JP3375038B2 - Precipitation pattern change prediction method and apparatus - Google Patents

Precipitation pattern change prediction method and apparatus

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JP3375038B2
JP3375038B2 JP09905397A JP9905397A JP3375038B2 JP 3375038 B2 JP3375038 B2 JP 3375038B2 JP 09905397 A JP09905397 A JP 09905397A JP 9905397 A JP9905397 A JP 9905397A JP 3375038 B2 JP3375038 B2 JP 3375038B2
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advection
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    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、気象レーダーエコ
ー画像に基づいた狭い地域の雨域の時系列変化を短時間
予測する方法と装置に関し、特に地形効果を加味した降
水パターン変化の予測方法と装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for short-term prediction of time series changes in a rainy area in a narrow area based on a weather radar echo image, and more particularly to a method for predicting precipitation pattern changes in which topographic effects are added. Regarding the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、気象予測を行う際、気象庁、気象
システム関連会社、航空会社等では気象衛星や地上観測
から得られる2、3次元的な気温、気圧、露点、風ベク
トル等の様々な物理パラメーターを用いて、数理・物理
方程式を介して数十時間先もしくは数日先の全国の気象
現象の変化を予測してきている。一方、近年になって狭
い地域での、分オーダーの短い時間における気象予測、
特に降雨や降雪の情報が望まれてきているため、局地的
に配置した気象レーダー装置からの雨域の変化情報を用
いた変化予測が重要となってきている。このような予測
方法は、特に、“nowcasting”と呼ばれてい
る。気象レーダーエコーを用いている気象関係者らは、
常時24時間状況の変化を監視して事前に災害を防ぐこ
とを任務としている。
2. Description of the Related Art Conventionally, when performing weather forecasts, the Meteorological Agency, meteorological system-related companies, airline companies, etc., have various two-dimensional temperature, pressure, dew point, wind vector, etc. obtained from meteorological satellites and ground observation. Using physical parameters, we have been predicting changes in meteorological phenomena nationwide tens of hours ahead or days ahead through mathematical and physical equations. On the other hand, in recent years, in a small area, weather forecast in a short time of the order of minutes,
In particular, since information on rainfall and snowfall is desired, it is becoming important to predict changes using the information on changes in the rain range from locally located weather radar devices. Such a prediction method is particularly called “nowcasting”. Meteorologists using weather radar echoes
Its mission is to constantly monitor changes in the situation 24 hours a day to prevent disasters in advance.

【0003】雨域の変化は、降雨や降雪状態にある領域
の時間的な変化を意味し、その領域は見かけ上、雲の形
状をなしている。また、その濃淡値は、ほぼ降水量と比
例している。画像としての雨域は、様々な形状と濃淡値
の組み合わせとして表現されており、明瞭な特徴量の記
述が困難であることから、画像処理手法に基づいた雨域
の動きの自動的な検出は容易ではない。即ち、降水パタ
ーンで必要とされる追従方法は、自動車等の剛体の動き
の追従とは異なり、あるいは、心臓のエコー画像におけ
る弾性体の動きの追従とも異なり、全く新しい方法で、
生成・消滅に対処しながら追従しなくては自動的な予測
が実現できないのである。
A change in the rain area means a temporal change in an area in which it is raining or snowing, and the area has an apparent cloud shape. The gray value is almost proportional to the precipitation amount. The rain area as an image is expressed as a combination of various shapes and gray values, and it is difficult to describe a clear feature amount. Therefore, automatic detection of rain area motion based on image processing methods is not possible. It's not easy. That is, the tracking method required for the precipitation pattern is different from the tracking of the movement of a rigid body such as an automobile, or the tracking of the movement of an elastic body in an echo image of the heart.
It is impossible to realize automatic prediction without tracking while creating and disappearing.

【0004】そのため現在でも、人の経験則に基づいた
降水パターンの変化からの主観的な読み取りが行われ、
その情報が活用されている。
Therefore, even now, subjective reading is performed from changes in precipitation patterns based on human experience.
That information is used.

【0005】しかし一方では、自動的かつ客観的な雨域
変化を計算機上で行うために、時空間的相関法により雨
域変化を検出して、同一の降水パターンを線形に外挿す
る方法(線形外挿法)が試みられている。この方法は、
2つの画像フレーム間〔f(t)とf(t+1):tは
時間ステップ)の、濃淡値の類似性を算出した後、最も
相関値が高い点が移動量に対応していると仮定した上
で、雨域の移動量を推定する。推定された移動量に基づ
いて雨域を平行移動させていく。このようにして推定さ
れた次のステップの雨域画像を繰り返し、特定数のステ
ップ先までの予測が可能となる。
On the other hand, on the other hand, in order to automatically and objectively change the rain area on a computer, a method of detecting the rain area change by the spatiotemporal correlation method and linearly extrapolating the same precipitation pattern ( The linear extrapolation method) has been tried. This method
After calculating the similarity of the gray value between two image frames [f (t) and f (t + 1): t is a time step), it is assumed that the point having the highest correlation value corresponds to the movement amount. In the above, the amount of movement in the rainy area is estimated. The rain area is translated based on the estimated amount of movement. By repeating the rain image of the next step estimated in this way, it is possible to predict up to a specific number of steps ahead.

【0006】ある時刻での降水域の2次元画像から、数
分から数時間先の降水域の変化の推定を試みているが、
予測している間は、同一の画像をひたすら平行移動して
いるために、降水域の変化の程度についてまでは予測で
きていない。自然現象であるために、非定常的に降水パ
ターンの大きさ、形状、濃淡値は変化しているが、この
ような表現は予測方法に反映されていない。また、地形
の影響も考慮されていない。即ち、画像という2次元情
報として、本来の降水域における、湧きだし、吸い込
み、消散、成長、衰退といった一連の物理過程を表現と
して含んでいない。
Attempts have been made to estimate changes in the precipitation area several minutes to several hours ahead from a two-dimensional image of the precipitation area at a certain time.
During the prediction, it was not possible to predict the degree of change in the precipitation area because the same image was translated in parallel. Since it is a natural phenomenon, the size, shape, and gray value of the precipitation pattern change non-steadily, but such expressions are not reflected in the prediction method. In addition, the effect of topography is not considered. That is, the two-dimensional information called an image does not include, as an expression, a series of physical processes in the original precipitation area, such as springing, sucking, dissipating, growing, and declining.

【0007】線形外挿法では画像を複数の領域に分割し
て複数の降水パターンについての移動ベクトルを推定す
ることができるが、濃淡値を変化させていく規則が導入
されていない。また、推定された移動ベクトルも様々な
方向を向いてしまっているため、予測時間を少し進める
と、移動ベクトルがお互いに接近してきて交錯するよう
になる。同時に降水パターンが交錯部付近で、不自然に
重なりあってしまい重なった分だけ雨量が多く予測され
るという問題が生じてしまう。そのため、線形外挿法に
基づいた予測アルゴリズム精度の向上には明らかに限界
が存在していた。
In the linear extrapolation method, an image can be divided into a plurality of regions to estimate movement vectors for a plurality of precipitation patterns, but no rule for changing the gray value has been introduced. In addition, the estimated movement vectors have also faced various directions, so if the prediction time is advanced a little, the movement vectors will come closer to each other and intersect. At the same time, the precipitation patterns unnaturally overlap in the vicinity of the intersection, which causes a problem that a large amount of rainfall is predicted due to the overlap. Therefore, there was a clear limit to improving the accuracy of the prediction algorithm based on the linear extrapolation method.

【0008】ニューラルネットモデルに基づいた予測方
法があり、時系列2次元画像間の写像関係をニューラル
ネットの重み係数として獲得する試みがみられる。しか
しながら、最適なニューラルネットの構造については容
易には推定することができず、予測される画像は、学習
したパターンの平均が得られるだけである。即ち、降水
パターンの濃淡値は一定であり、また、パターンの重心
も移動しないような予測しか得られておらず、ニューラ
ルネットモデルによる降水パターン予測は現在のところ
不可能といえる。
There is a prediction method based on a neural network model, and attempts have been made to acquire the mapping relationship between time-series two-dimensional images as a weighting coefficient of the neural network. However, the structure of the optimal neural network cannot be easily estimated, and the predicted image only gives the average of the learned patterns. In other words, the gray value of the precipitation pattern is constant, and only the prediction that the center of gravity of the pattern does not move has been obtained, and it can be said that the prediction of the precipitation pattern by the neural network model is impossible at present.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】これまで適用されてい
る時空間的相関法は、連続する2つの画像から1つの動
きベクトルを推定する。しかしながら、画像の濃淡値
は、雨域が生成・消減を絶えまなく繰り返しているため
に、前フレームの濃淡値と次フレームの濃淡値とが常に
1対1に対応していることはないので、濃淡値に基づい
た相関値への信頼性は必ずしも高くなくて、むしろ不安
定であるという問題がある。さらに、相関係数が求めら
れないような散漫な雨域画像の場合は、ほとんど動きベ
クトルを推定することができず、その間の補間方法につ
いても具体的な方法が見い出されていないのが現状であ
る。
The spatiotemporal correlation method applied so far estimates one motion vector from two consecutive images. However, the gray value of the image does not always have a one-to-one correspondence between the gray value of the previous frame and the gray value of the next frame because the rain area is continuously generated and extinguished. However, there is a problem in that the reliability of the correlation value based on the gray value is not necessarily high, but rather unstable. Furthermore, in the case of a diffuse rainy area image where the correlation coefficient cannot be obtained, the motion vector can hardly be estimated, and no concrete method has been found for the interpolation method between them. is there.

【0010】相関法では、単位時間当たりの移動量が大
きいときは、大き目の窓関数を、移動量が小さいとき
は、小さ目の窓関数を適宜用意する必要があり、最適な
窓関数の大きさを決定することは容易ではなく、同時
に、決定しようとするならば、それに要する演算時間は
全体として数〜十倍増加するという問題が生じる。
In the correlation method, it is necessary to appropriately prepare a large window function when the amount of movement per unit time is large and a small window function when the amount of movement is small. Is not easy to determine, and at the same time, if it is attempted to be determined, there arises a problem that the operation time required for it is increased by several to ten times.

【0011】雨域が停滞性の場合、雨域の輪郭形状の変
化に比べると、雨域の濃淡値の変化が激しい。このよう
な雨域において、相関法をそのまま適用すると、全体の
雨域の移動はなくても、雨域の濃淡変化があるために、
何らかの動きベクトルが複数個得られてしまい、その動
きベクトルで雨域を移動させていた。そのため、予測が
進むほど、雨域の領域がはずれていってしまうという問
題があった。
When the rain area is stagnant, the change in the gray value of the rain area is more severe than the change in the contour shape of the rain area. In such a rainy area, if the correlation method is applied as it is, there is a change in the density of the rainy area even if there is no movement of the entire rainy area.
Some kind of motion vector was obtained, and the rainy area was moved by the motion vector. Therefore, there is a problem that the more the prediction progresses, the more the rainy region deviates.

【0012】線形外挿法は、降水域の変化が一定という
強い仮定がおかれた単純なモデルであったために、対流
に伴った降水域の変化の程度を加味した予測方法が試み
られていなかった。少なくとも、降水域の急激な発達、
あるいは衰退過程における一時的な降水域の発達につい
ては、統計的な知見が乏しかったために、降水域の発達
に対応した予測が試みられていなかった。
Since the linear extrapolation method is a simple model in which a strong assumption that the change in the precipitation area is constant is made, a prediction method considering the degree of change in the precipitation area due to convection has not been attempted. It was At least the rapid development of the precipitation area,
Or, regarding the temporary development of the precipitation area during the decline process, because of lack of statistical knowledge, no prediction has been attempted that corresponds to the development of the precipitation area.

