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JP7774482B2 - River flow estimation system - Google Patents
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JP7774482B2 - River flow estimation system - Google Patents

River flow estimation system

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JP7774482B2 JP2022048185A JP2022048185A JP7774482B2 JP 7774482 B2 JP7774482 B2 JP 7774482B2 JP 2022048185 A JP2022048185 A JP 2022048185A JP 2022048185 A JP2022048185 A JP 2022048185A JP 7774482 B2 JP7774482 B2 JP 7774482B2
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Description

本願発明は、河川の流量を推定する技術であり、より具体的には、河川を撮影して得られた画像に基づいてその流量を推定することができる河川流量推定システムに関するものである。 This invention relates to technology for estimating river flow rates, and more specifically to a river flow rate estimation system that can estimate the flow rate of a river based on images obtained by photographing the river.

河川に流れる水の量(流量)を把握することは有益であり、特に大雨など洪水が予測されるときには河川流量を把握することが極めて重要になる。洪水時の流量を観測するには、これまで100年以上にわたって浮子による観測が基本とされていた。この浮子観測は、河川に投下した浮子が所定距離だけ流下するために要した時間を観測することで流速を求め、その流速と河川(通水部分)の断面積を乗ずることによってその流量を把握する方法である。そして浮子観測を行うには最低5人の観測員が必要とされ、すなわち多くの労力が求められていた。 It is useful to know the amount of water flowing in a river (flow rate), and it is extremely important to understand river flow rate, especially when flooding due to heavy rain is predicted. For over 100 years, the basic method for measuring flow rate during floods has been float observation. This float observation method involves dropping a float into the river and observing the time it takes for it to flow down a certain distance to determine the flow rate, and then multiplying this flow rate by the cross-sectional area of the river (the part through which water flows) to determine the flow rate. Furthermore, float observation requires a minimum of five observers, which means it is very labor-intensive.

一方、山岳域における河川など多くの観測員を派遣することが難しいケースでは、断面計測法によって河川流量を観測するのが一般的である。断面計測法では、数cm間隔で河川断面を計測し、そのため最低2~3人の観測員が必要とされ、1地点での観測に係る時間は15~30分とされている。つまり、断面計測法によって河川流量を把握する場合も、浮子観測と同様、多くの労力が求められていた。 On the other hand, in cases where it is difficult to dispatch many observers, such as rivers in mountainous regions, river flow is generally observed using the cross-section measurement method. With this method, the river cross section is measured at intervals of several centimeters, which requires a minimum of two to three observers, and the time required for observation at one location is estimated to be 15 to 30 minutes. In other words, determining river flow using the cross-section measurement method requires a great deal of effort, just like float observations.

浮子観測や断面計測法によらず、測定機器を利用して直接的に流量を測定することも考えられるが、洪水時に測定機器で測定するのは危険が伴い、仮に測定機器を常設したとしても破損したり欠測したりするおそれもあることから、現実的な手法とはいえない。 It is possible to measure flow directly using measuring equipment without relying on float observations or cross-sectional measurement methods, but using measuring equipment during floods is dangerous, and even if the measuring equipment were permanently installed, there is a risk of it being damaged or readings being missed, so this is not a realistic method.

そこで、近年では河川のうち注目すべき位置にカメラやビデオカメラを設置し、その画像や映像によって河川流量を把握する試みも行われている。例えば特許文献1では、河川の画像を2以上の時期で取得し、それらの画像を用いてPIV(Particle Image Velocimetry)解析を行うことによって河川流量を把握する技術について提案している。 In recent years, therefore, attempts have been made to install cameras or video cameras in noteworthy locations on rivers and use the images and videos to determine river flow rates. For example, Patent Document 1 proposes technology for determining river flow rates by capturing images of a river at two or more time periods and using these images to perform PIV (Particle Image Velocimetry) analysis.

特開2008-216010号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-216010

これまで河川流量を把握するにあたっては、流速を求めたうえで流量を算出することが主流であった。例えば、浮子観測では浮子の速度を観測したり、特許文献1ではPIV解析を行ったりすることで河川流速を求め、そしてその流速に河川の断面積を乗じることで河川流量を算出していたわけである。 Until now, the mainstream method for determining river flow rate has been to first determine the flow velocity and then calculate the flow rate. For example, in float observations, the speed of the float is measured, and in Patent Document 1, PIV analysis is performed to determine the river flow velocity, and the river flow rate is then calculated by multiplying the flow velocity by the cross-sectional area of the river.

しかしながら、浮子観測のように河川の流速を測定するには多くの労力を要するうえに正確な流速が得られるとは限らず、また特許文献1のようにPIV解析を行ったとしても画像の状況によってはやはり正確な流速が得られるとは限らない。そして正確な流速が得られない場合、当然ながら正確な河川流量を把握することもできない。 However, measuring river flow velocity using float observations requires a great deal of effort and does not always result in an accurate flow velocity. Furthermore, even if PIV analysis is performed as in Patent Document 1, accurate flow velocity may not always be obtained depending on the image conditions. And if accurate flow velocity cannot be obtained, it is naturally impossible to accurately determine the river flow rate.

