JP6682409B2 - 河川監視装置、河川監視方法及びプログラム - Google Patents
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Description
図1は河川監視装置を含む河川監視システム100の構成を示す図である。
河川監視システム100は図1に示すように河川監視装置1を備える。河川監視装置1は河川の監視地点Pcに設置され監視地点Pcの水面の画像を撮影する撮影装置2と通信接続されている。撮影装置2は具体的にはビデオカメラである。撮影装置2は状況に応じてパン、チルト動作を管理者の遠隔からの制御によって行って撮影動作を行う。河川監視装置1は撮影装置2より、少なくとも監視地点の水面とその水面から突出する物体とを映した監視画像を受信する。監視画像は動画像であってよい。
河川の監視地点Pcよりも下流側には下流水位計測地点Pbが設けられる。下流水位計測地点Pbには下流水位計測装置4が備わる。河川監視装置1は下流水位計測装置4と通信ネットワークで接続されている。河川監視装置1は下流水位計測装置4から下流水位計側地点Pbの水面標高Hbの情報を受信する。
上流水位計測装置3や下流水位計測装置4は各地点における河川の水面標高Hを物理的に計測する装置であり、予め上流水位計測地点Paや下流水位計測地点Pbに設置されている既知の装置である。
図2で示すように河川の多くは河川幅の両側に設けられた堤防や土手の間を流れる。
河川の水面と川底との距離を水深と呼ぶ。また河川には零点高Zと呼ばれる基準面の高さが設定されている。この零点高Zは平均海面を0(ゼロ)とした場合の当該平均海面からの高さで示される値である。水面標高Hは零点高からの水位の高さを示している。上流水位計測装置3や下流水位計測装置4はこの当該計測装置が設置されている地点での河川の水面標高Hを計測する装置である。
河川監視装置1は少なくとも水面と水面から突出する物体とを映した監視画像を撮影装置2から取得する。この監視画像は監視地点の水面標高を検出するために予め設定された撮影装置2の所定の撮影方向および画角の画像である。河川監視装置1が水面標高の検出の為に取得する監視画像の撮影方向や画角は一定であることが望まれる。これにより河川監視装置1は所定の設置位置からの撮影方向や画角が同じ条件で撮影された異なる時刻の監視画像を取得して、それぞれの時刻における監視地点の水面標高を検出する。監視画像に写る水面から突出する物体とは土手や堤防の法面や、橋脚などであってよい。当該監視画像には法面や橋脚に設けられた水位標が写っていてよい。水位標(量水板)とは鋼製またはアルミ製などの板に幅20cm〜30cm程度の目盛が記されたものである。
河川監視装置1はコンピュータであり、内部にCPU(Central Processing Unit)、記憶部、通信モジュールなどのハードウェアを備える。河川監視装置1の記憶部は、具体的にはROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などであってよい。河川監視装置1のCPUが記憶部に記録される河川監視のためのアプリケーションプログラムを実行する。これにより河川監視装置1には画像取得部101、他地点水面標高取得部102、推定水面標高算出部103、水面標高座標検出部104、変換部105の機能が備わる。
他地点水面標高取得部102は河川の監視地点Pcとは異なる他地点に設置されている水位計測装置から水位計測地点における水面標高(第一水面標高)の値を取得する。具体的には他地点水面標高取得部102は上流水位計測装置3から上流水位計測地点Paの水面標高Ha(第一水面標高)を取得する。また他地点水面標高取得部102は下流水位計測装置4から下流水位計測地点Pbの水面標高Hb(第一水面標高)を取得する。
変換部105は推定水面標高算出部103から取得した監視地点Pcにおける推定水面標高’を監視画像内の推定座標に変換し水面標高座標検出部104に出力する。また変換部105は水面標高座標検出部104から取得した水面標高の位置を示す座標を監視地点Pcの水面標高Hcの数値に変換して出力する。
図6は第1の実施形態の各地点と零点高と水面標高との関係図である。
次に河川監視装置の処理フローについて順を追って説明する。
