JP7361649B2

JP7361649B2 - 粉塵測定装置および粉塵測定方法

Info

Publication number: JP7361649B2
Application number: JP2020059789A
Authority: JP
Inventors: 大樹森
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-10-16
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021156824A

Description

本発明は、空気中に浮遊する粉塵を測定する粉塵測定装置および粉塵測定方法に関する。

従来、閉鎖空間で粉塵が発生する可能性があるトンネル建設工事現場などでは、作業者の健康被害を避けるために定期的に粉塵の濃度を測定することが義務付けられており、様々な粉塵測定技術が開発されている。
一般に用いられる粉塵計として、光散乱方式、光吸収方式、圧電天秤方式など数種類の方式が知られている。

また、例えば下記特許文献１は、携帯可能な撮影装置を使用して簡単にトンネル内等の粉塵濃度を測定できるようにするものであって、トンネル内においてデジタルカメラのストロボを使用して空間を撮影すると、空間に浮遊する微粒子にストロボからの閃光が反射し、反射光が白斑画像として撮影される。この白斑の数をカウントすることによって粉塵濃度を推定することが可能となる。粉塵測定装置は、画像中の白斑を抽出する画像抽出手段、白斑画像の面積を計算する面積計算手段、及び面積計算手段で得られた数値が設定範囲内にあるかを判定する比較手段、設定範囲内の白斑画像の数をカウントする手段、及びカウント結果を表示する表示手段とからなる。

特許第５２０７１８５号公報

一般的な粉塵計は、測定点の粉塵濃度を測定するのみであり、空間中の粉塵濃度の分布を得るには複数の箇所で繰り返し測定を行う必要がある。また、１回の測定につき少なくとも数分の時間がかかり、気軽に測定することができず、また工事現場等で用いる場合には作業の邪魔となる可能性がある。

また、上述した特許文献１は、測定対象領域の画像を用いて当該箇所の粉塵濃度を測定しているが、画像上の粉塵濃度が均一であると想定しており、画像内における粉塵濃度の分布を得ることができないという課題がある。
例えばトンネル建設工事現場などでは、粉塵を含む空気を換気できるよう換気用ダクトの設置が行われるが、地質の影響や作業の内容などにより、粉塵の発生量は空間中一様ではないと考えられる。換気用ダクトの設置場所は、より粉塵が生じやすい場所にするのが好ましく、粉塵測定において空間中の粉塵濃度分布を得られるのが好ましい。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、測定対象領域内の粉塵の濃度分布を容易に測定することができる粉塵測定装置および粉塵測定方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明にかかる粉塵測定装置は、空気中に浮遊する粉塵を測定する粉塵測定装置であって、測定対象領域の可視光画像を撮影する可視光カメラと、前記測定対象領域の非可視光画像を撮影する非可視光カメラと、前記可視光画像と前記非可視光画像との差分に基づいて、前記測定対象領域における粉塵分布を推定する粉塵検出部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる粉塵測定方法は、空気中に浮遊する粉塵を測定する粉塵測定方法であって、測定対象領域の可視光画像を可視光カメラで撮影する第１の撮影工程と、前記測定対象領域の非可視光画像を非可視光カメラで撮影する第２の撮影工程と、前記可視光画像と前記非可視光画像との差分に基づいて、前記測定対象領域における粉塵分布を推定する粉塵検出工程と、を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、測定対象領域内の粉塵の濃度分布を容易に測定することができる。

実施の形態にかかる粉塵測定装置の構成を示すブロック図である。粉塵測定装置による粉塵測定処理の手順を示すフローチャートである。粉塵測定装置による画像処理を模式的に示す図である。粉塵測定装置による画像処理を模式的に示す図である。粉塵測定装置による画像処理を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる粉塵測定装置および粉塵測定方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、粉塵測定装置をトンネル建設工事現場で利用する場合について説明する。

