JPH10268067A - 積雪深計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性が高く、背景光の影響を受けにくく、
精密な計測が可能な積雪深計測装置を提供する。 【解決手段】 所定の波長帯域の断面が矩形の扇形ビー
ムを被計測雪面上に照射する発光器１と、発光器１から
発せられるビームの波長帯域と同等の光のみを撮像する
受光器２と、光切断法を用いて受光器２の出力から積雪
深を算出する制御処理手段３とを備え、発光器１及び受
光器２は被計測雪面上に一定距離だけ離間して配置さ
れ、制御処理手段３は信号画像と背景画像とを差分処理
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は積雪深計測装置にか
かわり、特に、光切断法を用いて積雪深を計測する積雪
深計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】道路の横断方向の積雪状態を計測するこ
とは、道路に積もった雪を除雪するタイミングを遠隔地
で判断する上で重要である。道路上の一点の積雪深を計
測するだけでは、その計測した一点がたまたま轍だった
場合に、積雪深が小さく計測され、除雪時期の判断を誤
ってしまうことがある。道路の横断方向の積雪深を計測
する装置としては、従来、光学式距離計測型の積雪深計
測装置が用いられていた。図１０は、この従来の積雪深
計測装置の構成図である。同図に示されるように、従来
の積雪深計測装置は、センサ部６０と制御処理部６３と
が被計測雪面上に架設された支柱６６に取り付けられた
構造となっている。また、センサ部６０は、光ビームを
発する点光源と、雪面で反射した光ビームを感知するセ
ンサと、光ビームを道路横断方向８にスキャニングする
走査装置とによって構成されている。制御処理部６０
は、点光源から発せられた光ビームが雪面上で反射して
戻るまでの時間を計測して、この時間と、このときの光
ビームの鉛直方向に対する角度αとから、積雪深を算出
する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
積雪深計測装置は、光ビームをスキャニングするために
点光源を走査装置で機械的に動かす必要があった。この
ため、スキャンニング動作が不安定であり、計測結果の
誤差の原因となっていた。また、走査装置は点光源の角
度を機械的に変えるため故障する可能性が高く、装置の
信頼性と寿命とを規定する要素となっていた。また、点
光源が発する光ビームは、太陽光や車のヘッドライト等
の背景光に比べて微弱であった。このため、昼間の計測
は困難であり、また、夜間でもヘッドライト等の背景光
により計測できなくなることがあった。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、信頼性が高く、背景
光の影響を受けにくく、精密な計測が可能な積雪深計測
装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、所定の波長帯域のビームを発生する光源
とこのビームから断面が矩形の扇形ビームを形成するレ
ンズとを有して扇形ビームを被計測雪面上に照射する発
光器と、点光源から発せられるビームの波長帯域と同等
の通過波長特性を持つ干渉フィルタとこの干渉フィルタ
を通過した光を撮像するＣＣＤカメラとを有する受光器
と、発光器及び受光器に接続されてこれら発光器及び受
光器の動作を制御すると共に光切断法を用いて受光器の
出力から積雪深を算出する制御処理手段とを備え、発光
器及び受光器は被計測雪面上に一定距離だけ離間して配
置され、制御処理手段は被計測雪面上に扇形ビームが照
射されているときに受光器から出力された信号画像と照
射されていないときに出力された背景画像とを差分処理
する。さらに、制御処理手段に接続されて、通信回線を
介して監視用端末との間でデータの送受信を行なう送受
信手段を備える。さらに、制御処理手段は、ＣＣＤカメ
ラのシャッタ動作と同期して光源をパルス駆動する。さ
らに、制御処理手段は、受光器からの２つの出力画像を
差分処理して、この処理結果の絶対値が所定の値より大
きい部分に相当する最初の差分処理の処理結果の画素値
を零にする。あるいは、制御処理手段は、差分処理に用
いた信号画像及び背景画像の前後に受光器から出力され
た２つの背景画像を差分処理して、この処理結果の絶対
値が所定の値より大きい部分に相当する最初の差分処理
の処理結果の画素値を零にする。さらに、光源を発光ダ
イオード又はレーザ発生器とする。さらに、レンズを反
射鏡又はホログラム板とする。

