JP7052429B2 - 算出プログラム、算出方法、算出装置、及び表示プログラム - Google Patents

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Description

本発明は、算出プログラム、算出方法、算出装置、及び表示プログラムに関する。
土砂災害分野では、短時間雨量と長時間雨量とを用いて、過去に同様の降雨をどの程度経験したかの指標を算出し、算出した指標と過去に発生した災害とに基づいて、降雨時の災害の発生又は非発生を判断している。指標の一例として、ニューラルネットワークであるRBFN(Radial Basis Function Network)によって得られた出力値(RBFN出力値)が用いられている。
RBFN出力値に対する災害の発生確率を演算するための関数を回帰分析により求め、得られた関数と災害発生要因毎に観測される観測データとを読み出して、災害発生確率を演算する技術等が知られている。
特開2004-003274号公報 特開2010-197185号公報 特開2010-271877号公報 特開2004-346653号公報 特開2015-232537号公報 特許第4701371号
土砂災害は現在までの積算雨量、過去の観測データ等に基づいて予測されている。しかしながら、予期せず継続する降雨、予期しない直後の豪雨等の積算雨量の更なる増加により、災害発生危険基準線(CL:Critical Line)を越えてしまうことがある。そのため、単位時間後にCLを超過する確率(以下、「超過確率」という)を事前に求めておくことが考えられる。
上述した技術では、予期せず継続する降雨、予期しない直後の豪雨等の可能性が考慮されず、同じRBFN値であれば、同じ災害発生確率を示してしまう。すなわち、超過確率は同じ値を示すといった問題がある。
したがって、1つの側面では、災害発生に関する危険基準の判定に、降水帯の影響を適切に反映できることを目的とする。
一態様によれば、記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点の上空に形成された降水帯の形状に関する情報と、前記過去の降雨データを学習して得られたニューラルネットワークの出力値と、を用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する処理をコンピュータに行わせる算出プログラムが提供される。
災害発生に関する危険基準の判定に、降水帯の影響を適切に反映できる。
災害発生危険基準線を用いた土砂災害の発生/非発生の判定について説明するための図である。 災害発生危険基準線を説明するための図である。 災害発生危険基準線の生成方法の概要を説明するための図である。 予想以上の雨量の場合の判定図の例を示す図である。 既存のCL超過確率の求め方を説明するための図である。 線状降水帯の例を示した図である。 本実施例におけるCL超過確率線の設定例を示す図である。 降水帯の形状と降雨の継続性との関係について説明するための図である。 上空の降雨分布画像の一例を示す図である。 降水帯の形状と、雨量及び土壌雨量指数それぞれとの関係を説明するための図である。 CL超過確率の算出結果のグラフ例を示す図である。 算出装置のハードウェア構成を示す図である。 算出装置の機能構成例を示す図である。 学習部による学習処理の全体を説明するためのフローチャート図である。 形状パラメータ算出部による形状パラメータ算出処理を説明するためのフローチャート図である。 モデル作成部によるモデル作成処理を説明するためのフローチャート図である。 CL超過確率線作成部によるCL超過確率線作成処理の全体を説明するためのフローチャート図である。 更新部による更新処理を説明するためのフローチャート図である。 降水帯の考慮の有無の違いによるCL超過確率の例を示す図である。 異なる降水帯に対するCL超過確率線の表示に比較例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。先ず、一般的な土砂災害予測について説明する。図1は、災害発生危険基準線を用いた土砂災害の発生/非発生の判定について説明するための図である。
図1に示す土砂災害の発生/非発生を判定するための判定図2gは、横軸に土壌雨量指数を示し、縦軸に積算雨量を示したグラフである。判定図2gでは、予め算出した災害発生危険基準線(以下、CL(Critical Line)3という)が示され、過去の所定時間毎(1時間毎等)の観測データ(雨量)を用いて算出した積算雨量と土壌雨量指数とを示す点4がプロットされている。
土壌雨量指数は、降雨により蓄えられた土壌中の水分量を表し、土砂災害危険度を示す指数として参照される。積算雨量は、一例として、60分間積算雨量(mm/60min)が用いられる。積算雨量は、雨量観測局で得られた10分間雨量データを60分積算した値を示す。プロットされた点4では、実測値の推移は実線の矢印で示され、予測値の推移は点線の矢印で示されている。
CL3と、縦軸及び横軸とで囲まれた領域が土砂災害が発生し難い非発生領域であり、この非発生領域以上の領域が、土砂災害が発生し易い発生領域に相当する。このような判定図2gを参照することで、予測値がCL3を超える発生領域に達すると、土砂災害が発生する可能性が高いと判断する。
図2は、災害発生危険基準線を説明するための図である。図2に示す判定図2hは、過去の観測データに基づいて値をプロットしたグラフであり、この判定図2hを用いて、災害発生危険基準線と、土砂災害の一例として崖崩れ発生/非発生について説明する。
判定図2hに示すCL3は、過去の崖崩れ発生時の実測値と崖崩れ非発生の実測値とに基づいて、適切に設定された災害発生危険基準線である。また、実線の丸は次の単位時間後に崖崩れが発生した点を示し、破線の丸は次の単位時間後に崖崩れが発生しなかった点を示している。
