JPH0777451A

JPH0777451A - 水位計測装置

Info

Publication number: JPH0777451A
Application number: JP5170993A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Suzuki; 恒夫鈴木
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】河川等の水位を画像処理により計測する。河川
の流れの中に装置を設置する必要がなく、工事、メンテ
ナンスが簡単であり、大雨時等で破損することがない。【構成】計測対象水面から等距離にある直線上に配置し
た２台の第１のテレビカメラ、第１のテレビカメラで同
一水面を異なった方向から撮影する。この水面の水位に
より第１の画像、第２の画像の撮像パターンに画角差が
生じることにより水位を演算する。第１の画像、第２の
画像の画角差抽出は、相関器によって水面の特徴点
（波、浮遊物等）をとらえて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、河川等の水位を画像処
理により計測する水位計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の水位計測装置には、フロ
ート式がある。これは水面に浮かべたフロートが、水面
の昇降により昇降するのを利用したものである。そのた
め、川の流れや、ゴミ等の付着で、精度、メンテナンス
等に問題があった。そのため、テレビカメラを使用し、
画像処理で水位を測定する手段が考えられた。従来の一
例が、特開平３−１７００２９号公報に記載されてい
る。図１０を参照すると、テレビカメラにより観測井内
の水面を撮影して水面画像を出力させ、このテレビカメ
ラが得た一定領域の画面イメージにおける水面画像のサ
イズに基づき、テレビカメラの観測点から水面までの距
離を求めるものである。また、他の従来例が、特開昭６
３−６６４１０号公報に記載されている。図１１を参照
すると、メモリを付してある目標物を河川の水面から突
出するように配置する。この目標物をテレビカメラで撮
影し、そのビデオ信号から水位を算出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
の水位計測装置では、河川の流れの中に装置を設置する
ため、工事費が高く、大雨時等に破損し易く、しかもメ
ンテナンスも困難という問題があった。本発明はこのよ
うな事情にかんがみてなされたものであり、非接触遠隔
計測とすることにより上記欠点を解決することを課題と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の水位計測装置においては、図３で示すよう
に、計測対象水面から等距離にある直線上に配置した２
台のテレビカメラで同一水面を撮影する。この水面の水
位により２台のテレビカメラ画像の撮像パターンに画角
差が生じることにより水位を演算する。２台のテレビカ
メラ画像の画角差抽出は、画像処理によって水面の特徴
点（波、浮遊物等）をとらえて行う。具体的には、〜
を備えた構成とした。計測対象水面を互いに異なった方向から撮影する第１
及び第２の撮像手段（テレビカメラ）、第１及び第２の撮像手段で撮影された第１及び第２の
画像を記憶する記憶手段、第１及び第２の画像のそれぞれ一部の類似度を比較し
て、最も類似している第１の画像中の類似領域（特徴
点）と第２の画像中の類似領域（特徴点）とを検出する
検出手段、少なくとも第１の画像中の類似領域の位置と第２の画
像中の類似領域の位置との一方を用いて計測対象水面の
水位を演算する演算手段。

【０００５】

【作用】このように構成された水位計測装置によれば、
計測対象水面から等距離にある直線上に第１及び第２の
撮像手段を配置した場合、図４で示す関係式により水位
を求める。第１の撮像手段の水平画素数をＳ、第１の撮
像手段の水平画角を２φ、第１の撮像手段と第２の撮像
手段の間隔を２Ｌ、第１の撮像手段の水平角をθとする
と、第１の撮像手段と第２の撮像手段の垂直２等分線Ｏ
−Ｍ上の点Ｐｎ類似領域（特徴点）が第１の撮像手段の
撮影画像の左からｎ画素目にあるとき、関係式ＯＰｎ＝Ｌ・ｔａｎλ＝Ｌ・ｔａｎ（θ＋φ−２φ・ｎ／Ｓ）・・・（１）が成立する。さらに、予め基準位置でＯＰｓを求めてお
く。その時の水位と、ＯＰｓと、数１で求めたＯＰｎよ
り、水位を求める（図８の関係にある）。

