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JP7170485B2 - Image analysis device, image analysis method and image analysis program - Google Patents

Image analysis device, image analysis method and image analysis program Download PDF

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JP7170485B2 JP2018186608A JP2018186608A JP7170485B2 JP 7170485 B2 JP7170485 B2 JP 7170485B2 JP 2018186608 A JP2018186608 A JP 2018186608A JP 2018186608 A JP2018186608 A JP 2018186608A JP 7170485 B2 JP7170485 B2 JP 7170485B2
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Description

本発明は、画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムに関する。 The present invention relates to an image analysis device, an image analysis method, and an image analysis program.

沿岸域の水温分布は砕波による鉛直混合や河川プルームの流入及び水面での熱交換などの自然要因に加え、工場などから海洋へ流れ出す人為的な排水によって、時空間的に大きく変動する。海水温は、豊かな生態系を形成する沿岸環境を評価するうえで、最も重要なパラメータの1つであり、上述のような沿岸域における物理イベントが水温変化に与える影響について現地観測による知見の集積が求められている。 The water temperature distribution in coastal areas varies greatly in space and time due to natural factors such as vertical mixing due to breaking waves, the influx of river plumes, and heat exchange on the water surface, as well as anthropogenic wastewater flowing into the ocean from factories and the like. Seawater temperature is one of the most important parameters for evaluating coastal environments that form rich ecosystems. Aggregation is required.

一般に、沿岸域を含め海洋観測においては、船舶やブイと水温計や流速計とを用いた直接計測や、海洋レーダーや人工衛星を用いたリモートセンシングによる観測が行われてきた。しかし、漁業や海運などの利用度の高い沿岸域を海洋観測で占有することは難しく、船舶やブイにより十分な情報を得ることは困難である。また、海洋レーダーや人工衛星は、解像度が1kmスケールなどである。そのうえ、海洋レーダーでは、例えば、沿岸から500m程度以上離れた領域が計測範囲となる。このように、海洋レーダーや人工衛星による海洋観測は、解像度が低いため沿岸域の局所的な流速分布や水温分布、乱流統計量を得ることは難しい。 In general, oceanographic observations, including coastal areas, have been carried out by direct measurements using ships, buoys, thermometers, and current meters, and by remote sensing using marine radars and satellites. However, it is difficult to occupy coastal areas that are highly used for fishing and shipping, and it is difficult to obtain sufficient information from ships and buoys. Further, marine radars and artificial satellites have a resolution of 1 km scale or the like. In addition, with marine radar, the measurement range is, for example, an area about 500 m or more away from the coast. Thus, it is difficult to obtain local current velocity distributions, water temperature distributions, and turbulence statistics in coastal areas due to the low resolution of ocean observations using ocean radars and satellites.

特に、排水の海洋拡散範囲予測では、噴流として振る舞う初期混合過程が重要であることが知られている。しかし、船舶やブイを用いたスポットでの観測では局所的な放水流動の空間変動を捉えることは困難であり、また、海洋レーダーや人工衛星では上述したように解像度が低いため局所的な観測が難しい。そのため、放水直後の局所的な現象を現地で観測することは極めて困難である。 In particular, it is known that the initial mixing process, which behaves as a jet, is important for predicting the extent of oceanic diffusion of wastewater. However, spot observations using ships and buoys are difficult to capture local spatial fluctuations in water discharge flow, and as mentioned above, ocean radars and satellites have low resolution, so local observations are not possible. difficult. Therefore, it is extremely difficult to observe local phenomena immediately after water discharge.

ここで、流体運動と温度変動の関係を調査する上で、水温の平面的な分布の変動が計測できるサーモグラフィが有用なツールとなる。サーモグラフィによる流体計測は、主として室内実験で行われており、サーモグラフィを用いて沿岸域の現地での観測の例は少ない。例えば、沿岸域に設置された観測塔などにサーモグラフィを設置し計測を行う技術が提案されている。 Here, thermography is a useful tool for investigating the relationship between fluid motion and temperature fluctuations, as it can measure fluctuations in planar distribution of water temperature. Fluid measurement by thermography is mainly performed in laboratory experiments, and there are few examples of field observations in coastal areas using thermography. For example, a technique has been proposed in which thermography is installed on an observation tower installed in a coastal area and measurements are made.

さらに、海洋観測の技術として、飛行体に搭載したサーモカメラで得られた水面温度分布画像から所定水域における水流を検知する従来技術がある。また、所定間隔でブイを設置し、無人飛行体に搭載されたカメラで撮影したブイの位置から流速を算出する従来技術がある。また、一定間隔でビデオカメラ撮影した水面の起伏模様の移動量及び移動方向から水流の速度及び方向を測定する従来技術がある。 Furthermore, as an ocean observation technology, there is a conventional technology for detecting water currents in a predetermined water area from a water surface temperature distribution image obtained by a thermocamera mounted on an aircraft. Also, there is a conventional technique in which buoys are installed at predetermined intervals and the flow velocity is calculated from the positions of the buoys photographed by a camera mounted on an unmanned air vehicle. In addition, there is a conventional technique for measuring the speed and direction of water flow from the movement amount and movement direction of the undulating pattern of the water surface captured by a video camera at regular intervals.

特開2015-127669号公報JP 2015-127669 A 特開2018-91725号公報JP 2018-91725 A 特開2009-74968号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-74968

しかしながら、沿岸域に設置された観測塔などにサーモグラフィのカメラを設置し計測を行う場合、カメラが斜上から海面をとらえるため、画像上の誤差が大きくなるおそれがある。また、観測塔などの構造物にサーモグラフィを設置する手法では、構造物が建設されている箇所での観測に限られてしまい、任意の沿岸域の局所的な流速分布や水温分布、乱流統計量を十分に得ることは難しい。 However, when a thermographic camera is installed on an observation tower installed in a coastal area to take measurements, the camera captures the sea surface from an oblique angle, which may increase image errors. In addition, the method of installing a thermography on a structure such as an observation tower is limited to the observation at the place where the structure is constructed, and the local flow velocity distribution, water temperature distribution, and turbulence statistics of arbitrary coastal areas are difficult. Getting enough is difficult.

また、飛行体に搭載したサーモカメラで得られた水面温度分布画像から所定水域における水流を検知する従来技術では、水流の大まかな情報を得ることはできるが、沿岸域の流速分布や水温分布の時空間的な局所変動及び乱流統計量を得ることは困難である。また、無人飛行体に搭載されたカメラで撮影したブイの位置から流速を算出する従来技術では、漁業や海運などの利用度の高い沿岸域に十分なブイを設置することは難しく、沿岸域の局所的な流速分布や水温分布、乱流統計量を得ることは困難である。さらに、一定間隔でビデオカメラ撮影した水面の起伏模様の移動量及び移動方向から水流の速度及び方向を測定する従来技術では、波浪の存在する沿岸域において起伏模様の移動量及び移動方向から流速を測定することは困難である。また、この従来技術では、ビデオカメラの設置場所が限られることから観測点が限定され、沿岸域の局所的な流速分布や水温分布、乱流統計量を算出するための十分な情報を得ることが困難である。 Conventional technology, which detects water currents in a given water area from a water surface temperature distribution image obtained by a thermal camera mounted on an aircraft, can obtain rough information about water currents, but it cannot detect current velocity distributions and water temperature distributions in coastal areas. Obtaining spatio-temporal local variations and turbulence statistics is difficult. In addition, with conventional technology that calculates current velocity from the positions of buoys captured by cameras mounted on unmanned air vehicles, it is difficult to install enough buoys in coastal areas that are heavily used for fishing and shipping. It is difficult to obtain local flow velocity distribution, water temperature distribution and turbulence statistics. Furthermore, in the conventional technology for measuring the speed and direction of water flow from the amount of movement and the direction of movement of the undulating pattern of the water surface photographed at regular intervals by a video camera, the flow velocity can be calculated from the amount of movement and the direction of movement of the undulating pattern in coastal areas where waves exist. It is difficult to measure. In addition, with this conventional technology, the number of observation points is limited due to the limited installation location of the video camera, and it is difficult to obtain sufficient information to calculate the local current velocity distribution, water temperature distribution, and turbulence statistics in coastal areas. is difficult.