このCL3に対して非発生領域側に設定したCL3aでは、CL3とCL3aとの間の領域には多くの値が存在するが、実際に崖崩れが発生した件数は2件だけである。CL3aを設定した場合、これらの多くの、実際に崖崩れが発生しない値に対して土砂災害が発生する可能性があると予測されるため、多くは空振りとなる(予測が外れる)。
また、CL3に対して発生領域側に設定したCL3bでは、CL3とCL3bとの間の領域に含まれる値は、CL3とCL3aとの間の領域に比べて非常に少ないが、この領域で実際に崖崩れが発生した件数は2件ある。CL3bを設定した場合、CL3で予測できた2件の崖崩れの発生を見逃してしまう。CL3に比べて、崖崩れの発生を見逃す可能性が大きいと言える。
図3は、災害発生危険基準線の生成方法の概要を説明するための図である。図3において、入力データ5として積算雨量及び土壌雨量指数の過去データを用いて、崖崩れの発生/非発生を学習させることにより、応答曲面5bを生成する。応答曲面5bは、過去データ4の積算雨量及び土壌雨量指数と、ニューラルネットワークにより得られたRBFN(Radial Basis Function Network)の出力値(RBFN出力値)とで表される。応答曲面5bで、観測値がない箇所を補間し、災害発生危険基準線を定める。
応答曲面5bは、x軸に土壌雨量指数を示し、y軸にRBFN出力値を示し、z軸に積算雨量を示すグラフ2kで表され、長期間の非発生雨量の頻度分布に基づいて作成される3次元の曲面である。
RBFNは、脳や神経回路をモデル化し、人間の評価をコンピュータで算出する技術であり、過去データから入力と出力との関係を学習し、崖崩れが発生するか否かを評価した値を出力する。RBFN出力値が1に近づく程、崖崩れが発生し難いことを示し、0に近づく程、崖崩れが発生し易いことを示す。
自治体(雨量観測局)等の対象地点ごとに、RBFNを用いて応答曲面5bを生成し、CL3を決定する。RBFNを用いた学習では、過去に降雨頻度が多い地域では、危険度が小さいと判断される。この例では、図2で説明したCL3aとCL3bも参考のため示している。応答曲面5bでは、CL3aはCL3に対してRBFN出力値が1の側に示され、CL3bはCL3に対してRBFN出力値が0の側に示される。
図4は、予想以上の雨量の場合の判定図の例を示す図である。災害発生危険基準線を用いた崖崩れの発生又は非発生の判断では、予想雨量に基づいて行われるため、予測以上の雨量となる場合がある。
図4において、次の単位時間での雨量を予測した予測雨量に基づいて得られた積算雨量と土壌雨量指数とから点4aがCL3に接近しているが非発生領域側にプロットされる。しかしながら実際の次の単位時間では、実測された雨量に基づく積算雨量と土壌雨量指数とから点4bが、CL3を超えて発生領域にプロットされる。
通常、対象地点における自治体では、雨量がCL3の超過有無で対応が異なっている。このようにCL3の超過が予測されていなかった場合には、事前に住民への連絡、および、災害時の準備を十分には行えない。自治体等においては、少なくともCL3に接近している場合には、CL3を超える可能性がどの程度あるのかを事前に知っておくことが重要である。そのため、自治体ごとに定めたCL3に対してCL3を超過し災害の発生領域に入るCL超過確率を算出して判定図2gに示すことが提案されている(特許文献6)。
図5は、既存のCL超過確率の求め方を説明するための図である。図5(A)は、横軸に過去データ4から学習して得られたRBFN出力値を示し、縦軸にCL超過確率を示す。一例として、RBFN出力値がCLを超過していない時点において、単位時間後にCLを超過する確率(CL超過確率)を算出する。一例として、RBFN出力値が0.8の点が過去に10点あり、そのうち3点が次の単位時間後にCLを超過した場合、CL超過確率を30%とする。
RBFN出力値ごとにCL超過確率を得る回帰モデルを作成する。回帰モデルにより、CL超過確率が25%、50%、75%等となるCL超過確率線を求めるが、これらの値に限定されない。自治体等のユーザが適宜参照したいCL超過確率を指定すればよい。
図5(B)では、回帰モデルにより得られた「25%」、「50%」、及び「75%」のCL超過確率線3-1、3-2及び3-3を判定図2gに点線で示すことで、災害準備の必要性をより理解し易くなる。
上述した既存の技術により、事前にCL3を超過する確率を知ることができるようになった。しかしながら、この既存技術では、CL3を超える直前のRBFN出力値を使用して回帰分析することでCL3を超過するか又は超過しないかを統計的に分類している。RBFN出力値のみを利用してCL超過確率を算出していたため、同じRBFN出力値であっても、その後に雨が降り続けるのか、雨が止むのか等の降雨傾向を考慮していない。従って、異なる降雨傾向であっても、同じRBFNであれば次の単位時間後のCL超過確率は一意的である。
発明者は、雨の継続のし易さ、豪雨のなり易さには線状降水帯が関わっていることに着目し、線状降水帯を考慮して単位時間後のCL超過確率を求めることを発案した。先ず、線状降水帯について説明する。
線状降水帯は、複数の積乱雲が密集し、集中豪雨を引き起こし、規模は、一般的には、幅20~50キロメートル、長さ50~200キロメートル、長軸と横軸の比率は3対1程度と言われているが、明確な定義は存在しない。線状降水帯が形成されると、豪雨が発生して土砂災害が発生し易くなる。
図6は、線状降水帯の例を示した図である。図6において、線状降水帯8hは、前線の近くに出現する複数の積乱雲のかたまりで形成され、スコールライン型、バックビルディング型、バックアンドサイドビルディング型の3種類が代表的である。線状降水帯8hは、同様の地点に留まり、集中豪雨、長時間の降雨等を引き起こし、土砂災害が発生する確率が高くなることが知られている。
