特開 2025-19766 地盤湧水評価方法及び地盤湧水評価システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025019766

(43)【公開日】2025-02-07

(54)【発明の名称】地盤湧水評価方法及び地盤湧水評価システム

(51)【国際特許分類】

   G01V 9/02 20060101AFI20250131BHJP

   G01V 8/10 20060101ALI20250131BHJP

【ＦＩ】

G01V9/02

G01V8/10 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023123569

(22)【出願日】2023-07-28

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 掲載日：令和４年８月１日、学会名：令和４年度土木学会全国大会第７７回年次学術講演会、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓｃｅ２０２２／ｓｕｂｊｅｃｔ／ＶＩ－２７１／ａｄｖａｎｃｅｄ（第ＶＩ部門 山岳トンネル（１１） ［ＶＩ－２７１］分光カメラを用いたトンネル切羽の湧水センシング技術の開発）、開催日：令和４年９月１５日 ９：００～１０：２０、学会名：令和４年度土木学会全国大会第７７回年次学術講演会、開催場所：京都大学 吉田南総合館北棟（京都府京都市左京区吉田本町）

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 丈瑠

【テーマコード（参考）】

2G105

【Ｆターム（参考）】

2G105AA01

2G105BB16

2G105BB17

2G105CC01

2G105DD02

2G105EE06

2G105HH04

(57)【要約】

【課題】地盤から湧出する湧水量を定量的に評価する。
【解決手段】地盤湧水評価方法は、所定の波長帯域の光が照射された評価対象となる切羽２から反射された反射光の６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも２つ以上の異なる波長の画像を取得するステップと、少なくとも２つ以上の異なる波長の画像中の信号レベルに基づいて、湧水量と相関性を有する湧水量指標値を演算するステップと、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤から湧出する湧水量を評価する地盤湧水評価方法であって、
所定の波長帯域の光が照射された評価対象となる前記地盤から反射された反射光の６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも２つ以上の異なる波長の画像を取得するステップと、
少なくとも２つ以上の異なる波長の前記画像中の信号レベルに基づいて、前記湧水量と相関性を有する湧水量指標値を演算するステップと、を含む、
地盤湧水評価方法。

【請求項2】

少なくとも２つ以上の異なる波長の前記画像中の同じ座標位置における画素の信号レベルを合成して合成ベクトルを求めるステップと、
前記合成ベクトルと比較される基準ベクトルを設定するステップと、
前記基準ベクトルと各合成ベクトルとが成す角度に応じた値を前記湧水量指標値として演算するステップと、
予め求められた前記湧水量指標値と前記湧水量との相関関係から前記湧水量を求めるステップと、をさらに含む、
請求項１に記載の地盤湧水評価方法。

【請求項3】

２つの異なる波長の前記画像中の同じ座標位置における画素の信号レベルの差分を前記湧水量指標値として演算するステップと、
予め求められた前記湧水量指標値と前記湧水量との相関関係から前記湧水量を求めるステップと、をさらに含む、
請求項１に記載の地盤湧水評価方法。

【請求項4】

２つの異なる波長の前記画像中の同じ座標位置における画素の信号レベルの差分を、２つの異なる波長の波長差によって除した値を前記湧水量指標値として演算するステップと、
予め求められた前記湧水量指標値と前記湧水量との相関関係から前記湧水量を求めるステップと、をさらに含む、
請求項１に記載の地盤湧水評価方法。

【請求項5】

前記湧水量指標値を演算する前に、前記画像中の各画素における信号レベルを正規化するステップをさらに含む、
請求項１から４の何れか１つに記載の地盤湧水評価方法。

【請求項6】

異なる波長の波長差は１００ｎｍ以上である、
請求項１から４の何れか１つに記載の地盤湧水評価方法。

【請求項7】

前記画像を撮像可能な撮像装置は、前記地盤から３ｍ以上離れた位置に設置される、
請求項１から４の何れか１つに記載の地盤湧水評価方法。

【請求項8】

地盤から湧出する湧水量を評価する地盤湧水評価システムであって、
評価対象となる前記地盤に所定の波長帯域の光を照射する光源と、
前記地盤で反射された反射光を撮像可能な撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長の画像中の信号レベルに基づいて前記湧水量を求める演算装置と、を備え、
前記演算装置は、少なくとも２つ以上の異なる波長の前記画像中の信号レベルに基づいて、前記湧水量と相関性を有する湧水量指標値を演算する、
地盤湧水評価システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地盤湧水評価方法及び地盤湧水評価システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、切羽面における温度分布情報と近赤外線強度分布情報とに基づいて、切羽面における湧水の状態を評価する評価システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１０１７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された評価システムによれば、切羽面における湧水発生エリアの場所や面積を特定することが可能である。一方で、特許文献１に記載された評価システムでは、切羽面における湧水量については特定されないことから、湧水量については依然として作業員が目視によって推定している。しかしながら、このような作業員の主観による評価は、個人差が生じやすいことから、切羽面での作業の安全性を検討するための指標として適しているとはいえない。

