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2021 年度 実施状況報告書

Xバンドレーダとデータ駆動の融合による高分解能かつ多元的な洪水モニタリングの創出

研究課題

研究課題/領域番号 20K20543
研究機関新潟大学

研究代表者

安田 浩保  新潟大学, 災害・復興科学研究所, 研究教授 (00399354)

研究分担者 村松 正吾  新潟大学, 自然科学系, 教授 (30295472)
早坂 圭司  新潟大学, 自然科学系, 教授 (40377966)
大竹 雄  東北大学, 工学研究科, 准教授 (90598822)
岡田 将治  高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 教授 (80346519)
萬矢 敦啓  国立研究開発法人土木研究所, 土木研究所(つくば中央研究所), 主任研究員 (00314740)
研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2023-03-31
キーワードマイクロ波 / 河川 / デジタルツイン
研究実績の概要

一般にマイクロ波は、陸地や構造物などの固体での反射強度は強く、河川水などの流体などでは吸収されてその反射強度は微弱となる。本研究では、Xバンドレーダーを用いて河川に向けてマイクロ波を発射し、マイクロ波の発射位置から2km程度の位置の河川の水面からもマイクロ波が反射されることを明らかにした。また、得られたマイクロ波の反射強度の空間分布の数理的な処理により、数mの極めて細密な間隔で左右岸のそれぞれの水位を数秒ごとに測定できることを実証した。現在の洪水時の危機管理は、数kmごとに配置された水位計とCCTVカメラを用いて行われているが、洪水時の河川の挙動をこれらの機材により空間的に連続して把握することはできず、特に夜間はカメラの有効範囲が大幅に限定される。一方で、本研究は、洪水時の危機管理にマイクロ波を用いれば、昼夜を問わずに空間的に連続した把握が可能となることを示した。

河川の水面から得られるマイクロ波の反射強度画像を時間方向に観察すると水表面の流れを捉えたものと考えられる画像が認められる。水表面の流れに対応した紋様はその地点における流速と相関が高いことに着目し、その検証を行った。具体的には、UAVにより水表面の紋様の動画を撮影し、その動画の画像解析から水表面の流速の推定を行った。同様に、マイクロ波の反射強度の動画についても同様の画像解析を行った。両者の画像解析から得られた水表面の流速を比較したところ良好に一致することを明らかにした。

上記の通り、水位と流速のそれぞれを高い空間分解能かつ数秒ほどの高い空間分解能で測定できることを実証した。河川に照射したマイクロ波の反射強度の空間分布に基づき実河川のデジタルツインの構築が可能となりつつある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

河川にマイクロ波を照射することにより、河川の水位と流速のそれぞれを高い空間分解能かつ数秒ほどの高い空間分解能で測定できることを実証できた。マイクロ波の反射強度の空間分布に基づき実河川のデジタルツインの構築が可能となりつつあるため。

今後の研究の推進方策

実河川の挙動について人間が視認するほどの空間分解能で高頻度に測定する手法は未確立である。このことが大きな要因となり、洪水時の河川の挙動は不明なことが多い。本研究では、河川にマイクロ波を照射することにより、水位と流速のそれぞれを高い空間分解能で測定できることを実証した。2022年度は、マイクロ波の反射強度の空間分布に基づき、洪水時の左右岸での水位の違いや河床変動をどの程度把握できるかの検証を進める。また、マイクロ波の反射強度の空間分布にはノイズの混入や遠方での空間分解能の低下が避けられず、信号処理理論に基づきこの問題の緩和に挑戦する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] Capture method for digital twin of formation processes of sand bars2022

    • 著者名/発表者名
      Moteki D.、Murai T.、Hoshino T.、Yasuda H.、Muramatsu S.、Hayasaka K.
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 34 ページ: 034117~034117

    • DOI

      10.1063/5.0085574

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] River Flow Path Control With Reinforcement Learning2021

    • 著者名/発表者名
      Dongqi LIU , Yutaka NAITO , Chen ZHANG , Shogo MURAMATSU , Hiroyasu Yasuda , Kiyoshi HAYASAKA , Yu OTAKE
    • 雑誌名

      Proc. of The IEEE International Conference on Autonomous Systems (IEEE ICAS 2021)

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マイクロ波レーダーによる河川モニタリングの概念実証2021

    • 著者名/発表者名
      茂木大知 , 大原由暉 , 室永武司 , 西村雄喬 , 有澤良佑 , 前野仁 , 早坂圭司 , 村松正吾 , 安田浩保
    • 雑誌名

      河川技術論文集

      巻: 27 ページ: 619-624

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 浸水域の経時的変化の推定モデルのための地形 適合セルの機械的生成法と先端条件の検証2021

    • 著者名/発表者名
      佐々木靖幸 , 安田浩保
    • 雑誌名

      河川技術論文集

      巻: 27 ページ: 111-116

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 砂州河川の危険箇所の複層的推定法の構築2021

    • 著者名/発表者名
      石塚芳 , 石原道秀 , 安田浩保
    • 雑誌名

      河川技術論文集

      巻: 26 ページ: 523-528

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sparse-Coded Dynamic Mode Decomposition on Graph for Prediction of River Water Level Distribution2021

    • 著者名/発表者名
      ARAI Yusuke、MURAMATSU Shogo、YASUDA Hiroyasu、HAYASAKA Kiyoshi、OTAKE Yu
    • 雑誌名

      Proc. of 2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP)

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/icassp39728.2021.9414533

    • 査読あり
  • [学会発表] 交互砂州上の流れを再現する数値計算に要求される空間分解能2021

    • 著者名/発表者名
      石原道秀, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 静水圧条件下における堤体越流侵食過程の再現手法の検討2021

    • 著者名/発表者名
      仮澤広晃, 大泉尚紀, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部研究調査発表会
  • [学会発表] 空中写真を用いた砂州の自動検出法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      田所祐輝, 茂木大知, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 平坦床からの自発的な河床波の発生過程の実測2021

    • 著者名/発表者名
      関翔平, 茂木大知, 村井剛德, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 摩擦損失係数を定数とした浅水流解析の再現性について2021

    • 著者名/発表者名
      大泉尚紀, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] マイクロ波の反射強度を用いた左右岸水位と表面流速の推定2021

    • 著者名/発表者名
      大原由暉, 茂木大知, 早坂圭司, 村松正吾, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] DMD による移動床水理の観測ビッグデータの時系列解析2021

    • 著者名/発表者名
      齊藤浩輝, 茂木大知, 安田浩保, 村松正吾, 早坂圭司
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 実河川における自発的に形成された澪筋の形状安定性2021

    • 著者名/発表者名
      村井剛德, 安田浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 砂州の形成・発達過程における水面測定の不確実性について2021

    • 著者名/発表者名
      茂木大知, 村井剛德, 安田浩保, 早坂圭司, 村松正吾
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
  • [学会発表] 交互砂州が左右岸の水位差に及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      黛由季, 茂木大知, 村井 剛徳, 安田 浩保
    • 学会等名
      第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会 2021年11月

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公開日: 2022-12-28  

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