即ち、線状降水帯8hを形成している時としていない時では、単位時間後のCL超過確率は異なる(変動する)はずである。従って、本実施例では、観測された最新の降水帯の形状の値に基づいて、CL超過確率線をリアルタイムに更新することで、CL超過確率の精度を向上させる。
図7は、本実施例におけるCL超過確率線の設定例を示す図である。図7(A)では、線状降水帯8hが存在する場合のCL超過確率線3a-1、3a-2、及び3a-3を示している。線状降水帯8hが存在する場合には、豪雨が発生し易い。そのため、本実施例では、非発生領域において、CL超過確率線3a-1、3a-2、及び3a-3を下げて設定する。CL超過確率線3a-1、3a-2、及び3a-3はCL3から遠ざかるように設定される。
図7(B)では、線状降水帯8hが存在しない場合のCL超過確率線3b-1、3b-2、及び3b-3を示している。線状降水帯8hが存在しない場合には、比較的豪雨が発生し難い。そのため、本実施例では、非発生領域において、CL超過確率線3b-1、3b-2、及び3b-3を上げて設定する。CL超過確率線3b-1、3b-2、及び3b-3はCL3に近づくように設定される。
図7(A)に示す積算雨量の遷移を示すパターン6aの場合、積算雨量7aの点4eを得た時点で、CL超過確率線3a-1以上となる。点4eの値を得た時点で、25%の確率で、次の単位時間後にCL3を超える可能性があると認識できる。次の単位時間後の点4fでは、CL3を超えない値ではあるが、CL超過確率線3a-3以上に位置し、75%以上の確率で、次の単位時間後にCL3を超える可能性がある。
このような状況では、次の単位時間後の予測点4gがCL3を超えないとしても、CL超過確率線3a-3以上であるため、自治体等は、十分に警戒する必要があることを認識できる。
一方、図7(B)に示す積算雨量の遷移を示すパターン6bの場合、図7(A)と同一の積算雨量7aの点4pを得ても、CL超過確率線3a-1以下である。また、点4pの次の単位時間後の点4qは、図7(A)と同一の積算雨量7bの値以上であるが、CL超過確率線3b-1以下である。点4p及び点4qのいずれにおいても、CL超過の可能性はほぼないと判断する。
更に次の単位時間後の点4rは、CL超過確率線3b-2と3b-3との間に位置し、50%以上75%以下でCL3を超える可能性があると判断される。次の単位時間後では、CL超過確率線3b-1と3b-2との間で点4sが示される。点4sは、点4qとほぼ同じ積算雨量であるが、土壌雨量指数が点4qの土壌雨量指数より大きいため、CL超過確率線3a-1以上に位置する。
点4sから次の単位時間後の予測点は、点4tを示している。CL超過確率線3b-1以下であるが、CL超過確率線3b-1以上の点4sにより、土砂災害は25%以上50%以下の確率で発生し得ることを容易に知ることができ、土砂災害が発生した場合の準備を行える。
図7(A)のパターン6aと図7(B)のパターン6bとを比較した場合、パターン6aの方が緩やかに積算雨量が上昇するが、積算雨量7aに到達した時点で、土砂災害の可能性があることを知り得る。線状降水帯8hが形成されていない場合のパターン6bでは、初期には積算雨量が上昇したとしても、積算雨量7a以上の積算雨量7bに達しても、土砂災害の発生の確率は低いことを知り得る。
本実施例では、図7(A)で説明したように、線状降水帯8hが形成されている場合は豪雨が発生しやすく、その影響を考慮しCL超過確率を高くして可変とし、CL超過確率をより精度良く算出する。具体的には、線状降水帯8hの形状を表す形状パラメータを作成し、作成した形状パラメータとRBFN出力値とを用いてCL超過確率を求める。
線状降水帯8hの定義は明確でないため、以下の説明では、単に、「降水帯」といい説明する。先ず、図8で、降水帯の形状と降雨の継続性との関係について説明する。図8(A)及び図8(B)において、降水帯8a及び8bは前線8f及び風の流れに沿って形成され細長い形状を形成し、長辺と短辺とで大きさを概ね表すことが可能である。単純には、長辺が長い程、広範囲の領域に降雨をもたらし、短辺が広い程、降雨が継続して長期間に及ぶ。
この例では、図8(A)及び図8(B)に示す自治体等の対象地点9pは、同一地点を表し、降水帯8a及び8bは、同一進行方向8eへ同様の速度で移動する。以下に、降水帯8a及び8bの長辺は同一とし、短辺の太さの違いによる降雨の継続性について概説する。
図8(A)の降水帯8aは、図8(B)の降水帯8bより短辺が狭い。対象地点9pは、降水帯8aの領域に含まれてから、降水帯8aの領域から外れるまでの移動距離8pの間は、降雨に曝される。
図8(B)の降水帯8bは、図8(A)の降水帯8aより短辺が広い。従って、対象地点9pが、降水帯8bの領域に含まれてから、降水帯8bの領域外となるまでの移動距離8qの間は、降水帯8aの場合より長時間の間、降雨に曝される。
上述の説明より、発明者は、降水帯の形状により降雨による土砂災害の発生の可能性が異なるであろうと考え、降水帯の形状の情報をパラメータ(以下、「形状パラメータ」という)とし、形状パラメータを用いてCL超過確率を算出する方法を見出した。
先ず、形状パラメータについて説明する。図9は、上空の降雨分布画像の一例を示す図である。図9において、土砂災害への影響が低い降雨量を閾値に予め定め、弱い雨の領域を検出しないようにし、一定強度以上の降雨の分布を作成する。一定強度の一例として、50mm/3h等が閾値となる。
図9に例示する降雨分布画像7gにおいて、連続した検出面積7dを囲む最小の外接矩形7cを取得する。取得した外接矩形7cから以下の情報を取得し、総称して形状パラメータという。得られるパラメータは、
・長辺と短辺の比率(長短比)
・面積
・外接矩形の長辺
・外接矩形の短辺
である。また、形状パラメータを取得する対象のデータであるが、以下のいずれのデータであってもよい。