【0013】線形外挿法では画像を複数の領域に分割し
て複数の降水パターンについての移動ベクトルを推定す
ることができるが、濃淡値を変化させていく規則が導入
されていない。また、推定された移動ベクトルも様々な
方向を向いてしまっているため、予測時間を少し進む
と、移動ベクトルがお互いに接近してきて交錯するよう
になる。個々の移動ベクトルは独立に扱われていた。同
時に降水パターンが交錯部付近で、不自然に重なりあっ
てしまう問題が生じてしまう。
In the linear extrapolation method, an image can be divided into a plurality of regions to estimate movement vectors for a plurality of precipitation patterns, but no rule for changing the gray value has been introduced. Further, since the estimated movement vector also faces various directions, the movement vectors come close to each other and cross each other if the prediction time is advanced a little. Each movement vector was treated independently. At the same time, the problem that precipitation patterns overlap unnaturally near the intersection will occur.

【0014】降水パターンは、場所にもよるが、山、海
といった地形の影響を受ける場合がある。しかしなが
ら、線形外挿法では、せいぜい移動ベクトルを海上と地
上とで変化させることぐらいしか予測方法として組み込
むことができない。ニューラルネットモデルにおいて
も、地形効果がどの程度加味されているのかが、不明瞭
であるばかりでなく、学習しきれないような物理的効果
をどのようにモデルに反映させるかという数理的な表現
能力の柔軟さに欠けている。
The precipitation pattern may be affected by topography such as mountains and the sea, depending on the location. However, the linear extrapolation method can be incorporated at most as a prediction method by changing the movement vector between the sea and the ground. Even in a neural net model, it is not clear how much the terrain effect is added, and the mathematical expression ability of how to reflect physical effects that cannot be learned in the model. Lacks flexibility.

【0015】線形外挿法では、画像という2次元情報に
対して、本来の降水域において発生する、拡散、移流、
湧きだし、吸い込み、消散、成長、衰退といった一連の
物理過程を統一的に表現できていない。
In the linear extrapolation method, with respect to two-dimensional information called an image, the diffusion, advection,
A series of physical processes such as springing, inhaling, dissipating, growing, and declining cannot be expressed in a unified manner.

【0016】本発明は以上の問題点の解決を図り、地形
効果を加味して、レーダー画像における降水域の発達・
衰退を2次元画像の形で高精度に予測する降水パターン
変化予測方法と装置を提供することを目的とする。
The present invention solves the above problems and takes into consideration the effect of topography to develop the precipitation area in radar images.
It is an object of the present invention to provide a precipitation pattern change prediction method and device for predicting decline with high accuracy in the form of a two-dimensional image.

【0017】即ち、本発明は、気象レーダーエコー画像
に基づいた狭い地域の雨域の時系列変化を短時間予測
し、気象の変化に敏感に影響されるような様々な経済活
動が円滑に営まれるように、高速にかつ簡易に降水域・
量の発達・衰退を画像の形で2次元的に予測し、同時
に、気象レーダーエコー画像に24時間携わっている専
門家をシステムとして支援する方法と装置を実現する。
That is, the present invention predicts a time series change of a rainy region in a narrow area for a short time based on a weather radar echo image, and smoothly conducts various economic activities sensitive to the change of weather. As shown in Fig.
A method and device for predicting the development and decline of quantity in the form of images in a two-dimensional manner, and at the same time, supporting a specialist who is engaged in weather radar echo images for 24 hours as a system.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明の降水パターン変
化予測方法は、計算手段を有し、画像入力部、画像蓄積
部、画像処理部、地形効果導入部、移流・拡散方程式演
算部、予測部および出力部を備えた降水パターン変化予
測装置を用いて降水パターンの変化を予測する方法であ
る。画像入力部を用いて予測の対象とする雨域のレーダ
画像を入力し、画像蓄積部に画像入力部で入力された過
去の時系列画像を蓄積する。画像処理部で、計算のため
に画像蓄積部から取り出した連続する2つ以上の2次元
画像間での降水量の変化量やエッジ勾配分布の画像特徴
量を算出し、地形効果導入部では、予め予測される降水
域の存在する位置の地形が海上の場合には移流ベクトル
の大きさが大きくなり拡散係数が小さくなるように設定
して記憶し、予め予測される降水域の存在する位置の地
形が陸上の場合には移流ベクトルの大きさが小さくなり
拡散係数が大きくなるように設定して記憶する。移流・
拡散方程式演算部で、画像処理部で算出された様々な画
像特徴量を初期値とし、降水量の時空間的な変化量を変
数と見なし、地形効果導入部に記憶した拡散係数と移流
ベクトルも用い、移流・拡散方程式の数式表現に基づい
て数値計算を行う。予測部で、数値計算された結果によ
り地形効果を加えた降水パターンの予測をおこない、出
力部で、予測部で予測された結果から降水域を時系列的
画像で出力する。
A precipitation pattern change prediction method of the present invention has a calculation means, and includes an image input unit, an image storage unit, an image processing unit, a terrain effect introduction unit, an advection / diffusion equation calculation unit, and a prediction. Is a method of predicting a change in a precipitation pattern using a precipitation pattern change predicting apparatus including an output unit and an output unit. The radar image of the rain area to be predicted is input using the image input unit, and the past time-series images input by the image input unit are stored in the image storage unit. The image processing unit calculates the amount of change in precipitation and the image feature amount of the edge gradient distribution between two or more continuous two-dimensional images extracted from the image storage unit for calculation. Advection vector when the predicted topographical location of the precipitation area is on the sea
Is set to increase the size and decrease the diffusion coefficient.
Stored and stored in advance, the location of the location of the predicted precipitation area
If the shape is land, the magnitude of the advection vector becomes smaller
It is set and stored so that the diffusion coefficient becomes large . Advection
In the diffusion equation calculation unit, various image features calculated by the image processing unit are used as initial values, and the spatiotemporal change in precipitation is regarded as a variable. The diffusion coefficient and advection vector stored in the terrain effect introduction unit are also used. Numerical calculation based on the mathematical expression of the advection / diffusion equation. The prediction unit predicts the precipitation pattern with the topographic effect based on the numerically calculated result, and the output unit outputs the precipitation area as a time-series image from the result predicted by the prediction unit.

【0019】画像処理部におけるエッジ勾配分布の画像
特徴量の算出には、対象となる領域を勾配値が大きい領
域と小さい領域に区分する過程を含んでいてもよい。
The calculation of the image feature amount of the edge gradient distribution in the image processing section may include a process of dividing the target region into a region having a large gradient value and a region having a small gradient value.

【0020】移流・拡散方程式演算部で使用する移流・
拡散方程式には、時間項、移流(advection)
項、拡散(diffusion)項、湧きだし(sou
rce)項、吸い込み(sink)項、消散(disp
ersion)項を含み、降水量を画像上の濃淡値と対
比させた場合は、各画素での濃淡値を方程式の変数とし
て与えてもよい。
Advection / advection used in the diffusion equation calculator
Diffusion equations include time terms, advection
Term, diffusion term, sou
rce), sink (sink), dissipation (disp)
If the amount of precipitation is compared with the gray value on the image, the gray value at each pixel may be given as a variable of the equation.

【0021】移流・拡散方程式の拡散項における拡散係
数は、画像の1フレームに占める降水パターンの濃淡値
の存在する画素数より算出される1次元的な面積の変化
率に応じて変化させることを含み、所定の条件において
は1フレームを複数の小ブロックに分割して、各小ブロ
ックごとに同様の手順で、降水パターンの画素数を算出
する過程を含んでいてもよい。
The diffusion coefficient in the diffusion term of the advection / diffusion equation should be changed according to the rate of change of the one-dimensional area calculated from the number of pixels in which the gray value of the precipitation pattern occupies one frame of the image. It may include a process of dividing one frame into a plurality of small blocks under a predetermined condition and calculating the number of pixels of the precipitation pattern in the same procedure for each small block.

【0022】拡散係数を変化させるための1次元的な面
積の変化率の算定において、過去の複数のフレームから
面積変化を求める際に、過去の面積変化の時系列データ
に所定の条件に応じて2次元関数およびsin,cos
等を含んだ非線形関数のいずれかに近似当てはめを最小
自乗法により行い、所定の予測時間まで、面積の変化に
ついての非線形な外挿を施して面積変化の1次元の非線
形予測を行い、同時に、対応する拡散係数を連動させて
変化させる過程を含んでいてもよい。
In calculating the one-dimensional area change rate for changing the diffusion coefficient, when the area change is obtained from a plurality of past frames, the time-series data of the past area change is determined according to a predetermined condition. Two-dimensional function and sin, cos
Approximate fitting to any of the non-linear functions including etc. by the method of least squares, non-linear extrapolation about the change of the area is performed up to a predetermined prediction time, and the one-dimensional non-linear prediction of the area change is performed. It may include a process of interlocking and changing the corresponding diffusion coefficient.

【0023】移流・拡散方程式の湧きだし項、吸い込み
項には、連続するフレーム間の降水パターンの差分をと
った時の、正、負の領域の値をそれぞれに与えてもよ
く、予測開始時刻において湧きだし項、吸い込み項を画
像データから求めた場合、所定の予測時間の間、湧きだ
しと吸い込みの画像領域を所定の条件に応じて重心の移
動ベクトルおよび推定された移流ベクトルのいずれかに
対応させて移動させる過程を含んでいてもよい。
The source and sink terms of the advection / diffusion equation may be given values in positive and negative regions, respectively, when the difference in the precipitation pattern between consecutive frames is taken. When the source and sink terms are obtained from the image data in, the source and sink image areas are set to either the center of gravity movement vector or the estimated advection vector according to the prescribed conditions for a predetermined prediction time. It may include a process of moving in correspondence with each other.

【0024】移流・拡散方程式で使用する移流ベクトル
は、降水パターンの濃淡値のエッジ勾配の高い方の領域
の重心変化を抽出して与え、移流性が強い場合は、さら
にエッジ勾配の低い方の領域から抽出した重心変化およ
び相互相関法に基づいて画像フレーム間から見いだした
最大類似点の方向、間隔のいずれかを与えて降水パター
ンの移動ベクトルとし、相関法に基づいた最大類似点の
方向、間隔の算出には、1フレームを複数の小ブロック
に分割し、フレーム間で同一の小ブロックごとに相互相
関法により降水パターンの移動ベクトルを求めること
で、1フレーム全体として、複数の移動ベクトルを推定
する過程を含んでいてもよい。
The advection vector used in the advection-diffusion equation is obtained by extracting the change in the center of gravity of the region with a higher edge gradient in the gray value of the precipitation pattern, and when the advection property is stronger, the advection vector with a lower edge gradient is given. The direction of the maximum similarity point found between the image frames based on the change of the center of gravity extracted from the region and the cross-correlation method, and the movement vector of the precipitation pattern by giving either one of the intervals, the direction of the maximum similarity point based on the correlation method, To calculate the interval, one frame is divided into a plurality of small blocks, and the movement vector of the precipitation pattern is obtained by the cross-correlation method for each same small block between frames. It may include the process of estimating.