【0005】

本発明は、地盤から湧出する湧水量を定量的に評価することが可能な方法及びシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、地盤から湧出する湧水量を評価する地盤湧水評価方法であって、所定の波長帯域の光が照射された評価対象となる地盤から反射された反射光の６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも２つ以上の異なる波長の画像を取得するステップと、少なくとも２つ以上の異なる波長の画像中の信号レベルに基づいて、湧水量と相関性を有する湧水量指標値を演算するステップと、を含む。

【0007】

また、本発明は、地盤から湧出する湧水量を評価する地盤湧水評価システムであって、評価対象となる地盤に所定の波長帯域の光を照射する光源と、地盤で反射された反射光を撮像可能な撮像装置と、撮像装置により撮像された６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長の画像中の信号レベルに基づいて湧水量を求める演算装置と、を備え、演算装置は、少なくとも２つ以上の異なる波長の画像中の信号レベルに基づいて、湧水量と相関性を有する湧水量指標値を演算する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、地盤から湧出する湧水量を定量的に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る地盤湧水評価方法の評価対象となる地盤の一例を示す概略図である。

【図2】本発明の実施形態に係る地盤湧水評価システムのブロック図である。

【図3】地盤から湧出する湧水の一例を示す図である。

【図4】図３のＡ－Ａ線に沿う湧水の断面を示す断面図である。

【図5】吸光特性を測定する方法について説明するための図である。

【図6】吸光率の差異について説明するためのグラフである。

【図7】本発明の実施形態に係る地盤湧水評価方法の第１実施例において行われる処理手順を示したフローチャートである。

【図8】湧水量指標値の演算過程について説明するためのグラフである。

【図9】湧水量指標値を画像化した一例を示す図である。

【図10】湧水量指標値と湧水厚さの相関性について説明するためのグラフである。

【図11】本発明の実施形態に係る地盤湧水評価方法の第２実施例において行われる処理手順を示したフローチャートである。

【図12】湧水量指標値の演算過程について説明するための図である。

【図13】湧水量指標値を画像化した一例を示す図である。

【図14】湧水量指標値と湧水厚さの相関性について説明するためのグラフである。

【図15】湧水量指標値と湧水厚さの相関性について説明するための別のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る地盤湧水評価システム１００及び地盤湧水評価方法について説明する。

【0011】

本発明の実施形態に係る地盤湧水評価システム１００は、地盤から湧出する湧水量を定量的に評価するシステムであり、例えば、図１に示されるように、ＮＡＴＭ工法によってトンネル１を構築する際に掘削面となる切羽２（地盤）において湧出する湧水量を評価するものである。

【0012】

以下では、地盤湧水評価システム１００が、図１に示されるような切羽２（地盤）において湧出する湧水量を評価するために用いられる場合について説明する。なお、地盤湧水評価システム１００の評価対象となる地盤は、切羽２のような岩盤に限定されず、掘削によって露出した地盤であればよく、例えば、トンネル１内の切羽２以外の掘削面であってもよいし、切土法面であってもよい。

【0013】

山岳トンネル等の施工に主に用いられるＮＡＴＭ工法では、発破工程、ズリ出し工程、一次コンクリート吹付工程、支保工建込工程及び二次コンクリート吹付工程を１～３ｍごとに繰り返すことにより、図１に示されるようなトンネル１が構築される。

【0014】

支保工建込工程以後の工程では、切羽２の近傍において作業員が作業を行うことがあることから、作業の安全性を高めるために、例えば、湧水量が比較的多く、剥落するおそれがある切羽２に対して予めコンクリート材料を吹付けたりボルトを打込んだりすることにより、切羽２を安定させている。

【0015】

このように切羽２に対してコンクリート材料を吹付けたりボルトを打ち込んだりするにあたって、切羽２において湧出する湧水量を評価する必要があるが、この評価は、例えば、作業員が目視によって推定したり、側溝に集められた湧水の流量を計測したりすることによって行われる。しかしながら、作業員の主観による評価は、作業員の熟練度が高い場合であっても個人差が生じやすいことから、切羽２全体への剥落対策等を検討するための指標として適しているとは言えず、また、湧水の流量を実測するといった切羽２近傍での作業は危険を伴うため避けることが望まれる。