・対象時刻のデータ(対象時刻:実施時なら最新値、学習時なら各時刻)
・予測データ(対象時刻の30分後、1時間後など)
・過去データ(対象時刻の30分前、1時間前など)
・時系列変化データ(対象時刻のn分前と対象時刻の差異など)
上述したようにして得られた形状パラメータをどのように利用するかについて、説明する。先ず、図10を参照して、降水帯の形状と、雨量及び土壌雨量指数それぞれとの関係について以下に説明する。図10では、積算雨量が一定以上(50mm/3h)の降水帯を対象とし、ある自治体における雨量及び土壌雨量指数それぞれを示している。
図10(A)のグラフでは、降水帯の長辺と雨量との関係を示している。図10(B)のグラフでは、降水帯の長辺と土壌雨量指数との関係を示している。雨量及び土壌雨量指数共に、いずれのグラフも、緩やかな関連性を示している。即ち、降雨等の値の補正として降水帯の長辺を用いるには関連性が低く、精度を改善することができない。
しかしながら、発明者は、CL超過確率にRBFN出力値に加えて形状パラメータを考慮した場合、RBFN出力値と形状パラメータとの間には関連性があることを見出した。発明者が、導いたCL超過確率を求める近似曲線モデルは、
Figure 0007052429000001
で表される。数1では、xはRBFN出力値を示し、yは形状パラメータを示す。
図11は、CL超過確率の算出結果のグラフ例を示す図である。図11において、グラフ9gは、x軸にRBFN出力値を示し、y軸にCL超過確率を示し、z軸に形状パラメータの値を示す。形状パラメータは、上述したように4つのパラメータ値を有し、多次元で表されるが、この例では、長辺を一例として示す。
図11のグラフ9gでは、RBFN出力値が低い程、また、長辺が長い程、CL超過確率が高くなることが示されている。このように、数1を用いることで、形状パラメータを用いることで、降水帯の形状に応じてCL超過確率を補正することが可能となる。
上述した実施例を実現する算出装置は、図12に示すようなハードウェア構成を有する。図12は、算出装置のハードウェア構成を示す図である。図12において、算出装置100は、コンピュータによって制御される情報処理装置であって、CPU(Central Processing Unit)11と、主記憶装置12と、補助記憶装置13と、入力装置14と、表示装置15と、通信I/F(インターフェース)17と、ドライブ装置18とを有し、バスBに接続される。
CPU11は、主記憶装置12に格納されたプログラムに従って算出装置100を制御するプロセッサに相当する。主記憶装置12には、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等が用いられ、CPU11にて実行されるプログラム、CPU11での処理に必要なデータ、CPU11での処理にて得られたデータ等を記憶又は一時保存する。
補助記憶装置13には、HDD(Hard Disk Drive)等が用いられ、各種処理を実行するためのプログラム等のデータを格納する。補助記憶装置13に格納されているプログラムの一部が主記憶装置12にロードされ、CPU11に実行されることによって、各種処理が実現される。主記憶装置12、補助記憶装置13、算出装置100がアクセス可能な外部記憶装置等を総称して、記憶部130という。
入力装置14は、マウス、キーボード等を有し、ユーザが算出装置100による処理に必要な各種情報を入力するために用いられる。表示装置15は、CPU11の制御のもとに必要な各種情報を表示する。入力装置14と表示装置15とは、一体化したタッチパネル等によるユーザインタフェースであってもよい。通信I/F17は、有線又は無線などのネットワークを通じて通信を行う。通信I/F17による通信は無線又は有線に限定されるものではない。
ドライブ装置18は、ドライブ装置18にセットされた記憶媒体19(例えば、CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory)等)と算出装置100とのインターフェースを行う。
算出装置100によって行われる処理を実現するプログラムは、例えば、CD-ROM等の記憶媒体19によって算出装置100に提供される。記憶媒体19に、後述される本実施の形態に係る種々の処理を実現するプログラムを格納し、この記憶媒体19に格納されたプログラムは、ドライブ装置18を介して算出装置100にインストールされる。インストールされたプログラムは、算出装置100により実行可能となる。
尚、プログラムを格納する記憶媒体19はCD-ROMに限定されず、コンピュータが読み取り可能な、構造(structure)を有する1つ以上の非一時的(non-transitory)な、有形(tangible)な媒体であればよい。コンピュータ読取可能な記憶媒体として、CD-ROMの他に、DVD(Digital Versatile Disk)ディスク、USBメモリ等の可搬型記録媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリであっても良い。
図13は、算出装置の機能構成例を示す図である。図13において、算出装置100は、主に、学習部200と、CL超過確率線作成部300とを処理部として有する。各処理部200及び300は、算出装置100にインストールされたプログラムが、算出装置100のCPU11に実行させる処理により実現される。図13中、実線は処理部間の関連を示し、破線は処理部とデータ間の関連を示している。
記憶部130は、降雨データ132、土壌雨量指数133、RBFN出力値134、形状パラメータ135、超過データ136、設定値137、モデル係数データ138等を記憶する。
学習部200は、CL超過確率を算出するモデルを作成する処理部であり、更に、土壌雨量指数算出部210と、RBFN出力値算出部220と、超過データ抽出部230と、形状パラメータ算出部240と、モデル作成部250とを有する。
