JP6858415B2 - 海面計測システム、海面計測方法および海面計測プログラム - Google Patents
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Description
陸地に到達した津波の高さの観測には、気象庁が各地に設置している検潮所の他、津波観測計や巨大津波観測計などの津波観測機器が用いられる。気象庁では、検潮所や津波観測計を用いて潮位を常時観測し、観測したデータを潮汐観測資料(速報値)および潮汐観測資料として公開している。しかし、これらの観測システムは何れも海岸に設置されているので、陸地に到達した津波の観測はできるものの、到達前の遠方(数10km〜50km超)の津波観測ができず、到達時刻の推定ができない。
陸地到達前の津波の観測には、海底地震・津波観測網、GPS波浪計および最近提案されている津波レーダが用いられる。
しかし、海底システムや陸上局の設置は膨大な工事が必要であり、自治体や漁業関係者の同意が必要である。また、設備施設の維持や管理にも多大な費用が必要である。そのため、全国の海域に普及することには困難な面がある。
GPS波浪計は、港湾設備に必要な沖合の波浪情報を所得するために設置するものであるが、地震発生時には津波による海面の上下動の観測も可能であることから、津波防災対策への活用も大きく期待されている。通常、GPS波浪計は、沖合20km前後の処に設置されるため、数十キロ先の津波観測と到達時刻推定が可能である。
しかし、GPS波浪計は高価な設備であり、2005年設置当初では、一基3億円を超え、現在も億単位である。また、GPS波浪計は特定のスポットにしか設置できず、広範囲の観測が困難である。
しかし、これらの方法では、海面の流速から津波成分の抽出を行うことは困難であり、特に長周期である津波の早期計測は困難である。
海面異常としての津波の画像計測を実現するために、まずは2台以上のカメラ4A,4Bを異なる地点に設置する(S101)。
続いて、複数のカメラ4A,4Bにより、同一海面領域を含む画像を同時に撮影する(S102)。また、夜間や雨、霧などの悪環境における撮影には、赤外線カメラや、霧影響軽減手段21および雨影響軽減手段22を用いるが、詳細は後述する(S201)。
その後、各カメラ4A,4Bが撮影した画像から、それぞれ波抽出手段11を用い、津波計測に必要な波を抽出する(S103)。
各画像に対し、波を抽出した後に、波対応付け手段12を用い、波の対応付けを行い、各カメラ4A,4Bの画像から抽出した波の対応付けを行い、同一波のグループを求める(S104)。
なお、三次元情報計算精度を確保するために、遠距離カメラシステムキャリブレーション手段15を用い、カメラシステムのキャリブレーションを行う(S202)。
算出した海面の高さと波の高さに基づき、津波の有無の判定手段を用い、津波発生の有無を判定する(S106、S107)。
津波の発生があると判定される場合は、津波進行速度計算手段16、津波規模推測手段17および津波到着時刻推測手段18を用い、津波の規模を推定し(S108)、到着時刻を推定する(S109)。
最後に、計測した津波情報を津波情報発信手段19により必要な処と必要な人に発信する(S110)。
撮影手段10は、異なる地点に設置される複数のカメラ4A,4Bにより同時に同一海面領域を含む画像を撮影する。前述のように、カメラ4Aを含む第1カメラセット3Aおよびカメラ4Bを含む第2カメラセット3Bは、図2に示すように、海に近い海岸の陸地上の異なる地点C1,C2に設置され、半径5〜20km程度の範囲の遠距離海面の画像を取得する。この半径5〜20kmの遠方海面の三次元画像計測を実現するために、本実施形態においては、ステレオ視による三次元画像計測技術を用いる。各カメラ4A,4B間の距離すなわちカメラ4A,4B間の基線長Bは20メートル以上とし、各カメラ4A,4Bの設置場所の海抜すなわちカメラ4A,4Bの設置高度Hは20メートル以上とする。
また、サーバー1は、霧などの影響を軽減するための霧影響軽減手段21を備える。霧影響軽減手段21は、大気モデルに基づき、カメラ4A,4Bにより撮影した海の画像の縦方向の長さ、すなわち画像のy座標に線形的に近似した海面の大気の透過率分布と太陽光の強度成分とから、前記カメラ4A,4Bにより撮影した画像の霧などの悪影響を軽減する。