まず、河川監視装置1の画像取得部101は監視画像を撮影装置2から取得する(ステップS501)。撮影装置2の撮影した監視画像は夜間であっても降雨量の激しい時間帯の画像であってもよい。画像取得部101は監視画像を水面標高座標検出部104へ出力する。
図7が示すように変換テーブルの一例は、水面標高と監視画像内のY座標(縦軸座標)との対応関係を複数記憶している。変換部105は変換テーブルを読み込んで、推定水面標高Hc’に対応する監視画像内の推定座標(Y座標)を特定することで変換する。または変換部105は変換テーブルを読み込んで、推定水面標高Hc’に対応する監視画像内の推定座標(Y座標)を、変換テーブルに含まれる水面標高と監視画像内のY座標の対応関係に基づいて補間計算を行って算出する。
図8が示すように変換テーブルの他の例では、変換テーブルは水面標高と監視画像内の直線を示す数式のパラメータとの対応関係を複数記憶している。図8で示す対応関係は、水面標高に基づいて監視画像内の座標を特定できるため、推定水面標高である水面と当該水面から突出する物体との境界を示す監視画像内の座標との対応関係の一態様である。変換部105は変換テーブルを読み込んで、推定水面標高Hc’に対応する監視画像内の直線の数式のパラメータを特定する。パラメータは一次関数Y(縦軸の値)=aX(横軸の値)+bに含まれる係数aとbである。監視画像に写る水面と水面から突出する物体との境界が、監視画像に斜めに直線的に出現する場合においては、図8のような変換テーブルが用いられる。変換部105はこのパラメータに基づいて監視画像の横軸範囲それぞれの縦軸の座標を算出することで、推定水面標高Hc’に対応する監視画像内の座標を特定する。
この図が示すように監視画像において、推定水面標高Hc’に対応する監視画像内の座標の上下所定範囲の領域が検出領域として設定される。
次に、第2の実施形態について、説明する。第2の実施形態は、各地点間の距離を記憶する距離テーブルを用いて、推定水面標高Hc’を算出する手法である。
図10は第2の実施形態の河川監視装置の機能ブロック図である。
図10で示す本実施形態の河川監視装置1は記憶部106に監視地点から水位計測地点までの距離を記憶している。第2の実施形態の河川監視装置1の処理は、第1の実施形態の処理と比較して推定水面標高算出部103による推定水面標高Hc’の算出手法が異なる。それ以外の処理は第1の実施形態と同じである。
河川監視装置1の記憶部106は図11で示すような距離テーブルを記憶する。距離テーブルには監視地点Pcや上流水位計測地点Pa、下流水位計測地点Pbごとに、他の地点までの距離を記憶したテーブルである。
図13は第2の実施形態の各地点と零点高と水面標高との関係(内挿)を示す図である。
河川監視装置1は図5で示したステップS501〜S503までの処理を同様に行う。次に上記ステップS504の代わりに推定水面標高算出部103は、上流水面標高Haと下流水面標高Hbと、監視地点Pcから他の水位計測地点(Pa,Pb)までの各距離とに基づいて推定水面標高Hc’を算出する(ステップS5041)。
図14で示す各地点の位置関係は監視地点Pcが最も下流側に位置し、他の水位計測地点が監視地点Pcよりも上流側に位置する関係である。図14に示すように上流水面標高Haと水面標高Hcとの差を水面標高差Hac、下流水面標高Hbと水面標高Hcとの差を水面標高差Hbcとする。この場合、幾何学的に距離Dacと距離Dbcとの比は、水面標高差Hacと水面標高差Hbcとの比に等しい。したがって図14に示すように各地点の水面標高が各地点の距離に応じて比例すると仮定し、また水面標高算出部103は上記の幾何学的な性質を利用して、式(2)により監視地点Pcの水面標高Hcを算出することができる。式(2)は外挿法を利用した水面標高Hcの推定方法である。
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、零点高情報を記憶する零点高テーブルを用いて、推定水面標高Hc’を算出する手法である。
図15は第3の実施形態の河川監視装置の機能ブロック図である。
図15で示す本実施形態の河川監視装置1は記憶部106に監視地点Pcや水位計測地点における零点高の情報を記憶している。第3の実施形態の河川監視装置1の処理は、第1の実施形態や第2の実施形態の処理と比較して推定水面標高算出部103による推定水面標高Hc’の算出手法が異なる。それ以外の処理は第1の実施形態や第2の実施形態の処理と同じである。