【０００６】発光器のレンズは光源が発生したビームを
断面が矩形の扇形ビームにする。このため、ビームを機
械的にスキャニングするための走査機構を用いないで、
線光源を得ることができる。これに加えて、制御処理手
段は光切断法を用いて積雪深を算出するため、計測精度
が向上する。光源は所定の波長帯域のビームを発生して
信号光とし、受光器の干渉フィルタは信号光の波長帯域
と同等の通過波長特性を持っている。このため、干渉フ
ィルタは信号光と同程度の波長の光のみを通過させるた
め、それ以外の波長の背景光を除去することができる。
また、制御処理手段は信号画像と背景画像とを差分処理
する。これにより、干渉フィルタで除去できないような
信号光と同程度の波長の背景光を有効に除去することが
できる。また、制御処理手段は光源をパルス駆動する。
このため、ビームを発生する時間が短くなりビーム発生
時の出力パワーが向上するので、信号光を明るくするこ
とができる。制御処理手段は、受光器からの２つの出力
画像、特に、背景光除去に用いた信号画像及び背景画像
の前後の背景画像を差分処理する。２つの出力画像を差
分処理しても、移動物体を除去することはできない。逆
に、差分処理した画像の画素値に対して所定の値のしき
い値を設定することにより、移動物体を検出することが
できる。このことを利用して、画素値の絶対値がしきい
値より大きい部分を特定し、その部分に相当する、背景
が除去された信号画像の画素値を零にすることにより、
移動物体を除去することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に
よる積雪深計測装置の構成図である。同図に示されるよ
うに、発光器１と受光器２は、路側に設置された支柱６
から道路上に張り出したアーム７に取り付けられてい
る。発光器１と受光器２は被計測雪面に対して十分な高
さに設置されている。また、発光側の光束Ｌ１と受光側
の光束Ｌ２とが被計測雪面上で有角度θをなすように、
発光器１と受光器２は道路の車両進行方向９に沿って一
定距離だけ離間して設置されている。また、制御処理部
３と送受信部４とを収容する筐体５が支柱６に取り付け
られている。

【０００８】発光器１は、道路横断方向８に広がる断面
が矩形の扇状ビームを被計測雪面上に投射する。この扇
状ビームは雪面上で反射されて、後述する受光器２のＣ
ＣＤカメラの撮像面に光の帯となって結像する。この光
の帯の像の位置は、反射面すなわち雪面の高さに応じて
変位する。図２は、図１に示された積雪深計測装置を道
路横断方向８から見た図である。図２を見れば、高さ成
分が奥行き成分に変換されることがわかる。したがっ
て、図３に示されるような凹凸のある雪面上で反射され
た扇状ビームの像は、図４に示されるように、雪面の形
状に応じて車両進行方向９に変位したパターンになる。
なお、図２〜図４において、ｈ，ｈ′は積雪の高さ、
ｌ，ｌ′は積雪の高さによる変位量である。また、図４
における点線は、積雪がないときの路面の位置を示して
いる。本発明が採用する光切断法は、この変位量ｌ，
ｌ′から積雪の高さｈ，ｈ′すなわち積雪深を求めるも
のである。なお、図１，２では、扇状ビームは発光器１
と受光器２から等距離の路面に向かって投射されている
が、扇状ビームが投射される位置が発光器１と受光器２
から等距離の位置でなくても、光切断法により積雪深を
計測することは可能である。