土壌雨量指数算出部210は、降雨データ132の全て又は一部を参照して、過去の全降雨について、土壌雨量指数133を計算する処理部である。計算された土壌雨量指数133が記憶部130に記録される。
RBFN出力値算出部220は、過去の降雨データ132の全て又は一部を参照して、RBFN出力値134を計算する処理部である。対象とした過去の降雨データ132ごとに、積算雨量が算出される。降雨データ132ごとの、土壌雨量指数と積算雨量とにより、RBFN出力値134が計算され記憶部130に記録される。記憶部130では、RBFN出力値134に対して、土壌雨量指数と積算雨量とが対応付けられる。
超過データ抽出部230は、超過していない状態から次の単位時間後に超過するRBFN出力値134を抽出する処理部である。RBFN出力値算出部220により計算されたRBFN出力値134から、設定値137が示すRBFN出力値に対するCL用閾値を用いて、次の単位時間後に超過するRBFN出力値134が超過データ136として抽出され記憶部130に記憶される。
形状パラメータ算出部240は、設定値137が示す降雨データ132に対する閾値である形状抽出用閾値を用いて、降水帯の形状に関する4種類の値を算出する処理部である。算出した4種類の値を示す形状パラメータ135を記憶部130に記憶する。4種類の値は、前述したように、
・長辺と短辺の比率
・面積
・外接矩形の長辺
・外接矩形の短辺
である。
モデル作成部250は、近似曲線モデル(数1)の係数を決定する処理部であり、更に、分割間隔決定部260と、近似曲面算出部270とを有する。
分割間隔決定部260は、形状パラメータ135の分割数と、RBFN出力値134の分割数とを決定する処理部である。分割数の決定には、スタージェスの公式(Sturges’ rule)等を用いればよいが、特に限定されない。スタージェスの公式:
Figure 0007052429000002
を用いる場合には、超過データ136の個数をnとすることで、分割数kを求めることができる。分割数kで分割する際の間隔(分割間隔)は、形状パラメータ135及びRBFN出力値134においても最小値から最大値を分割数kで割ることで求められる。形状パラメータ135では、上述した4種類の値のそれぞれに対して分割数kが得られる。
一方、予め設定値137に設定された分割数kを用いて、形状パラメータ135及びRBFN出力値134を分割間隔を得てもよい。設定値137に分割数k又はスタージェスの公式等の式が指定されていればよく、分割間隔決定部260は、設定値137の設定に対応する処理により定めた分割数を用いて、分割間隔を得ればよい。
近似曲面算出部270は、CL超過確率を表現する近似曲面を算出する処理部である。先ず、近似曲面算出部270は、形状パラメータ135(4次元)、RBFN出力値134、及びCL超過率による多次元において、複数の分割数kによって形成されるグリッドごとにCL超過確率を算出する。グリッドごとのCL超過確率の算出は、
Figure 0007052429000003
により求めればよい。
そして、近似曲面算出部270は、グリッドごとのCL超過確率を用いて近似曲面を算出する。設定値137には、近似曲線モデル(数1)として指定され、近似曲面算出部270は、近似曲線モデル(数1)が最もグリッドごとのCL超過確率に近似する係数a、b、及びcを求める。得られた係数a、b、及びcを示すモデル係数データ138が記憶部130に記憶される。
設定値137は、
・形状抽出用閾値
・CL用閾値
・分割数(数値又は式)
・近似曲線モデル(式)
・確率線の表示間隔(一例として、25%間隔等)
を含んでいる。
上述したような学習処理において、学習部200では、初回学習時には、降雨データ132を予め取得しておく。2回目以降の学習処理では、土壌雨量指数133、RBFN出力値134、及び形状パラメータ135のそれぞれの算出は、降雨データ132の未計算分のみを行えばよい。
CL超過確率線作成部300は、学習部200によって作成された近似曲線モデル(数1)を用いて、最新の降雨状況に応じたCL超過確率線を作成する処理部であり、更に、データ受信部310と、土壌雨量指数算出部210と、RBFN出力値算出部220と、形状パラメータ算出部240と、更新部350とを処理部として有する。学習部200に含まれる処理部と同様の処理部には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
データ受信部310は、所定時間間隔等によるイベントで、気象データ配信元400から降雨データ132wを受信し、記憶部130に蓄積する処理部である。土壌雨量指数算出部210と、RBFN出力値算出部220とによって、降雨データ132wを用いて得られた土壌雨量指数とRBFN出力値とによる判定図2gが作成され、表示装置15のユーザ画面G95に表示される。
更新部350は、判定図2g上に表示するCL超過確率線を更新する処理部であり、超過確率算出部360と、表示部370とを有する。超過確率算出部360は、設定値137とモデル係数データ138とで得られる近似曲線モデル(数2)における、形状パラメータ算出部240とによって得られた、降雨データ132wに基づく降水帯の形状パラメータの値での断面の式を算出する処理部である。
表示部370は、超過確率算出部360によって得られた断面の式を用いて、設定値137で指定される確率線の表示間隔に基づいて、CL超過確率線を算出する処理部である。算出されたCL超過確率線は、ユーザ画面G95に表示されている判定図2g上に表示され、判定図2gを更新する。一例として、判定図2gに、25%、50%、及び75%のCL超過確率線が表示される。