また、サーバー1は、雨の影響を軽減するための雨影響軽減手段22を備える。図7は雨影響軽減手段22による処理のフロー図である。雨影響軽減手段22は、図7に示すように、連続撮影された複数枚の画像を用い、画素の色強度の最大値画像と最小値画像を求め、最小値画像をガイドとするガイドフィルターを適用して最大値画像を処理することにより、雨の影響を軽減する。
次に、5枚の入力画像In(n=1,2,3,4,5)の各画素に対し、式(5)より画素の色強度の最大値を求め、式(6)より画素の色強度の最小値を求める。各画素の最小値を用い最小値画像Imin、各画素の最大値を用い最大値画像Imaxを生成する(S302)。
は小領域ωkにおける入力画像の色強度の平均値である。
波抽出手段11は、複数のカメラ4A,4Bにより同時にそれぞれ撮影された画像から波を抽出する。海域の撮影画像からの波の抽出、特に本実施形態における海面計測システムの目標とする5〜20kmの遠距離撮影画像からの波の抽出は、一般的なパターン抽出法の適用が困難である。その原因としては、波形状の不確定性、複数のカメラ4A,4Bから撮影した複数枚の画像における波の特徴の相違、全天候撮影に伴う撮影環境の変化などがあげられる。また、検出の高速性が要求される。
波対応付け手段12は、波抽出手段11により抽出された各波に対し、複数のカメラ4A,4Bにより同時に撮影されたそれぞれの画像から同一の波を見つけ出して対応付ける。図9は2枚の画像を用いた波の対応付け処理の流れを示すフロー図である。画像が3枚以上の場合も類似する手法を用いることができる。
左画像から抽出したm個の波に対し、i番目(i=1,2,…,m)の波の特徴パラメータVLiを下記の式に従って求め、左画像の波のベクトルVLを生成する。
その差が事前に決める閾値より小さければ、該当する波は注目波の対応波とし(S409)、そうでなければ、次の波を検証する(S410、S411)。
三次元情報計算手段13は、波対応付け手段12により対応付けされた画像の各波を三次元解析することにより海面の高さおよび波の高さを算出する。
一方、津波計測には海面の特定スポットの高さを求める必要がなく、ある領域の海面の高さを算出し、津波の発生の有無を判定すればいい。
その後、対応付けされているすべての波に対し、その重心、中心、上部、下部、左端、右端などの特徴点の三次元世界座標(X,Y,Z)を求める(S503)。カメラに対し、Xは水平方向、Yは垂直方法、Zは奥行方向を示す。
特定の小領域に対し、式(24)のように、すべての時系列画像のすべての対応付けされている波に対し、波の重心やそのほかの特徴点の三次元世界座標の縦方向すなわち海面に垂直な方向のY座標値の平均値YAを求め、係数をかけて、該当小領域の海面の高さHsを算出する(S505)。
カメラシステムのキャリブレーションはカメラ4A,4Bの画像センサーの画素配置やレンズの焦点距離などの内部パラメータと、2台のカメラ4A,4B間の距離すなわち基線長やカメラ4A,4Bの位置と姿勢すなわち回転角度等などの外部パラメータを求めることである。カメラシステムのキャリブレーション方法は数多く提案され、現在特にZhangの手法(Zhang. Z, A Flexible New Technique for Camera Calibration, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. Vol. 22, No. 11, 2000, pp. 1330-1334.)は評価され、OpenCVにも実装されている。
次に、それぞれの画像からキャリブレーションに必要な複数個の特徴点を抽出する(S602)。
その後、抽出した特徴点の対応付けを行う(S603)。
最後に、対応付けされた特徴点を用い、前述したL1、L2、L3などの既知パラメータを用い、カメラのパラメータを算出する(S604)。
海面異常有無判定手段14は、三次元情報計算手段13により算出した海面の高さおよび波の高さに基づいて津波の発生の有無を判定する。図15は津波の有無の判定の流れを示すフロー図である。
津波進行速度計算手段16は、従来の津波の進行速度の計算方法に基づき算出した津波の進行速度を用い、三次元画像計測に基づいて算出した津波進行速度を修正し、より正確な津波進行速度を計算する。