【０００９】次に、図１に示された積雪深計測装置の各
構成要素について、さらに詳しく説明する。図５は、図
１に示された積雪深計測装置の構成を示すブロック図で
ある。図５に示されるように積雪深計測装置は、線光源
としての発光器１と、雪面上で反射した光を撮像する受
光器２と、発光器１及び受光器２に接続されてこれらの
動作を制御すると共に、光切断法を用いて受光器２の出
力から積雪深を算出する制御処理部３と、制御処理部３
と接続されて通信回線３１を介して監視用端末３２との
間でデータの送受信を行う送受信部４とを備えている。

【００１０】まず、発光器１について説明する。図５に
示されるように発光器１は、発光ダイオード（以下、Ｌ
ＥＤという）駆動回路１１、ＬＥＤ１２及びシリンドリ
カルレンズ１３から構成されている。ＬＥＤ１２は所定
の波長帯域のビームを発生する光源として使用する。し
たがって、ＬＥＤ１２の代わりにレーザ光を発生するレ
ーザ発生器を用いてもよい。この場合、ＬＥＤ駆動回路
１１はレーザ発生器を駆動する回路に置き換えられるこ
とは言うまでもない。

【００１１】また、ＬＥＤ１２は近赤外線（波長８５０
ｎｍ程度）を発生するものを使用することが望ましい。
計測に近赤外線を用いるのは、近赤外線が人間の目に見
えないため、計測時に通過するドライバを眩惑させるこ
とがないからである。また、太陽光の分光分布は、可視
領域から近赤外領域にかけて、波長が長くなるほど放射
照度が低下する。このため、計測に近赤外線を使用する
ことにより、後述する図６におけるステップ４２で除去
すべき太陽光等の背景光が小さくなる。したがって、等
価的にＬＥＤ１２で発生した信号光と背景光とのＳ／Ｎ
比が向上する。

【００１２】ＬＥＤ駆動回路１１は制御処理部３の指示
に従って、ＣＣＤカメラのシャッタ動作と同期してＬＥ
Ｄ１２をパルス駆動する。ＬＥＤ１２をパルス駆動する
ことにより、ＬＥＤ１２の発光時間が短くなる。このた
め、ＬＥＤ１２の発光時の出力パワーが向上するので、
ＬＥＤ１２はより強い光を発することができる。シリン
ドリカルレンズ１３は、ＬＥＤ１２が発した光ビームを
断面が矩形の扇形ビームにする。シリンドリカルレンズ
１３により形成された扇形ビームは、雪面に光の帯とな
って照射される。なお、図５ではレンズとしてシリンド
リカルレンズ１３を使用しているが、ＬＥＤ１２が発し
た光ビームを断面が矩形の扇形ビームにすることができ
る反射鏡やホログラム板等を、シリンドリカルレンズ１
３に代えて使用することもできる。

【００１３】次に、受光器２について説明する。図５に
示されるように受光器２は、干渉フィルタ２１及びＣＣ
Ｄカメラ２２から構成されている。干渉フィルタ２１
は、太陽光や車のヘッドライト等の背景光を発光器１か
ら発せられる信号光と分離するためのものである。ＬＥ
Ｄ１２が発する光は狭い帯域幅の波長特性を持ってい
る。したがって、ＣＣＤカメラ２２に信号光の波長だけ
を通過させる干渉フィルタ２１を用いることにより、大
部分の背景光を除去することができる。ＣＣＤカメラ２
２は、干渉フィルタ２１を通過して撮像面に結像した像
を制御処理部３に出力する。

【００１４】次に、制御処理部３の動作について説明す
る。図６は、制御処理部３の動作の流れを示すフローチ
ャートである。また図７は、ＣＣＤカメラ２２の垂直同
期パルス（Ａ）とＬＥＤ駆動パルス（Ｂ）との関係を示
すタイミングチャートである。前述したように制御処理
部３は、ＣＣＤカメラ２２のシャッタ動作とＬＥＤ１２
のパルス駆動とを同期するように制御する。ただし、後
述するように、図６におけるステップ４２で背景光の影
響を除去し、ステップ４３で計測範囲内を移動する物体
の影響を除去するために、信号光が照射されているとき
の画像（以下、信号画像という）と共に、信号光が照射
されていないときの画像（以下、背景画像という）とが
必要である。

