特許 7530597 測量システム及び河川測量方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】測量システム及び河川測量方法

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/24 20060101AFI20240801BHJP

   G01P 5/18 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

G01P5/24 A

G01P5/18 F

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2024063518

(22)【出願日】2024-04-10

【審査請求日】2024-04-19

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】593201615

【氏名又は名称】公益財団法人河川財団

(73)【特許権者】

【識別番号】715001390

【氏名又は名称】株式会社プロドローン

(73)【特許権者】

【識別番号】593152122

【氏名又は名称】株式会社ニュージェック

(74)【代理人】

【識別番号】110002158

【氏名又は名称】弁理士法人上野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒沼 尚史

【審査官】藤澤 和浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３２１３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１６０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１２３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－００４６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０００３５３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１４８７４３９（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２１１３６２５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｐ ５／００ ～ ５／２６

Ｇ０１Ｆ １／００ ～ １／９０

Ｇ０１Ｃ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水面上を移動可能な移動体と、
前記移動体の下方の流速を計測する第１計測手段と、
前記移動体周辺の水面流速を計測する第２計測手段と、
前記移動体の移動速度を計測する第３計測手段と、を備える、
測量システム。

【請求項2】

前記第１計測手段は、前記移動体に搭載された超音波ドップラー流速計を含む、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項3】

前記第２計測手段は、前記移動体に搭載され、該移動体周辺の水面を撮影する撮影手段を含む、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項4】

前記第２計測手段は、前記移動体の進行方向を前方としたときに、少なくとも該移動体の左右方向を含む範囲を撮影する、一又は複数台の前記撮影手段を含む、
請求項３に記載の測量システム。

【請求項5】

前記移動体は、該移動体との相対位置が固定された被写体である標定部を有し、
前記標定部は、前記撮影手段で撮影された画像に映り込む位置に配置されている、
請求項３に記載の測量システム。

【請求項6】

解析手段をさらに備え、該解析手段は、
前記第１計測手段で取得した流速、及び前記第２計測手段で取得した流速に、前記第３計測手段で取得した前記移動体の移動速度を加味して、実際の流速を算出する、
請求項３に記載の測量システム。

【請求項7】

解析手段をさらに備え、
前記第２計測手段により取得した前記移動体周辺の水面流速から、その水域の深さ方向における流速分布の平均値を求める校正係数を表面流速係数というときに、
前記解析手段は、前記第１計測手段により取得した前記移動体の下方の流速に基づき、前記表面流速係数を変更する、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項8】

前記移動体は、水中の地形データを取得するスキャナー装置をさらに備え、
前記解析手段は、前記第１計測手段により取得した前記移動体の下方の流速と、前記スキャナー装置により取得した水中の地形データと、に基づき、前記表面流速係数を変更する、
請求項７に記載の測量システム。

【請求項9】

前記移動体は無人航空機である、
請求項１に記載の測量システム。

【請求項10】

前記第２計測手段は、前記移動体に搭載され、該移動体周辺の水面を撮影する撮影手段を含み、
前記移動体は、浮遊物が所定の距離まで機体に接近したことが撮影されたときに、自動的に離水してその浮遊物を回避する、衝突回避手段を備える、
請求項９に記載の測量システム。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれかに記載の移動体を、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含む、
河川測量方法。

【請求項12】

複数の前記移動体を、河川の川幅方向における位置をずらして配置し、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含む、
請求項１１に記載の河川測量方法。

【請求項13】

前記移動体は無人航空機であり、
前記移動体が前記河川を所定の位置まで下ったときに、自動的に離水および飛行して、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水する工程を含む、
請求項１１に記載の河川測量方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、河川等の流速分布や流量の計測技術に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、水面を撮影するカメラとドップラー流速計が搭載された船舶の現在位置を、その上空を飛行する飛行船により特定する位置測定システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３００７００

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

地球温暖化による水害の激甚化や、防災に関する法制度の強化に伴い、これに劣後しない新たな治水システム・河川管理手法が求められている。一方、管理の対象である河川は、それぞれが地理的・空間的な個性を有するとともに、洪水により刻々と状態が変化するという予測困難性を有している。河川が将来にわたってその備えるべき安全性を維持し続けるためには、河道変化や、構造物等が破壊されるメカニズム等を解明し、降雨や洪水の水理的影響を定量的に予測できるようにする必要がある。とりわけ、平水時・洪水時の河川流量やその変化を把握することは河川を管理する上で重要である。しかし、洪水時の河川の縦横断面の流速分布やその流量を長距離にわたって実測可能な方法は存在せず、実験で得られた理論値や経験則に基づいてこれらを見積もっているのが現状である。