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、沿岸域の海洋状態の観測を簡易且つ正確に行う画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムを提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in view of the above, and aims to provide an image analysis device, an image analysis method, and an image analysis program for simply and accurately observing ocean conditions in coastal areas.

本願の開示する画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムは、一つの態様において、以下の各部を備える。カメラは、UAVに搭載され、飛行する前記UAVから水面の水温分布を表すサーモグラフィ画像を複数撮影する。補正部は、前記カメラにより撮影された前記サーモグラフィ画像のそれぞれから陸地側特徴点を抽出し、抽出した前記陸地側特徴点を基にアフィン変換を行なって、各前記サーモグラフィ画像の相互の位置を補正する。検出部は、前記補正部により補正された前記サーモグラフィ画像から前記水温分布のパターンを取得し、取得した前記水温分布のパターンの変化を基に水流の状態を検出する。 An image analysis apparatus, an image analysis method, and an image analysis program disclosed in the present application, in one aspect, include the following units. The camera is mounted on the UAV and takes a plurality of thermographic images representing water temperature distribution on the water surface from the flying UAV. The correcting unit extracts land-side feature points from each of the thermographic images captured by the camera, performs affine transformation based on the extracted land-side feature points, and corrects the mutual positions of the thermographic images. do. The detection unit acquires the pattern of the water temperature distribution from the thermography image corrected by the correction unit , and detects the state of the water flow based on the change in the acquired pattern of the water temperature distribution.

1つの側面では、本発明は、沿岸域の海洋状態の観測を簡易且つ正確に行うことができる。 In one aspect, the present invention can easily and accurately observe ocean conditions in coastal areas.

図1は、実施例に係る画像解析システムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an image analysis system according to an embodiment. 図2は、UAVの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the UAV. 図3は、撮影されるサーモグラフィ画像の一例の図である。FIG. 3 is a diagram of an example of a captured thermographic image. 図4は、画像の補正を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining image correction. 図5は、実施例に係る画像解析システムにより取得されたサーモグラフィ画像の一例を表す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a thermography image acquired by the image analysis system according to the embodiment. 図6は、実施例に係る画像解析システムにより取得された流速分布を表す図である。FIG. 6 is a diagram showing a flow velocity distribution acquired by the image analysis system according to the example. 図7は、実施例に係る画像解析システムにより取得された乱れエネルギーの空間分布を表す図である。FIG. 7 is a diagram showing the spatial distribution of turbulence energy acquired by the image analysis system according to the example. 図8は、実施例に係る画像解析システムによる海洋観測処理のフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart of ocean observation processing by the image analysis system according to the embodiment. 図9は、超音波流速計を用いて計測した流速を表す図である。FIG. 9 is a diagram showing flow velocities measured using an ultrasonic anemometer. 図10は、実施例に係る画像解析システムが計測した流速の水平方向の減衰を表す図である。FIG. 10 is a diagram showing horizontal attenuation of flow velocity measured by the image analysis system according to the embodiment. 図11は、実施例に係る画像解析システムが計測した水温の水平方向の分布を表す図である。FIG. 11 is a diagram showing a horizontal distribution of water temperatures measured by the image analysis system according to the embodiment. 図12は、水温変動の標準偏差の空間分布を表す図である。FIG. 12 is a diagram showing the spatial distribution of the standard deviation of water temperature fluctuations. 図13は、解析装置のハードウェア構成図である。FIG. 13 is a hardware configuration diagram of the analysis device.

以下に、本願の開示する画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムが限定されるものではない。 Embodiments of the image analysis apparatus, the image analysis method, and the image analysis program disclosed in the present application will be described below in detail with reference to the drawings. The image analysis apparatus, image analysis method, and image analysis program disclosed in the present application are not limited to the following embodiments.

図1は、実施例に係る画像解析システムのブロック図である。画像解析システム100は、サーバなどの解析装置1及びドローンなどのUAV(Unmanned Aerial Vehicle)2を有する。この画像解析システム100が、画像解析装置の一例にあたる。 FIG. 1 is a block diagram of an image analysis system according to an embodiment. The image analysis system 100 has an analysis device 1 such as a server and a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) 2 such as a drone. This image analysis system 100 corresponds to an example of an image analysis apparatus.

UAV2は、操縦者により操縦され、空中を移動可能であり、且つ、空中でホバリングした状態で同じ地点で静止可能である。特に、本実施例に係るUAV2は、GPS(Global Positioning System)を用いた位置制御機能を有する。ただし、GPSを用いたホバリング精度は所定の幅があり、UAV2は、完全に同一地点に留まることはなく、静止中もホバリング精度に応じて移動する。例えば、本実施例に係るUAV2は、垂直が0.5mであり、水平が2.5mである。図2は、UAVの斜視図である。UAV2は、図2に示すようにサーモグラフィ画像を撮影するカメラ21が搭載される。 The UAV 2 is piloted by an operator, can move in the air, and can be stationary at the same point while hovering in the air. In particular, the UAV 2 according to this embodiment has a position control function using GPS (Global Positioning System). However, the hovering accuracy using GPS has a certain width, and the UAV 2 does not stay completely at the same point, and moves according to the hovering accuracy even when stationary. For example, the UAV 2 according to this embodiment is 0.5m vertically and 2.5m horizontally. FIG. 2 is a perspective view of the UAV. The UAV 2 is equipped with a camera 21 for taking a thermographic image as shown in FIG.

カメラ21は、一定間隔で連続的にサーモグラフィ画像を撮影することが可能である。本実施例では、カメラ21は、画像サイズが720×480ピクセルであり、焦点距離が9mmである。カメラ21は、ホバリング時のUAV2に対して鉛直下向きに撮影方向が向くように設置される。 The camera 21 is capable of continuously capturing thermographic images at regular intervals. In this example, the camera 21 has an image size of 720×480 pixels and a focal length of 9 mm. The camera 21 is installed so that the photographing direction faces vertically downward with respect to the UAV 2 during hovering.

本実施例では、UAV2は、沿岸部の海洋上にホバリングして、カメラ21の撮像画像の中に海洋の所定範囲とともに陸地が含まれるように撮影を行う。例えば、UAV2は、高度約148mにおいてホバリングし撮影を行う。図3は、撮影されるサーモグラフィ画像の一例の図である。図3のサーモグラフィ画像は、沿岸域における発電所からの放水口近傍の撮影画像である。図3に示すように、カメラ21により撮影されたサーモグラフィ画像は、海面200及び陸地201を含む。 In the present embodiment, the UAV 2 hovers over the ocean in the coastal area and captures images so that the image captured by the camera 21 includes the land as well as a predetermined range of the ocean. For example, UAV2 hovers at an altitude of about 148m and takes pictures. FIG. 3 is a diagram of an example of a captured thermographic image. The thermographic image of FIG. 3 is a photographed image of the vicinity of the water outlet from the power plant in the coastal area. As shown in FIG. 3 , the thermography image captured by camera 21 includes sea surface 200 and land 201 .

カメラ21は、定点観測で連続的にサーモグラフィ画像を取得する。本実施例では、カメラ21は、40秒間の撮影期間内に2秒間隔の撮影間隔で連続的にサーモグラフィ画像を取得する。 The camera 21 continuously acquires thermography images by fixed-point observation. In this embodiment, the camera 21 continuously acquires thermographic images at imaging intervals of 2 seconds within a 40-second imaging period.

