JP6612411B1 - 水位計測プログラム及びこれに用いられるリング状指標 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でありながらも計測精度を担保できる水位・流量計測プログラム提供する。【解決手段】リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の流量を求める流量計測プログラムであって、入力された管渠内の画像データからリング状指標を含む画像を切り出す処理と、切り出された画像データから水面を検出する処理と、検出された水面に基づいて、水位を算出する処理と、算出された水位から流量を演算する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする水位・流量計測プログラム。【選択図】図４

Description

本発明は、管渠内の水位・流量を計測する水位・流量計測プログラム及びこれに用いられるリング状指標に関するものである。

国内の汚水の下水道普及率は約８０％であるが様々な問題点を抱えている。具体的には、合流式下水道改善計画、浸水対策、雨天時浸（侵）入水対策などがあげられる。このような業務において、全国的に管渠の流量調査が必要である。

下水管管渠の水位・流量計測を行う一般的な方法として、流量計を用いる方法（例えば、下記特許文献１）や水位計を用いる方法がある。しかし、流量計や水位計を用いる場合、これら計測機器自体の価格が高く、その結果、水位・流量調査にかかる費用も高いものになっていた。

そこで、特に雨天時浸（侵）入水対策における安価な水位・流量計測方法として、電気伝導度によるもの、水温の変化によるもの、音によるもの（例えば、下記特許文献２）など様々な計測方法が開発されてきている。

特開平７−１９８４３１号公報 特開２０１３−１３０４８６号公報

しかしながら、これらの計測方法は直接的に水位を計測するものではなく、安価ではあるが計測精度の面で問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、安価でありながらも計測精度を担保できる水位・流量計測プログラム提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る水位・流量計測プログラムは、
リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の流量を求める水位・流量計測プログラムであって、
入力された管渠内の画像データからリング状指標を含む画像を切り出す処理と、
切り出された画像データから水面を検出する処理と、
検出された水面に基づいて、水位を算出する処理と、
算出された水位から流量を演算する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

かかる構成による流量計測プログラムの作用・効果を説明する。この構成によると、流量計測のために用いる主要なハードウェアは、リング状指標とカメラである。指標は、特段にコストを要するものではなく、またカメラも汎用的な撮像手段であり、流量計や水位計のような専用のハードウェアを必要としないし、機器設置のための熟練者を要することも無い。さらに、カメラにより得られた画像データをコンピュータソフトウェアにより処理して流量を演算する構成であるから、全体的なコストを抑制することができる。また、実際の管渠内の画像データに基づいて水位を算出するものであり、直接的に水位を監視するものであるから計測精度も担保することができる。なお、水位から流量を演算する方法としては、例えば、周知のマニングの公式を用いることができる。その結果、安価でありながらも計測精度を担保できる水位・流量計測プログラムを提供することができる。

本発明において、前記水面を検出する処理は、リング状指標の画像濃度と水面の画像濃度の濃淡差に基づいて求められることが好ましい。

撮影されるリング状指標の濃度（色を含む）を適切に選択することで、リング状指標と水面の濃淡差を顕著にすることができ、水面の検出を容易に、かつ、精度よく行うことができる。

本発明に係る水位・流量計測プログラムで用いられるリング状指標は、
内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されていることが特徴である。

このような構成にすることで、水面とリング状指標の境界を検出しやすくすることができる。

本発明において、前記第３リング領域は黒であり、前記第１リング領域と第２リング領域は白色であることが好ましい。

かかる色を選択することで、リング状指標と水面とのコントラストを明確にすることができ、精度よく水面の位置を検出することができる。

管渠を監視するカメラを設置する場合の縦断面図 カメラから撮影される画像を示す図 流量計測を行う場合の作業フローチャート 画像データから水面検出までの手順を示すフローチャート 流量計測プログラムの機能を示すブロック図 画像データが画素の集合体であることを示す図 リング状の画像を切り出すための操作を示す図 切り取ったリング状の画像を示す図 切り取った画像のグレースケール化を示す図 ０．１度刻みで画像データを取り出す手順を示す図 図１０の部分拡大図 放射線と交差する画素を明示化した図 画像データを並べたテーブルデータ パラメータの関係を示す図 水面付近の画像を拡大した図 水面付近の画像データを並べたテーブルデータ テーブルデータの具体的なイメージを示す図 テーブルデータの具体的なイメージを示す図