【0005】

このような問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、河川等の水域の縦横断面の流速分布やその流量をより実態に即して計測可能とすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明の測量システムは、水面上を移動可能な移動体と、前記移動体の下方の流速を計測する第１計測手段と、前記移動体周辺の水面流速を計測する第２計測手段と、前記移動体の移動速度を計測する第３計測手段と、を備えることを要旨とする。

【0007】

移動体下方の流速とその周辺の水面流速を取得することにより、移動体周辺の水域の流速分布を実測値に基づいて見積もることが可能となる。また、移動体自体の移動速度も併せて取得することで、移動体を水面上で移動させながら、より広範な水域の流速分布を連続的に取得することが可能となる。

【0008】

このとき、前記第１計測手段は、前記移動体に搭載された超音波ドップラー流速計を含むことが好ましい。超音波ドップラー流速計（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）は、水中に音波を発し、水流とともに移動する散乱体（懸濁物質等）のドップラーシフトを計測することにより流速を取得する装置である。移動体下方の流速を超音波ドップラー流速計により多層的に取得することで、移動体周辺の流速分布をより正確に算出することが可能となる。尚、超音波ドップラー流速計は水底のドップラーシフトを計測することで、移動体自体の移動速度も計測できる。つまり超音波ドップラー流速計は第３計測手段として利用することもできる。

【0009】

また、本発明の測量システムにおいて、前記第２計測手段は、前記移動体に搭載され、該移動体周辺の水面を撮影する撮影手段を含んでもよい。移動体自体が撮影手段を備えることにより、例えば測量対象の水域の周りに予め固定カメラを設置したり、カメラを搭載したドローンで別途上空から水面を撮影したりすることなく、より簡便に測量を行うことが可能となる。

【0010】

このとき、前記第２計測手段は、前記移動体の進行方向を前方としたときに、少なくとも該移動体の左右方向を含む範囲を撮影する、一又は複数台の前記撮影手段を含むことが好ましい。これにより、その水域の縦横断面の流速分布を、移動体の移動方向（「縦」方向）に沿って連続的に計測することが可能となる。

【0011】

またこのとき、前記移動体は、該移動体との相対位置が固定された被写体である標定部を有し、前記標定部は、前記撮影手段で撮影された画像に映り込む位置に配置されていることが好ましい。例えば時空間画像流速計測（ＳＴＩＶ：Space-Time Image Velocimetry）では、斜め上から撮影された水面画像を真上からみた画像に幾何補正するため、撮影水域の手前側（カメラ側）の岸とその対岸に、実空間における位置座標が既知の標定点が設置される。移動体に固定された標定部、つまり移動体が備える撮影手段の位置に対する相対的な位置座標が既知の標定部を設け、これを撮影手段の画角に含めることで、これをカメラ側の標定点とすることができる。

【0012】

また、本発明の測量システムは、解析手段をさらに備え、該解析手段は、前記第１計測手段で取得した流速、及び前記第２計測手段で取得した流速に、前記第３計測手段で取得した前記移動体の移動速度を加味して、実際の流速を算出することが好ましい。これにより、移動体自体が移動することによる流速の誤差を解消させ、より広範な水域の流速分布を連続的に取得することが可能となる。

【0013】

また、本発明の測量システムは、解析手段をさらに備え、前記第２計測手段により取得した前記移動体周辺の水面流速から、その水域の深さ方向における流速分布の平均値を求める校正係数を表面流速係数というときに、前記解析手段は、前記第１計測手段により取得した前記移動体の下方の流速に基づき、前記表面流速係数を変更することが好ましい。一般に河川の表面流速係数には０．８５という固定値が使用される。しかし、流況や河川形状によっては、この表面流速係数による計算結果が実態から乖離することがある。移動体下方の実測した流速に基づいてこの表面流速係数を調節することで、より実態に即した計算結果を得ることができる。

【0014】

ここで、前記移動体は、水中の地形データを取得するスキャナー装置をさらに備え、前記解析手段は、前記第１計測手段により取得した前記移動体の下方の流速と、前記スキャナー装置により取得した水中の地形データと、に基づき、前記表面流速係数を変更することがより好ましい。測量水域の地形データも同時に取得することで、より正確な計算結果を得ることができる。

【0015】

また、本発明の測量システムは、前記移動体が無人航空機であってもよい。移動体が３次元空間を自在に移動できることで、例えば、危険な水域への移動や着水を人手を介さず安全に行うことができるようになる。また、水面上では迂回・回避することのできない構造物や浮遊物等を、飛行して迂回・回避することができるようになる。