海面異常として津波の発生が計測された場合に、津波発生領域とその周辺領域の海面の高さを随時計測し、海面の高さの最大領域を随時に検出する。また、カメラ4A,4Bの姿勢制御により、カメラ4A,4Bに一番近い海面の高さが最大である領域、すなわち津波前線を追跡し、津波前線までの距離、すなわち三次元計測結果のZ値を取得する。
まず観察者は、いつどの海域を計測するかのような計測プランを立てる。サーバー1は、この計測プランに従って各カメラの姿勢を決定し、各カメラの回転角度を算出して、各クライアント計算機2A,2Bに送信する。記憶手段20は、各クライアント計算機2A,2Bから取得した各カメラ4A,4Bの撮影画像を保存するものである。サーバー1は、これらの記憶手段20に記憶された画像を処理することにより、津波等の海面異常の有無を算出し、出力する。
さらに、本実施形態における海面計測システムでは、撮影手段10が、角度フィードバックに基づく機械制御と、画像撮影と画像処理に基づく画像計測制御とを融合した機械と画像による二段式制御手段23を有する。
次に、左右の画像から抽出した波から、左右2枚の画像に共に存在する領域すなわち共通領域を求め、共通領域の中央の位置にある波を1つ抽出し、カメラ姿勢調整の目標波とする(S806)。
2A,2B クライアント計算機
3A,3B カメラセット
4A,4B カメラ
5A,5B カメラ固定調節部
10 撮影手段
11 波抽出手段
12 波対応付け手段
13 三次元情報計算手段
14 海面異常有無判定手段
15 遠距離カメラシステムキャリブレーション手段
16 津波進行速度計算手段
17 津波規模推測手段
18 津波到着時刻推測手段
19 津波情報発信手段
20 記憶手段
21 霧影響軽減手段
22 雨影響軽減手段
23 二段式制御手段
Claims (15)
- 異なる地点に設置される複数のカメラにより同時に同一海面領域を含む画像を撮影する撮影手段と、
前記複数のカメラにより同時にそれぞれ撮影された画像から波を抽出する波抽出手段と、
前記波抽出手段により抽出された各波に対し、前記複数のカメラにより同時に撮影されたそれぞれの画像から同一の波を見つけ出して対応付ける波対応付け手段と、
前記波対応付け手段により対応付けされた前記画像の各波を三次元解析することにより海面の高さおよびその海面にある波の高さを算出する三次元情報計算手段であり、前記波対応付け手段により対応付けされた前記画像の各波の特徴点の三次元座標を算出し、算出した特徴点の三次元座標の高さ方向の平均値に基づいて海面の高さを算出し、前記特徴点の三次元座標の高さ方向の分散に基づいてその海面にある波の高さを算出する三次元情報計算手段と、
前記三次元情報計算手段により算出した海面の高さおよび波の高さに基づいて海面異常の発生の有無を判定する海面異常有無判定手段と
を含む海面計測システム。 - 前記海面異常有無判定手段は、海面異常の発生が無い平常時の潮位と、前記三次元情報計算手段により算出した海面の高さとを比較することにより海面異常の発生の有無を判定するものである請求項1記載の海面計測システム。
- 前記複数のカメラは、カメラ本体と、レンズと、前記複数のカメラが姿勢調節可能に固定されるカメラ固定調節部とにより構成される2セット以上のカメラセットであり、
前記カメラ本体および前記レンズのパラメータを調節して撮影を制御する機能、および前記複数のカメラにより撮影された画像を取り込む機能を有するクライアント計算機と、
前記クライアント計算機との通信機能を有し、前記クライアント計算機を制御し、前記クライアント計算機に写真撮影に必要な命令を送り、前記クライアント計算機より前記カメラの撮影画像を取得する機能を有するサーバーと
を含む請求項1または2に記載の海面計測システム。 - 前記複数のカメラは、
望遠機能を有し、
海岸に設置され、
各カメラ間の距離が20メートル以上であり、
各カメラの設置場所の海抜が20メートル以上である
請求項1から3のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記複数のカメラがそれぞれ姿勢調節可能に固定されるカメラ固定調節部であり、パン方向とチルト方向の角度の調節により、撮影方向角度を上下および左右に調節し、前記複数のカメラに同一海面を撮影させるためのカメラ固定調節部を含み、