【0025】降水パターンから画像内での移流ベクトル
を推定する際、ある間隔をおいて降水パターンの輪郭線
を抽出して、該輪郭線の変位をおおまかな移流ベクトル
とし、移動平均フイルターで、予測する時間長と比例し
て増減させた反復回数で、反復的に画像内の画素ごとす
べてに移流ベクトルを伝播させる過程を含み、相互相関
法で推定された移動ベクトルを用いる場合は、はじめの
フレーム間から推定された複数の移動ベクトルを初期ベ
クトルとして、反復法により画像全体にわたって移動ベ
クトルを伝播させる過程を含んでいてもよい。
When estimating the advection vector in the image from the precipitation pattern, the contour line of the precipitation pattern is extracted at a certain interval, and the displacement of the contour line is used as a rough advection vector, which is predicted by the moving average filter. When the movement vector estimated by the cross-correlation method is used, including the process of iteratively propagating the advection vector for all pixels in the image with the number of iterations increased or decreased in proportion to the time length It may include a process of propagating the movement vector over the entire image by the iterative method using a plurality of movement vectors estimated from the intervals as an initial vector.

【0026】移流ベクトルの推定のために、画像の降水
パターンから輪郭線を抽出する際に、大小の雲の塊を含
んだ降水パターンに2値化、ラベリング処理、孤立点除
去、膨張・収縮処理を含む基本的な前処理を施した上
で、特定数の雲の塊を抽出し、境界線探索アルゴリズム
で雲の塊の境界線である輪郭線を抽出して、離散化され
ている輪郭線の点列ごとに、過去のフレーム内の輪郭線
の法線方向に沿って、現在のフレーム内の輪郭線と交錯
するまで探索を行い、2つのフレーム間から輪郭線の変
位を求めてもよい。
When extracting the contour line from the precipitation pattern of the image for estimating the advection vector, binarization, labeling processing, isolated point removal, expansion / contraction processing to the precipitation pattern containing large and small cloud blocks are performed. After performing a basic pre-processing including, the cloud of a specific number is extracted, the boundary line search algorithm extracts the boundary line of the cloud cloud, and the discretized contour line. For each point sequence of, the search may be performed along the normal direction of the contour line in the past frame until it intersects with the contour line in the current frame, and the displacement of the contour line between two frames may be obtained. .

【0027】移流・拡散方程式を用いて予測のための計
算を行っている対象時間中に、降水パターンが海上と地
上との間で移動した場合には、海上と地上とで、所定の
値で移流ベクトルの大きさを増減し、同時に、拡散係数
の大きさを増減して計算に地形効果を含めてもよく、地
上よりも海上での消散係数を大きくしてもよい。
When the precipitation pattern moves between the sea and the ground during the target time for which the calculation for prediction is performed by using the advection-diffusion equation, a predetermined value is calculated between the sea and the ground. The size of the advection vector may be increased or decreased, and at the same time, the size of the diffusion coefficient may be increased or decreased to include the terrain effect in the calculation, or the extinction coefficient above the sea than above the ground may be increased.

【0028】移流・拡散方程式は、計算空間では離散化
を行って、所定の条件に応じて差分法、有限要素法、お
よびスペクトル法のいずれかを用いて解く過程を含んで
いてもよい。
The advection / diffusion equation may include a process of performing discretization in a calculation space and solving it by using any one of a difference method, a finite element method and a spectrum method according to a predetermined condition.

【0029】移流・拡散方程式を用いて予測のための計
算を行う場合、降水パターンの領域を、画像の濃淡分布
から画像処理によりエッジ勾配(1次微分値)が大きい
領域と小さい領域とにしきい値により分割し、大きい領
域の重心を求めて、その重心からの距離に応じて、吸い
込み量に重みづけを行い、また、距離が大きくなるほど
消散係数を大きくなるように調節してもよい。
When the calculation for prediction is performed using the advection / diffusion equation, the region of the precipitation pattern is divided into a region having a large edge gradient (first differential value) and a region having a small edge gradient by image processing based on the grayscale distribution of the image. It is also possible to divide by the value, obtain the center of gravity of a large area, weight the suction amount according to the distance from the center of gravity, and adjust the extinction coefficient to increase as the distance increases.

【0030】移流・拡散方程式を用いて予測のための計
算を行う場合、降水パターンの濃淡値を変数として移流
・拡散方程式に入力することに加え、車や工場から排出
される一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物の濃度値を
移流・拡散方程式に入力して、化学物質の濃度値の観測
地域への影響を予測計算にも適応させてもよい。
When carrying out the calculation for prediction using the advection-diffusion equation, in addition to inputting the gray value of the precipitation pattern into the advection-diffusion equation as a variable, carbon monoxide and nitrogen emitted from vehicles and factories The concentration values of oxides and sulfur oxides may be input to the advection / diffusion equation, and the effect of the concentration values of chemical substances on the observation area may be applied to the prediction calculation.

【0031】移流・拡散方程式を用いて予測のための計
算を行う場合、移流・拡散方程式を時間積分する際に、
観測された時間よりも細かい時間幅を選定して、時間積
分を繰り返すことで、予測結果を得てもよい。
When performing a calculation for prediction using the advection / diffusion equation, when integrating the advection / diffusion equation with time,
The prediction result may be obtained by selecting a time width smaller than the observed time and repeating the time integration.

【0032】本発明の降水パターン変化予測装置は、降
水パターン変化を予測するための、計算手段を有する降
水パターン変化予測装置であって、予測の対象とする雨
域のレーダ画像を入力するための画像入力部と、画像入
力部で入力された過去の時系列画像を蓄積する画像蓄積
部と、計算のために画像蓄積部から取り出した連続する
2つ以上の2次元画像間での降水量の変化量やエッジ勾
配分布の画像特徴量を算出する画像処理部と、予め予測
される降水域の存在する位置の地形に応じて、拡散係数
の大きさと推定される移流ベクトルの大きさとを変化さ
せて記憶する地形効果導入部と、画像処理部で算出され
た様々な画像特徴量を初期値とし、降水量の時空間的な
変化量を変数と見なし、地形効果導入部に記憶した拡散
係数と移流ベクトルも用い、移流・拡散方程式の数式表
現に基づいて数値計算を行う移流・拡散方程式演算部
と、数値計算された結果により地形効果を加えた降水パ
ターンの予測をおこなう予測部と、予測部で予測された
結果から降水域を時系列的画像で出力する出力部とを備
えている。
A precipitation pattern change predicting apparatus of the present invention is a precipitation pattern change predicting apparatus having a calculating means for predicting a precipitation pattern change, and for inputting a radar image of a rain range to be predicted. An image input unit, an image storage unit that stores past time-series images input by the image input unit, and a precipitation amount between two or more consecutive two-dimensional images extracted from the image storage unit for calculation. The image processing unit that calculates the amount of change and the image feature amount of the edge gradient distribution, and the size of the diffusion coefficient and the size of the estimated advection vector are changed according to the predicted topography of the position where the precipitation area exists. The terrain effect introductory part to be stored as a memory and the various image feature amounts calculated in the image processing part are used as initial values, and the amount of change in precipitation over time and space is regarded as a variable. Advection vector Also, the advection / diffusion equation calculation unit that performs numerical calculation based on the mathematical expression of the advection / diffusion equation, the prediction unit that predicts the precipitation pattern with the topographic effect based on the numerical calculation results, and the prediction unit And an output unit that outputs the precipitation area as a time-series image from the obtained result.

【0033】本発明では、レーダーエコー画像情報その
ものを移流・拡散方程式における変数として与え、この
方程式に基づいて降水域の予測を自動的に行う。また、
画像処理技法に基づいて、この方程式に含まれる様々な
物理的な効果の成分である、時間項、移流項、拡散項、
湧きだし項、吸い込み項、消散項といった各項および、
拡散係数を逐次与えることを特徴としている。さらに、
地形効果を簡単に組み込むことができる。例えば、画像
領域や画素単位ごとに、移流ベクトルを変化させたり、
拡散係数を変化させて与えることができる。なお、地形
効果については、一度観測範囲を定めて、海上と陸上と
で、拡散係数の増減と移流ベクトルに対する重みづけ量
の増減を決定しておけばよい。
In the present invention, the radar echo image information itself is given as a variable in the advection / diffusion equation, and the precipitation area is automatically predicted based on this equation. Also,
Based on image processing techniques, the components of the various physical effects included in this equation are the time term, advection term, diffusion term,
Each term such as the source term, the suction term, the extinction term, and
The feature is that the diffusion coefficient is sequentially given. further,
Terrain effects can be easily incorporated. For example, changing the advection vector for each image area or pixel unit,
The diffusion coefficient can be changed and given. Regarding the terrain effect, once the observation range is determined, it is sufficient to determine the increase / decrease in the diffusion coefficient and the increase / decrease in the weighting amount for the advection vector at sea and on land.

【0034】降水現象を本方程式で近似しており、複数
の効果を統一的に扱えるので、適用における専門的な知
識はほとんど必要としない。予測する際、降水域の初期
の形状・濃淡値を与えて、物理方程式で予測しているの
で、かなり複雑な形状・濃淡値の予測結果を高い精度で
得ることができる。
Since the precipitation phenomenon is approximated by this equation and a plurality of effects can be treated in a unified manner, almost no specialized knowledge is required in application. At the time of prediction, since the initial shape and gray value of the precipitation region are given and the physical equation is used for prediction, it is possible to obtain a highly complex prediction result of the shape and gray value with high accuracy.

【0035】予測する際、計算機のメモリには、2次元
の画像データについては、過去30分間のデータだけ蓄
積しておけばよく、1次元的な面積変化、強度変化につ
いては、1時間程度のデータだけ蓄積しておけばよい。
When making a prediction, it is sufficient to store only the data of the past 30 minutes for the two-dimensional image data in the memory of the computer, and the one-dimensional area change and intensity change of about one hour. You only need to store the data.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態
の降水パターン変化予測方法と装置の説明図であり、
(a)は降水パターン変化予測方法のフローチャート、
(b)は降水パターン変化予測装置のブロック構成図で
ある。図中符号11は画像入力部、12は画像蓄積部、
13は画像処理部、14は地形効果導入部、15は移流
・拡散方程式演算部、16は予測部、17は出力部、S
101〜S110は各ステップである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram of a precipitation pattern change prediction method and apparatus according to an embodiment of the present invention,
(A) is a flowchart of a precipitation pattern change prediction method,
(B) is a block diagram of a precipitation pattern change prediction device. In the figure, reference numeral 11 is an image input unit, 12 is an image storage unit,
13 is an image processing unit, 14 is a terrain effect introduction unit, 15 is an advection / diffusion equation calculation unit, 16 is a prediction unit, 17 is an output unit, S
101 to S110 are each step.

