コンクリートの劣化に関する測定も可能？
ハイパースペクトルカメラでインフラの点検を

分光分析は、「中性化」、「W/C（水セメント比）」、「塩害化」を測定できるため、建設・インフラ関連で注目を集めており、一部で活用も進んでいます。
そこで本記事でご紹介したいのが、簡単に２次元の分光情報が得られるハイパースペクトルカメラであれば、「中性化」、「W/C（水セメント比）」、「塩害化」を”面”で解析し、「部分的な異常」や「ムラ」も測定が可能になるという点です。
論文や飛島建設株式会社様に試行いただいた結果を元に、ハイパースペクトルカメラにどのような可能性があるのかをご紹介していきます。

ハイパースペクトルカメラで撮影することで、非破壊でコンクリートの塩分濃度などを割り出せます。
このため、通常のインフラ・設備の点検に加えて「危険な場所」や「今まで人間が見れなかった場所」の点検での活用が期待されています。

当ページでは、インフラ・設備の点検で、ハイパースペクトルカメラの使用を考えている方に向けて、ハイパースペクトルカメラの仕組みや、撮影事例をご紹介します。

記事前半では、ハイパースペクトルカメラの基本として「データ分析の仕組み」をお伝えします。
後半では、コンクリートの撮影事例（中性化診断・W/Cの推定）について、実際の撮影データを見ながらご紹介します。

ハイパースペクトルカメラのデータ分析の仕組み

ハイパースペクトルカメラを使うことで、コンクリートを分析できます。
例えば、次のような分析を行えます。

ハイパースペクトルカメラは「カメラ」です。カメラで撮影するだけで「コンクリート中の塩分濃度を推定できる」と聞くと奇妙に思えるかもしれません。

なぜ、このようなことが可能なのでしょうか？

ここでは、ハイパースペクトルカメラの「データ分析の仕組み」を見ながら「なぜ塩分量がわかるのか？」を解説していきます。

まずは撮影のプロセスから見ていきましょう。

ハイパースペクトルカメラの撮影プロセス

ハイパースペクトルカメラには、撮影方式が大きく分けて2つあります。
「スナップショット方式」と「ラインスキャン方式」です。

「スナップショット方式」は、通常のカメラと同様にワンショットで対象を撮影する方式です。

「ラインスキャン方式」は1ラインずつ走査しながら、撮影していく方式です。（イメージとしては、スキャナーの読み込みに近いです）

屋内では、こちらのようなシステムを使って撮影を行います。

このように、ハイパースペクトルカメラでは専用のシステムを使って撮影していきます。

撮影されたデータは、ソフトウェアで分析します。
こちらがソフトウェアの画面です。トマトが描かれている印刷物を撮影し、分析しています。

ソフトウェアの画面（右上のグラフ）から、ハイパースペクトルカメラで分析できる情報は、ピクセル単位の「波長ごとの強度」だとわかります。

つまり、ハイパースペクトルカメラは「波長ごとの強度」を撮影して、その撮影データから「コンクリートの塩分濃度」を割り出しています。

では「波長ごとの強度」からコンクリートの塩分濃度を割り出す際には、何をしているのでしょうか？

そのための分析には「分光法」という手法が使われます。

「分光法」でコンクリートの塩分濃度を割り出す

分光法とは、平たく言えば「光の分析手法」です。分光法によって物質の「成分」や「特性」を定量的・定性的に分析できます。

分光法では、対象の「反射光（透過光）」と「その強度」を撮影します。

この波長データから「コンクリートの塩分濃度」を割り出す際には「物質ごとに反射光や吸収光が異なる」という特性を利用します。

例えば、リンゴは赤色に見えますが、これは「赤色の波長を持つ光」を反射しているためです。
レモンは「黄色の波長を持つ光」を反射して、それ以外の光を吸収・透過しているため「黄色」に見えます。

この例からも分かる通り、それぞれの物質によって、反射・吸収・透過する光は異なります。
そして、反射・吸収・透過する光は物質ごとに「一定のパターン」を示します。
これは「塩分（塩化物イオン）」など分子レベルでも同様です。

図の通り、塩分量が多いほど「2,266nmの光」の反射光が少なくなります。

ハイパースペクトルカメラでは「反射光の強度」を分光して撮影できます。

つまりハイパースペクトルカメラの撮影データ（グラフ）を見ることで「2,266nmの光がどれくらい反射しているか」がわかります。
反射光が少ないほど「塩分を多く含んでいる」ため、反射光の量から塩分量を推定できます。