前記複数のカメラは、電気的な外部同期信号もしくはサーバーからのソフトウェア同期命令により同時に撮影させるものである
請求項1から4のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記カメラは、遠赤外線カメラであり、大気モデルに基づき、前記カメラにより撮影された海の画像の縦方向の長さに線形的に近似した海面の大気の透過率分布と太陽光の強度成分とから、前記カメラにより撮影された画像の霧の影響を軽減する霧影響軽減手段と、
前記カメラにより連続撮影された複数枚の画像を用い、画素の色強度の最大値画像と最小値画像を求め、最小値画像をガイドとするガイドフィルターを適用して最大値画像を処理する雨影響軽減手段と
を含む請求項1から5のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記波抽出手段は、
前記複数のカメラにより撮影された画像をいくつかの隣接する長方形もしくは正方形の小領域に分割し、小領域の左上、右上、左下、右下の4つの角を含む局所領域において、画像を二値化するための閾値を求め、
注目点が存在する小領域の左上、右上、左下、右下の4つの角の小領域閾値に基づき、4つの角までの絶対距離に依存する重み係数をかけて、注目点の二値化のための閾値を求める
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記波の対応付け手段は、
前記複数のカメラより撮影された複数枚の画像から、エピポーラ幾何学と二次元画像の横縦座標関係の解析により対応付け候補海域を求め、
各画像の前記対応付け候補領域において、抽出した各波の画像の重心座標、ピクセルの数、周囲長、円形度および各方向の長さを特徴とする二次元特徴ベクトルを生成し、
各画像の同一領域におけるすべての波に対し、エピポーラ拘束より候補波を洗い出し、その二次元特徴ベクトルの類似度を求め、類似度の高い順に従って、各波の対応波の候補波リストを作成し、
注目波と前記候補波リストの類似度の高い波の重心の画像座標に基づき、注目波の三次元世界座標(X注,Y注,Z注)と候補波の三次元世界座標(X候,Y候,Z候)とを求め、その差が事前に決める閾値より小さいかどうかを判定することより、対応波の候補波が対応波かどうかを決定する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記三次元情報計算手段は、
前記複数のカメラにより同一領域を連続撮影して複数枚の画像を取得し、
撮影された画像から抽出した波に対し、対応付けされた各波の重心、中心、上部、下部、左端、右端などの特徴点の三次元世界座標を求め、
求めた波の三次元世界座標に基づき、各波をいくつかの小領域に分類し、
特定の小領域内において対応付けされているすべての波に対し、前記特徴点の三次元世界座標の海面に垂直な方向の座標の平均値を求め、係数をかけて、該当小領域の海面の高さを算出し、
特定の小領域内において対応付けされているすべての波に対し、前記特徴点の三次元世界座標の海面に垂直な方向の座標の分散を求め、係数をかけて、該当小領域の波の高さを算出する
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 板状ターゲットを用いた内部パラメータキャリブレーションと円柱状ターゲットを用いた外部パラメータキャリブレーションとを融合した異なるターゲットを用いた内外分離二段式キャリブレーションである遠距離カメラシステムキャリブレーション手段であり、
前記ターゲットとして2本以上の円柱状または一定の幅を持つ細長いターゲットを用い、
前記ターゲットの長さは1メートル以上であり、
前記ターゲットの表面に鮮明に区別容易な色2色以上を持ち、
前記ターゲットの異なる色の領域の境界線上のポイント、色の中央にあるポイント、または、重心をキャリブレーション用の特徴点とし、
前記ターゲットの異なる色の領域のサイズをキャリブレーション用の既知パラメータとすること
を特徴とする遠距離カメラシステムキャリブレーション手段を含む請求項1から9のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 前記海面異常有無判定手段は、
