１． はじめに

 我が国は山地が国土の多くを占め、沖積平野に人口の多くが集中し、毎年台風や梅雨による水害が頻発している。近年でも豪雨による河川の氾濫等により毎年多くの被害者が発生している。また、日本では河川の延長が短く、また降雨の多い時期と少ない時期がはっきり分かれていることから水資源の確保が容易でなく、これまで渇水の被害も何度となく受けてきた。
 このような自然状況の中、我が国は古くから様々な治水対策、利水対策を行ってきている。これら対策の推進にあたっては、過去の被害や河川の状況等を踏まえ適切に計画を策定し推進していく必要があるが、そのためには長期間にわたる定常的かつ継続した水文観測データの蓄積とその解析の重要性は高い。
 ここでは、水文観測のうち流量の観測、特に洪水時における流量観測（高水流量観測という）について現状と近年の取り組みを紹介する。

２． これまでの流量観測

 流量とは、1秒間に河川の断面を通過する水の量のことであり、流速と断面積の積で計算される。河川の断面積は水深を川幅で積分したものであり、水深は水位と河床高の差分であるから、基本的に流量観測は河川の水位と流速を計測することにより行われる。
 水文観測のうち、雨量や水位についてはすでにその計測が自動化され、そのデータは瞬時に河川管理者等へ転送され、また川の防災情報等により住民に提供されている。一方、これまで、流量観測は平常時の流量観測には回転式流速計等の可搬式流速計、洪水時の高水流量観測は浮子（ふし）と呼ばれる細長い「浮き」を橋梁等から投下しその流下速度を計測することにより行われてきた。
 しかしながら、浮子測法による高水流観では、観測員の安全確保等のためやむを得ず観測を中断せざるを得ない場合が発生するなど、安全・確実に観測を実施するための体制構築が急務の課題であった。また、観測には最低5名の人員を要し、洪水時には複数の観測所において同時に測定を行わなければならず、洪水の期間によっては1カ所で複数班を用意し交代制で観測を行わなければならないなど、測定期間における人員の確保も近年の技術者不足の下大きな懸案となっている。

３． 非接触型流速計

３．１　非接触型流速計の特長

 このような状況の中、現在では各機関により機械での計測法の開発も進められてきている。
 新たな計測方法は、電波や超音波を利用したドップラー式と、ビデオ画像の解析による画像式の２つに大別される。これらの計測機器は水中でなく河川の上部から計測することから非接触型流速計と呼ばれ、浮子等によるこれまでの観測と比較して以下のようなメリットがある。

• ◯計測に要する時間が短く、安定的、連続的な計測が可能

   浮子による観測の場合、1回の観測に数十分の時間を要するため、特に水位の上昇、低下の早い中小河川などではピーク時の流量をとらえられない場合がある。非接触型流速計では計測時間が数十秒程度であることから連続的、安定的な流速の計測が可能となる。

• ◯橋梁などの浮子投下施設を必要としない

   浮子で観測を行う場合、浮子を投下するために橋梁等の河川を横断する工作物が必要となる。画像解析による計測では、基本的に河川の流下方向に垂直となるよう河岸や堤防上にカメラを設置するため、横断構造物を必要としない。このため観測地点選択の際の自由度が大きい。

• ◯大きな延長を必要としない

   浮子による観測の場合、計測区間は最大流速×10～15秒程度の距離（概ね50m以上が目安）とされているが、ドップラー効果を用いた計測では点での流速が算出される。このため、観測地点の自由度が高いほか、複数の機器を用いて面的な流速分布を把握することも可能となる。

３．２　非接触型流速計の活用例

 土木研究所（土研）は、メーカーや航測会社等との共同開発により、非接触型の電波式流速計を開発した（写真－１）。電波式流速計は、ドップラー効果を利用して河川の表面流速を計測する流速計である。その概要を図－１示す。流速計から発射された電波や超音波は河川表面で反射されるが、このとき表面流速の影響を受けドップラー効果により周波数が変化する。この周波数の変化および流速計の発射する送受信波と水面の角度より表面流速が算出される。なお、写真の流速計は受信した電波の位相差により水位も計測可能な仕様となっている。