本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち、河川を撮影して得られた画像を利用し、しかも流速を求めることなく河川流量を把握することができる河川流量推定システムを提供することである。 The objective of the present invention is to solve the problems of the past, namely, to provide a river flow estimation system that uses images obtained by photographing a river and can determine river flow rate without calculating flow velocity.

本願発明は、河川を撮影して得られた画像となるように、流況シミュレーションの画像を調整することによって、撮影した画像に含まれる河川の流量を推定する、という点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。 The present invention focuses on the fact that the flow rate of a river contained in a photographed image can be estimated by adjusting the image of a flow simulation so that it resembles an image obtained by photographing the river, and is an invention based on an unprecedented concept.

本願発明の河川流量推定システムは、河川を撮影した観測画像に基づいて河川の流量を推定するシステムであって、流況シミュレーション手段と表示制御手段を備えたものである。このうち流況シミュレーション手段は、3次元地形モデルを利用して各所の河川水位を演算する手段であり、表示制御手段は、視点と視線方向を変更しながら描画画像(河川と3次元地形モデルを重畳した画像)を表示することができる手段である。なお表示制御手段は、流況シミュレーション手段によって演算された河川水位となるように、さらに設定された視点と視線方向に応じて描画画像を表示する。また流況シミュレーション手段は、河川の流量を設定すると、3次元地形モデルのうち河川となる各位置の河川水を算出する。そして、流況シミュレーション手段に設定する流量を変更しながら、観測画像と描画画像を照らし合わせることによって、観測画像に含まれる河川の流量を推定することができる。 The river flow estimation system of the present invention is a system that estimates the flow rate of a river based on observation images of the river, and is equipped with a flow simulation means and a display control means. The flow simulation means is a means for calculating the river water level at various locations using a 3D topographical model, and the display control means is a means for displaying a rendered image (an image in which the river and the 3D topographical model are superimposed) while changing the viewpoint and line of sight. The display control means displays the rendered image according to the viewpoint and line of sight that are further set so that the river water level matches that calculated by the flow simulation means. Furthermore, when the flow rate of the river is set, the flow simulation means calculates the river water at each location that corresponds to a river in the 3D topographical model. The flow rate of the river contained in the observation image can then be estimated by comparing the observed image with the rendered image while changing the flow rate set in the flow simulation means.

本願発明の河川流量推定システムは、画角調整手段をさらに備えたものとすることができる。この画角調整手段は、描画画像が観測画像と略同一(同一を含む)の画角となるように、表示制御手段の視点と視線方向を調整する手段である。 The river flow rate estimation system of the present invention can further include a field of view adjustment means. This field of view adjustment means adjusts the viewpoint and line of sight of the display control means so that the drawn image has a field of view that is approximately the same (including the same) as that of the observed image.

本願発明の河川流量推定システムは、撮影諸元入力手段と描画諸元算出手段をさらに備えたものとすることができる。この撮影諸元入力手段は、観測画像の撮影位置と撮影方向を入力する手段であり、描画諸元算出手段は、撮影諸元入力手段によって入力された撮影位置と撮影方向に基づいて描画画像の視点と視線方向を求める手段である。この場合、表示制御手段は、描画諸元算出手段によって求められた視点と視線方向に応じた描画画像を表示する。 The river flow estimation system of the present invention can further include a photography specification input means and a drawing specification calculation means. The photography specification input means is a means for inputting the photography position and photography direction of the observation image, and the drawing specification calculation means is a means for determining the viewpoint and viewing direction of the drawn image based on the photography position and photography direction input by the photography specification input means. In this case, the display control means displays the drawn image according to the viewpoint and viewing direction determined by the drawing specification calculation means.

本願発明の河川流量推定システムには、次のような効果がある。
(1)観測画像を取得するだけで流量を把握することができ、例えば現地にカメラを常設すれば無人化や省力化を図ることができる。その結果、観測コストを抑えることができるうえに、観測者が危険な状況におかれることもない。
(2)また、現地にカメラを設置するだけで流量を把握することができることから、様々な場所で適用することができる。
(3)現地に設置したカメラの画角が変更されたとしても、流況シミュレーションの画像を調整することによって柔軟に対応することができる。
(4)流速を求める必要がないため、不正確な流速に起因して不正確な河川流量を求めてしまう不都合を回避することができる。
The river flow rate estimation system of the present invention has the following effects.
(1) The flow rate can be determined simply by acquiring observation images. For example, by permanently installing a camera on-site, unmanned operation and labor saving can be achieved. As a result, observation costs can be reduced and observers are not placed in dangerous situations.
(2) Furthermore, since the flow rate can be grasped simply by installing a camera on-site, it can be applied in a variety of locations.
(3) Even if the angle of view of the camera installed on-site is changed, the image of the flow simulation can be adjusted to flexibly accommodate the change.
(4) Since there is no need to calculate the flow velocity, it is possible to avoid the inconvenience of calculating an inaccurate river flow rate due to an inaccurate flow velocity.

