JP6925619B2 - How to measure cloud altitude and wind speed using optical images - Google Patents
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Description
この発明は、一対の広角カメラを用いたステレオカメラによる光学画像を用いて、雲の地上高と雲の風速を計測する方法に関する。 The present invention relates to a method of measuring the ground clearance of a cloud and the wind speed of a cloud by using an optical image taken by a stereo camera using a pair of wide-angle cameras.
雲の底面の高さ（雲底高度）は、気象学的に重要なパラメータであるとともに、航空機の離発着においても必要な情報である。現在、雲底高度の標準的な観測手段としてはシーロメータという装置がある。シーロメータは、例えば特許文献１（特表２００７−５３８２４５号公報）に開示されたライダー（ＬＩＤＡＲ）の一種で、レーザー光などの強力な光を上空に射出し、雲底で散乱して戻って来るまでの時間等から高度を計測する。しかし、基本的に上空１点のみの雲底高度を計測するため、全天の同時測定には不向きであり、また装置は複雑で高価である。これに対して、本発明は、広い範囲の雲底高度の分布を、より安価な光学カメラで計測するものである。 The height of the bottom of the cloud (cloud base altitude) is a meteorologically important parameter and is also necessary information for the takeoff and landing of aircraft. Currently, there is a device called a ceilometer as a standard means of observing cloud base altitude. A ceilometer is a type of lidar disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-538245). It emits strong light such as laser light into the sky, scatters at the cloud base, and returns. Measure the altitude from the time until. However, since it basically measures the cloud base altitude of only one point in the sky, it is not suitable for simultaneous measurement of the whole sky, and the device is complicated and expensive. On the other hand, the present invention measures the distribution of cloud base altitude over a wide range with a cheaper optical camera.
一方、２台のカメラで撮られた画像を用いて、被写体の対象物までの距離を計測する技術としては、例えば特許文献２（特開平１０−２６７６１８号公報）に開示された距離計測装置がある。これはステレオカメラを用いたもので、一対のカメラの視差情報から対象物までの距離を計測するものである。この計測に当たっては、その一対のカメラによる画像のデジタル信号上の視差を検出するために一対の画像の相関をとり、その視差と上記カメラの位置関係から対象物までの距離を計測する。また、所定の間隔でその計測を行う事で、対象物の移動速度を算出するものである。 On the other hand, as a technique for measuring the distance to an object of a subject using images taken by two cameras, for example, a distance measuring device disclosed in Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-267618) is used. be. This uses a stereo camera, and measures the distance from the parallax information of a pair of cameras to an object. In this measurement, in order to detect the parallax of the images by the pair of cameras on the digital signal, the pair of images are correlated, and the distance from the parallax and the positional relationship of the cameras to the object is measured. In addition, the moving speed of the object is calculated by measuring the measurement at predetermined intervals.
２台の天頂に向けた広角カメラで撮像された雲の画像について、その視野にある雲の雲底高度分布を精度よく求めることで、広範囲の雲底高度分布を短時間で計測する。また風速の計測のために、その画像の時間差分から、対象となる雲の移動速度を求める。 A wide range of cloud base altitude distributions can be measured in a short time by accurately determining the cloud base altitude distribution of the clouds in the field of view of the cloud images captured by the wide-angle cameras facing the two zeniths. Also, in order to measure the wind speed, the moving speed of the target cloud is obtained from the time difference of the image.
本発明の光学画像を用いた雲の高度の計測方法は、
所定の基線の両端に設けられた一対の広角カメラを天頂方向に向けたステレオカメラによる光学画像から、被写体の雲の位置や移動速度を計測する方法であって、
上記広角カメラの設置位置の標高、経度および緯度が明らかであり、
上記広角カメラから出力される画像について、撮影時刻、天頂位置、方位角および天頂角が解読できる設定がなされたものであり、
（１）上記ステレオカメラで同時刻に撮影された共通の被写体の各広角カメラによる各画像から該被写体の方位角および天頂角を読み出し、
（２）上記被写体の高度を仮定して、
（３）上記の各画像について、各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角から上記被写体の経度および緯度を求め、
（４）上記被写体の経度および緯度が、各画像について所定の許容範囲での一致が確認されるまで、新たに高度を仮定して上記（３）の処理を行う、
ことを含むことを特徴とする。
The method for measuring the altitude of clouds using the optical image of the present invention is
It is a method of measuring the position and moving speed of a cloud of a subject from an optical image taken by a stereo camera in which a pair of wide-angle cameras provided at both ends of a predetermined baseline are pointed toward the zenith.