本発明に係る水位・流量計測プログラムを用いた計測システム好適な実施形態をまず説明する。図１は、管渠を監視するカメラを設置する場合の縦断面図を示し、図２はカメラ（定点カメラ）から撮影される画像の一例を示す図である。

図１に示すように、マンホール１の内部に撮像手段としてのカメラ２が設置される。カメラ２は動画や静止画を撮影可能であり、マンホール１の内壁面に適宜の機械的手段により固定される。地下に管渠３が埋設されており、図１の場合、下水が矢印方向（左から右）へ流れているものとする。水面をＷで示す。管渠３のマンホール１の内壁面に近い位置にリング状のマーカー４（リング状指標）が設置されている。

図２に示すように、マーカー４は、リング状であり、最も内周側に位置する第１リング領域４ａと、最も外周側に位置する第２リング領域４ｂと、これら第１リング領域４ａと第２リング領域４ｂの間に位置する第３リング領域４ｃにより構成される。これらの領域は同心円である。第１リング領域４ａと第２リング領域４ｂは白色であり、第３リング領域４ｃは黒色である。マーカー４は、管渠３の内壁面（断面円形）に嵌合できるような外径寸法を有している。マーカー４は、樹脂等の素材により形成される。ただし、特定の素材に限定されるものではない。

図２において、水面Ｗは左右方向の破線で示される。マーカー４の外径Ｄ（左右方向の実線矢印）は予め分かっているので、水面からマーカー４の頂点までの高さｈ（上下方向の実線矢印）が分かれば、水位を演算することができる。水位が分かれば、流量を演算することができる（後述）。

図３は、ある現場で流量計測を行う場合の作業フローチャートである。計測を行うに際して、マンホール１および管渠３内にカメラ２、マーカー４など測定器の設置を行う（Ｓ１）。次に、管渠３内の撮影を、例えば、１〜５分間隔で行う（Ｓ２）。撮影される画像は図２に示す通りであり、得られた画像データはカメラ２にセットされた記憶媒体（フラッシュメモリ等）に記憶される。なお、撮影間隔については設置される環境等の事情に応じて適宜決めることができる。

次に、巡回点検日であるか否かを判断する（Ｓ３）。点検日でなければステップＳ２の撮影が継続される。巡回点検日は、例えば、１０日毎に設定される。点検日である場合は、画像データの回収を行う（Ｓ４）。具体的には、パソコン等のコンピュータを持ち込み、カメラ２に保存されている画像データをコンピュータに取り込む。

取り込まれた画像データに基づいて、流量演算を行う（Ｓ５）。具体的な演算手順については図４のフローチャート等に基づいて後述する。演算を行った後、計測期間が満了したか否かを判断し、満了していなければステップＳ２に戻り、管渠３内の撮影を継続する。期間が満了した場合は、カメラ２やマーカー４等の機材を撤去する。

取得された画像データから水面を検出するまでの手順は、図４のフローチャートに示される。また、図５は、水位・流量計測プログラムの機能を示すブロック図である。この水位・流量計測プログラム（コンピュータソフトウェア）は、画像データが取り込まれたコンピュータ内にインストールされている。

図５に示すように、水位・流量計測プログラム（ソフトウェア）１０は、コンピュータ内にインストールされている。画像データは、大容量の記憶媒体（ハードディスク等）１１に格納される。モニター１２には、撮影された画像などが示すように、水位・流量計測プログラム（ソフトウェア）１０は、コンピュータ内にインストールされている。画像データは、大容量の記憶媒体（ハードディスク等）１１に格納される。モニター１２には、撮影された画像などが表示される。