本願発明の河川流量推定システムの主な構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing the main configuration of a river flow rate estimation system according to the present invention; (a)は観測画像の例を示す写真図、(b)は描画画像の例を示すモデル図。1A is a photograph showing an example of an observed image, and FIG. 1B is a model diagram showing an example of a drawn image. 第1形態における河川流量推定システムの主な処理の流れの一例を示すフロー図。FIG. 3 is a flowchart showing an example of a main processing flow of the river flow rate estimation system according to the first embodiment. 第2形態における河川流量推定システムの主な処理の流れの一例を示すフロー図。FIG. 10 is a flowchart showing an example of a main processing flow of the river flow rate estimation system in the second embodiment.

本願発明の河川流量推定システムの実施形態の一例を、図に基づいて説明する。 An example of an embodiment of the river flow estimation system of the present invention will be explained with reference to the drawings.

図1は、本願発明の河川流量推定システム100の主な構成を示すブロック図である。この図に示すように本願発明の河川流量推定システム100は、流況シミュレーション手段101と表示制御手段102を含んで構成され、さらに画角調整手段103や撮影諸元入力手段104、描画諸元算出手段105、画像取得手段106、表示手段107、観測画像記憶手段108、3次元地形モデル記憶手段109を含んで構成することもできる。 Figure 1 is a block diagram showing the main components of the river flow estimation system 100 of the present invention. As shown in this figure, the river flow estimation system 100 of the present invention is configured to include a flow condition simulation means 101 and a display control means 102, and can also be configured to include a field of view adjustment means 103, a photography specification input means 104, a drawing specification calculation means 105, an image acquisition means 106, a display means 107, an observed image storage means 108, and a three-dimensional terrain model storage means 109.

本願発明の河川流量推定システム100を構成する流況シミュレーション手段101と表示制御手段102、画角調整手段103、撮影諸元入力手段104、描画諸元算出手段105は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、CPU等のプロセッサ、ROMやRAMといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイ等の表示手段を含むものもあり、例えばパーソナルコンピュータ(PC)やサーバなどによって構成することができる。 The flow regime simulation means 101, display control means 102, angle of view adjustment means 103, photography parameter input means 104, and drawing parameter calculation means 105 that constitute the river flow estimation system 100 of the present invention can be manufactured as dedicated devices, or a general-purpose computer device can be used. This computer device includes a processor such as a CPU, memory such as ROM and RAM, and may further include input means such as a mouse and keyboard, and display means such as a display, and can be configured, for example, as a personal computer (PC) or server.

また、観測画像記憶手段108と3次元地形モデル記憶手段109は、汎用的コンピュータ(例えば、PC)の記憶装置を利用することもできるし、データベースサーバに構築することもできる。データベースサーバに構築する場合、ローカルなネットワーク(LAN:Local Area Network)に置くこともできるし、インターネット経由で保存するクラウドサーバとすることもできる。 The observation image storage means 108 and the 3D terrain model storage means 109 can be stored in the storage device of a general-purpose computer (e.g., a PC), or can be built on a database server. If built on a database server, they can be placed on a local network (LAN: Local Area Network), or they can be used as a cloud server that stores data via the Internet.

以下、河川流量推定システム100を構成する主な要素ごとに詳しく説明する。 Below, we will provide a detailed explanation of each of the main elements that make up the river flow estimation system 100.

(画像取得手段)
画像取得手段106は、河川を撮影して得られる画像(以下、「観測画像」という。)を静止画や動画として取得するものであり、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、スマートフォン、タブレット型PCなどを利用することができる。図2(a)に観測画像の一例を示す。観測画像を取得するにあたっては、観測者が携行した画像取得手段106で撮影することもできるし、現地に常設したいわゆる定点カメラの画像取得手段106によって撮影することもでき、さらに衛星画像を利用することもできる。画像取得手段106によって取得された静止画や動画は、観測画像記憶手段108に記憶される(図1)。なお、定点カメラの画像取得手段106によって撮影された観測画像は、通信手段を介して伝送されたうえで観測画像記憶手段108に記憶するとよい。
(Image Acquisition Means)
The image acquisition means 106 acquires images (hereinafter referred to as "observation images") obtained by photographing the river as still images or videos, and can be equipped with a digital camera, a digital video camera, a smartphone, a tablet PC, or the like. Figure 2(a) shows an example of an observation image. Observation images can be acquired using the image acquisition means 106 carried by the observer, or using the image acquisition means 106 of a so-called fixed camera permanently installed on-site, or satellite images can also be used. The still images and videos acquired by the image acquisition means 106 are stored in the observation image storage means 108 (Figure 1). Note that the observation images taken by the image acquisition means 106 of the fixed camera may be transmitted via communication means and then stored in the observation image storage means 108.