【0016】

そこで本実施形態では、以下に示す地盤湧水評価システム１００により、切羽２（地盤）において湧出する湧水量の評価を定量的に行うことを可能としている。

【0017】

地盤湧水評価システム１００は、図１及び図２に示すように、評価対象となる切羽２（地盤）に所定の波長帯域の光を照射する光源２４と、切羽２で反射された反射光を撮像可能な撮像装置２０と、撮像装置２０により撮像された画像中の信号レベルに基づいて湧水量を求める演算装置１０と、を備える。

【0018】

撮像装置２０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）といったイメージセンサが内蔵された一般的なデジタルカメラであり、光学フィルタを切り替えることによって、１１００ｎｍ以下の近赤外線領域及び可視光線領域の任意の波長の光を受けたイメージセンサの出力強度である信号レベルを画像化及びデータ化することが可能なデジタル画像化装置である。撮像装置２０は、評価対象となる切羽２（地盤）から５ｍ以上離れた位置からであっても所定の波長を画像化することが可能であるが、受光精度を向上させるためにはできるだけ切羽２の近くに設置した方がよい。一方で安全性の観点からは、切羽２から離れた位置に設置することが望まれることから、撮像装置２０は、例えば、３ｍ以上離れた位置に設置される。

【0019】

撮像装置２０は、有線又は無線で演算装置１０に接続されており、撮像装置２０によって撮像された切羽２の画像は、演算装置１０の後述の画像処理部１１へと送られる。なお、撮像装置２０は、撮像する波長を切り換えることが可能な１台のカメラで構成されていてもよいし、特定の波長の画像を撮像することに特化した複数台の単波長カメラにより構成されていてもよい。また、撮像装置２０に内蔵されるイメージセンサは、ＣＣＤやＣＭＯＳに限定されるものではない。

【0020】

光源２４は、１１００ｎｍ以下の波長帯域の光を含む光を評価対象となる切羽２（地盤）に向けて照射可能なハロゲンランプであり、撮像装置２０とともに、評価対象となる切羽２（地盤）から３～５ｍ以上離れた位置に設置される。なお、光源２４は、ハロゲンランプに限定されず、１１００ｎｍ以下の波長帯域の光を含む光を照射可能な照明装置であればどのような形式のものであってもよい。また、光源２４は、評価対象となる切羽２全体に光を照射するために、複数配備されることが好ましい。

【0021】

演算装置１０は、撮像装置２０によって撮像された画像に対して正規化等の処理を行う画像処理部１１と、処理された画像に基づいて後述の湧水量指標値等を演算する演算部１２と、演算部１２の演算結果に基づいて切羽２（地盤）において湧出する湧水量を評価する評価部１３と、演算部１２及び評価部１３で用いられる演算式や判定基準等が記憶されるとともに演算結果や評価結果が記憶される記憶部１４と、を有する。

【0022】

演算装置１０は、具体的には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは演算装置１０に接続された撮像装置２０や表示部３０との情報の入出力に使用される。ＲＡＭ及びＲＯＭは記憶部１４に相当する。なお、画像処理部１１、演算部１２及び評価部１３は、演算装置１０の各機能を、仮想的なユニットとして示したものであり、物理的に存在することを意味するものではない。

【0023】

表示部３０は、演算装置１０の演算部１２で演算された演算結果や評価部１３で評価された評価結果、撮像装置２０で撮像された画像等を表示可能なディスプレイ装置である。なお、表示部３０は、演算装置１０や撮像装置２０に対する種々指令を入力可能な入力部を備えていてもよい。

【0024】

続いて、評価対象となる切羽２（地盤）において湧出する湧水について、図３及び図４を参照して説明する。図３には、切羽２の１箇所の湧水点Ｓから湧出した湧水が下方へと流れ落ちる状態が示されており、図４には、図３のＡ－Ａ線に沿う断面、すなわち、流れ落ちる湧水の断面が示されている。なお、実際には、評価対象となる切羽２（地盤）の表面には凹凸があり、また、湧水は、亀裂部等の複数箇所から湧出する傾向があるが、説明上、簡素化して示している。

【0025】

図３に示されるように、一般的に切羽２において湧水点Ｓから湧出した湧水は、水平方向に広がりながら切羽２に沿って鉛直方向下方に向かって流れる。そして、図４に示されるように、流れ落ちる湧水の厚さｔは、水平方向において異なっている。