【0016】

このとき、前記第２計測手段は、前記移動体に搭載され、該移動体周辺の水面を撮影する撮影手段を含み、前記移動体は、浮遊物が所定の距離まで機体に接近したことが撮影されたときに、自動的に離水してその浮遊物を回避する、衝突回避手段を備えることが好ましい。例えば洪水時の河川では、流木などとの衝突により移動体が損傷するおそれがある。移動体を無人航空機とし、撮影手段によって機体周辺の浮遊物を監視することで、浮遊物との衝突を自動的に回避することが可能となる。

【0017】

また、上記課題を解決するため、本発明の河川測量方法は、本発明の移動体を河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含むことを要旨とする。これにより、河川の縦横断面の流速分布を、実測値に基づいて連続的に計測することができる。

【0018】

また、本発明の河川測量方法は、複数の前記移動体を、河川の川幅方向における位置をずらして配置し、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含んでもよい。これにより、大規模河川の測量に要する時間を短縮することができる。

【0019】

また、本発明の河川測量方法は、前記移動体が無人航空機であり、前記移動体が前記河川を所定の位置まで下ったときに、自動的に離水および飛行して、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水する工程を含むことが好ましい。これにより、操縦者の立会の必要性や、操縦者に要求される操縦スキルが緩和され、河川の測量をより安全かつ容易に実施することができる。

【発明の効果】

【0020】

このように、本発明の測量システム及び河川測量方法によれば、河川等の水域の縦横断面の流速分布やその流量をより実態に即して計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】マルチコプター１２の斜視図である。

【図2】測量システム１０の全体構成を示すブロック図である。

【図3】ＦＣ／ＢＣ２０が備える自動操縦機能を示すブロック図である。

【図4】測量システム１０により河川の縦横断面の流速分布とその流量を算出する方法を説明する模式図である。

【図5】本形態における水面流速の画像解析手法の具体例を示す模式図である。

【図6】撮影手段の他の例を示す模式図である。

【図7】マルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である。

【図8】複数機のマルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に説明する測量システム１０、及び河川測量方法は、無人航空機であるマルチコプター１２を河川の水流に乗せて流し、機体下方の層別の流速分布、機体周辺の水面流速、及び河道形状を実測し、これらの実測値を基に、河川の縦横断面の流速分布・平均流速と流量とを算出することをその主たる特徴としている。以下、この特徴とこれに付随する他の特徴について実施形態を通して説明する。尚、以下の説明における「測量」とは、流速や、河道形状（地形）、流量、又は水位等を計測することをいい、測量法に定義される「測量」が意味する範囲には限られない。また、以下の説明においては、静止画像だけでなく、「動画」や「映像」、つまり連続した静止画像のことも「画像」という。

【0023】

＜測量システム概要＞
図１はマルチコプター１２の斜視図、図２は測量システム１０の全体構成を示すブロック図である。以下、図１及び図２を参照して測量システム１０の概要について説明する。

【0024】

図１に示すように、本形態のマルチコプター１２は、平面視放射状に延びる６本のアームと、これらの先端に固定されたロータ１２とを備える、いわゆるヘキサコプタである。マルチコプター１２は、その機体を水面に浮かべる一対の浮き舟型のフロート５０を備えており、各フロート５０には、水面上でマルチコプター１２を移動させるための一対のスラスタ４２が固定されている。また、マルチコプター１２の胴体の下には、着水後に機体下方の流速分布を取得する超音波ドップラー流速計であるＡＤＣＰユニット７０と、河道の地形（河道の断面形状）を取得するスキャナー装置であるソナーユニット８０が取り付けられている。また、マルチコプター１２の機外には２基のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）装置であるＧＰＳレシーバ３１（以下、単に「ＧＰＳ３１」という。）が配置されている。

【0025】

図２に示すように、本形態の測量システム１０は、主に、解析装置１１とマルチコプター１２により構成されている。解析装置１１とマルチコプター１２とはインターネットを介して接続されている。また、本形態では測量システム１０のオペレータ端末１９もインターネットを介して各装置に接続されている。

【0026】

（マルチコプター）
本形態のマルチコプター１２は、制御装置であるフライトコントローラ／ボートコントローラ２０（以下「ＦＣ／ＢＣ２０」という。）、ＦＣ／ＢＣ２０に接続されたＧＰＳ３１、ＲＴＫレシーバ３２、ロータ４１、スラスタ４２、及び撮影手段である全方位カメラ６０（以下、単に「カメラ６０」という。）、並びに、ＡＤＣＰユニット７０、ソナーユニット８０、そしてフロート５０により構成されている。本形態のＦＣ／ＢＣ２０は、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）や、気圧センサ、方位センサ（電子コンパス）等を含んでいる。