図1に戻って説明を続ける。解析装置1は、UAV2に搭載されたカメラ21により撮影されたサーモグラフィ画像を解析して計測範囲における温度分布、水の流速及び乱流統計量を求める装置である。解析装置1は、たとえばサーバである。解析装置1は、画像取得部11、画像補正部12、検出部13及び通知部14を有する。 Returning to FIG. 1, the description continues. The analysis device 1 is a device that analyzes a thermographic image captured by a camera 21 mounted on a UAV 2 to obtain temperature distribution, water flow velocity, and turbulence statistics in a measurement range. Analysis device 1 is, for example, a server. The analysis device 1 has an image acquisition unit 11 , an image correction unit 12 , a detection unit 13 and a notification unit 14 .

画像取得部11は、カメラ21により所定間隔で撮影期間内に連続撮影された複数のサーモグラフィ画像を取得する。ここで、図1では、画像取得部11とUAV2とを結ぶ線で画像の取得を表したが、画像取得部11は、カメラ21が撮影したサーモグラフィ画像が取りこまれた可搬記憶媒体が解析装置1に接続された状態で、その可搬記憶媒体から画像を取得してもよい。画像取得部11は、取得したサーモグラフィ画像を画像補正部12へ出力する。 The image acquiring unit 11 acquires a plurality of thermography images continuously captured by the camera 21 at predetermined intervals within the capturing period. Here, in FIG. 1, image acquisition is represented by a line connecting the image acquisition unit 11 and the UAV 2. The image acquisition unit 11 analyzes the portable storage medium in which the thermography image captured by the camera 21 is captured. Images may be acquired from the portable storage medium while connected to the device 1 . The image acquisition unit 11 outputs the acquired thermography image to the image correction unit 12 .

画像補正部12は、撮影期間内に撮影されたサーモグラフィ画像の入力を画像取得部11から受ける。ここで、本実施例では、カメラ21は、広角レンズを使用しており、図3に示すように取得したサーモグラフィ画像にはたる型の歪曲収差が存在する。そこで、画像補正部12は、ハロゲンライトによって投光されたチェッカーボードが様々な角度からカメラ21により撮影された画像から推定されるカメラパラメータを予め有する。そして、画像補正部12は、保持するカメラパラメータを用いて、取得した各サーモグラフィ画像の歪曲収差を補正する。 The image correction unit 12 receives from the image acquisition unit 11 the input of the thermography image captured during the imaging period. Here, in this embodiment, the camera 21 uses a wide-angle lens, and as shown in FIG. 3, the acquired thermographic image has barrel-shaped distortion. Therefore, the image correction unit 12 has in advance camera parameters estimated from images of the checkerboard projected by the halogen light captured by the camera 21 from various angles. Then, the image correction unit 12 corrects the distortion aberration of each acquired thermography image using the camera parameters that it holds.

また、UAV2は、上述したようにGPSホバリング精度により停止位置にずれが生じ加えて風の影響によっても位置がずれる。そこで、画像補正部12は、各サーモグラフィ画像における陸地部分のSURF(Speeded Up Robust Features)特徴量を抽出する。そして、画像補正部12は、画像の幾何学的補正としてアフィン変換を用いて画像間でSURF特徴点を一致させる。すなわち、画像補正部12は、陸地における特定の点を固定し、固定した特定の点が一致するように画像を変換する。その後、画像補正部12は、補正後のサーモグラフィ画像を検出部13及び通知部14へ出力する。 In addition, the position of the UAV 2 is shifted due to the influence of the wind in addition to the displacement of the stop position caused by the GPS hovering accuracy as described above. Therefore, the image correction unit 12 extracts the SURF (Speeded Up Robust Features) feature amount of the land portion in each thermography image. Then, the image correction unit 12 matches the SURF feature points between the images using affine transformation as the geometric correction of the images. That is, the image correction unit 12 fixes a specific point on the land and transforms the image so that the fixed specific points match. After that, the image correction unit 12 outputs the corrected thermography image to the detection unit 13 and the notification unit 14 .

図4は、画像の補正を説明するための図である。画像補正部12は、図3に示したようなサーモグラフィ画像の歪曲収差を補正し、図4に示すサーモグラフィ画像211及び212を取得する。ここで、サーモグラフィ画像211は、撮影開始時のサーモグラフィ画像の歪曲収差を補正した画像であり、サーモグラフィ画像212は、撮影開始から40秒後の画像の歪曲収差を補正した画像である。サーモグラフィ画像211及び212のいずれにも、陸地201と海面200が写っている。 FIG. 4 is a diagram for explaining image correction. The image correction unit 12 corrects the distortion aberration of the thermography image as shown in FIG. 3, and obtains the thermography images 211 and 212 shown in FIG. Here, the thermography image 211 is an image obtained by correcting the distortion aberration of the thermography image at the start of photographing, and the thermography image 212 is an image obtained by correcting the distortion aberration of the image 40 seconds after the start of photographing. Both of the thermographic images 211 and 212 show land 201 and sea surface 200 .

画像補正部12は、サーモグラフィ画像211の陸地201上の丸で示される地点をSURF特徴点として抽出する。また、画像補正部12は、サーモグラフィ画像211の陸地201上のバツで示される地点をSURF特徴点として抽出する。そして、画像補正部12は、サーモグラフィ画像211上の丸で示される地点とサーモグラフィ画像211上のバツで示される地点とが一致するように画像を補正する。 The image correction unit 12 extracts points indicated by circles on the land 201 of the thermography image 211 as SURF feature points. The image correction unit 12 also extracts points indicated by crosses on the land 201 of the thermography image 211 as SURF feature points. Then, the image correcting unit 12 corrects the image so that the point indicated by the circle on the thermography image 211 and the point indicated by the cross on the thermography image 211 match each other.

ここで、本実施例では、陸地201上の点をSURF特徴点として抽出したが、画像を合わせるための固定点として使用できる点であれば、他の点を抽出してもよい。例えば、海洋上に岩が出ている場合、画像補正部12は、海面から出ている岩の中からSURF特徴点を抽出してもよい。また、GPSホバリング精度に対して誤差の範囲の考えられる程度の移動を行うブイであれば、画像補正部12は、海上のブイなどをSURF特徴点として使用して画像の補正を行うことも可能である。 Here, in this embodiment, points on the land 201 are extracted as SURF feature points, but other points may be extracted as long as they can be used as fixed points for matching images. For example, if there are rocks above the ocean, the image correction unit 12 may extract SURF feature points from the rocks above the sea surface. In addition, if the buoy moves within a possible range of error with respect to the GPS hovering accuracy, the image correction unit 12 can also correct the image using a buoy on the sea as a SURF feature point. is.

検出部13は、流速分布検出部131及び乱流統計量算出部132を有する。流速分布検出部131は、画像補正部12により補正されたサーモグラフィ画像を取得する。そして、流速分布検出部131は、取得した各サーモグラフィ画像に対して直接相互相関法を適用して流速分布を算出する。本実施例では、検出部13は、直接相互相関法における各検査領域を33×33ピクセルとした。また、検出部13は、誤ベクトルを防ぐための閾値を最小相関係数について0.7とし、最大流速について10m/sとして流速分布を算出した。 The detection unit 13 has a flow velocity distribution detection unit 131 and a turbulence statistic calculation unit 132 . The flow velocity distribution detector 131 acquires the thermography image corrected by the image corrector 12 . Then, the flow velocity distribution detection unit 131 calculates the flow velocity distribution by applying the direct cross-correlation method to each acquired thermography image. In this embodiment, the detection unit 13 has each inspection area of 33×33 pixels in the direct cross-correlation method. Further, the detection unit 13 calculated the flow velocity distribution by setting the threshold value for preventing an erroneous vector to 0.7 for the minimum correlation coefficient and 10 m/s for the maximum flow velocity.