本実施例では、最新の降雨データ132wに基づいて、CL超過確率線が更新されるため、ユーザは、降雨状況の変化に応じてCL3を超えるか否かの判断を精度よく判定できる。以下に、学習部200による学習処理を図14~図16で説明し、CL超過確率線作成部300によるCL超過確率線作成処理を図17及び図18で説明する。
図14は、学習部による学習処理の全体を説明するためのフローチャート図である。図14より、学習部200では、先ず、土壌雨量指数算出部210が、過去の降雨データ132の全て又は1部を用いて、土壌雨量指数を計算し(ステップS211)、RBFN出力値算出部220が、過去の降雨データ132と土壌雨量指数133の全て又は1部を用いて、RBFN出力値を計算する(ステップS212)。
超過データ抽出部230は、RBFNの閾値を入力する(ステップS213)。閾値は、CL3のRBFN出力値を示す。RBFNの閾値を入力すると、超過データ抽出部230は、RBFN出力値が超過しておらず、次の時刻に超過しているものデータを超過データ136として抽出する(ステップS214)。
次に、形状パラメータ算出部240は、降雨データ132から、設定値137の形状抽出用閾値以上の降水帯を特定し、特定した降水帯の形状から形状パラメータ135を算出する形状パラメータ算出処理を行う(ステップS215)。算出された形状パラメータ135は、記憶部130に記憶される。
そして、モデル作成部250によるモデル作成処理が行われ(ステップS216)、この学習処理を終了する。
図15は、形状パラメータ算出部による形状パラメータ算出処理を説明するためのフローチャート図である。図15において、形状パラメータ算出部240は、降雨データ132の雨量を用いて、各時刻の地理的な雨量分布を作成する(ステップS231)。
形状パラメータ算出部240は、作成した雨量分布から雨量が形状抽出用閾値以上の領域を抽出し(ステップS232)、抽出した領域に対して、面積が最小となるような外接矩形を当てはめる(ステップS233)。
形状パラメータ算出部240は、抽出した面積と、外接矩形の短辺及び長辺と、長短比とを形状パラメータ135として記憶部130に記録し(ステップS135)、この形状パラメータ算出処理を終了する。記憶部130には、各時刻の形状パラメータ135が記憶される。
図16は、モデル作成部によるモデル作成処理を説明するためのフローチャート図である。図16において、モデル作成部250では、分割間隔決定部260は、超過データ数を基準とし、形状パラメータ135の分割数を決定する(ステップS251)。同様に、分割間隔決定部260は、超過データ数を基準とし、RBFN出力値の分割数を決定する(ステップS252)。
そして、分割間隔決定部260は、パラメータごとに間隔値を決定する(ステップS253)。形状パラメータ135の4種類の値と、RBFN出力値とが、ここでいうパラメータに相当する。形状パラメータ135に対しては、4種類の値のそれぞれに対して、間隔値が設定される。間隔値は、各時刻のパラメータの最小値から最大値までを分割数で除算することにより得られる。
次に、近似曲面算出部270は、間隔値で区切られたグリッドごとの、
CL超過確率=超過データ数/全データ数
を求める(ステップS254)。形状パラメータの4種類の値と、RBFN出力値と、CL超過確率とによる6次元空間において、CL超過確率が算出されるため、降水帯の形状が異なれば、RBFNが同一であっても、異なるCL超過確率を得る。
そして、近似曲面算出部270は、各グリッドのCL超過確率を表現するための近似曲線(近似曲面)モデル(数1)を作成する(ステップS255)。近似曲線モデル(数1)の係数a、b、及びcが求まる。得られた係数a、b、及びcは、モデル係数データ138として記憶部130に記憶される。その後、モデル作成部250は、モデル作成処理を終了する。
図17は、CL超過確率線作成部によるCL超過確率線作成処理の全体を説明するためのフローチャート図である。図17において、CL超過確率線作成部200では、データ受信部310は、現時刻の降雨データ132を取得する(ステップS310)。気象データ配信元400から現時刻の降雨データ132を取得する。
土壌雨量指数算出部210は、過去の降雨データ132の全て又は1部を用いて、土壌雨量指数を計算し(ステップS311)、RBFN出力値算出部220は、過去の降雨データ132と土壌雨量指数133の全て又は1部を用いて、RBFN出力値を計算する(ステップS312)。表示部370は、現在の積算雨量及び土壌雨量指数を判定図2g上にプロットする(ステップS313)。
そして、形状パラメータ算出部240は、形状パラメータ算出処理を行い(ステップS314)、更新部350は、更新処理を行う(ステップS315)。上述したステップS310~S315の処理を、判定図2gの更新間隔ごとに繰り返す。形状パラメータ算出部240による形状パラメータ算出処理は、図15で説明した通りであるため、その詳細な説明を省略する。
図18は、更新部による更新処理を説明するためのフローチャート図である。図18において、更新部350では、超過確率算出部360が算出した形状パラメータ134の値での近似曲面の断面式3pを求める(ステップS331)。
超過確率算出部360は、設定値137から近似曲線モデル(数1)を取得し、モデル係数データ138で得られる係数a、b、及びcの値を近似曲線モデルに設定し、使用する近似曲線モデルを特定する。
超過確率算出部360は、特定した近似曲線モデルの変数yに、図17のステップS314にて、形状パラメータ算出部240によって得られた形状パラメータ135を与えることで、近似曲面の断面式3pを得る。