The altitude, longitude and latitude of the above wide-angle camera installation position are clear.
The image output from the wide-angle camera is set so that the shooting time, zenith position, azimuth, and zenith angle can be decoded.
(1) The azimuth angle and zenith angle of the subject are read out from each image taken by each wide-angle camera of the common subject taken at the same time by the stereo camera.
(2) Assuming the altitude of the above subject,
(3) For each of the above images, the longitude and latitude of the subject are obtained from the installation position of each wide-angle camera and the azimuth and zenith angles.
(4) The process of (3) above is performed assuming a new altitude until the longitude and latitude of the subject are found to match each image within a predetermined allowable range.
It is characterized by including.
また、上記（４）における所定範囲での一致は、上記（３）で求められた被写体の経度および緯度を含む位置にある所定のサイズの各広角カメラの画像についての相互相関係数のピークを与えるズレの値が上記所定範囲内のあるものであることを特徴とする。 Further, the agreement within the predetermined range in (4) above is the peak of the mutual correlation coefficient for the image of each wide-angle camera of a predetermined size at the position including the longitude and latitude of the subject obtained in (3) above. The value of the deviation to be given is within the above-mentioned predetermined range.
また、上記各広角カメラは、撮影した星の座標を基に校正した方位角および天頂角を出力するものであることを特徴とする。 Further, each of the above wide-angle cameras is characterized in that it outputs an azimuth angle and a zenith angle calibrated based on the coordinates of the photographed star.
また、上記（４）において各画像について所定の許容範囲での一致を確認する方法は、
地心を中心とし上記（２）の高度までを半径とする球に、
各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角、および上記（２）の高度から求めた上記被写体の経度および緯度位置を、投影し、
上記球面での上記被写体の経度および緯度位置が所定の誤差内で一致するまで上記高度を調整するものであることを特徴とする。
Further, in the above (4), the method of confirming the agreement within a predetermined allowable range for each image is described.
In a sphere centered on the center of the earth and with a radius up to the altitude of (2) above,
The installation position of each wide-angle camera, the azimuth and zenith angles, and the longitude and latitude positions of the subject obtained from the altitude of (2) above are projected.
The altitude is adjusted until the longitude and latitude positions of the subject on the spherical surface match within a predetermined error.
また、本発明の光学画像を用いた風速の計測方法は、上記被写体の位置である高度、経度および緯度の計測を時間差で行い、上記被写体の位置の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とするものであることを特徴とする。 Further, in the wind speed measurement method using the optical image of the present invention, the altitude, longitude and latitude, which are the positions of the subject, are measured with a time difference, and the moving speed of the cloud is obtained from the time difference of the position of the subject, and this movement is performed. It is characterized in that the speed is the wind speed.
また、上記画像を複数の小区域に区切り、それぞれの小区域ごとに、
（１）雲の高度を求めて、雲の高度の２次元分布を計測するか、または、
（２）雲の高度、経度および緯度の２次元分布の計測を時間差を設けて行い、上記雲の高度、経度および緯度の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とする計測を行うことで風速の２次元分布を計測する、
ことを特徴とする。
In addition, the above image is divided into a plurality of sub-areas, and each sub-area is divided into a plurality of sub-areas.
(1) Find the altitude of the cloud and measure the two-dimensional distribution of the altitude of the cloud, or
(2) The two-dimensional distribution of cloud altitude, longitude and latitude is measured with a time difference, the moving speed of the cloud is obtained from the time difference of the altitude, longitude and latitude of the cloud, and this moving speed is used as the wind speed. By doing so, the two-dimensional distribution of wind speed is measured,
It is characterized by that.