【００１５】このため、本実施の形態では、ステップ４
１において図７に示されるように、制御処理部３は信号
画像を取り込んでから次に信号画像を取り込むまでに、
背景画像を３回取り込む。なお、ステップ４２、４３で
は、信号画像の前に取り込まれた２画像と信号画像の後
に取り込まれた１画像とを信号画像に対する雑音除去に
使用するため、図７に示されるａ〜ｄの各フレームで取
り込まれる画像をそれぞれ背景画像１、背景画像２、信
号画像、背景画像３と呼ぶ。

【００１６】次に、ステップ４２において、受光器２の
干渉フィルタ２１を通過した背景光の影響を除去する。
具体的には、ステップ４１で取り込んだ背景画像２と信
号画像とを差分処理して、計測画像を得る。図８は、制
御処理部３による背景光除去を示す図であり、（Ａ）は
背景画像２、（Ｂ）は信号画像、（Ｃ）は計測画像をそ
れぞれ示している。また、図８において、５１は信号光
による光の帯、５２は背景である。

【００１７】次に、ステップ４３において、計測範囲内
を通過する移動物体の影響を除去する。図９は、制御処
理部３による移動物体除去を示す図である。ただし、
（Ａ）〜（Ｇ）は各画像の１水平ライン分を示してお
り、縦軸は画素値である。また、（Ａ）は背景画像１、
（Ｂ）は背景画像２、（Ｃ）は信号画像、（Ｄ）は背景
画像３、（Ｅ）はステップ４２で得られた計測画像であ
る。移動物体の除去には、ステップ４２で背景光除去に
使った背景画像２及び信号画像の前後の背景画像である
背景画像１及び背景画像３を使用する。まず、背景画像
１と背景画像３とを差分処理して、得られた画像の画素
値の絶対値を求める（図９（Ｆ））。次に、この画素値
の絶対値と予め設定されているしきい値５３とを比較し
て、画素値の絶対値がしきい値５３より大きい部分５４
を特定する。この部分５４が移動物体の影響を受けてい
る部分である。次に、特定された部分５４に相当する計
測画像の画素値を零にする。これにより、移動物体の影
響が除去された計測画像（図９（Ｇ））が得られる。

【００１８】次に、ステップ４４において、計測画像に
おける光の帯の座標を求めて、積雪深を算出する。この
算出法の原理は、光切断法の説明において前述したとお
りである。具体的には、各積雪深に対する光の帯の変位
を予め測定しておいて、計測時にそのデータを参照して
積雪深を算出する。次に、ステップ４５において、計測
結果を送受信部４に出力する。なお、送受信部４は通信
回線３１を介して監視用端末３２と接続されており、監
視用端末３２の間でデータの送受信を行う。これによ
り、遠隔地から積雪深計測装置が設置された積雪の状態
を知ることができると共に、遠隔地から積雪深計測装置
の動作を制御することができる。

【００１９】なお、本実施の形態では計測に線光源を用
いたが、アレー状に並べた点光源を用いても本実施の形
態に近い効果が得られる。また、道路横断方向８の積雪
深の計測について説明してきたが、本発明により積雪深
の計測可能な場所は道路に限られないことは言うまでも
ない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
光器のレンズにより断面が矩形の扇形ビームが形成され
るため、ビームを機械的にスキャニングしなくても線光
源を得ることができる。このため、装置の信頼性を向上
することができる。これに加えて、制御処理手段は光切
断法を用いて積雪深を計測するため、計測精度を向上さ
せることができる。