河川監視装置1の記憶部106は図16で示すような零点高テーブルを記憶する。零点高テーブルには監視地点Pcや上流水位計測地点Pa、下流水位計測地点Pbごとの各地点の零点高Zが記録されている。
図18は第3の実施形態の各地点と零点高と水面標高との関係(内挿)を示す図である。
河川監視装置1は図5で示したステップS501〜S503までの処理を同様に行う。次に上記ステップS504やステップS5041の代わりに推定水面標高算出部103は、上流水面標高Haと下流水面標高Hbと、監視地点Pcの零点高Zcおよび他の水位計測地点(Pa,Pb)の零点高(Za,Zb)による零点高差と、に基づいて推定水面標高Hc’を算出する(ステップS5042)。
図19で示す各地点の位置関係は監視地点Pcが最も下流側に位置し、他の水位計測地点が監視地点Pcよりも上流側に位置する関係である。図17と同様に上流水位計測地点Paの零点高Zaと監視地点Pcの零点高Zcとの差を第一零点高差Zacとする。また下流水位計測地点Pbの零点高Zbと監視地点Pcの零点高Zcとの差を第二零点高差Zbcとする。水面標高算出部103は観測地点Pcと各水位計測地点の零点高差に基づいて、第2の実施形態と同様の幾何学的な性質を利用して式(4)により監視地点Pcの水面標高Hcを算出する。式(4)は外挿法を利用した水面標高Hcの推定方法である。
次に、第4の実施形態について説明する。
図20は第4の実施形態の河川監視装置の機能ブロック図である。
図21は第4の実施形態の変換テーブルの監視画像内の座標との関係を示す図である。
河川監視装置1は記憶部106の記憶する変換テーブルを生成するようにしてもよい。
図20で示す河川監視装置1は、第1の実施形態において図4で示した河川監視装置1の機能ブロックに加え、変換テーブル生成部107の機能を備える。変換テーブル生成部107は、監視地点PcについてステップS504で算出した推定水面標高Hc’と、その推定水面標高Hc’に対応する水面から突出する物体との境界を示す監視画像内の座標との対応関係を示す変換テーブルを生成する。
また監視画像中に水面と水面から突出する物体の境界が傾きをもって出現している場合にはステップS508で検出される境界の座標はその境界の直線を表す関数の係数を用いて表すことができる。この場合、変換テーブル生成部107は境界に基づいてその直線が表す傾きや画像左端のY座標に基づいて一次関数Y(縦軸の値)=aX(横軸の値)+bのaおよびbのパラメータを特定する。変換テーブル生成部107は、図22で示すように推定水面標高Hc’と特定したパラメータa、b(監視画像内の座標を特定する情報)を対応付けた変換テーブルを生成する。
次に、第5の実施形態について説明する。
図23は第5の実施形態の河川監視装置の機能ブロック図である。
図23で示す河川監視装置1は、第4の実施形態の図20で説明した河川監視装置1の機能ブロックに加え、標高安定度合判定部108の機能を備える。
標高安定度合判定部108は、上流水面標高Haと下流水面標高Hbの安定度合を判定する。そして変換テーブル生成部107は各水位計測地点における水面標高の安定度合に基づいて、変換テーブルを生成または更新するタイミングを決定する。
標高安定度合判定部108は他地点水面標高取得部102の取得した上流水面標高Haと下流水面標高Hbとを取得する(ステップS241)。標高安定度合判定部108は過去から継続して取得した上流水面標高Haと下流水面標高Hbとを記憶部106等に記録する。標高安定度合判定部108は一定期間経過する毎に上流水面標高Haと下流水面標高Hbの安定度を算出する(ステップS242)。具体的には標高安定度合判定部108はある一定期間Tの間に得られたN個の上流水面標高Haのサンプルに対して分散Vを求める。標高安定度合判定部108は上流水面標高Haや下流水面標高Hbが不安定か否かを判定する(ステップS243)。標高安定度合判定部108はこの分散Vがあるしきい値TH_Vよりも大きい場合には上流水面標高Haの変動が大きく上流水面標高Haが不安定だと判定する。また標高安定度合判定部108は同様に下流表面標高Hbの変動が大きいかを判定する。標高安定度合判定部108は上流水面標高Haや下流水面標高Hbが不安定である場合、不安定を示す情報を変換テーブル生成部107へ出力する。なお標高安定度合判定部108は上流水面標高Haの安定度合を判定し、上流水面標高Haが不安定である場合に不安定を示す情報を変換テーブル生成部107へ出力してもよい。