【0037】本発明の降水パターン変化予測装置は、予
測の対象とする雨域のレーダ画像を入力するための画像
入力部11と、画像入力部11で入力された過去の時系
列画像を蓄積する画像蓄積部12と、計算のために画像
蓄積部12から取り出した連続する2つ以上の2次元画
像間での降水量の変化量やエッジ勾配分布の画像特徴量
を算出する画像処理部13と、予め予測される降水域の
存在する位置の地形に応じて、拡散係数の大きさと推定
される移流ベクトルの大きさとを変化させて記憶する地
形効果導入部14と、画像処理部13で算出された様々
な画像特徴量を初期値とし、降水量の時空間的な変化量
を変数と見なし、地形効果導入部14に記憶した拡散係
数と移流ベクトルも用い、移流・拡散方程式の数式表現
に基づいて数値計算を行う移流・拡散方程式演算部15
と、数値計算された結果により地形効果を加えた降水パ
ターンの予測をおこなう予測部16と、予測部16で予
測された結果から降水域を時系列的画像で出力する出力
部17とから構成される。
The precipitation pattern change prediction apparatus of the present invention accumulates the image input unit 11 for inputting the radar image of the rain region to be predicted, and the past time series images input by the image input unit 11. An image storage unit 12, and an image processing unit 13 for calculating an amount of change in precipitation amount and an image feature amount of edge gradient distribution between two or more continuous two-dimensional images extracted from the image storage unit 12 for calculation. Calculated by the image processing unit 13 and the terrain effect introduction unit 14 that changes and stores the size of the diffusion coefficient and the estimated size of the advection vector according to the terrain at the position where the precipitation region is predicted in advance. Based on the mathematical expression of the advection-diffusion equation, using various image feature amounts as initial values, the amount of change in precipitation in time and space is regarded as a variable, and the diffusion coefficient and advection vector stored in the terrain effect introduction unit 14 are also used. Numerical counter Advection-diffusion equation calculating section 15 for
And a prediction unit 16 that predicts a precipitation pattern with a topographic effect based on the numerically calculated result, and an output unit 17 that outputs the precipitation area as a time-series image from the result predicted by the prediction unit 16. It

【0038】次に図1(a)を参照して本発明の局所雨
域予測方法の各過程を説明する。予測を開始すると(S
101)、画像入力部11を用いて外部の気象レーダエ
コー画像などから所望の地域の所望の雨域のレーダー画
像を入力し(S102)、画像蓄積部12に蓄積する
(S103)。画像蓄積部12には過去の時系列画像が
蓄積される。
Next, each step of the local rain area prediction method of the present invention will be described with reference to FIG. When the prediction starts (S
101), a radar image of a desired rain area of a desired area is input from an external weather radar echo image using the image input unit 11 (S102) and stored in the image storage unit 12 (S103). The image storage unit 12 stores past time series images.

【0039】次に画像蓄積部12から現在の画像と、比
較の対象とする過去の画像を取り出し(S104)、取
り出した連続する2つ以上の2次元画像間での降水量の
変化量やエッジ勾配分布の画像特徴量を算出し(S10
5)、地形効果導入部14では、予め予測される降水域
の存在する位置の地形に応じて、拡散係数の大きさと推
定される移流ベクトルの大きさとを変化させて記憶し
(S106)、移流・拡散方程式演算部15で、画像処
理部13で算出された様々な画像特徴量および初期の降
水域の形状・濃淡値情報を与えて初期値とし、降水量の
時空間的な変化量を変数と見なし、地形効果導入部14
に記憶した拡散係数と移流ベクトルも用い、移流・拡散
方程式の数式表現に基づいて差分法等で方程式の離散化
をおこない、時間について方程式を積分していくこと
で、数値計算を行い(S107)、予測部16で、数値
計算された結果により地形効果を加えた降水パターンの
予測をおこない(S108)、出力部17で、予測部1
6で予測された結果から降水域の形状・濃淡値を時系列
的画像で出力して(S109)、工程を終了する(S1
10)。
Next, the present image and the past image to be compared are extracted from the image storage unit 12 (S104), and the amount of change in the precipitation amount and the edge between the two or more consecutive two-dimensional images thus extracted are extracted. The image feature amount of the gradient distribution is calculated (S10
5) In the terrain effect introducing unit 14, the size of the diffusion coefficient and the size of the estimated advection vector are changed and stored according to the terrain at the position where the precipitation region is predicted in advance (S106), and the advection is performed. In the diffusion equation calculation unit 15, various image feature amounts calculated by the image processing unit 13 and the shape / grayscale value information of the initial precipitation area are given as initial values, and the amount of temporal change in precipitation amount is changed. Considering that, the terrain effect introduction section 14
Numerical calculation is performed by using the diffusion coefficient and the advection vector stored in the above, discretizing the equation by the difference method based on the mathematical expression of the advection / diffusion equation, and integrating the equation with respect to time (S107). The prediction unit 16 predicts the precipitation pattern with the topographic effect added based on the numerically calculated result (S108), and the output unit 17 predicts the prediction unit 1
The shape and gray value of the precipitation area are output as a time-series image from the result predicted in 6 (S109), and the process ends (S1).
10).

【0040】図2は、実際のレーダーエコー画像に映し
出される降水域の2フレーム間の変化を示す模式図であ
り、(a)は一つの降水パターンの変化の状態の模式図
とエッジ勾配値のグラフ、(b)は複数の降水パターン
の変化の状態の模式図である。図中符号20、25は降
水パターン、21はエッジ勾配小の領域、22はエッジ
勾配大の領域である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a change between two frames of a precipitation area displayed on an actual radar echo image. FIG. 2A is a schematic diagram showing a change state of one precipitation pattern and an edge gradient value. Graph (b) is a schematic diagram of a state of changes in a plurality of precipitation patterns. In the figure, reference numerals 20 and 25 are precipitation patterns, 21 is a region with a small edge gradient, and 22 is a region with a large edge gradient.

【0041】画像処理部13におけるエッジ勾配分布の
特徴量を算出する方法として、ここでは、2次元画像か
らSobel演算子によりエッジを抽出して、その勾配
の大きい領域22を斜線部で、その残りを勾配値が小さ
い領域21として強調してある。このような画像処理か
ら、降水域は、中心に降水量の多い領域があって、その
周辺が降水量が少ない領域からなりたっている特徴を見
い出している。どの例でも、降水パターン20は2重構
造をなしており、図2(a)に示すエッジ勾配値グラフ
に示されるようにそのエッジ勾配の断面をみると、必ず
山状の構造をしている特徴がある。また、降水域の発達
・衰退は常に、斜線部の強い降水域が先に変動してか
ら、弱い降水域へ広がり、消散することが確認されてい
る。これは、対流の中心がほぼ降水域の強い領域に位置
しており、3次元的な対流の強弱が、2次元画像ではこ
のような姿として発現すると考えられる。このことか
ら、降水域の強弱の変化を追従しつつ、面積の増減を予
測できる可能性があることが示唆されている。
As a method for calculating the feature amount of the edge gradient distribution in the image processing unit 13, here, an edge is extracted from a two-dimensional image by the Sobel operator, and a region 22 having a large gradient is shaded and the rest is left. Is emphasized as a region 21 having a small gradient value. From such image processing, it has been found that the precipitation region has a region with a large amount of precipitation in the center and a region with a small amount of precipitation in the periphery. In all the examples, the precipitation pattern 20 has a double structure, and the cross section of the edge gradient as shown in the edge gradient value graph shown in FIG. 2A always has a mountain-like structure. There are features. In addition, it has been confirmed that the development and decline of the precipitation area always spreads to the weak precipitation area and then dissipates after the strong precipitation area in the shaded area changes first. This is because the center of the convection is located in a region where the precipitation region is strong, and it is considered that the three-dimensional convection intensity appears as such in a two-dimensional image. From this, it is suggested that it is possible to predict the increase or decrease of the area while following the changes in the intensity of the precipitation area.

【0042】図3は、降水域の連続する2フレームの間
の差分を抽出した状態を示す模式図であり、図中符号3
1は進んだ領域、32は現在と重ならない過去の領域、
33は現在と過去の重なった領域、35は現在の領域、
36は過去の領域である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which the difference between two consecutive frames of the precipitation area is extracted, and reference numeral 3 in the figure.
1 is the advanced region, 32 is the past region that does not overlap with the present,
33 is an area where the present and past overlap, 35 is the current area,
36 is a past area.

【0043】降水域が図の左から右へ移動した場合、そ
の2つの領域の差分(現在−過去)をとると、進んだ領
域31(正)、過去の領域で重なりのない領域32
(負)、両者が重なった領域33(零)が得られる。後
述するように、これらの領域の濃淡値情報は、移流・拡
散方程式中の湧きだし項、吸い込み項に与えられる。
When the precipitation area moves from the left to the right of the figure, the difference between the two areas (current-past) is taken, and the advanced area 31 (positive) and the non-overlapping area 32 are past areas.
(Negative), a region 33 (zero) in which the both overlap is obtained. As will be described later, the gray value information of these regions is given to the source and sink terms in the advection-diffusion equation.

【0044】移流・拡散方程式演算部15で用いられる
移流・拡散方程式は、式(1)の通りである。
The advection / diffusion equation used in the advection / diffusion equation calculation unit 15 is as shown in equation (1).

【0045】[0045]

【数1】 式(1)において、[Equation 1] In equation (1),

【0046】[0046]

【数2】 とおいて、差分法により離散化する。式(1)の左辺は
時間項、右辺の第一項より、拡散項、移流項、湧きだし
項、吸い込み項、消散項である。λは拡散係数である。
[Equation 2] In addition, the discretization is performed by the difference method. The left side of the equation (1) is a diffusion term, an advection term, a well term, a suction term, and an extinction term from the time term and the first term on the right side. λ is the diffusion coefficient.

【0047】[0047]

【数3】 上式において、[Equation 3] In the above formula,

【0048】[0048]

【外1】 は、n番目のフレームの、i,jにおける濃淡値を示
す。
[Outer 1] Indicates the gray value at i, j of the nth frame.

【0049】式(2)は、降水域を示す画像1フレーム
内で離散化されて、1フレームの画素数分の大きさの連
立1次方程式を初期条件・境界条件のもとで解かれる。
予測される画像は、式(2)の出力結果そのものであ
る。
The equation (2) is discretized within one frame of the image showing the precipitation area, and a simultaneous linear equation having a size corresponding to the number of pixels of one frame is solved under the initial condition and the boundary condition.
The predicted image is the output result itself of equation (2).

【0050】図4は、離散化された画像と方程式を解く
上で必要な境界条件の配置を示す模式図であり図中、△
印は降水域内部の点、○印は降水域外部の点を示す。降
水域は実際の現象の一部を見ているので、計算格子とし
ては、内部と外部の点とには連続条件を課すことにな
る。これは、式(2)をみてわかるように、1次微分・
2次微分の項を離散化すると、基準点(i,j)より、
前後に±1だけ離れた格子点を参照することによる。連
続条件は、計算数値力学でよく適用されているように、
式(2)の各項の成分ごとに、計算格子の最も外側の点
(○印)とそれらの点の一つ内側の点(△印)とを単純
に等式で結んで、時間積分をおこなうごとに、その等式
を参照するのである。
FIG. 4 is a schematic view showing the arrangement of the discretized image and the boundary conditions necessary for solving the equation. In FIG.
The marks indicate points inside the precipitation area, and the ○ marks indicate points outside the precipitation area. Since the precipitation area sees a part of the actual phenomenon, the calculation grid imposes continuous conditions on the inside and outside points. As can be seen from the equation (2), this is the first derivative
When the term of the second derivative is discretized, from the reference point (i, j),
By referring to grid points that are separated by ± 1 in the front and back. The continuous condition, as is often applied in computational numerical mechanics,
For each component of each term in equation (2), the outermost point (circle) of the calculation grid and the point inside one of these points (circle) are simply connected by an equation to calculate the time integration. Every time we do, we refer to the equation.

【0051】また、初期条件は、予測を開始するときの
降水域の画像そのものと、差分画像値、拡散係数、移流
ベクトルである。なお、拡散係数は、面積の変化の大き
さと比例関係にあるものとして、予め調節してある。移
流ベクトルについては以下の通りである。
The initial conditions are the image itself of the precipitation area when the prediction is started, the difference image value, the diffusion coefficient, and the advection vector. The diffusion coefficient is adjusted in advance so that it has a proportional relationship with the magnitude of the change in area. The advection vector is as follows.