(3次元地形モデル記憶手)
3次元地形モデル記憶手段109は、3次元地形モデル(以下、「3D地形モデル」という。)を記憶する手段である。ここで3D地形モデルとは、地物を含む地形を3次元座標(つまり、構成点)で表したものであって、DSM(Digital Surface Model)やDEM(Digital Elevation Model)に代表される地形モデルである。通常、3D地形モデルは、対象とする平面範囲を複数分割した小領域によって構成される。この小領域は、メッシュとも呼ばれ、例えば直交するグリッドに区切られて形成されるもので、それぞれの小領域は代表点を備えている。計測によって得られる3次元点群(つまり、構成点群)はランダムデータ(平面的に不規則な配置のデータ)であることが多いため、小領域の代表点に高さを与えるには幾何計算されることが多い。この計算方法としては、ランダムデータから形成される不整三角網によって高さを求めるTIN(Triangulated Irregular Network)による手法、最も近いレーザー計測点を採用する最近傍法(Nearest Neighbor)による手法のほか、逆距離加重法(IDW:Inverse Distance Weighting)、Kriging法、平均法などを挙げることができる。
(3D terrain model memorizer)
The three-dimensional terrain model storage means 109 is a means for storing a three-dimensional terrain model (hereinafter referred to as a "3D terrain model"). Here, a 3D terrain model is a representation of terrain, including features, using three-dimensional coordinates (i.e., constituent points), and is a terrain model typified by a digital surface model (DSM) or a digital elevation model (DEM). A 3D terrain model is typically composed of small areas obtained by dividing a target planar area. These small areas are also called meshes, and are formed by dividing the area into, for example, orthogonal grids, and each small area has a representative point. Because a three-dimensional point cloud (i.e., constituent point cloud) obtained by measurement is often random data (data with an irregular arrangement on a plane), geometric calculations are often performed to assign heights to the representative points of the small areas. Examples of calculation methods include the TIN (Triangulated Irregular Network) method, which finds height using an irregular triangular network formed from random data, the nearest neighbor method, which uses the nearest laser measurement point, as well as the inverse distance weighting (IDW) method, the Kriging method, and the averaging method.

(流況シミュレーション手段)
流況シミュレーション手段101は、オペレータが所望の河川流量を設定すると、その河川流量と3D地形モデルに基づいて、各位置における河川水位を再現するように演算する手段であり、河川水位に加えて流速を求める手段とすることもできる。具体的には、プログラムによって電子計算機(コンピュータ)に演算処理を実行させることで、各位置における河川水位を算出する手段である。なお、流況シミュレーション手段101で利用するプログラムは、市販されている製品を含め従来用いられている種々のプログラムを採用することができる。
(Flow simulation means)
The flow regime simulation means 101 is a means for calculating, when an operator sets a desired river flow rate, the river water level at each position based on the river flow rate and a 3D topographical model, and can also be used as a means for calculating the flow velocity in addition to the river water level. Specifically, it is a means for calculating the river water level at each position by having an electronic calculator (computer) execute calculation processing using a program. Note that the program used by the flow regime simulation means 101 can be any of a variety of conventional programs, including commercially available products.

(表示制御手段)
表示制御手段102は、河川と3D地形モデルを重畳した画像(以下、「描画画像」という。)を、ディスプレイなどの表示手段107に出力させる手段である。図2(b)に描画画像の一例を示す。また表示制御手段102は、流況シミュレーション手段101によって演算された河川水位となるように描画画像を表示させることができ、さらに設定された視点と視線方向に応じた鳥瞰図となるように描画画像を表示させることができる。この表示制御手段102も、従来用いられているプログラムによってコンピュータに処理を実行させるもので、流況シミュレーション手段101と同じプログラムで対応することもできる。
(Display control means)
The display control means 102 is a means for outputting an image in which a river and a 3D topographical model are superimposed (hereinafter referred to as a "drawn image") to a display means 107 such as a display. An example of the drawn image is shown in FIG. 2(b). The display control means 102 can also display the drawn image so that it matches the river water level calculated by the flow condition simulation means 101, and can further display the drawn image so that it is a bird's-eye view according to a set viewpoint and line of sight. This display control means 102 also causes a computer to execute processing using a conventional program, and can be implemented using the same program as the flow condition simulation means 101.

(画角調整手段)
上記したとおり表示制御手段102は、設定された視点と視線方向に応じた鳥瞰図となるように描画画像を表示させることができる。画角調整手段103は、表示制御手段102が表示させる描画画像の視点と視線方向を設定する手段である。これにより、視点と視線方向を適宜変更しながら表示制御手段102に描画画像を表示させ、オペレータが所望する画像となるように描画画像を調整することができる。視点と視線方向を設定するには、例えばディスプレイ(表示手段107)に表示された描画画像を確認しながら、オペレータが画角調整手段103を操作することによって視点と視線方向を設定する仕様とすることができる。この場合、画角調整手段103としてポインティングデバイス(マウスやタッチパネル、ペンタブレット、タッチパッド、トラックパッド、トラックボールなど)やキーボード等を利用するとよい。
(Field of view adjustment means)
As described above, the display control means 102 can display the drawn image so as to be a bird's-eye view according to the set viewpoint and line of sight direction. The angle-of-view adjustment means 103 is a means for setting the viewpoint and line of sight direction of the drawn image to be displayed by the display control means 102. This allows the display control means 102 to display the drawn image while appropriately changing the viewpoint and line of sight direction, and adjust the drawn image so as to become an image desired by the operator. To set the viewpoint and line of sight direction, for example, the operator can set the viewpoint and line of sight direction by operating the angle-of-view adjustment means 103 while checking the drawn image displayed on the display (display means 107). In this case, it is preferable to use a pointing device (such as a mouse, touch panel, pen tablet, touchpad, trackpad, or trackball), a keyboard, or the like as the angle-of-view adjustment means 103.