現在、電波式流速計は複数のメーカーにより製品化されている。写真－２は携帯型の電波式流速計を用いて橋梁上から河川の流速を計測している様子である。
 電波式、超音波式の非接触型流速計はほぼ水平に流れる河川の流速を上部から斜めに電波等を照射して計測するため、その照射角度が計測性能に影響を与える。水面に対し垂直に近くなれば誤差が大きくなり、平行に近くなれば照射した電波等が十分機器方向に乱反射せず、受信強度が低くなる。実際の測定にあたっては水面に45°程度の角度で照射することが推奨されている。
 流速水位計と他の手法による流速を比較した結果を紹介する。調査は、Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP)を搭載した橋上操作艇を有人船でで曳航することで複数の観測地点に移動して流量及び水位を計測し、それぞれの観測地点に照射した電波式水位流速計での計測結果と比較した。
 ADCPは、主に海洋の計測技術として活用されてきた波多層型計測技術であり、かつては機器を載せたボートの跳躍、揺動、流木の接触により流速の大きな河川での計測が困難であったが、土研による橋上操作艇や流速算出アルゴリズムの改良により河川においても精度の高い計測が可能となり、近年では河川流速の調査研究の際にリファレンスとして使用されることも多い。なお、ADCPによる河川流速の計測手法は、日本（土研）を中心とした作業チームにより令和3年に国際規格化されている(ISO24578:2021)。
 図－２に比較結果を示す。計測範囲全域にかけてADCPと電波式流速水位計の流速差は0.15m/s程度であった。また、この時の計測環境（晴天、河川の水面にある程度の波が発生）では約300m先まで計測が可能であった。¹⁾

 写真－３,４は平成28年の洪水時に北海道開発局が管理する空知川で画像処理による流量計測を行った様子である。
 平成28年8月の台風10号により、空知川は計画規模を超える出水となり上流の2カ所で堤防が決壊し南富良野町市街地が約130ha浸水する大きな被害を受けた。この洪水では、幾寅水位流量観測所の施設が被災したため水位データが取得できなくなった。また観測所へのアクセス道路の冠水や空知川の水位上昇により浮子による流量観測を中止し、観測地点より下流の橋梁において急遽浮子観測をおこなったものの、その橋も写真のように被災し立ち入り禁止となったことから動画撮影カメラによって撮影を行い、後日STIV法(Space Time Image Velocimetery)による流速の算定等を行った。²⁾

次回に続く－

【著者紹介】
山本　晶（やまもと　あきら）
国立研究開発法人　土木研究所　水工研究グループ　水文チーム
上席研究員

■略歴
東北大学工学部土木工学科卒業
1993年　建設省入省
2003年　国土交通省東北地方整備局河川部河川計画課長
2007年　国土技術政策総合研究所危機管理技術研究センター水害研究室主任研究員
2010年　東北地方整備局河川部水災害予報企画官
2011年　国土交通大学校建設部建設企画科長
2013年　国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室主任研究員
2016年　香川県土木部次長
2018年より現職

１． はじめに

近年、観測史上最大、数十年に一度、数百年に一度という異常気象が当たり前のように発生するようになっている。以前は大河川の堤防決壊等による水害が多く発生していたが、近年は市街化による地盤の保水力の低下や、局所的な集中豪雨の発生等による内水氾濫、冠水が多発している。
このような状況下では、日本国内のどこでも予想を超えるような水害が発生する危険性があり、これまでの「ハード（土木工事）」の防災対策だけで水害を防止することは経済的にも非常に困難であり、「住民の人命を守る」こと、「財産被害を軽減する」ことを目的とする「減災」観点の対策「河川モニタリング」等の重要性が増してきている。

「減災」において重要なのは、必要な情報を正確に、タイムリーに把握し、周知することによって、より早い対応をとれるようにすることであり、「備える時間」を確保することが必要である。
すなわち「計測」→「情報伝達」→「状況把握」→「判断」→「対応」を確実かつ迅速に行うことが重要となる。
そのため、近年の「河川モニタリング」ではセンサ単体による「計測」だけではなく、「情報伝達」→「状況把握」への適応が求められており、計測されたセンサのデータを、どのような手段で「情報伝達」するかという観点でのインターフェース、通信手段の付加が必須となっている。

最近では国土交通省が整備した「危機管理型水位計」(http://www.river.or.jp/riverwaterlevels/)により、非常に多くの中小規模の河川においても水位の観測が可能となり、これにより得られたデータは河川情報センターが運用するWebサイト「川の水位情報」(https://k.river.go.jp)を通じ広く一般にも公開されており、カメラ画像などとともに状況を把握することが可能となってきている。

２． 河川モニタリングの内容

主要な河川モニタリングの計測項目と内容、弊社で持っている機器等について下表に示す。
※各機器の詳細な特徴、仕様については次項で説明する。

３． モニタリング技術の紹介

3.1　水位計（接触式と非接触式）

水位計の方式には設置場所で分類すると接触式と非接触式がある。
接触式は水中に設置され、水圧を計測することにより水位を算出するものが主流である。
※水面にフロートを浮かべ、フロートの位置を検出するフロート方式も接触式に該当するが、本報での説明は省略する。
非接触式は、水面上方から超音波や電波を発し、水面からの反射に要する時間を計測し、距離に換算し、水位を算出するものであり、設置環境などにより選択が必要となる。

