JP3377074B2 - 降水量変化予測装置 - Google Patents

降水量変化予測装置

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JP3377074B2 JP02912797A JP2912797A JP3377074B2 JP 3377074 B2 JP3377074 B2 JP 3377074B2 JP 02912797 A JP02912797 A JP 02912797A JP 2912797 A JP2912797 A JP 2912797A JP 3377074 B2 JP3377074 B2 JP 3377074B2
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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、気象レーダー画像
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狭い地域にお
ける様々な経済活動が円滑に営まれるように、高速にか
つ簡易に降水量の変化を予測する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、気象予測を行う際、気象庁ではア
メダスや気象衛星から得られる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を用い
て、数理・物理方程式を介した数十時間先もしくは数日
先の日本全国の気象現象の変化を予測してきている。一
方、近年より狭い地域での、分オーダーの短い時間にお
ける気象予測が望まれきているため、局地的に配置され
た気象レーダー装置から雨域の変化情報からの予測が必
須となってきている。雨域の変化は、降雨や降雪がある
領域の変化を意味し、見かけ上、雲状をなしている。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、特徴量の明瞭な記述が困難である
ことから画像処理手法に基づいた雨域の動き検出は容易
にはいかない。そのため現在でも、人の経験則に基づい
た雨域の変化からの主観的な読み取りが行われ、活用さ
れている。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検出が試みら
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
の類似性について算出した後、相関値が最も高い点が対
応していると仮定した上、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。
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。
【0003】ある時刻での降水域の2次元画像から、数
分〜時間先の降水域の変化を2次元画像のまま予測を試
みているが、降水域の広がりだけを予測としており、降
水域の変化の程度についてまでは予測していない。
【0004】
【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、相関係数を算出
するためには画素ごとに演算を施す必要があるために、
画像全体で数千回〜数万回オーダーの演算回数が要求さ
れる問題がある。また、画像の濃淡値は、雨域が生成・
消滅を絶え間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、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見い出されていな
いのが現状である。
【0005】また、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〜十倍増加する問題が生じる。
【0006】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
進む程、雨域の領域が外れていってしまう問題があっ
た。
【0007】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、減衰過程におけ
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、試みられていなかった。
【0008】本発明の目的は、演算コストを大幅に軽減
した、レーダー画像からの降水域の発達・衰退を精度良
く予測する降水量変化予測装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の降水量変化予測
装置は、雨域のレーダー画像を入力する画像入力手段
と、入力された時系列のレーダー画像を蓄積する画像蓄
積手段と、前記画像蓄積手段に蓄積されている、連続す
る2つ以上の2次元画像間での降水域の面積・強度変化
を1次元的に検出する画像処理手段と、降水域の面積・
強度変化の1次元時系列信号から降水域の発達・衰退の
変化を予測する降水域発達・衰退予測手段を有し、 降水
域発達・衰退予測手段は、面積と強度変化の相互相関関
数を算出して、双方の時間遅れを推定する。
【0010】本発明では、画像処理技法に基づいて、2