また、流速分布検出部131は、各検査領域における水の流れる方向である流向を求める。その後、流速分布検出部131は、各検査領域における流速及び流向の情報を通知部14及び乱流統計量算出部132へ出力する。 Also, the flow velocity distribution detection unit 131 obtains the flow direction, which is the direction in which water flows in each inspection area. After that, the flow velocity distribution detection unit 131 outputs information on the flow velocity and flow direction in each inspection area to the notification unit 14 and the turbulence statistics calculation unit 132 .

乱流統計量算出部132は、各検査領域における流速の情報の入力を流速分布検出部131から受ける。次に、乱流統計量算出部132は、各検査領域における流速の平均速度を求め、平均速度からの逸脱を変動速度とし、変動速度の2乗平均を加算して2で除算して各検査領域における乱れエネルギーを算出する。すなわち、乱流統計量算出部132は、次の数式(1)で表される計算により乱れエネルギーkを算出する。この乱れエネルギーkが乱流統計量の一例にあたる。 The turbulence statistic calculation unit 132 receives input of flow velocity information in each inspection region from the flow velocity distribution detection unit 131 . Next, the turbulence statistic calculation unit 132 obtains the average velocity of the flow velocity in each inspection area, sets the deviation from the average velocity as the fluctuation velocity, adds the square mean of the fluctuation velocity, divides by 2, and Calculate the turbulence energy in the region. That is, the turbulence statistic calculation unit 132 calculates the turbulence energy k by the calculation represented by the following formula (1). This turbulence energy k corresponds to an example of turbulence statistics.

Figure 0007170485000001
Figure 0007170485000001

ここで、uは、検査領域における横方向の速度を表す。また、vは、検査領域における縦方向の速度を表す。そして、u’は、uの平均速度からの逸脱を表す変動速度であり、v’は、vの平均速度からの逸脱を表す変動速度である。そして、各文字の上部に付加した横棒は平均値を表す。 where u represents the lateral velocity in the inspection area. Also, v represents the vertical velocity in the inspection area. Then, u' is the variation velocity representing the deviation of u from the average velocity, and v' is the variation velocity representing the deviation of v from the average velocity. A horizontal bar attached to the top of each letter represents the average value.

その後、乱流統計量算出部132は、算出した各検査領域における乱れエネルギーの情報を通知部14へ出力する。 After that, the turbulence statistic calculation unit 132 outputs information on the calculated turbulence energy in each inspection region to the notification unit 14 .

通知部14は、撮影期間内に撮影された画像であって補正が加えられたサーモグラフィ画像の入力を画像補正部12から受ける。また、通知部14は、撮影期間内の各撮影タイミングにおける各検査領域での流速の情報の入力を流速分布検出部131から受ける。さらに、通知部14は、各検査領域での乱れエネルギーの情報の入力を乱流統計量算出部132から受ける。そして、通知部14は、各撮影タイミングにおける水温及び各検査領域での流速、並びに、各検査領域での乱流統計量を解析装置1の利用者へ通知する。この情報の通知方法は様々な方法が考えられるが、一例として、画像による各情報の通知を以下に説明する。 The notification unit 14 receives from the image correction unit 12 an input of a corrected thermography image which is an image taken during the shooting period. In addition, the notification unit 14 receives from the flow velocity distribution detection unit 131 an input of flow velocity information in each inspection region at each imaging timing within the imaging period. Further, the notification unit 14 receives input of turbulence energy information in each inspection area from the turbulence statistic calculation unit 132 . Then, the notification unit 14 notifies the user of the analysis device 1 of the water temperature at each imaging timing, the flow velocity in each inspection area, and the turbulence statistic in each inspection area. Various methods of notifying this information are conceivable, but as an example, notification of each piece of information using an image will be described below.

まず、通知部14は、取得したサーモグラフィ画像を利用者へ送信することで、画像を用いた計測領域における水温の通知を行う。例えば、通知部14は、図5に示すサーモグラフィ画像を利用者へ送信して水温の通知を行う。 First, the notification unit 14 notifies the user of the water temperature in the measurement area using the image by transmitting the acquired thermography image to the user. For example, the notification unit 14 notifies the user of the water temperature by transmitting the thermography image shown in FIG.

図5は、実施例に係る画像解析システムにより取得されたサーモグラフィ画像の一例を表す図である。図5は、発電施設から海洋に放水される温排水を画像解析システム100により計測した場合の、放水口周辺の水温分布を示す。ここで、図5の図面に向かって上側の図の横軸及び縦軸は放水口位置を原点とする二次元の座標を表す。ここでは、各座標軸をX軸及びY軸として、横軸方向をX方向と呼び、縦軸方向をY方向と呼ぶ。さらに、図5の図面に向かって下側の帯は、横軸で温度を表し、帯上のパターンは温度に対応したパターンを表す。利用者は、上側の図上における下側の帯に応じたパターンを確認することで、所定範囲における水温の状態を把握することができる。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a thermography image acquired by the image analysis system according to the embodiment. FIG. 5 shows the water temperature distribution around the water outlet when the image analysis system 100 measures the thermal waste water discharged into the ocean from the power generation facility. Here, the horizontal and vertical axes in the upper drawing of FIG. 5 represent two-dimensional coordinates with the position of the water outlet as the origin. Here, each coordinate axis is defined as the X axis and the Y axis, the horizontal axis direction is called the X direction, and the vertical axis direction is called the Y direction. Furthermore, the lower strip in FIG. 5 represents the temperature on the horizontal axis, and the pattern on the strip represents the pattern corresponding to the temperature. The user can grasp the state of the water temperature in a predetermined range by confirming the pattern corresponding to the lower band on the upper diagram.

ここで、本実施例では、パターンにより温度の違いを表したが、表示方法はこれに限らず、通知部14は、例えば、色の違いにより温度の違いを表してもよい。例えば、通知部14は、温度が低くなるにつれ濃い青色とし、温度が高くなるにつれ明るい黄色となるように、各検査領域に配色をおこなって計測範囲の画像を生成してもよい。 Here, in this embodiment, the difference in temperature is represented by patterns, but the display method is not limited to this, and the notification unit 14 may represent the difference in temperature by, for example, different colors. For example, the notification unit 14 may generate an image of the measurement range by coloring each inspection area so that the lower the temperature, the darker the blue, and the higher the temperature, the brighter the yellow.

例えば、利用者は、図5から以下のことを把握できる。水面下の放水口から正の浮力を持つ密度噴流として放水された温排水は、直ちに浮上し放水口からX方向に50m未満の範囲の放水口近傍の海水温を上昇させる。放水口からX方向に50m未満の範囲の水温は、放水温とほぼ同じ22℃程度の周辺より高い温度となる。そして、放水口からのX方向の距離が大きくなるにつれて水温は低減する。噴流の外側の水温は、19.6℃程度であるが、放水口からX方向に30m未満で、Y方向の50m~-60mの範囲の岸壁付近は、高温域となる。 For example, the user can understand the following from FIG. The warm waste water discharged as a density jet having positive buoyancy from the water outlet under the water surface immediately rises and raises the seawater temperature in the vicinity of the water outlet within a range of less than 50 m in the X direction from the water outlet. The water temperature in the range of less than 50 m in the X direction from the water discharge port is about 22° C., which is approximately the same as the water discharge temperature, and is higher than the surroundings. The water temperature decreases as the distance in the X direction from the water outlet increases. The water temperature outside the jet is about 19.6° C., but the vicinity of the quay within a range of less than 30 m in the X direction and 50 m to -60 m in the Y direction from the outlet is a high temperature region.