【０００６】

〔第１の実施例〕

（機器設置例の説明）図５は、本発明を設置した例を示
す外観図である。図に示すように、撮像手段としての２
台のテレビカメラは、河川の水面から堤防を隔てた道路
脇に設置された、鉄塔に備えられている。テレビカメラ
の他に、投光器を備え夜間でも水位を測定できるように
している。２台のテレビカメラは、同一水面を撮影する
ように設置角度が調整される。また、テレビカメラの画
像出力は、他の場所に設置された処理装置に伝送され、
水位が求まる。つまり、水面の遠隔画像監視を実現して
いる。

【０００７】（構成の説明）図１は、本発明の第１の実
施例を示すブロック図である。水面から等距離にある直
線上に配置した第１のテレビカメラ１と、第２のテレビ
カメラ２は、川の水面を撮影する。その画像信号をそれ
ぞれ第１のＡ／Ｄ変換器３と、第２のＡ／Ｄ変換器４で
デジタル信号に変換する。そのデジタル信号をそれぞれ
第１の画像メモリ５と、第２の画像メモリ６で記憶す
る。それぞれ記憶された画像データを、第１及び第２の
画像分割手段７、８で分割する。その分割されたそれぞ
れのデータの類似度を比較するため相関器９で相関をと
る。相関されたデータから、特徴点を抽出回路１０で抽
出する。その抽出された特徴点の画素位置を、画素数算
出手段１１で求める。水位算出手段１２は、その画素位
置と、基準値設定手段１３で予め設定された基準データ
に基づいて、水位を算出する。

【０００８】なお、第１のテレビカメラ１と、第２のテ
レビカメラ２の撮影時間をずらして、Ａ／Ｄ変換器を共
用することもできる。時間差が１フレーム（１／３０
秒）程度では、計測対象水面の映像に差はでない。ま
た、１台のテレビカメラを時分割で使用する構成もあ
る。つまり、ほぼ同一の水面の画像を、ほぼ同一時間に
異なった方向からテレビカメラに導く光学手段で構成す
る。

【０００９】（処理の説明）図２は、実施例の処理を説
明するためのフローチャートである。第１のテレビカメ
ラ１と第２のテレビカメラ２から画像信号を入力する
（ａ）。画面を水平方向中心線に沿った小領域（本実施
例では、９画素×９画素とした。）に分割する（ｂ）。
第１のテレビカメラ１と第２のテレビカメラ２の画像の
対応する小領域間の相関係数を演算する（ｃ）。求めた
相関係数の最大となる小領域を抽出する（ｄ）。対応す
る最大相関係数の、第１のテレビカメラ１の画像におけ
る左からの画素数を算出する（ｅ）。第１のテレビカメ
ラ１から水面までの距離を数１で演算する（ｆ）。その
距離と基準値設定手段１３で予め設定された基準データ
に基づいて、第１のテレビカメラ１から水面までの垂直
距離を、数１で求める（ｇ）。その垂直距離と、予め計
測した基準位置の水位とから、求めるべき水位を算出す
る（ｈ）。なお、（ｇ）で求める垂直距離は、図６
（ｂ）で示すように、ｈｎ＝ＯＰｎ・ｃｏｓσで求める
こともできる。ここで、σは、テレビカメラの仰角を示
す。