表示部370は、近似曲面の断面式3pを用いて、CL超過確率線を更新する(ステップS335)。表示部370は、近似曲面の断面式3pから、設定値137が指定する確率線の表示間隔の値に対応するRBFN出力値を取得する。表示部370は、確率線の表示間隔ごとに、得られたRBFN出力値相当となる積算雨量及び土壌雨量指数のデータに基づいて、CL超過確率線を算出する。一例として、CL超過確率「25%」、「50%」、及び「75%」それぞれのCL超過確率線を得る。表示部370は、得られたそれぞれのCL超過確率線を表示中の判定図2g上に表示する。CL超過確率線の表示が更新され、この更新処理は終了する。
図19は、降水帯の考慮の有無の違いによるCL超過確率の例を示す図である。図19中、RBFN「0.8」のときをCLとし、このCLを超過する確率を、実データの確率分布を利用し、降水帯の長辺の考慮の有無で計算した結果を示している。
図19(A)では、降水帯を考慮しない既存技術におけるCL超過確率を示している。図19(A)では、z軸上に長辺を示しているが、降水帯の形状を何ら考慮しないため、長辺の長さの違いによるCL超過確率に変化はない。つまり、RBFN出力値が同じであれば、同じCL超過確率を示している。
一方、図19(B)では、降水帯を考慮する本実施例におけるCL超過確率を示している。降水帯の長辺の長さの違いにより、CL超過確率が異なり、RBFN出力値が同じであっても、異なるCL超過確率が示される。
長辺が100km未満かつRBFN「0.8」以上「0.85」未満の場合、実データでは、22点のうち2点が次の時間にCLを超過しており、CL超過確率は、2/22=0.10であった。図19(A)を参照すると、CL超過確率は、0.20を示し、過大評価されている。一方、図19(B)を参照すると、CL超過確率は、0.09であり、略実データに等しい。
長辺が200km以上400km未満かつRBFN「0.8」以上「0.85」未満の場合、実データでは、16点のうち7点が次の時間にCLを超過しており、CL超過確率は、7/16=0.44であった。図19(A)を参照すると、CL超過確率は、0.20を示し、過小評価されている。一方、図19(B)を参照すると、CL超過確率は、0.44であり、実データに等しい。
また、降水帯の形状が考慮されない図19(A)の場合には、長辺の長さによるCL超過確率の違いはなく一律に0.20を示している。上述より、本実施例を用いることでCL超過確率の精度を改善できる。
次に、対象地点を同じとし、本実施例の適用の有無によりCL超過確率線の表示が異なる例について説明する。図20は、異なる降水帯に対するCL超過確率線の表示に比較例を示す図である。
図20(A)は、同じ対象地点9pの上空に形成された2つの異なる形状の降水帯10e及び10fを示している。このような降水帯10e及び10fに対して次の単位時間後にCLを超過する確率を示した判定図2gの例を図20(B)及び図20(C)で示す。図20(B)及び図20(C)では、一例として、25%、50%、及び75%のCL超過確率線3c-1、3c-2、及び3c-3を示すが、これに限定されない。
図20(B)では、本実施例の適用の無い場合のCL超過確率線の表示例を示している。判定図2g-1は、降水帯10eの場合の表示例に相当する。判定図2g-2は、降水帯10fの場合の表示例に相当する。判定図2g-1と判定図2g-2とにおいて、CL超過確率線3c-1、3c-2、及び3c-3の表示間隔に変化はない。降水帯の形状に係りなく、常に同じ間隔でCL超過確率線3c-1、3c-2、及び3c-3が表示される。
一方、図20(C)では、本実施例を適用した場合のCL超過確率線の表示例を示している。判定図2g-3は、降水帯10eの場合の表示例に相当する。判定図2g-4は、降水帯10fの場合の表示例に相当する。判定図2g-3と判定図2g-4とにおいて、CL超過確率線3c-1、3c-2、及び3c-3の表示間隔が変化している。降水帯の形状に応じて、降水帯10e及び降水帯10fとでは、異なる間隔でCL超過確率線3c-1、3c-2、及び3c-3が表示される。
上述したように本実施例では、降水帯の形状を考慮することで適切なCL超過確率の評価を行える。本実施例においては、災害発生危険基準線(CL)を超えるか否かの確率(危険基準の超過確率)を指標として説明したが、指標として用いる情報はこれに限定されず、同様のものであればよい。また、上記記載の近似曲線モデルは算出モデルの一例であり、該学習部200は生成部の一例であり、CL超過確率線作成部300は算出部又は算出表示部の一例であり、算出装置100は表示装置の一例である。
本発明は、具体的に開示された実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、主々の変形や変更が可能である。
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する
処理をコンピュータに行わせる算出プログラム。
(付記2)
付記1記載の算出プログラムであって、前記指標は危険基準の超過確率であることを特徴とする算出プログラム。
(付記3)
付記1又は2記載の算出プログラムであって、前記降水帯の形状に関する情報は、少なくとも降水帯の外接矩形の長辺を示すことを特徴とする算出プログラム。
(付記4)
付記3記載の算出プログラムであって、前記降水帯の形状に関する情報は、更に、短辺、面積、該長辺と短辺の長短比の1以上を示すことを特徴とする算出プログラム。
(付記5)
付記3記載の算出プログラムであって、前記算出モデルは、長時間雨量及び短時間雨量を入力値としてニューラルネットワークで得られた出力値が低い程、また、長辺が長い程、前記指標が高くなることを特徴とする算出プログラム。
(付記6)
付記3記載の算出プログラムであって、前記算出した前記指標を、前記長時間雨量と、前記短時間雨量との関係を示すグラフ上に表示し、降雨データを得る毎に算出された前記指標で該グラフの表示を更新することを特徴とする算出プログラム。
(付記7)