また、広角カメラの組み合わせを変えて２組のステレオカメラを構成可能な３台の広角カメラを含み、１つの組のステレオカメラの基線は、他の組のその基線よりも短いことを特徴とするものであってもよい。 It also includes three wide-angle cameras that can configure two sets of stereo cameras by changing the combination of wide-angle cameras, and the baseline of one set of stereo cameras is shorter than that of the other set. It may be a thing.
本発明は、２台の天頂に向けた広角カメラで撮像された雲の画像について、その視野にある雲の雲底高度分布を精度よく求めるものであり、広範囲の雲底高度分布を短時間で計測することができる。また、その画像の時間差分から、対象となる雲の速度を求めることから、広範囲の風の速度の計測も短時間で行うことができる。また、本発明は、広い範囲の雲底高度の分布を、受動的に方法で計測するものであるため、他に及ぼす悪影響がない計測方法である。 The present invention accurately obtains the cloud base altitude distribution of clouds in the field of view of cloud images taken by two wide-angle cameras toward the zenith, and can obtain a wide range of cloud base altitude distribution in a short time. Can be measured. Further, since the velocity of the target cloud is obtained from the time difference of the image, the velocity of the wind in a wide range can be measured in a short time. Further, since the present invention passively measures the distribution of cloud base altitude over a wide range by a method, it is a measurement method that does not have an adverse effect on others.
先ず、本発明を適用する装置について以下に説明する。
本発明は、一対の広角カメラを天頂に向けたステレオカメラによる光学画像から、雲底部の地上高の計測を行い、時間差を置いた上記と同様の光学画像から雲底での風速を計測する方法に関するものであり、本発明を適応する装置例を図１に示す。この例においては、広角カメラ１をコントローラ２で制御した広角カメラシステムの３台（４ａ、４ｂ、４ｃ）をネットワーク３に接続した構成としている。基本的には、２台の広角カメラシステムを用いたステレオカメラで雲底の計測を行うが、２台の広角カメラ間の基線の長さが異なる設定、つまり広角カメラシステム４ａ−４ｃ間の基線長をＬ１、４ａ−４ｂ間のそれをＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）とする場合のための３台のカメラを用いる例を示す。また、各カメラシステム４ａ、４ｂ、４ｃは、直線状に整列させる必要は無く、折れ線状であってもよい。
First, the apparatus to which the present invention is applied will be described below.
The present invention is a method of measuring the ground height of the cloud base from an optical image taken by a stereo camera with a pair of wide-angle cameras facing the zenith, and measuring the wind speed at the cloud base from the same optical image as above with a time lag. FIG. 1 shows an example of an apparatus to which the present invention is applied. In this example, three wide-angle camera systems (4a, 4b, 4c) in which the wide-
広角カメラとしては、画角が６０度以上の物でよいが、画角が８０度以上の超広角カメラや、１６０度以上の画角で天球が収まるものは、さらに望ましい。また、上記基線長としては、通常の雲底高度の場合は、例えば２００から３００ｍであり、低い雲底の場合は、例えば５０から１００ｍにすることができる。 The wide-angle camera may have an angle of view of 60 degrees or more, but an ultra-wide-angle camera having an angle of view of 80 degrees or more and a camera in which the celestial sphere fits in an angle of view of 160 degrees or more are more desirable. The baseline length can be, for example, 200 to 300 m in the case of a normal cloud base altitude, and 50 to 100 m, for example, in the case of a low cloud base.
また、上記ネットワーク３を介して撮像データを回収し、コンピュータによって下記の手順を適用して雲底高度を求める。また、撮像画像の時間的差分を求めることで、雲底の移動距離と変化高度を得て、雲底の速度を導出する。
In addition, the imaged data is collected via the
本発明を実際に用いる際に、解決が必要となる技術的課題は、以下のものである。
（１）ステレオカメラとして広角カメラを用いる場合、そのカメラレンズの歪みが無視できない。
（２）雲の輪郭は一般に曖昧であり、一面に広がった雲は、特定箇所の同定が困難である。
（３）広範囲の雲底の高度分布を同時に計測できるようにする。従来の方法では、この様に広範囲の雲底の高度分布を同時に計測することは困難である。
The technical problems that need to be solved when the present invention is actually used are as follows.