【0052】図5は、面積の1次元的な予測方法を示す
模式的グラフであり、図中符号51は観測値、52は2
次関数フィッティング、53は観測された面積変化、5
4は予測された面積変化である。拡散係数を変化させる
ための1次元的な面積の変化率の算定において、実際に
検出される降水パターンの面積変化は、画像処理によ
り、各フレームごとに単純に、画素の数を数えることで
得られる。この面積変化は、数十時間のスケールで眺め
ると、ゆるやかな曲線を描いていることがわかる。この
曲線は、降水パターンの発達・衰退の大局的な変化を示
している。従って、この曲線を非線形関数で近似当ては
めをおこなって、1次元的に面積の変化を予測していく
ことが可能である。様々な非線形関数が適用できるが、
経験的には、2次関数がもっとも適当であることがわか
っている。1時間前後過去の面積データに、2次関数を
最小自乗法により少しずつずらしながら当てはめをおこ
ない、当てはまった後に、所定の時間先まで面積変化を
2次関数に基づいて外挿するのである。ちなみに、3次
以上の高次の関数を最小自乗法で当てはめると、ほとん
どの場合、不適切な複数の極値が現われてしまうという
問題が見られた。
FIG. 5 is a schematic graph showing a one-dimensional area prediction method. In the figure, reference numeral 51 is an observed value and 52 is 2
Quadratic function fitting, 53 is the observed area change, 5
4 is the predicted area change. In the calculation of the one-dimensional area change rate for changing the diffusion coefficient, the area change of the actually detected precipitation pattern is obtained by simply counting the number of pixels for each frame by image processing. To be This area change shows a gentle curve when viewed on a scale of several tens of hours. This curve shows global changes in the development and decline of precipitation patterns. Therefore, it is possible to predict the change in area one-dimensionally by performing an approximate fitting of this curve with a non-linear function. Various nonlinear functions can be applied,
Empirically, the quadratic function has been found to be the most suitable. The quadratic function is fitted to the area data about one hour past by shifting the quadratic function little by little by the method of least squares, and after fitting, the area change is extrapolated based on the quadratic function until a predetermined time ahead. By the way, when a higher-order function of the third order or higher is applied by the method of least squares, in most cases, there is a problem that inappropriate plural extreme values appear.

【0053】図6は、面積の変化率と拡散係数の模式的
対応グラフである。面積の変化率に連動して拡散係数を
変化させるために、降水パターンから面積の変化率を算
出し、拡散係数をZ状に与える。即ち、面積の変化率が
正のときは、降水パターンが発達過程にあることから、
拡散係数を増加させて、逆に負のときは、哀退過程にあ
ることから、拡散係数を減少させる。ただし、拡散係数
はゼロにせずに、漸近的にゼロにする。
FIG. 6 is a schematic correspondence graph of the area change rate and the diffusion coefficient. In order to change the diffusion coefficient in conjunction with the area change rate, the area change rate is calculated from the precipitation pattern, and the diffusion coefficient is given in a Z shape. That is, when the rate of change of area is positive, the precipitation pattern is in the developing process,
When the diffusion coefficient is increased, on the contrary, when the diffusion coefficient is negative, the diffusion coefficient is decreased because it is in the process of withdrawal. However, the diffusion coefficient is not zero but is asymptotically zero.

【0054】図7、8、9、10は、降水パターンの輪
郭線の変位から移流ベクトルを推定する方法についての
説明図である。
FIGS. 7, 8, 9, and 10 are explanatory views of a method for estimating the advection vector from the displacement of the contour line of the precipitation pattern.

【0055】図7は、雨域の雲の塊である個々のブロッ
クから法線・接線を求める方法を説明するための模式的
平面図であり、図中符号71は輪郭線、72は輪郭点、
73は接線、74は法線である。ここでは、雨域の輪郭
線71は仮に円パターンとなっているものとする。円パ
ターンを適当な数からなる輪郭点72によって離散化す
る。図の輪郭点72上の接線73の方向は、この輪郭点
72を中心としてその両隣の輪郭点72を用いた中心差
分値の成分である。従って、法線74の方向は、この成
分との内積がゼロとなるように求めた結果に等しい。こ
のような計算を離散化したすべての輪郭点72の点列に
ついて行う。なお、実際の複雑な輪郭形状をもつ雨域パ
ターンに適用するためには、前処理として、2値化、膨
張収縮、孤立点除去、ラベリングを施しておく必要があ
る。
FIG. 7 is a schematic plan view for explaining a method of obtaining normals / tangents from individual blocks which are cloud blocks in the rainy area. In the figure, reference numeral 71 is a contour line and 72 is a contour point. ,
73 is a tangent line and 74 is a normal line. Here, it is assumed that the contour line 71 of the rain area has a circular pattern. The circle pattern is discretized by an appropriate number of contour points 72. The direction of the tangent line 73 on the contour point 72 in the figure is a component of the central difference value using the contour points 72 on both sides of the contour point 72 as the center. Therefore, the direction of the normal line 74 is equal to the result obtained so that the inner product with this component becomes zero. Such calculation is performed for all the discretized contour points 72. In addition, in order to apply to a rainy area pattern having an actual complicated contour shape, it is necessary to perform binarization, expansion / contraction, isolated point removal, and labeling as preprocessing.

【0056】図8は、雨域のブロックの2つの画像のフ
レーム間で輪郭線が拡がった例を示す模式的平面図であ
り、(a)は輪郭線が等方的に拡がった状態を、(b)
は輪郭線が異方的に拡がった状態を示す。図中符号8
1、86は過去の輪郭線、84、87は法線、85、8
8は現在の輪郭線である。
FIG. 8 is a schematic plan view showing an example in which a contour line is expanded between two image frames of a rainy area block. FIG. 8A shows a state in which the contour line is isotropically expanded. (B)
Indicates a state in which the contour line is anisotropically expanded. Reference numeral 8 in the figure
1, 86 are past contour lines, 84, 87 are normal lines, 85, 8
8 is the current contour line.

【0057】(a)と(b)では小円の大円に対する配
置のずれ方が異なっている。ここでは、小円を過去のあ
る雨域、大円を現在の大きさの雨域であることを想定し
ている。(a)の場合は、大小2つの円の変形量は、明
らかに等方的に得られる。一方、(b)の場合は、上方
に大きく、下方に小さい変形量として得られる。このよ
うに輪郭線の変化は通常一様ではない。
(A) and (b) differ from each other in how the small circles are displaced from the great circles. Here, it is assumed that a small circle is a certain rainy area in the past and a large circle is a rainy area of the present size. In the case of (a), the deformation amounts of the two large and small circles are obviously isotropic. On the other hand, in the case of (b), a large amount of deformation is obtained in the upper direction and a small amount of deformation is obtained in the downward direction. As described above, the change of the contour line is usually not uniform.

【0058】図9は、実際の雨域について輪郭線の変形
量を算定した結果を示す模式的平面図であり、図中符号
91は過去の輪郭線、94は法線、95は現在の輪郭線
である。移流ベクトル推定のための降水パターンからの
輪郭線の検出は、前処理として、孤立点除去とそれぞれ
数回ずつの2値化、ラベリング処理、膨張・縮小処理と
の基本的な画像処理を行い、境界線探索アルゴリズムで
境界線を検出する。
FIG. 9 is a schematic plan view showing the result of calculating the deformation amount of the contour line in the actual rain area. In the figure, reference numeral 91 is a past contour line, 94 is a normal line, and 95 is a current contour line. It is a line. The detection of the contour line from the precipitation pattern for the advection vector estimation is performed by the basic image processing such as the isolated point removal and the binarization processing, the labeling processing, and the expansion / contraction processing several times each as the preprocessing. Boundary lines are detected by the boundary line search algorithm.

【0059】この図9は、小さい網点で示す雨域のブロ
ックが、画像の数フレーム先で大きく広がった場合の例
である。網点の輪郭線91の法線94を内外に伸ばし
て、大きい方の輪郭線95との交わったところまでの変
形量によって、相対的な移動速度が求まる。この場合、
全体的に雨域は上方に広がっているが、下方への移動も
あるために、雨域の下部は、凸形状と凹形状とに変形し
ていることがわかる。
FIG. 9 shows an example in which a block in the rain area shown by small halftone dots spreads a few frames ahead of the image. The relative movement speed is obtained by extending the normal line 94 of the contour line 91 of the halftone dots inward and outward, and the amount of deformation up to the intersection with the larger contour line 95. in this case,
It can be seen that, although the rain area spreads upward as a whole, the lower part of the rain area is deformed into a convex shape and a concave shape because it also moves downward.

【0060】図10は、局所的な変形量(移動速度)か
ら、全体の移動速度を推定した結果を示す摸式的平面図
であり、図中符号101は過去の輪郭線、104は速度
ベクトル、105は現在の輪郭線である。部分的に求ま
っている初期の移動速度をナビエ・ストークス方程式に
代入することで、次のフレームからの全体の移動速度、
即ち移流速度が予測される。時間積分を続けると、次の
画像のフレームに、予測された移流速度を容易に得るこ
とができる。もしくは移動平均フイルターを反復的に繰
り返すことで、部分的にまとまっている移動ベクトルか
ら画像全体の移流ベクトルが推定される。
FIG. 10 is a schematic plan view showing the result of estimating the overall moving speed from the local deformation amount (moving speed). In the figure, reference numeral 101 is a past contour line, and 104 is a speed vector. , 105 are the current contour lines. By substituting the partially obtained initial moving speed into the Navier-Stokes equation, the total moving speed from the next frame,
That is, the advection speed is predicted. If the time integration is continued, the predicted advection velocity can easily be obtained in the next image frame. Alternatively, by repeating the moving average filter iteratively, the advection vector of the entire image is estimated from the moving vectors that are partially collected.

【0061】図11は、地形の影響とパラメーターと関
係を示す模式図であり、(a)は降水パターンの時系列
的な変化を示す模式図、(b)は移流と拡散係数の大小
を示す模式図であり、図中符号111は海、112は
陸、113は降水パターン、114は移流大・拡散係数
小の状態、115は移流小・拡散係数大の状態である。
降水パターンが海上と陸上の間で移動した場合の例とし
て、レーダー内に海111と陸112が存在する場合を
挙げる。初期の段階で、海上にあった小さい降水パター
ン113が移流により、しだいに陸に入り込んでくる。
陸に入り込んでくると、降水パターンはしだいに大きく
成長する。その後方部には、細かい降水パターンが散在
する。海上にある細かい降水パターンがレーダーにみえ
ている時間は陸上の降水パターンよりも短い。これは、
降水パターン113が陸に近づいてくると、地上摩擦の
ために、移流成分が弱められて、鉛直の対流成分が優勢
になり、海上から水蒸気の供給が続いている間、陸上の
降水パターンの移動速度は遅くなるが、その雨域の拡大
が続く。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the influence of the topography and the relationship with parameters. (A) is a schematic diagram showing changes in precipitation patterns over time, and (b) shows the magnitude of advection and diffusion coefficient. In the figure, reference numeral 111 is the sea, 112 is land, 113 is a precipitation pattern, 114 is a large advection / small diffusion coefficient state, and 115 is a small advection / diffusion coefficient large state.
As an example of the case where the precipitation pattern moves between the sea and the land, the case where the sea 111 and the land 112 exist in the radar will be described. At the initial stage, a small precipitation pattern 113 on the sea gradually enters the land due to advection.
As it enters the land, the precipitation pattern grows gradually. Fine precipitation patterns are scattered in the rear part. The time when a fine precipitation pattern on the sea is visible to the radar is shorter than that on land. this is,
When the precipitation pattern 113 approaches land, the advection component is weakened due to ground friction, the vertical convection component becomes dominant, and the movement of the precipitation pattern on land continues while the supply of steam from the sea continues. The speed slows down, but the rainy area continues to expand.