本願発明は、観測画像と描画画像の画角を略一致(一致を含む)させることによってその観測画像における河川流量を推定することを技術的特徴の一つとしている。ここで画角とは、画像(観測画像や描画画像)に含まれる地物(3D地形モデルの一部)の範囲(大きさ)や姿勢(形状)、河川の形状(特に、河川水位)を含むものであり、換言すれば、観測画像と描画画像に含まれるそれぞれの地物の範囲や姿勢、河川の形状が略一致すれば、観測画像と描画画像の画角は略一致することになる。そして、観測画像と描画画像の画角を略一致するということは、その描画画像に係る河川水位を算出したときの河川流量が、観測画像に含まれる河川の流量と推定することができるわけである。 One of the technical features of the present invention is that the angle of view of an observation image and a drawn image is approximately the same (including coincidence), thereby estimating the river flow rate in the observation image. Here, the angle of view includes the range (size) and attitude (shape) of features (part of a 3D terrain model) included in the image (observation image or drawn image), as well as the shape of the river (particularly the river water level). In other words, if the range and attitude of the features and the shape of the river included in the observation image and the drawn image are approximately the same, then the angle of view of the observation image and the drawn image will be approximately the same. Furthermore, if the angle of view of the observation image and the drawn image are approximately the same, then the river flow rate when the river water level related to the drawn image is calculated can be estimated to be the flow rate of the river included in the observation image.

画角調整手段103は、描画画像の視点と視線方向に加えて、カメラの焦点距離や画面距離、主点位置のずれ、各種ひずみ(放射性ひずみ、非対称性ひずみ等)といったカメラ諸元(標定要素)を設定する仕様にすることもできる。これにより表示制御手段102は、流況シミュレーション手段101による河川水位、3次元地形モデル、視点と視線方向、そしてカメラ諸元を与条件として描画画像を表示させることができ、より観測画像の画角に合わせた描画画像を表示させることができる。 The angle-of-view adjustment means 103 can also be configured to set camera specifications (orientation elements) such as the camera's focal length, screen distance, principal point position deviation, and various distortions (radial distortion, asymmetric distortion, etc.) in addition to the viewpoint and line-of-sight direction of the drawn image. This allows the display control means 102 to display a drawn image based on the river water level, 3D terrain model, viewpoint and line-of-sight direction, and camera specifications from the flow condition simulation means 101 as given conditions, allowing the drawn image to be displayed in a way that better matches the angle of view of the observed image.

ディスプレイ(表示手段107)に表示された描画画像を確認しながら、観測画像と描画画像の画角が略一致するようにオペレータが画角調整手段103を操作する場合、描画画像とともに観測画像もディスプレイに表示するとよい。例えば、図2(a)に示す観測画像を表示するとともに図2(b)に示す描画画像も表示し、描画画像が観測画像の画角となるよう、設定する河川流量を変更し、視点と視線方向を変更していくわけである。 When the operator operates the angle-of-view adjustment means 103 while checking the drawn image displayed on the display (display means 107) so that the angle of view of the observed image and the drawn image roughly matches, it is advisable to display the observed image on the display as well. For example, the observed image shown in Figure 2(a) is displayed along with the drawn image shown in Figure 2(b), and the set river flow rate is changed and the viewpoint and line of sight are changed so that the angle of view of the drawn image matches that of the observed image.

(描画諸元算出手段)
ここまで説明したように、オペレータが画角調整手段103を操作(つまり、手動操作)することで描画画像の視点と視線方向を調整しながら描画画像と観測画像の画角を合わせる仕様とすることもできるし、計算によって描画画像の視点と視線方向を決定する仕様とすることもできる。この場合、描画諸元算出手段105が、観測画像を撮影したときの諸元(以下、「撮影諸元」という。)を与条件として、描画画像の視点と視線方向を算出する。なお、この撮影諸元は、撮影諸元入力手段104によって入力される。例えば、オペレータがキーボード等を操作することによって撮影諸元を入力する仕様にすることもできるし、画像取得手段106が撮影したタイミングで通信手段を介して撮影諸元を伝送する仕様とすることもできる。
(Drawing specification calculation means)
As explained above, the angle of view of the drawn image and the observation image can be matched by adjusting the viewpoint and line of sight of the drawn image by the operator operating the angle-of-view adjustment means 103 (i.e., manually operating it), or the viewpoint and line of sight of the drawn image can be determined by calculation. In this case, the drawing parameter calculation means 105 calculates the viewpoint and line of sight of the drawn image based on the parameters (hereinafter referred to as "photography parameters") used when the observation image was captured. Note that these photography parameters are input by the photography parameter input means 104. For example, the operator can input the photography parameters by operating a keyboard or the like, or the photography parameters can be transmitted via communication means when the image acquisition means 106 captures an image.