(1) When a wide-angle camera is used as a stereo camera, the distortion of the camera lens cannot be ignored.
(2) The outline of a cloud is generally ambiguous, and it is difficult to identify a specific part of a cloud that has spread all over.
(3) Make it possible to measure the altitude distribution of a wide range of cloud bases at the same time. With the conventional method, it is difficult to measure the altitude distribution of such a wide range of cloud bases at the same time.
以下に、上記の技術的課題（１）から（４）を解決する方法を、順に（イ）から（ニ）に示す。 Hereinafter, methods for solving the above technical problems (1) to (4) are shown in order from (a) to (d).
（イ）雲底高度計測に特化した超広角カメラレンズのゆがみ補正
本発明においては、上記の様に超広角カメラを真上に向けて設置して撮影する。この撮影で得られる画像の中心が天頂にほぼ一致し、概略では画像上の位置が画像の中心（≒天頂）から離れるにしたがって天頂角が大きくなるということになる（図２）。
(B) Correction of distortion of the ultra-wide-angle camera lens specialized for cloud base altitude measurement In the present invention, the ultra-wide-angle camera is installed directly above for shooting as described above. The center of the image obtained by this shooting almost coincides with the zenith, and roughly, the zenith angle increases as the position on the image moves away from the center of the image (≈ zenith) (Fig. 2).
一般に、ステレオ画像から正確な距離を導くには、歪（ゆがみ）の無い画像が必要であることが知られている。雲底高度導出の際にも、歪みの無い画像が必要であり、そのためにはレンズのゆがみ補正が必要である。
また、撮影した画像における天頂の正確な位置、画像の方位（北からの回転角）φ、並びに画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式を求める必要がある。
本発明においては、これらの値を夜間の晴天時に画像中に写る星を使って、以下の方法により導出する。
It is generally known that a distortion-free image is required to derive an accurate distance from a stereo image. An image without distortion is also required when deriving the cloud base altitude, and for that purpose, it is necessary to correct the distortion of the lens.
In addition, it is necessary to obtain the exact position of the zenith in the captured image, the orientation (rotation angle from the north) φ of the image, and the relational expression between the distance r from the zenith and the zenith angle θ on the image.
In the present invention, these values are derived by the following method using the stars appearing in the image in fine weather at night.
ここで知りたい未知数は、以下の４つで、図３を参照して説明する。
（ａ）画像中の天頂の位置（ｘｚ，ｙｚ）：天頂は画像中心にほぼ一致する、とはいえ、僅かにずれた位置にある。画像中心の位置を（ｘｍ，ｙｍ）とすると、ｘｚ＝ｘｍ＋δｘ、ｙｚ＝ｙｍ＋δｙ（δは微小量）と表すこともできる。
（ｂ）画像の方位（北からの回転角）φ。
（ｃ）画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式：第一次近似として、ｒ＝ａθと表すことができ、この場合、未知数は比例係数のａである。
There are four unknowns that we would like to know here, which will be described with reference to FIG.
(A) Position of the zenith in the image (xz, yz): The zenith is substantially aligned with the center of the image, but is slightly offset. The position of the image center (x m, y m) When, x z = x m + δx , y z = y m + δy (δ is very small amount) may be expressed as.
(B) Image orientation (rotation angle from north) φ.
(C) Relational expression of the distance r from the zenith and the zenith angle θ on the image: As a first-order approximation, r = aθ can be expressed, in which case the unknown is the proportional coefficient a.
これらの未知数の求め方を以下に示す。
撮影された星Ａの画像中の位置（ｘＡ，ｙＡ）は画像から読み取ることができる。また、画像の撮影時刻、撮影場所における星Ａの天頂角θＡ、方位角φＡは天文学上の計算で得られ、既知である。同様に別の星Ｂについても、位置（ｘＢ，ｙＢ）は画像から読み取ることができ、天頂角θＢ、方位角φＢは既知である。この時、これらの値の間には、余弦定理により以下の関係が成り立つ（図３参照）。
How to find these unknowns is shown below.