【００１０】（実験例の説明）図６は本発明の第１の実
施例の配置を示す構成図、図７は画像例を示す図、図８
は計算を説明するための垂直矢視図である。図６の構成
にて、水槽に水を張り、第１のテレビカメラ１と第２の
テレビカメラ２で水槽を撮影する。その水槽の水位を可
変して、第１のテレビカメラ１と第２のテレビカメラ２
の撮像画角より変位量を算出する。図６（ａ）は、水平
矢視図、（ｂ）は、垂直矢視図を示す。第１のテレビカ
メラ１及び第２のテレビカメラ２のレンズをｆ＝５０ｍ
ｍとし、図４でのθ＝７９°、φ＝５°、Ｌ＝１００ｃ
ｍとした。また、特徴点となる浮遊物として浮きを水面
に浮かべた。図７（ａ）は、水位が８０ｃｍのときの画
像を示し、図７（ｂ）は、水位が６０ｃｍのときの画像
を示し、また図７（ｃ）は、水位が３５ｃｍのときの画
像を示す。ここで、画面上の×印は、特徴点となる位置
を示す。

【００１１】図７（ａ）で第１のテレビカメラの特徴点
の位置は、３６７画素目となる。式１より、ＯＰ367 ＝
４２７ｃｍが算出される。図７（ｂ）で第１のテレビカ
メラの特徴点の位置は、２５６画素目となる。式１よ
り、ＯＰ256 ＝５１２ｃｍが算出される。図７（ｃ）で
第１のテレビカメラの特徴点の位置は、１５３画素目と
なる。式１より、ＯＰ153 ＝６３２ｃｍが算出される。
ここで、水位６０ｃｍを基準位置として、他の水位を算
出する手段を図８を参照して説明する。川底からテレビ
カメラの設置高さ（Ｏ点）は、図６（ｂ）より１７４ｃ
ｍである。ゆえに、ｈｃ＝１１４ｃｍとなる。図７
（ａ）の水位の算出を説明する。Ｐ367 に対応するｈａ
は、１１４／５１３＝ｈａ／４２７の式から、ｈａ＝９
５ｃｍが求められる。基準位置からの変位量が、１１４
−９５＝１９ｃｍである。水位は、６０＋１９＝７９ｃ
ｍとなり、分解能１ｃｍで求められる。図７（ｃ）の水
位の算出を説明する。Ｐ153 に対応するｈｃは、１１４
／５１３＝ｈａ／６３２の式から、ｈｃ＝１４０ｃｍが
求められる。基準位置からの変位量が、１１４−１４０
＝−２６ｃｍである。水位は、６０−２６＝３４ｃｍと
なり、分解能１ｃｍで求められる。

【００１２】（他の実験例）本実験例は、第１のテレビ
カメラ１及び第２のテレビカメラ２のレンズをｆ＝１０
０ｍｍとし、図４でのθ＝８４．３°、φ＝２．５°、
Ｌ＝３００ｃｍとした。この構成により、計測範囲は、
テレビカメラ設置面から６．９５ｍ〜１７．８９ｍ、分
解能は０．９ｃｍ〜８．８ｃｍとなる。このときの基準
位置は、ＯＰｓ＝３０ｍ、ｈｓ＝１０ｍとした。以上、
デジタル処理で説明したが、カメラ、相関処理等はアナ
ログ系（例えば、同一出願人による特公昭６０−３４３
１７号公報「テレビ画像アナログ相関装置」）であって
も可能であることは、言うまでもない。

【００１３】〔第２の実施例〕図９は、本発明の第２の
実施例を示す概念図である。第２の実施例は、第１のテ
レビカメラ１と、第２のテレビカメラ２から対象物が等
距離にない場合の例である。図９に示すように、第１の
テレビカメラ１でａ画素位置、第２のテレビカメラ２で
ｂ画素位置に対象物（相関処理で求めた特徴点）が検出
されたとする。第１のテレビカメラ１と、第２のテレビ
カメラ２のそれぞれ水平画角２φ、設置水平角θと、ａ
の値からθａ、ｂの値からθｂが求まる。三角測量の原
理により、θａ、θｂ、２Ｌ（第１のテレビカメラ１
と、第２のテレビカメラ２間の距離）を用いて、対象物
までの距離Ｄが求まる。

