UAVを用いた高頻度海浜モニタリング
鈴木 彰容
1・三戸部 佑太
2・田中 仁
3・Volker Roeber
4 1学生会員 東北大学 大学院工学研究科（〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-06） [email protected] 2正会員 東北学院大学講師 工学部環境建設工学科（〒987-8537 宮城県多賀城市中央 1-13-1） [email protected] 3フェロー会員 東北大学教授 大学院工学研究科 (〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-06) [email protected] 4非会員 東北大学 災害科学国際研究所 (〒980-0845 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 468-1) [email protected]近年UAV (Unmanned Aerial Vehicle)による写真測量技術が発達し，海浜地形測量への適用が始められて いる．UAVは他の手法と比較してコストが小さいため容易に広範囲かつ高頻度のモニタリングが可能であ る．本研究ではUAVを用いて約1週間間隔という高頻度かつ継続的な海浜モニタリングを行うことで，よ り詳細な海浜変形過程を議論することを目的とした．取得された画像に対して汀線解析を実施したところ， 日常的に十メートル程度の汀線変動が発生していることが分かった．また撮影期間中の2016年11月22日に 福島県沖で発生した津波が対象地域を越流したことを受け，津波による詳細な地形応答を分析するために 津波後1，3，5日後に追加で撮影を実施した．津波前後の画像に対して三次元解析を実施したところ，津 波によって砂浜表面が平滑化することが分かった．
Key Words : UAV, high frequency monitoring, shoreline analysis, 3D shape reconstruction
1. はじめに
近年UAV (Unmanned Aerial Vehicle)による写真測量技術 の発達により多くの分野でUAVが取り入れられており， 海岸工学分野においても海浜地形の測量に適用が始めら れている1)．UAVにより空中から撮影される画像（図-1） は3次元の海浜地形測量を可能とするだけでなく，海浜 へ打ち寄せる波浪の観察を可能とし，海浜モニタリング に適した技術であるといえる．もう一つのUAVの利点 として他の手法と比較してコストが小さく，容易に広範 囲かつ高頻度のモニタリングが可能となるため，これは 日々その形状を変容させる海浜のモニタリングに重要な 特長である．本研究ではUAVを用いて約1週間間隔の高 頻度での海浜モニタリングを行い，これまでの技術では 困難であった高頻度かつ継続的な海浜変形データを取得 し，より詳細な海浜変形過程を議論することを目的とし た．
2. 対象地域
本研究では仙台市の七北田川河口付近を対象とした （図-2）．七北田川は，仙台市北西部の泉ヶ岳に源を発 し，仙台市蒲生地先付近で仙台湾に注ぐ二級河川である． 幹線流路延長は45 km，流域面積は229.1 km2であり2)，河 口周辺の地形変化について数多くの研究がなされてきて いる3)．七北田川はもともと現河口近くで約1 km北上し て仙台湾に注いでいたが，これは仙台海岸において北上 する漂砂が卓越することを示している．1965年の仙台港 建設を受け，導流堤によって現位置に固定された．近年 においては，河口砂州の形状は沿岸漂砂の影響により右 岸側が伸長する傾向にあるが，波向等の波浪条件に応じ た細かい変形を繰り返している．昨年2016年8月30日に 東北に上陸した台風10号による高潮・高波によって対象 地域を含む仙台海岸において大きな海浜侵食が生じたこ とが三戸部ら4)によって報告されている．2016年9月8日 図-1 UAVによって撮影された画像の例には温帯低気圧が宮城県沿岸を北上したことにより，宮 城県の広い範囲で記録的な降雨が観測された．また2016 年11月22日には福島県沖で発生した地震によって津波が 発生し，仙台新港において最大で1.4 m程度の水位上昇 が観測され5)，Suppasriら6)によって津波が対象地域の砂 丘部を越流したという報告がなされている．なお，沖合 約5 km地点にはNOWPHAS観測点が設置されている．ま た七北田川河口上流約10 km地点には，岩切水位観測所 があり，取得された水位データから流量を算出した．
3. 使用器具及び撮影手法