変換テーブル生成部107は不安定を示す情報を取得する。変換テーブル生成部107は不安定を示す情報を取得すると変換テーブルの生成や更新を停止すると判定する(ステップS244)。この判定を行った場合、河川監視装置1の変換テーブル生成部107は第4の実施形態で説明した変換テーブルの生成や更新を停止する。
次に、第6の実施形態について説明する。
図25は第6の実施形態の河川監視装置の機能ブロック図である。
図24で示す河川監視装置1は、第4または第5の実施形態において示した河川監視装置1の機能ブロックに加え、標高入力部109の機能を備える。
最初に変換テーブルが生成された状態において、標高入力部109は、変換テーブルに記録されている水面標高の補正値を含む補正指示を入力する。この場合、標高入力部109は補正指示を変換テーブル生成部107へ出力する。変換テーブル生成部107は補正指示から水面標高の補正値を抽出する。そして変換テーブル生成部107はその補正値に基づいて変換テーブルに含まれる全ての水面標高と監視画像内の座標との対応関係を補正する。
河川監視装置1は、例えば図26の補正前の変換テーブル261を記憶しているとする。この変換テーブル261は、監視画像内のY座標=150と推定水面標高13mの対応関係を保持している。この状態において標高入力部109が推定水面標高13mを12.5mと補正するための補正指示をユーザから入力する。この場合、標高入力部109は、監視画像内のY座標=150と推定水面標高13mの対応関係を示す情報と推定水面標高を12.5mに補正することを示す情報とを含む補正指示を出力する。変換テーブル生成部107は変換テーブルを読み取り、その変換テーブルに含まれる監視画像内のY座標=150と推定水面標高を13mの対応関係を、監視画像内のY座標=150と推定水面標高を12.5mの対応関係へと補正する。また変換テーブル生成部107は、その他の監視画像内のY座標に対応する推定水面標高の値を同様に、0.5m減じる。これにより、ユーザが1つの対応関係についての補正指示を入力すると、変換テーブルに記録されている水面標高と監視画像内座標との対応関係が全て補正される。これにより変換テーブルが補正され、図26中の符号262で示す変換テーブルが記憶部106に記録される。
図27は変換テーブルの第二の補正例を示している。河川監視装置1は、例えば図27の補正前の変換テーブル271を記憶しているとする。この変換テーブル271は、監視画像内のY座標=150と推定水面標高13mの対応関係などの複数の対応関係の情報を保持している。この状態において標高入力部109が監視画像内Y座標150に対応する推定水面標高13mを12.5mと補正するための補正指示をユーザから入力する。また標高入力部109が監視画像内Y座標550に対応する推定水面標高4mを3mと補正するための補正指示をユーザから入力する。標高入力部109はそれら2つの補正指示を変換テーブル生成部107に出力する。変換テーブル生成部107は、2つの補正指示を入力した場合、2つの補正指示に含まれる補正後の推定水面標高と現在の補正前の推定水面標高の差の平均を算出する。補正前の推定水面標高から補正後の推定水面標高までの変換がそれぞれ−0.5mと−1mとであるため、その平均は−0.75mである。したがって変換テーブル生成部107は補正前の変換テーブルに記録されている推定水面標高を全て0.75m減じる。
図28は変換テーブルの第三の補正例を示している。河川監視装置1は、例えば図28の補正前の変換テーブル281を記憶しているとする。この変換テーブル281は、監視画像内のY座標=150と推定水面標高13mの対応関係などの複数の対応関係の情報を保持している。この状態において標高入力部109が監視画像内Y座標150に対応する推定水面標高13mを12.5mと補正するための補正指示をユーザから入力する。また標高入力部109が監視画像内Y座標550に対応する推定水面標高4mを3mと補正するための補正指示をユーザから入力する。標高入力部109はそれら2つの補正指示を変換テーブル生成部107に出力する。変換テーブル生成部107は、2つの補正指示を入力した場合、それら2つの補正指示から監視画像内Y座標と、推定水面標高との対応関係を読み取る。変換テーブル生成部107は、監視画像内Y座標の増加分に対応する推定水面標高の増加分を示す傾きを示す係数を算出する。