次元画像情報を面積・強度といった1次元の時系列信号
に変換して、1次元の各特徴量の変化について平均的な
変動を予測することを特徴とする。必要に応じて、同一
時刻の2次元画像を複数の小ブロックに分割して、2次
元画像の局所的な変動を追従することも可能である。降
水域の変化を1次元信号として扱うことで、メモリや演
算コストを大幅に削減することができ、同時に、非常に
高速な処理が可能である。また、面積の増加が生じる1
時間ほど前に、強度の一時的な増加が観測されているこ
とからこの知見を利用した降水域の発達が予測できる。
さらに、面積が減少している間でも、強度値が増加する
ような場合は、面積が一時的に増加することも観測され
ている。このような対流に起因すると考えられる強度の
増加の後に降水域が拡大し、逆に強度が減少していくと
きは、降水域が縮小していく降雨現象のライフサイクル
がレーダーエコー画像情報に含まれていることが明らか
になっている。
【0011】本発明の実施形態によれば、画像処理手段
は、1フレームの画像を複数の小ブロックに分割して、
分割された小ブロックごとに面積・強度変化の検出を行
う。
【0012】本発明の他の実施態様によれば、画像処理
手段は、検出された面積・強度変化の1次元時系列信号
について、数フレーム前の1次元時系列信号の値と差分
をとり、同時に移動平均フィルターを適用する。
【0013】
【0014】本発明の他の実施態様によれば、画像処理
手段は、連続するフレームから差分画像を作成して、そ
の和をとり、1フレーム当たりの画素数で割り、こうし
て得られた1次元時系列信号の1次微分を算出して強度
変化の関数とする。
【0015】
【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。
【0016】図1は本発明の一実施形態の降水量変化予
測装置の構成図である。
【0017】本実施形態の降水量変化予測装置は、雨域
のレーダー画像を入力する画像入力部100と、入力さ
れた時系列のレーダー画像を蓄積する画像蓄積部110
と、画像蓄積部110に蓄積されている、連続する2つ
以上の2次元画像間での降水域の面積・強度変化を1次
元的に検出する画像処理部120と、降水域の面積・強
度変化の1次元時系列信号から降水域の発達・衰退の変
化を予測する降水域発達・衰退予測部130で構成され
ている。
【0018】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フレームの変化を示す。ただし、こ
こで、2次元画像の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を斜線部で、その残りを
勾配値が小さい領域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、その周辺が降水量の少ない領域からなりたっている
特徴を見い出している。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
域の広がり、消散が確認されている。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。したがって、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。
【0019】図3(A),(B),(C)は、それぞれ
面積変化と強度変化および両者の相互相関関数を示す。
画像処理部120は、2次元の画像を適当なしきい値と
比較し、一定値以上の濃淡値を持つ領域だけ、すなわち
一定値の降水域を抽出する。抽出された領域の画素を数
えることで、1つのフレームにおける降水域の面積と定
義する。また、強度値変化は、以下に示すような式
(1)で定義する。
【0020】
【数1】 上式において、
【0021】
【外1】 は、n番目のフレームの(i,j)番目の画素における
濃淡値を示す。Tex I(t,s)は、1次元信号の1次微分値
をとっている。ただし、データには細かい振動的な成分
が含まれるために、単純に差分値を計算すると、そのよ
うな細かい変動の影響を受けてしまって、適切な変化を
検出することができないために、sフレーム過去におけ
る信号値との差分をとっている。これは丁度移動平均フ
ィルターを作用させた結果に準じている。
【0022】面積と強度の変化の統計的な関係をみるた
めに、相互相関関数を用いた関係を調べている。その結
果、正規化相互相関値は最低でも0.7であり、面積と
強度の極大値は30分〜1,2時間程度離れている。図
2で示した2次元の強度値分布の変化と全体の面積変化
の関係を併せると、両者の間には時間の遅れが30分〜
1,2時間存在していて、繰り返していることがわか
る。したがって、強度値の累積値が一定値以上になって
から、30分〜2時間後に面積が増大することが予測で
きる。
【0023】図4は、面積変化に対する近似式を当ては
めた例を示す図である。1,2時間よりも先の予測を行
うためには、比較的緩やかな変化のある面積変化につい
て、3〜6次程度の多項式あるいは適当な非線形な近似
式を適用して、1,2時間よりも先の面積の変化を予測
することがある程度可能である。面積の変化の増加・減
少は、図4に示すように、2次関数を少しずつずらしな
がらあてはめて外挿をくり返すことで予測される。即