本研究で用いたUAVはSwellPro社のSplashDroneである． 内蔵GPSによる完全自律飛行が可能であり，防水仕様で あるため雨天時での航行及び水面での離着陸が可能であ る．用いたカメラはGoPro社のGoProHERO4であり，解像 度は12 Mpixel (3000×4000) となっている．広角レンズが 適用されているため，画像には樽状の歪みが発生したが， 事前にカメラキャリブレーションを実施し得られた校正 値を用いることで，歪みを除去した． 写真撮影は，2016年9月17日から12月3日までの期間に 概ね一週間間隔で行った．基本的に海岸線と平行する方 向に約4 m/sの速さでUAVを航行させ，2 fpsで撮影を行っ たので，取得された画像は約2 m間隔で撮影されたもの である．モニタリングの開始直前の2016年8月30日には 台風10号が来襲し，対象領域において数十メートルの汀 線後退及び，河口砂州の侵食が生じたことが確認されて いる4)．また2016年11月22日には福島県沖で発生した津 波が河口砂州や蒲生干潟前面の砂丘部を越流した6)．津 波による地形変化及びその後の地形応答を詳細に観察す るために津波後の1，3，5日後に追加で撮影を実施した． このとき，河口前面部における波の挙動の変化をモニタ リングするために，追加で河口部上空から動画撮影を行 った．また三次元形状復元の際の地理参照点として河口 導流堤上及び堤防上から数十点程度選び，RTK測量を実 施することで座標を取得した．4. 解析手法
(1) 汀線解析 UAVによって取得された画像の幾何補正は，地上基 準点に基づいた射影変換により実施した．その後画像の 輝度分布から陸域と海域とを判別し汀線を抽出した．写 真の撮影時刻に対応する潮位を前浜の平均勾配で除する ことで汀線補正量を算出し，潮位補正を行った．これに より，T.P.0 mで定義される汀線位置を算出した．前述の ように撮影開始直前の2016年8月30日に大規模な台風が 来襲しており，その後の変形過程をモニタリングするた めに，台風通過1日後の別途航空機により撮影された空 中写真から求めた汀線位置との比較も行った． (2) 三次元形状復元 移動撮影によって多視点から取得された画像群から対 象物体の三次元形状復元とカメラパラメータの推定を行 う手法として，SfM (Structure from Motion) が広く知られて いる．例えばSIFT (Scale Invariant Feature Tranceform)7)などの 画像の輝度変化や幾何学的な変形に対してロバストな特 徴量を用いた特徴ベースの対応付けにより，安定してカ メラパラメータの推定及び三次元形状の復元を行うこと ができる．本研究ではSURF (Speed Up Robust Features)8)を特徴量と して用いて特徴ベースの対応付けを行い，それによりカ メラパラメータの推定及び画像のステレオ平行化9)を行 った．ステレオ平行化した画像に対して，一次元位相 限定相関法10) 11)を用いた領域ベースの対応付けを行うこ とで，三次元点群データを取得した．最後にバンドルア ジャストメント12)を実施することで，取得された点群デ ータとカメラパラメータの最適化を行い，密な砂浜の三 次元形状を復元した．解析に際してはMATLABを使用 し，上述の特徴点の抽出，特徴点の対応付け，カメラパ ラメータの推定及びバンドルアジャストメントに関して はMATLABのComputer Vision System Toolboxの組込関数を 用いて実施した．
5. 結果
(1) 汀線変化 2016年9月1日から2016年12月3日の期間において，撮 影された画像を幾何補正したものをいくつか図-3に示し た．これらの画像を見ると，短期間でも砂浜の形状が大 きく変化していることが確認できる．これらの写真から 抽出された汀線を図-4(a)~(c)に示した．またNOWPHAS から取得された有義波高と有義波周期を図-4(a)~(c)の期 間に対応するようにそれぞれ図-5(a)~(c)として示した． 台風通過直後の9月1日の汀線を見ると，右岸導流堤が突 出していることが分かるが，約半月後の9月17日には右 岸側から大きく河口砂州が張り出していることが確認で きる（図-4(a)）．ここで岩切観測所で観測された水位デ ータから，水位流量曲線を元に算出した流量データを図 -6として示した．先述の通り，2016年9月8日に温帯低気 図-3 河口部付近の幾何補正後の画像 (b) 2016/10/22~2016/11/18 図-4 汀線変動 図-5 有義波高と有義波周期 (c) 2016/11/18~2016/12/03 (a) 2016/09/01~2016/10/22 (b) 2016/10/22~2016/11/18 (c) 2016/11/18~2016/12/03 (a) 2016/09/01~2016/10/22圧が宮城県沿岸を北上したことを原因として，仙台市で はこの間132 .5 mmという大雨を記録した．またこの間七 北田川上流10 km地点にある岩切水位観測所における河 川流量が一時的に200 m3/sを超えていることが分かる （図-6）．一方 8月30日の台風10号によって，蒲生干潟 前面の砂丘部において越波が生じ蒲生干潟に海水が侵入 した様子が三戸部ら4)によって報告されている．ここで 図-5(a) の波浪情報を見ても特徴的な変化はみられず， 大規模な汀線の前進が岸沖漂砂によって引き起こされた とは考えにくい．以上のことから，9月8日の午後から9 月9日の午前にかけて発生した大規模な出水と共に，台 風によって河道上流へと輸送された土砂が下流へ流され 河口に供給されたため，短期間に汀線が50 m前進したと 考えられる．その後再度河口付近を中心に侵食が生じ， 10月22日に最も汀線が後退している．10月22日以降は漂 砂上手側である河口右岸側から段階的に汀線が前進して おり，沿岸漂砂による回復が生じていることが確認でき る（図-4(b)）．