変換テーブル生成部107はこの傾きを示す二次関数に基づいて線形補間した、各画像内Y座標に対応する推定水面標高を算出する。または傾きを示す係数を算出せずに、何らかの手法によって、画像内Y座標の変換に応じた推定水面標高の変化を線形補間してもよい。図28の補正後の変換テーブル282に示すように、例えば変換テーブル生成部107は監視画像内Y座標100に対応する推定水面標高の減少値を−0.4m、監視画像内Y座標150に対応する推定水面標高の減少値を−0.5m、・・監視画像内Y座標500に対応する推定水面標高の減少値を−0.9m、監視画像内Y座標550に対応する推定水面標高の減少値を−1.0mなどと決定してもよい。
Claims (24)
- 河川の監視地点とは異なる他地点に設置されている水位計測装置から当該水位計測装置の計測した水位計測地点における第一水面標高の値を取得する他地点水面標高取得部と、
前記水位計測地点とは離れた前記河川における監視地点の監視画像であって少なくとも水面と水面から突出する物体とを映した監視画像を取得する画像取得部と、
前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記水位計測地点から取得した第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する水面標高検出部と、
を備える河川監視装置。 - 前記他地点水面標高取得部は前記監視地点の上流または下流の異なる複数の水位計測地点に設置されている水位計測装置それぞれから前記第一水面標高を取得し、
前記水面標高検出部は、前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記複数の水位計測地点それぞれから取得した前記第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する
請求項1に記載の河川監視装置。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高と、前記監視地点から前記水位計測地点までの各距離とに基づいて算出する推定水面標高算出部と、
を備える請求項2に記載の河川監視装置。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高の基準面である零点高と前記監視地点における前記第二水面標高の基準面である零点高との差に基づいて算出する推定水面標高算出部と、
を備える請求項2に記載の河川監視装置。 - 前記水面標高検出部は、前記監視画像の前記検出領域を用いて前記第二水面標高を推定する
請求項1に記載の河川監視装置。 - 前記監視地点における前記推定水面標高と、その推定水面標高に対応する水面標高と当該水面から突出する物体との境界を示す前記監視画像内の座標との対応関係を示すデータテーブルを生成するデータテーブル生成部と、
を備える請求項5に記載の河川監視装置。 - 前記データテーブル生成部は、前記第一水面標高または前記推定水面標高または前記第二水面標高の何れかの標高の安定度合に基づいて前記データテーブルを生成または更新するタイミングを決定する
請求項6に記載の河川監視装置。 - 前記データテーブル生成部は、前記水面標高の補正値を含む補正指示を取得した場合に、前記補正値に基づいて前記データテーブルに含まれる全ての前記水面標高と前記監視画像内の座標との対応関係を補正する
請求項6に記載の河川監視装置。 - 河川の監視地点とは異なる他地点に設置されている水位計測装置から当該水位計測装置の計測した水位計測地点における第一水面標高の値を取得し、
前記水位計測地点とは離れた前記河川における監視地点の監視画像であって少なくとも水面と水面から突出する物体とを映した監視画像を取得し、
前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記水位計測地点から取得した第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する
河川監視方法。 - 前記監視地点の上流または下流の異なる複数の水位計測地点に設置されている水位計測装置それぞれから前記第一水面標高を取得し、