算出されるいくつかの特定領域の海面の高さと海面異常の発生が無い平常時の潮位とを比較し、比較の結果により、これらの特定領域を海面異常発生候補領域、海面異常発生の可能性ある領域、または、海面異常の発生がない領域のような3つの領域に分類し、
計測される複数の特定領域の海面の高さと海面異常の発生が無い平常時の潮位との差が、すべて規定の閾値より大きい場合は、これらの領域を海面異常発生候補領域に分類し、
前記複数の特定領域の海面の高さと海面異常の発生が無い平常時の潮位との差が規定の閾値より大きい領域と小さい領域が混在する場合は、これらの領域に海面異常発生の可能性がある領域に分類し、
前記複数の特定領域の海面の高さと海面異常の発生が無い平常時の潮位との差がすべて規定の閾値より小さい場合は、これらの領域に海面異常の発生がない領域に分類し、
海面異常発生候補領域もしくは海面異常発生の可能性がある領域に対し、さらにその領域の周辺に複数個所の小領域を計測領域として追加し、これらの領域の海面の高さと平常時の潮位との比較結果に基づき、ファージ推測理論を用いて海面異常発生したかどうかを判断し、該当特定領域を海面異常がある領域もしくは海面異常がない領域に判定する
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 海面異常として津波の発生が計測された場合に、津波発生領域とその周辺領域の海面の高さを随時計測し、海面の高さの最大領域を随時に検出し、
前記カメラの姿勢制御により、前記カメラに一番近い海面の高さが最大である領域を追跡し、津波前線までの距離を取得し、
各時刻の海面の高さの三次元画像計測により、海面の高さ変化の四次元情報を取得し、津波前線の海面高の高度変化、進行方向および進行速度すなわち津波進行速度を算出し、
従来の津波の進行速度の計算方法に基づき算出した津波の進行速度を用い、前記三次元画像計測に基づいて算出した津波進行速度を修正する
津波進行速度計算手段を含む請求項1から11のいずれか1項に記載の海面計測システム。 - 海面異常として津波の発生が計測された場合に、三次元画像計測で計測した津波前線の位置と海面の高さ、および津波進行速度により、津波が海岸に到着する時刻を算出する津波到着時刻推測手段を含む請求項1から12のいずれか1項に記載の海面計測システム。
- 異なる地点に設置される複数のカメラにより同時に同一海面領域を含む画像を撮影すること、
前記複数のカメラにより同時にそれぞれ撮影された画像から波を抽出すること、
前記抽出された各波に対し、前記複数のカメラにより同時に撮影されたそれぞれの画像から同一の波を見つけ出して対応付けること、
前記対応付けされた前記画像の各波を三次元解析することにより海面の高さおよびその海面にある波の高さを算出するに際し、前記対応付けされた前記画像の各波の特徴点の三次元座標を算出し、算出した特徴点の三次元座標の高さ方向の平均値に基づいて海面の高さを算出し、前記特徴点の三次元座標の高さ方向の分散に基づいてその海面にある波の高さを算出すること、
前記算出した海面の高さおよび波の高さに基づいて海面異常の発生の有無を判定すること
を含む海面計測方法。 - 異なる地点に設置される複数のカメラにより同時に同一海面領域を含む画像を撮影する撮影手段と、
前記複数のカメラにより同時にそれぞれ撮影された画像から波を抽出する波抽出手段と、
前記波抽出手段により抽出された各波に対し、前記複数のカメラにより同時に撮影されたそれぞれの画像から同一の波を見つけ出して対応付ける波対応付け手段と、
前記波対応付け手段により対応付けされた前記画像の各波を三次元解析することにより海面の高さおよびその海面にある波の高さを算出する三次元情報計算手段であり、前記波対応付け手段により対応付けされた前記画像の各波の特徴点の三次元座標を算出し、算出した特徴点の三次元座標の高さ方向の平均値に基づいて海面の高さを算出し、前記特徴点の三次元座標の高さ方向の分散に基づいてその海面にある波の高さを算出する三次元情報計算手段と、
前記三次元情報計算手段により算出した海面の高さおよび波の高さに基づいて海面異常の発生の有無を判定する海面異常有無判定手段と
してコンピュータを機能させる海面計測プログラム。
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