図１は、実施の形態にかかる粉塵測定装置の構成を示すブロック図である。
粉塵測定装置１０は、ＲＧＢカメラ（可視光カメラ）１２、赤外線カメラ（非可視光カメラ）１４、処理部１６および出力部１８を備え、空気中に浮遊する粉塵を測定する。
粉塵測定装置１０の構成のうち、例えばＲＧＢカメラ１２および赤外線カメラ１４は、例えば図示しない筐体内に収容されており、その設置場所を容易に変更可能であるとともに、撮影範囲を略同一とされているものとする。

処理部１６および出力部１８は、上記筐体内に収容されていてもよいし、例えば上記カメラ１２，１４と離れた場所に設置されていてもよい。
処理部１６および出力部１８がカメラ１２，１４と離れた場所に設置されている場合、カメラ１２，１４の撮影画像は例えば無線通信により処理部１６に送信してもよいし、撮影画像を記録した記録媒体を処理部１６に読み込ませるようにしてもよい。処理部１６および出力部１８は、例えばパーソナルコンピューターやタブレット端末等であってもよい。

ＲＧＢカメラ１２は、測定対象領域の可視光画像を撮影する可視光カメラの一例である。
ＲＧＢカメラ１２は、被写体の像を、レンズを介してＣＣＤやＣＭＯＳなどの画像素子上に結像させて得た赤・緑・青（ＲＧＢ）の３種類の画像を重ね合わせることにより、人間の視覚に近い色合いを再現したカラー画像を撮影する。
なお、ＲＧＢカメラ１２で撮影する際に撮影領域が暗い場合には、例えばＲＧＢカメラ１２に搭載されたフラッシュや現場での作業用照明などにより画像撮影に十分な照度を確保する。また、可視光カメラとして、カラー画像を撮影するＲＧＢカメラ１２ではなく、モノクロ画像を撮影するモノクロカメラを用いてもよい。

赤外線カメラ１４は、測定対象領域の非可視光画像を撮影する非可視光カメラの一例である。
赤外線カメラ１４は、物体から放射される赤外線エネルギーをカメラ内のレンズで結像することで、撮影対象の温度を可視化した赤外線画像を撮影する。
なお、赤外線カメラ１４に代えて、例えばミリ波やテラヘルツ波などを用いて画像を撮影するカメラを設けてもよい。

処理部１６は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。
処理部１６は、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することにより、粉塵検出部１６０として機能する。

粉塵検出部１６０は、ＲＧＢカメラ１２で撮影した可視光画像と赤外線カメラ１４で撮影した非可視光画像との差分に基づいて、測定対象領域における粉塵分布を推定する。
一般に、粉塵は光（可視光）を反射するため、粉塵が発生している箇所を撮影したＲＧＢカメラ１２の画像は靄がかかったように映る（ごく近くに粉塵がある場合には粉塵そのものが映る）。すなわち、ＲＧＢカメラ１２の画像は粉塵の影響を受ける。
一方で、粉塵は放射する赤外線エネルギーが周囲の物体と比較してごく小さいため、赤外線カメラ１４の画像には粉塵は映らない。すなわち、赤外線カメラ１４の画像は粉塵の影響を受けない。
よって、ＲＧＢカメラ１２で撮影した画像から赤外線カメラ１４で撮影した画像を差し引くことにより、粉塵の発生箇所（測定対象領域における分布）や粉塵の量を視覚的に特定することができる。

より詳細には、粉塵検出部１６０は、可視光画像と非可視光画像とにそれぞれフィルタ処理を行ってそれぞれの画像中のエッジ部分を抽出し、エッジ部分の有無を比較することにより当該エッジ部分の箇所における粉塵の有無を推定する。
可視光画像に対するフィルタ処理は、例えばカラー画像をグレースケール化するグレースケールフィルタ、および物体の輪郭を抽出するエッジ検出フィルタ（例えば微分フィルタ）を用いる。また、非可視光カメラに対するフィルタ処理は、画像中の明度が急変する箇所（物体の輪郭）を抽出する微分フィルタを用いる。
粉塵検出部１６０は、非可視光画像で検出されたエッジ部分が可視光画像でも検出されている場合には、その部分には粉塵がないと判断し、非可視光画像で検出されたエッジ部分が可視光画像では検出されていない場合には、その部分に粉塵があると判断する。
また、例えば可視光画像内でエッジ部分の明瞭性に差がある場合には、明瞭性が低い部分に粉塵が発生していると判断してもよい。この時、明瞭性が低いほど、その箇所の粉塵濃度が高いと推定できる。