【0027】

ＦＣ／ＢＣ２０は、後述する種々の自動操縦プログラムや、オペレータ端末１９からの指示に応じてロータ４１及びスラスタ４２を駆動し、マルチコプター１２を飛行・航行させる。本形態の測量システム１０では、マルチコプター１２がスラスタ４２を備えていることにより、マルチコプター１２を用いた河川測量の自由度や柔軟性、安全性が高められている。尚、ここでいう「航行」とは、マルチコプター１２が水面上を移動することを意味している。本形態のマルチコプター１２は、空中を移動するための推力源である６基のロータ４１と、水面上を移動するための推力源である２基のスラスタ４２とを備えており、ＦＣ／ＢＣ２０は、ロータ４１で空中を移動する「飛行モード」と、スラスタ４２により水面上を移動する「航行モード」とを自動で、又はオペレータ端末１９からの指示により切り替えることができる。オペレータは、マルチコプター１２が有視界内にあれば目視で、目視外ではカメラ６０から転送された画像を頼りに、マルチコプター１２を遠隔操縦することができる。

【0028】

ＲＴＫレシーバ３２は、ＧＰＳ３１が取得した経緯度値や高度値の補正情報を取得するＲＴＫ装置である。本形態のＲＴＫレシーバ３２は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）回線を通して、インターネット上のサービスとして提供されている補正情報を取得する。これにより本形態の測量システム１０では、ＲＴＫ基地局（固定局）を測量地点の周囲に都度設置する手間がなく、また、ＲＴＫレシーバ３２と各ＲＴＫ基地局との距離の制約も緩やかとなり、より迅速・簡便かつ広範な測量を実施することができる。尚、ＲＴＫレシーバ３２は、ＬＴＥ回線のほか、５Ｇや３Ｇ、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）など、他の移動体通信網を利用してもよい。また、本形態ではＧＮＳＳ装置としてＧＰＳを採用しているが、これは、例えばGLONASSやGalileo、みちびき（準天頂衛星システム）、又はCOMPASS（北斗衛星測位システム）等の受信器であってもよい。

【0029】

ここで、本形態のＦＣ／ＢＣ２０は、例えばマルチコプター１２が着水した後など、ロータ４１が停止した後も、ＧＰＳ３１とＲＴＫレシーバ３２を作動させ続ける。水面上のマルチコプター１２の移動速度はＧＰＳ３１の経緯度情報から算出することができる。

【0030】

カメラ６０は、マルチコプター１２の機体上方に支持され、機体の側方と上方とを半球形状に撮影する、いわゆる３６０°カメラ・天球カメラである。カメラ６０の撮影画像は解析装置１１やオペレータ端末１９に送信されるとともに、ＦＣ／ＢＣ２０（後述する画像解析プログラム２３１）にも入力される。

【0031】

ＡＤＣＰユニット７０は、水中に音波を発し、水流とともに移動する散乱体（懸濁物質等）のドップラーシフト量を計測することで、水深に応じた各層の流速分布を取得する装置である。ＡＤＣＰユニット７０は独自の電子コンパスやＩＭＵを備えることもある。

【0032】

本形態のＡＤＣＰユニット７０は配向角度の異なる３つ以上の探触子を備えている。ＡＤＣＰユニット７０は、これら探触子の配置角度に基づき三角法を適用することで、探触子で計測された一次元流速を三次元流速に変換する。また、本形態のＡＤＣＰユニット７０は、ＤＶＬ（Doppler Velocity Log）として使用することもできる。すなわち、マルチコプター１２から水底に向けて音波を発し、水底からの反射波のドップラーシフト量から、マルチコプター１２の対地速度を計測することもできる。つまり水面上のマルチコプター１２の移動速度を取得することもできる。

【0033】

ソナーユニット８０は、マルチビーム音響測深装置（いわゆるマルチビームソナー）であり、異なる周波数の音波ビームを水中に扇状に送信し、それらの反射波を受信することで河川の地形データを取得する。

【0034】

ソナーユニット８０は、複数のソナーが配列された送信部、反射波を受信する受信部、専用のＩＭＵ、及び表層音速度計等を備えるユニットである。超音波による計測は、光学カメラやグリーンレーザーに比べて濁度による影響を受けにくく、困難な条件下でもより精度の高い地形データを得ることができる。尚、マルチコプター１２に搭載するスキャナー装置は、マルチコプター１２の着水後に水中の地形データを取得できるものであればよく、ソナーユニット８０には限られない。例えば透明度が高く静止した水域のみを測量するのであれば、光学カメラやレーザーを用いたスキャナー装置であっても地形データは取得できると考えられる。

【0035】

（解析装置）
本形態の解析装置１１は、サーバコンピュータやＰＣ、又は専用のコンピュータ装置である。解析装置１１は１台の装置であってもよく、複数台の装置を組み合わせたものであってもよい。また、オペレータ端末１９の操縦端末に解析装置１１の機能をもたせてもよい。

