成果報告書詳細
管理番号20160000000603
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト インフラ維持管理用ロボット技術・非破壊検査装置開発 土石流予測を目的としたセンシング技術とリアルタイム災害データベースの開発
公開日2016/7/13
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人東北大学 株式会社エンルート 国際航業株式会社
プロジェクト番号P14011
部署名ロボット・AI部
和文要約要約
活動中の火山観測を行うことは、後の噴火予測や災害予測、住民の避難計画、砂防計画などの策定を行う上で、非常に有用である。しかしながら、一般に、活動中の火山への立ち入りは制限されており、これまで、近傍での詳細な時系列での観測には課題があった。そこで、本研究では、火山地域の災害の中でも、発生確率が高く、小規模でも被害の拡大が予測される土石流災害に着目して、土石流予測を目的とした火山災害地域のリアルタイムデータベースを実現するためのセンシング技術の開発と実用化を目指し、以下の5項目に関する研究開発を進めてきた。
(1)画像データ・三次元地形データの収集技術の開発
立入制限範囲内の状況把握を目的とした、複数プロペラを有する無人マルチロータ機を開発した。開発した機体には、高解像度カメラが搭載されており、GPS誘導により自律で飛行し、ターゲットとなる画像情報を取得することが可能となる。このシステムにより、2014年の桜島における実証実験では、飛行距離8,000m、飛行時間20分を実現し、昭和火口の近傍からの撮影に成功した。さらに、2015年の雲仙普賢岳における実証実験では、Structure from Motion(SfM)の技術を用いて、対地高度50mで撮影した連続静止画像から地上解像度が約1cmの三次元地形モデル生成に成功した。
(2)デバイスの運搬・設置・通信技術の開発
火山噴火後、必要な位置に観測デバイスを運搬・設置するため、マルチロータ機を用いたデバイスの切り離し機構ならびに、ワイヤを用いたスカイクレーン方式によるデバイス降下装置を開発した。この装置は、各地の火山環境(桜島、三原山、富士大沢扇状地、雲仙普賢岳)にて実施した実証試験にて、想定通り機能することを確認した。また、マルチロータ機が取得した画像の無線伝送技術に関する研究開発を行った。2014年の桜島ならびに、2015年の雲仙普賢岳における実証実験では、1.2GHz帯のX-Link通信を用いて、解像度は低いが、4000m先の離れた地点の飛行ロボットが取得した映像を、リアルタイムに確認することに成功した。
(3)土砂サンプリング技術の開発
火山噴火により山体斜面に堆積した火山堆積物を直接収集するための土砂サンプリング装置を開発した。この装置は、マルチロータ機に搭載するために小型軽量であり、100g程度の土砂を遠隔から自動で採取することを可能とする。2014年、実火山環境において実施した実証実験では、土砂サンプリングに成功すると共に、接地時に転倒する問題が生じた。そこで2015年には、スカイクレーン方式を用いた採取方式でこの問題解決を図り、各火山環境における実証実験を通じて、その有用性を確認した。
(4)含水率・透水性計測技術の開発
山体斜面の無人透水性計測の実現を目指し、円筒を用いた冠水型の透水性計測実験を行い、無人での計測手法の妥当性を検討した。その結果、軽量デバイスでは、無人による本手法の適用が困難であることを確認した。そこで、本研究では、雨量計測などの別手法により、間接的に土砂移動発生の可能性推定や状況観測を行う手法を検討することとした。これまでに、光学式の雨滴センサを開発すると共に、スカイクレーン方式を用いた設置機構を開発した。本手法については、2015年の雲仙普賢岳での実証実験において、その有用性を確認した。
(5)火山災害地域のリアルタイムデータベースの構築
上記(1)ー(4)で得た情報を集約し、精度の高い土石流発生予測や危険範囲の特定を行うため、火山災害地域専用のリアルタイムデータベースについて研究開発を進めてきた。これまでに、Web上で二次元の氾濫計算の条件を登録して計算を行うシステムならびに、蓄積した計算結果をクライアントがサーバから取得し、クライアントの汎用GISソフト上で表示させる機能を実装した。2015年には、構築したデータベースを用いた土石流氾濫シミュレーション機能を雲仙普賢岳に適用し、その有用性を確認した。
英文要約Summary
An active volcano observation is very important and useful for disaster forecast, evacuation of habitants, and sediment control planning. However, the most important area for the forecast is set as a restricted area because of the danger, generally, and it was difficult for human to conduct observations in such area, in detail. Therefore, in this research, we aim at realizing a practical use of the forecast system of debris-flow-disaster, and developing a tele-operated robotic observation system, as follows:
(1) Obtaining visual and 3D terrain information
We developed a multi-rotor unmanned aerial vehicles (UAVs) to obtain information inside of restricted area. The UAV system mounts high resolution cameras, and it can fly to the target area autonomously based on GPS navigation. With the system, we conducted a field test on the Sakurajima island in 2014, and the UAV flew 8,000m within 20 minutes, and obtained detailed visual information of Showa crater. In addition, in a field test at Unzen-Fugendake in 2015, the system obtained a series of still images, (its flight altitude was 50m,) and generated 3D terrain map from the images based on Structure from Motion (SfM) technique. The resolution of the map is about 1cm.
(2) Transportation and installation of devices by UAVs, and wireless communication
In order to transport and to install observation devices after eruption of volcanoes, we developed a detachment mechanism and a letdown device based on sky-crane method for multi-rotor UAVs. Usability of the devices was confirmed by field tests (Mt. Sakurajima, Mt. Mihara, Fuji Osawa fan-area, and Mt. Unzen-Fugendake). In addition, we are continuously developing a long-distance wireless communication technology. In the above field tests, we succeeded in sending a real-time low-resolution image obtained by UAV from 4000m away, based on 1.2 GHz X-link wireless communication.
(3) Soil-sampling technology
We developed soil-sampling devices to obtain volcanic sediment in restricted areas, directly. The device is small-size and light-weight to hang from UAVs, and it is capable to obtain up to 100g volcanic sediment, automatically and remotely. According to the field tests in 2014, we confirmed usability of the device, and found a problem of tipping over. Therefore, we installed a letdown function with a sky - crane method to the device, and confirmed that its function worked correctly with several field tests in 2015.
(4) Development of water permeability measurement device
In order to unmanned measurement of water permeability in restricted areas, we tested a flooding-type direct measurement device, and found that it was very difficult with light-weight unmanned technologies. Therefore, we aimed at developing an indirect measurement of soil-movement, such as rainfall gauging. In 2015, we developed an optical raindrop sensor, and conducted installation tests in volcanic fields.
(5) Development of a Realtime database for forcast of debris-flow-disaster
In order to aggregate the above information (1)-(4), and to forcast debris flow precisely, we are now developing a special realtime database for volcanic disaster. Until now, we developed a web-based 2D flood calculation system for a forecast of debris-flow, and display system of calculation result in conventional GIS software. In 2015, we conducted a debris-flow simulation in the area of Unzen-Fugendake, and confirmed its usability.
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