【００１４】〔第３の実施例〕第１の実施例では、特徴
点を求める手段として、水平方向中心線に沿った９画
素×９画素の小領域に分割する。画像の対応する小領
域間の相関係数を演算する。求めた相関係数の最大と
なる小領域を抽出する。これに対して第３の実施例で
は、特徴点を求める手段として、画面の任意個所をＸ
画素×Ｘ画素の中領域に分割する。画像の対応する中
領域間の相関係数を演算する。求めた相関係数の最大
となる中領域を抽出する。抽出した中領域をＹ（Ｘ＞
Ｙ）画素×Ｙ画素の小領域（例えば、９画素×９画素）
に分割する。画像の対応する小領域間の相関係数を演
算する。求めた相関係数の最大となる小領域を抽出す
る。さらににおいて、小領域の画素領域を、１画素単
位で移動し、最大となる画素位置を抽出することによ
り、１画素に相当する精度で距離の算出ができる。

【００１５】なお、類似度の検出手段として、相関器を
用いたが、これに限るものではない。例えば、二つのパ
ターンを重ねあわせ、それぞれの位置で差分をとる。差
分を二乗し、小領域全体でたしあわせる。この値が小さ
いほど、二つのパターンは類似していることになる。ま
た、小領域を９画素×９画素の例を示したが、この画素
数は、テレビカメラから測定対象水面までの距離、特徴
点となる波の大きさ等により定められる。また、テレビ
カメラは、河川監視として使用される場合もある。その
場合は、監視者がテレビ画面を監視し、水位を測定する
際に小領域の画素数を、遠隔で設定することができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、計測対
象水面から等距離にある直線上に配置した２台のテレビ
カメラで同一水面を撮影する。この水面の水位により２
台のテレビカメラ画像の撮像パターンに画角差が生じる
ことにより水位を演算する。２台のテレビカメラ画像の
画角差抽出は、画像処理によって水面の特徴点（波、浮
遊物等）をとらえて行う。そのため、河川の流れの中に
装置を設置する必要がなく、工事、メンテナンスが簡単
であり、大雨時等で破損することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図。

【図２】本発明の第１の実施例を示すフローチャト。

【図３】本発明の計測原理を説明するための図。

【図４】本発明の計測原理の関係式を説明する図。

【図５】本発明を設置した例を示す外観図。

【図６】本発明の第１の実施例の配置を示す構成図。

【図７】本発明の第１の実施例での画像例を示す図。

【図８】本発明の第１の実施例での計算を説明するため
の垂直矢視図。

【図９】本発明の第２の実施例の計測原理を説明するた
めの図。

【図１０】従来の水位測定装置を示す構成図。

【図１１】従来の他の水位測定装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１…第１の撮像手段（第１のテレビカメラ）、２…第２
の撮像手段（第１のテレビカメラ）、３…第１のＡ／Ｄ
変換器、４…第２のＡ／Ｄ変換器、５…記憶手段（第１
の画像メモリ）、６…記憶手段（第２の画像メモリ）、
７…検出手段（第１の画像分割手段）、８…検出手段
（第２の画像分割手段）、９…検出手段（相関器）、１
０…検出手段（抽出回路）、１１…演算手段（画素数算
出手段）、１２…演算手段（水位算出手段）、１３…基
準値設定手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象水面を互いに異なった方向から撮
影する第１及び第２の撮像手段（１、２）と、該第１及
び第２の撮像手段で撮影された第１及び第２の画像を記
憶する記憶手段（５、６）と、該第１及び第２の画像の
それぞれ一部の類似度を比較して、最も類似している第
１の画像中の類似領域と第２の画像中の類似領域とを検
出する検出手段（７、８、９、１０）と、少なくとも該
第１の画像中の類似領域の位置と該第２の画像中の類似
領域の位置との一方を用いて計測対象水面の水位を演算
する演算手段（１１、１２）とを備えた水位計測装置。