粉塵検出部１６０は、例えば可視光画像と非可視光画像とを同一の撮影箇所を含む複数のセルに分割し、それぞれのセルにおけるエッジ部分の長さに基づいて、当該セルに対応する領域における粉塵の量を推定する。
すなわち、粉塵検出部１６０は、同一の範囲を撮影した可視光画像と非可視光画像とを、それぞれ複数のセルに分割する。そして、同一領域を撮影したセル同士（可視光画像のセルと非可視光画像のセル）に含まれるエッジ部分（線分）の長さを比較する。エッジ部分の長さの差分が大きい場合には、そのセルに対応する領域の粉塵量が多いと判断し、エッジ部分の長さの差分が小さい場合には、そのセルに対応する領域の粉塵量が少ないと判断する。

出力部１８は、例えば画像やテキストなどの情報を表示するディスプレイであり、粉塵検出部１６０による粉塵分布の推定結果を出力する。
出力部１８は、例えばＲＧＢカメラ１２で撮影したカラー画像（赤外線カメラ１４で撮影した赤外線画像であってもよい）をセル状に分割して表示し、各セル毎に粉塵濃度を色分けして表示する。また、出力部１８は、例えばＲＧＢカメラ１２で撮影した画像に重畳して、粉塵量の分布の示すコンター図を表示してもよい。
出力部１８による粉塵分布の出力方法は、上記に限らず従来公知の様々な方法を適用可能である。

図２は、粉塵測定装置による粉塵測定処理の手順を示すフローチャートである。
まず、粉塵測定装置１０は、ＲＧＢカメラ１２および赤外線カメラ１４により同一の領域（測定対象領域）を同時に撮影し、カラー画像および赤外線画像を得る（ステップＳ２００、第１の撮影工程および第２の撮影工程）。
図３Ａにカラー画像をモノクロ化した画像の一例を、図４Ａに赤外線画像の一例を、それぞれ示す。図３Ａおよび図４Ａは、同一の領域を同時に撮影したものである。

つぎに、粉塵検出部１６０によりステップＳ２００で撮影した各画像に対してフィルタ処理を行い、エッジ部分を抽出する（ステップＳ２０２）。
図３Ｂに図３Ａの画像のエッジ抽出結果を、図４Ｂに図４Ａの画像のエッジ抽出結果を、それぞれ示す。また、図５Ａは、図３Ｂと図４Ｂとを重ね合わせた画像である。
粉塵検出部１６０は、エッジ部分を抽出した各画像を複数のセルに分割し（ステップＳ２０４）、同一箇所に対応するセル同士を比較し、エッジ部分の差分を抽出する（ステップＳ２０６）。

そして、粉塵検出部１６０は、各セルにおける差分（エッジ部分の長さの差分）に基づいて、当該セルに対応する箇所の粉塵量を推定する（ステップＳ２０８）。すなわち、２つの画像間で、エッジ部分の長さの差分が大きいほど当該箇所の粉塵量は多く、差分が小さいほど当該箇所の粉塵量は少ないと推定する。ステップＳ２０２～Ｓ２０８が粉塵検出工程となる。
図５Ｂは、図５Ａを複数のセルに分割し、各セル内におけるエッジ部分の差分に基づいて粉塵量を検出した結果を示す。図５Ｂの例では、画像の略中心に位置する領域Ｃで粉塵量が一番多く、領域Ｃの周辺の領域Ｂ、外周部分である領域Ａの順に粉塵量が少なくなっている。

出力部１８は、粉塵検出部１６０による粉塵分布の推定結果（例えば図５Ｂのような分布図）を、例えばディスプレイ上に表示して（ステップＳ２１０）、本フローチャートの処理を終了する。