【0062】移流・拡散方程式に対し、海上と陸上と
で、移流ベクトルと拡散係数を制御することで地形の影
響を組み込みことが容易に実現できる。即ち、海上では
移流成分は大きめに、陸上では小さめに、予測された移
流ベクトルについて、各画素ごとに重みづけを与え、拡
散係数は海上では小さめに、陸上では大きめに与えれば
よい。
In response to the advection / diffusion equation, the influence of the terrain can be easily incorporated by controlling the advection vector and the diffusion coefficient at sea and on land. That is, the advection component may be given a large value on the sea, a little on the land, and the predicted advection vector may be weighted for each pixel, and the diffusion coefficient may be given a little on the sea and a little on the land.

【0063】図12は、降水の中心部からの距離に応じ
て、拡散係数と消散係数の値を増減させる方法を説明す
るための模式図であり、図中符号121は海、122は
陸、123は降水の中心である。
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a method of increasing or decreasing the values of the diffusion coefficient and the extinction coefficient according to the distance from the center of precipitation, in which reference numeral 121 is the sea, 122 is the land, 123 is the center of precipitation.

【0064】対流の中心は、降水パターンに必ず存在
し、それは、エッジ勾配値の高い領域に相当する。この
領域の重心である降水の中心123から離れるに従っ
て、拡散係数を小さく、また、消散係数を大きくとる。
これらの係数の変化は、移流・拡散方程式を用いて予測
している間に与えてやればよい。ただし、拡散係数は、
式(2)において、λi,j に画素ごとに与えられるよう
に変更する。
The center of convection always exists in the precipitation pattern, which corresponds to a region with a high edge gradient value. As the distance from the center of precipitation 123, which is the center of gravity of this region, increases, the diffusion coefficient becomes smaller and the extinction coefficient becomes larger.
Changes in these coefficients may be given during prediction using the advection / diffusion equation. However, the diffusion coefficient is
In Expression (2), λ i, j is changed so as to be given for each pixel.

【0065】図13は、画像処理により、降水域の重心
の変化を追従した結果を示す模式図であり、図中符号1
31はエッジ勾配小の領域、132はエッジ勾配大の領
域、133は降水パターン、134は重心である。
FIG. 13 is a schematic diagram showing the result of following the change of the center of gravity of the precipitation area by the image processing.
Reference numeral 31 is a region having a small edge gradient, 132 is a region having a large edge gradient, 133 is a precipitation pattern, and 134 is a center of gravity.

【0066】この結果は、式(2)中の移流ベクトルThis result is the advection vector in equation (2).

【0067】[0067]

【外2】 に与えられる。降水域画像からエツジ勾配を求めて、そ
の勾配値の高い領域の時間ごとの重心134の変化を追
従する。その重心の移動の方向と大きさを降水域内で生
じている平均的な移流成分として仮定している。より局
所的な移流成分が必要な場合は、ナビエ・ストークス方
程式の解として得られる速度ベクトルを各格子点ごとに
与えるのである。このように、エッジ勾配値の高い領域
の重心134の移動量に用いることは、フレーム間で、
対応点が必ずしも安定に求められない相互相関法と併用
することが適当である。
[Outside 2] Given to. The edge gradient is obtained from the precipitation area image, and the change of the center of gravity 134 over time in the area having a high gradient value is tracked. The direction and magnitude of movement of the center of gravity is assumed as the average advection component occurring in the precipitation area. When a more local advection component is required, the velocity vector obtained as the solution of the Navier-Stokes equation is given to each grid point. In this way, the use of the moving amount of the center of gravity 134 in a region having a high edge gradient value is
It is suitable to use it together with the cross-correlation method in which the corresponding points are not always obtained stably.

【0068】図14は、相互相関法に基づいた降水パタ
ーンの移動量検出例を示す模式図であり、図中符号14
1は過去の降水パターン、142は現在の降水パター
ン、143、144は移動ベクトルである。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of detecting the amount of movement of a precipitation pattern based on the cross-correlation method.
Reference numeral 1 is a past precipitation pattern, 142 is a present precipitation pattern, and 143 and 144 are movement vectors.

【0069】1つのフレームを、この例では9つの小ブ
ロックに分割されて、対応する次のフレームの小ブロッ
クとの間で、相互相関係数を計算する。各小ブロック
で、最も類似性の高い点の距離と方向を求めて、これを
各小ブロックでの移動ベクトル143とみなす。ただ
し、従来法と異なり、これらの移動ベクトルをそのまま
移流ベクトルとして、雨域を線形外挿することはしな
い。その代わりに、移動平均フィルターで、小ブロック
内の各画素に移動ベクトルを伝播させて、補間する手段
をとる。これから求まる移動ベクトル144を移流・拡
散方程式中の移流ベクトル項に画素ごとに与えてやれば
よい。
In this example, one frame is divided into nine small blocks, and a cross-correlation coefficient is calculated between the frame and the corresponding small block of the next frame. In each small block, the distance and direction of the point having the highest similarity are obtained, and this is regarded as the movement vector 143 in each small block. However, unlike the conventional method, these movement vectors are not used as advection vectors and the rain area is not linearly extrapolated. Instead, a moving average filter is used to propagate the moving vector to each pixel in the small block to interpolate. The movement vector 144 obtained from this may be given to the advection vector term in the advection / diffusion equation for each pixel.

【0070】本発明では、例えば海と陸のような予測さ
れる降水域の存在する位置に応じて拡散係数と移流ベク
トルの大きさを変化させて地形の降水パターンに与える
効果を調整して予測の精度を高めたが、移流・拡散方程
式を用いて予測のための計算を行う場合、降水パターン
の濃淡値を変数として移流・拡散方程式に入力すること
に加え、さらに車や工場から排出される一酸化炭素、窒
素酸化物、硫黄酸化物の濃度値を移流・拡散方程式に入
力して、化学物質の濃度値の観測地域への影響を予測計
算にも適応させることにより一層予測の精度を高めるこ
とができる。
In the present invention, the magnitude of the diffusion coefficient and the advection vector is changed according to the location of the predicted precipitation area such as the sea and land, and the effect on the precipitation pattern of the terrain is adjusted and predicted. However, when calculating for prediction using the advection-diffusion equation, in addition to inputting the gray value of the precipitation pattern as a variable into the advection-diffusion equation, it is also emitted from vehicles and factories. By inputting the concentration values of carbon monoxide, nitrogen oxides, and sulfur oxides into the advection / diffusion equation, and applying the influence of the concentration values of chemical substances to the observation area to the prediction calculation, the prediction accuracy is further improved. be able to.

【0071】図15は、本発明と従来法による予測の評
価結果の比較グラフであり、(a)はCISによる比較
結果、(b)はERRによる比較結果である。面積の的
中率として広く用いられているCSI(Critica
l Success Index)を用いると、従来法
(相互相関法やニューラルネットモデル)よりも的中率
の低下は抑制されているのがわかる。また、濃淡値、即
ち、降水量の予測値についても、本発明の方が良くなっ
ている。
FIG. 15 is a comparison graph of the evaluation results of the predictions of the present invention and the conventional method. (A) shows the comparison result by CIS and (b) shows the comparison result by ERR. CSI (Critica), which is widely used as the hit rate of the area
It can be seen that the use of the l Success Index suppresses the decrease in hit rate more than the conventional method (cross-correlation method or neural net model). Further, the gray level value, that is, the predicted value of the precipitation amount is also better in the present invention.

【0072】以上の性能評価結果から、本発明の予測の
精度の高さが容易に理解できる。また、停滞性の降水域
の場合は、従来は2、3時間先までであった予測から、
5、6時間先の予測においても実用的な的中率が達成さ
れている。
From the above performance evaluation results, it is possible to easily understand the high accuracy of the prediction of the present invention. Also, in the case of stagnant precipitation areas, from the forecast that was until a few hours in the past,
Practical predictive value has been achieved even in the prediction of 5 or 6 hours ahead.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
時間依存の物理方程式と画像処理技法を適切に結びつけ
ることで、濃淡値、形状等が実際の降水域・降水量とし
て予測でき、さらに地形効果を加えることによって精度
の高い的中率が達成できるという効果がある。
As described above, according to the present invention,
By properly connecting time-dependent physical equations and image processing techniques, it is possible to predict the gray value, shape, etc. as the actual precipitation area / precipitation, and by adding the terrain effect, it is possible to achieve a highly accurate hit rate. effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態の降水パターン変化予測方
法と装置の説明図である。(a)は降水パターン変化予
測方法のフローチャートである。(b)は降水パターン
変化予測装置のブロック構成図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a precipitation pattern change prediction method and apparatus according to an embodiment of the present invention. (A) is a flowchart of a precipitation pattern change prediction method. (B) is a block diagram of a precipitation pattern change prediction device.

【図2】実際のレーダーエコー画像に映し出される降水
域の2フレーム間の変化を示す模式図である。(a)は
一つの降水パターンの変化の状態の模式図とエッジ勾配
値のグラフである。(b)は複数の降水パターンの変化
の状態の模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a change between two frames of a precipitation area displayed on an actual radar echo image. (A) is a schematic diagram of a state of change of one precipitation pattern and a graph of edge gradient values. (B) is a schematic diagram of a change state of a plurality of precipitation patterns.

【図3】降水域の連続する2フレームの間の差分を抽出
した状態を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a difference between two consecutive frames of a precipitation area is extracted.

【図4】離散化された画像と方程式を解く上で必要な境
界条件の配置を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an arrangement of boundary conditions necessary for solving a discretized image and an equation.

【図5】面積の1次元的な予測方法を示す模式的グラフ
である。
FIG. 5 is a schematic graph showing a one-dimensional area prediction method.

【図6】面積の変化率と拡散係数の模式的対応グラフで
ある。
FIG. 6 is a schematic correspondence graph of the area change rate and the diffusion coefficient.

【図7】雨域の雲の塊である個々のブロックから法線・
接線を求める方法を説明するための模式的平面図であ
る。
[Fig. 7] Normals from individual blocks that are cloud blocks in the rain area
FIG. 6 is a schematic plan view for explaining a method of obtaining a tangent line.

【図8】雨域のブロックの2つの画像のフレーム間で輪
郭線が拡がった例を示す模式的平面図である。(a)は
輪郭線が等方的に拡がった状態を示す。(b)は輪郭線
が異方的に拡がった状態を示す。
FIG. 8 is a schematic plan view showing an example in which a contour line is widened between frames of two images of a block in a rainy area. (A) shows a state in which the contour line is isotropically expanded. (B) shows a state in which the contour line is anisotropically expanded.

【図9】実際の雨域について輪郭線の変形量を算定した
結果を示す模式的平面図である。
FIG. 9 is a schematic plan view showing a result of calculating a deformation amount of a contour line in an actual rain area.

【図10】局所的な変形量(移動速度)から、全体の移
動速度を推定した結果を示す摸式的平面図である。
FIG. 10 is a schematic plan view showing a result of estimating the overall moving speed from a local deformation amount (moving speed).