ち、面積がある時刻で減少となっていても、30〜2時
間以内の強度の累積値が一定以上になっていた時には、
再び面積が増加することが予測できる。この面積の増加
は雨域が対流の活動とともに活発になり、拡がっていく
ことを意味している。
【0024】図5は、面積の増減検出と増減予測の結果
を示す図である。1次元的な面積変化を適切に検出する
ために、式(2)に示すように、sフレーム過去の面積
S(t−s)と現在の面積S(t)の差をとり、その正
負を判定する。強度値の場合と同様に、面積にも細かい
変動が含まれるために(図5(A))、1つ前ではなく
て、数フレーム過去のデータとの差をとる必要がある。
【0025】
【数2】 式(2)に基づいて、面積の増減を判別した結果、増加
(+)と減少(−)は、面積の極大値前後では必ずしも
検出されていないが、ほとんどの時間において増減が検
出できているのがわかる(図5B))。また、強度値の
変化に基づいて、面積の変化に先行して予測するために
(図5(C))、式(3)を用いている。
【0026】
【数3】 式(3)は、過去の強度値を5つたし合わせた形をとっ
ている。これは、強度値の分布が、面積の単調な変化に
比べると、単位時間当たりの極大値と極小値の変化が大
きいために、いわば、エネルギーの総和についてしきい
値をおくことで、面積が増加するか、減少するかを判定
する。
【0027】図6は、図5での強度値変化に基づいた面
積の増減予測の的中率を示す図である。増加と減少の平
均と分散値を示すが、増加の方が的中率がやや高く、分
散値は±10%と狭いのが特徴である。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、2次元
画像情報を面積と強度についての1次元時系列信号に変
換して降水域の変化を予測するので、少ないメモリでの
高速に予測を行うことができ、また、面積と強度の変化
において、統計的な時間遅れが対流現象に則して存在し
ていることを利用した予測方法なので、現象の特徴を利
用していない従来方法よりも予測精度が高く、かつ安定
であるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の降水量予測装置の構成図
である。
【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フレームの変化を示す図である。
【図3】1次元の面積・強度変化および両者の相互相関
関数を示す図である。
【図4】面積変化に対する非線形近似関数当てはめの例
を示す図である。
【図5】面積の増減検出と増減予測の結果を示す図であ
る。
【図6】図5での強度値変化に基づいた面積の増減予測
の的中率を示す図である。
【符号の説明】
100 画像入力部 110 画像蓄積部 120 画像処理部 130 降水域発達・予測部 140 出力部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−304561(JP,A) 特開 平8−287262(JP,A) 特開 昭57−60275(JP,A) 特開 平9−21883(JP,A) 特公 平4−76637(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01W 1/00 - 1/18 G01S 13/95 G06F 17/00 G06F 19/00 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雨域のレーダー画像を入力する画像入力
    手段と、 入力された時系列のレーダー画像を蓄積する画像蓄積手
    段と、 前記画像蓄積手段に蓄積されている、連続する2つ以上
    の2次元画像間での降水域の面積・強度変化を1次元的
    に検出する画像処理手段と、 降水域の面積・強度変化の1次元時系列信号から降水域
    の発達・衰退の変化を予測する降水域発達・衰退予測手
    段を有し、 前記降水域発達・衰退予測手段は、面積と強度変化の相
    互相関関数を算出して、双方の時間遅れを推定すること
    を特徴とする 降水量変化予測装置。
  2. 【請求項2】 前記画像処理手段は、1フレームの画像
    を複数の小ブロックに分割して、分割された小ブロック
    ごとに面積・強度変化の検出を行う、請求項1記載の降
    水域変化予測装置。
  3. 【請求項3】 前記画像処理手段は、検出された面積・
    強度変化の1次元時系列信号について、数フレーム前の
    1次元時系列信号の値と差分をとり、同時に移動平均フ
    ィルターを適用する、請求項1記載の降水域変化予測装
    置。
  4. 【請求項4】 前記画像処理手段は、連続するフレーム
    から差分画像を作成して、その和をとり、1フレーム当
    たりの画素数で割り、こうして得られた1次元時系列信
    号の1次微分を算出して強度変化の関数とする、請求項
    1記載の降水量変化予測装置。
JP02912797A 1996-12-26 1997-02-13 降水量変化予測装置 Expired - Lifetime JP3377074B2 (ja)

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