JP3593567B2

JP3593567B2 - 夜間雲量測定方法および夜間雲量測定装置

Info

Publication number: JP3593567B2
Application number: JP2002138204A
Authority: JP
Inventors: 実久保田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP2003329780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、夜間の雲量を測定するための夜間雲量測定方法および夜間雲量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
夜間の雲量は大気放射に関わる気象学上の重要なパラメータであり、気象学研究や天気予報への有効活用が期待できる。従来、夜間の天気を判定する方法として、例えば、特公昭５３−４３０７０号公報や特公平６−１６１２０号公報で、放射収支量を測定することにより間接的に夜間雲量を推定するものが提案されている。これは、夜間の放射冷却が大きければ晴れ、逆に小さければ曇りという具合に夜間の天気を判別するのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、放射冷却によって夜間の天気を推定する従来の方法は、様々な気象学的な仮定を用いているため、殊に雲量の判定は曖昧なものにならざるを得ない。つまり、雲量を「晴れ」「晴れたり曇ったり」「曇り」の三段階でしか判定できず、また、夫々の段階を区分けする判定基準の境界も曖昧であり、到底、満足の行く雲量データとはいえない。
【０００４】
また、放射収支量は、雲の出現や消滅に比べて非常にゆっくりと変化するので、実際に何時に雲が出て、また何時に雲が消えたのかを正確に判定することはできない。おそらく、雲量の変化が放射収支量の影響として現れて、これが検出されるまでには１時間程度の時差が生ずるものと考えられ、雲量変化を測定するための即時性という点からも、到底満足の行く雲量データは得られない。
【０００５】
そこで、本発明は、夜間におけるおおよその雲量をほぼリアルタイムに取得できると共に、全天上で雲のある範囲をある程度特定できる夜間雲量測定方法と、この方法を具現化できる夜間雲量測定装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、夜空の全天画像を取得し、該全天画像を用いて星の光点のみを抽出した星像を取得し、天空を仮想的に分割した複数の判定領域毎に星像中の光点の数量を求め、各判定領域毎に雲の有無を推定することにより、全天における雲量を求めるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の夜間雲量測定方法において、恒星の等級や位置に関する既知情報に基づいて、取得した全天画像中における恒星の光点を特定し、当該恒星に対応する光点の発光強度から雲の厚さを推定するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、夜空の全天画像を取得可能な全天画像取得手段と、上記全天画像取得手段により取得した全天画像に基づいて、星の光点を抽出した星像を取得する星像取得手段と、上記星像取得手段により取得した星像を用い、天空を仮想的に分割した複数の判定領域毎に星像中の光点の数量を求め、判定領域毎に雲の有無を推定することにより、全天における雲量を求める雲量算出処理手段と、を備える。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、上記請求項３に記載の夜間雲量測定装置において、恒星の等級や位置に関する情報からなる恒星情報データベースを備え、上記雲量算出処理手段は、上記恒星情報データベースの恒星位置情報に基づいて、取得した全天画像中における恒星の光点を特定し、当該恒星に対応する光点の発光強度から雲の厚さを推定するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係る夜間雲量測定方法および該方法を具現化する夜間雲量測定装置の実施形態を説明する。