【図11】地形の影響とパラメーターと関係を示す模式
図である。(a)は降水パターンの時系列的な変化を示
す模式図である。(b)は移流と拡散係数の大小を示す
模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the influence of topography and parameters. (A) is a schematic diagram which shows a time series change of a precipitation pattern. (B) is a schematic diagram which shows the magnitude of advection and a diffusion coefficient.

【図12】降水の中心部からの距離に応じて、拡散係数
と消散係数の値を増減させる方法を説明するための模式
図である。
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a method of increasing or decreasing the values of diffusion coefficient and extinction coefficient according to the distance from the center of precipitation.

【図13】画像処理により、降水域の重心の変化を追従
した結果を示す模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a result of following a change in the center of gravity of a precipitation area by image processing.

【図14】相互相関法に基づいた降水パターンの移動量
検出例を示す模式図である。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of detecting a movement amount of a precipitation pattern based on a cross-correlation method.

【図15】本発明と従来法による予測の評価結果の比較
グラフである。(a)はCISによる比較結果である。
(b)はERRによる比較結果である。
FIG. 15 is a comparison graph of prediction evaluation results according to the present invention and a conventional method. (A) is a comparison result by CIS.
(B) is a comparison result by ERR.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 画像入力部 12 画像蓄積部 13 画像処理部 14 地形効果導入部 15 移流・拡散方程式演算部 16 予測部 17 出力部 20、25、113、133 降水パターン 21 エッジ勾配小の領域 22 エッジ勾配大の領域 31 進んだ領域 32 現在と重ならない過去の領域 33 現在と過去の重なった領域 35 現在の領域 36 過去の領域 51 観測値 52 2次関数フィッティング 53 観測された面積変化 54 予測された面積変化 71 輪郭線 72 輪郭点 73 接線 74、84、87、94 法線 81、86、91、101 過去の輪郭線 85、88、95、105 現在の輪郭線 104 速度ベクトル 111、121 海 112、122 陸 114 移流大拡散係数小の状態 115 移流小拡散係数大の状態 123 降水の中心 131 エッジ勾配小の領域 132 エッジ勾配大の領域 134 重心 141 過去の降水パターン 142 現在の降水パターン 143、144 移動ベクトル S101〜S110 各ステップ 11 Image input section 12 Image storage unit 13 Image processing unit 14 Terrain effect introduction section 15 Advection / diffusion equation calculator 16 Predictor 17 Output section 20, 25, 113, 133 precipitation patterns 21 Area with small edge gradient 22 Area with large edge gradient 31 Advanced Area 32 Past areas that do not overlap with the present 33 Areas where the present and the past overlap 35 Current Area 36 Past Area 51 observed values 52 Quadratic function fitting 53 Observed area change 54 Predicted area change 71 outline 72 contour points 73 tangent 74, 84, 87, 94 Normal 81, 86, 91, 101 Past contour lines 85, 88, 95, 105 Current contour line 104 velocity vector 111, 121 sea 112, 122 land 114 State of large advection and small diffusion coefficient 115 State with small advection and large diffusion coefficient 123 Center of precipitation 131 Area with small edge gradient 132 Area with large edge gradient 134 Center of gravity 141 Past precipitation patterns 142 Current precipitation pattern 143, 144 movement vector Steps S101 to S110

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−61546(JP,A) 特開 平8−287262(JP,A) 特開 平5−333160(JP,A) 特開 昭52−9342(JP,A) 特開 昭62−237379(JP,A) 特開 平7−306952(JP,A) 特開 平8−271649(JP,A) 特開 昭57−60275(JP,A) 特公 平4−76637(JP,B2) 特公 昭62−40668(JP,B2) 境野英朋、堀越力、鈴木智,“レーダ ーエコー画像における移流・核酸方程式 を用いた降水パターン変化予測方法”, 電子情報通信学会総合大会講演論文集 情報・システム2,日本,社団法人電子 情報通信学会,1997年3月6日,D−11 −197,p.197 大塚和弘、堀越力、鈴木智,“時空間 画像中の運動軌跡の統合に基づくオプテ ィカルフロー推定法”,情報処理学会研 究報告,日本,社団法人情報処理学会, 1997年1月23日,第97巻、第10号,p. 75−81 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01W 1/00 - 1/18 G01S 13/95 G06T 1/00 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-61546 (JP, A) JP-A-8-287262 (JP, A) JP-A-5-333160 (JP, A) JP-A-52-9342 (JP , A) JP 62-237379 (JP, A) JP 7-306952 (JP, A) JP 8-271649 (JP, A) JP 57-60275 (JP, A) JP 4-76637 (JP, B2) JP-B-62-40668 (JP, B2) Hidetomo Sakaino, Riki Horikoshi, Satoshi Suzuki, "A method for predicting precipitation pattern changes using advection and nucleic acid equations in radar echo images", Electronic Information Proceedings of IEICE General Conference Information and Systems 2, Japan, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, March 6, 1997, D-11-197, p. 197 Kazuhiro Otsuka, Riki Horikoshi, Satoshi Suzuki, “Optical flow estimation method based on integration of motion trajectories in spatiotemporal images”, IPSJ research report, Japan, Information Processing Society of Japan, January 23, 1997, Volume 97, No. 10, p. 75-81 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01W 1/00-1/18 G01S 13/95 G06T 1/00 JISST file (JOIS)

