RIVeR

PIV、STIV で河川の表面流速を比較しました。

以前、Python で組んでいたPIV＋STIV。これに動画をよませるだよませるだけです。
https://phreeqc.blogspot.com/2019/10/piv-stiv.html
https://phreeqc.blogspot.com/2019/10/stiv.html

今回は流速を実際に計測していますので、答え合わせができます。
PIV は静かな流れだと流速を掴みづらいようです。パラメータを調整しましたが、目立つ浮遊物がない限り、実際よりも低速と判定されます（というよりも認識しません）。
STIVは安定しています。浮遊物がなくても安定して流速を把握できます。
両者とも正しい答えを出すのですが、安定性で STIV 優位でしょうか。結果的には土研さんや国交省さんと同じ選択となりました。
http://www.jsece.or.jp/event/conf/abstract/2014/pdf/P2-56.pdf

表面流速が得られても、流量を出すにはひと手間必要です。複数のラインで平均流速を出したのち、断面形状と位置をあわせてから、それぞれの流速が受け持つ範囲を決めて流量を出す必要があります。このあたり、1から組むのは面倒。
ソフトがないかな？と探してみると、ありました。またしてもUSGSが噛んでいるのでしょうか。

RIVeR
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098300417307045?via%3Dihub#!
http://riverdischarge.blogspot.com/

使ってみたところ、優秀。計算はもちろん、静止画への変換から幾何補正まで一通りの機能が備わっています。Unshake と言って、画像のブレを補正してくれる機能まであるので、スマホ撮影でも対応できそうです。しかも、PIV 版と STIV 版の両方が備わっています。
残念ながら、PIV で一部の流速を得られないのは同じ。これはソフトに起因するものではなく、手法に起因するものでしょう。一方、STIV では安定した結果を得られます。良いですね。

PIV で指定横断に直行方向の流速が得られる点もgood。Python では u,v 成分から指定横断位置での直交方向の流速を出す必要がありました。これを自動で算出してくれます。

残る課題は高さの把握。
洪水時等に幾何補正を為せるだけの高さ情報が必要になります。これを効率的に得るためにはどのようにすればよいかアイデアが必要があるでしょう。この点では、水路のような形状だと楽なのですが。

ひとまず、理屈を理解し、ソフトを準備しました。
残る課題をクリアし、本番に備えましょう。

PIV と STIV

PIV を触っていたのが7年前。
https://phreeqc.blogspot.com/2012/04/piv.html

このPIV、今は OpenPIV の example だけで十分実装できるレベル。画像を2枚指定して、比較する大きさを決め、相互相関を取り、閾値以下のベクトルを表示するだけ。1時間ほどで実装できました。
ソースとしての動画の扱いや、その幾何補正は OpenCV。こちらも1時間ほどで組めました。簡単でした。

平成26年版の河川砂防技術基準では、主要な流量観測手法に PIV が含まれています。が、雨滴等に弱いためか、土研さんは STIV 等を勧めています。この STIV、論文発表が2003年なので古い技術です。
https://www.pwri.go.jp/team/hydro_eng/manual.htm
どちらも速度を出すために、時空間を扱います。
PIV は空間寄りの計算法ですが、STIV は時間寄りです。1次元のライン上で、輝度の時間変化を取り出し連結します。縦軸に空間（距離）、横軸に時間を取るように連結させると、その画像の輝度の傾きで速度を出せます。理解し易い発想です。

その後、平成29年には国土交通省の「水文観測業務規程」が改正され、「その他」として画像による河川流量の観測方法が加わりました。
http://www1.river.go.jp/
https://www.pwri.go.jp/jpn/about/pr/event/2018/1011/pdf/kouen4.pdf

手法は何であれ「できない」は避けたいところ。いつか STIV も実装しようかな。

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20191222追記

土研さんの「流量観測の高度化マニュアル（高水流量観測編）Ver1.2」D1より。

『河川砂防技術基準 調査編、第 2 章 第 4 節－3、平成 26 年 4 月』には、画像処理型流速計測法として LSPIV が示されている。しかし、LSPIV はパラメータ設定や撮影動画像の分解能に計測精度が依存するため、近年ではほとんど用いられていない。
一方、LSPIV に替わる画像処理型流速計測法として STIV、PTV として浮子を活用するFloat-PTV が実用化されつつあるため、本ガイドラインでは LSPIV は除外している。

https://www.pwri.go.jp/team/hydro_eng/manual/manual_D1.pdf

粒子画像流速測定法 （PIV）

先日、後輩から粒子画像流速測定法 （PIV）を地すべりに適用した事例を紹介してもらいました。

地すべりで画像を使用した移動方向の推定を行う場合、精度を保つには画像のプレ処理が難しいだろうなあ、と思いながら聞いていました。まあ、これは Optical Flow でも共通しています。

聞きながら、ふと、思いつきました。
「これ、河川や泥流の流速が測れるのではないか？」

以前、Optical Flow で流速が測れるのでは？という思いつきを書いたことがあります。http://phreeqc.blogspot.jp/2012/02/lp.html
PIV と流体の流速について調べてみると、国交省でも研究されていたようです。H15年の発表が公開されています。その後、どうなったのでしょう？技術的に困難だったのでしょうか？
http://www.mlit.go.jp/chosahokoku/h15giken/pdf/0214.pdf

さらに調べてみると、既に PIV を利用した測定器も販売されていました。かなり進んでいますね。


先輩が泥流を WEB カメラで観測している現場があります。国交省の発表のように本来は補正が必要ですが、まず PIV ソフトで認識するかどうか試してみましょう。