プログラム１０は、画像切り出し手段、グレースケール化手段、テーブルデータ作成手段、水面検出手段、水位算出手段、流量演算手段などの流量計測に必要な機能をコンピュータに実行させるものである。各手段の機能については後述する。作成されたテーブルデータは、コンピュータ内の記憶媒体１３に格納される。

取り扱う画像データはデジタル画像である。図６（Ａ）のように〇でかこまれた部分（水面近傍）を拡大すると、図６（Ｂ）のようになるが、更にその〇の部分を拡大すると図６（Ｃ）、図６（Ｄ）のように画素（点）の集合体であることがわかる。この点情報を取り出すことで水面を検出する（水面検出手段の機能）。

オペレータは、コンピュータ内の画像データが保存されているフォルダを指定する。次に、画像データをモニターに表示させて、管径の入力と画像内のマーカー４の指定を行う（Ｓ１０）。図７に示すように、左右の２点Ｐ１，Ｐ２をマウスで指定する。このＰ１，Ｐ２の距離が管径（管渠の直径）であることを指示する。さらに、管径の大きさは予め分かっており、その数値をオペレータが入力する。

次に、画面上にリングを発生させて、その大きさや幅を調整しながら、画面上のマーカー４にちょうど重なるようにして位置を指定する。リングを構成する線は、直径の小さな円Ｃ１と直径の大きな円Ｃ２の組み合わせにより構成される。

次に、点線のリングが決まると、このリングに沿って画像をリング状に切り取る（Ｓ１１）（画像切り出し手段の機能）。切り取ったリング状の画像は図８に示される。このように画像を切り取るのは、水面（水位）の検出に不要なデータを取り除き、処理時間の短縮化と、正確な画像処理を行うためである。

図９の左側の切り出されたリング状の画像は、カラーの画像データであり、これをグレースケール化して図９の右側のように単色化する（Ｓ１２）（グレースケール化手段の機能）。単色化することで、マーカー４と水面の境界のコントラストが明確になり、水面の位置（水位）の解析が容易になる。

次に、図１０以下に示すように、リング状に切り取った画像データの中心から０．１度刻みで画像データ（画素）を取り出して並べる（Ｓ１２）。図１０は、０．１度刻みに中心Ｏから放射線を引いた状態を示す模式図である。なお、図示の都合上、０．１度刻みの放射線は上部のみにしている。実際は、リングの中心Ｏからリングに向かって０度（管頂）から１８０度（管底）までを０．１度刻みに放射線を引き、その交わる部分の画像データを取り出す。図１１は、図１０の上部のみ（管頂近く）を拡大して示す図である。なお、何度刻みにするかは、適宜設定できるものである。

図１２は、図１１において、放射線と交差する画素を明示化した図である。図１２において、例えば、放射線Ｌ１と交わる画素は、ｄ１、ｄ２〜ｄ８の８つの画素である。他の放射線と交差する画素に関しても同様である。

以上のようにして０．１度刻みの放射線と交差する画像データ（画素）の情報を図１３に示すようなテーブルに並び変える（Ｓ１３）。また、放射線の角度と、これに対応する水位を計算で求めておき、これをテーブルデータとして格納しておく（テーブルデータ作成手段の機能）。

水位は、例えば、下記の式により求めておくことができる。

ｒ＝半径（管径に対応）
Ｌ＝弧長
Ｒ＝０，１度刻みの角度
ｈ＝矢高（水位に対応）
ここでｒは管径の１／２であり、あらかじめ決まっている数値なので、オペレータが入力する。