【0036】

本形態の解析装置１１は、ＡＤＣＰユニット７０からマルチコプター１２下方の流速分布（又はその元となるデータ）を、カメラ６０から機体周辺の水面画像を、ソナーユニット８０から地形データを取得する。また、本形態の解析装置１１は、ＧＰＳ３１の出力情報をＲＴＫレシーバ３２の補正情報で補正した経緯度値・標高値も取得している

【0037】

そして、詳しくは後述するが、解析装置１１は、マルチコプター１２から受信した種々の実測値を基に、マルチコプター１２が移動した流域における縦横断面の流速分布と流量とを算出する。本形態の測量システム１０は、マルチコプター１２やその搭載機器が取得したデータを収集・解析・統合することに特化した構成（解析装置１１）を備えていることにより、測量システム１０の負荷や機能がシステム全体において適切に分散されている。また、解析装置１１には測量結果が蓄積され、蓄積された情報は河川事業者や研究者等と広く共有される。尚、測量システム１０にとって独立した解析装置１１は必須ではなく、解析装置１１が有する機能をマルチコプター１２にもたせてもよい。

【0038】

（自動操縦機能）
図３は、ＦＣ／ＢＣ２０が備える自動操縦機能を示すブロック図である。本形態のマルチコプター１２は、その自動操縦機能として、自律飛行プログラム２１、自律航行プログラム２２、衝突回避プログラム２３、画像解析プログラム２３１、ヘディング制御プログラム２４、及び飛行迂回プログラム２５を備えている。以下、ＦＣ／ＢＣ２０が備える各自動操縦機能について説明する。

【0039】

自律飛行プログラム２１は、事前に用意されたフライトプラン（飛行計画）に沿ってマルチコプター１２を自動的に飛行させる機能である。フライトプランは、地図データ上で指定された離陸（離水）地点、着陸（着水）地点、飛行ルートを構成する一又は複数の経由地点（ウェイポイント）、各ウェイポイントにおける飛行高度、各ウェイポイント間の飛行速度等のパラメータを含むデータである。

【0040】

自律航行プログラム２２は、事前に用意されたクルーズプラン（航行計画）に沿ってマルチコプター１２を水面上で自動的に移動させる機能である。クルーズプランは、地図データ上で指定された始点、終点、航行ルートを構成する一又は複数のウェイポイントを含むデータである。自律航行プログラム２２は、河川の水流に乗って河川を下るマルチコプター１２が、航行ルートに沿って移動するよう、スラスタ４２を自動的に操作する。

【0041】

衝突回避プログラム２３及び画像解析プログラム２３１は、航行モードにおいて、マルチコプター１２が水面上の浮遊物や周辺物に衝突することを防止する機能である。画像解析プログラム２３１はカメラ６０の撮影画像を基に、マルチコプター１２の機体とその周辺物との位置関係を特定する。衝突回避プログラム２３は、画像解析プログラム２３１の解析結果を基に、マルチコプター１２とその周辺物との距離が所定の間隔以下にならないよう、また航行ルートからできるだけ逸脱しないよう、スラスタ４２を自動的に操作する。そして、例えば流木などの浮遊物が所定の距離まで機体に接近したことが撮影されたときには、自動的に離水してその浮遊物を回避する。尚、衝突回避プログラム２３は、マルチコプター１２の機体からその側方（水平方向）に向けられた測距センサ、例えばＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）や、一又は複数の超音波測距センサ、レーザー測距センサ、ステレオカメラ、深度カメラ、ミリ波レーダー等をさらに用いることもできる。カメラ６０のみでは周辺物との距離がつかめないときは、これらのセンサを併用してもよい。

【0042】

ヘディング制御プログラム２４は、ＦＣ／ＢＣ２０が備える電子コンパスにより、機体のヘディング（機首）方向、すなわちソナーユニット８０の向きを制御する機能である。本形態のヘディング制御プログラム２４は、クルーズプランの航行ルートに沿って、ソナーユニット８０のソナー配列方向を、進行方向に対して交差（できるだけ直交）する向きに維持するよう、スラスタ４２を自動的に操作する。

【0043】

飛行迂回プログラム２５は、河川の水流に乗って河川を下るマルチコプター１２が、例えば取水堰や堰堤など、すり抜けることができない構造物を飛行して迂回する機能である。飛行迂回プログラム２５は、マルチコプター１２が河川を所定の位置まで下ったときに、マルチコプター１２を自動的に離水および飛行させて、その位置よりもさらに下流の他の位置に着水させる。本形態では、飛行迂回プログラム２５の離水点や着水点、これら２点間の飛行高度等は、クルーズプランのウェイポイントに指定する。

【0044】

このように、本形態の測量システム１０は種々の自動操縦機能を備えており、経験の浅いオペレータ端末１９や、目視外における測量であっても、一定水準以上の品質の測量を行うことができる。