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 計算手段を有し、画像入力部、画像蓄積
部、画像処理部、地形効果導入部、移流・拡散方程式演
算部、予測部および出力部を備えた降水パターン変化予
測装置を用いて降水パターンの変化を予測する方法であ
って、 前記画像入力部を用いて予測の対象とする雨域のレーダ
画像を入力し、 前記画像蓄積部に前記画像入力部で入力された過去の時
系列画像を蓄積し、 前記画像処理部で、計算のために前記画像蓄積部から取
り出した連続する2つ以上の2次元画像間での降水量の
変化量やエッジ勾配分布の画像特徴量を算出し、 前記地形効果導入部では、予め予測される降水域の存在
する位置の地形が海上の場合には移流ベクトルの大きさ
が大きくなり拡散係数が小さくなるように設定して記憶
し、予め予測される降水域の存在する位置の地形が陸上
の場合には移流ベクトルの大きさが小さくなり拡散係数
が大きくなるように設定して記憶し、 前記移流・拡散方程式演算部で、前記画像処理部で算出
された様々な画像特徴量を初期値とし、降水量の時空間
的な変化量を変数と見なし、前記地形効果導入部に記憶
した拡散係数と移流ベクトルも用い、移流・拡散方程式
の数式表現に基づいて数値計算を行い、 前記予測部で、数値計算された結果により地形効果を加
えた降水パターンの予測をおこない、 前記出力部で、前記予測部で予測された結果から降水域
を時系列的画像で出力する、ことを特徴とする降水パタ
ーン変化予測方法。
1. A precipitation pattern change prediction apparatus having a calculation means, comprising an image input section, an image storage section, an image processing section, a topographic effect introduction section, an advection / diffusion equation calculation section, a prediction section and an output section. A method of predicting a change in a precipitation pattern by inputting a radar image of a rain region to be predicted using the image input unit, and inputting a radar image in the image storage unit in the past time input by the image input unit. Sequential images are accumulated, and the image processing unit calculates an amount of change in precipitation between two or more consecutive two-dimensional images extracted from the image storage unit for calculation and an image feature amount of edge gradient distribution. However, in the above-mentioned topographic effect introduction part, if the topography at the position where the predicted precipitation area exists is on the sea, the size of the advection vector
Is set and stored so that the diffusion coefficient becomes larger and the diffusion coefficient becomes smaller.
However, the topography of the location where the predicted precipitation area exists is on land.
, The advection vector becomes smaller and the diffusion coefficient
Is set so as to be large , and the advection / diffusion equation operation unit uses various image feature amounts calculated by the image processing unit as initial values, and the amount of temporal change in precipitation as a variable. It is assumed that the diffusion coefficient and the advection vector stored in the topographic effect introduction section are also used to perform a numerical calculation based on the mathematical expression of the advection-diffusion equation, and the prediction section adds the topographic effect based on the result of the numerical calculation. A precipitation pattern change prediction method, comprising: predicting a pattern, and outputting the precipitation area as a time-series image from the result predicted by the prediction unit by the output unit.
【請求項2】 前記画像処理部におけるエッジ勾配分布
の画像特徴量の算出には、対象となる領域を勾配値が大
きい領域と小さい領域に区分する過程を含む、請求項1
に記載の降水パターン変化予測方法。
2. The calculation of the image feature amount of the edge gradient distribution in the image processing unit includes a step of dividing a target region into a region having a large gradient value and a region having a small gradient value.
Prediction method of precipitation pattern change described in.
【請求項3】 前記移流・拡散方程式演算部で使用する
移流・拡散方程式には、時間項、移流(advecti
on)項、拡散(diffusion)項、湧きだし
(source)項、吸い込み(sink)項、消散
(dispersion)項を含み、降水量を画像上の
濃淡値と対比させた場合は、各画素での濃淡値を方程式
の変数として与える、請求項1に記載の降水パターン変
化予測方法。
3. The advection / diffusion equation used in the advection / diffusion equation calculation unit includes a time term and an advection
on), diffusion (diffusion), source (sink), sink (sink), and dissipation (dispersion) are included, and when precipitation is compared with the gray value on the image, The precipitation pattern change prediction method according to claim 1, wherein the gray value is given as a variable of the equation.
【請求項4】 前記移流・拡散方程式の拡散項における
拡散係数は、画像の1フレームに占める降水パターンの
濃淡値の存在する画素数より算出される1次元的な面積
の変化率に応じて変化させることを含み、所定の条件に
おいては1フレームを複数の小ブロックに分割して、各
小ブロックごとに同様の手順で、降水パターンの画素数
を算出する過程を含む、請求項3に記載の降水パターン
変化予測方法。
4. The diffusion coefficient in the diffusion term of the advection-diffusion equation changes in accordance with the rate of change of the one-dimensional area calculated from the number of pixels in which the gray value of the precipitation pattern occupies one frame of the image. 4. The method according to claim 3, further comprising the step of dividing one frame into a plurality of small blocks under a predetermined condition and calculating the number of pixels of the precipitation pattern in a similar procedure for each small block. Precipitation pattern change prediction method.
【請求項5】 前記拡散係数を変化させるための1次元
的な面積の変化率の算定において、過去の複数のフレー
ムから面積変化を求める際に、過去の面積変化の時系列
データに所定の条件に応じて2次元関数およびsin,
cos等を含んだ非線形関数のいずれかに近似当てはめ
を最小自乗法により行い、所定の予測時間まで、面積の
変化についての非線形な外挿を施して面積変化の1次元
の非線形予測を行い、同時に、対応する拡散係数を連動
させて変化させる過程を含む、請求項4に記載の降水パ
ターン変化予測方法。
5. When calculating an area change from a plurality of past frames in calculating a one-dimensional area change rate for changing the diffusion coefficient, a predetermined condition is applied to time-series data of the past area change. Depending on the two-dimensional function and sin,
Approximate fitting to any of the non-linear functions including cos etc. by the least squares method, non-linear extrapolation about the change of the area is performed until a predetermined prediction time, and one-dimensional non-linear prediction of the area change is performed. The precipitation pattern change prediction method according to claim 4, including a step of changing corresponding diffusion coefficients in conjunction with each other.
【請求項6】 前記移流・拡散方程式の湧きだし項、吸
い込み項には、連続するフレーム間の降水パターンの差
分をとった時の、正、負の領域の値をそれぞれに与え
る、請求項3に記載の降水パターン変化予測方法。
6. The values of positive and negative regions when the difference of the precipitation pattern between consecutive frames is given to the source and suction terms of the advection / diffusion equation, respectively. Prediction method of precipitation pattern change described in.
【請求項7】 予測開始時刻において前記湧きだし項、
吸い込み項を画像データから求めた場合、所定の予測時
間の間、湧きだしと吸い込みの画像領域を所定の条件に
応じて重心の移動ベクトルおよび推定された移流ベクト
ルのいずれかに対応させて移動させる過程を含む、請求
項6に記載の降水パターン変化予測方法。
7. The springing term at the prediction start time,
When the suction term is obtained from the image data, the source and suction image areas are moved corresponding to either the movement vector of the center of gravity or the estimated advection vector according to a predetermined condition for a predetermined prediction time. The precipitation pattern change prediction method according to claim 6, including a step.
【請求項8】 前記移流・拡散方程式で使用する移流ベ
クトルは、降水パターンの濃淡値のエッジ勾配の高い方
の領域の重心変化を抽出して与え、移流性が強い場合
は、さらにエッジ勾配の低い方の領域から抽出した重心
変化および相互相関法に基づいて画像フレーム間から見
いだした最大類似点の方向、間隔のいずれかを与えて降
水パターンの移動ベクトルとし、前記相関法に基づいた
最大類似点の方向、間隔の算出には、1フレームを複数
の小ブロックに分割し、フレーム間で同一の小ブロック
ごとに相互相関法により降水パターンの移動ベクトルを
求めることで、1フレーム全体として、複数の移動ベク
トルを推定する過程を含む、請求項3に記載の降水パタ
ーン変化予測方法。
8. The advection vector used in the advection-diffusion equation is obtained by extracting the change in the center of gravity of a region having a higher edge gradient of the gray value of the precipitation pattern. The maximum similarity based on the correlation method by giving either the direction or the interval of the maximum similarity found between image frames based on the change of the center of gravity extracted from the lower area and the cross-correlation method to the movement vector of the precipitation pattern. To calculate the direction and interval of points, one frame is divided into a plurality of small blocks, and the movement vector of the precipitation pattern is obtained by the cross-correlation method for each same small block between frames. The precipitation pattern change prediction method according to claim 3, including a step of estimating a movement vector of the precipitation pattern.
【請求項9】 降水パターンから画像内での前記移流ベ
クトルを推定する際、ある間隔をおいて前記降水パター
ンの輪郭線を抽出して、該輪郭線の変位をおおまかな移
流ベクトルとし、移動平均フイルターで、予測する時間
長と比例して増減させた反復回数で、反復的に画像内の
画素ごとすべてに移流ベクトルを伝播させる過程を含
み、前記相互相関法で推定された移動ベクトルを用いる
場合は、はじめのフレーム間から推定された複数の移動
ベクトルを初期ベクトルとして、反復法により画像全体
にわたって移動ベクトルを伝播させる過程を含む、請求
項8に記載の降水パターン変化予測方法。
9. When estimating the advection vector in the image from the precipitation pattern, the contour line of the precipitation pattern is extracted at a certain interval, and the displacement of the contour line is set as a rough advection vector, and the moving average is calculated. In the case of using a movement vector estimated by the cross-correlation method, including a process of iteratively propagating an advection vector for every pixel in the image with the number of iterations increased or decreased in proportion to the predicted time length in the filter 9. The precipitation pattern change prediction method according to claim 8, further comprising: propagating the movement vector over the entire image by an iterative method using a plurality of movement vectors estimated from the first frames as initial vectors.
【請求項10】 前記移流ベクトルの推定のために、画
像の降水パターンから輪郭線を抽出する際に、大小の雲
の塊を含んだ前記降水パターンに2値化、ラベリング処
理、孤立点除去、膨張・収縮処理を含む基本的な前処理
を施した上で、特定数の前記雲の塊を抽出し、境界線探
索アルゴリズムで前記雲の塊の境界線である輪郭線を抽
出して、離散化されている前記輪郭線の点列ごとに、過
去のフレーム内の輪郭線の法線方向に沿って、現在のフ
レーム内の輪郭線と交錯するまで探索を行い、2つのフ
レーム間から輪郭線の変位を求める、請求項9に記載の
降水パターン変化予測方法。
10. When extracting a contour line from a precipitation pattern of an image for estimating the advection vector, binarization, labeling processing, isolated point removal of the precipitation pattern including cloud of large and small clouds, After performing basic pre-processing including expansion / contraction processing, a specific number of the cloud lumps are extracted, and a contour line that is a boundary line of the cloud lumps is extracted by a boundary line search algorithm, and discrete. For each point sequence of the contour lines that have been converted, a search is performed along the normal direction of the contour line in the past frame until the contour line in the current frame intersects with the contour line between two frames. The precipitation pattern change prediction method according to claim 9, wherein the displacement of the precipitation pattern is calculated.
【請求項11】 前記移流・拡散方程式を用いて予測の
ための計算を行っている対象時間中に、降水パターンが
海上と地上との間で移動した場合には、海上と地上と
で、所定の値で移流ベクトルの大きさを増減し、同時
に、拡散係数の大きさを増減して計算に地形効果を含め
る、請求項1または請求項9のいずれか1項に記載の降
水パターン変化予測方法。
11. When a precipitation pattern moves between the sea and the ground during a target time for which a calculation for prediction is performed by using the advection-diffusion equation, the predetermined pattern is calculated between the sea and the ground. 10. The precipitation pattern change prediction method according to claim 1, wherein the size of the advection vector is increased / decreased by the value of, and at the same time, the size of the diffusion coefficient is increased / decreased to include the terrain effect in the calculation. .
【請求項12】 前記移流・拡散方程式を用いて予測の
ための計算を行っている対象時間中に、降水パターンが
海上と地上との間で移動した場合には、地上よりも海上
での消散係数を大きくする、請求項11に記載の降水パ
ターン変化予測方法。
12. When the precipitation pattern moves between the sea and the ground during the target time for which the calculation for prediction is performed using the advection-diffusion equation, the dissipation on the sea is higher than on the ground. The precipitation pattern change prediction method according to claim 11, wherein the coefficient is increased.
【請求項13】 前記移流・拡散方程式は、計算空間で
は離散化を行って、所定の条件に応じて差分法、有限要
素法、およびスペクトル法のいずれかを用いて解く過程
を含む、請求項1に記載の降水パターン変化予測方法。
13. The advection-diffusion equation includes a process of performing discretization in a calculation space and solving the discretization method using a difference method, a finite element method, or a spectrum method according to a predetermined condition. 1. The precipitation pattern change prediction method according to 1.
【請求項14】 前記移流・拡散方程式を用いて予測の
ための計算を行う場合、降水パターンの領域を、画像の
濃淡分布から画像処理によりエッジ勾配(1次微分値)
が大きい領域と小さい領域とにしきい値により分割し、
大きい領域の重心を求めて、その重心からの距離に応じ
て、吸い込み量に重みづけを行い、また、距離が大きく
なるほど消散係数を大きくなるように調節する、請求項
1に記載の降水パターン変化予測方法。
14. When a calculation for prediction is performed using the advection / diffusion equation, an area of a precipitation pattern is subjected to an edge gradient (first differential value) by image processing from a grayscale distribution of the image.
Is divided by a threshold into a large area and a small area,
The precipitation pattern change according to claim 1, wherein a gravity center of a large area is obtained, a suction amount is weighted according to a distance from the gravity center, and the extinction coefficient is adjusted to increase as the distance increases. Prediction method.
【請求項15】 前記移流・拡散方程式を用いて予測の
ための計算を行う場合、降水パターンの濃淡値を変数と
して移流・拡散方程式に入力することに加え、車や工場
から排出される一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物の
濃度値を移流・拡散方程式に入力して、化学物質の濃度
値の観測地域への影響を予測計算にも適応させる、請求
項1に記載の降水パターン変化予測方法。
15. When carrying out a calculation for prediction using the advection / diffusion equation, in addition to inputting the gray value of the precipitation pattern as a variable into the advection / diffusion equation, the monoxide emitted from the vehicle or factory The precipitation pattern change according to claim 1, wherein the concentration values of carbon, nitrogen oxides, and sulfur oxides are input to the advection / diffusion equation, and the influence of the concentration value of the chemical substance on the observation area is also applied to the prediction calculation. Prediction method.
【請求項16】 前記移流・拡散方程式を用いて予測の
ための計算を行う場合、移流・拡散方程式を時間積分す
る際に、観測された時間よりも細かい時間幅を選定し
て、時間積分を繰り返すことで、予測結果を得る、請求
項1に記載の降水パターン変化予測方法。
16. When performing a calculation for prediction using the advection / diffusion equation, a time width finer than the observed time is selected when the advection / diffusion equation is time-integrated, and the time integration is performed. The precipitation pattern change prediction method according to claim 1, wherein the prediction result is obtained by repeating.
【請求項17】 降水パターン変化を予測するための、
計算手段を有する降水パターン変化予測装置であって、 予測の対象とする雨域のレーダ画像を入力するための画
像入力部と、 前記画像入力部で入力された過去の時系列画像を蓄積す
る画像蓄積部と、 計算のために前記画像蓄積部から取り出した連続する2
つ以上の2次元画像間での降水量の変化量やエッジ勾配
分布の画像特徴量を算出する画像処理部と、 予め予測される降水域の存在する位置の地形が海上の場
合には移流ベクトルの大きさが大きくなり拡散係数が小
さくなるように設定して記憶し、予め予測される降水域
の存在する位置の地形が陸上の場合には移流ベクトルの
大きさが小さくなり拡散係数が大きくなるように設定し
記憶する地形効果導入部と、 前記画像処理部で算出された様々な画像特徴量を初期値
とし、降水量の時空間的な変化量を変数と見なし、前記
地形効果導入部に記憶した拡散係数と移流ベクトルも用
い、移流・拡散方程式の数式表現に基づいて数値計算を
行う移流・拡散方程式演算部と、 数値計算された結果により地形効果を加えた降水パター
ンの予測をおこなう予測部と、 前記予測部で予測された結果から降水域を時系列的画像
で出力する出力部と、を備えたことを特徴とする降水パ
ターン変化予測装置。
17. A method for predicting precipitation pattern changes,
A precipitation pattern change prediction apparatus having a calculation means, comprising: an image input unit for inputting a radar image of a rain region to be predicted, and an image for accumulating past time series images input by the image input unit. Accumulator and two consecutive images taken from the image accumulator for calculation
An image processing unit that calculates the amount of change in rainfall between two or more two-dimensional images and the image feature amount of the edge gradient distribution, and the terrain at the position where the predicted precipitation region exists is on the sea.
The advection vector is large and the diffusion coefficient is small.
Precipitated area that is set and stored so that it is less likely to be predicted in advance
If the terrain at the location of
Set the size to be smaller and the diffusion coefficient to be larger.
The terrain effect introductory part to be stored as a memory, and various image feature amounts calculated by the image processing part as initial values, the spatiotemporal variation of precipitation is regarded as a variable, and the diffusion stored in the terrain effect introductory part. An advection / diffusion equation calculation unit that performs numerical calculation based on the mathematical expression of the advection / diffusion equation using coefficients and advection vectors, and a prediction unit that predicts the precipitation pattern with the topographic effect based on the numerical calculation results. A precipitation pattern change prediction device, comprising: an output unit that outputs a precipitation area as a time-series image from the result predicted by the prediction unit.
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