【0026】

また、一般的に、壁面に沿う流体の平均流速は、流体の厚さに応じて変化することから、流れ落ちる湧水の平均流速も、湧水の厚さｔに応じて変化すると考えられる。

【0027】

したがって、予め湧水の厚さｔに応じた湧水の平均流速を実験的に求めておき、切羽２に沿って流れる湧水の厚さｔと、湧水の水平方向における長さとが判明すれば、例えば、図３のＡ－Ａ線に沿う断面、すなわち、水平方向に沿う１つの断面を流れる湧水の流量を算出することが可能である。

【0028】

ここで、水分の有無や水分量を検出する方法として、近赤外領域の光が水により吸収される特性を利用した方法が知られているが、公知の方法では、水による吸光特性が顕著に表れる２０００ｎｍ付近の波長を利用することが一般的である。しかしながら、２０００ｎｍ付近の波長を検出可能なセンサ、特に画像化可能なセンサは比較的高価である。

【0029】

一方で、比較的安価なＣＣＤやＣＭＯＳといったイメージセンサにより画像化することが可能な１１００ｎｍ以下の波長の光においても、水による吸光特性は、波長の長さに応じて異なる。

【0030】

例えば、図５に示されるように、容器Ｃ内に入れられた水に対して、上述の光源２４から光を照射し、反射された反射光を上述の撮像装置２０によって撮像すると、図６のグラフに示されるように、容器Ｃ内に入れられた水の厚さｔに応じて、約７００～１０００ｎｍの波長の画像中の信号レベルが波長毎に変わることがわかる。特に、５０～１００ｎｍ程度の差がある任意の２つの波長間では、水の厚さｔに対する信号レベルの低下の度合、すなわち、水に吸収される吸光率に違いがあることが明らかである。なお、図６に示されるグラフの横軸は、撮像装置２０によって画像化された波長であり、縦軸は、容器Ｃ内に水がないときを基準とした信号レベルの比率である。

【0031】

そこで、本実施形態では、このような水の吸光特性の差異を利用し、６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも２つ以上の異なる波長を画像化することで得られた信号レベルに基づいて、湧水の厚さｔを求め、最終的に湧水量を評価している。

【0032】

次に、図７～図１０を参照し、上述の地盤湧水評価システム１００を用いて行われる地盤湧水評価方法の第１実施例について説明する。図７は、地盤湧水評価方法の第１実施例において行われる処理手順を示したフローチャートであり、図８は、湧水量指標値の演算過程について説明するための三次元グラフであり、図９は、湧水量指標値を画像化した一例であり、図１０は、湧水量指標値と湧水厚さの相関性について説明するためのグラフである。

【0033】

まず、ステップＳ１０において、撮像装置２０により評価対象となる切羽２（地盤）の画像が撮像される。

【0034】

切羽２には、１１００ｎｍ以下の波長帯域の光を含む光が光源２４から照射されており、撮像装置２０により６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の３つの異なる波長の画像が取得される。

【0035】

具体的には、ステップＳ１０では、第１波長λ１（例えば、７５０ｎｍ）の画像Ｐ１と、第１波長λ１よりも１００ｎｍだけ波長が長い第２波長λ２（例えば、８５０ｎｍ）の画像Ｐ２と、第２波長λ２よりも１００ｎｍだけ波長が長い第３波長λ３（例えば、９５０ｎｍ）の画像Ｐ３と、の３つの画像データが取得される。なお、各波長の差分は１００ｎｍに限定されず、５０ｎｍ程度であってもよいが、水の吸光特性の差を十分に利用するには、１００ｎｍ程度の差を設けることが好ましい。また、３つの異なる波長のうち、最も波長が長い第３波長λ３は、水に吸収される吸光率（図６参照）が比較的高い９００ｎｍ以上とすることが好ましい。

【0036】

続く、ステップＳ１１において、３つの画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の正規化が行われる。

【0037】

各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各画素は、光を受けたイメージセンサの出力強度である信号レベルをそれぞれ画素値として有しているが、これらは絶対値であることから、各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の信号レベルを単純に比較することは困難である。そこで、各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の信号レベルを相対的な値とするために、ステップＳ１１では、画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３毎に、信号レベルが最も高い画素の正規化後の画素値が１となり、信号レベルが最も低い画素の正規化後の画素値が０となるよう、画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３内の全ての画素における信号レベルを０から１の範囲の値に変換している。

【0038】

正規化が完了すると、ステップＳ１２に進み、正規化された３つの画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各画素における信号レベルを１つのベクトルとして扱い、合成ベクトルを生成する。