前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記複数の水位計測地点それぞれから取得した前記第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する
請求項9に記載の河川監視方法。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高と、前記監視地点から前記水位計測地点までの各距離とに基づいて算出する
請求項10に記載の河川監視方法。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高の基準面である零点高と前記監視地点における前記第二水面標高の基準面である零点高との差に基づいて算出する
請求項10に記載の河川監視方法。 - 前記監視画像の前記検出領域を用いて前記第二水面標高を推定する
請求項9に記載の河川監視方法。 - 前記監視地点における前記推定水面標高と、その推定水面標高に対応する水面標高と当該水面から突出する物体との境界を示す前記監視画像内の座標との対応関係を示すデータテーブルを生成する
請求項13に記載の河川監視方法。 - 前記第一水面標高または前記推定水面標高または前記第二水面標高の何れかの標高の安定度合に基づいて前記データテーブルを生成または更新するタイミングを決定する
請求項14に記載の河川監視方法。 - 前記水面標高の補正値を含む補正指示を取得した場合に、前記補正値に基づいて前記データテーブルに含まれる全ての前記水面標高と前記監視画像内の座標との対応関係を補正する
請求項14に記載の河川監視方法。 - 河川監視装置のコンピュータを、
河川の監視地点とは異なる他地点に設置されている水位計測装置から当該水位計測装置の計測した水位計測地点における第一水面標高の値を取得する水面標高取得手段、
前記水位計測地点とは離れた前記河川における監視地点の監視画像であって少なくとも水面と水面から突出する物体とを映した監視画像を取得する画像取得手段、
前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記水位計測地点から取得した第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する水面標高検出手段、
として機能させるプログラム。 - 前記他地点水面標高取得手段は前記監視地点の上流または下流の異なる複数の水位計測地点に設置されている水位計測装置それぞれから前記第一水面標高を取得し、
前記水面標高検出手段は、前記監視地点における第二水面標高の前記監視画像中の検出領域を、前記複数の水位計測地点それぞれから取得した前記第一水面標高に基づく前記監視地点における推定水面標高を用いて特定する
請求項17に記載のプログラム。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高と、前記監視地点から前記水位計測地点までの各距離とに基づいて算出する推定水面標高算出手段、
として機能させる請求項18に記載のプログラム。 - 前記監視地点における推定水面標高を、前記複数の水位計測地点それぞれにおける前記第一水面標高の基準面である零点高と前記監視地点における前記第二水面標高の基準面である零点高との差に基づいて算出する推定水面標高算出手段、
として機能させる請求項18に記載のプログラム。 - 前記水面標高検出手段は、前記監視画像の前記検出領域を用いて前記第二水面標高を推定する
請求項17に記載のプログラム。 - 前記監視地点における前記推定水面標高と、その推定水面標高に対応する水面標高と当該水面から突出する物体との境界を示す前記監視画像内の座標との対応関係を示すデータテーブルを生成するデータテーブル生成手段、
として機能させる請求項21に記載のプログラム。 - 前記データテーブル生成手段は、前記第一水面標高または前記推定水面標高または前記第二水面標高の何れかの標高の安定度合に基づいて前記データテーブルを生成または更新するタイミングを決定する
請求項22に記載のプログラム。 - 前記データテーブル生成手段は、前記水面標高の補正値を含む補正指示を取得した場合に、前記補正値に基づいて前記データテーブルに含まれる全ての前記水面標高と前記監視画像内の座標との対応関係を補正する
請求項22に記載のプログラム。
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