11月22日に来襲した津波前後での汀線変 化を見ると，津波自体による汀線変化は小さい一方で， 津波後徐々に河口左岸側において河口砂州が突出し，上 流側に押し込まれていることが分かる（図-4(c)）．ここ でUAVによって撮影された河口前面部の画像（図-7） を見ると，河口前で局所的に砕波帯が広く，河口テラス の存在が確認でき，津波前後の河口前面部の画像（図-8） を比較すると，津波前は波が大きく屈折しているが，津 波後はこのような屈折が見られず，これは津波により河 口テラスが消失したことを示している．これにより河口 への波の打ち込みが強くなったことで河口砂州の押し込 みが生じたものだと考えられる．特に11月27日から12月 3日の変化が大きいのは， 図-5(c)で12月3日の直前に2 m を超える有義波が発生したことが原因だと考えられる． (2) 三次元解析 津波前後の汀線変動（図-4(c)）をみると，左岸砂州は 押し込みが発生していたが，右岸砂州には大きな変化が 見られなかった．しかし先述の通りSuppasriら6)によって 津波が対象領域を越流したという報告がなされているこ とから，津波前後の右岸砂州の変形を分析するために， 津波前の11月18日と津波後の11月23日の画像に対して， 三次元形状復元を行った．最初に，取得された三次元点 群データから作成したオルソイメージを図-9(a)(b)に示 した．津波前後の様子を比較すると，津波後は堤防近く の導流堤上に砂が堆積しており，また導流堤に長さ10 m 程度の流木が乗り上げていることが分かるが（図-9(b) 赤枠），津波前はこのような様子が確認できない．これ より津波は導流堤を越流したと考えられる．また津波前 は砂州の表面に凹凸が見られるが，津波後はこのような 凹凸が見られないことから，津波によって砂州表面が平 滑化されたことが分かる．次に取得された三次元点群デ ータを1 mメッシュで区切り平均値を取ることにより作 成したDSMを図-10(a)(b)に示した．また津波後のDSMか ら津波前のDSMを引くことで算出した高度差を図-11に 示し，図-11の導流堤及び堤防上でのヒストグラムを図-12に示した．図-12のヒストグラムの平均値は-0.01 mで あり標準偏差が0.11 mであることから，概ね精度良く三 次元計測が行えたことが分かる．図-10の津波前のDSM を見ると10月22日の汀線位置付近（図-10(a)赤線）で標 高が高くなっていることが分かるが，津波後のDSMか 図-6 9月の岩切水位観測所における流量の推移 図-8 津波前後の河口前面部における波の様子 図-7 河口テラスの様子
らはこの凸線が見られない．実際図-11からも分かるよ うに10月22日の汀線付近で侵食されていることがわかる． 一方導流堤の南側では砂が0.5 m程度堆積していること が分かる．これは津波によって輸送された土砂が導流堤 図-9 オルソイメージ (a) 2016/11/18（津波前） 図-12 高度差の導流堤及び堤防上のヒストグラム (b) 2016/11/23（津波後） 図-11 津波前後の高度差（津波前－津波後） 図-10 津波前後の DSM (a) 2016/11/18（津波前） (b) 2016/11/23（津波後）
によって遮断されたことを示唆している．
6. 主要な結論
本研究では，これまでコストの面から困難であった高 頻度かつ継続的な海浜モニタリングを，近年発達してい るUAV写真測量を適用することによって，2016年9月17 日から2016年12月3日までの期間において，概ね一週間 間隔という高頻度で実施した．8月30日に東北に上陸し た台風10号によって大きく侵食された汀線が，およそ半 月後の9月17日には局所的に50 m以上前進していること が分かった．これは2016年9月8日に宮城県沖を通過した 温帯低気圧によってもたらされた記録的な降雨による出 水で，土砂が河口へ供給されたことが原因であると考察 された．また2016年11月22日に発生した津波前後で，河 口右岸砂州について三次元形状復元を実施したところ， 津波によって砂州表面が平滑化されたことが分かった． また津波後導流堤の南側の海浜で砂が堆積傾向を示して いることから，導流堤には津波によって輸送された土砂 を遮断する効果があることが分かった． 今回UAVを用いて高頻度にモニタリングを実施する ことで，詳細な海浜の変形過程を議論することができた が，河口近傍において一週間で最大数十メートルの汀線 変化が生じた期間があり，より微視的な海浜変形過程の 理解には更なる高頻度でのモニタリングが必要であろう． 謝辞：本稿で示した仙台新港における波浪観測値は国土 交通省港湾局が観測し港湾空港技術研究所で処理された 速報値である．また本研究は公益財団法人河川財団の運 営する河川基金による助成を受けて実施された．また本 論文の公表にあたり，澤本正樹研究発表奨励金の援助を 受けた．ここに記して謝意を表す． 参考文献 1) 松葉義直，佐藤愼司，波多野景治：静岡県福田浅羽 海岸サンドバイパス吐出口周辺における UAV を用い た地形変化監視手法の適用，土木学会論文集 B2（海 岸工学），Vol.72，No.2，pp.I_851-I_858，2016. 2) 田中仁：第 11 章七北田川，日本の河口，澤本正樹・ 真野明・田中仁編著，古今書院，pp.104-114，2010. 