【００１１】
夜間雲量測定方法の概要は、夜空の全天画像を撮像し、この全天画像に光学処理を施すことで星の光点のみを抽出した星像を生成し、天空を仮想的に分割した複数の判定領域（以下、この判定領域をセクターと言う）毎に星像中の光点の数量を求め、各セクター毎に雲の有無を推定することにより、全天における雲量を求めるのである。
【００１２】
上記の夜間雲量測定方法を具現化し得る夜間雲量測定装置の概略構成を図１に示す。すなわち、夜間雲量測定装置１は、全天画像取得手段２によって夜空の全天画像を撮像し、この全天画像に光学処理を施すことで星の光点のみを抽出した星像を星像取得手段３によって生成し、セクター毎に星像中の光点の数量を求めて雲の有無を推定する処理を雲量算出処理手段４が行い、雲量情報が求まるのである。
【００１３】
なお、夜間雲量測定装置１は、全天型カメラ（魚眼レンズ、光学フィルター、ＣＣＤカメラ、操作用コンピューター等よりなる）と画像データ処理用コンピュータ（全天型カメラの出力画像を取り込めるハードウェアを含み、上述した雲量情報を求めるためのデータ処理プログラムを実行可能なもの）とを用いて実現できる。
【００１４】
夜間雲量測定装置１において、全天画像取得手段２は、全天（雲量測定を行う上で必要十分な空の領域）を臨める広角レンズ（魚眼レンズ）２ａと、この広角レンズ２ａからの像に対して一定帯域の波長（例えば、波長５７２ｎｍ付近の波長）の光のみを透過させる光学フィルタ２ｂと、この光学フィルタ２ｂを透過した像を撮像するＣＣＤカメラ２ｃとからなる。本実施形態のように光学フィルタ２ｂを用いれば、オーロラ光や市街光の進入を効果的に防ぐことができ、後の光学処理によってより純粋な星像を得ることができる。
【００１５】
上記のようにして全天画像取得手段２によって取得された全天画像は、星像取得手段３の全天画像一時記憶手段３ａによって一時記憶されると共に、この記憶された全天画像が星像除去画像生成手段３ｂおよび星像抽出手段３ｃへ供給される。この全天画像の一例を図２（ａ）に示す。
【００１６】
全天画像を受けた星像除去画像生成手段３ｂは、全天画像に対してメジアンフィルター処理もしくは平滑化処理を施すことで、星像のみを除去した画像（星像除去画像）を生成する。この星像除去画像の一例を図２（ｂ）に示す。
【００１７】
ここで、メジアンフィルター処理と平滑化処理を簡単に説明する。例えば、一つの星の光点付近のディジタル画像（５ドット×５ドットの領域）を拡大した状態を図３に示し、夫々のドットにおける発光強度のレベルを１〜１０で表記してある。メジアンフィルター処理は、デジタル画像中のあるドットに対して、その周りの指定した範囲の明るさの中央値を調べて、その中央値をドットの明るさに置き換えるという働きをする。よって、図３の画像における中心のドット（発光強度レベル＝１０）に対して５×５のメジアンフィルター処理を施すと、中心のドットの明るさは１に置き換えられる。また、平滑化処理は、デジタル画像中のあるドットに対して、その周りの指定した範囲の明るさの平均値を調べて、その平均値をドットの明るさに置き換えるという働きをする。よって、図３における中心のドットに対して５×５の平滑化処理を施すと、中心のドットの明るさは２．４８に置き換えられる。
【００１８】
このように、メジアンフィルター処理や平滑化処理を星の光点（例えば、発光強度や光点の大きさなどから星である蓋然性の高い光点を絞り込める）に対して施してゆけば、星像のみを除去した星像除去画像を生成することができるのである。なお、星像除去画像を生成する方法は、メジアンフィルター処理や平滑化処理を用いる方法に限らず、公知既存の画像処理技術を適宜利用することができ、全天画像取得手段２により得られる全天画像の特性（画像の解像度や色分解能など）に応じて、良好な星像除去画像を取得できる手法を採用すれば良い。
【００１９】
続いて、上記星像除去画像生成手段３ｂは生成した星像除去画像を星像抽出手段３ｃへ渡し、この星増収出手段３ｃは、全天画像から星像除去画像を差し引くことにより、星の光点のみを抽出した星像を生成する。かくして得られた星像の一例を図２（ｃ）に示す。