The positions (x A , y A ) of the captured star A in the image can be read from the image. Further, the shooting time of the image, the zenith angle θ A of the star A at the shooting location, and the azimuth φ A are obtained by astronomical calculation and are known. Similarly, for another star B, the position (x B , y B ) can be read from the image, and the zenith angle θ B and the azimuth angle φ B are known. At this time, the following relationship holds between these values according to the law of cosines (see FIG. 3).
この関係によりａは以下のように求まる。 Based on this relationship, a can be obtained as follows.
また、上記の余弦定理の他に、幾何学的な関係から以下の式も得られる。 In addition to the above cosine theorem, the following equation can also be obtained from the geometrical relationship.
これらの関係式より、２つの星の撮影画像の位置から、４つの未知数（ａ、ｘｚ、ｙｚ、φ）を求めることができる。また、多数の星のペアからこれら４つの未知数を求め、平均を取ることにより、より正確に天頂の位置や画像の方位等を導出することもできる。 From these relational expressions, four unknowns (a, x z , y z , φ) can be obtained from the positions of the captured images of the two stars. In addition, by obtaining these four unknowns from a large number of star pairs and averaging them, it is possible to more accurately derive the position of the zenith, the orientation of the image, and the like.
次に、天頂角の異なる多数の星の位置（ｘｎ，ｙｎ）を読み取り、天頂の位置（ｘｚ，ｙｚ）からの距離ｒｎを計算し、それぞれの星の天頂角θｎとの関係をプロットし、これに関数（例えば高次多項式）をフィッティングすると、画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式を求めることができる。この際、レンズのゆがみ補正式を用いることにより、画像中の各点について観測点からの方位φと天頂角θを正確に求めることができる。上記では近似的にｒ＝ａθとおいたが、実際は図４に示すように比例関係からのずれがあり、経験上３次式の多項式を用いると、充分に上記距離ｒと天頂角θの関係を表すことができる。また、さらに高次の多項式を用いることも容易にできる。 Next, the positions (x n , y n ) of many stars with different zenith angles are read, the distance rn from the position of the zenith (x z , y z ) is calculated, and the relationship with the zenith angle θn of each star is calculated. By plotting and fitting a function (for example, a higher-order polynomial) to this, the relational expression between the distance r from the zenith and the zenith angle θ on the image can be obtained. At this time, by using the lens distortion correction formula, the direction φ and the zenith angle θ from the observation point can be accurately obtained for each point in the image. In the above, r = aθ is approximately set, but in reality there is a deviation from the proportional relationship as shown in FIG. 4, and empirically, when a polynomial of the cubic equation is used, the relationship between the distance r and the zenith angle θ can be sufficiently determined. Can be represented. Moreover, it is also possible to easily use a higher-order polynomial.
（ロ）境界の曖昧な雲までの距離の計測
上記（イ）の方法で導出した画像の方位やレンズのゆがみ補正式を用いることにより、画像中の各点について観測点から見た方位φと天頂角θを充分正確に求めることができる。充分正確な上記天頂角が分かると、画像に雲の映像があるとき、その雲底高度ｈを仮定すれば、その雲について観測点からの距離Ｃ（これに対応する地球中心角γ）が、雲と観測点と地球の中心とを結ぶ三角形で、三角関数の正弦定理を用いて以下の式で計算できる（図５（ａ）参照）。この式においてｈｏは観測点の標高である。
(B) Measurement of the distance to a cloud with an ambiguous boundary By using the orientation of the image derived by the method of (a) above and the distortion correction formula of the lens, the orientation φ of each point in the image as seen from the observation point The zenith angle θ can be obtained with sufficient accuracy. If the above zenith angle is known to be sufficiently accurate, when there is an image of a cloud in the image, assuming the cloud bottom altitude h, the distance C (corresponding to the central angle γ of the earth) from the observation point for the cloud will be. It is a triangle connecting a cloud, an observation point, and the center of the earth, and can be calculated by the following formula using the trigonometric sines theorem (see Fig. 5 (a)). In this equation, ho is the altitude of the observation point.