また、通知部14は、流速に応じて各検査領域に対応するパターンを配置した計測範囲の画像を生成する。さらに、通知部14は、生成した計測範囲の画像上に、各検査領域における流向を表すベクトルを付加する。そして、通知部14は、流速を表すパターンを配置し且つ流向を表すベクトルを付加した計測範囲の画像を利用者へ送信する。これにより、通知部14は、各撮影タイミングにおける各検査領域での流速及び流向を利用者に通知することができる。 In addition, the notification unit 14 generates an image of the measurement range in which patterns corresponding to each inspection region are arranged according to the flow velocity. Furthermore, the notification unit 14 adds a vector representing the flow direction in each inspection area to the generated image of the measurement range. Then, the notification unit 14 transmits to the user an image of the measurement range in which the pattern representing the flow velocity is arranged and the vector representing the flow direction is added. Thereby, the notification unit 14 can notify the user of the flow velocity and flow direction in each inspection area at each imaging timing.

例えば、通知部14は、図6に示す水流分布を表す画像を利用者へ送信して流速及び流向の通知を行う。図6は、実施例に係る画像解析システムにより取得された流速分布を表す図である。図6は、図5と同じタイミングにおける瞬時流速の空間分布を表す。図6の図面に向かって上側の図の横軸及び縦軸は放水口位置を原点とするX座標及びY座標を表す。さらに、図6の図面に向かって下側の帯は、横軸で流速を表し、帯上のパターンは流速に対応したパターンを表す。 For example, the notification unit 14 notifies the user of the flow velocity and flow direction by transmitting an image representing the water flow distribution shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing a flow velocity distribution acquired by the image analysis system according to the example. FIG. 6 shows the spatial distribution of the instantaneous flow velocity at the same timing as in FIG. The horizontal axis and the vertical axis in the drawing on the upper side of FIG. 6 represent the X coordinate and the Y coordinate with the position of the water outlet as the origin. Furthermore, the lower band toward the drawing in FIG. 6 represents the flow velocity on the horizontal axis, and the pattern on the band represents the pattern corresponding to the flow velocity.

ここで、図6の場合、X座標が0未満の範囲では、流速が検出されておらず、陸地上のSURF特徴点を画像間で一致させるアフィン変換が適切に行われていることが確認できる。また、図6では、放水口が岸壁に対して垂直でないため、温排水の流軸はY軸の正方向に偏向している。また、水中で放水された密度噴流中の流速の鉛直断面が対となる渦から構成されるため、海面に表れる流軸は複数存在する。 Here, in the case of FIG. 6, the flow velocity is not detected in the range where the X coordinate is less than 0, and it can be confirmed that the affine transformation that matches the SURF feature points on the land between the images is performed appropriately. . In addition, in FIG. 6, since the water outlet is not perpendicular to the quay, the flow axis of the warm wastewater is deflected in the positive direction of the Y-axis. In addition, since the vertical cross-section of the flow velocity in the density jet discharged underwater consists of paired vortices, there are multiple flow axes that appear on the sea surface.

利用者は、上側の図上における下側の帯に応じた配色を確認することで、所定範囲における流速及び流向を把握することができる。例えば、利用者は、図6から以下のことが把握できる。噴流内部の流速と比較して周囲の海面の流速は小さく、放水口からX方向に30m未満で、Y方向の50m~-60mの範囲の岸壁付近の高温域もほぼ流速が0となっており、噴流部分と区別可能である。この噴流内外での流速差は液相乱れを引き起こし、周囲流体を連行する。周囲流体を連行することで、噴流の流量が大きくなるため、放水口からのX方向の距離が大きくなるにしたがい噴流の幅が大きくなり、噴流は希釈される。 The user can grasp the flow velocity and flow direction in a predetermined range by confirming the color scheme corresponding to the lower band on the upper diagram. For example, the user can understand the following from FIG. Compared to the flow speed inside the jet, the flow speed of the surrounding sea surface is smaller, and the flow speed is almost 0 in the high temperature area near the quay, which is less than 30m in the X direction from the outlet and 50m to -60m in the Y direction. , is distinguishable from the jet portion. This flow velocity difference inside and outside the jet causes liquid phase turbulence, entraining the surrounding fluid. By entraining the surrounding fluid, the flow rate of the jet increases, so the width of the jet increases and the jet is diluted as the distance in the X direction from the water outlet increases.

ここで、本実施例では、パターンにより流速の違いを表したが、表示方法はこれに限らず、通知部14は、例えば、色の違いにより流速の違いを表してもよい。例えば、通知部14は、流速が遅くなるにつれ濃い青色とし、流速が早くなるにつれ明るい黄色となるように、各検査領域に配色をおこなって計測範囲の画像を生成してもよい。 Here, in this embodiment, the difference in flow velocity is represented by patterns, but the display method is not limited to this, and the notification unit 14 may represent the difference in flow velocity by, for example, different colors. For example, the notification unit 14 may generate an image of the measurement range by assigning colors to each inspection region so that the lower the flow velocity, the darker the blue color, and the faster the flow velocity, the brighter the yellow color.

また、通知部14は、乱れエネルギーに応じて各検査領域にパターンを配置した計測範囲の画像を生成する。そして、通知部14は、乱れエネルギーを表すパターンを各検査領域に配置した計測範囲の画像を利用者へ送信する。これにより、各検査領域における乱流統計量を利用者に通知することができる。 In addition, the notification unit 14 generates an image of the measurement range in which patterns are arranged in each inspection area according to the disturbance energy. Then, the notification unit 14 transmits to the user an image of the measurement range in which the pattern representing the turbulence energy is arranged in each inspection area. Thereby, the user can be notified of the turbulence statistics in each inspection area.

例えば、通知部14は、図7に示す乱れエネルギーの空間分布を表す画像を利用者へ送信して所定範囲における乱流統計量の通知を行う。図7は、実施例に係る画像解析システムにより取得された乱れエネルギーの空間分布を表す図である。ここで、図7の図面に向かって上側の図の横軸及び縦軸は放水口位置を原点とするX座標及びY座標を表す。さらに、図7の図面に向かって下側の帯は、横軸で乱れエネルギーを表し、帯上のパターンは乱れエネルギーに対応したパターンを表す。利用者は、上側の図上における下側の帯に応じた配色を確認することで、所定範囲各における乱流統計量を把握することができる。 For example, the notification unit 14 transmits an image representing the spatial distribution of turbulence energy shown in FIG. 7 to the user to notify the turbulence statistics in a predetermined range. FIG. 7 is a diagram showing the spatial distribution of turbulence energy acquired by the image analysis system according to the example. Here, the horizontal axis and the vertical axis in the upper drawing of FIG. 7 represent the X coordinate and the Y coordinate with the position of the water outlet as the origin. Furthermore, the lower band toward the drawing in FIG. 7 represents the turbulence energy on the horizontal axis, and the pattern on the band represents the pattern corresponding to the turbulence energy. The user can grasp the turbulence statistic in each predetermined range by confirming the color scheme corresponding to the lower band on the upper diagram.

例えば、利用者は、図7から以下のことが把握できる。図7に示すように、図6で示す噴流と周囲流体との流速差によるせん断流れは液相乱れを誘起して、放水口近傍の強い流速分布の存在する領域において、流軸に沿って高い乱れエネルギーが生じる。この放水口近傍の強い乱れが周囲流体の連行を引き起こし、排水の初期希釈に大きな影響を与える。 For example, the user can understand the following from FIG. As shown in Fig. 7, the shear flow due to the flow velocity difference between the jet and the surrounding fluid shown in Fig. 6 induces liquid phase turbulence, and in the region where there is a strong flow velocity distribution near the outlet, a high flow velocity along the flow axis Turbulent energy is produced. This strong turbulence near the outlet causes entrainment of the surrounding fluid, which greatly affects the initial dilution of the wastewater.