撮影諸元には、少なくとも撮影位置と撮影方向が含まれ、さらにカメラ諸元を含めることもできる。このうち撮影位置は、画像取得手段106の撮影位置(レンズ中心)の3次元座標(X,Y,Z)であり、全球測位衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)や、TS(Total Station)など従来用いられている測位技術を利用して測定することができる。また撮影方向は、画像取得手段106の光軸方向であって、直交する3軸(例えば、X-Y-Z軸)に対する傾き(ヨー、ピッチ、ロール)、つまり各軸周りの回転角(ω,φ,κ)によって定められる値であり、角速度センサや地磁気センサ、IMU(Inertial Measurement Unit)などを利用して測定することができる。 The imaging specifications include at least the imaging position and imaging direction, and may also include camera specifications. The imaging position is the three-dimensional coordinates (X, Y, Z) of the imaging position (lens center) of the image acquisition means 106, and can be measured using conventional positioning technologies such as the Global Navigation Satellite System (GNSS) or Total Station (TS). The imaging direction is the optical axis direction of the image acquisition means 106, and is a value determined by the tilt (yaw, pitch, roll) relative to three orthogonal axes (e.g., the X-Y-Z axes), i.e., the rotation angle (ω, φ, κ) around each axis, and can be measured using an angular velocity sensor, geomagnetic sensor, IMU (Inertial Measurement Unit), etc.

撮影諸元入力手段104によって撮影諸元が入力され、描画諸元算出手段105がその撮影諸元に基づいて描画画像の視点と視線方向を算出するケースでは、当然ながら表示制御手段102はその算出された視点と視線方向に応じた鳥瞰図となるように描画画像を表示させる。 In cases where the shooting specifications are input by the shooting specification input means 104 and the drawing specification calculation means 105 calculates the viewpoint and line of sight of the drawn image based on the shooting specifications, the display control means 102 naturally displays the drawn image as a bird's-eye view according to the calculated viewpoint and line of sight.

(処理の流れ)
以下、河川流量推定システム100の主な処理について詳しく説明する。なお、オペレータが画角調整手段103を操作することで描画画像の視点と視線方向を設定する形態(以下、「第1形態」という。)と、描画諸元算出手段105が算出した視点と視線方向を設定する形態(以下、「第2形態」という。)に分けて説明する。
(Processing flow)
The following describes in detail the main processing of the river flow rate estimation system 100. The explanation will be divided into a form in which the operator sets the viewpoint and line of sight of the drawn image by operating the angle of view adjustment means 103 (hereinafter referred to as "first form"), and a form in which the viewpoint and line of sight calculated by the drawing parameter calculation means 105 are set (hereinafter referred to as "second form").

図3は、第1形態における河川流量推定システム100の主な処理の流れの一例を示すフロー図であり、中央の列に実行する処理を示し、左列にはその処理に必要なものを、右列にはその処理から生ずるものを示している。 Figure 3 is a flow diagram showing an example of the main processing flow of the river flow estimation system 100 in the first form, with the center column showing the processing to be performed, the left column showing what is necessary for that processing, and the right column showing what results from that processing.

第1形態における河川流量推定システム100を利用して河川の流量を推定するには、図3に示すようにまずは観測画像を取得する(図3のStep200)。このとき、観測者が携行した画像取得手段106で観測画像を取得することもできるし、現地に常設したいわゆる定点カメラの画像取得手段106によって観測画像を取得することもできることは、既述したとおりである。 To estimate the flow rate of a river using the river flow rate estimation system 100 in the first embodiment, an observation image is first acquired as shown in Figure 3 (Step 200 in Figure 3). As mentioned above, the observation image can be acquired using an image acquisition means 106 carried by an observer, or it can be acquired using an image acquisition means 106 of a so-called fixed camera permanently installed on-site.

観測画像を取得すると、オペレータ操作によって入力された河川流量を設定する(図3のStep211)。そして流況シミュレーション手段101が、設定された河川流量と、3次元地形モデル記憶手段109から読み出した3D地形モデルとに基づいて、各位置における河川水位を算出する(図3のStep212)。 Once the observation image is acquired, the river flow rate is set by the operator (Step 211 in Figure 3). The flow regime simulation means 101 then calculates the river water level at each location based on the set river flow rate and the 3D terrain model read from the 3D terrain model storage means 109 (Step 212 in Figure 3).