Ｌ＝２πｒ／（３６０Ｒ＊２）
θ＝Ｌ／ｒ
ｈ＝ｒ（１−ｃｏｓ（θ／２）
各パラメータの関係は図１４に示している。

なお、本実施形態では管頂を０度としているので、水位＝管径−矢高となる。

図１５は、水面付近の画像を拡大したものであり、図１６に、水面付近のテーブルデータを示す。図１６において、右側に示すのはテーブルデータのイメージである。

図１６のテーブルデータにおいて、縦に並べ替えられた画素のデータを上から順番にグレースケール値をチェックする。途中において、大幅に変化する場所、すなわち、コントラストの大きな箇所を見出す（Ｓ１４）。とくに、横方向において、数点の変化する場所を見出して、ほぼ同じ位置であれば（例えば、図１７のＸ１、Ｘ２）水面であると判断できる（水面検出手段の機能）。この変化している位置（水位）データを保存する（Ｓ１５）（水位算出手段の機能）。

図１７の例では極端に濃度が変化しているが、図１８に示すように、段階的に変化（グラデーション）している場合もある。従って、かかる変化については、数個のデータを含めた判断を行う。

図１３や図１６に示したテーブルデータは、リング状指標の左右２つ分存在する。右と左で検出される水位は必ずしも同じになるとは限らないので、その場合は、左右の水位データの平均値を採用する。

画像フォルダには多数の画像データが格納されているので、すべての画像データに関して同じ処理を繰り返す（Ｓ１６）（Ｓ１７）。

以上のように水位が求められると、水位から流量を演算することができる（流量演算手段の機能）。流量の演算には公知のマニングの公式から求めることができる。マニングの公式は下記の通りである。

ｖ＝１／ｎ・Ｒ^2/3ｉ^1/2
ｖは流速、ｎは粗度係数，ｉは勾配である。粗度係数は、水路底や壁の粗さを示すパラメータである。勾配は、管渠（流れのある水面）の傾きであり、あらかじめ分かっている数値である。流量は流速と流積（流れの断面積）を掛け合わせることで求まる。流速はマニングの公式から演算される。水位から流積が求まる。

＜別実施形態＞
本実施形態のマーカー４は、中心が黒のリングで、その両側が白のリングで構成されているが、これに限定されるものではない。中心を白にしてその両側を黒にしてもよい。また、色の選択も白と黒の組み合わせではなく、他の色の組み合わせにしてもよい。

本実施形態において、リング状指標の画像を切り出す方法として、２つのリングを画面上に発生させてリング状指標を画面上で指定する方法を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像認識技術を用いて、自動的にリング状指標を含む画像を切り出す処理を行ってもよい。
水面検出処理や水位算出処理に関しても、本実施形態の構成に限定されるものではない。

１ マンホール
２ カメラ
３ 管渠
４ マーカー
４ａ 第１リング領域
４ｂ 第２リング領域
４ｃ 第３リング領域
１０ 流量計測プログラム

Claims (4)

1. リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める水位計測プログラムであって、
   入力された管渠内の画像データからリング状指標を含む画像を切り出す処理と、
   切り出された画像データから水面を検出する処理と、
   検出された水面に基づいて、水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させ、
   前記切り出された画像データは、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置し、第１リング領域と第２リング領域とは濃度の異なる第３リング領域の画像を含み、前記第１リング領域および前記第２リング領域においてコントラスト変化の大きい箇所が前記水面であると判断することを特徴とする水位計測プログラム。
2. リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める水位計測プログラムであって、
   入力された管渠内の画像データからリング状指標を含む画像を切り出す処理と、
   切り出された画像データから水面を検出する処理と、
   検出された水面に基づいて、水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させ、
   前記切り出された画像データは、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置し、第１リング領域と第２リング領域とは濃度の異なる第３リング領域の画像を含み、前記第１リング領域および前記第２リング領域における前記リング状指標の画像濃度と水面の画像濃度の濃淡差に基づいて前記水面を検出することを特徴とする水位計測プログラム。
3. 請求項１又は２に記載の水位計測プログラムで用いられるリング状指標であって、
   内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されているリング状指標。
4. 前記第３リング領域は黒であり、前記第１リング領域と第２リング領域は白色であることを特徴とする請求項３に記載のリング状指標。