【００２０】
なお、本実施形態においては、全天画像一時記憶手段３ａと星像除去画像生成手段３ｂと星像抽出手段３ｃとによって星像取得手段３を構成するものとしたが、この構成に限定されるものではなく、適宜な画像処理技術によって全天画像から星像を取得することができれば、どのような構成であっても構わない。
【００２１】
上記のようにして、星像取得手段３が生成した星像を受けた雲量算出処理手段４は、星像からセクター毎に星の数量をカウントして雲の有無を推定し、全天における雲量を判定する。例えば、全天を“天頂セクター”，“東セクター”，“西セクター”，“南セクター”，“北セクター”の５つに分割した場合、「全て晴れ」，「４セクターが晴れ」，「３セクターが晴れ」，「２セクターが晴れ」，「１セクターが晴れ」，「全て曇り」、の６段階で雲量の判定を行うことができる。
【００２２】
図２（ｃ）の星像においては、天頂セクター、東セクター、西セクター、北セクターでは星をカウントできたが、南セクターでは星がカウントできなかったので、「５セクターが晴れ」（雲量は全天の１／６）と判定できると共に、雲の位置は南という情報を得ることができる。このようにして得られた雲量情報は、適宜な記録手段へ順次自動保存したり、ディスプレイなどの適宜な表示手段を用いて視覚的に表示したりする。
【００２３】
なお、雲のある位置を知るためには、各セクターの方位が正しく認識できなければならないので、例えば、ＣＣＤカメラ２ｃを設置する度に、全天画像とセクター方位との関連づけを更正したり、逆に、全天画像とセクター方位とが適正な関係を保持するようにＣＣＤカメラ２ｃを設置したりする必要があり、必ずしも利便性の高いものではない。そこで、恒星の等級や位置に関する情報からなる恒星情報データベース５を予め夜間雲量測定装置１に設けておくものとし、この恒星情報データベース５より得た恒星位置情報に基づいて雲量算出処理手段４が星像の東西南北を判定するようにしても良い。近来の処理能力の高いコンピュータを用いて夜間雲量測定装置を構成すれば、マップマッチングの手法等により、全天画像の撮像日時における適正な恒星位置と、取得された星像との相関を瞬時にとることができるので、夜間雲量を測定する度に星像の方位判定を行うようにしても、雲量測定処理に大きな障害となることはない。
【００２４】
また、星像からカウントした星の数量に基づいて雲量を判定する雲量判定手法は、上記の手法に限定されるものではなく、セクターの数や配置、取得される星像の解像度などに応じて種々の判定手法を採用すれば良い。例えば、上記の雲量判定手法では、セクター毎に「晴れ」か「曇り」かを判定することとなるので、セクター数が少ない場合（判定領域の分割数が少ない場合）には、誤差が大きくなってしまうため、例えば、セクター毎に平均的な星の数量を判定基準として予め設定しておき、この判定基準の数量に対してカウントされた星の数が著しく少ない場合は曇りのセクターと判定するようにしても良いし、カウントされた星の数量と判定基準の数量との簡単な比率から算出した曇りの度合いを雲量（例えば、天頂セクターは４０％曇り）とするようにしても良い。更に、上述した恒星情報データベース５の恒星位置データを利用すれば、夫々のセクターに本来何個の星が写っているべきか正確に分かるので、一層信頼性の高い判定を行うことができる。
【００２５】
上述した実施形態では、全天に占める雲の面積としての雲量を測定するものであったが、これに加えて雲の厚さを雲量情報として取得することもできる。すなわち、恒星情報データベース５を利用することにより、全天画像内のどの位置に何等星の星が写っているべきかを予め計算して知ることができ、空に薄雲がかかっている場合、明るい星であれば、雲を通して全天画像中に星像が写ることを利用するのである。
【００２６】