河川水位を算出すると、オペレータ操作によって視点と視線方向を設定し(図3のStep213)、表示制御手段102が描画画像を表示手段107に出力させる(図3のStep214)。描画画像が表示されると、オペレータが描画画像と観測画像を照らし合わせる(図3のStep215)。そして、画角のうち地物(いわば背景)の範囲や姿勢が略一致(一致を含む)していないとき(図3のStep215のNo)は、視点と視線方向を変更した(図3のStep213)うえで描画画像を表示し(図3のStep214)、改めて描画画像と観測画像を照らし合わせる(図3のStep215)。一方、画角のうち地物の範囲や姿勢が略一致しているとき(図3のStep215のYes)は、描画画像と観測画像の画角のうち河川水位を照らし合わせる(図3のStep216)。 Once the river water level is calculated, the operator sets the viewpoint and line of sight (Step 213 in Figure 3), and the display control means 102 outputs the drawn image to the display means 107 (Step 214 in Figure 3). Once the drawn image is displayed, the operator compares the drawn image with the observed image (Step 215 in Figure 3). If the range or orientation of the features (i.e., the background) within the field of view do not substantially match (including matching) (No in Step 215 in Figure 3), the operator changes the viewpoint and line of sight (Step 213 in Figure 3) and displays the drawn image (Step 214 in Figure 3), and then compares the drawn image with the observed image again (Step 215 in Figure 3). On the other hand, if the range or orientation of the features within the field of view substantially match (Yes in Step 215 in Figure 3), the river water level within the field of view of the drawn image and the observed image is compared (Step 216 in Figure 3).

画角のうち河川水位が略一致していないとき(図3のStep216のNo)は、河川流量を変更したうえで(図3のStep211)、改めて一連の処理(図3のStep212~Step216)を繰り返す。ただし、このときは視点と視線方向を変更する必要はない。一方、画角のうち河川水位が略一致しているとき(図3のStep216のYes)は、その描画画像の河川水位を算出したときの河川流量を、観測画像に含まれる河川の流量として決定する(図3のStep217)。 If the river water level does not approximately match within the angle of view (No in Step 216 in Figure 3), the river flow rate is changed (Step 211 in Figure 3) and the series of processes (Steps 212 to 216 in Figure 3) are repeated again. However, there is no need to change the viewpoint or line of sight in this case. On the other hand, if the river water level within the angle of view approximately matches (Yes in Step 216 in Figure 3), the river flow rate when the river water level in the drawn image is calculated is determined to be the river flow rate included in the observed image (Step 217 in Figure 3).

図4は、第2形態における河川流量推定システム100の主な処理の流れの一例を示すフロー図であり、中央の列に実行する処理を示し、左列にはその処理に必要なものを、右列にはその処理から生ずるものを示している。 Figure 4 is a flow diagram showing an example of the main processing flow of the river flow estimation system 100 in the second form, with the center column showing the processing to be performed, the left column showing what is necessary for that processing, and the right column showing what results from that processing.

第2形態における河川流量推定システム100を利用して河川の流量を推定するには、図4に示すようにまずは観測画像を取得する(図4のStep200)。このとき、観測者が携行した画像取得手段106で観測画像を取得することもできるし、現地に常設したいわゆる定点カメラの画像取得手段106によって観測画像を取得することもできることは、既述したとおりである。 To estimate the flow rate of a river using the river flow rate estimation system 100 in the second embodiment, an observation image is first acquired as shown in Figure 4 (Step 200 in Figure 4). As mentioned above, the observation image can be acquired using an image acquisition means 106 carried by an observer, or it can be acquired using an image acquisition means 106 of a so-called fixed camera permanently installed on-site.

観測画像を取得すると、オペレータ操作によって撮影諸元を入力する(図4のStep221)。そして、描画諸元算出手段105がその撮影諸元に基づいて描画画像の視点と視線方向を算出する(図4のStep222)。 Once the observed image is acquired, the operator inputs the imaging specifications (Step 221 in Figure 4). The rendering specifications calculation means 105 then calculates the viewpoint and line of sight direction of the rendering image based on the imaging specifications (Step 222 in Figure 4).

描画画像の視点と視線方向を算出すると、オペレータ操作によって入力された河川流量を設定する(図4のStep223)。河川流量を設定すると、流況シミュレーション手段101が、設定された河川流量と、3次元地形モデル記憶手段109から読み出した3D地形モデルとに基づいて、各位置における河川水位を算出する(図3のStep224)。 Once the viewpoint and viewing direction of the drawn image are calculated, the river flow rate input by the operator is set (Step 223 in Figure 4). Once the river flow rate is set, the flow regime simulation means 101 calculates the river water level at each position based on the set river flow rate and the 3D terrain model read from the 3D terrain model storage means 109 (Step 224 in Figure 3).

河川水位を算出すると、表示制御手段102が描画画像を表示手段107に出力させる(図4のStep225)。そして、描画画像と観測画像の画角のうち特に河川水位を照らし合わせる(図4のStep226)。 Once the river water level is calculated, the display control means 102 outputs the drawn image to the display means 107 (Step 225 in Figure 4). Then, the drawn image and the observation image are compared, particularly with respect to the river water level, based on their angles of view (Step 226 in Figure 4).