ここで、本実施例では、パターンにより乱れエネルギーの違いを表したが、表示方法はこれに限らず、通知部14は、例えば、色の違いにより乱れエネルギーの違いを表してもよい。例えば、通知部14は、乱れエネルギーが低くなるにつれ濃い青色とし、乱れエネルギーが高くなるにつれ明るい黄色となるように、各検査領域に配色をおこなって計測範囲の画像を生成してもよい。 Here, in this embodiment, the difference in turbulence energy is represented by patterns, but the display method is not limited to this, and the notification unit 14 may represent the difference in turbulence energy by, for example, different colors. For example, the notification unit 14 may generate an image of the measurement range by coloring each inspection area so that the lower the turbulence energy, the darker the blue, and the higher the turbulence energy, the brighter the yellow.

次に、図8を参照して、本実施例に係る画像解析システム100による海洋観測処理の流れについて説明する。図8は、実施例に係る画像解析システムによる海洋観測処理のフローチャートである。 Next, the flow of ocean observation processing by the image analysis system 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart of ocean observation processing by the image analysis system according to the embodiment.

海洋上をホバリングするUAV2に搭載されたカメラ21が、撮影期間内に所定間隔で陸地を含む所定範囲のサーモグラフィ画像を撮影する(ステップS1)。 The camera 21 mounted on the UAV 2 hovering over the ocean captures thermographic images of a predetermined range including land at predetermined intervals during a capturing period (step S1).

画像取得部11は、カメラ21が撮影した撮影期間において所定間隔で撮影されたサーモグラフィ画像を収集する(ステップS2)。そして、画像取得部11は、収集したサーモグラフィ画像を画像補正部12へ出力する。 The image acquisition unit 11 collects thermographic images captured at predetermined intervals during the image capturing period of the camera 21 (step S2). The image acquisition unit 11 then outputs the collected thermography image to the image correction unit 12 .

画像補正部12は、サーモグラフィ画像の入力を画像取得部11から受ける。そして、画像補正部12は、保持するカメラパラメータを用いて各サーモグラフィ画像の歪曲収差を補正する。次に、画像補正部12は、各サーモグラフィ画像における陸地部分からSURF特徴点を抽出する。そして、画像補正部12は、アフィン変換を用いて画像間でSURF特徴点が一致するように各サーモグラフィ画像の補正を加える(ステップS3)。その後、画像補正部12は、補正を施したサーモグラフィ画像を流速分布検出部131及び通知部14へ出力する。 The image correction unit 12 receives the input of the thermography image from the image acquisition unit 11 . Then, the image correcting unit 12 corrects the distortion aberration of each thermographic image using the stored camera parameters. Next, the image correction unit 12 extracts SURF feature points from the land portion in each thermography image. Then, the image correction unit 12 corrects each thermography image using affine transformation so that the SURF feature points match between images (step S3). After that, the image correction unit 12 outputs the corrected thermography image to the flow velocity distribution detection unit 131 and the notification unit 14 .

流速分布検出部131は、補正が施されたサーモグラフィ画像の入力を画像補正部12から受ける。次に、流速分布検出部131は、各サーモグラフィ画像を所定サイズの検査領域に分割し、直接相互相関法を適用して各検査領域における流速を算出する。また、流速分布検出部131は、各検査領域における流向を求める。これにより、流速分布検出部131は、所定範囲における流速分布を検出する(ステップS4)。その後、流速分布検出部131は、算出した流速分布の情報を乱流統計量算出部132及び通知部14へ出力する。 The flow velocity distribution detection unit 131 receives an input of the corrected thermography image from the image correction unit 12 . Next, the flow velocity distribution detector 131 divides each thermographic image into inspection areas of a predetermined size, and applies the direct cross-correlation method to calculate the flow velocity in each inspection area. Also, the flow velocity distribution detection unit 131 obtains the flow direction in each inspection area. Thereby, the flow velocity distribution detector 131 detects the flow velocity distribution in a predetermined range (step S4). After that, the flow velocity distribution detection unit 131 outputs information on the calculated flow velocity distribution to the turbulence statistic calculation unit 132 and the notification unit 14 .

乱流統計量算出部132は、所定範囲における流速分布の情報の入力を流速分布検出部131から受ける。次に、乱流統計量算出部132は、撮影期間における各検査領域における平均速度を算出し、算出した平均速度からの逸脱を表す変動速度を求めて、数式(1)を用いて乱れエネルギーを算出し、所定範囲の各検査領域における乱れエネルギーを取得する(ステップS5)。その後、乱流統計量算出部132は、取得した各検査領域における乱れエネルギーの情報を通知部14へ出力する。 The turbulence statistic calculation unit 132 receives input of information on the flow velocity distribution in a predetermined range from the flow velocity distribution detection unit 131 . Next, the turbulence statistic calculation unit 132 calculates the average velocity in each inspection region during the imaging period, obtains the fluctuation velocity representing the deviation from the calculated average velocity, and calculates the turbulence energy using Equation (1). Then, the turbulence energy in each inspection area within a predetermined range is obtained (step S5). After that, the turbulence statistic calculation unit 132 outputs the obtained information of the turbulence energy in each inspection region to the notification unit 14 .

通知部14は、補正が加えられた所定範囲のサーモグラフィ画像の入力を画像補正部12から受ける。また、通知部14は、所定範囲における流速分布の情報の入力を流速分布検出部131から受ける。さらに、通知部14は、所定範囲の各検査領域における乱れエネルギーの情報の入力を乱流統計量算出部132から受ける。そして、通知部14は、所定範囲における流速分布を表す画像及び所定範囲における乱流統計量を表す画像を生成する。その後、通知部14は、所定範囲のサーモグラフィ画像、所定範囲における流速分布を表す画像及び所定範囲における乱流統計量を表す画像を利用者へ送信することで、沿岸域における海洋の温度分布、流速分布及び乱流統計量を通知する(ステップS6)。 The notification unit 14 receives from the image correction unit 12 an input of the thermography image of the predetermined range to which the correction is applied. The notification unit 14 also receives input of information on the flow velocity distribution in a predetermined range from the flow velocity distribution detection unit 131 . Further, the notification unit 14 receives input of information on turbulence energy in each inspection region within a predetermined range from the turbulence statistic calculation unit 132 . Then, the notification unit 14 generates an image representing the flow velocity distribution in the predetermined range and an image representing the turbulence statistic in the predetermined range. After that, the notification unit 14 transmits to the user a thermographic image of a predetermined range, an image representing the flow velocity distribution in the predetermined range, and an image representing the turbulence statistics in the predetermined range, so that the temperature distribution of the ocean in the coastal area, the flow velocity The distribution and turbulence statistics are reported (step S6).

次に、本実施例に係る画像解析システム100により計測された流速の精度について説明する。ここでは、図6に示した流速分布を用いて、超音波流速計(ADCP:Acoustic Doppler Current Profiler)を用いて計測した流速との比較について説明する。 Next, the accuracy of the flow velocity measured by the image analysis system 100 according to this embodiment will be described. Here, using the flow velocity distribution shown in FIG. 6, comparison with the flow velocity measured using an ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) will be described.

図9は、超音波流速計を用いて計測した流速を表す図である。具体的には、図9は、図6及び7において点線で表されるX軸が75mの位置を岸壁と並行に超音波流速計を曳航して得られた瞬時流速分布を表す。この計測は、図5で示した画像を本実施例に係る画像解析システム100が取得してから30分後に行われた。また、超音波流速計による計測は、水面下0.5mの流速の計測であり、画像解析システム100による水面の流速の計測とは若干異なる。しかし、超音波流速計により得られたX軸が75mの位置での流速の最大値は0.7m/s程度であり、噴流の幅は50m程度であり、図6に示した流速分布と概ね一致している。すなわち、図6と図9との比較から、本実施例に係る画像解析システムによる流速分布の測定精度が高いことが分かる。 FIG. 9 is a diagram showing flow velocities measured using an ultrasonic anemometer. Specifically, FIG. 9 shows the instantaneous flow velocity distribution obtained by towing the ultrasonic current meter parallel to the quay at the position where the X axis is 75 m indicated by the dotted line in FIGS. 6 and 7 . This measurement was performed 30 minutes after the image shown in FIG. 5 was obtained by the image analysis system 100 according to the present embodiment. Also, the measurement by the ultrasonic anemometer is the measurement of the flow velocity at 0.5 m below the water surface, which is slightly different from the measurement of the water surface flow velocity by the image analysis system 100 . However, the maximum value of the flow velocity at the position of 75 m on the X axis obtained by the ultrasonic anemometer is about 0.7 m/s, and the width of the jet is about 50 m. Match. 6 and 9, it can be seen that the flow velocity distribution measurement accuracy by the image analysis system according to the present embodiment is high.