【0039】

具体的には、各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の同じ座標位置における画素の信号レベルを抽出し、図８に示されるように、Ｘ軸の値を第１波長λ１の信号レベルとし、Ｙ軸の値を第２波長λ２の信号レベルとし、Ｚ軸の値を第３波長λ３の信号レベルとした合成ベクトルを、ＳＡＭ（Spectral Angle Mapper）を用いて生成する。なお、合成ベクトルは、画素の数だけ生成される。

【0040】

続いて、ステップＳ１３において、合成ベクトルと比較される基準ベクトルが設定される。

【0041】

基準ベクトルは、評価対象となる切羽２（地盤）において湧水が無いと推定される箇所の信号レベルを合成した合成ベクトルであり、ステップＳ１２で生成された合成ベクトルの中から選定される。

【0042】

具体的には、湧水が無い箇所では、何れの波長も吸光されず、ステップＳ１１における正規化において、値が１ないし１に最も近い値になると考えられることから、ステップＳ１２で生成された合成ベクトルのうち、ベクトルの大きさが最大のものが、基準ベクトルとして選定される。

【0043】

なお、基準ベクトルの選定方法はこれに限定されず、撮像装置２０により撮像された画像中において湧水が無いと推定される箇所の画素を抽出し、当該画素における各波長λ１，λ２，λ３の信号レベルから合成された合成ベクトルを基準ベクトルとしてもよい。また、基準ベクトルは合成ベクトルから選定することなく、各波長λ１，λ２，λ３の信号レベルが１であるベクトルを基準ベクトルとして設定してもよい。

【0044】

次に、ステップＳ１４において、各合成ベクトル及び基準ベクトルに基づいて湧水量指標値が演算される。

【0045】

具体的には、合成ベクトルと基準ベクトルとが成す角度θから算出された余弦値が湧水量指標値として演算される。なお、湧水量指標値は、合成ベクトルと同様に、画素の数だけ演算される。

【0046】

ここで、湧水がほとんど無く、湧水の厚さｔが薄い場合には、各波長λ１，λ２，λ３の何れの波長もほとんど吸収されないことから、合成ベクトルと基準ベクトルとが成す角度θは小さくなり、湧水量指標値として演算される角度θから算出された余弦値は、１に近い値となる。

【0047】

一方、湧水の厚さｔが厚い場合には、各波長λ１，λ２，λ３は、それぞれ異なる比率で吸光されることから、合成ベクトルと基準ベクトルとが成す角度θは比較的大きくなり、湧水量指標値として演算される角度θから算出された余弦値は、０に近付くことになる。

【0048】

このように、合成ベクトルと基準ベクトルとが成す角度θから算出された余弦値は、湧水量と相関性のある湧水の厚さｔの度合を示す指標値となっている。なお、吸光特性は３つの波長λ１，λ２，λ３でそれぞれ異なることから（図６参照）、湧水の厚さｔが比較的厚い場合に、合成ベクトルの方向が基準ベクトルの方向と一致することはない。

【0049】

このようにして演算された湧水量指標値（ｃｏｓθ）を、例えば、図３の矢印Ｂで示される領域について画像化すると、図９に示されるように、湧水の厚さｔが比較的厚い部分は、湧水量指標値が小さい領域として示され、湧水の厚さｔが薄くなるにつれて、湧水量指標値は次第に大きい値（１に近い値）となることが示される。したがって、ステップＳ１４で演算された湧水量指標値を画像化することにより、湧水が湧出する湧水点Ｓの位置や切羽２での湧水の広がり具合を把握することが可能である。

【0050】

続くステップＳ１５では、湧水量指標値から湧水の厚さｔが算出される。

【0051】

湧水の厚さｔを算出するにあたって、図１０に示される湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係が予め求められる。

【0052】

湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係は、例えば、図５に示される試験装置を用いて、水の厚さｔをゼロから徐々に増加させたときの各波長λ１，λ２，λ３の信号レベルの変化を求めて、ステップＳ１４と同様にして湧水量指標値に相当する値を演算することにより予め求められる。なお、ステップＳ１０で取得される３つの画像の波長λ１，λ２，λ３は、図１０に示される湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係を求める際に用いられる波長λ１，λ２，λ３と同じ波長である。

【0053】

湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係から湧水の厚さｔが求められると、続くステップＳ１６において、湧水量が算出される。

