プレスリリース
(研究成果) 農業用開水路等の摩耗調査を省力化するプログラムを開発

営農に欠かせない水を運ぶコンクリート構造物は、長年使われると水と接触する部分が削られて摩耗します。例えば、代表的な農業水利施設であるコンクリート水路では、摩耗によって水路の表面に凹凸が生じて水の流れが悪くなると、必要な水を適切に農地へ送れなくなるだけでなく、水路からあふれて周辺の被害まで引き起こすおそれがあります。

そこで、水路の水を運ぶ性能を維持するために、摩耗がひどくなる前に水路の表面を補修して、水の流れを回復させる補修工事等が行われます。補修では主にもとの水路の材料(コンクリート)と似た補修材料(モルタル)を水路内面に塗る方法(無機系被覆(ひふく)工法²⁾)が行われています。

以上のような水路の流れやすさの評価や補修材料を塗る時期の検討のためには、今の水路がどの程度摩耗しているのかを調べる必要があります。また、無機系被覆工法により補修した水路も、もとの水路と同じように摩耗が進行します。そのため、補修後の水路でも引き続き摩耗の調査を実施する必要があります。

農研機構では、「型取りゲージ³⁾」という安価な道具を用いた簡単な摩耗量の調査方法を提案しています(図1上段)。これは、農林水産省の「農業水利施設の補修・補強工事に関するマニュアル【開水路編】」(以下、マニュアル)にも掲載されており、水路の摩耗調査に用いられています。しかしながら、過去に提案した方法の場合、現地作業が簡単である一方で、画像解析などの室内作業が煩雑で、画像1枚につきおよそ30分以上かかっていました。例えば水路の摩耗調査では、1つの断面で左右岸側壁と底版で3枚撮影し、複数の断面で調査することが多いため、画像解析にかかる時間は膨大でした。

この画像解析では、時間がかかるだけではなく、画像の歪み補正や型取りゲージで写し取った凹凸形状の抽出などを手作業で行うため、作業者の個人差が測定値のばらつきに影響しており、摩耗による劣化傾向の正確な把握が困難な場合がありました。

そこで、調査の作業手順の中で型取りゲージの画像を撮影した後の、画像の歪み補正などの処理から摩耗モニタリングに必要な指標の計算までを自動化することで、作業の省力化と測定値のばらつきを低減できる画像解析の自動処理プログラム(以下、本プログラム)を開発しました。

一連の摩耗調査(図1(1)～(4))のうち、以下の作業を本プログラムで自動化できます。

<自動化される標準的な解析作業手順(図1(3))>

• ① 画像の歪みを補正するために、方眼紙から補正用定点の座標を目で読み取り、画像処理ソフトに読み込んだ画像上の補正用定点を選択して対応させる。
• ② 画像処理ソフト上で、型取りゲージの針先端の座標(またはピクセル)を1本ずつ(あるいは数本おきに)クリックして、写し取った水路表面の凹凸形状をトレースする。使用する画像処理ソフトに境界抽出機能などがある場合には、これを利用することもある。
• ③ 2つの標点頂部の中心の座標(またはピクセル)を目で読み取って、この2点を結ぶ直線を基準線とする。
• ④ 標点頂部中心間の50mmの範囲で、表面の凹凸形状と基準線とで挟まれた領域の面積を求める。
• ⑤ 摩耗量の算出に必要な「基準線から材料表面までの平均距離」を計算する。この「平均距離」は、④で求めた面積を、50mmで除すことで求まる。

水路の摩耗が進行した場合、標点は摩耗しないので基準線の位置は経年で変化しませんが、水路の材料表面は摩耗で削られるので「基準線から材料表面までの平均距離」が大きくなります。過去に計測した平均距離の値との差を計算するだけで摩耗量を調べることができます(図1(4))。

なお、マニュアルに掲載されている方法では摩耗モニタリングの基準となる標点(ステンレス製のコンクリートアンカーなど)の設置が必要です。ただし、標点が無い場合でも、凹凸形状を分析することで表面粗さの指標を計算することはできます。

本プログラムを用いる場合、型取りゲージの撮影では専用の撮影用台座を使う必要があります(図1(2))が、この台座は色付きのスチレンボードなどにシール(マーカー)を所定の間隔で貼るだけで簡単に自作することができます。色付きのボードによって、型取りゲージやシールとのコントラストを強調して画像上での認識精度を高めており、シールには歪み補正用の定点としての役割があります。

本プログラムは2つのファイルで構成されています。Microsoft Excel^*の入出力ファイル(図2)と画像解析の実行ファイルです。実行ファイルは自動的に呼び出されるので操作は不要です。入出力ファイルの主な機能は以下です。

• 歪み補正用定点となるシールの貼付け間隔の設定や画像解析の実行ファイルの呼び出し、解析結果の表示を行う。
• 「入力・一覧画面」シートの「解析開始」ボタンを押すと、自動で画像解析の実行ファイルが動作し、複数の写真に対して一度に処理して、平均距離や粗度(そど)係数(けいすう)⁴⁾の推定値の一覧を表示する(図2上)。
• 「詳細画面」シートには、各写真の解析結果がシートごとに表示され、解析に用いた画像(歪み補正済)と型取りゲージ先端位置の(x, y)座標が記録される(図2下)。

(x, y)座標があることで、型取りゲージ先端位置の座標を経年で重ね合わせて詳細な変化を確認することや、少しずらした直線上で測定して座標データをつなぎ合わせることでより長い距離の凹凸を対象とした検討もできます。また、摩耗や表面の粗さに限らず、対象物の形状を(x, y)座標データとして得ることができます。本プログラムで計算されない多様な分析にも利用することが可能です。

今までは、使用する道具(型取りゲージなど)は安価で現場での作業も簡単である一方で、画像解析に手間がかかり、解析作業の個人差も結果に影響していました。本自動処理プログラムによって、現場作業の内容はほぼ同様のままで、手作業では30分以上かかっていた室内での解析作業がほぼゼロとなり、調査の大幅な省力化が可能です。さらに、測定値の標準偏差は従来の手作業による方法に比べて半分になることを確認しており、ばらつきを低減することで調査精度の向上も期待できます。

* Microsoft Excelは、米国Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標または商標です。