すると、北極点と雲と投影観測点とを結ぶ球面上の三角形について、球面三角法の余弦定理と正弦定理を用いて、その雲の緯度ξＣ、経度ζＣが以下の式から計算できる（図５（ｂ）参照）。ここで投影観測点は、観測点の高さを雲の高さに投影した点である。この様に、雲底高度を仮定すれば、その雲を緯度経度座標にマッピングすることができる。 Then, for the triangle on the sphere connecting the North Pole, the cloud, and the projection observation point, the latitude ξ C and longitude ζ C of the cloud can be calculated from the following equations using the cosine theorem and sine theorem of spherical trigonometry. See FIG. 5 (b)). Here, the projected observation point is a point obtained by projecting the height of the observation point onto the height of the cloud. In this way, assuming the cloud base altitude, the cloud can be mapped to the latitude and longitude coordinates.
異なる場所に設置された２台のカメラ（ステレオカメラ）で同時に撮影された２つの画像に同じ雲が写っていた場合、２台のカメラの設置場所（緯度、経度、標高）が既知であり、また、正しい雲底高度を仮定すれば、その雲は緯度経度座標上では所定の誤差内の位置、つまり同じ位置、にマッピングされるはずである。この性質を逆に利用すれば、ステレオカメラの画像を用いて雲底高度を導出することができる。この場合、ステレオカメラの基線は水平である必要がない。 If the same cloud appears in two images taken at the same time by two cameras (stereo cameras) installed in different locations, the installation locations (latitude, longitude, altitude) of the two cameras are known. Also, assuming the correct cloud bottom altitude, the cloud should be mapped to a position within a predetermined error on the latitude / longitude coordinates, that is, the same position. If this property is used in reverse, the cloud base altitude can be derived using the image of the stereo camera. In this case, the baseline of the stereo camera does not have to be horizontal.
具体的には、少なくとも雲の一部が共通に写っている２つの画像を、雲底高度の仮定を少しずつ変えながら緯度経度座標上にマッピングし、２つのマッピングデータの相互相関をとる。この相互相関の出力が最大になる高度が求めるべき雲底高度である。
この際、上記の様に同じ位置にマッピングすることは、任意の球面上に投影した像で行うことができることは明らかである。球面としては、例えば単位半径を持った球の表面である。
Specifically, two images in which at least a part of the cloud is captured in common are mapped on the latitude / longitude coordinates while changing the assumption of the cloud base altitude little by little, and the two mapping data are cross-correlated. The altitude at which the output of this cross-correlation is maximized is the cloud base altitude to be obtained.
At this time, it is clear that mapping to the same position as described above can be performed with an image projected on an arbitrary spherical surface. The spherical surface is, for example, the surface of a sphere having a unit radius.
図６に、本発明の方法で雲底高度を導出した結果（黒丸）と、シーロメータによるレーザー光の散乱高度の計測結果（濃淡帯）と、の比較を示す。この際、上記の様に雲底高度の仮定を少しずつ変えながら緯度経度座標上にマッピングして雲のステレオ画像の相互相関を最大にする雲底高度を求めるという手法を用いた。観測装置は、情報通信研究機構（東京都小金井市貫井北町４−２−１）６号館屋上とそこから約２５０ｍ離れた１３８棟屋上に設置した。この比較から、上記のステレオカメラに本発明を適用して得られた雲底高度と、シーロメータの散乱が最大になる高度とがよく一致していることが分かる。 FIG. 6 shows a comparison between the result of deriving the cloud base altitude by the method of the present invention (black circle) and the measurement result of the scattering altitude of the laser light by the ceilometer (shade band). At this time, as described above, a method was used in which the cloud base altitude was obtained by mapping on the latitude / longitude coordinates while gradually changing the assumption of the cloud base altitude to maximize the cross-correlation of the cloud stereo image. The observation equipment was installed on the roof of Building No. 6 of the National Institute of Information and Communications Technology (4-2-1 Nukui Kitamachi, Koganei City, Tokyo) and on the roof of Building 138, which is about 250 m away from it. From this comparison, it can be seen that the cloud base altitude obtained by applying the present invention to the above stereo camera and the altitude at which the scattering of the ceilometer is maximized are in good agreement.