次に、本実施例に係る画像解析システム100で計測された流速及び水温の水平方向の減衰について説明する。ここでは、図5に示したサーモグラフィ画像及び図6に示した流速分布を用いて説明する。ただし、密度噴流中では流軸が分岐し、流速のピーク値はY軸方向の横断面内に2つ存在するが、ここでは、1つのピーク値からの流速の水平方向の減衰を例に説明する。 Next, horizontal attenuation of the flow velocity and water temperature measured by the image analysis system 100 according to the present embodiment will be described. Here, description will be made using the thermography image shown in FIG. 5 and the flow velocity distribution shown in FIG. However, in the density jet, the flow axis diverges, and there are two peak values of the flow velocity in the cross section in the Y-axis direction. do.

図10は、実施例に係る画像解析システムが計測した流速の水平方向の減衰を表す図である。具体的には、図10は、図6におけるX軸が75mの位置における流軸方向の撮影期間の平均流速の水平方向の分布を表す。ここで、yは流速のピーク値が得られる点からの水平距離であり、bは流速のピーク値の半分の値が得られる幅、すなわち、半値半幅である。そして、図10の横軸で表されるy/bは、yをbで規格化した値である。また、図10の縦軸は、流速Uを断面最大流速Uで無次元化した値を表す。さらに、図10のグラフ301は、断面最大値を中心とした次の数式(2)で表されるガウス関数である。 FIG. 10 is a diagram showing horizontal attenuation of flow velocity measured by the image analysis system according to the embodiment. Specifically, FIG. 10 represents the horizontal distribution of the average flow velocity during the shooting period in the flow axis direction at the position of 75 m on the X axis in FIG. Here, yu is the horizontal distance from the point where the peak value of the flow velocity is obtained, and bu is the width at which half the value of the peak value of the flow velocity is obtained, that is, the half width at half maximum. y u /b u represented by the horizontal axis in FIG. 10 is a value obtained by normalizing y u with b u . The vertical axis in FIG. 10 represents the dimensionless value of the flow velocity U with the cross-sectional maximum flow velocity Um. Furthermore, the graph 301 in FIG. 10 is a Gaussian function represented by the following formula (2) centered on the cross-sectional maximum value.

Figure 0007170485000002
Figure 0007170485000002

図11は、実施例に係る画像解析システムが計測した水温の水平方向の分布を表す図である。図11は、図5におけるX軸が75mの位置における流軸方向の撮影期間の平均温度の水平方向の分布を表す。ここで、yは水温の断面最大値が得られる点からの水平距離であり、bは水温の断面最大値の半分の値が得られる幅、すなわち、半値半幅である。そして、図11の横軸で表されるyτ/bτはyτをbτで規格化した値である。また、図11の縦軸は、水温差ΔTを断面最大水温差ΔTで無次元化した値を表す。さらに、図11のグラフ302は、断面最大値を中心とした次の数式(3)で表されるガウス関数である。 FIG. 11 is a diagram showing a horizontal distribution of water temperatures measured by the image analysis system according to the embodiment. FIG. 11 shows the horizontal distribution of the average temperature during the imaging period in the flow axis direction at the position of 75 m on the X axis in FIG. Here, yT is the horizontal distance from the point where the cross-sectional maximum value of the water temperature is obtained, and bT is the width at which half the value of the cross-sectional maximum value of the water temperature is obtained, that is, the half width at half maximum. y τ /b τ represented by the horizontal axis in FIG. 11 is a value obtained by normalizing y τ with b τ . The vertical axis in FIG. 11 represents the dimensionless value of the water temperature difference ΔT with the cross-sectional maximum water temperature difference ΔTm . Furthermore, the graph 302 in FIG. 11 is a Gaussian function represented by the following formula (3) centered on the cross-sectional maximum value.

Figure 0007170485000003
Figure 0007170485000003

本実施例に係る画像解析システム100により求められた流速と水温は、図10及び11に示すようにグラフ301及び302とほぼ一致している。ここで、室内実験などによって噴流の性質として、流速値及び水温値の水平方向の減衰はともにガウス分布で記述されることが知られている。すなわち、本実施例に係る画像解析システム100により求められた流速と水温がガウス分布に近似することから、本実施例に係る画像解析システム100は、流速及び水温を精度良く計測できているといえる。 The flow velocity and water temperature obtained by the image analysis system 100 according to this embodiment substantially match graphs 301 and 302 as shown in FIGS. Here, it is known from laboratory experiments that the horizontal damping of both the flow velocity value and the water temperature value are described by Gaussian distribution as a property of the jet flow. That is, since the flow velocity and the water temperature obtained by the image analysis system 100 according to the present embodiment approximate Gaussian distribution, it can be said that the image analysis system 100 according to the present embodiment can accurately measure the flow velocity and the water temperature. .

次に、本実施例に係る画像解析システム100により計測された乱流統計量について説明する。ここでは、図7に示した乱れエネルギーの空間分布を用いて説明する。 Next, turbulence statistics measured by the image analysis system 100 according to this embodiment will be described. Here, the spatial distribution of turbulence energy shown in FIG. 7 will be used for explanation.

図12は、水温変動の標準偏差の空間分布を表す図である。ここでは、平均水温Tからの偏差θを計算し、水温変動の標準偏差の空間分布を求めた。ここで、図12の図面に向かって上側の図の横軸及び縦軸は放水口位置を原点とするX座標及びY座標を表す。さらに、図12の図面に向かって下側の帯は、横軸で水温変動の標準偏差を放水温度と環境場の表層水温との差ΔTmaxで無次元化した値を表し、帯上のパターンは各値に対応するパターンを表す。図12におけるθθの上に横棒を配置した記号の2乗根が、水温変動の標準偏差にあたる。また、ここでは、環境場の表層水温を19.6℃とした。 FIG. 12 is a diagram showing the spatial distribution of the standard deviation of water temperature fluctuations. Here, the deviation θ from the average water temperature T was calculated to obtain the spatial distribution of the standard deviation of the water temperature fluctuation. Here, the horizontal axis and the vertical axis in the upper drawing of FIG. 12 represent the X coordinate and the Y coordinate with the water outlet position as the origin. Furthermore, the lower band toward the drawing in FIG. Represents the pattern corresponding to each value. The square root of the symbol with a horizontal bar above θθ in FIG. 12 corresponds to the standard deviation of the water temperature fluctuation. Also, here, the surface water temperature of the environmental field was set to 19.6°C.

ここで、乱れが周囲流体を噴流内部へと連行し水温の変動を引き起こすため、図12における水温変動の標準偏差の高い位置と、乱流せん断応力によって誘起される図7における乱れエネルギーが高い位置とがほぼ一致する。すなわち、水温から求められる水温変動から得られる海洋の状態と、本実施例に係る画像解析システム100が求めた乱れエネルギーから得られる海洋の状態とが一致するといえる。このことから、本実施例に係る画像解析システム100は、流体運動と水温変動との関係を把握することができているといえる。 Here, since the turbulence entrains the surrounding fluid into the jet and causes fluctuations in the water temperature, the position of high standard deviation of the water temperature fluctuation in Fig. 12 and the position of high turbulence energy in Fig. 7 induced by the turbulent shear stress. are almost the same. That is, it can be said that the state of the ocean obtained from the water temperature fluctuation obtained from the water temperature matches the state of the ocean obtained from the turbulence energy obtained by the image analysis system 100 according to the present embodiment. From this, it can be said that the image analysis system 100 according to the present embodiment can grasp the relationship between the fluid motion and the water temperature fluctuation.