以上説明したように、実施の形態にかかる粉塵測定装置１０は、カメラで撮影した画像から処理部１６で粉塵の濃度分布を推定するので、測定作業としては画像の撮影だけでよく、測定作業を簡素化することができる。また、粉塵測定装置１０は、測定結果を短時間で得ることができ、測定作業を効率的に行うことができる。
また、粉塵測定装置１０は、１回の測定（撮影）で広範囲に渡る粉塵の濃度分布を測定することができ、測定対象領域内の粉塵の飛散状況をより詳細に把握することができる。
また、粉塵測定装置１０は、画像上に粉塵の濃度分布を出力可能なので、粉塵の飛散状況が視覚的にわかりやすく、例えば粉塵のホットスポットが生じている場合などに迅速に対応することができる。

また、例えば実施の形態にかかる粉塵測定装置１０で換気ダクトを撮影し、粉塵濃度分布を測定することにより、ダクトの破損による空気漏れを検知することができるなど、トンネル建設現場等における作業効率および安全性を向上させることができる。
すなわち、ＲＧＢカメラ１２および赤外線カメラ１４で（第１の撮影工程および第２の撮影工程）、トンネル建設現場等において粉塵の排出を行う換気ダクトを撮影範囲に含めて可視光画像および非可視光画像を撮影し、粉塵検出部１６０（粉塵検出工程）で換気ダクトの周辺に粉塵が検出された場合、換気ダクトの破損の可能性を報知する破損報知部を更に備えてもよい。なお、換気ダクトの破損の判断は、処理部１６（破損報知部）で自動的に行ってもよいし、トンネル工事現場等の作業員などが粉塵検出部１６０の測定結果を見て行ってもよい。

１０粉塵測定装置
１２ＲＧＢカメラ（可視光カメラ）
１４赤外線カメラ（非可視光カメラ）
１６処理部
１６０粉塵検出部
１８出力部

Claims

空気中に浮遊する粉塵を測定する粉塵測定装置であって、
測定対象領域の可視光画像を撮影する可視光カメラと、
前記測定対象領域の非可視光画像を撮影する非可視光カメラと、
前記可視光画像と前記非可視光画像との差分に基づいて、前記測定対象領域における粉塵分布を推定する粉塵検出部と、
を備えることを特徴とする粉塵測定装置。
前記粉塵検出部は、前記可視光画像と前記非可視光画像とにそれぞれフィルタ処理を行ってそれぞれの画像中のエッジ部分を抽出し、前記エッジ部分の有無を比較することにより当該エッジ部分の箇所における前記粉塵の量を推定する、
ことを特徴とする請求項１記載の粉塵測定装置。
前記粉塵検出部は、前記可視光画像と前記非可視光画像とを同一の撮影箇所を含む複数のセルに分割し、それぞれのセルにおける前記エッジ部分の長さに基づいて、当該セルに対応する領域における前記粉塵の量を推定する、
ことを特徴とする請求項２記載の粉塵測定装置。
前記可視光カメラおよび前記非可視光カメラは、前記粉塵の排出を行う換気ダクトを撮影範囲に含めて前記可視光画像および前記非可視光画像を撮影し、
前記換気ダクトの周辺に前記粉塵が検出された場合、前記換気ダクトの破損の可能性を報知する破損報知部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の粉塵測定装置。
前記非可視光カメラは、前記測定対象領域の赤外線画像を撮影する赤外線カメラである、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の粉塵測定装置。
空気中に浮遊する粉塵を測定する粉塵測定方法であって、
測定対象領域の可視光画像を可視光カメラで撮影する第１の撮影工程と、
前記測定対象領域の非可視光画像を非可視光カメラで撮影する第２の撮影工程と、
前記可視光画像と前記非可視光画像との差分に基づいて、前記測定対象領域における粉塵分布を推定する粉塵検出工程と、
を含んだことを特徴とする粉塵測定方法。