出手段を用い、
上記ＴＶカメラから出力された映像信号を画像処理して得られた水位信号と、
前記接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して、
前記ＴＶカメラの映像信号を画像処理して得られた水位信号、および、接触式水位計による水位信号のそれぞれが正常に出力されているか否かを自動的に監視し、
接触式水位計による水位信号が正常に出力されており、かつ、画像処理による水位信号が正常に出力されていない場合は、ＴＶカメラの視界を遮る一時的な異常気象が発生しているものと判断し、
画像処理による水位信号が正常であるか否かの監視を継続しつつ、該画像処理水位信号が異常である期間中は前記接触式水位計による水位信号が表す水位を計測値とし、
監視を継続していた画像処理水位信号が正常に復した後は、該画像処理水位信号が接触式水位計による水位信号に比して計測誤差許容値以内で一致していることを自動的に確認して、その一致した水位信号に基づいて水位の計測値を得ることを特徴とする水位計測方法。 - 前記の水位計測用標示部材に予め目盛を設けておき、
上記の目盛を撮像した映像信号と、該目盛以外の箇所を撮像した映像信号とを求めるとともに、上記２種類の映像信号それぞれを画像処理して画像濃度を算出し、
算出された二つの画像濃度を自動的に比較して、両者の濃度差が予め設定された値以下である場合、および／または、目盛を含む画像の濃度が目盛以外の画像の濃度に比して予め定められた濃度比以下である場合は異常気象が発生したものと判定し、
異常気象が発生したと判定された後も、前記の画像濃度の算出および濃度の比較を継続して、濃度差が設定値以上となり、および／または濃度比が設定値以上となった場合は異常気象が消失してＴＶカメラの視界が回復した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。 - ＴＶカメラから出力される映像信号を画像処理して得られた水位信号と、接触式水位計から出力された水位信号とを演算回路に入力して比較し、
上記双方の水位信号の差が、予め設定された値よりも大きいときは接触式水位計の出力水位信号を採用せず、画像処理して得られた水位信号に基づいて水位の計測値を得ることを特徴とする、請求項１もしくは請求項２に記載した水位計測方法。 - 前記画像処理による水位信号が正常に出力されており、かつ、該画像処理水位信号と接触式水位計による水位信号との差が、予め設定された値よりも大きいときは、接触式水位計が故障修理もしくは異物除去を必要とする状態になっているものと判定して、自動的にアラームを発せしめることを特徴とする、請求項３に記載した水位計測方法。
- 水面の変動に伴って機械的に動かされる部材と、該部材の動きを電気的信号に変換して水位信号を出力する手段とから成る接触式水位計が設けられるとともに、
水面付近に設置された標示部材と、該標示部材を撮像するＴＶカメラと、上記ＴＶカメラが出力した映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から成る画像式水位計が設けられており、
かつ、前記接触式水位計から出力された水位信号、および、前記画像式水位計から出力された水位信号を入力されるデータ処理装置が設けられていて、
上記データ処理装置は、予め与えられたプログラムに従って上記双方の水位信号を比較演算して水位の計測値を算出する機能を有し、
前記の標示部材には目盛が付されていて、前記のＴＶカメラは上記の目盛を含む区域と上記目盛を含まない区域とのそれぞれを撮像する機能を有しており、
前記のデータ処理装置もしくはその付属機器は、前記の目盛を含む区域の画像濃度を算出する機能および該目盛を含まない区域の画像濃度を算出する機能を備えていて、
上記目盛を含む画像濃度と目盛を含まない画像濃度とを比較して、両者の濃度差もしくは濃度比が予め与えられた正常範囲の値でないときは、画像式水位計から出力される水位信号を水位計測用として採用することなく、接触式水位計から出力された水位信号に基づいて水位計測値を算出する機能を有していることを特徴とする水位計測設備。 - 前記のデータ処理装置は、接触式水位計から入力された水位信号と画像式水位計から有効に入力された水位信号とを比較して、
上記双方の水位信号の差が予め設定された値よりも大きいときは、画像式水位計から入力された水位信号に基づいて水位計測値を算出するとともに、接触式水位計に異常が発生したことを告げるアラームを発する機能を有していることを特徴とする、請求項５に記載した水位計測設備。
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