以上に説明したように、本実施例に係る画像解析システムは、短時間で水温の空間分布を短時間で取得し、高い解像度で水温分布、水流分布及び乱流統計量を精度よく求めることができ、沿岸域の海洋状態の観測を簡易且つ正確に行うことができる。例えば、本実施例に係る画像解析システムは、沿岸域における局所的な密度噴流の拡散現象を正確に捉えることができる。 As described above, the image analysis system according to the present embodiment can acquire the spatial distribution of water temperature in a short time, and obtain the water temperature distribution, the water flow distribution, and the turbulence statistics with high resolution with high accuracy. It is possible to easily and accurately observe the ocean conditions in coastal areas. For example, the image analysis system according to the present embodiment can accurately capture the diffusion phenomenon of local density jets in coastal areas.

(ハードウェア構成)
図13は、解析装置のハードウェア構成図である。解析装置1は、例えば図13に示すように、CPU(Central Processing Unit)91、メモリ92、ネットワークインタフェース93及びハードディスク94を有する。CPU91は、バスを介してメモリ92、ネットワークインタフェース93及びハードディスク94と接続される。
(Hardware configuration)
FIG. 13 is a hardware configuration diagram of the analysis device. The analysis device 1 has a CPU (Central Processing Unit) 91, a memory 92, a network interface 93 and a hard disk 94, as shown in FIG. 13, for example. CPU 91 is connected to memory 92, network interface 93 and hard disk 94 via a bus.

ハードディスク94は、図1に例示した画像取得部11、画像補正部12、検出部13及び通知部14の機能を実現するためのプログラムを含む各種プログラムを格納する。 The hard disk 94 stores various programs including programs for implementing the functions of the image acquisition unit 11, the image correction unit 12, the detection unit 13, and the notification unit 14 illustrated in FIG.

CPU91は、ハードディスク94から各種プログラムを読み出し、メモリ92上に展開して実行する。これにより、CPU91は、図1に例示した画像取得部11、画像補正部12、検出部13及び通知部14の機能を実現する。 The CPU 91 reads various programs from the hard disk 94, develops them on the memory 92, and executes them. Thereby, the CPU 91 implements the functions of the image acquisition unit 11, the image correction unit 12, the detection unit 13, and the notification unit 14 illustrated in FIG.

また、ネットワークインタフェース93は、外部の装置と通信を行うためのインタフェースである。通知部14による外部装置への沿岸域における海洋の温度分布、流速分布及び乱流統計量の通知は、ネットワークインタフェース93を介して行われる。 A network interface 93 is an interface for communicating with an external device. Notification of the ocean temperature distribution, flow velocity distribution and turbulence statistics in the coastal zone to the external device by the notification unit 14 is performed via the network interface 93 .

1 解析装置
2 UAV
11 画像取得部
12 画像補正部
13 検出部
14 通知部
21 カメラ
100 画像解析システム
131 流速分布検出部
132 乱流統計量算出部
1 analysis device 2 UAV
REFERENCE SIGNS LIST 11 image acquisition unit 12 image correction unit 13 detection unit 14 notification unit 21 camera 100 image analysis system 131 flow velocity distribution detection unit 132 turbulence statistics calculation unit

Claims (7)

UAV(Unmanned Aerial Vehicle)に搭載され、飛行する前記UAVから水面の水温分布を表すサーモグラフィ画像を複数撮影するカメラと、
前記カメラにより撮影された前記サーモグラフィ画像のそれぞれから陸地側特徴点を抽出し、抽出した前記陸地側特徴点を基にアフィン変換を行なって、各前記サーモグラフィ画像の相互の位置を補正する補正部と、
前記補正部により補正された前記サーモグラフィ画像から前記水温分布のパターンを取得し、取得した前記水温分布のパターンの変化を基に水流の状態を検出する検出部と
を備えることを特徴とする画像解析装置。
A camera that is mounted on a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) and captures a plurality of thermographic images representing water temperature distribution on the water surface from the flying UAV;
a correction unit that extracts land-side feature points from each of the thermographic images captured by the camera, performs affine transformation based on the extracted land-side feature points, and corrects mutual positions of the thermographic images; ,
a detection unit that acquires the water temperature distribution pattern from the thermography image corrected by the correction unit, and detects the state of water flow based on a change in the acquired water temperature distribution pattern. Device.
前記検出部は、前記水流の状態として水の流速及び乱流統計量を取得することを特徴とする請求項1に記載の画像解析装置。 2. The image analysis apparatus according to claim 1, wherein the detection unit acquires water flow velocity and turbulence statistics as the state of the water flow. 前記検出部は、取得した前記水温分布のパターンに対して直接相互相関法を用いて、前記水流の状態を取得することを特徴とする請求項1に記載の画像解析装置。 2. The image analysis apparatus according to claim 1, wherein the detection unit acquires the state of the water flow using a direct cross-correlation method for the acquired water temperature distribution pattern. 前記カメラは、陸地を含ませて前記水面の前記サーモグラフィ画像を撮影し、
前記補正部は、前記サーモグラフィ画像上の前記陸地の中から前記陸地側特徴点を抽出する
ことを特徴とする請求項1に記載の画像解析装置。
The camera captures the thermographic image of the water surface including land;
The image analysis apparatus according to claim 1 , wherein the correction unit extracts the land side feature point from the land on the thermography image.
前記水温分布及び前記検出部により検出された前記水流の状態を報知する報知部をさらに備えたことを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載の画像解析装置。 5. The image analysis apparatus according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a notification unit that notifies the water temperature distribution and the state of the water flow detected by the detection unit. 飛行するUAVに搭載されたカメラに、水面のサーモグラフィ画像を複数撮影させ、
前記カメラにより撮影された前記サーモグラフィ画像のそれぞれから陸地側特徴点を抽出し、抽出した前記陸地側特徴点を基にアフィン変換を行なって、各前記サーモグラフィ画像の相互の位置を補正し、
補正した前記サーモグラフィ画像から水温分布のパターンを取得し、
取得された前記水温分布のパターンの変化を基に水流の状態を検出する
ことを特徴とする画像解析方法。
Let the camera mounted on the flying UAV take multiple thermography images of the water surface,
extracting land-side feature points from each of the thermographic images captured by the camera , performing affine transformation based on the extracted land-side feature points, and correcting the mutual positions of the thermographic images;
Obtaining a water temperature distribution pattern from the corrected thermography image,
An image analysis method, characterized by detecting a state of a water flow based on a change in the obtained pattern of water temperature distribution.
飛行するUAVに搭載されたカメラで複数撮影された水面のサーモグラフィ画像のそれぞれから陸地側特徴点を抽出し、抽出した前記陸地側特徴点を基にアフィン変換を行なって、各前記サーモグラフィ画像の相互の位置を補正し、
補正した前記サーモグラフィ画像から水温分布のパターンを取得し、
取得した前記水温分布のパターンの変化を基に水流の状態を検出する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする画像解析プログラム。
Land-side feature points are extracted from each of a plurality of thermographic images of a water surface photographed by a camera mounted on a flying UAV, and affine transformation is performed based on the extracted land-side feature points, so that the thermographic images are mutually correct the position of
Obtaining a water temperature distribution pattern from the corrected thermography image ,
An image analysis program for causing a computer to execute a process of detecting a state of a water flow based on a change in the acquired water temperature distribution pattern.
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