描画画像と観測画像の画角(特に、河川水位)が略一致していないとき(図4のStep226のNo)は、河川流量を変更したうえで(図4のStep223)、一連の処理(図4のStep223~Step226)を繰り返す。一方、描画画像と観測画像の画角が略一致しているとき(図4のStep226のYes)は、その描画画像の河川水位を算出したときの河川流量を、観測画像に含まれる河川の流量として決定する(図4のStep227)。 If the angle of view (especially the river water level) of the drawn image and the observed image do not substantially match (No in Step 226 in Figure 4), the river flow rate is changed (Step 223 in Figure 4) and the series of processes (Steps 223 to 226 in Figure 4) are repeated. On the other hand, if the angle of view of the drawn image and the observed image substantially match (Yes in Step 226 in Figure 4), the river flow rate when the river water level of the drawn image was calculated is determined to be the flow rate of the river included in the observed image (Step 227 in Figure 4).

本願発明の河川流量推定システムは、国や地方自治体をはじめとする河川管理者にとって特に有用である。本願発明が、洪水など河川に伴う水害をいち早く予見することができ、その結果、災害から多くの住民を守ることができることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献が期待できる発明といえる。 The river flow estimation system of the present invention is particularly useful for river administrators, including national and local governments. Considering that the present invention can quickly predict floods and other river-related water damage, thereby protecting many residents from disasters, the present invention is not only applicable to industry but is also expected to make a significant contribution to society.

100 本願発明の河川流量推定システム
101 (河川流量推定システムの)流況シミュレーション手段
102 (河川流量推定システムの)表示制御手段
103 (河川流量推定システムの)画角調整手段
104 (河川流量推定システムの)撮影諸元入力手段
105 (河川流量推定システムの)描画諸元算出手段
106 (河川流量推定システムの)画像取得手段
107 (河川流量推定システムの)表示手段
108 (河川流量推定システムの)観測画像記憶手段
109 (河川流量推定システムの)3次元地形モデル記憶手段
100 River flow rate estimation system of the present invention 101 Flow regime simulation means (of river flow rate estimation system) 102 Display control means (of river flow rate estimation system) 103 View angle adjustment means (of river flow rate estimation system) 104 Photographing parameter input means (of river flow rate estimation system) 105 Drawing parameter calculation means (of river flow rate estimation system) 106 Image acquisition means (of river flow rate estimation system) 107 Display means (of river flow rate estimation system) 108 Observation image storage means (of river flow rate estimation system) 109 3D topographic model storage means (of river flow rate estimation system)

Claims (3)

河川を撮影した観測画像に基づいて、河川の流量を推定するシステムであって、
3次元地形モデルを利用して各所の河川水位を演算する流況シミュレーション手段と、
視点と視線方向を変更しながら、河川と3次元地形モデルを重畳した描画画像を表示することができる表示制御手段と、を備え、
前記表示制御手段は、前記流況シミュレーション手段によって演算された前記河川水位となるように、また設定された視点と視線方向に応じて前記描画画像を表示し、
前記流況シミュレーション手段は、河川の流量を設定すると、前記3次元地形モデルのうち河川となる各位置の前記河川水位を算出し、
前記流況シミュレーション手段に設定する流量を変更しながら、前記観測画像と前記描画画像を照らし合わせることによって、前記観測画像に含まれる河川の流量を推定することができる、
ことを特徴とする河川流量推定システム。
A system for estimating the flow rate of a river based on observation images of the river, comprising:
A flow simulation means for calculating the river water level at each location using a three-dimensional topographical model;
a display control means for displaying a drawn image in which a river and a three-dimensional topographical model are superimposed while changing a viewpoint and a line of sight;
the display control means displays the drawn image so as to correspond to the river water level calculated by the flow condition simulation means and in accordance with a set viewpoint and line of sight direction;
the flow regime simulation means calculates the river water level at each position of the river in the three-dimensional topographical model when the flow rate of the river is set;
The flow rate of the river included in the observed image can be estimated by comparing the observed image with the drawn image while changing the flow rate set in the flow regime simulation means.
A river flow rate estimation system characterized by:
前記描画画像が前記観測画像と同一又は略同一の画角となるように、前記表示制御手段の視点と視線方向を調整する画角調整手段を、さらに備えた、
ことを特徴とする請求項1記載の河川流量推定システム。
further comprising a view angle adjusting means for adjusting a viewpoint and a line of sight direction of the display control means so that the drawn image has the same or substantially the same view angle as the observed image;
2. The river flow rate estimation system according to claim 1.
前記観測画像の撮影位置と撮影方向を入力する撮影諸元入力手段と、
前記撮影諸元入力手段によって入力された撮影位置と撮影方向に基づいて、前記描画画像の視点と視線方向を求める描画諸元算出手段と、をさらに備え、
前記表示制御手段は、前記描画諸元算出手段によって求められた視点と視線方向に応じた前記描画画像を表示する、
ことを特徴とする請求項1記載の河川流量推定システム。
an imaging parameter input means for inputting the imaging position and imaging direction of the observation image;
a drawing parameter calculation means for calculating a viewpoint and a line of sight direction of the drawing image based on the photographing position and the photographing direction input by the photographing parameter input means,
the display control means displays the drawn image according to the viewpoint and line of sight direction calculated by the drawing specification calculation means.
2. The river flow rate estimation system according to claim 1.
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