なお、塩分量と関係する「2,266nmの光」は「赤外線」です。より詳細に言うと、赤外線の中でも可視光域に近い「近赤外線」に当たります。

可視光域は、「可視」という文字通り、人間の目に見える光を指します。
一方、紫外線や赤外線は人間の目には見えない光です。

コンクリートの塩分量を求める際は「近赤外線」の光を用います。

コンクリートの塩分濃度を求めるように「近赤外線」を使った「分光法」を「近赤外分光法」と言います。

ハイパースペクトルカメラのコンクリートの撮影事例

ここからは、ハイパースペクトルカメラのコンクリートの撮影事例を見ていきます。

まずは「中性化診断」からご紹介します。

中性化診断

ハイパースペクトルカメラで「中性化の診断が可能か？」を試行いただいた事例です。
その結果、見た目では判別できない中性化の進行度合いを識別できました。

こちらのハイパースペクトルカメラで、中性化したコンクリートを撮影します。

中性化は「水酸化カルシウム」が「炭酸カルシウム」に変化することで起こります。

つまりハイパースペクトルカメラでの撮影で「水酸化カルシウム」や「炭酸カルシウム」のスペクトルデータが得られれば、ハイパースペクトルカメラでの中性化診断が可能になります。

従来、中性化は「フェノールフタレイン液」によって診断していました。

こちらは「フェノールフタレイン液噴霧後の写真」です。

まずは「コンクリート表面」のスペクトルデータを紹介します。

他方で「コンクリート断面」はどうでしょうか？

こちらは、それぞれの「ハイパースペクトル画像」と「フェノールフタレイン液噴霧後の写真」を並べた画像です。

ハイパースペクトル画像から、アルカリ性の部分（赤色）と中性化している部分（無色）を識別できていることがわかります。

また「近赤外分光法を用いたコンクリートの劣化因子の検出」の研究によると、1,380nmあたりで「水酸化カルシウム」が特徴的な反射を示すようです。このことから、データが水酸化カルシウムと炭酸カルシウムのスペクトルを識別している可能性があると伺えます。

こちらの実験では「見た目では識別できない中性化」をハイパースペクトルカメラで識別できることがわかりました。

2つ目は「フェノールフタレイン液噴霧を模擬できる」ということです。
ハイパースペクトルカメラで撮影することで「中性化した部分」と「アルカリ性を保っている部分」を視覚的に確認できます。

W/C（水セメント比）の推定

こちらは「ハイパースペクトルカメラでW/Cを推定できるか？」の検討事例です。
結果として「W/Cを推定できる可能性がある」とわかりました。

撮影は、ハイパースペクトルカメラPikaの「2つのモデル」で行いました。

今回はこの2つのモデルで、W/C（水セメント比）の異なる3つのコンクリートと、空の容器、水といった「5つの対象」を撮影しました。

まずは「可視光モデル」での撮影結果をご紹介します。

可視光モデルの撮影データでは、微妙な色の違いは見て取れますが、はっきりとしたわかりやすい違いはありませんでした。

そこで近赤外線を撮影できる「近赤外モデル」での撮影結果もご紹介します。

「赤外線」を撮影すると、それぞれの「違い」がはっきりと見て取れます。
この違いは、グラフからも読み取れます。

それぞれのグラフについて、詳細を確認していきます。まずは「可視光域」の波長データです。

可視光域の撮影データは、水分量で「スペクトル」にあまり違いがありません。

つまり、可視光域では、3つのスペクトルデータ（波長ごとの強度）に目立った特徴がないため、可視光域の撮影では「W/C別」に分類したり、撮影したコンクリートのW/Cの推定は難しい と言えます。

他方で「近赤外域」のデータには、顕著な違いが見られました。

グラフの縦軸の低い位置にあるほど「反射光の強度」が弱いことを示しており、水分による光の吸収が起こっていることがわかります。 グラフでも、水分量が少ないW/C30％（グラフ：紫）、は高い位置にあり「反射光が多い」ことがわかります。

近赤外域の撮影結果からは、コンクリートの水分量とスペクトルに一定の相関があるとわかりました。

つまり「水分量が増すほど反射光が少ない」という近赤外域のスペクトルの特徴から、コンクリートの水分量を推定できる可能性があるとわかりました。

塩分濃度の推定

ハイパースペクトルカメラの分析では、コンクリートの塩分濃度も推定できます。
このためインフラにおける「塩害」の点検でも、ご活用いただけます。

コンクリートの「塩分濃度の推定」については、別記事で詳細に解説しています。
コンクリートに埋め込まれた「鉄筋が錆びる理由」など、コンクリートの仕組みについても、まとめているため、興味がある方はご覧ください。

関連記事：橋・トンネルの維持保全にハイパースペクトルカメラ活用の可能性

ハイパースペクトルカメラのドローン搭載

人による調査や管理、モニタリング、ラボでの分析には、膨大な時間と労力が必要ですが、リモートセンシングによって、点検に必要なデータの取得がスムーズになるかもしれません。

「リモートセンシングでのハイパースペクトルカメラの撮影の様子」をまとめたコンテンツもございます。「機材一覧」や「カメラの取り付け手順」など、他では見られない詳細な情報をご覧いただけます。

【動画あり】UAV×ハイパースペクトルカメラ撮影デモ

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他にも、多数のハイパースペクトルカメラを取り扱っております。

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KLV大学「ハイパースペクトルカメラコース」には、基礎から用途例、研究例まで、多数の情報がまとまっていますのでご参考ください。

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