【0045】

＜流速分布および流量の算出方法＞
図４は、測量システム１０により河川の縦横断面の流速分布とその流量を算出する方法を説明する模式図である。

【0046】

これまでに述べたように、測量システム１０は、マルチコプター１２の機体下方の流速分布を計測する手段である第１計測手段、機体周辺の水面流速を計測する手段である第２計測手段、及び、機体の移動速度を計測する手段である第３計測手段を備えている。そして、本形態の測量システム１０は、これらに河川の地形データを組み合わせて、河川の縦横断面の流速分布とその流量を算出する。

【0047】

（第１計測手段）
測量システム１０では、図４（ａ）に示すように、マルチコプター１２の機体下方（図示Ａ）の、深さに応じた層別の流速分布がＡＤＣＰユニット７０（及び解析装置１１）により実測される。

【0048】

（第２計測手段）
マルチコプター１２のカメラ６０は、機体の側方と上方を半球形状（図示Ｃ）に撮影しており、その画角には河川の水面ＳＦも含まれている。マルチコプター１２は、カメラ６０で撮影した画像の全て、又はそこから水面部分のみを切り出して解析装置１１に送信する。解析装置１１は、受信した画像に基づいて機体周辺の水面流速を算出する。

【0049】

尚、本形態における水面流速の画像解析には、ＳＴＩＶを応用した手法が用いられている。図５は、その具体例を示す模式図である。図５（ａ）は、解析装置１１に送信された画像の一部を切り抜いた模式図、図５（ｂ）はＳＴＩＶによる流速計算の概要を説明する図である。以下、図５を参照して本形態における水面流速の解析方法について説明する。

【0050】

まず、カメラ６０が撮影した半球範囲の画像は、公知の手段によりその一部を平面画像として切り出すことができる。図５（ａ）の模式図はその切り出された画像の一例である。ＳＴＩＶによる流速計算では、一般に、斜め上から撮影された水面画像を真上からみた画像に補正するため、撮影水域の手前側（カメラ側）の岸とその対岸に、実空間における位置座標が既知の標定点Ｐが設置される。本形態では河川の両岸に標定点Ｐが設置されている（図４（ａ）参照）。

【0051】

そして、本形態のマルチコプター１２には、この標定点に適したマークが表示された標定部７１が機体に固定されており、この標定部７１は被写体として撮影画像の中に映り込んでいる。マルチコプター１２に固定された標定部７１、つまりカメラ６０の位置に対する相対的な位置座標が既知の標定部７１を設け、これをその撮影画像の中に含めることで、標定部７１をカメラ側の標定点とすることができる。尚、標定部７１は本形態のものには限られず、マルチコプター１２の機体との相対位置が固定され、撮影画像に映り込む位置にあるものであれば、例えばマルチコプター１２のフロート５０の端など、任意の部位でこれを代替することもできる。

【0052】

そして、図５（ａ）の一点鎖線で囲んだ枠はＳＴＩＶにおける検査線の例であり、枠内の黒い丸は波紋等の輝度値の特徴である。図５（ｂ）に示すように、ＳＴＩＶでは、輝度値の特徴部分の位置変化を時系列に並べ、その位置の推移を直線として表したときの勾配θから表面流速を算出する。

【0053】

尚、本形態では水面の撮影手段としてカメラ６０が採用されているが、これは、マルチコプター１２から岸側の標定点Ｐを撮影する一又は複数台のビデオカメラ等であってもよい。

【0054】

図６は、撮影手段の他の例を示す模式図である。本形態では水面を撮影するためのカメラ６０をマルチコプター１２自体に搭載されているが、撮影手段の態様はこれに限られない。例えば図６に示すように、測量対象の水域に沿って予め固定カメラ９１を設置しておき、この固定カメラ９１の画像からマルチコプター１２周辺の水面流速を計測していもよい。固定カメラ９１を用いたＳＴＩＶにはすでに多くの実績や知見があり、水面流速の計測精度をより高めることができる。或いは、カメラを搭載したいわゆるドローン９２で、別途上空から水面を撮影してもよい。測量対象の水域を真上から撮影することで、撮影画像の平面化における画像の劣化や誤差が減少し、水面流速の計測精度をより高めることができる。さらには、本発明の第２計測手段は、マルチコプター１２周辺の水面流速を計測できるものであればよく、画像解析を用いたものには限られない。例えば電波を用いて表面流速を計測する手法を採用することも考えられる。

【0055】

（第３計測手段）
上でも述べたように、マルチコプター１２の水面上の移動速度を計測する方法としては、ＧＰＳ３１の経緯度情報を用いた方法と、ＡＤＣＰユニット７０を用いた方法とがある。これはどちらが採用されてもよい。