記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する
処理をコンピュータが行う算出方法。
(付記8)
記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成する生成部と、
前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する算出部と
を有する算出装置。
(付記9)
記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出し、予め定めた前記危険基準と、算出した前記超過確率とを表示部に表示する
処理をコンピュータに行わせる表示プログラム。
(付記10)
記憶部に蓄積された過去の降雨データを用いて得られる、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
降雨データから得られる、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報を前記算出モデルに適用することで、前記土砂災害に関する前記指標を算出し、予め定めた前記危険基準と、算出した前記超過確率とを表示部に表示する
処理をコンピュータが行う表示方法。
(付記11)
記憶部に蓄積された過去の降雨データを用いて得られる、特定地点における降水帯の形状に関する情報と、該特定地点における長時間雨量及び短時間雨量とを用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成する生成部と、
降雨データから得られる、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報を前記算出モデルに適用することで、前記土砂災害に関する前記指標を算出し、予め定めた前記危険基準と、算出した前記超過確率とを表示部に表示する算出表示部と
を有する表示装置。
100 算出装置
132 降雨データ
133 土壌雨量指数
134 RBFN出力値
135 形状パラメータ
136 超過データ
137 設定値
138 モデル係数データ
200 学習部
210 土壌雨量指数算出部
220 RBFN出力値算出部
230 超過データ抽出部
240 形状パラメータ算出部
250 モデル作成部
260 分割間隔決定部
270 近似曲面算出部
300 CL超過確率線作成部
310 データ受信部
350 更新部
360 超過確率算出部
370 表示部

Claims (8)

  1. 記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点の上空に形成された降水帯の形状に関する情報と、前記過去の降雨データを学習して得られたニューラルネットワークの出力値と、を用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
    前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する
    処理をコンピュータに行わせる算出プログラム。
  2. 請求項1記載の算出プログラムであって、前記指標は危険基準の超過確率であることを特徴とする算出プログラム。
  3. 請求項1又は2記載の算出プログラムであって、前記降水帯の形状に関する情報は、少なくとも降水帯の外接矩形の長辺を示すことを特徴とする算出プログラム。
  4. 請求項3記載の算出プログラムであって、前記算出モデルは、前記ニューラルネットワークで得られた出力値が低い程、また、長辺が長い程、前記指標が高くなることを特徴とする算出プログラム。
  5. 請求項3記載の算出プログラムであって、前記算出した前記指標を、積算雨量と土壌雨量指数との関係を示すグラフ上に表示し、降雨データを得る毎に算出された前記指標で該グラフの表示を更新することを特徴とする算出プログラム。
  6. 記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点の上空に形成された降水帯の形状に関する情報と、前記過去の降雨データを学習して得られたニューラルネットワークの出力値と、を用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
    前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する
    処理をコンピュータが行う算出方法。
  7. 記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点の上空に形成された降水帯の形状に関する情報と、前記過去の降雨データを学習して得られたニューラルネットワークの出力値と、を用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成する生成部と、
    前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出する算出部と
    を有する算出装置。
  8. 記憶部に蓄積された過去の降雨データより生成された、特定地点の上空に形成された降水帯の形状に関する情報と、前記過去の降雨データを学習して得られたニューラルネットワークの出力値と、を用いて、該特定地点における土砂災害に関する指標を算出する算出モデルを生成し、
    前記算出モデルを用いて、入力された降雨データより生成された、前記特定地点における降水帯の形状に関する情報より、前記土砂災害に関する前記指標を算出し、予め定めた危険基準と、前記指標として算出した超過確率とを表示部に表示する
    処理をコンピュータに行わせる表示プログラム。
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