3.2　弊社の水位センサ

• (1)　ゼロエナジー水位計：SLX5172（超音波式）
  本製品は、太陽発電駆動によるエナジーハーベスティング技術の採用により、外部からの給電を不要とし、
  920MHz帯マルチホップ無線「SmartHop®」とLTEによる無線通信機能を備えた超音波式「水位計である。

  ZE技術は太陽光発電を利用しているが、太陽光発電は天候によって発電量が左右されるため、雨天が続き発電ができず、システム停止となるリスクがある。また充電池の特性として、曇天時の小さい電流では充電効率が下がるという問題もある。ZEではこの問題に対して、小さい電流でも高効率で充電可能なキャパシタと、2次電池の2つを組み合わせることで解決している。
  「図－1　充電構成」に示すように、晴天時は充電電流が高いため直接2次電池に充電し、曇天時の充電電流が小さい時は、一旦キャパシタに充電した後、キャパシタから2次電池に充電することで、電池に対して十分な充電電流を確保し充電効率を高めている。

  

  さらに、低電圧駆動の回路による低消費電力化で、非常に小型の太陽電池パネルと小型のバッテリーの組み合わせでの稼働を可能とし、機器の大幅な小型化を実現した。
  また、通信機能として920MHz帯マルチホップ無線「SmartHop®」とLTEによる無線通信機能を備えることで、通信線配線も不要となり、ZE技術による商用電源不要化と合わせ配線不要の水位計の製品化を実現した。

  水位計の超音波センサ部分は、河川水位計測で30年以上の運用実績のある超音波式水位計のセンサノウハウを活用しており、必要な計測精度、長期信頼性を実現している。
  超音波による計測原理は上方から放射された超音波の水面での反射波が戻るまでの時間 ｔ（往復）を計測し、この時間 ｔから次の式で水位を算出する。

  Ｈ＝Ｄ－１／２×Ｃ×t

  Ｈ：水位（深さもしくは水面の標高）（m）
  Ｄ：水位を深さで表現する場合は
  送受波器から水底までの距離（m）
  水位を標高で表現する場合は
  送受波器の標高（m）
  Ｃ：空気中の音速（m／sec）※1
  ｔ：送受波器から水面までの超音波の往復時間（sec）

  ^※1音速は気温により変動するため、付属している温度検出器で計測した気温により音速補正を行う。

  

  

  

• (2)　ゼロエナジー水位計：SLX5177（水圧式）
  本製品は、太陽発電駆動によるエナジーハーベスティング技術の採用により、外部からの給電を不要とし、920MHz帯マルチホップ無線「SmartHop®」とLTEによる無線通信機能を備えた水圧式水位計である。

  

  

• (3)　超音波式水位計
  常時給電により稼働し、豊富な出力オプションインターフェースを持つ超音波式水位計である。
  ゼロエナジー水位計：SLX5172（超音波式）と異なり、電源、通信線の配線が必要で、通常は近傍に設置されたテレメーターなどによりデータを送信するため、連続で水位を計測することが可能。

  

  

• (4)　小型Web配信「冠水レーダー」
  電波により反射面までの距離と、電波反射強度計測の機能を持つ電波センサと、Webサーバー機能を持つロガーを組み合わせた装置である。
  市街地、道路、アンダーパスなどの冠水や浸水を検知、計測する装置で、住宅浸水の早期検知や冠水道路への車両の進入の防止等に利用される。

  

  

  

次回に続く－

【著者紹介】
森　孝之（もり　たかゆき）
静岡沖電気株式会社　技術部

■略歴
1977年　沼津工業高等専門学校　工業化学科（現　物質工学科）卒業
同年　　 興国ゴム工業株式会社（現　興国インテック株式会社）
1989年　沖電気工業株式会社
2000年　静岡沖電気株式会社（現職）
2018年～　NPO法人　光ファイバセンシング振興協会　監事