【0054】

単位時間当たりの流量である湧水量は、ステップＳ１５で求められた画素毎の湧水の厚さｔに対して、各画素の水平方向における長さを切羽２における長さに換算した実際の長さと、切羽２に沿って流れる湧水の平均流速と、を乗じることによって求められ、さらに、求められた湧水量を水平方向において積算することにより、例えば、図３のＡ－Ａ線に沿う断面を流れる湧水量が算出される。なお、切羽２に沿って流れる湧水の平均流速は、湧水の厚さｔに応じて異なることから、湧水の厚さｔに応じた湧水の平均流速が実験的に予め求められ、マップ化ないしテーブル化される。

【0055】

このように湧水量が算出されると、続くステップＳ１７において、予め設定された基準湧水量に対する算出された湧水量の評価値が求められる。

【0056】

以上のような演算過程を経て求められた湧水量の評価結果は、撮像装置２０よって撮像された画像や演算過程における画像データとともに表示部３０に表示される。

【0057】

これにより地盤湧水評価システム１００を用いて行われる地盤湧水評価方法が完了し、作業員は、表示部３０に表示された内容を見ることによって、定量的に評価された切羽２（地盤）全体の湧水状態を把握することができる。そして、定量的に求められた湧水量の評価値は、切羽２全体への剥落対策等を検討するための指標として用いられる。なお、表示部３０に表示される内容は、作業員が携帯する端末等に表示されてもよい。

【0058】

以上のように、地盤湧水評価方法の第１実施例によれば、３つの異なる波長λ１，λ２，λ３の画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３中の信号レベルから、切羽２（地盤）の表面を流れる湧水量と相関性を有する湧水量指標値（余弦値）を求めることが可能であり、結果として、切羽２（地盤）から湧出する湧水量を定量的に評価することができる。

【0059】

なお、上記第１実施例では、合成ベクトルは、３つの異なる波長λ１，λ２，λ３の信号レベルから三次元的に合成されているが、合成ベクトルは、２つの異なる波長λ１，λ２の信号レベルから二次元的に合成されたものであってもよい。この場合も合成ベクトルと基準ベクトルとが成す角度θから算出された余弦値が湧水量指標値として演算される。なお、湧水量の推定精度を向上させるためには、３つの異なる波長λ１，λ２，λ３の信号レベルから合成ベクトルを合成することが好ましい。

【0060】

また、上記第１実施例では、合成ベクトルは、各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の画素の数だけ生成されているが、合成ベクトルは、各画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３内の所定の範囲内にある画素においてのみ生成されてもよい。例えば、評価対象となる切羽２（地盤）に、光源２４からの光が十分に届いていない領域がある場合には、光源２４からの光が十分に届いている範囲内を評価対象とし、この範囲内を撮像した画素においてのみ合成ベクトルを生成するようにしてもよい。

【0061】

続いて、図１１～図１４を参照し、上述の地盤湧水評価システム１００を用いて行われる地盤湧水評価方法の第２実施例について説明する。図１１は、地盤湧水評価方法の第２実施例において行われる処理手順を示したフローチャートであり、図１２は、湧水量指標値の演算過程について説明するための図であり、図１３は、湧水量指標値を画像化した一例であり、図１４は、湧水量指標値と湧水厚さの相関性について説明するためのグラフである。

【0062】

まず、ステップＳ２０において、撮像装置２０により評価対象となる切羽２（地盤）の画像が撮像される。

【0063】

切羽２には、１１００ｎｍ以下の波長帯域の光を含む光が光源２４から照射されており、撮像装置２０により６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の２つの異なる波長の画像が取得される。

【0064】

具体的には、ステップＳ２０では、第１波長λ１（例えば、７５０ｎｍ）の画像Ｐ１と、第１波長λ１よりも２００ｎｍだけ波長が長い第２波長λ２（例えば、９５０ｎｍ）の画像Ｐ２と、の２つの画像データが取得される。なお、波長の差分は２００ｎｍに限定されず、１００ｎｍ程度であってもよいが、水の吸光特性の差を十分に利用するには、２００ｎｍ程度の差を設けることが好ましい。また、２つの異なる波長のうち、波長が長い第２波長λ２は、水に吸収される吸光率（図６参照）が比較的高い９００ｎｍ以上とする一方、波長が短い第１波長λ１は、水に吸収される吸光率（図６参照）が比較的低い８００ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0065】

続く、ステップＳ２１において、２つの画像Ｐ１，Ｐ２の正規化が行われる。

【0066】

２つの画像Ｐ１，Ｐ２の各画素は、光を受けたイメージセンサの出力強度である信号レベルをそれぞれ画素値として有しているが、これらは絶対値であることから、各画像Ｐ１，Ｐ２の信号レベルを単純に比較することは困難である。そこで、各画像Ｐ１，Ｐ２の信号レベルを相対的な値とするために、ステップＳ２１では、画像Ｐ１，Ｐ２毎に、信号レベルが最も高い画素の正規化後の画素値が１となり、信号レベルが最も低い画素の正規化後の画素値が０となるよう、画像Ｐ１，Ｐ２内の全ての画素における信号レベルを０から１の範囲の値に変換している。