3) Patchanok Srivihok，田中仁：高頻度空中写真撮影によ る七北田川河口砂州動態の検討，海岸工学論文集， Vol.51，pp.531-535，2004. 4) 三戸部佑太，田中仁，鈴木彰容，梅田信，小森大輔， 峠嘉哉：平成 28 年台風 10 号による仙台海岸海浜変形 への影響，土木学会論文集 B3（海洋開発），Vol.73， No.2，2017.（印刷中） 5) 気象庁：平成 23 年（2011 年）東北地方太平洋沖地震 について（第 79 報），http://www.jma.go.jp/jma/press/ 1611/22b/kaisetsu201611221100.pdf，参照 2016-11-22. 6) Suppasri Anawat，山下啓，Roeber Volker，林晃大，大平浩之，福井謙太郎，久松明史，今村文彦：2016 年 福島県沖地震津波の数値解析と現地調査，土木学会 東 北支部 技術研 究発表 会講演 概要集 ，2016.（CD-ROM）
7) Lowe，D. G.：Distinctive image features from scale-invar-iant keypoints，Int’l J.Computer Vision，Vol.60，No.2， pp.91-100，2004.
8) Bay，H.，Ess，A.，Tuytelaars，T. and Gool，V.L.： Speeded-up robust features (SURF)，Computer Vision and Image Understanding ， Vol.110 ， No.3 ， pp.346-359 ， 2008.
9) Fusiello， A.， Trucco，E. and Verri， A.： A Compact Algorithum for Rectification of Stereo Pairs，Machine Vi-sion and Applications，Vol.12，No.4，pp.1-18，2000. 10) 酒井修二，伊藤康一，青木孝文，増田智仁，運天弘 樹：多視点ステレオのための位相限定相関法に基づ く画像マッチングの高精度化，情報処理学会研究報 告，Vol.186，No.22，pp.1-8，2013. 11) 柴原琢磨，沼徳仁，長嶋聖，青木孝文，中島寛，小 林孝次：一次元位相限定相関法に基づくステレオ画 像の高精度サブピクセル対応付け手法，電子情報通 信学会論文誌 D，Vol.J91-D，No.9，pp.2343-2356， 2008. 12) 岡谷貴之：バンドルアジャストメント，情報処理学 会研究報告，Vol.167，No.37，pp.1-16，2009. (2017. 3. 15 受付)
HIGH-FREQUENCY BEACH MONITORING WITH UAV PHOTOGRAMMETRY
Akihiro SUZUKI, Yuta MITOBE, Hitoshi TANAKA and Volker ROEBER
Recently, due to the development of 3D photogrammetry and UAVs, the UAV photogrammetry has been widely applied to various fields of study including coastal engineering field. The UAV photogrammetry has some important advantages for beach monitoring to enable us to frequently and easily observe mor-phology of beaches and also nearshore wave propagation. In this study, morphological changes on the beach around the Nanakita River mouth were observed with one week frequency of UAV flights. A conventional method of shoreline analysis was firstly applied to see the short-term recovery of shoreline positions after a big typhoon event in 2016. And also the effect of a tsunami event in November 2016 on beach morpho-logical changes around the river mouth was discussed through the shoreline change analysis and 3D shape analysis.More than ten meters of shoreline change often occurred during this period. The surface of the right sand spit was eroded by the tsunami and the jetty had an effect of interrupting sediment movement.