１．はじめに

 近年の気候変動に伴い集中豪雨や大雨の発生頻度が増加傾向を示し，計画規模を上回る洪水が毎年のように発生している¹⁾．洪水を安全に流下させるためのインフラ施設が河道や河川堤防であり，その役割は益々重要となっている．河川管理では，河道や河川堤防といった河川管理施設で、災害リスクのある箇所を漏れなく把握し，適切に対処することが求められる．災害リスクのある箇所を把握するために，これまで数年に一度の河川縦横断測量と年1回以上の河川管理施設の点検（河川点検）が行われてきた．河川縦横断測量では，200mといった一定間隔ごとに測線を設定し、堤防天端の高さと河川堤防と河道の横断形状を把握する．また河川点検では，出水前後，堤防などの除草後の時期に，堤防や河川管理施設を対象に，地形や地物の変形（変状）などの有無を目視で確認し，その長さ・深さを巻尺などで計測している．しかし，河川縦横断測量は，測線間の災害リスクが把握できない恐れがあり，また巻尺を使った河川点検は，河道や河川管理施設の状態を適切に数値化して蓄積することが難しい．
 近年，河道状況を漏れなく把握するために，陸部だけではなく水部が計測できる緑波長光のレーザスキャナ（グリーンレーザスキャナ）を利用した航空レーザ測深（Airborne LiDAR Bathymetry：ALB）が実用化されている²⁾．この計測システムは，飛行機で空中を移動しながら下方にレーザ光を照射することで，計測点が膨大に集合した三次元点群を取得できる．ALBで取得した三次元点群の利点は，上流から下流までの広い範囲の河道把握には適していること、数m以下の細かい地上解像度で面的（連測的）に地形や地物の形状を把握できること，位置情報を持つためデータ蓄積や異なる取得時期のデータの比較がしやすいことが挙げられる．一方で，運航費用の高い有人航空機を用いるALBは，狭い範囲の計測やモニタリングのような複数時期のデータ取得において、コスト面での課題が指摘されている．
 こうした課題への対策として，近年，計測機器の小型化・軽量化が進み，無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle: UAV，又はドローン）をプラットフォームとしたグリーンレーザドローンが登場した．有人飛行機に比べ機体コストが安いドローンにグリーンレーザスキャナを搭載することで，狭域の河川堤防や河道の把握や，複数回の計測（モニタリング）を効率的に実施できると期待されている．本稿は，グリーンレーザドローンの概要と，河川管理における活用事例を紹介する．

２．グリーンレーザドローン

 グリーンレーザドローンは，近赤外線波長帯に比べ水部での減衰が少ないグリーンレーザ光を用いたレーザスキャナを搭載する．この計測システムは，レーザ光を地上に向けて照射，計測対象物から反射し戻ってきたレーザ光の往復時間から距離を観測し，Global Navigation Satellite System(GNSS)，Inertial Measurement Unit(IMU)で取得した位置と姿勢データをあわせて解析することで，三次元点群を生成できる．さらに水部では，上空から水部に照射されたグリーンレーザ光の一部が水面で反射し，一部が水面を透過して水中を進み，水底で反射する．水部のレーザ計測では，図1で示すように空中部と水部で光波の進行速度と角度が異なる屈折を考慮して補正を行う．これらを踏まえた解析を行うことにより，陸部と水部の地形や地物の形状を三次元点群で再現することが可能となる．

 国土交通省では，2016年に革新的河川管理プロジェクト（第一弾）において，陸上・水中レーザドローンの技術開発公募が行われ，河川管理に必要な陸部と水部の河道形状を同時に取得できる計測システムの開発が行われた³⁾．この公募に，株式会社パスコと株式会社アミューズワンセルフが共同で参加し，陸上・水中レーザドローンの開発を株式会社アミューズワンセルフが，現場導入するための検討を株式会社パスコが担当した．その結果，世界で初めて陸部と水部を同時，且つ面的に計測できるグリーンレーザドローン（TDOT GREEN）が実用可能であること，一般的な水部測量で利用されている音響測深では船舶の進入不可により計測が難しかった水深0mから2.5m程度の浅い地形を面的に計測できる特長を示した。その後、グリーンレーザドローンは、国土交通省や測量企業で導入されており、今後、河川管理などで実用が進むと考えられている。
 以降では、TODTGREENの概要と特徴を示す．表１と図2は，TDOT GREENの最新機であるTDOT3GREENの機器仕様と外観を示す⁴⁾．TDOT3GREENは，計測点数が3万点/秒であり，秒速数mのスピードで飛行できるドローンに搭載することで，100点/m²以上の高密度なレーザ点群を取得できる．また，対象物計測時のレーザ径（フットプリント）は，対地高度50mで約5㎝と小さく，航空レーザ測量に比べて高精細な形状を再現できる．レーザスキャナは，重量が2.7kgで，コンパクト化・軽量化が図られており，DJI社製 Matrice300に搭載した場合，最大約30分のフライトが可能となる．これは，現状のレーザドローンで最長クラスの飛行時間となる．さらに，TDOT 3GREENは，機器性能に適した計測諸元や計測計画を簡単に設定できる計測計画支援ソフトウェアや，現地で即時にデータ計測状況を確認できるソフトウェアが充実している．これらのソフトウェアは，リアルタイム，又は計測の数分～数十分後に現場で欠測範囲の有無を確認できるため，確実な現場作業の実現に寄与できる．

次回に続く－

【著者紹介】
間野 耕司（まの　こうじ）
株式会社パスコ

■略歴
 1999年3月岐阜大学大学院工学研究科土木工学専攻修了．1999年4月株式会社パスコに入社後，航空レーザ測量，MMSおよびUAVなどの三次元計測業務に従事し，現在に至る．その間，2018年岡山大学大学院環境生命科学研究科環境科学専攻を修了．博士（工学）．