（ハ）広範囲で雲底高度の分布を同時に計測すること
天頂に向けて設置した超広角カメラで撮影した曇天の画像には、図２のように画面全面に雲が写り込んでいる場合が多い。この時、画像を複数の小区域に区切って、それぞれの小区域ごとに上記（ロ）に記載の手法でそれぞれの雲底高度を導出する。これによって雲底高度の２次元分布を得ることができる。
(C) Simultaneously measuring the distribution of cloud base altitude over a wide area Clouds are often reflected on the entire screen as shown in Fig. 2 in cloudy images taken with an ultra-wide-angle camera installed toward the zenith. .. At this time, the image is divided into a plurality of small areas, and each cloud base altitude is derived for each small area by the method described in (b) above. This makes it possible to obtain a two-dimensional distribution of cloud base altitude.
（ニ）得られた高度の情報と、前後の画像データから得られる雲の移動ベクトルから風速を導出すること。
高山に懸かる笠雲などを除き、一般に、短時間であれば雲は局所的に形を保ったまま風に流されていくことが知られている。
この雲と風の関係を用いて、上記（ロ）や（ハ）に記載の方法で雲底高度が得られた後、雲底高度測定時に前後して撮影された画像から雲の移動ベクトルを得れば、これから雲の移動速度、すなわち雲底高度における風速・風向（つまり雲の風速・風向）を導出することができる。また、雲底高度についても時間差分を取ることによって、高さ方向への移動速度を得ることが出来る。
(D) To derive the wind speed from the obtained altitude information and the cloud movement vector obtained from the previous and next image data.
It is generally known that clouds are swept away by the wind while maintaining their local shape for a short period of time, except for the lenticular clouds that hang over high mountains.
After obtaining the cloud base altitude by the method described in (b) and (c) above using this relationship between the cloud and the wind, the movement vector of the cloud is obtained from the images taken before and after the cloud base altitude measurement. Once obtained, the moving speed of the cloud, that is, the wind speed / direction at the cloud base altitude (that is, the wind speed / direction of the cloud) can be derived. In addition, the moving speed in the height direction can be obtained by taking a time difference with respect to the cloud base altitude.
上記の説明においては、北半球の場合を念頭において説明したが、北極を南極と読み替えることで、南半球でも同様に本発明を適用できることは明らかである。 In the above description, the case of the Northern Hemisphere has been taken into consideration, but it is clear that the present invention can be similarly applied to the Southern Hemisphere by replacing the North Pole with the South Pole.
気象観測拠点や空港等において、雲底高度をモニタする装置として利用することなどが可能である。
また、広範囲の雲底の高度分布や風速・風向の分布は、積乱雲などの激しい雨をもたらす雲の発達にも関係する気象要素であり、そのデータを積乱雲の発達予想にも用いることができる。
本発明は、受動的な計測であるが、通常は夜間でも雲は市街光や月明りで照らされているため、市販のカメラで十分観測が可能である。また、雲を何らかの方法で照明することで、測定箇所を指定することができ、その照明部分の計測が容易になる。この照明は、サーチライトやレーザー光でもよい。夜間の照明には、フラッシュランプやパルスレーザーからの光を用いることができる。
It can be used as a device for monitoring cloud base altitude at meteorological observation bases and airports.
In addition, the altitude distribution of the cloud base and the distribution of wind speed and direction over a wide area are meteorological factors related to the development of clouds that cause heavy rain such as cumulonimbus clouds, and the data can be used for predicting the development of cumulonimbus clouds.
Although the present invention is a passive measurement, the clouds are usually illuminated by city light or moonlight even at night, so that they can be sufficiently observed with a commercially available camera. In addition, by illuminating the clouds in some way, the measurement location can be specified, and the measurement of the illuminated portion becomes easy. The illumination may be a searchlight or a laser beam. Light from a flash lamp or a pulse laser can be used for nighttime lighting.