【0067】

正規化が完了すると、ステップＳ２２に進み、正規化された２つの画像Ｐ１，Ｐ２の各画素における信号レベルの差分を算出する。

【0068】

具体的には、例えば図１２に示されるように、第１波長λ１の画像Ｐ１の正規化後の信号レベルの値ｎから第２波長λ２の画像Ｐ２の正規化後の信号レベルの値ｍを差し引くことによって、各画像Ｐ１，Ｐ２の同じ座標位置における画素の信号レベルの差分が湧水量指標値として算出される。なお、信号レベルの差分は、画素の数だけ算出される。

【0069】

ここで、湧水がほとんど無く、湧水の厚さｔが薄い場合には、各波長λ１，λ２の何れの波長もほとんど吸収されないことから、湧水量指標値として算出される信号レベルの差分は、０に近い値となる。

【0070】

一方、湧水の厚さｔが厚い場合には、各波長λ１，λ２は、それぞれ異なる比率で吸光され、湧水の厚さｔが厚くなるほど吸光される比率の差が大きくなることから（図６参照）、湧水量指標値として算出される信号レベルの差分は、湧水の厚さｔに応じて０よりも大きな値となる。

【0071】

このように、２つの異なる波長λ１，λ２の画像Ｐ１，Ｐ２から求められた信号レベルの差分は、湧水量と相関性のある湧水の厚さｔの度合を示す指標値となっている。なお、吸光特性は２つの波長λ１，λ２でそれぞれ異なっており、特に、第１波長λ１は吸光率が比較的低く、第２波長λ２は吸光率が比較的高いことから、湧水の厚さｔが厚くなるにつれて、差分は０に近付くことなく、徐々に大きくなる。

【0072】

このようにして演算された湧水量指標値（信号レベルの差分）を、例えば、図３の矢印Ｂで示される領域について画像化すると、図１３に示されるように、湧水の厚さｔが比較的厚い部分は、湧水量指標値が大きい領域として示され、湧水の厚さｔが薄くなるにつれて、湧水量指標値は次第に小さい値（０に近い値）となることが示される。したがって、ステップＳ２２で演算された湧水量指標値を画像化することにより、湧水が湧出する湧水点Ｓの位置や切羽２での湧水の広がり具合を把握することが可能である。

【0073】

続くステップＳ２３では、湧水量指標値から湧水の厚さｔが算出される。

【0074】

湧水の厚さｔを算出するにあたって、図１４に示される湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係が予め求められる。

【0075】

湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係は、例えば、図５に示される試験装置を用いて、水の厚さｔをゼロから徐々に増加させたときの各波長λ１，λ２の信号レベルの変化を求めて、ステップＳ２２と同様にして湧水量指標値に相当する値を演算することにより予め求められる。なお、ステップＳ２０で取得される２つの画像の波長λ１，λ２は、図１４に示される湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係を求める際に用いられる波長λ１，λ２と同じ波長である。

【0076】

湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係から湧水の厚さｔが求められると、続くステップＳ２４において、湧水量が算出される。

【0077】

単位時間当たりの流量である湧水量は、ステップＳ２３で求められた画素毎の湧水の厚さｔに対して、各画素の水平方向における長さを切羽２における長さに換算した実際の長さと、切羽２に沿って流れる湧水の平均流速と、を乗じることによって求められ、さらに、求められた湧水量を水平方向において積算することにより、例えば、図３のＡ－Ａ線に沿う断面を流れる湧水量が算出される。なお、切羽２に沿って流れる湧水の平均流速は、湧水の厚さｔに応じて異なることから、湧水の厚さｔに応じた湧水の平均流速が実験的に予め求められ、マップ化ないしテーブル化される。

【0078】

このように湧水量が算出されると、続くステップＳ２５において、予め設定された基準湧水量に対する算出された湧水量の評価値が求められる。

【0079】

以上のような演算過程を経て求められた湧水量の評価結果は、撮像装置２０よって撮像された画像や演算過程における画像データとともに表示部３０に表示される。

【0080】

これにより地盤湧水評価システム１００を用いて行われる地盤湧水評価方法が完了し、作業員は、表示部３０に表示された内容を見ることによって、定量的に評価された切羽２（地盤）全体の湧水状態を把握することができる。そして、定量的に求められた湧水量の評価値は、切羽２全体への剥落対策等を検討するための指標として用いられる。なお、表示部３０に表示される内容は、作業員が携帯する端末等に表示されてもよい。