【００２１】また、干渉フィルタにより信号光の波長帯
域以外の背景光を除去すると共に、制御処理手段により
信号画像と背景画像とを差分処理して背景光を有効に除
去する。また、制御処理手段は光源をパルス駆動するこ
とにより、信号光が明るくなる。このように、背景光に
よる影響を低減する一方で信号光を明るくすることによ
り、背景光の影響を受けずに計測することができる。ま
た、制御処理手段は、受光器からの２つの出力画像を差
分処理して、その処理結果の絶対値がしきい値より大き
い部分に相当する計測画像の画素値を零にすることによ
り、移動物体を除去することができる。このため、移動
物体の影響を受けずに計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による積雪深計測装置の構成図であ
る。

【図２】 図１に示された積雪深計測装置を道路横断方
向から見た図である。

【図３】 扇状ビームが照射された凹凸のある雪面を示
す模式図である。

【図４】 ＣＣＤカメラの撮像面における図３に示され
た雪面のパターンを示す図である。

【図５】 図１に示された積雪深計測装置の構成を示す
ブロック図である。

【図６】 制御処理部の動作の流れを示すフローチャー
トである。

【図７】 ＣＣＤカメラの垂直同期パルスとＬＥＤ駆動
パルスとの関係を示すタイミングチャートである。

【図８】 制御処理部による背景光除去を示す図であ
る。

【図９】 制御処理部による移動物体除去を示す図であ
る。

【図１０】 従来の積雪深計測装置の構成図である。

【符号の説明】

１…発光器、２…受光器、３…制御処理部、４…送受信
部、６…支柱、７…アーム、８…道路横断方向、９…車
両進行方向、１１…ＬＥＤ駆動回路、１２…ＬＥＤ、１
３…シリンドリカルレンズ、２１…干渉フィルタ、２２
…ＣＣＤカメラ、３１…通信回線、３２…監視用端末、
５１…光の帯、５２…背景、５３…しきい値、５４…画
素値の絶対値がしきい値より大きい部分、θ…有角度、
ｈ，ｈ′…積雪の高さ、ｌ，ｌ′…積雪の高さによる変
位量。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の波長帯域のビームを発生する光源
   と、前記ビームから断面が矩形の扇形ビームを形成する
   レンズとを有して、前記扇形ビームを被計測雪面上に照
   射する発光器と、 前記ビームの波長帯域と同等の通過波長特性を持つ干渉
   フィルタと、この干渉フィルタを通過した光を撮像する
   ＣＣＤカメラとを有する受光器と、 前記発光器及び受光器に接続されて、これら発光器及び
   受光器の動作を制御すると共に、光切断法を用いて前記
   受光器の出力から積雪深を算出する制御処理手段とを備
   え、 前記発光器及び受光器は被計測雪面上に一定距離だけ離
   間して配置され、 前記制御処理手段は被計測雪面に前記扇形ビームが照射
   されているときに前記受光器から出力された信号画像と
   照射されていないときに出力された背景画像とを差分処
   理することを特徴とする積雪深計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記制御処理手段に接続されて、通信回線を介して監視
   用端末との間でデータの送受信を行なう送受信手段を備
   えたことを特徴とする積雪深計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記制御処理手段は、前記ＣＣＤカメラのシャッタ動作
   と同期して前記光源をパルス駆動することを特徴とする
   積雪深計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記制御処理手段は、前記受光器からの２つの出力画像
   を差分処理して、この処理結果の絶対値が所定の値より
   大きい部分に相当する最初の差分処理の処理結果の画素
   値を零にすることを特徴とする積雪深計測装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、 前記制御処理手段は、前記差分処理に用いた信号画像及
   び背景画像の前後に前記受光器から出力された２つの背
   景画像を差分処理して、この処理結果の絶対値が所定の
   値より大きい部分に相当する最初の差分処理の処理結果
   の画素値を零にすることを特徴とする積雪深計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１又は請求項３において、 前記光源は、発光ダイオード又はレーザ発生器であるこ
   とを特徴とする積雪深計測装置。
7. 【請求項７】 請求項１において、 前記レンズは、反射鏡又はホログラム板であることを特
   徴とする積雪深計測装置。