【0056】

（地形データ取得手段）
図４に戻って地形データの取得方法について説明する。本形態のマルチコプター１２はソナーユニット８０を備えており、ソナーユニット８０により河川の地形データを取得することができる。図４（ｂ）に示すように、ソナーユニット８０は、設定されたスワス幅Ｓにわたって扇状に音波ビームを送信し、河道ＴＰの地形を表す点群データを取得する。ソナーユニット８０のスワス幅Ｓを１８０°以上に設定すれば、川幅方向の全体にわたる断面形状を取得することもできる。

【0057】

（算出方法）
解析装置１１は、マルチコプター１２から種々の実測データ（以下、「実測データセット」ともいう。）を取得し、リアルタイムで解析・算出を行う。より具体的には、解析装置１１は、まず、マルチコプター１２の機体下方の層別の流速分布を実測し、機体周辺の水面流速を実測する。そして、これにマルチコプター１２の移動速度を加味して、つまり実測した流速にマルチコプター１２の移動速度を足したり、或いは引いたりして、実際の流速を算出する。

【0058】

そして、上記流速と河道の地形データとに基づき、マルチコプター１２周辺の水域の深さ方向における流速分布を求める。より具体的には、上記実測データセットの取得位置における河川横断面の流速分布を算出する。さらに具体的には、その横断面の川幅方向における各水域の水面流速から、その各水域の深さ方向における平均流速を求める校正係数を表面流速係数というときに、解析手段１１は、上記実測データセットに基づいて、この表面流速係数を調節する。そして、この表面流速係数を調節しながら、マルチコプター１２の移動方向に沿って連続的に横断面の平均流速を求めることで、河川の縦断方向の流速分布を特定する。

【0059】

一般に、河川の表面流速係数には０．８５が使用される。しかし、流況や河川形状によっては、この表面流速係数による計算結果が実態と乖離することがある。本形態の測量システム１０では、マルチコプター１２により実測されたデータセットに基づいてこの表面流速係数を調節することで、より実態に即した計算結果を得ることができる。すなわち、本形態の測量システム１０では、マルチコプター１２周辺の水域の水面流速に対して、固定値（０．８５）ではない、つまり変動値である表面流速係数を適用して、平均流速を求めるということである。河川の横断面における平均流速が求められたら、以下の式により流量を計算することができる。

流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）＝流速Ｖ（ｍ／ｓ）×断面積Ａ（ｍ^２）

本形態でいう「流量」とは、所定の単位時間に河川のある横断面を流過する水の体積を意味している。河川の流量は、流速と横断面の断面積とを掛け合わせることで算出される。測定単位は、立方メートル毎秒（ｍ^３／ｓ）である。

【0060】

上でも述べたように、本形態の解析装置１１には測量結果が蓄積され、その測量結果は広く河川事業者や研究者等に共有される。測量システム１２が様々な流況、河川形状において繰り返し使用され、その測量結果が蓄積されていくことで、実測値と算出結果の齟齬等から、河川の流速分布に影響を与える要因が次第に詳らかになっていく。またそれら要因の程度に応じた影響度も次第に定量化されていく。すなわち、測量システム１２が使用され続けていくことで、河川の長距離にわたる流速分布と流量の算出精度が向上していく。現時点で予想される表面流速係数の調節パラメータとしては、例えば、機体下方の流速分布と水深、機体周辺の水面流速と風向・風速、河川縦横断面の連続した地形変化・水底の粗度、機体の移動速度などが考えられる。また、現時点で予想される表面流速係数の調整アルゴリズムとしては、機体下方の流速分布と地形とに基づき、上記各パラメータの値から水面流速と水中平均流速との差を予測し、差が小さいようであれば係数を大きく、差が大きいようでれあれば係数を小さくすること考えられる。つまり、表面流速係数を調整する具体的なパラメータや変数、アルゴリズム等は、現時点では最良とはいえず、使用を重ねるにつれて改良されていく。

【0061】

尚、本形態ではマルチコプター１２により地形データが取得されているが、仮に地形データが取得できなかったとしても、つまり、第１－第３計測手段のみによる場合でも、従来の表面流速係数（０．８５）を単に適用するよりも、実態に即した流速分布と流量を求めることができる。

【0062】

＜河川測量方法＞
図７及び図８は、マルチコプター１２が河川の水流に乗って河川を下る様子を示す模式図である。図７及び図８を参照して測量システム１０による河川測量方法について説明する。