【0081】

以上のように、地盤湧水評価方法の第２実施例によれば、２つの異なる波長λ１，λ２の画像Ｐ１，Ｐ２中の信号レベルから、切羽２（地盤）の表面を流れる湧水量と相関性を有する湧水量指標値（信号レベルの差分）を求めることが可能であり、結果として、切羽２（地盤）から湧出する湧水量を定量的に評価することができる。

【0082】

なお、上記第２実施例では、信号レベルの差分が湧水量指標値として演算されているが、信号レベルの差分を２つの異なる波長λ１，λ２の波長差（λ２－λ１）によって除した値が湧水量指標値として演算されてもよい。

【0083】

信号レベルの差分を湧水量指標値とする場合は、２つの画像Ｐ１，Ｐ２の波長λ１，λ２が、湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係を予め求める際に用いられた２つの波長λ１，λ２と同じ大きさである必要があり、撮像装置２０は所定の２つの波長λ１，λ２の画像を撮像するよう制限されることになる。

【0084】

一方、信号レベルの差分を波長差（λ２－λ１）で除した値を湧水量指標値とする場合、図１５に示される湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係は、例えば、図５に示される試験装置を用いて、水の厚さｔをゼロから徐々に増加させたときの任意の２つの波長λｎ，λｍの信号レベルの変化を求め、求められた信号レベルの差分を任意の２つの波長の波長差（λｍ－λｎ）で除することにより求められる。なお、図１５は、図１４と同様に、湧水量指標値と湧水厚さとの相関性を示すグラフである。

【0085】

つまり、この場合は、２つの画像Ｐ１，Ｐ２の波長λ１，λ２を、湧水量指標値と湧水の厚さｔとの相関関係（図１５参照）を予め求める際に用いられた２つの波長λｎ，λｍと一致させる必要がないことから、画像Ｐ１，Ｐ２を撮像する際の波長λ１，λ２は、撮像装置２０において撮像可能な波長に設定することが可能である。

【0086】

また、上記第２実施例では、信号レベルの差分は、各画像Ｐ１，Ｐ２の画素の数だけ算出されているが、信号レベルの差分は、各画像Ｐ１，Ｐ２内の所定の範囲内にある画素においてのみ算出されてもよい。例えば、評価対象となる切羽２（地盤）に、光源２４からの光が十分に届いていない領域がある場合には、光源２４からの光が十分に届いている範囲内を評価対象とし、この範囲内を撮像した画素においてのみ信号レベルの差分を算出するようにしてもよい。

【0087】

以上の実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

【0088】

上述の地盤湧水評価システム１００及び地盤湧水評価方法によれば、６５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも２つ以上の異なる波長の画像中の信号レベルに基づいて、切羽２（地盤）の表面を流れる湧水量と相関性を有する湧水量指標値が演算される。このように湧水量と相関性を有する湧水量指標値が演算されることで、切羽２（地盤）から湧出する湧水量を定量的に評価することができる。

【0089】

また、湧水量指標値の演算に用いられる画像は、１１００ｎｍ以下の波長の画像であることから、撮像装置２０としては、比較的安価なイメージセンサを備えたデジタルカメラを採用することが可能である。このため、地盤湧水評価システム１００の構築コスト及び運用コストを低減させることができる。

【0090】

なお、次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す方法や構成と上述の実施形態で説明した方法や構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する方法や構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

【0091】

上記実施形態の第１実施例及び第２実施例では、湧水量指標値を演算する前に、画像中の各画素における信号レベルが正規化されている。これに代えて、湧水量指標値を演算する際に用いられる各画像の信号レベルのレベルが同等であること、例えば、互いの最大値が所定の範囲内にあり、互いの最小値が所定の範囲内にあることが予め確認されている場合には、正規化を行うことなく湧水量指標値を演算するようにしてもよい。

【0092】

また、上記実施形態では、画像が撮像された時点のみでの湧水量が評価されている。これに代えて、所定時間毎に画像を撮像して湧水量を評価するようにしてもよい。このように湧水量の経時的な変化を評価することにより、湧水が地下水に起因するものであるのか、一時的な降雨に起因するものであるのか等を判定することが可能である。

【0093】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0094】

１００・・・地盤湧水評価システム
２・・・切羽（地盤）
１０・・・演算装置
２０・・・撮像装置
２４・・・光源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】