また、太陽光がステレオカメラの撮像装置に直接入射することを防止するための装置として、コンピュータ制御の太陽光遮蔽装置が知られている。これは、遮蔽板で太陽光を遮るものである。上記の説明においては、説明を簡単にするために、この遮蔽版は省略しているが、これを考慮に入れることは容易である。 Further, a computer-controlled solar shielding device is known as a device for preventing sunlight from directly incident on an imaging device of a stereo camera. This is to block sunlight with a shielding plate. In the above description, this occluded version is omitted for the sake of simplicity, but it is easy to take this into account.
１ 広角カメラ
２ コントローラ
３ ネットワーク
４ａ、４ｂ、４ｃ 広角カメラシステム
1 Wide-
Claims (6)
上記広角カメラの設置位置の標高、経度および緯度が明らかであり、
上記広角カメラから出力される画像について、撮影時刻、天頂位置、方位角および天頂角が解読できる設定がなされたものであり、
（１）上記ステレオカメラで同時刻に撮影された共通の被写体の各広角カメラによる各画像から該被写体の方位角および天頂角を読み出し、
（２）上記被写体の高度を仮定して、
（３）上記の各画像について、各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角から上記被写体の経度および緯度を求め、
（４）上記被写体の経度および緯度が、各画像について所定の許容範囲での一致が確認されるまで、新たに高度を仮定して上記（３）の処理を行う、
ことを含むことを特徴とする、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。 It is a method of measuring the position and moving speed of a cloud of a subject from an optical image taken by a stereo camera in which a pair of wide-angle cameras provided at both ends of a predetermined baseline are pointed toward the zenith.
The altitude, longitude and latitude of the above wide-angle camera installation position are clear.
The image output from the wide-angle camera is set so that the shooting time, zenith position, azimuth, and zenith angle can be decoded.
(1) The azimuth angle and zenith angle of the subject are read out from each image taken by each wide-angle camera of the common subject taken at the same time by the stereo camera.
(2) Assuming the altitude of the above subject,
(3) For each of the above images, the longitude and latitude of the subject are obtained from the installation position of each wide-angle camera and the azimuth and zenith angles.
(4) The process of (3) above is performed assuming a new altitude until the longitude and latitude of the subject are found to match each image within a predetermined allowable range.
A method of measuring cloud altitude using an optical image, which comprises the above.
地心を中心とし上記（２）の高度までを半径とする球に、
各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角、および上記（２）の高度から求めた上記被写体の経度および緯度位置を、投影し、
上記球面での上記被写体の経度および緯度位置が所定の誤差内で一致するまで上記高度を調整するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。 In (4) above, the method of confirming the agreement of each image within a predetermined allowable range is as follows.
In a sphere centered on the center of the earth and with a radius up to the altitude of (2) above,
The installation position of each wide-angle camera, the azimuth and zenith angles, and the longitude and latitude positions of the subject obtained from the altitude of (2) above are projected.
The optical image according to any one of claims 1 to 3, wherein the altitude is adjusted until the longitude and latitude positions of the subject on the spherical surface match within a predetermined error. The method of measuring the altitude of the clouds used.
（１）雲の高度を求めて、雲の高度の２次元分布を計測するか、または、
（２）雲の高度、経度および緯度の２次元分布の計測を時間差を設けて行い、上記雲の高度、経度および緯度の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とする計測を行うことで風速の２次元分布を計測する、
ことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれか１つの、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。 Divide the above image into multiple sub-areas, and for each sub-area,
(1) Find the altitude of the cloud and measure the two-dimensional distribution of the altitude of the cloud, or
(2) The two-dimensional distribution of cloud altitude, longitude and latitude is measured with a time difference, the moving speed of the cloud is obtained from the time difference of the altitude, longitude and latitude of the cloud, and this moving speed is used as the wind speed. By doing so, the two-dimensional distribution of wind speed is measured,
The method for measuring the altitude of a cloud using an optical image according to any one of claims 1 to 4, wherein the altitude of the cloud is measured.
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