【0063】

測量システム１０で河川を測量する際には、まず、図７に示すように、マルチコプター１２を河川の水面に浮かべる。クルーズプランの始点までは、飛行して移動してもよく、航行して移動してもよい。マルチコプター１２が水面に浮かべられると、ＦＣ／ＢＣ２０はマルチコプター１２を飛行モードから航行モードへ切り替える。上でも述べたように、ＦＣ／ＢＣ２０はマルチコプター１２を航行モードへ切り替えた後（ロータ４１を停止した後）も、ＧＰＳ３１やＲＴＫレシーバ３２を稼働させ続ける。航行モードに切り替えられたマルチコプター１２はＡＤＣＰユニット７０やソナーユニット８０による水中のスキャンを開始する。

【0064】

河川に浮かべられたマルチコプター１２は、河川の水流に乗って河川を下っていく。自律航行プログラム２２はマルチコプター１２がクルーズプランの航行ルートＲ１に沿って河川を下るよう、スラスタ４２を自動的に操作する。マルチコプター１２が航行ルートＲ１から逸脱した場合には、河川を下りながら徐々に航行ルートＲ１に復帰する（Ｒ３）。このときも、ヘディング制御プログラム２４は、ソナーユニット８０のソナー配列方向が航行ルートＲ１の進行方向に対して交差した状態を極力維持するようヘディング方向を制御する。航行ルートＲ１の途中にあるすり抜け不能な構造物である取水堰Ｂ１は、マルチコプター１２がその所定の位置まで河川を下ったときに、飛行迂回プログラム２５により飛行して迂回する（Ｒ２）。航行ルートＲ１の途中にある橋脚Ｂ２は、画像解析プログラム２３１がこれを検知し、衝突回避プログラム２３がこれを必要最小限の逸脱ですり抜ける（Ｒ４）。

【0065】

ここで、河川はその川幅方向の位置によって流速が異なることがある。例えば、河川が直線状に流れているところでも、水深の深い区域では、川幅方向に並んだ２本のらせん流の影響で、河川中央の流速が両岸側の流速よりも早くなる。また、河川の水かさが増えていくときには、河川中央の水位が高くなり、水面上に中央から両岸側に向かう流れが生じる。河川の水かさが減っていくときには、逆に、河川中央の水位が低くなり、水面上に両岸側から中央に向かう流れが生じる。また、河川が曲がっている区域では、その曲線部分の外側の流速が内側の流速よりも早くなる。そして、水深のある浮遊物体は、流速が最も早くなる方向を向いていればおのずと流速が早い方へ誘導される。そのため、河川における最も流速の早いコースに沿ってマルチコプター１２を流せば良い場合、自動操縦機能に指定する経緯度値は、橋梁などの障害物を迂回するのに十分な精度があれば足りると考えられる。

【0066】

図８に示すように、川幅の大きな河川の場合には、複数のマルチコプター１２を川幅方向における位置をずらして配置し、それぞれを河川の水流に乗せて流してもよい。これにより、大規模河川の測量に要する時間を短縮することができる。また、一基のソナーユニット８０のスワス幅を広く設定するよりも、スワス幅を狭めた二基のソナーユニット８０で地形をスキャンした方が、いわゆるオクルージョン領域やシャドウ領域のような、ビームの届かない遮蔽領域を減らすことができる。

【0067】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば、上記実施形態では水面上を移動可能な移動体として無人航空機が採用されているが、移動体は無人ボートであってもよい。

【符号の説明】

【0068】

１０：測量システム，１１：解析装置（解析手段），１２：マルチコプター（無人航空機，移動体），１９：オペレータ，２０：フライトコントローラ／ボートコントローラ，２１：自律飛行プログラム，２２：自律航行プログラム，２３：衝突回避プログラム（衝突回避手段），２３１：画像解析プログラム，２４：ヘディング制御プログラム，２５：飛行迂回プログラム，３１：ＧＰＳレシーバ，３２：ＲＴＫレシーバ，４１：ロータ，４２：スラスタ，５０：フロート，６０：全方位カメラ（撮影手段），７０：ＡＤＣＰユニット（超音波ドップラー流速計），７１：標定部，８０：ソナーユニット（スキャナー装置），９１：固定カメラ，９２：ドローン，ＴＰ：河道，ＳＦ：水面，Ｂ１：橋脚，Ｂ２：取水堰，Ｒ１：指定ルート，Ｒ２：飛行迂回ルート，Ｒ３：復帰ルート，Ｒ４：衝突防止ルート，Ｐ：標定点

【要約】

【課題】河川等の水域の縦横断面の流速分布やその流量をより実態に即して計測可能とする。
【解決手段】水面上を移動可能な移動体と、前記移動体の下方の流速を計測する第１計測手段と、前記移動体周辺の水面流速を計測する第２計測手段と、前記移動体の移動速度を計測する第３計測手段と、を備える測量システム、及び、本発明の移動体を、河川の上流から下流に向けて、該河川の水流に乗せて流す工程を含む河川測量方法によりこれを解決する。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】