具体的には、全天画像一時記憶手段３ａより雲量算出処理手段４へ全天画像を供給し、この全天画像から実際に観測された恒星（恒星情報データベース５を用いて位置が特定された恒星）の発光強度を取得し、当該恒星の本来の等級から予想される発光強度と実際の発光強度とを対比することによって、その発光強度の低下状態から遮光の度合いを知ることができ、この遮光の度合いと関連付けされた雲の厚さのデータベースを使うことで、その恒星位置における雲の厚さを推定するのである。なお、雲の厚さを判定するための恒星の選定は、星像から雲があると判定されたセクターのみを対象にしても良いし、そのセクターに隣接しているセクタからも選定するようにしても良い。また、予め定めた等級以上の恒星全てに対して、観測された光点の発光強度との対比を行うようにすれば、より細かい雲の広がりを判別できるという利点もある。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る夜間雲量測定方法によれば、直接的に星が見えているかどうかを画像処理技術を使って判定し、その結果より雲の有無を推定するので、ほぼリアルタイムで正確な雲量測定を実現できる。また、雲の有無の推定は判定領域毎に行うので、全天上において雲のある位置を特定することもでき、気象学研究や天気予報などに有効活用できる利用価値の高い雲量情報を取得できる。
【００２８】
また、請求項２に係る夜間雲量測定方法によれば、実際に観測された恒星の発光強度と、当該恒星の本来の等級から予想される発光強度とを対比することによって、遮光の度合いを知ることができ、この遮光の度合いと予め関連付けておいた情報を使って雲の厚さを推定できる。このように、雲の厚さも雲量情報として取得できるので、その利用価値は一層高いものとなる。
【００２９】
また、請求項３に係る夜間雲量測定装置によれば、上述した請求項１に係る夜間雲量測定方法と同様な効果を期せる。しかも、請求項３に係る夜間雲量測定装置は、全天画像の取得から雲量情報の取得までを自動で処理させることができるので、比較的短時間（例えば、１分）毎に雲量情報を自動取得するようにすれば、急激な天候変化（例えば、１０分もかからずに全天快晴の状態から全天曇りの状態に変化するようなケース）にも追随した雲量測定を行うことができ、時系列な雲量変化の情報を取得できるという利点もある。
【００３０】
また、請求項４に係る夜間雲量測定装置によれば、上述した請求項２に係る夜間雲量測定方法と同様な効果を期せる。
【図面の簡単な説明】
【図１】夜間雲量測定装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）全天画像のイメージ図である。
（ｂ）星像除去画像のイメージ図である。
（ｃ）星像のイメージ図である。
【図３】星の光点を中心とした５×５ドットのディジタル画像のイメージ図である。
【符号の説明】
１夜間雲量測定装置
２全天画像取得手段
３星像取得手段
４雲量算出処理手段
５恒星情報データベース

Claims

夜空の全天画像を取得し、該全天画像を用いて星の光点のみを抽出した星像を取得し、天空を仮想的に分割した複数の判定領域毎に星像中の光点の数量を求め、各判定領域毎に雲の有無を推定することにより、全天における雲量を求めるようにしたことを特徴とする夜間雲量測定方法。
恒星の等級や位置に関する既知情報に基づいて、取得した全天画像中における恒星の光点を特定し、当該恒星に対応する光点の発光強度から雲の厚さを推定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の夜間雲量測定方法。
夜空の全天画像を取得可能な全天画像取得手段と、
上記全天画像取得手段により取得した全天画像に基づいて、星の光点を抽出した星像を取得する星像取得手段と、
上記星像取得手段により取得した星像を用い、天空を仮想的に分割した複数の判定領域毎に星像中の光点の数量を求め、判定領域毎に雲の有無を推定することにより、全天における雲量を求める雲量算出処理手段と、
を備えることを特徴とする夜間雲量測定装置。
恒星の等級や位置に関する情報からなる恒星情報データベースを備え、
上記雲量算出処理手段は、上記恒星情報データベースの恒星位置情報に基づいて、取得した全天画像中における恒星の光点を特定し、当該恒星に対応する光点の発光強度から雲の厚さを推定するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の夜間雲量測定装置。